天然辣椒碱提取方法及在食品中应用的研究进展

阙小峰，黄超群，方志成，司文会

(1.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008；2.苏州泰事达检测技术有限公司，江苏 吴中 215006)

食品的辛辣味觉主要来源于辣椒[1]。在辣椒中，辣椒碱(Capsaicin，C18H27NO3)是引起辛辣味觉的主要碱性呈辣物质，含量约占0.3%～1.0%，以辣椒碱、二氢辣椒碱为主，具有极高的生理药用价值[2]。在食品加工中，辣椒碱可作为辣味添加剂，增强食品的辣度，促进肠道消化吸收，起到保护胃黏膜、控制胃酸分泌的作用，还有抑菌、抗氧化、耐保藏等功效[3-6]，在食品、化工、医药等行业有着广泛用途。

我国是全球辣椒种植面积第一大国，占比近40%，年产量4000余万吨，年干辣椒出口量占全球出口总量的26%[7]，辣椒已成为仅次于大豆、番茄的第三大蔬菜产业。为促进辣椒产业的健康发展及辣椒碱在食品加工中的普及应用，本文对国内外近年来辣椒中天然碱提取的新技术、新方法及辣椒碱在食品工业中的调味、抗氧化等功能性质应用进行了归纳总结，为推进未来天然辣椒碱工业化提取纯化及食品加工中调味、抗氧化等综合性应用提供了理论及技术指导。

1 辣椒碱类物质

辣椒营养丰富，含有维生素C、β-胡萝卜素、生物碱、辣椒红素、挥发油、蛋白质、多糖、矿物质等成分。其中，生物碱是辣椒中的主要呈辣碱类物质，包括辣椒碱(Capsaicin)、二氢辣椒碱(Dihydrocapsaicin)、降二氢辣椒碱(Nordihydrocapsaicin)、高辣椒碱(Homocapsaicin)等9种以上，主要以辣椒碱、二氢辣椒碱为主，两者约占辣椒总碱的93%以上。辣椒碱和二氢辣椒碱纯品(分子式：C18H27NO3、C18H29NO3)均为白色晶体，易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有机溶剂，不溶于冷水；其分子结构均含有酸性酚羟基(见图1)，能溶于强碱性溶液，且酰胺键会发生少量水解。

图1 辣椒碱(a)、二氢辣椒碱(b)分子结构式Fig.1 The molecular formula of capsaicin (a) and dihydrocapsaicin (b)

2 辣椒生物碱的提取方法

辣椒碱的提取方法主要是利用其溶解性，传统的提取方法是在酸碱、有机溶剂浸提的基础上，结合微波、超声波或超临界CO2辅助提取，以及采用酶解辅助有机溶剂提取法来提高提取率或纯度，但浸提时间长、工艺复杂、设备要求严、能耗高和提取率低等[8]。近年来，一些新技术被应用于辣椒碱的提取纯化中，如双水相法、水油混法相、三相盐析法、离子液体法、压力液体法等方法。

2.1 酸碱溶液提取法

辣椒碱分子中含有酚羟基，水解呈弱酸性，传统方法常采用氢氧化钠(NaOH)等酸碱溶液浸提，再辅以乙醇、正己烷、乙醇-乙酸乙酯等进行离子交换分离提纯辣椒碱，赵爱云等[9]利用氢氧化钠(NaOH)溶液从辣椒精中提取辣椒碱，最优工艺条件为料液比1∶9 (g/mL)的20% NaOH溶液，在80 ℃下浸泡2 h，最优得率仅为84%。张世文等[10]将干辣椒粉末用1% NaOH溶液浸提，再以2% H2SO4溶液中和酸化，用正己烷萃取，制得纯度82%以上的辣椒碱晶体，得率约0.9%。Rumsfield等[11]用1% NaOH溶液浸提辣椒碱粗品，用离子交换法分离提纯，经乙醇-乙酸乙酯洗脱、浓缩后，得到纯度98.5%以上的辣椒碱结晶体，得率为0.6%，可见酸碱法虽简易，但费时、得率不高。

2.2 有机溶剂提取法

辣椒碱易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有机溶剂，国内外常以乙醇、酸碱、丙酮等浸提，辅助超声波、微波或超临界CO2提取的方法来提取干辣椒中的辣椒碱，以提高提取率和产品纯度。陈淑娟等[12]采用微波辅助法从黄灯笼辣椒中提取辣椒碱，在70%乙醇、550 W微波、75 ℃下提取18 min，辣椒碱提取率达到3.89 mg/g。Yao 等[13]以乙醇为提取剂，利用超临界CO2萃取法从干辣椒中提取80%的辣椒碱。张郁松[14]对比了有机溶剂、碱性乙醇、超声波、酶解及超临界流体法5种提取辣椒碱的方法，发现碱性乙醇法相对较佳，最优得率为86.9%。相较于传统酸碱法，有机溶剂法提取时间短、得率高且操作方便，但也存在设备投资成本高、有机溶剂消耗大、不适合工业化生产等缺点。

