闕小峰

方志成2

余 雁1

司文會1

謝恩耀1

(1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；2. 蘇州泰事達(dá)檢測技術(shù)有限公司，江蘇 吳中 215006)

辣椒堿是辣椒中堿性呈辣物質(zhì)，含量占辣椒干重的0.3%～0.5%，以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，是辣椒堿藥理活性主要成分[1-3]。在日常生活中適量食用辣椒堿，可顯著優(yōu)化胃酸分泌調(diào)控，提高胃黏膜的有效保護(hù)[4-5]。在食品加工中作為辣味添加劑，有利于產(chǎn)品辣度控制和辣椒堿消化吸收，因此，辣椒堿被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、防衛(wèi)、涂料等領(lǐng)域[6-9]。

研究表明，辣椒堿的提取大多先采用酸堿或乙醇溶液浸提48 h以上，然后采用超臨界二氧化碳、微波輔助、細(xì)胞培養(yǎng)制取和化學(xué)合成等方法萃取[10-12]，具有浸提時(shí)間長、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求嚴(yán)、能耗高和提取率低等缺點(diǎn)[13-14]，正如趙愛云等[15-17]早期開展的相關(guān)研究結(jié)論。此類方法均不利于辣椒堿的綜合開發(fā)利用。為此，研究利用辣椒中大部分辣味成分的脂溶性特點(diǎn)[18-19]擬先采用高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理干辣椒物料，采用水油混相體系將辣味成分提取出來，除去辣椒中碳水化合物、脂肪、無機(jī)鹽等雜質(zhì)，再協(xié)同微波輔助有機(jī)溶劑法提取辣椒堿，相較于傳統(tǒng)辣椒堿提取工藝，該方法采用日常食用植物油，結(jié)合真空均質(zhì)攪拌機(jī)，協(xié)同微波輔助溶劑法從預(yù)處理物料中提取辣椒堿。

試驗(yàn)首先考察水油混相體系促進(jìn)干辣椒物料粉碎及辣椒堿溶出的預(yù)處理工藝條件，然后在單因素分析提取劑種類、最佳提取劑體積分?jǐn)?shù)、微波功率、料液比及提取時(shí)間等因素的影響基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化微波輔助溶劑法從預(yù)處理物料中提取辣椒堿的工藝，并探究辣椒堿的辣度及加工性能，旨在為辣椒堿的提取及在工業(yè)上的開發(fā)應(yīng)用提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干辣椒：湖南辣椒王，市售；

食用大豆植物油：中糧集團(tuán)蘇州分公司；

無水乙醇、甲醇、正丁烷、石油醚、丙酮、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸乙酯等：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑蘇州有限公司；

蒸餾水：實(shí)驗(yàn)室自制，現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.2 儀器與設(shè)備

真空均質(zhì)攪拌罐：JBG型，溫州強(qiáng)忠機(jī)械科技有限公司；

紫外可見分光光度計(jì)：TU-1810型，北京凱奧科技有限公司；

電子天平：CW-201型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)：PH-010(A)型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

破壁機(jī)：BS-7型，美的集團(tuán)股份有限公司；

標(biāo)準(zhǔn)篩：80目，華成機(jī)械有限公司；

微波萃取儀：FTY-1006型，南京蘇恩瑞科技有限公司。

1.3 工藝流程

干辣椒烘干→制備80目粗粉→高壓水油混相技術(shù)浸提→干燥制成均質(zhì)粉→微波處理→4 000 r/min離心10 min→上清液減壓蒸發(fā)→加浸提劑沉淀→4 ℃靜置24 h→4 000 r/min離心10 min→沉淀真空干燥→測定辣椒堿含量

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 原料粗粉制備 選擇飽滿的無霉變、無蟲眼的干辣椒，95 ℃干燥至恒重，粉碎過80目標(biāo)準(zhǔn)篩成粗粉備用。

1.4.2 高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理

(1) 加濕量：準(zhǔn)確稱取10.0 g干辣椒粗粉5份，固定攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min，浸提溫度160 ℃，考察加濕量(10%，15%，20%，25%，30%)對辣椒堿提取率的影響。

(2) 攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速：準(zhǔn)確稱取10.0 g干辣椒粗粉5份，固定加濕量20%，浸提溫度160 ℃，考察攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速(100，150，200，250，300 r/min)對辣椒堿提取率的影響。

