天然植物色素作為著色劑的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于食品加工、醫(yī)藥和化妝品等與人體健康緊密相關(guān)的行業(yè)。天然植物色素與人工合成色素相比,原料來(lái)源充足,對(duì)人體無(wú)毒副作用,并且天然色素大多具有一定的生理功能,如天然β-胡蘿卜素在防癌、抗癌和預(yù)防心血管疾病等方面有明顯作用。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,天然植物色素的研究與開(kāi)發(fā)日益受到人們的重視,其應(yīng)用有著廣泛的發(fā)展前景。辣椒色素是天然色素研究的熱點(diǎn)之一,是含有多種色素成分的混合色素,包括辣椒紅素(Ｃａｐｓａｎｔｈｉｎ)、辣椒玉紅素(Ｃａｐｓｏｒｕｂｉｕ)、隱黃素(Ｃｒｇｔｏｘａｂｔｈｉｎ)等紅色系色素和紫黃質(zhì)、黃靈等黃色系色素。

    目前的辣椒色素產(chǎn)品主要是辣椒紅色素,它屬于類胡蘿卜素中的復(fù)烯酮類,為辣椒紅素、辣椒玉紅素和β-胡蘿卜素的混合物,它安全無(wú)毒,能夠被人體消化吸收,并在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素Ａ。辣椒紅色素外觀為深紅色粘性油狀液體,可任意溶于植物油、丙酮、己醚、三氯甲烷、正己烷,易溶于乙醇,稍難溶于丙三醇,不溶于水,對(duì)酸對(duì)堿穩(wěn)定(在偏酸性環(huán)境中穩(wěn)定性更好),在加熱條件下不易被破壞,并且具有較強(qiáng)的著色力和良好的分散性,但耐光性、耐氧化性較差,波長(zhǎng)210～440ｎｍ特別是285ｎｍ紫外光可使其褪色,添加Ｌ-抗壞血酸可提高其光穩(wěn)定性,添加類黃酮和多元酚等物質(zhì)可作為抗氧化劑。辣椒紅色澤鮮艷,色價(jià)高,其顯色強(qiáng)度為其它色素的10倍。

基于辣椒色素的上述特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究,現(xiàn)已形成了幾種較為成熟的提取、分離方法。筆者對(duì)辣椒色素提取精制技術(shù)等方面的研究成果作簡(jiǎn)單介紹,同時(shí)展望未來(lái)辣椒色素的研究動(dòng)向。

1　幾種典型的辣椒色素提取精制方法

1.1　有機(jī)溶劑萃取法

    根據(jù)辣椒色素的理化性質(zhì),工業(yè)上多采取以下方法進(jìn)行提取:將茄科植物辣椒的成熟干燥果實(shí)之果皮粉碎后,用乙醇、丙酮、異丙醇或正己烷等抽提�？紤]到天然紅辣椒中含有辣椒紅、辣椒素、辣椒油脂等成分,其中辣椒素即辣椒堿有辣味,高溫下產(chǎn)生刺激性蒸氣,因此在辣椒色素的精制過(guò)程中必須將其去除。從結(jié)構(gòu)上看辣椒素含有酰胺鍵,分子中含有一個(gè)羥基,是一個(gè)極性化合物,其晶體呈現(xiàn)為單斜棱柱體或矩形,熔點(diǎn)61℃,溶于稀乙醇、己醚、丙酮、乙酸乙酯等溶劑及堿性水溶液中。考慮到辣椒紅混合物和辣椒素在不同溶劑中溶解度不同,可以利用兩者的溶解度差異進(jìn)行脫辣處理。賀文智等[5]基于此原理采用正己烷萃取法,利用辣椒紅色素易于溶于正己烷而辣椒素較難溶于正己烷的性質(zhì)將兩者進(jìn)行分離,操作步驟如下:稱取經(jīng)去蒂、去籽、粉碎處理后的紅辣椒粉末,以丙酮為萃取劑進(jìn)行常壓萃取操作,提取液在溫度為90℃、真空度為0.09ＭＰａ的條件下進(jìn)行減壓蒸餾濃縮,同時(shí)回收丙酮。用丙酮提取辣椒紅的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是液固之間通過(guò)相際接觸表面進(jìn)行的傳質(zhì)過(guò)程,傳質(zhì)速率的快慢決定著傳質(zhì)設(shè)備的尺寸及操作時(shí)間。該方法為了提高傳質(zhì)速率,采用索氏提取器對(duì)粉末狀的干紅辣椒進(jìn)行提取。稱取一定量的經(jīng)濃縮的辣椒紅粗產(chǎn)品用一定量的正己烷進(jìn)行萃取脫辣。

