李甜甜，王飛，權(quán)喬鳳，韓志萍，李亞會(huì)，林意雯，李積華

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430000；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東湛江524001；3.海南省果蔬貯藏與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江524001；4.海南省種子總站，海南?？?70100；5.嶺南師范學(xué)院，廣東湛江524001）

辣椒營養(yǎng)成分豐富，富含蛋白質(zhì)、脂肪、類胡蘿卜素、維生素及鈣、磷和鐵等微量元素[1-2]。其中，辣椒紅素（C40H56O3）是類胡蘿卜素的重要組成部分，約占其總量的50%[3]，是類胡蘿卜素在雙功能酶辣椒紅素合成酶作用下酶解而成的天然產(chǎn)物[4]。辣椒紅素屬共軛多烯烴含氧衍生物，系脂溶性天然色素，具有抗氧化、抗癌、抗輻射、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、調(diào)節(jié)免疫等功效[5-9]，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品及飼料添加劑等領(lǐng)域[10-11]。

在食品添加劑領(lǐng)域，辣椒紅素憑借色價(jià)高、著色力強(qiáng)、保色效果好和安全性高等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，被聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）和世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）列為A類色素，即在使用中可以不限量添加[15-16]，并且被中國、美國、英國和日本等國家審定為無限制性使用的天然食品添加劑，逐步替代合成色素[17-18]。目前，辣椒紅素已成為辣椒深加工產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展發(fā)向，具有廣闊的市場潛力。世界上辣椒紅素主要生產(chǎn)國有美國、日本、英國和加拿大，占據(jù)辣椒紅素市場份額48%以上。憑借純度及色價(jià)高等優(yōu)勢，其辣椒紅素市場價(jià)格約為15萬美元/噸，遠(yuǎn)高于我國的3.5萬美元/噸。相比于英國、美國、日本等國家，我國辣椒紅素的加工技術(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)還存在一定差距，主要由于加工產(chǎn)業(yè)缺乏競爭優(yōu)勢，加工體系存在技術(shù)壁壘，產(chǎn)品得率和純度有待進(jìn)一步提升[19]。目前，國內(nèi)外研究主要集中在辣椒紅素的提取和應(yīng)用方面，而對于預(yù)處理工藝，尤其是干燥方式和粉碎工藝對辣椒紅素的色價(jià)和得率的影響研究尚顯不足。目前，常用的干燥方式主要有熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥兩種方法[20]。熱風(fēng)干燥是以熱空氣為干燥介質(zhì)，通過汽化排出物料表面及內(nèi)部水分，同時(shí)會(huì)造成部分脂類物質(zhì)降解[21]。王蓉蓉等[22]對檸檬的熱風(fēng)干燥工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明最優(yōu)干燥溫度為70℃，并且干燥時(shí)間隨著溫度的增大而縮短。Li等[23]研究表明熱風(fēng)干燥會(huì)造成南美對蝦二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）及二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）營養(yǎng)物質(zhì)損失，同時(shí)降低磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等脂質(zhì)指標(biāo)。真空冷凍干燥是通過升華使物料脫水，能最大限度保持物料營養(yǎng)成分。張志強(qiáng)等[24]采用真空冷凍干燥技術(shù)對香蔥進(jìn)行干燥，最大限度地保持了香蔥的色、香、味和營養(yǎng)成分，而且凍干香蔥保存時(shí)間延長，極易復(fù)水復(fù)原。高加龍等[25]研究表明牡蠣在-40℃、20 Pa條件下冷凍干燥，復(fù)水比高達(dá)3.68，同時(shí)能夠保持原料營養(yǎng)成分。

另一方面，原料粒度尺寸及均勻性對天然產(chǎn)物的提取率及純度也有重要影響。楊柏崇[26]研究表明原料粉碎度越大，提取速度越快，提取效率越高，這是由于粒度越小，營養(yǎng)成分越容易從細(xì)胞內(nèi)部溶出。但是，粉碎度過大，粒度尺寸過小則會(huì)影響有機(jī)溶劑擴(kuò)散，使提取效果減弱[27]。趙永彬[28]對胡蘿卜渣提取類胡蘿卜素的工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提取物浸出速度隨粒度減小而加快，粒度為1mm時(shí)，提取率為68.8%，但當(dāng)粒度減少至0.25mm時(shí)，提取率高達(dá)88.0%。但是當(dāng)粒度過小時(shí)，物料的吸附作用增強(qiáng)，直接影響擴(kuò)散速度和提取率。

