黃姜皂素提取工藝研究進(jìn)展

李江浩,葛臺(tái)明

濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430074

黃姜皂素提取工藝研究進(jìn)展

李江浩,葛臺(tái)明*

濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430074

黃姜皂素是世界上甾體類激素藥的重要基礎(chǔ)原料。受自然環(huán)境限制，黃姜在我國(guó)的分布僅限于鄂西北和陜南地區(qū)，使得黃姜皂素產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)之一。由于甾體類激素藥的需求日益增加，黃姜皂素產(chǎn)業(yè)將持續(xù)保持俏銷的勢(shì)頭。在此背景下，近年關(guān)于黃姜皂素提取工藝的研究很多，本文就近年黃姜皂素提取產(chǎn)業(yè)中的生產(chǎn)工藝的研究進(jìn)展做了重點(diǎn)回顧，并分別簡(jiǎn)要地點(diǎn)評(píng)了各個(gè)進(jìn)展的特點(diǎn)。在目前酸水解核心工藝無法被替代的情況下，作者根據(jù)自己的生產(chǎn)實(shí)踐，提出實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保低能耗和持續(xù)發(fā)展的建議。

黃姜皂素;提取工藝;進(jìn)展

黃姜皂素（Diosgenin），又稱薯蕷皂苷元，是300多種甾體類激素藥物的基礎(chǔ)原材料，有“藥用黃金”的美稱。黃姜皂素是從黃姜的根狀莖中提取出來的[1]。黃姜學(xué)名盾葉薯蕷，又稱火頭根，被子植物門，單子葉植物綱，薯蕷科薯蕷屬草質(zhì)纏繞性藤本植物[2]，是世界上薯蕷皂苷（元）含量最高的物種，也是目前最好的激素類藥源植物。黃姜皂苷在黃姜根狀莖中的含量大多集中在1～4%之間，其它成分包括40%淀粉、50%纖維素、還有少許色素等。

黃姜皂素的提取思路主要有兩種：一種是傳統(tǒng)工藝，先將含有皂苷的植物用酸水解，再用有機(jī)溶劑提取水解物中的皂素；另一種新思路，是直接從植物材料中的總皂苷提取出來，濃縮皂苷，然后僅水解濃縮后的皂苷，得到皂素。

其中提取過程的核心步驟是將黃姜中含有的薯蕷皂苷轉(zhuǎn)化為薯蕷皂苷元，也就是黃姜皂素。

目前，我國(guó)黃姜皂素的生產(chǎn)方法能耗高，產(chǎn)率低，污染相當(dāng)嚴(yán)重，其工業(yè)廢水是強(qiáng)酸水，COD值高達(dá)30,000～50,000 mg·L-1。黃姜皂素生產(chǎn)企業(yè)主要集中在鄂西北和陜南地區(qū)[3]，這些區(qū)域既是黃姜主產(chǎn)區(qū)，又與我國(guó)南水北調(diào)工程的水源地重疊，所以研究出黃姜皂素的清潔生產(chǎn)工藝是我國(guó)政府非常重視、也是很多科研機(jī)構(gòu)高度關(guān)注的課題。

1 黃姜皂素提取的傳統(tǒng)工藝

黃姜皂素提取的傳統(tǒng)工藝都是以酸水解為基礎(chǔ)的[4]，主要思路：將含有皂苷的植物材料水解后，用有機(jī)溶劑提取水解物中的黃姜皂素。傳統(tǒng)工藝帶來了兩大問題：一是自身酸水解帶來的嚴(yán)重酸污染；二是黃姜中其他資源的大量浪費(fèi)。

1.1 直接酸水解方法

直接酸水解方法簡(jiǎn)單快捷：將黃姜簡(jiǎn)單清洗后粉碎，用濃酸煮沸（加壓）水解，將水解物水洗至中性，烘干，用汽油等有機(jī)溶劑提取水解物中的黃姜皂素。

直接酸解法成本低，操作簡(jiǎn)單，但是該方法收率低，而且黃姜中大量的淀粉和纖維素在沒有利用的情況下直接被酸解，產(chǎn)生高COD、強(qiáng)酸性廢水造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

