辣椒籽精油超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化及揮發(fā)性香氣成分分析

馬 鈐，郭川川，胡 濤

（四川天味食品集團股份有限公司，四川 成都 610200）

辣椒為茄科類植物，又名海椒、番椒、秦椒，原產于南美洲，現(xiàn)已在世界各地廣泛種植，成為世界性的蔬菜和加工調味品[1-2]。目前，我國是世界的辣椒生產和消費大國。辣椒營養(yǎng)豐富，具有保健功能，是一種藥食同源植物，被廣泛應用于食品各個領域，目前關于辣椒及其制品高達上千種，其副產物辣椒籽較多，應用研究較少[3]。辣椒籽主要含膳食纖維、蛋白質和脂肪，還含有氨基酸、維生素、黃酮、多酚、辣椒堿、微量元素等活性成分[4-5]。目前辣椒籽大部分直接售賣給飼料廠，少部分用于提取精油并研究其抗氧化性[6]、抗肥胖活性[7]、抑菌活性[8]等，還有一些用辣椒籽提取蛋白[9]、提取膳食纖維[10]、提取辣椒堿[11]等研究。

辣椒籽油國內外研究較多，董殊廷等[12]采用熱油浸提辣椒籽并采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）測定其香氣成分，結果表明，浸提溫度180 ℃、料液比1∶4（g∶mL），其主要香氣物質為己醛（10.97%）、（CH3）2CCHCN（6.07%）、戊烷（4.91%）、辛烷（3.32%）、2-庚烯醛（2.16%）、（E）-2-戊烯醛（2.13%）等，提取的辣椒籽油顏色淺紅，熟香風味較重且含有糊香，不能代表辣椒籽真實的香氣；毛永楊等[13]采用酶解-乙醇輔助提取辣椒籽油并進行工藝優(yōu)化，結果表明：最佳工藝參數(shù)為辣椒籽粒度80目、料液比1∶6（g∶mL）、復合酶為0.8%的中性蛋白酶和1.0%的果膠酶；最佳酶解條件為：酶解pH 5.5、酶解溫度50 ℃、酶解時間5.5 h。該法提取的辣椒籽油得率較高，顏色淺黃，但采用中性蛋白酶和果膠酶酶解后導致油有苦味，同時含有溶劑乙醇的殘留，并且乙醇易使精油變色；盧可可等[14]采用亞臨界丁烷對炒制一定時間的辣椒籽進行提取且進行香氣分析，結果表明，在炒制時間為5 min，炒制溫度＜140 ℃時，芳樟醇、月桂烯、雙戊烯是辣椒籽油的主要香氣物質，當溫度＞140 ℃時，吡嗪類化合物和2-戊基呋喃是辣椒籽油的主要香氣物質。亞臨界提取溫度較低，對辣椒籽香氣保留較好，且能萃取出辣椒籽部分有效成分，但是含有溶劑丁烷，易造成殘留；遲明梅等[15]采石油醚按固液比1∶50（g∶mL）在80 ℃對辣椒籽油提取3 h，其得率為21.26%，后期去除溶劑較麻煩且易造成殘留。

目前，關于香辛料的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法[16]、超臨界CO2萃取法[17]、壓榨法[18]、溶劑提取法[13]、亞臨界萃取法[19]及一些輔助方法（超聲波[20]、微波[21]、酶解[22]等）。水蒸氣蒸餾法溫度較高，對精油活性成分有破壞作用，提取的精油含有的滋味物質較少且得率較低；壓榨法操作簡便，提取的油脂營養(yǎng)成分保護較好，但是對油脂的利用率不高；溶劑提取法精油顏色較好，得率較高，但是后期去除溶劑較麻煩且產品易殘留溶劑；亞臨界萃取法是一種新型的提取技術，提取得率較高，精油活性成分保護更好，且成本較低，但脫除溶劑成為必要工序，有食品安全隱患；而超臨界CO2提取法[23]操作溫度較低，可防止熱敏性物質被破壞，能最大限度保留精油香氣和滋味成分，且無溶劑殘留。本研究為了提升辣椒籽綜合利用價值，采用單因素試驗及正交試驗優(yōu)化超臨界CO2提取辣椒籽精油生產工藝，并采用氣質聯(lián)用（GC-MS）技術分析其揮發(fā)性香氣成分組成，以期為辣椒籽精油生產提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

