辣椒籽精油超临界CO2萃取工艺优化及挥发性香气成分分析

马 钤，郭川川，胡 涛

（四川天味食品集团股份有限公司，四川 成都 610200）

辣椒为茄科类植物，又名海椒、番椒、秦椒，原产于南美洲，现已在世界各地广泛种植，成为世界性的蔬菜和加工调味品[1-2]。目前，我国是世界的辣椒生产和消费大国。辣椒营养丰富，具有保健功能，是一种药食同源植物，被广泛应用于食品各个领域，目前关于辣椒及其制品高达上千种，其副产物辣椒籽较多，应用研究较少[3]。辣椒籽主要含膳食纤维、蛋白质和脂肪，还含有氨基酸、维生素、黄酮、多酚、辣椒碱、微量元素等活性成分[4-5]。目前辣椒籽大部分直接售卖给饲料厂，少部分用于提取精油并研究其抗氧化性[6]、抗肥胖活性[7]、抑菌活性[8]等，还有一些用辣椒籽提取蛋白[9]、提取膳食纤维[10]、提取辣椒碱[11]等研究。

辣椒籽油国内外研究较多，董殊廷等[12]采用热油浸提辣椒籽并采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）测定其香气成分，结果表明，浸提温度180 ℃、料液比1∶4（g∶mL），其主要香气物质为己醛（10.97%）、（CH3）2CCHCN（6.07%）、戊烷（4.91%）、辛烷（3.32%）、2-庚烯醛（2.16%）、（E）-2-戊烯醛（2.13%）等，提取的辣椒籽油颜色浅红，熟香风味较重且含有糊香，不能代表辣椒籽真实的香气；毛永杨等[13]采用酶解-乙醇辅助提取辣椒籽油并进行工艺优化，结果表明：最佳工艺参数为辣椒籽粒度80目、料液比1∶6（g∶mL）、复合酶为0.8%的中性蛋白酶和1.0%的果胶酶；最佳酶解条件为：酶解pH 5.5、酶解温度50 ℃、酶解时间5.5 h。该法提取的辣椒籽油得率较高，颜色浅黄，但采用中性蛋白酶和果胶酶酶解后导致油有苦味，同时含有溶剂乙醇的残留，并且乙醇易使精油变色；卢可可等[14]采用亚临界丁烷对炒制一定时间的辣椒籽进行提取且进行香气分析，结果表明，在炒制时间为5 min，炒制温度＜140 ℃时，芳樟醇、月桂烯、双戊烯是辣椒籽油的主要香气物质，当温度＞140 ℃时，吡嗪类化合物和2-戊基呋喃是辣椒籽油的主要香气物质。亚临界提取温度较低，对辣椒籽香气保留较好，且能萃取出辣椒籽部分有效成分，但是含有溶剂丁烷，易造成残留；迟明梅等[15]采石油醚按固液比1∶50（g∶mL）在80 ℃对辣椒籽油提取3 h，其得率为21.26%，后期去除溶剂较麻烦且易造成残留。

目前，关于香辛料的提取方法主要有水蒸气蒸馏法[16]、超临界CO2萃取法[17]、压榨法[18]、溶剂提取法[13]、亚临界萃取法[19]及一些辅助方法（超声波[20]、微波[21]、酶解[22]等）。水蒸气蒸馏法温度较高，对精油活性成分有破坏作用，提取的精油含有的滋味物质较少且得率较低；压榨法操作简便，提取的油脂营养成分保护较好，但是对油脂的利用率不高；溶剂提取法精油颜色较好，得率较高，但是后期去除溶剂较麻烦且产品易残留溶剂；亚临界萃取法是一种新型的提取技术，提取得率较高，精油活性成分保护更好，且成本较低，但脱除溶剂成为必要工序，有食品安全隐患；而超临界CO2提取法[23]操作温度较低，可防止热敏性物质被破坏，能最大限度保留精油香气和滋味成分，且无溶剂残留。本研究为了提升辣椒籽综合利用价值，采用单因素试验及正交试验优化超临界CO2提取辣椒籽精油生产工艺，并采用气质联用（GC-MS）技术分析其挥发性香气成分组成，以期为辣椒籽精油生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

