濃縮-結晶法制備辣椒堿類化合物工藝

張雖栓，蔡花真,*，張根明，曹德彧

(1.河南質量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000；2.中平能化集團天宏焦化公司，河南 平頂山 467000)

濃縮-結晶法制備辣椒堿類化合物工藝

張雖栓1，蔡花真1,*，張根明1，曹德彧2

(1.河南質量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000；2.中平能化集團天宏焦化公司，河南 平頂山 467000)

以辣椒油樹脂為原料，研究濃縮、皂化和結晶條件對辣椒堿類化合物提取率和純度的影響。采用單因素和正交試驗設計優(yōu)化辣椒油樹脂濃縮和辣椒堿類化合物的提取工藝。結果表明：影響辣椒油樹脂濃縮效果的4個因素是甲醇體積分數(shù)＞浸提溫度＞甲醇溶液用量＞浸提時間，影響辣椒堿類化合物提取率的4個因素依次為皂化時間＞pH值＞結晶溫度＞NaOH質量分數(shù)；獲得最佳工藝條件：質量分數(shù)1.5%的辣椒油樹脂用體積分數(shù)80%甲醇濃縮得到質量分數(shù)36%的辣椒提取物，直接用質量分數(shù)10% NaOH溶液在50℃條件下皂化4h，然后在5℃用稀鹽酸調節(jié)pH7.0，靜置結晶，提取率為86.67%。產(chǎn)品經(jīng)HPLC分析，純度達97.87%。

辣椒油樹脂；辣椒堿類化合物；提取工藝；皂化；正交試驗

辣椒堿是從茄科類植物辣椒果實中分離的一種極辛辣的香草酰胺類生物堿，其主要成分結構見圖1。其易溶于乙醇、甲醇、石油醚、丙酮、正己烷、三氯甲烷等有機溶劑及堿性水溶液，難溶于冷水[1-4]。具有消炎、鎮(zhèn)痛、促進脂肪代謝、促進食欲、改善消化、抗菌殺蟲及對神經(jīng)遞質的選擇性等藥理作用[5-9]，因此，高純辣椒堿類化合物已被廣泛用于醫(yī)藥領域和食品添加劑行業(yè)。我國作為辣椒的資源大國，研究高純辣椒堿類化合物的制備技術為解決“三農(nóng)”問題具有重要的實用意義和經(jīng)濟價值。

目前，制備高純度辣椒堿的常用方法主要有硅膠柱層析法、結晶法、離子交換法、大孔吸附樹脂法和超臨界流體萃取法等。

圖1 辣椒堿類化合物的結構Fig.1 Structures of capsaicinoids

萃取-結晶法[10-14]是一種用有機溶劑從辣椒中將辣椒堿類化合物提取出來，經(jīng)過皂化、萃取、結晶制得辣椒堿的生產(chǎn)工藝。張世文等[13]以低濃度的辣椒油樹脂(辣椒堿類化合物含量6.83%)為原料，用質量分數(shù)2%的氫氧化鈉溶液皂化后，以質量分數(shù)5%稀硫酸調節(jié)pH值，用正己烷進行萃取，濃縮后得到純度達85%以上的辣椒堿類化合物粗品，再加以結晶，純度則可達92.5%。張彥雄等[15]采用溶劑法和超臨界CO2萃取相結合的工藝，開發(fā)的辣椒深加工方法可得到總堿含量達96%的辣椒堿產(chǎn)品。這些直接皂化、結晶的方法增加了皂化劑的用量和廢物的處理成本，浪費了溶劑，降低了辣椒堿的提取率。超臨界萃取的方法由于成本過高，不適合廣泛推廣。

硅膠柱層析法是以硅膠為固定相，逐步增加流動相的極性來分離、純化辣椒堿類化合物的方法。曾仕廉等[16]用丙酮、石油醚、95%乙醇提取出辣椒油樹脂，再以乙醚作為結晶溶劑，得到粗辣椒堿類化合物的晶體，再經(jīng)硅膠柱層析純化后結晶，得到辣椒堿類化合物，收率為0.23%(以干辣椒為基準)，純度為91.3%。這種方法可以有效地提純辣椒堿，但是分離速率太慢，不利于工業(yè)生產(chǎn)。