2.3 酶解提取法

生物酶能破坏辣椒的细胞壁结构，增加细胞膜的通透性，有利于胞内物质溶出，所以也常用来提取辣椒碱性物质，赵宁等[15]采用pH 5.4的酶解液(加酶量7.5 mg/g干辣椒)，恒温45 ℃酶解3 h，辣椒碱提取量比丙酮浸提法提高了30%。Narasimha等[16]采用辣椒素酶催化香草素胺盐酸盐和壬烯酸原料，生物合成了辣椒碱，成效不高。Salgado-Roman等[17]用酶法从辣椒粉中提取辣椒碱，试验首先采用酶法辅助正己烷提取出类胡萝卜素，其次采用酶法辅助乙醇提取辣椒碱类化合物，酶解45 min后细胞壁结构消失，类胡萝卜素和辣椒碱类化合物提取率分别达96%、85%。相对来说，酶法提取辣椒碱比有机溶剂辅助超声波、微波等技术成本低、能耗少、快捷高效，但存在酶对温度、pH的要求较高，目前适合于实验室研究，不利于工业大规模化生产，可作为未来工业上提取辣椒碱的一个新方向进行深入研究。

2.4 双水相提取法

双水相体系(aqueous two phase system，ATPS)提取法是利用两种高聚物之间或高聚物与无机盐之间在水中以适当的浓度溶解而形成的互不相溶的两水相体系萃取技术(aqueous two phase extraction，ATPE)，如聚二乙醇(PEG)/葡聚糖(DEX)、PEG/无机盐、小分子有机溶剂/无机盐。由于双水相体系萃取条件温和、界面张力低、自然分相时间短、分配系数可控，可连续化、集成化生产，近年来国内外逐渐兴起采用双水相体系来提取辣椒碱。Zhao Peipei等[18]使用含有盐和亲水性醇的ATPE体系，分别结合D101大孔树脂和廉价的SKP-10-4300反相树脂两种色谱法提取纯化辣椒碱，回收率分别为93%和80%，工业化日产量可达1.86，4.2 g/L(辣椒素/树脂)。夏昊云等[19]以β-环糊精、硫酸钠构成双水相萃取体系，在0.5 g β-环糊精、0.1 g无水硫酸钠、料液比1∶10(g/mL)、45 ℃温度下萃取30 min，辣椒碱萃取率可达86%。Fan Yong等[20]使用由环氧乙烷-环氧丙烷(EOPO)共聚物、盐及乙醇组成的双相水溶液(ATPS)从辣椒油树脂中提取得率为95.5%的辣椒碱，经进一步纯化后，辣椒碱的回收率和纯度达88.0%、85.1%。范勇等[21]采用L44/Na2CO3双水相体系提取辣椒碱，结果显示：双水相为10 g 20%∶20%∶1%的L44/Na2CO3/乙醇体系，辣椒碱提取得率达95.6%。

2.5 水油混相提取法

国内有企业改进双水相体系溶液成本高的缺点，采用水和食用植物油组成的乳化体系[22]，以干辣椒为原料，采用高压水油混相浸提技术预处理物料，最佳预处理工艺条件为辣椒粗粉水油乳化液加湿量20%、温度150 ℃、转速300 r/min，促进干辣椒中有效成分溶出；再辅以乙醇-微波法，料液比1∶20(g/mL)、微波功率600 W、浸提2.0 h下提取辣椒碱，辣椒碱单次萃取率达到79.6%，3次理论得率接近99.14%。该方法操作中先采用高压水油混相浸提技术预处理干辣椒物料，在高压转子泵连续工作下，产生了较高真空(-0.02～-0.08 MPa)和排放压力(0.2 MPa)形成的抽提压差下的高剪力、高压力和高温度，使干辣椒物料细胞破壁破碎，经历反复破碎、分解、解聚、混合、精细均质、乳化过程，加速了物料成分在水油混相液中的溶解度和溶解速度，物料使用率达到100%，相较于传统辣椒碱提取工艺浸提时间长、工艺复杂、设备要求严、能耗高和提取率低等的缺点，该法成本更低、节能、环保、省时、高效，在工业化生产上取得了较好的试验效果。

