黃姜皂素提取工藝的研究進(jìn)展

趙國(guó)強(qiáng)，王常高，林建國(guó)，杜馨，蔡俊

(湖北工業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430068)

黃姜皂素提取工藝的研究進(jìn)展

趙國(guó)強(qiáng)，王常高，林建國(guó)，杜馨，蔡俊*

(湖北工業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430068)

黃姜是我國(guó)特有的植物，是生產(chǎn)薯蕷皂素的主要原料。文章就黃姜皂素的不同提取方法做了簡(jiǎn)單回顧，并對(duì)各種方法的工藝、優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了概括。重點(diǎn)闡述了以生物轉(zhuǎn)化技術(shù)為基礎(chǔ)的黃姜皂素提取工藝，為后期黃姜皂素的清潔生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

黃姜；黃姜皂素；生物轉(zhuǎn)化技術(shù)；提取工藝；優(yōu)缺點(diǎn)

黃姜，學(xué)名盾葉薯蕷(DioscoreazingiberensisC. H.Wright)亦稱火頭根、枕頭根等，多年生纏繞草本植物，為我國(guó)特有的野生植物資源[1]。其主要活性物質(zhì)為薯蕷皂苷，是生產(chǎn)甾體激素類藥物的原料, 常用于治療風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、心腦血管疾病等。據(jù)資料顯示[2]，黃姜根莖中除了含有薯蕷皂苷外，還含有30%～40%的淀粉和 40%～50%的纖維素以及其他的植物活性成分， 是世界上薯蕷皂苷元含量最高的物種。在我國(guó)，黃姜分布在陜西、湖北、河南、貴州等地，其中黃姜種植面積的70%分布在湖北、陜西兩省。

黃姜皂素是薯蕷屬植物中黃姜皂苷的配基及水解產(chǎn)物，以黃姜皂苷形式存在于根莖細(xì)胞中，主要包括原薯蕷皂苷、薯蕷皂苷、原纖細(xì)皂苷、纖細(xì)皂苷、延令草次苷等[3]。黃姜皂素具有一定的藥用價(jià)值，是生產(chǎn)皮質(zhì)激素、性激素等300多種甾體激素和避孕藥物的重要原料，被譽(yù)為“激素之母”[4]。有報(bào)道稱，世界上薯蕷皂素含量較高的植物主要分布在我國(guó)和墨西哥[5]，而我國(guó)又是主要的生產(chǎn)國(guó)[6],因此，筆者針對(duì)不同的提取方法進(jìn)行研究，并著重闡述了無(wú)污染、條件溫和的生物轉(zhuǎn)化法。皂素的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 皂素結(jié)構(gòu)

1 黃姜皂素的提取工藝

黃姜皂素為異螺旋甾烷的衍生物。在自然狀態(tài)下，黃姜皂素主要是以黃姜皂苷的形式存在于植物體內(nèi)。而皂苷在植物中多以糖苷的形態(tài)出現(xiàn)，游離型的苷元甚少，苷鍵斷裂，產(chǎn)生葡萄糖、鼠李糖和皂苷元[7]。皂苷的C3位通過(guò)皂苷鍵與糖鏈相連，進(jìn)而與植物的細(xì)胞壁緊密連接。植物中大量的淀粉、纖維素和果膠等物質(zhì)將皂苷包裹和屏蔽，使其結(jié)構(gòu)緊密，機(jī)械強(qiáng)度大，難以破壞[8]。提取黃姜皂素，應(yīng)首先使皂苷游離出來(lái)，再在一定的反應(yīng)條件下斷開皂素與糖基之間的苷鍵，最終使黃姜皂素游離出來(lái)。

在黃姜皂素生產(chǎn)過(guò)程中，提取皂素的方法主要有分解分離法、直接酸水解法、自然發(fā)酵法、酶解法、直接回流萃取法、微波提取萃取法、超聲波提取萃取法、超臨界CO2萃取法、熱分解提取萃取法等，見(jiàn)表1。

