專利名稱：一種基于酶法輔提和微波酸解的黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)工藝的制作方法
一種基于酶法輔提和微波酸解的黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)
工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)屬于中藥活性成分的提取制備領(lǐng)域。背景技術(shù)：
黃姜，學(xué)名盾葉薯蕷(Dioscorea Zingiberensis C. H. Wright)，又名火頭根，為多年生草質(zhì)纏繞藤本植物，主產(chǎn)于河南、湖北、湖南、陜西、甘肅、四川等地。中國(guó)是盾葉薯蕷的原產(chǎn)地，兩千多年前的《山海經(jīng)》中就有“景山、北望少澤，其草多薯蕷”的記載。盾葉薯蕷是世界上薯蕷皂苷元含量最高的物種，其根狀莖主要成分為45-50%的淀粉、40%的纖維素， 2%左右的薯蕷皂苷以及一些水溶性苷類、生物堿類、黃酮苷類等化學(xué)成分。其中薯蕷皂苷 (Dioscin)經(jīng)水解獲得的薯蕷皂苷元(Diosgenin)是合成多種留體激素類和避孕類藥物的重要原料，可以合成雙烯醇酮醋酸酯、黃體酮、強(qiáng)的松、可的松、催產(chǎn)素、性激素等數(shù)千種藥物，是目前世界上最好的留體藥物生產(chǎn)原料之一。薯蕷皂苷元是薯蕷皂苷的配基，在C3位通過苷鍵與糖鏈相連，主要以薯蕷皂苷的形式存在黃姜根莖中，并與纖維素緊密結(jié)合于細(xì)胞壁中。傳統(tǒng)提取薯蕷皂苷元的方法是采用Rothrock法，直接將盾葉薯蕷根莖用強(qiáng)酸(硫酸或鹽酸)水解使苷鍵斷裂生成苷元和糖，然后用有機(jī)溶劑提取薯蕷皂苷元。這種方法較為簡(jiǎn)單，適合小規(guī)模和產(chǎn)地加工，但生產(chǎn)中產(chǎn)生大量廢水和廢渣，環(huán)境污染十分嚴(yán)重，其主要原因是黃姜根莖中的大量淀粉和纖維素同時(shí)需要加酸水解，一方面耗用大量酸，另一方面產(chǎn)生大量廢水，是典型的高投入高污染工藝。此外，這種工藝的皂苷收率普遍較低，一般提取率低于60%。直接水解法是我國(guó)過去普遍采用的主要方法，近年來很多地方仍在使用。受節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策影響，很多地方關(guān)停了一批這樣的生產(chǎn)企業(yè)，。薯蕷皂苷元的穩(wěn)定供應(yīng)因此受到很大的影響，一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也紛紛致力于開發(fā)黃姜薯蕷皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝。溶劑提取法是用乙醇等有機(jī)溶劑，在熱回流等特定的條件下，或借助超聲波的作用，直接從黃姜中提取出薯蕷皂苷，進(jìn)而使用少量的酸水解進(jìn)行皂苷元的制備(如中國(guó)專利02153997. 9)。這種方法比起直接酸解法，酸耗量大幅度降低，但由于大量采用有機(jī)溶劑， 對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模和管理要求較高，因工藝的經(jīng)濟(jì)性不高，實(shí)際上應(yīng)用并不廣泛。與此同時(shí)，圍繞節(jié)能減排和資源的高效利用，開發(fā)了眾多薯蕷皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝，盡管在具體方法和參數(shù)控制上不盡相同，但核心技術(shù)思想包括三個(gè)部分。一是有效分離黃姜根莖中的淀粉，或采用酶法水解，再利用膜法等工藝進(jìn)行水解糖的分離，這些分離出的淀粉、水解糖可作為發(fā)酵工業(yè)、飼料工業(yè)的原料，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效利用(如中國(guó)專利 200810048708. 9，200910084843. 3，200410060679. X，00131274. X，02138773. 7) ；二是在皂苷元水解環(huán)節(jié)，主要是利用微生物、酶或其他方法高效水解薯蕷皂苷獲得皂苷元，減少酸堿用量(如中國(guó)專利 200410013355. 0，200510042680. 4，200310111250. 4，200710127623. 5， 200910067353. 