天然辣椒堿提取方法及在食品中應(yīng)用的研究進(jìn)展

闕小峰，黃超群，方志成，司文會(huì)

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；2.蘇州泰事達(dá)檢測技術(shù)有限公司，江蘇 吳中 215006)

食品的辛辣味覺主要來源于辣椒[1]。在辣椒中，辣椒堿(Capsaicin，C18H27NO3)是引起辛辣味覺的主要堿性呈辣物質(zhì)，含量約占0.3%～1.0%，以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，具有極高的生理藥用價(jià)值[2]。在食品加工中，辣椒堿可作為辣味添加劑，增強(qiáng)食品的辣度，促進(jìn)腸道消化吸收，起到保護(hù)胃黏膜、控制胃酸分泌的作用，還有抑菌、抗氧化、耐保藏等功效[3-6]，在食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛用途。

我國是全球辣椒種植面積第一大國，占比近40%，年產(chǎn)量4000余萬噸，年干辣椒出口量占全球出口總量的26%[7]，辣椒已成為僅次于大豆、番茄的第三大蔬菜產(chǎn)業(yè)。為促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展及辣椒堿在食品加工中的普及應(yīng)用，本文對國內(nèi)外近年來辣椒中天然堿提取的新技術(shù)、新方法及辣椒堿在食品工業(yè)中的調(diào)味、抗氧化等功能性質(zhì)應(yīng)用進(jìn)行了歸納總結(jié)，為推進(jìn)未來天然辣椒堿工業(yè)化提取純化及食品加工中調(diào)味、抗氧化等綜合性應(yīng)用提供了理論及技術(shù)指導(dǎo)。

1 辣椒堿類物質(zhì)

辣椒營養(yǎng)豐富，含有維生素C、β-胡蘿卜素、生物堿、辣椒紅素、揮發(fā)油、蛋白質(zhì)、多糖、礦物質(zhì)等成分。其中，生物堿是辣椒中的主要呈辣堿類物質(zhì)，包括辣椒堿(Capsaicin)、二氫辣椒堿(Dihydrocapsaicin)、降二氫辣椒堿(Nordihydrocapsaicin)、高辣椒堿(Homocapsaicin)等9種以上，主要以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，兩者約占辣椒總堿的93%以上。辣椒堿和二氫辣椒堿純品(分子式：C18H27NO3、C18H29NO3)均為白色晶體，易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑，不溶于冷水；其分子結(jié)構(gòu)均含有酸性酚羥基(見圖1)，能溶于強(qiáng)堿性溶液，且酰胺鍵會(huì)發(fā)生少量水解。

圖1 辣椒堿(a)、二氫辣椒堿(b)分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 The molecular formula of capsaicin (a) and dihydrocapsaicin (b)

2 辣椒生物堿的提取方法

辣椒堿的提取方法主要是利用其溶解性，傳統(tǒng)的提取方法是在酸堿、有機(jī)溶劑浸提的基礎(chǔ)上，結(jié)合微波、超聲波或超臨界CO2輔助提取，以及采用酶解輔助有機(jī)溶劑提取法來提高提取率或純度，但浸提時(shí)間長、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求嚴(yán)、能耗高和提取率低等[8]。近年來，一些新技術(shù)被應(yīng)用于辣椒堿的提取純化中，如雙水相法、水油混法相、三相鹽析法、離子液體法、壓力液體法等方法。

2.1 酸堿溶液提取法

辣椒堿分子中含有酚羥基，水解呈弱酸性，傳統(tǒng)方法常采用氫氧化鈉(NaOH)等酸堿溶液浸提，再輔以乙醇、正己烷、乙醇-乙酸乙酯等進(jìn)行離子交換分離提純辣椒堿，趙愛云等[9]利用氫氧化鈉(NaOH)溶液從辣椒精中提取辣椒堿，最優(yōu)工藝條件為料液比1∶9 (g/mL)的20% NaOH溶液，在80 ℃下浸泡2 h，最優(yōu)得率僅為84%。張世文等[10]將干辣椒粉末用1% NaOH溶液浸提，再以2% H2SO4溶液中和酸化，用正己烷萃取，制得純度82%以上的辣椒堿晶體，得率約0.9%。Rumsfield等[11]用1% NaOH溶液浸提辣椒堿粗品，用離子交換法分離提純，經(jīng)乙醇-乙酸乙酯洗脫、濃縮后，得到純度98.5%以上的辣椒堿結(jié)晶體，得率為0.6%，可見酸堿法雖簡易，但費(fèi)時(shí)、得率不高。

