劉樹興，侯屹，李祥，劉禹呈

1(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710021)2(陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安，710021)

硫酸水解法提取薯蕷皂苷元的工藝*

劉樹興1，侯屹1，李祥2，劉禹呈2

1(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710021)2(陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安，710021)

以 盾葉薯蕷為原料，研究了硫酸水解法生產(chǎn)薯蕷皂苷元的工藝?？疾炝肆蛩崴鈺r(shí)間、硫酸用量、索氏提取時(shí)間和硫酸濃度對(duì)薯蕷皂苷硫酸水解的影響，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了工藝。結(jié)果表明，硫酸水解的最佳條件為:硫酸水解時(shí)間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時(shí)間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。該工藝能獲得皂苷元得率為3.762%，且酸污染少。

盾 葉薯蕷，薯蕷皂苷，薯蕷皂苷元，水解條件

盾葉薯蕷(Dioscorea zingiberensis.C.H.Wright)俗稱黃姜，為我國特有的薯蕷科薯蕷屬植物。其根莖含有薯蕷皂苷(dioscin)，它既是心血管疾病藥物的主要藥源，又能得到用于合成甾體激素和口服避孕藥的薯蕷皂苷元(diosgenin)，有著十分廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，工業(yè)上生產(chǎn)薯蕷皂苷元，主要采用直接酸水解法，該法收率較低，且廢水和廢渣多，易造成環(huán)境污染［2－5］。為了解決上述問題，眾多學(xué)者提出了許多解決方案，其中之一就是預(yù)分離法。先將薯蕷皂苷從黃姜中提取出來，然后再進(jìn)行酸水解［6］。這樣不但減少了酸用量、降低了污染，而且可將廢水和廢渣加以利用，變廢為寶，得到鼠李糖、酒精等副產(chǎn)品［7－8］。

基于這種思路，本工作采用超聲波和表面活性劑2種處理方法，輔助乙醇提取皂苷。在得到皂苷后，探索合適的酸水解條件，使皂苷盡可能的轉(zhuǎn)化為皂苷元，并采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)皂苷轉(zhuǎn)化為皂苷元過程中的重要條件進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

盾葉薯蕷，陜西省安康市采購;薯蕷皂苷元標(biāo)準(zhǔn)品，上海融禾醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司(批號(hào):100312);石油醚，天津化學(xué)試劑有限公司(沸程:60～90℃);乙腈，色譜純;以及實(shí)驗(yàn)室常用化學(xué)試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

SC-Ⅲ型多頻聲化學(xué)發(fā)生器，成都市九洲機(jī)電工程研究所;BS2202S型電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海申生科技有限公司;高效液相色譜儀，美國Waters公司。

1.3 盾葉薯蕷總皂苷的提?。?］

干黃姜經(jīng)粉碎研磨(粗粉40～60目)，準(zhǔn)確稱取10 g，以體積分?jǐn)?shù)30%的乙醇為萃取劑，與用量為17.408×10－3mol/L的十二烷基硫酸鈉混勻。在黃姜與乙醇的質(zhì)量比為1∶10，超聲波頻率為25.8 kHz，超聲時(shí)間為40 min的條件下，進(jìn)行總皂苷的提取，完畢后抽濾，保留濾液備用。

1.4 薯蕷皂苷元的提取

將得到的總皂苷濾液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中濃縮，殘液中加入硫酸后，于電熱套上進(jìn)行水解。抽濾，用蒸餾水水洗濾渣至中性，加入適量活性炭和濾渣一起包好，放入烘箱中烘干，于索氏提取器內(nèi)加入80 mL石油醚進(jìn)行薯蕷皂苷元的提取，提取完畢后，烘干，可得薯蕷皂苷元粗品并計(jì)算得率。

薯蕷皂苷元的得率為提取得到的薯蕷皂苷元質(zhì)量占盾葉薯蕷原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.5 薯蕷皂苷元的鑒定

1.5.1 薄層色譜分析

薄層色譜條件為:展開劑V(三氯甲烷)∶V(甲醇)=5∶1;顯色劑:10%硫酸;Rf值=0.62。噴濕潤(rùn)后于110℃烘烤10 min，得薯蕷皂苷元斑點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)品的斑點(diǎn)一致［10］。

1.5.2 熔點(diǎn)測(cè)定

在工業(yè)上，熔點(diǎn)的測(cè)定是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。純薯蕷皂苷元的熔點(diǎn)為204～207℃，工業(yè)合格標(biāo)準(zhǔn)為:熔點(diǎn)≥195℃，熔程≤10℃［11］。對(duì)3次重結(jié)晶后的薯蕷皂苷元樣品進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定，熔點(diǎn)為200～204℃，熔程為4℃，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.5.3 高效液相色譜分析［12］

