超臨界CO2提取辣椒油樹脂工藝的研究

金靚婕，朱世云，梁承紅，李 蔭

（1.海軍航空工程學院，山東煙臺264001；2.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240)

超臨界CO2提取辣椒油樹脂工藝的研究

金靚婕1，朱世云2，梁承紅1，李 蔭1

（1.海軍航空工程學院，山東煙臺264001；2.上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200240)

以紅辣椒粉為原料，采用超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂。以辣椒油樹脂的收率為評價指標，確定最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時間3h，此條件下辣椒油樹脂收率為10.09%±0.29%。對比實驗結果顯示：超臨界CO2法所得的辣椒油樹脂的色價為303±5，辣椒素質量濃度為3.7%±0.7%，均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的索氏提取法。對超臨界CO2法所得的辣椒油樹脂進行二次超臨界萃取，可將辣椒紅色素和辣椒素進行初步分離。

超臨界CO2萃取法，辣椒油樹脂，辣椒紅色素，辣椒素

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干紅辣椒 市售；二氧化碳 食品級，純度為99%以上；丙酮、甲醇、氫氧化鈉、鹽酸等試劑 均為分析純。

HA120-50-01型超臨界萃取設備 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；家用萬能粉碎機，FA1604S型電子天平，DK-S24型恒溫水浴箱，索氏提取器，減壓蒸餾裝置，722分光光度計，UV-2000紫外分光光度計，真空干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 市售干辣椒，去梗除雜后，60℃恒溫干燥1h，然后進行粉碎，過40目篩后收集待用。

1.2.2 索氏提取法制備辣椒油樹脂 采用丙酮作為浸取溶劑，浸取溶劑與丙酮的液固比為3mL/g[16]，65℃[17]常壓萃取至辣椒粉發(fā)白，棄去辣椒粉。提取液在45℃、真空度為0.09MPa的條件下減壓蒸餾濃縮，回收丙酮。獲得的辣椒油樹脂，在真空干燥箱中干燥至恒重，計算辣椒油樹脂收率。

1.2.3 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂 將100g辣椒粉加入到萃取釜中，待機器預熱完畢后，鋼瓶中的二氧化碳氣體由泵加壓成為超臨界狀態(tài)后依次進入凈化器和預熱器，再從萃取釜底部進入并通過萃取釜內的物料層。溶有辣素成分和色素成分的CO2流體由萃取釜頂部流出，經調節(jié)閥進入分離釜頂部并深入分離釜內進行氣液相分離，萃取產品經分離釜Ⅰ（6.0MPa，50～55℃）和分離釜Ⅱ（5.0MPa，45～50℃）底部采樣閥采集。氣相經分離釜頂部出來，之后重新進入系統(tǒng)，循環(huán)萃取，二氧化碳流量為0.40m3/h[18]。后停機并關閉所有閥門，泄壓后通過料筒取出萃取釜內的產品。具體工藝流程見圖1。驗證實驗。

圖1 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂流程圖Fig.1 Supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum flow chart

1.2.4 辣椒紅色素和辣椒素的分離初探 采用辣椒油樹脂作原料，利用二次超臨界分離辣椒紅色素和辣椒素。具體工藝流程與1.2.3相同。根據文獻[2]實驗條件如下：萃取壓力14MPa，溫度35℃，時間2h。萃取結束后，萃取釜內為辣椒紅色素，分離釜內為辣椒素。

1.2.5 辣椒油樹脂收率計算 辣椒油樹脂收率（%）=干燥至恒重的辣椒油樹脂質量/辣椒粉質量×100%

1.2.6 辣椒紅色素色價測定 本實驗采用GB10783-1996中辣椒紅色素色價的測定方法：稱取一定質量的提取物（樣品）于100mL容量瓶中，丙酮溶解定容（必要時進行稀釋）。以丙酮作參比，測量其最大吸收峰（460nm）處的吸光度A，按下式計算色價：

1.2.7 辣椒素質量濃度的測定 本實驗采用GB10783-1996中辣椒素質量濃度測定方法-FAO紫外雙比色法，具體操作如下：實驗采用70%的甲醇溶液在室溫下、120r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振搖40min。過濾后保留濾液。按表1制備四種試劑。

