（化学工程专业论文）黄姜资源化综合利用工艺、机理及应用研究.pdf

孛文攘要 摘要 黄姜中的有效成分皂索是生产合成甾体激素粪等药物的主要中阉体，爵前 墨业上生产皂素采粥的传统工艺不但提取率低，更重要的是会产童大量含酸高、 胶质重、色素浓莳酸牲废水，对环境造成了毂其严受的志害。 钳对默上生产土急需解决避现实瓣题，本瀑题重点鬟在蚨嚣头土减少皂索 生产过程孛产生鲢离浓度废水发瘦渣，进行黄姜资瓣化综合剃翘，选到清洁生产 以及提高缝济效益的爨的，为黄姜产业的发展提供新的思路和方法。 研究重点之一是预分离淀粉再经水解、提取制备皂素新薯艺的开发，通过 试验得到了该进程优化的工艺路线和操作参数；在此基础上对籁分淀粉和纤维素 稍备皂素的组合工艺进行了一定的研究；并默黄姜鳆织缎胞理论为依据，对黄姜 孛皂素套淀粉、纤维素酶结合规律静分离原理进行了分橱务器苟。 波小试研究势基旗对预分离淀粉制备皂素蝻奠艺进行了工业化应魁放大甥 亮，探讨了放火过程孛始荧键生产单元所遇到的难点问题。工业化放大结果与传 统工艺相比：皂素收率增加8 ，浓硫酸用量降低5 ，浓盐酸用萤降低1 8 ， 每吨新鲜黄姜可得9 0 0 6 埏的淀粉；排放的废水量降低6 3 3 ，化学耗氧量 ( c o d c r ) 减少6 8 5 ，色度减少s 9 6 ；通过原材料消耗和产品效益分析，该 工艺有较失酹蕴利宣霹。本研究成暴这到了工业托生产砖水平、既平衡治理三废 的费惩并可获得一定经济效益鼗彝酶。 运过环境扭描电境( 轻m 、激光粗度分析仪、蚤射线衍射担描( 敝d ) 、 差示扫描量热分析( d s c ) 和红外光谱分析( 炽) 等手段分别对制备的黄姜淀粉 和纤维素进行了性能表征和分析；测定了黄姜淀粉的中常见的营养元素、蛋白质、 氨基酸、矿物质等，进行了营恭价值评价，并对其进行了食品毒理学安全性评价。 得到了以皂素废水废渣藩原料裁备有氟肥以茂蹲种农作物专嚣瓣的工艺路 线，产器各参数符合有机船称准辩5 签2 2 。谖工艺幂但减轻了治理环境污染 的盛力，薅盈具有一定酚经济价值+ 为了最大隈度减少酸水解量，完成了从黄姜申先采用溶剡提取薯蓣皂苷再 水解制备皂素激工艺的研究。通过著蓣巍苷提取环节六种不同方法进行对比和机 理分析基础上，得到了最理想的提取工艺一磨浆璃栌波法，并在单因素考察基 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 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。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北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 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：聋煎 指导教师签名： ：茎鳖 娜8 年。易月，易日，2 毋恻占年彳月，石曰 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一网工作的溺恚对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：许觇 凇以年参参胃多目 第一章绪 论 第一章绪论 1 1 黄姜资源及分布概述 黄姜( d i o s c o r e aa i n g i b e r e n s i s c h w n g l l t ) 又称盾叶薯蓣，火头根，多年生缠 绕草本植物，为我国特有的野生植物资源，主要分布于湖南、陕西、四川、贵州 及云南等省。黄姜最早见于春秋时期的山海经，在汉代神农本草经以及 宋代的图经本草、求薯蓣苗、种山药、明代的本草纲目、清代的植 物名实图考等中均有记载，早在古代，我国民间就发现黄姜是种珍贵的药用植 物，并且可以食用【，根状茎入药，有祛湿、清热解毒之功效。民间用于治疗皮 肤急性化脓性感染、软组织损伤、蜂蛰、虫咬及各种外科炎症等病症【2 1 。 近年来引起人们重视薯蓣研究的主要原因则是薯蓣属植物能提供医药工业 原料。黄姜的主要有效成分是薯蓣皂苷元( d i o s g e n i n ) ，也称皂素( 以下均称皂 素) 。皂素是薯蓣皂苷佃i o s c i n ) 的配基，主要以薯蓣皂苷的形式存在于黄姜中。皂 素是生产激素类药物的基础化合物，以皂素为起始原料经过结构改造、化学半合 成，可以生产皮质激素、性激素、蛋白同化激素等3 0 0 种以上药物。因此皂素亦 有“药用黄金”的美誉1 3 】。 1 1 1 黄姜形态 黄姜是种草质藤本植物，其根状茎横生，近圆柱形，指状或不规则分叉， 新鲜时外表棕褐色，断面黄色，干后须根脱落，常留有白色点状痕迹；茎左旋， 在分枝或叶柄的基有时具短刺。单叶互生，盾形，叶面常有不规则块状的黄白色 斑纹，下面微带白粉，边缘浅波状，有时呈窄膜质状，基部心形或截形。花雌雄 异株或同株；雄花序穗状，单生，或2 3 花序簇生于叶腋。有时花序延长或分枝； 雄花2 3 朵簇生，仅1 2 朵发育，花被紫红色，长1 2 1 5 厘米，宽o 8 1 0 厘米： 雄蒜6 枚，花丝与花药几等长。