天然辣椒生物堿的提取方法及其應用研究進展

闕小峰 ，余雁，方志成，徐良

1. 蘇州農業職業技術學院（蘇州 215008）；2. 蘇州泰事達檢測技術有限公司（蘇州 215006）；3. 江蘇省生鮮農產品保鮮工程技術研究開發中心（蘇州 215008）

辣椒（Capsicum annuumL.）是茄科辣椒屬一年生草本植物[1-2]，全球種植總面積約366.67萬 hm2，集中在溫帶、熱帶、亞熱帶地區，年產量6 000余萬 t，是世界第三大蔬菜作物，僅次于豆類、番茄。我國是全球辣椒種植面積第一大國，占比近40%，年產量達60%，年干辣椒出口占全球出口總量的26%。隨著辣椒消費量逐年攀升，辣椒深加工產品的綜合開發利用日益加大。在食品加工中，從辣椒中提取辣味堿類物質作為辣味添加劑，有利于食品辣度控制和辣椒堿消化吸收，發揮辣椒堿類物質保護胃黏膜、控制胃酸分泌[3-4]、抑菌防腐[5]、減肥保健[6]、抗氧化[7-8]、抑制酶、耐保藏等功效，在食品、化工、醫藥、軍事等行業[9]具有廣泛用途，因此，辣椒成為世界上發展前景優良的經濟作物之一。

為促進辣椒產業的健康發展及辣椒深加工產品的普及應用，從國內外近幾年辣椒中天然辣椒生物堿提取的新技術、新方法，以及辣椒生物堿在食品工業上的功能性應用角度出發進行歸納總結，為天然辣椒生物堿工業化提取純化及綜合開發應用提供理論依據及技術支持。

1 辣椒生物堿類物質

辣椒營養豐富，含有維生素C、β-胡蘿卜素、生物堿、辣椒紅素、揮發油、蛋白質、多糖、礦物質等成分。其中，生物堿是辣椒中的主要呈辣堿類物質，包括辣椒堿（capsaicin）、二氫辣椒堿（dihydrocapsaicin）、降二氫辣椒堿（nordihydrocapsaicin）、高辣椒堿（homo-capsaicin）等9種，主要以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，兩者占辣椒總堿的93%以上。辣椒中辣椒總堿含量因辣椒品種不同而略有差異，約占辣椒干重的0.3%~1.0%[10]。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、乙醚等有機溶劑，不溶于冷水；在其分子結構均含有酸性酚羥基（圖1），能溶于堿性溶液，且酰胺鍵會發生少量水解。

圖1 辣椒堿（a）、二氫辣椒堿（b）分子式

2 辣椒生物堿的提取方法

天然辣椒生物堿的提取，主要是利用其溶解性。傳統的提取方法是在酸堿、有機溶劑浸提基礎上，結合微波、超聲波或超臨界二氧化碳（CO2）輔助提取，以及采用酶解輔助有機溶劑提取法來提高提取率或純度，但有浸提時間長、工藝復雜、設備要求嚴、能耗高和提取率低等缺點[11-12]。近年來，一些新技術被應用于辣椒生物堿的提取純化中，如雙水相體系法、水油混相浸提法和三相鹽析、離子液體、壓力液體提取等方法。

2.1 氫氧化鈉浸提法

辣椒堿分子中含有酚羥基，水解呈弱酸性，常采用氫氧化鈉（NaOH）溶液處理辣椒粉末，調節pH或輔以乙醇、正己烷等進行離心分離制備得到辣椒堿粗制品，如趙愛云等[13]和張世文等[14]分別利用料液比1∶9（g/mL）的20% NaOH溶液和1% NaOH溶液浸提辣椒精和干辣椒粉末，辣椒堿得率約為0.84%和0.9%。Rumsfield等[15]用1% NaOH溶液浸提辣椒堿粗品，用離子交換法分離提純，經乙醇-乙酸乙脂洗脫、濃縮后，得到純度98.5%以上的辣椒堿結晶體，得率為0.6%。可見，酸堿法雖簡易，但費時、得率不高。

