天然辣椒生物碱的提取方法及其应用研究进展

阙小峰 ，余雁，方志成，徐良

1. 苏州农业职业技术学院（苏州 215008）；2. 苏州泰事达检测技术有限公司（苏州 215006）；3. 江苏省生鲜农产品保鲜工程技术研究开发中心（苏州 215008）

辣椒（Capsicum annuumL.）是茄科辣椒属一年生草本植物[1-2]，全球种植总面积约366.67万 hm2，集中在温带、热带、亚热带地区，年产量6 000余万 t，是世界第三大蔬菜作物，仅次于豆类、番茄。我国是全球辣椒种植面积第一大国，占比近40%，年产量达60%，年干辣椒出口占全球出口总量的26%。随着辣椒消费量逐年攀升，辣椒深加工产品的综合开发利用日益加大。在食品加工中，从辣椒中提取辣味碱类物质作为辣味添加剂，有利于食品辣度控制和辣椒碱消化吸收，发挥辣椒碱类物质保护胃黏膜、控制胃酸分泌[3-4]、抑菌防腐[5]、减肥保健[6]、抗氧化[7-8]、抑制酶、耐保藏等功效，在食品、化工、医药、军事等行业[9]具有广泛用途，因此，辣椒成为世界上发展前景优良的经济作物之一。

为促进辣椒产业的健康发展及辣椒深加工产品的普及应用，从国内外近几年辣椒中天然辣椒生物碱提取的新技术、新方法，以及辣椒生物碱在食品工业上的功能性应用角度出发进行归纳总结，为天然辣椒生物碱工业化提取纯化及综合开发应用提供理论依据及技术支持。

1 辣椒生物碱类物质

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（homo-capsaicin）等9种，主要以辣椒碱、二氢辣椒碱为主，两者占辣椒总碱的93%以上。辣椒中辣椒总碱含量因辣椒品种不同而略有差异，约占辣椒干重的0.3%~1.0%[10]。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；在其分子结构均含有酸性酚羟基（图1），能溶于碱性溶液，且酰胺键会发生少量水解。

图1 辣椒碱（a）、二氢辣椒碱（b）分子式

2 辣椒生物碱的提取方法

天然辣椒生物碱的提取，主要是利用其溶解性。传统的提取方法是在酸碱、有机溶剂浸提基础上，结合微波、超声波或超临界二氧化碳（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，但有浸提时间长、工艺复杂、设备要求严、能耗高和提取率低等缺点[11-12]。近年来，一些新技术被应用于辣椒生物碱的提取纯化中，如双水相体系法、水油混相浸提法和三相盐析、离子液体、压力液体提取等方法。

2.1 氢氧化钠浸提法

辣椒碱分子中含有酚羟基，水解呈弱酸性，常采用氢氧化钠（NaOH）溶液处理辣椒粉末，调节pH或辅以乙醇、正己烷等进行离心分离制备得到辣椒碱粗制品，如赵爱云等[13]和张世文等[14]分别利用料液比1∶9（g/mL）的20% NaOH溶液和1% NaOH溶液浸提辣椒精和干辣椒粉末，辣椒碱得率约为0.84%和0.9%。Rumsfield等[15]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-乙酸乙脂洗脱、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 有机溶剂法

利用辣椒生物碱易溶于有机溶剂的特性，国内外常以甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等浸提辣椒粉末，再辅以微波、超声波或超临界CO2技术来提取纯化辣椒碱，以提高得率和成品纯度。如赵亚平[16]以10%~15%的乙醇夹带剂进行超临界CO2萃取辣椒粉中的辣椒碱，萃取液再经浓缩、结晶等处理，制得纯度达96%的辣椒碱。Chuichulcherm等[17]以99.5%乙醇浸提辣椒粉，分别采用索氏提取、超声波辅助和微波辅助提取3种方法提取辣椒碱，提取率分别为0.524%，0.528%和0.401%，超声波辅助乙醇法提取效果最佳。此外，张郁松[18]对比了有机溶剂、碱性乙醇、超声波、酶解及超临界流体法这5种提取辣椒碱的方法，结果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 生物酶解法