其他的如酶法、離子交換法等方法存在操作復雜、收率偏低等不足，嚴重制約了工藝的推廣。

本研究在有機溶劑提取、分離辣椒紅色素和辣椒油樹脂的研究[17-18]基礎上，首先利用甲醇溶液對辣椒油樹脂進行濃縮，得到高濃度的辣椒油樹脂，然后進行皂化、調節(jié)pH值，在水溶液中直接結晶，制備高純度的辣椒堿類化合物，減少了分離環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)成本，為生產(chǎn)上提供切實可行的辣椒堿類化合物提取、分離、純化技術，為辣椒的深加工提供可靠的生產(chǎn)技術。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

辣椒油樹脂(辣椒堿含量為1.5%) 自制。

甲醇、乙醇、氫氧化鈉、丙酮、濃鹽酸均為A R級；分析用甲醇為色譜級；辣椒堿標準品(純度97%)貴州五貝子發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設備

普通玻璃儀器；LC-6A高效液相色譜儀 日本島津公司；SHZ-82型水浴恒溫箱 江蘇教育玻塑廠；RE-52A旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；pHS-4C+酸度計 上海醫(yī)用儀表廠；ZK-82B真空干燥箱 上海市實驗儀器總廠。

1.3 辣椒堿類化合物檢測方法[19-20]

色譜條件：色譜柱為VP-ODS C18柱(2.6mm× 250mm，5μm)；柱溫室溫；檢測波長280nm；流動相為甲醇-水(含質量分數(shù)0.1%磷酸)(70:30，V/V)；流速為0.7mL/min；進樣量10μL。根據(jù)保留時間定性，辣椒堿、二氫辣椒堿、降二氫辣椒堿的峰面積定量。

1.4 辣椒堿類化合物提取率的計算

式中：m1為辣椒堿類化合物質量/g；m2為辣椒油樹脂的質量/g；B為辣椒油樹脂的質量分數(shù)/%。

1.5 濃縮和精制方法

根據(jù)辣椒堿類化合物結構性質特點，該方法的工藝流程見圖2，首先取100g質量分數(shù)1.5%辣椒油樹脂，用體積分數(shù)80%甲醇作為萃取劑，進行萃取、分離，濃縮甲醇相便得到含量達質量分數(shù)36%辣椒堿提取物4.1g。該粗品用5mL質量分數(shù)10% NaOH溶液進行皂化4h，加稀鹽酸調節(jié)pH7.0左右，在5℃條件下靜止結晶約2h，待充分結晶完畢后，過濾其結晶母液，將辣椒堿類化合物結晶體在真空干燥箱內干燥處理，便可得到含量不低于97%的高純度辣椒堿。

圖2 辣椒堿類化合物的分離工藝流程Fig.2 Extraction and separation of capsaicinoids from capsicum oleoresin

2 結果與分析

2.1 濃縮工藝條件的優(yōu)化

從質量分數(shù)1.5%辣椒油樹脂開始，考察了選用甲醇的體積分數(shù)、料液比、提取溫度和提取時間對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響。

2.1.1 濃縮溶劑的選擇

辣椒油樹脂與乙醇、甲醇、正己烷及乙酸乙酯等有機溶劑均互溶，由于辣椒堿與辣椒紅色素在不同體積分數(shù)的甲醇溶液中溶解度的不同，同時，甲醇又是一種良好的低沸點溶劑，且具有易分離的特點。因此，本實驗采用甲醇的水溶液作為濃縮劑。

2.1.2 甲醇體積分數(shù)對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響

精確稱取質量分數(shù)1.5%辣椒油樹脂樣品25g于錐形瓶中，分別加入50mL不同體積分數(shù)的甲醇溶液，于50℃水浴中提取4h，分液、濃縮，測定濃縮物中辣椒堿類化合物的提取率。

由圖3可知，用10%～80%甲醇溶液分離辣椒堿時，隨著甲醇溶液體積分數(shù)的增加，辣椒堿類化合物的提取率也逐步提高，當甲醇體積分數(shù)80%時，辣椒紅色素的溶解度最小，目標產(chǎn)物的含量達到最高；當甲醇體積分數(shù)高于80%時，隨著色素與油脂類物質的溶解度的增大，辣椒堿類化合物提取率反而下降，故選用80%甲醇溶液為濃縮劑。

