闪式提取辣椒碱的工艺研究

卢俏，张煜，颜健，张怡，曹建新

（贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550003）

辣椒碱是一种含有酚羟基的生物碱，它是辣椒果实的主要显辣物质，其含量一般只占到辣椒干重的0.1%～0.4%[1]。辣椒碱类物质因具有镇痛止痒、抗炎消肿、防风湿和抗肿瘤等作用，被广泛应用于医药行业。此外辣椒碱类物质产品在农药、军事、涂料、食品添加剂和减肥保健品领域也有广泛的应用，具有极广阔的市场发展前景[2]。

目前，辣椒碱的提取方法主要有：有机溶剂浸提法、超声波辅助提取法和超临界CO2流体萃取法等[2-6]。溶剂浸提法提取率低、操作繁琐、溶剂消耗量大；超声辅助法提取液过滤困难，不利于辣椒碱的后期纯化；超临界法设备投资较大。闪式提取法是近年发展起来的新型辅助提取技术，它利用高速机械剪切力和搅拌力作用，迅速破坏植物细胞组织，使内部有效成分与溶剂充分接触，快速溶解转移，在几秒到几十秒内达到内外溶解平衡，提取效率较高，但将此方法应用于辣椒碱提取的研究鲜见文献报道。本试验采用闪式提取法从辣椒中提取出辣椒碱类物质，通过正交试验对工艺参数进行优化和分析，得到最佳工艺条件。

1 原料及仪器

1.1 原料

干红辣椒：市售；甲醇、乙醇、丙酮、石油醚和乙酸乙酯：均为分析纯。

1.2 仪器

FW80 高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；JHBE-20A 闪式提取器：河南金鼐科技发展有限公司；RE-3000 旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；752 紫外可见分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；Agilent 1100 高效液相色谱仪：美国安捷伦科技公司。

2 方法

干红辣椒干燥、粉碎，按设定的料液比加入有机溶剂，于一定转数和时间条件下闪式提取，抽滤，减压蒸馏即得到辣椒油树脂。参照文献[7]和文献[8]的方法，分别采用分光光度法和高效液相色谱法测定辣椒油树脂中辣椒碱的含量。

采用分光光度法测定辣椒碱含量时，以香兰素为对照品，实验绘制的标准曲线见图1。

图1 辣椒碱标准曲线Fig.1 Standard curve graph of capsaicin

辣椒碱的提取率用闪式提取所得辣椒碱与干红辣椒粉的质量比来表征。

计算公式如下：

式中：C 为辣椒碱浓度（从标准曲线读取，μg/mL）；1.065 为香兰素换算成辣椒碱的当量系数；V 为待测液体积，mL；A 为待测液稀释倍数；W 为辣椒样品质量，g。

高效液相色谱法检测条件：色谱柱，Lichrospher C18（4.6×250，5 nm）；流动相，甲醇∶水=75∶25（含0.1 %磷酸）；流速，0.600 mL/min；检测波长，280 nm；进样量，20 μL。

计算公式如下：

式中：m 为辣椒油树脂中辣椒碱的质量，g；W 为辣椒样品质量，g。

3 结果分析与讨论

3.1 提取溶剂对辣椒碱提取率的影响

选取不同的有机溶剂，于料液比1∶10（g/mL）、转数4 400 r/min、闪提时间30 s 条件下进行辣椒碱提取实验，以研究不同有机溶剂对辣椒碱提取率的影响。

辣椒碱为弱极性偏酸性物质，根据相似相溶原理，宜选择极性相对较小且偏酸性物质为提取溶剂。本实验所选五种溶剂进行提取实验的结果见表1。

表1 不同种类溶剂对辣椒碱提取量的影响Table 1 Influence of solvents on extraction volume of capsaicin

从表1 可以看出，当以丙酮为提取溶剂时，辣椒碱的提取率最大。乙醇溶剂无毒安全，价格低廉，本实验采用乙醇为提取溶剂时所得提取率可达到0.010 3%，但实验中发现提取液较黏稠，选择性差，对进一步纯化辣椒碱的操作不利，同时乙醇溶剂沸点比丙酮高12 ℃，在蒸馏过程中能耗较高。综合考虑各影响因素，本实验选择丙酮作为提取溶剂。

3.2 料液比对辣椒碱提取率的影响

选取不同料液比，以丙酮为提取溶剂，于转数4 400 r/min、闪提时间30 s 条件下进行提取实验，研究料液比对辣椒碱提取率的影响，结果见图2。

图2 料液比对辣椒碱提取率的影响Fig.2 Effects of ration of solvent material to liquid on extraction ratio of capsaicin

从图2 可以看出，当料液比从1∶8（g/mL）提高到1∶10（g/mL）时，辣椒碱提取率急速上升，之后，随料液比提高，辣椒碱的提取率增长缓慢。当料液比达到1∶12（g/mL），再增加溶剂体积，辣椒碱提取率呈缓慢下降趋势。这是因为随着料液比的提高，辣椒颗粒表面与溶剂间辣椒碱浓度梯度增大，辣椒碱的溶解扩散速率随之增大，从而促进辣椒植物细胞组织中辣椒碱的浸出并向溶剂扩散，因此辣椒碱提取率急速上升。当料液比达到一定值后，辣椒中的大部分辣椒碱已浸出并溶解于溶剂中，同时，溶剂体积的增大会在一定程度上减小闪提器刀头与辣椒颗粒的剪切几率，使辣椒颗粒相对偏大，影响辣椒碱的浸出效果，因此料液比达到1∶10（g/mL）后，再提高料液比，辣椒碱提取率增加缓慢，甚至呈下降趋势。本实验条件下，考虑到溶剂用量增加产生的回收问题和经济问题，选择料液比1∶10（g/mL）为宜。