雌花序与雄花序相似，蒴果干燥后蓝黑色，长1 2 2 o 厘米，宽1 0 1 5 厘米，三室，种子各2 枚，着生于每室中轴的中部，成熟时 栗褐色，四周围以薄膜状翅。花期5 8 月份，果期9 1 0 月份i 剞。其形态如下图。 西北大学博士学位论文 1 1 2 黄姜分布 图1 1 黄姜植物形态 世界上皂素含量较高的植物资源不多而且分布范围较窄，主要分布在我国和 墨西哥。 根据我国薯蓣植物资源调查资料【4 1 ，黄姜的自然分布区为北亚热带及中亚热 带地区，即9 8 。5 3 1 2 1 。5 0 e 、2 3 0 4 2 3 2 。1 0 n 范围内。主要分布于秦岭以南， 向东延伸到中条山以南、南岭以北的米仓山、大巴山、武当山、武陵山、雪峰山、 衡山等山区，以及长江中游及其支流嘉陵江、汉水、澧水、沅江、资水等流域的 低中山丘陵，其东界为湘江流域以西，洞庭湖大平原，西界为四川笳地和云贵高 原；垂直分布一般在海拔1 0 0 1 5 0 0 m 。常生于江水河谷两岸的丘陵、低山、中 山山坡、石灰岩的稀疏灌丛中、混交疏林及杂灌丛内或森林、沟谷边缘的路旁等。 大量研究表明，野生状态下的黄姜皂素含量主要与环境因素的关系密切【5 刀。 我国薯蓣属植物有8 0 余种，其中属于根状茎组的有1 7 种、1 个亚种及1 个变种，其中含有的皂素是主要的药源，有关数据详见表1 1 。由表可知黄姜( 盾 叶薯蓣) 中皂素的含量比其他薯蓣植物高，最高可以达到1 6 1 5 。目前黄姜在 陕西安康、商洛、汉中等地有大面积种植。 2 第一章绪论 表1 1 薯蓣植物资源分布及皂素含量 1 1 3 黄姜的化学成分研究进展 黄姜的根状茎含1 1 0 1 6 1 5 的薯蓣皂苷等甾体皂苷类成分、4 0 左右的淀 粉、5 0 的纤维素以及一些水溶性苷类、生物碱类、黄酮苷类、强心苷类、生物 碱、单宁、色素等化学成分【8 】o 到目前为止从黄姜中分得的甾体皂苷类成分主要为螺旋甾烷型甾体皂苷，也 有f 环开环生成的呋喃f 烷型 体皂苷，结构类型主要是3 b 一羟基一5 一( 2 5 r ) 一螺甾烷型、3 b 一羟基一5 一( 2 5 s ) 一螺甾烷型和3 b 一羟基一5 一呋甾烷型， 所有皂苷都是3 b 一羟基与不同种类及数量的糖相连，糖的类型主要是b d 一葡 萄吡喃糖和a l 一鼠李糖，f 环开环的皂苷在c 2 6 位连接葡萄糖，且c 2 2 位接有羟 基。目前黄姜中共分得4 种甾体皂苷元和1 6 种甾体皂苷。 刘承来等【9 】于1 9 8 4 年对黄姜进行了分离提取，结果在根状茎中分离出两种水 3 西北大学博士学位论文 不溶性三糖皂苷和两种水溶性四糖皂苷，用乙酰化、酸水解、酶解、克分子旋光 差计算以及红外光谱、质谱、氢谱、碳谱等方法进行分析鉴定分别为1 9 8 4 年从黄 姜的干燥根茎中分离到4 种甾体化合物，分别为表一拔葜皂苷元( e p i - s m i l a g e n i n ) 、 延龄草次苷( t r i l l i n ) 、薯蓣皂苷元一双葡萄糖苷( d i o s g e n i n - d 磷u c o s i d e ) 、纤细皂苷 ( 伊a c i l l i n ) 。后来，刘承来等【1 0 】又于1 9 8 5 年从黄姜的新鲜根茎中分离到5 种甾体类 化合物，分别是薯蓣皂苷元棕榈酸酯( d i o s g e n i np a l m i t a t e ) 、b 一谷甾醇( b s i t o s t e r 0 1 ) 、纤细皂苷、原纤细皂苷( p r o t o g r a c i l l i n ) 和一种新甾体皂苷一原盾叶皂苷( p r o t o z i n 酉b e r e n s i s s a p o n i n ) 。 唐世蓉等【1 1 】于1 9 8 3 年从黄姜根茎中分到2 种水不溶性三糖皂苷和2 种水溶性 四糖皂苷，分别为盾叶皂苷a 、b 和原盾叶皂苷a 、b ，前两者为新皂苷，盾叶皂 苷b 为纤细皂苷的立体异构物。后来，唐世蓉等【1 2 】又于1 9 8 7 年从黄姜地上部分分 离到4 种主要含约莫皂苷元( y a m o g e n i n ) 的皂苷，分别为盾叶皂苷a l 、a 2 、a 3 ( z i n g i b e r o s i d ea 1 、a 2 、a 3 ) 和叉蕊皂苷( c o l l e t i n s i d e ) ，前3 种均为新皂苷， 同时得到1 种新的甾体皂苷元盾叶皂苷元( z i n g i b e r o g e i l i n ) ，即2 4 a o h 一约莫皂 苷元( 2 4 a o h y a m o g e n i n ) 。 康阿龙、孙文基掣1 3 j 于2 0 0 3 年在黄姜皂苷含量测定中曾用盾叶新苷( z i n 西 e r e n s i s n e w s a p o n i n ) 做对照品，该化合物是一种单链四糖甾体皂苷。钱士辉等【1 4 l 于2 0 0 6 年从黄姜的干燥根茎中分离到6 种箔体化合物，分别是三角叶薯蓣皂苷 ( d e l t o n i n ) 、原三角叶薯蓣皂苷( p r o t o d e l t o n i n ) 、盾叶新苷、薯蓣皂苷、薯蓣皂苷元 一双葡萄糖菅和薯蓣皂苷元，其中前2 种皂苷为首次从黄姜中得到。