內黃新一代辣椒籽：四川味覺食品有限公司；CO2和氦氣（純度均＞99.99%）：徐州路友氣體有限公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

GAR單層網鏈式熱風烘干設備：河南旭通智能科技有限公司；QWJ-800大型食品粉碎機：江陰市惠宗機械有限公司；HA420-40-96（400L×3）型超臨界萃取裝置：貴州航天烏江機電設備有限責任公司；Agilent 9000氣相色譜儀-5977B質譜儀：美國安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 辣椒籽預處理

干內黃辣椒籽置于單層網鏈式熱風烘干設備，設置溫度60 ℃連續(xù)干燥，調節(jié)水分約至10%。干燥好的辣椒籽用大型食品粉碎機粉碎，過60目篩。制得辣椒籽粉于常溫25 ℃干燥儲藏。

1.3.2 超臨界CO2提取辣椒籽精油

稱取200 kg粉碎后的辣椒籽，裝入萃取罐中，在萃取溫度55 ℃、萃取時間2.5 h、CO2流量28 L/h條件下得到辣椒籽精油，平行試驗3次，精油得率計算公式如下：

1.3.3 辣椒籽精油萃取工藝優(yōu)化單因素試驗

稱取200 kg粉碎辣椒籽，裝入萃取罐中，分別考察萃取壓力（20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa）、萃取溫度（35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃）、萃取時間（2.5 h、3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h）、CO2流量（22 L/h、24 L/h、26 L/h、28 L/h、30 L/h）對精油得率的影響，解吸壓力6 MPa，解吸溫度65 ℃。

1.3.4 辣椒籽精油萃取工藝優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時間（C）、CO2流量（D）為影響因素，以辣椒籽精油得率為評價指標，設置L9（34）試驗進行4因素3水平正交試驗。正交試驗因素與水平見表1。

表1 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for supercritical CO2 extraction process optimization

1.3.5 辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分GC-MS分析

樣品預處理：量取辣椒籽精油樣品3 mL加入10 mL頂空瓶中，將已經活化二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷萃取頭插入萃取瓶中頂空吸附30 min后取下萃取頭，在GC儀進樣口240 ℃條件下解吸5 min，每個樣品重復萃取3次。

GC條件：色譜柱為DB-WAX型毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 m）；載氣為高純氦氣（He）；進樣口溫度250 ℃；流速1.4 mL/min；分流比33∶1；氣化室溫度250 ℃；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持3 min，升溫速率5 ℃/min，升溫到250 ℃，保持20 min。

MS條件：電子電離（electron ionization，EI）源；離子源溫度230 ℃，接口溫度280 ℃，掃描速度769/s；質量掃描范圍40～400 m/z；

定性定量方法：利用Mass Hunter工作站，美國國家標準技術研究院（national institute of standards and technology，NIST）17質譜庫檢索鑒定各種化學成分，按峰面積歸一化法確定各組分的相對含量。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

正交試驗采用SPSS20.0軟件設計分析。差異顯著性分析采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（data processing system，DPS）7.5，P＜0.05認為差異顯著。試驗樣品均有3次獨立重復。

