天然辣椒生物堿的提取方法及其應(yīng)用研究進(jìn)展

闕小峰 ，余雁，方志成，徐良

1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（蘇州 215008）；2. 蘇州泰事達(dá)檢測(cè)技術(shù)有限公司（蘇州 215006）；3. 江蘇省生鮮農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)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(wàn) hm2，集中在溫帶、熱帶、亞熱帶地區(qū)，年產(chǎn)量6 000余萬(wàn) t，是世界第三大蔬菜作物，僅次于豆類(lèi)、番茄。我國(guó)是全球辣椒種植面積第一大國(guó)，占比近40%，年產(chǎn)量達(dá)60%，年干辣椒出口占全球出口總量的26%。隨著辣椒消費(fèi)量逐年攀升，辣椒深加工產(chǎn)品的綜合開(kāi)發(fā)利用日益加大。在食品加工中，從辣椒中提取辣味堿類(lèi)物質(zhì)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(fā)揮辣椒堿類(lèi)物質(zhì)保護(hù)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(yī)藥、軍事等行業(yè)[9]具有廣泛用途，因此，辣椒成為世界上發(fā)展前景優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)作物之一。

為促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展及辣椒深加工產(chǎn)品的普及應(yīng)用，從國(guó)內(nèi)外近幾年辣椒中天然辣椒生物堿提取的新技術(shù)、新方法，以及辣椒生物堿在食品工業(yè)上的功能性應(yīng)用角度出發(fā)進(jìn)行歸納總結(jié)，為天然辣椒生物堿工業(yè)化提取純化及綜合開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 辣椒生物堿類(lèi)物質(zhì)

辣椒營(yíng)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(lèi)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（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(jī)溶劑，不溶于冷水；在其分子結(jié)構(gòu)均含有酸性酚羥基（圖1），能溶于堿性溶液，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(tǒng)的提取方法是在酸堿、有機(jī)溶劑浸提基礎(chǔ)上，結(jié)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(jī)溶劑提取法來(lái)提高提取率或純度，但有浸提時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求嚴(yán)、能耗高和提取率低等缺點(diǎn)[11-12]。近年來(lái)，一些新技術(shù)被應(yīng)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(diào)節(jié)pH或輔以乙醇、正己烷等進(jìn)行離心分離制備得到辣椒堿粗制品，如趙愛(ài)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(jīng)乙醇-乙酸乙脂洗脫、濃縮后，得到純度98.5%以上的辣椒堿結(jié)晶體，得率為0.6%?？梢?jiàn)，酸堿法雖簡(jiǎn)易，但費(fèi)時(shí)、得率不高。

2.2 有機(jī)溶劑法

利用辣椒生物堿易溶于有機(jī)溶劑的特性，國(guó)內(nèi)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(shù)來(lái)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(jìn)行超臨界CO2萃取辣椒粉中的辣椒堿，萃取液再經(jīng)濃縮、結(jié)晶等處理，制得純度達(dá)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(duì)比了有機(jī)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(jié)果發(fā)現(xiàn)堿性乙醇法相對(duì)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 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(xì)胞壁，增加細(xì)胞膜通透性，有利于胞內(nèi)物質(zhì)溶出，所以也常用來(lái)提取辣椒生物堿類(lèi)物質(zhì)。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(chǎn)量相對(duì)于傳統(tǒng)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(lèi)化合物，酶解45 min樣品后細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)消失，辣椒堿類(lèi)化合物提取率達(dá)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?jiàn)，生物酶法提取辣椒堿，比酸堿、有機(jī)溶劑法成本低、能耗少，快捷高效，但存在酶對(duì)溫度、pH的要求較高，適合于實(shí)驗(yàn)室研究，不利于工業(yè)大規(guī)?；a(chǎn)，可作為工業(yè)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(dá)到一定臨界濃度時(shí)，形成互不相溶的兩相體系，以此形成雙水相提取技術(shù)（aqueous two phase extraction，ATPE），常見(jiàn)的雙水相體系為聚二乙醇（PEG）/葡聚糖（DEX）、PEG/無(wú)機(jī)鹽、小分子有機(jī)溶劑/無(wú)機(jī)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(shí)間短，分配系數(shù)可控，可連續(xù)化、集成化生產(chǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外逐漸興起采用雙水相體系來(lái)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(jié)合D101大孔樹(shù)脂和SKP-10-4300反相樹(shù)脂以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 g/L和4.2 g/L（辣椒堿/樹(shù)脂）。Fan等[24]使用由環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷（EOPO）共聚物、鹽及乙醇組成的雙水相溶液（ATPS）從辣椒油樹(shù)脂中提取得率95.5%辣椒堿，經(jīng)進(jìn)一步純化后，辣椒堿回收率和純度達(dá)88.0%和85.1%。夏昊云等[25]以β-環(huán)糊精、硫酸鈉構(gòu)成雙水相萃取體系，在0.5 gβ-環(huán)糊精、0.1 g無(wú)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(dá)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(dá)95.6%?？梢?jiàn)，雙水相提取有利于工業(yè)化上技術(shù)連續(xù)化、集成化生產(chǎn)，減少單元操作過(guò)程，但也存在設(shè)備一次性投資大、成本高、提取液殘留等問(wèn)題。