圖3 甲醇體積分數(shù)對辣椒堿類化合物提取率的影響Fig.3 Effect of methanol volume fraction on the content of capsaicin

2.1.3 甲醇用量對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響

精確稱取1.5%辣椒油樹脂樣品20g/份，加入不同體積的80%甲醇溶液，在50℃條件下提取4h，濃縮后，測定濃縮物中辣椒堿類化合物的提取率。

圖4 甲醇溶液用量對辣椒堿類化合物提取率的影響Fig.4 Effect of methanol solution dosage on the content of capsaicin

由圖4可知，隨著甲醇溶液用量的增加，辣椒堿類化合物的提取率也逐步提高，當80%甲醇溶液用量為60mL時，效果最佳。當80%甲醇溶液用量大于60mL時，所得辣椒堿類化合物的提取率變化不大，既浪費了試劑又增加了成本。故選用60mL 80%甲醇溶液進行濃縮。

2.1.4 浸提溫度對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響

精確稱取1.5%辣椒油樹脂樣品20g于錐形瓶中，加入60mL 80%甲醇溶液，分別在不同溫度條件下浸提4h，測定各種條件下得到濃縮物中辣椒堿類化合物的提取率。

由圖5可知，隨著浸提溫度的升高，辣椒堿類化合物含量也在逐步增加。當溫度在50℃以上時，辣椒堿類化合物提取率反而降低。因為辣椒堿類化合物在甲醇溶液中的溶解度隨溫度的升高而增大，但當溫度過高則會導致辣椒堿類化合物的分解而含量降低。因此，浸提溫度以50℃左右為宜。

圖5 浸提溫度對辣椒堿類化合物提取率的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the content of capsaicin

2.1.5 浸提時間對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響

準確稱取1.5%辣椒油樹脂樣品20g于錐形瓶中，加入60mL 80%甲醇溶液，在50℃水浴條件下提取不同的時間，測定各種條件下濃縮物中辣椒堿類化合物的提取率。

圖6 浸提時間對辣椒堿類化合物提取率的影響Fig.6 Effect of extraction time on the content of capsaicin

由圖6可知，隨著浸提時間的延長，辣椒堿類化合物的提取率在不斷增加，質量分數(shù)達到37%。當浸提時間增大到4h以上時，辣椒堿類化合物的提取率則有所降低，可能是隨著時間的延長，辣椒堿發(fā)生了水解的緣故，故選浸提時間為4h。

2.1.6 辣椒油樹脂濃縮正交試驗設計及結果分析

表1 辣椒油樹脂濃縮正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for optimizing condensation processing of capsicum oleoresin

在單因素試驗基礎上，采用正交試驗方案進一步考察濃縮液甲醇的體積分數(shù)、甲醇溶液用量、提取溫度及提取時間4個因素對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響，每個因素選擇3個水平(表1)。以辣椒堿類化合物在濃縮物中的含量為考核指標，設計L9(34)正交表進行試驗。試驗結果和數(shù)據(jù)處理極差分析見表2，方差分析結果見表3。

表2 辣椒油樹脂濃縮L9(34)正交試驗設計及結果Table 2 Results of orthogonal experiments for optimizing condensation processing of capsicum oleoresin

表3 辣椒油樹脂濃縮正交試驗方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments for optimizing condensation processing of capsicum oleoresin

因素與水平對試驗指標有明顯的作用，由表2可見，一定范圍內，4種因素對辣椒堿類化合物濃縮效果的影響程度依次為C＞A＞B＞D。其中提取時間對辣椒堿類化合物的濃縮效果影響較弱，甲醇的體積分數(shù)和用量對辣椒堿類化合物濃縮效果影響較為顯著，4種因素的優(yōu)化組合為C2A2B2D2，即甲醇體積分數(shù)80%、用量60mL、浸提溫度50℃、浸提時間4h，經(jīng)驗證，質量分數(shù)1.5%的辣椒油樹脂按上述最佳優(yōu)化組合濃縮后，辣椒堿類化合物的質量分數(shù)可達36%以上。

