楊麗霞，黃海華，郭維婷，韓思思，劉慧敏，薛 舒

（山西中醫(yī)藥大學(xué) 中藥與食品工程學(xué)院，山西晉中 030619）

0 引言

辣椒紅色素是從紅辣椒中提取的天然著色劑，主要著色成分為辣椒紅素和辣椒玉紅素，屬類胡蘿卜素，占總量的50%～60%。辣椒紅色素性狀穩(wěn)定，色澤鮮艷，色價(jià)高，著色力強(qiáng)，保色效果好，安全性高，國(guó)際上將其列入A類色素［1］。但是由于紅辣椒中辣椒堿類化合物含量高，提取所得辣椒紅色素呈辛辣味，使其在食品加工、醫(yī)療保健和化妝品等行業(yè)的應(yīng)用受到限制。

本文選用辣度低的“北京紅”辣椒為原料，以乙酸乙酯為溶劑，在浸提過程中合理應(yīng)用超聲技術(shù)，縮短提取時(shí)間、強(qiáng)化浸提效果、實(shí)現(xiàn)有機(jī)試劑的循環(huán)利用，建立超聲輔助熱浸提紅辣椒中辣椒紅色素的提取方法。并對(duì)粗產(chǎn)品進(jìn)一步純化，得到高色價(jià)的辣椒紅色素，發(fā)揮其色澤艷麗鮮明的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“北京紅”辣椒（產(chǎn)于山西省忻州市，9月采收）；乙酸乙酯、無水乙醇、丙酮、石油醚、氫氧化鈉（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

UV-6100S型紫外可見分光光度計(jì)（上海元析儀器有限公司）；IRAffinity-1S型傅里葉變換紅外光譜儀（日本京都株式會(huì)社島津制作所）；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；GZX-9246MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司）；SB-5200DTDN型超聲波清洗機(jī)（寧波新芝生物科技股份有限公司）；CP214型電子天平（奧豪斯儀器（常州）有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料處理

采摘成熟紅辣椒，去除雜質(zhì)和壞椒，去蒂，去籽，鼓風(fēng)干燥箱中按設(shè)定程序升溫干燥，打粉，過30目篩，得辣椒粉末。

1.2.2 單因素優(yōu)化辣椒紅色素的提取工藝

（1）不同溶劑對(duì)提取的影響

分別以乙酸乙酯、無水乙醇、石油醚為提取溶劑。精確稱量辣椒粉末5.000 0 g，加對(duì)應(yīng)提取溶劑。100%功率恒溫超聲提取30 min，60 ℃水浴熱浸提1 h，抽濾，潤(rùn)洗，合并濾液，轉(zhuǎn)移至平底燒瓶。減壓蒸餾回收溶劑，原瓶揮發(fā)至恒重，得辣椒紅色素粗品，計(jì)算得率。將恒重后的辣椒紅色素粗品溶于丙酮，定容至50 mL容量瓶，取0.06 mL定容至10 mL容量瓶，測(cè)定吸光度值，計(jì)算色價(jià)E?？疾觳煌軇?duì)辣椒紅色素提取的影響。

（2）超聲條件和熱浸條件對(duì)提取的影響

精密稱取5.000 0 g辣椒粉，置于圓底燒瓶中，按1∶4～1∶9料液比加入提取溶劑，30～70 ℃超聲提取20～40 min后，40～80 ℃恒溫水浴熱浸1～3 h，提取1～3次。抽濾，潤(rùn)洗，合并濾液，轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，定容。取0.06 mL定容至10 mL容量瓶，測(cè)定吸光度值，計(jì)算E。分別考察超聲時(shí)間、超聲溫度、料液比、熱浸溫度、熱浸時(shí)間、提取次數(shù)對(duì)所得辣椒紅色素色價(jià)的影響。

1.2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，建立L18（35）正交試驗(yàn)。綜合考察超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）、料液比（C）、熱浸溫度（D）、熱浸時(shí)間（G）對(duì)提取工藝的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝

在正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取顯著性影響因素超聲時(shí)間、超聲溫度、熱浸時(shí)間為自變量，色價(jià)為響應(yīng)值，應(yīng)用Design Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)選辣椒紅色素的提取工藝。

1.2.5 辣椒紅色素的純化

采用皂化去酯法純化辣椒紅色素。取粗品油狀辣椒紅色素Ⅰ（E=160～170）12.361 1 g，加入質(zhì)量百分濃度15%氫氧化鈉、60%乙醇的混合液12.5 mL，90 ℃恒溫?cái)嚢? h，進(jìn)行皂化。用飽和食鹽水將皂化物洗至pH=7，于5 000 r/min離心作用20 min得中性皂化物。將中性皂化物用丙酮萃取3次，過濾，合并濾液，減壓蒸餾得辣椒紅色素Ⅱ。將辣椒紅色素Ⅱ溶于35 mL的石油醚中，水浴加熱沸騰后，放入4 ℃冰箱中過夜，冷卻結(jié)晶，得到辣椒紅色素Ⅲ。

1.2.6 色價(jià)測(cè)定

按照GB 1886.34—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑 辣椒紅》進(jìn)行色價(jià)測(cè)定和計(jì)算。

1.2.7 紅外光譜分析

取200目干燥、光譜純溴化鉀粉末約200 mg，辣椒紅色素Ⅲ 1～2 mg置于瑪瑙研缽中，研細(xì)混勻，壓片。采集樣品光譜。

1.2.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD檢驗(yàn)。“P＜0.05”表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取溶劑的確定

