王 碩

(廣州工商學(xué)院，廣州 510800)

辣椒(Capsicumannuum), 隸屬于茄科辣椒屬，是一年生或者多年生的草本植物[1]，果實(shí)一般為圓錐形或者長(zhǎng)圓形，在未成熟時(shí)，呈現(xiàn)的顏色為綠色，成熟之后呈現(xiàn)的顏色為紅色或者紫色，一般以紅色最為常見(jiàn)[2-3]。

辣椒一般用作調(diào)味劑，但是除了調(diào)味劑之外，辣椒的用途還非常廣泛，其中，辣椒豐富的紅色素也能夠作為有機(jī)色素使用[4]。目前，我國(guó)的辣椒紅色素生產(chǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，提取的辣椒紅色素中含有的辣味較多[5]，且生產(chǎn)辣椒紅色素的效率低、耗費(fèi)成本高，目前只能做一些初步的加工，然后廉價(jià)出口到國(guó)外[6]。

辣椒紅色素簡(jiǎn)稱(chēng)辣椒紅，需要通過(guò)選擇一些優(yōu)質(zhì)的紅色辣椒進(jìn)行分離提純，它是一種紅色的油狀液體[7]，與甘油和水互不相溶，但是易溶于植物油和一些有機(jī)溶劑，具有一定的耐酸性和耐堿性[8]。辣椒紅色素的分子式為C40H56O3，結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。

圖1 辣椒紅色素分子式

辣椒紅色素是一種天然的添加劑，具有保健和著色效果，是很多發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、美國(guó)、日本和加拿大等首選的食品色素添加劑[9-10]。在我國(guó)，辣椒紅色素主要用于調(diào)味劑、奶油和燒烤食品等[11]。由于辣椒紅色素的用途廣泛，很多國(guó)家和地區(qū)的辣椒紅色素需求量都極高，所以，提高辣椒紅色素的提取工藝和產(chǎn)量是辣椒紅色素產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要研究方向[12-13]。本研究基于此，對(duì)辣椒紅色素的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為辣椒紅色素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個(gè)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和儀器

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮辣椒：購(gòu)于當(dāng)?shù)夭耸袌?chǎng)。

1.2 試劑和儀器

正己烷、磁力攪拌器、高速冷凍離心機(jī)、粉碎機(jī)、分光光度計(jì)、蒸發(fā)儀、干燥箱和超聲波發(fā)生器。

2 試驗(yàn)方法

挑選品質(zhì)較好、個(gè)體發(fā)育較好的辣椒，與正己烷提取液按照試驗(yàn)方案的比例進(jìn)行混合，使用超聲波發(fā)生器進(jìn)行萃取，以提取液的吸光值作為測(cè)定的指標(biāo)，研究不同提取工藝條件對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響，從而確定辣椒提取的最佳工藝。

2.1 超聲波輔助提取液固比對(duì)辣椒紅色素提取的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒，使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎，按照試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，按液固比例4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1將辣椒與提取的正己烷混合，充分搖勻，將反應(yīng)體系放置于超聲波發(fā)生器中，設(shè)置超聲波功率為120 W，超聲波提取溫度為60 ℃，超聲波提取時(shí)間為30 min，然后進(jìn)行標(biāo)定，分析液固比例對(duì)辣椒中紅色素提取效率的影響。

2.2 超聲波功率對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒，使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將正己烷與辣椒按照5∶1的比例進(jìn)行混合，設(shè)定超聲溫度為60 ℃，超聲波提取時(shí)間為30 min，超聲波功率分別為100，120，140，160，180 W，然后進(jìn)行標(biāo)定，研究超聲波功率對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響。

2.3 超聲波提取時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒，使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將正己烷與辣椒按照5∶1的比例進(jìn)行混合，設(shè)定超聲溫度為60 ℃，超聲波提取時(shí)間分別為20，30，40，50，60 min，超聲波功率為120 W，然后進(jìn)行標(biāo)定，研究超聲波提取時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響。

2.4 超聲波提取溫度對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒，使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將正己烷與辣椒按照5∶1的比例進(jìn)行混合，設(shè)定超聲波提取時(shí)間為30 min，超聲波功率為120 W，超聲波溫度為40，50，60，70，80 ℃，然后進(jìn)行測(cè)定，研究超聲波提取溫度對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 超聲波輔助提取液固比對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒樣品，將其他的參數(shù)條件超聲波功率、提取時(shí)間和提取溫度分別設(shè)置為120 W、30 min和60 ℃，然后研究不同的液固比(4∶1、5∶1、6∶1、7∶1和8∶1)對(duì)辣椒中辣椒紅色素提取的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 液固比例對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

由圖2可知，當(dāng)液固比例小于5∶1時(shí)，辣椒中的紅色素提取效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，吸光值也不斷升高，一直升高至0.652。當(dāng)液固比例超過(guò)5∶1時(shí)，辣椒中的紅色素提取效率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。分析原因是液體中辣椒比例下降，導(dǎo)致反應(yīng)體系中辣椒的濃度下降，造成辣椒中辣椒紅色素提取效率降低[14-16]。因此，本試驗(yàn)選擇液固比例5∶1為最佳的液固混合比例。

