辣椒碱类化合物的萃取、生物活性及其在食品保鲜中的应用*

曹珍珍，周林燕，李淑荣，李亚茹，张乐，2，魏明，2，彭春红，2

1 (中国农业科学院农产品加工研究所，北京，100193) 2 (福建农林大学食品科学学院，福建 福州，350002)

我国辣椒种植面积133 万hm2，总产量2 800 万t，均居世界第一位。辣椒已成为我国许多地区的主要经济支柱，目前辣椒种植面积超过6.7 万hm2的有江西、贵州、湖南、河南、四川、河北、陕西和湖北等8大省［1］。

随着辣椒产业和辣椒深加工技术的不断发展，辣椒深加工产业获得飞跃性发展。辣椒深加工产品主要有辣椒红素、辣椒碱类化合物及辣椒籽油等。目前我国辣椒红素的生产已形成规模化。而生产辣椒红素的副产物辣椒精虽然产量大，但因存在成分复杂、溶残量大、异味重、辣椒碱类化合物含量差异大等问题，基本不能直接作为添加剂应用于食品中。采用合理的工艺从辣椒精中萃取辣椒碱类化合物，或研究同时分离萃取辣椒红素和辣椒碱类化合物的方法，减少辣椒加工的废弃物，将有利辣椒资源的充分利用。

辣椒碱类化合物是引起辣椒辛辣味的主要化学物质，是由多种结构相近的化学物质组成的一类物质。研究表明辣椒碱类化合物具有多种生物活性，在医学、农药、军事、食品、涂料及减肥保健等领域有广泛应用。本文主要对目前辣椒碱类化合物的萃取及其在食品保鲜方面的研究及应用进行介绍和讨论。

1 辣椒碱类化合物

辣椒(Capsicum annuum L. )属于茄科(Solanaceae)茄亚族(Solaninae Dunal)辣椒属(Capsicum)一年或多年生植物。辣椒中的辣味成分最早由Thres(1876)从辣椒果实中分离出来，并命名为辣椒碱(capsaicin)，又称辣椒素;Nelson(1919)报道了辣椒碱的结构，为一种酰基化的香草酸同源同系物高香草酸(homovanillic)［2］。此后又发现了辣椒碱的一系列同系物，至今已有14 种以上。辣椒碱类化合物中最主要的5 种单体和含量分别为辣椒碱(capsaicin)69%、二氢辣椒碱(dihydrocapsaicin)22%、降二氢辣椒碱(nordihydrocapsaicin)7%、高二氢辣椒碱(homodihydrocapsaicin)1%、高辣椒碱(homocapsaicin)1%，其中辣椒碱和二氢辣椒碱占辣椒碱类化合物总量的90%以上。

辣椒碱(capsaicin)是辣椒碱类化合物中含量最高的一种，是辣椒中引起辛辣味的主要化学物质，其化学名称为8-甲基-6-癸烯香草基胺，分子式为C18H27NO3。辣椒碱的热稳定性高，通常条件下纯品为白色晶体，熔点为65℃，沸点为210 ～220℃。辣椒碱在水中结晶者为白色片状结晶，在石油醚中结晶者为鳞片状结晶。辣椒碱几乎不溶于冷水，能溶于乙醇、乙醚、丙酮、石油醚、油脂等有机溶剂和碱溶液，微溶于二硫化碳，高温下产生刺激性蒸汽，碱性、光照下易损失。

辣椒碱类化合物的合成受遗传基因控制，Curry等［3］的研究表明，Pal、Ca4h 和Comt 3 种基因的转录水平都与辣椒果实胎座中辣味程度明显相关，在最辣的品种中，这3 种基因的转录水平最高;在不具辣味的果实中，转录水平最低。辣椒碱类化合物首先在果实胎座表皮细胞的液泡中形成积累，之后通过子房隔膜运输到果肉表皮细胞液泡中积累。