2.5 水油混相提取法

目前，國(guó)內(nèi)有企業(yè)以水和食用植物油組成的乳化體系[27]改進(jìn)雙水相體系溶液成本高的缺點(diǎn)，采用高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理干辣椒粉末，在水油乳化液加濕量20%、溫度150 ℃、轉(zhuǎn)速300 r/min預(yù)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(dá)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(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（-0.08~-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(xì)胞破壁[28]，經(jīng)歷反復(fù)破碎、分解、解聚、混合、精細(xì)均質(zhì)、乳化過(guò)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(dá)到100%，相較于傳統(tǒng)辣椒堿提取工藝浸提時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求嚴(yán)、能耗高和提取率低等缺點(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)上已取得較好的試驗(yàn)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(shù)[29]，利用物質(zhì)在有機(jī)溶劑與鹽構(gòu)成的互不相溶的多相中的溶解度不同而實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于天然產(chǎn)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(chǎn)率分別為常規(guī)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(yōu)條件下辣椒堿提取量為1.412 mg/g干辣椒?？梢?jiàn)，多相鹽析技術(shù)應(yīng)用于辣椒堿提取，條件溫和簡(jiǎn)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(shù)來(lái)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(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[34]應(yīng)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(lèi)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%和103%。劉思昭[35]利用微切助互作技術(shù)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(jiàn)，上述提取天然辣椒生物堿的方法各有利弊。傳統(tǒng)的酸堿法、有機(jī)溶劑法雖然操作簡(jiǎn)單，但產(chǎn)品雜質(zhì)多，純化難，成本高，易造成原料浪費(fèi)和環(huán)境污染；超聲波、微波、酶解等輔助技術(shù)有利于辣椒堿提取，但設(shè)備不利于工業(yè)化生產(chǎn)，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?xún)x器設(shè)備投資較大，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。雙水相萃取技術(shù)、多相鹽析技術(shù)萃取法、離子液體法等新技術(shù)，相對(duì)工藝簡(jiǎn)單、提取率高、操作方便、成本低、適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，如果與傳統(tǒng)的提取技術(shù)相結(jié)合，前景十分廣闊，但實(shí)際應(yīng)用中需考慮工藝、成本、分離提純工序等問(wèn)題，特別是上述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(chē)環(huán)境，在后續(xù)的放大試驗(yàn)過(guò)程中的中試乃至正式投產(chǎn)均存在工藝放大及物料成本核算等問(wèn)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(jiǎn)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 辣椒生物堿在食品中應(yīng)用的研究