(3) 浸提溫度：準(zhǔn)確稱取10.0 g干辣椒粗粉5份，固定加濕量20%，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min，考察浸提溫度(120，140，160，180，200 ℃)對辣椒堿提取率的影響。

(4) 正交試驗(yàn)優(yōu)化：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以加濕量、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速和浸提溫度為考察因素，以辣椒堿提取率為指標(biāo)，按L9(33)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)平行3次。

1.4.3 微波輔助辣椒堿提取工藝優(yōu)化

(1) 提取劑種類：準(zhǔn)確稱取10.0 g經(jīng)預(yù)處理的干辣椒均質(zhì)粉5份于錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水混勻，固定微波功率600 W預(yù)處理120 s，然后按料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)分別添加體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇、甲醇、正丁烷、石油醚，蒸餾水作參比液，置于30 ℃恒溫水浴鍋中浸提2.0 h，考察其對辣椒堿提取率的影響。

(2) 提取劑體積分?jǐn)?shù)：準(zhǔn)確稱取10.0 g經(jīng)預(yù)處理的干辣椒均質(zhì)粉5份于錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水混勻，固定微波功率600 W下預(yù)處理120 s，然后按料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)分別添加體積分?jǐn)?shù)50%，60%，70%，80%，90%的最佳提取劑，置于30 ℃恒溫水浴鍋中浸提2.0 h，考察其對辣椒堿提取率的影響。

(3) 料液比：準(zhǔn)確稱取10.0 g經(jīng)預(yù)處理的干辣椒均質(zhì)粉5份置于錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水混勻，固定微波功率600 W預(yù)處理120 s，分別按m辣椒粉∶V溶劑為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30 (g/mL)添加最佳提取劑體積分?jǐn)?shù)，置于30 ℃恒溫水浴鍋中浸提2.0 h，考察其對辣椒堿提取率的影響。

(4) 微波功率：準(zhǔn)確稱取10.0 g經(jīng)預(yù)處理的干辣椒均質(zhì)粉5份于錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水混勻，分別在微波功率為400，600，800，1 000，1 200 W下處理120 s，固定料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)的最佳提取劑體積分?jǐn)?shù)，置于30 ℃恒溫水浴鍋中浸提2.0 h，考察其對辣椒堿提取率的影響。

(5) 提取時(shí)間：準(zhǔn)確稱取10.0 g經(jīng)預(yù)處理的干辣椒均質(zhì)粉5份置于錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水混勻，固定微波功率600 W預(yù)處理120 s，按照料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)添加最佳提取劑體積分?jǐn)?shù)，置于30 ℃恒溫水浴鍋中分別浸提1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h，考察其對辣椒堿提取率的影響。

(6) 正交試驗(yàn)優(yōu)化：在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以微波功率、最佳提取劑體積分?jǐn)?shù)、料液比和提取時(shí)間為考察因素，以辣椒堿提取率為指標(biāo)，按L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)平行3次。

1.4.4 辣椒堿在辣醬加工中的應(yīng)用 將提取的辣椒堿作為食品辣味添加劑應(yīng)用到辣醬加工中，分別測定不同鹽添加量(0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%)、酸堿度(pH 1.0～12.0)、加熱油溫(120，140，160，180，200，220，240，260，280 ℃)下辣醬中辣椒堿含量，考察其加工穩(wěn)定性及辣度。

1.4.5 辣椒堿提取率的測定 參照高艷等[1]的方法。按式(1)計(jì)算辣椒堿提取率。

(1)

式中：

W——樣品中辣椒堿含量，g/kg；

C——由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算的辣椒堿含量，μg/mL；

V——測樣定容體積，mL；

M——樣品質(zhì)量，g。

1.4.6 辣度的測定 參照熊科等[20]的方法。按式(2)計(jì)算辣度。

SHU=X×1.61×104+(X/90%)×10%×9.3×103，

(2)

式中：

SHU——辣度；

X——試樣中辣椒堿含量，mg/g；

1.61×104——1 mg辣椒總堿的辣度[辣椒中辣椒堿與二氫辣椒堿含量以90%來計(jì)算，其余10%的辣椒堿類物質(zhì)辣度以降二氫辣椒堿的辣度(9.3×103)計(jì)算]。

