响应面试验优化冷榨法提取辣椒籽油工艺研究

杨永兴 连雅丽 许铭强 阿依佳?朱马义 邓伊洋 杨海燕 马燕

摘要：为优化冷榨法提取辣椒籽油工艺，以四平头辣椒籽为原料，采用冷榨法提取辣椒籽油，优化冷榨法提取工艺参数。在单因素试验的基础上，采用响应面试验研究辣椒籽水分含量、转速、出粕口温度和出粕口孔径对辣椒籽油提取率的影响；并对比了冷榨法、溶剂法及超声辅溶剂法3种方式所得辣椒籽油的理化指标及营养成分。结果表明，冷榨法提取辣椒籽油的最佳工艺条件为辣椒籽水分含量5.26%、转速23 r/min、出粕口温度120 ℃、出粕口孔径8 mm，此时辣椒籽油提取率为43.96%。3种辣椒籽油中含有26种脂肪酸，主要为亚油酸、棕榈酸和油酸，质量分数分别为69.54%～69.85%、11.42%～11.64%和4.09%～7.15%。冷榨法所得辣椒籽油的酸值（1.36 mg KOH/g）最低，亚油酸、总辣椒碱和维生素E含量最高，分别为69.85%、0.08 mg/g和12.25 mg/100 g，油脂综合品质最好，是一种较为理想的辣椒籽油提油方式。

关键词：辣椒籽油；冷榨法；油脂提取；活性成分

中图分类号：TS224.3      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）04-0148-08

Agricultural Sciences， Urumqi 830091， China; 2.College of Food Science and

Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： To optimize the extraction process of chili seed oil by cold pressing method， the chili seed oil is extracted by cold pressing method using Sipingtou chili seeds as the raw materials， and the extraction process parameters of cold pressing method are optimized. The effects of moisture content of chili seeds， rotational speed， meal outlet temperature and meal outlet aperture on the extraction rate of chili seed oil are investigated by response surface test based on single factor test， and the physicochemical indexes and nutrients of chili seed oil obtained by cold pressing method， solvent method and ultrasonic co-solvent method are compared. The results show that the optimum process conditions for the extraction of chili seed oil by cold pressing method are moisture content of chili seeds of 5.26%， rotational speed of 23 r/min， meal outlet temperature of 120 ℃， meal outlet aperture of 8 mm， at this time， the extraction rate of chili seed oil is 43.96%. There are 26 fatty acids in the three chili seed oils， mainly  are linoleic acid， palmitic acid and oleic acid， with mass fractions of 69.54%～69.85%， 11.42%～11.64% and 4.09%～7.15% respectively. The acid value （1.36 mg KOH/g） of chili seed oil obtained by cold pressing method is the lowest， the content of linoleic acid， total capsaicin and vitamin E is the highest of 69.85%， 0.08 mg/g and 12.25 mg/100 g respectively， and the comprehensive quality of oil is the best， which is an ideal method to extract chili seed oil.

Key words： chili seed oil; cold pressing method; oil extraction; active components

辣椒（Capsicum annuum L.）是茄科辣椒屬一年生草本植物，在世界范围内广泛被种植[1]。据统计，2020年，中国辣椒种植面积为81.4万公顷，占全球辣椒种植面积的40.72%，辣椒产量为1 960万吨，占全球辣椒产量的49.90%[2]。新疆辣椒种植面积为9.36万公顷，产量为395.44万吨。目前新疆辣椒加工产品主要包括辣椒干、辣椒酱、辣椒粉、辣椒油、发酵辣椒、辣椒红色素和辣椒碱等[3]。但作为加工副产物的辣椒籽大多被丢弃或作为饲料贱卖[4]，既污染环境又造成了资源浪费。辣椒籽油是辣椒籽中重要的活性成分，含有不饱和脂肪酸、辣椒碱、生育酚和植物甾醇等有益于人体健康的物质[5]，具有较高的营养价值和开发利用价值[6]。

