硫酸水解法提取薯蓣皂苷元的工艺.pdf

食品与发酵工业FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 2102011 Vol. 37 No. 2 ( Total 278) 硫酸水解法提取薯蓣皂苷元的工艺 * 刘树兴1， 侯屹1， 李祥2， 刘禹呈2 1(陕西科技大学生命科学与工程学院， 陕西 西安， 710021) 2( 陕西科技大学化学与化工学院，陕西 西安， 710021) 摘要以盾叶薯蓣为原料， 研究了硫酸水解法生产薯蓣皂苷元的工艺。考察了硫酸水解时间、 硫酸用量、 索氏 提取时间和硫酸浓度对薯蓣皂苷硫酸水解的影响， 通过正交实验优化了工艺。结果表明， 硫酸水解的最佳条件 为: 硫酸水解时间为 4 h， 硫酸用量为 20 mL， 索氏提取时间为 6 h， 硫酸浓度为 1. 5 mol/L。该工艺能获得皂苷元 得率为 3. 762%， 且酸污染少。 关键词盾叶薯蓣， 薯蓣皂苷， 薯蓣皂苷元， 水解条件 第一作者: 硕士， 教授( 侯屹为通讯作者) 。 * 陕西省自然科学基金资助( 2007C125) ; 陕西省科技厅重点实验 室建设项目 收稿日期: 2010 08 13， 改回日期: 2010 11 25 盾叶薯蓣( Dioscorea zingiberensis. C. H. Wright) 俗 称黄姜， 为我国特有的薯蓣科薯蓣属植物。其根茎含 有薯蓣皂苷( dioscin) ， 它既是心血管疾病药物的主要 药源， 又能得到用于合成甾体激素和口服避孕药的薯 蓣皂苷元(diosgenin) ， 有着十分广泛的应用1 。 目前， 工业上生产薯蓣皂苷元， 主要采用直接酸 水解法， 该法收率较低， 且废水和废渣多， 易造成环境 污染 2 5 。为了解决上述问题， 众多学者提出了许多 解决方案， 其中之一就是预分离法。先将薯蓣皂苷从 黄姜中提取出来， 然后再进行酸水解6 。这样不但 减少了酸用量、 降低了污染， 而且可将废水和废渣加 以利用， 变废为宝， 得到鼠李糖、 酒精等副产品 7 8 。 基于这种思路， 本工作采用超声波和表面活性剂 2 种处理方法， 辅助乙醇提取皂苷。在得到皂苷后， 探索合适的酸水解条件， 使皂苷尽可能的转化为皂苷 元， 并采用正交实验设计的方法， 对皂苷转化为皂苷 元过程中的重要条件进行了优化。 1实验部分 1. 1材料与试剂 盾叶薯蓣， 陕西省安康市采购; 薯蓣皂苷元标准 品， 上 海 融 禾 医 药 科 技 发 展 有 限 公 司 ( 批 号: 100312) ; 石油醚， 天津化学试剂有限公司( 沸程: 60 90 ) ; 乙腈， 色谱纯; 以及实验室常用化学试剂。 1. 2仪器与设备 SC- 型多频声化学发生器， 成都市九洲机电工 程研究所; BS2202S 型电子天平， 北京赛多利斯仪器 系统有限公司; 旋转蒸发器， 上海申生科技有限公司; 高效液相色谱仪， 美国 Waters 公司。 1. 3盾叶薯蓣总皂苷的提取9 干黄姜经粉碎研磨( 粗粉 40 60 目) ， 准确称取 10 g， 以体积分数 30% 的乙醇为萃取剂， 与用量为 17. 408 10 3 mol/L 的十二烷基硫酸钠混匀。在黄 姜与乙醇的质量比为 1 10， 超声波频率为 25. 8 kHz， 超声时间为 40 min 的条件下， 进行总皂苷的提取， 完 毕后抽滤， 保留滤液备用。 1. 4薯蓣皂苷元的提取 将得到的总皂苷滤液于旋转蒸发仪中浓缩， 残液 中加入硫酸后， 于电热套上进行水解。抽滤， 用蒸馏 水水洗滤渣至中性， 加入适量活性炭和滤渣一起包 好， 放入烘箱中烘干， 于索氏提取器内加入 80 mL 石 油醚进行薯蓣皂苷元的提取， 提取完毕后， 烘干， 可得 薯蓣皂苷元粗品并计算得率。 薯蓣皂苷元的得率为提取得到的薯蓣皂苷元质 量占盾叶薯蓣原料的质量分数。 1. 5薯蓣皂苷元的鉴定 1. 5. 