天然植物色素作為著色劑的重要組成部分,廣泛應用于食品加工、醫藥和化妝品等與人體健康緊密相關的行業。天然植物色素與人工合成色素相比,原料來源充足,對人體無毒副作用,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、抗癌和預防心血管疾病等方面有明顯作用。隨著生物技術的發展,天然植物色素的研究與開發日益受到人們的重視,其應用有著廣泛的發展前景。辣椒色素是天然色素研究的熱點之一,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、黃靈等黃色系色素。

    目前的辣椒色素產品主要是辣椒紅色素,它屬于類胡蘿卜素中的復烯酮類,為辣椒紅素、辣椒玉紅素和β-胡蘿卜素的混合物,它安全無毒,能夠被人體消化吸收,并在人體內轉化為維生素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,對酸對堿穩定(在偏酸性環境中穩定性更好),在加熱條件下不易被破壞,并且具有較強的著色力和良好的分散性,但耐光性、耐氧化性較差,波長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定性,添加類黃酮和多元酚等物質可作為抗氧化劑。辣椒紅色澤鮮艷,色價高,其顯色強度為其它色素的10倍。

基于辣椒色素的上述特點,國內外學者對其進行了大量的研究,現已形成了幾種較為成熟的提取、分離方法。筆者對辣椒色素提取精制技術等方面的研究成果作簡單介紹,同時展望未來辣椒色素的研究動向。

1　幾種典型的辣椒色素提取精制方法

1.1　有機溶劑萃取法

    根據辣椒色素的理化性質,工業上多采取以下方法進行提取:將茄科植物辣椒的成熟干燥果實之果皮粉碎后,用乙醇、丙酮、異丙醇或正己烷等抽提。考慮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,高溫下產生刺激性蒸氣,因此在辣椒色素的精制過程中必須將其去除。從結構上看辣椒素含有酰胺鍵,分子中含有一個羥基,是一個極性化合物,其晶體呈現為單斜棱柱體或矩形,熔點61℃,溶于稀乙醇、己醚、丙酮、乙酸乙酯等溶劑及堿性水溶液中�？紤]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將兩者進行分離,操作步驟如下:稱取經去蒂、去籽、粉碎處理后的紅辣椒粉末,以丙酮為萃取劑進行常壓萃取操作,提取液在溫度為90℃、真空度為0.09ＭＰａ的條件下進行減壓蒸餾濃縮,同時回收丙酮。用丙酮提取辣椒紅的過程實質上是液固之間通過相際接觸表面進行的傳質過程,傳質速率的快慢決定著傳質設備的尺寸及操作時間。該方法為了提高傳質速率,采用索氏提取器對粉末狀的干紅辣椒進行提取。稱取一定量的經濃縮的辣椒紅粗產品用一定量的正己烷進行萃取脫辣。

   色價定義為單位質量原料的提取物的吸光度。
 
　該方法操作簡單,色素回收率較大,產品得率高,但產品色價較小。由于色價值與辣度呈負相關性,說明該方法脫辣不夠徹底,對于以辣椒紅為主要產品且對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脂,油樹脂得率高、色價大、辣素含量低,便于分離。采用ｐＨ值大于10.37的丙酮(50%)溶液進行5次以上脫辣萃取可得到口嘗無辣味的紅色素。該方法工藝簡單、操作方便,所得色素的各項質量指標均符合ＦＡＯ/ＷＨＯ標準。

1.2　柱層析法據報道,辣椒中的辣椒素即使稀釋1:100000仍能感覺到辣味,這在很大程度上限制了辣椒色素的應用。因此,去掉辣味成分就成為提取分離辣椒紅色素工藝的關鍵步驟。用硅膠柱層析分離辣椒色素屬分配層析法,是根據色素和辣素的結構差異,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不同而達到分離效果。袁慶云研究了用硅膠柱層析分離辣椒紅色素,總結出以下工藝流程:

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

操作要領有:

1)加酶:加酶水解使細胞中與蛋白質、脂肪、糖類等結合的色素游離出來,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夜提取,經過濾后減壓濃縮。3)通過薄層層析尋找洗脫條件,當石油醚和食用級90%乙醇體積比=2∶1時展層效果最好。

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。

實驗所得紅色粘稠液經檢驗水分含量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,粗品經減壓蒸餾濃縮處理后進行柱層析脫辣精制操作。該試驗鑒于柱層析法的優點,采用尺寸規格較大的玻璃柱進行柱層析分離,選用粒徑74～152μｍ硅膠作填料,石油醚與丙酮的復配混合液(10:1)為展開劑進行柱層析。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。收集紅色素產品進行減壓蒸餾濃縮,用751分光光度計測定其色價Ｅ1%1ｃｍ(460ｎｍ)=56.5,色素回收率可達平均67.2%。

