天然辣椒堿提取方法及在食品中應用的研究進展

闕小峰，黃超群，方志成，司文會

(1.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008；2.蘇州泰事達檢測技術有限公司，江蘇 吳中 215006)

食品的辛辣味覺主要來源于辣椒[1]。在辣椒中，辣椒堿(Capsaicin，C18H27NO3)是引起辛辣味覺的主要堿性呈辣物質，含量約占0.3%～1.0%，以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，具有極高的生理藥用價值[2]。在食品加工中，辣椒堿可作為辣味添加劑，增強食品的辣度，促進腸道消化吸收，起到保護胃黏膜、控制胃酸分泌的作用，還有抑菌、抗氧化、耐保藏等功效[3-6]，在食品、化工、醫藥等行業有著廣泛用途。

我國是全球辣椒種植面積第一大國，占比近40%，年產量4000余萬噸，年干辣椒出口量占全球出口總量的26%[7]，辣椒已成為僅次于大豆、番茄的第三大蔬菜產業。為促進辣椒產業的健康發展及辣椒堿在食品加工中的普及應用，本文對國內外近年來辣椒中天然堿提取的新技術、新方法及辣椒堿在食品工業中的調味、抗氧化等功能性質應用進行了歸納總結，為推進未來天然辣椒堿工業化提取純化及食品加工中調味、抗氧化等綜合性應用提供了理論及技術指導。

1 辣椒堿類物質

辣椒營養豐富，含有維生素C、β-胡蘿卜素、生物堿、辣椒紅素、揮發油、蛋白質、多糖、礦物質等成分。其中，生物堿是辣椒中的主要呈辣堿類物質，包括辣椒堿(Capsaicin)、二氫辣椒堿(Dihydrocapsaicin)、降二氫辣椒堿(Nordihydrocapsaicin)、高辣椒堿(Homocapsaicin)等9種以上，主要以辣椒堿、二氫辣椒堿為主，兩者約占辣椒總堿的93%以上。辣椒堿和二氫辣椒堿純品(分子式：C18H27NO3、C18H29NO3)均為白色晶體，易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有機溶劑，不溶于冷水；其分子結構均含有酸性酚羥基(見圖1)，能溶于強堿性溶液，且酰胺鍵會發生少量水解。

圖1 辣椒堿(a)、二氫辣椒堿(b)分子結構式Fig.1 The molecular formula of capsaicin (a) and dihydrocapsaicin (b)

2 辣椒生物堿的提取方法

辣椒堿的提取方法主要是利用其溶解性，傳統的提取方法是在酸堿、有機溶劑浸提的基礎上，結合微波、超聲波或超臨界CO2輔助提取，以及采用酶解輔助有機溶劑提取法來提高提取率或純度，但浸提時間長、工藝復雜、設備要求嚴、能耗高和提取率低等[8]。近年來，一些新技術被應用于辣椒堿的提取純化中，如雙水相法、水油混法相、三相鹽析法、離子液體法、壓力液體法等方法。

2.1 酸堿溶液提取法

辣椒堿分子中含有酚羥基，水解呈弱酸性，傳統方法常采用氫氧化鈉(NaOH)等酸堿溶液浸提，再輔以乙醇、正己烷、乙醇-乙酸乙酯等進行離子交換分離提純辣椒堿，趙愛云等[9]利用氫氧化鈉(NaOH)溶液從辣椒精中提取辣椒堿，最優工藝條件為料液比1∶9 (g/mL)的20% NaOH溶液，在80 ℃下浸泡2 h，最優得率僅為84%。張世文等[10]將干辣椒粉末用1% NaOH溶液浸提，再以2% H2SO4溶液中和酸化，用正己烷萃取，制得純度82%以上的辣椒堿晶體，得率約0.9%。Rumsfield等[11]用1% NaOH溶液浸提辣椒堿粗品，用離子交換法分離提純，經乙醇-乙酸乙酯洗脫、濃縮后，得到純度98.5%以上的辣椒堿結晶體，得率為0.6%，可見酸堿法雖簡易，但費時、得率不高。

