超聲波輔助提取鮮紅辣椒中辣椒素工藝優(yōu)化

李立恒，劉明新，胡超，蘭時樂

超聲波輔助提取鮮紅辣椒中辣椒素工藝優(yōu)化

李立恒1，劉明新2，胡超1，蘭時樂1

(1.湖南農業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業(yè)大學東方科技學院，湖南 長沙 410128)

以鮮紅辣椒S06為材料，采用超聲波法從鮮紅辣椒S06中提取辣椒素，通過單因素試驗得出較佳的乙醇–石油醚溶劑混合比、料液比、提取溫度和時間，再通過L9(34)正交試驗優(yōu)化辣椒素的提取工藝。結果表明：提取率最高的條件為乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7，料液比為1∶5.5，溫度為60 ℃，時間為2.0 h；純度最高的條件為乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7，料液比為1∶5.5，溫度為65 ℃，時間為1.5 h；與傳統的乙醇提取法相比較，提取率和純度分別提高了27.8%和53.8%，辣椒素提取率達(4.961±0.232)‰，辣椒素純度達(8.568±0.245)%。該方法能提高辣椒素的提取率，降低提取成本，改良生產工藝。

鮮紅辣椒；辣椒素；有機溶劑浸提；超聲波法；單因素試驗；正交試驗；提取工藝

辣椒素是從辣椒中提取的堿性呈辣物質，是引起辣椒辛辣味的主要物質[1]，約占辣椒干質量的0.3%～1.0%，以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，具有極高的生理藥用價值[2]。辣椒素是一種重要的生理活性物質，具有調味、催淚、殺蟲、消炎、鎮(zhèn)痛、減肥、戒毒等作用，已被廣泛應用于醫(yī)藥、食品等領域[3–5]。在食品中可作為添加劑、蔬菜和調味品；在農業(yè)上可作為生化農藥來趨避害蟲、鼠類等，具有安全無毒、天然、綠色、有效等特點；在藥用方面有健脾、暖胃驅寒、助消化及促進血液循環(huán)等功效，還有降脂減肥、止痛、抗菌消炎、抗癌、降低膽固醇、抗疲勞等作用[6]；在造船工業(yè)上，可作為防銹添加劑；在電纜、光纜上可作為防鼠涂層添加劑；在木質建筑上用于制作防白蟻涂料等[7]。辣椒素的提取方法有超聲波提取法、微波提取法、有機溶劑浸提法、超臨界CO2萃取法、酶提取法和固相萃取法等[8–9]。有機溶劑提取法提取時間長，提取率相對較低；超聲波提取法和微波提取法提取速率高，提取時間短；超臨界CO2萃取法具有生產周期短、提取速率高等優(yōu)點，但成本較高，有待進一步發(fā)展。干紅辣椒中提取辣椒素的工藝相對比較成熟，但紅辣椒干燥需要成本，而且紅辣椒干燥后，辣椒中的活性成分也容易被破壞，表皮結構緊縮也會影響辣椒素的提取。從鮮紅辣椒中直接提取辣椒素能夠實現就地加工、節(jié)省運輸成本、減少辣椒干制工藝、節(jié)省能源、降低成本等優(yōu)點，并且能夠最大程度保持辣椒中的活性成分。本試驗采用乙醇–石油醚的混合溶劑浸提[3]和超聲波輔助技術從鮮紅辣椒中提取辣椒素，改進辣椒素提取的工藝條件，旨在實現辣椒素的快速和高效提取。

1　材料與方法

1.1　材料與設備

鮮紅辣椒S06由湖南省蔬菜研究所提供；無水乙醇和石油醚產自國藥集團化學試劑有限公司。

主要儀器設備：辣椒素檢測試劑盒(美國Beacon)；KM3200DE中文液晶超聲波清洗器(江蘇昆山美美超聲儀器設備有限公司)；LONG YUE電熱恒溫鼓風干燥箱(上海龍躍儀器設備有限公司)；Infinite F50酶標儀(瑞士帝肯(上海)貿易有限公司)。