传统的辣椒籽油提取方式主要有有机溶剂浸出法和压榨法，新型的提取方式有超临界CO2萃取法、超声波辅助提取法和酶辅助提取法等[7]。虽然有机溶剂浸出法是籽油最有效的提取方法[8]，但后处理过程较复杂，且易有溶剂残留于籽油中[9]；压榨法在长时间的工作中，物料碱的摩擦、机械产热和压力等产热严重，使得籽油中活性成分损失；超临界CO2萃取法由于成本较高，不符合企业加工现状[10]；酶辅助提取法对提取环境要求严苛，酶的价格昂贵、寿命短且反应条件难控制[11]。因此，急需寻求一种安全、绿色、高效、适合产业化生产的辣椒籽油提取技术。

本研究针对以上问题，拟通过响应面法优化冷榨法提取辣椒籽油工艺参数，得到一种绿色环保、成本较低、操作简单、油脂得率高、品质佳的提油工艺。不仅可为辣椒籽油的进一步工业化应用生产提供技术支持，而且可提高辣椒籽的利用价值，有效地避免资源的浪费，为推进辣椒加工产业的可持续发展提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

辣椒籽：新疆西尔丹食品有限公司；石油醚（30～60 ℃）、三氯甲烷、冰乙酸、异丙醇、氢氧化钠、硼酸、95%乙醇、环己烷、三氯乙酸等均为分析纯；韦氏试剂 S26001：上海源叶生物科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

DHS-16卤素水分测定仪 上海菁海仪器有限公司；DD85G Komet榨油机 德国IBG Monforts 公司；RF-02B旋转蒸发仪 上海况胜实业发展有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；FW-100高速万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司；KQ-250DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；UV-1200紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；Agilent GC6890气相色谱仪、Agilent 1260 Infinity Ⅱ高效液相色谱仪 安捷伦科技（中国）有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 辣椒籽基本指标的测定

1.2.1.1 水分含量测定

使用卤素水分测定仪对辣椒籽粉末进行水分含量的测定，精确称取2.50 g样品均匀平铺在铝盘上，设置加热温度为105 ℃，将铝盘放入仪器加热至自动停止，即默认为样品中水分被完全去除。记录仪器屏幕上所显示的数值即可。

1.2.1.2 粗脂肪含量的测定

参照国标GB 5009.6－2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》的方法进行测定。

1.2.1.3 蛋白质含量的测定

参照国标GB 5009.5－2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》的方法进行测定。

1.2.2 辣椒籽油的制备

1.2.2.1 冷榨法

将辣椒籽调整至适宜的水分含量，在一定转速、出粕口温度和出粕口孔径下采用冷榨机榨取辣椒籽毛油，经真空泵抽滤后去除毛油中的杂质，得到辣椒籽油样品。将其置于4 ℃冰箱中，以备后期检测。

1.2.2.2 溶剂法

参照迟明梅等[12]和徐丹丹等[13]的方法并稍作修改，以石油醚（30～60 ℃）为提取溶剂，在提取时间为3 h、温度为60 ℃、固液比为1∶20（g/mL）的条件下提取，得到辣椒籽油。经真空泵抽滤后将其置于4 ℃冰箱中，以备后期检测。

1.2.2.3 超声波辅助溶剂法

参照罗仓学等[14]的方法并稍作修改，以石油醚（30～60 ℃）为提取溶剂，按料液比1∶9加入石油醚，置于超声波清洗机中。在功率175 W、超声温度60 ℃、超声时间40 min的条件下得到辣椒籽油。经真空泵抽滤后将其置于4 ℃冰箱中，以备后期检测。

1.2.3 辣椒籽油提取率的计算[15-16]

提取率（%）=清油质量（g）/（原料质量（g）×原料中脂肪含量（%））×100%。

1.2.4 单因素试验设计

影响冷榨法提取辣椒籽油的因素主要有辣椒籽水分含量、出粕口温度（冷榨设备的榨膛被分为出油段和出粕段两部分，出油段的温度始终保持在60 ℃以下，此时研究粕段温度的变化）、转速、出粕口孔径。