内黄新一代辣椒籽：四川味觉食品有限公司；CO2和氦气（纯度均＞99.99%）：徐州路友气体有限公司。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

GAR单层网链式热风烘干设备：河南旭通智能科技有限公司；QWJ-800大型食品粉碎机：江阴市惠宗机械有限公司；HA420-40-96（400L×3）型超临界萃取装置：贵州航天乌江机电设备有限责任公司；Agilent 9000气相色谱仪-5977B质谱仪：美国安捷伦公司。

1.3 方法

1.3.1 辣椒籽预处理

干内黄辣椒籽置于单层网链式热风烘干设备，设置温度60 ℃连续干燥，调节水分约至10%。干燥好的辣椒籽用大型食品粉碎机粉碎，过60目筛。制得辣椒籽粉于常温25 ℃干燥储藏。

1.3.2 超临界CO2提取辣椒籽精油

称取200 kg粉碎后的辣椒籽，装入萃取罐中，在萃取温度55 ℃、萃取时间2.5 h、CO2流量28 L/h条件下得到辣椒籽精油，平行试验3次，精油得率计算公式如下：

1.3.3 辣椒籽精油萃取工艺优化单因素试验

称取200 kg粉碎辣椒籽，装入萃取罐中，分别考察萃取压力（20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa）、萃取温度（35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃）、萃取时间（2.5 h、3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h）、CO2流量（22 L/h、24 L/h、26 L/h、28 L/h、30 L/h）对精油得率的影响，解吸压力6 MPa，解吸温度65 ℃。

1.3.4 辣椒籽精油萃取工艺优化正交试验

在单因素试验的基础上，以萃取压力（A）、萃取温度（B）、萃取时间（C）、CO2流量（D）为影响因素，以辣椒籽精油得率为评价指标，设置L9（34）试验进行4因素3水平正交试验。正交试验因素与水平见表1。

表1 超临界CO2萃取工艺优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for supercritical CO2 extraction process optimization

1.3.5 辣椒籽精油挥发性香气成分GC-MS分析

样品预处理：量取辣椒籽精油样品3 mL加入10 mL顶空瓶中，将已经活化二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷萃取头插入萃取瓶中顶空吸附30 min后取下萃取头，在GC仪进样口240 ℃条件下解吸5 min，每个样品重复萃取3次。

GC条件：色谱柱为DB-WAX型毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 m）；载气为高纯氦气（He）；进样口温度250 ℃；流速1.4 mL/min；分流比33∶1；气化室温度250 ℃；升温程序：起始温度40 ℃，保持3 min，升温速率5 ℃/min，升温到250 ℃，保持20 min。

MS条件：电子电离（electron ionization，EI）源；离子源温度230 ℃，接口温度280 ℃，扫描速度769/s；质量扫描范围40～400 m/z；

定性定量方法：利用Mass Hunter工作站，美国国家标准技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）17质谱库检索鉴定各种化学成分，按峰面积归一化法确定各组分的相对含量。

1.3.6 数据处理

正交试验采用SPSS20.0软件设计分析。差异显著性分析采用数据处理系统（data processing system，DPS）7.5，P＜0.05认为差异显著。试验样品均有3次独立重复。

2 结果与分析

2.1 辣椒籽精油萃取工艺优化单因素试验

2.1.1 萃取压力对辣椒籽精油得率的影响

CO2超临界萃取压力对辣椒籽精油得率的影响见图1。由图1可知，随着萃取压力在20～40 MPa范围内的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趋于平稳趋势。当萃取压力在20～30 MPa时，辣椒籽精油得率随萃取压力的增加而显著增加（P＜0.05）；当萃取压力为30 MPa时，辣椒籽精油得率为6.87%；当萃取压力＞30 MPa之后，辣椒籽精油得率增加不显著（P＞0.05），且增加设备耐压程度、操作难度、设备投资费用等。因此，选择最佳萃取压力为30 MPa。

