黄姜皂素提取工艺研究进展

李江浩,葛台明

湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室,中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074

黄姜皂素提取工艺研究进展

李江浩,葛台明*

湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室,中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074

黄姜皂素是世界上甾体类激素药的重要基础原料。受自然环境限制，黄姜在我国的分布仅限于鄂西北和陕南地区，使得黄姜皂素产业成为当地的支柱产业之一。由于甾体类激素药的需求日益增加，黄姜皂素产业将持续保持俏销的势头。在此背景下，近年关于黄姜皂素提取工艺的研究很多，本文就近年黄姜皂素提取产业中的生产工艺的研究进展做了重点回顾，并分别简要地点评了各个进展的特点。在目前酸水解核心工艺无法被替代的情况下，作者根据自己的生产实践，提出实现产业的环保低能耗和持续发展的建议。

黄姜皂素;提取工艺;进展

黄姜皂素（Diosgenin），又称薯蓣皂苷元，是300多种甾体类激素药物的基础原材料，有“药用黄金”的美称。黄姜皂素是从黄姜的根状茎中提取出来的[1]。黄姜学名盾叶薯蓣，又称火头根，被子植物门，单子叶植物纲，薯蓣科薯蓣属草质缠绕性藤本植物[2]，是世界上薯蓣皂苷（元）含量最高的物种，也是目前最好的激素类药源植物。黄姜皂苷在黄姜根状茎中的含量大多集中在1～4%之间，其它成分包括40%淀粉、50%纤维素、还有少许色素等。

黄姜皂素的提取思路主要有两种：一种是传统工艺，先将含有皂苷的植物用酸水解，再用有机溶剂提取水解物中的皂素；另一种新思路，是直接从植物材料中的总皂苷提取出来，浓缩皂苷，然后仅水解浓缩后的皂苷，得到皂素。

其中提取过程的核心步骤是将黄姜中含有的薯蓣皂苷转化为薯蓣皂苷元，也就是黄姜皂素。

目前，我国黄姜皂素的生产方法能耗高，产率低，污染相当严重，其工业废水是强酸水，COD值高达30,000～50,000 mg·L-1。黄姜皂素生产企业主要集中在鄂西北和陕南地区[3]，这些区域既是黄姜主产区，又与我国南水北调工程的水源地重叠，所以研究出黄姜皂素的清洁生产工艺是我国政府非常重视、也是很多科研机构高度关注的课题。

1 黄姜皂素提取的传统工艺

黄姜皂素提取的传统工艺都是以酸水解为基础的[4]，主要思路：将含有皂苷的植物材料水解后，用有机溶剂提取水解物中的黄姜皂素。传统工艺带来了两大问题：一是自身酸水解带来的严重酸污染；二是黄姜中其他资源的大量浪费。

1.1 直接酸水解方法

直接酸水解方法简单快捷：将黄姜简单清洗后粉碎，用浓酸煮沸（加压）水解，将水解物水洗至中性，烘干，用汽油等有机溶剂提取水解物中的黄姜皂素。

直接酸解法成本低，操作简单，但是该方法收率低，而且黄姜中大量的淀粉和纤维素在没有利用的情况下直接被酸解，产生高COD、强酸性废水造成严重的环境污染。

1.2 预发酵—酸水解方法

预发酵法[5]是在传统的直接酸水解方法发展而来的一种黄姜皂素的提取工艺。该方法在黄姜清洗粉碎后和酸水解之间加入了一个预发酵环节：将粉碎好的黄姜在一定温度下保存数天，然后进行酸水解，水洗中和，烘干，提取皂素结晶。

该方法加上一个简单的预发酵步骤，虽然在一定程度上提高了黄姜皂素最终的收率，但是黄姜中的淀粉和纤维素也并没有回收利用，需要消耗大量的酸。

虽然黄姜皂素提取的传统工艺不能有效的将黄姜中所含的皂素完全提取出来，也不能合理的利用其中的淀粉和纤维素资源，并且严重污染环境，但是由于其操作简便，成本低廉，所以现在国内多数黄姜皂素生产企业，尤其是中小企业仍然用传统工艺进行生产。

