張學彬,田志聰,劉璐,程士奇,高丹,劉增博,時雅濱*
(1.北京交通大學海濱學院 化學工程系,河北 滄州 061199;2.黃驊市易簡科技有限公司,河北 滄州 061100)
辣椒(Capsicum),茄科辣椒屬植物[1],其果實中含有豐富的色素:辣椒紅色素、辣椒玉紅素、β-胡蘿卜素和隱黃素等。
辣椒紅色素(Capsanthin),化學式C40H56O4,是成熟辣椒中天然紅色素的主要成分[2],深紅色液體,無辣味,顯色強度高出其他色素10倍左右[3]。辣椒紅色素不溶于水,易溶于有機溶劑,因極性較強,難溶于超臨界二氧化碳流體[4]。辣椒紅色素對溫度、酸堿和可見光穩定,色價、保色效果、著色能力和安全性較其他色素有明顯優勢[5]。中國國家標準(GB)、美國食品和藥物管理局(FDA)、世界衛生組織(WHO)等將其審定為無限制性使用的天然食品添加劑[6],主要用于食品、醫藥、日化、飼料等領域。
目前,辣椒紅色素的提取方法主要有溶劑萃取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、吸收法等[7]。其中超臨界CO2流體萃取是一種綠色高效的提取方法,超臨界流體(SCF)具有類似液體的密度、溶解能力和傳熱系數,同時還有類似氣體的低粘度和高擴散系數,因而超臨界流體有更好的傳質性能,使得超臨界萃取過程能在很短的時間內完成。但是由于影響辣椒紅色素收率的因素較多[8],而單因素試驗無法描述因素間的耦合作用,多因素試驗次數工作量過大,使得辣椒紅色素萃取工藝過程中收率較低,最優工藝難以獲得等問題。
本文選用均勻設計法[9],以辣椒紅色素收率為目標,考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時間、原料顆粒度4個因素對辣椒紅色素收率的影響,優化選擇辣椒紅色素萃取分離的工藝條件,并對篩選的最優工藝條件進行試驗驗證,為辣椒紅色素的超臨界流體分離工藝選擇提供了依據。
高壓萃取釜 廣州東塑石油鉆采設備有限公司;DTT25WL氣體增壓泵 濟南德科泵業有限公司;電子分析天平 上海卓精電子科技有限公司;RE-52旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠;DC-0510恒溫循環水浴鍋 艾普儀器有限公司;101-OS電熱鼓風恒溫干燥箱、DF-101S集熱式磁力攪拌器 上海邦西儀器科技有限公司; JJ-2組織搗碎勻漿機 上海汗諾儀器有限公司;TDL-80-2B臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;SHZ-D(Ⅲ)系列循環水式真空泵 浙江力辰儀器科技有限公司。
干紅辣椒:市購;CO2(純度≥99.99%):河北省黃驊市易華天成科技有限公司。
取干紅辣椒原料,冷水清洗,于烘箱中50 ℃烘干,樣品粉碎后粉末篩分,選取顆粒度50~150目的樣品備用。
分別將10 g不同顆粒度的辣椒粉末裝入萃取釜,萃取釜中沖入CO2,設置萃取溫度、萃取壓力和萃取時間,分離提取辣椒紅色素。計算辣椒紅色素的收率:收率=提取辣椒紅色素樣品質量(g)/干紅辣椒原料質量(g)×100%。
1.4.1 單因素試驗
分別研究溫度、壓力、萃取時間和顆粒度對辣椒紅色素收率的影響。
1.4.2 U6(64)均勻設計法
選取萃取溫度、萃取壓力、萃取時間和原料顆粒度4個因素,進行均勻設計法U6(64)四因素六水平優化辣椒紅色素提取工藝,見表1。
表1 超臨界CO2萃取辣椒紅色素工藝均勻設計試驗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)
2.1.1 萃取溫度對辣椒紅色素收率的影響
在壓力15 MPa、萃取時間5 h、顆粒度130目的條件下,溫度對辣椒紅色素收率的影響見圖1。
圖1 萃取溫度對辣椒紅色素收率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of Capsicum red pigment