因此，不同的預(yù)處理工藝會(huì)造成物料物化性質(zhì)的差異性，從而影響辣椒紅素的色價(jià)和得率。本研究選取新疆焉耆干紅辣椒為研究對象，采用熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥兩種方式進(jìn)行干燥處理，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)確定最優(yōu)化粉碎條件，通過有機(jī)溶劑法（正己烷）提取辣椒紅素粗提物。以色價(jià)和得率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較不同預(yù)處理工藝對辣椒紅素的差異性，探究干燥方式和篩選目數(shù)對辣椒紅素色價(jià)和得率的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆焉耆干紅辣椒：市售；正己烷、丙酮、硫酸、鹽酸、乙醇、石油醚（均為分析純）、甲醇（色譜純）：湛江市科銘科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)（UV1780）：日本島津公司；電熱鼓風(fēng)箱（WGLL-230BE）：吳江超宇烘箱制造有限公司；真空冷凍干燥機(jī)（ALPHA 2-4）：德國CHRIST公司；多功能粉碎機(jī)（FLBP-1000A）：上海非力博食品機(jī)械有限公司；凱氏定氮儀（KJELTEC8400）：瑞典福斯公司；高效液相色譜（ACQUITY H-Class）、質(zhì)譜儀（QDA）：WATERS科技有限公司；折射儀（PAL-1）：日本ATAGO公司；激光粒度分析儀（MS3000）：英國馬爾文儀器有限公司；掃描電子顯微鏡（S-4800）：日本Hitachi公司。

1.3 測定及分析方法

1.3.1 辣椒預(yù)處理及提取工藝

采用熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥對粉碎后過20、60、100目篩的辣椒粉進(jìn)行研究。熱風(fēng)干燥過程中考察不同干燥溫度（60、70、80℃）對辣椒紅素色價(jià)和得率的影響，真空冷凍干燥考察不同干燥時(shí)間（24、48、72 h）對辣椒紅素色價(jià)和得率的影響。

取辣椒粉20.0 g，置于裝有正己烷的燒瓶中，在恒溫60℃、轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下振蕩回流、提取1 h，提取后過濾。濾液經(jīng)濃縮干燥后即為辣椒紅素粗提物。

1.3.2 辣椒基本成分測定

辣椒紅素：用甲醇溶解少量辣椒紅素粗提物，流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液，B為乙腈；進(jìn)樣量2 μL；流速0.4 mL/min；等度洗脫（6 min，A相5%，B相95%）。

辣椒素：用甲醇溶解少量辣椒紅素粗提物，流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液，B為乙腈；進(jìn)樣量2 μL；流速0.4 mL/min；梯度洗脫（0～0.5 min，A 相 80%，B 相20%；0.5 min～3.5 min，A 相 5%，B 相 95%；3.6 min～6 min，A相80%，B相20%）。

粗蛋白：準(zhǔn)確稱取1.0 g試樣至消化管中，依次加入0.4 g CuSO4，6 g K2SO4及20 mL濃H2SO4進(jìn)行消化。當(dāng)達(dá)到420℃后，消化1 h取出，待其冷卻后加入50 mL H2O，通過凱氏定氮儀測定粗蛋白含量。

粗纖維：參照GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》，稱取5.0 g試樣在200 mL 1.25% H2SO4溶液中微沸30 min。過濾后用沸水洗滌至洗液中性，在105℃烘箱中烘干、稱量。

總灰分：參照GB/T5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定》，稱取2.0 g試樣在550℃灼燒4 h，若殘?jiān)刑苛?，滴入少許水潤濕，再次灼燒至無炭粒，重復(fù)灼燒至前后兩次稱量相差不超過0.5 mg即為恒重。

酸不溶性灰分：參照GB/T 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定》，用25 mL 10% HCl溶液將總灰分洗入100 mL燒杯中，水浴加熱至溶液透明，用無灰濾紙過濾，洗滌殘留物至中性，在550℃灼燒30 min后冷卻稱重。