表1 黃姜皂素提取工藝Table 1 The extraction process of diosgenin

分離法提取黃姜中的總皂苷實(shí)現(xiàn)了黃姜中皂素、淀粉和纖維素的有效分離。但由于3種物質(zhì)之間結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密，簡(jiǎn)單方法難以分離，使得皂素純度過(guò)低；直接酸水解法最早是由Rothrock等[23]提出的，用強(qiáng)酸直接水解黃姜。此方法所產(chǎn)生的廢水嚴(yán)重污染環(huán)境，阻礙了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展；自然發(fā)酵法是利用自身及環(huán)境中的微生物于一定的自然環(huán)境進(jìn)行發(fā)酵，既提高了皂素收率也縮短了提取時(shí)間；酶解法是在自然發(fā)酵的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，有針對(duì)性地加入一些酶，以此達(dá)到提高產(chǎn)率的目的；直接回流萃取法主要是通過(guò)易揮發(fā)的有機(jī)溶劑對(duì)原料進(jìn)行循環(huán)浸提。由于該方法加熱時(shí)間比較持久，不適應(yīng)于受熱易分解的皂苷。微波提取萃取法的本質(zhì)是利用微波進(jìn)行加熱。微波實(shí)際上是一種能量，其在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，最終導(dǎo)致細(xì)胞破裂，相比于直接酸水解具有提取率高、提取時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[24]；超臨界CO2萃取法是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)化工分離技術(shù)，由于CO2不具有毒性，因此此法獲得的產(chǎn)物更安全可靠；熱分解提取萃取法由陳俊英首次提出，且申請(qǐng)了國(guó)家專利[25]。在皂素生產(chǎn)過(guò)程中不使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等化學(xué)試劑，也沒(méi)有廢水產(chǎn)生，從根本上解決了皂素生產(chǎn)中的污水處理問(wèn)題，但存在著有機(jī)溶劑用量大、殘?jiān)嗟热秉c(diǎn)，有待進(jìn)一步改善。筆者參考了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)黃姜皂素的提取工藝進(jìn)行了概述，提出了未來(lái)的研究方向，為黃姜皂素的清潔生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

綜上所述，黃姜皂素的所有提取工藝都是在酸水解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，故這些工藝都存在其本身所具有的缺陷,那就是酸水解帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，隨著基因工程、蛋白質(zhì)工程等生物技術(shù)的不斷發(fā)展，大大地推動(dòng)了生物催化與生物轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，現(xiàn)在有大量的學(xué)者研究以生物轉(zhuǎn)化法為基礎(chǔ)的提取工藝，以達(dá)到高效提取皂素、避免污染的目的。

2 生物轉(zhuǎn)化法

生物轉(zhuǎn)化法是利用微生物直接將黃姜中的皂苷轉(zhuǎn)化成皂素，條件溫和，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)污染，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，包括微生物轉(zhuǎn)化法和酶轉(zhuǎn)化法。

2.1 微生物轉(zhuǎn)化法

微生物轉(zhuǎn)化法是利用微生物本身所產(chǎn)生的酶對(duì)外源化合物進(jìn)行酶催化反應(yīng)的技術(shù)，常應(yīng)用于甾體藥物的生物轉(zhuǎn)化中。微生物轉(zhuǎn)化黃姜為薯蕷皂素是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一般有兩種方式即間接轉(zhuǎn)化法和直接轉(zhuǎn)化法。間接轉(zhuǎn)化法即將發(fā)酵產(chǎn)生的粗酶液提取出來(lái)，再與黃姜進(jìn)行酶解反應(yīng)；而直接轉(zhuǎn)化法則省去提取粗酶步驟，直接在體系中發(fā)生轉(zhuǎn)化。二者相互比較，直接轉(zhuǎn)化法更加便利，并且反應(yīng)周期短，但間接轉(zhuǎn)化法的產(chǎn)率較直接轉(zhuǎn)化法有所提高?？偟膩?lái)說(shuō)，微生物轉(zhuǎn)化法相對(duì)于酸水解而言，具有選擇性強(qiáng)、反應(yīng)條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

朱余玲等[26]從生長(zhǎng)黃姜的土壤和常見(jiàn)的一些霉菌中篩選出了3株可以有效水解皂苷的霉菌，它們分別是產(chǎn)纖維素酶活力較高的T.reesei，產(chǎn)β-糖苷酶活力較高的A.niger和產(chǎn)木聚糖酶活力較高的A.oryzae。對(duì)純種發(fā)酵、復(fù)合同步發(fā)酵、復(fù)合順序發(fā)酵進(jìn)行了比較，確定了最佳的工藝，即A.niger與T.reesei共培養(yǎng)時(shí),當(dāng)T.reesei發(fā)酵第3天時(shí)投加A.niger繼續(xù)發(fā)酵6天后皂素得率可達(dá)到78.25%。Lei等[27]利用煙曲真菌產(chǎn)生的β-糖苷酶將皂苷轉(zhuǎn)化成皂素，β-糖苷酶能將C3位的糖苷鍵斷裂。Ma等[28]將黑曲霉菌直接接種于原料黃姜培養(yǎng)發(fā)酵，經(jīng)分離后成功提取黃姜皂素。董悅生等[29]利用米曲霉直接轉(zhuǎn)化盾葉薯蕷制備薯蕷皂苷元，并對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，產(chǎn)率達(dá)到17.06 mg/g。因此，利用生物轉(zhuǎn)化法能大幅度提高黃姜皂素產(chǎn)率，而且成本低、無(wú)污染。