3.3 闪提转数对辣椒碱提取率的影响

选择不同的闪提转数，以丙酮为提取溶剂，于料液比1∶10（g/mL）、闪提时间30 s 的条件下进行提取实验，研究闪提转数对辣椒碱提取率的影响，结果见图3。

图3 转数对辣椒碱提取率的影响Fig.3 Effects of rotation on extraction ratio of capsaicin

从图3 可以看出，随着转数的增加，辣椒碱的提取率呈现先增后减的趋势。其它条件一定时，闪式提取器的转数越高，越有利于植物的粉碎、细胞组织的破坏和溶质向溶剂的扩散，从而促进溶质的浸出和溶解，但是，提取器刀头旋转过程中会产生热量，转数过高，高速旋转的刀头瞬间产生的热量有可能造成溶液局部高温，致使某些溶出成分发生氧化或分解等副反应。当转数在1 100 r/min 到4 400 r/min 之间变化时，随刀头旋转速度的提高，辣椒的粉碎、细胞组织的破坏和辣椒碱的浸出并向溶剂扩散得以逐渐加强，而旋转产生的热量又不是太高，所以，转数提高，辣椒碱提取率增大。当转数超过4 400 r/min 时，溶液体系产生的局部高温有可能使辣椒碱发生氧化或分解等副反应，导致辣椒碱提取率下降。本实验条件下比较适宜的转数约为4 400 r/min。

3.4 提取时间对辣椒碱提取率的影响

选择不同提取时间，以丙酮为提取溶剂，于料液比1∶10（g/mL）、转数4 400 r/min 条件下进行提取实验，研究闪提时间对辣椒碱提取率的影响，结果见图4。

图4 闪提时间对辣椒碱提取率的影响Fig.4 Effects of extractive time on extraction ratio of capsaicin

从图4 可以看出，随着提取时间的延长，辣椒碱的提取率先增加然后缓慢降低，总体看来，闪提时间对辣椒碱的提取率影响不大。闪式提取器高速旋转刀头可在很短的时间内迅速破坏植物组织，提取时间延长，虽然有助于强化提取器刀头对辣椒植物组织的破坏，促进有效成分的浸出和向溶剂中的溶解，但作用不明显。较长时间的剪切力作用，反而会使辣椒植物组织充分破碎，产生过细辣椒粉末使滤饼层致密，影响辣椒碱滤出。因此，延长提取时间，对增加辣椒碱提取率的作用不明显，长时间闪提反而会影响辣椒碱提取率的增大。本实验条件下，较适合的闪提时间约为30 s。

3.5 闪式提取辣椒碱的正交试验

在单因素试验结果基础上，选择料液比、闪提时间和转数三个因素为研究对象。采用L9（33）正交试验优化辣椒碱的提取工艺条件，结果见表2 和表3。

表2 正交试验因素水平表Table 2 The levels of factors

表3 正交试验方法分析表Table 3 Scedastic analysis chart of orthogonal test

由方差分析结果可知，转数对辣椒碱提取率影响极为显著；料液比对辣椒碱的提取率影响显著；闪提时间对辣椒碱提取率影响最不显著。综合极差分析结果可以得出，闪式提取辣椒碱的最佳工艺条件为：A3B3C3，即丙酮溶剂作为提取液、料液比为1∶12（g/mL）、闪提时间35 s、转数6 600 r/min。在此工艺条件下，得出辣椒碱的提取率为0.112 6%。

3.6 辣椒碱检测方法的比较

在最佳工艺条件下闪式提取辣椒碱，分别用2.2的两种方法测定辣椒碱的提取率，结果见表4、图5 和图6。

表4 不同检测方法的比较Table 4 Comparsion of different detection method

图5 辣椒碱标品高效液相色谱图Fig.5 Chromatogram of standard capsaicin

图6 样品高效液相图谱Fig.6 Chromatogram of sample capsaicin

从上述实验数据可知，HPLC 测定结果低于分光光度法测定值。原因在于分光光度法起显色作用的是被测物质的官能团，这是辣椒碱类物质所共有的，即该方法测定是辣椒碱类化合物的总含量；而HPLC 法能够将辣椒碱与其结构相似的辣椒碱类物质有效地分离开来，测定结果为辣椒碱和二氢辣椒碱含量。因而分光光度法测定结果比HPLC 法测定结果偏大。图5 为标准品及样品HPLC 图，标准品中辣椒碱和二氢辣椒碱保留时间tR（min）分别为：17.192 和22.664，这与相关文献报道结果相符[9]。

4 结论

采用闪式提取技术提取辣椒碱类物质，在保证较高的有效成分提取率基础上，大大缩短了提取时间，提高了提取效率，同时此方法室温提取、物料适应性强、节能降耗、操作简单。闪式提取辣椒碱方法相对传统的提取方法具有明显的优势，是一种快速有效的提取辣椒碱类物质的方法。

本试验条件下，闪式提取辣椒碱的最佳工艺条件为：丙酮溶液、料液比为1∶12（g/mL）、闪提时间35 s、转数6 600 r/min，辣椒碱的提取率为0.112 6%。

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