（生物化学与分子生物学专业论文）黄姜皂素清洁生产工艺的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s j l i i s lie1 111 11 1i i iiiiiil 。y 18 0 9 713 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 易老老日期：纠年多月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：五拓 日期：弘曰年6 月4 日 导师挑彬罕 日期如刃年月门 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库中全文发布，若可按“章程中的 规定享受相关权益。园意途塞握童后溢卮；旦兰生；旦= 玺；：笪三生筮查! 作者签名：主铌 日期叫年占月夸日 实验表明：清洁生产工艺总甙体积减少为原来物料的l o 以下。酸用量减少了 9 0 、废水排放量减少了7 5 、废水的c o d 、色度大大降低，而且将皂素收率提 高了6 4 6 ；还提高了产品纯度，产品洁白，熔点1 9 8 ，达到中华药典的出厂标 准。 乙醇取代汽油提取皂素新工艺最佳工艺条件如下：( 1 ) 1 0 9 干水解物皂素索氏 抽提时间为6 h ，( 2 ) l 撑试剂的最佳用量为2 0 0 m l ，( 3 ) 硫酸钙的用量以3 9 为最 佳，( 4 ) 活性炭按1 0 9 水解物加入0 4 9 。乙醇取代汽油提取皂素的新工艺，所得皂 素收率、品质、成本方面均优于汽油法提取。用可再生资源取代了不可再生资源， 还提高了生产的安全性。 关键词：黄姜；皂素；总甙；水解；提取；清洁生产工艺 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t t h ew a s t e w a t e rf r o md i o s g e n i np r o d u c t i o no fd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h w r i g h t w a so f g r e a ta c i d i t y ，h i g ho r g a n i cm a t t e rc o n c e n t r a t i o na n dc a r b o h y d r a t e sp r o d u c e di nt h e p r o c e s so fa s y l u m sh y d r o l y z e d t h er i v e r sw h i c ht h ew a s t e w a t e rp o u r e di n t od i r e c t l y w i t h o u ta n yt r e a t m e n tf r o mt h ed i o s g e n i nf a c t o r i e sw e r ep o l l u t e ds e r i o u s l y , w h i c hh a d b e e nah a r dn u tt oc r a c ko ft h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y i nt h i sp a p e r , t h e n e wt e c h n o l o g yo fe x t r a c t i n gd i o s g e n i nw a ss t u d i e dh e r ei nd e t a i l t h ec l e a n e rp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yw a su s e df i r s t l yt oe x t r a c td i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h w r i g h ta n dp e t r o l w a s r e p l a c e db ye t h a n o lt oe x t r a c td i o s g e n i n t h ef i v ed i f f e r e n tc l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e sw e r ei n v e s t i g a t e d ：e x t r a c t i n g d i o s e i nd i r e c t l y , e x t r a c t i n gd i o s c i na 氩e l n a t u r a lf e r m e n t a t i o n , e