1.2　方法

1.2.1辣椒素提取單因素試驗

基本提取方法：取辣椒紅熟期果實，去籽、去柄后稱取10.000 g加30 mL 水，用組織搗碎機將其搗碎，置于錐形瓶中，添加20 mL的乙醇–石油醚(乙醇、石油醚的體積比為3∶7)混合溶液，置于超聲波清洗器中，60 ℃、150 W、40 kHz超聲提取1.0 h；濾紙過濾后得辣椒素提取液，電熱恒溫鼓風濃縮，干燥提取液，得辣椒油樣品；稱重，加10 mL甲醇，振搖3 h充分溶解后再次過濾，得辣椒素提取液。按辣椒素試劑盒說明書測定辣椒素質量，計算辣椒素提取率和純度。

在上述基本提取方法基礎上設計單因素試驗，分別設置不同乙醇–石油醚混合液體積比(1∶9、1∶4、3∶7、2∶3、1∶1、3∶2)、料液比(1∶4.0、1∶4.5、1∶5.0、1∶5.5、1∶6.0、1∶6.5)、提取溫度(55、60、65、70、75、80 ℃)、提取時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)，超聲提取辣椒素，并計算各條件下的辣椒素提取率和純度，確定最佳混合液比、料液比、提取溫度和提取時間。試驗重復3次，結果取平均值。

1.2.2辣椒素提取正交試驗設計

根據乙醇–石油醚混合液比、料液比、提取溫度和提取時間的單因素最佳條件，采用L9(34)進行正交試驗因素水平設計[10](表1)，運用正交試驗設計軟件，通過極差分析，優(yōu)選出辣椒素提取的最佳工藝參數。

表1　正交試驗因素水平

1.2.3辣椒素提取率和純度的計算

按公式(1)和公式(2)分別計算辣椒素的提取率和純度。

=／1×100% (1)

=／2×100% (2)

式中：表示辣椒素提取率；表示辣椒素純度；表示辣椒油中辣椒素的質量；1表示鮮紅辣椒質量；2表示辣椒油質量。

1.2.4統計分析

數據以平均值±標準差(SD)表示，采用單因素方差分析判斷差異顯著性。

2　結果與分析

2.1　單因素試驗結果

由表2可知，辣椒素提取率和純度隨乙醇–石油醚混合液比的增加呈先升高后降低的趨勢，混合比3∶7時，辣椒素提取率和純度均達到最大值，分別為4.248‰和6.652%，這可能是因為乙醇、石油醚都具有一定極性，不同混合比對原料中辣椒素的滲透效果不一樣，辣椒素提取率也不一樣；因此，選擇混合比為3∶7的乙醇–石油醚混合溶液作為辣椒素提取的適宜有機混合溶劑。

表2　不同提取處理辣椒素的提取率和純度

溫度/℃提取率/‰純度/%時間/h提取率/‰純度/% 552.7703.3790.52.0072.646 603.6214.3761.02.0012.221 653.9504.8671.52.3492.682 703.0463.9212.03.8704.458 752.4023.5002.53.0483.542 801.4221.9653.01.2841.518

料液比為1∶5.0時辣椒素提取率和純度均達到最大值，此時提取率為3.663‰，純度為5.786%；料液比繼續(xù)增加，提取率和純度均降低。究其原因，可能是因為料液比影響固液兩相主體之間的濃度差，即傳質推動力，進而影響辣椒素提取率和純度，料液比越大，兩相濃度差越大，傳質推動力越大，但超過一定值，混合有機溶劑濃度也會減小，對提取反而不利。本試驗以1∶5的料液比為辣椒素提取的最佳料液比。

辣椒素的提取率和純度開始隨溫度升高而增大，65 ℃時達到最大值(提取率為3.950‰，純度為4.867%)，之后隨著溫度升高反而下降。究其原因，可能是因為隨著溫度上升，分子熱運動加劇，從而加快了溶質的傳質速率，溶劑更容易擴散到固體原料內部，溫度過高會破壞辣椒素的成分，所以選擇65 ℃作為提取溫度較為適合。