2.6 多相盐析萃取法

盐析萃取是一种新兴的绿色萃取技术[23-24]，特别是多相盐析萃取技术，被广泛应用到天然产物有效成分的提取中，如丙酮/K2HPO4/N-己烷三液相体系(three-liquid-phase system，TLPS)。如Dang Y Y等[25]采用丙酮/K2HPO4/N-己烷的TLPS分离辣椒红素和辣椒碱，两者产率分别为常规溶剂提取的105%和88%。范三红等[26]采用石油醚-乙腈-K2HPO4组成TLPS分离辣椒碱，最优条件下辣椒碱提取量为1.412 mg/g干辣椒。可见多相盐析技术应用于辣椒碱萃取，条件温和简便、成效显著。

2.7 其他提取法

资料显示，以不同的离子液体、离子液体与表面活性剂或无机盐组成萃取体系来提取辣椒碱效果显著。Lau B B Y等[27]用1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([EMIM]HSO4, C6H12N2O4S)离子液体提取辣椒碱，提取条件为温度50 ℃、时间1 h、固液比1∶5(g/g)，提取得率优于使用碱性乙醇或有机溶剂提取法。Bajer等[28]应用压力流体法提取辣椒碱，采用高压热水二次法(20 MPa、200 ℃、第1次10 min和第2次20 min)提取辣椒碱类化合物，与传统提取法相比，辣椒碱和二氢辣椒碱分别为 119%、103%。此外，还有豆甲立等的离子液体双水相法[29]和余永昊等的固相萃取法[30]，均取得了较好的提取成效。

综上可见，传统的酸碱法、有机溶剂法虽然操作简单，但产品杂质多、纯化难、成本高、易造成污染；超声波、微波、酶解等辅助技术更适合于实验室研究；超临界CO2萃取法虽然萃取得率高，但一次性仪器设备投资较大，不适合工业化生产。双水相萃取法、多相盐析技术萃取法、离子液体法等新技术的应用，一定程度上提高了天然辣椒碱的得率，减少了产物杂质，便于食品工业上安全使用，有较好的应用前景，但实际应用中也要考虑工艺、成本、分离提纯工序等问题，特别是以上提取研究体系总体偏向于实验室体系，而并非产业链端试车环境，在后续的放大试验过程中中试乃至正式投产均存在工艺放大以及物料成本核算等问题有待进一步精进和解决。因此，在辣椒精深产品工业生产中，要综合考虑设备投资少、操作工艺简单、提取试剂易处理、提取得率高等因素，选择适宜的提取工艺，促进辣椒产业快速发展。

3 辣椒碱在食品中的应用研究

3.1 调味功能

辣味是辣椒重要的评价指标，其辣味物质主要由辣椒碱、二氢辣椒碱、降二氢辣椒素等辣椒碱性同类物质产生。人们感觉到的辣味主要是由辣椒碱类物质刺激神经引起的痛觉。食品中添加的辣味物质量适中，不仅有利于食品增辣，而且给食用者带来愉悦的感觉。食品加工中，以辣椒碱替代鲜或干辣椒添加到辣酱食品中，辣椒碱在低盐浓度(≤15%)下较稳定，而高盐浓度(≥35%)对其破坏作用较大，且随着盐浓度的不断升高，辣碱度下降趋势越显著。酸碱性条件下，弱酸至中酸性(pH值4.0～7.2)范围内食品中辣椒碱辣度相对稳定；强酸(pH值3.5～2.0)和强碱(pH值9.0～11.0)下辣椒碱辣度显著降低，原因在于辣椒碱易结晶析出，不利于食品增辣。食品加热温度上，随着温度的上升(≥200 ℃)，食品中辣椒碱含量显著降低，表明高温破坏了辣椒碱的结构，使得食品辣度明显降低。因此，食品加工中添加辣椒碱作为辣味源时，应尽量低盐、中酸性和低温加工，食品辣味较为明显。

依据Scoville指数对辣椒及其制品辣度分级标准，食品加工中，在同等条件下，干辣椒(辣度6818，达6级)添加量为10%～15%，辣椒碱仅为0.01%～0.50%，可达到同等辣度。如湖南坛坛香剁椒，辣度值为2107，达到辣味4级，干辣椒添加量为13.0%或辣椒碱添加量为0.32%，有助于辣酱产品的辣度控制和辣椒碱的消化吸收。因此，在我国辣椒传统加工产品如辣椒粉、剁辣椒、辣椒油、辣椒酱中，通过添加辣椒碱的方式增辣，不仅可以实现传统干辣椒同等的辣度需求，有益于维持人体正常生理功能和增强人体抵抗力，而且用量更少、成本更低，相对于同等食品辣味添加剂(辣椒精、辣椒红)更加安全健康[31-32]。