x t r a c t i n gd i o s c i na f t e r s o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o n , e x t r a c t i n gd i o s c i na f t e rt w o - e n z y m eh y d r o l y s i s ，e x t r a c t i n g d i o s c i na f t e rf e r m e n t a t i o nb ya s p e r g i l l u sn i g e r r e s u l t sw e r es h o w nt h a tt h ee x t r a c t i n g d i o s e i na f t e rn a t u r a lf e r m e n t a t i o nw a st h eb e s tc l e a n e rp r o d u c t i o np r o c e s s t h em a i nr e s u l t so fc l e a n e rp r o d u c t i o np r o c e s sw e r ea sf o l l o w s ： i 4 0g r a m so fd r yd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h w r i g h tp o w d e r ( a b o u t10 0g r a m so f f l e s hd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc 。h 。w r i g h t ) w e r en a t u r a l l yf e r m e n t e df o r2 4h o u r s 2 t h eo p t i m a le x t r a c t i n gd i o s c i nt i m ew a s6h o u r s 3 10g r a m so fd i o s c i nw e r eh y d r o l y z e db y2 0m lo fim o l ls u l f u r i c - a c i d 4 t h eo p t i m a la c i dh y d r o l y s i st i m ew a so n eh o u r 5 t h eb e s td i o s g e n i ne x t r a c t i o nt i m ew a s4h o u r s 6 3g r a m so fa c t i v a t e dc a r b o nw a sa d d e di n t o10 g r a m st o t a ld i o s c i n t h er e s u l t ss h o w e d ：t h ev o l u m eo ft o t a ld i o s c i nw a sr e d u c e db e l o w10 o ft h e o r i g i n a lm a t e r i a l sa f t e ru s eo fc l e a n e rp r o d u c t i o np r o c e s sr e d u c e s a c i dc o n s u m p t i o nw a s d e c r e a s e d9 0 t h ev o l u m eo fw a s t e w a t e rw a sr e d u c e d7 5 t h ec o do fw a s t e w a t e r w a sr e d u c e dg r e a t l y d i o s g e n i ny i e l dw a si n c r e a s e d6 4 6 t h ep u r i t yo ft h ep r o d u c tw a s i m p r o v e d ，a n dp r o d u c tw a sc l e a n n e a s s t h em e l t i n gp o i n to fd i o s g e n i nr e a c h e dt o19 8 o c ，i na c c o r dw i t ht h ec h i n e s ep h a r m a c o p o e i as t a n d a r d so ft h ef a c t o r y t h en e wt e c h n o l o g yu s i n ge t h a n o li n s t e a do f p e t r o lw a ss h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x