1.2 預(yù)發(fā)酵—酸水解方法

預(yù)發(fā)酵法[5]是在傳統(tǒng)的直接酸水解方法發(fā)展而來的一種黃姜皂素的提取工藝。該方法在黃姜清洗粉碎后和酸水解之間加入了一個(gè)預(yù)發(fā)酵環(huán)節(jié)：將粉碎好的黃姜在一定溫度下保存數(shù)天，然后進(jìn)行酸水解，水洗中和，烘干，提取皂素結(jié)晶。

該方法加上一個(gè)簡(jiǎn)單的預(yù)發(fā)酵步驟，雖然在一定程度上提高了黃姜皂素最終的收率，但是黃姜中的淀粉和纖維素也并沒有回收利用，需要消耗大量的酸。

雖然黃姜皂素提取的傳統(tǒng)工藝不能有效的將黃姜中所含的皂素完全提取出來，也不能合理的利用其中的淀粉和纖維素資源，并且嚴(yán)重污染環(huán)境，但是由于其操作簡(jiǎn)便，成本低廉，所以現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多數(shù)黃姜皂素生產(chǎn)企業(yè)，尤其是中小企業(yè)仍然用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

圖1 黃姜皂苷水解生成黃姜皂素的反應(yīng)示意圖Fig.1 Turmeric saponin hydrolysis reaction of generated diosgenin

2 黃姜皂素提取的新工藝

黃姜皂素提取的新工藝即采用先將黃姜中的總皂苷提取出來，濃縮皂苷，然后水解皂苷濃縮物的得到黃姜皂素的思路。同時(shí)新的提取方法也研究了黃姜皂素的精細(xì)提取工藝，提取高純度，高質(zhì)量的黃姜皂素，為更深入研究夯實(shí)了基礎(chǔ)。

黃姜細(xì)胞中的薯蕷皂苷被纖維素和淀粉包裹，因此欲將黃姜細(xì)胞中薯蕷皂苷提取出來，就必須將薯蕷皂苷同淀粉和纖維素分離開。目前研究熱點(diǎn)有分解分離法、有機(jī)溶劑萃取法以及通過新生技術(shù)超聲-微波配合有機(jī)溶劑萃取、柱層析、薄層層析法、高效液相色譜等方法。

2.1 分解分離法

該工藝主要思路是將附著在薯蕷皂苷表面的纖維素和淀粉分離開來：主要有物理分離、酶分解和微生物分解等技術(shù)。

陳合[6]等研究物理雙分離法提取黃姜皂素：取適量黃姜粉碎打漿，過濾分離出纖維素，再靜置沉淀，分離出淀粉，懸濁液在3000 r·min-1下離心10 min，收集沉淀加酸水解。這些分離步驟基本保證了進(jìn)入水解的物料中不含纖維素和淀粉。

向紀(jì)明[7]等進(jìn)一步綜合利用物理法與酶法結(jié)合，先利用物理法去除纖維素，再分別酶解制成羧甲基纖維素和糖液，其中糖液用于發(fā)酵制成乙醇，濾渣進(jìn)行酸水解提取皂素。

趙書申[8]等用黑曲霉發(fā)酵處理黃姜粉碎料。黑曲霉能特異分解淀粉，產(chǎn)生檸檬酸，從而實(shí)現(xiàn)降低水解時(shí)的酸用量和得到有用的副產(chǎn)物檸檬酸。

王焰新[9]等報(bào)道的SMRH技術(shù)是將酶分解法同膜分離技術(shù)結(jié)合，SMRH技術(shù)的工藝流程是，先將黃姜粉碎，加入糖化酶、液化酶，將黃姜中的淀粉分解為糖。酶解產(chǎn)物過膜分離，將皂苷濃縮，同時(shí)分離得到糖液。糖液經(jīng)發(fā)酵用于生產(chǎn)酒精。濃縮的皂苷利用酸水解得到黃姜皂素。該方法成功地將黃姜生產(chǎn)中的淀粉等酶解成用于乙醇發(fā)酵的糖液，實(shí)現(xiàn)了廢物的資源化利用；通過膜分離技術(shù)將皂苷濃縮后再水解，顯著減低了酸用量，使末端廢水COD值降低至300 mg/L以下，實(shí)現(xiàn)了黃姜皂素生產(chǎn)廢水的達(dá)標(biāo)排放和清潔生產(chǎn)。