用乙醇–石油醚混合溶液作為有機溶劑提取鮮紅辣椒中的辣椒素，當提取2.0 h時，辣椒素提取率和純度達到最大值，提取率為3.870‰，純度為4.458%，其后隨時間延長而降低。分析其原因，可能是因為提取時間短，目標成分溶解不充分；提取時間過長，目標成分又容易分解而影響提取率，所以選擇2 .0 h作為最佳提取時間。

2.2　正交試驗結果與分析

從單因素試驗結果可以看出，乙醇–石油醚溶劑混合比、辣椒與提取溶劑料液比、提取溫度、提取時間4個因素對辣椒素提取率與純度都有一定影響。考慮這些因素之間是互相影響的，因此，綜合4個因素的最佳水平進行正交試驗，以得出最優(yōu)的辣椒素提取條件。正交試驗因素水平設計見表1。正交試驗結果見表3和表4。

從表3、表4可以看出，提取溫度、乙醇–石油醚溶劑混合比、料液比、提取時間對辣椒素提取率的影響依次降低，其最優(yōu)工藝組合為A1B3C1D2，即乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7，料液比為1∶5.5，溫度為60 ℃，時間為2.0 h。

從表3、表5可以看出，乙醇–石油醚溶劑混合比、提取溫度、料液比、提取時間對辣椒素提取純度的影響依次降低，其最優(yōu)工藝組合為A1B3C2D1，即乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7，料液比為1∶5.5，溫度為65 ℃，時間為1.5 h。辣椒素提取率和純度的最優(yōu)工藝組合稍有差異，其選取主要取決于試驗的目的是為了獲得高產率的辣椒素還是要獲得高純度的辣椒素。

表3　辣椒素提取的正交試驗結果

1、2、3分別表示1、2、3水平時的平均提取率；提取率表示同一因素時平均提取率的極差；1、2、3分別表示1、2、3水平時的平均純度；純度表示同一因素時平均純度的極差。

表4　提取率方差分析結果

比為值與其在相應顯著性水平下的臨界值的比值。

表5　純度方差分析結果

比為值與其在相應顯著性水平下的臨界值的比值。

2.3　最優(yōu)工藝組合驗證試驗

根據上述正交試驗所確定的辣椒素提取率最優(yōu)工藝組合和純度的最優(yōu)工藝組合進行3次重復提取試驗。試驗結果(表6和表7)表明，較基本提取方法，最優(yōu)工藝組合的提取率和純度均有所提高，提取率和純度分別提高了27.8%和53.8%，說明辣椒素的提取工藝得到了改善。

表6　辣椒素提取率的驗證試驗結果

表7　辣椒素純度的驗證試驗結果

3　結論

本研究中，采用超聲波輔助法提取鮮紅辣椒中的辣椒素，探討了乙醇–石油醚溶劑混合比、料液比、提取溫度和提取時間對辣椒素提取率和純度的影響，并采用L9(34)正交試驗優(yōu)化辣椒素的提取工藝。提取率最高的條件為：乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7、料液比為1∶5.5、提取溫度為60 ℃、提取時間為2.0 h；在此條件下，提取率為(4.961±0.232)‰。純度最高的條件為：乙醇–石油醚溶劑混合比為3∶7、料液比為1∶5.5、溫度為65 ℃、時間為1.5 h；在此條件下，辣椒素的純度為(8.568±0.245)%。超聲波輔助提取法能有效加快擴散速率，縮短提取時間，顯著提高提取效率；使用混合溶劑能有效提高辣椒油樹脂中辣椒素的純化及產品的總收率。本試驗將2種方法的優(yōu)點相結合，有助于進一步提高產品的提取率和純度，與傳統的乙醇提取法相比，提取率和純度分別提高了27.8%和53.8%，降低了單位辣椒素的提取成本，改良了辣椒素的生產工藝。

