薯蕷皂素的節(jié)水生產(chǎn)工藝研究

羅 倩，李向民，李 俊

陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安 710062

薯蕷皂素，又名皂苷元，為白色晶體或粉末，熔點(diǎn)195℃ ～205℃，難溶于水，易溶于氯仿、石油醚、汽油等有機(jī)溶劑［1-2］。該化合物具有溶血、降血脂、抗菌、消炎等作用，是合成多種甾體激素和甾體避孕藥的理想前體［3］。世界各國生產(chǎn)的甾體激素三分之二以上都是以它為原料合成的［4］。

薯蕷皂素一般難以用化學(xué)方法合成，主要通過植物自然合成，所以一般主要是從含有薯蕷皂素的原植物中提取。提取的方法一般包括直接酸水解發(fā)和預(yù)發(fā)酵酸水解法［5］。目前薯蕷皂素生產(chǎn)的主要工藝是，薯蕷根莖經(jīng)粉碎后自然發(fā)酵、酸水解、用有機(jī)溶劑萃取，工藝簡便，但耗水量大，生產(chǎn)每噸薯蕷皂素需要耗水250～350噸，并存在弱酸性廢水污染問題。

本實(shí)驗(yàn)在預(yù)發(fā)酵酸水解的基礎(chǔ)上減少發(fā)酵及酸水解時(shí)的用水量，以及改酸水解后水洗過程為化學(xué)中和法，大幅度降低生產(chǎn)用水，從而降低工業(yè)污水排放量，為薯蕷皂素的清潔生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)材料:盾葉薯蕷根莖，品種為安姜3號，產(chǎn)自陜西省安康市。

實(shí)驗(yàn)試劑:濃 HCl(36% ～38%)、CaO(98%)、120#汽油。

實(shí)驗(yàn)儀器:植物樣品粉碎機(jī)、電子天平、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱、CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱、萬用電爐、真空泵、布氏漏斗、電熱套、索式提取器。

1.2 試驗(yàn)方法

將新鮮的薯蕷根莖洗凈晾干后切成薄片，粉碎后備用。稱取20 g樣品，于108℃烘干至恒重，稱量后計(jì)算其水分含量。精確稱取50 g樣品于燒杯中，用塑料薄膜封好后置于39℃培養(yǎng)箱中發(fā)酵48 h。將發(fā)酵好的樣品轉(zhuǎn)移至500 mL圓底燒瓶中，加入適量濃HCl以及適量的水，電爐直火加熱回流水解6 h。將水解物移至燒杯中，加不同的中和試劑調(diào)節(jié)PH至7.0，靜置2 h后進(jìn)行抽濾，將濾渣置于101℃烘干過夜。將烘干的濾渣裝入紙筒置于索式提取器中，加入約180 mL120#汽油于500 mL平底燒瓶中，回流提取6 h。將提取液濃縮后趁熱倒入燒杯中，常溫放置24 h冷卻析晶。將結(jié)晶用布氏漏斗過濾后置于80℃烘箱中烘干至恒重。用分析天平稱量樣品重量，計(jì)算皂素得率。

含水量%=(M1-M2)/M1×100%

(M1表示樣品鮮重，M2表示樣品干重)

皂素含量 =M3/【50×(1-C)】×100%

(M3表示所得皂素重量，C表示樣品含水量)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同HCL濃度對薯蕷皂素得率的影響

對影響薯蕷皂素得率的HCL濃度進(jìn)行單因素考察，預(yù)發(fā)酵溫度39℃，發(fā)酵時(shí)間48 h，設(shè)HCL濃度分別為 2.0，2.5，3 mol/L，電爐直火加熱水解 6 h，濾渣水洗至中性，汽油回流提取6 h。結(jié)果見表1。

表1 不同HCL濃度的皂素得率Table 1 Diosgenin yield of different HCL concentration

經(jīng)對表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得出:F值為 8.428，大于 F0.05(2，6)=5.14。

差異達(dá)到顯著水平，說明不同HCL濃度處理薯蕷皂素得率差異顯著。對不同HCL濃度處理薯蕷皂素得率的差異性進(jìn)行Duncan多重檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同HCL濃度處理的Duncan多重檢驗(yàn)Table 2 Duncan multiple testing of different HCL concentration