2 結果與分析

2.1 辣椒籽精油萃取工藝優(yōu)化單因素試驗

2.1.1 萃取壓力對辣椒籽精油得率的影響

CO2超臨界萃取壓力對辣椒籽精油得率的影響見圖1。由圖1可知，隨著萃取壓力在20～40 MPa范圍內的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趨于平穩(wěn)趨勢。當萃取壓力在20～30 MPa時，辣椒籽精油得率隨萃取壓力的增加而顯著增加（P＜0.05）；當萃取壓力為30 MPa時，辣椒籽精油得率為6.87%；當萃取壓力＞30 MPa之后，辣椒籽精油得率增加不顯著（P＞0.05），且增加設備耐壓程度、操作難度、設備投資費用等。因此，選擇最佳萃取壓力為30 MPa。

圖1 萃取壓力對精油得率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of essential oil

2.1.2 萃取溫度對辣椒籽精油得率的影響

CO2超臨界萃取溫度對辣椒籽精油得率的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對精油得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of essential oil

由圖2可知，隨著萃取溫度在35～55 ℃范圍的增加，辣椒籽精油得率總體呈先上升后下降的趨勢。當萃取溫度在35～45 ℃時，辣椒籽精油得率隨萃取溫度增加呈顯著增加（P＜0.05）；當萃取溫度在45 ℃時，辣椒籽精油得率最高，為6.88%；當萃取溫度在45～55 ℃時，辣椒籽精油得率連續(xù)顯著降低（P＜0.05）。因此，選擇最佳萃取溫度為45 ℃。

2.1.3 萃取時間對辣椒籽精油得率的影響

CO2超臨界萃取時間對辣椒籽精油得率的影響見圖3。

圖3 萃取時間對精油得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of essential oil

由圖3可知，隨著萃取時間在2.5～4.5 h范圍內的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趨于平緩的趨勢。當萃取時間在2.5～3.5 h時，辣椒籽精油得率隨萃取時間增加而顯著增加（P＜0.05）；當萃取時間在3.5 h時，辣椒籽精油得率為6.77%；當萃取時間在4.0～4.5 h時，辣椒籽精油得率不再有顯著變化（P＞0.05）。因此，選擇最佳萃取時間為3.5 h。

2.1.4 CO2流量對辣椒籽精油得率的影響

流量是萃取過程中的一個經濟型指標，也是影響得率的重要因素之一。流量的變化對萃取率的影響應從兩方面考慮，即流量對傳質速率的影響和流量對萃取時間的影響。流量的增加導致萃取器內流速增加，萃取時間減少，不利于萃?。浑S著流量的增加，與物質間的傳質速率提高，從而使萃取速率增大[24]。CO2超臨界萃取流量對辣椒籽精油得率的影響見圖4。

圖4 CO2流量對精油得率的影響Fig.4 Effect of CO2 flow rate on the yield of essential oil

由圖4可知，隨著萃取流量在22～30 L/h范圍內的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。當萃取流量在22～28 L/h時，辣椒籽精油得率隨萃取流量的增加而顯著增加（P＜0.05）；當萃取流量由28 L/h上升到30 L/h時，辣椒籽精油得率無顯著性變化（P＞0.05）。因此，選擇最適CO2流量為28 L/h。

2.2 辣椒籽精油萃取工藝優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以精油萃取得率為評價指標，考察萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時間（C）和CO2流量（D）對辣椒籽精油得率的影響，設置L9（34）正交試驗進行4因素3水平正交試驗，正交試驗結果與分析見表2，方差分析結果見表3。

由表2可知，對結果影響由大到小順序為萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間＞CO2流量，最優(yōu)組合為A2B2C3D3，即萃取壓力30 MPa、萃取溫度45 ℃、萃取時間4.0 h、CO2流量30 L/h。在此最佳萃取工藝條件下進行3次平行驗證試驗，3次萃取平均辣椒籽精油得率為7.04%，且在此條件下辣椒籽精油的得率高于正交試驗方案中的最高值6.91%，說明該優(yōu)化方案是可行的。由表3可知，萃取壓力對結果影響顯著（P＜0.05），萃取溫度、CO2流量及萃取時間對結果影響不顯著（P＞0.05），這與相關研究報道結果一致[23-24]。

