閃式提取辣椒堿的工藝研究

盧俏，張煜，顏健，張怡，曹建新

（貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

辣椒堿是一種含有酚羥基的生物堿，它是辣椒果實(shí)的主要顯辣物質(zhì)，其含量一般只占到辣椒干重的0.1%～0.4%[1]。辣椒堿類(lèi)物質(zhì)因具有鎮(zhèn)痛止癢、抗炎消腫、防風(fēng)濕和抗腫瘤等作用，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)。此外辣椒堿類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)品在農(nóng)藥、軍事、涂料、食品添加劑和減肥保健品領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，具有極廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景[2]。

目前，辣椒堿的提取方法主要有：有機(jī)溶劑浸提法、超聲波輔助提取法和超臨界CO2流體萃取法等[2-6]。溶劑浸提法提取率低、操作繁瑣、溶劑消耗量大；超聲輔助法提取液過(guò)濾困難，不利于辣椒堿的后期純化；超臨界法設(shè)備投資較大。閃式提取法是近年發(fā)展起來(lái)的新型輔助提取技術(shù)，它利用高速機(jī)械剪切力和攪拌力作用，迅速破壞植物細(xì)胞組織，使內(nèi)部有效成分與溶劑充分接觸，快速溶解轉(zhuǎn)移，在幾秒到幾十秒內(nèi)達(dá)到內(nèi)外溶解平衡，提取效率較高，但將此方法應(yīng)用于辣椒堿提取的研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)采用閃式提取法從辣椒中提取出辣椒堿類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，得到最佳工藝條件。

1 原料及儀器

1.1 原料

干紅辣椒：市售；甲醇、乙醇、丙酮、石油醚和乙酸乙酯：均為分析純。

1.2 儀器

FW80 高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；JHBE-20A 閃式提取器：河南金鼐科技發(fā)展有限公司；RE-3000 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；752 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海菁華科技儀器有限公司；Agilent 1100 高效液相色譜儀：美國(guó)安捷倫科技公司。

2 方法

干紅辣椒干燥、粉碎，按設(shè)定的料液比加入有機(jī)溶劑，于一定轉(zhuǎn)數(shù)和時(shí)間條件下閃式提取，抽濾，減壓蒸餾即得到辣椒油樹(shù)脂。參照文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的方法，分別采用分光光度法和高效液相色譜法測(cè)定辣椒油樹(shù)脂中辣椒堿的含量。

采用分光光度法測(cè)定辣椒堿含量時(shí)，以香蘭素為對(duì)照品，實(shí)驗(yàn)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve graph of capsaicin

辣椒堿的提取率用閃式提取所得辣椒堿與干紅辣椒粉的質(zhì)量比來(lái)表征。

計(jì)算公式如下：

式中：C 為辣椒堿濃度（從標(biāo)準(zhǔn)曲線讀取，μg/mL）；1.065 為香蘭素?fù)Q算成辣椒堿的當(dāng)量系數(shù)；V 為待測(cè)液體積，mL；A 為待測(cè)液稀釋倍數(shù)；W 為辣椒樣品質(zhì)量，g。

高效液相色譜法檢測(cè)條件：色譜柱，Lichrospher C18（4.6×250，5 nm）；流動(dòng)相，甲醇∶水=75∶25（含0.1 %磷酸）；流速，0.600 mL/min；檢測(cè)波長(zhǎng)，280 nm；進(jìn)樣量，20 μL。

計(jì)算公式如下：

式中：m 為辣椒油樹(shù)脂中辣椒堿的質(zhì)量，g；W 為辣椒樣品質(zhì)量，g。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 提取溶劑對(duì)辣椒堿提取率的影響

選取不同的有機(jī)溶劑，于料液比1∶10（g/mL）、轉(zhuǎn)數(shù)4 400 r/min、閃提時(shí)間30 s 條件下進(jìn)行辣椒堿提取實(shí)驗(yàn)，以研究不同有機(jī)溶劑對(duì)辣椒堿提取率的影響。

辣椒堿為弱極性偏酸性物質(zhì)，根據(jù)相似相溶原理，宜選擇極性相對(duì)較小且偏酸性物質(zhì)為提取溶劑。本實(shí)驗(yàn)所選五種溶劑進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同種類(lèi)溶劑對(duì)辣椒堿提取量的影響Table 1 Influence of solvents on extraction volume of capsaicin

