（环境工程专业论文）从黄姜中提取皂苷元的清洁生产研究.pdf

摘要 摘要 从黄姜中提取薯蓣皂苷元的产业对水源的污染已成为人民群众的关注热点。因此， 有必要对皂苷元的清洁生产及其污水的处理进行研究。本课题也是企业委托项目的一部 分，通过实验研究，可以为皂苷元的清洁生产部分工艺及污水处理及其资源化提供较优 的工艺条件和理论依据，从而实现节约资源、废物资源化以及减轻环境污染的目的。 主要研究了两部分内容。一部分内容是分别用硫酸溶液和盐酸溶液作为催化剂水解 黄姜提取皂苷元，并研究不同浓度酸溶液和不同用量酸溶液的实验效果；重点研究了水 解液的循环利用的效果和可行性。另一部分内容是利用酵母菌处理黄姜水解液并生产单 细胞蛋白( s c p ) 的研究。以硫酸法黄姜水解液为培养液，从热带假丝酵母、白地霉 a s 2 1 0 3 5 ，白地霉a s 2 6 1 6 三个菌种中筛选出最佳菌种白地霉a s 2 1 0 3 5 。研究利用最 佳菌种分别处理硫酸法水解液和盐酸法水解液并生产单细胞蛋白的最佳工艺条件和处 理污水的最佳c o d c r 范围。 实验研究表明：循环利用水解液是可行的，而且每水解1 t 绝干黄姜可节省硫酸 ( 9 8 ，1 8 4 9 c i i l 3 ) 0 2 5 8 m 3 或节省0 3 3 7 m 3 盐酸( 3 6 ，1 1 7 8 9 9 c m 3 ) ，少排放污水5 5 m 3 或3 5 m 3 ，减轻污染。在最佳条件下，利用最佳菌种能够有效处理硫酸法水解液，c o d c r 去除率是5 9 6 3 ，b o d 5 去除率5 3 1 3 ，色度去除率7 8 3 3 ，s c p 产率是1 0 8 8 9 l 1 ； 而且，处理污水的c o d c r 范围较宽。利用最佳菌种处理盐酸法水解液的效果一般，但 s c p 产率可达1 3 9 6 9 l - 1 。利用酵母菌处理黄姜水解液，不仅降低了水解液的污染负荷， 还生产了s c p ，如应用于工业生产，可以取得良好的环境效益和经济效益。 关键词：黄姜，薯蓣皂苷元，清洁生产，水解液，酵母菌，单细胞蛋白 卜 j a b s t r a c t 一一_ - - 一 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o no fe x t r a c t i n gd i o s g e n i nf r o md 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 i n d u s t r yt of o u n t a i nh a sa r o s et op e o p l e sa t t e n t i o n i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c hf o rd i o s g e n i n c l e a np r o d u c t i o na n ds e w a g et r e a t m e n t t h er e s e a r c hi sap a r to fi t e me n t r u s t e db yc o r p o r a t i o n ， i tc a np r o v i d eo p t i m u mp a r t so fp r o c e s sc o n d i t i o n so fc l e a np r o d u c t i o na n dt h e o r yb a s e t h e r e b vc a r r yo u tt h ea i mt h a ts a v er e s o u r c ea n dg e tw a s t er e s o u r c ea n dl i g h t e ne n v i r o n m e n t p o l l u t i o n t h ef i r s t p a r to fi n t e n t i o no f r e s e a r c hi s d i o s g e n i nc l e a np r o d u c t i o n s u l f u r i ca c i d s o l u t i o na n dh y d r o c h l o r i ca c i ds o l u t i o na r eu s e dr e s p e c t i v e l ya sc a t a l y z e rt oh y d r o l y z e d 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 