t r a c t i o nt i m eo f10g r a m so fd r yh y d r o l y z e dd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i s c h w r i g h tw a s6h o u r s ( 2 ) t h eo p t i m a lv o l u m eo fn o 1r e a g e n tw a s2 0 0m 1 ( 3 ) t h eo p t i m a lv o l u m eo fc a l c i u ms u l f a t ea m o u n tw a s3 9 ( 4 ) 0 4g r a m so fa c t i v a t e d c a r b o nw e r ea d d e di n t o10g r a m so fh y d r o l y z e dp r o d u c t i o no fd i o s c o r e az i n g i b e r e n s i s c h w r i g h t h c o m p a r e dw i t hp e t r o le x t r a c t i o n ，d i o s g e n i ne x t r a c t e db ye t h a n o li san e wt e c h 1 0 龇 w h i c hi m p r o v e sd i o s g e n i ny i e l da n dq u a l i t y , r e d u c e sc o s t s ，r e p l a c e st h en o n 豫l 郫y a b l e b yr e n e w a b l er e s o u r c e s ，a n di m p r o v e sp r o d u c t i o ns a f e t y k e yw o r d s ：d i o s c o r e az i n g i b e r e n s i s c h w r i g h ；d i o s g e n i n ；d i o s c i n ；h y d r o l y s i s ； e x t r a c t i o n ；c l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y i i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要。 a b s t r a c t 1 引言。 目录 i i i 1 1 清洁生产工艺的概念l 1 2 国内外黄姜皂素研究历史与现状一1 1 3 薯蓣皂甙元的结构研究和含量的测定。3 1 4 黄姜皂素产业的社会经济效益5 1 5 黄姜皂素的几种生产工艺简介5 1 5 1 直接酸水解法5 1 5 2 自然发酵后酸水解法6 1 5 3 酶解法6 1 5 4c 0 2 超临界萃取法7 1 5 5 提取总甙法7 1 6 黄姜皂素工业废水的处理及现状8 1 6 1 皂素工业废水的产生8 1 6 2 工业废水的处理8 1 7 黄姜皂素清洁生产工艺及其社会经济效益。1 1 1 8 研究的目的与意义1 3 2 材料与方法 1 4 2 1 实验材料1 4 2 1 1 植物材料1 4 2 1 2 化学试剂1 4 2 2 实验器材1 4 2 3 实验方法1 5 2 3 1 皂素生产的现工艺1 5 2 3 2 皂素清洁生产工艺1 5 2 3 3 用乙醇取代汽油提取皂素新工艺1 6 2 3 4 分析、测定方法：1 6 3 实验结果。 硕士擎位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 皂素清洁生产工艺条件的研究17 3 1 1 直接提总甙法条件的研究1 7 3 1 2 自然发酵后提总甙条件的研究1 9 3 1 3 固态发酵后提总甙条件的研究2 3 3 1 4 双酶水解后发酵提总甙条件的研究2 5 3 1 5 黑瞌霉发酵后提总甙条件的研究。2 7 3 2 不同提取工艺皂素收率的比较2 9 3 3 不同工艺废水量的比较2 9 3 4 不同工艺废水c o d 总量的比较3 0 3 5 用乙醇取代汽油提取皂素的新工艺条件的研究3 0 3 5 1 提取时间对皂素收率的影响3 0 3 5 2l 撑试剂的用量对皂素收率的影响3 0 3 5 3 硫酸钙的用量对皂素收率的影响3 l 3 5 4 活性炭的用量对皂素收率的影响3 2 4 结论 4 1 清洁工艺主要研究结果如下：3 3 4 2 乙醇取代汽油提取皂素新工艺主要研究结果如下：3 4 5 讨论3 5 5 1 关于提总甙法影响皂素收率因素的探讨3 5 5 2 关于皂素工业废水治理难及解决途径3 6 5 3 水煮过滤问题3 6 5 4 影响皂素结晶物质的分离3 6 5 5 关于后续实验的建议3 7 参考文献 在读期间发表论文及申请专利。 