图1 黄姜皂苷水解生成黄姜皂素的反应示意图Fig.1 Turmeric saponin hydrolysis reaction of generated diosgenin

2 黄姜皂素提取的新工艺

黄姜皂素提取的新工艺即采用先将黄姜中的总皂苷提取出来，浓缩皂苷，然后水解皂苷浓缩物的得到黄姜皂素的思路。同时新的提取方法也研究了黄姜皂素的精细提取工艺，提取高纯度，高质量的黄姜皂素，为更深入研究夯实了基础。

黄姜细胞中的薯蓣皂苷被纤维素和淀粉包裹，因此欲将黄姜细胞中薯蓣皂苷提取出来，就必须将薯蓣皂苷同淀粉和纤维素分离开。目前研究热点有分解分离法、有机溶剂萃取法以及通过新生技术超声-微波配合有机溶剂萃取、柱层析、薄层层析法、高效液相色谱等方法。

2.1 分解分离法

该工艺主要思路是将附着在薯蓣皂苷表面的纤维素和淀粉分离开来：主要有物理分离、酶分解和微生物分解等技术。

陈合[6]等研究物理双分离法提取黄姜皂素：取适量黄姜粉碎打浆，过滤分离出纤维素，再静置沉淀，分离出淀粉，悬浊液在3000 r·min-1下离心10 min，收集沉淀加酸水解。这些分离步骤基本保证了进入水解的物料中不含纤维素和淀粉。

向纪明[7]等进一步综合利用物理法与酶法结合，先利用物理法去除纤维素，再分别酶解制成羧甲基纤维素和糖液，其中糖液用于发酵制成乙醇，滤渣进行酸水解提取皂素。

赵书申[8]等用黑曲霉发酵处理黄姜粉碎料。黑曲霉能特异分解淀粉，产生柠檬酸，从而实现降低水解时的酸用量和得到有用的副产物柠檬酸。

王焰新[9]等报道的SMRH技术是将酶分解法同膜分离技术结合，SMRH技术的工艺流程是，先将黄姜粉碎，加入糖化酶、液化酶，将黄姜中的淀粉分解为糖。酶解产物过膜分离，将皂苷浓缩，同时分离得到糖液。糖液经发酵用于生产酒精。浓缩的皂苷利用酸水解得到黄姜皂素。该方法成功地将黄姜生产中的淀粉等酶解成用于乙醇发酵的糖液，实现了废物的资源化利用；通过膜分离技术将皂苷浓缩后再水解，显著减低了酸用量，使末端废水COD值降低至300 mg/L以下，实现了黄姜皂素生产废水的达标排放和清洁生产。

图2 黄姜细胞中薯蓣皂苷的存在形式Fig.2 The form of saponins in turmeric cells

分解分离法提取黄姜中的总皂苷再水解实现了黄姜中三大资源的有效分离，同时减少酸用量，但是分离淀粉和纤维素需要消耗大量的水，而且，由于皂苷与纤维素和淀粉结合紧密，简单的分解分离也使得最终皂素的纯度不高，还需有机溶剂回流提纯。同时繁杂的分离工艺也会造成薯蓣皂苷的流失，导致收率降低，最后大多数商家只关心皂素的得率，忽视淀粉和纤维素的后续加工。

2.2 有机溶剂萃取法

将黄姜中的薯蓣皂苷与淀粉和纤维素分离的另一种思路是根据不同物质溶解度的不同，用有机溶剂将黄姜细胞中的总皂苷萃取出来，一般常用的萃取剂有酒精等。其方法是：将黄姜清洗粉碎后发酵，待发酵结束后将黄姜发酵料用酒精浸泡，将浸泡后酒精溶液蒸发浓缩皂苷，然后水解皂苷，提取皂素。汤兴利[10]等以黄姜为原料，利用有机溶剂将黄姜中的总皂苷提取出来，然后经过水解、过滤、中和、提取、结晶等方法得到了高纯度的皂苷元。