2.2 有機溶劑提取法

辣椒堿易溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚等有機溶劑，國內外常以乙醇、酸堿、丙酮等浸提，輔助超聲波、微波或超臨界CO2提取的方法來提取干辣椒中的辣椒堿，以提高提取率和產品純度。陳淑娟等[12]采用微波輔助法從黃燈籠辣椒中提取辣椒堿，在70%乙醇、550 W微波、75 ℃下提取18 min，辣椒堿提取率達到3.89 mg/g。Yao 等[13]以乙醇為提取劑，利用超臨界CO2萃取法從干辣椒中提取80%的辣椒堿。張郁松[14]對比了有機溶劑、堿性乙醇、超聲波、酶解及超臨界流體法5種提取辣椒堿的方法，發現堿性乙醇法相對較佳，最優得率為86.9%。相較于傳統酸堿法，有機溶劑法提取時間短、得率高且操作方便，但也存在設備投資成本高、有機溶劑消耗大、不適合工業化生產等缺點。

2.3 酶解提取法

生物酶能破壞辣椒的細胞壁結構，增加細胞膜的通透性，有利于胞內物質溶出，所以也常用來提取辣椒堿性物質，趙寧等[15]采用pH 5.4的酶解液(加酶量7.5 mg/g干辣椒)，恒溫45 ℃酶解3 h，辣椒堿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鹽酸鹽和壬烯酸原料，生物合成了辣椒堿，成效不高。Salgado-Roman等[17]用酶法從辣椒粉中提取辣椒堿，試驗首先采用酶法輔助正己烷提取出類胡蘿卜素，其次采用酶法輔助乙醇提取辣椒堿類化合物，酶解45 min后細胞壁結構消失，類胡蘿卜素和辣椒堿類化合物提取率分別達96%、85%。相對來說，酶法提取辣椒堿比有機溶劑輔助超聲波、微波等技術成本低、能耗少、快捷高效，但存在酶對溫度、pH的要求較高，目前適合于實驗室研究，不利于工業大規?；a，可作為未來工業上提取辣椒堿的一個新方向進行深入研究。

2.4 雙水相提取法

雙水相體系(aqueous two phase system，ATPS)提取法是利用兩種高聚物之間或高聚物與無機鹽之間在水中以適當的濃度溶解而形成的互不相溶的兩水相體系萃取技術(aqueous two phase extraction，ATPE)，如聚二乙醇(PEG)/葡聚糖(DEX)、PEG/無機鹽、小分子有機溶劑/無機鹽。由于雙水相體系萃取條件溫和、界面張力低、自然分相時間短、分配系數可控，可連續化、集成化生產，近年來國內外逐漸興起采用雙水相體系來提取辣椒堿。Zhao Peipei等[18]使用含有鹽和親水性醇的ATPE體系，分別結合D101大孔樹脂和廉價的SKP-10-4300反相樹脂兩種色譜法提取純化辣椒堿，回收率分別為93%和80%，工業化日產量可達1.86，4.2 g/L(辣椒素/樹脂)。夏昊云等[19]以β-環糊精、硫酸鈉構成雙水相萃取體系，在0.5 g β-環糊精、0.1 g無水硫酸鈉、料液比1∶10(g/mL)、45 ℃溫度下萃取30 min，辣椒堿萃取率可達86%。Fan Yong等[20]使用由環氧乙烷-環氧丙烷(EOPO)共聚物、鹽及乙醇組成的雙相水溶液(ATPS)從辣椒油樹脂中提取得率為95.5%的辣椒堿，經進一步純化后，辣椒堿的回收率和純度達88.0%、85.1%。范勇等[21]采用L44/Na2CO3雙水相體系提取辣椒堿，結果顯示：雙水相為10 g 20%∶20%∶1%的L44/Na2CO3/乙醇體系，辣椒堿提取得率達95.6%。