2.2 有機(jī)溶劑提取法

辣椒堿易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑，國內(nèi)外常以乙醇、酸堿、丙酮等浸提，輔助超聲波、微波或超臨界CO2提取的方法來提取干辣椒中的辣椒堿，以提高提取率和產(chǎn)品純度。陳淑娟等[12]采用微波輔助法從黃燈籠辣椒中提取辣椒堿，在70%乙醇、550 W微波、75 ℃下提取18 min，辣椒堿提取率達(dá)到3.89 mg/g。Yao 等[13]以乙醇為提取劑，利用超臨界CO2萃取法從干辣椒中提取80%的辣椒堿。張郁松[14]對比了有機(jī)溶劑、堿性乙醇、超聲波、酶解及超臨界流體法5種提取辣椒堿的方法，發(fā)現(xiàn)堿性乙醇法相對較佳，最優(yōu)得率為86.9%。相較于傳統(tǒng)酸堿法，有機(jī)溶劑法提取時(shí)間短、得率高且操作方便，但也存在設(shè)備投資成本高、有機(jī)溶劑消耗大、不適合工業(yè)化生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

2.3 酶解提取法

生物酶能破壞辣椒的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，增加細(xì)胞膜的通透性，有利于胞內(nèi)物質(zhì)溶出，所以也常用來提取辣椒堿性物質(zhì)，趙寧等[15]采用pH 5.4的酶解液(加酶量7.5 mg/g干辣椒)，恒溫45 ℃酶解3 h，辣椒堿提取量比丙酮浸提法提高了30%。Narasimha等[16]采用辣椒素酶催化香草素胺鹽酸鹽和壬烯酸原料，生物合成了辣椒堿，成效不高。Salgado-Roman等[17]用酶法從辣椒粉中提取辣椒堿，試驗(yàn)首先采用酶法輔助正己烷提取出類胡蘿卜素，其次采用酶法輔助乙醇提取辣椒堿類化合物，酶解45 min后細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)消失，類胡蘿卜素和辣椒堿類化合物提取率分別達(dá)96%、85%。相對來說，酶法提取辣椒堿比有機(jī)溶劑輔助超聲波、微波等技術(shù)成本低、能耗少、快捷高效，但存在酶對溫度、pH的要求較高，目前適合于實(shí)驗(yàn)室研究，不利于工業(yè)大規(guī)模化生產(chǎn)，可作為未來工業(yè)上提取辣椒堿的一個(gè)新方向進(jìn)行深入研究。

2.4 雙水相提取法

雙水相體系(aqueous two phase system，ATPS)提取法是利用兩種高聚物之間或高聚物與無機(jī)鹽之間在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙舛纬傻幕ゲ幌嗳艿膬伤囿w系萃取技術(shù)(aqueous two phase extraction，ATPE)，如聚二乙醇(PEG)/葡聚糖(DEX)、PEG/無機(jī)鹽、小分子有機(jī)溶劑/無機(jī)鹽。由于雙水相體系萃取條件溫和、界面張力低、自然分相時(shí)間短、分配系數(shù)可控，可連續(xù)化、集成化生產(chǎn)，近年來國內(nèi)外逐漸興起采用雙水相體系來提取辣椒堿。Zhao Peipei等[18]使用含有鹽和親水性醇的ATPE體系，分別結(jié)合D101大孔樹脂和廉價(jià)的SKP-10-4300反相樹脂兩種色譜法提取純化辣椒堿，回收率分別為93%和80%，工業(yè)化日產(chǎn)量可達(dá)1.86，4.2 g/L(辣椒素/樹脂)。夏昊云等[19]以β-環(huán)糊精、硫酸鈉構(gòu)成雙水相萃取體系，在0.5 g β-環(huán)糊精、0.1 g無水硫酸鈉、料液比1∶10(g/mL)、45 ℃溫度下萃取30 min，辣椒堿萃取率可達(dá)86%。Fan Yong等[20]使用由環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷(EOPO)共聚物、鹽及乙醇組成的雙相水溶液(ATPS)從辣椒油樹脂中提取得率為95.5%的辣椒堿，經(jīng)進(jìn)一步純化后，辣椒堿的回收率和純度達(dá)88.0%、85.1%。范勇等[21]采用L44/Na2CO3雙水相體系提取辣椒堿，結(jié)果顯示：雙水相為10 g 20%∶20%∶1%的L44/Na2CO3/乙醇體系，辣椒堿提取得率達(dá)95.6%。