分别设定辣椒籽水分含量为4%、5%、6%、7%、8%，出粕口温度为80，100，120，140，160 ℃，转速为20，70，120，170，220 r/min，出粕口孔径为6，8，10，12，15 mm，以辣椒籽油的提取率为评价指标，确定辣椒籽油单因素的提取条件。

1.2.5 响应面试验设计

以单因素试验结果为基础，依据Box-Behnken设计原理，将辣椒籽油提取率作为响应值设计响应面优化试验，对辣椒籽油冷榨法的提取工艺进行优化。响应面分析因素和水平表见表1。

1.2.6 指标检测的方法

1.2.6.1 酸值的测定

參考陈双莉等[17]的方法并略作修改，精确称取试样3～5 g置于锥形瓶中，加入乙醚-异丙醇混合试剂25 mL，晃动锥形瓶使试样溶解，再加3滴百里香酚酞指示剂，用0.1 mol/L的NaOH标准溶液缓慢滴定至出现蓝色，30 s不消失，记录消耗的碱液体积。每种样品平行测定3份。在相同条件下，不加试样做空白试验。

按下式计算酸值：

酸值=（C×V×40）/m。

式中：C为NaOH标准溶液的浓度，mol/L；V为滴定试样所消耗NaOH标准溶液的体积，mL；40为NaOH的相对分子质量；m为试样的质量，g。

1.2.6.2 过氧化值的测定

按照国标GB 5009.227－2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》的方法进行测定。

1.2.6.3 碘值的测定

参考陈双莉等[17]的方法。

1.2.6.4 丙二醛的测定

按照国标GB 5009.181—2016《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》的方法进行测定。建立标准曲线Y=0.373 6X＋0.005 2（R2=0.999 5），计算待测样品丙二醛的含量。

1.2.6.5 茴香胺值的测定

按照国标GB/T 24304—2009/ISO 6885：2006《动植物油脂 茴香胺值的测定》的方法进行测定。

1.2.6.6 脂肪酸含量的测定

按照国标GB 5009.168－2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》的方法并稍作修改，对不同提取方式辣椒籽油进行脂肪酸分析。

色谱柱条件：HP-5MS Ultra Inert（30 m×250 μm×0.25 μm）；柱温箱条件：初始温度150 ℃，保持5 min，以2 ℃/min升到220 ℃；保持2 min，再以10 ℃/min升至250 ℃，保持15 min；进样口温度260 ℃，分流进样，分流30∶1，传输线温度240 ℃；质量范围30～600 amu；离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，溶剂延迟3 min。

1.2.6.7 总辣椒碱含量的测定

按照国标GB/T 30389－2013《辣椒及其油树脂 总辣椒碱含量的测定 分光光度法》的方法进行测定。

1.2.6.8 维生素E含量的测定

按照国标GB 5009.82－2016《食品安全国家标准 食品中维生素A、D、E的测定》第一法进行测定。

1.3 数据处理

采用Excel 2016建立数据库，通过Design Expert 8.0分析不同自变量之间的相互作用、相互影响、模型的充分性和回归系数的统计显著性。使用Origin 2019b分析和处理试验数据并将其绘制成图。运用SPSS 20.0对试验数据进行显著性差异分析。所有数据均进行3次重复试验。

2 结果与分析

2.1 辣椒籽的主要成分

对辣椒籽的主要组成成分进行测定，测定结果见表2。

由表2可知，辣椒籽含水量为（4.16±0.23）%；蛋白质含量为（23.48±0.67）%，其蛋白质含量高于葡萄籽（12.30%）和葵花籽（17.90%），与棉籽（23%）相近，但低于南瓜籽（30%～40%）；辣椒籽粗脂肪含量为（28.5±0.87）%，略高于Cvetkovic＇等[18]对克罗地亚地区辣椒籽粗脂肪含量（27.2%）的测定结果，可见辣椒籽可作为较好的蛋白质和籽油的加工资源。马燕等[3]发现新疆四平头辣椒籽中总辣椒碱含量为0.24 mg/g，低于本文的检测结果。