2.5 水油混相提取法

國內有企業改進雙水相體系溶液成本高的缺點，采用水和食用植物油組成的乳化體系[22]，以干辣椒為原料，采用高壓水油混相浸提技術預處理物料，最佳預處理工藝條件為辣椒粗粉水油乳化液加濕量20%、溫度150 ℃、轉速300 r/min，促進干辣椒中有效成分溶出；再輔以乙醇-微波法，料液比1∶20(g/mL)、微波功率600 W、浸提2.0 h下提取辣椒堿，辣椒堿單次萃取率達到79.6%，3次理論得率接近99.14%。該方法操作中先采用高壓水油混相浸提技術預處理干辣椒物料，在高壓轉子泵連續工作下，產生了較高真空(-0.02～-0.08 MPa)和排放壓力(0.2 MPa)形成的抽提壓差下的高剪力、高壓力和高溫度，使干辣椒物料細胞破壁破碎，經歷反復破碎、分解、解聚、混合、精細均質、乳化過程，加速了物料成分在水油混相液中的溶解度和溶解速度，物料使用率達到100%，相較于傳統辣椒堿提取工藝浸提時間長、工藝復雜、設備要求嚴、能耗高和提取率低等的缺點，該法成本更低、節能、環保、省時、高效，在工業化生產上取得了較好的試驗效果。

2.6 多相鹽析萃取法

鹽析萃取是一種新興的綠色萃取技術[23-24]，特別是多相鹽析萃取技術，被廣泛應用到天然產物有效成分的提取中，如丙酮/K2HPO4/N-己烷三液相體系(three-liquid-phase system，TLPS)。如Dang Y Y等[25]采用丙酮/K2HPO4/N-己烷的TLPS分離辣椒紅素和辣椒堿，兩者產率分別為常規溶劑提取的105%和88%。范三紅等[26]采用石油醚-乙腈-K2HPO4組成TLPS分離辣椒堿，最優條件下辣椒堿提取量為1.412 mg/g干辣椒?？梢姸嘞帑}析技術應用于辣椒堿萃取，條件溫和簡便、成效顯著。

2.7 其他提取法

資料顯示，以不同的離子液體、離子液體與表面活性劑或無機鹽組成萃取體系來提取辣椒堿效果顯著。Lau B B Y等[27]用1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽([EMIM]HSO4, C6H12N2O4S)離子液體提取辣椒堿，提取條件為溫度50 ℃、時間1 h、固液比1∶5(g/g)，提取得率優于使用堿性乙醇或有機溶劑提取法。Bajer等[28]應用壓力流體法提取辣椒堿，采用高壓熱水二次法(20 MPa、200 ℃、第1次10 min和第2次20 min)提取辣椒堿類化合物，與傳統提取法相比，辣椒堿和二氫辣椒堿分別為 119%、103%。此外，還有豆甲立等的離子液體雙水相法[29]和余永昊等的固相萃取法[30]，均取得了較好的提取成效。

綜上可見，傳統的酸堿法、有機溶劑法雖然操作簡單，但產品雜質多、純化難、成本高、易造成污染；超聲波、微波、酶解等輔助技術更適合于實驗室研究；超臨界CO2萃取法雖然萃取得率高，但一次性儀器設備投資較大，不適合工業化生產。雙水相萃取法、多相鹽析技術萃取法、離子液體法等新技術的應用，一定程度上提高了天然辣椒堿的得率，減少了產物雜質，便于食品工業上安全使用，有較好的應用前景，但實際應用中也要考慮工藝、成本、分離提純工序等問題，特別是以上提取研究體系總體偏向于實驗室體系，而并非產業鏈端試車環境，在后續的放大試驗過程中中試乃至正式投產均存在工藝放大以及物料成本核算等問題有待進一步精進和解決。因此，在辣椒精深產品工業生產中，要綜合考慮設備投資少、操作工藝簡單、提取試劑易處理、提取得率高等因素，選擇適宜的提取工藝，促進辣椒產業快速發展。