不同品种间辣椒碱类化合物含量差异极大，蒋健箴等［4］对我国20 个辣椒品种中辣椒碱类化合物的含量进行了研究，结果表明辣椒碱类化合物含量在0.195% ～0.548%，大多数品种辣椒碱类化合物含量在0.2% ～0.3%。辣椒碱类化合物在果实中含量分布也极不均匀，胎座中含量最高，果肉次之，种子最低。辣椒品种、生长环境、发育阶段、不同部位、贮藏条件等因素都会对辣椒碱类化合物的含量产生影响。Yaldiz 等［5］认为，不同的辣椒品种在不同收获期和不同干燥条件下所得的辣椒碱类化合物含量存在差异。烘箱干燥和太阳能隧道烘干机干燥所得的辣椒碱类化合物含量较传统的光照干燥方法高。

2 辣椒碱类化合物萃取方法

目前，萃取辣椒碱类化合物的原料主要为干红辣椒和萃取辣椒红色素后剩余的辣椒精，萃取方法主要有溶剂萃取法、微波辅助萃取法、超声波辅助萃取法、超临界CO2流体萃取法和酶法萃取等方法。

2.1 溶剂萃取法

传统的溶剂萃取法以干红辣椒为原料，经粉碎后采用有机溶剂反复抽提、浓缩，再用石油醚或正己烷结晶得到辣椒碱结晶。常用有机溶剂有正己烷、乙醇、丙酮、三氯甲烷、二氯乙烷、甲醇等。出于对辣椒碱类化合物产品安全卫生的考虑，研究者多以正己烷、乙醇、丙酮等为萃取剂，其中以乙醇最为常用。施飞群［6］采用高浓度乙醇萃取辣椒红色素，低浓度乙醇萃取辣椒碱类化合物的方法，从干辣椒中分别萃取出萃取率为6% ～8%的辣椒碱类化合物和萃取率为3% ～4%的辣椒红色素。朱妞等［7］以体积分数75%乙醇为萃取剂，通过均匀试验得出萃取辣椒碱类化合物的最佳工艺参数为:原料粒度100 目，萃取温度75℃，料液比1∶14，萃取时间2h，辣椒碱类化合物萃取率49.6%;萃取次数为3 次时，萃取率75.3%。该方法具有浸提能力大、易于大量生产、可以实现辣椒碱类化合物与辣椒红色素综合开发的优点，但是该方法工艺复杂，所萃取的辣椒碱类化合物杂质含量高、回收率低、精制难度大。此外，根据辣椒碱类化合物分子中含有的酚羟基呈弱酸性，可与强碱发生反应的原理，部分研究者以NaOH 溶液为萃取剂进行了探索。如赵爱云等［8］以辣椒精为原料，考察辣椒碱类化合物的NaOH 溶剂萃取法，确定最佳工艺条件:NaOH 质量分数20%，浸泡时间2 h，浸泡温度80℃，液固比9 mL∶1g;胡震等［9］以朝天椒为原料，考察酸碱法萃取辣椒碱类化合物的工艺条件，确定最佳工艺条件:NaOH 质量分数20%、NaOH 用量150 mL、浸泡时间3 h、浸泡温度60℃，该条件下辣椒碱类化合物得率为12.942 2 mg/15 g 辣椒。

2.2 微波辅助萃取法

微波辅助萃取法是利用高频率电磁波直接与被分离物作用、使样品基体内不同成分间发生反应差异、从而使被萃取物与基体快速分离的新方法。微波辅助萃取法具有萃取速度快、萃取效率高的优点，在天然产物有效成分的萃取中具有广阔的应用前景。陈猛等［10］对微波辅助萃取法在辣椒碱类化合物萃取上的应用做了探索性的研究，确定250 W、120 kPa、120 s、体积分数65%乙醇为最佳萃取条件，该条件下的萃取率为2.78 mg/g，回收率为98.5%，均高于室温浸提(体积分数95%乙醇为萃取剂)和45℃浸提(丙酮为萃取剂)的萃取率和回收率，同时大大节约了萃取时间。高艺［11］等通过实验确定微波辅助萃取干辣椒中辣椒碱类化合物的最佳工艺为:乙醇体积分数65%、处理时间2.5 min、液-固比10∶1、微波功率455 W，此条件下所得的辣椒碱类化合物得率与索氏萃取5 h 的得率相当，远高于超声萃取40 min 的得率，更远远高于水浴热浸提和室温浸提2 种方法。微波辅助萃取法热效率高、处理时间短、可有效地保护有效成分、辣椒碱类化合物得率高，且溶剂用量少。