徐德平等【1 5 】 于2 0 0 7 年从黄姜的鲜根茎中分到一种新皂苷黄姜皂苷e ( z i n 西b e r e n i ne ) 。 1 2 皂素的性质和药理研究进展 1 2 1 皂素的结构和性质 皂苷是存在于植物界的一类比较复杂的苷类化合物，它的水溶液易引起肥皂 样泡沫，且具有溶血和与胆固醇形成复合物的特征，皂苷的这些物理及生物学性 质，构成了皂苷的经典含义，因此很早为人们所认识。皂苷按其皂苷元结构可以 划分为两大类：其一为甾体皂苷，另一类为三萜皂苷。甾体皂苷多分布于百合科、 薯蓣科和玄参科等植物中；而三萜皂苷大部分分布于五加科、豆科、桔梗科和远 4 第一章绪 论 志科等植物中。薯蓣皂苷属于甾体皂苷，由皂素和配糖体构成，其配糖体通常为 葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等。此类皂苷经酸水解生成含有2 7 个碳原子 的皂素。 早在2 0 世纪3 0 年代，t s u k a m o t o 等从日本的d t o k o r o 中分离出来薯蓣皂苷， 但对其生理活性及治疗作用并不清楚【1 6 1 ，以致在很长时间并未引起人们的注意。 直到1 9 4 3 年m a r k e r 等人成功的降解了甾体皂苷，获得皂苷元，同时用微生物法 在甾核1 1 位引入羟基，使皂素( d i o s g c n i n ) 成为合成甾体激素类药物的基础原料， 引起全世界有关方面的重视【切。 皂素( 2 5 r s p i r o s t 一5 一e n 3 b 0 1 ) ，是异螺甾烷的衍生物，化学名为5 2 0 b f ， 2 2 a f ，2 5 a f 螺旋简烯3 8 一醇，或简称5 一异螺旋甾烯3 b 醇，分子式为：c 2 7 h 4 2 0 3 ， 分子量为4 1 4 6 1 。皂素为白色针状晶体，熔点2 0 4 2 0 7 ，可溶于一般溶剂【1 8 - 2 2 1 。 皂素在植物体内是以薯蓣皂苷的配基的形式存在的，即在c 3 位和c 2 6 位通 过皂苷键与糖链相连进而与植物细胞壁紧密连接，皂素是特定的2 7 c 甾体皂苷 元，其结构特征是甾核上有单个双键5 和具有3 b o h ，与c 2 5 相连的c 2 7 甲基 为a 定向，即c 2 5 为r 构型。5 和具有3 b o h 的结构易引入4 3 酮用以制备妊 娠双烯醇酮酯，进而合成各种甾体抗炎药和女用口服避孕药。c 1 1 上可由霉菌氧 化引入羟基以生产各种皮质激素【2 3 1 。 薯蓣皂苷属甾体皂苷类，是一种针状晶体，熔点2 7 5 2 8 0 ，不溶于水，可 溶于乙醇、甲醇、乙酸等。其糖基通常为葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等 【1 9 - 2 3 】，在酸性溶液中皂苷c 3 位上的糖类会发生水解反应，生成皂素和各种碳链 糖分。 水解反应式及薯蓣皂苷和皂素结构如图1 2 。 图1 2 薯蓣皂苷的水解反应 5 西北大学博士学位论文 1 2 2 皂素的药理作用 由于皂素有很强的抗感染、抗过敏、抗病毒和抗休克的药理作用，在国内 外临床上广泛应用。不仅是治疗风湿病、心血管病、胶原性病症、淋巴白血病、 人体器官移植、抗肿瘤、细菌性脑炎、皮肤病及内分泌失调、老年性疾病和抢 救危重病症的必需的重要药物，而且在调节人体机能、防病抗衰老、调节脑神 经、减肥、补钙保健用品等改善人类生活质量方面及日用化学工业和养殖业方 面也都有广泛应用。 目前，皂素的最重要用途是作为合成甾体激素药及避孕药的主要原料。由于 皂素中a 、b 环处的5 烯3 醇结构很易转变为甾体药物所需的4 烯3 酮结构， 故常被用作 体抗生药( 如地塞米松、强的松等) 、性激素( 如黄体酮、睾酮等) 、 避孕药( 如炔诺酮、炔雌醇等) 的半合成原料【弘2 5 1 。甾体激素药物在医疗方面 常用于治疗风湿性关节炎、心脑血管疾病和红斑狼疮等疾病。在农业生产和畜牧 业中也广泛的应用于养蚕、调节植物生长和家畜的发情、分娩和诱导泌乳等。 近些年来，国内外也有许多有关皂素抗肿瘤作用的报道【2 4 。2 6 1 。北京中医药大 学在体外研究和动物试验中首次发现穿山龙抗肿瘤活性成分为皂素。试验研究表 明，皂素对口腔上皮癌细胞有明显的细胞毒作用，其抗肿瘤的作用机制基本清楚。 王三龙【2 7 】等从福州薯蓣的根茎中首次分离得到薯蓣皂苷的次皂苷元b ( p b ) ，并发 现p b 能够显著抑制多种人肿瘤细胞的增殖。陈声武【2 8 】等通过试验证明，皂素对 移植m g c 8 0 3 荷瘤裸鼠肿瘤生长均具有明显的抑制作用，并呈现出较好的量效 关系，平均抑瘤率可达4 4 9 6 4 5 。王丽娟【2 9 j 发现皂素对s 1 8 0 ，h e p a ，u 1 4 小鼠移植肿瘤具有抑制作用，抑制率在3 0 5 0 ，体外皂素对l 9 2 9 、h e h 、 m c f 肿瘤细胞株具有抑瘤作用，i c 5 0 分别为1 2 ，1 8 2 ，1 9 即g m l 1 ，皂素对 s 1 8 0 ，h e p a ，u 1 4 等小鼠移植肿瘤和l 9 2 9 ，h e l a ，m c f 肿瘤细胞株具有明显 抑制作用。 