辣椒碱的生产工艺有哪些?
发布时间:2022-06-27 14:56

图片:天然辣椒碱结构式
【背景及概况】 [1][2][3]

  辣椒为茄科植物辣椒的果实。辣椒由明朝时引进我国,《药性考》称其温中散寒,除风发汗去冷癖,行痰逐湿,用于治疗胃病、风湿病、神经痛等。辣椒碱是直接从红辣椒中提取出来的一种含有14种互溶的辣味组分的混合 物,这种混合物早在1816年就已被提取出来,各组分的基本结构直到1898年才被确定,证明基本为香草胺基。由于脂肪侧链的不同,共有 14种之多。其中辣椒碱约占46%~77%,二氢辣椒碱约占21%~40%,二者占90%以上,此外还含有少量的降二氢辣椒碱、高辣椒碱、高二氢辣椒碱等,目前发现有些辣椒品种中二氢辣椒碱同系物占主要成分。辣椒碱类物质因辣椒的品种、成熟程度、气候条件和土壤性质等不同,其含量和组成也有所差异。辣椒碱在果实不同部位的含量也不同,胎座及隔膜组织中含量最高,果肉次之,种子最低。

  辣椒碱具有止痛、抗癌、调节血脂、抗菌消炎、减肥、抗疲劳等作用,还可导致皮肤血管扩张、改善微循环,又能利用其刺激性辣味对人和动物产生一系列生理反应和驱避作用。辣椒碱还可作为功能性食品添加剂,能祛风行血、散寒解郁、导滞止痛、止癖擦癣,能促进人体能量代谢作用与亢进作用,增强血管的扩缩机能,有较强的抗氧化能力,可用作食品添加剂、国防及公安用制剂、外用药剂等。但辣椒碱粗品中的酚类物质能拮抗辣椒碱对神经肽的作用,这种粗品在临床上不能诱导神经肽活性,反而会加剧疼痛和炎症,因此提取分离高纯度的辣椒碱,对于提高辣椒的应用价值,促进我国辣椒产业的发展意义重大。

  【组成】 [4]

  辣椒碱是辣椒中辛辣味的主要化学成分,其主要分布在辣椒籽及果品内表面之中。特莱施第一个从辣椒果实中分离出辣椒碱,后来将其称为辣椒碱、辣椒辣素等。之后用核磁共振等方法发现辣椒碱是由一系列辣椒碱同系物或异构体组成。现在已经知道,天然辣椒碱是一种混合生物碱,辣椒原辣味是各种辣椒素的总称,其中辣椒碱占69%,二氢辣椒碱占22%,降二氢辣椒碱占 7%,高辣椒碱占 1%。辣椒碱是香草基胺的酰胺衍生物,其化学式为C 18 H 27 NO 3 ,结构为:

  【特性】 [4]

  高纯度的辣椒碱为白色片状或针状结晶或白色粉末,无毒性,高温下易产生较强的刺激性气味;通常熔点为62~65℃,沸点为210~220℃;化学稳定性高,易溶于乙醇、石油醚、丙酮、氯仿、苯等有机溶剂,利用此性质,可将辣椒碱粗提取物溶解其中并结晶,以制得高纯度的辣椒碱;由于酚羟基呈出弱酸性,因而也能溶于强碱,微溶于二硫化碳,难溶于冷水;易水解,水解后呈弱酸性,利用与菲林试剂的显色反应,可测定其含量。

【生产工艺】 [4]

  1. 氢氧化钠法

  利用辣椒碱的酚羟基具有弱酸性,能与强碱发生反应的原理,以氢氧化钠溶液为溶剂,与辣椒精进行反应,并对不同的碱液用量、浸泡时间以及浸泡温度等进行对比研究,得出最优工艺条件为辣椒精:质量分数 20% Na OH 溶液=1 g:9 m L,80℃下浸泡 2 h。此方法简单易行,但操作费时,得率不高,在最优条件下的提取率仅为0.84%。

