王 俊，覃佑康，曹志恒，余超鵬，卓民權(quán)，秦高雄，杜云芳

(1.廣西化工研究院有限公司，廣西南寧 530001；2.廣西眾益生物科技有限公司，廣西崇左 532100；3.廣西匯豐生物科技有限公司，廣西南寧 530001；4.華中科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 引言

劍麻是一種龍舌蘭屬的多年生纖維植物，主要分布在南美洲、非洲和亞洲等地區(qū)，其中巴西、坦桑尼亞、肯尼亞、馬達(dá)加斯加和中國是主產(chǎn)國[1]。我國劍麻種植面積1.46萬hm2，種植面積和產(chǎn)量分別居世界第五位和第二位，而單位面積的產(chǎn)量則是世界平均水平的4倍以上，居世界第1位[2]。我國劍麻主要分布在廣西、廣東、海南、福建等省份，2017年種植面積約2.87萬hm2。廣西種植面積最大，占全國總種植面積的85%以上[3-4]。

劍麻皂素是劍麻抽取纖維后廢棄劍麻渣中的一種主要活性成分，也稱為替柯吉寧(Tigogenin)、劍麻皂甙元等，具有完整的甾體骨架結(jié)構(gòu)及良好的生物活性[5]。以劍麻皂素為起始原料合成的藥物中間體單烯醇酮醋酸酯[6]，可用來合成200多種甾體激素類藥物，如腎上腺皮質(zhì)激素藥物(氫化可的松、地塞米松和倍他米松等)，性激素藥物(甲睪酮及黃體酮等)[7]，所以劍麻皂素在業(yè)內(nèi)素有“醫(yī)藥黃金”和“激素之母”之稱[8-9]。

受原料來源及技術(shù)條件的制約，我國劍麻皂素產(chǎn)業(yè)發(fā)展還比較粗放，規(guī)模小、高新技術(shù)覆蓋面窄，整個行業(yè)普遍存在產(chǎn)品提取率低、溶劑消耗大且環(huán)境污染嚴(yán)重等系列問題。因此，開發(fā)綠色、高效的劍麻皂素生產(chǎn)工藝，成為行業(yè)關(guān)注的重要課題。本文綜述近年來國內(nèi)外劍麻皂素制備過程中各工序及改進(jìn)工藝的研究進(jìn)展，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，提出目前存在的問題和合理化建議，為該產(chǎn)業(yè)綠色、高效發(fā)展提供參考。

1 甾體激素類藥物及其原料

甾體激素類藥物是世界上僅次于抗生素類的第二大類藥物，近年來發(fā)展非常迅速。2006年全球甾體激素藥物銷售額達(dá)400億美元，2016年全球甾體激素藥物銷售額超過1 000億美金。2009年，我國甾體激素原料藥及中間體出口總量為743.25 t，金額3.7億美元；2013年出口量提升到1 000 t，金額近8億美元[10]。全球甾體激素藥物依賴半合成工藝生產(chǎn)，市場總份額折合以薯蕷皂素計(jì)共6 000 t/年，構(gòu)成如下：薯蕷皂素50%，4-雄烯二酮(4AD)20%，豆甾醇10%，蕃/劍麻皂素及其他半合成原料20%。

過去20年，我國依托薯蕷皂素資源為全球甾體激素產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，但是我國薯蕷皂素原料野生黃姜資源逐漸枯竭，人工種植成本高、環(huán)保壓力大，薯蕷皂素產(chǎn)能逐漸萎縮。劍麻皂素來源于劍麻抽取纖維后廢棄的劍麻廢渣。我國南方劍麻資源豐富，從劍麻渣中提取劍麻皂素生產(chǎn)成本低，在合成某些特定藥物上替代薯蕷皂素有一定的優(yōu)勢。因此，從劍麻廢渣中開發(fā)劍麻皂素產(chǎn)品，具有較好的經(jīng)濟(jì)前景，能形成良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 劍麻皂素物化性質(zhì)及檢測方法

劍麻皂素是一種白色晶體或粉末，相對分子質(zhì)量為416.636 5，熔點(diǎn)為196—206℃，密度為1.113 g/cm3，微溶于水，可溶于乙醇等有機(jī)溶劑。目前，劍麻皂素還沒有統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，早期市場上判定劍麻皂素產(chǎn)品優(yōu)劣的方法一般是測定其熔點(diǎn)及熔程。借鑒同類皂甙元的檢測方法，劍麻皂素還可以用重量法、紅外光譜法、滴定法和薄層色譜法等方法檢測[11]。由于劍麻皂素產(chǎn)品及原料中含有番麻皂素等與劍麻皂素結(jié)構(gòu)相似的皂甙元，采用上述方法定量時(shí)常有干擾，重現(xiàn)性差。李華鋒等[12]采用高效液相色譜法檢測劍麻麻膏、劍麻水解物及劍麻皂素產(chǎn)品，色譜條件采用示差折光檢測器、C18柱和40℃的柱溫，以乙醇-水(3∶1，V∶V)為流動相，該方法簡便、準(zhǔn)確、重現(xiàn)性好，可為劍麻皂素生產(chǎn)、銷售提供定性、定量依據(jù)。