2.2 酶轉(zhuǎn)化法

酶轉(zhuǎn)化法是利用商品化酶，實(shí)現(xiàn)將黃姜轉(zhuǎn)化為薯蕷皂素的方法。與微生物轉(zhuǎn)化法相比，酶解法省去了培養(yǎng)微生物所需的相關(guān)設(shè)備，解除了染菌和生產(chǎn)菌變異的后顧之憂。截止目前，能將薯蕷皂苷完全轉(zhuǎn)化為薯蕷皂素的單一酶還未發(fā)現(xiàn)。但在薯蕷皂苷轉(zhuǎn)化為薯蕷皂素的過(guò)程中，斷裂不同糖苷鍵的酶卻層出不窮，為薯蕷皂苷轉(zhuǎn)化薯蕷皂素提供了理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保方便的工藝做了重要鋪墊。

徐升運(yùn)等[30]采用生物酶法對(duì)薯蕷皂素進(jìn)行提取研究，使黃姜淀粉和纖維素充分分解，促進(jìn)葡萄糖和皂素的分離。通過(guò)正交試驗(yàn)確定了復(fù)合酶提取皂素的最佳工藝，即最適酶解條件為溫度55 ℃，pH值4.0，時(shí)間6 h，在該條件下，黃姜皂素得率提高26%。鐘桂芳等[31]先后用淀粉酶、糖化酶以及普魯士酶對(duì)黃姜進(jìn)行預(yù)處理，再用復(fù)合酶對(duì)黃姜皂苷進(jìn)行水解，研究了酶解時(shí)間、溫度、pH和攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)皂素提取率的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定了復(fù)合酶法提取工藝的最優(yōu)工藝，使薯蕷皂素的得率達(dá)到4.88%。Zhu等[32-34]利用淀粉酶、糖化酶先從黃姜根莖中分離出淀粉，然后再用里氏木霉將皂渣中的皂苷轉(zhuǎn)化成薯蕷皂素，最終淀粉回收率達(dá)98.0%，廢水中的COD下降了99.4%，用酸量減少了100%，既充分利用了黃姜中的其他資源，也提高了皂素產(chǎn)率。

綜合以上工藝可知，生物轉(zhuǎn)化法能夠有效地解決酸水解過(guò)程中提取率低、廢水多、污染嚴(yán)重的問(wèn)題，為黃姜的清潔生產(chǎn)開辟了新的思路和途徑。由于發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜不易控制，商品酶成本高，酶的溫和型和專一性引起的產(chǎn)率不足等因素，目前在薯蕷皂素的制備過(guò)程中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全生物法的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是隨著薯蕷皂素制備方法的不斷深入以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為最終實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化法制備薯蕷皂素奠定了基礎(chǔ)。

3 展望

我國(guó)是黃姜生產(chǎn)大國(guó)，研究和開發(fā)黃姜皂素，對(duì)人類的健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有積極的作用。對(duì)于如何能夠高效提取黃姜皂素，國(guó)內(nèi)外的研究人員做了大量的研究，提出了不同的提取工藝，但均是在酸水解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，無(wú)法從根本上解決環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等生物技術(shù)的快速發(fā)展，以生物轉(zhuǎn)化技術(shù)為前提的提取工藝應(yīng)運(yùn)而生，在不久的將來(lái)這種條件溫和、成本低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染的生物法提取工藝將是黃姜皂素生產(chǎn)研究的發(fā)展方向。

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Research Progress on Extraction Process of Diosgenin

ZHAO Guo-qiang, WANG Chang-gao, LIN Jian-guo, DU Xin, CAI Jun*

(Key Laboratory of Fermentation Engineering,Ministry of Education, Hubei Collaborative Innovation Center for Industrial Fermentation, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Dioscoreazingiberensisis a characteristic plant of our country,and it is the main raw material for producing diosgenin.Introduce various extraction methods and generalize the process,advantages and disadvantages.The process based on bioconversion technology is elaborated emphasically.The study could provide theoretical basis for the cleaner production of diosgenin in future.

Dioscoreazingiberensis；diosgenin；bioconversion technology；extraction process；advantages and disadvantages

2017-01-06 *通訊作者

國(guó)家自然科學(xué)基金(31401807)

趙國(guó)強(qiáng)(1992-)，男，碩士，研究方向：發(fā)酵工程；

蔡俊(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：發(fā)酵工程。

TS201.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.07.036

1000-9973(2017)07-0165-04