趙國強，王常高，林建國，杜馨，蔡俊

(湖北工業(yè)大學發(fā)酵工程教育部重點實驗室 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430068)

黃姜皂素提取工藝的研究進展

趙國強，王常高，林建國，杜馨，蔡俊*

(湖北工業(yè)大學發(fā)酵工程教育部重點實驗室 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430068)

黃姜是我國特有的植物，是生產(chǎn)薯蕷皂素的主要原料。文章就黃姜皂素的不同提取方法做了簡單回顧，并對各種方法的工藝、優(yōu)缺點等進行了概括。重點闡述了以生物轉化技術為基礎的黃姜皂素提取工藝，為后期黃姜皂素的清潔生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

黃姜；黃姜皂素；生物轉化技術；提取工藝；優(yōu)缺點

黃姜，學名盾葉薯蕷(DioscoreazingiberensisC. H.Wright)亦稱火頭根、枕頭根等，多年生纏繞草本植物，為我國特有的野生植物資源[1]。其主要活性物質為薯蕷皂苷，是生產(chǎn)甾體激素類藥物的原料, 常用于治療風濕關節(jié)炎、心腦血管疾病等。據(jù)資料顯示[2]，黃姜根莖中除了含有薯蕷皂苷外，還含有30%～40%的淀粉和 40%～50%的纖維素以及其他的植物活性成分， 是世界上薯蕷皂苷元含量最高的物種。在我國，黃姜分布在陜西、湖北、河南、貴州等地，其中黃姜種植面積的70%分布在湖北、陜西兩省。

黃姜皂素是薯蕷屬植物中黃姜皂苷的配基及水解產(chǎn)物，以黃姜皂苷形式存在于根莖細胞中，主要包括原薯蕷皂苷、薯蕷皂苷、原纖細皂苷、纖細皂苷、延令草次苷等[3]。黃姜皂素具有一定的藥用價值，是生產(chǎn)皮質激素、性激素等300多種甾體激素和避孕藥物的重要原料，被譽為“激素之母”[4]。有報道稱，世界上薯蕷皂素含量較高的植物主要分布在我國和墨西哥[5]，而我國又是主要的生產(chǎn)國[6],因此，筆者針對不同的提取方法進行研究，并著重闡述了無污染、條件溫和的生物轉化法。皂素的結構見圖1。

圖1 皂素結構

1 黃姜皂素的提取工藝

黃姜皂素為異螺旋甾烷的衍生物。在自然狀態(tài)下，黃姜皂素主要是以黃姜皂苷的形式存在于植物體內。而皂苷在植物中多以糖苷的形態(tài)出現(xiàn)，游離型的苷元甚少，苷鍵斷裂，產(chǎn)生葡萄糖、鼠李糖和皂苷元[7]。皂苷的C3位通過皂苷鍵與糖鏈相連，進而與植物的細胞壁緊密連接。植物中大量的淀粉、纖維素和果膠等物質將皂苷包裹和屏蔽，使其結構緊密，機械強度大，難以破壞[8]。提取黃姜皂素，應首先使皂苷游離出來，再在一定的反應條件下斷開皂素與糖基之間的苷鍵，最終使黃姜皂素游離出來。

在黃姜皂素生產(chǎn)過程中，提取皂素的方法主要有分解分離法、直接酸水解法、自然發(fā)酵法、酶解法、直接回流萃取法、微波提取萃取法、超聲波提取萃取法、超臨界CO2萃取法、熱分解提取萃取法等，見表1。