3.1 辣味增效

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(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生。人們感覺(jué)到的辣味主要是由辣椒堿類(lèi)物質(zhì)刺激神經(jīng)引起的痛覺(jué)。食品中添加的辣味物質(zhì)量適中，不僅有利于食品增辣，而且給食用者能帶來(lái)愉悅的感覺(jué)。熊科等[36]對(duì)食品中辣椒及其制品辣度添加劑分級(jí)方法開(kāi)展研究，研究表明在我國(guó)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(guò)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[37]，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(duì)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(duì)食品生產(chǎn)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(kuò)散法考察辣椒堿的抑菌效果，結(jié)果顯示，辣椒堿對(duì)廣譜細(xì)菌有較強(qiáng)抑制活性，但對(duì)霉菌較弱；質(zhì)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(guò)濾紙片擴(kuò)散法考察辣椒堿對(duì)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[40]研究體外條件下辣椒堿對(duì)鴨源性大腸桿菌、沙門(mén)菌和金黃色葡萄球菌抑菌效果和抗氧化能力，結(jié)果顯示，辣椒堿對(duì)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(xué)合成抗氧化劑（BHA、BHT、PG、TBHQ等）安全問(wèn)題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話(huà)題。研究顯示，天然辣椒生物堿具有與BHT相當(dāng)?shù)目寡趸Ч鸞41]，可替代并消除BHA等人體積累可能產(chǎn)生的健康問(wèn)題，與其他抗氧化劑VC、VE協(xié)同使用，效果更佳。如王夢(mèng)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(duì)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(jié)果發(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)。李宇等[43]研究辣椒堿對(duì)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(jié)果顯示，0.006 mmol/mL辣椒堿濃度對(duì)O2-·清除率達(dá)到80.75%，與VE相當(dāng)（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(kāi)展其在肉類(lèi)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等方面具有效果?？梢?jiàn)，辣椒堿具有VC、VE相當(dāng)?shù)淖杂苫宄涂寡趸哪芰ΑＴ谑称饭I(yè)中，以辣椒堿為主要原料，開(kāi)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(duì)解決食品在貯藏加工中脂肪氧化變質(zhì)問(wèn)題具有重要意義。

3.4 對(duì)酶抑制作用

Shrivastava等[45]研究發(fā)現(xiàn)，鮮辣椒果實(shí)乙醇提取的辣椒生物堿對(duì)α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶表現(xiàn)出最高的抑制作用及抗氧化活性，且對(duì)α-葡萄糖苷酶的抑制作用最強(qiáng)，IC50為225 μg/mL。電鏡掃描顯示，辣椒堿通過(guò)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(lèi)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(lái)源，應(yīng)用于食品加工中。

3.5 對(duì)糧食蟲(chóng)害防治的作用

辣椒香草酰胺類(lèi)生物堿成分的辛辣味對(duì)糧食蟲(chóng)害防治具有選擇性強(qiáng)、作用機(jī)制復(fù)雜、害蟲(chóng)不易產(chǎn)生抗藥性、環(huán)境友好、安全性高等突出優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)綠色儲(chǔ)糧殺蟲(chóng)劑的重要來(lái)源。如陳謙等[46]通過(guò)對(duì)辣椒堿防治儲(chǔ)糧蟲(chóng)害效果研究，發(fā)現(xiàn)8.0 mg/mL辣椒堿對(duì)害蟲(chóng)赤擬谷盜、谷蠹有較好的驅(qū)避效果；2種害蟲(chóng)對(duì)0.1%濃度辣椒堿處理過(guò)的糙米有拒食現(xiàn)象，糧食損失量分別為對(duì)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(chóng)薄膜對(duì)赤擬谷盜在80 h觸殺死亡率可達(dá)90%以上，2%辣椒堿對(duì)書(shū)虱（booklice）的防治效果優(yōu)于化學(xué)驅(qū)蟲(chóng)劑?？梢?jiàn)，辣椒堿在防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)中具有較大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)語(yǔ)

詳述近年來(lái)天然辣椒生物堿提取的新技術(shù)、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)和三相鹽析萃取技術(shù)等，分析各種提取方法的利弊，便于科研人員、企業(yè)選擇；同時(shí)，對(duì)辣椒生物堿在食品工業(yè)上的辣味增效、抑菌、抗氧化、抑制酶及蟲(chóng)害防治等功能性應(yīng)用進(jìn)行概述，為辣椒堿工業(yè)化提取純化，辣椒深加工產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用提供相關(guān)的理論依據(jù)及技術(shù)支持。

我國(guó)是辣椒生產(chǎn)加工、出口的大國(guó)，辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅渖罴庸ぎa(chǎn)品辣椒生物堿在食品工業(yè)上具有很高的科研和開(kāi)發(fā)價(jià)值。但目前，我國(guó)辣椒生物堿的研究與應(yīng)用尚屬處于起步階段，研發(fā)深度和精度相對(duì)不夠，尤其是辣椒生物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(kāi)發(fā)有待進(jìn)一步提升。因此，加快加深辣椒生物堿功能性產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)，積極引導(dǎo)研究成果向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將是辣椒生物堿未來(lái)重點(diǎn)研究的重要方向之一。