1.4.7 數(shù)據(jù)處理 借助正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ V3.1軟件開展正交試驗(yàn)；采用SPSS 22軟件開展單因素方差分析，采用最小顯著性差數(shù)法(LSD)，以P<0.05作為差異顯著的判斷標(biāo)準(zhǔn)；用Excel 2016作表和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓水油混相浸提預(yù)處理工藝優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗(yàn) 由圖1可知，隨著干辣椒粗粉加濕量的增加，辣椒堿提取率先升高后降低，當(dāng)加濕量為20%時(shí)達(dá)到峰值。隨著物料濕潤程度的不斷提高，物料間相對黏連程度及相對分子間作用力不斷提高，從而產(chǎn)生攪拌打滑現(xiàn)象，大大降低了破壁效果，故提取率產(chǎn)生滑坡式下降[21]。隨著真空均質(zhì)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，辣椒堿提取率峰值出現(xiàn)在250 r/min，繼續(xù)增大攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速使物料滯留時(shí)間短，細(xì)胞被破壁幾率減少，故辣椒堿提取率略微下降。隨著浸提溫度的升高，辣椒堿提取率總體呈平穩(wěn)的狀態(tài)，且160 ℃時(shí)的提取率顯著高于其他組。溫度升高，一定程度上有助于物料的熟化，易形成罐內(nèi)高溫、高壓環(huán)境，提高辣椒堿提取率，但同時(shí)物料也易產(chǎn)生焦化現(xiàn)象[22]，故160 ℃為最佳溫度。

2.1.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取加濕量、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速和浸提溫度3個(gè)因素進(jìn)行 L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)因素水平表見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，影響高壓水油混相浸提預(yù)處理效果的主次順序?yàn)榧訚窳?浸提溫度>攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，最佳條件組合為A2B2C3，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證A2B2C3提取率(0.310%)低于A2B3C1，故取A2B3C1為預(yù)處理最優(yōu)組合，即辣椒粗粉加濕量20%、浸提溫度150 ℃、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min。

2.2 微波輔助協(xié)同提取辣椒堿工藝優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗(yàn) 由圖2可知，影響辣椒堿提取率的提取劑依次是乙醇>石油醚>正丁烷>甲醇>蒸餾水，乙醇與石油醚之間的提取率無顯著差異，而相較其他提取劑顯著提高，綜合比對經(jīng)濟(jì)適用性及環(huán)境安全等，確定乙醇為最佳提取劑；以乙醇為提取劑，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，辣椒堿提取率出現(xiàn)先增大后下降的趨勢，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)有最大的提取值；隨著料液比的增加，辣椒堿提取率總體呈上升趨勢，當(dāng)料液比(m辣椒粉∶V溶劑)為1∶20 (g/mL)時(shí)，提取率達(dá)最高；而料液比過大，大量多糖、蛋白類大分子物質(zhì)競爭溶劑，細(xì)胞內(nèi)的辣椒堿有限溶出，故提取率相對降低[23]；隨著微波功率的增加，辣椒堿提取率總體提高，在1 000 W時(shí)達(dá)到峰值，但功率過大，短時(shí)間的快速升溫易使物料產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象，高溫高沸破壞部分辣椒堿結(jié)構(gòu)致使提取率降低[24]；隨著提取時(shí)間的延長，辣椒堿提取率在2.5 h時(shí)達(dá)到峰值，且顯著高于其他組，而提取時(shí)間過長，辣椒堿會被高強(qiáng)度的微波所分解。

2.2.2 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇微波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比及提取時(shí)間對微波輔助提取辣椒堿進(jìn)行四因素三水平L9(34)正交試驗(yàn)，確定最佳提取工藝。正交試驗(yàn)因素水平見表3，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表4。

由表4可知，影響微波輔助提取辣椒堿的主次順序?yàn)椋何⒉üβ?提取時(shí)間>料液比>乙醇體積分?jǐn)?shù)，最佳組合為A1B3C3D2，即微波功率600 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)，提取時(shí)間2.5 h。微波功率、提取劑體積分?jǐn)?shù)等對辣椒堿提取影響明顯，因此驗(yàn)證最佳單因素組合A3B2C3D2下辣椒堿的提取效果。由表5可知，單因素組合A3B2C3D2組合所得辣椒堿提取量為3.88 g/kg，低于正交試驗(yàn)最佳組合A1B3C3D2提取量4.12 g/kg，因此微波輔助乙醇提取辣椒堿的最佳工藝條件為：微波功率600 W預(yù)處理120 s，然后添加料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)的65%乙醇，提取2.5 h的效果最佳，辣椒堿初次萃取率達(dá)到82.4%(以辣椒堿總量占干辣椒0.5%計(jì))，3次理論提取率可達(dá)99.45%，高于鄧祥元等[11-12,25]的方法。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