3.2 超聲波功率對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒樣品，將其他的參數(shù)條件液固比例、提取時(shí)間和提取溫度分別設(shè)置為5∶1、30 min和60 ℃，然后研究不同的超聲波功率(100，120，140，160，180 W)對(duì)辣椒中辣椒紅色素提取的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 超聲功率對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響Fig.3 The effect of ultrasonic power on the extraction effect of capsanthin

由圖3可知，辣椒中辣椒紅色素提取的吸光值隨著超聲波功率的不斷增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)超聲波功率為120 W時(shí)，辣椒的吸光值最大，為0.708。當(dāng)超聲波功率超過(guò)120 W時(shí)，辣椒中辣椒紅色素的提取效率開(kāi)始降低。這是由于隨著超聲波功率的增強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)體系中的空穴效應(yīng)也隨之增強(qiáng)[17]，破壞了已經(jīng)產(chǎn)生的辣椒中的紅色素。所以，本試驗(yàn)中最優(yōu)的超聲波功率選擇120 W。

3.3 超聲波提取時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

控制超聲功率為120 W，超聲波溫度為60 ℃，液固比例為5∶1，研究超聲波提取時(shí)間20，30，40，50，60 min對(duì)辣椒紅色素提取的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響Fig.4 The effect of ultrasonic time on the extraction effect of capsanthin

由圖4可知，隨著超聲波提取時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，辣椒中的辣椒紅色素一直呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)超聲波提取時(shí)間小于30 min時(shí)，對(duì)辣椒中的紅色素提取的影響比較明顯，上升的速率較快。隨著超聲波提取時(shí)間慢慢升高，辣椒紅色素提取也有增長(zhǎng)，只是增長(zhǎng)的比例較低，考慮到時(shí)間成本，該試驗(yàn)選擇超聲波時(shí)間為30 min。

3.4 超聲波提取溫度對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響

稱(chēng)取一定量的辣椒樣品，將其他的參數(shù)條件液固比例、提取時(shí)間和提取功率分別設(shè)置為5∶1、30 min和120 W，然后研究不同的超聲溫度(40，50，60，70，80 ℃)對(duì)辣椒紅色素提取的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 超聲溫度對(duì)辣椒紅色素提取效果的影響Fig.5 The effect of ultrasonic temperature on the extraction effect of capsanthin

由圖5可知，隨著超聲波提取溫度的不斷升高，辣椒中辣椒紅色素的提取效率先升高后降低，當(dāng)超聲波提取溫度小于70 ℃時(shí)，辣椒中辣椒紅色素提取效率最高，吸光值也最高，為0.725。隨著溫度的升高，當(dāng)溫度超過(guò)70 ℃時(shí)，辣椒中的辣椒紅色素的提取效率開(kāi)始出現(xiàn)一定幅度的下降。這是由于當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，空氣中的蒸汽壓力增大，導(dǎo)致反應(yīng)體系中的空化作用減弱，辣椒中辣椒紅色素的提取效率降低[18-20]。

3.5 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果分析

使用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在單因子試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三水平四因子的響應(yīng)面法優(yōu)化辣椒中辣椒紅色素提取工藝，試驗(yàn)水平及因素見(jiàn)表1，響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素水平

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 The experimental design and results

由表2可知，本次響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一共有18個(gè)試驗(yàn)，其中2，5，8，11，14，17為中心試驗(yàn)點(diǎn)，由于估計(jì)試驗(yàn)誤差，其余的12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)作為結(jié)果分析試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到辣椒紅色素提取的吸光值與各個(gè)因素之間變量的二次方程模型：吸光值=0.80+0.020X+0.0070Y-0.0004Z+0.0019γ+0.060XY+0.057XZ+0.0080YZ-0.0079Yγ+0.0050γZ-0.012X2-0.012Y2-0.012Z2-0.029γ2。

表3 二次多項(xiàng)模型方差表

由表3可知，模型的回歸值P<0.0001和失擬項(xiàng)為0.1163>0.05，研究結(jié)果表明，該模型對(duì)該次超聲波提取辣椒紅色素試驗(yàn)的擬合效果良好，試驗(yàn)誤差較小，所以，可以利用該模型對(duì)試驗(yàn)中的真實(shí)結(jié)果進(jìn)行分析。

4 小結(jié)

本試驗(yàn)采用了超聲波法對(duì)辣椒中的辣椒紅色素進(jìn)行提取，研究了超聲波溫度、液固比例、超聲波時(shí)間和超聲波功率對(duì)辣椒中辣椒紅色素提取效率的影響，優(yōu)化了超聲波提取辣椒紅色素工藝，優(yōu)化結(jié)果為液固比例5∶1，超聲波提取溫度70 ℃，超聲波提取時(shí)間30 min和超聲波提取功率120 W。同時(shí)，我們采用了響應(yīng)面法對(duì)優(yōu)化得到的工藝進(jìn)行確認(rèn)，結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)果和回歸模型擬合效果良好。