de x t r a c td i o s g e n i n t h ee x p e r i m e n t se f f e c t s o f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o na n dd o s a g ea c i ds o l u t i o na r es t u d i e d a n ds t u d i e sm a i n l yh y d r o l y t i c l i q u o r ，sc y c l eu t i l i z e t h eo t h e rp a r to fr e s e a r c hi sh y d r o l y t i cl i q u o rt r e a t m e n ta n ds i n g l ec e l l p r o t e i np r o d u c t i o nb yy e a s t s u l f u r i ca c i dh y d r o l y t i cl i q u o r i su s e da sc u l t u r el i q u i dt oc h o o s e g e o t r i c h u mc a n d i d u ml i n ka s2 1 0 3 5a st h eo p t i m a ly e a s t s u l f u r i ca c i dh y d r o l y t i cl i q u o r a n dh y d r o c h l o r i ca c i dh y d r o l y t i cl i q u o ra r et r e a t e dr e s p e c t i v e l y , s i n g l ec e l lp r o t e i ni sp r o d u c e d b vt h eo p t i m a ly e a s ta n dt h eb e s tr a n g eo fs e w a g ec o d o a sw e l la s r e s e a r c hi n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l et oc y c l eu t i l i z eh y d r o l y t i cl i q u o rf o rs a v i n g0 2 5 8 m s u l f i l r i ca c i d ( 9 8 ，1 8 4 9 c m 3 ) o r0 3 3 7 m 3h y d r o c h l o r i ca c i d ( 3 6 ，1 1 7 8 9 9 。c m 3 ) t o h y d r o l y s i s 1t o n d r yr e s o u r c e r e d u c eb y5 5 m 3 0 r 3 5 m 3s e w a g e ，t h e r e f o r e ，l i g h t e n e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h eo p t i m a ly e a s tc l e a n s ea v a i l a b l ys u l f u r i ca c i dh y d r o l y t i cl i q u o r ： c o d c rr e m o v a lr a t i oi s5 9 6 3 ，b o d 5r e m o v a lr a t i o5 3 1 3 a n ds c py i e l di s1 0 8 8 9 u 1 ； h o w e v e r , t h ee f f e c to fc l e a n s i n gh y d r o c h l o r i ca c i dh y d r o l y t i cl i q u o ri sg e n e r i c ；b u ti th a sg o o d s i n g l ec e l lp r o t e i ny i e l do f1 3 9 6 9 l - 1 t h ep r o c e s sc a nc l e a n s eh y d r o l y t i cl i q u o rb u ta l s o p r o d u c es i n g l ec e l lp r o t e i nb yt h ey e a s t i tc a ng e t e n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i t i ft h et e c h n o l o g yu s e di ni n d u s t r y k e y w o r d s ：d i o s c o r e az i n g i b e r e n s isc h y d r o i y t i c ii q u o r y e a s t ，s i n g i ec e i h w ri g h t 。