超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的工藝優(yōu)化

龐 敏 王遠(yuǎn)輝 劉 茜

(1. 上海杉達(dá)學(xué)院，上海 200120；2. 河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000)

超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的工藝優(yōu)化

龐 敏1王遠(yuǎn)輝2劉 茜1

(1. 上海杉達(dá)學(xué)院，上海 200120；2. 河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000)

以紅辣椒粉為原料，體積分?jǐn)?shù)90%乙醇為提取溶劑，采用超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交優(yōu)化試驗(yàn)確定較佳處理條件為：超聲功率50 W、微波功率240 W、料液比1∶20(g/mL)、處理時間480 s、辣椒粉目數(shù)80目，提取次數(shù)2次。通過上述工藝處理，辣椒總堿的提取率為84.52%，與傳統(tǒng)水浴浸提法相比，超聲—微波協(xié)同輔助提取可破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使有效成分進(jìn)入溶劑相，具有提取時間短，提取效率高的優(yōu)點(diǎn)。

辣椒總堿；超聲波；微波；協(xié)同提取

辣椒總堿主要由14種以上的辣椒堿同系物組成，其中辣椒堿和二氫辣椒堿的含量總和約占90%，是辣椒類制品辣感的主要來源[1]。高純度的辣椒堿具有消炎[2-3]、鎮(zhèn)痛[4-5]、減肥[6-7]、抑菌[8-9]等功效，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)。辣椒堿類物質(zhì)在通常條件下為白色晶體，可溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑中，不溶于水，在堿性溶液中酰胺鍵會少量水解[10]。對辣椒堿的提取，國內(nèi)外采用的提取方法主要有：水浸提法[11]、超聲輔助提取法[12-13]、微波輔助提取法[14-15]以及超臨界CO2提取法[16-17]。其中水浴浸提法使用最多，此方法浸提能力大,溶劑可回收利用，易大量生產(chǎn)，但是耗時久，生產(chǎn)周期太長。隨著新科技的發(fā)展，通過超聲波和微波輔助提取來改善提取過程已經(jīng)引起了辣椒生產(chǎn)商的青睞，但目前的研究[13-14]主要集中在單一利用超聲或微波來輔助提取辣椒堿類物質(zhì)，未見超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的相關(guān)報道。本試驗(yàn)擬嘗試將超聲波和微波有機(jī)地結(jié)合起來，充分利用超聲波振動空化作用以及微波的高能作用，探討超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的最佳工藝條件，以實(shí)現(xiàn)對固體樣品快速、高效的處理，為天然植物功能活性物質(zhì)的提取及食品、藥品檢測領(lǐng)域的樣品前處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

紅辣椒：上海家樂福超市；

無水甲醇、無水乙醇、乙酸乙酯：分析級，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

食品級乙醇：純度95%，上海聰翔實(shí)業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

分析天平：AB204-E型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：ZX98-1型，上海LOOYE有限公司；

高速萬能粉碎機(jī)：FW-80型，天津泰斯特儀器有限公司；

超聲—微波協(xié)同萃取儀：CW-2000型，上海新拓微波溶樣測試技術(shù)有限公司；

紫外可見分光光度計：UV2000型，上海尤尼柯有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 超聲—微波協(xié)同輔助萃取辣椒總堿的工藝流程

紅辣椒→烘干→粉碎→過篩→超聲—微波協(xié)同萃取→過濾→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→測定辣椒總堿含量→計算辣椒總堿提取率

1.2.2 材料預(yù)處理 將紅辣椒置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘4 h，冷卻后粉碎過篩。

1.2.3 分析計算方法

(1) 辣椒總堿的測定：采用分光光度法[18]。

(2) 辣椒總堿提取率：按式(1)計算：

(1)

式中：

w——辣椒總堿提取率，%

w1——提取物中辣椒總堿的質(zhì)量，g；

w2——原料中辣椒總堿的質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗(yàn) 以辣椒總堿提取率為評價指標(biāo)，考察各單因素對辣椒總堿提取效果的影響。

