均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化超臨界CO2萃取辣椒紅色素工藝研究

張學(xué)彬，田志聰，劉璐，程士奇，高丹，劉增博，時(shí)雅濱*

(1.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 化學(xué)工程系，河北 滄州 061199；2.黃驊市易簡科技有限公司，河北 滄州 061100)

辣椒(Capsicum)，茄科辣椒屬植物[1]，其果實(shí)中含有豐富的色素：辣椒紅色素、辣椒玉紅素、β-胡蘿卜素和隱黃素等。

辣椒紅色素(Capsanthin)，化學(xué)式C40H56O4，是成熟辣椒中天然紅色素的主要成分[2]，深紅色液體，無辣味，顯色強(qiáng)度高出其他色素10倍左右[3]。辣椒紅色素不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，因極性較強(qiáng)，難溶于超臨界二氧化碳流體[4]。辣椒紅色素對溫度、酸堿和可見光穩(wěn)定，色價(jià)、保色效果、著色能力和安全性較其他色素有明顯優(yōu)勢[5]。中國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、美國食品和藥物管理局(FDA)、世界衛(wèi)生組織(WHO)等將其審定為無限制性使用的天然食品添加劑[6]，主要用于食品、醫(yī)藥、日化、飼料等領(lǐng)域。

目前，辣椒紅色素的提取方法主要有溶劑萃取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、吸收法等[7]。其中超臨界CO2流體萃取是一種綠色高效的提取方法，超臨界流體(SCF)具有類似液體的密度、溶解能力和傳熱系數(shù)，同時(shí)還有類似氣體的低粘度和高擴(kuò)散系數(shù)，因而超臨界流體有更好的傳質(zhì)性能，使得超臨界萃取過程能在很短的時(shí)間內(nèi)完成。但是由于影響辣椒紅色素收率的因素較多[8]，而單因素試驗(yàn)無法描述因素間的耦合作用，多因素試驗(yàn)次數(shù)工作量過大，使得辣椒紅色素萃取工藝過程中收率較低，最優(yōu)工藝難以獲得等問題。

本文選用均勻設(shè)計(jì)法[9]，以辣椒紅色素收率為目標(biāo)，考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間、原料顆粒度4個(gè)因素對辣椒紅色素收率的影響，優(yōu)化選擇辣椒紅色素萃取分離的工藝條件，并對篩選的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為辣椒紅色素的超臨界流體分離工藝選擇提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

高壓萃取釜 廣州東塑石油鉆采設(shè)備有限公司；DTT25WL氣體增壓泵 濟(jì)南德科泵業(yè)有限公司；電子分析天平 上海卓精電子科技有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；DC-0510恒溫循環(huán)水浴鍋 艾普儀器有限公司；101-OS電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、DF-101S集熱式磁力攪拌器 上海邦西儀器科技有限公司； JJ-2組織搗碎勻漿機(jī) 上海汗諾儀器有限公司；TDL-80-2B臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；SHZ-D(Ⅲ)系列循環(huán)水式真空泵 浙江力辰儀器科技有限公司。

1.2 材料與試劑

干紅辣椒：市購；CO2(純度≥99.99%)：河北省黃驊市易華天成科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)流程

取干紅辣椒原料，冷水清洗，于烘箱中50 ℃烘干，樣品粉碎后粉末篩分，選取顆粒度50～150目的樣品備用。

分別將10 g不同顆粒度的辣椒粉末裝入萃取釜，萃取釜中沖入CO2，設(shè)置萃取溫度、萃取壓力和萃取時(shí)間，分離提取辣椒紅色素。計(jì)算辣椒紅色素的收率：收率=提取辣椒紅色素樣品質(zhì)量(g)/干紅辣椒原料質(zhì)量(g)×100%。

1.4 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

1.4.1 單因素試驗(yàn)

分別研究溫度、壓力、萃取時(shí)間和顆粒度對辣椒紅色素收率的影響。

1.4.2 U6(64)均勻設(shè)計(jì)法

選取萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和原料顆粒度4個(gè)因素，進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)法U6(64)四因素六水平優(yōu)化辣椒紅色素提取工藝，見表1。

表1 超臨界CO2萃取辣椒紅色素工藝均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)U6(64)因素水平表Table 1 The factors and levels of supercritical CO2extraction of Capsicum red pigment processuniform design test U6(64)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 萃取溫度對辣椒紅色素收率的影響

在壓力15 MPa、萃取時(shí)間5 h、顆粒度130目的條件下，溫度對辣椒紅色素收率的影響見圖1。

圖1 萃取溫度對辣椒紅色素收率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of Capsicum red pigment