d i o s g e n i n ，c i e a np r o d u c t i o n ， i p r o t e i n i l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 从黄姜中提取皂苷元的研究与应用1 1 1 1 黄姜的生物特点与分布1 1 1 1 1 黄姜的生物特点1 1 1 1 2 黄姜的分布l 1 1 2 薯蓣皂苷、薯蓣皂苷元的理化性质及其用途2 1 1 2 1 薯蓣皂苷的理化性质2 1 1 2 2 薯蓣皂苷元的理化性质、用途4 1 1 3 皂苷元产业概况4 1 1 4 皂苷元的国内外研究与进展5 1 1 4 1 提取皂苷元的工艺研究5 1 1 4 2 提取皂苷元过程中的综合利用7 1 1 4 3 皂苷元的检测分析研究8 1 1 4 4 存在问题与展望1 0 1 2 处理皂苷元生产污水及生产单细胞蛋白的研究应用1 0 1 2 1 皂苷元生产污水的水质特点1 0 1 2 2 皂苷元生产污水的处理方法研究1 1 1 2 2 1 物理化学法1 1 1 2 2 2 生物化学法1 1 1 2 2 3 综合处理法1 2 1 2 3 国内外关于单细胞蛋白的研究与应用1 2 1 2 3 1 单细胞蛋白的起源和特点1 2 1 2 3 2 生产s c p 的微生物和生产方法1 3 1 2 3 3 国内外对s c p 的研究1 3 1 2 3 4s c p 的应用1 5 1 3 研究目的和意义1 5 1 4 研究内容和创新1 6 i l i 目录 1 4 1 提取皂苷元的水解方法研究1 6 1 4 2 处理黄姜水解液并生产s c p 的研究1 6 1 4 3 创新1 6 第二章黄姜的水解方法研究1 7 2 1 实验1 7 2 1 1 原料1 7 2 1 2 仪器设备1 7 2 1 3 药品1 8 2 1 4 实验流程1 8 2 1 5 检i 9 1 0 1 8 2 2 结果与讨论1 9 2 2 1 硫酸溶液水解黄姜的工艺研究1 9 2 2 1 1 硫酸溶液浓度的影响1 9 2 2 1 2 硫酸溶液用量的影响2 0 2 2 1 3 硫酸溶液水解黄姜再现实验2 1 2 2 1 4 硫酸法水解液的循环利用2 2 2 2 2 盐酸溶液水解黄姜的工艺研究2 3 2 2 2 1 盐酸溶液浓度的影响2 4 2 2 2 2 盐酸溶液用量的影响2 4 2 2 2 3 盐酸溶液水解黄姜再现实验2 5 2 2 2 4 盐酸法水解液的循环利用2 6 2 3 结论2 8 第三章处理黄姜水解液及生产s c p 研究2 9 3 1 实验2 9 原料 1 硫酸法黄姜水解液 2 盐酸法黄姜水解液 培养基 药品 仪器设备 菌种 2 9 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 r 目录 3 1 6 菌种生长曲线的确定3 1 3 1 7 步骤方法3 2 3 1 8 检测3 2 3 2 结果与讨论3 3 3 2 1 处理硫酸法黄姜水解液及生产s c p 的研究o o ooo 60 3 3 3 2 1 1 筛选最佳菌种3 3 3 2 1 2 摇床转速的选择4 0 3 2 1 3 最佳调控条件的确定4 1 3 2 1 4 营养盐( 源) 及其用量的影响4 4 3 2 1 5 营养盐( 源) 影响的再现实验4 9 3 2 1 6 最佳工艺条件的经济评价5 0 3 2 1 7 硫酸法水解液的最佳c o d c r 范围选择5 0 3 2 2 处理盐酸法水解液及生产s c p 的研究5 1 3 2 2 1 盐酸法水解液的灭菌与不灭菌比较5 1 3 2 2 2 处理盐酸法水解液的摇床转速选择o oooq i 5 2 3 2 2 3 盐酸法水解液处理的调控条件优化5 3 3 2 2 4 营养盐( 源) 及其用量的选择5 5 3 2 2 5 营养盐( 源) 影响的再现实验5 9 3 2 2 6 处理盐酸法水解液的最佳工艺条件的经济评价0 000 6 0 3 2 2 6 盐酸法水解液的c o d c r 范围选择6 0 3 3 结论6 1 参考文献6 2 致谢6 7 附录6 8 v 第一章绪论 第一章绪论 从人工种植黄姜中提取薯蓣皂苷元( 皂素) 是最近十余年发展起来的产业。