從皂莢殼中提取皂莢皂素的工藝研究

朱昌玲，雷鵬，趙飛，劉暢，張煥仕

(中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211111)

皂莢(GleditsiasinensisLam.)又名皂莢樹、皂角、豬牙皂等。皂莢(屬)樹葉密、樹型好、花型美觀，并且皂莢抗旱、耐鹽、耐高溫，具有多重生態(tài)屬性，是優(yōu)良的生態(tài)經(jīng)濟(jì)型樹種[1]；皂莢的用途非常廣泛，全身都可以加以利用，具有很高的經(jīng)濟(jì)、藥用等方面的價(jià)值[2]，因此，可以說皂莢的生態(tài)性能和社會(huì)性能極強(qiáng)。皂莢在我國是近年興起的新型產(chǎn)業(yè)，目前已在各行業(yè)展現(xiàn)其良好前景，是一種集經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)價(jià)值的新型寶貴資源。

皂莢殼中都含有大量的三帖皂甙(大約占15%～30%)，皂甙俗稱皂素。皂素可用于傳統(tǒng)洗滌產(chǎn)品；農(nóng)業(yè)上可用于研制潤濕劑、增效劑、殺蟲劑、殺菌劑等農(nóng)藥制品；醫(yī)療中常用作醫(yī)藥制品；在食品行業(yè)中，皂素可以改善酒的品質(zhì)和口感。此外，皂素還在紡織業(yè)、金屬加工利用、消防滅火等諸多方面進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用上具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和遠(yuǎn)大前景[3-6]。皂莢殼來源豐富，成本極低，利用潛力巨大，但現(xiàn)階段皂莢種子利用后的副產(chǎn)物皂莢殼的利用率極低，皂莢產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益尚未開發(fā)完全。

目前，國內(nèi)外提取皂素的傳統(tǒng)方法主要是以水為溶劑的水提法和醇、醚等作為溶劑的有機(jī)溶劑提取法，并在這些方法的基礎(chǔ)上研發(fā)了輔助法。水提法相對簡單，對環(huán)境污染小，可有效節(jié)約工業(yè)成本。但水提法也存在許多缺點(diǎn)：長時(shí)間加熱會(huì)帶出蛋白質(zhì)、多糖、油脂等雜質(zhì)，出現(xiàn)淀粉糊化，蛋白質(zhì)膠體化等問題，使得皂素的分離變得復(fù)雜，后續(xù)濃縮加工工藝更加困難，皂素含量不高，限制了皂素的應(yīng)用。有機(jī)溶劑提取法則由于皂素易溶于有機(jī)溶劑，其它雜質(zhì)在有機(jī)溶劑中的溶解度較小，因此操作安全方便、速度快、效率高。其中，醇提法提取的速率較快，所得皂素漿液的雜質(zhì)較水提法少，易于其后的分離純化，較便于工業(yè)化，是工業(yè)上提取皂素的主要方法[6-13]。本實(shí)驗(yàn)以皂莢殼為原料，以皂素得率、皂素百分含量為指標(biāo)，對提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，為工業(yè)化大生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

皂莢殼：由山東永成德信環(huán)?？萍加邢薰咎峁?；茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品：購于上海一基實(shí)業(yè)有限公司(純度98%)；香蘭素：購于山東西亞化學(xué)股份有限公司；無水乙醇、硫酸、甲醇等均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

JZ09A-4單相分相起動(dòng)電動(dòng)機(jī)(天津市第二微電機(jī)廠)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海力辰邦西儀器科技有限公司)；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；VP550靜音無油真空泵(達(dá)爾拓有限公司)；H/T16MM臺(tái)式高速離心機(jī)(湖南赫西儀器裝備有限公司)；SP-752系列紫外可見光分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司)；RE-2000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)；WH-1微型旋渦混合儀(上海滬西分析儀器廠有限公司)；EL204電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料前處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對皂莢殼原料的不同粒徑要求，分別粉碎過篩備用。

1.3.2 皂素提取方法

稱取10 g經(jīng)粉碎的皂莢殼粉末，加入一定量的乙醇溶液，在攪拌狀態(tài)下加熱浸提，浸提一定時(shí)間后取出過濾，濾液保存，濾渣繼續(xù)浸提，如此反復(fù)浸提，合并濾液；在10000 rpm下離心15 min，棄去沉淀，上清液再用濾紙抽濾；將抽濾液進(jìn)行真空濃縮，濃縮液保存待測。

