劍麻皂素工業化制備技術研究進展*

王 俊，覃佑康，曹志恒，余超鵬，卓民權，秦高雄，杜云芳

(1.廣西化工研究院有限公司，廣西南寧 530001；2.廣西眾益生物科技有限公司，廣西崇左 532100；3.廣西匯豐生物科技有限公司，廣西南寧 530001；4.華中科技大學醫學院，湖北武漢 430070)

0 引言

劍麻是一種龍舌蘭屬的多年生纖維植物，主要分布在南美洲、非洲和亞洲等地區，其中巴西、坦桑尼亞、肯尼亞、馬達加斯加和中國是主產國[1]。我國劍麻種植面積1.46萬hm2，種植面積和產量分別居世界第五位和第二位，而單位面積的產量則是世界平均水平的4倍以上，居世界第1位[2]。我國劍麻主要分布在廣西、廣東、海南、福建等省份，2017年種植面積約2.87萬hm2。廣西種植面積最大，占全國總種植面積的85%以上[3-4]。

劍麻皂素是劍麻抽取纖維后廢棄劍麻渣中的一種主要活性成分，也稱為替柯吉寧(Tigogenin)、劍麻皂甙元等，具有完整的甾體骨架結構及良好的生物活性[5]。以劍麻皂素為起始原料合成的藥物中間體單烯醇酮醋酸酯[6]，可用來合成200多種甾體激素類藥物，如腎上腺皮質激素藥物(氫化可的松、地塞米松和倍他米松等)，性激素藥物(甲睪酮及黃體酮等)[7]，所以劍麻皂素在業內素有“醫藥黃金”和“激素之母”之稱[8-9]。

受原料來源及技術條件的制約，我國劍麻皂素產業發展還比較粗放，規模小、高新技術覆蓋面窄，整個行業普遍存在產品提取率低、溶劑消耗大且環境污染嚴重等系列問題。因此，開發綠色、高效的劍麻皂素生產工藝，成為行業關注的重要課題。本文綜述近年來國內外劍麻皂素制備過程中各工序及改進工藝的研究進展，結合筆者多年的工作經驗，提出目前存在的問題和合理化建議，為該產業綠色、高效發展提供參考。

1 甾體激素類藥物及其原料

甾體激素類藥物是世界上僅次于抗生素類的第二大類藥物，近年來發展非常迅速。2006年全球甾體激素藥物銷售額達400億美元，2016年全球甾體激素藥物銷售額超過1 000億美金。2009年，我國甾體激素原料藥及中間體出口總量為743.25 t，金額3.7億美元；2013年出口量提升到1 000 t，金額近8億美元[10]。全球甾體激素藥物依賴半合成工藝生產，市場總份額折合以薯蕷皂素計共6 000 t/年，構成如下：薯蕷皂素50%，4-雄烯二酮(4AD)20%，豆甾醇10%，蕃/劍麻皂素及其他半合成原料20%。

過去20年，我國依托薯蕷皂素資源為全球甾體激素產業發展做出了重大貢獻，但是我國薯蕷皂素原料野生黃姜資源逐漸枯竭，人工種植成本高、環保壓力大，薯蕷皂素產能逐漸萎縮。劍麻皂素來源于劍麻抽取纖維后廢棄的劍麻廢渣。我國南方劍麻資源豐富，從劍麻渣中提取劍麻皂素生產成本低，在合成某些特定藥物上替代薯蕷皂素有一定的優勢。因此，從劍麻廢渣中開發劍麻皂素產品，具有較好的經濟前景，能形成良好的經濟效益。

2 劍麻皂素物化性質及檢測方法

劍麻皂素是一種白色晶體或粉末，相對分子質量為416.636 5，熔點為196—206℃，密度為1.113 g/cm3，微溶于水，可溶于乙醇等有機溶劑。目前，劍麻皂素還沒有統一的質量標準，早期市場上判定劍麻皂素產品優劣的方法一般是測定其熔點及熔程。借鑒同類皂甙元的檢測方法，劍麻皂素還可以用重量法、紅外光譜法、滴定法和薄層色譜法等方法檢測[11]。由于劍麻皂素產品及原料中含有番麻皂素等與劍麻皂素結構相似的皂甙元，采用上述方法定量時常有干擾，重現性差。李華鋒等[12]采用高效液相色譜法檢測劍麻麻膏、劍麻水解物及劍麻皂素產品，色譜條件采用示差折光檢測器、C18柱和40℃的柱溫，以乙醇-水(3∶1，V∶V)為流動相，該方法簡便、準確、重現性好，可為劍麻皂素生產、銷售提供定性、定量依據。