有关皂素抑制胆固醇吸收和治疗高胆固醇血症前人已有报道【3 0 ，3 1 1 。马海英【3 2 】 等的研究表明，皂素治疗高胆固醇血症时灌胃给药效果明显优于注射给药，预防 效果明显优于治疗效果，并提示皂素作用位点可能主要在肠道，通过抑制肠道胆 固醇吸收达到预防和治疗高胆固醇血症。同时，马海英【3 3 j 等的研究也表明：皂 素体外具有明显的抗血小板聚集作用，各剂量下均呈量效关系，以血小板最大凝 6 第一章绪 论 聚率计算血小板抑制率，皂素的绝对剂量是黄山药总皂苷剂量的1 8 。 在薯蓣皂苷作为农药方面，刘汉成【3 4 】等进行了杀灭湖北钉螺卵的试验研究。 采用药液浸泡法对不同发育阶段的螺卵细胞进行孵化阻滞试验。结果表明， 1 0 m l 药液浸泡4 8 h 对1 d 和5 d 卵龄螺卵具有良好的杀灭作用，杀灭1 d 卵 龄螺卵的有效率可达8 0 ，其l d 5 0 为1 0 2 8 m u 斜率b = 1 9 7 6 7 ) ，杀灭2 0 d 卵龄螺卵的有效率大于5 ，测定的生物效应与螺卵的卵龄呈负相关。糜留西【3 5 j 等进行小规模的现场灭螺试验，结果表明：浸杀和喷洒分别应用1 0 0 咖2 和 5 0 9 m 2 的药浓量，施药后7 d 活螺平均密度下降率均在9 0 以上，且有效地抑制 钉螺上爬，其结果与氯硝柳胺药效相当。 1 3 皂素产业国内外开发现状 黄姜是提取医药中间体一皂素的重要原料，而皂素生产及深度开发的目的 是合成甾体激素类药物。据专家介绍，半个多世纪以来，医药界取得的重大进 展有两个，其一是抗生素的发现和应用。其二是甾体激素的发现和应用。目前 全世界的甾体激素药物品种有皮质激素、性激素和蛋白同化激素三大类近3 0 0 种。在国内外临床医学、生活、日用化工等等方面广泛应用。 从国际市场看，甾体激素药物产业呈现很好的发展前景，自九十年代以来， 国际市场甾体激素药物销售额每年以8 1 0 的速度递增，目前已形成种类繁 多，临床应用广泛和需求旺盛的一大类甾体药物。据专家预测，甾体激素类药 物的需求量在未来2 0 年内将越来越大，每年欧洲将以5 2 、美国以4 4 、 亚洲以7 7 、非洲及南美洲以1 3 的需求量猛增【3 6 j 。 由于生产甾体激素类药物必须以皂素或甾醇作为基础原料。自从甾体激素 类药物发明以来，世界生产皂素或甾醇的方法主要有动植物提取法和化学合成 法。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， 而从动物脏器和血液中提取的皂素会导致肥胖和巨人症。目前只能从植物中提 取皂素和f 醇生产甾体激素药物，但利用甾醇生产甾体激素药物成本高于皂 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。而黄姜是目前生产甾体激素药物的最主要的药源植物。 我国自上世纪5 0 年代末丌始利用黄姜生产皂素和甾体激素类药物。经过几 十年的发展，由我国生产的激素类药物已有5 0 多种，仅次于抗生素药物的生 7 西北大学博士学位论文 产量，并且皂素出盈量也逐年递增。近年，皂素年产量约5 嘲l ，已经约占全 世界总产量的6 0 ，其中有躺直接出墨到美、德、法等1 2 0 多个国家和地区。 主要是因为中国黄姜的原料成本较低，使中国皂素在围际市场上很有竞争力， 其次是国外的黄姜最佳适生区不多，产区主要有墨西哥、新加坡、印度，而这 些图家近年来资源枯竭，产量逐年萎缩，为中国皂素出口提供了巨大潜力。 由于国内外对皂素的需求量持续旺盛，导致黄姜价格暴涨，刺激了采挖野生 黄姜的积极性，很多地方野生黄姜被掠夺式采挖，野生资源逐渐枯竭，致使大多 数的皂素厂家处于停产或半停产状态。为了扩大药源，我国爨上世纪6 0 年代开 始人工试种黄姜。两陕理省秦巴山区是黄姜种植的最佳天然环境之一，十分适宣 黄姜生长，人工种植的黄姜其皂素含量明显高于国内其它地区，所以这地域成 为我国黄姜的主要产区，这里常年种植黄姜面积就有6 0 万亩左右，占全国产量 的5 0 ，这些地区农民种姜收入约占人均纯收入的三分之一。 同时，仅陕西省就形成了大约有王o o 余家皂素生产企业，加工量占全国的 5 0 。进一步带动了当地黄姜种植业的发展，据统计陕南因种植和加工黄姜产 生的产值已达2 5 万元以上，因此黄姜的种植和皂素生产，已成为陕南三地市 经济的支柱产业之一。 但特别值得一提的是同其他天然药用活性成分产业发展一样，从2 0 0 4 年以 来，皂素由于受到供大于求关系的影响，价格从4 0 万吨跌至9 万吨，直至2 0 0 7 开始价格有所回升，目前为2 8 万吨，但仍处于发展的低谷阶段。 1 4 皂素的测定方法研究进展 由于皂素产业近5 0 年来的繁荣发展，针对薯预皂苷元的分析方法研究很多， 下面对几种主要的分析方法进行介绍。 1 4 。1 重量法【3 7 3 8 1 重量法是指将皂素烘干銎隆重蔟称重，样燕重量与原料绝对干重之毙为皂素 含量。由于皂紊有很强的亲脂性，故可用石油醚回流提取，提取液浓缩结晶褥到 皂素的白色晶体，反复重结晶后在1 0 5 干燥，称重，计算含量。该法原理简单， 设备要求不高，在皂素生产工厂中普遍采用。 