图1 萃取压力对精油得率的影响Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of essential oil

2.1.2 萃取温度对辣椒籽精油得率的影响

CO2超临界萃取温度对辣椒籽精油得率的影响见图2。

图2 萃取温度对精油得率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of essential oil

由图2可知，随着萃取温度在35～55 ℃范围的增加，辣椒籽精油得率总体呈先上升后下降的趋势。当萃取温度在35～45 ℃时，辣椒籽精油得率随萃取温度增加呈显著增加（P＜0.05）；当萃取温度在45 ℃时，辣椒籽精油得率最高，为6.88%；当萃取温度在45～55 ℃时，辣椒籽精油得率连续显著降低（P＜0.05）。因此，选择最佳萃取温度为45 ℃。

2.1.3 萃取时间对辣椒籽精油得率的影响

CO2超临界萃取时间对辣椒籽精油得率的影响见图3。

图3 萃取时间对精油得率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the yield of essential oil

由图3可知，随着萃取时间在2.5～4.5 h范围内的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趋于平缓的趋势。当萃取时间在2.5～3.5 h时，辣椒籽精油得率随萃取时间增加而显著增加（P＜0.05）；当萃取时间在3.5 h时，辣椒籽精油得率为6.77%；当萃取时间在4.0～4.5 h时，辣椒籽精油得率不再有显著变化（P＞0.05）。因此，选择最佳萃取时间为3.5 h。

2.1.4 CO2流量对辣椒籽精油得率的影响

流量是萃取过程中的一个经济型指标，也是影响得率的重要因素之一。流量的变化对萃取率的影响应从两方面考虑，即流量对传质速率的影响和流量对萃取时间的影响。流量的增加导致萃取器内流速增加，萃取时间减少，不利于萃取；随着流量的增加，与物质间的传质速率提高，从而使萃取速率增大[24]。CO2超临界萃取流量对辣椒籽精油得率的影响见图4。

图4 CO2流量对精油得率的影响Fig.4 Effect of CO2 flow rate on the yield of essential oil

由图4可知，随着萃取流量在22～30 L/h范围内的增加，辣椒籽精油得率呈先上升后趋于平稳的趋势。当萃取流量在22～28 L/h时，辣椒籽精油得率随萃取流量的增加而显著增加（P＜0.05）；当萃取流量由28 L/h上升到30 L/h时，辣椒籽精油得率无显著性变化（P＞0.05）。因此，选择最适CO2流量为28 L/h。

2.2 辣椒籽精油萃取工艺优化正交试验

在单因素试验的基础上，以精油萃取得率为评价指标，考察萃取压力（A）、萃取温度（B）、萃取时间（C）和CO2流量（D）对辣椒籽精油得率的影响，设置L9（34）正交试验进行4因素3水平正交试验，正交试验结果与分析见表2，方差分析结果见表3。

由表2可知，对结果影响由大到小顺序为萃取压力＞萃取温度＞萃取时间＞CO2流量，最优组合为A2B2C3D3，即萃取压力30 MPa、萃取温度45 ℃、萃取时间4.0 h、CO2流量30 L/h。在此最佳萃取工艺条件下进行3次平行验证试验，3次萃取平均辣椒籽精油得率为7.04%，且在此条件下辣椒籽精油的得率高于正交试验方案中的最高值6.91%，说明该优化方案是可行的。由表3可知，萃取压力对结果影响显著（P＜0.05），萃取温度、CO2流量及萃取时间对结果影响不显著（P＞0.05），这与相关研究报道结果一致[23-24]。