目前劍麻皂素產品還沒有統一的國家標準和行業標準，但經過早期的粗放型發展后，下游廠家對產品技術性能指標要求逐漸嚴格，更加精細化、可量化(表1)。

表1 劍麻皂素產品技術性能指標對比

Table 1 Comparison of technical performance indexes of sisal tigogenin

項目Item顏色Colour外觀Appearance熔點Melting point (℃)醇溶度Alcohol solubility含量Content (%)早期技術指標Early technical indexes無No無No196—206無No85現在技術指標Current technical indexes白色或類白色White or similar晶體或粉末Crystal or powder196—206澄清透明Clarification and transparency≥90

3 劍麻皂素產業現狀

近年來，甾體激素類藥物的應用領域由醫藥行業向畜牧業、飲食業及保健業不斷擴展，其用量逐年上升。劍麻皂素、薯蕷皂素等皂甙元類化合物作為該類藥物的基本原料，呈供不應求之勢，價格一路上揚，劍麻皂素價格更是從20世紀80年代初的12萬元/t上漲至如今的35萬元/t，最高時達到45萬元/t。

目前世界上只有我國能進行劍麻皂素規?；a，但當前我國劍麻皂素產業還比較粗放，劍麻皂素年產能約300—500 t，劍麻渣資源利用率不到20%。劍麻皂素主要生產廠家有廣西眾益生物科技有限公司、福建萬德藥業股份有限公司、張家界紅太陽化工有限責任公司及張家界萬福藥業有限責任公司等企業。目前廣西眾益生物科技有限公司是國內最大的劍麻皂素生產企業，年產能達到100 t，該公司采用的核心技術成果主要包括：(1)在原料前期預處理過程中，應用復合酶技術將劍麻汁生物發酵制備成劍麻膏，大大縮短劍麻膏制備周期，并顯著降低劍麻膏中大分子雜質的含量；(2)開發出一項類似于索氏提取的連續回流提取、過濾及脫色的新工藝，實現整個工藝的連續性操作，溶劑的消耗顯著降低；(3)實現廢水、廢渣綜合處理及循環再利用，其中廢渣用作復混肥原料，廢水經處理后回用至生產車間。應用上述工藝技術，該公司生產出的產品有效成分含量大于96%，每噸產品消耗乙醇4.8 t。

在劍麻皂素化學成分提取方面，目前雖有很多種提取技術的報道，但一些先進提取技術如超臨界流體萃取、超聲波提取、微波萃取等由于生產上應用條件苛刻，還未正式投入生產應用。現有工業生產上一般還是采用傳統的酸水解后用乙醇進行回流提取(圖1)，以及在此基礎上的優化工藝。

圖1 劍麻皂素生產工藝流程

圖1 Production process of sisal tigogenin

4 早期生產路線及存在的問題

我國自1958年發現并產業化薯蕷皂素以來，就開始對劍麻皂素進行深入研究。20世紀60年代，以中國醫學科學院藥物研究所陳延鏞先生為代表的老一輩研發團隊[13-18]，深入研究劍麻中皂甙元的成分，開發劍麻皂素制備方案，科研成果也在南寧六·二六制藥廠投產，其研究技術為行業的發展奠定堅實的基礎。采用早期工藝路線，劍麻皂素平均收率約為4.5%，劍麻皂素含量在85%左右。早期的工藝路線從劍麻廢渣中成功制備出劍麻皂素，且技術放大至產業化規模，但生產過程中還是存在一些比較突出的問題，具體表現在以下3方面。

(1)廢水量大，難處理。在劍麻膏水解過程中，以高濃度的硫酸為水解劑，水解完成后用清水清洗濾餅中的酸至濾液接近中性，該過程產生大量廢水。據筆者測算，生產1 t劍麻皂素預計要產生50—80 t母液廢水(COD為100 000—120 000 mg/L)及150—200 t洗液廢水(COD為1 000—3 000 mg/L)。劍麻皂素廢水具有高糖分、高酸度、高鹽分、高負荷和高色度等“五高”特性，在環保要求日益嚴格的今天，如何處理這些廢水，使之達到國家規定的排放標準[19]，是困擾企業生存和發展的重大難題。

(2)溶劑消耗高，生產成本居高不下。由于劍麻水解物中劍麻皂素含量低(約5%—10%)，雜質多，后期分離純化工藝非常繁瑣，導致乙醇消耗太高，生產1 t皂素約消耗乙醇20—30 t，這是早期一些企業被迫停產的一個直接原因。

(3)產品純度較低，劍麻皂素僅為85%左右。所得的粗品中除少量蠟、果膠等雜質外，還含有番麻皂素等雜質，含量約占產品的10%—15%。番麻皂素與劍麻皂素化學結構相似，性質接近，采用重結晶或多步重結晶方法提純效果不理想。