8 第一章绪论 1 4 2 紫外分光光度法( u v ) 分光光度法是利用紫外分光光度计来测定皂素显色后溶液的吸光度，先根据 不同浓度的标准品溶液与吸光度之间的关系绘制出标准曲线，再将皂素提取物加 入显色剂显色后，在最大吸收波长下测定相应的吸光度值，最后根据标准曲线计 算出皂素的含量。 皂素可与强酸，如硫酸、高氯酸等作用显色，在一定波长处测取吸光度值来 测定含量。马敬中【3 9 】等以乙酸酐与浓h 2 s 0 4 以1 0 ：1 配比为显色剂，以c h c l 3 定容，显色温度为5 0 左右，显色时间4 0 m i n ，在4 6 0 n m 处测定样品溶液的吸 光度。王俊【删等采用高氯酸为显色剂，用石油醚定容，在4 1 0 n m 处测定样品溶 液的吸光度，效果很好。易自力【4 1 】以5 香兰素冰醋酸溶液与浓硫酸以1 ：1 作 显色剂，于8 0 水浴1 5 m i n 后用冷水冷却至室温，以冰醋酸定容，在4 6 0 n m 处 测定皂素的含量。任凤型4 2 】等以5 的香荚兰醛冰醋酸溶液与高氯酸溶液1 ：4 配 比为显色剂，以冰醋酸定容，在5 4 2n m 处测定吸光度。 紫外分光光度法定量分析皂素操作较简单，皂素从植物中提取后不需分离精 制便可直接测定，灵敏度高，重现性好，为目前研究皂素主要的试验室分析方法。 但在试验过程中要使用强酸性、氧化性等腐蚀性物质，给操作带来一定影响，所 以实际操作中应尽量保证安全和条件的一致性。 1 4 3 薄层扫描法( t l c ) 薄层扫描法也称薄层色谱法，是利用溶液各组分在固定相和展开剂中溶解能 力和被吸附能力的不同而将各组分分开。所测样品经合适的展开体系展开后，用 显色剂进行显色后扫描，得到的扫描峰面积对照标准品峰面积，计算出皂素的含 量。 谢如刚【4 3 】对皂素进行的薄层光密度法测定，展开剂为石油醚( 6 0 9 0 ) 乙 酸乙酯为( 4 ：1 ) ，浓硫酸喷雾，结果的误差较小，适合于含量较高的薯蓣皂苷元 成品的测定。刘玉珍【删等在测定蒺藜中皂素时，用氯仿乙酸乙酯( 9 ：1 ) 为展开 剂，茴香醛冰醋酸硫酸( 1 ：1 0 0 ：2 ) 为显色剂，h = 4 3 3n m ，h = 4 8 0n m ，进行薄 层扫描，结果呈良好的线性关系。魏永春【4 5 】等以v ( 石油醚) ：v ( 氯仿) ：v ( 甲醇) = 1 0 ：1 0 ：0 5 为展开剂，2 0 l 的磷钼酸无水乙醇溶液为显色剂，1 4 0 烘烤约 9 西北大学博士学位论文 5m i n ，用薄层扫描法测定黄姜中皂素的含量，方法准确可靠。 此法的优点是简单易行，但需使用统一定制的标准板或是自制固定相，薄板 易破损，不便保存，且受周围环境或温度影响较大，重现性不够理想。 1 4 4 气相色谱法( g c ) 气相色谱法是以气体为流动相的色谱分析法。由于气体粘度小，传质效率高， 渗透性强，故用气体作流动相能获得很高的柱效，配上高灵敏度的检测器，能实 现多组分复杂混合物的分离和分析。 陶莉【硐用气相色谱法对皂素进行了定性，并用红外光谱对照测定了皂素的 含量。由于皂素极性较大，所以对气相色谱分离受到柱温、固定相的限制。在此 试验中，选用柱温2 7 0 ，汽化3 3 0 。氮气流速5 0m l m i n 的色谱条件，皂素 能与杂质峰完全分离。k a t a r i n a a v i k i n 【4 7 】等用g c 法来测定皂素含量，并考察了 一些培养因素的影响。j o s 6 a c o n 6 sc o n c e p c i 6 n 【4 8 】采用g c m s 法测定了几种薯预 属植物中的皂素含量，并进行了比较。他采用的h p 6 8 9 0 型g c m s 系统，柱 子：d b s h t ( 3 0 m 0 1 2 0 m m ，0 1 毗m 厚) ，柱温按一定程序最高升温到3 2 0 ，进 样器3 0 0 ，质谱检测器3 5 0 。 气相色谱法( g c ) 因仪器价格昂贵，并使用气体作流动相，需要样品气化后才。 能在柱上分离分析，而皂素的沸点较高，所以g c 条件较为苛刻，在实际检测中 未得到广泛应用。 1 4 5 高效液相色谱法( h p l c ) 高效液相色谱法适合于高沸点、大分子、强极性和热稳定性差的化合物的分 离分析，现已被广泛应用于甾体化合物的分析中，其中关于皂素的测定也有不少 报道。由于皂素紫外吸收较弱，需要选择合适的流动相，根据流动相与固定相极 性大小的相对不同，高效液相色谱法可分为正相色谱和反相色谱法，二者均采用 紫外术端吸收波长进行检测，目前对皂素的测定多采用反相色谱法。 杨文远等【4 9 】以甲醇水( 9 5 ：5 ) 为流动相，波长为2 0 9 n m ，进样浓度在0 2 2 0 m m 时峰面积与进样浓度呈线性。都述虎等【5 0 】以纯甲醇为流动相，在c 1 8 柱 上测定了穿龙薯预中薯预皂苷元的含量。a d a ml e d w a r d 等【5 1 】利用r p h p l c m s 法测定了薯预属植物d i o s e o r e ab a t a t a s 中所含的皂素，并与d i o s c o r e a l l o s a 中 1 0 第一章绪 论 的含量进行了比较，结果表明二者相差不大。