2.2 有機溶劑法

利用辣椒生物堿易溶于有機溶劑的特性，國內外常以甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等浸提辣椒粉末，再輔以微波、超聲波或超臨界CO2技術來提取純化辣椒堿，以提高得率和成品純度。如趙亞平[16]以10%~15%的乙醇夾帶劑進行超臨界CO2萃取辣椒粉中的辣椒堿，萃取液再經濃縮、結晶等處理，制得純度達96%的辣椒堿。Chuichulcherm等[17]以99.5%乙醇浸提辣椒粉，分別采用索氏提取、超聲波輔助和微波輔助提取3種方法提取辣椒堿，提取率分別為0.524%，0.528%和0.401%，超聲波輔助乙醇法提取效果最佳。此外，張郁松[18]對比了有機溶劑、堿性乙醇、超聲波、酶解及超臨界流體法這5種提取辣椒堿的方法，結果發現堿性乙醇法相對較佳，最優得率為86.9%。相較于傳統酸堿法，有機溶劑法提取時間短、得率高且操作方便，但也存在設備投資成本高、有機溶劑消耗大、不適合工業化生產等缺點。

2.3 生物酶解法

辣椒生物堿存在于辣椒皮粉纖維組織中，纖維素酶、辣椒素酶等生物酶能破壞辣椒細胞壁，增加細胞膜通透性，有利于胞內物質溶出，所以也常用來提取辣椒生物堿類物質。劉玉[19]探究了纖維素酶提取干紅辣椒中辣椒堿的酶解最佳條件，產量相對于傳統溶劑提取法提高了30%，萃取速率快、效率高。Salgadoroman等[20]利用酶法輔助乙醇提取辣椒粉中的辣椒堿類化合物，酶解45 min樣品后細胞壁結構消失，辣椒堿類化合物提取率達85%。趙寧等[21]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30%。Narasirnha等[22]采用辣椒素酶催化香草素胺鹽酸鹽和壬烯酸原料，生物合成辣椒堿，成效不高?？梢?，生物酶法提取辣椒堿，比酸堿、有機溶劑法成本低、能耗少，快捷高效，但存在酶對溫度、pH的要求較高，適合于實驗室研究，不利于工業大規?；a，可作為工業上提取辣椒堿新的研究方向。

2.4 雙水相提取法

雙水相體系（aqueous two phase system，ATPS）是兩種不相溶的聚合物溶液或聚合物溶液與鹽相互混合達到一定臨界濃度時，形成互不相溶的兩相體系，以此形成雙水相提取技術（aqueous two phase extraction，ATPE），常見的雙水相體系為聚二乙醇（PEG）/葡聚糖（DEX）、PEG/無機鹽、小分子有機溶劑/無機鹽等。由于雙水相體系萃取條件溫和，界面張力低，自然分相時間短，分配系數可控，可連續化、集成化生產，近年來國內外逐漸興起采用雙水相體系來提取辣椒堿。如Zhao等[23]使用含有鹽和親水性醇的ATPE體系，分別結合D101大孔樹脂和SKP-10-4300反相樹脂以色譜法提取純化辣椒堿，回收率分別為93%和80%，工業化日產量可達1.86 g/L和4.2 g/L（辣椒堿/樹脂）。Fan等[24]使用由環氧乙烷-環氧丙烷（EOPO）共聚物、鹽及乙醇組成的雙水相溶液（ATPS）從辣椒油樹脂中提取得率95.5%辣椒堿，經進一步純化后，辣椒堿回收率和純度達88.0%和85.1%。夏昊云等[25]以β-環糊精、硫酸鈉構成雙水相萃取體系，在0.5 gβ-環糊精、0.1 g無水硫酸鈉、料液比1∶10（g/mL）、45 ℃溫度的條件下萃取30 min，辣椒堿萃取率可達86%。范勇等[26]采用20%∶20%∶1%的L44/Na2CO3/乙醇雙水相體系提取辣椒堿，提取得率可達95.6%?？梢?，雙水相提取有利于工業化上技術連續化、集成化生產，減少單元操作過程，但也存在設備一次性投資大、成本高、提取液殘留等問題。

