辣椒红色素提取、纯化方法研究进展

林佳璐，徐贞贞，廖小军，赵靓,2*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业农村部果蔬加工重点实验室，食品非热加工北京市重点实验室，北京 100083；2.中国农业大学（兴化）健康食品产业研究院，江苏兴化 225700；3.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京 100081）

色素（着色剂）是食品加工中不可或缺的部分。由于某些人工合成色素被证明对人体有不同程度的危害，相比之下，具有着色功能和营养保健功效的天然色素更受市场欢迎，各国各组织也为促进天然色素的发展制定了一系列法律法规。

辣椒红色素又称辣红素、椒红素，是从成熟红辣椒果实中提取的天然着色剂[1]。因具有安全、无毒、无副作用等优点，被联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）列为A 类色素[2]，是天然色素研究的热点。目前，辣椒红色素已被广泛应用于饲料、食品、医药、化妆品等领域[3]。我国现行国家标准《GB 2760—2014 食品添加剂使用标准》将辣椒红（paprika red）列为着色剂，可应用于饮品、果蔬制品、肉制品、焙烤食品等食品的着色。1999 年，欧洲议会和理事会通过了关于供食品中使用的着色剂指令（94/36/EC），指令中明确规定EC 编号为E 160c（辣椒提取物——辣椒红素、辣椒玉红素）的色素属于“允许使用的食品着色剂”，可适量添加于干酪、谷物类早餐、优质果酱果冻以及香肠、肉糜馅饼和陶罐装食品中。辣椒红色素具有广阔的市场前景和较高的应用价值，本文总结分析了近10 年来国内外学者对辣椒红色素提取和纯化方法的相关研究，以期为辣椒红色素的进一步开发、利用提供依据。

1 辣椒红色素的主要成分

辣椒红色素是混合物，主要成分是辣椒红素（capsanthin）和辣椒玉红素（capsorubin），占总量的50%～60%[4]，这两种色素也是辣椒红色素的主要着色成分。辣椒红色素中主要成分的基本信息如表1（见下页）所示。辣椒红色素是脂溶性色素，易溶于乙醇、丙酮、正己烷、己烷、乙酸乙酯等非极性溶剂；在辣椒红色素中加入2～3滴三氯甲烷和1 滴硫酸，会显暗蓝色[5]。辣椒红色素的稳定性不佳，在加工和贮藏过程中易受pH、温度、光照、氧、酶、金属离子等因素的影响[6]。我国现行国家标准《GB1886.34—2015 食品添加剂辣椒红》对辣椒红色素产品的感官要求和理化指标提出了具体要求，并明确规定市售的辣椒红色素产品呈深红色油状，可在原料中添加食用糊精、抗氧化剂等辅料，通过添加食用油脂调整色价。

2 辣椒红色素的提取方法

辣椒红色素的提取方法较多，可分为传统提取法和新型提取法两类。传统提取法指利用溶剂提取辣椒红色素，通常包括油溶法和有机溶剂提取法。新型提取法通常指利用设备辅助溶剂提取，以达到高效、节能、环保的目的，如超声波辅助提取、闪式提取、超临界流体萃取、超高压辅助提取等；也有通过生物手段的，如酶提取法。

2.1 传统提取法

2.1.1 油溶法

油溶法是一种操作简单的提取方法，具体是将食物基质浸渍在植物油中，将食物基质中的化合物转移到植物油中，再进行过滤或离心分离。国内常用花生油、大豆油、菜籽油等食用油浸提红辣椒得到辣椒红色素[1]；国外通常使用冷榨植物油，如橄榄油、玉米油、椰子油、棕榈油、鳄梨油等，得到辣椒红色素[7]。2016 年，BARROS 等[8]将鳄梨油和超临界二氧化碳作为溶剂，发现每1 g 干物质中能提取到280～460 μg 辣椒红素。油溶法由于潜在的健康益处和环境友好性而受到赞赏，但该技术产率低、产品纯度低，不适合推广。