2.2 单因素试验结果及分析

2.2.1 水分含量对辣椒籽油提取率的影响

在出粕口温度为120 ℃、转速为70 r/min、出粕口孔径为8 mm的条件下，研究辣椒籽含水量（4%、5%、6%、7%、8%）对辣椒籽油提取率的影响。

由图1可知，随着辣椒籽水分含量的增加，辣椒籽油提取率呈先缓慢上升后下降的趋势，当辣椒籽水分含量为5%时，辣椒籽油提取率达最高43.54%；当水分含量高于5%时，辣椒籽油提取率呈逐渐下降的趋势。这说明不同水分含量会影响油料的弹性、可塑性、机械强度、导热性、组织结构等物理性质，当水分含量过高时，原料的可塑性和弹性不佳，在压制过程中难以形成饼粕，造成油路被堵塞，油脂难以流出，致使提取率下降[19-20]。当物料的水分含量较低且压榨温度过低时，内外表面的出油孔道因油料的聚结而被堵塞，油料很难从中流出[21]，导致提取率下降。因此，选择水分含量5%为宜。

2.2.2 出粕口温度对辣椒籽油提取率的影响

在辣椒籽水分含量为5%、出口孔径为8 mm、转速为70 r/min的条件下，研究出粕口温度（80，100，120，140，160 ℃）對辣椒籽油提取率的影响。

由图2可知，随着出粕口温度的升高，辣椒籽油的提取率呈先上升后趋于平缓的趋势，当出粕口温度低于120 ℃时，饼粕容易堵塞出粕口，致使籽油提取率较低。当出粕口温度为120 ℃时，辣椒籽油提取率达到最高值37.25%。这主要是因为随着出粕口温度的上升，饼粕温度升高，饼粕软化，容易被挤出[22]，不易堵孔，籽油的黏度下降，有利于压榨出油，并提高辣椒籽油的提取率[23]。随着温度继续升高，提取率增加不显著（P>0.05），为节约能耗，确定最适出粕口温度为120 ℃。

2.2.3 转速对辣椒籽油提取率的影响

在辣椒籽水分含量为5%、出口孔径为8 mm、出粕口温度为120 ℃的条件下，研究转速（20，70，120，170，220 r/min）对辣椒籽油提取率的影响。

由图3可知，辣椒籽油提取率随着转速的升高呈逐渐下降的趋势，当转速为20 r/min时，辣椒籽油提取率达42.4%。结果表明，提高转速可以提高压榨效率，缩短压榨时间，降低工作能耗，但同时降低了提取率。在压缩段（出油段、出粕段），高压使得油脂流出，饼粕形成[24]，但较高的转速造成压榨不完全，油脂不能充分流出，油脂提取率下降。综上所述，选择转速为70 r/min。

2.2.4 出粕口孔径对辣椒籽油提取率的影响

在转速为70 r/min、辣椒籽水分含量为5%、出粕口温度为120 ℃的条件下，研究出粕口孔径（6，8，10，12，15 mm）对辣椒籽油提取率的影响。

由图4可知，辣椒籽油提取率随着出粕口孔径的增加逐渐降低，当出粕口孔径为6 mm时，其提取率达最高（50.84%）。随着孔径的不断增大，辣椒籽油料的压力剧减，油脂压榨不完全[22]，油脂的提取率从50.84%降低到47.77%。由于出粕口孔径为6 mm过小，饼粕出膛困难，导致出粕口易堵塞。同时会对饼粕产生较大挤压压力，使饼粕因高温发生严重变性。综合考虑，选择出粕口孔径为8 mm。

2.3 响应面试验结果及分析

2.3.1 数学模型的建立和显著性分析

将辣椒籽水分含量（A）、转速（B）、出粕口孔径（C）3个因素作为自变量，以辣椒籽油提取率为响应值，进行三因素三水平共17组响应面优化试验，对辣椒籽油提取工艺进行优化。响应面试验设计及结果见表3。

