薯蓣皂素的节水生产工艺研究

罗 倩，李向民，李 俊

陕西师范大学生命科学学院，西安 710062

薯蓣皂素，又名皂苷元，为白色晶体或粉末，熔点195℃ ～205℃，难溶于水，易溶于氯仿、石油醚、汽油等有机溶剂［1-2］。该化合物具有溶血、降血脂、抗菌、消炎等作用，是合成多种甾体激素和甾体避孕药的理想前体［3］。世界各国生产的甾体激素三分之二以上都是以它为原料合成的［4］。

薯蓣皂素一般难以用化学方法合成，主要通过植物自然合成，所以一般主要是从含有薯蓣皂素的原植物中提取。提取的方法一般包括直接酸水解发和预发酵酸水解法［5］。目前薯蓣皂素生产的主要工艺是，薯蓣根茎经粉碎后自然发酵、酸水解、用有机溶剂萃取，工艺简便，但耗水量大，生产每吨薯蓣皂素需要耗水250～350吨，并存在弱酸性废水污染问题。

本实验在预发酵酸水解的基础上减少发酵及酸水解时的用水量，以及改酸水解后水洗过程为化学中和法，大幅度降低生产用水，从而降低工业污水排放量，为薯蓣皂素的清洁生产提供一定的依据。

1 实验部分

1.1 实验材料、仪器与试剂

实验材料:盾叶薯蓣根茎，品种为安姜3号，产自陕西省安康市。

实验试剂:浓 HCl(36% ～38%)、CaO(98%)、120#汽油。

实验仪器:植物样品粉碎机、电子天平、数显鼓风干燥箱、CO2细胞培养箱、万用电炉、真空泵、布氏漏斗、电热套、索式提取器。

1.2 试验方法

将新鲜的薯蓣根茎洗净晾干后切成薄片，粉碎后备用。称取20 g样品，于108℃烘干至恒重，称量后计算其水分含量。精确称取50 g样品于烧杯中，用塑料薄膜封好后置于39℃培养箱中发酵48 h。将发酵好的样品转移至500 mL圆底烧瓶中，加入适量浓HCl以及适量的水，电炉直火加热回流水解6 h。将水解物移至烧杯中，加不同的中和试剂调节PH至7.0，静置2 h后进行抽滤，将滤渣置于101℃烘干过夜。将烘干的滤渣装入纸筒置于索式提取器中，加入约180 mL120#汽油于500 mL平底烧瓶中，回流提取6 h。将提取液浓缩后趁热倒入烧杯中，常温放置24 h冷却析晶。将结晶用布氏漏斗过滤后置于80℃烘箱中烘干至恒重。用分析天平称量样品重量，计算皂素得率。

含水量%=(M1-M2)/M1×100%

(M1表示样品鲜重，M2表示样品干重)

皂素含量 =M3/【50×(1-C)】×100%

(M3表示所得皂素重量，C表示样品含水量)

2 结果与分析

2.1 不同HCL浓度对薯蓣皂素得率的影响

对影响薯蓣皂素得率的HCL浓度进行单因素考察，预发酵温度39℃，发酵时间48 h，设HCL浓度分别为 2.0，2.5，3 mol/L，电炉直火加热水解 6 h，滤渣水洗至中性，汽油回流提取6 h。结果见表1。

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

经对表1的实验数据进行方差分析得出:F值为 8.428，大于 F0.05(2，6)=5.14。

差异达到显著水平，说明不同HCL浓度处理薯蓣皂素得率差异显著。对不同HCL浓度处理薯蓣皂素得率的差异性进行Duncan多重检验，结果见表2。

表2 不同HCL浓度处理的Duncan多重检验Table 2 Duncan multiple testing of different HCL concentration

经Duncan多重检验之后可知:A处理与B处理以及C处理之间无显著性差异，而B处理与C处理之间具有显著性差异。说明在HCL浓度为2.5 mol/L时，薯蓣皂素的得率达到最大，即2.408%。