   色價(jià)定義為單位質(zhì)量原料的提取物的吸光度。
 
　該方法操作簡(jiǎn)單,色素回收率較大,產(chǎn)品得率高,但產(chǎn)品色價(jià)較小。由于色價(jià)值與辣度呈負(fù)相關(guān)性,說(shuō)明該方法脫辣不夠徹底,對(duì)于以辣椒紅為主要產(chǎn)品且對(duì)辣椒素含量要求不是十分苛刻的情況,可以采用此方法。張宗恩等以丙酮為溶劑提取制備辣椒油樹(shù)脂,油樹(shù)脂得率高、色價(jià)大、辣素含量低,便于分離。采用ｐＨ值大于10.37的丙酮(50%)溶液進(jìn)行5次以上脫辣萃取可得到口嘗無(wú)辣味的紅色素。該方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便,所得色素的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合ＦＡＯ/ＷＨＯ標(biāo)準(zhǔn)。

1.2　柱層析法據(jù)報(bào)道,辣椒中的辣椒素即使稀釋1:100000仍能感覺(jué)到辣味,這在很大程度上限制了辣椒色素的應(yīng)用。因此,去掉辣味成分就成為提取分離辣椒紅色素工藝的關(guān)鍵步驟。用硅膠柱層析分離辣椒色素屬分配層析法,是根據(jù)色素和辣素的結(jié)構(gòu)差異,在束縛于硅膠上的固定相和洗脫液中的溶解度不同,因此在固定相和洗脫液之間的分配系數(shù)不同而達(dá)到分離效果。袁慶云研究了用硅膠柱層析分離辣椒紅色素,總結(jié)出以下工藝流程:

辣椒→挑選→粉碎→加酶→過(guò)濾→濃縮→乙醇石油醚提取→過(guò)濾→濃縮→上硅膠柱→洗脫→濃縮→得深紅色粘稠液體。

操作要領(lǐng)有:

1)加酶:加酶水解使細(xì)胞中與蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等結(jié)合的色素游離出來(lái),便于用溶劑提取。

2)提取:以90%乙醇和石油醚(1∶1)的提取液在室溫下攪拌過(guò)夜提取,經(jīng)過(guò)濾后減壓濃縮。3)通過(guò)薄層層析尋找洗脫條件,當(dāng)石油醚和食用級(jí)90%乙醇體積比=2∶1時(shí)展層效果最好。

