从皂荚壳中提取皂荚皂素的工艺研究

朱昌玲，雷鹏，赵飞，刘畅，张焕仕

(中华全国供销合作总社南京野生植物综合利用研究所，江苏 南京 211111)

皂荚(GleditsiasinensisLam.)又名皂荚树、皂角、猪牙皂等。皂荚(属)树叶密、树型好、花型美观，并且皂荚抗旱、耐盐、耐高温，具有多重生态属性，是优良的生态经济型树种[1]；皂荚的用途非常广泛，全身都可以加以利用，具有很高的经济、药用等方面的价值[2]，因此，可以说皂荚的生态性能和社会性能极强。皂荚在我国是近年兴起的新型产业，目前已在各行业展现其良好前景，是一种集经济、社会和生态价值的新型宝贵资源。

皂荚壳中都含有大量的三帖皂甙(大约占15%～30%)，皂甙俗称皂素。皂素可用于传统洗涤产品；农业上可用于研制润湿剂、增效剂、杀虫剂、杀菌剂等农药制品；医疗中常用作医药制品；在食品行业中，皂素可以改善酒的品质和口感。此外，皂素还在纺织业、金属加工利用、消防灭火等诸多方面进行了推广和应用，在工业大规模生产应用上具有重要的现实意义和远大前景[3-6]。皂荚壳来源丰富，成本极低，利用潜力巨大，但现阶段皂荚种子利用后的副产物皂荚壳的利用率极低，皂荚产业的经济效益尚未开发完全。

目前，国内外提取皂素的传统方法主要是以水为溶剂的水提法和醇、醚等作为溶剂的有机溶剂提取法，并在这些方法的基础上研发了辅助法。水提法相对简单，对环境污染小，可有效节约工业成本。但水提法也存在许多缺点：长时间加热会带出蛋白质、多糖、油脂等杂质，出现淀粉糊化，蛋白质胶体化等问题，使得皂素的分离变得复杂，后续浓缩加工工艺更加困难，皂素含量不高，限制了皂素的应用。有机溶剂提取法则由于皂素易溶于有机溶剂，其它杂质在有机溶剂中的溶解度较小，因此操作安全方便、速度快、效率高。其中，醇提法提取的速率较快，所得皂素浆液的杂质较水提法少，易于其后的分离纯化，较便于工业化，是工业上提取皂素的主要方法[6-13]。本实验以皂荚壳为原料，以皂素得率、皂素百分含量为指标，对提取工艺条件进行优化，为工业化大生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

皂荚壳：由山东永成德信环保科技有限公司提供；茶皂素标准品：购于上海一基实业有限公司(纯度98%)；香兰素：购于山东西亚化学股份有限公司；无水乙醇、硫酸、甲醇等均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

JZ09A-4单相分相起动电动机(天津市第二微电机厂)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(上海力辰邦西仪器科技有限公司)；101-1AB型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)；VP550静音无油真空泵(达尔拓有限公司)；H/T16MM台式高速离心机(湖南赫西仪器装备有限公司)；SP-752系列紫外可见光分光光度计(上海光谱仪器有限公司)；RE-2000旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂)；WH-1微型旋涡混合仪(上海沪西分析仪器厂有限公司)；EL204电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 原料前处理

根据实验对皂荚壳原料的不同粒径要求，分别粉碎过筛备用。

1.3.2 皂素提取方法

称取10 g经粉碎的皂荚壳粉末，加入一定量的乙醇溶液，在搅拌状态下加热浸提，浸提一定时间后取出过滤，滤液保存，滤渣继续浸提，如此反复浸提，合并滤液；在10000 rpm下离心15 min，弃去沉淀，上清液再用滤纸抽滤；将抽滤液进行真空浓缩，浓缩液保存待测。

1.3.3 提取方法

1)提取次数对皂素得率的影响

称取20目皂荚壳粉末，用65%的乙醇溶液，在料液比为1∶20、温度为65℃、每次浸提时间为3 h，进行提取。分别取前二次、前三次和第四、五次合并滤液，测定其得率。

2)乙醇浓度对皂素提取的影响

设定乙醇浓度分别为50%、60%、70%、80%、90%，称取20目10 g皂荚壳粉末，在料液比为1∶20、每次浸提时间为3 h的条件下，65℃反复提取三次。

3)温度对皂素提取的影响

设定提取温度分别为40℃、50℃、60℃、70℃，称取20目10 g皂荚壳粉末，在乙醇浓度为70%、料液比为1∶20、每次浸提时间为3 h的条件下，反复提取三次。

4)时间对皂素提取的影响

设定单次提取时间分别为1、2、3、4 h，称取40目10 g皂荚壳粉末，在乙醇浓度为70%、料液比为1∶20、提取温度为60℃，分别反复提取三次。

5)原料粒径对皂素提取的影响

设定原料粒径分别为12、20、30、40、60目，称取10 g皂荚壳粉末，在乙醇浓度为70%、料液比为1∶20、提取温度为60℃、每次浸提时间为2 h下，反复提取三次。