色譜條件:色譜柱為Diamonsil?C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm);流動(dòng)相為 V(乙腈)∶V(水)=90∶10;流速為1.0 mL/min;柱溫為室溫;檢測(cè)波長(zhǎng)為210 nm。

3次重結(jié)晶樣品經(jīng)過高效液相色譜測(cè)定，樣品出峰時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)品出峰時(shí)間相近，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，樣品純度＞95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭脫色效果的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，水解時(shí)間為4 h，索氏提取時(shí)間為4 h的條件下，分別改變活性炭的用量，按1.4進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。由圖1可知，皂苷元的得率隨著活性炭用量的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這是由于活性炭不僅吸附了色素，還能吸附部分皂苷元的結(jié)果。但是從表1中可以發(fā)現(xiàn)，活性炭用量增大，皂苷元的損失固然增大，但脫色效果卻在不斷變好。當(dāng)用量在5%時(shí)，已經(jīng)能得到乳白色的產(chǎn)品且皂苷元損失不多，綜合考慮這兩個(gè)因素，故選擇5%為活性炭用量。

表1 活性炭脫色效果

圖1 活性炭用量對(duì)得率的影響

2.2 單因素條件的確定

2.2.1 硫酸水解時(shí)間的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，索氏提取時(shí)間為4h的條件下，分別改變水解時(shí)間，按1.4進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。由圖2可知，隨著水解時(shí)間的增加，皂苷元的得率是逐漸增加的。當(dāng)水解時(shí)間小于4 h時(shí)，由于水解的不完全，得率偏低;當(dāng)水解時(shí)間大于4 h時(shí)，皂苷元得率處于一種平穩(wěn)趨勢(shì)，證明反應(yīng)已經(jīng)基本完全?？紤]到時(shí)間與收益的關(guān)系，選擇5 h為最佳硫酸水解時(shí)間。

圖2 硫酸水解時(shí)間對(duì)得率的影響

2.2.2 硫酸用量的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，水解時(shí)間為5 h，索氏提取時(shí)間為4h的條件下，分別改變硫酸的用量，按1.4進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。從圖3可知，在硫酸用量為30 mL時(shí)，皂苷元的得率最高。繼續(xù)增加硫酸用量，皂苷元得率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)椋?dāng)硫酸用量為30 mL時(shí)，水解最為充分和適度。超過這個(gè)適度值，則造成H+濃度加大，逆向反應(yīng)加快，反而使皂苷元得率降低［13］。故選擇30 mL為最適硫酸用量。

圖3 硫酸用量對(duì)得率的影響

2.2.3 索氏提取時(shí)間的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，水解時(shí)間為5h的條件下，分別改變索氏提取時(shí)間，按1.4進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。由圖4可知，皂苷元的得率隨著索氏提取時(shí)間的增加而顯著增加，當(dāng)索氏提取時(shí)間達(dá)到6 h后趨于穩(wěn)定。表明在索氏提取6h后，皂苷元已基本提取完全，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，雖然得率也略有增加，考慮到時(shí)間與收益的關(guān)系，故選擇6 h為最適索氏提取時(shí)間。

2.2.4 硫酸濃度的影響

在硫酸用量為30 mL，水解5 h，索氏提取時(shí)間為6 h的條件下，分別改變硫酸濃度，按1.4進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。由圖5可知，隨著硫酸濃度的增加，皂苷元得率呈現(xiàn)出一種先增加后減少的趨勢(shì)，在酸濃度為1.5 mol/L時(shí)達(dá)到最大得率。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)酸濃度不夠大時(shí)，其催化能力較弱，會(huì)使水解不夠完全;而當(dāng)酸濃度過大時(shí)，生成的皂苷元會(huì)發(fā)生分解，反而時(shí)得率降低［14］。

圖4 索氏提取時(shí)間對(duì)得率的影響

圖5 硫酸濃度對(duì)得率的影響

2.3 提取工藝的優(yōu)化

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)

對(duì)于皂苷元的提取來說，硫酸水解時(shí)間、硫酸用量、索氏提取時(shí)間和硫酸濃度4個(gè)因素都能影響其結(jié)果。本工作采用正交設(shè)計(jì)的方法，對(duì)以上4個(gè)因素安排L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，找出它們的影響次序以及最優(yōu)的工藝。