4)將提取的濃縮液上硅膠柱,柱直徑10ｃｍ,高100ｃｍ,用洗脫液洗脫,收集紅色洗脫部分

5)將收集的洗脫部分減壓濃縮。

實(shí)驗(yàn)所得紅色粘稠液經(jīng)檢驗(yàn)水分含量0.37%,脂肪含量90.68%,色素∶色階Ｅ1%1ｃｍ(475ｎｍ)=143,不含辣椒素。賀文智、索全伶等[5]也探討了辣椒紅色素的柱層析提取精制方法:用丙酮作萃取劑從紅辣椒干粉中提取出辣椒紅粗品,粗品經(jīng)減壓蒸餾濃縮處理后進(jìn)行柱層析脫辣精制操作。該試驗(yàn)鑒于柱層析法的優(yōu)點(diǎn),采用尺寸規(guī)格較大的玻璃柱進(jìn)行柱層析分離,選用粒徑74～152μｍ硅膠作填料,石油醚與丙酮的復(fù)配混合液(10:1)為展開(kāi)劑進(jìn)行柱層析。辣椒紅粗品上柱淋洗分離,首先流出的是橙黃色液體(量少),其次是辣椒紅色素,最后是較難洗脫的淡黃色且具有較濃辣味的液體。收集紅色素產(chǎn)品進(jìn)行減壓蒸餾濃縮,用751分光光度計(jì)測(cè)定其色價(jià)Ｅ1%1ｃｍ(460ｎｍ)=56.5,色素回收率可達(dá)平均67.2%。

    針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多介紹以紅辣椒為原料提取無(wú)辣味混合色素的方法但未對(duì)混合色素作進(jìn)一步分離分析的問(wèn)題,提出了采用柱層析對(duì)辣椒色素中的黃色素進(jìn)行分離。該方法以硅膠為固定相,丙酮、95%乙醇分別作為辣紅素和辣黃素的洗脫劑,每次分離的色素量為硅膠質(zhì)量的4%～2%,分離后的液體經(jīng)減壓蒸餾得濃縮產(chǎn)物。通過(guò)此過(guò)程,不但可得到辣椒色素中的主要副產(chǎn)品———黃色素,而且相應(yīng)地提高了主要成分的純度,得到純度較高的紅色素。

   采用柱層析分離技術(shù),選用吸附劑Ｘ和混合洗脫液用于中試,將辣椒色素中紅、橙、黃進(jìn)一步分離,可以使低質(zhì)量辣椒紅色素的色價(jià)和色調(diào)得到較大的提高。吳明光等采用柱層析分離技術(shù),從辣椒果皮中分離出了游離型結(jié)晶辣椒紅色素單體,其含量大于95%,這是我國(guó)辣椒紅色素在劑型上的突破。

1.3　超臨界ＣＯ2流體萃取技術(shù)

   由于辣椒紅素的油狀特性使得采用有機(jī)溶劑萃取分離得到的辣椒色素產(chǎn)品中有較高的溶劑殘留,采取一般的洗脫劑方法產(chǎn)品很難達(dá)到聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織(ＦＡＯ/ＷＨＯ,1984)規(guī)定的最新標(biāo)準(zhǔn),極大地影響了辣椒色素的實(shí)用和出口創(chuàng)匯。超臨界流體萃取是一種新型的化工分離技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵是了解超臨界流體的溶解能力及隨諸多因素影響的變化規(guī)律。超臨界ＣＯ2流體萃取(ＳＣＦＥ-ＣＯ2)就是使用高于臨界溫度、臨界壓力的ＣＯ2流體作為溶媒的萃取過(guò)程。處于臨界點(diǎn)附近的流體不僅對(duì)物質(zhì)具有極高的溶解能力,而且物質(zhì)的溶解度會(huì)隨體系的壓力或溫度的變化而變化,從而通過(guò)調(diào)節(jié)體系的壓力或溫度就可以方便地進(jìn)行選擇性地萃取分離不同物質(zhì)。超臨界分離技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,能耗低,萃取溶劑無(wú)毒、易回收,所得產(chǎn)品具有極高的純度,殘留溶劑符合ＦＡＯ/ＷＨＯ要求。趙亞平等采用自行設(shè)計(jì)的超臨界ＣＯ2流體萃取設(shè)備進(jìn)行辣椒色素提取。該設(shè)備主要由供氣系統(tǒng)、超臨界ＣＯ2流體發(fā)生系統(tǒng)、萃取分離系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)4部分組成,所有部件都國(guó)產(chǎn)化。實(shí)驗(yàn)表明,最佳萃取條件為粒度<1.2ｍｍ,萃取壓力15ＭＰａ,萃取溫度50℃,流量6ｍ3/ｈ。在萃取過(guò)程中,根據(jù)ＵＶ3000紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定200～600ｎｍ的吸光度曲線判斷辣椒色素與辣椒素的分離效果。用色素的丙酮溶液在449ｎｍ處測(cè)定吸光度,所得值即為色素的色價(jià)。從表2可以看出,用該方法萃取的辣椒色素各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
 