粗脂肪：參照GB/T 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測定》，稱取試樣5.0 g，置于石油醚中。水浴加熱，回流抽提7 h。將試樣在105℃干燥1 h，冷卻后稱量。重復(fù)上述操作直至恒重（兩次稱量的差不超過2 mg）。

可溶性固形物：參照NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測定折射儀法》，稱取辣椒100.0 g，加入蒸餾水，放入搗碎機(jī)中搗碎，用紗布擠出勻漿汁液進(jìn)行測定。

水分含量：參照GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》，稱取5.0 g試樣在105℃干燥3 h，冷卻后稱量。重復(fù)上述操作直至恒重（兩次稱量的差不超過2 mg）。

1.3.3 辣椒干燥過程質(zhì)量損失率的計(jì)算

質(zhì)量損失率計(jì)算公式如下。

式中：P為干燥過程損失率，%；M1為干燥前質(zhì)量，g；M2為干燥后質(zhì)量，g。

1.3.4 辣椒紅素最大吸收波長

稱取適量辣椒粉，采用有機(jī)溶劑法（正己烷）提取辣椒紅素。取1 mL提取液置于100 mL容量瓶中，用正己烷定容，測定該溶液在波長400 nm～500 nm的吸光度，如圖1所示。辣椒紅素在正己烷溶液中的最大吸收波長為460 nm，在此波長測定誤差最小。

圖1 辣椒紅素吸收光譜Fig.1 Absorbance spectrogram of capsanthin

1.3.5 辣椒紅素色價(jià)測定方法

參照GB 1886.34-2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑辣椒紅》規(guī)定的方法測定[29]。精確稱取0.1 g試樣，用丙酮稀釋于100 mL容量瓶中，再精確吸取稀釋溶液10 mL，稀釋至100 mL，用紫外可見分光光度計(jì)在460 nm波長處，丙酮作參比液，于1 cm比色皿中測定其吸光度，計(jì)算公式如下。

1.3.6 辣椒紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線

精確稱取0.5 mg辣椒紅素標(biāo)準(zhǔn)品，用丙酮稀釋定容在1mL離心管中，配成0.5mg/mL辣椒紅素標(biāo)準(zhǔn)品溶液。分別取標(biāo)準(zhǔn)液 0.001、0.002、0.004、0.006、0.008 mL置于1 mL離心管中，用丙酮定容至刻度并靜置l0 min。以丙酮為參照，于460 nm處測定吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo)、辣椒紅素濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[30-31]，如圖2所示。

圖2 辣椒紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of capsanthin

標(biāo)準(zhǔn)曲線確定的質(zhì)量濃度與其所對應(yīng)吸光度的關(guān)系為 y=5.458 9x+0.007 6（R2=0.996 4）。

1.3.7 辣椒紅素得率計(jì)算方法

精確稱取0.01 g辣椒紅素粗提物，用丙酮稀釋定容于10 mL容量瓶中，不斷振蕩約10 min。再取1 mL辣椒紅素粗提物溶液于10 mL的容量瓶中，用丙酮定容[32]。采用紫外可見分光光度計(jì)在460 nm處測定吸光度，丙酮作參比液，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算粗制辣椒紅素的濃度，計(jì)算公式如下。

式中：X為辣椒紅素得率，%；m1為辣椒紅素質(zhì)量，g；m2為辣椒粉質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒基本成分分析

辣椒基本成分及含量見表1。

表1 辣椒基本成分及含量Table 1 The basic components and contents of red chilli

從表1中可以看出，原料中粗蛋白、粗脂肪及粗纖維含量較高，分別為10.85%、14.00%、13.80%。辣椒紅素含量為50.56 mg/kg，高于其它品種，如四川短指型辣椒（辣椒紅素含量僅為40.00 mg/kg[33]）。結(jié)果表明該品種辣椒適合作為辣椒紅素提取的原料。