  2. 离子交换法

  以辣素为原料,经氢氧化钠溶解、硫酸酸化、正己烷萃取制得粗品辣椒碱类化合物,再将粗品溶于氢氧化钠进行离子交换,以乙醇-乙酸乙酯洗脱、浓缩、结晶,进而得到纯度大于 98.5%的辣椒碱晶体,产率为 0.6%。

  3. 溶剂提取法

  溶剂法是指利用辣椒碱易溶于丙酮、乙醇、乙酸乙酯、正己烷、氯仿等有机溶剂的特点,将粉碎后的辣椒在此单一溶剂或混合溶剂中进行浸提,对得到的浸提液减压蒸馏并进行重复萃取,从而得到辣椒碱粗制品的一种方法,是目前技术和设备最成熟、应用最广泛的生物有效成分提取法。现工业上多采用此法进行大规模生产,但所提取辣椒碱的纯度低,得到的是辣椒碱含量为 6%~10%的辣椒精,不易精制,且生产成本高、损耗大。

  4. 超临界 CO 2 萃取法

  超临界CO 2 萃取法是利用二氧化碳在超临界状态下具有非极性液体溶剂的溶解能力,进行分离、萃取、精制有效成分的一种较新型的萃取分离技术。在辣椒粉小于 20 目、压力为 20~30 MPa、温度为 35~45℃、乙醇为溶剂等条件下进行超临界CO 2 萃取,萃取 2~3 h,提高CO 2 流量可缩短萃取时间,最终可得到纯度高、杂质少的辣椒碱。此法具有萃取率及纯度相对较高、且无溶剂残留等优点。

  5. 酶法提取

  辣椒碱存在于辣椒皮粉的纤维组织内,利用生物酶高度专一的反应特性,使用纤维素酶,分解细胞壁,将辣椒碱溶解出来。酶法提取已被广泛应用于植物活性成分提取中,但其对温度、pH 以及作用时间等试验条件要求较高,因此有一定的局限性,适合于实验室研究,不易大规模生产。

  6. 超声波提取法

  利用超声波产生的振动,迫使辣椒细胞壁破碎,加速辣椒细胞内物质的释放、扩散及溶解,有利于辣椒碱的提取。以辣椒粉为原料,从中提取辣椒碱树脂,并探讨了溶剂类型、辣椒粉与溶剂体积的比例、温度等条件对其影响,最终确定了最优提取条件。

  7. 微波提取

  微波提取是指利用高频率的电磁波穿透技术,使细胞内部温度升高、压力增大以致细胞破裂,成功提取有效成分的一种方法。相对于常规技术,微波法可以在较低温度下产生更高的提取效率,但此法只适合于实验室研究,难以实现工业化。

  8. 微切助互作技术辅助提取

  微切助互作技术是机械化学领域一项新的应用,指利用机械化学效应,将植物原料与化学助剂共同研磨达到超粉碎状态,作为提取的预处理,选用水或稀醇提取有效成分的一项技术。该技术基本原理是经过粉碎过程,植物细胞壁破碎,化学助剂与有效活性成分之间发生化学反应,从而提高了提取效率及有效活性成分的水溶性和利用度。此技术具有节能环保、降低成本、提高提取率等优点。

  9. 生物法

  生物法包括生物培养和生物合成两种方法。将辣椒种子先进行无菌处理,再在赞氏培养皿中经 7 天左右培养发芽,然后取秧芽细胞与藻酸钠混合,氮化钙为强化剂进行包埋,可得到固定化细胞颗粒,最后放入含有营养成分的培养基中进行培养,辣椒碱的含量会提高到原含量的 13 倍。

  10. 化学合成

  从化学结构上分析,辣椒碱是由脂肪酸与香草基胺组成的酰胺化合物,因此可以采取逆合成法来合成, 以异丁锌与1,6-己二酸单乙酯单酰氯为原料经五步反应合成辣椒碱的方法,成为了辣椒碱合成的经典。以三苯基磷与6-溴己酸为原料,经一系列的反应,得到类似于提取法制取的纯辣椒碱样品,总收率达到 26.6%。以6-溴己酸乙酯为起始原料,经Witting反应和亚硝酸异构化等六步反应合成辣椒素粗品。

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