徐雄良等【5 2 】利用s h i m p a c k c l c o d s 色谱柱，紫外可见光检测器，流动相甲醇乙睛( 3 ：2 ) ，流速l m 蜘i n ， 检测波长2 0 6 n m ，柱温3 0 ，测定了穿山龙中皂素的含量。 尽管大部分报道都是以反相色谱法所测，但皂素的分子光谱仅在2 0 6n m 处 有一中等强度的吸收峰，而甲醇在2 0 8m 处吸收也较强，故测定的灵敏度低， 线性相对较差。要准确测定就需进行衍生化处理，但衍生化处理亦会使手续繁琐， 成本提高，且易引入误差。 赵景婵等【5 3 】使用正相h p l c 法时，固定相采用s h i m p a c kc l c s i l 色谱柱， 流动相为石油醚异丙醇( 9 8 ：2 ) ，检测波长为2 0 6n m ，线性范围和定量限为0 5 8 1 1 鳅g 时，分离效果较好。 由于皂素只有紫外末端吸收，故紫外检测的灵敏度不是很高，基线易漂移， 而视差折光检测器易受外界干扰，蒸发散射光检测器( e l s d ) 能克服前二者的不 足，其响应值只与样品的质量有关而与有无紫外吸收无关。e l s d 现已被用于 h p l c 法测定皂素含量，刘宏伟【5 4 】建立了利用蒸发散射光检测器测定荜薜总皂苷 水解后的皂素含量的高效液相色谱法。采用m i 曲t y s i lr p 一1 8g p 柱( 4 6m m 1 5 0 m m l ；流动相为甲醇，流速1 m u m i n ；柱温为常温；其他条件为：蒸发散射光检 测器，漂移管温度为9 0 0 ，载气流速为3 0 m i n 。唐晓清【5 5 j 利用h p l c e l s d 法对麦冬中鲁斯可皂苷元和皂素进行了分离分析研究。色谱条件：色谱柱：l t e c h v e r s a p 破c 1 8 ( 4 6 m m 2 5 0 m m ，1 毗m ) ；流动相：甲醇水( 8 8 ：1 2 ) ；流速： 1 o m i m i n 。h p l c e l s d 测定过程中排除了用u v 检测器时的溶剂干扰，大大提 高了分离效果，结果表明，蒸发光散射检测器( e l s d ) 对皂素的测定具有良好的 稳定性、较高的灵敏度和重现性。 采用h p l c 进行分析检测准确可靠，但是常用的紫外检测器对在紫外末端有 吸收的皂素的测定不够理想，而蒸发光散射检测器( e l s d ) 设备价格昂贵，目前 使用的较少。并且h p l c 在分析实际样品时，所涉及的操作和分离条件很多，对 同一样品可以选择多种条件进行分析，甚至一些文献中实际样品分离条件的重复 也较困难，故要掌握h p l c 分离分析的基本原理，并根据实际条件进行适当操作， 才可获得满意的测定结果。 此外，薯蓣皂苷元的含量测定方法还有库仑滴定法【5 6 】、光密度计法、红外光 西北大学博士学位论文 谱法、旋光法【5 7 】等，但这些方法操作较繁琐，精密度和准确度欠佳，故未得到 普遍使用。 本文中列出的各种方法也各有其优缺点，应根据试验目的、要求及实际条件 来选择适用的方法。亦可将各方法进行比较、结合使用。 1 5 皂素提取工艺研究进展 1 5 1 传统生产工艺 经过在陕西安康和商洛等地调研，目前大多数皂素生产厂家仍然采用的是传 统工艺，主要是通过发酵酸解提取工艺生产皂素。根据黄姜中的薯蓣皂苷在酸 性溶液中其c 3 位上的糖类会发生水解反应，生成皂素和各种碳链糖分，同时植 物中9 0 以上的纤维素和淀粉也会水解转变为单糖、低聚糖和高聚糖等糖类， 未水解的木质素和纤维素变为废渣。游离出来的皂素，利用它不溶于水而溶于有 机溶剂的性质，用丙酮、石油醚、以及汽油等有机溶剂可把它萃取出来。其工艺 流程如图1 3 所示。 原 料 水酸水 溶剂 繁案 鐾 图1 3 皂素传统工艺生产流程图 皂 素 将原料经水浸、粉碎、预发酵后，加盐酸或硫酸水解。将水解物过滤，废 液被分离，滤出物为不溶于水的木质素和皂素。将滤出物漂洗、粉碎、烘干后， 以汽油提取，提取液经蒸发浓缩，皂素结晶析出。经过滤，皂素与溶剂分离。溶 剂回收循环利用，皂素经烘干包装成产品。 该工艺目前应用于工业生产主要存在三大不足，第一是生产中产生大量废 水和废渣，排放后环境污染的问题严重。第二，皂素的收率较低，主要是因为： ( 1 ) 黄姜原料全部参与水解，薯蓣皂苷被严密的植物组织包裹，干扰了薯蓣皂 1 2 第一章绪 论 苷的水解。( 2 ) 是c 3 位上结合的歧链糖基产生了位阻，使水解不完全。( 3 ) 是 薯蓣皂苷在黄姜细胞中与细胞壁贴合较紧，对酸相对稳定，很难水解。第三，对 黄姜中的其他成分，如4 0 的淀粉和5 0 的纤维素没有经济有效的利用起来， 致使造成严重的资源浪费和环境污染。 1 5 2 副产白酒资源化工艺 据现场调研，旬阳生物化工总厂先利用黄姜中的淀粉发酵蒸酒，然后剩余部 分制各皂素。具体步骤为：鲜姜清洗、粉碎后，加入酶制剂进行一次和二次糖化， 糖化后的浆液加入酵母菌进行发酵、蒸馏后得到白酒，糖化渣水解、水洗、烘干 后提取皂素。该厂利用黄姜中的淀粉制酒，提高了原料利用率，成本较低，生产 条件温和，是资源化利用的有效途径之一。应用该工艺，1 t 黄姜用水约2 t ，比传 统工艺节水4 t ，水解物中皂素的含量是传统工艺的2 倍，相应的蒸汽和汽油用量 比传统工艺减少1 2 。