两种前处理方法提取辣椒中辣椒碱的最优工艺研究

张百刚，刘晓风，卢利宁

（1.兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050;2.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300222）

两种前处理方法提取辣椒中辣椒碱的最优工艺研究

张百刚1，刘晓风1，卢利宁2

（1.兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050;2.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300222）

以辣椒为原料，分别用纤维素酶乙醇提取法和超声波乙醇提取法对辣椒中的辣椒碱进行了提取并研究了两种工艺的最优工艺参数。实验结果表明:酶法提取的最优工艺条件为:酶解液初始pH 5.5，酶量9mg/g，酶解时间1h，酶解温度40℃，此条件下辣椒碱的提取率为0.795%;超声波辅助提取最优条件为温度70℃，乙醇浓度70%，超声波功率60W，料液比1∶11，此条件下辣椒碱的提取率为1.271%。

辣椒碱，纤维素酶，超声波

辣椒碱是一种香草酰胺类生物碱。其具有消炎镇痛、促进脂肪代谢、催泪催嚏、促进食欲、改善消化、抗菌杀虫及对神经递质的选择性等药理作用［1］。近年来对辣椒碱的开发已不仅仅局限于食品行业，已逐步扩展到医药、军事和环保化工领域，成为国际上的研究热点。目前辣椒碱的提取方法主要有有机溶剂提取法、超临界二氧化碳流体萃取法等，前者耗时长，操作复杂;而后者设备投资大，成本高。我国目前辣椒碱产量很小，市场缺口大。作为较新的提取方法，纤维素酶法和超声波辅助法已成功应用于橙皮苷、多糖、黄酮及色素等提取方面［2－3］，具有较高的提取效率，且设备要求低，成本低。因此，对于此二者的研究有利于辣椒碱生产的工业化转化。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

干红辣椒 市售;香兰素、钼酸钠、钨酸钠、85%磷酸、氢氧化钠、无水乙醇、纤维素酶（1g，＞15u/mg）、36%乙酸、无水乙酸钠、无水碳酸钠、钼酸钠、钨酸钠、磷酸 均为分析纯。

UV－9200型紫外可见分光光度计 北京瑞利分析仪器公司;DT1000电子天平 江苏常熟市衡器厂;KQ－250DE型数控超声波清洗机 昆山市超声仪器有限公司;SHB－IIIA型循环水式多用真空泵郑州长城科工有限公司;RE52－86A旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;HH－S数显恒温水浴锅 江苏省金坛市医疗仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 辣椒碱的定量测定

1.2.1.1 磷钨酸－磷钼酸溶液的配制 称取100g钨酸钠和20g磷钼酸（不含硝酸根离子和铵根离子），准确加入60mL 85%糖浆状磷酸和700mL蒸馏水，微火煮沸2h，冷却后过滤，放入1000mL容量瓶中，用蒸馏水定容［4］。

1.2.1.2 标准曲线绘制 精确称取香兰素0.0005g（相当于纯辣椒碱0.0010g），用0.1mol/L NaOH配制100mL，此液1mL=10μg辣椒碱，即为母液。分别吸取以上标准液 5、10、15、20、25mL，用 0.1mol/L NaOH溶解并定容至50mL容量瓶中，每毫升分别相当于1、2、3、4、5μg辣椒碱。取上述五种溶液各 5mL 于50mL容量瓶中，各加5mL磷钨酸－磷钼酸溶液，振摇均匀后，再加约30mL饱和碳酸钠溶液，充分振荡至有白色沉淀生成，用饱和碳酸钠溶液定容至50mL刻度，摇匀后静置2h（实验说明标准液、试样液显色1.0h可达高峰。显色液在显色2h内稳定，样液显色3h后色度开始下降）。将显色液离心分离沉淀物在660nm处用1cm的比色皿，测定吸光度A。以辣椒碱含量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。同时以0.1mol/L NaOH溶液作空白对照。

1.2.1.3 样品含量测定方法 用0.1mol/L NaOH溶解浓缩液，抽滤去除不溶性杂质。滤液用0.1mol/L NaOH定容至50mL容量瓶中。取10mL该溶液用0.1mol/L NaOH定容至50mL。取该液1mL，加入1mL显色剂后，用饱和碳酸钠定容至10mL。测定该溶液的吸光度A。代入标准曲线回归方程，得出辣椒碱浓度x，稀释倍数为10，则待测液浓度G=10x:

式中:G为待测液浓度，μg/mL;1.065为标样香兰素换算为相当量的辣椒碱的系数;W为样品总克数，g;106是将g换算为μg。

1.2.2 辣椒碱提取实验

1.2.2.1 酶法提取工艺 醋酸－醋酸钠缓冲溶液，料液（缓冲液）比为1∶5，乙醇浸取时间为2h，初始化值:酶量 7.0mg/g，pH 5.0，温度 40℃，酶解时间 0.5h。