1.3.3 提取方法

1)提取次數(shù)對皂素得率的影響

稱取20目皂莢殼粉末，用65%的乙醇溶液，在料液比為1∶20、溫度為65℃、每次浸提時(shí)間為3 h，進(jìn)行提取。分別取前二次、前三次和第四、五次合并濾液，測定其得率。

2)乙醇濃度對皂素提取的影響

設(shè)定乙醇濃度分別為50%、60%、70%、80%、90%，稱取20目10 g皂莢殼粉末，在料液比為1∶20、每次浸提時(shí)間為3 h的條件下，65℃反復(fù)提取三次。

3)溫度對皂素提取的影響

設(shè)定提取溫度分別為40℃、50℃、60℃、70℃，稱取20目10 g皂莢殼粉末，在乙醇濃度為70%、料液比為1∶20、每次浸提時(shí)間為3 h的條件下，反復(fù)提取三次。

4)時(shí)間對皂素提取的影響

設(shè)定單次提取時(shí)間分別為1、2、3、4 h，稱取40目10 g皂莢殼粉末，在乙醇濃度為70%、料液比為1∶20、提取溫度為60℃，分別反復(fù)提取三次。

5)原料粒徑對皂素提取的影響

設(shè)定原料粒徑分別為12、20、30、40、60目，稱取10 g皂莢殼粉末，在乙醇濃度為70%、料液比為1∶20、提取溫度為60℃、每次浸提時(shí)間為2 h下，反復(fù)提取三次。

6)料液比對皂素提取的影響

設(shè)置料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20，加入70%乙醇，稱取40目10 g皂莢殼粉末，在提取溫度為60℃、每次浸提時(shí)間為2 h下，反復(fù)浸提三次。

1.4 測定方法

1.4.1 水分的測量按GB5009.3-2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.4.2 皂素測定方法

采用硫酸-香草醛法[14-15]。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：分別取標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 ml置于帶塞的試管中，并加水至體積為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，搖勻，將試管于60℃水浴加熱15 min，取出試管再放入冰水浴中冷卻10 min，在室溫下放置至內(nèi)外溫度大致相當(dāng)。以試劑空白為參比溶液，用1 cm比色皿在550 nm波長下測定吸光度，以吸光度、濃度求回歸方程。回歸方程為：y=0.7881x-0.1185，R2=0.9986(其中y為吸光度；x為茶皂素濃度，單位為mg/mL)。

樣品測定：以提取的濃縮樣液為待測液，經(jīng)稀釋后，按上述方法測出吸光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出相應(yīng)的皂素濃度。

1.4.3 計(jì)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純度，具體計(jì)算方法如下：

粗提物中皂素含量=皂素濃度×稀釋倍數(shù)×濃縮液總體積

式中：皂素濃度是指待測濃縮液經(jīng)稀釋后，用1.4.2的方法測定并計(jì)算出的濃度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取次數(shù)對提取得率的影響

表1 提取次數(shù)對提取得率的影響Table 1 Effect of number of withdrawals on the rate of extraction

注：本實(shí)驗(yàn)是以茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行測定對照。

從表1可以看出，后2次提取得率不足1%，說明經(jīng)3次提取后就基本提取完畢。提取次數(shù)的增加，帶來的是生產(chǎn)成本的消耗。所以皂素的提取次數(shù)以3次為宜。

2.2 乙醇濃度對皂素提取的影響

表2 乙醇濃度對皂素提取的影響Table 2 Effects of ethanol concentration on saponin extraction

由表2可知，當(dāng)乙醇濃度小于70%時(shí)，皂素提取得率及百分含量都隨著乙醇濃度的升高，是逐漸上升的；但當(dāng)乙醇濃度大于70%后，提取得率又有降低。這是因?yàn)橐掖紳舛鹊蜁r(shí)，水溶性的蛋白、單寧酸、色素等溶出較多，所以提取得率提高了；但隨著乙醇濃度的不斷提高，蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)會(huì)加快凝固，從而導(dǎo)致皂素的提取得率又降低了。