但是由于该厂生产的白酒中甲醇含量较高，目前处于停产 阶段。 1 5 3 酶解法 人们发现在水解前自然发酵、或加入纤维素酶、果胶酶、苦杏仁酶和葡萄糖 苷酶以及植物生长激素2 ，4 ，5 三氯苯氧乙酸、吲哚3 乙酸等可提高皂素收率， 如佟玲等【5 8 】先用糖化酶或液体曲发酵盾叶薯蓣根茎，再进行水解，可以比传统 工艺使皂素的收率提高2 8 8 ；李国刮5 9 】等将原料加水浸泡后，捣碎机捣碎过 4 0 目筛子，分离上清液，下层沉浆中加入淀粉酶，4 5 酶解1 2 h ，皂素的收率可 提高3 5 。4 。赵书申用黑曲霉菌株对盾叶薯蓣根茎发酵，也可使得皂素的收率 得到提高。近年来，利用酶发酵和酸水解配合使用的方法也取得了一定的效果， 周振起【6 1 】将植物药材浸泡后带水磨碎，分离后再用酶制剂作用，皂素收率比传 统方法提高5 0 以上，并得到羧甲基纤维素、穿龙冠心宁和干酵母粉三种副产 物。 1 5 4 溶剂萃取法 周雯研列6 2 】表明，将原料粉碎、浸渍发酵磨浆，去除纤维索，残渣用盐酸 丙酮( 1 ：5 ) 混合直接酸解后萃取，萃取液再经水解，然后加入冷水，得白色沉淀 1 3 西北大学博士学位论文 物，丙酮重结晶得细针状皂素结晶。王俊等【6 3 】采用水解原位萃取法，以含约 1 5 m o l l - 1 硫酸的7 5 异丙醇水溶液在沸水浴中加热回流提取4 5h ，然后以石油 醚多次液液萃取得到薯蓣皂苷元。 这两种溶剂萃取工艺均可节约物料，缩短工艺过程，但对资源的综合利用不 足，且在实际生产中的应用未见报道。本文通过重复试验证明，这些混合方法水 解环节的条件比较难控制，容易使水解进行不彻底，因而皂素收率较低。 1 5 5 超临界提取法 葛发欢m6 5 】研究了超临界c 0 2 流体萃取法( s f e c 0 2 ) 萃取皂素的工艺， 该研究主要探讨了萃取压力、温度、时间以及流量、夹带剂、分离条件等对收率 的相互作用关系，得到的超临界c 0 2 萃取皂素的最佳条件为：萃取压力2 9 m p a ， 温度5 5 ；分离i 压力为1 0m p a ，温度6 0 ；分离i i 压力为5 6 m p a ，温度4 5 ； 分离柱压力为1 8 m p a ，温度为7 0 ；c 0 2 流量为1 2 k g ( k g 原料h ) ；萃取时间 3 h ；夹带剂为药用酒精。该研究同时还进行了超临界c 0 2 萃取皂素的中试放大， 并和传统汽油法进行比较。研究结果表明超临界c 0 2 萃取方法比汽油法优越， 表现在收率高、提取时间短等方面，两种方法成本相差不大。 超临界流体技术来提取皂素，具有选择性好、提取率高等特点，避免了有机 溶剂易燃易爆的缺点，但是设备及工艺技术要求高，投资比较大，而且此工艺只 是对皂素的提取工艺进行了改进，而在水解工段却没有进行改变，所以其存在本 身所固有的缺陷，那就是对黄姜中其他成分没有综合利用，没有解决酸水解带来 的环境污染问题。 目前，对从黄姜中提取皂素的工艺方面进行的研究很多，一些通过资源化利 用途径解决废水问题的新工艺在技术上很有特点，都具有深入研究开发的必要。 其关键是看哪一种工艺能尽快在技术上达到工业化，在经济上能达到以治理三废 养活三废甚至可创造出一定的经济效益，在环境方面完全可达到国家要求的排放 标准。尽管人们一直在致力于这些资源化的工艺的研究，遗憾的是在这一领域还 存在着这样或那样的问题，截止目前还没有一套先进合理的、经济效益明显的资 源化成熟技术应用于实际的工业生产。虽然部分科研院所和企业已经开始探索和 实施资源化综合利用的道路，取得了一定的效果，但黄姜综合利用的整体技术尚 1 4 第一章绪 论 存在不足，研究进展的力度、研究步伐、资金投资等仍有不尽人意之处。因此， 尽快加速研究步伐，建立示范工程，并在全国范围推广此类技术是十分必要和迫 切的。 1 6 皂素生产中的环境污染及治理现状 目前在黄姜产业蓬勃发展的同时，黄姜开发利用却仍处于初加工阶段，传 统生产工艺的一些缺点也暴露出来。一是技术没有大的突破，皂素生产厂家主 要延用自然发酵、盐酸水解，溶剂汽油萃取的生产工艺。该工艺水解环节会产 生出大量的酸性废水，大多都数被直接排入河道，造成了严重的环境污染。二 是加工链条太短，产品单一，增值空间比较小。三是黄姜原料没有综合利用， 尤其是传统工艺中占黄姜4 0 的淀粉和5 0 的纤维素被直接水解掉，产生的大 量的酸性废水不仅污染了环境，而且综合经济效益也不高。 其中最为严重的是环境污染问题，随着近年来人们环保意识的增强，黄姜加 工企业的污水污染问题成为社会关注的焦点，致使黄姜加工污染问题十分突出。 现场监测结果表明：皂素生产废水属强酸性、高浓度废水，其中主要污染物是盐 酸或硫酸、葡萄糖、鼠李糖【6 6 】。据统计平均生产1 t 皂素将排放近1 0 0 0 t 左右的 废水，消耗浓硫酸7 8 t 或盐酸1 5 2 0 t ，1 2 0 汽油6 7 t ，该类废水的b o d 5 约 为8 0 0 0 m l ，c o d 高达2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 m g l ，而且废水中富含大量的变性色素 和胶质，处理过程中泡沫极大，消除十分困难【6 7 “8 1 。 