表1 黃姜皂素提取工藝Table 1 The extraction process of diosgenin

分離法提取黃姜中的總皂苷實現(xiàn)了黃姜中皂素、淀粉和纖維素的有效分離。但由于3種物質之間結構結合緊密，簡單方法難以分離，使得皂素純度過低；直接酸水解法最早是由Rothrock等[23]提出的，用強酸直接水解黃姜。此方法所產(chǎn)生的廢水嚴重污染環(huán)境，阻礙了社會的可持續(xù)發(fā)展；自然發(fā)酵法是利用自身及環(huán)境中的微生物于一定的自然環(huán)境進行發(fā)酵，既提高了皂素收率也縮短了提取時間；酶解法是在自然發(fā)酵的基礎上進行改進，有針對性地加入一些酶，以此達到提高產(chǎn)率的目的；直接回流萃取法主要是通過易揮發(fā)的有機溶劑對原料進行循環(huán)浸提。由于該方法加熱時間比較持久，不適應于受熱易分解的皂苷。微波提取萃取法的本質是利用微波進行加熱。微波實際上是一種能量，其在傳輸過程中會產(chǎn)生大量熱能，最終導致細胞破裂，相比于直接酸水解具有提取率高、提取時間短等優(yōu)點[24]；超臨界CO2萃取法是近年來發(fā)展的一項化工分離技術，由于CO2不具有毒性，因此此法獲得的產(chǎn)物更安全可靠；熱分解提取萃取法由陳俊英首次提出，且申請了國家專利[25]。在皂素生產(chǎn)過程中不使用強酸、強堿等化學試劑，也沒有廢水產(chǎn)生，從根本上解決了皂素生產(chǎn)中的污水處理問題，但存在著有機溶劑用量大、殘渣多等缺點，有待進一步改善。筆者參考了近幾年來國內外有關文獻資料對黃姜皂素的提取工藝進行了概述，提出了未來的研究方向，為黃姜皂素的清潔生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

綜上所述，黃姜皂素的所有提取工藝都是在酸水解的基礎上進行的改進，故這些工藝都存在其本身所具有的缺陷,那就是酸水解帶來的環(huán)境污染問題。近年來，隨著基因工程、蛋白質工程等生物技術的不斷發(fā)展，大大地推動了生物催化與生物轉化的基礎研究和應用研究，現(xiàn)在有大量的學者研究以生物轉化法為基礎的提取工藝，以達到高效提取皂素、避免污染的目的。

2 生物轉化法

生物轉化法是利用微生物直接將黃姜中的皂苷轉化成皂素，條件溫和，工藝簡單，無污染，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，包括微生物轉化法和酶轉化法。

2.1 微生物轉化法

微生物轉化法是利用微生物本身所產(chǎn)生的酶對外源化合物進行酶催化反應的技術，常應用于甾體藥物的生物轉化中。微生物轉化黃姜為薯蕷皂素是個復雜的過程，一般有兩種方式即間接轉化法和直接轉化法。間接轉化法即將發(fā)酵產(chǎn)生的粗酶液提取出來，再與黃姜進行酶解反應；而直接轉化法則省去提取粗酶步驟，直接在體系中發(fā)生轉化。二者相互比較，直接轉化法更加便利，并且反應周期短，但間接轉化法的產(chǎn)率較直接轉化法有所提高?？偟膩碚f，微生物轉化法相對于酸水解而言，具有選擇性強、反應條件易于控制等優(yōu)點。

朱余玲等[26]從生長黃姜的土壤和常見的一些霉菌中篩選出了3株可以有效水解皂苷的霉菌，它們分別是產(chǎn)纖維素酶活力較高的T.reesei，產(chǎn)β-糖苷酶活力較高的A.niger和產(chǎn)木聚糖酶活力較高的A.oryzae。對純種發(fā)酵、復合同步發(fā)酵、復合順序發(fā)酵進行了比較，確定了最佳的工藝，即A.niger與T.reesei共培養(yǎng)時,當T.reesei發(fā)酵第3天時投加A.niger繼續(xù)發(fā)酵6天后皂素得率可達到78.25%。Lei等[27]利用煙曲真菌產(chǎn)生的β-糖苷酶將皂苷轉化成皂素，β-糖苷酶能將C3位的糖苷鍵斷裂。Ma等[28]將黑曲霉菌直接接種于原料黃姜培養(yǎng)發(fā)酵，經(jīng)分離后成功提取黃姜皂素。董悅生等[29]利用米曲霉直接轉化盾葉薯蕷制備薯蕷皂苷元，并對培養(yǎng)條件進行了優(yōu)化，產(chǎn)率達到17.06 mg/g。因此，利用生物轉化法能大幅度提高黃姜皂素產(chǎn)率，而且成本低、無污染。