(1) 提取溶劑：固定反應(yīng)條件為超聲波功率50 W，辣椒粉目數(shù)60目，料液比1∶20(g/mL)，微波功率200 W，處理時間420 s，處理次數(shù)2次，考察不同提取溶劑(90%乙醇、無水乙醇、乙酸乙酯、無水甲醇)對辣椒總堿提取率的影響。

(2) 辣椒粉目數(shù)：固定反應(yīng)條件為超聲波功率50 W，料液比1∶20(g/mL)，提取溶劑為90%乙醇，微波功率200 W，處理時間420 s，處理次數(shù)2次，考察辣椒粉目數(shù)(20，40，60，80，100目)對辣椒總堿提取率的影響。

(3) 微波功率：固定反應(yīng)條件超聲波功率50 W，料液比1∶20(g/mL)，辣椒粉目數(shù)60目，提取溶劑90%乙醇，處理時間420 s，處理2次，考察微波功率(80，120，160，200，240 W)對辣椒總堿提取率的影響。

(4) 處理時間：固定反應(yīng)條件為超聲波功率50 W，料液比1∶20(g/mL)，提取溶劑90%乙醇，微波功率200 W，處理2次，考察處理時間(300，390，480，570，660 s)對辣椒總堿提取率的影響。

(5) 料液比：固定反應(yīng)條件為超聲波功率50 W，辣椒粉目數(shù)60目，提取溶劑90%乙醇，微波功率200 W，處理時間420 s，處理次數(shù)2次，考察料液比[1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30(g/mL)]對辣椒總堿提取率的影響。

(6) 處理次數(shù)：固定反應(yīng)條件為超聲波功率50 W，料液比1∶20(g/mL)，提取溶劑90%乙醇，辣椒粉目數(shù)60目，微波功率200 W，處理時間420 s，考察處理次數(shù)(1，2，3，4次)對辣椒總堿提取率的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇料液比、微波功率、處理時間和辣椒粉目數(shù)4個因素，每個因素選取3個水平，建立四因素三水平的L9(34)正交試驗(yàn)，以辣椒總堿提取率為評價指標(biāo)，確定影響因素的主次順序以及選定最佳的提取工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取溶劑對辣椒總堿提取率的影響 微波輔助提取基于溶劑提取技術(shù)，選擇合適的提取溶劑有利于提高目標(biāo)組分的提取率。提取溶劑的介電常數(shù)和極性會影響到溶劑對微波的吸收及溶劑對目標(biāo)組分的溶解度。由圖1可知，提取溶劑為90%乙醇和甲醇時，辣椒總堿提取率較高，其次為無水乙醇，乙酸乙酯最低。這是因?yàn)槲⒉訜峋哂羞x擇性，一般來講，提取溶劑的介電常數(shù)越大，其吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能而產(chǎn)生的熱效應(yīng)就越大，其浸出提取率也會越大，反之越小[19]。4種提取溶劑中，乙酸乙酯介電常數(shù)最小，對微波能的吸收與轉(zhuǎn)化率偏低，同時由于其極性小，對辣椒總堿的溶解度也偏低，故提取溶劑為乙酸乙酯時，辣椒總堿的提取率偏低。甲醇和90%乙醇介電常數(shù)大，極性大，對微波的吸收與轉(zhuǎn)化率高，對辣椒總堿的溶解度大，故辣椒總堿在甲醇中和90%乙醇中的提取率較高。由于甲醇對人體的神經(jīng)系統(tǒng)毒性較大[20]，所以選擇90%乙醇為提取溶劑。

圖1 提取溶劑對辣椒總堿提取率的影響

2.1.2 辣椒粉目數(shù)對辣椒總堿提取率的影響 辣椒粉顆粒的大小與結(jié)構(gòu)是影響提取過程的重要因素，均勻的粒度會提高辣椒粉的比表面積，增大辣椒總堿的釋放速度，增加溶出量。由圖2可知，辣椒粉目數(shù)為20～60目時，辣椒總堿提取率逐漸升高，辣椒粉目數(shù)為60，80目時，相差不大，100目時提取率又降低。這是因?yàn)槔苯贩勰繑?shù)大，粒度小，與溶劑接觸的表面積就越大，辣椒總堿溶出速率增大，但是辣椒粉粒徑過小，會使浸出雜質(zhì)增加，黏度增大[21]造成堵塞，影響溶劑滲透性，從而影響目標(biāo)物質(zhì)的溶出，同時也會增加過濾難度，故選擇辣椒粉目數(shù)為60目。