從表中得知，皂素百分含量開始時(shí)是隨著乙醇濃度的提高有逐漸降低的趨勢，但當(dāng)乙醇濃度大于70%后，皂素百分含量又是有所上升的。這是因?yàn)樘崛r(shí)雜質(zhì)溶出多，皂素百分含量就低；當(dāng)乙醇濃度高到蛋白質(zhì)等雜質(zhì)因溶解度降低而凝固析出時(shí)，又減少了皂素百分含量的降低。

綜合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，乙醇濃度為70%較為適宜。

2.3 溫度對皂素提取的影響

由表3可以看出，隨著提取溫度的提高，皂素提取得率是呈上升趨勢的，但當(dāng)提取溫度大于60℃時(shí)，皂素提取率有所下降。因?yàn)殡S著提取溫度的上升，加速了溶解，所以提取得率是提高的；但當(dāng)溫度過高時(shí)，溶液中的蛋白質(zhì)等雜質(zhì)發(fā)生了不可逆的變性凝固，并且可能還吸附析出了部分皂素，又導(dǎo)致提取液中的皂素含量減少，因此，提取得率又會(huì)下降。而皂素百分含量在溫度超過50℃后，變化不大。綜合考慮，選擇提取溫度為60℃。

表3 溫度對皂素提取的影響Table 3 Effect of temperature on extraction of saponin

2.4 時(shí)間對皂素提取的影響

提取時(shí)間過短提取不完全，提取時(shí)間過長影響生產(chǎn)效率，加大了生產(chǎn)成本，所以設(shè)置每次提取的時(shí)間為1 h～4 h。提取時(shí)間對皂素提取的影響見表4。

表4 時(shí)間對皂素提取的影響Table 4 Effects of time on saponin extraction

如表4所示，提取時(shí)間越長，得率越高，但提取液中蛋白質(zhì)、多糖等雜質(zhì)也會(huì)增加，導(dǎo)致皂素百分含量會(huì)逐漸下降，并且隨著提取時(shí)間的增加，生產(chǎn)周期會(huì)延長，乙醇損耗量越大，生產(chǎn)成本也會(huì)提高，所以綜合考慮選取提取時(shí)間為2 h/次。

2.5 原料粒徑對提取的影響

表5 原料粒徑對提取的影響Table 5 Effect of material size on extraction

如表5所示，當(dāng)過篩目數(shù)增加時(shí)，皂素提取得率明顯提高，但皂素百分含量變化不是太大。提高粒徑目數(shù)會(huì)使成本增加，且原料粒徑過小時(shí)原料損失加大，從而造成浪費(fèi)。因此，選取最優(yōu)原料粒徑為40目。

2.6 料液比對提取的影響

表6 料液比對提取的影響Table 6 Effect of material to liquid ratio on extraction

如表所示，隨著料液比的增加，皂素提取率隨之增高；但料液比達(dá)到1∶15后皂素百分含量有下降趨勢。因?yàn)榱弦罕鹊脑黾樱芤褐兴趾恳苍谔岣?，雜質(zhì)也會(huì)溶出得更多。

當(dāng)料液比低于1∶10時(shí)，物料攪拌不暢；當(dāng)料液比高于1∶20后，乙醇的消耗量過大，加大了生產(chǎn)成本，所以本實(shí)驗(yàn)選擇料液比為1∶20。工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，物料量的大大增加，料液比是可以減少的。

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)以皂莢殼為原料，以皂素提取得率及皂素百分含量為評價(jià)指標(biāo)，對皂素提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果：當(dāng)原料粒徑為40目、乙醇濃度為70%、提取溫度為60℃、提取時(shí)間為2 h、提取次數(shù)3次、料液比為1∶20時(shí)，皂莢殼提取皂素的提取得率為49.12%、皂素百分含量為52.86%。

(2)本試驗(yàn)結(jié)果可以為皂莢殼的皂素提取工業(yè)化生產(chǎn)提供參考，使皂莢殼這一副產(chǎn)物得到高效利用。未來，關(guān)于皂素提取的研究應(yīng)著力于對皂素進(jìn)行預(yù)處理，使蛋白質(zhì)、多糖等通過發(fā)生變性以降低這些雜質(zhì)部分的溶解度，從而提高皂素品質(zhì)。