皂苷元 是医药化工的重要原料，其生产工艺的研究进展及其污染环境问题引起了人们的重视。 1 1 从黄姜中提取皂苷元的研究与应用 1 1 1 黄姜的生物特点与分布 1 1 1 1 黄姜的生物特点 黄姜( 又叫火头根) ，学名盾叶薯蓣( d i o s c o r e az i n g i b e r e n s i sc h w r i g l l t ) ，是薯 蓣科、薯蓣属( d i o s c r e a l ) 野生草质藤本植物，为我国特有品种n 2 1 。黄姜是多年生 缠绕草本，有地下块茎，缠绕茎可长达2 米以上，蒴果三棱状球形，具种翅；带果的薯 蓣雌株，垂悬的果序，果反折。单叶互生，盾形，叶面常有不规则块状的黄白斑纹，边 缘浅波状，基部心形或截形；花雌雄异株或同株；雄花序穗状，雄花2 3 朵簇生，花被 紫红色，雄蕊6 支；雌花序总状穗状。蒴果干燥后蓝黑色，种子栗褐色，四周围以薄膜 状翅。花期5 - - - 8 月。根茎类圆柱形，常具不规则分枝，分枝长短不一，直径1 5 - - 3 c m ， 表面褐色，粗糙，有明显纵皱纹和白色圆点状根痕，质较硬，粉质，断面桔黄色，味 苦。它的块茎中含有一定量的薯蓣皂苷( d i o s c i n ) ( 包括水溶性皂苷和水不溶性皂苷1 ) 及其水解物薯蓣皂苷元( d i o s g e n i n ) 。现代医药研究表明：盾叶薯蓣根状茎不但含有丰富 的淀粉、蛋白质、无机盐、皂苷、多种维生素和多种纤维素，还有胆碱、粘液质、糖蛋 白、自由氨基酸、多酚氧化酶等成分，具有健脾、补肺、固肾、益精等功效h 1 。 黄姜为半阳性植物，需要满足其光照，全年日照数需1 7 5 0 - 2 0 0 0 d 、时，平均每天日 照5 小时左右。黄姜较喜温暖环境，不耐严寒，最适宜生长气温为2 0 - - 2 5 ；皂苷元 合成与积累的最适年降水量为8 5 0 m m ，黄姜采用种子繁殖和根茎繁殖呻1 。 1 1 1 2 黄姜的分布 世界上薯蓣科植物共9 属，约6 5 0 种，分布于全球的热带和温带，我国和墨西哥为主产 国。我国有1 属约6 0 余种，含薯蓣皂苷元的根状茎植物有1 7 种、1 亚种、3 变种。在我国， 第一章绪论 黄姜的生长范围较广，从海拔1 0 0 10 0 0 米以上均有分布，一般划分为两个区：i 秦岭巴 山地区武当山区，此处植被是我国亚热带常绿林一落叶阔叶混交林地带。西南中 南区，从云南西北部的国界线向东延伸至湖南部分地区，该范围植被类型多为亚热带山 地酸性黄壤常绿阔叶树一落叶阔叶树混交林及亚热带常绿阔叶林。黄姜垂直分布在海拔 1 0 0 15 0 0 米的河谷、山地、落叶阔叶混交林的边缘或稀疏的常绿灌木林内。黄姜主要 生长于我国汉江流域上游的武当山脉至秦岭南麓。我国湖北西北部的武当山地区和陕西 东南部的安康、石泉一带分布的黄姜所含皂苷元较高嘲。 1 1 2 薯蓣皂苷、薯蓣皂苷元的理化性质及其用途 1 1 2 1 薯蓣皂苷的理化性质 薯蓣皂苷是针状结晶，熔点在2 7 5 2 8 0 之间，不溶于水，可溶于酒精、甲醇等有 机溶剂；属于甾体皂苷，由甾体母核和2 个鼠李糖、1 个葡萄糖结合在一起，分子式 c 2 7 h 4 2 0 3 ，分子量4 1 4 6 ，在合适的水解条件下可水解成薯蓣皂苷元1 。其水解反应及薯 蓣皂苷和薯蓣皂营元的结构式如图1 - 1 所示n 0 1 。 h 图1 - 1 薯蓣皂苷的水解反应 f i g1 - 1h y d r o i y t i cr e a c t i o no fd i o s c i n 图卜1 所示的反应属于苷键的酸催化水解反应，其反应机理是苷键原子先被质子化， 然后苷键断裂形成糖基正离子或半椅型的中问体，该中间体再与水结合形成糖，并释放 2 第一章绪论 催化剂质子。苷键为半缩醛( 酮) 结构，对酸不稳定，易被酸催化水解。酸催化水解常 用的试剂是水或稀醇，常用的催化剂是稀盐酸、稀硫酸、乙酸、甲酸等。以葡萄糖氧苷 为例，反应机理如图1 2 所示。 + r ：基q 基 + r o h ：坚2 旦 - h 2 0 图1 - 2 酸催化水解反应机理 f i g1 - 2 a c i dc a t a l y s i sh y d r o i y t i cr e a c t i o l 3 m e c h a n i s m 户0 ( ) b o i l + i i + u i 从酸催化水解反应机理可以看出凡有利于苷键原子质子化和中间体形成的一切因 素均有利于苷键的水解。通常苷水解的难易程度有以下规律川： ( 1 ) 在形成苷键的n 、o 、s 、c 四个原子中，n 的碱性最强，最易质子化。