金靚婕，朱世云，梁承紅，李 蔭

（1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001；2.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

超臨界CO2提取辣椒油樹脂工藝的研究

金靚婕1，朱世云2，梁承紅1，李 蔭1

（1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001；2.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

以紅辣椒粉為原料，采用超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂。以辣椒油樹脂的收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時(shí)間3h，此條件下辣椒油樹脂收率為10.09%±0.29%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：超臨界CO2法所得的辣椒油樹脂的色價(jià)為303±5，辣椒素質(zhì)量濃度為3.7%±0.7%，均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的索氏提取法。對(duì)超臨界CO2法所得的辣椒油樹脂進(jìn)行二次超臨界萃取，可將辣椒紅色素和辣椒素進(jìn)行初步分離。

超臨界CO2萃取法，辣椒油樹脂，辣椒紅色素，辣椒素

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干紅辣椒 市售；二氧化碳 食品級(jí)，純度為99%以上；丙酮、甲醇、氫氧化鈉、鹽酸等試劑 均為分析純。

HA120-50-01型超臨界萃取設(shè)備 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；家用萬(wàn)能粉碎機(jī)，F(xiàn)A1604S型電子天平，DK-S24型恒溫水浴箱，索氏提取器，減壓蒸餾裝置，722分光光度計(jì)，UV-2000紫外分光光度計(jì)，真空干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理 市售干辣椒，去梗除雜后，60℃恒溫干燥1h，然后進(jìn)行粉碎，過(guò)40目篩后收集待用。

1.2.2 索氏提取法制備辣椒油樹脂 采用丙酮作為浸取溶劑，浸取溶劑與丙酮的液固比為3mL/g[16]，65℃[17]常壓萃取至辣椒粉發(fā)白，棄去辣椒粉。提取液在45℃、真空度為0.09MPa的條件下減壓蒸餾濃縮，回收丙酮。獲得的辣椒油樹脂，在真空干燥箱中干燥至恒重，計(jì)算辣椒油樹脂收率。

1.2.3 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂 將100g辣椒粉加入到萃取釜中，待機(jī)器預(yù)熱完畢后，鋼瓶中的二氧化碳?xì)怏w由泵加壓成為超臨界狀態(tài)后依次進(jìn)入凈化器和預(yù)熱器，再?gòu)妮腿「撞窟M(jìn)入并通過(guò)萃取釜內(nèi)的物料層。溶有辣素成分和色素成分的CO2流體由萃取釜頂部流出，經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入分離釜頂部并深入分離釜內(nèi)進(jìn)行氣液相分離，萃取產(chǎn)品經(jīng)分離釜Ⅰ（6.0MPa，50～55℃）和分離釜Ⅱ（5.0MPa，45～50℃）底部采樣閥采集。氣相經(jīng)分離釜頂部出來(lái)，之后重新進(jìn)入系統(tǒng)，循環(huán)萃取，二氧化碳流量為0.40m3/h[18]。后停機(jī)并關(guān)閉所有閥門，泄壓后通過(guò)料筒取出萃取釜內(nèi)的產(chǎn)品。具體工藝流程見(jiàn)圖1。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖1 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂流程圖Fig.1 Supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum flow chart

1.2.4 辣椒紅色素和辣椒素的分離初探 采用辣椒油樹脂作原料，利用二次超臨界分離辣椒紅色素和辣椒素。具體工藝流程與1.2.3相同。根據(jù)文獻(xiàn)[2]實(shí)驗(yàn)條件如下：萃取壓力14MPa，溫度35℃，時(shí)間2h。萃取結(jié)束后，萃取釜內(nèi)為辣椒紅色素，分離釜內(nèi)為辣椒素。

1.2.5 辣椒油樹脂收率計(jì)算 辣椒油樹脂收率（%）=干燥至恒重的辣椒油樹脂質(zhì)量/辣椒粉質(zhì)量×100%

1.2.6 辣椒紅色素色價(jià)測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)采用GB10783-1996中辣椒紅色素色價(jià)的測(cè)定方法：稱取一定質(zhì)量的提取物（樣品）于100mL容量瓶中，丙酮溶解定容（必要時(shí)進(jìn)行稀釋）。以丙酮作參比，測(cè)量其最大吸收峰（460nm）處的吸光度A，按下式計(jì)算色價(jià)：

1.2.7 辣椒素質(zhì)量濃度的測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)采用GB10783-1996中辣椒素質(zhì)量濃度測(cè)定方法-FAO紫外雙比色法，具體操作如下：實(shí)驗(yàn)采用70%的甲醇溶液在室溫下、120r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振搖40min。過(guò)濾后保留濾液。按表1制備四種試劑。

