黃姜皂素提取工藝研究進展

李江浩,葛臺明

濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室,中國地質大學(武漢)環境學院,湖北武漢430074

黃姜皂素提取工藝研究進展

李江浩,葛臺明*

濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室,中國地質大學(武漢)環境學院,湖北武漢430074

黃姜皂素是世界上甾體類激素藥的重要基礎原料。受自然環境限制，黃姜在我國的分布僅限于鄂西北和陜南地區，使得黃姜皂素產業成為當地的支柱產業之一。由于甾體類激素藥的需求日益增加，黃姜皂素產業將持續保持俏銷的勢頭。在此背景下，近年關于黃姜皂素提取工藝的研究很多，本文就近年黃姜皂素提取產業中的生產工藝的研究進展做了重點回顧，并分別簡要地點評了各個進展的特點。在目前酸水解核心工藝無法被替代的情況下，作者根據自己的生產實踐，提出實現產業的環保低能耗和持續發展的建議。

黃姜皂素;提取工藝;進展

黃姜皂素（Diosgenin），又稱薯蕷皂苷元，是300多種甾體類激素藥物的基礎原材料，有“藥用黃金”的美稱。黃姜皂素是從黃姜的根狀莖中提取出來的[1]。黃姜學名盾葉薯蕷，又稱火頭根，被子植物門，單子葉植物綱，薯蕷科薯蕷屬草質纏繞性藤本植物[2]，是世界上薯蕷皂苷（元）含量最高的物種，也是目前最好的激素類藥源植物。黃姜皂苷在黃姜根狀莖中的含量大多集中在1～4%之間，其它成分包括40%淀粉、50%纖維素、還有少許色素等。

黃姜皂素的提取思路主要有兩種：一種是傳統工藝，先將含有皂苷的植物用酸水解，再用有機溶劑提取水解物中的皂素；另一種新思路，是直接從植物材料中的總皂苷提取出來，濃縮皂苷，然后僅水解濃縮后的皂苷，得到皂素。

其中提取過程的核心步驟是將黃姜中含有的薯蕷皂苷轉化為薯蕷皂苷元，也就是黃姜皂素。

目前，我國黃姜皂素的生產方法能耗高，產率低，污染相當嚴重，其工業廢水是強酸水，COD值高達30,000～50,000 mg·L-1。黃姜皂素生產企業主要集中在鄂西北和陜南地區[3]，這些區域既是黃姜主產區，又與我國南水北調工程的水源地重疊，所以研究出黃姜皂素的清潔生產工藝是我國政府非常重視、也是很多科研機構高度關注的課題。

1 黃姜皂素提取的傳統工藝

黃姜皂素提取的傳統工藝都是以酸水解為基礎的[4]，主要思路：將含有皂苷的植物材料水解后，用有機溶劑提取水解物中的黃姜皂素。傳統工藝帶來了兩大問題：一是自身酸水解帶來的嚴重酸污染；二是黃姜中其他資源的大量浪費。

1.1 直接酸水解方法

直接酸水解方法簡單快捷：將黃姜簡單清洗后粉碎，用濃酸煮沸（加壓）水解，將水解物水洗至中性，烘干，用汽油等有機溶劑提取水解物中的黃姜皂素。

直接酸解法成本低，操作簡單，但是該方法收率低，而且黃姜中大量的淀粉和纖維素在沒有利用的情況下直接被酸解，產生高COD、強酸性廢水造成嚴重的環境污染。

1.2 預發酵—酸水解方法

預發酵法[5]是在傳統的直接酸水解方法發展而來的一種黃姜皂素的提取工藝。該方法在黃姜清洗粉碎后和酸水解之間加入了一個預發酵環節：將粉碎好的黃姜在一定溫度下保存數天，然后進行酸水解，水洗中和，烘干，提取皂素結晶。

該方法加上一個簡單的預發酵步驟，雖然在一定程度上提高了黃姜皂素最終的收率，但是黃姜中的淀粉和纖維素也并沒有回收利用，需要消耗大量的酸。

雖然黃姜皂素提取的傳統工藝不能有效的將黃姜中所含的皂素完全提取出來，也不能合理的利用其中的淀粉和纖維素資源，并且嚴重污染環境，但是由于其操作簡便，成本低廉，所以現在國內多數黃姜皂素生產企業，尤其是中小企業仍然用傳統工藝進行生產。