2.5 水油混相提取法

國內(nèi)有企業(yè)改進(jìn)雙水相體系溶液成本高的缺點(diǎn)，采用水和食用植物油組成的乳化體系[22]，以干辣椒為原料，采用高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理物料，最佳預(yù)處理工藝條件為辣椒粗粉水油乳化液加濕量20%、溫度150 ℃、轉(zhuǎn)速300 r/min，促進(jìn)干辣椒中有效成分溶出；再輔以乙醇-微波法，料液比1∶20(g/mL)、微波功率600 W、浸提2.0 h下提取辣椒堿，辣椒堿單次萃取率達(dá)到79.6%，3次理論得率接近99.14%。該方法操作中先采用高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理干辣椒物料，在高壓轉(zhuǎn)子泵連續(xù)工作下，產(chǎn)生了較高真空(-0.02～-0.08 MPa)和排放壓力(0.2 MPa)形成的抽提壓差下的高剪力、高壓力和高溫度，使干辣椒物料細(xì)胞破壁破碎，經(jīng)歷反復(fù)破碎、分解、解聚、混合、精細(xì)均質(zhì)、乳化過程，加速了物料成分在水油混相液中的溶解度和溶解速度，物料使用率達(dá)到100%，相較于傳統(tǒng)辣椒堿提取工藝浸提時(shí)間長、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求嚴(yán)、能耗高和提取率低等的缺點(diǎn)，該法成本更低、節(jié)能、環(huán)保、省時(shí)、高效，在工業(yè)化生產(chǎn)上取得了較好的試驗(yàn)效果。

2.6 多相鹽析萃取法

鹽析萃取是一種新興的綠色萃取技術(shù)[23-24]，特別是多相鹽析萃取技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到天然產(chǎn)物有效成分的提取中，如丙酮/K2HPO4/N-己烷三液相體系(three-liquid-phase system，TLPS)。如Dang Y Y等[25]采用丙酮/K2HPO4/N-己烷的TLPS分離辣椒紅素和辣椒堿，兩者產(chǎn)率分別為常規(guī)溶劑提取的105%和88%。范三紅等[26]采用石油醚-乙腈-K2HPO4組成TLPS分離辣椒堿，最優(yōu)條件下辣椒堿提取量為1.412 mg/g干辣椒。可見多相鹽析技術(shù)應(yīng)用于辣椒堿萃取，條件溫和簡便、成效顯著。

2.7 其他提取法

資料顯示，以不同的離子液體、離子液體與表面活性劑或無機(jī)鹽組成萃取體系來提取辣椒堿效果顯著。Lau B B Y等[27]用1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽([EMIM]HSO4, C6H12N2O4S)離子液體提取辣椒堿，提取條件為溫度50 ℃、時(shí)間1 h、固液比1∶5(g/g)，提取得率優(yōu)于使用堿性乙醇或有機(jī)溶劑提取法。Bajer等[28]應(yīng)用壓力流體法提取辣椒堿，采用高壓熱水二次法(20 MPa、200 ℃、第1次10 min和第2次20 min)提取辣椒堿類化合物，與傳統(tǒng)提取法相比，辣椒堿和二氫辣椒堿分別為 119%、103%。此外，還有豆甲立等的離子液體雙水相法[29]和余永昊等的固相萃取法[30]，均取得了較好的提取成效。

綜上可見，傳統(tǒng)的酸堿法、有機(jī)溶劑法雖然操作簡單，但產(chǎn)品雜質(zhì)多、純化難、成本高、易造成污染；超聲波、微波、酶解等輔助技術(shù)更適合于實(shí)驗(yàn)室研究；超臨界CO2萃取法雖然萃取得率高，但一次性儀器設(shè)備投資較大，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。雙水相萃取法、多相鹽析技術(shù)萃取法、離子液體法等新技術(shù)的應(yīng)用，一定程度上提高了天然辣椒堿的得率，減少了產(chǎn)物雜質(zhì)，便于食品工業(yè)上安全使用，有較好的應(yīng)用前景，但實(shí)際應(yīng)用中也要考慮工藝、成本、分離提純工序等問題，特別是以上提取研究體系總體偏向于實(shí)驗(yàn)室體系，而并非產(chǎn)業(yè)鏈端試車環(huán)境，在后續(xù)的放大試驗(yàn)過程中中試乃至正式投產(chǎn)均存在工藝放大以及物料成本核算等問題有待進(jìn)一步精進(jìn)和解決。因此，在辣椒精深產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)中，要綜合考慮設(shè)備投資少、操作工藝簡單、提取試劑易處理、提取得率高等因素，選擇適宜的提取工藝，促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