2.2 干燥方式對辣椒指標(biāo)變化的影響

辣椒干燥過程指標(biāo)變化見表2。

表2 辣椒干燥過程指標(biāo)變化Table 2 The index change of red chilli during drying process

從表2可以看出，辣椒在60、70、80℃下干燥4 h后，水分含量由10.80%分別降至 4.12%、2.16%、1.75%，水分損失率略低于質(zhì)量損失率，這是由于隨著溫度升高，加速了水分揮發(fā)速率，水分含量逐漸減少，同時(shí)伴隨著部分有機(jī)物質(zhì)揮發(fā)及脂類物質(zhì)降解。真空冷凍過程中，水分含量隨著凍干時(shí)間的延長而逐漸降低，在去除結(jié)合較強(qiáng)吸附水的過程中伴隨易揮發(fā)物質(zhì)的揮發(fā)，水分損失率與熱風(fēng)干燥差別不大。通過干燥后水分含量的比較，熱風(fēng)干燥效果要優(yōu)于真空冷凍干燥，可以加快原料干燥速度，達(dá)到較低水分含量。并且熱風(fēng)干燥耗時(shí)少能耗低，便于下一步加工工藝。綜合考慮干燥效果及成本，熱風(fēng)干燥可以達(dá)到最佳干燥效果。

2.3 粉碎前后粒度變化

為進(jìn)一步提高辣椒紅素提取效率，對原料在熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥后進(jìn)行粉碎處理，分別過20、60、100目篩，粒徑尺寸與分布結(jié)果如表3與圖3所示。

圖3 篩選后粒徑尺寸分布圖Fig.3 The distribution of particle size through different mesh sieve

表3 篩選后粒徑尺寸比較Table 3 Comparison of particle size through different mesh sieve

由于篩選目數(shù)直接影響粒徑尺寸范圍，兩種干燥處理后粒徑尺寸隨著篩選目數(shù)的增加而減小，且粒徑尺寸大體相同。但熱風(fēng)干燥后過100目篩，其粒徑尺寸出現(xiàn)兩個(gè)峰，可能是由于粉體尺寸過小發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而造成粒徑增大，同時(shí)解釋了熱風(fēng)干燥后平均尺寸283.8 μm，略高于真空冷凍干燥后197.2 μm。

不同干燥方式篩選后樣品掃描電鏡圖見圖4。

圖4 不同干燥方式篩選后樣品掃描電鏡圖Fig.4 SEM spectrogram of samples passed through different mesh sieves

通過掃描電鏡圖（放大倍數(shù)45倍）觀察，顆粒尺寸變化與粒度分析結(jié)果一致，隨篩選目數(shù)增加逐漸減小，但真空冷凍干燥顆粒均勻性明顯優(yōu)于熱風(fēng)干燥，同時(shí)粒徑尺寸略低于熱風(fēng)干燥的963.5 μm。這是由于熱風(fēng)干燥后水分含量較低，更易于粉碎，尺寸較小的顆粒由于表面靜電引力作用產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)而造成的結(jié)果。

2.4 不同預(yù)處理工藝對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響

2.4.1 篩選目數(shù)對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響

篩選目數(shù)決定粒徑尺寸與分布，從而影響提取的辣椒紅素得率與色價(jià)。圖5為篩選目數(shù)對辣椒紅素得率與色價(jià)影響的單因素試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 篩選目數(shù)對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響Fig.5 Effect of different mesh sieve on the yield and color value of capsanthin

從圖5中可以看出，當(dāng)篩選目數(shù)由20目增大到60目時(shí)，辣椒紅素的得率和色價(jià)減小，而繼續(xù)增大篩選目數(shù)，得率和色價(jià)趨于穩(wěn)定，說明當(dāng)篩選目數(shù)大于60目（粒徑：450 μm）時(shí)，粒徑對于辣椒紅素得率和色價(jià)的影響不大。而當(dāng)篩選目數(shù)由20目（粒徑：950 μm）增加至60目（粒徑：450 μm）時(shí)，得率和色價(jià)由0.96%、54分別降至0.77%、44，這是由于隨著粒徑減小，色素及其它物質(zhì)的溶解阻力也隨之減小，但過小則會(huì)影響溶劑的擴(kuò)散速度，致使提取不完全。因此，確定最優(yōu)篩選目數(shù)為20目。

2.4.2 熱風(fēng)干燥溫度對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響

圖6為不同干燥溫度對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響結(jié)果。

圖6 不同干燥溫度對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響Fig.6 Effect of different temperature on the yield and color value of capsanthin