表2 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗結果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for supercritical CO2 extraction process optimization

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal tests results

2.3 辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分分析

辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分GC-MS分析總離子流色譜圖見圖5，辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分測定結果見表4。

圖5 超臨界CO2萃取辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分GC-MS分析總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatogram of volatile aroma components in pepper seed essential oil extracted by supercritical CO2 analysis by GC-MS

由表4可知，辣椒籽精油中共檢出揮發(fā)性香氣化合物54種，其中種類最多、含量最豐富的為烯烴類（16種，53.04%），其次為醇類（15種，29.83%），酯類（9種，9.95%）、酮類（4種，2.5%）、酚類（2種，0.37%）、醛類（2種，0.25%）、酸類（2種，0.18%）、烷烴類（2種，0.11%）、芳香烴類（1種、0.25%）、萜類（1種，2.54%）。CO2超臨界萃取辣椒籽精油中相對含量＞1%的16種主要揮發(fā)性香氣化合物，依次為：芳樟醇（23.74%）、D-檸檬烯（17.26%）、檜烯（10.78%）、β-蒎烯（7.67%）、乙酸芳樟酯（7.06%）、3-蒈烯（4.78%）、3-異丙基-6-亞甲基-1-環(huán)己烯（3.57%）、α-異松油烯（2.72%）、桉葉油醇（2.54%）、（1S,4R,5R）-3-崔柏酮（2.35%）、萜品油烯（2.18%）、乙醇（1.46%）、（1R,4E,9R）-4,11,11-三甲基-8-甲基-雙環(huán)[7.2.0]4-十-烯（1.32%）、β-側柏烯（1.28%）、4-萜烯醇（1.14%）、乙酸香葉酯（1.11%）。

表4 辣椒籽精油揮發(fā)性香氣成分GC-MS分析結果Table 4 Results of volatile aroma components in pepper seed essential oil analysis by GC-MS

續(xù)表

萃取的辣椒籽精油色澤淺紅，具有辣椒的特征風味：清新香甜。醇類、烴類化合物大多氣味清新，如芳樟醇具有濃郁青香帶甜的木青氣息，D-檸檬烯具有新鮮橙子香氣及檸檬樣香氣，檜烯具有水果風味的甜香，β-蒎烯具有特有的松節(jié)油香氣，干燥木材和松脂氣味。盧可可等[14]通過亞臨界萃取技術辣椒籽進行萃取制備得到辣椒籽油，采用同時蒸餾結合GC-MS法，鑒定出辣椒籽油中芳樟醇、月桂烯、雙戊烯為其主要香氣物質，與本研究結果相似。甄潤英等[25]利用固相微萃取對乙醇常溫提取與酶解-乙醇輔助法提取的辣椒籽油進行風味測定，其結果表明：酶解-乙醇輔助法提取的辣椒籽油主要為烴類14種、醇類7種、酯類12種，乙醇常溫提取主要為烴類15種、醇類7種、酯類6種，與本研究結果一致。

3 結論

采用單因素試驗和正交試驗對超臨界CO2萃取辣椒籽精油工藝進行了優(yōu)化，結果表明，當萃取壓力30 MPa、萃取溫度45 ℃、萃取時間4 h、CO2流量30 L/h時，辣椒籽精油得率為7.04%。辣椒籽精油中共鑒定出54種揮發(fā)性香氣成分，主要含有烯烴類（16種，53.04%），醇類（15種，29.83%）、酯類（9種，9.95%），其中相對豐度含量較高的化合物為芳樟醇（23.74%）、D-檸檬烯（17.26%）、檜烯（10.78%）、β-蒎烯（7.67%）、乙酸芳樟酯（7.06%）等，其共同賦予辣椒籽精油清新香甜風味。CO2超臨界萃取法應用于辣椒籽精油提取，效果較優(yōu)，為辣椒籽的進一步開發(fā)利用提供了研究基礎。