该方法在实验室使用，产品纯度高，溶剂回收率高，酸用量少。但是在工业生产中由于有机溶剂消耗量大，成本过高而难以推广。

新疆自治区纪委第五纪检监察室出具的《到案经过》称，根据群众举报反映谢晖的问题线索，纪检部门经初步核实后，发现其涉嫌严重违纪。2015年6月30日，经自治区纪委常委会研究，报自治区党委同意，决定对其立案审查。7月22日，中纪委网站发布了谢晖的落马消息。同年12月29日，谢晖被刑事拘留，2016年1月16日被逮捕。

2.3 超声辅助提取法

超声萃取技术是利用超声波的强空化效应、强震动、强搅拌等作用来缩短天然产物中的有效成分溶入溶剂的时间，加快提取过程，提高提出率，同时低温也可保证有效成的天然状态。韩枫[11]等研究了超声波协同表面活性剂酒精溶液提取盾叶薯蓣中总皂苷的工艺，将黄姜粉碎后加入酒精溶液超声萃取，提取的皂苷溶液蒸发浓缩。通过实验，得到最佳萃取条件为30%酒精，超声波频率为25.8 kHz，萃取时间为40 min，料液比为1:10，最终水解后黄姜皂素的终得率为9.839%。

黄姜皂素提取工艺中，在水解前利用超声萃取方法提取浓缩黄姜中的总皂苷，是减少后期水解酸用量，以及降低废水中COD非常有效的方法，同时超声萃取能很好的保证提取产物的天然状态，有着很好的应用前景。但是噪声大，萃取溶剂消耗量大是超声萃取需要进一步解决的问题。

2.4 微波辅助提取法

与超声提取对比，在微波强烈的热效应和非热效应下，微波萃取拥有选择性高、溶剂消耗量少、不产生噪音、选择性高、操作时间短等优点，是中药产品提取很好的选择。目前该方法还处在研究的初级阶段。

2.5 柱层析法提取

一般的柱层析法均采用硅胶柱：制胶，将黄姜的发酵产物用甲醇溶解，等其完全溶解之后，再缓慢加入适量的硅胶（80～100目），不断搅拌,使发酵产物与硅胶结合，60℃水浴加热使甲醇完全挥发得到样品胶；装柱，将制好的样品胶装入装有分离胶的玻璃柱内，然后在其表面覆盖脱脂棉，分离胶要填实，保证各个胶面水平；梯度洗脱，先用氯仿通柱，将色素分离至胶底部，然后用氯仿-甲醇进行梯度洗脱，分别收集洗脱液，洗脱液减压蒸干即得到薯蓣皂苷单体。

在一般硅胶柱层析的基础上，有人利用反相硅胶C18柱层析法[12]：将硅胶在70%的酒精中浸泡过夜，以甲醇-水作为洗脱机冲洗平衡柱子后上样，样品用甲醇溶解，在其上铺脱脂棉，关闭柱子，待甲醇溶液完全加进去后再打开柱塞，使样品溶液与填充物等高，然后用甲醇-水进行梯度洗脱分离薯蓣皂苷。

一般硅胶柱对薯蓣皂苷有较大的吸附，在洗脱时容易造成薯蓣皂苷的损失，而反相硅胶柱则更易结合极性大的化合物，对于薯蓣皂苷有较好的分离效果，但是该方法较为费事，而且溶剂不易于回收。