采用瑞士ＮＯＶＡ公司制造的超臨界萃取裝置對(duì)辣椒色素進(jìn)行分離、提純。使產(chǎn)品符合ＦＡＯ/ＷＨＯ殘留溶劑標(biāo)準(zhǔn)要求(己烷含量≤25ｍｇ/ｋｇ)的最佳工藝參數(shù)是:萃取壓力18ＭＰａ,萃取溫度25℃,萃取劑流量2.0Ｌ/ｍｉｎ,萃取時(shí)間3ｈ。在最佳工藝條件下產(chǎn)品色價(jià)可達(dá)到342。韓玉謙等采用超臨界ＣＯ2流體萃取技術(shù)對(duì)色價(jià)100～180,溶劑殘留30×10-6～150×10-6的辣椒紅色素進(jìn)行精制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)萃取壓力控制在20ＭＰａ以下時(shí),辣椒紅色素的色價(jià)和色調(diào)幾乎不受損失,有機(jī)溶劑的殘留可以降低到2.7×10-6左右,但辣椒色素中的紅色系色素和黃色系色素未達(dá)到完全分離。研究發(fā)現(xiàn),在超臨界ＣＯ2流體萃取辣椒色素的過(guò)程中使用助溶劑如1%的乙醇或丙酮或升高提取壓力能提高辣椒色素得率。在較低壓力下分離得到的辣椒色素幾乎都是β-胡蘿卜素,而在較高壓力下得到較大比例的紅色類胡蘿卜素如辣椒紅色素、辣椒玉紅素、玉米黃質(zhì)、β-隱黃質(zhì)等和少量的β-胡蘿卜素。在兩步分段提取過(guò)程中,第一階段采用分離紅辣椒油和β-胡蘿卜素的技術(shù)保證了第二階段辣椒色素提取的富集,并使辣椒紅、黃色素比率達(dá)到1.8。在自行開(kāi)發(fā)的多功能超臨界ＣＯ2流體萃取分餾裝置上對(duì)辣椒色素脫辣精制技術(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:在小于10.0ＭＰａ壓力下可萃取出黃色和辣味成分,保留紅色素;當(dāng)壓力大于12.0ＭＰａ時(shí)可將紅色組分萃取完全。盡管超臨界流體萃取天然色素具有很多的優(yōu)點(diǎn),但由于超臨界設(shè)備一次性投資較大,目前我國(guó)在這一領(lǐng)域還未得到廣泛的應(yīng)用。

1.4　其它

    采用兩步法萃取分離紅辣椒,即先用有機(jī)溶劑浸取法從干尖辣椒中萃取出含有紅色素、辣椒素和焦油味臭味的辣椒浸膏,然后再用超臨界ＣＯ2萃取的方法去除焦油味臭味并把紅色素和辣椒素分開(kāi),從而得到不含有機(jī)溶劑的紅色素和辣椒素,產(chǎn)量較單純用超臨界萃取方法提高5～7倍,且質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)ＦＡＯ/ＷＨＯ(1984)標(biāo)準(zhǔn)。姚祖鳳、姜洪杰等以6種分離、提取方法進(jìn)行了54次實(shí)驗(yàn),通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)了解到:辣椒紅色素的得率和質(zhì)量與生產(chǎn)技術(shù)和工藝條件有著密切的關(guān)系。通過(guò)對(duì)比分析,可以比較這6種生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性。