5 工藝路線的改進

5.1 劍麻膏制備工藝的改進

傳統劍麻膏制備工藝一般是將去纖維后的劍麻渣榨汁，劍麻汁進入發酵池中自然發酵后分層。在劍麻汁發酵分層過程中，有效成分與其他大分子產物一起沉降到底層[20]，排掉上層廢水，取下層沉淀物曬干后即為劍麻膏。傳統劍麻膏制備方法存在以下不足之處：(1)在劍麻汁的自然發酵過程中，大量果膠、蛋白質、植物纖維、淀粉、糖基、植物蠟等大分子產物與有效成分一起沉降，致使劍麻膏中劍麻皂素含量不足6%，高雜質含量嚴重影響劍麻膏的質量；(2)劍麻膏制備周期長，劍麻汁自然發酵需15 d左右，而從劍麻渣榨汁至加工成劍麻膏成品則需25—30 d，若天氣不佳，則需更長時間。針對上述難題，一些科研工作者對該工序進行改進。

鐘秋漢[21]將劍麻汁液分層后的沉淀物放入內裝有濾布的格柵式箱體中(箱體的上方蓋上有尖頂式集水器)，沉淀物中的水分一部分經濾布流出，另一部分隨沉淀物發酵產生的熱量而形成熱氣，通過尖頂式集水器形成水珠不斷排出箱體外，自然放置15-20 d，待箱中的麻膏含水量達15%—20%便可入庫。該步驟同時完成濾水、發酵、烘干3道工序，提高劍麻膏的制成率，并且縮短提取時間。唐猛[22]將發酵后的下層沉淀物壓濾，濾餅堆積發酵25—30 d；張曉聲[23]采取同樣的方法，將下層沉淀物采用板框壓濾機壓干。顯然，相較于傳統的曬場曬干加上自然發酵的方式，采用上述過濾或高溫蒸發除掉沉淀物中水分的方式，不受自然天氣的影響，縮短了生產周期，提高了工作效率。

上述研究雖然在縮短沉淀物濾水時間、提高生產效率上有一定的改進，但總歸還是屬于自然發酵法，自然發酵法最大的問題就是在發酵分層過程中，大量雜質與有效成分一起沉降，影響產品質量。因此有研究者采用酶發酵的方式替代傳統發酵技術，如李亞飛等[24]在麻汁發酵過程中加入黑曲霉作為發酵菌種，發酵時間縮短到24 h；韓佳琪等[25]在劍麻汁發酵過程中加入由纖維素酶、果膠酶、葡聚糖苷酶、蛋白水解酶以及淀粉酶組成的復合酶，充分利用酶解反應條件溫和、高效專一的特性，使劍麻汁液中纖維素、果膠、蛋白質等大分子雜質降解成水溶性小分子，從而實現雜質與有效成分初步分離，所得的劍麻膏雜質含量少，有效成分含量高，并且劍麻膏制備周期由傳統的25—30 d降低至7 d左右。

5.2 劍麻膏水解工藝的改進與優化

經發酵完的劍麻膏，游離的劍麻皂素還是比較少，劍麻皂素主要是以劍麻皂甙的形式存在于劍麻膏中，還需進一步水解糖甙鍵。傳統的劍麻膏水解工藝一般是采用濃硫酸水解，水解完成后壓濾，濾餅拌石灰，除掉果膠。在此工藝過程中會產生大量的母液廢水及洗液廢水，并且設備腐蝕嚴重，操作環境惡劣。針對上述問題，陳明友[26]在劍麻膏水解過程中采用鹽酸代替硫酸，在2.5—3.5 kg/cm2壓力下水解2.5—3.5 h，并采用石灰中和濾餅中的酸。采用該工藝廢水量雖然大大減少，但反應依然需要加溫加壓，且鹽酸對設備腐蝕更嚴重。

除酸水解外，還有研究者提出采用生物法將劍麻膏中劍麻皂甙降解成皂甙元(劍麻皂素)。鄧天發等[29]用薄層色譜法(TLC)篩選認為，黑曲霉、鏈孢霉和青霉均有較強的酶解劍麻皂甙并釋放游離劍麻皂素的能力；彭源德等[30]提出采用含有哈茨木霉與黑曲霉組成的發酵液直接對劍麻汁進行微生物發酵，劍麻皂甙降解成劍麻皂素只需要7 d左右。與酸水解相比，采用生物法降解劍麻皂甙糖甙鍵反應條件溫和，易于操作，缺點是由于劍麻汁雜質含量高，影響酶解作用，水解不夠徹底。