2.6 薄层层析提取法

薄层层析法分离薯蓣皂苷，关键在展开剂系统的选择。比较常用的展开剂系统是氯仿-甲醇-水混合溶剂。

将黄姜发酵产物用甲醇溶解以后，以条带状点在薄层板上，然后用氯仿-甲醇-水（65:35:10）为展开剂展开，去除吹干后用碘熏显色，与样品对比，用铅笔画出薯蓣皂苷的条带，将薯蓣皂苷条带用甲醇浸泡超声，浓缩后用于其它检测试验。

薄层层析法优点是可以同时分离提取多个样品中的薯蓣皂苷，大大提高了分离提取的效率，而且该方法分离纯度高，该法的关键在于找到合适的展开剂，不足是一次分离量少。

相对于传统的直接（预发酵）酸水解法，新的提取工艺能将皂苷与淀粉和纤维素分离开，为综合利用黄姜资源，提高产品纯度和质量，减少酸污染指明了方向；目前，国内外研究比较多的皂素提取工艺主要是超声-微波辅助提取，但该方法与工业生产对接还不理想，新工艺走向生产还有很长的路要走。工业生产中，为提取高纯度黄姜皂素，企业一般采用柱层析法提取，该方法在工业上运用比较成熟。

3 黄姜皂素的检测技术

3.1 分光光度法

运用分光光度法需要对测定的黄姜提取物进行提前脱色，因此会带来一定的误差，而且该方法需要用到酸性、氧化性和腐蚀性都很强的试剂，所以使用时要特别注意安全。在工业生产中运用时，一般不进行脱色，另外测定时要对显色时间、波长、和显色温度严格控制，否则会严重影响测定结果[13]。

3.2 旋光法

根据皂素的结构特点，工业上也会采用旋光法测定皂苷元含量。该方法相对于分光光度法的优点在于不需要进行复杂的脱色，只需要将样品溶解后即可测定，也不需要强氧化等试剂和价格高昂的设备，具有简便快速，结果准确的优点，但是该方法不适于粗提物的检测。

3.3 气相色谱法

气相色谱法测定黄姜皂素的难点在于：黄姜皂素的沸点较高，不易气化，所以气相色谱前要对其进行衍生化，另外，气相色谱仪器价格非常昂贵，一般小的实验室和黄姜皂素生产企业都没有充足的资金来购买仪器和引进人才，所以在实际检测中应用并不广泛。

3.4 高效液相色谱

高效液相色谱是大多数研究黄姜皂素的实验室青睐的检测方法[14]。其主要优点在于可快速准确的检测出皂素的含量，不需要进行预分离，也不需要进行衍生化。但是由于黄姜皂素的紫外吸收较弱，流动相的选择比较困难，因此，常用蒸发光散射检测技术作为辅助，蒸发光散射技术只与样品质量有关，与紫外吸收无关，所以大大提高了检测的灵敏度和稳定性。

随着分析仪器与计算机技术的不断进步，黄姜皂素的检测方法也将不断革新，新的技术（如核磁共振等）也将会运用到黄姜皂素的检测中[15]。2013年有人用近红外漫反射光谱结合TQ软件建立黄姜皂素定量模型[16]则是黄姜皂素检测技术走向成熟的又一进步。

4 总结展望

黄姜皂素作为医药界重要的基础原材料，随着需求的不断增加，黄姜皂素的产业链在不断扩大升级。目前的生产工艺不能满足市场需求，同时高能耗、高污染的现状也不符合生态和国家发展要求，而新的提取工艺在运用到实际生产中还需要磨合和改进。因此，一方面，在运用酸水解工艺时，尽量提高酸利用率，同时要做好后期废水处理，以及黄姜资源综合利用；另一方面，要努力将实验室中先进的生产工艺与工业生产对接，实现产业的环保低能耗和持续发展。

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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计划:黄姜皂素水污染控制技术及工程示范(2004AA601050)

李江浩(1988-),男,汉族,硕士研究生,研究方向:植物细胞工程、分子生物学检验技术.E-mail:804181613@qq.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:1042549828@qq.com