表1 原料堿性液、原料酸性液、空白堿性液和空白酸性液的組成（mL）Table 1 Composition of raw alkaline liquid，raw acidic liquid，blank alkaline liquid and blank acidic liquid（mL）

4個瓶中的試液分別用甲醇定容至100mL并搖勻，于248nm和296nm測定4種溶液的吸光度，按下式計算辣椒素質量濃度：

1.2.3.1 萃取溫度的選擇 在萃取壓力為30MPa，萃取時間為2h的條件下，控制萃取溫度分別為20、25、30、35、40℃，考察萃取溫度的影響。

1.2.3.2 萃取壓力的選擇 在1.2.3.1確定的萃取溫度，萃取時間為2h的條件下，控制萃取壓力分別在15、20、25、30MPa左右，考察萃取壓力的影響。

1.2.3.3 萃取時間的選擇 在選定萃取溫度和萃取壓力下，控制萃取時間為1、2、3、4h，考察萃取時間的影響。

1.2.3.4 正交實驗設計確定最優(yōu)條件組合 根據單因素實驗的結果，設計L9（34）正交實驗表，對影響辣椒油樹脂收率的三個因素（萃取溫度、萃取壓力和萃取時間）進行考察研究，確定最優(yōu)條件組合，并進行

式中：f-試樣的稀釋倍數；314-校正系數；127-校正系數。

上述兩式計算結果相差不得超過10%，否則需重新測定。

2 結果與討論

2.1 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂

2.1.1 萃取溫度的選擇 考察在萃取壓力30MPa，萃取時間2h的條件下，萃取溫度對所得辣椒油樹脂收率的影響。實驗結果如圖2所示。

圖2 萃取溫度與辣椒油樹脂收率的關系（n=3）Fig.2 The effect of extraction temperature on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

李志明[19]指出，溫度對超臨界溶解能力的影響比較復雜，主要表現在兩個方面：一是溫度升高，被萃取物揮發(fā)性增加，從而提高了萃取率；二是溫度升高，超臨界流體密度降低，其溶解能力下降從而降低了萃取率。對不同的組分，溫度的正負效應的范圍是不同的[20]。實驗結果表明，當溫度低于30℃時，溫度的升高更有利于提高辣椒油樹脂的揮發(fā)度，其收率提高；當溫度超過30℃時，超臨界流體的密度造成的影響顯現，抵消了被萃取物揮發(fā)性增加導致的正效應，其收率基本保持不變。

在萃取壓力30MPa，萃取時間2h的條件下，當萃取溫度為30℃時，辣椒油樹脂的收率達到最大值7.73%±0.10%。因此，最佳萃取溫度為30℃。

2.1.2 萃取壓力的選擇 考察在萃取溫度30℃，萃取時間2h的條件下，萃取壓力對所得辣椒油樹脂收率的影響。實驗結果如圖3所示。超臨界流體的密度直接影響萃取效果，萃取壓力是影響超臨界流體密度的重要參數。二氧化碳在

圖3 萃取壓力與辣椒油樹脂收率的關系（n=3）Fig.3 The effect of extraction pressure on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

37℃下當壓力由8MPa升到10MPa時，其密度增加近一倍。當溫度一定時，隨著萃取壓力的升高，二氧化碳密度增大，溶解物質的能力提高。壓力增加到一定程度后，由于高壓下超臨界相密度隨壓力變化緩慢，

其溶解能力增加緩慢。實驗結果表明，在萃取溫度

30℃，萃取時間2h的條件下，萃取壓力達到25MPa左右時，辣椒油樹脂收率達到7.70%±0.21%；進一步提高萃取壓力至30MPa，收率僅提高至7.73%±0.10%，

增幅極小?？紤]到壓力增加會提高生產成本，最佳萃取壓力為25MPa。

2.1.3 萃取時間的選擇 考察在萃取溫度30℃，萃取壓力25MPa的條件下，萃取時間對所得辣椒油樹脂收率的影響。實驗結果如圖4所示。

圖4 萃取時間與辣椒油樹脂收率的關系（n=3）Fig.4 The effect of extraction time on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