正交試驗(yàn)的各因素和水平選擇如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平

正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示。

各因素的影響次序?yàn)镃＞D＞B＞A，即對(duì)于薯蕷皂苷元提取影響最大的因素是索氏提取時(shí)間，然后依次是硫酸濃度，硫酸用量和硫酸水解時(shí)間;根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析，得到的優(yōu)化條件為A1B1C2D2，即硫酸水解時(shí)間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時(shí)間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化工藝條件，對(duì)3批樣品進(jìn)行皂苷元提取，其得率分別為3.741%，3.744%，3.801%，

平均得率為3.762%。表明工藝穩(wěn)定可靠。

2.3.3 與直接酸水解法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將黃姜直接置于200 mL 1.5 mol/L硫酸中水解4h，抽濾，烘干后，于索氏提取器內(nèi)進(jìn)行皂苷元的提取并計(jì)算得率。得到的皂苷元得率為2.741%。證明本工藝較傳統(tǒng)方法而言，得率有顯著提高。

3 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)研究了盾葉薯蕷總皂苷硫酸水解的工藝，通過單因素實(shí)驗(yàn)及正交試驗(yàn)確定了最佳優(yōu)化方案:硫酸水解時(shí)間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時(shí)間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。

(2)與傳統(tǒng)的直接酸水解法相比，本實(shí)驗(yàn)采用的工藝能較好的提高皂苷元得率。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，薯蕷皂苷元的得率提高了約37%。

(3)采用預(yù)分離法提取薯蕷皂苷元。硫酸的用量只有傳統(tǒng)工藝的1/10，能夠大大減少酸的污染。

(4)本工藝在生產(chǎn)中也面臨一些問題。比如提取過程復(fù)雜，能耗和成本相對(duì)較高等。需要在后續(xù)的工作中進(jìn)一步研究。

［1］ 都述虎，夏重道，付鐵軍，等.穿龍薯蕷總皂甙水解條件的優(yōu)化［J］.中成藥，2000，22(9):608 －610.

［2］ 吳成昌，田杰，戴軍發(fā).黃姜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對(duì)策研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28(2):95 －97.

［3］ 湯興利，徐增萊，夏冰，等.用盾葉薯蕷生產(chǎn)薯蕷皂苷元預(yù)發(fā)酵與水解條件優(yōu)化［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，13(3):35 －37.

［4］ 向紀(jì)明，李金燦.黃姜中提取薯蕷皂素的新工藝研究［J］.安康師專學(xué)報(bào)，2003(15):56 －59.

［5］ Rothrock J W，Hammes P A，McAlccr W J.Isolation of diosgenin by acid hydrolysis of saponin［J］.Ind Eng Chem，1957，49:186－188.

［6］ 李謙，高向濤，任玉珍，等.表面活性劑強(qiáng)化提取黃姜中薯蕷皂苷的研究［J］.精細(xì)化工，2009，26(2):122－125.

［7］ 陳合，李慶娟.黃姜副產(chǎn)物綜合利用的研究進(jìn)展［J］.食品與藥品，2007，9(12):60 －62.

［8］ 潘鶴林，陳晨.黃姜資源清潔高效利用研究進(jìn)展［J］.上?；?，2009，34(6):22 －29.

［9］ 劉樹興，侯屹，李祥.超聲波-表面活性劑協(xié)同提取盾葉薯蕷總皂苷［J］.精細(xì)化工，2010，27(6):562 －566.

［10］ 于武江.黃姜中薯蕷皂苷元的提取研究［D］.南京:南京工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006:05.

［11］ 韓楓，李穩(wěn)宏，李冬，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取薯蕷皂素工藝研究［J］.食品科學(xué)，2007，28(7):96 －100.

［12］ 李萍，何筱毅，周佳，等.HPLC測(cè)定穿龍骨刺片中薯蕷皂苷元的含量［J］.中國藥品標(biāo)準(zhǔn)，2009，10(6):469－471.

［13］ 宋子言，劉秉鉞，王井，等.硫酸法提取黃姜中皂苷元的清潔生產(chǎn)研究［J］.大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26(1):53－55.

［14］ Sanjay P Mishra，Vilas G Gaikar.Recovery of diosgenin from dioscorea rhizomes using aqueous hydrotropic solutions of Sodium cumene sulfonate［J］.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)

The 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.Optimized process by orthogonal experiments was obtained as:sulfuric acid hydrolysis 20mL for 4h，Soxhlet extraction 6h，sulfuric acid concentration at 1.5mol/L.Under the above conditions，the yield of diosgenin was up to 3.762%，acid pollution was reduced.The result provides a method to solve the existing problems in the diosgenin industrial.

Dioscorea zingiberensis C H Wright，dioscin，diosgenin，hydrolysis conditions

碩士，教授(侯屹為通訊作者)。

*陜西省自然科學(xué)基金資助(2007C125);陜西省科技廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目

2010－08－13，改回日期:2010－11－25