辣椒生物碱存在于辣椒皮粉纤维组织中，纤维素酶、辣椒素酶等生物酶能破坏辣椒细胞壁，增加细胞膜通透性，有利于胞内物质溶出，所以也常用来提取辣椒生物碱类物质。刘玉[19]探究了纤维素酶提取干红辣椒中辣椒碱的酶解最佳条件，产量相对于传统溶剂提取法提高了30%，萃取速率快、效率高。Salgadoroman等[20]利用酶法辅助乙醇提取辣椒粉中的辣椒碱类化合物，酶解45 min样品后细胞壁结构消失，辣椒碱类化合物提取率达85%。赵宁等[21]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30%。Narasirnha等[22]采用辣椒素酶催化香草素胺盐酸盐和壬烯酸原料，生物合成辣椒碱，成效不高。可见，生物酶法提取辣椒碱，比酸碱、有机溶剂法成本低、能耗少，快捷高效，但存在酶对温度、pH的要求较高，适合于实验室研究，不利于工业大规模化生产，可作为工业上提取辣椒碱新的研究方向。

2.4 双水相提取法

双水相体系（aqueous two phase system，ATPS）是两种不相溶的聚合物溶液或聚合物溶液与盐相互混合达到一定临界浓度时，形成互不相溶的两相体系，以此形成双水相提取技术（aqueous two phase extraction，ATPE），常见的双水相体系为聚二乙醇（PEG）/葡聚糖（DEX）、PEG/无机盐、小分子有机溶剂/无机盐等。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。如Zhao等[23]使用含有盐和亲水性醇的ATPE体系，分别结合D101大孔树脂和SKP-10-4300反相树脂以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 g/L和4.2 g/L（辣椒碱/树脂）。Fan等[24]使用由环氧乙烷-环氧丙烷（EOPO）共聚物、盐及乙醇组成的双水相溶液（ATPS）从辣椒油树脂中提取得率95.5%辣椒碱，经进一步纯化后，辣椒碱回收率和纯度达88.0%和85.1%。夏昊云等[25]以β-环糊精、硫酸钠构成双水相萃取体系，在0.5 gβ-环糊精、0.1 g无水硫酸钠、料液比1∶10（g/mL）、45 ℃温度的条件下萃取30 min，辣椒碱萃取率可达86%。范勇等[26]采用20%∶20%∶1%的L44/Na2CO3/乙醇双水相体系提取辣椒碱，提取得率可达95.6%。可见，双水相提取有利于工业化上技术连续化、集成化生产，减少单元操作过程，但也存在设备一次性投资大、成本高、提取液残留等问题。

2.5 水油混相提取法

目前，国内有企业以水和食用植物油组成的乳化体系[27]改进双水相体系溶液成本高的缺点，采用高压水油混相浸提技术预处理干辣椒粉末，在水油乳化液加湿量20%、温度150 ℃、转速300 r/min预处理后，再以微波辅助乙醇法，以料液比1∶20（g/mL）、微波功率600 W、浸提2.5 h下提取辣椒碱，最佳提取率0.398%/干辣椒，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（-0.08~-0.02 MPa）和排放压力（0.2 MPa）形成的抽提压差，以高剪力、高压力和高温度使干辣椒细胞破壁[28]，经历反复破碎、分解、解聚、混合、精细均质、乳化过程，加速物料成分在水油混相液中的溶解速度，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缺点，该法成本更低，节能、环保、省时、高效，在工业化生产上已取得较好的试验效果。

2.6 多相盐析萃取法

多相盐析萃取是一种新兴的绿色萃取技术[29]，利用物质在有机溶剂与盐构成的互不相溶的多相中的溶解度不同而实现分离的方法，如丙酮/K2HPO4/N-己烷形成三液相盐析萃取体系（three liquid phase system，TLPS），被广泛应用于天然产物有效成分的提取中[30]。如Dang等[31]采用丙酮/K2HPO4/N-己烷的TLPS体系，分离提纯辣椒红素和辣椒碱，两者产率分别为常规溶剂法提取的105%和88%。范三红[32]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提取，条件温和简便、成效显著。

2.7 其他提取法

资料显示，以离子液体、压力流体及微切助互作技术来提取辣椒碱，均取得了较好的提取效果。如Lau等[33]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[34]应用压力流体法提取辣椒碱，采用高压热水2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%和103%。刘思昭[35]利用微切助互作技术提取辣椒碱，提取率比索氏回流提取法提高了18.11%。

