黄姜皂素提取新工艺研究_潘鹤林

2011 年 4 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Apr. 2011文章编号：1003-9015(2011)02-0296-06黄姜皂素提取新工艺研究潘鹤林, 陈晨, 商利容(华东理工大学化工学院, 上海 200237)摘要：以酒精为溶剂提取黄姜干粉中的皂苷，皂苷经水解、过滤、中和、干燥、石油醚抽提、结晶、重结晶得到纯度较高的黄姜皂素。

实验中采用热提取和高压均质提取两工艺。

研究了热提取工艺中溶剂用量、料液比、温度、时间和次数等对皂素收率的影响：溶剂为95%(v)的酒精，料液比为5:1，提取温度为60℃，提取3次，提取时间分别为2 h、1 h、0.5 h时，皂素收率可达2.45%。

在此基础上，为提高提取效率，也考察了高压均质提取工艺过程，60 MPa压力下均质提取可达到与热提取同等效果。

热提取和高压均质提取工艺因预先分离了皂苷、淀粉和纤维素等，因此大大降低了酸解工艺的处理量，使得皂苷酸解耗酸量和废水量较传统工艺大幅下降，且皂素收率有所提高。

关键词：黄姜皂素；溶剂；热提取；高压均质提取中图分类号：TQ028.9；TQ467.8；文献标识码：AResearch on New Extraction Process for DiosgeninPAN He-lin, CHEN Chen, SHANG Li-rong(College of Chemical Engineering, East China University of Science & Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The dioscin was extracted from dried yam powder with alcohol in this study. After hydrolysis, filtration, neutralization, dehydration drying, extraction with petroleum ether and recrystallization, high purity diosgenin was obtained. Experiments were carried out by method of hot extraction and high pressure homogeniser extraction, respectively. Results of hot extraction process show that, after three times extraction for 2 h-1 h-0.5 h, the yield of diosgenin can reach 2.45% by using 95%(v) alcohol as solvent, liquid-solid ratio 5:1 and temperature 60℃. High pressure homogeniser extraction process was also studied to increase extraction efficiency. The result shows that the effect of high pressure homogeniser extraction with pressure 60 MPa is equal to that of hot extraction. Because active ingredient dioscin was beforehand separated from starch and cellulose, treatment capacity of hydrolyzing process reduced. Acid consumption and waste water in hot extraction and high pressure homogeniser extraction decrease dramatically in comparison with the traditional process, and the yield of diosgenin increases.Key words: diosgenin; solvent; hot extraction; high pressure homogeniser extraction1引言黄姜皂素又名薯蓣皂苷元(Diosgenin)，化学名为△5-异螺旋甾烯-3β-醇，是一种重要的精细化工中间体，在医药、农药、保健品等领域应用广泛[1~7]。

黄姜皂素是甾体类化合物，化学合成过程线路长且不经济，工业上采用从植物原料黄姜中提取的方法生产。

黄姜被誉为“药用黄金”，其所含皂素可用作多种甾体药物的生产原料，为我国特有品种，根茎含有黄姜皂素及45% ~ 50% 淀粉，40% ~ 50% 的纤维素，还含有黄色素、单宁等，其中黄姜皂素含量约为2.5%，居世界薯蓣属植物之冠，因此黄姜是一种经济效益高、开发潜力大的药用植物资源。

目前国内大多皂素厂都采用预发酵-酸水解工艺生产黄姜皂素，传统生产工艺皂素收率低、污染严重，据统计，每生产1 t皂素所产生的废水高达500~1 000 m3[4]，严重阻碍了皂素生产的可持续发展。

本研究收稿日期：2010-01-23；修订日期：2010-06-18。

作者简介：潘鹤林(1965-)，男，江苏扬州人，华东理工大学副教授，硕士。

通讯联系人：潘鹤林，E-mail：panhl@Time / min图1 粉碎时间对姜粉颗粒平均直径的影响Fig.1 Effect of the smashing timeon powder diameterP o w d e r d i a m e t e r / μmTime / min图2 姜粉粉碎时间对皂素收率的影响 Fig.2 Effect of the smashing time ondiosgenin yieldY i e l d / % (w t )用乙醇水溶液为溶剂提取黄姜干粉中含量约5% 的皂苷，酸解皂苷生产黄姜皂素，皂素的收率提高，且大幅减少酸用量和废水量，资源的综合利用率也得到提高，旨在开发一种符合清洁生产要求的黄姜皂素提取新工艺。