3 辣椒堿在食品中的應用研究

3.1 調味功能

辣味是辣椒重要的評價指標，其辣味物質主要由辣椒堿、二氫辣椒堿、降二氫辣椒素等辣椒堿性同類物質產生。人們感覺到的辣味主要是由辣椒堿類物質刺激神經引起的痛覺。食品中添加的辣味物質量適中，不僅有利于食品增辣，而且給食用者帶來愉悅的感覺。食品加工中，以辣椒堿替代鮮或干辣椒添加到辣醬食品中，辣椒堿在低鹽濃度(≤15%)下較穩定，而高鹽濃度(≥35%)對其破壞作用較大，且隨著鹽濃度的不斷升高，辣堿度下降趨勢越顯著。酸堿性條件下，弱酸至中酸性(pH值4.0～7.2)范圍內食品中辣椒堿辣度相對穩定；強酸(pH值3.5～2.0)和強堿(pH值9.0～11.0)下辣椒堿辣度顯著降低，原因在于辣椒堿易結晶析出，不利于食品增辣。食品加熱溫度上，隨著溫度的上升(≥200 ℃)，食品中辣椒堿含量顯著降低，表明高溫破壞了辣椒堿的結構，使得食品辣度明顯降低。因此，食品加工中添加辣椒堿作為辣味源時，應盡量低鹽、中酸性和低溫加工，食品辣味較為明顯。

依據Scoville指數對辣椒及其制品辣度分級標準，食品加工中，在同等條件下，干辣椒(辣度6818，達6級)添加量為10%～15%，辣椒堿僅為0.01%～0.50%，可達到同等辣度。如湖南壇壇香剁椒，辣度值為2107，達到辣味4級，干辣椒添加量為13.0%或辣椒堿添加量為0.32%，有助于辣醬產品的辣度控制和辣椒堿的消化吸收。因此，在我國辣椒傳統加工產品如辣椒粉、剁辣椒、辣椒油、辣椒醬中，通過添加辣椒堿的方式增辣，不僅可以實現傳統干辣椒同等的辣度需求，有益于維持人體正常生理功能和增強人體抵抗力，而且用量更少、成本更低，相對于同等食品辣味添加劑(辣椒精、辣椒紅)更加安全健康[31-32]。

3.2 抑菌作用

研究顯示，辣椒堿對食品生產具有抑菌作用。魏玉西等[33]以純度96%的辣椒堿晶體，采用平板空穴擴散法考察了辣椒堿的抑菌效果，結果顯示：辣椒堿對廣譜細菌有較強抑制活性，但對霉菌較弱；濃度低于0.0125 mg/mL的，辣椒堿的抑菌活性效果不明顯。吳影等[34]通過濾紙片擴散法考察了辣椒堿對酵母菌、細菌、霉菌等7種菌株的抑菌效果，結果表明，辣椒堿的抑菌能力依次為金黃色葡萄球菌>枯草芽孢桿菌>大腸桿菌>啤酒酵母>葡萄酒酵母>黑曲霉>青霉，且抑菌活性能在較寬的溫度和pH變化范圍內發揮顯著作用。袁楊斌等[35]研究了體外條件下辣椒堿對鴨源性大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果和抗氧化能力，結果顯示辣椒堿對它們的抑菌效果明顯。

