花椒的超臨界CO2萃取和水蒸氣蒸餾工藝對比研究

周敏，劉福權(quán)，呂遠平，趙志峰

(四川大學 輕工科學與工程學院，成都 610065)

花椒系蕓香科花椒屬植物，因其具有獨特的香氣、“麻味”和唾液分泌性質(zhì)，被譽為中國傳統(tǒng)調(diào)味品“八大味”之一[1-3]?；ń返娘L味主要來源于以酰胺類物質(zhì)為代表的麻味和以芳樟醇、檸檬烯等為代表的香味[4-5]，開發(fā)具有獨特風味屬性的高附加值的花椒深加工產(chǎn)品已成為近年來食品工程領(lǐng)域里的重要任務(wù)[6-7]，而超臨界萃取工藝、亞臨界萃取工藝、水蒸氣蒸餾提取等是制備花椒油樹脂、花椒精油的關(guān)鍵技術(shù)。例如，劉雄等[8]研究了超臨界CO2流體提取花椒油樹脂工藝，當粒度40目、時間2 h、溫度45 ℃、壓力32 MPa時，油樹脂提取率達到12.63%。Zhang等[9]采用水蒸氣蒸餾提取法從紅花椒果皮中提取花椒精油，提取率為5.61%。但是提取效率及資源利用率等問題制約了這些技術(shù)的應(yīng)用，不同萃取方式獲得的產(chǎn)品風味差異較大，如何利用萃取剩余的原料等問題尚未完全解決。因此，本文以行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的超臨界萃取和水蒸氣蒸餾技術(shù)為對象，采用GC-MS等方法研究兩種工藝制備得到的花椒油樹脂和花椒精油的香味特點，采用HPLC等方法研究兩種工藝提取后剩余的花椒渣中麻味物質(zhì)含量及麻味強度，進而評價其萃取效率和資源利用率，為以花椒為代表的香辛料的高效提取和高附加值利用提供了科學參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 實驗原料

干燥的紅花椒：收獲于2020年，采自四川省漢源縣。將其粉碎過40目篩，并存放于-18 ℃冰箱中備用。

1.1.2 主要試劑

CO2(99.9%)：購于昆明博華氣體有限公司；食用酒精(95%)：購于河南鑫河陽酒精有限公司；正構(gòu)烷烴(色譜級)：購于Sigma-Aldrich公司；羥基-α-山椒素(色譜級)：購于成都麥德生科技有限公司；甲醇(色譜級)：購于成都市科龍化工試劑廠。

1.1.3 主要儀器

HA120-50-01型超臨界萃取設(shè)備 南通儀創(chuàng)實驗儀器有限公司；Agilent 1260 Infinity II高效液相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司；GC-MS-QP2010 SE氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 超臨界萃取制備花椒油樹脂的實驗方法

根據(jù)實驗室前期實驗結(jié)果，確定超臨界CO2提取條件為：萃取溫度45 ℃、萃取壓力25 MPa、萃取時間90 min、分離釜溫度55 ℃。

1.2.2 水蒸氣蒸餾制備花椒精油的實驗方法

參考Yang等[10]的方法并進行適當修改，利用水蒸氣蒸餾法提取花椒精油。

1.2.3 麻味物質(zhì)提取方法

參考蒲升惠等[11]的方法，利用有機溶劑萃取法提取樣品中的麻味物質(zhì)。

1.2.4 香味物質(zhì)檢測方法

采用配備RTX-5(30 m)色譜柱的GC-MS系統(tǒng)進行分析。取樣品和內(nèi)標物3-辛醇溶于正己烷，采用自動進樣程序，進樣體積為1 μL，其上樣濃度分別為8 mg/mL和0.6 mg/mL。以氦氣為運載氣體，總流速為2.02 mL/min。進樣器和離子源溫度為250 ℃，系統(tǒng)線性升溫程序設(shè)定為初始溫度35 ℃保持1 min，以2 ℃/min的速度將溫度升至70 ℃，保持5 min，以3 ℃/min的速度將溫度升至200 ℃，保持2 min。用于MS分析的電離能、探測器電壓、掃描范圍和掃描速率分別為70 eV、350 eV、40～500 m/z和3 scan/s。