2)；三是溶劑品種、提取方式等方面進(jìn)行皂苷元的優(yōu)化提取，提高收率，減少有機(jī)溶劑用量(如中國(guó)專利200510049787. 1)。此外，還有一些專利對(duì)黃姜纖維素、黃姜廢水提出了高效利用的技術(shù)措施。上述清潔生產(chǎn)工藝促進(jìn)了我國(guó)黃姜皂苷元產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有些技術(shù)得到有效推廣和應(yīng)用，但仍有一些工藝環(huán)節(jié)不太理想，需要改進(jìn)，其產(chǎn)品純度、提取率以及生產(chǎn)成本仍有大幅度提高的空間。如黃姜淀粉的酶法水解效率不高，一般需要采用復(fù)合淀粉酶并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間水解，其成本及能耗投入偏大；生物法水解薯蕷皂苷，無論是自然發(fā)酵法還是真菌發(fā)酵法，都至少需要5天以上；選用特定的糖苷酶進(jìn)行水解，存在選擇性差、水解不完全等缺點(diǎn)，而實(shí)際上目前發(fā)現(xiàn)的活性較高、選擇性較好的糖苷酶菌種并不多。為此，皂苷的高溫催化技術(shù)也是該領(lǐng)域的又一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。本發(fā)明專利致力于開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)資源高效利用，具有較好的清潔生產(chǎn)效果和較高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性能的黃姜薯蕷皂苷元生產(chǎn)工藝。其工藝技術(shù)思想主要如下1.分離淀粉對(duì)黃姜進(jìn)行濕法粉碎打漿，通過靜置分層，分離出游離淀粉顆粒。通過物理法進(jìn)行分離，而不必使用淀粉酶水解。2.釋放皂苷黃姜的薯蕷皂苷與纖維素、半纖維素以及一些淀粉顆粒結(jié)合緊密， 通過加入淀粉酶、半纖維素酶的作用，能夠起到釋放薯蕷皂苷的作用。將皂苷附著的纖維素、半纖維素以及淀粉水解去除，能夠大幅度減少后道工序酸耗量。3.水解皂苷。采用微波輔助酸法水解工藝，因微波化學(xué)的高效性，不再需要大量的高濃度酸，而且能夠大幅度縮短時(shí)間，水解過程僅需幾分鐘。4.皂苷元回收。采用回流提取法，可以高效回收皂苷元，因水解產(chǎn)物有效組分相對(duì)集中，溶劑用量很少，且產(chǎn)物純度較高。本發(fā)明中，淀粉的預(yù)分離、皂苷的釋放和皂苷元的水解是技術(shù)關(guān)鍵，尤其是微波催化工藝，充分利用了微波加速化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。在微波場(chǎng)下，極性化學(xué)分子能夠優(yōu)先吸收電磁能而高速振動(dòng)，在產(chǎn)生熱能的同時(shí)，也使分子活化，從而加快了反應(yīng)速度。關(guān)于微波用于黃姜薯蕷皂苷元的制備，現(xiàn)有公開發(fā)表的文獻(xiàn)中(李謙等.微波強(qiáng)化薯蕷皂苷水解的研究， 化學(xué)工程2007(3 ，12 :30-33 ；舒明勇.微波萃取法提取盾葉薯蕷皂苷元及含量分析.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008 (36)，31 :13694-13696)有所涉及，但顯然與本發(fā)明的技術(shù)路線和具體的參數(shù)控制是不一致的。本發(fā)明所屬課題國(guó)家863重點(diǎn)課題2011AA02211。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種基于酶法輔提和微波輔助水解的黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)工藝， 其實(shí)現(xiàn)主要步驟包括黃姜清洗去雜、破碎打漿、靜置分層、游離淀粉層分離、酶法預(yù)處理、纖維素過濾分離、皂苷離心回收、皂苷微波酸解、皂苷元溶劑提取以及重結(jié)晶等技術(shù)單元。工藝流程簡(jiǎn)圖參見附圖1。本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)如下(1)清洗去雜選擇新鮮黃姜的根莖部位，清洗去除泥沙，以免混入后道工序的淀粉中。(2)破碎打漿采用濕法粉碎，先使用粉碎機(jī)對(duì)根莖進(jìn)行粗粉碎，再通過打漿機(jī)細(xì)磨，使黃姜根莖中的淀粉顆粒破碎，充分釋放。打磨時(shí)，加入水量為原料量的3 10倍。(3)靜置分層漿液過20目濾網(wǎng)濾除纖維后，置于容器中靜置4 20h，使淀粉層充分沉降和壓實(shí)。虹吸出上層漿液，其中含有薯蕷皂苷，待處理。為提高回收率和淀粉質(zhì)量， 游離淀粉層可加少量水洗滌1 2次，洗滌水合并至上層漿液，黃姜淀粉可進(jìn)行綜合利用。