表2 超临界CO2萃取工艺优化正交试验结果与分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for supercritical CO2 extraction process optimization

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal tests results

2.3 辣椒籽精油挥发性香气成分分析

辣椒籽精油挥发性香气成分GC-MS分析总离子流色谱图见图5，辣椒籽精油挥发性香气成分测定结果见表4。

图5 超临界CO2萃取辣椒籽精油挥发性香气成分GC-MS分析总离子流色谱图Fig.5 Total ion chromatogram of volatile aroma components in pepper seed essential oil extracted by supercritical CO2 analysis by GC-MS

由表4可知，辣椒籽精油中共检出挥发性香气化合物54种，其中种类最多、含量最丰富的为烯烃类（16种，53.04%），其次为醇类（15种，29.83%），酯类（9种，9.95%）、酮类（4种，2.5%）、酚类（2种，0.37%）、醛类（2种，0.25%）、酸类（2种，0.18%）、烷烃类（2种，0.11%）、芳香烃类（1种、0.25%）、萜类（1种，2.54%）。CO2超临界萃取辣椒籽精油中相对含量＞1%的16种主要挥发性香气化合物，依次为：芳樟醇（23.74%）、D-柠檬烯（17.26%）、桧烯（10.78%）、β-蒎烯（7.67%）、乙酸芳樟酯（7.06%）、3-蒈烯（4.78%）、3-异丙基-6-亚甲基-1-环己烯（3.57%）、α-异松油烯（2.72%）、桉叶油醇（2.54%）、（1S,4R,5R）-3-崔柏酮（2.35%）、萜品油烯（2.18%）、乙醇（1.46%）、（1R,4E,9R）-4,11,11-三甲基-8-甲基-双环[7.2.0]4-十-烯（1.32%）、β-侧柏烯（1.28%）、4-萜烯醇（1.14%）、乙酸香叶酯（1.11%）。

表4 辣椒籽精油挥发性香气成分GC-MS分析结果Table 4 Results of volatile aroma components in pepper seed essential oil analysis by GC-MS

续表

萃取的辣椒籽精油色泽浅红，具有辣椒的特征风味：清新香甜。醇类、烃类化合物大多气味清新，如芳樟醇具有浓郁青香带甜的木青气息，D-柠檬烯具有新鲜橙子香气及柠檬样香气，桧烯具有水果风味的甜香，β-蒎烯具有特有的松节油香气，干燥木材和松脂气味。卢可可等[14]通过亚临界萃取技术辣椒籽进行萃取制备得到辣椒籽油，采用同时蒸馏结合GC-MS法，鉴定出辣椒籽油中芳樟醇、月桂烯、双戊烯为其主要香气物质，与本研究结果相似。甄润英等[25]利用固相微萃取对乙醇常温提取与酶解-乙醇辅助法提取的辣椒籽油进行风味测定，其结果表明：酶解-乙醇辅助法提取的辣椒籽油主要为烃类14种、醇类7种、酯类12种，乙醇常温提取主要为烃类15种、醇类7种、酯类6种，与本研究结果一致。

3 结论

采用单因素试验和正交试验对超临界CO2萃取辣椒籽精油工艺进行了优化，结果表明，当萃取压力30 MPa、萃取温度45 ℃、萃取时间4 h、CO2流量30 L/h时，辣椒籽精油得率为7.04%。辣椒籽精油中共鉴定出54种挥发性香气成分，主要含有烯烃类（16种，53.04%），醇类（15种，29.83%）、酯类（9种，9.95%），其中相对丰度含量较高的化合物为芳樟醇（23.74%）、D-柠檬烯（17.26%）、桧烯（10.78%）、β-蒎烯（7.67%）、乙酸芳樟酯（7.06%）等，其共同赋予辣椒籽精油清新香甜风味。CO2超临界萃取法应用于辣椒籽精油提取，效果较优，为辣椒籽的进一步开发利用提供了研究基础。