圖2 黃姜細(xì)胞中薯蕷皂苷的存在形式Fig.2 The form of saponins in turmeric cells

分解分離法提取黃姜中的總皂苷再水解實(shí)現(xiàn)了黃姜中三大資源的有效分離，同時(shí)減少酸用量，但是分離淀粉和纖維素需要消耗大量的水，而且，由于皂苷與纖維素和淀粉結(jié)合緊密，簡(jiǎn)單的分解分離也使得最終皂素的純度不高，還需有機(jī)溶劑回流提純。同時(shí)繁雜的分離工藝也會(huì)造成薯蕷皂苷的流失，導(dǎo)致收率降低，最后大多數(shù)商家只關(guān)心皂素的得率，忽視淀粉和纖維素的后續(xù)加工。

2.2 有機(jī)溶劑萃取法

將黃姜中的薯蕷皂苷與淀粉和纖維素分離的另一種思路是根據(jù)不同物質(zhì)溶解度的不同，用有機(jī)溶劑將黃姜細(xì)胞中的總皂苷萃取出來，一般常用的萃取劑有酒精等。其方法是：將黃姜清洗粉碎后發(fā)酵，待發(fā)酵結(jié)束后將黃姜發(fā)酵料用酒精浸泡，將浸泡后酒精溶液蒸發(fā)濃縮皂苷，然后水解皂苷，提取皂素。湯興利[10]等以黃姜為原料，利用有機(jī)溶劑將黃姜中的總皂苷提取出來，然后經(jīng)過水解、過濾、中和、提取、結(jié)晶等方法得到了高純度的皂苷元。

該方法在實(shí)驗(yàn)室使用，產(chǎn)品純度高，溶劑回收率高，酸用量少。但是在工業(yè)生產(chǎn)中由于有機(jī)溶劑消耗量大，成本過高而難以推廣。

新疆自治區(qū)紀(jì)委第五紀(jì)檢監(jiān)察室出具的《到案經(jīng)過》稱，根據(jù)群眾舉報(bào)反映謝暉的問題線索，紀(jì)檢部門經(jīng)初步核實(shí)后，發(fā)現(xiàn)其涉嫌嚴(yán)重違紀(jì)。2015年6月30日，經(jīng)自治區(qū)紀(jì)委常委會(huì)研究，報(bào)自治區(qū)黨委同意，決定對(duì)其立案審查。7月22日，中紀(jì)委網(wǎng)站發(fā)布了謝暉的落馬消息。同年12月29日，謝暉被刑事拘留，2016年1月16日被逮捕。

2.3 超聲輔助提取法

超聲萃取技術(shù)是利用超聲波的強(qiáng)空化效應(yīng)、強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)攪拌等作用來縮短天然產(chǎn)物中的有效成分溶入溶劑的時(shí)間，加快提取過程，提高提出率，同時(shí)低溫也可保證有效成的天然狀態(tài)。韓楓[11]等研究了超聲波協(xié)同表面活性劑酒精溶液提取盾葉薯蕷中總皂苷的工藝，將黃姜粉碎后加入酒精溶液超聲萃取，提取的皂苷溶液蒸發(fā)濃縮。通過實(shí)驗(yàn)，得到最佳萃取條件為30%酒精，超聲波頻率為25.8 kHz，萃取時(shí)間為40 min，料液比為1:10，最終水解后黃姜皂素的終得率為9.839%。

黃姜皂素提取工藝中，在水解前利用超聲萃取方法提取濃縮黃姜中的總皂苷，是減少后期水解酸用量，以及降低廢水中COD非常有效的方法，同時(shí)超聲萃取能很好的保證提取產(chǎn)物的天然狀態(tài)，有著很好的應(yīng)用前景。但是噪聲大，萃取溶劑消耗量大是超聲萃取需要進(jìn)一步解決的問題。