1薄层色谱分析 薄层色谱条件为: 展开剂 V( 三氯甲烷) V( 甲 醇)= 5 1; 显色剂: 10% 硫酸; Rf值 = 0. 62。喷湿润 后于 110 烘烤 10 min， 得薯蓣皂苷元斑点， 与标准 品的斑点一致 10 。 1. 5. 2熔点测定 在工业上， 熔点的测定是衡量产品质量的重要标 准。纯薯蓣皂苷元的熔点为 204 207 ， 工业合格 标准为: 熔点195 ， 熔程10 11 。对 3 次重结 晶后的薯蓣皂苷元样品进行熔点测定， 熔点为 200 分离与提取 2011 年第37 卷第2 期( 总第278 期)211 204 ， 熔程为 4 ， 符合相关标准。 1. 5. 3高效液相色谱分析12 色谱条件: 色谱柱为 Diamonsil C18柱( 250 mm 4. 6 mm， 5 m) ; 流动相为 V( 乙腈) V( 水)=90 10; 流速为 1. 0 mL/min; 柱温为室温; 检测波长为 210 nm。 3 次重结晶样品经过高效液相色谱测定， 样品出 峰时间和标准品出峰时间相近， 通过标准曲线计算， 样品纯度 95%。 2结果与分析 2. 1活性炭脱色效果的影响 在硫酸浓度为 2 mol/L， 硫酸用量为 30 mL， 水解 时间为 4 h， 索氏提取时间为 4 h 的条件下， 分别改变 活性炭的用量， 按 1. 4 进行皂苷元的提取并计算得 率。由图 1 可知， 皂苷元的得率随着活性炭用量的 增加而呈现出下降的趋势， 这是由于活性炭不仅吸附 了色素， 还能吸附部分皂苷元的结果。但是从表 1 中可以发现， 活性炭用量增大， 皂苷元的损失固然增 大， 但脱色效果却在不断变好。当用量在 5% 时， 已 经能得到乳白色的产品且皂苷元损失不多， 综合考虑 这两个因素， 故选择 5%为活性炭用量。 表 1活性炭脱色效果 活性炭用量/%135 79 得率/%3. 003 2. 9732. 9232. 8052. 622 皂苷元颜色黄色淡黄色乳白色白色洁白 图 1活性炭用量对得率的影响 2. 2单因素条件的确定 2. 2. 1硫酸水解时间的影响 在硫酸浓度为 2 mol/L， 硫酸用量为 30 mL， 索氏 提取时间为 4h 的条件下， 分别改变水解时间， 按 1. 4 进行皂苷元的提取并计算得率。由图 2 可知， 随着 水解时间的增加， 皂苷元的得率是逐渐增加的。当水 解时间小于 4 h 时， 由于水解的不完全， 得率偏低; 当 水解时间大于 4 h 时， 皂苷元得率处于一种平稳趋 势， 证明反应已经基本完全。考虑到时间与收益的关 系， 选择 5 h 为最佳硫酸水解时间。 图 2硫酸水解时间对得率的影响 2. 2. 2硫酸用量的影响 在硫酸浓度为 2 mol/L， 水解时间为 5 h， 索氏提 取时间为 4h 的条件下， 分别改变硫酸的用量， 按 1. 4 进行皂苷元的提取并计算得率。从图 3 可知， 在硫 酸用量为30 mL 时， 皂苷元的得率最高。继续增加硫 酸用量， 皂苷元得率呈现下降的趋势。这可能是因 为， 当硫酸用量为 30 mL 时， 水解最为充分和适度。 超过这个适度值， 则造成 H + 浓度加大， 逆向反应加 快， 反而使皂苷元得率降低 13 。故选择 30 mL 为最 适硫酸用量。 图 3硫酸用量对得率的影响 2. 2. 3索氏提取时间的影响 在硫酸浓度为 2 mol/L， 硫酸用量为 30 mL， 水解 时间为 5h 的条件下， 分别改变索氏提取时间， 按 1. 4 进行皂苷元的提取并计算得率。由图 4 可知， 皂苷 元的得率随着索氏提取时间的增加而显著增加， 当索 氏提取时间达到 6 h 后趋于稳定。表明在索氏提取 6h 后， 皂苷元已基本提取完全， 继续延长时间， 虽然 得率也略有增加， 考虑到时间与收益的关系， 故选择 6 h 为最适索氏提取时间。 2. 2. 