3.3 清除自由基抗氧化作用

食品安全問題已成為世界性問題，食品中人工化學合成抗氧化劑(BHA、BHT、PG、TBHQ等)對人體積累可能產生的健康問題日益受到人們的關注，尋求天然植物抗氧化劑顯得尤為重要。研究顯示，天然辣椒堿類提取物具有與BHT相當的抗氧化效果。王夢等[36]在考察了辣椒堿、二氫辣椒堿和降二氫辣椒堿3種單體對羥基自由基(·OH)和超氧陰離子自由基(O2-·)的清除率和抗氧化效果后，發現3種單體均表現出較好的·OH、O2-·自由基清除能力，且辣椒堿單體的抗氧化能力最強。Si等[37]制備了載有辣椒素(堿)的中孔二氧化硅納米顆粒并開展了其在肉類防腐中的抗氧化性研究，結果表明辣椒素在抑制食品中大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病菌方面具有效果，可見辣椒堿具有VC、VE相當的自由基清除和抗氧化能力。在食品工業中，以辣椒堿為主要原料，開發天然、低毒、高效、安全的“綠色”抗氧化劑，有望替代人工合成抗氧化劑，成為食品抗氧化劑發展的新趨向，對解決食品在貯藏加工中氧化變質問題具有重要意義。

3.4 對酶的抑制作用

研究顯示，鮮辣椒果實乙醇提取物辣椒堿對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶表現出最高的抑制作用及抗氧化活性[38]，且對α-葡萄糖苷酶的抑制作用最強，IC50(半抑制濃度)為225 μg/mL。電鏡掃描顯示，辣椒堿通過疏水作用、氫鍵和電荷與氨基酸殘基結合在α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶上。高濃度的辣椒堿協同酚類化合物和黃酮等其他化合物使鮮辣椒表現出較顯著的酶抑制活性和抗氧化性能。因此，鮮辣椒是天然抗氧化劑和α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶抑制劑的潛在來源，可應用于食品加工中。

3.5 對蟲害的防治作用

辣椒堿的辛辣風味對食品儲藏過程中蟲害的防治也有一定的功效，陳謙等[39]通過對辣椒堿防治儲糧蟲害效果的研究，發現8.0 mg/mL辣椒堿對赤擬谷盜、谷蠹有較好的驅避效果；2種害蟲對0.1%濃度辣椒堿處理過的糙米有拒食現象，糧食損失量分別為對照組的43.17%、41.59%。歐陽建勛等[40]以2%辣椒堿-乙醇溶液添加到糙米中，辣椒堿濃度達4，2 g/kg糙米時，玉米象、赤擬谷盜分別出現明顯的拒食現象；30 d內，玉米象和赤擬谷盜的糙米蟲損率分別為對照組的26.4%、35.4%和24.8%、30.6%。在害蟲增殖上，0.5 g/kg的辣椒堿添加劑量的糙米中玉米象、赤擬谷盜的增殖數量僅為對照組的9.23%、26.1%；當辣椒堿添加劑量濃度達2 g/kg時，玉米象的增殖存活數僅1頭，赤擬谷盜的增殖存活數為0，可見辣椒堿的添加使糙米中蟲害的增殖受到了明顯抑制。

4 結論

文章詳述了近年來天然辣椒堿提取的新技術和新方法，特別是具有工業化應用前景的新技術、新工藝，如雙水相萃取技術、高壓水油混相萃取技術及三相鹽析萃取技術等，分析了各種提取方法的利弊，便于科研人員、企業選擇；同時，對辣椒堿在食品工業上的調味、抑菌、抗氧化、抑制酶作用及糧食蟲害防治等功能性應用進行了概述，為未來辣椒堿工業化提取純化、食品加工中辣椒堿的綜合開發利用提供了相關的理論依據及技術支持。

我國是辣椒生產加工、出口的大國，辣椒產業發展潛力巨大，辣椒堿在食品工業上具有很高的科研和開發價值，但其研發深度和精度相對不夠，尤其是辣椒堿功能性精深加工業的規模和技術、天然辣椒堿功能性食品的開發都有待進一步提升，并積極引導研究成果向產業化發展也是辣椒堿未來研究的重要方向。