2.5 水油混相提取法

目前，國內有企業以水和食用植物油組成的乳化體系[27]改進雙水相體系溶液成本高的缺點，采用高壓水油混相浸提技術預處理干辣椒粉末，在水油乳化液加濕量20%、溫度150 ℃、轉速300 r/min預處理后，再以微波輔助乙醇法，以料液比1∶20（g/mL）、微波功率600 W、浸提2.5 h下提取辣椒堿，最佳提取率0.398%/干辣椒，辣椒堿單次萃取率達到79.6%，3次理論得率接近99.14%。該方法先采用高壓水油混相浸提技術預處理干辣椒物料，在高壓轉子泵連續工作下，產生了較高真空（-0.08~-0.02 MPa）和排放壓力（0.2 MPa）形成的抽提壓差，以高剪力、高壓力和高溫度使干辣椒細胞破壁[28]，經歷反復破碎、分解、解聚、混合、精細均質、乳化過程，加速物料成分在水油混相液中的溶解速度，物料使用率達到100%，相較于傳統辣椒堿提取工藝浸提時間長、工藝復雜、設備要求嚴、能耗高和提取率低等缺點，該法成本更低，節能、環保、省時、高效，在工業化生產上已取得較好的試驗效果。

2.6 多相鹽析萃取法

多相鹽析萃取是一種新興的綠色萃取技術[29]，利用物質在有機溶劑與鹽構成的互不相溶的多相中的溶解度不同而實現分離的方法，如丙酮/K2HPO4/N-己烷形成三液相鹽析萃取體系（three liquid phase system，TLPS），被廣泛應用于天然產物有效成分的提取中[30]。如Dang等[31]采用丙酮/K2HPO4/N-己烷的TLPS體系，分離提純辣椒紅素和辣椒堿，兩者產率分別為常規溶劑法提取的105%和88%。范三紅[32]采用石油醚-乙腈-K2HPO4組成TLPS分離辣椒堿，最優條件下辣椒堿提取量為1.412 mg/g干辣椒?？梢姡嘞帑}析技術應用于辣椒堿提取，條件溫和簡便、成效顯著。

2.7 其他提取法

資料顯示，以離子液體、壓力流體及微切助互作技術來提取辣椒堿，均取得了較好的提取效果。如Lau等[33]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 ℃、時間1 h、固液比1∶5（g/g），提取得率優于使用堿性乙醇或有機溶劑提取法。Bajer等[34]應用壓力流體法提取辣椒堿，采用高壓熱水2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，與傳統提取法相比，辣椒堿和二氫辣椒堿分別為119%和103%。劉思昭[35]利用微切助互作技術提取辣椒堿，提取率比索氏回流提取法提高了18.11%。

綜上可見，上述提取天然辣椒生物堿的方法各有利弊。傳統的酸堿法、有機溶劑法雖然操作簡單，但產品雜質多，純化難，成本高，易造成原料浪費和環境污染；超聲波、微波、酶解等輔助技術有利于辣椒堿提取，但設備不利于工業化生產，更適合于實驗室研究；超臨界CO2萃取法雖然萃取得率高，但一次性儀器設備投資較大，不適合工業化生產。雙水相萃取技術、多相鹽析技術萃取法、離子液體法等新技術，相對工藝簡單、提取率高、操作方便、成本低、適合于工業生產應用，如果與傳統的提取技術相結合，前景十分廣闊，但實際應用中需考慮工藝、成本、分離提純工序等問題，特別是上述提取研究體系總體偏向于實驗室體系，而并非產業鏈端試車環境，在后續的放大試驗過程中的中試乃至正式投產均存在工藝放大及物料成本核算等問題，有待進一步精進和解決。因此，在辣椒精深產品工業生產中，要綜合考慮設備投資少、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，促進辣椒產業快速發展。

3 辣椒生物堿在食品中應用的研究

3.1 辣味增效

辣味是辣椒重要的評價指標，其辣味物質主要由辣椒堿、二氫辣椒堿、降二氫辣椒素等辣椒堿性同類物質產生。人們感覺到的辣味主要是由辣椒堿類物質刺激神經引起的痛覺。食品中添加的辣味物質量適中，不僅有利于食品增辣，而且給食用者能帶來愉悅的感覺。熊科等[36]對食品中辣椒及其制品辣度添加劑分級方法開展研究，研究表明在我國辣椒傳統加工產品如辣椒粉、剁辣椒、辣椒油、辣椒醬中，通過添加辣椒堿的方式增辣，不僅可以實現傳統干辣椒同等的辣度需求[37]，有益于維持人體正常生理功能和增強人體抵抗力，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。