3 辣椒堿在食品中的應(yīng)用研究

3.1 調(diào)味功能

辣味是辣椒重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其辣味物質(zhì)主要由辣椒堿、二氫辣椒堿、降二氫辣椒素等辣椒堿性同類物質(zhì)產(chǎn)生。人們感覺到的辣味主要是由辣椒堿類物質(zhì)刺激神經(jīng)引起的痛覺。食品中添加的辣味物質(zhì)量適中，不僅有利于食品增辣，而且給食用者帶來愉悅的感覺。食品加工中，以辣椒堿替代鮮或干辣椒添加到辣醬食品中，辣椒堿在低鹽濃度(≤15%)下較穩(wěn)定，而高鹽濃度(≥35%)對其破壞作用較大，且隨著鹽濃度的不斷升高，辣堿度下降趨勢越顯著。酸堿性條件下，弱酸至中酸性(pH值4.0～7.2)范圍內(nèi)食品中辣椒堿辣度相對穩(wěn)定；強(qiáng)酸(pH值3.5～2.0)和強(qiáng)堿(pH值9.0～11.0)下辣椒堿辣度顯著降低，原因在于辣椒堿易結(jié)晶析出，不利于食品增辣。食品加熱溫度上，隨著溫度的上升(≥200 ℃)，食品中辣椒堿含量顯著降低，表明高溫破壞了辣椒堿的結(jié)構(gòu)，使得食品辣度明顯降低。因此，食品加工中添加辣椒堿作為辣味源時(shí)，應(yīng)盡量低鹽、中酸性和低溫加工，食品辣味較為明顯。

依據(jù)Scoville指數(shù)對辣椒及其制品辣度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，食品加工中，在同等條件下，干辣椒(辣度6818，達(dá)6級(jí))添加量為10%～15%，辣椒堿僅為0.01%～0.50%，可達(dá)到同等辣度。如湖南壇壇香剁椒，辣度值為2107，達(dá)到辣味4級(jí)，干辣椒添加量為13.0%或辣椒堿添加量為0.32%，有助于辣醬產(chǎn)品的辣度控制和辣椒堿的消化吸收。因此，在我國辣椒傳統(tǒng)加工產(chǎn)品如辣椒粉、剁辣椒、辣椒油、辣椒醬中，通過添加辣椒堿的方式增辣，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)干辣椒同等的辣度需求，有益于維持人體正常生理功能和增強(qiáng)人體抵抗力，而且用量更少、成本更低，相對于同等食品辣味添加劑(辣椒精、辣椒紅)更加安全健康[31-32]。

3.2 抑菌作用

研究顯示，辣椒堿對食品生產(chǎn)具有抑菌作用。魏玉西等[33]以純度96%的辣椒堿晶體，采用平板空穴擴(kuò)散法考察了辣椒堿的抑菌效果，結(jié)果顯示：辣椒堿對廣譜細(xì)菌有較強(qiáng)抑制活性，但對霉菌較弱；濃度低于0.0125 mg/mL的，辣椒堿的抑菌活性效果不明顯。吳影等[34]通過濾紙片擴(kuò)散法考察了辣椒堿對酵母菌、細(xì)菌、霉菌等7種菌株的抑菌效果，結(jié)果表明，辣椒堿的抑菌能力依次為金黃色葡萄球菌>枯草芽孢桿菌>大腸桿菌>啤酒酵母>葡萄酒酵母>黑曲霉>青霉，且抑菌活性能在較寬的溫度和pH變化范圍內(nèi)發(fā)揮顯著作用。袁楊斌等[35]研究了體外條件下辣椒堿對鴨源性大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果和抗氧化能力，結(jié)果顯示辣椒堿對它們的抑菌效果明顯。