目前劍麻皂素產(chǎn)品還沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過早期的粗放型發(fā)展后，下游廠家對產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)要求逐漸嚴(yán)格，更加精細(xì)化、可量化(表1)。

表1 劍麻皂素產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)對比

Table 1 Comparison of technical performance indexes of sisal tigogenin

項(xiàng)目Item顏色Colour外觀Appearance熔點(diǎn)Melting point (℃)醇溶度Alcohol solubility含量Content (%)早期技術(shù)指標(biāo)Early technical indexes無No無No196—206無No85現(xiàn)在技術(shù)指標(biāo)Current technical indexes白色或類白色White or similar晶體或粉末Crystal or powder196—206澄清透明Clarification and transparency≥90

3 劍麻皂素產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

近年來，甾體激素類藥物的應(yīng)用領(lǐng)域由醫(yī)藥行業(yè)向畜牧業(yè)、飲食業(yè)及保健業(yè)不斷擴(kuò)展，其用量逐年上升。劍麻皂素、薯蕷皂素等皂甙元類化合物作為該類藥物的基本原料，呈供不應(yīng)求之勢，價(jià)格一路上揚(yáng)，劍麻皂素價(jià)格更是從20世紀(jì)80年代初的12萬元/t上漲至如今的35萬元/t，最高時(shí)達(dá)到45萬元/t。

目前世界上只有我國能進(jìn)行劍麻皂素規(guī)?；a(chǎn)，但當(dāng)前我國劍麻皂素產(chǎn)業(yè)還比較粗放，劍麻皂素年產(chǎn)能約300—500 t，劍麻渣資源利用率不到20%。劍麻皂素主要生產(chǎn)廠家有廣西眾益生物科技有限公司、福建萬德藥業(yè)股份有限公司、張家界紅太陽化工有限責(zé)任公司及張家界萬福藥業(yè)有限責(zé)任公司等企業(yè)。目前廣西眾益生物科技有限公司是國內(nèi)最大的劍麻皂素生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)能達(dá)到100 t，該公司采用的核心技術(shù)成果主要包括：(1)在原料前期預(yù)處理過程中，應(yīng)用復(fù)合酶技術(shù)將劍麻汁生物發(fā)酵制備成劍麻膏，大大縮短劍麻膏制備周期，并顯著降低劍麻膏中大分子雜質(zhì)的含量；(2)開發(fā)出一項(xiàng)類似于索氏提取的連續(xù)回流提取、過濾及脫色的新工藝，實(shí)現(xiàn)整個工藝的連續(xù)性操作，溶劑的消耗顯著降低；(3)實(shí)現(xiàn)廢水、廢渣綜合處理及循環(huán)再利用，其中廢渣用作復(fù)混肥原料，廢水經(jīng)處理后回用至生產(chǎn)車間。應(yīng)用上述工藝技術(shù)，該公司生產(chǎn)出的產(chǎn)品有效成分含量大于96%，每噸產(chǎn)品消耗乙醇4.8 t。

在劍麻皂素化學(xué)成分提取方面，目前雖有很多種提取技術(shù)的報(bào)道，但一些先進(jìn)提取技術(shù)如超臨界流體萃取、超聲波提取、微波萃取等由于生產(chǎn)上應(yīng)用條件苛刻，還未正式投入生產(chǎn)應(yīng)用?，F(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)上一般還是采用傳統(tǒng)的酸水解后用乙醇進(jìn)行回流提取(圖1)，以及在此基礎(chǔ)上的優(yōu)化工藝。

圖1 劍麻皂素生產(chǎn)工藝流程

圖1 Production process of sisal tigogenin

4 早期生產(chǎn)路線及存在的問題

我國自1958年發(fā)現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化薯蕷皂素以來，就開始對劍麻皂素進(jìn)行深入研究。20世紀(jì)60年代，以中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所陳延鏞先生為代表的老一輩研發(fā)團(tuán)隊(duì)[13-18]，深入研究劍麻中皂甙元的成分，開發(fā)劍麻皂素制備方案，科研成果也在南寧六·二六制藥廠投產(chǎn)，其研究技術(shù)為行業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。采用早期工藝路線，劍麻皂素平均收率約為4.5%，劍麻皂素含量在85%左右。早期的工藝路線從劍麻廢渣中成功制備出劍麻皂素，且技術(shù)放大至產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但生產(chǎn)過程中還是存在一些比較突出的問題，具體表現(xiàn)在以下3方面。