2.3 超声波辅助萃取法

超声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动，从而产生强烈振动、高加速度、空化效应及搅拌作用等，加速植物材料中的有效成分进入溶剂，进而增加有效成分的萃取率，缩短萃取时间，并避免高温对萃取成分的影响。朱妞等［12］采用超声波辅助萃取法从干红辣椒中萃取辣椒碱类化合物，确定最佳工艺参数为:原料粒度80 目、料液比1 ∶15、乙醇体积分数70%、萃取温度60℃、超声波频率28kHz、功率120 W、萃取时间20 min。在此最佳工艺条件下，辣椒碱类化合物产量为2.819 mg/g，萃取率为64.2%;萃取次数为3 次时，萃取率为89.4%。吴丽威等［13］采用微波和超声波辅助萃取联用的方法从辣椒粉中萃取辣椒碱类化合物，最佳条件为:20 mL 质量分数5%NaOH 浸取5 min、样品溶液pH =6.0、90%丙酮为气化剂、微波功率380 W、处理时间90 s。在此最优条件下，辣椒素和二氢辣椒素的萃取率与溶剂萃取法相比均有所提高，分别为2.26 mg/g 和1.40 mg/g。张阳等［14］采用超声—索氏萃取联合工艺，通过单因素和正交实验，确定广西指天椒中辣椒碱类化合物的最佳萃取条件为超声功率160 W、超声时间45 min、索氏萃取虹吸次数30 次、索氏萃取时间3 h。该条件下辣椒碱类化合物的萃取率为90.90%，高于索氏萃取法和超声波萃取法单独使用时的萃取率。超声波萃取法在辣椒碱类化合物萃取上的应用为辣椒碱类化合物萃取的一个新方向，目前该方法的应用及其与其他方法的联合应用均有报道。

2.4 超临界CO2 流体萃取法

超临界流体萃取(supercritical fluid extraction，SFE)是利用处于临界压力和临界温度以上的流体具有特殊的溶解能力而发展起来的新分离技术。该技术通过温度和压力的调节，能从萃取物中完全除去残留流体，并可以在较低温度和无氧环境下操作，特别适合于一些热敏性物质和易氧化物质的分离、萃取;而且此方法无溶剂污染问题、产率高、溶剂经加压后可重新循环使用、能耗低。

赵亚平［15］采用超临界CO2流体萃取法从干辣椒中萃取辣椒碱类化合物，综合考虑了温度、压力、流量、原料粒度等因素的影响，认为压力低于100 MPa，温度在50 ～60℃时，能得到较纯的辣椒碱类化合物。周雯雯［16］采用正交实验方法确定了超临界CO2流体萃取辣椒红素和辣椒碱类化合物的最佳工艺，即原料辣椒粉碎度为40 ～80 目、萃取压力为20MPa、萃取温度为40℃、分离压力为10 MPa、分离温度为50℃、CO2流体流量为20L/h、萃取时间为3h。在此工艺条件下，所得辣椒红色素色价为227.15，得率为9.54%;辣椒碱类化合物含量为14.75%，得率为3.19%。采用超临界CO2流体萃取法与传统方法相比，大大提高了萃取效率，并可将辣椒碱类化合物与辣椒红色素有效分离，达到同时萃取分离二者的目的。此外，超临界CO2流体萃取法以CO2为萃取剂，不使用其他有机溶剂，更适合应用于食品。邓传波［17］对乙醇-超声波萃取物、超临界CO2流体萃取物、市售晨光辣椒碱产品进行GC-MS 和感官评价分析，得出乙醇-超声波萃取法和超临界CO2流体萃取法两种方法所得产品中的挥发性气味物质较少，主要为烷类、酯类、烯类，不含醇类、酮类等，更安全、更符合人们绿色饮食的需求。目前该方法在辣椒碱类化合物的萃取中应用逐渐增多。