3.3 清除自由基抗氧化作用

食品安全問題已成為世界性問題，食品中人工化學(xué)合成抗氧化劑(BHA、BHT、PG、TBHQ等)對人體積累可能產(chǎn)生的健康問題日益受到人們的關(guān)注，尋求天然植物抗氧化劑顯得尤為重要。研究顯示，天然辣椒堿類提取物具有與BHT相當(dāng)?shù)目寡趸ЧＭ鯄舻萚36]在考察了辣椒堿、二氫辣椒堿和降二氫辣椒堿3種單體對羥基自由基(·OH)和超氧陰離子自由基(O2-·)的清除率和抗氧化效果后，發(fā)現(xiàn)3種單體均表現(xiàn)出較好的·OH、O2-·自由基清除能力，且辣椒堿單體的抗氧化能力最強(qiáng)。Si等[37]制備了載有辣椒素(堿)的中孔二氧化硅納米顆粒并開展了其在肉類防腐中的抗氧化性研究，結(jié)果表明辣椒素在抑制食品中大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病菌方面具有效果，可見辣椒堿具有VC、VE相當(dāng)?shù)淖杂苫宄涂寡趸芰ΑＴ谑称饭I(yè)中，以辣椒堿為主要原料，開發(fā)天然、低毒、高效、安全的“綠色”抗氧化劑，有望替代人工合成抗氧化劑，成為食品抗氧化劑發(fā)展的新趨向，對解決食品在貯藏加工中氧化變質(zhì)問題具有重要意義。

3.4 對酶的抑制作用

研究顯示，鮮辣椒果實(shí)乙醇提取物辣椒堿對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶表現(xiàn)出最高的抑制作用及抗氧化活性[38]，且對α-葡萄糖苷酶的抑制作用最強(qiáng)，IC50(半抑制濃度)為225 μg/mL。電鏡掃描顯示，辣椒堿通過疏水作用、氫鍵和電荷與氨基酸殘基結(jié)合在α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶上。高濃度的辣椒堿協(xié)同酚類化合物和黃酮等其他化合物使鮮辣椒表現(xiàn)出較顯著的酶抑制活性和抗氧化性能。因此，鮮辣椒是天然抗氧化劑和α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶抑制劑的潛在來源，可應(yīng)用于食品加工中。

3.5 對蟲害的防治作用

辣椒堿的辛辣風(fēng)味對食品儲(chǔ)藏過程中蟲害的防治也有一定的功效，陳謙等[39]通過對辣椒堿防治儲(chǔ)糧蟲害效果的研究，發(fā)現(xiàn)8.0 mg/mL辣椒堿對赤擬谷盜、谷蠹有較好的驅(qū)避效果；2種害蟲對0.1%濃度辣椒堿處理過的糙米有拒食現(xiàn)象，糧食損失量分別為對照組的43.17%、41.59%。歐陽建勛等[40]以2%辣椒堿-乙醇溶液添加到糙米中，辣椒堿濃度達(dá)4，2 g/kg糙米時(shí)，玉米象、赤擬谷盜分別出現(xiàn)明顯的拒食現(xiàn)象；30 d內(nèi)，玉米象和赤擬谷盜的糙米蟲損率分別為對照組的26.4%、35.4%和24.8%、30.6%。在害蟲增殖上，0.5 g/kg的辣椒堿添加劑量的糙米中玉米象、赤擬谷盜的增殖數(shù)量僅為對照組的9.23%、26.1%；當(dāng)辣椒堿添加劑量濃度達(dá)2 g/kg時(shí)，玉米象的增殖存活數(shù)僅1頭，赤擬谷盜的增殖存活數(shù)為0，可見辣椒堿的添加使糙米中蟲害的增殖受到了明顯抑制。

4 結(jié)論

文章詳述了近年來天然辣椒堿提取的新技術(shù)和新方法，特別是具有工業(yè)化應(yīng)用前景的新技術(shù)、新工藝，如雙水相萃取技術(shù)、高壓水油混相萃取技術(shù)及三相鹽析萃取技術(shù)等，分析了各種提取方法的利弊，便于科研人員、企業(yè)選擇；同時(shí)，對辣椒堿在食品工業(yè)上的調(diào)味、抑菌、抗氧化、抑制酶作用及糧食蟲害防治等功能性應(yīng)用進(jìn)行了概述，為未來辣椒堿工業(yè)化提取純化、食品加工中辣椒堿的綜合開發(fā)利用提供了相關(guān)的理論依據(jù)及技術(shù)支持。

我國是辣椒生產(chǎn)加工、出口的大國，辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅苯穳A在食品工業(yè)上具有很高的科研和開發(fā)價(jià)值，但其研發(fā)深度和精度相對不夠，尤其是辣椒堿功能性精深加工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)、天然辣椒堿功能性食品的開發(fā)都有待進(jìn)一步提升，并積極引導(dǎo)研究成果向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也是辣椒堿未來研究的重要方向。