2 实验部分2.1 原料与试剂不同粉碎时间、不同粉碎状况的黄姜干粉(产自中国黄姜之乡湖北省郧西县，经清洗、切片、干燥、粉碎工艺得到)。

95% 酒精(体积含量)，工业级；石油醚，分析纯；浓硫酸，分析纯；水等。

2.2 仪器与设备GYB 系列高压均质机(实验型，上海东华高压均质机厂生产)，振动磨(CWJ 超微粉碎机，浙江丰利粉碎设备有限公司生产)，恒温水浴锅，电热套，磁力搅拌加热器，循环水式真空泵，冷凝管，布氏漏斗，圆底烧瓶，加压酸解反应釜，索氏提取器，红外干燥箱，温度计等。

2.3 提取工艺 2.3.1 热提取工艺过程以50 g 黄姜干粉为原料，以乙醇水溶液为溶剂，按照料液比将黄姜粉和乙醇水溶液加入圆底烧瓶中，磁力搅拌，在一定温度下，提取若干次，每次提取一定时间。

各次的提取物过滤后将滤液合并，减压浓缩，浓缩物残留物在[H +]=1 mol ⋅L −1的稀硫酸中进行酸催化水解反应，控制压力为0.07~0.08 MPa ，酸解时间5 h 。

水解物过滤、中和、洗涤、干燥后在索氏提取器中用石油醚抽提，提取器中加入适量活性炭，使提取脱色一次完成。

石油醚提取物经浓缩、结晶、重结晶等工艺得到纯度较高的黄姜皂素产品。

2.3.2 高压均质提取工艺过程以50 g 黄姜干粉为原料，以乙醇水溶液为溶剂，按照热提取工艺的料液比混合均匀，将物料倒入高压均质机中在一定的操作压力下均质提取皂苷。

提取物过滤后保留滤液，滤渣再均质提取；重复提取若干次，合并滤液。

合并后的滤液后续处理和热提取工艺相同。

3 结果与讨论3.1 热提取工艺的影响因素3.1.1 姜粉粉碎状况对提取收率的影响首先考察原料细胞壁破碎状况及物料尺度对皂苷提取过程的影响。

由于原料的粉碎时间直接影响到物料的粉碎状况，因此分别对粉碎10，11，13，15，17，20 min 的同一品种的50 g 黄姜干粉(粉体颗粒直径随粉碎时间的变化如图1所示)所示。

图1、图2表明，粉碎时间直接影响粉体颗粒平均直径，对提取收率有着重要影响。

当粉碎时间在Y i e l d / % (w t )Concentration / % (V)Y i e l d / w t %图3 乙醇浓度对皂素收率的影响Fig.3 Effect of the alcohol concentration on diosgenin yield图4 料液比对皂素收率的影响Fig.4 Effect of the liquid-solid ratio on diosgenin yieldY i e l d / % (w t ) 15 min(颗粒直径38 μm ，400目)以下时，皂素收率极低，粉碎15 min 时收率明显改善，当粉碎时间达到17 min(直径24 μm ，600目)时，收率达到实验条件下的最大值2.44%，粉碎20 min 的(直径21 μm)姜粉进行实验发现收率不再增加。

皂苷存在于黄姜干粉的细胞壁内，皂苷的提取是一个固液萃取过程，提取过程应尽量使皂苷溶解于溶剂。

黄姜切片粉碎过程中，部分细胞壁破裂，颗粒直径变小，比表面积增大，固液萃取的传质面积增加，根据费克定律，扩散速率提高。

因此，原料的粉碎和细胞壁的破坏有利于皂苷的溶出，进而提高皂素的收率，改善提取效果。

3.1.2 提取溶剂乙醇含量的选择经过预试验发现，黄姜皂苷在不同含量乙醇水溶液中溶解性能有所不同。

为寻求溶剂中较佳乙醇含量，设计了乙醇体积含量分别为95%，90%，85%，80%，75%，70% 六种溶剂进行对比实验，结果如图3所示。

图3表明，随着溶剂中乙醇含量的降低，皂素收率呈下降趋势，尤其当乙醇含量低于85%时，皂素收率较低。

而且随着乙醇含量的降低，得到的皂苷中含较多水溶性杂质，增加了酸解工艺的耗酸量。

黄姜皂苷以醇溶性为主，在高含量乙醇溶剂中溶解度大，传质阻力小，提取收率高。

在低含量乙醇溶剂中皂苷溶解度较小，容易达到饱和，提取过程处于溶解平衡状态，皂苷净溶出量不大，导致收率下降。

另外，用低含量乙醇作热提取溶剂，气温较高的季节提取物易发霉。

当采用无水乙醇(体积浓度≥99.5%)进行提取实验时，提取收率仅为2.31%，较95%乙醇收率略有所降低，说明95%乙醇是实验条件下的最佳提取溶剂，笔者经过多次实验证实无水乙醇作溶剂提取时，收率确实较95%乙醇收率低。