2.2 結晶工藝條件的優(yōu)化

從36%辣椒油樹脂開始，考察了選用氫氧化鈉溶液質量分數(shù)、皂化時間、pH值與結晶溫度對辣椒堿類化合物提取的影響。

2.2.1 NaOH溶液質量分數(shù)對辣椒堿類化合物晶體提取效果的影響

稱取36%辣椒提取物25g/份，加入50mL不同質量分數(shù)的NaOH溶液，溫度控制在50℃，攪拌皂化4h，過濾，濾液加5%稀鹽酸調pH7.0時，經(jīng)結晶得辣椒堿類化合物晶體，結果見圖7。

圖7 NaOH溶液質量分數(shù)對辣椒堿類化合物晶體產(chǎn)量的影響Fig.7 Effect of sodium hydroxide concentration on extraction rate of capsaicin

由圖7可以看出，NaOH溶液的質量分數(shù)為10%，所得辣椒堿類化合物晶體產(chǎn)量趨于最大值。實驗發(fā)現(xiàn)，當NaOH溶液的質量分數(shù)過高時，堿液中溶有大量的油類物質，給后期分離工作帶來不便，辣椒堿與脂肪酸的分離效果較差，產(chǎn)品純度降低。

2.2.2 皂化時間對辣椒堿類化合物提取效果的影響

稱取36%辣椒提取物25g/份，加入50mL質量分數(shù)10% NaOH溶液，在50℃條件下皂化不同的時間，測定辣椒堿類化合物產(chǎn)量，結果見圖8。

圖8 皂化時間對辣椒堿類化合物晶體產(chǎn)量的影響Fig.8 Effect of saponification time on extraction rate of capsaicin

由圖8可以看出，在相同條件下，皂化時間越久，所得辣椒堿類化合物就越多。但是，當皂化時間超過4h，所得辣椒堿類化合物的產(chǎn)量增加不明顯，所以以4 h為宜。

2.2.3 pH值對辣椒堿類化合物晶體提取效果的影響

取質量分數(shù)36%辣椒提取物50g于大三角瓶中，加入50mL質量分數(shù)10% NaOH溶液50℃皂化4h，分成5份，加水稀釋，加酸調節(jié)不同pH值，結晶，分別得到辣椒堿類化合物晶體產(chǎn)量如圖9所示。

由圖9可看出，最佳pH7.0。當pH＞8時，則乳化現(xiàn)象嚴重，溶液成為均一單相，辣椒堿類化合物損失較多，基本得不到辣椒堿類化合物晶體；當pH＜7時，溶液隨著稀鹽酸用量的增加，辣椒堿類化合物水解的量增加，且水相中辣椒堿類化合物含量大量減少，因此過量的酸會造成辣椒堿類化合物水解損失，結晶量減少；當pH＜4，基本得不到辣椒堿類化合物晶體。綜合考慮結晶時間和晶體性狀，最適pH值為7.0。

圖9 pH值對辣椒堿類化合物晶體產(chǎn)量的影響Fig.9 Effect of pH on extraction rate of capsaicin

2.2.4 溫度對辣椒堿類化合物晶體的影響

溫度對結晶的影響較大，在pH值為7.0的條件下，分別考察了20、10、5、－5℃四種溫度對結晶的影響，結果見表4。

表4 溫度對辣椒堿類化合物結晶效果的影響Table 4 Effect of temperature on crystallization efficiency of capsaicinoids

由表4可知，溫度從20℃降至5℃時，過飽和度增加，成核速度加快，故結晶時間變短，收率增大。當溫度為－5℃時，溶液分子運動速度減慢，成核速度與晶體生長速度隨之減慢，故結晶時間又有所延長。結合工廠的經(jīng)濟效益考慮，以5℃為宜。

2.2.5 辣椒堿類化合物提取工藝正交試驗

在單因素試驗基礎上，采用正交試驗方案進一步考察結晶溫度、NaOH溶液質量分數(shù)、皂化時間及pH值4個因素對辣椒堿提取效果的影響，每因素選取3個水平。以辣椒堿提取率為考核指標，設計L9(34)正交表進行試驗。

表5 辣椒堿類化合物提取正交試驗因素及水平Table 5 Factors and levels of orthogonal experiments for optimizing extraction processing of capsaicin