表1 原料堿性液、原料酸性液、空白堿性液和空白酸性液的組成（mL）Table 1 Composition of raw alkaline liquid，raw acidic liquid，blank alkaline liquid and blank acidic liquid（mL）

4個(gè)瓶中的試液分別用甲醇定容至100mL并搖勻，于248nm和296nm測(cè)定4種溶液的吸光度，按下式計(jì)算辣椒素質(zhì)量濃度：

1.2.3.1 萃取溫度的選擇 在萃取壓力為30MPa，萃取時(shí)間為2h的條件下，控制萃取溫度分別為20、25、30、35、40℃，考察萃取溫度的影響。

1.2.3.2 萃取壓力的選擇 在1.2.3.1確定的萃取溫度，萃取時(shí)間為2h的條件下，控制萃取壓力分別在15、20、25、30MPa左右，考察萃取壓力的影響。

1.2.3.3 萃取時(shí)間的選擇 在選定萃取溫度和萃取壓力下，控制萃取時(shí)間為1、2、3、4h，考察萃取時(shí)間的影響。

1.2.3.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最優(yōu)條件組合 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表，對(duì)影響辣椒油樹脂收率的三個(gè)因素（萃取溫度、萃取壓力和萃取時(shí)間）進(jìn)行考察研究，確定最優(yōu)條件組合，并進(jìn)行

式中：f-試樣的稀釋倍數(shù)；314-校正系數(shù)；127-校正系數(shù)。

上述兩式計(jì)算結(jié)果相差不得超過(guò)10%，否則需重新測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂

2.1.1 萃取溫度的選擇 考察在萃取壓力30MPa，萃取時(shí)間2h的條件下，萃取溫度對(duì)所得辣椒油樹脂收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 萃取溫度與辣椒油樹脂收率的關(guān)系（n=3）Fig.2 The effect of extraction temperature on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

李志明[19]指出，溫度對(duì)超臨界溶解能力的影響比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是溫度升高，被萃取物揮發(fā)性增加，從而提高了萃取率；二是溫度升高，超臨界流體密度降低，其溶解能力下降從而降低了萃取率。對(duì)不同的組分，溫度的正負(fù)效應(yīng)的范圍是不同的[20]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，溫度的升高更有利于提高辣椒油樹脂的揮發(fā)度，其收率提高；當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí)，超臨界流體的密度造成的影響顯現(xiàn)，抵消了被萃取物揮發(fā)性增加導(dǎo)致的正效應(yīng)，其收率基本保持不變。

在萃取壓力30MPa，萃取時(shí)間2h的條件下，當(dāng)萃取溫度為30℃時(shí)，辣椒油樹脂的收率達(dá)到最大值7.73%±0.10%。因此，最佳萃取溫度為30℃。

2.1.2 萃取壓力的選擇 考察在萃取溫度30℃，萃取時(shí)間2h的條件下，萃取壓力對(duì)所得辣椒油樹脂收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。超臨界流體的密度直接影響萃取效果，萃取壓力是影響超臨界流體密度的重要參數(shù)。二氧化碳在

圖3 萃取壓力與辣椒油樹脂收率的關(guān)系（n=3）Fig.3 The effect of extraction pressure on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

37℃下當(dāng)壓力由8MPa升到10MPa時(shí)，其密度增加近一倍。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著萃取壓力的升高，二氧化碳密度增大，溶解物質(zhì)的能力提高。壓力增加到一定程度后，由于高壓下超臨界相密度隨壓力變化緩慢，

其溶解能力增加緩慢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在萃取溫度

30℃，萃取時(shí)間2h的條件下，萃取壓力達(dá)到25MPa左右時(shí)，辣椒油樹脂收率達(dá)到7.70%±0.21%；進(jìn)一步提高萃取壓力至30MPa，收率僅提高至7.73%±0.10%，

增幅極小?？紤]到壓力增加會(huì)提高生產(chǎn)成本，最佳萃取壓力為25MPa。

2.1.3 萃取時(shí)間的選擇 考察在萃取溫度30℃，萃取壓力25MPa的條件下，萃取時(shí)間對(duì)所得辣椒油樹脂收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 萃取時(shí)間與辣椒油樹脂收率的關(guān)系（n=3）Fig.4 The effect of extraction time on the yield of oleoresin capsicum（n=3）