(1)廢水量大，難處理。在劍麻膏水解過程中，以高濃度的硫酸為水解劑，水解完成后用清水清洗濾餅中的酸至濾液接近中性，該過程產(chǎn)生大量廢水。據(jù)筆者測算，生產(chǎn)1 t劍麻皂素預(yù)計(jì)要產(chǎn)生50—80 t母液廢水(COD為100 000—120 000 mg/L)及150—200 t洗液廢水(COD為1 000—3 000 mg/L)。劍麻皂素廢水具有高糖分、高酸度、高鹽分、高負(fù)荷和高色度等“五高”特性，在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，如何處理這些廢水，使之達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)[19]，是困擾企業(yè)生存和發(fā)展的重大難題。

(2)溶劑消耗高，生產(chǎn)成本居高不下。由于劍麻水解物中劍麻皂素含量低(約5%—10%)，雜質(zhì)多，后期分離純化工藝非常繁瑣，導(dǎo)致乙醇消耗太高，生產(chǎn)1 t皂素約消耗乙醇20—30 t，這是早期一些企業(yè)被迫停產(chǎn)的一個直接原因。

(3)產(chǎn)品純度較低，劍麻皂素僅為85%左右。所得的粗品中除少量蠟、果膠等雜質(zhì)外，還含有番麻皂素等雜質(zhì)，含量約占產(chǎn)品的10%—15%。番麻皂素與劍麻皂素化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，性質(zhì)接近，采用重結(jié)晶或多步重結(jié)晶方法提純效果不理想。

5 工藝路線的改進(jìn)

5.1 劍麻膏制備工藝的改進(jìn)

傳統(tǒng)劍麻膏制備工藝一般是將去纖維后的劍麻渣榨汁，劍麻汁進(jìn)入發(fā)酵池中自然發(fā)酵后分層。在劍麻汁發(fā)酵分層過程中，有效成分與其他大分子產(chǎn)物一起沉降到底層[20]，排掉上層廢水，取下層沉淀物曬干后即為劍麻膏。傳統(tǒng)劍麻膏制備方法存在以下不足之處：(1)在劍麻汁的自然發(fā)酵過程中，大量果膠、蛋白質(zhì)、植物纖維、淀粉、糖基、植物蠟等大分子產(chǎn)物與有效成分一起沉降，致使劍麻膏中劍麻皂素含量不足6%，高雜質(zhì)含量嚴(yán)重影響劍麻膏的質(zhì)量；(2)劍麻膏制備周期長，劍麻汁自然發(fā)酵需15 d左右，而從劍麻渣榨汁至加工成劍麻膏成品則需25—30 d，若天氣不佳，則需更長時(shí)間。針對上述難題，一些科研工作者對該工序進(jìn)行改進(jìn)。

鐘秋漢[21]將劍麻汁液分層后的沉淀物放入內(nèi)裝有濾布的格柵式箱體中(箱體的上方蓋上有尖頂式集水器)，沉淀物中的水分一部分經(jīng)濾布流出，另一部分隨沉淀物發(fā)酵產(chǎn)生的熱量而形成熱氣，通過尖頂式集水器形成水珠不斷排出箱體外，自然放置15-20 d，待箱中的麻膏含水量達(dá)15%—20%便可入庫。該步驟同時(shí)完成濾水、發(fā)酵、烘干3道工序，提高劍麻膏的制成率，并且縮短提取時(shí)間。唐猛[22]將發(fā)酵后的下層沉淀物壓濾，濾餅堆積發(fā)酵25—30 d；張曉聲[23]采取同樣的方法，將下層沉淀物采用板框壓濾機(jī)壓干。顯然，相較于傳統(tǒng)的曬場曬干加上自然發(fā)酵的方式，采用上述過濾或高溫蒸發(fā)除掉沉淀物中水分的方式，不受自然天氣的影響，縮短了生產(chǎn)周期，提高了工作效率。