2.5 酶法萃取

酶法萃取主要是在原料中加入纤维素酶等，利用酶解的作用将辣椒素从组织中暴露出来，从而提高萃取效率。罗仓学等［18］利用纤维素酶从陕西兴平线椒中萃取辣椒碱类化合物，研究表明酶解初始pH 5.2、酶活16 567 U/g、酶量为7 mg/g、酶解时间3 h、酶解温度40℃为最佳萃取条件，辣椒碱类化合物产量为3.096 mg/g，比传统的乙醇萃取法提高了约16%。该方法萃取时间短，温度要求低。此外，赵宁等［19］对纤维素酶萃取辣椒碱类化合物的酶解条件进行了研究，确定酶解最优条件为:酶解温度45℃、酶解液初始pH=5.4、酶解时间3 h、酶量7.5 mg/g 辣椒，辣椒碱类化合物产量比传统萃取方法提高了30%。郭庆祝等［20］对酶法萃取辣椒碱类化合物的最佳酶解条件进行了研究，确定纤维素酶的最佳酶解条件为:酶解温度45℃、酶解液初始pH =5.4、酶解时间3h、酶量为7.5 mg/g 辣椒，此条件下辣椒碱类化合物产量为7.18 mg/g，比传统浸提法提高了30%。

3 辣椒碱类化合物的生物活性及其在食品保鲜中的应用

3.1 抗氧化能力

辣椒碱类化合物具有一定的抗氧化能力。Kogure 等［21］的研究表明，辣椒碱类化合物具有显著的抗油脂氧化能力，其抗氧化能力甚至高于生育酚，主要通过清除DPPH 自由基起抗氧化作用。康雅等［22］对辣椒碱类化合物的还原力、自由基清除能力及其对菜籽油的抗氧化作用进行了研究。结果表明辣椒碱类化合物的还原力随着浓度的增大而增强，当辣椒碱类化合物浓度大于0.32 mg/mL 还原力迅速增强，0.48 mg/mL 辣椒碱类化合物的还原力是1.26 mg/mL 抗坏血酸的3.3 倍;辣椒碱类化合物浓度从0.08 mg/mL 增加到0.48 mg/mL 时，其对DPPH·的清除率增加了1.5 倍、对·OH 的清除率增加了7.4倍、对O-2·的清除率增加了2.1 倍;作用时间相同时，2.4 mg/mL 的抗坏血酸与9.17 mg/mL 的辣椒碱类化合物对菜籽油的抗氧化作用相近。辣椒碱类化合物对菜籽油的抗氧化作用随时间的延长而减弱。

3.2 抑菌性

辣椒碱类化合物是一种天然的广谱抑菌剂，具有较强的拮抗病原菌活性。它对细菌、酵母菌有明显的抑菌性，而对霉菌的抑制作用较差。近年来研究者在辣椒碱类化合物抗菌性方面做了大量的研究，研究结果如表1 所示。

从表1 可知，不同研究者的研究结果尚存在差异。如魏西玉［23］、郭丽［24］等认为辣椒碱类化合物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及枯草芽孢杆菌等常见致病菌有良好的抑制作用;而安中立［25］的研究则表明，辣椒碱类化合物对大肠杆菌的抑制作用一般;刘可春［26］的研究表明，辣椒碱类化合物对金黄色葡和大肠杆菌没有抑制作用。

此外，Jones 等［27］报道辣椒碱类化合物(10 g/mL)抑制胃病原菌-幽门螺旋杆菌的生长。Thyagarajan 等［28］报道辣椒碱类化合物可用于治疗肉毒梭菌产生的肉毒素所引起的神经疾病。