综上可见，上述提取天然辣椒生物碱的方法各有利弊。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，易造成原料浪费和环境污染；超声波、微波、酶解等辅助技术有利于辣椒碱提取，但设备不利于工业化生产，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。双水相萃取技术、多相盐析技术萃取法、离子液体法等新技术，相对工艺简单、提取率高、操作方便、成本低、适合于工业生产应用，如果与传统的提取技术相结合，前景十分广阔，但实际应用中需考虑工艺、成本、分离提纯工序等问题，特别是上述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的中试乃至正式投产均存在工艺放大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 辣椒生物碱在食品中应用的研究

3.1 辣味增效

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，而且给食用者能带来愉悦的感觉。熊科等[36]对食品中辣椒及其制品辣度添加剂分级方法开展研究，研究表明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[37]，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。

3.2 抑菌作用

研究显示，辣椒生物碱对食品生产具有抑菌作用。如魏玉西等[38]以纯度96%的辣椒碱晶体，采用平板空穴扩散法考察辣椒碱的抑菌效果，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；质量浓度低于0.012 5 mg/mL，辣椒碱抑菌活性效果不明显。吴影等[39]通过滤纸片扩散法考察辣椒碱对酵母菌、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[40]研究体外条件下辣椒碱对鸭源性大肠杆菌、沙门菌和金黄色葡萄球菌抑菌效果和抗氧化能力，结果显示，辣椒碱对它们抑菌效果明显。

3.3 清除自由基、抗氧化作用

食品加工中，人工化学合成抗氧化剂（BHA、BHT、PG、TBHQ等）安全问题已成为人们日益关注的话题。研究显示，天然辣椒生物碱具有与BHT相当的抗氧化效果[41]，可替代并消除BHA等人体积累可能产生的健康问题，与其他抗氧化剂VC、VE协同使用，效果更佳。如王梦等[42]考察了辣椒碱、二氢辣椒碱和降二氢辣椒碱这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，结果发现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。李宇等[43]研究辣椒碱对高温处理的油茶籽油中O2-·自由基的清除能力和抗氧化性，结果显示，0.006 mmol/mL辣椒碱浓度对O2-·清除率达到80.75%，与VE相当（81.12%），高于BHT（77.15%）。Si等[44]制备载有辣椒素（碱）的中孔二氧化硅纳米颗粒并开展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等方面具有效果。可见，辣椒碱具有VC、VE相当的自由基清除和抗氧化的能力。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脂肪氧化变质问题具有重要意义。

3.4 对酶抑制作用

Shrivastava等[45]研究发现，鲜辣椒果实乙醇提取的辣椒生物碱对α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶表现出最高的抑制作用及抗氧化活性，且对α-葡萄糖苷酶的抑制作用最强，IC50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，应用于食品加工中。

3.5 对粮食虫害防治的作用

辣椒香草酰胺类生物碱成分的辛辣味对粮食虫害防治具有选择性强、作用机制复杂、害虫不易产生抗药性、环境友好、安全性高等突出优点，是开发绿色储粮杀虫剂的重要来源。如陈谦等[46]通过对辣椒碱防治储粮虫害效果研究，发现8.0 mg/mL辣椒碱对害虫赤拟谷盗、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%和41.59%。尉洪超等[47]的研究表明，含辣椒碱的聚乙烯防虫薄膜对赤拟谷盗在80 h触杀死亡率可达90%以上，2%辣椒碱对书虱（booklice）的防治效果优于化学驱虫剂。可见，辣椒碱在防治储粮害虫中具有较大的应用潜力。

4 结语

详述近年来天然辣椒生物碱提取的新技术、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和三相盐析萃取技术等，分析各种提取方法的利弊，便于科研人员、企业选择；同时，对辣椒生物碱在食品工业上的辣味增效、抑菌、抗氧化、抑制酶及虫害防治等功能性应用进行概述，为辣椒碱工业化提取纯化，辣椒深加工产品的开发利用提供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，其深加工产品辣椒生物碱在食品工业上具有很高的科研和开发价值。但目前，我国辣椒生物碱的研究与应用尚属处于起步阶段，研发深度和精度相对不够，尤其是辣椒生物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有待进一步提升。因此，加快加深辣椒生物碱功能性产品研究开发，积极引导研究成果向产业化发展将是辣椒生物碱未来重点研究的重要方向之一。