均匀设计法优化超临界CO2萃取辣椒红色素工艺研究

张学彬，田志聪，刘璐，程士奇，高丹，刘增博，时雅滨*

(1.北京交通大学海滨学院 化学工程系，河北 沧州 061199；2.黄骅市易简科技有限公司，河北 沧州 061100)

辣椒(Capsicum)，茄科辣椒属植物[1]，其果实中含有丰富的色素：辣椒红色素、辣椒玉红素、β-胡萝卜素和隐黄素等。

辣椒红色素(Capsanthin)，化学式C40H56O4，是成熟辣椒中天然红色素的主要成分[2]，深红色液体，无辣味，显色强度高出其他色素10倍左右[3]。辣椒红色素不溶于水，易溶于有机溶剂，因极性较强，难溶于超临界二氧化碳流体[4]。辣椒红色素对温度、酸碱和可见光稳定，色价、保色效果、着色能力和安全性较其他色素有明显优势[5]。中国国家标准(GB)、美国食品和药物管理局(FDA)、世界卫生组织(WHO)等将其审定为无限制性使用的天然食品添加剂[6]，主要用于食品、医药、日化、饲料等领域。

目前，辣椒红色素的提取方法主要有溶剂萃取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法、吸收法等[7]。其中超临界CO2流体萃取是一种绿色高效的提取方法，超临界流体(SCF)具有类似液体的密度、溶解能力和传热系数，同时还有类似气体的低粘度和高扩散系数，因而超临界流体有更好的传质性能，使得超临界萃取过程能在很短的时间内完成。但是由于影响辣椒红色素收率的因素较多[8]，而单因素试验无法描述因素间的耦合作用，多因素试验次数工作量过大，使得辣椒红色素萃取工艺过程中收率较低，最优工艺难以获得等问题。

本文选用均匀设计法[9]，以辣椒红色素收率为目标，考察萃取温度、萃取压力、萃取时间、原料颗粒度4个因素对辣椒红色素收率的影响，优化选择辣椒红色素萃取分离的工艺条件，并对筛选的最优工艺条件进行试验验证，为辣椒红色素的超临界流体分离工艺选择提供了依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

高压萃取釜 广州东塑石油钻采设备有限公司；DTT25WL气体增压泵 济南德科泵业有限公司；电子分析天平 上海卓精电子科技有限公司；RE-52旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；DC-0510恒温循环水浴锅 艾普仪器有限公司；101-OS电热鼓风恒温干燥箱、DF-101S集热式磁力搅拌器 上海邦西仪器科技有限公司； JJ-2组织捣碎匀浆机 上海汗诺仪器有限公司；TDL-80-2B台式离心机 上海安亭科学仪器厂；SHZ-D(Ⅲ)系列循环水式真空泵 浙江力辰仪器科技有限公司。

1.2 材料与试剂

干红辣椒：市购；CO2(纯度≥99.99%)：河北省黄骅市易华天成科技有限公司。

1.3 试验流程

取干红辣椒原料，冷水清洗，于烘箱中50 ℃烘干，样品粉碎后粉末筛分，选取颗粒度50～150目的样品备用。

分别将10 g不同颗粒度的辣椒粉末装入萃取釜，萃取釜中冲入CO2，设置萃取温度、萃取压力和萃取时间，分离提取辣椒红色素。计算辣椒红色素的收率：收率=提取辣椒红色素样品质量(g)/干红辣椒原料质量(g)×100%。

1.4 设计试验

1.4.1 单因素试验

分别研究温度、压力、萃取时间和颗粒度对辣椒红色素收率的影响。

1.4.2 U6(64)均匀设计法

选取萃取温度、萃取压力、萃取时间和原料颗粒度4个因素，进行均匀设计法U6(64)四因素六水平优化辣椒红色素提取工艺，见表1。

表1 超临界CO2萃取辣椒红色素工艺均匀设计试验U6(64)因素水平表Table 1 The factors and levels of supercritical CO2extraction of Capsicum red pigment processuniform design test U6(64)

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 萃取温度对辣椒红色素收率的影响

在压力15 MPa、萃取时间5 h、颗粒度130目的条件下，温度对辣椒红色素收率的影响见图1。

图1 萃取温度对辣椒红色素收率的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of Capsicum red pigment