4硫酸浓度的影响 在硫酸用量为 30 mL， 水解 5 h， 索氏提取时间为 食品与发酵工业FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 2122011 Vol. 37 No. 2 ( Total 278) 图 4索氏提取时间对得率的影响 6 h 的条件下， 分别改变硫酸浓度， 按1. 4 进行皂苷元 的提取并计算得率。由图 5 可知， 随着硫酸浓度的 增加， 皂苷元得率呈现出一种先增加后减少的趋势， 在酸浓度为 1. 5 mol/L 时达到最大得率。发生这种 现象的原因是， 当酸浓度不够大时， 其催化能力较弱， 会使水解不够完全; 而当酸浓度过大时， 生成的皂苷 元会发生分解， 反而时得率降低 14 。 图 5硫酸浓度对得率的影响 2. 3提取工艺的优化 2. 3. 1正交实验 对于皂苷元的提取来说， 硫酸水解时间、 硫酸用 量、 索氏提取时间和硫酸浓度 4 个因素都能影响其结 果。本工作采用正交设计的方法， 对以上 4 个因素安 排 L9( 34) 正交实验， 找出它们的影响次序以及最优 的工艺。 正交试验的各因素和水平选择如表 2 所示。 表 2正交实验的因素与水平 硫酸水解 时间/h ( A) 硫酸 用量/mL ( B) 索氏提取 时间/h ( C) 硫酸浓度/ ( molL 1) ( D) 142051 253061. 5 364072 正交试验结果与极差分析如表 3 所示。 各因素的影响次序为 C D B A， 即对于薯蓣 皂苷元提取影响最大的因素是索氏提取时间， 然后依 次是硫酸浓度， 硫酸用量和硫酸水解时间; 根据正交 试验 结 果 与 极 差 分 析，得 到 的 优 化 条 件 为 A1B1C2D2， 即硫酸水解时间为 4 h， 硫酸用量为 20 mL， 索氏提取时间为 6 h， 硫酸浓度为 1. 5 mol/L。 表 3正交实验结果 硫酸水解 时间/h 硫酸用量 /mL 索氏提取 时间/h 硫酸浓度/ ( molL1) 得率 /% 1420513. 547 243061. 53. 745 3440723. 420 4520623. 625 5530713. 465 654051. 53. 519 762071. 53. 740 8630523. 245 9640613. 535 T110. 71210. 91210. 31110. 547 T210. 60910. 45510. 90510. 783 T310. 52010. 47410. 62510. 290 R0. 1920. 4380. 5940. 493 2. 3. 2验证实验 根据优化工艺条件， 对 3 批样品进行皂苷元提 取， 其得率分别为 3. 741%， 3. 744%， 3. 801%， 平均得率为 3. 762%。表明工艺稳定可靠。 2. 3. 3与直接酸水解法的对比实验 将黄姜直接置于 200 mL 1. 5 mol/L 硫酸中水解 4h， 抽滤， 烘干后， 于索氏提取器内进行皂苷元的提取 并计算得率。得到的皂苷元得率为 2. 741%。证明 本工艺较传统方法而言， 得率有显著提高。 3结论 ( 1) 本实验研究了盾叶薯蓣总皂苷硫酸水解的 工艺， 通过单因素实验及正交试验确定了最佳优化方 案: 硫酸水解时间为 4 h， 硫酸用量为 20 mL， 索氏提 取时间为 6 h， 硫酸浓度为 1. 5 mol/L。 ( 2) 与传统的直接酸水解法相比， 本实验采用的 工艺能较好的提高皂苷元得率。通过对比实验， 薯蓣 皂苷元的得率提高了约 37%。 ( 3) 采用预分离法提取薯蓣皂苷元。硫酸的用 量只有传统工艺的 1/10， 能够大大减少酸的污染。 ( 4) 本工艺在生产中也面临一些问题。比如提 取过程复杂， 能耗和成本相对较高等。需要在后续的 工作中进一步研究。 