将辣椒烘干后粉碎，过100目筛，备用。准确称取1.0000g 辣椒粉，置于酶量分别为 1、3、5、7、9mg/g的缓冲溶液（pH 分别为 4.4、5.0、5.5、6.0、6.5）中，在30、40、50、60、70℃中分别恒温保持 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h。浸提结束后将辣椒粉乙醇混合物热沸灭活10.0min。冷却至室温后抽滤。将冲洗残渣用相应浓度的乙醇溶液在锥形瓶中洗涤两次，抽滤，与先前滤液合并。将上述抽滤液置于烧瓶中进行减压旋转蒸发，浓缩至无酒精味。浓缩液经稀释定容后，进行定量测定。

对上述单因素实验结果进行分析后，设置正交实验对酶法提取最优工艺参数进行优化。

1.2.2.2 超声波提取工艺 准确称取1.0000g辣椒粉于锥形瓶中，加入一定量乙醇，浓度分别为50%、60%、70%、80%、90%，改变超声波功率为 50、60、70、80、90W，提取温度为 40、50、60、70、77℃，料液比为 1∶5、1∶7、1∶9、1∶11、1∶13，超声波处理时间 0.5h，进行单因素实验。将上述溶液进行乙醇填补后，在相应初始化温度中用乙醇浸提。冷却至室温后抽滤。将冲洗残渣用相应浓度的乙醇溶液在锥形瓶中洗涤两次，抽滤，与先前滤液合并。将上述抽滤液置于烧瓶中进行减压旋转蒸发，浓缩至无酒精味。浓缩液经稀释定容后，进行定量测定。

1.2.2.3 提取方案比较 综合比较超声乙醇提取法和纤维素酶法提取辣椒碱的工艺条件及提取率，为生产中工艺方法的选择提供依据。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

由图1可见，辣椒碱浓度－吸光度标准曲线线性方程为:y=0.1552x+0.2596，相关系数R2为0.9999，相关性良好。

图1 辣椒碱浓度－吸光度标准曲线Fig.1 The standard curve of capsaicin

2.2 酶法提取最优工艺确定

2.2.1 单因素实验 由图2可见，随着pH的增大，辣椒碱提取率先增大后降低，在pH 5.5时达到最大，可能在提取pH较大时会引起辣椒碱溶解度的下降，所以导致提取率下降。

图2 pH对辣椒碱提取率的影响Fig.2 The influence of pH on capsaicin extraction rate

由图3可见，随着酶量的增加，提取率一直增加，尤其是酶量在3～7mg/g时，提取率呈线性增加，大于7mg/g时，提取率变化不大，说明底物已呈饱和状态，所以最适酶量应为7mg/g。

图3 酶量对辣椒碱提取率的影响Fig.3 The influence of quantity of enzyme on capsaicin extraction rate

由图4可见，随着温度升高，提取率不断增大，当温度大于55℃时，提取率随温度升高呈下降趋势。可能是在未达到酶的最适作用温度前，升高温度可增加包括酶和底物分子在内的溶液体系的热能，既可使胞内活性物质分子运动速度加快，有利于其从细胞内向溶液扩散，又能提供酶促反应所需的能量，使酶解破壁作用加强，所以这时辣椒碱提取得率增大。但是温度继续升高会导致维系着整个酶三维结构的多重弱的非共价键相互作用（氢键、范德华力等）破裂，使生物酶部分甚至全部变性，酶促反应就会被抑制。

表2 方差分析Table 2 The Analysis of variance

图4 温度对辣椒碱提取率的影响Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of capsaicin

由图5可见，随着酶解时间的延长，提取率不断增大，当酶解时间为1.5h时，提取率达到最大。主要是由于随时间的延长，酶活力得到充分的利用，酶解反应进行的彻底。而当达到最大值以后，时间继续延长，辣椒碱产量呈下降趋势，原因可能是随着时间的延长，辣椒碱已经基本上被提取出来，也可能是时间的延长导致辣椒碱部分分解，反而降低了提取率［5］。

图5 酶解时间对辣椒碱提取率的影响Fig.5 The influence of enzymolysis timeon capsaicin extraction rate

2.2.2 正交实验 由单因素实验结果，选择pH、酶量、温度和酶解时间做L9（34）正交实验，实验结果见表1。

由表1可知，因素的主次顺序为pH＞酶解时间＞酶量＞酶解温度，最优水平组合为A2B3C1D1，即在40℃，pH 5.5的条件下，加酶量酶量9mg/g，酶解时间1h，此时的提取率为0.795%。