运用Design Expert 8.0.6软件对试验数据进行分析和处理，建立响应面回归模型，见表4。

Y（辣椒籽油提取率）=46.15-4.87A-2.79B-4.30C-0.43AB+0.99AC+0.19BC-6.12A2-2.22B2-5.11C2。

对上述方程做显著性检验，分析结果显示模型的P<0.01，表明多元线性回归模型差异极显著，同时失拟项的P值为0.192 9，不显著（P>0.05），说明数据无异常点[25]。回归系数R2为0.996 2，RPred2为0.958 4，表明预测值与试验值具有良好的拟合性，校正后的复相关系数RAdj2为0.991 4，测试值与校正值较接近，表明该模型的拟合程度良好[26]，可用于优化辣椒籽油的提取工艺。对提取率影响因素次序为辣椒籽水分含量>出粕口孔径>转速，一次项A、B、C的影响达到极显著水平（P<0.01）；AC达到显著水平（P<0.05）；A2、B2、C2达到极显著水平（P<0.01）。

2.3.2 因素间的交互作用及响应曲面优化分析

针对试验模型的响应曲面及等高线进行分析，对比模型预估值与实际值之间的差距，并对模型进行验证试验，从而得到冷榨法提取辣椒籽油的最佳工艺。模型的响应曲面图及等高线图见图5。

各因素对提取率的影响程度与响应曲面的陡峭程度密切相关，响应曲面越陡峭其影响越大，反之亦然[27]；当所有变量组合的等高线图呈现椭圆形和双曲形时，则表明被检验自变量之间的交互作用显著[28]。由图5可知，三維响应面图中曲面的弯曲程度较大，曲线较陡，三维图底部的等高线呈椭圆形[29]，说明水分含量与出粕口孔径的交互作用对辣椒籽油提取率的影响最显著，转速与出粕口孔径的交互作用次之，水分含量与转速之间的交互作用较弱。

2.3.3 最佳提取工艺的确定及模型的验证

综合以上分析得出冷榨法提取辣椒籽油的条件为水分含量5.49%、转速22.50 r/min、出粕口孔径8 mm，得出辣椒籽油提取率的预测值为43.09%。考虑生产实际，将工艺条件稍作调整为水分含量5.50%、转速23 r/min、出粕口孔径8 mm，通过3次验证试验，得出辣椒籽油的平均提油率为43.96%，实际测定值与预测值相接近，证明该提取工艺可靠。

2.4 不同提取方式对辣椒籽油品质的影响

2.4.1 不同提取方式对辣椒籽油理化指标的影响

采用溶剂法、超声辅助溶剂法和冷榨法提取辣椒籽油，对不同提取方式所得辣椒籽油的理化指标进行比较，见表5。

由表5可知，3种提取方式所得辣椒籽油的酸值在1.36～1.95 mg KOH/g之间，其中溶剂法>超声辅助溶剂法>冷榨法，三者之间差异显著（P<0.05），这可能是由于溶剂法在提取过程中油脂长时间暴露于环境中，使油脂中游离脂肪酸增加；冷榨法和溶剂法所得辣椒籽油的过氧化值差异显著（P<0.05），其检测结果为冷榨法（3.58 mmol/kg）>超声辅助溶剂法（3.27 mmol/kg）>溶剂法（2.94 mmol/kg），这是因为冷榨法在榨取辣椒籽油过程中，辣椒籽物料间相互挤压摩擦并产热，此过程加速了油脂氧化，所以比其他两种方式的过氧化值较高；碘值作为衡量组成油脂脂肪酸不饱和程度的一个主要指标，若碘值越高，说明双键数目越多，油脂越容易氧化变质[30]。冷榨法碘值最高，为135.03 g/100 g，说明冷榨法辣椒籽油容易被氧化，其较高的过氧化值也验证了这一点；3种油样均符合《食用植物油卫生标准》（食用植物油酸值≤3 mg KOH/g，食用植物油过氧化值≤0.25 g/100 g，即≤9.85 mmol/kg）。