2.1.2 有机溶剂提取法

有机溶剂提取法（Solvent extraction，SE）是目前工业上应用最普遍的提取方法，其原理是相似相溶。现已报道可用于辣椒红色素提取的常用溶剂有甲醇、乙醇、丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚、正己烷等，在倡导“绿色生产”的大背景下，乙酸乙酯更受青睐。我国工业上大批量连续化生产辣椒红色素通常采用单溶剂提取法（提取溶剂为窄流程的六号溶剂油）或双溶剂提取法（提取溶剂为六号油与丙酮的混合溶剂，体积比为9:1），整个生产需要经过原料预处理（辣椒干燥磨粉等）、浸润原料、多次喷淋物料进行再萃取、沥干、过滤除杂、蒸发浓缩、精制等环节[9]。为了避免辣椒红色素在加工中分解，一般在低于4 ℃的避光环境下尽快进行匀浆（如加入BHT 抗氧化或CaCO3抗酸）和后续处理[10]。

表1 辣椒红色素的主要成分Table 1 Basic information of the main ingredients in paprika red

影响辣椒红色素提取效果的因素有很多，常用的评价标准有色价/吸光度（方法参考GB 1886.34—2015）、得率、提取率等。宿光平[9]优化了车间生产辣椒红色素预处理（辣椒粉目数）、萃取（萃取溶剂）、蒸发、精制环节的工艺参数，当辣椒磨粉目数为40～60 目时，选用窄流程的六号油为提取溶剂，蒸发环节减少蒸发级数选用（95±2）℃的高温预热水作为热源，精制环节选择高真空度、低温度，最终产品的色价可提高到150 以上，吸光比为1.005，溶剂残留小于5%。马超等[11]分别以异丙醇和乙醇为提取溶剂，探究了提取温度、提取次数、料液比、提取时间4 个因素对辣椒红色素吸光度的影响，试验结果表明提取温度对辣椒红色素的吸光度有较大的影响。杜苏萌等[12]以乙醇为提取溶剂，用索氏提取法提取干辣椒粉中的辣椒红色素。结果表明，回流温度对辣椒红色素提取率的影响最大；以95%乙醇为提取溶剂，料液比为1:50，在90 ℃下回流5 次，辣椒红色素的提取率最高，为0.544 1%。在浸提环节增加搅拌、振荡来提高辣椒红色素产品质量和产率的方法也逐步得到推广。周书栋等[13]以色价为考察指标，采用响应面分析法优化振荡法，得到转速、温度和时间的最佳参数。验证结果表明，通过振荡法得到的辣椒红色素色价为10.68。

有机溶剂提取技术具有一次性大批量提取、工艺简单、成本低等优点[14]，但目前我国生产的辣椒红色素产品缺乏竞争优势，存在溶剂残留、脱辣不彻底、青臭味严重、重金属超标等问题，因此亟待进行技术提升。

2.2 新型提取法

2.2.1 超声波辅助提取

超声波辅助提取（Ultrasound assisted extraction，UAE）利用超声波所产生的空化效应、机械效应和热效应使辣椒纤维组织在提取溶剂中破裂，能提高辣椒类胡萝卜素在溶剂中的溶解度[15]。SRICHAROEN 等[16]研究证明超声波辅助提取法具有稳定、绿色节能、高提取率的特点。邓祥元等[17]主要研究了温度对超声波辅助提取的影响，结果表明超声温度应低于提取溶剂的沸点，实际生产中以30 ℃为宜。

相较于常规溶剂提取法，UAE 的操作更简单高效，产品质量也更好。李昌灵等[18]研究表明，以乙酸乙酯为提取溶剂，料液比为1:10，在70 ℃下以500 W 的超声功率处理样品1 h，辣椒红色素的得率最高，达3.7%，较有机溶剂法提高了1.3%。张晔等[19]比较了UAE和搅拌法辅助有机溶剂提取，结果显示，超声波提取的辣椒红色素色价高，可以得到色价为155.6 的粗产品。