圖1 黃姜皂苷水解生成黃姜皂素的反應示意圖Fig.1 Turmeric saponin hydrolysis reaction of generated diosgenin

2 黃姜皂素提取的新工藝

黃姜皂素提取的新工藝即采用先將黃姜中的總皂苷提取出來，濃縮皂苷，然后水解皂苷濃縮物的得到黃姜皂素的思路。同時新的提取方法也研究了黃姜皂素的精細提取工藝，提取高純度，高質量的黃姜皂素，為更深入研究夯實了基礎。

黃姜細胞中的薯蕷皂苷被纖維素和淀粉包裹，因此欲將黃姜細胞中薯蕷皂苷提取出來，就必須將薯蕷皂苷同淀粉和纖維素分離開。目前研究熱點有分解分離法、有機溶劑萃取法以及通過新生技術超聲-微波配合有機溶劑萃取、柱層析、薄層層析法、高效液相色譜等方法。

2.1 分解分離法

該工藝主要思路是將附著在薯蕷皂苷表面的纖維素和淀粉分離開來：主要有物理分離、酶分解和微生物分解等技術。

陳合[6]等研究物理雙分離法提取黃姜皂素：取適量黃姜粉碎打漿，過濾分離出纖維素，再靜置沉淀，分離出淀粉，懸濁液在3000 r·min-1下離心10 min，收集沉淀加酸水解。這些分離步驟基本保證了進入水解的物料中不含纖維素和淀粉。

向紀明[7]等進一步綜合利用物理法與酶法結合，先利用物理法去除纖維素，再分別酶解制成羧甲基纖維素和糖液，其中糖液用于發酵制成乙醇，濾渣進行酸水解提取皂素。

趙書申[8]等用黑曲霉發酵處理黃姜粉碎料。黑曲霉能特異分解淀粉，產生檸檬酸，從而實現降低水解時的酸用量和得到有用的副產物檸檬酸。

王焰新[9]等報道的SMRH技術是將酶分解法同膜分離技術結合，SMRH技術的工藝流程是，先將黃姜粉碎，加入糖化酶、液化酶，將黃姜中的淀粉分解為糖。酶解產物過膜分離，將皂苷濃縮，同時分離得到糖液。糖液經發酵用于生產酒精。濃縮的皂苷利用酸水解得到黃姜皂素。該方法成功地將黃姜生產中的淀粉等酶解成用于乙醇發酵的糖液，實現了廢物的資源化利用；通過膜分離技術將皂苷濃縮后再水解，顯著減低了酸用量，使末端廢水COD值降低至300 mg/L以下，實現了黃姜皂素生產廢水的達標排放和清潔生產。

圖2 黃姜細胞中薯蕷皂苷的存在形式Fig.2 The form of saponins in turmeric cells

分解分離法提取黃姜中的總皂苷再水解實現了黃姜中三大資源的有效分離，同時減少酸用量，但是分離淀粉和纖維素需要消耗大量的水，而且，由于皂苷與纖維素和淀粉結合緊密，簡單的分解分離也使得最終皂素的純度不高，還需有機溶劑回流提純。同時繁雜的分離工藝也會造成薯蕷皂苷的流失，導致收率降低，最后大多數商家只關心皂素的得率，忽視淀粉和纖維素的后續加工。

2.2 有機溶劑萃取法

將黃姜中的薯蕷皂苷與淀粉和纖維素分離的另一種思路是根據不同物質溶解度的不同，用有機溶劑將黃姜細胞中的總皂苷萃取出來，一般常用的萃取劑有酒精等。其方法是：將黃姜清洗粉碎后發酵，待發酵結束后將黃姜發酵料用酒精浸泡，將浸泡后酒精溶液蒸發濃縮皂苷，然后水解皂苷，提取皂素。湯興利[10]等以黃姜為原料，利用有機溶劑將黃姜中的總皂苷提取出來，然后經過水解、過濾、中和、提取、結晶等方法得到了高純度的皂苷元。