参考文献 1 都述虎， 夏重道， 付铁军， 等 穿龙薯蓣总皂甙水解条件 分离与提取 2011 年第37 卷第2 期( 总第278 期)213 的优化 J 中成药， 2000， 22( 9) : 608 610 2 吴成昌， 田 杰， 戴军发 黄姜产业可持续发展对策研究 J 环境科学与技术， 2005， 28( 2) : 95 97 3 汤兴利， 徐增莱， 夏冰， 等 用盾叶薯蓣生产薯蓣皂苷元 预发酵与水解条件优化J 植物资源与环境学报， 2004， 13( 3) : 35 37 4 向纪明， 李金灿 黄姜中提取薯蓣皂素的新工艺研究 J 安康师专学报， 2003( 15) : 56 59 5Rothrock J W，Hammes P A，McAlccr W J Isolation of diosgenin by acid hydrolysis of saponinJ Ind Eng Chem， 1957， 49: 186 188 6 李谦， 高向涛， 任玉珍， 等 表面活性剂强化提取黄姜中 薯蓣皂苷的研究J 精细化工， 2009， 26( 2) : 122 125 7 陈合， 李庆娟 黄姜副产物综合利用的研究进展 J 食 品与药品， 2007， 9( 12) : 60 62 8 潘鹤林， 陈晨 黄姜资源清洁高效利用研究进展 J 上 海化工， 2009， 34( 6) : 22 29 9 刘树兴， 侯屹， 李祥 超声波- 表面活性剂协同提取盾叶 薯蓣总皂苷 J 精细化工， 2010， 27( 6) : 562 566 10 于武江 黄姜中薯蓣皂苷元的提取研究D 南京: 南 京工业大学硕士论文， 2006: 05 11 韩枫， 李稳宏， 李冬， 等 响应面法优化超声波提取薯蓣 皂素工艺研究 J 食品科学， 2007， 28( 7) : 96 100 12 李 萍， 何筱毅， 周佳， 等 HPLC 测定穿龙骨刺片中薯蓣 皂苷元的含量 J 中国药品标准， 2009， 10( 6) : 469 471 13 宋子言， 刘秉钺， 王井， 等 硫酸法提取黄姜中皂苷元的 清洁生产研究J 大连轻工业学院学报， 2007， 26 ( 1) : 53 55 14 Sanjay P Mishra，Vilas G Gaikar Recovery of diosgenin from dioscorea rhizomes using aqueous hydrotropic solu- tions of Sodium cumene sulfonateJ Ind Eng Chem Res， 2004， 43: 5 339 5 346 Study on the Process of Diosgenin Extraction by Sulfuric Acid Hydrolysis Liu Shu- xing1，Hou Yi1，Li Xiang2，Liu Yu- cheng2 1( College of life science and engineering，Shaanxi university of science technology，Xian 710021，China) 2( College of chemistry chemical engineering，Shaanxi university of science technology，Xian 710021，China) ABSTRACTThe produce technology of diosgenin extraction by sulfuric acid hydrolysis was studied with Dioscorea zingiberensis C H Wright as the raw material Effects of sulfuric acid hydrolysis time，usage of sulfuric acid，Soxhlet extraction time and concentration of sulfuric acid on the sulfuric acid hydrolysis of dioscin were investigated Opti- mized pro