2.4 微波輔助提取法

與超聲提取對(duì)比，在微波強(qiáng)烈的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)下，微波萃取擁有選擇性高、溶劑消耗量少、不產(chǎn)生噪音、選擇性高、操作時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，是中藥產(chǎn)品提取很好的選擇。目前該方法還處在研究的初級(jí)階段。

2.5 柱層析法提取

一般的柱層析法均采用硅膠柱：制膠，將黃姜的發(fā)酵產(chǎn)物用甲醇溶解，等其完全溶解之后，再緩慢加入適量的硅膠（80～100目），不斷攪拌,使發(fā)酵產(chǎn)物與硅膠結(jié)合，60℃水浴加熱使甲醇完全揮發(fā)得到樣品膠；裝柱，將制好的樣品膠裝入裝有分離膠的玻璃柱內(nèi)，然后在其表面覆蓋脫脂棉，分離膠要填實(shí)，保證各個(gè)膠面水平；梯度洗脫，先用氯仿通柱，將色素分離至膠底部，然后用氯仿-甲醇進(jìn)行梯度洗脫，分別收集洗脫液，洗脫液減壓蒸干即得到薯蕷皂苷單體。

在一般硅膠柱層析的基礎(chǔ)上，有人利用反相硅膠C18柱層析法[12]：將硅膠在70%的酒精中浸泡過夜，以甲醇-水作為洗脫機(jī)沖洗平衡柱子后上樣，樣品用甲醇溶解，在其上鋪脫脂棉，關(guān)閉柱子，待甲醇溶液完全加進(jìn)去后再打開柱塞，使樣品溶液與填充物等高，然后用甲醇-水進(jìn)行梯度洗脫分離薯蕷皂苷。

一般硅膠柱對(duì)薯蕷皂苷有較大的吸附，在洗脫時(shí)容易造成薯蕷皂苷的損失，而反相硅膠柱則更易結(jié)合極性大的化合物，對(duì)于薯蕷皂苷有較好的分離效果，但是該方法較為費(fèi)事，而且溶劑不易于回收。

2.6 薄層層析提取法

薄層層析法分離薯蕷皂苷，關(guān)鍵在展開劑系統(tǒng)的選擇。比較常用的展開劑系統(tǒng)是氯仿-甲醇-水混合溶劑。

將黃姜發(fā)酵產(chǎn)物用甲醇溶解以后，以條帶狀點(diǎn)在薄層板上，然后用氯仿-甲醇-水（65:35:10）為展開劑展開，去除吹干后用碘熏顯色，與樣品對(duì)比，用鉛筆畫出薯蕷皂苷的條帶，將薯蕷皂苷條帶用甲醇浸泡超聲，濃縮后用于其它檢測(cè)試驗(yàn)。

薄層層析法優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)分離提取多個(gè)樣品中的薯蕷皂苷，大大提高了分離提取的效率，而且該方法分離純度高，該法的關(guān)鍵在于找到合適的展開劑，不足是一次分離量少。

相對(duì)于傳統(tǒng)的直接（預(yù)發(fā)酵）酸水解法，新的提取工藝能將皂苷與淀粉和纖維素分離開，為綜合利用黃姜資源，提高產(chǎn)品純度和質(zhì)量，減少酸污染指明了方向；目前，國(guó)內(nèi)外研究比較多的皂素提取工藝主要是超聲-微波輔助提取，但該方法與工業(yè)生產(chǎn)對(duì)接還不理想，新工藝走向生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走。工業(yè)生產(chǎn)中，為提取高純度黃姜皂素，企業(yè)一般采用柱層析法提取，該方法在工業(yè)上運(yùn)用比較成熟。

3 黃姜皂素的檢測(cè)技術(shù)