由表1可求得各列的方差，C项的平方和最小，根据统计方法中将最小平方和当误差项的算法，因此，C项作为误差e，而得表2。

由表2可见，pH对辣椒碱的提取影响极显著，其他因素影响不显著。

2.3 超声波乙醇提取最优工艺确定

2.3.1 单因素实验结果 由图6～图9可知，超声波－乙醇提取最优工艺条件为:料液比1∶9，乙醇浓度70%，超声功率70W，温度70℃。

表1 正交实验结果Table 1 The results of orthogonal test

图6 料液比对辣椒碱提取的影响Fig.6 The influence of material liquid ratio on capsaicin extraction rate

图7 乙醇浓度对辣椒碱提取的影响Fig.7 The influence of ethanol concentration on the extraction rate of capsaicin

表4 方差分析Table 4 The Analysis of variance

图8 超声功率对辣椒碱提取的影响Fig.8 The influence of ultrasonic power on capsaicin extraction rate

图9 超声温度对辣椒碱提取的影响Fig.9 The influence of ultrasonic temperature on capsaicin extraction rate

2.3.2 正交实验 在单因素实验基础上，选择料液比、乙醇浓度、超声功率和处理温度做L9（34）正交实验，实验结果见表3。

表3 正交实验结果Table 3 The results of orthogonal test

由表3可知，因素的主次顺序为超声处理温度＞乙醇浓度＞超声波功率＞料液比，最优水平组合为条件为A3B2C1D2，即超声处理温度70℃，乙醇浓度70%，超声波功率60W，料液比1∶11。此条件下辣椒碱的提取率为1.271%。

由表3可求得各列的方差，C项的平方和最小，根据统计方法中将最小平方和当误差项的算法，因此，C项作为误差e，而得表4。

由表4方差分析可知，四因素均无显著性影响。

2.4 两种提取方案的比较

a.较纤维素酶提取，超声波辅助提取由于对设备要求高、生产成本高等原因，目前仅应用于实验研究中，难适用于大工业生产。而较超声波辅助提取，纤维素酶法由于需要较长的催化反应时间、较为繁琐的操作步骤而在缓冲溶液pH、灭酶等方面较难控制。

b.由于对辣椒纤维素组织的破坏作用，纤维素酶能够加速辣椒碱的释放，较传统单一乙醇法提取，高效、节省溶剂、有效成分损失少，但较为耗时。

c.作为一种物理介质弹性波，在超声波空化作用、热力学作用、机械作用和凝聚作用下，超声波辅助提取较传统单一乙醇法提取具有产率高、生产周期短、有效成分损失小的优点。

3 结论

实验确定了超声波辅助提取辣椒碱的优化工艺条件为超声处理温度70℃，乙醇浓度70%，超声功率60W，料液比1∶11;并对上述四因素影响的显著性进行了考察，发现均不明显。确定了酶法提取辣椒碱的优化工艺条件为 pH5.5，酶解1h，酶量9mg/g，酶解温度40℃;并对上述四因素的显著性进行了考察，发现pH影响十分显著，其他因素不显著。生产中若将超声提取法和酶法联用，将会大大提高提取率。

［1］杨威.超声波提取黄芩药渣中的黄芩苷［J］.化学与黏合，2008，11（6）:23－26.

［2］樊钰虎，易龙，丁伟，等.辣椒中辣椒碱提取工艺条件的研究［J］.西南大学学报:自然科学版，2008，24（1）:34－38.

［3］罗仓学，朱妞，雷学锋.纤维素酶法提取辣椒碱的工艺研究［J］.现代食品科技，2007，31（11）:12－15.

［4］刘洪升，韩丙军.分光光度法测定辣椒碱生物农药中辣椒碱总量［J］.现代农药，2008，13（2）:13－17.

［5］A Hiura，H lshizuka.Changes in features of degenerating primary sensory neurons with time after capsaicin treatment［J］.Acta Neuropathol，1989，78（1）:35－46.

Study on the optimum process of two kinds of pre－treatment to extract capsaicin from pepper

ZHANG Bai－gang1，LIU Xiao－feng1，LU Li－ning2
（1.College of Life Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China;
2.College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science Technology，Tianjin 300222，China）

Capsaicin was extracted from pepper respectively by cellulase，ethanol and ultrasonic.The results showed the best condition for extracting capsaicin in enzymatic hydrolysis was:pH 5.5，9mg/g enzyme dosage，1h reaction time and the temperature was 40℃，and the max extraction rate was 0.795%.While the best ultrasonicwave－assisted extraction conditions was 70℃，60W of ultrasonic power，70%of ethanol，ratio of solid －liquid was 1∶11，and the max extraction rate was 1.271%.

capsaicin;cellulose;ultrasonicwave

TS201.1

B

1002－0306（2012）10－0287－04

2011－07－11

张百刚（1981－），男，在读博士研究生，讲师，研究方向:食品生物技术。