2.4.2 不同提取方式对辣椒籽油脂肪酸含量的影响

采用溶剂法、超声辅助溶剂法和冷榨法提取辣椒籽油，对不同提取方式所得辣椒籽油的脂肪酸进行比较，见表6。

辣椒籽油中脂肪酸种类及含量十分丰富，由表6可知，从3种辣椒籽油中共检测出26种脂肪酸，主要包括亚油酸、棕榈酸和油酸，质量分数分别为69.54%～69.85%、11.42%～11.64%和4.09%～7.15%，同时含有少量的花生一烯酸、棕榈油酸、木焦油酸和山嵛酸，与前人的研究结果一致[31-33]。由溶剂法、超声辅助溶剂法和冷榨法3种不同提取方式提取的辣椒籽油的脂肪酸组成差异不大，其中个别成分的含量存在差异[32]。

3种不同提取方式所得辣椒籽油的主要脂肪酸含量略有差异。超声辅助溶剂法提取的辣椒籽油中不饱和脂肪酸相对含量最高，达到77.91%，其次为溶剂法（75.46%）和冷榨法（74.71%）。多不饱和脂肪酸相对含量依次为溶剂法（70.17%）>超声辅助溶剂法（70.15%）>冷榨法（70.03%）。其中，亚油酸相对含量依次为冷榨法（69.85%）>超声辅助溶剂法（69.75%）>溶剂法（69.54%）。亚油酸可改变血浆脂蛋白磷脂的分子组成并影响胆固醇脂蛋白在肝脏内的吸收，因此具备降低胆固醇的功效[34]。冷榨法所得辣椒籽油的亚油酸含量较高，使其具有较高的营养价值。

2.4.3 不同提取方式对辣椒籽油中总辣椒碱和维生素E含量的影响

由表7可知，冷榨法和超声辅助溶剂法的辣椒籽油中总辣椒碱含量（0.08±0.01 mg/g）显著高于溶剂法（P<0.05），3种油脂中总辣椒碱含量在0.06～0.08 mg/g之间，此含量高于Bae等[35]使用索氏提取法所得辣椒籽油中总辣椒碱的含量。辣椒碱对肥胖、心血管、胃肠道和各种癌症等疾病存在有益的作用[36]。维生素E具有较好的抗氧化、抗癌、增强机体免疫力等功能[37]。冷榨法的辣椒籽油中维生素E的含量最高，可达（12.25±0.21） mg/100 g，显著高于溶剂法（（9.75±0.04） mg/100 g）和超声辅溶剂法（（9.34±0.05） mg/100 g）所得辣椒籽油中维生素E的含量（P<0.05），也显著高于Cvetkovic＇等[18]采用冷榨法得到的两个不同品种辣椒籽油中维生素E含量（（11.90±0.22），（9.73±0.31） mg/100 g）。

3 结论

以辣椒籽油提取率为指标，采用冷榨法制备辣椒籽油，通过单因素试验和响应面优化试验，得到辣椒籽油的最佳工艺为水分含量5.26%、转速23 r/min、出粕口孔径8 mm，此工艺下辣椒籽油的提取率为43.96%。实际值与预测值相近，说明该工艺可靠，且冷榨法操作简便，可为企业大批量生产提供一定理论依据。

通过对不同提取方式的辣椒籽油理化指标进行测定分析，结果表明，不同提取方式所得辣椒籽油的酸值和过氧化值均符合《食用植物油卫生标准》；冷榨法的辣椒籽油碘值高达135.03 g/100 g，说明冷榨法的辣椒籽油容易被氧化；辣椒籽油中不饱和脂肪酸主要为亚油酸（69.54%～69.85%）、棕榈酸（11.42%～11.64%）和油酸（4.09%～7.15%）。3种提取方式所得辣椒籽油的脂肪酸成分相近，冷榨法所得辣椒籽油中亚油酸含量最高，为69.85%；冷榨法和超声辅助溶剂法所得辣椒籽油中总辣椒碱含量（（0.08±0.01） mg/g）差异不显著（P>0.05），但显著高于溶剂法（（0.06±0.01） mg/g）（P<0.05）。冷榨法所得辣椒籽油中维生素E的含量最高，达到（12.25±0.21） mg/100 g，显著高于溶剂法和超声辅助溶剂法所得辣椒籽油中维生素E的含量（P<0.05）。

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