3.2 抑菌作用

研究显示，辣椒碱对食品生产具有抑菌作用。魏玉西等[33]以纯度96%的辣椒碱晶体，采用平板空穴扩散法考察了辣椒碱的抑菌效果，结果显示：辣椒碱对广谱细菌有较强抑制活性，但对霉菌较弱；浓度低于0.0125 mg/mL的，辣椒碱的抑菌活性效果不明显。吴影等[34]通过滤纸片扩散法考察了辣椒碱对酵母菌、细菌、霉菌等7种菌株的抑菌效果，结果表明，辣椒碱的抑菌能力依次为金黄色葡萄球菌>枯草芽孢杆菌>大肠杆菌>啤酒酵母>葡萄酒酵母>黑曲霉>青霉，且抑菌活性能在较宽的温度和pH变化范围内发挥显著作用。袁杨斌等[35]研究了体外条件下辣椒碱对鸭源性大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果和抗氧化能力，结果显示辣椒碱对它们的抑菌效果明显。

3.3 清除自由基抗氧化作用

食品安全问题已成为世界性问题，食品中人工化学合成抗氧化剂(BHA、BHT、PG、TBHQ等)对人体积累可能产生的健康问题日益受到人们的关注，寻求天然植物抗氧化剂显得尤为重要。研究显示，天然辣椒碱类提取物具有与BHT相当的抗氧化效果。王梦等[36]在考察了辣椒碱、二氢辣椒碱和降二氢辣椒碱3种单体对羟基自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(O2-·)的清除率和抗氧化效果后，发现3种单体均表现出较好的·OH、O2-·自由基清除能力，且辣椒碱单体的抗氧化能力最强。Si等[37]制备了载有辣椒素(碱)的中孔二氧化硅纳米颗粒并开展了其在肉类防腐中的抗氧化性研究，结果表明辣椒素在抑制食品中大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病菌方面具有效果，可见辣椒碱具有VC、VE相当的自由基清除和抗氧化能力。在食品工业中，以辣椒碱为主要原料，开发天然、低毒、高效、安全的“绿色”抗氧化剂，有望替代人工合成抗氧化剂，成为食品抗氧化剂发展的新趋向，对解决食品在贮藏加工中氧化变质问题具有重要意义。

3.4 对酶的抑制作用

研究显示，鲜辣椒果实乙醇提取物辣椒碱对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶表现出最高的抑制作用及抗氧化活性[38]，且对α-葡萄糖苷酶的抑制作用最强，IC50(半抑制浓度)为225 μg/mL。电镜扫描显示，辣椒碱通过疏水作用、氢键和电荷与氨基酸残基结合在α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶上。高浓度的辣椒碱协同酚类化合物和黄酮等其他化合物使鲜辣椒表现出较显著的酶抑制活性和抗氧化性能。因此，鲜辣椒是天然抗氧化剂和α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶抑制剂的潜在来源，可应用于食品加工中。

3.5 对虫害的防治作用

辣椒碱的辛辣风味对食品储藏过程中虫害的防治也有一定的功效，陈谦等[39]通过对辣椒碱防治储粮虫害效果的研究，发现8.0 mg/mL辣椒碱对赤拟谷盗、谷蠹有较好的驱避效果；2种害虫对0.1%浓度辣椒碱处理过的糙米有拒食现象，粮食损失量分别为对照组的43.17%、41.59%。欧阳建勋等[40]以2%辣椒碱-乙醇溶液添加到糙米中，辣椒碱浓度达4，2 g/kg糙米时，玉米象、赤拟谷盗分别出现明显的拒食现象；30 d内，玉米象和赤拟谷盗的糙米虫损率分别为对照组的26.4%、35.4%和24.8%、30.6%。在害虫增殖上，0.5 g/kg的辣椒碱添加剂量的糙米中玉米象、赤拟谷盗的增殖数量仅为对照组的9.23%、26.1%；当辣椒碱添加剂量浓度达2 g/kg时，玉米象的增殖存活数仅1头，赤拟谷盗的增殖存活数为0，可见辣椒碱的添加使糙米中虫害的增殖受到了明显抑制。

4 结论

文章详述了近年来天然辣椒碱提取的新技术和新方法，特别是具有工业化应用前景的新技术、新工艺，如双水相萃取技术、高压水油混相萃取技术及三相盐析萃取技术等，分析了各种提取方法的利弊，便于科研人员、企业选择；同时，对辣椒碱在食品工业上的调味、抑菌、抗氧化、抑制酶作用及粮食虫害防治等功能性应用进行了概述，为未来辣椒碱工业化提取纯化、食品加工中辣椒碱的综合开发利用提供了相关的理论依据及技术支持。

我国是辣椒生产加工、出口的大国，辣椒产业发展潜力巨大，辣椒碱在食品工业上具有很高的科研和开发价值，但其研发深度和精度相对不够，尤其是辣椒碱功能性精深加工业的规模和技术、天然辣椒碱功能性食品的开发都有待进一步提升，并积极引导研究成果向产业化发展也是辣椒碱未来研究的重要方向。