硫酸水解法提取薯蕷皂苷元的工藝*

劉樹興，侯屹，李祥，劉禹呈

1(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安，710021)2(陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安，710021)

硫酸水解法提取薯蕷皂苷元的工藝*

劉樹興1，侯屹1，李祥2，劉禹呈2

1(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安，710021)2(陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安，710021)

以 盾葉薯蕷為原料，研究了硫酸水解法生產薯蕷皂苷元的工藝。考察了硫酸水解時間、硫酸用量、索氏提取時間和硫酸濃度對薯蕷皂苷硫酸水解的影響，通過正交實驗優化了工藝。結果表明，硫酸水解的最佳條件為:硫酸水解時間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。該工藝能獲得皂苷元得率為3.762%，且酸污染少。

盾 葉薯蕷，薯蕷皂苷，薯蕷皂苷元，水解條件

盾葉薯蕷(Dioscorea zingiberensis.C.H.Wright)俗稱黃姜，為我國特有的薯蕷科薯蕷屬植物。其根莖含有薯蕷皂苷(dioscin)，它既是心血管疾病藥物的主要藥源，又能得到用于合成甾體激素和口服避孕藥的薯蕷皂苷元(diosgenin)，有著十分廣泛的應用［1］。

目前，工業上生產薯蕷皂苷元，主要采用直接酸水解法，該法收率較低，且廢水和廢渣多，易造成環境污染［2－5］。為了解決上述問題，眾多學者提出了許多解決方案，其中之一就是預分離法。先將薯蕷皂苷從黃姜中提取出來，然后再進行酸水解［6］。這樣不但減少了酸用量、降低了污染，而且可將廢水和廢渣加以利用，變廢為寶，得到鼠李糖、酒精等副產品［7－8］。

基于這種思路，本工作采用超聲波和表面活性劑2種處理方法，輔助乙醇提取皂苷。在得到皂苷后，探索合適的酸水解條件，使皂苷盡可能的轉化為皂苷元，并采用正交實驗設計的方法，對皂苷轉化為皂苷元過程中的重要條件進行了優化。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

盾葉薯蕷，陜西省安康市采購;薯蕷皂苷元標準品，上海融禾醫藥科技發展有限公司(批號:100312);石油醚，天津化學試劑有限公司(沸程:60～90℃);乙腈，色譜純;以及實驗室常用化學試劑。

1.2 儀器與設備

SC-Ⅲ型多頻聲化學發生器，成都市九洲機電工程研究所;BS2202S型電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司;旋轉蒸發器，上海申生科技有限公司;高效液相色譜儀，美國Waters公司。

1.3 盾葉薯蕷總皂苷的提取［9］

干黃姜經粉碎研磨(粗粉40～60目)，準確稱取10 g，以體積分數30%的乙醇為萃取劑，與用量為17.408×10－3mol/L的十二烷基硫酸鈉混勻。在黃姜與乙醇的質量比為1∶10，超聲波頻率為25.8 kHz，超聲時間為40 min的條件下，進行總皂苷的提取，完畢后抽濾，保留濾液備用。

1.4 薯蕷皂苷元的提取

將得到的總皂苷濾液于旋轉蒸發儀中濃縮，殘液中加入硫酸后，于電熱套上進行水解。抽濾，用蒸餾水水洗濾渣至中性，加入適量活性炭和濾渣一起包好，放入烘箱中烘干，于索氏提取器內加入80 mL石油醚進行薯蕷皂苷元的提取，提取完畢后，烘干，可得薯蕷皂苷元粗品并計算得率。

薯蕷皂苷元的得率為提取得到的薯蕷皂苷元質量占盾葉薯蕷原料的質量分數。

1.5 薯蕷皂苷元的鑒定

1.5.1 薄層色譜分析

薄層色譜條件為:展開劑V(三氯甲烷)∶V(甲醇)=5∶1;顯色劑:10%硫酸;Rf值=0.62。噴濕潤后于110℃烘烤10 min，得薯蕷皂苷元斑點，與標準品的斑點一致［10］。

1.5.2 熔點測定

在工業上，熔點的測定是衡量產品質量的重要標準。純薯蕷皂苷元的熔點為204～207℃，工業合格標準為:熔點≥195℃，熔程≤10℃［11］。對3次重結晶后的薯蕷皂苷元樣品進行熔點測定，熔點為200～204℃，熔程為4℃，符合相關標準。

1.5.3 高效液相色譜分析［12］

色譜條件:色譜柱為Diamonsil?C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm);流動相為 V(乙腈)∶V(水)=90∶10;流速為1.0 mL/min;柱溫為室溫;檢測波長為210 nm。

3次重結晶樣品經過高效液相色譜測定，樣品出峰時間和標準品出峰時間相近，通過標準曲線計算，樣品純度＞95%。

2 結果與分析

2.1 活性炭脫色效果的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，水解時間為4 h，索氏提取時間為4 h的條件下，分別改變活性炭的用量，按1.4進行皂苷元的提取并計算得率。由圖1可知，皂苷元的得率隨著活性炭用量的增加而呈現出下降的趨勢，這是由于活性炭不僅吸附了色素，還能吸附部分皂苷元的結果。但是從表1中可以發現，活性炭用量增大，皂苷元的損失固然增大，但脫色效果卻在不斷變好。當用量在5%時，已經能得到乳白色的產品且皂苷元損失不多，綜合考慮這兩個因素，故選擇5%為活性炭用量。