[1] 劉遵瑩，唐棟宇，肖文軍．從鮮紅辣椒中直接提取辣椒素工藝技術研究[J]．中國農學通報，2016，32(7)：191–195．

[2] 齊程田，扈曉杰，程磊，等．六種天然香辛料的生理活性及研究進展[J]．中國調味品，2021，46(3)：185–188．

[3] 何國菊，李燦．干紅辣椒中辣椒素的提取工藝研究[J]．河南農業(yè)科學，2013，42(9)：133–137．

[4] SURH Y J．More than spice：capsaicin in hot chili peppers makes tumor cells commit suicide[J]．JNCI：Journal of the National Cancer Institute，2002，94(17)：1263–1265．

[5] MENéNDEZ L，LASTRA A，HIDALGO A，et al．The analgesic effect induced by capsaicin is enhanced in inflammatory states[J]．Life Sciences，2004，74(26)：3235–3244．

[6] 李帥．辣椒制品中辣椒素含量的快速檢測方法研究[D]．重慶：西南大學，2012．

[7] 張彥雄，邱建生．辣椒堿類化合物及脫色辣椒精生產技術研究[J]．貴州林業(yè)科技，2001，29(4)：1–8．

[8] 張麗茜，金紅星，成文玉，等．乙酸–微波預處理法提取辣椒素的研究[J]．食品研究與開發(fā)，2008，29(3)：66–69．

[9] THOMPSON R Q，LOA K．Applications of argentation solid phase extraction to the capsaicinoids：purification of commercial standards and isolation of homodihydro- capsaicin(8-methyl) from ‘Bhut Jolokia’[J]．Food Chemistry，2011，126(3)：1424–1430．

[10] 明道緒．生物統計附試驗設計[M]．3版．北京：中國農業(yè)出版社，2002．

Optimization of the ultrasonic assisted extraction procedure of capsaicin from fresh red pepper

LI Liheng1，LIU Mingxin2，HU Chao1，LAN Shile1

(1.College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Oriental Institute of Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

The extraction technology of red fresh pepper S06 was optimized by ultrasonic assisted method. First, the best ethanol petroleum ether mixture ratio, solid-liquid ratio, extraction temperature and time were obtained by single factor experiment. Then the extraction procedure of capsaicin was optimized by L9(34) orthogonal experiment. The results showed that the optimal extraction condition was ethanol petroleum ether mixture ratio of 3∶7, the ratio of material to liquid is 1∶5.5, the temperature is 60 ℃, and the time is 2.0 h; The optimal condition for the purity was that the mixture ratio of alcohol and petroleum ether was 3∶7, the ratio of material to liquid is 1∶5.5, the temperature is 65 ℃, and the time is 1.5 h. Compared with the traditional ethanol extraction method, the optimized extraction rate and purity increased by 27.8% and 53.8% respectively, and the yield of capsaicin was(4.961±0.232)‰, the purity of capsaicin was (8.568±0.245)%. The method increased the extraction rate of capsaicin, lowed the extraction cost per unit capsaicin, and improved the whole procedure.

fresh red pepper; capsaicin; organic solvent extraction; ultrasonic assisted method; single factor experiment; orthogonal test;extraction procedure

李立恒，劉明新，胡超，蘭時樂．超聲波輔助提取鮮紅辣椒中辣椒素工藝優(yōu)化[J]．湖南農業(yè)大學學報(自然科學版)，2022，48(5)：626–630．

LI L H，LIU M X，HU C，LAN S L．Optimization of the ultrasonic assisted extraction procedure of capsaicin from fresh red pepper[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(5)：626–630．

http://xb.hunau.edu.cn

TS255.36

A

1007-1032(2022)05-0626-05

10.13331/j.cnki.jhau.2022.05.018

2022–01–24

2022–09–21

李立恒(1966—)，男，湖南長沙人，碩士，副教授，主要從事生化工程研究，1597787526@qq.com

責任編輯：毛友純

英文編輯：柳正