超臨界萃取中，萃取劑流量一定時，萃取時間越長，萃取收率越高。萃取剛開始時由于溶劑與溶質未充分接觸，收率較低。隨著萃取時間的加長，萃取速率增大，收率不斷增加；最后由于待分離組分的減少，傳質動力降低而使萃取速率降低，萃取收率趨于穩(wěn)定。實驗結果表明，在萃取時間1～3h范圍內，萃取速率較大，進一步延長時間，萃取速率下降明顯，收率增幅不大（<0.3%）。因此，最佳萃取時間為3h。

2.1.4 正交實驗設計確定最優(yōu)條件組合 根據單因素實驗的結果，利用正交實驗，確定影響辣椒油樹脂收率的三個因素（萃取溫度、萃取壓力和萃取時間）的最優(yōu)條件組合。每個因素取3個水平，因素水平表見表2。用L9（34）正交設計實驗表安排實驗，以辣椒油樹脂的收率為考察指標，實驗數據及分析結果見表3。

根據各因素水平實驗指標平均值（k值）可以判斷，超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實驗最優(yōu)水平組合為A3B2C2，即萃取時間3h、萃取壓力25MPa、萃取溫度30℃。驗證實驗表明，最優(yōu)水平組合條件下辣椒油樹脂收率達到10.09%±0.29%，符合正交實驗結果。

表2 超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實驗因素水平表Table 2 Values for the orthogonal experiment of supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum

表3 超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實驗方案及實驗結果分析Table 3 The experiment design and the analysis of the results of supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum

綜上所述，以過40目篩的紅辣椒粉為原料，超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂的最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時間3h。此條件下辣椒油樹脂收率達到10.09%±0.29%。

2.2 索氏提取法與超臨界CO2萃取法制備辣椒油樹脂性能比較

分別測定索氏提取與超臨界CO2萃取兩種方法制備的辣椒油樹脂的收率、色價和辣椒素質量濃度，實驗結果如表4所示。

表4 兩種提取方法制備的辣椒油樹脂其萃取率、色價和辣椒素質量濃度比較（n=3）Table 4 The comparison of the yield of oleoresin capsicum，the color value of oleoresin capsicum and the mass concentration of capsaicin with two extraction methods（n=3）

從表4中可以看出，超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂的收率與索氏提取法相比增加不大，僅為后者的1.1倍，但色價和辣椒素質量濃度這兩方面性能上均優(yōu)于索氏提取法。這是由于超臨界CO2萃取法避免了傳統(tǒng)索氏提取法的缺陷，無溶劑殘留，無污染，避免了萃取物在高溫下的熱劣化，所得產品更為純凈，雜質量更低。兩種方法所得辣椒油樹脂色價均符合FAO/WHO規(guī)定的標準，但超臨界CO2萃取法所得辣椒油樹脂色價是索氏提取法所得的2.7倍，有利于進一步分離得到質量更好的色素。超臨界CO2萃取法所得辣椒油樹脂辣椒素質量濃度是索氏提取法的3.36倍，這說明辣椒粉得到了充分的利用，因此當辣椒素與色素分離后，可得到比較多的價值很高的副產物辣椒素。綜上，以超臨界CO2萃取法制得的辣椒油樹脂更有利于辣椒的綜合利用。

2.3 辣椒紅色素和辣椒素的分離初探

以最佳工藝條件下超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂作原料，按1.2.4所述條件進行二次超臨界分離辣椒紅色素和辣椒素。實驗結束后，留在萃取釜中的辣椒紅色素的色價提高至362，產品聞不到辣味；分離釜中得到少量極辣的物質（質量過低，無法測定）且在萃取釜放氣時聞到濃烈的辣味。這表明超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂可用于辣椒紅色素和辣椒素的同時生產，實現辣椒的綜合利用；但是，可能由于分離釜的物理參數設置不合適，分離之后部分辣椒素并沒有在分離釜中化為液態(tài)，影響了辣椒素的回收，因此實現辣椒油樹脂中辣椒紅色素和辣椒素的完全分離的具體條件仍有待于進一步研究。