表1 辣椒碱类化合物的抑菌性［23-26］Table 1 Antibacterial activity of capsaicinoids

辣椒碱类化合物的抑菌效果与浓度、来源和pH值等有关。郭丽等［24］的研究表明，辣椒碱类化合物的抑菌性具有明显的量效关系，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等供试病原细菌的MIC 值为3.13 ～25 mg/mL，对啤酒酵母、葡萄酒酵母等供试病原真菌的MIC 值为50 ～100 mg/mL。魏玉西等［23］的研究表明，辣椒碱类化合物的抑菌作用受其浓度的影响，浓度在0.0125 mg/mL 以下无抑菌活性。黄肖苗等［29］对朝天椒、野山椒和长辣椒3 种辣椒的乙醇萃取物的抑菌活性进行了研究。结果表明，3 种辣椒中辣椒碱类化合物含量大小依次为朝天椒＞野山椒＞长辣椒;3 种辣椒乙醇萃取物中，野山椒的抑菌活性最高，朝天椒和长辣椒的抑菌活性基本相同。此外，辣椒碱类化合物的抑菌性与pH 值也有一定的关系。吴影等［30］研究表明，辣椒碱类化合物在中性环境中的抑菌效果好于酸性和碱性环境。

3.3 在食品保鲜中的应用

已有研究者探索将辣椒碱类化合物应用于豆干、番茄酱等加工食品的抑菌，或将其与其他保鲜手段联合应用于果蔬保鲜。Ejechi 等［31］发现，酚醛树脂和辣椒精油萃取物对番茄上的腐败真菌、酿酒酵母属、酵母属、热带假丝酵母菌、假丝酵母菌、球酵母属、地丝菌属、根霉属、曲霉属及镰刀菌属等有明显的抑制作用。10 mg/g NaCl 盐溶液浸泡与2 mg/g 酚醛树脂和1.3 mg/g 辣椒精油萃取物联合作用于番茄，番茄中的微生物数量稳定地下降，直至3 个月后微生物检不出;将上述条件与80℃、1 min 热烫联合作用于番茄，贮藏1 个月后微生物检不出。康雅［22］将28.7 mg/mL 辣椒碱类化合物应用于豆干的抑菌试验，添加量为0.14%，在中性环境中抑菌效果达到最好，即豆干菌落总数达到最低(164 CFU/g)，说明辣椒碱类化合物对豆干具有一定的防腐作用。郭丽等［23］将0.2 ～1 mL 自制辣椒碱类化合物添加到番茄酱中进行防腐试验，结果表明，在该剂量范围内，随着剂量的增加，番茄酱的pH 值、微生物数量等质量指标变化逐渐减慢;同时该剂量范围内的辣椒碱类化合物对番茄酱的色泽、质地等感官指标无影响，并增加了番茄酱的风味，说明辣椒碱类化合物可以应用于番茄酱的贮藏。Careaga 等［32］将伤寒沙门氏菌和绿脓杆菌接种到生牛肉中，研究辣椒萃取物的抑菌作用，结果表明辣椒萃取物浓度为1.5 mL/100 g 牛肉时对伤寒沙门氏菌有抑菌效果;辣椒萃取物浓度为0.3 mL/100g牛肉时对绿脓杆菌有抑菌效果，3 mL/100g 牛肉时杀菌效果，且NaCl 可以降低杀菌浓度。

4 结束语

目前辣椒碱类化合物的萃取方法很多，但受各方面条件限制，真正先进高效的萃取方法尚未得到大范围应用，仍需要不断改进萃取方法，提高萃取纯度、降低萃取成本，才有可能实现辣椒碱类化合物的工业化生产。

辣椒碱类化合物作为一种天然萃取物，具有优异的生物活性，而对人体无明显的毒副作用，在食品保鲜方面的应用有广阔的前景，但目前在应用方面的研究还不够广泛，如对单一菌种抑菌效果研究较多，对多菌种的抑制效果研究较少;对在加工食品中的应用研究较多，而对在鲜食食品中的应用研究较少;对其单一作用效果研究较多，对与其他保鲜手段联合应用的研究较少等。今后应在辣椒碱类化合物与其他保鲜手段结合、对不同品种食品的保鲜效果等方面进行更深入的研究，使其能够成为一种新的、安全的食品保鲜方法。

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