2.1.3 微波功率對辣椒總堿提取率的影響 微波功率會影響提取溫度，從而影響目標(biāo)組分的溶解與擴(kuò)散。由圖3可知，隨著微波功率增大，辣椒總堿提取率先升高后降低，微波功率為200 W時辣椒總堿提取率最高。這是因?yàn)樵谙嗤臅r間內(nèi)，微波功率越大，提取體系吸收的微波能越多，體系溫度升高越快，辣椒總堿向溶劑中擴(kuò)散的速度變快，所以辣椒總堿提取率會逐漸升高。但是功率太大，會使萃取體系的溫度過高，可能造成辣椒總堿的破壞與分解；另一方面，功率過大會增加設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷，溫度過高也會增加提取溶劑的揮發(fā)，故選擇微波功率為200 W。

圖2 辣椒粉目數(shù)對辣椒總堿提取率的影響

圖3 微波功率對辣椒總堿提取率的影響

2.1.4 處理時間對辣椒總堿提取率的影響 對提取過程所得到的產(chǎn)物量是提取速率與提取時間共同作用的結(jié)果。由圖4可知，隨著提取時間增加，辣椒總堿提取率升高后略有降低。這是因?yàn)樵谙嗤奈⒉ê统暪β蕰r，隨著處理時間的增加，提取體系吸收的微波和超聲波能量增加，體系的溫度會不斷升高，辣椒總堿的擴(kuò)散速度加快，辣椒總堿提取率逐漸增大，但當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時，提取時間增加，辣椒總堿的溶出量不再增加。而提取時間過長，會增加雜質(zhì)的溶出量，同時提取體系溫度過高，可能會造成辣椒總堿的破壞與分解，故選擇處理時間為570 s。

2.1.5 料液比對辣椒總堿提取率的影響 從辣椒粉中提取辣椒總堿的過程是一個固—液之間進(jìn)行物質(zhì)傳遞的過程，濃度差是該過程的推動力[22]，而溶劑用量影響溶質(zhì)濃度的重要因素。由圖5可知，隨著料液比的增加，辣椒總堿提取率先升高后逐漸平穩(wěn)，這是由于料液比較小時，溶出的辣椒總堿在溶劑中有一定的濃度，與細(xì)胞內(nèi)的濃度相差不大，故細(xì)胞內(nèi)的目標(biāo)物質(zhì)就難以溶出，料液比增加時，濃度差增大，有利于辣椒總堿溶出，所以辣椒總堿的提取率會逐漸增加，料液比達(dá)到1∶20(g/mL)以后，考慮到溶劑使用量越大，后期的濃縮回收消耗大，工藝成本高，所以選擇料液比為1∶20(g/mL)。

圖4 處理時間對辣椒總堿提取率的影響

圖5 料液比對辣椒總堿提取率的影響

2.1.6 處理次數(shù)對辣椒總堿提取率的影響 在定量溶劑的條件下，多次提取可提高目標(biāo)物質(zhì)的提取率。由圖6可知，辣椒總堿提取率先增加后逐漸平穩(wěn)，這是因?yàn)殡S著處理次數(shù)增加，辣椒總堿逐漸被提取完全，提取率沒有明顯升高，所以選擇提取2次比較經(jīng)濟(jì)。

圖6 處理次數(shù)對辣椒總堿提取率的影響

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，建立四因素三水平的L9(34)正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝，正交試驗(yàn)的因素水平安排見表1，正交試驗(yàn)的結(jié)果及分析見表2。

由表2可知，各因素對辣椒總堿提取率的影響的主次順序?yàn)锽>A>C>D，即微波功率>料液比>處理時間>辣椒粉目數(shù)。固定超聲功率50 W，綜合各因素作用，得到超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的最佳條件為A2B3C1D3，即微波功率240 W、料液比1∶20(g/mL)、處理時間480 s、辣椒粉目數(shù)80目，提取2次。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 超聲—微波協(xié)同輔助處理正交試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Orthogonal test and experimental results of ultrasonic-microwave synergistic extraction