該方法在實驗室使用，產品純度高，溶劑回收率高，酸用量少。但是在工業生產中由于有機溶劑消耗量大，成本過高而難以推廣。

新疆自治區紀委第五紀檢監察室出具的《到案經過》稱，根據群眾舉報反映謝暉的問題線索，紀檢部門經初步核實后，發現其涉嫌嚴重違紀。2015年6月30日，經自治區紀委常委會研究，報自治區黨委同意，決定對其立案審查。7月22日，中紀委網站發布了謝暉的落馬消息。同年12月29日，謝暉被刑事拘留，2016年1月16日被逮捕。

2.3 超聲輔助提取法

超聲萃取技術是利用超聲波的強空化效應、強震動、強攪拌等作用來縮短天然產物中的有效成分溶入溶劑的時間，加快提取過程，提高提出率，同時低溫也可保證有效成的天然狀態。韓楓[11]等研究了超聲波協同表面活性劑酒精溶液提取盾葉薯蕷中總皂苷的工藝，將黃姜粉碎后加入酒精溶液超聲萃取，提取的皂苷溶液蒸發濃縮。通過實驗，得到最佳萃取條件為30%酒精，超聲波頻率為25.8 kHz，萃取時間為40 min，料液比為1:10，最終水解后黃姜皂素的終得率為9.839%。

黃姜皂素提取工藝中，在水解前利用超聲萃取方法提取濃縮黃姜中的總皂苷，是減少后期水解酸用量，以及降低廢水中COD非常有效的方法，同時超聲萃取能很好的保證提取產物的天然狀態，有著很好的應用前景。但是噪聲大，萃取溶劑消耗量大是超聲萃取需要進一步解決的問題。

2.4 微波輔助提取法

與超聲提取對比，在微波強烈的熱效應和非熱效應下，微波萃取擁有選擇性高、溶劑消耗量少、不產生噪音、選擇性高、操作時間短等優點，是中藥產品提取很好的選擇。目前該方法還處在研究的初級階段。

2.5 柱層析法提取

一般的柱層析法均采用硅膠柱：制膠，將黃姜的發酵產物用甲醇溶解，等其完全溶解之后，再緩慢加入適量的硅膠（80～100目），不斷攪拌,使發酵產物與硅膠結合，60℃水浴加熱使甲醇完全揮發得到樣品膠；裝柱，將制好的樣品膠裝入裝有分離膠的玻璃柱內，然后在其表面覆蓋脫脂棉，分離膠要填實，保證各個膠面水平；梯度洗脫，先用氯仿通柱，將色素分離至膠底部，然后用氯仿-甲醇進行梯度洗脫，分別收集洗脫液，洗脫液減壓蒸干即得到薯蕷皂苷單體。

在一般硅膠柱層析的基礎上，有人利用反相硅膠C18柱層析法[12]：將硅膠在70%的酒精中浸泡過夜，以甲醇-水作為洗脫機沖洗平衡柱子后上樣，樣品用甲醇溶解，在其上鋪脫脂棉，關閉柱子，待甲醇溶液完全加進去后再打開柱塞，使樣品溶液與填充物等高，然后用甲醇-水進行梯度洗脫分離薯蕷皂苷。

一般硅膠柱對薯蕷皂苷有較大的吸附，在洗脫時容易造成薯蕷皂苷的損失，而反相硅膠柱則更易結合極性大的化合物，對于薯蕷皂苷有較好的分離效果，但是該方法較為費事，而且溶劑不易于回收。

2.6 薄層層析提取法

薄層層析法分離薯蕷皂苷，關鍵在展開劑系統的選擇。比較常用的展開劑系統是氯仿-甲醇-水混合溶劑。

將黃姜發酵產物用甲醇溶解以后，以條帶狀點在薄層板上，然后用氯仿-甲醇-水（65:35:10）為展開劑展開，去除吹干后用碘熏顯色，與樣品對比，用鉛筆畫出薯蕷皂苷的條帶，將薯蕷皂苷條帶用甲醇浸泡超聲，濃縮后用于其它檢測試驗。