2.2.2 微波辅助提取

微波辅助提取（Microwave assisted extraction，MAE）是利用电磁场使辣椒或其制品中的辣椒红色素与基体有效分离。MAE 的效率和选择性取决于萃取介质的介电常数[20]，优化MAE 提取工艺参数是国内外研究的热点。BARBERO 等[21]通过响应面试验优化了MAE 提取辣椒粉中类胡萝卜素的最佳工艺参数，即用0.5 mL 辣椒粉在25℃下使用25 mL 乙醇作为溶剂，可获得最佳提取效果。目前，国内MAE 法中最常用的提取溶剂是乙醇，提取温度40～55 ℃为宜，微波功率600 W，微波处理时间10 min左右。

MAE 的优越性体现在绿色环保、快速而经济，同时提取物的得率和纯度都很高。但该方法产生的微波辐射可能会导致辣椒红色素中的一些色素的热降解和顺反异构化。

2.2.3 闪式提取

闪式提取依靠高速机械剪切力和超动分子渗透技术，可以在室温条件下数秒内破碎植物原料至适当粒度，同时伴有高速搅拌、振动和负压渗透，提取效率极高[22]。闪式提取器转速与物料的粒径有直接关系，还对体系的搅拌、振动强度有重要的影响。张煜等[23]通过JHBE-50A闪式提取器从干制红辣椒中提取得到了辣椒油树脂，他发现以乙酸乙酯为提取溶剂，料液比为1:20，在转速为5 555 r/min 的情况下提取3.5 min，辣椒油树脂的色价可提高到82.69。

闪式提取法具有操作简便、节约溶剂、提取效率高等优点。目前该技术还停留在试验室研究阶段，但其常温提取的特点适合在热敏性天然产物提取中推广，并逐步应用到工业生产中。

2.2.4 超临界流体萃取

超临界流体萃取（Super-critical fluid extraction，SFE）已被广泛用于从多种辣椒基质中提取辣椒红色素。其中超临界二氧化碳（Super-critical dioxide，SC-CO2）由于具有经济环保、高稳定性、临界温度低的特性，被认为是最常用的萃取剂。SC-CO2中常用压力为12.7～50.7 MPa，温度为40～90 ℃，助溶剂为5%～15%的乙醇[24]。

目前研究人员通过优化助溶剂的类型和浓度、提取温度、压力、CO2流速、样品粒径、样品的水分含量等工艺参数，以实现最大的辣椒红色素回收率。RICHINS 等[25]用20%乙醇作为助溶剂，可以从高刺激性的辣椒油树脂中得到低刺激性的辣椒红色素。JAREN 等[26]发现随着提取压力的增加，辣椒红色素中红色组分（辣椒红素、辣椒玉红素）的比例也随之增加。

SFE 法消除了浓缩步骤，大大提高了萃取效率，被认为是萃取辣椒红色素的理想方法。但该方法的设备属于三类压力容器，易损且处理量受限。

2.2.5 亚临界水萃取

亚临界水萃取（Sub-critical fluid extraction）指通过控制亚临界水的温度和压力，改变水的极性、表面张力和黏度，从而实现选择性萃取或连续性萃取[1]。王洪等[27]以辣椒红色素提取率为评价指标，优化了亚临界水萃取法提取辣椒红色素的工艺参数：当料液比10:1（mL/g），水溶液pH 为5，亚临界水温度为120 ℃时，控制设备的萃取压力为0.8 MPa，萃取2 h 后得到的辣椒红色素的提取率约为2.46%。