由圖1可知，當(dāng)萃取溫度為35 ℃時(shí)，辣椒紅色素的收率最高；當(dāng)溫度超過35 ℃時(shí)，產(chǎn)品收率逐漸下降。隨溫度升高，超臨界CO2流體密度減小，溶解能力降低，導(dǎo)致收率下降[10]；另外，辣椒紅色素?zé)岱€(wěn)定性相對較差[11]，因此低溫下萃取辣椒紅色素的收率較高。

2.1.2 萃取壓力對辣椒紅色素收率的影響

在溫度50 ℃、萃取時(shí)間5 h、顆粒度130目的條件下，壓力對辣椒紅色素收率的影響見圖2。

圖2 萃取壓力對辣椒紅色素收率的影響

當(dāng)溫度一定時(shí)，CO2密度隨壓力增加而增大，其他物質(zhì)在CO2中的溶解度增加[12]，剩余辣椒紅色素收率增大。當(dāng)萃取壓力超過15 MPa后，繼續(xù)升高壓力，收率提高緩慢。

2.1.3 萃取時(shí)間對辣椒紅色素收率的影響

在溫度50 ℃、壓力15 MPa、顆粒度130目的條件下，萃取時(shí)間對辣椒紅色素收率的影響見圖3。

圖3 萃取時(shí)間對辣椒紅色素收率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of Capsicum red pigment

在一定溫度和壓力下，萃取時(shí)間小于3.5 h時(shí)，收率隨萃取時(shí)間增加而升高；當(dāng)萃取時(shí)間超過3.5 h后，收率基本保持不變。所以，超臨界CO2流體萃取辣椒紅色素時(shí)間確定為3.5 h。

2.1.4 原料顆粒度對辣椒紅色素收率的影響

在溫度50 ℃、壓力15 MPa、萃取時(shí)間5 h的條件下，原料顆粒度對辣椒紅色素收率的影響見圖4。

圖4 顆粒度對辣椒紅色素收率的影響Fig.4 Effect of particle size on the yield of Capsicum red pigment

當(dāng)辣椒原料粉碎后粒徑為130目時(shí)，辣椒紅色素收率最大，為5.92%。當(dāng)顆粒度小于130目時(shí)，原料顆粒度越小，與超臨界流體的接觸越充分，傳質(zhì)效率增大；當(dāng)原料顆粒度超過一定范圍再減小時(shí)，原料顆粒的比表面積增加，與超臨界流體間表面張力增大，流體擴(kuò)散流動(dòng)阻力增大速率減小，傳質(zhì)效率下降，收率降低[13]。

2.2 均勻設(shè)計(jì)法試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 U6(64)試驗(yàn)回歸

選用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化辣椒紅色素提取工藝試驗(yàn)，色素收率結(jié)果見表2。采用Excel軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，回歸結(jié)果見表3～表6。

表2 超臨界CO2萃取辣椒紅色素工藝U6(64)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及辣椒紅色素收率Table 2 Supercritical CO2 extraction of Capsicum red pigment process U6(64) uniform design test scheme and the yield of Capsicum red pigment

表3 回歸統(tǒng)計(jì)Table 3 The regression statistics

表4 方差分析Table 4 The analysis of variance

表5 參數(shù)表Table 5 The coefficient table

表6 殘差分析表Table 6 The residual analysis

由表3～表6線性回歸結(jié)果可知，線性相關(guān)系數(shù)R=0.995822，測定系數(shù)R2=0.991662，F(xiàn)=29.73304896>顯著水平下臨界值F(Significance F)，線性可信.由表6可知，線性回歸方程為：收率Y=80.47-1.72X1+0.06X2+0.005X3-0.39X4，由于萃取時(shí)間影響較小，省略此項(xiàng)，收率方程調(diào)整為Y=80.47-1.72X1+0.06X2-0.39X4，結(jié)合單因素試驗(yàn)，萃取時(shí)間確定為3.5 h。

由線性回歸方程可知，各影響因素的系數(shù)符號為正時(shí)，對收率Y為正增長影響；系數(shù)符號為負(fù)時(shí)，對收率Y為負(fù)增長影響[14-15]。所以，因素X2(壓力)、X3(時(shí)間)值越大，因素X1(溫度)、X4(顆粒度)值越小，收率Y越大。由此可得，超臨界CO2萃取辣椒紅色素最優(yōu)工藝：萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間3.5 h、顆粒度50目。

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間3.5 h、顆粒度50目時(shí)，辣椒紅色素的收率為6.68%。

3 結(jié)論

超臨界CO2萃取辣椒紅色素單因素試驗(yàn)得最優(yōu)操作條件為：萃取溫度50 ℃，壓力15 MPa，萃取時(shí)間3.5 h，顆粒度130目。

均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)工藝條件為：萃取溫度32 ℃，萃取壓力20 MPa，萃取時(shí)間3.5 h，顆粒度50目，優(yōu)化條件下辣椒紅色素的收率為6.68%。