3.1 分光光度法

運(yùn)用分光光度法需要對(duì)測(cè)定的黃姜提取物進(jìn)行提前脫色，因此會(huì)帶來一定的誤差，而且該方法需要用到酸性、氧化性和腐蝕性都很強(qiáng)的試劑，所以使用時(shí)要特別注意安全。在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用時(shí)，一般不進(jìn)行脫色，另外測(cè)定時(shí)要對(duì)顯色時(shí)間、波長(zhǎng)、和顯色溫度嚴(yán)格控制，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)定結(jié)果[13]。

3.2 旋光法

根據(jù)皂素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工業(yè)上也會(huì)采用旋光法測(cè)定皂苷元含量。該方法相對(duì)于分光光度法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要進(jìn)行復(fù)雜的脫色，只需要將樣品溶解后即可測(cè)定，也不需要強(qiáng)氧化等試劑和價(jià)格高昂的設(shè)備，具有簡(jiǎn)便快速，結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法不適于粗提物的檢測(cè)。

3.3 氣相色譜法

氣相色譜法測(cè)定黃姜皂素的難點(diǎn)在于：黃姜皂素的沸點(diǎn)較高，不易氣化，所以氣相色譜前要對(duì)其進(jìn)行衍生化，另外，氣相色譜儀器價(jià)格非常昂貴，一般小的實(shí)驗(yàn)室和黃姜皂素生產(chǎn)企業(yè)都沒有充足的資金來購(gòu)買儀器和引進(jìn)人才，所以在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)用并不廣泛。

3.4 高效液相色譜

高效液相色譜是大多數(shù)研究黃姜皂素的實(shí)驗(yàn)室青睞的檢測(cè)方法[14]。其主要優(yōu)點(diǎn)在于可快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出皂素的含量，不需要進(jìn)行預(yù)分離，也不需要進(jìn)行衍生化。但是由于黃姜皂素的紫外吸收較弱，流動(dòng)相的選擇比較困難，因此，常用蒸發(fā)光散射檢測(cè)技術(shù)作為輔助，蒸發(fā)光散射技術(shù)只與樣品質(zhì)量有關(guān)，與紫外吸收無關(guān)，所以大大提高了檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性。

隨著分析儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，黃姜皂素的檢測(cè)方法也將不斷革新，新的技術(shù)（如核磁共振等）也將會(huì)運(yùn)用到黃姜皂素的檢測(cè)中[15]。2013年有人用近紅外漫反射光譜結(jié)合TQ軟件建立黃姜皂素定量模型[16]則是黃姜皂素檢測(cè)技術(shù)走向成熟的又一進(jìn)步。

4 總結(jié)展望

黃姜皂素作為醫(yī)藥界重要的基礎(chǔ)原材料，隨著需求的不斷增加，黃姜皂素的產(chǎn)業(yè)鏈在不斷擴(kuò)大升級(jí)。目前的生產(chǎn)工藝不能滿足市場(chǎng)需求，同時(shí)高能耗、高污染的現(xiàn)狀也不符合生態(tài)和國(guó)家發(fā)展要求，而新的提取工藝在運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中還需要磨合和改進(jìn)。因此，一方面，在運(yùn)用酸水解工藝時(shí)，盡量提高酸利用率，同時(shí)要做好后期廢水處理，以及黃姜資源綜合利用；另一方面，要努力將實(shí)驗(yàn)室中先進(jìn)的生產(chǎn)工藝與工業(yè)生產(chǎn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保低能耗和持續(xù)發(fā)展。

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AReview of the Study on the Diosgenin Extraction

LI Jiang-hao,GE Tai-ming*
Hubei Key Laboratory of Wetland Evolution and Ecological Restoration,School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

Diosgenin;extraction process;progress

Q815

A

1000-2324(2014)03-0476-05

2012-11-24

2013-03-11

科技部863計(jì)劃:黃姜皂素水污染控制技術(shù)及工程示范(2004AA601050)

李江浩(1988-),男,漢族,碩士研究生,研究方向:植物細(xì)胞工程、分子生物學(xué)檢驗(yàn)技術(shù).E-mail:804181613@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:1042549828@qq.com