致谢4 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 清洁生产工艺的概念 1 引言 清洁生产( c l e a n e rp r o d u c t i o n ) 这一概念最早由联合国发展计划署工业与环境 行动中心( 切惦p 融c ) 提出，用以表征从产品生产到使用全过程的广泛的污染 物防治途径。其定义如下：清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续地应用于 生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的危害。 清洁生产是一个相对的概念。所谓清洁的工艺和产品是与现有的工艺和产品相 比较而言。推动清洁生产是一个不断完善的过程。随着社会经济的发展和科学技术 的进步，需要不断提出适宜的目标，达到更高的水平。理想的清洁生产是采用具有 一定转化率的高选择性化学反应来生产目标化合物，不生成或很少生成副产物或废 物，实现或接近废物的“零排放”。清洁生产是通过专门技术、改进工艺技术和改善 管理态度来实现的。 清洁生产与环境治理的不同之处在于：前者是从源头上防止污染的生成，即污 染预防( p o l l u t i o np r e v e n t i o n ) ；环境治理则是对已被污染的环境进行治理，即“末 端治理”。实践表明，这种末端治理”的粗放经营模式，往往治标不治本，只注重污 染物的净化和处理，不注意从源头和生产全过程中预防和杜绝废物的产生和排放， 既浪费资源和能源，治理费用投资又大，综合效益差，甚至造成二次污染。因此绿 色化学的目的是把现有的化学工业生产的技术路线从“先污染，后治理”改变为“从源 头消除污染”。我们认为，加强技术改造，实施清洁生产工艺，对现有企业的生产 工艺用清洁生产的原理和技术进行评估，借鉴当今先进的科学技术，实施清洁生产 工艺，这是我国工业发展的必然方向和唯一出路。 1 2 国内外黄姜皂素研究历史与现状 基于我国人口控制的战略需要，合成避孕药物所需的主体原料甾体皂素再也不 能依赖进口的历史背景，我国1 9 5 7 年开始进行薯蓣资源调查。1 9 6 4 , - - 1 9 7 4 年在国家 科委的领导下，全国组织了6 0 个专业队，普查了2 0 个省区、6 2 0 个县，寻找研究 含有甾体皂素的薯蓣资源。整个工作持续了1 0 年之久，动员了数以万计的群众参 加，并进行了全国大协作。与此同时还开展了化学分析、资源保护、栽培试验等方 面的工作。调查结果发现：我国有1 7 种、1 亚种、2 变种薯蓣。武当山发现的野生 硕士学位论文 m a s l e r st h e s i s 黄姜，薯蓣皂甙元含量高达1 6 5 ，为世界第一。1 9 5 8 年突破了直接酸法提取薯蓣 皂素的技术关，为我国的制药工业填补了空白。目前我国生产的皂素不仅能自给， 而且还大量出口，在国际市场赢得了极高的声誉。 薯蓣皂素是1 9 3 6 年f u j i i 和m a t s u k a w a 首先发现的，由于当时对其生理活性 及其治疗作用不明，在相当长的时间未能引起人们的重视。直到1 9 4 3 年m a r k e r 和 他的同事发现薯蓣皂素是合成可的松及其它激素类药物的原料，才引起人们的广泛 注意。1 9 9 2 年，联合国卫生组织宣布，禁止使用化学合成法生产甾体激素药物，因 为从动物脏器和血液中提取的皂素会导致肥胖与巨人症，因此只能从植物中提取皂 素和甾醇生产甾体激素药物【l l 。但利用甾醇生产甾体激素药物成本远高于皂素，一 般都是用植物皂素生产甾体激素类药物，故植物皂素有“激素之母之称。植物皂素 主要有三大类，即薯蓣皂素、剑麻皂素、番麻皂素，其中薯蓣皂素是生产甾体激素 药物最理想的基础原料。 国内外许多学者近年来报告薯蓣皂素有抗肿瘤作用，最新的药理研究表明，薯 蓣皂素具有抑制骨肉瘤细胞中环氧化酶( c o x s ) t 2 l 活性的作用，还有降低胆固醇【3 , 4 1 、 抗商血脂症【5 ，6 】、刺激肝素细胞生长与调控胆汁分泌等作用【7 8 l ，是目前备受关注的 天然药物之一。皂素主要用于开发生产医药系列产品，可生产4 0 0 多种具有抗炎、 避孕1 9 j 、镇痛、麻醉、杀虫等功效的甾体激素类药物。在医药制造领域中，甾体激 素药物是仅次于抗生素的第二大类药物。 1 9 5 5 年罗斯洛克( r o t h r o c k ) 等曾发现土曲酶m f 1 1 8 菌株具有能酶解d i o s c o r e a b a r b a s c oa m a r ii i 薯蓣皂甙元的能力，但其皂素产率仍未超出“直接酸水解法的水 平”l l u j 。