從表1 可以看出，當(dāng)以丙酮為提取溶劑時(shí)，辣椒堿的提取率最大。乙醇溶劑無(wú)毒安全，價(jià)格低廉，本實(shí)驗(yàn)采用乙醇為提取溶劑時(shí)所得提取率可達(dá)到0.010 3%，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)提取液較黏稠，選擇性差，對(duì)進(jìn)一步純化辣椒堿的操作不利，同時(shí)乙醇溶劑沸點(diǎn)比丙酮高12 ℃，在蒸餾過(guò)程中能耗較高。綜合考慮各影響因素，本實(shí)驗(yàn)選擇丙酮作為提取溶劑。

3.2 料液比對(duì)辣椒堿提取率的影響

選取不同料液比，以丙酮為提取溶劑，于轉(zhuǎn)數(shù)4 400 r/min、閃提時(shí)間30 s 條件下進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，研究料液比對(duì)辣椒堿提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 料液比對(duì)辣椒堿提取率的影響Fig.2 Effects of ration of solvent material to liquid on extraction ratio of capsaicin

從圖2 可以看出，當(dāng)料液比從1∶8（g/mL）提高到1∶10（g/mL）時(shí)，辣椒堿提取率急速上升，之后，隨料液比提高，辣椒堿的提取率增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)料液比達(dá)到1∶12（g/mL），再增加溶劑體積，辣椒堿提取率呈緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著料液比的提高，辣椒顆粒表面與溶劑間辣椒堿濃度梯度增大，辣椒堿的溶解擴(kuò)散速率隨之增大，從而促進(jìn)辣椒植物細(xì)胞組織中辣椒堿的浸出并向溶劑擴(kuò)散，因此辣椒堿提取率急速上升。當(dāng)料液比達(dá)到一定值后，辣椒中的大部分辣椒堿已浸出并溶解于溶劑中，同時(shí)，溶劑體積的增大會(huì)在一定程度上減小閃提器刀頭與辣椒顆粒的剪切幾率，使辣椒顆粒相對(duì)偏大，影響辣椒堿的浸出效果，因此料液比達(dá)到1∶10（g/mL）后，再提高料液比，辣椒堿提取率增加緩慢，甚至呈下降趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)條件下，考慮到溶劑用量增加產(chǎn)生的回收問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，選擇料液比1∶10（g/mL）為宜。

3.3 閃提轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)辣椒堿提取率的影響

選擇不同的閃提轉(zhuǎn)數(shù)，以丙酮為提取溶劑，于料液比1∶10（g/mL）、閃提時(shí)間30 s 的條件下進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，研究閃提轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)辣椒堿提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)辣椒堿提取率的影響Fig.3 Effects of rotation on extraction ratio of capsaicin

從圖3 可以看出，隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增加，辣椒堿的提取率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。其它條件一定時(shí)，閃式提取器的轉(zhuǎn)數(shù)越高，越有利于植物的粉碎、細(xì)胞組織的破壞和溶質(zhì)向溶劑的擴(kuò)散，從而促進(jìn)溶質(zhì)的浸出和溶解，但是，提取器刀頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)高，高速旋轉(zhuǎn)的刀頭瞬間產(chǎn)生的熱量有可能造成溶液局部高溫，致使某些溶出成分發(fā)生氧化或分解等副反應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)在1 100 r/min 到4 400 r/min 之間變化時(shí)，隨刀頭旋轉(zhuǎn)速度的提高，辣椒的粉碎、細(xì)胞組織的破壞和辣椒堿的浸出并向溶劑擴(kuò)散得以逐漸加強(qiáng)，而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量又不是太高，所以，轉(zhuǎn)數(shù)提高，辣椒堿提取率增大。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)4 400 r/min 時(shí)，溶液體系產(chǎn)生的局部高溫有可能使辣椒堿發(fā)生氧化或分解等副反應(yīng)，導(dǎo)致辣椒堿提取率下降。本實(shí)驗(yàn)條件下比較適宜的轉(zhuǎn)數(shù)約為4 400 r/min。

3.4 提取時(shí)間對(duì)辣椒堿提取率的影響

選擇不同提取時(shí)間，以丙酮為提取溶劑，于料液比1∶10（g/mL）、轉(zhuǎn)數(shù)4 400 r/min 條件下進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，研究閃提時(shí)間對(duì)辣椒堿提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 閃提時(shí)間對(duì)辣椒堿提取率的影響Fig.4 Effects of extractive time on extraction ratio of capsaicin