定性方法：根據(jù)Wei等[12]描述的方法進行數(shù)據(jù)處理：利用正構(gòu)烷烴(C8-C20)計算物質(zhì)的保留指數(shù)，并依據(jù)NIST 14質(zhì)譜庫進行物質(zhì)定性。

定量方法:采用內(nèi)標法定量，按下式計算各個組分的相對含量[13]：m(i)=Ai/As×ms。

式中：m(i)為待測組分i的含量(mg/mL)，Ai為目標化合物的峰面積，As為內(nèi)標物的峰面積，ms為內(nèi)標物的濃度(mg/mL)。

1.2.5 麻味物質(zhì)檢測方法

采用HPLC法進行檢測，進樣體積為20 μL，洗脫溶劑A為超純水，溶劑B為乙腈，流動相總流速為0.5 mL/min，溶劑B初始濃度為45%，10 min使其濃度由45%提升至50%，20 min使其濃度由50%提升至65%，1 min使其濃度由65%提升至100%并維持9 min，再5 min使其濃度由100%降至45%，檢測波長為270 nm。通過對比標準品進行定性定量分析，y=143.13x+37.677，R2=0.999。

1.2.6 斯科維爾指數(shù)法

根據(jù)Zhang等[14]的文獻識別出羥基-ε-山椒素、羥基-α-山椒素、羥基-β-山椒素、羥基-γ-山椒素和羥基-γ-異山椒素的斯科維爾麻度指數(shù)值(SPU)分別為4.63×104，2.31×104，4.86×104，2.78×104，2.78×104mL/g，麻味貢獻值表示單位質(zhì)量的花椒中酰胺類物質(zhì)相對于SPU的麻味強度。

1.2.7 Half-tongue檢驗法

參考劉福權(quán)等的方法并做適當修改。用食用酒精溶解麻味物質(zhì)并定容至50 mL，此溶液作為1號樣品。采用十倍稀釋法對1號樣品進行稀釋得到2～7號樣品。實驗組吸取樣品200 μL，對照組吸取酒精200 μL，分別附著于濾紙上，在40 ℃條件下烘干5 min。按照組分濃度遞增順序進行測驗，實驗組和對照組的濾紙分別放在舌尖兩側(cè)，測試結(jié)束后用3%的蔗糖溶液作為清洗溶液清洗口腔，每次實驗間隔3 min。確定感知到麻味的稀釋度后，在此稀釋度及下一個稀釋度之間以二倍稀釋法確定麻味閾值。

2 結(jié)果與分析

2.1 花椒油樹脂與花椒精油的香味物質(zhì)分析結(jié)果

采用超臨界CO2萃取工藝制備花椒油樹脂，采用水蒸氣蒸餾工藝制備花椒精油，通過GC-MS分析獲得的花椒油樹脂和花椒精油中的香味物質(zhì)結(jié)果見圖1及表1。

圖1 花椒油樹脂與花椒精油香味物質(zhì)總離子流圖Fig.1 Total ion current chromatogram of aroma substances of Zanthoxylum bungeanum oleoresin and Zanthoxylum bungeanum essential oil

表1 花椒油樹脂和花椒精油的香味物質(zhì)檢測結(jié)果Table 1 Detection results of aroma substances in Zanthoxylum bungeanum oleoresin and Zanthoxylum bungeanum essential oil