克特( k e d d e r ) 和沃尔( w a l l ) 等在丝兰( y k c a ) 和龙舌兰( a g a v e ) 的叶中曾发现有 分解皂甙成皂甙元的酶存在，并把这种酶命名为“皂甙酶( s a p o n i a s c ) 【1 1 1 ”。 1 9 6 3 年布伦登( b l u n d e n ) 和哈德曼( h a r d m a n ) 等以d i o s c o r e db e i i g e n s i s 薯蓣为材 料，小样试验证明：在2 5 3 7 时，经五天发酵，再经酸水解，能显著提高皂素产 率。他认为这是一种植物内源酶作用的结果，但未对薯蓣淀粉综合作用进行研究， 亦未见该工艺投入工业生产的报道【12 1 。1 9 7 0 年美国的p h y t o g e n p r o d i u c 公司发明“含 植物物质的皂角甙”的处理专利。该技术将材料放在p h1 2 5 ，1 1 0 1 4 5 温度压力 条件下水解，将中性渣提皂素，而用滤出液发酵生产酵母或乙醇，其皂素收率不明。 i k i t a g a w a 等人提出了二种提取皂甙的新方法：光分解法。用5 0 0 瓦高压汞灯为 紫外光源，对皂甙进行照射，将原皂甙元从皂甙中裂解出来【1 3 1 。四醋酸铅醋酐 法。先将皂甙进行烷基化，再于甲醇钠中碱解，可得原皂甙元的乙酰化物【阐。 在国外酶酸联合水解制取皂素的技术很快发展后，我国科技工作者从资源综合 利用的目的出发，对其工艺进行了大量的探索研究。 1 9 6 0 年上海通用药厂利用薯蓣发酵制酒精，再用酸水解酒糟制取皂素，收率有 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 所提高。以后不久，我国不少工厂先后在生产中利用自然发酵，然后酸解提取皂素， 提高了效率，可惜没有及时研究提高。直到1 9 7 0 年中国科学院西北植物研究所和 宝鸡酒精厂等协作利用白曲纯种发酵，皂素收率提高了6 0 以上，在自然发酵的基 础上前进了一步。 1 9 7 5 年宝鸡酒精厂和陕西省轻工业研究所进行了薯蓣综合利用中型试验，利用 生产酒精的薯蓣酒糟生产皂素。同年，四川省生物研究所和柏林酒厂完成了预发酵 酸水解的中试方案。 1 9 7 4 , - - 1 9 7 5 年，四川省生物研究所进行预发酵提高薯蓣皂素产率及淀粉综合利 用的研究。该研究以盾叶薯蓣粉为试验材料，加l ：1 5 _ - 5 的水调料，在3 9 - 4 2 ， 发酵4 8 小时的预处理条件下，充分发挥其酶解作用，再用酸水解，以滤渣提皂素， 就能比直接酸水解法提高皂素产率2 3 4 - 3 9 8 ，已在小样试验及中型生产试验得到 证实。以滤液发酵制酒，综合利用淀粉，5 7 0 ( v ) 白酒原料出酒率为2 6 4 3 2 1 。 利用含硫胺及有机质的酒糟废液作农肥，支援农业。( 中试是与四川省永川柏林酒 厂协作进行) 。江苏省植物研究所从盾叶薯蓣的综合利用出发，1 9 7 8 年开始对盾叶 薯蓣进行试验，改进了提取方法，对水溶性皂素进行一般定性和层析鉴定，并试制 了盾叶薯蓣冠心宁药片( 在南京中药厂加工) 。该药品送到江苏省中医院、工人医 院等临床使用，初步认为是有效的，主要可减少心绞痛发作频率，减轻发作程度， 缩短每次发作时间，并且未发现毒副反应。 从1 9 5 8 年以来的4 5 年间，国内各大专院校、科研院所、生产企业有关皂素生 产、综合利用的实验室报道很多，令人目不暇接，但实际用于生产的不太多。 我国科技工作者对皂素提取工艺的研究方向大体经历了以下几个阶段：直接 酸法一急需突破提取皂素产率的阶段；自然发酵一酸法，提高皂素产率的阶段； 发酵一酸法一综合利用，降低皂素生产成本的阶段；由于南水北调中线工程上 马，急需解决水源水质问题，从环保的目的出发，开始黄姜皂素清洁生产工艺的研 究，皂素工业污染源的控制及黄姜资源的综合利用的问题迫在眉睫，从而实现皂素 工业可持续发展的“绿色工艺阶段”。 1 3 薯蓣皂甙元的结构研究和含量的测定 盾叶薯蓣( d i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h 啪9 1 1 ) ，又名黄姜、火头根，为被子植 物门，单子叶植物纲，薯蓣科。薯蓣属多年生草本缠绕性植物0 5 , 1 6 1 ，多为雌雄异株， 少为雌雄同株，宜生长在海拔1 0 0 0 m 以下的山坡和石灰岩干热河谷地区的稀疏灌木 林中。喜温暖，不耐寒，为亚热带植物类型，在群落中为伴生种类，盾叶薯蓣的根 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 茎含有薯蓣皂甙元( d i o s g e n i n ) ，俗称皂素【1 7 】。 薯蓣皂甙属于甾体皂甙，由甾体母核和2 个鼠李糖、1 个葡萄糖结合在一起f 1 8 2 3 】， 在合适的水解条件下( 加酸加热和酶解) 可水解成薯蓣皂甙元，分子式( 为) c 2 7 h 4 2 0 3 ， 分子量为4 1 4 6 。