薄層層析法優點是可以同時分離提取多個樣品中的薯蕷皂苷，大大提高了分離提取的效率，而且該方法分離純度高，該法的關鍵在于找到合適的展開劑，不足是一次分離量少。

相對于傳統的直接（預發酵）酸水解法，新的提取工藝能將皂苷與淀粉和纖維素分離開，為綜合利用黃姜資源，提高產品純度和質量，減少酸污染指明了方向；目前，國內外研究比較多的皂素提取工藝主要是超聲-微波輔助提取，但該方法與工業生產對接還不理想，新工藝走向生產還有很長的路要走。工業生產中，為提取高純度黃姜皂素，企業一般采用柱層析法提取，該方法在工業上運用比較成熟。

3 黃姜皂素的檢測技術

3.1 分光光度法

運用分光光度法需要對測定的黃姜提取物進行提前脫色，因此會帶來一定的誤差，而且該方法需要用到酸性、氧化性和腐蝕性都很強的試劑，所以使用時要特別注意安全。在工業生產中運用時，一般不進行脫色，另外測定時要對顯色時間、波長、和顯色溫度嚴格控制，否則會嚴重影響測定結果[13]。

3.2 旋光法

根據皂素的結構特點，工業上也會采用旋光法測定皂苷元含量。該方法相對于分光光度法的優點在于不需要進行復雜的脫色，只需要將樣品溶解后即可測定，也不需要強氧化等試劑和價格高昂的設備，具有簡便快速，結果準確的優點，但是該方法不適于粗提物的檢測。

3.3 氣相色譜法

氣相色譜法測定黃姜皂素的難點在于：黃姜皂素的沸點較高，不易氣化，所以氣相色譜前要對其進行衍生化，另外，氣相色譜儀器價格非常昂貴，一般小的實驗室和黃姜皂素生產企業都沒有充足的資金來購買儀器和引進人才，所以在實際檢測中應用并不廣泛。

3.4 高效液相色譜

高效液相色譜是大多數研究黃姜皂素的實驗室青睞的檢測方法[14]。其主要優點在于可快速準確的檢測出皂素的含量，不需要進行預分離，也不需要進行衍生化。但是由于黃姜皂素的紫外吸收較弱，流動相的選擇比較困難，因此，常用蒸發光散射檢測技術作為輔助，蒸發光散射技術只與樣品質量有關，與紫外吸收無關，所以大大提高了檢測的靈敏度和穩定性。

隨著分析儀器與計算機技術的不斷進步，黃姜皂素的檢測方法也將不斷革新，新的技術（如核磁共振等）也將會運用到黃姜皂素的檢測中[15]。2013年有人用近紅外漫反射光譜結合TQ軟件建立黃姜皂素定量模型[16]則是黃姜皂素檢測技術走向成熟的又一進步。

4 總結展望

黃姜皂素作為醫藥界重要的基礎原材料，隨著需求的不斷增加，黃姜皂素的產業鏈在不斷擴大升級。目前的生產工藝不能滿足市場需求，同時高能耗、高污染的現狀也不符合生態和國家發展要求，而新的提取工藝在運用到實際生產中還需要磨合和改進。因此，一方面，在運用酸水解工藝時，盡量提高酸利用率，同時要做好后期廢水處理，以及黃姜資源綜合利用；另一方面，要努力將實驗室中先進的生產工藝與工業生產對接，實現產業的環保低能耗和持續發展。

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AReview of the Study on the Diosgenin Extraction

LI Jiang-hao,GE Tai-ming*
Hubei Key Laboratory of Wetland Evolution and Ecological Restoration,School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

Diosgenin;extraction process;progress

Q815

A

1000-2324(2014)03-0476-05

2012-11-24

2013-03-11

科技部863計劃:黃姜皂素水污染控制技術及工程示范(2004AA601050)

李江浩(1988-),男,漢族,碩士研究生,研究方向:植物細胞工程、分子生物學檢驗技術.E-mail:804181613@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:1042549828@qq.com