表1 高壓水油混相浸提正交試驗(yàn)因素水平表

表2 高壓水油混相浸提正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 微波輔助正交試驗(yàn)因素水平表

表4 微波輔助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 辣椒堿在食品加工中的應(yīng)用

從干辣椒中提取的辣椒堿經(jīng)兩次乙醇提取，總得率為96.16%，接近正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論得率96.52%，將其經(jīng)甲醇回流提取、鹽酸溶解、乙醚萃取、氯仿上柱洗脫等一系列操作，辣椒堿回收率和純度分別為94.3%和88.5%。

以辣椒堿替代鮮或干辣椒添加到辣醬食品中。由圖3 可知，辣椒堿在低鹽(≤15%)條件下較穩(wěn)定，而高濃度鹽(≥35%)對其破壞作用較大，且隨著鹽添加量的不斷升高，辣堿度下降趨勢越顯著。酸堿性條件下，弱酸至中酸性(pH值4.0～7.2)范圍內(nèi)食品中辣椒堿含量相對穩(wěn)定，pH值6.5～7.2的中性條件下辣椒堿最穩(wěn)定；強(qiáng)酸性(pH值3.5～2.0)食品中辣椒堿含量顯著降低，而堿性(pH值8.0～11.0)食品中辣椒堿含量隨堿性的升高而下降，這是由于堿性pH值越大，辣椒堿越易結(jié)晶析出，不利于食品增辣。油溫方面，隨著食品加工溫度的上升(≥200 ℃)，食品中辣椒堿含量顯著降低，表明高溫破壞了辣椒堿的結(jié)構(gòu)，食品中辣度減低[26]。因此，食品加工中添加辣椒堿作為辣味源時(shí)，應(yīng)盡量低鹽、中酸性和低溫加工，食品辣味較為明顯。

依據(jù)Scoville指數(shù)及熊科等[20]對辣椒及其制品辣度分級標(biāo)準(zhǔn)，此干辣椒的辣度為6 818，辣椒堿辣度可達(dá)6級，屬于中辣，較適合作為提取辣椒堿類化合物的原料。由圖4可知，食品加工中，作為辣味添加劑的干辣椒添加量應(yīng)控制在10%～15%，辣椒堿添加量應(yīng)控制在0.01%～0.50%，如湖南壇壇香剁椒，辣度值2 107，達(dá)到辣味4級[20]；干辣椒添加量13.0%或辣椒堿添加量控制在0.32%，有助于辣醬產(chǎn)品辣度控制和辣椒堿的消化吸收。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

圖4 辣度對辣椒堿及干辣椒添加量的影響

3 結(jié)論

以干辣椒為原料，經(jīng)高壓水油混相浸提技術(shù)預(yù)處理物料后協(xié)同微波輔助乙醇法提取辣椒堿。結(jié)果表明，最佳高壓水油混相浸提預(yù)處理工藝條件為辣椒粗粉加濕量20%、浸提溫度150 ℃、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min，可促進(jìn)干辣椒中有效成分的溶出；微波輔助乙醇法的最佳工藝條件為：預(yù)處理的辣椒粉在微波功率600 W下處理120 s后，按料液比(m辣椒粉∶V溶劑)1∶20 (g/mL)添加提取劑65%乙醇，在30 ℃恒溫水浴鍋中浸提2.5 h，此時(shí)辣椒堿提取量為4.12 g/kg干辣椒，初次萃取率達(dá)到82.4%，3次理論得率接近99.45%。使用提取的辣椒堿制作辣醬食品時(shí)，應(yīng)盡量在低鹽(≤15%)、中酸性(pH值4.0～7.2)和低油溫(≤200 ℃)下進(jìn)行加工以利于辣椒堿的穩(wěn)定和辣度的維持。

中國是辣椒生產(chǎn)、出口大國，但對辣椒產(chǎn)業(yè)的研發(fā)深度和精度相對不夠，尤其是辣椒堿功能性精深加工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)都有待進(jìn)一步提升。此外，試驗(yàn)研究體系總體偏向于實(shí)驗(yàn)室體系，而并非產(chǎn)業(yè)鏈端試車環(huán)境，后續(xù)的中試乃至正式投產(chǎn)中均存在工藝放大以及物料成本核算等問題，有待進(jìn)一步解決。