薯蓣皂甙元是白色轻质粉末，无异嗅，纯品熔点1 9 5 c f 2 甜。 薯蓣皂甙元是薯蓣属植物中薯蓣皂甙的配基，它与糖结合构成薯蓣皂甙。薯蓣 皂甙属于甾体皂甙，由甾体母核和2 个鼠李糖、1 个葡萄糖结合在一起，结构如图 l ，主要以薯蓣皂甙的形式与纤维结合存在于细胞壁中【2 5 矧。 薯蓣皂甙元含量测定的方法有多种【2 3 - 2 7 ，经典方法有：重量法【2 8 、比色法1 2 9 1 、 库仑法和薄层扫描法【蚓。现代方法有：旋光法f 3 l j 、红外分光光度法、微量电位滴定 法、库仑滴定法、棒状薄层色谱火焰离子检测法( t l c f d 、气相色谱法【3 2 1 、高 效( 正相、反相) 液相色谱法【3 3 j 以及毛细管气相色谱法等。经典方法对仪器要求不 高，但灵敏度低，分离效果差。由于此类皂甙的种类繁多，在各种薯蓣植物中的含 量不一，因此，经典的方法很难对薯蓣皂甙元准确测定。色谱方法可以很好地排除 相关物质的干扰，但由于薯蓣皂甙元沸点高，气相色谱条件要求苛刻，因此不被普 遍使用。目前反相高效液相色谱法( r p h p l c ) 和分光光度法应用更为广泛。 q h o 伽 图l 薯蓣皂甙和薯蓣皂甙元的结构 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 4 黄姜皂素产业的社会经济效益 世界三分之二以上的甾体药物是以薯蓣皂素作基础原料生产的，世界上薯蓣皂 素含量较高的植物资源不多，主要分布在我国和墨西哥【。近年来，由于气候原因， 墨西哥的皂素出口锐减，中国成为世界上的皂素出口大国。我国自上世纪五十年代 末开始利用薯蓣皂素制造甾体激素类药物。在七十年代以前，我国甾体激素类药物 主要依赖进口，八十年代以后，我国皂素工业发展较快，产品不仅能满足国内需要， 还能出口，也带动了国内黄姜产业的发展。据不完全统计，全国有1 0 个省市、6 0 多个县市发展黄姜产业，黄姜基地面积发展到2 0 0 万多亩，皂素加工企业发展到1 5 0 多家，皂素生产能力达5 0 0 0 多吨，涉及黄姜、皂素及其相关产品生产的从业人员 达3 0 0 万以上。国内种植黄姜的地区主要集中在湖北的十堰、陕西的安康等地。黄 姜根茎含有薯蓣皂素，是合成2 9 2 种甾体激素类药物的起始原料，每吨皂素的市场 价格一度攀升至5 3 万元，堪称“药用黄金试3 4 j 。黄姜产业发展成为十堰市的特色支 柱产业和农民收入的主要来源。十堰的加工企业发展到6 0 家，皂素生产能力达到 2 2 0 0 多吨；陕西的生产能力也达到1 0 0 0 多吨。由于秦巴山区经济发展水平相对落 后，黄姜种植成为当地农民脱贫致富的主要经济来源，黄姜产业成为一些地方经济 发展的支柱产业。 1 5 黄姜皂素的几种生产工艺简介 1 5 1 直接酸水解法 自2 0 世纪5 0 年代末，我国开始建立生产薯蓣皂素的工厂，其工艺采用r o t h r o c k 首创的直接酸水解法【3 5 1 。最b 先用硫酸或盐酸水解薯蓣根茎，水解物用水洗涤至中性， 然后干燥至含水7 1 2 ，再用汽油抽提。采用该工艺存在以下缺点：不易水解 彻底，皂素收率低，只能提取出植物中4 5 的薯蓣皂素；酸度越高【3 6 1 ，薯蓣皂素 收率随酸的浓度样品稀释程度的增加而增加；大量的纤维渣贯穿生产始末，消耗 增大；由于在浓酸高温等强烈条件下进行水解，薯蓣中其它成分遭到破坏，不利 于综合利用；污染严重，大量薯蓣淀粉糖在工艺过程中被破坏，随废水排入江河， 增加了环境中有机物含量，使生物耗氧量( b o d ) 和化学耗氧量( c o d ) 增高。 近年来国内很多企业建立了治污设施，但废水中和以后，含盐量过高，所以生化处 理困难，运转费用过高。此外，该工艺还需要在高温下水解，设备投资大，能耗高， 生产周期长。该方法的优点是淀粉可以水解为葡萄糖。 5 淘汰，选择出对皂甙水解能力强的土壤菌株，然后进行大量培养，用薄层检查水解 进行情况，培养物用溶剂提取、分离、精制，可得皂甙元，但未见生产报导。 鲜黄姜粉碎后加水调浆，先加入0 【一淀粉酶进行液化，然后加入糖化酶进行糖 化，直至糖化至碘液指示不呈蓝色为止，使酶灭活，抽滤后的滤液进一步处理提取 得到葡萄糖。滤渣用稀酸进行水解，再用有机溶剂萃取，浓缩结晶，烘干得到成品 3 s l 。也有加入纤维素酶、果胶酶、苦杏仁酶和葡萄糖苷酶等提取薯蓣皂甙元【3 9 】。 要想提高皂素收率，在酸水解之前必须对薯蓣原料进行糖化酶酶解，使淀粉分解为 葡萄糖，尽量与皂甙分离，这样既可减少酸的用量，又能明显提高皂素的收率和质 量。水解后，用碱石灰中和，替代传统的直接水洗，防止半成品流失，减少废水排 放，可避免或减少对环境的污染。用酶法生产皂素时，可得到副产品葡萄糖、单宁、 柠檬酸、酒精等湖j 。 赵书申掣4 l j 采用黑曲霉5 0 1 6 或3 0 0 8 或c o 8 2 7 进行发酵，把黄姜中的淀粉转化 为柠檬酸，同时黑曲霉还能分泌出多种活性较强的纤维素酶、果胶酶、苦杏仁酶和 葡萄糖苷酶，这些酶能明显提高皂素的产率，再进行酸水解。