經(jīng)Duncan多重檢驗(yàn)之后可知:A處理與B處理以及C處理之間無顯著性差異，而B處理與C處理之間具有顯著性差異。說明在HCL濃度為2.5 mol/L時(shí)，薯蕷皂素的得率達(dá)到最大，即2.408%。

2.2 不同加水量對薯蕷皂素得率的影響

對影響薯蕷皂素得率的加水量進(jìn)行單因素研究，預(yù)發(fā)酵溫度39℃，發(fā)酵時(shí)間48 h，HCL濃度2.5 mol/L，電爐直火加熱6 h，濾渣水洗至中性，汽油回流提取6 h，結(jié)果見表3。

表3 不同加水量的皂素得率Table 3 Diosgenin yield of different water

經(jīng)對表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得出:F值為 42.845，大于 F0.05(2，，21)=3.47，差異達(dá)到極顯著水平，說明不同加水量處理皂素得率差異極顯著。對不同加水量處理黃姜皂素得率的差異性進(jìn)行Duncan多重檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。

經(jīng)Duncan多重檢驗(yàn)之后可知:A處理與B處理、C處理、D處理相互之間無顯著性，F(xiàn)處理、G處理與H處理相互之間無顯著性差異;A處理、B處理、C處理、D處理與E處理和F處理、G處理、H處理之間具顯著性差異，E處理與F處理、G處理和H處理之間具顯著性差異。這說明皂素含量隨加水量的減少而減少，但70 mL時(shí)皂素含量與80，90以及100 mL時(shí)皂素含量無顯著性差異，所以確定最低加水量為19.24 mL，即最低液體總量為70 mL，折合每噸皂素耗水量26.07噸。

表4 不同加水量處理的Duncan多重檢驗(yàn)Table 4 Duncan multiple testing of different water

2.3 不同中和試劑對薯蕷皂素得率的影響

對影響薯蕷皂素得率中和試劑進(jìn)行單因素比較研究，預(yù)發(fā)酵溫度39℃，發(fā)酵時(shí)間48 h，HCL濃度2.5 mol/L，電爐直火加熱6 h，水解液加入不同的中和試劑中和至中性，汽油回流提取6 h，結(jié)果見表5。

表5 不同中和試劑的皂素得率Table 5 Diosgenin yield of different reagent

經(jīng)對表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得出:F值為 0.153，小于 F0.05(2，6)=5.14，說明不同中和試劑處理薯蕷皂素得率無顯著性差異。但NaOH吸濕性很強(qiáng)，與水反應(yīng)放熱迅速，且成本較高;而水洗至中性需大量的清水，一般水解50 g新鮮黃姜的用水量為原料的6～8倍。相比之下，CaO在中和時(shí)放熱較少，且用量不大，一般在6 g左右，成本也相對也廉價(jià)，所以，綜合比較之后，酸水解之后用CaO中和較為適宜。

3 結(jié)論與討論

水解時(shí)HCl濃度為2.5 mol/L時(shí)，薯蕷皂素的得率達(dá)到最大。

用中合法代替水洗過程可降低耗水量90%以上。用CaO中和效果較好。

發(fā)酵時(shí)料(干)/液比在 0.15～0.21時(shí)，以上時(shí)，皂素得率皂素得率差異不大，大于0.21后，皂素得率降低。

綜上所述，薯蕷皂素節(jié)水生產(chǎn)的最佳工藝路線為發(fā)酵料(干)/液比0.21，水解 HCL 濃度2.5 mol/L，CaO中和，汽油提取。該工藝比傳統(tǒng)工藝降低耗水量90%以上。

1 Zheng HJ(鄭海金)，Ma BW(馬步偉).New technology study on abstraction of diosgenin from fresh ginger.Journal of Pingdingshan Institute of Technology(平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào))，2005，14(2):40-42.

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4 Wang AT(王安亭)，Hao XG(郝曉光)，Zhao LC(趙連朝).New Technology of Extracting Diosgenin from D.Zingiberensis Wight.Chemical Industry and Engineering(化學(xué)工業(yè)與工程)，2006，23:559-561.

5 Tang XL(湯興利)，et al.The Extraction Technology and the Research Progress on the Detection Methods of Diosgenin.Chin Acad J(中藥材)，2004，27:877-880.