与有机溶剂浸提法、UAE 相比，亚临界水萃取法耗时短、提取率高，明显优于其他两种提取方法。但国内目前关于该萃取方法的研究较少，还有待进一步研究。

2.2.6 超高压辅助提取

超高压辅助提取（Ultra-high pressure assisted extraction，PAE）是一种新型提取技术，该技术通过对液体或气体溶剂加压（100 MPa 以上），使溶剂在原料的内外浓度达到平衡，随后通过迅速卸压使细胞内外产生压力差，压力差能够促使目标提取物进入溶剂中。PAE 法具有高效高产、节能环保的优点，已被运用于天然产物的提取。马燕等[28]以色素辣椒（新疆红安52 号甜椒）为原料，探究了提取温度、提取压力、提取时间以及料液比对产品色价和得率的影响，优化了PAE 法提取辣椒红色素的工艺参数；与传统的溶剂提取法相比，得率和色价都提高了约4%，可考虑在工业生产中推广。

2.2.7 联合提取

近几年，一些研究人员将超声辅助提取法与盐析萃取或微波辅助提取结合提取辣椒原料及其制品中的辣椒红色素。如范三红等[29]利用超声辅助石油醚/乙腈/磷酸氢二钾三相盐析萃取体系，可从鲜辣椒中同时萃取分离得到辣椒红色素和辣椒碱，优化体系参数后，辣椒红色素和辣椒碱的得率分别为0.263、1.412 mg/g。PANG 等[30]以正己烷为提取溶剂，通过超声协同微波提取辣椒粉中的辣椒红色素。研究表明，当辣椒粉目数为60 目，超声功率为50 W，微波功率为240 W，料液比为1:25（g/mL），微波时间为10 min 时，辣椒红色素的色价可高达147。

与常规溶剂提取法相比，超声波的空穴作用结合微波的高能作用[31]，能更快破坏辣椒的细胞结构，促进固体样品中有效成分的释放。

2.2.8 酶提取法

酶提取法是利用了酶的专一性，通过使用合适的酶将细胞壁结构水解或破坏，以加速细胞内活性物质的释放，从而提高目标产物提取率[32]。常用的酶制剂有酶的青贮剂、MX 酶[33]、脂肪酶、蛋白酶（胰凝乳蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、嗜热菌蛋白酶和木瓜蛋白酶）[34]、纤维素酶、果胶酶、半纤维素酶等生物复合酶。SANKHARAK 等[35]将枯草芽孢杆菌和热带假丝酵母中的脂肪酶用于提取辣椒红色素。结果显示，相比于枯草芽孢杆菌，热带假丝酵母中的脂肪酶提取的辣椒红色素含量增加了1.56 倍。张卫明等[36]比较了有机溶剂、非连续酶法和连续酶法提取辣椒红素的提取效果。结果显示，有机溶剂提取法得到的辣椒红色素色价最高，但非连续酶法提取法在加工过程中可以得到更多的副产物——辣椒碱。

虽然酶提取法具有专一性强、易控制、绿色环保等优点，但该方法得到的辣椒红色素产品质量较低，生物酶易失活，生产成本过高，这些缺点大大限制了酶辅助提取法的发展。

3 辣椒红色素的纯化方法

目前国内的辣椒红色素粗产品普遍存在辣味物质、酯类物质、胶状物含量较多，以及其他辣椒色素未分离彻底的现象，这严重影响了辣椒红色素的品质、大大限制了其应用范围，影响了经济效益。国内外尤其是美、日、韩等发达国家对于高品质辣椒红色素有很强的需求，因此建立简便、廉价、高效的提纯方法显得尤为重要。目前，常用的纯化方法有皂化去酯脱辣法、酸洗-碱炼-离心法、分子蒸馏法、硅胶柱层析法、大孔树脂吸附法，可通过比较纯化前后色价或测定产品中不溶物含量来评价纯化效果。

3.1 皂化去酯脱辣

皂化去酯脱辣法指通过针对性加入酸或醇溶液（脱辣液），以除去粗产品中的辣味物质（辣椒碱）、胶溶性杂质、磷脂等物质。常用的脱辣液为75%的乙醇水溶液，常加入微量的电解质（如食盐、磷酸）来加快分离速度。