由图1可知，当萃取温度为35 ℃时，辣椒红色素的收率最高；当温度超过35 ℃时，产品收率逐渐下降。随温度升高，超临界CO2流体密度减小，溶解能力降低，导致收率下降[10]；另外，辣椒红色素热稳定性相对较差[11]，因此低温下萃取辣椒红色素的收率较高。

2.1.2 萃取压力对辣椒红色素收率的影响

在温度50 ℃、萃取时间5 h、颗粒度130目的条件下，压力对辣椒红色素收率的影响见图2。

图2 萃取压力对辣椒红色素收率的影响

当温度一定时，CO2密度随压力增加而增大，其他物质在CO2中的溶解度增加[12]，剩余辣椒红色素收率增大。当萃取压力超过15 MPa后，继续升高压力，收率提高缓慢。

2.1.3 萃取时间对辣椒红色素收率的影响

在温度50 ℃、压力15 MPa、颗粒度130目的条件下，萃取时间对辣椒红色素收率的影响见图3。

图3 萃取时间对辣椒红色素收率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the yield of Capsicum red pigment

在一定温度和压力下，萃取时间小于3.5 h时，收率随萃取时间增加而升高；当萃取时间超过3.5 h后，收率基本保持不变。所以，超临界CO2流体萃取辣椒红色素时间确定为3.5 h。

2.1.4 原料颗粒度对辣椒红色素收率的影响

在温度50 ℃、压力15 MPa、萃取时间5 h的条件下，原料颗粒度对辣椒红色素收率的影响见图4。

图4 颗粒度对辣椒红色素收率的影响Fig.4 Effect of particle size on the yield of Capsicum red pigment

当辣椒原料粉碎后粒径为130目时，辣椒红色素收率最大，为5.92%。当颗粒度小于130目时，原料颗粒度越小，与超临界流体的接触越充分，传质效率增大；当原料颗粒度超过一定范围再减小时，原料颗粒的比表面积增加，与超临界流体间表面张力增大，流体扩散流动阻力增大速率减小，传质效率下降，收率降低[13]。

2.2 均匀设计法试验结果分析

2.2.1 U6(64)试验回归

选用均匀设计法优化辣椒红色素提取工艺试验，色素收率结果见表2。采用Excel软件对试验结果进行分析，回归结果见表3～表6。

表2 超临界CO2萃取辣椒红色素工艺U6(64)均匀设计试验方案及辣椒红色素收率Table 2 Supercritical CO2 extraction of Capsicum red pigment process U6(64) uniform design test scheme and the yield of Capsicum red pigment

表3 回归统计Table 3 The regression statistics

表4 方差分析Table 4 The analysis of variance

表5 参数表Table 5 The coefficient table

表6 残差分析表Table 6 The residual analysis

由表3～表6线性回归结果可知，线性相关系数R=0.995822，测定系数R2=0.991662，F=29.73304896>显著水平下临界值F(Significance F)，线性可信.由表6可知，线性回归方程为：收率Y=80.47-1.72X1+0.06X2+0.005X3-0.39X4，由于萃取时间影响较小，省略此项，收率方程调整为Y=80.47-1.72X1+0.06X2-0.39X4，结合单因素试验，萃取时间确定为3.5 h。

由线性回归方程可知，各影响因素的系数符号为正时，对收率Y为正增长影响；系数符号为负时，对收率Y为负增长影响[14-15]。所以，因素X2(压力)、X3(时间)值越大，因素X1(温度)、X4(颗粒度)值越小，收率Y越大。由此可得，超临界CO2萃取辣椒红色素最优工艺：萃取温度32 ℃、萃取压力20 MPa、萃取时间3.5 h、颗粒度50目。

2.2.2 验证试验

萃取温度32 ℃、萃取压力20 MPa、萃取时间3.5 h、颗粒度50目时，辣椒红色素的收率为6.68%。

3 结论

超临界CO2萃取辣椒红色素单因素试验得最优操作条件为：萃取温度50 ℃，压力15 MPa，萃取时间3.5 h，颗粒度130目。

均匀设计法优工艺条件为：萃取温度32 ℃，萃取压力20 MPa，萃取时间3.5 h，颗粒度50目，优化条件下辣椒红色素的收率为6.68%。