試驗(yàn)號ABCD辣椒總堿提取率/%1111161.222122267.133133376.874212364.005223171.656231280.527313264.528321373.569332175.48k168.40763.24771.76769.450k272.05770.78068.87070.723k371.18777.62371.01371.477R3.65014.3762.8972.027

根據(jù)最佳提取條件A2B3C1D3進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)，辣椒總堿的平均提取率為84.52%，均高于單因素組和正交試驗(yàn)組的辣椒總堿提取率，表明此工藝條件合理，故可確定A2B3C1D3為最佳提取工藝條件。

2.3 不同提取方法的比較

比較超聲—微波協(xié)同輔助提取與傳統(tǒng)水浴浸提法對辣椒總堿提取率的影響，選擇這兩種方法的最佳處理條件分別進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值，對比結(jié)果見表3。

由表3可知，超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的提取率為84.52%，高于傳統(tǒng)浸提法的79.36%，同時提取時間也有明顯縮短。這是因?yàn)榇朔椒ǔ浞掷昧顺暡ǖ臋C(jī)械振動和空化效應(yīng)，能更好地破壞植物細(xì)胞壁，有利于辣椒總堿的溶出，同時微波技術(shù)可使樣品中的目標(biāo)物分子在微波電磁場的作用下定向排列，并隨著微波電磁場的交替變化發(fā)生高頻振蕩，從而加速目標(biāo)物從固相進(jìn)入溶劑相，從而提高辣椒總堿的提取率，縮短處理時間。

3 結(jié)論

以紅辣椒為原料，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定超聲—微波協(xié)同輔助提取辣椒總堿的最佳工藝條件：提取溶劑為體積分?jǐn)?shù)90%乙醇、超聲功率50 W、微波功率240 W、料液比1∶20(g/mL)、處理時間480 s、辣椒粉目數(shù)80目，提取次數(shù)2次，通過上述工藝處理，辣椒總堿的提取率為84.52%。

表3 不同提取方法的比較?

? 傳統(tǒng)水浴浸提法的最佳提取條件通過單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)獲得。

與傳統(tǒng)浸提方法相比，超聲—微波協(xié)同輔助辣椒總堿提取率提高，提取時間明顯縮短，可避免長時間高溫高壓條件下萃取導(dǎo)致活性物質(zhì)的分解，在天然植物功能活性物質(zhì)的提取中有很大的應(yīng)用潛力，同時也可為植物中辣椒堿類化合物的分析與鑒定提供一種新的樣品制備技術(shù)。

超聲—微波協(xié)同輔助萃取法具有高效省時的優(yōu)點(diǎn)，但由于設(shè)備超聲功率不可調(diào)，限制了提取率的進(jìn)一步提高，同時由于設(shè)備的限制也給工業(yè)化生產(chǎn)帶來一定困難，若能將設(shè)備完善，超聲—微波協(xié)同輔助萃取法的應(yīng)用前景會更為廣闊。

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Optimization on extraction of capsaicinoids assisted by ultrasonic-microwave synergistic extracting

PANG Min1WANGYuan-hui2LIUQian1

(1.SandaUniversity,Shanghai200120,China; 2.HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450000,China)

Paprikas were soaked in 90% (V/V) ethanol to extract capsaicinoids by using ultrasonic and microwave assisted extraction (UMAE). Based on the results of single factor experiments, the optimized extraction condition were gotten with orthogonal tests: the ultrasonic power of 50 W, the microwave power of 240 W, the solid- solvent ratio of 1∶20 (g/mL), the microwave time of 480 s, the paprikas particle size of 80 mesh, and the extracting time twice. The present study obtained an extraction rate of 84.52%. Compared with the conventional water bath extraction method, UMAE has the advantages of shorter extraction time and higher efficiency, which may be related to the effect of UMAE on destroying cellular structure of paprika and thus making capsaicinoids into the extractant.

capsaicinoids; ultrasonic; microwave; synergistic extraction

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.038

龐敏(1988—)，女，上海杉達(dá)學(xué)院助教，碩士。 E-mail:pangmin2007@126.com

2016—09—12