碳上无共 用电子时几乎无碱性，最难质子化。它们水解的难易程度是c 苷 s 苷 o 苷 n 苷。 ( 2 ) 氮原子虽然碱性较强，易于质子化，但当氮原子在酰胺或嘧啶环上时，由于受到 强烈的p p 共轭效应和诱导效应的影响，氮几乎没有碱性，甚至在酰亚胺中还有一定酸 性，因此这类苷很难水解。 ( 3 ) 由于五元呋喃环是平面结构，各取代基处于重叠位置，比较拥挤，酸水解时形成 的中间体使拥挤状态有所改善，环的张力减少，故呋哺糖苷较吡喃糖苷的水解速率大 5 0 1 0 0 倍。所以在多糖水解时最易水解的是果糖。 ( 4 )由于酮糖多数为呋喃糖，而且在端基上又增加了一个c h 2 0 h 大基团，更增加了 呋喃环的拥挤状况，故酮糖较醛糖易水解。 ( 5 ) 在吡喃糖苷中由于c 5 上r 会对质子进攻苷键造成一定位阻，故r 越大越难水解。 其水解的难易程度是糖醛酸 七碳糖 六碳糖 甲基五碳糖 五碳糖。 ( 6 ) 当苷元为小基团时，由于横键上的原子易于质子化，所以横键苷键比竖键的容易 水解。当苷元为大基团时，其空间因素占主导地位，苷元的脱去有利于中间体的稳定， 故竖键的苷键比横键苷键容易水解。 在酸水解过程中，值得注意的问题是常有副反应发生，一是若用盐酸水解则有可能 发生羟基氯代，故有人建议最好用硫酸。二是薯蓣皂苷元易脱水转变为3 ， 3 第一章绪论 5 - d e o x y t i g o g e n i n ，其所得量可随酸的浓度、供试品稀释程度增加而增加，而且苷比苷元 更容易形成脱水产物n 刀。此外，还可发生2 5 s 转2 5 r 构型的差向异构化，产生c 2 5 e p i m e r 及f 环开环的化合物等，因此要注意控制好水解条件n 引。 1 1 2 2 薯蓣皂苷元的理化性质、用途 薯蓣皂苷元( 又叫皂苷元) 是异螺旋甾烷的衍生物，化学名为5 2 0 b f 、2 2 a f 、 2 5 a f 螺旋甾烯_ 3 b 一醇，或简称x 5 一异螺旋甾烯- 3 b - 醇，白色粉末，熔点2 0 8 ，( a ) d 1 2 9 。( 氯仿) ，可溶于一般有机溶剂m 。皂苷元在植物体内是以薯蓣皂苷的配基形式存在的， 即在c 3 和c 2 6 位通过皂苷键与糖链相连，进而与细胞壁紧密连接。薯蓣皂苷元是特定的 2 7 c 甾体皂苷元，其结构特征是甾核上由单个双键5 和3 b o h ，与c 2 5 相连的c 2 7 甲基 为a 定向，即c 2 5 构型为r 构型n 驯。该化合物具有降血脂、抗菌和消炎等作用，它是合 成甾体激素类药物的重要医药化工原料。皂苷元刺激肝素细胞生长与调控胆汁分泌等作 用d s - i e ，是目前备受关注的天然药物之一。皂苷元还具有去脂、延缓衰老和治疗某些皮肤 炎症的功效n7 i 。皂苷元被医药工业从化学结构上加以改造，可以得到甾体激素类药物或 中间体上百种，因此，称之为“激素之母 ，药用价值极高。 1 1 3 皂苷元产业概况 甾体激素类药物是世界上仅次子抗生素类药物的第二大类药物，在国内外临床医 药，保健方面，日用化工和养殖业等方面都得到广泛应用。目前，世界生产皂苷元的方 法是植物提取法，薯蓣皂苷元是该类药物的最理想基础原料。近些年随着甾体激素类药 物的不断开发应用，以及皂苷元转化途径的唯一性、无可替代性，国际市场上对皂苷元需 求空间较大，皂苷元年需求量约在4 0 0 0 4 5 0 0 t ，并且每年以7 一8 的速度递增。 在我国，含有皂苷元且具有工业开发价值的植物主要是黄姜、穿地龙、葫芦芭。其 中，黄姜皂苷元含量最高，干黄姜皂苷元含量约2 5 ，穿地龙为1 2 ，葫芦芭籽为0 8 1 2 。而且黄姜生长周期为2 年，穿地龙为4 5 年。因此，黄姜是我国最主要的皂苷元 药源植物刚。与此同时，由于大量采挖，野生黄姜面临枯竭，人工种植黄姜成为生产皂 苷元的主要原料。由于地理位置的合适，气候的适宜，湖北十堰和陕西安康地区成为了 我国黄姜最主要的种植基地u 争2 0 1 。 据调查统计，全国种植面积达1 3 3 3 3 3 h m 2 ，黄姜生产加工企业发展到1 5 0 多家，水解 物( 折合为皂苷元) 年生产能力5 0 0 0 t 以上，转化皂苷元生产能力近4 0 0 0 t ，国内黄姜皂苷 元行业在国际市场上具有举足轻重的地位瞻1 | 。二十世纪八十年代以后，我国皂苷元工业 4 第一章绪论 发展迅速，产品出口1 2 0 个国家和地区，取得可观经济效益，也容纳了大量就业人口 2 2 1 。 在皂苷元产业的快速发展的同时也带来了一系列能源、资源和环境等诸多问题。例 如，由于生产工艺的相对滞后，能耗高，原料消耗大，产出效率低，并且造成了水土污 染，和水土流失问题。