由圖1可知,當萃取溫度為35 ℃時,辣椒紅色素的收率最高;當溫度超過35 ℃時,產品收率逐漸下降。隨溫度升高,超臨界CO2流體密度減小,溶解能力降低,導致收率下降[10];另外,辣椒紅色素熱穩定性相對較差[11],因此低溫下萃取辣椒紅色素的收率較高。
2.1.2 萃取壓力對辣椒紅色素收率的影響
在溫度50 ℃、萃取時間5 h、顆粒度130目的條件下,壓力對辣椒紅色素收率的影響見圖2。
圖2 萃取壓力對辣椒紅色素收率的影響
當溫度一定時,CO2密度隨壓力增加而增大,其他物質在CO2中的溶解度增加[12],剩余辣椒紅色素收率增大。當萃取壓力超過15 MPa后,繼續升高壓力,收率提高緩慢。
2.1.3 萃取時間對辣椒紅色素收率的影響
在溫度50 ℃、壓力15 MPa、顆粒度130目的條件下,萃取時間對辣椒紅色素收率的影響見圖3。
圖3 萃取時間對辣椒紅色素收率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of Capsicum red pigment
在一定溫度和壓力下,萃取時間小于3.5 h時,收率隨萃取時間增加而升高;當萃取時間超過3.5 h后,收率基本保持不變。所以,超臨界CO2流體萃取辣椒紅色素時間確定為3.5 h。
2.1.4 原料顆粒度對辣椒紅色素收率的影響
在溫度50 ℃、壓力15 MPa、萃取時間5 h的條件下,原料顆粒度對辣椒紅色素收率的影響見圖4。
圖4 顆粒度對辣椒紅色素收率的影響Fig.4 Effect of particle size on the yield of Capsicum red pigment
當辣椒原料粉碎后粒徑為130目時,辣椒紅色素收率最大,為5.92%。當顆粒度小于130目時,原料顆粒度越小,與超臨界流體的接觸越充分,傳質效率增大;當原料顆粒度超過一定范圍再減小時,原料顆粒的比表面積增加,與超臨界流體間表面張力增大,流體擴散流動阻力增大速率減小,傳質效率下降,收率降低[13]。
2.2.1 U6(64)試驗回歸
選用均勻設計法優化辣椒紅色素提取工藝試驗,色素收率結果見表2。采用Excel軟件對試驗結果進行分析,回歸結果見表3~表6。
表2 超臨界CO2萃取辣椒紅色素工藝U6(64)均勻設計試驗方案及辣椒紅色素收率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 回歸統計Table 3 The regression statistics
表4 方差分析Table 4 The analysis of variance
表5 參數表Table 5 The coefficient table
表6 殘差分析表Table 6 The residual analysis
由表3~表6線性回歸結果可知,線性相關系數R=0.995822,測定系數R2=0.991662,F=29.73304896>顯著水平下臨界值F(Significance F),線性可信.由表6可知,線性回歸方程為:收率Y=80.47-1.72X1+0.06X2+0.005X3-0.39X4,由于萃取時間影響較小,省略此項,收率方程調整為Y=80.47-1.72X1+0.06X2-0.39X4,結合單因素試驗,萃取時間確定為3.5 h。
由線性回歸方程可知,各影響因素的系數符號為正時,對收率Y為正增長影響;系數符號為負時,對收率Y為負增長影響[14-15]。所以,因素X2(壓力)、X3(時間)值越大,因素X1(溫度)、X4(顆粒度)值越小,收率Y越大。由此可得,超臨界CO2萃取辣椒紅色素最優工藝:萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時間3.5 h、顆粒度50目。
2.2.2 驗證試驗
萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時間3.5 h、顆粒度50目時,辣椒紅色素的收率為6.68%。
超臨界CO2萃取辣椒紅色素單因素試驗得最優操作條件為:萃取溫度50 ℃,壓力15 MPa,萃取時間3.5 h,顆粒度130目。
均勻設計法優工藝條件為:萃取溫度32 ℃,萃取壓力20 MPa,萃取時間3.5 h,顆粒度50目,優化條件下辣椒紅色素的收率為6.68%。