3.2 抑菌作用

研究顯示，辣椒生物堿對食品生產具有抑菌作用。如魏玉西等[38]以純度96%的辣椒堿晶體，采用平板空穴擴散法考察辣椒堿的抑菌效果，結果顯示，辣椒堿對廣譜細菌有較強抑制活性，但對霉菌較弱；質量濃度低于0.012 5 mg/mL，辣椒堿抑菌活性效果不明顯。吳影等[39]通過濾紙片擴散法考察辣椒堿對酵母菌、細菌、霉菌等7種菌株的抑菌效果，結果表明，辣椒堿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變化范圍內發揮顯著作用。袁楊斌等[40]研究體外條件下辣椒堿對鴨源性大腸桿菌、沙門菌和金黃色葡萄球菌抑菌效果和抗氧化能力，結果顯示，辣椒堿對它們抑菌效果明顯。

3.3 清除自由基、抗氧化作用

食品加工中，人工化學合成抗氧化劑（BHA、BHT、PG、TBHQ等）安全問題已成為人們日益關注的話題。研究顯示，天然辣椒生物堿具有與BHT相當的抗氧化效果[41]，可替代并消除BHA等人體積累可能產生的健康問題，與其他抗氧化劑VC、VE協同使用，效果更佳。如王夢等[42]考察了辣椒堿、二氫辣椒堿和降二氫辣椒堿這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，結果發現3種單體均表現出較好的·OH、O2-·自由基清除能力，且辣椒堿單體的抗氧化能力最強。李宇等[43]研究辣椒堿對高溫處理的油茶籽油中O2-·自由基的清除能力和抗氧化性，結果顯示，0.006 mmol/mL辣椒堿濃度對O2-·清除率達到80.75%，與VE相當（81.12%），高于BHT（77.15%）。Si等[44]制備載有辣椒素（堿）的中孔二氧化硅納米顆粒并開展其在肉類防腐中的抗氧化性研究，結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等方面具有效果?？梢?，辣椒堿具有VC、VE相當的自由基清除和抗氧化的能力。在食品工業中，以辣椒堿為主要原料，開發天然、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展的新趨向，對解決食品在貯藏加工中脂肪氧化變質問題具有重要意義。

3.4 對酶抑制作用

Shrivastava等[45]研究發現，鮮辣椒果實乙醇提取的辣椒生物堿對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶表現出最高的抑制作用及抗氧化活性，且對α-葡萄糖苷酶的抑制作用最強，IC50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合在α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶上。高濃度的辣椒堿協同酚類化合物和黃酮等其他化合物使鮮辣椒表現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，應用于食品加工中。

3.5 對糧食蟲害防治的作用

辣椒香草酰胺類生物堿成分的辛辣味對糧食蟲害防治具有選擇性強、作用機制復雜、害蟲不易產生抗藥性、環境友好、安全性高等突出優點，是開發綠色儲糧殺蟲劑的重要來源。如陳謙等[46]通過對辣椒堿防治儲糧蟲害效果研究，發現8.0 mg/mL辣椒堿對害蟲赤擬谷盜、谷蠹有較好的驅避效果；2種害蟲對0.1%濃度辣椒堿處理過的糙米有拒食現象，糧食損失量分別為對照組的43.17%和41.59%。尉洪超等[47]的研究表明，含辣椒堿的聚乙烯防蟲薄膜對赤擬谷盜在80 h觸殺死亡率可達90%以上，2%辣椒堿對書虱（booklice）的防治效果優于化學驅蟲劑?？梢姡苯穳A在防治儲糧害蟲中具有較大的應用潛力。

4 結語

詳述近年來天然辣椒生物堿提取的新技術、新方法，特別是具有工業化應用前景的新技術、新工藝，如雙水相萃取技術、高壓水油混相萃取技術和三相鹽析萃取技術等，分析各種提取方法的利弊，便于科研人員、企業選擇；同時，對辣椒生物堿在食品工業上的辣味增效、抑菌、抗氧化、抑制酶及蟲害防治等功能性應用進行概述，為辣椒堿工業化提取純化，辣椒深加工產品的開發利用提供相關的理論依據及技術支持。

我國是辣椒生產加工、出口的大國，辣椒產業發展潛力巨大，其深加工產品辣椒生物堿在食品工業上具有很高的科研和開發價值。但目前，我國辣椒生物堿的研究與應用尚屬處于起步階段，研發深度和精度相對不夠，尤其是辣椒生物堿功能性精深加工業的規模和技術、天然辣椒堿功能性食品的開發有待進一步提升。因此，加快加深辣椒生物堿功能性產品研究開發，積極引導研究成果向產業化發展將是辣椒生物堿未來重點研究的重要方向之一。