宿光平[9]将辣椒红色素粗品浓缩至溶剂<1%后加入脱辣液，在脱辣搅拌过程中，粗产品中的胶溶性杂质、磷脂等杂质发生分层反应，静置12 h 后除去含有辣椒碱的水相和磷脂层，以此达到纯化目的。脱辣除酯温度和搅拌时间是关键工艺参数。试验结果表明，将脱辣温度控制在（45±1）℃，搅拌40 min，辣椒红色素吸光比从1.000 增长到1.005，产品的流动性也显著得到改善。史晓博等[37]为解决产业化生产中辣椒红色素产品中果胶、糖类等物质含量较高的问题，研发了一种辣椒红色素脱胶的方法，并在车间生产中取得了良好的效果。该方法主要通过调节辣椒红色素脱胶溶液中的加水量、加酸量、加盐量，计算辣椒红色素中丙酮不溶物的含量，确定了最佳脱胶剂配比，即加水量为40 g，加酸量为2.5 g，加盐量为3 g，此时辣椒红色素不溶物含量可降至0.38%，纯化后的辣椒红色素产品感官品质符合《GB 1886.34—2015》，具有较好的流动性和光泽，着色能力强。

3.2 酸洗-碱炼-离心法

酸洗-碱炼-离心法是一种新型的纯化方法，在原先碱液处理法的基础上加入酸洗和离心的步骤，不仅能纯化辣椒红色素，还能回收杂质，生产皂角，实现磷脂资源的开发再利用。该工艺通过磷酸酸化洗脱低色价辣椒红色素中的磷脂后，再加入碱溶液（如NaOH 溶液）进行碱炼，后经丙酮萃取和蒸发浓缩可得到高色价的辣椒红色素[38]。李涛等[39]使用该方法纯化辣椒红色素，成功将色价由177 提高到300。

3.3 分子蒸馏法

分子蒸馏法（Molecular distillation，MD）又称短程蒸馏（Shonpathdistillation），是近年来迅速发展的一种新型液-液分离技术，该技术克服了传统蒸馏操作温度高、受热时间长的缺点，能有效去除液体中的低分子物质，选择性地蒸出目的产物[40]。国内利用分子蒸馏技术纯化辣椒红色素的研究已比较成熟。如王芳芳等[41]应用超临界CO2技术和刮膜式分子蒸馏装置分别纯化辣椒红色素粗品，通过比较纯化后辣椒红色素的色价来比较两种技术的纯化效果。结果显示，分子蒸馏技术的效果略优于超临界CO2，优势主要体现在大大缩短了纯化时间。

进料温度、蒸馏温度、蒸馏压力、刮膜器转速、进料速率等因素都会影响分子蒸馏的纯化效果。陶红等[42]通过Box-Behnken 试验设计，考察了蒸馏温度、蒸馏压力、刮膜器转速对辣椒类胡萝卜素纯化的影响。结果显示当蒸馏温度144 ℃、蒸馏压力9.5 Pa、刮膜器转速313 r/min时，纯化效果最好，辣椒红色素的色价可达到19.84。张煜等[22]通过在降膜蒸馏器内增加了一个刮膜器来调节刮膜器的转速，这样能更好地保持液膜的厚度和均匀性，同时还能控制物料停留时间，减小热分解。分子蒸馏技术低温加热的优点，能大大降低辣椒红色素热分解损失的可能性，可应用在辣椒红色素工业上。

3.4 硅胶柱层析

硅胶柱层析法（Silica gel column chromatography，SGCC）根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离的方法。庞敏等[43]先用乙醇皂化去除辣椒粗提物中的脂肪酸，再通过硅胶柱层析去除样品中的辣椒碱。实验结果显示最佳的硅胶柱层析条件为上样量（样品质量:硅胶质量）1:40、径高比1:10、洗脱流速1 BV/h。尚雪波[44]先用碱溶液脱辣（回收），利用硅胶层析柱分离，再用碱溶液进行水解（分离得到的辣椒红色素产品中含有大量脂肪酸酯），用水洗涤至中性。最后再次利用硅胶层析柱提纯，除去其他盐类物质和残留溶剂，得到纯度高的辣椒红色素产品。用红外光谱法分析检测提取物，可确定其为辣椒红色素。张晔等[19]以产品质量及产率为考察标准，比较了硅胶层析柱和皂化去酯除辣法纯化辣椒红色素的效果。纯化结果显示，经过硅胶柱层析纯化的粗产品色价有大幅度提高，最高可达551.1，显著优于皂化去酯除辣法，但产率极低，仅为柱层析产率的十分之一。因此，尽管硅胶柱层析法具有操作简单、设备要求低、纯化效果好的优点，但其较低的产率限制了生产的规模。