由于经过酶解和酸水 解双重水解，再经两次过滤、洗涤，水解物中胶质、油质、色素和其他杂质的含量 大大减少，所得皂素色泽白，晶形好，质量稳定。 6 成，耗酸量不到传统酸水解工艺的1 0 ，生产废水不到传统工艺的1 0 ，该工艺大 大减少了皂素生产的污染问题，具有很大的可行性。 王昌利1 47 1 将黄姜户i - ：f 燥粉碎成小颗粒并过筛至1 8 6 0 目，用7 0 的乙醇浸泡 4 8 h ，将醇回流提取，可得到成品。如果在醇提取过程中增加超声处理，产品得率可 提高2 7 。 程军等郴j 以黄姜为原料，采用溶剂把黄姜中的皂甙与淀粉、纤维素等成分分离， 然后再将皂甙水解、过滤，中和、脱水，提取、重结晶。水解的酸浓度为 旷】= 0 5 m o l l 较好，水解压力为0 7 - 0 8 m p a 较合适，水解时间为6 h 。在这些条件下，皂甙元的 得率可达到9 5 以上。此工艺产生的生产废水不到现工艺的1 0 ，酸的用量约为现 工艺的1 0 ，皂甙元的得率有所提高，生产周期大大缩短，资源的利用率也大大提 高。 有的研究者提出先把黄姜中的皂甙与淀粉、纤维素等成分分离1 4 9 1 ，然后将皂甙 水解、过滤、中和、脱水、提取、重结晶，从而得到高纯度的皂甙元。原因在于质 量占5 0 、体积占9 0 的纤维素渣在生产过程中被排除，要消耗大量化工原料、动 力和劳力，特别是酸和水洗的用量会大大增加，使环境治理的任务加重。若弄清皂 素所在部位后再进行适当分离预处理，不仅可以节省原料和动力，也有利于对副产 7 物进行综合利用。经实验证明，在纤维渣和水解液中没有提得皂素，皂素主要集中 在水解后的糖浆状渣中。针对这一情况，在水解之前，把占体积9 0 的纤维素先分 离出来，不会影响皂素的收率。由于水解更彻底，收率可提高，所分离的纤维素可 进一步利用。 此外，利用超声波萃取细胞也可提高薯蓣皂甙元的收率【剐。用盐酸丙酮乙醇 【5 i j 混合液直接加热提取薯蓣皂甙元的工艺虽可节约物料，缩短工艺过程，但对资源 的综合利用不足，在实际生产中还未见应用该工艺的报道。在各种分离提取薯蓣皂 甙元的工艺中，目前应用较多的是预发酵( 自然发酵) 酸水解工艺、酶解酸水解工艺、 微生物发酵酸水解工艺。由于预发酵一酸水解工艺存在明显的不足，因而该工艺生 产皂甙元的厂家主要为个体业主和乡镇企业。在酶解。酸水解工艺、微生物发酵酸 水解工艺中，分离法和黑曲霉发酵法【4 1 l 效果好，不仅皂甙元收率高，节约资源，而且 对资源的综合利用也比较全面，对环境的污染相对较小。 1 6 黄姜皂素工业废水的处理及现状 1 6 1 皂素工业废水的产生 生产皂素的原料主要有黄姜、穿地龙，葫芦芭等，其主要成分是淀粉、纤维 素、糖苷和木质素。生产过程是将原料进行水浸、粉碎、发酵等预处理后，加l m o l l 稀硫酸或稀盐酸水解，淀粉、纤维素被水解成葡萄糖，糖苷被水解成鼠李糖、葡萄 糖和皂素，再进行过滤，糖类等随滤液排走，滤出物为不溶于水的木质素和皂素。 将滤出物中和、漂洗、粉碎、烘干后，用1 2 0 # 汽油提取滤出物中的皂素。提取液再 经结晶，过滤、干燥即得皂素成品，皂素提取率达9 0 1 5 2 】。生产过程中废水主要 来自于酸水解、过滤后产生的污水，以及中和、洗涤后产生的综合废水。 1 6 2t 业废水的处理 皂素工业废水属于高浓度难降解有机废水，处理难度大。黄姜高浓度有机废水 的性质类似酸法纸浆厂的有机废液。国外普遍采用蒸发法浓缩高浓度有机废水，然 后再利用浓缩液或将其焚化处理。例如，某钢厂的废酸液中含硫酸量达1 0 0 11 0 叽， 硫酸亚铁量为2 2 0 , - - 2 5 0g l 。经浸没燃烧蒸发浓缩后，母液中含硫酸量增加到6 0 0 g l ，而硫酸亚铁量仅为6 0g ，l 。再如酸法纸浆厂，将亚硫酸盐纤维素废液蒸发浓缩 后，用作道路砂模、粘合剂、鞣剂和生产杀虫剂。蒸发工艺可采用雾化悬浮技术， 即在雾化塔的塔顶将废水喷成雾滴，在下降的过程中，受高温多层塔壁的作用，蒸 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 发汽化。这是一种直接接触式蒸发设备，由于是酸性废液，故需耐酸的蒸发设备， 我国目前有能力生产这种耐酸腐蚀的蒸发设备。 有机醇类萃取法提取无机酸的研究及工业化的例子在国外报道很多，以色列的 蹦i 法，英国的a w 法等均已实现工业化。我国也有不少单位在这方面做过一些研 究工作，但都处于实验室阶段，没有实现工业化的报道。 目前国内尚未有一家皂素生产企业能对工业废水进行彻底有效治理，除少数企 业能对工业废水进行部分处理外，大多数企业采取直接排放。而且企业采用的处理 工艺均为中和厌氧生物处理好氧生物处理，大同小异，处理效果并不理想。为此， 一些研究者对皂素工业废水的处理展开了研究，处理方法主要采用资源综合利用、 厌氧、好氧、物化以及自然处理等，但多停留在实验室小试基础上，仅有少部分进 行了一些中试研究 3 4 1 。 