由圖1可知，與乙酸乙酯相比，無水乙醇提取得率顯著性提高（P＜0.01）；石油醚提取得率無顯著性變化。同時(shí)，與乙酸乙酯相比，其他溶劑提取所得色素的色價(jià)均顯著性下降（P＜0.01）。權(quán)衡得率與色價(jià)，選用乙酸乙酯作為提取溶劑較為合理。

圖1 不同提取溶劑對(duì)得率和色價(jià)的影響Fig.1 Effects of different extraction solvents on yield and color value

2.2 超聲條件和熱浸條件的確定

由圖2單因素試驗(yàn)結(jié)果可得超聲輔助熱浸提辣椒紅色素的最佳條件：超聲時(shí)間35 min，超聲溫度60 ℃，料液比1∶6，熱浸溫度60 ℃，熱浸時(shí)間2 h，提取1次。

圖2 超聲條件和熱浸條件對(duì)辣椒紅色素色價(jià)的影響Fig.2 Effects of ultrasonic and hot soaking conditions on color value of Capsanthin

2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化

固定提取次數(shù)為1次，其他5個(gè)因素3個(gè)水平的正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.1 Orthogonal test results and range analysis

各因素對(duì)色價(jià)的影響程度：超聲溫度＞超聲時(shí)間＞熱浸時(shí)間＞料液比＞熱浸溫度，最佳提取條件為A1B1C2D2G1，即超聲時(shí)間30 min，超聲溫度50 ℃，料液比1∶6，熱浸溫度60 ℃，熱浸時(shí)間1.5 h。

采用SPSS 19.0對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，見表2?？傻贸晻r(shí)間、超聲溫度、熱浸時(shí)間對(duì)辣椒紅色素色價(jià)有顯著影響，與直觀分析結(jié)果一致。

表2 主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)Tab.2 Test of inter-subject effect

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用Box-Behnken響應(yīng)面法設(shè)計(jì)超聲時(shí)間、超聲溫度和熱浸時(shí)間，三因素三水平共17組試驗(yàn)，分別測(cè)定色價(jià)。采用Design Expert 8.0.6對(duì)17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得到色價(jià)對(duì)3個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型：E=173.29-4.06A-1.90B-3.02G+7.65AB-4.74AG-1.82BG+8.75A2-14.83B2-28.47G2。對(duì)所得模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3?？芍貧w模型的P=0.001 4＜0.01，說明模型顯著；失擬項(xiàng)P=0.301 5＞0.05，表明失擬不顯著；模型的R2=0.943 0，R2adj=0.869 7，說明該模型可以解釋86.97%試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性，模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合程度良好［2-3］，用該模型分析與預(yù)測(cè)辣椒紅色素的提取合適。3個(gè)因素對(duì)色價(jià)值的主次影響順序依次為超聲時(shí)間＞熱浸時(shí)間＞超聲溫度。

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)各因子效應(yīng)的方差分析Tab.3 Analysis of variance of response surface design factors

對(duì)三因素之間的交互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析［4-6］，繪制響應(yīng)面曲線圖，如圖3所示。交互項(xiàng)AG和BG對(duì)結(jié)果影響較大，交互項(xiàng)AB對(duì)結(jié)果影響較小。

圖3 交互作用對(duì)辣椒紅色素色價(jià)的影響Fig.3 Effect of interaction on color value of Capsanthin

2.4.2 最佳工藝的確定

由Design Expert 8.0.6軟件分析得，提取辣椒紅色素的最佳工藝條件為超聲溫度48.643 ℃、超聲時(shí)間28.578 min、熱浸時(shí)間1.488 h，該條件下提取所得產(chǎn)品色價(jià)理論值為174?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)操作的可行性，將工藝條件修正為超聲溫度49 ℃、超聲時(shí)間29 min、熱浸時(shí)間1.5 h。經(jīng)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得提取辣椒紅色素的色價(jià)為172±6，RSD=3.50%，說明該模型所得結(jié)果可靠，所建模型具有良好預(yù)測(cè)性。進(jìn)一步皂化去酯后色價(jià)達(dá)到989±25。

2.5 紅外光譜分析

辣椒紅色素的紅外吸收光譜如圖4所示，在3 359 cm-1處存在吸收峰，對(duì)應(yīng)O-H的伸縮振動(dòng)（3 500～3 200 cm-1）；在2 927 cm-1處存在吸收峰，對(duì)應(yīng)C-H的伸縮振動(dòng)（3 000～2 850 cm-1）；在2 034 cm-1處存在吸收峰，對(duì)應(yīng)C=O的伸縮振動(dòng)（1 730～1 705 cm-1）；在1 550 cm-1處存在吸收峰，對(duì)應(yīng)C=C的伸縮振動(dòng)（1 650～1 500 cm-1）。說明這些都是辣椒紅色素中辣椒紅素和辣椒玉紅素的特征官能團(tuán)［7］。

圖4 辣椒紅色素紅外吸收光譜圖Fig.4 Infrared absorption spectra of Capsanthin

3 結(jié)語

通過將單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)、響應(yīng)面試驗(yàn)相結(jié)合，篩選出影響超聲輔助熱浸提辣椒紅色素工藝的顯著性因素，即超聲溫度、超聲時(shí)間和浸提時(shí)間。優(yōu)選出超聲輔助熱浸提最佳工藝：以乙酸乙酯為提取溶劑，超聲時(shí)間29 min，超聲溫度49 ℃，料液比1：6，熱浸溫度60 ℃，熱浸時(shí)間1.5 h，提取1次，該條件下提取所得辣椒紅色素為深紅色油狀液體，產(chǎn)品色價(jià)約為172，符合GB 1886.34-2015對(duì)色價(jià)的要求（E11%cm460 nm≥50）。