熱浸法提取辣椒堿的工藝研究

張曉旭劉紅芹周錫欽嚴 江徐寶財

(1. 北京工商大學食品學院，北京 100048；2. 北京市食品風味化學重點實驗室﹝北京工商大學﹞， 北京 100048；3. 食品添加劑與配料北京工程研究中心﹝北京工商大學﹞，北京 100048； 4. 北京味食源食品科技有限責任公司，北京 101200)

辣椒(CapsicumfrutescenceL.)又稱番椒、秦椒，屬茄科辣椒屬植物[1]。辣椒含有多種有效成分，其中辣味成分主要為辣椒堿。它是一種含有酚羥基的生物堿，室溫條件下為白色晶體，可溶于乙醇、丙酮等有機溶劑中[2]。高純度的辣椒堿具有消炎[3]、抑菌[4]、鎮痛[5]、殺蟲[6]等功效，被廣泛應用于醫藥行業。目前，辣椒堿的提取方法主要有：水浴浸提法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法以及超臨界CO2提取法[7-9]。但目前有關辣椒堿的微波、超聲輔助提取法還不能將其規模化并應用到實際工業生產中。超臨界 CO2萃取工藝也存在技術條件設計困難、前期投資成本和運營成本高等不足之處[10]。浸出法是目前應用廣泛且比較成熟的技術，也是目前國際上公認的最先進的生產工藝[11-12]。其優點是勞動強度低、質量較好，可以大規模生產。其中熱浸提法是最常用的方法之一，目前已有學者利用熱浸法提取多種活性物質，如多酚[13]、多糖[14]、葉綠素[15]、黃酮[16]等。但迄今為止，關于熱浸法提取辣椒中辣椒堿的研究還未見報道。

本研究擬采用熱浸法從朝天椒中提取辣椒堿類物質，利用高效液相色譜法(HPLC)分析其含量，并通過單因素和正交試驗對熱浸法提取辣椒堿的工藝參數進行優化和分析，旨在為今后辣椒堿的生產工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

朝天椒、線椒、尖椒、杭椒、大豆油、壓榨花生油、葵花籽油：市售；

乙醇、甲醇：分析純，北京化工廠。

1.2 儀器與設備

恒溫水浴鍋：B-220 型，上海亞榮生化儀器廠；

高效液相色譜儀：Agilent 1200型，美國安捷倫科技公司；

電熱鼓風干燥機：GZX-9140MBE型，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；

離心機：GZX-9140MBE型， 中鏡科儀技術有限公司；

循環水式多用真空泵：SHB-Ⅲ型，鄭州長城科工貿易有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 熱浸法提取辣椒堿 稱取切碎的辣椒(邊長0.5 cm)10 g，60 ℃的葵花籽油漂燙，用適量70%乙醇溶液室溫潤濕10 min，再立即加入40 ℃的70%乙醇溶液30 mL，在此溫度下提取3 h，過濾，濾液以2 000 r/min 離心5 min，吸取上清液，測定辣椒堿的含量。

1.3.2 辣椒堿含量的測定 采用HPLC法。檢測條件：色譜柱為反相C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)。檢測器為紫外檢測器，檢測波長為280 nm，甲醇—水(80∶20，體積比)溶液等度洗脫，流速為1 mL/min，柱溫為35 ℃，進樣量為10 μL。外標法測定胡椒堿的含量，胡椒堿的提取率按式(1)計算：

(1)

式中：

Y——辣椒堿提取率，%；

C1——提取液中的辣椒堿含量，mg；

C2——辣椒的質量，mg。

1.3.3 精密度試驗 取同一樣品提取液連續進樣6 次，對提取液中的辣椒堿進行分析，記錄峰面積。

1.3.4 重復性試驗 取同一供試樣品溶液，平行測定6次，考察HPLC 測定的重復性[17]。

1.3.5 穩定性試驗 取某一樣品溶液1.0 mL，按上述方法操作，分別于第 10，30，50，70，90，130 min測定1次峰面積。

1.3.6 加標回收率 精確稱量10.0 mg辣椒堿標品，置于干燥器中干燥過夜，然后置于10 mL容量瓶，加適量甲醇，超聲溶解，再加甲醇定容，配制對照品溶液。采用加樣回收法，取切碎辣椒樣品，設計 6 組平行試驗，每組3份分別添加0.20，0.30，0.40 mL 對照品溶液，按1.3.1項所描述進行樣品處理后，進行HPLC測定，計算回收率。