一系列问题都引发人们的探讨，如何采用有效的清洁生产工艺进 行生产，促进产业进入循环经济的发展模式，黄姜资源的保护，产品质量和产业化程度 等成为人们主要的探讨热点瞳螂，。 1 1 4 皂苷元的国内外研究与进展 1 1 4 1 提取皂苷元的工艺研究 令常规酸水解法 此法是提取皂苷元传统工艺，该方法啪1 是将黄姜的干燥根茎加水浸泡1 2 h 后，再加 3 5 倍量的水，然后加入浓硫酸至3 浓度，加压进行水解，大约8 h 后将水解物用大量水洗 至中性，干燥粉碎，加活性炭用石油醚或汽油提取，然后用无水乙醇进行重结晶即得薯蓣 皂苷元产品。但该方法的缺点是用水量大，废水排放量多，且水解过程中没有对淀粉、纤 维素等资源进行回收利用，造成资源的极大浪费，使得废水中c o d c r 、b o d 5 浓度很大， 带来严重的污染问题，并且皂苷元的回收率比较低。 夺酶解、发酵法 在常规酸水解法基础上，许多人又提出了改进并发展了酶解发酵法，已经成为工厂 的主要生产工艺。李国富等人乜7 3 研究用淀粉酶先水解黄姜中淀粉，再酸水解，石灰乳中 和，再提取滤出物中皂苷元。该法最适宜酶解和酸水解条件为：酶解温度：3 5 4 5 ， 酶解时间是1 2 h ；酸水解时盐酸浓度为3 m o l l 1 ，水解时间为4 h 。该法可使皂苷水解完 全，明显提高皂苷元的收率。 佟玲等人乜8 3 对酶解法提取黄姜中皂苷元的工艺进行了研究。通过正交实验确定酶解 法的最佳工艺条件是：淀粉酶3 0 m l 、3 5 0 m l 水将1 5 0 9 黄姜于4 0 。c 条件下酶解1 2 h ，再 酸解和提取。皂苷元平均收率达2 3 7 ，比直接酸水解法的收率有较大幅度提高。 夺分离法 刘国梁等人心刚经过实验研究得出：分离出黄姜中淀粉，剩余悬浊液用于发酵提取皂 苷元，收率在0 8 8 0 9 1 之间，比常法收率提高5 左右。每生产1 t 皂苷元可得干淀 粉1 6 t ，还可节约煤3 0 t ，为常法的7 5 ，节省汽油4 t ，为常法的5 7 ；少排放废水1 4 0 0 t ， 比常法减少7 2 。 5 第一章绪论 郑海金等人汹3 通过研究改进了传统工艺。水解前去除纤维，减轻劳动强度，减少化 工原料使用量3 0 5 0 ；通过加酶酵解缩短生产时间6 8 h ，以氯仿为提取剂提高产品 收率。其酶解和水解最佳工艺条件：用1 0 0 u g - 1 a 一淀粉酶、4 0 、酶解1 2 h 后再水解4 h 。 夺预提取法 程军等人口1 1 采用如下工艺提取薯蓣皂苷元：( 1 ) 清洗黄姜，并重复利用洗姜废水， ( 2 ) 黄姜切片并干燥，( 3 ) 热回流提取并回收溶剂，( 4 ) 水解溶剂浸膏：酸浓度： h + = 0 5 m o l l 1 ，时间6 h ，压力为0 0 7 0 0 8 m p a ，温度为1 1 5 - - - 1 1 6 ，( 5 ) 水解物过滤、 中和过滤及水洗并排出污水，( 6 ) 水解物干燥，温度小于6 0 ，( 7 ) 提取皂苷元，( 8 ) 脱色，( 9 ) 回收溶剂汽油。该法与传统工艺相比，污水量不到传统工艺的1 0 ，污水 c o d c r 为2 0 0 0 m g l - 1 ，减少了9 0 的酸用量。干黄姜片的皂苷元产率超过2 ，黄姜干 粉提取皂苷元产率超过2 4 4 。不发酵，生产周期缩短2 4 h 以上，提高了原料的综合利 用率。 王抬等人刁采用自然发酵的方法，使植物细胞壁破碎，然后用乙醇提总苷，再水煮 总苷，分离水溶性皂苷加以利用，最后提取皂苷元。结果表明( 按干黄姜计，重复3 次， 求平均值) ，新工艺比直接水解法收率2 5 2 提高达1 6 3 ，比直接发酵后水解收率2 7 4 也提高6 9 3 。在实验过程中发现，水煮后总苷很难过滤，采用离心的方法，解决了过 滤问题。新工艺的废水量比传统工艺减少了7 5 ，同时废水的c o d c r 也降低至8 0 0 - - - 1 0 0 0m o l l - 1 ，废水呈棕黄色，。提取总苷的新工艺比传统工艺的硫酸用量减少9 0 。 夺双相酸水解法 杨欢等人口3 1 以薯蓣皂苷元得率为指标，采用单因素法研究双相酸水解法从穿山龙中 提取薯蓣皂苷元的最佳条件。按照穿山龙样品：浓盐酸：甲醇：水：石油醚( 1 0 ：2 1 ： 6 0 ：1 9 ：1 0 0 ) 的比例加入反应体系，在沸水浴中加热回流提取6 h ，获得比传统方法更高 的得率。双相酸水解法提取薯蓣皂苷元简便易行，周期短，提取率高。 夺超微粉碎技术提取法 张近祥等人4 1 采用高频振动式冷冻球磨超微粉碎技术与水提法高效提取了黄姜中 的薯蓣皂苷，解决了现有工艺存在的严重环境污染及资源浪费问题。工艺条件的研究表 明，d 5 0 ( 平均直径) 为7 5 2 7 , u m 的超细粉体在8 0 c y ，液料比为7 ：1 ，提取次数为2 次时， 提取率可高达8 9 3 9 。