2.2 酶轉化法

酶轉化法是利用商品化酶，實現(xiàn)將黃姜轉化為薯蕷皂素的方法。與微生物轉化法相比，酶解法省去了培養(yǎng)微生物所需的相關設備，解除了染菌和生產(chǎn)菌變異的后顧之憂。截止目前，能將薯蕷皂苷完全轉化為薯蕷皂素的單一酶還未發(fā)現(xiàn)。但在薯蕷皂苷轉化為薯蕷皂素的過程中，斷裂不同糖苷鍵的酶卻層出不窮，為薯蕷皂苷轉化薯蕷皂素提供了理論依據(jù)，為實現(xiàn)更加環(huán)保方便的工藝做了重要鋪墊。

徐升運等[30]采用生物酶法對薯蕷皂素進行提取研究，使黃姜淀粉和纖維素充分分解，促進葡萄糖和皂素的分離。通過正交試驗確定了復合酶提取皂素的最佳工藝，即最適酶解條件為溫度55 ℃，pH值4.0，時間6 h，在該條件下，黃姜皂素得率提高26%。鐘桂芳等[31]先后用淀粉酶、糖化酶以及普魯士酶對黃姜進行預處理，再用復合酶對黃姜皂苷進行水解，研究了酶解時間、溫度、pH和攪拌轉速對皂素提取率的影響，并通過正交試驗確定了復合酶法提取工藝的最優(yōu)工藝，使薯蕷皂素的得率達到4.88%。Zhu等[32-34]利用淀粉酶、糖化酶先從黃姜根莖中分離出淀粉，然后再用里氏木霉將皂渣中的皂苷轉化成薯蕷皂素，最終淀粉回收率達98.0%，廢水中的COD下降了99.4%，用酸量減少了100%，既充分利用了黃姜中的其他資源，也提高了皂素產(chǎn)率。

綜合以上工藝可知，生物轉化法能夠有效地解決酸水解過程中提取率低、廢水多、污染嚴重的問題，為黃姜的清潔生產(chǎn)開辟了新的思路和途徑。由于發(fā)酵反應過程復雜不易控制，商品酶成本高，酶的溫和型和專一性引起的產(chǎn)率不足等因素，目前在薯蕷皂素的制備過程中并沒有實現(xiàn)全生物法的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是隨著薯蕷皂素制備方法的不斷深入以及科學技術的發(fā)展，為最終實現(xiàn)生物轉化法制備薯蕷皂素奠定了基礎。

3 展望

我國是黃姜生產(chǎn)大國，研究和開發(fā)黃姜皂素，對人類的健康和社會經(jīng)濟效益具有積極的作用。對于如何能夠高效提取黃姜皂素，國內外的研究人員做了大量的研究，提出了不同的提取工藝，但均是在酸水解的基礎上進行的改進，無法從根本上解決環(huán)境污染問題。近年來，隨著基因組學、蛋白質組學等生物技術的快速發(fā)展，以生物轉化技術為前提的提取工藝應運而生，在不久的將來這種條件溫和、成本低、操作簡單、無污染的生物法提取工藝將是黃姜皂素生產(chǎn)研究的發(fā)展方向。

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Research Progress on Extraction Process of Diosgenin

ZHAO Guo-qiang, WANG Chang-gao, LIN Jian-guo, DU Xin, CAI Jun*

(Key Laboratory of Fermentation Engineering,Ministry of Education, Hubei Collaborative Innovation Center for Industrial Fermentation, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Dioscoreazingiberensisis a characteristic plant of our country,and it is the main raw material for producing diosgenin.Introduce various extraction methods and generalize the process,advantages and disadvantages.The process based on bioconversion technology is elaborated emphasically.The study could provide theoretical basis for the cleaner production of diosgenin in future.

Dioscoreazingiberensis；diosgenin；bioconversion technology；extraction process；advantages and disadvantages

2017-01-06 *通訊作者

國家自然科學基金(31401807)

趙國強(1992-)，男，碩士，研究方向：發(fā)酵工程；

蔡俊(1968-)，男，教授，博士生導師，博士，研究方向：發(fā)酵工程。

TS201.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.07.036

1000-9973(2017)07-0165-04