由圖6可知，隨著干燥溫度升高，辣椒紅素得率和色價(jià)先升高后降低，在70℃時(shí)，得率和色價(jià)均達(dá)到最高值，分別為1.23%和68.2。這是因?yàn)楦稍餃囟鹊陀?0℃時(shí)，辣椒紅素達(dá)不到浸出條件，從而影響辣椒紅素提取效率。但當(dāng)干燥溫度高于70℃時(shí)，色素浸出的同時(shí)伴隨著揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)，從而影響得率，而且溫度過高會(huì)將顯色物質(zhì)氧化，導(dǎo)致粗提物顏色變暗，造成色價(jià)降低[34]。綜合考慮辣椒紅素的得率及色價(jià)，熱風(fēng)干燥最優(yōu)條件為在70℃干燥4 h。

2.4.3 真空冷凍干燥時(shí)間對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響

圖7為不同凍干時(shí)間對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響結(jié)果。

圖7 不同凍干時(shí)間對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響Fig.7 Effect of different freeze time on the yield and color value of capsanthin

由圖7可知，隨著凍干時(shí)間的延長，辣椒紅素色價(jià)呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，得率相對穩(wěn)定，在凍干48 h時(shí)達(dá)到最大值，分別為55.78、1.00%。這是由于原料在冷凍干燥過程中可以去除部分水分及雜質(zhì)，隨著凍干時(shí)間的延長水分含量降低，從而提高辣椒紅素的得率和色價(jià)。但隨著凍干時(shí)間進(jìn)一步延長，水分含量降低至1.93%，粉碎后尺寸較小的顆粒由于表面靜電引力作用產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)，阻礙了提取時(shí)有機(jī)溶劑的有效擴(kuò)散和色素的浸出。因此，真空冷凍干燥最優(yōu)化凍干時(shí)間為48 h。

2.5 不同預(yù)處理工藝對辣椒紅素得率和色價(jià)的影響機(jī)制分析

不同預(yù)處理工藝獲得的辣椒紅素得率和色價(jià)的比較結(jié)果見表4。

從表4可以看出，對辣椒原料進(jìn)行干燥處理后，辣椒紅素的得率和色價(jià)均提高，這是由于過多水分的存在會(huì)降低辣椒紅素的浸出，造成提取過程的不充分，說明合適的干燥處理工藝是辣椒紅素高效提取的關(guān)鍵條件。干燥后物料水分的降低，使物料在粉碎過程中更易破壁，加快辣椒紅素在有機(jī)溶劑中的浸出效率。熱風(fēng)干燥以熱空氣為干燥介質(zhì)，通過汽化過程排出物料表面及內(nèi)部水分，具有干燥速度快、干燥效率高等優(yōu)點(diǎn)，而真空冷凍干燥通過升華過程使物料脫水，可以最大限度保持物料營養(yǎng)成分。正是由于兩者干燥機(jī)理和效果有所差別，造成熱風(fēng)干燥（70℃、4 h）的辣椒紅素的得率與色價(jià)優(yōu)于真空冷凍干燥方式（48 h）。熱風(fēng)干燥后水分含量降低至2.16%，相比于真空冷凍干燥工藝，更易于進(jìn)行粉碎處理及提取，而且真空冷凍干燥保持了原料中大部分脂類物質(zhì)，從而降低了提取的辣椒紅素純度，造成色價(jià)的下降。在粉碎階段，原料粒徑越小，表面能增加，浸出速度加快，提取效率增加，但是粒徑過小會(huì)造成顆粒表面積過大，吸附作用增強(qiáng)，從而降低擴(kuò)散速度，阻礙辣椒紅素色素浸出，這與2.4.1試驗(yàn)結(jié)果相一致。

表4 不同預(yù)處理工藝獲得辣椒紅素得率和色價(jià)的比較Table 4 Comparison of different pre-treatment conditions on the yield and color value of capsanthin

3 結(jié)論

通過討論不同干燥方式和篩選目數(shù)對辣椒紅素得率及色價(jià)的影響機(jī)制，確定辣椒紅素最優(yōu)預(yù)處理工藝。結(jié)果表明：辣椒紅素的得率和色價(jià)隨著篩選目數(shù)的增大而減小，從而確定最優(yōu)化篩選目數(shù)為20目。由于水分含量及顆粒尺寸的影響，原料通過熱風(fēng)干燥（70℃、4 h）所提取的辣椒紅素的得率和色價(jià)分別為1.23%、68.20，優(yōu)于真空冷凍干燥最優(yōu)化條件（48 h）下的 1.00%、55.78。