4 种黄姜皂苷粗提物均具有促进细胞生长的作用，细胞毒性为o 级，无细胞毒性。 令超临界流体萃取法 超临界流体萃取法是最近几年发展起来的皂苷元提取工艺，在我国还很少用于工业 6 第一章绪论 生产。葛发欢等人嘶1 对用超临界c 0 2 萃取法提取盾叶薯蓣中皂苷元进行了研究，得到优 化条件：萃取压力为2 9 m p a ，温度是5 5 ，有两种分离方法：一种为压力1 0 m p a ，温 度是6 0 ；另一种是压力是5 6m p a ，温度是4 5 ；分离柱温度为7 0 ，压力2 9 m p a ， c 0 2 流量为1 2 k g - ( k g 原料h ) - 1 萃取时间是3 h ，夹带试剂是医用酒精。与传统汽油法比 较，皂苷元收率增加了1 5 倍，生产周期显著缩短，且成本相近，粗品中皂苷元含量在 7 5 9 5 9 之间。 l i ub e n 等人呻1 利用超临界c 0 2 技术提取分离皂苷元。研究表明：夹带剂为氯仿， 在2 1 3 8 3 m p a 压力，萃取温度是4 4 ，时间是4 m i n 的条件下，产率大于8 2 。 陈俊英等人口7 1 研究了在不同原料状态，不同夹带剂的条件下皂苷元的超临界提取情 况。实验结果表明：对于黄姜鲜料，超临界萃取几乎萃取不出皂苷元。有夹带剂时，黄 色素几乎全部萃取出来，皂苷元提取量稍大；无夹带剂时，黄色素萃出相应较少，皂苷 元量较小。对于过4 0 目的黄姜干粉，超临界萃取几乎萃取不出皂苷元；有夹带剂时，黄 色素几乎全部萃取出来，皂苷元提取量稍大；无夹带剂时，黄色素萃出相应较少，皂苷 元量较小。当采用的原料为水解物时，无夹带剂的情况下，皂苷元的提取率最低，无水 乙醇的提取效果最好，萃取率随着萃取时间的增加而增加。采用不同夹带剂时，在超临 界状态下，对皂苷元的萃取率由高到低排列为：甲醇、无水乙醇、乙酸乙酯、丙酮、石 油醚。 以上研究中，除酶解发酵法，分离法常应用于大规模工业生产中，其余方法在我国 都很少应用于工业生产。常规酸水解法由于消耗原料多，产品收率低，污染严重的原因 已被淘汰；预提取法工艺流程复杂，操作要求高，还不能应用于工业生产；双相酸水解 法旨在保护易于与酸进一步反应的皂苷元，工业规模很小。而比较先进的超临界流体萃 取法设备生产规模有限，且一次投资较大，一般生产企业难以承受，所以工业应用很少。 1 1 4 2 提取皂苷元过程中的综合利用 周振起等人邮采用分离综合利用的方法从黄姜中提取皂苷元和利用淀粉制取药用 酵母粉。用淀粉酶糖化和液化淀粉，得到的糖液调整为含糖约为7 j j h 入营养盐作为培 养液，接种酵母菌制取酵母粉；糖渣用盐酸水解，1 2 0 # 汽油提取得薯蓣皂甙元。结果证 明，对糖而言，酵母粉收率偏低，一是菌种不好，二是摇瓶通气量不足，大生产中解决 这两个问题后收率可以提高。综合利用薯蓣淀粉不但不影响皂苷元制取，还可提高皂苷 元收率。 黄进等人刚提出一种从黄姜中同时提取薯蓣皂苷元和葡萄糖的生产工艺。该工艺水 7 第一章绪论 解时采用1m o l l - 1 硫酸，中和时采用石灰水，滤液经脱色、脱盐、浓缩和结晶后生产葡 萄糖；滤出物经石油醚提取后生产皂苷元。该工艺不仅使滤液中盐度减小，还高效利用 了滤液，减少了污染。 张彩香等人h 叩采用z n c l 2 两段法将黄姜皂苷元生产纤维渣制成活性炭其最佳工艺条 件是：4 0 z i l c l 2 ，浸渍比为1 ：4 ，活化温度为6 0 0 ，活化时间是1 5 h ，可制备碘值达 1 0 5 0 7 0 r a g g ，亚甲基蓝是1 2 m l g - 1 ，焦糖脱色力为1 1 0 的性能良好的活性炭。该工艺 不仅减轻固体废物污染，充分循环利用资源。 张亚雄等人1 从生产皂苷元产生的废母液中回收皂苷元。其工艺流程为：将母液预 处理后分成的油膏和和悬浊液分别用萃取剂提取，将提取液合并，经5 c a o 加热除油， 1 0 活性炭8 0 1 0 0 脱色、过滤、浓缩、结晶、再精制，可从1 0 0 m l 废母液( 皂苷元含 量为3 左右) 中平均得到2 9 以上含皂苷元8 6 0 2 的产品。 钱卫国等人h 2 1 把黄姜皂苷元生产污水发酵制酒精和配制复合肥。实验表明：用氨水 把污水的p h 值调至4 5 ，加0 7 ( w v ) 酵母，在2 8 3 0 c 条件中发酵后蒸馏酒精；残 液中含有硫酸铵、酵母和残糖等，加入一定量磷、钾盐后配成复合肥，加入盐栽蔬菜中， 效果优于市售复合肥。该工艺减少了污水排放量，还可取得部分处理污水的费用。 金志雄等人h 3 1 利用枯草芽胞杆菌( b s u b t i l i sh y - 0 2 ) 采用温箱、水浴和气浴振荡三种 培养方式对黄姜淀粉进行降解试验。