6)料液比对皂素提取的影响

设置料液比分别为1∶10、1∶15、1∶20，加入70%乙醇，称取40目10 g皂荚壳粉末，在提取温度为60℃、每次浸提时间为2 h下，反复浸提三次。

1.4 测定方法

1.4.1 水分的测量按GB5009.3-2010标准执行。

1.4.2 皂素测定方法

采用硫酸-香草醛法[14-15]。

标准曲线的绘制：分别取标准溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 ml置于带塞的试管中，并加水至体积为0.5 ml，精密加入0.5 ml 8%香草醛溶液，再于冰水浴中加入4 ml 77%硫酸溶液，摇匀，将试管于60℃水浴加热15 min，取出试管再放入冰水浴中冷却10 min，在室温下放置至内外温度大致相当。以试剂空白为参比溶液，用1 cm比色皿在550 nm波长下测定吸光度，以吸光度、浓度求回归方程。回归方程为：y=0.7881x-0.1185，R2=0.9986(其中y为吸光度；x为茶皂素浓度，单位为mg/mL)。

样品测定：以提取的浓缩样液为待测液，经稀释后，按上述方法测出吸光值，根据标准曲线求出相应的皂素浓度。

1.4.3 计算方法

1) 皂素粗提物的提取得率

2)粗提物中的皂素百分含量

皂素百分含量即指粗提物中皂素的纯度，具体计算方法如下：

粗提物中皂素含量=皂素浓度×稀释倍数×浓缩液总体积

式中：皂素浓度是指待测浓缩液经稀释后，用1.4.2的方法测定并计算出的浓度值。

2 结果与分析

2.1 提取次数对提取得率的影响

表1 提取次数对提取得率的影响Table 1 Effect of number of withdrawals on the rate of extraction

注：本实验是以茶皂素标准品进行测定对照。

从表1可以看出，后2次提取得率不足1%，说明经3次提取后就基本提取完毕。提取次数的增加，带来的是生产成本的消耗。所以皂素的提取次数以3次为宜。

2.2 乙醇浓度对皂素提取的影响

表2 乙醇浓度对皂素提取的影响Table 2 Effects of ethanol concentration on saponin extraction

由表2可知，当乙醇浓度小于70%时，皂素提取得率及百分含量都随着乙醇浓度的升高，是逐渐上升的；但当乙醇浓度大于70%后，提取得率又有降低。这是因为乙醇浓度低时，水溶性的蛋白、单宁酸、色素等溶出较多，所以提取得率提高了；但随着乙醇浓度的不断提高，蛋白质、果胶等物质会加快凝固，从而导致皂素的提取得率又降低了。

从表中得知，皂素百分含量开始时是随着乙醇浓度的提高有逐渐降低的趋势，但当乙醇浓度大于70%后，皂素百分含量又是有所上升的。这是因为提取时杂质溶出多，皂素百分含量就低；当乙醇浓度高到蛋白质等杂质因溶解度降低而凝固析出时，又减少了皂素百分含量的降低。

综合本实验结果，乙醇浓度为70%较为适宜。

2.3 温度对皂素提取的影响

由表3可以看出，随着提取温度的提高，皂素提取得率是呈上升趋势的，但当提取温度大于60℃时，皂素提取率有所下降。因为随着提取温度的上升，加速了溶解，所以提取得率是提高的；但当温度过高时，溶液中的蛋白质等杂质发生了不可逆的变性凝固，并且可能还吸附析出了部分皂素，又导致提取液中的皂素含量减少，因此，提取得率又会下降。而皂素百分含量在温度超过50℃后，变化不大。综合考虑，选择提取温度为60℃。

表3 温度对皂素提取的影响Table 3 Effect of temperature on extraction of saponin

2.4 时间对皂素提取的影响

提取时间过短提取不完全，提取时间过长影响生产效率，加大了生产成本，所以设置每次提取的时间为1 h～4 h。提取时间对皂素提取的影响见表4。

表4 时间对皂素提取的影响Table 4 Effects of time on saponin extraction

如表4所示，提取时间越长，得率越高，但提取液中蛋白质、多糖等杂质也会增加，导致皂素百分含量会逐渐下降，并且随着提取时间的增加，生产周期会延长，乙醇损耗量越大，生产成本也会提高，所以综合考虑选取提取时间为2 h/次。

2.5 原料粒径对提取的影响

表5 原料粒径对提取的影响Table 5 Effect of material size on extraction

如表5所示，当过筛目数增加时，皂素提取得率明显提高，但皂素百分含量变化不是太大。提高粒径目数会使成本增加，且原料粒径过小时原料损失加大，从而造成浪费。因此，选取最优原料粒径为40目。

2.6 料液比对提取的影响

表6 料液比对提取的影响Table 6 Effect of material to liquid ratio on extraction

如表所示，随着料液比的增加，皂素提取率随之增高；但料液比达到1∶15后皂素百分含量有下降趋势。因为料液比的增加，溶液中水分含量也在提高，杂质也会溶出得更多。

当料液比低于1∶10时，物料搅拌不畅；当料液比高于1∶20后，乙醇的消耗量过大，加大了生产成本，所以本实验选择料液比为1∶20。工业化生产时，物料量的大大增加，料液比是可以减少的。

3 结论

(1)本试验以皂荚壳为原料，以皂素提取得率及皂素百分含量为评价指标，对皂素提取工艺进行了优化，结果：当原料粒径为40目、乙醇浓度为70%、提取温度为60℃、提取时间为2 h、提取次数3次、料液比为1∶20时，皂荚壳提取皂素的提取得率为49.12%、皂素百分含量为52.86%。

(2)本试验结果可以为皂荚壳的皂素提取工业化生产提供参考，使皂荚壳这一副产物得到高效利用。未来，关于皂素提取的研究应着力于对皂素进行预处理，使蛋白质、多糖等通过发生变性以降低这些杂质部分的溶解度，从而提高皂素品质。