上述研究雖然在縮短沉淀物濾水時(shí)間、提高生產(chǎn)效率上有一定的改進(jìn)，但總歸還是屬于自然發(fā)酵法，自然發(fā)酵法最大的問題就是在發(fā)酵分層過程中，大量雜質(zhì)與有效成分一起沉降，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此有研究者采用酶發(fā)酵的方式替代傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，如李亞飛等[24]在麻汁發(fā)酵過程中加入黑曲霉作為發(fā)酵菌種，發(fā)酵時(shí)間縮短到24 h；韓佳琪等[25]在劍麻汁發(fā)酵過程中加入由纖維素酶、果膠酶、葡聚糖苷酶、蛋白水解酶以及淀粉酶組成的復(fù)合酶，充分利用酶解反應(yīng)條件溫和、高效專一的特性，使劍麻汁液中纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)降解成水溶性小分子，從而實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)與有效成分初步分離，所得的劍麻膏雜質(zhì)含量少，有效成分含量高，并且劍麻膏制備周期由傳統(tǒng)的25—30 d降低至7 d左右。

5.2 劍麻膏水解工藝的改進(jìn)與優(yōu)化

經(jīng)發(fā)酵完的劍麻膏，游離的劍麻皂素還是比較少，劍麻皂素主要是以劍麻皂甙的形式存在于劍麻膏中，還需進(jìn)一步水解糖甙鍵。傳統(tǒng)的劍麻膏水解工藝一般是采用濃硫酸水解，水解完成后壓濾，濾餅拌石灰，除掉果膠。在此工藝過程中會產(chǎn)生大量的母液廢水及洗液廢水，并且設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，操作環(huán)境惡劣。針對上述問題，陳明友[26]在劍麻膏水解過程中采用鹽酸代替硫酸，在2.5—3.5 kg/cm2壓力下水解2.5—3.5 h，并采用石灰中和濾餅中的酸。采用該工藝廢水量雖然大大減少，但反應(yīng)依然需要加溫加壓，且鹽酸對設(shè)備腐蝕更嚴(yán)重。

除酸水解外，還有研究者提出采用生物法將劍麻膏中劍麻皂甙降解成皂甙元(劍麻皂素)。鄧天發(fā)等[29]用薄層色譜法(TLC)篩選認(rèn)為，黑曲霉、鏈孢霉和青霉均有較強(qiáng)的酶解劍麻皂甙并釋放游離劍麻皂素的能力；彭源德等[30]提出采用含有哈茨木霉與黑曲霉組成的發(fā)酵液直接對劍麻汁進(jìn)行微生物發(fā)酵，劍麻皂甙降解成劍麻皂素只需要7 d左右。與酸水解相比，采用生物法降解劍麻皂甙糖甙鍵反應(yīng)條件溫和，易于操作，缺點(diǎn)是由于劍麻汁雜質(zhì)含量高，影響酶解作用，水解不夠徹底。

5.3 劍麻皂素提取分離及工藝改進(jìn)

傳統(tǒng)劍麻皂素提取方法主要采用回流提取法[31-32]，一般采用95%濃度乙醇作溶劑，在80℃條件下回流提取1 h左右，回流法提取時(shí)間長，效率低。近年來，一些研究者將現(xiàn)代先進(jìn)的提取技術(shù)應(yīng)用到劍麻皂素的提取上，如周寧等[33]采用超聲波輔助提取劍麻總皂甙，劍麻總皂甙的提取量可達(dá)52.17 mg，但目前該技術(shù)還只是處于實(shí)驗(yàn)室階段，一些工程化的問題如噪聲污染等，還需進(jìn)一步研究解決。此外，鄧楚津等[34]采用超臨界流體萃取技術(shù)提取劍麻中總皂甙，提取率達(dá)到1.74%，該項(xiàng)技術(shù)提取率高，但由于設(shè)備一次性投資大、操作成本高、應(yīng)用條件苛刻，工業(yè)上還沒有得到應(yīng)用。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)廠家還是采用傳統(tǒng)回流提取工藝，提取液在酸性條件下用活性炭脫色，然后濃縮結(jié)晶，靜置后離心得到粗品，粗品重結(jié)晶得到產(chǎn)品。但所得產(chǎn)品中還含有約10%番麻皂素，番麻皂素與劍麻皂素兩者化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，性質(zhì)相近，采用常規(guī)的重結(jié)晶或多步重結(jié)晶法分離，乙醇消耗量大，產(chǎn)品收率低。針對此問題，陳明友[26]改變傳統(tǒng)的單一溶劑結(jié)晶的方式，采用環(huán)己烷和乙醇混合溶劑對粗品進(jìn)行重結(jié)晶，產(chǎn)品純度可以達(dá)到93%以上。該方法單次結(jié)晶所得產(chǎn)品純度就能達(dá)到93%以上，而傳統(tǒng)重結(jié)晶方法一般需要2-3次，因此改進(jìn)的工藝產(chǎn)品純度高，收率高、能耗少。宋克平等[35]在粗品重結(jié)晶階段，加入助劑鹽酸羥胺，使粗品中番麻皂素雜質(zhì)生成難溶的肟化物，實(shí)現(xiàn)番麻皂素與劍麻皂素有效分離，將劍麻皂素含量提高至93%。