    針對現有文獻中大多介紹以紅辣椒為原料提取無辣味混合色素的方法但未對混合色素作進一步分離分析的問題,提出了采用柱層析對辣椒色素中的黃色素進行分離。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量的4%～2%,分離后的液體經減壓蒸餾得濃縮產物。通過此過程,不但可得到辣椒色素中的主要副產品———黃色素,而且相應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,選用吸附劑Ｘ和混合洗脫液用于中試,將辣椒色素中紅、橙、黃進一步分離,可以使低質量辣椒紅色素的色價和色調得到較大的提高。吳明光等采用柱層析分離技術,從辣椒果皮中分離出了游離型結晶辣椒紅色素單體,其含量大于95%,這是我國辣椒紅色素在劑型上的突破。

1.3　超臨界ＣＯ2流體萃取技術

   由于辣椒紅素的油狀特性使得采用有機溶劑萃取分離得到的辣椒色素產品中有較高的溶劑殘留,采取一般的洗脫劑方法產品很難達到聯合國糧農組織和世界衛生組織(ＦＡＯ/ＷＨＯ,1984)規定的最新標準,極大地影響了辣椒色素的實用和出口創匯。超臨界流體萃取是一種新型的化工分離技術。該技術的關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程。處于臨界點附近的流體不僅對物質具有極高的溶解能力,而且物質的溶解度會隨體系的壓力或溫度的變化而變化,從而通過調節體系的壓力或溫度就可以方便地進行選擇性地萃取分離不同物質。超臨界分離技術工藝簡單,能耗低,萃取溶劑無毒、易回收,所得產品具有極高的純度,殘留溶劑符合ＦＡＯ/ＷＨＯ要求。趙亞平等采用自行設計的超臨界ＣＯ2流體萃取設備進行辣椒色素提取。該設備主要由供氣系統、超臨界ＣＯ2流體發生系統、萃取分離系統、計量系統4部分組成,所有部件都國產化。實驗表明,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。在萃取過程中,根據ＵＶ3000紫外可見分光光度計測定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處測定吸光度,所得值即為色素的色價。從表2可以看出,用該方法萃取的辣椒色素各項質量指標均超過國家標準。
 
采用瑞士ＮＯＶＡ公司制造的超臨界萃取裝置對辣椒色素進行分離、提純。使產品符合ＦＡＯ/ＷＨＯ殘留溶劑標準要求(己烷含量≤25ｍｇ/ｋｇ)的最佳工藝參數是:萃取壓力18ＭＰａ,萃取溫度25℃,萃取劑流量2.0Ｌ/ｍｉｎ,萃取時間3ｈ。在最佳工藝條件下產品色價可達到342。韓玉謙等采用超臨界ＣＯ2流體萃取技術對色價100～180,溶劑殘留30×10-6～150×10-6的辣椒紅色素進行精制,實驗結果表明:當萃取壓力控制在20ＭＰａ以下時,辣椒紅色素的色價和色調幾乎不受損失,有機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到完全分離。研究發現,在超臨界ＣＯ2流體萃取辣椒色素的過程中使用助溶劑如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、β-隱黃質等和少量的β-胡蘿卜素。在兩步分段提取過程中,第一階段采用分離紅辣椒油和β-胡蘿卜素的技術保證了第二階段辣椒色素提取的富集,并使辣椒紅、黃色素比率達到1.8。在自行開發的多功能超臨界ＣＯ2流體萃取分餾裝置上對辣椒色素脫辣精制技術進行了研究,結果表明:在小于10.0ＭＰａ壓力下可萃取出黃色和辣味成分,保留紅色素;當壓力大于12.0ＭＰａ時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點,但由于超臨界設備一次性投資較大,目前我國在這一領域還未得到廣泛的應用。

1.4　其它

    采用兩步法萃取分離紅辣椒,即先用有機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,從而得到不含有機溶劑的紅色素和辣椒素,產量較單純用超臨界萃取方法提高5～7倍,且質量遠超過ＦＡＯ/ＷＨＯ(1984)標準。姚祖鳳、姜洪杰等以6種分離、提取方法進行了54次實驗,通過這些實驗了解到:辣椒紅色素的得率和質量與生產技術和工藝條件有著密切的關系。通過對比分析,可以比較這6種生產技術的先進性和實用性。