1.4 提取工藝條件的優化

1.4.1 單因素試驗設計

(1) 辣椒品種：以葵花籽油為漂燙油，在辣椒邊長0.5 cm，漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h條件下，考察不同辣椒種類(尖椒、杭椒、線椒、朝天椒)對辣椒堿提取率的影響。

(2) 漂燙溫度：以朝天椒為原料，葵花籽油為漂燙油，在辣椒邊長0.5 cm，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h條件下，考察漂燙溫度(20，40，60，80，100，120，140，160，180 ℃)對辣椒堿提取率的影響。

(3) 漂燙油：以朝天椒為原料，在辣椒邊長0.5 cm，漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h條件下，考察不同油脂(大豆油、葵花籽油、壓榨花生油)漂燙對辣椒堿提取率的影響。

(4) 切碎程度：以朝天椒為原料，葵花籽油為漂燙油，在漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h條件下，考察切碎程度(塊狀辣椒的邊長分別為0.25，0.50，1.00，1.50，2.00 cm)對辣椒堿提取率的影響。

(5) 浸提溫度：以朝天椒為原料，葵花籽油為漂燙油，在辣椒邊長0.5 cm，漂燙溫度60 ℃，浸提時間3 h條件下，考察浸提溫度(20，30，40，50，60 ℃)對辣椒堿提取率的影響。

(6) 浸提時間：以朝天椒為原料，葵花籽油為漂燙油，在辣椒邊長0.5 cm，漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃條件下，考察浸提時間(1，2，3，4，5 h)對辣椒堿提取率的影響。

1.4.2 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上，以辣椒堿提取率為評價指標，選擇對辣椒堿提取率效果影響較大的因素設計正交試驗，優化熱浸法提取辣椒堿的最佳工藝參數。

1.5 數據處理

所有試驗重復3次，結果以平均值表示，采用 Spass統計軟件進行數據分析，Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

利用HPLC法繪制的辣椒堿的標準曲如圖1所示，線性方程為y=4 270.6x-10.564(r2=0.999 9)，線性范圍為 0.01～0.50 mg/mL。

2.2 單因素試驗

2.2.1 辣椒品種的影響 由圖2可知，朝天椒樣品提取液得到的辣椒堿的提取率最大。因此，選定朝天椒作為本試驗的試驗材料。

圖1 辣椒堿標準曲線

圖2 不同品種辣椒中辣椒堿提取率的比較

2.2.2 漂燙的影響 由圖3 可知，漂燙之后辣椒堿的提取率有明顯的提高，可能是漂燙有利于殺滅辣椒的酶系，從而促進辣椒堿的釋放。同時，辣椒堿提取率隨漂燙溫度的升高先增加后降低(圖4)，漂燙溫度為60 ℃時，提取率最高，可能是當溫度較高時容易破壞辣椒的細胞結構，從而使辣椒堿更容易溶出，但當溫度過高時，辣椒堿可能會發生部分分解從而導致辣椒堿的提取率降低[18]。

圖3 漂燙工藝對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

圖4 漂燙溫度對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

2.2.3 漂燙油脂的影響 圖5顯示，使用葵花籽油進行漂燙，辣椒堿的提取效果最好。因此，選取葵花籽油作為辣椒前處理的漂燙油脂。

圖5 漂燙油脂對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

2.2.4 朝天椒切碎程度的影響 由圖6可知，在一定的破碎程度范圍內，隨著辣椒塊的減小，辣椒堿的提取率先增加后降低，當辣椒塊邊長為0.5 cm時，提取率最高。可能是辣椒塊的尺寸越小，物料與有機溶劑的接觸面積就越大，辣椒堿的滲透作用就較為明顯，有利于辣椒堿的溶出[19]，但過小的辣椒尺寸可能導致提取液中雜質的溶出較多，導致分離純化困難[20]。

圖6 切碎程度對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

2.2.5 浸提溫度的影響 如圖7所示。隨浸提溫度的升高，辣椒堿的提取率先增加后降低，當浸提溫度為40 ℃時，提取率最高。這是由于溫度升高可加劇分子間的熱運動[21]，增加辣椒中辣椒堿物質的溶出率，而溫度升高，會加速乙醇揮發而影響提取效果，同時過高的溫度可能會破壞辣椒堿的結構，而使得辣椒堿的提取率下降[22]。