(4)酶處理將上層漿液及分離出的粗纖維合并進(jìn)行酶處理，先后或同時(shí)加入 α -淀粉酶、糖化酶、半纖維素酶中的一種或幾種，其加入量及相關(guān)酶解參數(shù)可參照商品化酶制劑推薦的用量和水解條件。(5)過濾離心使用20目濾網(wǎng)濾除粗纖維，再使用板框過濾或離心機(jī)分離出濾渣。 濾渣中含薯蕷皂苷，濾液含少量水解糖及部分水溶性雜質(zhì)，可進(jìn)行綜合利用。(6)微波酸解濾渣加入硫酸或鹽酸，使酸含量在0. 5 5%，放入非金屬耐腐蝕容器中，在工業(yè)型微波爐中進(jìn)行酸解。微波功率按照每IOOg物料投入50 200W，采用間歇微波加熱，每次1 2分鐘，總時(shí)間累計(jì)5 20分鐘，間歇期間，應(yīng)攪拌或翻動(dòng)物料，可適當(dāng)補(bǔ)充水分，避免物料燒焦。(7)溶劑提取酸解后濾渣，用堿調(diào)節(jié)其PH至中性，干燥后，加入5 10倍體積的石油醚進(jìn)行熱回流提取，回收石油醚獲得粗皂苷元。(8)重結(jié)晶粗皂苷元使用5 10倍體積的無水乙醇加熱溶解，濾除不溶物，濾液緩慢降溫，使皂苷元析出，過濾收集皂苷元，并用無水乙醇洗滌2 3次。真空干燥獲得薯蕷皂苷元。

圖1黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
1鮮黃姜1000g(含水量68% )，洗凈，粉碎，加水3000mL磨漿，漿液經(jīng)20目濾網(wǎng)過濾，分離出粗纖維。細(xì)漿置入容器中，靜置4h后，采用虹吸法吸出上層漿液約2500mL。下層淀粉層加入500mL水洗滌，再放置一段時(shí)間，吸出上層漿液。淀粉經(jīng)干燥，約為92g。經(jīng)檢測(cè)，淀粉中不含皂苷元。合并漿液及粗纖維渣，體積約為3000mL，調(diào)節(jié)pH至6. 0，加高溫α -淀粉酶(按 20U/ml)和糖化酶(按20U/ml)，70°C酶解4h。酶法處理后，濾網(wǎng)分離出粗纖維，再通過真空抽濾，獲得濕濾渣120g。分離出的粗纖維經(jīng)干燥后，質(zhì)量為157g(干重)，經(jīng)檢測(cè)，粗纖維中僅含微量皂苷元(小于萬分之五)。濾渣置于小燒杯中，加入10%濃硫酸6g，攪拌均勻后，覆蓋表面皿，放入微波爐中。調(diào)節(jié)微波輸入功率至120W并進(jìn)行加熱，每2分鐘間歇2分鐘，期間攪拌并滴加蒸餾水使物料表面潤(rùn)濕。累計(jì)加熱時(shí)間20分鐘后停止。冷卻后，滴加少量10% NaOH溶液使物料 PH至7. 0，然后進(jìn)行真空干燥，得物料38g。將上述水解物放入到圓底燒瓶中，加入石油醚(沸程60 90°C ) 100ml，于90°C 恒溫水浴中進(jìn)行熱回流，提取他結(jié)束，分出石油醚，并使用新鮮石油醚洗滌殘?jiān)?次，合并石油醚并進(jìn)行溶劑回收，得到浸膏7. 2g。浸膏加入IOOmL乙醇，60°C下攪拌溶解，并加入2g 活性炭，快速過濾去除不溶物，濾液至干凈燒瓶中，緩慢冷卻后放入4°C冰箱冷貯8h，析出白色針狀晶體，抽濾、洗滌，再真空干燥得到4. 7g薯蕷皂苷元。HPLC分析表明，粗皂苷元純度為69. 1 %，重結(jié)晶后皂苷元純度為96. 7 %，對(duì)粗干燥的回收率為89. 5 %，對(duì)原料(干重) 提取率1.47%。
上述產(chǎn)品制備過程中，其硫酸耗用量很低，僅微波酸解過程中使用了 0.6g硫酸。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，同樣原料采用直接酸解法，每IOOOg鮮黃姜需消耗濃硫酸M3g。
具體實(shí)施方式
2鮮黃姜IOOOg (含水量68% )，洗凈，粉碎，加水IOL磨漿，漿液經(jīng)20目濾網(wǎng)過濾， 分離出粗纖維。細(xì)漿置入容器中，靜置20h后，能清楚看到漿液分為三層，最底層為淀粉，最上層為澄清的液體。實(shí)驗(yàn)通過分析，皂苷主要集中在中間的渾濁區(qū)。本實(shí)施方式表明，打漿時(shí)如果加入較多的水，并經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間靜置，漿液分層行為與實(shí)施方式1中略有不同。在本實(shí)施方式中，不對(duì)上層清液進(jìn)行處理，僅收集中間渾濁區(qū)。游離淀粉層處理方式同實(shí)施方式1。