三种培养方式下，高浓度淀粉是刺激细菌生长的，抑 制现象不明显。但也存在高浓度黄姜淀粉促进细菌生长、抑制细菌产酶，影响淀粉降解 的情况。此研究得出分离菌株在分解黄姜废弃物淀粉中加以应用减轻水源污染是可 行的，更有利于将来综合开发黄姜淀粉如微生物发酵法生产a _ 淀粉酶或有机酸等化工产 品。 1 1 4 3 皂苷元的检测分析研究 国内外对薯蓣皂苷元的分析方法有重量法，分光光度法，高效液相色谱法，气相色谱 法，薄层色谱法等。 ( 1 ) 重量法 重量法是指将酸水解提取的薯蓣皂苷元粗提物，烘至恒重后称重，结晶重与样品绝 对干重之比即为皂素含量。石艳霞n 4 1 报道，将浓缩至一定体积的皂苷元石油醚提取液室 温放置即析出薯蓣皂苷元的色晶体，此晶体用重熔漏斗过滤，结晶用溶剂洗后1 0 5 干燥， 冷却，称重，计算含量。此方法简单，只需称重即可计算含量，但测定误差大。 8 第一章绪论 ( 2 ) 分光光度法 分光光度法是利用分光光度计来测定薯蓣皂苷元显色后有色溶液的吸光度，通过将 不同浓度的标准品溶液的浓度与吸光度绘制标准曲线再将皂苷元粗提物在同样条件下 进行测定，得到相应吸光度值，即可换算为溶液浓度从而确定薯蓣皂苷元含量的一种分 析方法。王俊等人n 5 1 采用高氯酸反应使薯蓣皂苷元显色，对影响显色反应的主要因素进 行了考察。最佳显色条件为水浴温度2 5 、反应时间2 5m i n 、高氯酸用量5m l ，于4 1 0n m 波长处对穿山龙中薯蓣皂苷元的含量进行测定，测定结果与高效液相色谱法相近。方法 的线性范围为3 1 2 。2 1 8 红g m l ，适用于薯蓣皂苷元提取过程中的常规检测。 ( 3 ) 色谱法 薄层色谱法( t l c ) 薄层色谱法( 薄层层析) 是近年来发展起来的一种微量、快速、简便的分析分离方法， 它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。 刘玉珍“6 3 等在测定蒺藜中薯蓣皂苷元时，用氯仿一乙酸乙酯( 9 ：1 ) 为展开剂，茴香醛一 冰醋酸一硫酸( 1 ：1 0 0 ：2 ) 为显色剂，k s = 4 3 3 n m ，k r = 4 8 0 n m ，进行薄层扫描，结果呈良好 的线性关系。 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“力用气相色谱法对薯蓣皂苷元进行了定性，并用红外光谱对照 测定了薯蓣皂苷元的含量。由于薯蓣皂苷元极性较大，所以对气相色谱分离受到柱温、 固定相的限制。在此实验中，选用柱温2 7 0 ，汽化3 3 0 。氮气流速5 0m l - m i n 。1 的色谱 条件，薯蓣皂苷元能与杂质峰完全分离。 高效液相色谱( h p l c ) 高效液相色谱因适合于高沸点、大分子、强极性和热稳定性差的化合物的分离分析， 所以被广泛应用于甾类化合物的分离分析。杨文远等h 明以甲醇一水( 9 5 ：5 ) 为流动相，波 长为2 0 9n m ，进样浓度在0 2 2 0m g m l 1 时，峰面积与进样浓度呈线性。 ( 4 ) 综合测定法 t r e n u k a p p a 等人h 9 1 采用反相高效液相色谱结合核磁共振光谱、质谱和高效生物催 化剂分离确定粗提薯蓣皂苷元中皂苷元的含量和结构，取得良好的效果。试验测定该化 合物为至少含三个糖单元的两种达玛烷型三萜烯类皂苷元。 9 第一章绪论 1 1 4 4 存在问题与展望 现在，黄姜中皂苷元的提取分离、检测和应用都得到了重大进展。但还存在一些问 题：尽管进行了人工黄姜的种植，但对皂苷元在植物体内的代谢合成、消长规律和环境 因素的影响的研究不够深入细致，没有一个统一的看法。由于设备投资问题，工艺流程 等问题，大多数皂苷元提取工艺研究成果还停留在实验室阶段，工厂多数采用的依然是 发酵酸催化水解法。随着时间的推移，技术的进步，对黄姜的植物基础研究，提取皂苷 元工艺的研究和应用一定会得到更大进展。 1 2 处理皂苷元生产污水及生产单细胞蛋白的研究应用 1 2 1 皂苷元生产污水的水质特点 皂苷元生产污水水质具有以下特点嘞- 5 u ：糖份含量高，其中大部分为五碳糖和六碳 糖；酸度高；盐度高；色素浓；胶质重。污水产生量大，每生产1 t 皂苷元约产生5 0 0 - 7 0 0 t 综合漂洗( 洗酸) 污水，该污水不能循环利用。污水污染负荷高，每生产l t 皂苷元要 排放c o d 。，1 6 0 0 0 k g 、b o d 59 0 0 0 k g ，废硫酸( 或盐酸) 5 t ( 或9 t ) ，氨氮8 7 5 k g 。由于该污 水具有较强的酸性和高浓度的酸根离子( c l 或s 0 4 2 ) ，一般微生物在其中难以存