3 結論

超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂的最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時間3h，辣椒油樹脂收率達到10.09%±0.29%，色價303±5，樹脂中辣椒素質量濃度為3.7%±0.7%。

制備紅辣椒工業(yè)利用中的重要中間產物辣椒油樹脂，超臨界CO2萃取法是比較理想的方法，與傳統(tǒng)索氏提取法相比，全過程中不使用有機溶劑，所得產物色價高，辣椒素含量高，雜質少，有利于辣椒的綜合利用。用辣椒油樹脂分離辣椒紅色素和辣椒素的實驗條件有待進一步研究完善。

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Study on extraction process of capsicum oleoresin by supercritical carbon dioxide

JIN Liang-jie1，ZHU Shi-yun2，LIANG Cheng-hong1，LI Yin1
（1.Naval Aeronautical and Astronautic University，Yantai 264001，China；
2.School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Supercritical carbon dioxide was applied in the extraction of capsicum oleoresin with the red capsicum's smash as the raw material.With the yield of capsicum oleoresin as an index，the optimal conditions were as follows：pressure（25MPa），temperature（30℃），time（3h），and the extraction rate of capsicum oleoresin up to 10.09%±0.29%.Under the conditions，the color value of the capsicum oleoresin extracted by supercritical carbon dioxide was 303±5 and the mass concentration of capsaicin was 3.7%±0.7%，obviously better than that from soxhlet extraction.With the capsicum oleoresin extracted by supercritical carbon dioxide as the material，the capsicum red pigment and the capsaicin could be primarily separated by another supercritical carbon dioxide extraction.

supercritical carbon dioxide；capsicum oleoresin；pigment；capsaicin

TS201.1

B

1002-0306（2012）03-0185-05

辣椒（Capsicum annum Linn.）為茄科辣椒屬的果實，目前其品種有幾十種，在我國南北廣泛栽種，產量居世界第一位。辣椒油樹脂是辣椒素和辣椒紅色素提取過程中的重要中間產物。辣椒素是辣椒果實中的N-香草基酰胺類生物堿，包括辣椒堿、二氫辣椒堿、去甲二氫辣椒堿、高辣椒堿、高二氫辣椒堿等等[1]。辣椒素在辣椒中的含量因品種不同而異，一般為0.1%～1%[2]，但只要有十萬分之一的濃度就可以使嗅覺感到明顯辣味，是制備食用香辛料的理想原料。此外辣椒素具有鎮(zhèn)痛[3-5]、抗炎[6]、抗氧化[7]等多種藥理作用，在醫(yī)藥保健領域也廣泛應用。辣椒紅色素色澤鮮美，是一類用作食用色素的天然類胡蘿卜素[8]，由于無毒副作用，在食品和飼料等行業(yè)中廣泛應用。傳統(tǒng)

2011－05－26

金靚婕（1986-），女，碩士，助教，研究方向：天然產物化學。

國家自然科學資助項目（20672030）。提取辣椒油樹脂的方法是溶劑提取法，此法的缺點有二：一是不考慮辣椒素的浸出率，僅將其作為辣椒紅色素生產中必須除去的“有害”雜質。事實上辣椒素的市場價格遠高于辣椒紅色素，對這種高附加值“雜質”的舍棄，既浪費資源還增加了色素生產成本[9]；二是有著較高的溶劑殘留，影響了進一步分離得到的辣椒素和辣椒紅色素的品質，進而影響其使用和出口創(chuàng)匯。超臨界流體萃取被譽為“超級綠色”技術，具有清潔、安全、高質、高效等優(yōu)點[10]，已成功應用于天然色素[11-12]、天然抗氧化劑[13]和食用香料[14-15]等的制備。本文首次探索了超臨界萃取辣椒油樹脂的最佳工藝條件，以期得到既含有高色價的辣椒紅色素又含有高濃度的辣椒素的辣椒油樹脂，為辣椒產品的深度開發(fā)和綜合應用提供有價值的參考。