郑一新f 5 3 】利用高浓度皂素工业废水中富含酸和淀粉水解后转变为糖的特点，采 用补充一定量的淀粉质原料的方式，在强酸及高温加压条件下，使淀粉水解为还原 糖，然后再进行酒精发酵，生产酒精。每耗用1 t 高浓度皂素工业废水，可去除 c o d 5 0 k g 。每生产i t 工业酒精，消耗高浓度皂素工业废水1 8 t ，可去除c o d 近9 0 0 k g 。 皂素废水经生产酒精后，大量糖被利用生成酒精，但其余有机物含量仍然较高，c o d 仍然在2 0 0 0 0m g l 左右。 黄进 s 4 l 等研究出从黄姜水解滤液中回收葡萄糖的工艺，即将中和后的水解滤液 通过活性炭脱色，离子交换脱盐，浓缩结晶干燥后得到高质量葡萄糖。但其只侧重 从黄姜加工废液中提取葡萄糖，尚未核算此工艺的经济成本，而且须进一步研究此 工艺外排废水的末端处理。 陈志弓虽【5 5 】通过实验发现皂素工业废水中的主要有机物是甲醇、乙醇、乙酸、少 量醛类和其它挥发性物质，因此采用蒸馏技术可以有效地去除水中有机物。试验表 明：皂素废水采用低压蒸馏工艺处理后，馏出液色度去除率达1 0 0 ，c o d 为6 0 0 m g l 左右，去除率达9 7 以上，但还达不到排放标准。蒸馏后的浓缩液经压滤后 滤饼掺煤焚烧，运行费用约2 元吨。 张志扬【5 6 】等采用u a s b 一生物接触氧化一絮凝沉淀法处理皂素工业废水。采用 u a s b 厌氧反应器处理，c o d 去除率在8 0 以上。采用生物接触氧化法处理，c o d 去除率在6 0 以上。絮凝沉淀c o d 去除率在6 0 以上。进水c o d l 5 0 0 0 _ _ 2 4 0 0 0 m g l ，厌氧出水c o d1 5 0 0 - - 4 0 0 0 m g l ，接触氧化出水7 0 0 1 2 0 0m g l ，离排放标 准还有相当一段距离。也有人利用酵母菌喜在含糖较高的酸性水生环境中生活的特 点1 5 ，选择适当的酵母菌作为絮凝剂对皂素工业废水进行生化预处理。在p h 为5 o ， 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 温度为3 0 ，处理时间为4 8 小时，接种量为1 0 的条件下，废水c o d e r 的去除率 可达7 0 ，还可回收一定的酵母蛋白，具有一定的经济效益。 刘大银【5 8 】提出了皂素工业废水的综合利用与高效末端治理组合工艺，先对水解 浓废液采用萃取除盐酸，发酵蒸馏工艺得到体积比8 0 9 5 的酒精，并使得整个皂 素工业废水c o d 的污染负荷去除7 0 8 0 ，再对包括醪液在内的皂素综合废水除 酸脱盐后，用a b r 厌氧s b r 好氧工艺进行处理，c o d 去除率达9 0 左右，出水 c o d 约为2 0 0m g l ，最好水平达l1 4 m g l 。此技术还需进一步扩大到中试，并对 经济成本进行核算。他们还以三阶段两相厌氧生物接触氧化为流程的生化法【5 9 】， 处理皂素工业废水，对厌氧后的出水进行硝化，实验室小型生物接触氧化池在水里 停留时间为4 d 时，氨氮平均去除率为6 1 ，出水浓度一般只能达到1 5 0 m g l 左右， 最好可达t e 0 m g l 。好氧出水中氨氮的进一步去除，需通过催化氧化的深度处理。 刘礼祥唧l 等采用物理化学预处理技术与生物化学处理的组合技术处理皂素工 业废水。皂素工业废水经过物理化学预处理后，再采用水解一厌氧一好氧工艺进行处 理。厌氧反应器采用“激波厌氧传质”专利技术，即利用进水水力作用和传质器的高 速射流将污泥击碎，并使之与水充分混合，再辅以高效低耗的射流曝气活性污泥法 进行废水的稳定处理。最终出水c o d 稳定在1 5 0 1 7 0m g l 左右，运行费用在3 元 吨左右。 王惠丰【6 1 】等利用活性污泥对单糖快速吸收( 单次吸收率为2 0 - 3 5 ) 的特性。研 发出了处理皂素工业废水的吸收消化工艺。即将达到吸收平衡的污泥经沉降使泥水 分离，然后对污泥进行消化，完成污染物的降解。试验表明，活性污泥对皂素工业 废水污染物吸收的分离效率保持在8 9 9 3 ，污泥消化时间为9 6 1 0 6h 。但该工艺 对自动控制要求较高，而且有待于中试验证。此外还有许多研究者对皂素工业废水 的预处理技术进行了研究。也有人以铁屑和活性炭为填料，采用内电解法处理皂素 工业废水 6 2 j 。在p h 4 0 ，停留时间9 0r a i n ，f e c 的比值为8 ：1 的条件下，对c o d 的去除率大于3 0 ，并能提高废水的可生化性，而且向内电解出水中加碱，将生成 f “o h ) 2 ，并被氧化成f e ( o h ) 3 ，因而不需再投加其它混凝剂，降低了处理成本。 李泽唐f 6 3 j 等利用水葫芦的气囊对皂素工业废水进行预处理。通过对比试验，结 果表明：干燥的水葫芦气囊