2.2 不同加水量对薯蓣皂素得率的影响

对影响薯蓣皂素得率的加水量进行单因素研究，预发酵温度39℃，发酵时间48 h，HCL浓度2.5 mol/L，电炉直火加热6 h，滤渣水洗至中性，汽油回流提取6 h，结果见表3。

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

经对表3的实验数据进行方差分析得出:F值为 42.845，大于 F0.05(2，，21)=3.47，差异达到极显著水平，说明不同加水量处理皂素得率差异极显著。对不同加水量处理黄姜皂素得率的差异性进行Duncan多重检验，结果见表4。

经Duncan多重检验之后可知:A处理与B处理、C处理、D处理相互之间无显著性，F处理、G处理与H处理相互之间无显著性差异;A处理、B处理、C处理、D处理与E处理和F处理、G处理、H处理之间具显著性差异，E处理与F处理、G处理和H处理之间具显著性差异。这说明皂素含量随加水量的减少而减少，但70 mL时皂素含量与80，90以及100 mL时皂素含量无显著性差异，所以确定最低加水量为19.24 mL，即最低液体总量为70 mL，折合每吨皂素耗水量26.07吨。

表4 不同加水量处理的Duncan多重检验Table 4 Duncan multiple testing of different water

2.3 不同中和试剂对薯蓣皂素得率的影响

对影响薯蓣皂素得率中和试剂进行单因素比较研究，预发酵温度39℃，发酵时间48 h，HCL浓度2.5 mol/L，电炉直火加热6 h，水解液加入不同的中和试剂中和至中性，汽油回流提取6 h，结果见表5。

表5 不同中和试剂的皂素得率Table 5 Diosgenin yield of different reagent

经对表3的实验数据进行方差分析得出:F值为 0.153，小于 F0.05(2，6)=5.14，说明不同中和试剂处理薯蓣皂素得率无显著性差异。但NaOH吸湿性很强，与水反应放热迅速，且成本较高;而水洗至中性需大量的清水，一般水解50 g新鲜黄姜的用水量为原料的6～8倍。相比之下，CaO在中和时放热较少，且用量不大，一般在6 g左右，成本也相对也廉价，所以，综合比较之后，酸水解之后用CaO中和较为适宜。

3 结论与讨论

水解时HCl浓度为2.5 mol/L时，薯蓣皂素的得率达到最大。

用中合法代替水洗过程可降低耗水量90%以上。用CaO中和效果较好。

发酵时料(干)/液比在 0.15～0.21时，以上时，皂素得率皂素得率差异不大，大于0.21后，皂素得率降低。

综上所述，薯蓣皂素节水生产的最佳工艺路线为发酵料(干)/液比0.21，水解 HCL 浓度2.5 mol/L，CaO中和，汽油提取。该工艺比传统工艺降低耗水量90%以上。

1 Zheng HJ(郑海金)，Ma BW(马步伟).New technology study on abstraction of diosgenin from fresh ginger.Journal of Pingdingshan Institute of Technology(平顶山工学院学报)，2005，14(2):40-42.

2 Lin XY(林向阳)，Ren FL(任凤莲).Advances in Extracting Technology of Diosgenin fromDioscorea Zingiberensis.J Hebei Normal Univ Sci＆Tech(河北科技师范学院学报)，2005，19(3):72-75.

3 Xiang JM(向纪明)，Li JC(李金灿).The Study on New Technology of Extracting Diosgenin from D.Zingiberensis Wright.J Ankang Teachers Coll(安康师专学报)，2003，15(3):56-59.

4 Wang AT(王安亭)，Hao XG(郝晓光)，Zhao LC(赵连朝).New Technology of Extracting Diosgenin from D.Zingiberensis Wight.Chemical Industry and Engineering(化学工业与工程)，2006，23:559-561.

5 Tang XL(汤兴利)，et al.The Extraction Technology and the Research Progress on the Detection Methods of Diosgenin.Chin Acad J(中药材)，2004，27:877-880.