表1 活性炭脫色效果

圖1 活性炭用量對得率的影響

2.2 單因素條件的確定

2.2.1 硫酸水解時間的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，索氏提取時間為4h的條件下，分別改變水解時間，按1.4進行皂苷元的提取并計算得率。由圖2可知，隨著水解時間的增加，皂苷元的得率是逐漸增加的。當水解時間小于4 h時，由于水解的不完全，得率偏低;當水解時間大于4 h時，皂苷元得率處于一種平穩趨勢，證明反應已經基本完全。考慮到時間與收益的關系，選擇5 h為最佳硫酸水解時間。

圖2 硫酸水解時間對得率的影響

2.2.2 硫酸用量的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，水解時間為5 h，索氏提取時間為4h的條件下，分別改變硫酸的用量，按1.4進行皂苷元的提取并計算得率。從圖3可知，在硫酸用量為30 mL時，皂苷元的得率最高。繼續增加硫酸用量，皂苷元得率呈現下降的趨勢。這可能是因為，當硫酸用量為30 mL時，水解最為充分和適度。超過這個適度值，則造成H+濃度加大，逆向反應加快，反而使皂苷元得率降低［13］。故選擇30 mL為最適硫酸用量。

圖3 硫酸用量對得率的影響

2.2.3 索氏提取時間的影響

在硫酸濃度為2 mol/L，硫酸用量為30 mL，水解時間為5h的條件下，分別改變索氏提取時間，按1.4進行皂苷元的提取并計算得率。由圖4可知，皂苷元的得率隨著索氏提取時間的增加而顯著增加，當索氏提取時間達到6 h后趨于穩定。表明在索氏提取6h后，皂苷元已基本提取完全，繼續延長時間，雖然得率也略有增加，考慮到時間與收益的關系，故選擇6 h為最適索氏提取時間。

2.2.4 硫酸濃度的影響

在硫酸用量為30 mL，水解5 h，索氏提取時間為6 h的條件下，分別改變硫酸濃度，按1.4進行皂苷元的提取并計算得率。由圖5可知，隨著硫酸濃度的增加，皂苷元得率呈現出一種先增加后減少的趨勢，在酸濃度為1.5 mol/L時達到最大得率。發生這種現象的原因是，當酸濃度不夠大時，其催化能力較弱，會使水解不夠完全;而當酸濃度過大時，生成的皂苷元會發生分解，反而時得率降低［14］。

圖4 索氏提取時間對得率的影響

圖5 硫酸濃度對得率的影響

2.3 提取工藝的優化

2.3.1 正交實驗

對于皂苷元的提取來說，硫酸水解時間、硫酸用量、索氏提取時間和硫酸濃度4個因素都能影響其結果。本工作采用正交設計的方法，對以上4個因素安排L9(34)正交實驗，找出它們的影響次序以及最優的工藝。

正交試驗的各因素和水平選擇如表2所示。

表2 正交實驗的因素與水平

正交試驗結果與極差分析如表3所示。

各因素的影響次序為C＞D＞B＞A，即對于薯蕷皂苷元提取影響最大的因素是索氏提取時間，然后依次是硫酸濃度，硫酸用量和硫酸水解時間;根據正交試驗結果與極差分析，得到的優化條件為A1B1C2D2，即硫酸水解時間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。

表3 正交實驗結果

2.3.2 驗證實驗

根據優化工藝條件，對3批樣品進行皂苷元提取，其得率分別為3.741%，3.744%，3.801%，

平均得率為3.762%。表明工藝穩定可靠。

2.3.3 與直接酸水解法的對比實驗

將黃姜直接置于200 mL 1.5 mol/L硫酸中水解4h，抽濾，烘干后，于索氏提取器內進行皂苷元的提取并計算得率。得到的皂苷元得率為2.741%。證明本工藝較傳統方法而言，得率有顯著提高。

3 結論

(1)本實驗研究了盾葉薯蕷總皂苷硫酸水解的工藝，通過單因素實驗及正交試驗確定了最佳優化方案:硫酸水解時間為4 h，硫酸用量為20 mL，索氏提取時間為6 h，硫酸濃度為1.5 mol/L。

(2)與傳統的直接酸水解法相比，本實驗采用的工藝能較好的提高皂苷元得率。通過對比實驗，薯蕷皂苷元的得率提高了約37%。

(3)采用預分離法提取薯蕷皂苷元。硫酸的用量只有傳統工藝的1/10，能夠大大減少酸的污染。

(4)本工藝在生產中也面臨一些問題。比如提取過程復雜，能耗和成本相對較高等。需要在后續的工作中進一步研究。

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Study on the Process of Diosgenin Extraction by Sulfuric Acid Hydrolysis

Liu Shu-xing1，Hou Yi1，Li Xiang2，Liu Yu-cheng2
1(College of life science and engineering，Shaanxi university of science＆ technology，Xian 710021，China)2(College of chemistry＆ chemical engineering，Shaanxi university of science＆ technology，Xian 710021，China)

The produce technology of diosgenin extraction by sulfuric acid hydrolysis was studied with Dioscorea zingiberensis C H Wright as the raw material.Effects of sulfuric acid hydrolysis time，usage of sulfuric acid，Soxhlet extraction time and concentration of sulfuric acid on the sulfuric acid hydrolysis of dioscin were investigated.Optimized process by orthogonal experiments was obtained as:sulfuric acid hydrolysis 20mL for 4h，Soxhlet extraction 6h，sulfuric acid concentration at 1.5mol/L.Under the above conditions，the yield of diosgenin was up to 3.762%，acid pollution was reduced.The result provides a method to solve the existing problems in the diosgenin industrial.

Dioscorea zingiberensis C H Wright，dioscin，diosgenin，hydrolysis conditions

碩士，教授(侯屹為通訊作者)。

*陜西省自然科學基金資助(2007C125);陜西省科技廳重點實驗室建設項目

2010－08－13，改回日期:2010－11－25