從圖4 可以看出，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，辣椒堿的提取率先增加然后緩慢降低，總體看來(lái)，閃提時(shí)間對(duì)辣椒堿的提取率影響不大。閃式提取器高速旋轉(zhuǎn)刀頭可在很短的時(shí)間內(nèi)迅速破壞植物組織，提取時(shí)間延長(zhǎng)，雖然有助于強(qiáng)化提取器刀頭對(duì)辣椒植物組織的破壞，促進(jìn)有效成分的浸出和向溶劑中的溶解，但作用不明顯。較長(zhǎng)時(shí)間的剪切力作用，反而會(huì)使辣椒植物組織充分破碎，產(chǎn)生過(guò)細(xì)辣椒粉末使濾餅層致密，影響辣椒堿濾出。因此，延長(zhǎng)提取時(shí)間，對(duì)增加辣椒堿提取率的作用不明顯，長(zhǎng)時(shí)間閃提反而會(huì)影響辣椒堿提取率的增大。本實(shí)驗(yàn)條件下，較適合的閃提時(shí)間約為30 s。

3.5 閃式提取辣椒堿的正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，選擇料液比、閃提時(shí)間和轉(zhuǎn)數(shù)三個(gè)因素為研究對(duì)象。采用L9（33）正交試驗(yàn)優(yōu)化辣椒堿的提取工藝條件，結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 The levels of factors

表3 正交試驗(yàn)方法分析表Table 3 Scedastic analysis chart of orthogonal test

由方差分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)辣椒堿提取率影響極為顯著；料液比對(duì)辣椒堿的提取率影響顯著；閃提時(shí)間對(duì)辣椒堿提取率影響最不顯著。綜合極差分析結(jié)果可以得出，閃式提取辣椒堿的最佳工藝條件為：A3B3C3，即丙酮溶劑作為提取液、料液比為1∶12（g/mL）、閃提時(shí)間35 s、轉(zhuǎn)數(shù)6 600 r/min。在此工藝條件下，得出辣椒堿的提取率為0.112 6%。

3.6 辣椒堿檢測(cè)方法的比較

在最佳工藝條件下閃式提取辣椒堿，分別用2.2的兩種方法測(cè)定辣椒堿的提取率，結(jié)果見(jiàn)表4、圖5 和圖6。

表4 不同檢測(cè)方法的比較Table 4 Comparsion of different detection method

圖5 辣椒堿標(biāo)品高效液相色譜圖Fig.5 Chromatogram of standard capsaicin

圖6 樣品高效液相圖譜Fig.6 Chromatogram of sample capsaicin

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，HPLC 測(cè)定結(jié)果低于分光光度法測(cè)定值。原因在于分光光度法起顯色作用的是被測(cè)物質(zhì)的官能團(tuán)，這是辣椒堿類(lèi)物質(zhì)所共有的，即該方法測(cè)定是辣椒堿類(lèi)化合物的總含量；而HPLC 法能夠?qū)⒗苯穳A與其結(jié)構(gòu)相似的辣椒堿類(lèi)物質(zhì)有效地分離開(kāi)來(lái)，測(cè)定結(jié)果為辣椒堿和二氫辣椒堿含量。因而分光光度法測(cè)定結(jié)果比HPLC 法測(cè)定結(jié)果偏大。圖5 為標(biāo)準(zhǔn)品及樣品HPLC 圖，標(biāo)準(zhǔn)品中辣椒堿和二氫辣椒堿保留時(shí)間tR（min）分別為：17.192 和22.664，這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相符[9]。

4 結(jié)論

采用閃式提取技術(shù)提取辣椒堿類(lèi)物質(zhì)，在保證較高的有效成分提取率基礎(chǔ)上，大大縮短了提取時(shí)間，提高了提取效率，同時(shí)此方法室溫提取、物料適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能降耗、操作簡(jiǎn)單。閃式提取辣椒堿方法相對(duì)傳統(tǒng)的提取方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種快速有效的提取辣椒堿類(lèi)物質(zhì)的方法。

本試驗(yàn)條件下，閃式提取辣椒堿的最佳工藝條件為：丙酮溶液、料液比為1∶12（g/mL）、閃提時(shí)間35 s、轉(zhuǎn)數(shù)6 600 r/min，辣椒堿的提取率為0.112 6%。

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