5.3 劍麻皂素提取分離及工藝改進

傳統劍麻皂素提取方法主要采用回流提取法[31-32]，一般采用95%濃度乙醇作溶劑，在80℃條件下回流提取1 h左右，回流法提取時間長，效率低。近年來，一些研究者將現代先進的提取技術應用到劍麻皂素的提取上，如周寧等[33]采用超聲波輔助提取劍麻總皂甙，劍麻總皂甙的提取量可達52.17 mg，但目前該技術還只是處于實驗室階段，一些工程化的問題如噪聲污染等，還需進一步研究解決。此外，鄧楚津等[34]采用超臨界流體萃取技術提取劍麻中總皂甙，提取率達到1.74%，該項技術提取率高，但由于設備一次性投資大、操作成本高、應用條件苛刻，工業上還沒有得到應用。

目前，國內生產廠家還是采用傳統回流提取工藝，提取液在酸性條件下用活性炭脫色，然后濃縮結晶，靜置后離心得到粗品，粗品重結晶得到產品。但所得產品中還含有約10%番麻皂素，番麻皂素與劍麻皂素兩者化學結構相似，性質相近，采用常規的重結晶或多步重結晶法分離，乙醇消耗量大，產品收率低。針對此問題，陳明友[26]改變傳統的單一溶劑結晶的方式，采用環己烷和乙醇混合溶劑對粗品進行重結晶，產品純度可以達到93%以上。該方法單次結晶所得產品純度就能達到93%以上，而傳統重結晶方法一般需要2-3次，因此改進的工藝產品純度高，收率高、能耗少。宋克平等[35]在粗品重結晶階段，加入助劑鹽酸羥胺，使粗品中番麻皂素雜質生成難溶的肟化物，實現番麻皂素與劍麻皂素有效分離，將劍麻皂素含量提高至93%。

另外，研究中也有使用大孔樹脂提取分離技術，如王錦軍[36]采用大孔樹脂進行吸附，再用水-醇二元體進行洗脫，然后解吸附，實現高純度番麻皂素與劍麻皂素的分離，劍麻皂素純度高達90%以上；周寅等[37]采用大孔徑樹脂分離純化劍麻皂素，在特定提取分離條件下，劍麻皂素得率為79.1%，純度為71.6%。采用大孔樹脂吸附除雜，工藝較繁瑣，且工業大生產時酒精容易揮發，不安全，且操作環境惡劣，因此，不適合工業生產要求。

6 其他工藝

上述劍麻皂素提取及改進工藝，基本都是在酸解醇提的工藝上延伸出來的，而且目前國內生產上也基本上都是采取上述工藝。隨著研究的深入，一些科研工作者大膽舍棄傳統思路，采取新的工藝技術手段替代傳統方法。

6.1 一步法提取劍麻渣中活性成分

李祥等[38]采用表面活性劑水溶液代替有機溶劑作萃取劑，用絮凝技術富集劍麻皂甙代替濃縮，先將劍麻皂甙從劍麻汁中分離，然后再水解并分離提純。該方法是先直接提取劍麻皂甙，然后再水解糖甙鍵，其優點是避免劍麻汁發酵過程中大量雜質與有效成分混在一起，影響后面分離純化工藝。據報道該工藝得到的劍麻皂素質量比傳統工藝提高15.5%，每生產1 g劍麻皂素所需酸用量減少81.2%，COD排放量減少96.5%。

6.2 劍麻皂素生物轉化

郝再彬等[39]發明一種利用微生物發酵將劍麻皂甙轉化成皂甙元的方法，該微生物菌株能夠在3-5 d內將劍麻中皂甙降解成皂甙元。謝純良等[40]將嗜乙醇假絲酵母接種到包括劍麻抽取纖維后產生的麻渣和麻汁的液體發酵培養基進行發酵，然后從中提取劍麻皂素。與老工藝相比，采用生物轉化法工藝簡單，條件溫和，且時間短、效率高，若生物轉化率提高后，將在工業生產中有很好的應用前景。

7 展望

甾體激素類藥物近年來用量很大，發展非常迅速，作為甾體激素類藥物的主要原料薯蕷皂素資源日益緊缺，原料與產品之間的供求矛盾日益突出。在此背景下，以劍麻皂素部分替代薯蕷皂素在生產成本上具有一定的優勢。劍麻皂素產業在經過早期艱苦探索后，數十年來科研工作者持續創新工藝技術，已經形成大量技術成果，并且劍麻皂素下游制備單烯清潔生產技術難題已被中科院上海有機所田偉生研究員團隊[41]解決。因此，未來大力發展劍麻皂素產業一定能形成顯著的經濟及社會效益。建議后期著重在以下兩個方面開展研究：(1)進一步加大劍麻渣資源收集與整合力度，在劍麻資源相對集中的地方建設大型的劍麻渣綜合處理示范基地，收集并整合基地周邊劍麻渣資源，提高原料預處理的技術水平及自動化程度，提高劍麻渣資源有效利用率，以進一步擴大原料產能；(2)在不斷完善和優化現有傳統工藝技術基礎上，進一步加大以生物轉化技術為前提的研發力度，促進行業的清潔化生產。