超臨界萃取中，萃取劑流量一定時(shí)，萃取時(shí)間越長(zhǎng)，萃取收率越高。萃取剛開始時(shí)由于溶劑與溶質(zhì)未充分接觸，收率較低。隨著萃取時(shí)間的加長(zhǎng)，萃取速率增大，收率不斷增加；最后由于待分離組分的減少，傳質(zhì)動(dòng)力降低而使萃取速率降低，萃取收率趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在萃取時(shí)間1～3h范圍內(nèi)，萃取速率較大，進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)間，萃取速率下降明顯，收率增幅不大（<0.3%）。因此，最佳萃取時(shí)間為3h。

2.1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最優(yōu)條件組合 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，利用正交實(shí)驗(yàn)，確定影響辣椒油樹脂收率的三個(gè)因素（萃取溫度、萃取壓力和萃取時(shí)間）的最優(yōu)條件組合。每個(gè)因素取3個(gè)水平，因素水平表見(jiàn)表2。用L9（34）正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)，以辣椒油樹脂的收率為考察指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)各因素水平實(shí)驗(yàn)指標(biāo)平均值（k值）可以判斷，超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實(shí)驗(yàn)最優(yōu)水平組合為A3B2C2，即萃取時(shí)間3h、萃取壓力25MPa、萃取溫度30℃。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，最優(yōu)水平組合條件下辣椒油樹脂收率達(dá)到10.09%±0.29%，符合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 Values for the orthogonal experiment of supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum

表3 超臨界CO2萃取辣椒油樹脂實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 The experiment design and the analysis of the results of supercritical CO2extraction of oleoresin capsicum

綜上所述，以過(guò)40目篩的紅辣椒粉為原料，超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂的最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時(shí)間3h。此條件下辣椒油樹脂收率達(dá)到10.09%±0.29%。

2.2 索氏提取法與超臨界CO2萃取法制備辣椒油樹脂性能比較

分別測(cè)定索氏提取與超臨界CO2萃取兩種方法制備的辣椒油樹脂的收率、色價(jià)和辣椒素質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 兩種提取方法制備的辣椒油樹脂其萃取率、色價(jià)和辣椒素質(zhì)量濃度比較（n=3）Table 4 The comparison of the yield of oleoresin capsicum，the color value of oleoresin capsicum and the mass concentration of capsaicin with two extraction methods（n=3）

從表4中可以看出，超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂的收率與索氏提取法相比增加不大，僅為后者的1.1倍，但色價(jià)和辣椒素質(zhì)量濃度這兩方面性能上均優(yōu)于索氏提取法。這是由于超臨界CO2萃取法避免了傳統(tǒng)索氏提取法的缺陷，無(wú)溶劑殘留，無(wú)污染，避免了萃取物在高溫下的熱劣化，所得產(chǎn)品更為純凈，雜質(zhì)量更低。兩種方法所得辣椒油樹脂色價(jià)均符合FAO/WHO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，但超臨界CO2萃取法所得辣椒油樹脂色價(jià)是索氏提取法所得的2.7倍，有利于進(jìn)一步分離得到質(zhì)量更好的色素。超臨界CO2萃取法所得辣椒油樹脂辣椒素質(zhì)量濃度是索氏提取法的3.36倍，這說(shuō)明辣椒粉得到了充分的利用，因此當(dāng)辣椒素與色素分離后，可得到比較多的價(jià)值很高的副產(chǎn)物辣椒素。綜上，以超臨界CO2萃取法制得的辣椒油樹脂更有利于辣椒的綜合利用。

2.3 辣椒紅色素和辣椒素的分離初探

以最佳工藝條件下超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂作原料，按1.2.4所述條件進(jìn)行二次超臨界分離辣椒紅色素和辣椒素。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，留在萃取釜中的辣椒紅色素的色價(jià)提高至362，產(chǎn)品聞不到辣味；分離釜中得到少量極辣的物質(zhì)（質(zhì)量過(guò)低，無(wú)法測(cè)定）且在萃取釜放氣時(shí)聞到濃烈的辣味。這表明超臨界CO2萃取法所得的辣椒油樹脂可用于辣椒紅色素和辣椒素的同時(shí)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)辣椒的綜合利用；但是，可能由于分離釜的物理參數(shù)設(shè)置不合適，分離之后部分辣椒素并沒(méi)有在分離釜中化為液態(tài)，影響了辣椒素的回收，因此實(shí)現(xiàn)辣椒油樹脂中辣椒紅色素和辣椒素的完全分離的具體條件仍有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