續(xù) 表

續(xù) 表

結(jié)果表明，采用超臨界萃取獲得的花椒油樹脂中共檢測出41種香味物質(zhì)，其中烯烴類16種、醇類10種、酯類5種、醛類2種、醚類2種、酮類1種、酚類1種、其他類4種，主要香味物質(zhì)為乙酸芳樟酯(35.58 mg/mL)、芳樟醇(26.68 mg/mL)、D-檸檬烯(3.33 mg/mL)、右旋大根香葉烯(3.88 mg/mL)等；而采用水蒸氣蒸餾法獲得的花椒精油中共檢測出65種香味物質(zhì)，其中烯烴類24種、醇類20種、酯類8種、醛類3種、酮類1種、其他類9種，主要香味物質(zhì)為芳樟醇(194.05 mg/mL)、D-檸檬烯(94.23 mg/mL)、乙酸芳樟酯(76.73 mg/mL)、月桂烯(30.53 mg/mL)等。花椒油樹脂與花椒精油共有的香味物質(zhì)為27種，花椒精油的香味物質(zhì)總量(583.64 mg/mL)顯著大于花椒油樹脂的香味物質(zhì)總量(89.91 mg/mL)，為花椒油樹脂總量的6.49倍。進一步采用向量夾角余弦法定量表征花椒油樹脂與精油香味物質(zhì)的相似性[15]，結(jié)果表明其相似度為78.68%。因此，通過對香味物質(zhì)的分析可知，采用超臨界萃取工藝制備的花椒油樹脂與采用水蒸氣蒸餾制備的花椒精油在保留花椒特征香味方面表現(xiàn)出一定的差異性，水蒸氣蒸餾法能夠獲得香味屬性更好的花椒精油。

2.2 兩種工藝下的花椒渣麻味物質(zhì)含量與麻味強度分析結(jié)果

為明確超臨界萃取和水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣是否還具有利用價值，文章進一步研究了花椒渣的麻味物質(zhì)含量與麻味強度。麻味物質(zhì)含量結(jié)果見圖2和表2。

圖2 兩種工藝下花椒渣的麻味物質(zhì)HPLC檢測指紋圖譜Fig.2 HPLC fingerprint of numb-taste substances in Zanthoxylum bungeanum residues by the two technologies

表2 兩種工藝下的花椒渣的麻味物質(zhì)含量和麻味貢獻值Table 2 Content and contribution value of numb-taste substances in Zanthoxylum bungeanum residues by the two technologies

結(jié)果表明，與對照組相比，超臨界萃取和水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣的麻味物質(zhì)含量分別降低了93.61%和33.15%，表明超臨界萃取花椒油樹脂能有效地提取出花椒中的麻味物質(zhì)，花椒渣中剩余的麻味物質(zhì)含量較少；而水蒸氣蒸餾對麻味物質(zhì)的影響較小，剩余的花椒渣中仍含有較多的麻味物質(zhì)。

為了評價兩種工藝下花椒渣的麻味強度，計算出麻味貢獻值(見表2)，與對照組相比，超臨界萃取和水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣的麻味貢獻值分別降低了93.98%和29.67%，表明超臨界萃取后剩余的花椒渣的麻味強度較低，而水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣的麻味強度較高，與麻味物質(zhì)含量的評價結(jié)果一致。為了更科學合理地判斷兩種工藝下花椒渣的麻味強度，繼續(xù)采用Half-tongue檢驗法對上述結(jié)果進行驗證。結(jié)果顯示：對照組的檢測閾值為2×105，超臨界萃取后剩余的花椒渣檢測閾值為1×104，水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣檢測閾值為1×105，充分佐證了兩種工藝下花椒渣中剩余了部分麻味物質(zhì)并具有一定的麻味強度。因此，通過對麻味物質(zhì)含量和麻味強度的分析可知，水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣的利用價值遠高于超臨界萃取后剩余的花椒渣。

3 結(jié)論

本文采用GC-MS等方法研究兩種工藝制備得到的花椒油樹脂和花椒精油的香味特點，采用HPLC等方法研究兩種工藝提取后剩余的花椒渣中麻味物質(zhì)含量及麻味強度，結(jié)果表明采用超臨界萃取工藝制備的花椒油樹脂與采用水蒸氣蒸餾制備的花椒精油在保留花椒特征香味方面表現(xiàn)出一定的差異性，水蒸氣蒸餾法能夠獲得香味屬性更好的花椒精油。兩種工藝下花椒渣中都檢測出一定的麻味物質(zhì)和麻味強度，水蒸氣蒸餾后剩余的花椒渣的利用價值遠高于超臨界萃取后剩余的花椒渣。這一結(jié)論為以花椒為代表的香辛料的高效提取和高附加值利用提供了科學參考，從而促進了香辛料資源的高效利用。