由于治污工艺运行成本高且难达标，许多企业难以承受，国内废水处理达标 的皂素生产企业较少，甚至部分生产企业对废水不作处理直接排放，将剩余的固 体废渣随意堆积，因此造成资源浪费和环境污染。以秦巴山区为例，每年排放废 水就达3 0 0 多万吨，其中仅汉中地区的3 8 家皂素企业年排放废水就达1 0 0 多万 吨以上，而且汉中地区目前只有1 1 家皂素企业通过了废水治理达标验收，1 0 余 家企业j 下在进行试运行，还有1 0 多家企业根本没有污染处理设施，产生的废水 直接排入汉江。还有一些企业为了解决废水污染问题，也投入了大量的精力和资 金，但收效甚微。 这些污染物源源不断地注入汉江、丹江，严重破坏了当地的生态环境。近几 年以来随着南水北调这一世纪工程的实施，国家对环境监控和管理力度加大，一 些皂素厂由于污染严重已被陆续关闭。以陕南的旬阳县为例，全县共有皂素企业 西北大学博士学位论文 1 3 家，目前就有5 家企业停产整改。还有一些企业索性放弃水解工段的生产， 把主要精力投入在提取工段以及皂素的下游产品开发上。例如皂素产量在汉中排 在第一位的城固振华生物科技有限责任公司，已将年处理8 0 0 t 鲜姜的水解车间 关闭，目前提取工段所需的水解物主要靠外购而来。 黄姜价格下跌，企业效益下滑，环境污染三大问题困扰着黄姜初加工企业， 决定着企业的生死存亡，也严重影响了黄姜产业的健康发展。 针对黄姜加工所面临的困境，温家宝总理2 0 0 5 年5 月份在国内动态清样 ( 1 2 6 1 期) 上针对黄姜种植加工业的污染问题曾经批示陕西省：“要及早改进黄姜 加工工艺，实现清洁生产，保护南水北调水源地不受污染”。这个批示为陕西省 省乃至全国黄姜种植加工业发展指明了路子，为黄姜提取皂素加工产业指明了发 展方向，即必须从综合利用和清洁生产的角度，积极主动地解决污染问题，才能 使该产业进入可持续发展的轨道，更好地解决经济发展、扶贫和环境保护等多方 面问题。 1 7 本课题的研究目的和意义 1 7 1 本课题研究的意义 如前所述，皂素是合成肾上腺皮质激素类药物的重要原料，种植黄姜以及从 黄姜提取医药中间体皂素，一直是全国部分山区人民经济收入的重要来源之一。 以陕西省秦巴山区为例，据统计在陕南黄姜种植户每亩地每年可收入2 0 0 0 多元， 在该地区已形成了大约1 0 0 多个具有一定规模的黄姜生产皂素企业。陕南因种植 和加工黄姜形成的产值已达2 5 0 0 万元以上，因此黄姜的种植和深加工产业已成 为陕南地区几十万农民脱贫致富的重要途径之一，已成为陕南三地市经济的支柱 产业之一。 但是，皂素生产中的三废污染问题已成为制约皂素工业发展的致命原因之 一，成为当前必须尽快解决的一个重大难题。秦巴山区的陕南地区j 下好位于南水 北调中线工程的水源汉江上游，皂素厂家每天排出大量的废水源源不断地注入丹 江、汉江，已直接影响到即将实施的南水北调这一世纪工程的顺利进行。因此尽 快开发出一些技术含量高、环境效益好、经济效益显著的黄姜生产皂素资源化综 合利用技术就显得十分必要和迫切。 1 6 第一章绪 论 综上所述，本课题研究符合国家西部开发战略决策和技术政策；在技术和理 论上的实施和突破，对淀粉分离和药用植物资源化综合利用等相关领域具有一定 的借鉴和启示；对黄姜种植和加工企业具有良好的经济效益，对国家社会具有明 显的环境效益。 本课题先后列为陕西省科技厅重点攻关项目( 0 4 k 0 9 g 1 5 ) ，陕西省教育厅 重大产业化项目( 0 4 j c 0 3 ) 和西安市工业攻关项目( g g 0 5 0 8 3 ) ；同时获得了2 0 0 6 年教育部博士点专项基金( 2 0 0 6 0 6 9 7 0 2 0 ) ；此外该课题还得到了陕西省旬阳县 恒源生物化工有限公司、陕西省旬阳神宝科技有限公司、陕西省城固振华生物科 技有限公司及杨凌尚禾植物科技产业有限公司等诸多皂素生产企业的支持和协 助。 1 7 2 本课题研究目标及内容 本研究重点针对传统皂素生产工艺产生大量酸性废水和废渣造成严重环境 污染的现实，从产生这些问题的根本原因出发，从源头上减少皂素生产过程中产 生的高浓度有机废水及废渣，实现皂素的清洁生产，达到通过对黄姜的综合利用 产生的利润平衡皂素生产治理污染的投资及运行费用，甚至可产生一定经济效益 这一目标。主要研究内容如下： ( 1 ) 重点通过对黄姜中分离淀粉且不损失皂素的过程的探讨，研究从黄姜 预分淀粉、经水解和提取制备皂素的新工艺路线，寻求该工艺过程优化的工艺路 线和操作参数；在此基础上，研究纤维素和皂素分离的规律，并探索黄姜中同时 预分淀粉和纤维素制备皂素的组合工艺路线及优化工艺参数。通过试验过程探讨 并结合植物细胞和组织相关理论，研究薯蓣皂苷在黄姜中与淀粉、纤维素的结合 规律和分离原理。 ( 2 ) 在试验室研究成功的基础上，对以上两种工艺进行分析对比，对具有 工业化前景的路线进行工业化应用验证试验，解决工业化放大过程中一些难题， 为该技术推向工业生产、建立示范工程提供可靠的依据。 ( 3 ) 对黄姜资源化产品淀粉和纤维素进行微观形态、晶体结构和热性能等 的表征和分析；测定黄姜淀粉中的营养元素和矿物质，进行营养价值评价和食品 毒理学安全性评价。 ( 4 ) 根据目前皂素生产中产生的废渣和废水中有机质含