超臨界CO2萃取法提取辣椒油樹脂的最佳工藝條件為：萃取壓力25MPa，萃取溫度30℃，萃取時(shí)間3h，辣椒油樹脂收率達(dá)到10.09%±0.29%，色價(jià)303±5，樹脂中辣椒素質(zhì)量濃度為3.7%±0.7%。

制備紅辣椒工業(yè)利用中的重要中間產(chǎn)物辣椒油樹脂，超臨界CO2萃取法是比較理想的方法，與傳統(tǒng)索氏提取法相比，全過(guò)程中不使用有機(jī)溶劑，所得產(chǎn)物色價(jià)高，辣椒素含量高，雜質(zhì)少，有利于辣椒的綜合利用。用辣椒油樹脂分離辣椒紅色素和辣椒素的實(shí)驗(yàn)條件有待進(jìn)一步研究完善。

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Study on extraction process of capsicum oleoresin by supercritical carbon dioxide

JIN Liang-jie1，ZHU Shi-yun2，LIANG Cheng-hong1，LI Yin1
（1.Naval Aeronautical and Astronautic University，Yantai 264001，China；
2.School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Supercritical carbon dioxide was applied in the extraction of capsicum oleoresin with the red capsicum's smash as the raw material.With the yield of capsicum oleoresin as an index，the optimal conditions were as follows：pressure（25MPa），temperature（30℃），time（3h），and the extraction rate of capsicum oleoresin up to 10.09%±0.29%.Under the conditions，the color value of the capsicum oleoresin extracted by supercritical carbon dioxide was 303±5 and the mass concentration of capsaicin was 3.7%±0.7%，obviously better than that from soxhlet extraction.With the capsicum oleoresin extracted by supercritical carbon dioxide as the material，the capsicum red pigment and the capsaicin could be primarily separated by another supercritical carbon dioxide extraction.

supercritical carbon dioxide；capsicum oleoresin；pigment；capsaicin

TS201.1

B

1002-0306（2012）03-0185-05

辣椒（Capsicum annum Linn.）為茄科辣椒屬的果實(shí)，目前其品種有幾十種，在我國(guó)南北廣泛栽種，產(chǎn)量居世界第一位。辣椒油樹脂是辣椒素和辣椒紅色素提取過(guò)程中的重要中間產(chǎn)物。辣椒素是辣椒果實(shí)中的N-香草基酰胺類生物堿，包括辣椒堿、二氫辣椒堿、去甲二氫辣椒堿、高辣椒堿、高二氫辣椒堿等等[1]。辣椒素在辣椒中的含量因品種不同而異，一般為0.1%～1%[2]，但只要有十萬(wàn)分之一的濃度就可以使嗅覺(jué)感到明顯辣味，是制備食用香辛料的理想原料。此外辣椒素具有鎮(zhèn)痛[3-5]、抗炎[6]、抗氧化[7]等多種藥理作用，在醫(yī)藥保健領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用。辣椒紅色素色澤鮮美，是一類用作食用色素的天然類胡蘿卜素[8]，由于無(wú)毒副作用，在食品和飼料等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)

2011－05－26

金靚婕（1986-），女，碩士，助教，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目（20672030）。提取辣椒油樹脂的方法是溶劑提取法，此法的缺點(diǎn)有二：一是不考慮辣椒素的浸出率，僅將其作為辣椒紅色素生產(chǎn)中必須除去的“有害”雜質(zhì)。事實(shí)上辣椒素的市場(chǎng)價(jià)格遠(yuǎn)高于辣椒紅色素，對(duì)這種高附加值“雜質(zhì)”的舍棄，既浪費(fèi)資源還增加了色素生產(chǎn)成本[9]；二是有著較高的溶劑殘留，影響了進(jìn)一步分離得到的辣椒素和辣椒紅色素的品質(zhì)，進(jìn)而影響其使用和出口創(chuàng)匯。超臨界流體萃取被譽(yù)為“超級(jí)綠色”技術(shù)，具有清潔、安全、高質(zhì)、高效等優(yōu)點(diǎn)[10]，已成功應(yīng)用于天然色素[11-12]、天然抗氧化劑[13]和食用香料[14-15]等的制備。本文首次探索了超臨界萃取辣椒油樹脂的最佳工藝條件，以期得到既含有高色價(jià)的辣椒紅色素又含有高濃度的辣椒素的辣椒油樹脂，為辣椒產(chǎn)品的深度開發(fā)和綜合應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。