另外，研究中也有使用大孔樹脂提取分離技術(shù)，如王錦軍[36]采用大孔樹脂進(jìn)行吸附，再用水-醇二元體進(jìn)行洗脫，然后解吸附，實(shí)現(xiàn)高純度番麻皂素與劍麻皂素的分離，劍麻皂素純度高達(dá)90%以上；周寅等[37]采用大孔徑樹脂分離純化劍麻皂素，在特定提取分離條件下，劍麻皂素得率為79.1%，純度為71.6%。采用大孔樹脂吸附除雜，工藝較繁瑣，且工業(yè)大生產(chǎn)時(shí)酒精容易揮發(fā)，不安全，且操作環(huán)境惡劣，因此，不適合工業(yè)生產(chǎn)要求。

6 其他工藝

上述劍麻皂素提取及改進(jìn)工藝，基本都是在酸解醇提的工藝上延伸出來的，而且目前國內(nèi)生產(chǎn)上也基本上都是采取上述工藝。隨著研究的深入，一些科研工作者大膽舍棄傳統(tǒng)思路，采取新的工藝技術(shù)手段替代傳統(tǒng)方法。

6.1 一步法提取劍麻渣中活性成分

李祥等[38]采用表面活性劑水溶液代替有機(jī)溶劑作萃取劑，用絮凝技術(shù)富集劍麻皂甙代替濃縮，先將劍麻皂甙從劍麻汁中分離，然后再水解并分離提純。該方法是先直接提取劍麻皂甙，然后再水解糖甙鍵，其優(yōu)點(diǎn)是避免劍麻汁發(fā)酵過程中大量雜質(zhì)與有效成分混在一起，影響后面分離純化工藝。據(jù)報(bào)道該工藝得到的劍麻皂素質(zhì)量比傳統(tǒng)工藝提高15.5%，每生產(chǎn)1 g劍麻皂素所需酸用量減少81.2%，COD排放量減少96.5%。

6.2 劍麻皂素生物轉(zhuǎn)化

郝再彬等[39]發(fā)明一種利用微生物發(fā)酵將劍麻皂甙轉(zhuǎn)化成皂甙元的方法，該微生物菌株能夠在3-5 d內(nèi)將劍麻中皂甙降解成皂甙元。謝純良等[40]將嗜乙醇假絲酵母接種到包括劍麻抽取纖維后產(chǎn)生的麻渣和麻汁的液體發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵，然后從中提取劍麻皂素。與老工藝相比，采用生物轉(zhuǎn)化法工藝簡單，條件溫和，且時(shí)間短、效率高，若生物轉(zhuǎn)化率提高后，將在工業(yè)生產(chǎn)中有很好的應(yīng)用前景。

7 展望

甾體激素類藥物近年來用量很大，發(fā)展非常迅速，作為甾體激素類藥物的主要原料薯蕷皂素資源日益緊缺，原料與產(chǎn)品之間的供求矛盾日益突出。在此背景下，以劍麻皂素部分替代薯蕷皂素在生產(chǎn)成本上具有一定的優(yōu)勢。劍麻皂素產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過早期艱苦探索后，數(shù)十年來科研工作者持續(xù)創(chuàng)新工藝技術(shù)，已經(jīng)形成大量技術(shù)成果，并且劍麻皂素下游制備單烯清潔生產(chǎn)技術(shù)難題已被中科院上海有機(jī)所田偉生研究員團(tuán)隊(duì)[41]解決。因此，未來大力發(fā)展劍麻皂素產(chǎn)業(yè)一定能形成顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益。建議后期著重在以下兩個方面開展研究：(1)進(jìn)一步加大劍麻渣資源收集與整合力度，在劍麻資源相對集中的地方建設(shè)大型的劍麻渣綜合處理示范基地，收集并整合基地周邊劍麻渣資源，提高原料預(yù)處理的技術(shù)水平及自動化程度，提高劍麻渣資源有效利用率，以進(jìn)一步擴(kuò)大原料產(chǎn)能；(2)在不斷完善和優(yōu)化現(xiàn)有傳統(tǒng)工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大以生物轉(zhuǎn)化技術(shù)為前提的研發(fā)力度，促進(jìn)行業(yè)的清潔化生產(chǎn)。