3.5 大孔吸附树脂

大孔吸附树脂具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以有选择地通过物理吸附水溶液中的有机物，是天然产物纯化中常用的手段[45]。

张艳等[46]填柱后分别用无水乙醇和氯仿作为提取溶剂，将得到的辣椒提取物制备为上柱液，通过重力法过柱。之后比较了FPA90CL、FPA53、XAD16、FPC3500 和XAD4 这5 种树脂的吸附效果，结果显示这5 种树脂均不能吸附氯仿溶解的辣椒红色素，仅XAD16 树脂可吸附用无水乙醇溶解的辣椒红色素，每1 g 树脂可吸附0.017 g辣椒红色素；比较了1%NaOH 溶液、50%乙醇溶液、无水乙醇及氯仿的洗脱能力，结果显示1%NaOH 溶液和50%乙醇溶液没有洗脱效果，无水乙醇只能洗脱辣椒红色素的红色组分，氯仿则能完全洗脱。

综上所述，在选择纯化方法时，需要考虑产率、纯度、客户需求、应用等多方面的问题。如硅胶柱层析在去除辣椒素和酯类物质的基础上，还能去除其他的非红色成分。如果对色彩效果有精细要求，就应该采取硅胶柱层析，这样还可以得到其他颜色的色素，进一步合理开发利用。若纯化所得的辣椒红色素产品用于食品添加剂，就不适合用硅胶柱层析和大孔吸附树脂这种在纯化过程中需要借助较强毒性有机试剂（如丙酮、石油醚、氯仿等）的方法进行纯化，可考虑皂化去酯除辣法和分子蒸馏法，同时可以得到较多附加值高的辣椒碱。

4 展望

我国是辣椒种植大国，辣椒红色素资源丰富，有关辣椒红色素提取、纯化的研究也较多，但相关技术仍需要转型提升。

生产环节上，应更关注辣椒红色素原料的“生态化”与其加工工艺“绿色化”。原料方面，除了可以考虑培育辣椒红色素含量较高的辣椒新品种外，还可以从辣椒皮渣中提取辣椒红色素，节约成本，实现皮渣等辣椒酱副产物的综合利用；工艺方面，在提取、纯化的过程中加入回收的工艺流程，充分利用加工过程中的副产物（如辣椒碱、胶类物质、磷脂等）进行再加工，加强对辣椒加工副产物中其它类胡萝卜素含量及提取工艺的研发，有效降低生产成本，实现辣椒加工产业链的可持续增值。

应用环节上，由于目前我国食品安全国家标准GB 2760—2014 已批准“辣椒红”“辣椒橙”作为着色剂使用，应继续拓展“辣椒红”与“辣椒橙”的应用范围、并加大“辣椒黄”类产品的挖掘，强化产品着色、稳定性等方面的研究。

检测环节上，在2020 年1 月，河北省地方标准《DB 13/T 5159—2019 辣椒红中反式辣椒红素含量的测定》开始实施，还没有检测辣椒原料及其制品中辣椒红色素的国标方法。我国应加快研发先进检测技术的脚步，实现全国辣椒红色素检测手段的统一化、标准化。同时，目前国内针对着色剂的使用并没有关于清洁标签的要求，但原料是否是转基因、提取天然色素过程中使用的添加剂和提取溶剂等因素都应纳入考虑的范围。以辣椒色素加工原料、加工技术及产品应用技术的综合为目标，为辣椒红色素产业的高质量发展提供技术支撑。