正交試驗結果和數(shù)據(jù)處理極差分析見表6，方差分析結果見表7。

表6 辣椒堿類化合物提取物的L9(34)正交試驗設計及結果Table 6 Results of orthogonal experiments for optimizing extraction processing of capsaicin

表7 辣椒堿類化合物提取正交設計方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiments for optimizing extraction processing of capsaicin

由表7可見，一定范圍內，4種因素對辣椒堿提取率的影響程度依次為G＞H＞E＞F。根據(jù)計算結果，結合經(jīng)濟效益考慮，最佳提取工藝組合為G2H2E2F2，即皂化時間4h、pH7.0、溫度5℃、氫氧化鈉溶液質量分數(shù)10%條件下進行結晶，制得片狀的辣椒堿晶體。

取質量分數(shù)36%辣椒油樹脂，分3組，每組分別稱取5g，按最優(yōu)提取工藝提取、結晶，得到粉末狀辣椒堿晶體1.77、1.75、1.76g。HPLC法測定晶體中辣椒堿類化合物的含量分別為98.31%、97.23%、98.07%，平均含量為97.87%。優(yōu)化工藝辣椒堿類化合物的提取率按式(1)計算為87%、84%、89%，均值為86.67%。

2.2.6 產(chǎn)品純度檢測

圖10 辣椒堿高效液相色譜圖Fig.10 HPLC chromatogram of capsaicinoids

白色的辣椒堿類化合物晶體，經(jīng)HPLC分析(圖10)，純度為97.87%，其中辣椒堿含量68.16%，二氫辣椒堿含量24.35%，其他占5.39%。

3 結 論

通過單因素和四因素三水平正交試驗設計分別優(yōu)化了辣椒油樹脂的濃縮和辣椒堿的結晶工藝。優(yōu)化后辣椒油樹脂濃縮的條件是8 0%甲醇溶液、甲醇溶液用量60mL、浸提溫度50℃、浸提時間4h進行濃縮辣椒油樹脂；結晶工藝條件為：36%辣椒提取物用10%氫氧化鈉溶液皂化4h、調節(jié)pH7.0、控制溫度5℃，此時進行結晶，得到片狀的辣椒堿類化合物，純度為97.87%，提取率為86.67%。

本研究利用辣椒堿類化合物和辣椒紅色素在低體積分數(shù)甲醇溶液中溶解度的不同對辣椒油樹脂進行濃縮，然后又依據(jù)辣椒堿難溶于冷水的特點，選擇合適的條件下在水溶液中直接結晶，得到辣椒堿晶體，且收率較高。

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Preparation of Capsaicin by Condensation and Crystallization

ZHANG Sui-shuan1，CAI Hua-zhen1,*，ZHANG Gen-ming1，CAO De-yu2
(1. Henan Quality Polytechnic, Pingdingshan 467000, China；2. Tianhong Coking Company, Zhongping Energy Chemical Group, Pingdingshan 467000, China)

Capsicum oleoresin was used as the raw material to explore the effect of condensation, saponification and crystallization on the purity and extraction rate of capsaicinoids. The optimal extraction processing conditions of capsaicin were investigated by single-factor and orthogonal experiments. Results indicated that four factors for affecting condensation efficiency according to the order from strong to weak were methanol concentration, extraction temperature, material-liquid ratio and extraction time. Similarly, four factors for affecting extraction rate of capsaicin according to the order from strong to weak were saponification time, pH, crystallization temperature and sodium hydroxide concentration during crystallization process. Therefore, the optimal processing parameters were 80% methanol using for the extract condensation, 10% sodium hydroxide using for saponification for 4 h at 50 ℃, pH adjustment to 7.0 using hydrochloric acid at 5 ℃, and then settle down and crystallization. The yield of capsaicin was up to 86.67% under the optimal processing conditions. The purity of capsaicin was 97.87% determined by HPLC.

capsicum oleoresin；capsaicinoids；extraction method；saponification；orthogonal experiment

TS202.3

A

1002-6630(2010)24-0128-06

2010-09-21

張雖栓(1970—)，男，講師，碩士，研究方向為食品與藥物化學。E-mail：zhangsuishuan@126.com

*通信作者：蔡花真(1966—)，女，副教授，高級工程師，碩士，研究方向為食品檢測及食品加工工藝。E-mail：chz1128@126.com