合并漿液及粗纖維渣，體積約為3000mL，調(diào)節(jié)pH至6. 0,加高溫α -淀粉酶(按 20U/ml)，75°C酶解lh，再加入半纖維素酶(按20U/mL)，在50°C下繼續(xù)水解4h。酶法處理后，濾網(wǎng)分離出粗纖維，并用少量水洗1次。漿液再通過大容量離心機(jī)(8000r/min，IOmin) 獲得沉淀78g。沉淀置于小燒杯中，先加入10%濃硫酸20mL，攪拌均勻后，覆蓋表面皿，放入微波爐中。調(diào)節(jié)微波輸入功率至IOOW并進(jìn)行加熱，每2分鐘間歇2分鐘，期間補(bǔ)充10%濃硫酸 5mL，攪拌使其均勻。累計(jì)加熱時(shí)間10分鐘后停止。冷卻后，滴加少量10% NaOH溶液使物料PH至7.0，然后進(jìn)行真空干燥，得物料32g。石油醚提取及重結(jié)晶方法同實(shí)施方法1。最后獲得4. 2g薯蕷皂苷元，產(chǎn)品純度為97. 4%。
權(quán)利要求
1.一種基于酶法輔提和微波輔助水解的黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)工藝，其特征在于該工藝由黃姜清洗去雜、破碎打漿、靜置分層、淀粉分離、酶法輔提、皂苷微波酸解、皂苷元溶劑提取以及重結(jié)晶等技術(shù)單元構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的破碎打漿，是采用濕法粉碎或均質(zhì)使黃姜根莖中的淀粉顆粒破碎，充分釋放。濕法粉碎和均質(zhì)時(shí)，加水量與原料量的重量比為3 1 10 1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的靜置分層，是將漿液濾除粗纖維后置于容器中，靜置4 20h，使淀粉層充分沉降和壓實(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的酶法輔提是以靜置分層中的上層漿液及粗纖維為處理對(duì)象，不包括靜置分層中的游離淀粉層，可通過先后或同時(shí)加入α-淀粉酶、糖化酶、半纖維素酶中的一種或幾種實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的微波酸解是指在硫酸或鹽酸存在下，通過微波加熱來加速薯蕷皂苷元的水解，加酸量與薯蕷皂苷元粗品的重量比為0.5 99.5 5 95，微波功率按照每IOOg物料投入50 200W，微波加熱間歇進(jìn)行，累計(jì)時(shí)間5 20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的溶劑提取是將酸解后濾渣PH調(diào)節(jié)至中性，干燥后加入5 10倍質(zhì)量體積的石油醚進(jìn)行熱回流提取。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的重結(jié)晶是以粗皂苷元為對(duì)象，加入無水乙醇溶解，濾除不溶物后，再進(jìn)行緩慢降溫使皂苷元析出，所加乙醇體積與粗皂苷元質(zhì)量之比為5 1 10 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)單元在黃姜薯蕷皂苷元及其他皂苷元的生產(chǎn)工藝中的運(yùn)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于酶法輔提和微波酸解的黃姜薯蕷皂苷元清潔生產(chǎn)工藝，屬中藥提取領(lǐng)域。黃姜皂苷元是合成甾體藥物的一類重要的醫(yī)藥原料，但目前生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在較多污染。本發(fā)明工藝由黃姜清洗去雜、破碎打漿、靜置分層、淀粉分離、酶法輔提、皂苷微波酸解、皂苷元溶劑提取以及重結(jié)晶等技術(shù)單元構(gòu)成，通過對(duì)黃姜進(jìn)行濕法打漿，有效分離出游離淀粉，并通過酶法輔提，充分釋放皂苷，進(jìn)而通過微波酸解方式獲得皂苷元，其工藝過程酸用量極少，且能夠回收黃姜中的淀粉、纖維素等生物質(zhì)資源，能較好實(shí)現(xiàn)加工過程的清潔生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C07J71/00GK102424700SQ201110285328
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者史勁松, 張旦旦, 張曉梅, 李會(huì), 李恒, 梁靜怡, 竇文芳, 耿燕, 許正宏, 許鴻瑜, 錢建瑛, 陸震鳴 申請(qǐng)人:江南大學(xué)