2.2.6 浸提時間的影響 浸提時間對朝天椒中辣椒堿提取率的影響如圖8所示。浸提時間與浸提溫度對辣椒堿提取率的影響是一致的，且是聯動的，隨著浸提時間的延長，辣椒堿的提取率同樣是先增加后降低，且提取率在2～3 h時增加的較多，當提取時間為3 h時，提取率達到最高。這可能是提取時間的延長使提取溶劑有足夠的時間與辣椒作用，從而有利于辣椒堿的溶出[23]，且在初始的時間里，辣椒堿類物質已基本被完全溶出，同時過長的提取時間還可能增加雜質的溶出量[9,24]。

圖7 浸提溫度對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

圖8 浸提時間對朝天椒中辣椒堿提取率的影響

2.3 正交試驗

正交試驗的因素與水平見表1。

2.3.1 正交試驗結果 選定葵花籽油作為辣椒前處理的漂燙油脂，在單因素試驗的基礎上，對辣椒堿提取率影響效果較大的4個因素——漂燙溫度、浸提溫度、浸提時間以及切碎程度進行正交優化試驗，試驗結果見表2。

表1 正交試驗的因素與水平

表2 正交試驗結果

由表2可見，最優的水平組合為A2B2C3D1，即漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間4 h，辣椒塊邊長 0.25 cm，此時朝天椒中辣椒堿的提取率為0.23%，且各因素對辣椒堿的提取率影響的主次順序為：漂燙溫度>切碎程度>浸提溫度>浸提時間。另外，由正交試驗預測的最優方案為A2B2C2D2和A2B2C3D2，這2種方案并未出現在已有的試驗方案中，因此對這2種方案進行驗證實驗，試驗結果如表3所示。由表3可見，當試驗方案為A2B2C2D2時，即漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h，辣椒塊邊長0.5 cm，辣椒堿的提取率最大，可達0.27%。對優化后的熱浸法和有關朝天椒中辣椒堿粗提取的傳統提取方法如乙醇回流法、超聲輔助有機溶劑法、堿性乙醇法及其他提取方法如減壓內部沸騰法[25-27]進行比較，辣椒堿提取率對比見表4。由表4可知，采用熱浸法從朝天椒中提取辣椒堿的提取率有明顯提高。

2.3.2 精密度及重復性 精密度及重復性試驗表明，辣椒堿提取液的HPLC 分析結果相對標準偏差RSD分別為0.54%和0.76%，表明儀器精密度良好，符合試驗要求。

表3 驗證實驗結果

表4 采用不同工藝從朝天椒中提取辣椒堿的提取率

2.3.3 穩定性及加標回收率穩定性試驗 結果顯示，RSD為1.02%，供試樣品在130 min內穩定性良好。在空白的朝天椒樣品進行加標回收試驗，回收率為98.56%～99.71%，相對標準偏差RSD為0.69%～0.94%(表5)，表明該方法可以滿足對辣椒堿樣品的分析測試要求。

表5 添加回收率結果

3 結論

本試驗利用熱浸法提取朝天椒中的辣椒堿，從傳質角度看，辣椒中辣椒堿浸提過程是辣椒堿從辣椒(固相)向溶液(液相)進行擴散的兩相間傳質過程，即溶劑滲透進入辣椒細胞內部，內部辣椒堿被溶劑溶解后向辣椒細胞表面擴散，以及辣椒堿由辣椒細胞表面向溶液主體擴散3個過程同時發生。對于辣椒堿的提取，辣椒細胞內辣椒堿的溶解可在瞬間完成，而辣椒堿在辣椒細胞顆粒內外的擴散過程相對于滲透和辣椒堿溶解是一個較慢的過程，其在熱浸提中起主要作用。通過對辣椒進行一系列前處理，促進辣椒堿的溶出，以期增大后期有機溶劑的辣椒堿的溶解率，同時對后續的試驗條件進行優化，最大化地促進辣椒堿在辣椒細胞顆粒內外的擴散過程，從而提高辣椒堿的提取率。通過試驗優化出的熱浸法提取朝天椒中辣椒堿的最佳工藝條件為：漂燙溫度60 ℃，浸提溫度40 ℃，浸提時間3 h，辣椒塊邊長0.5 cm，此時辣椒堿的提取率可達0.27%。與傳統的乙醇回流法、超聲輔助有機溶劑法、堿性乙醇法及其他朝天椒中辣椒堿的提取方法如減壓內部沸騰法相比，辣椒堿的提取率都有明顯提高。

有關辣椒堿的提取方法有很多，本試驗提供了一種新型的辣椒堿的提取方法，但該方法也存在一些問題，如提取時間較長、有機溶劑的殘留等，后期可通過微波、超聲輔助等方法提高提取效率，并減少有機溶劑的使用量，以切實為辣椒堿的工業化生產和應用提供指導。