薯蓣皂素清洁生产技术研究

【摘要】：从我国特有野生植物盾叶薯蓣根状茎(黄姜)中提取的薯蓣皂素是一种非常重要的医药原料。传统提取工艺造成严重的环境污染一直是限制黄姜产业发展的瓶颈。薯蓣皂素清洁生产技术决定了黄姜产业未来的发展。本文以盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensis)根状茎为实验材料,分别从生物技术角度和化学工程角度对薯蓣皂素的清洁提取进行了研究。通过筛选专一微生物对薯蓣皂苷进行生物水解获得薯蓣皂素;通过改进酸水解过程和纯化方法获得无污染并且高效的薯蓣皂素提取工艺。这两方面的实验分别得到如下结果:1.筛选得到具有水解薯蓣皂苷活性的青霉菌,可对根状茎直接进行固态发酵获得薯蓣皂苷元:酸水解薯蓣皂苷,分离出皂苷糖(DL)。以薯蓣皂苷糖为唯一碳源,配制筛选培养基,筛选出具有水解薯蓣皂苷活性的微生物,经初步鉴定后将其命名为青霉菌Penicillium dioscorea.对该菌种进行活化和扩大培养后,得出优化的菌种培养条件为:MS培养液(1000ml)+8.0 g皂苷糖/8.0 g薯蓣皂苷,培养温度30℃,培养时间36小时。将扩大培养的液体菌种接种到蒸煮灭菌后的黄姜材料上进行固态发酵,得出最佳的发酵条件为:接种量0.05g鲜菌丝/1kg鲜黄姜,发酵温度30℃,发酵时间48小时,薯蓣皂苷的水解率可达到93%。2.薯蓣皂苷酸水解并同步萃取薯蓣皂苷元,整个过程不排放废水:首先,本实验用90%乙醇提取干燥黄姜粉末中的薯蓣皂苷,回收乙醇后得到薯蓣皂苷粉末。其次,向定制的压力反应釜中投入薯蓣皂苷粉末、1.0M浓度的硫酸和石油醚(比率分别为25kg:50L:100L),组成一个三相反应体系,搅拌轴转速为200转/分钟,在95℃控温条件下反应1小时后冷却降压,放出石油醚相,回收石油醚后得到薯蓣皂素粗品,过滤剩余反应体系得到酸性废水,向酸性废水中加入硫酸,将其浓度调节到1.0M后继续用于下一批水解反应,过滤得到的废渣主要为糖酯,是由糖基与硫酸反应生成的一种酯类物质,晒干后可作为锅炉燃料。该方法无需中和水解物,酸水可多次循环使用,克服了传统工艺大量排放酸性有机废水的缺陷。3.采用逆向层析技术纯化薯蓣皂素粗品,适合工业化生产:目前在实验室和生产上,一般采用结晶沉淀法来纯化石油醚提取的薯蓣皂素,经过三次结晶后皂素纯度可达到95%以上,熔点为192℃左右。然而该方法费工费时,生产效率低下且耗费成本高。本实验发明了一种逆向层析方法和层析装置:将薯蓣皂素粗品粉末装入到本装置中,向底部溶剂室注入石油醚和无水乙醇,然后将该装置放入到真空烘干箱中,加热到80℃,在烘箱出口处回收溶剂,烘干完成后,打开层析装置,去除薯蓣皂素表层的褐色杂质,下层即为高纯度的白色薯蓣皂素,纯度在95%以上,熔点超过192℃。此方法和装置使得薯蓣皂素的纯化效率得到极大提高,成本也极大的降低,尤其适合于工业化大生产。逆向层析技术同时也适用于其他天然产物的提取纯化,该技术已申请专利保护。综上所述,薯蓣皂苷生物水解技术是可行的,不过在应用于工业化大生产之前该技术的稳定性和反应过程还有待进一步研究。采用化学工程技术进行薯蓣皂苷无污染提取是势在必行的,然而还存在不足之处,薯蓣皂素的得率和生产效率有待进一步提高。 【关键词】：盾叶薯蓣 薯蓣皂苷 薯蓣皂素 水解 纯化
【学位授予单位】：湖北民族学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ920.6;TQ464
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景9-12
• 1.1.1 黄姜产业的发展历史9-11
• 1.1.2 黄姜产业面临的严峻现实11-12
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势12-14
• 1.2.1 薯蓣皂素的传统提取方法概述12-13
• 1.2.2 薯蓣皂苷生物酶解法的研究进展13-14
• 1.3 课题研究目的与计划14-16
• 1.3.1 生物水解研究：14
• 1.3.2 酸水解环保技术研究：14-16
• 第2章 实验材料与方法16-25
• 2.1 实验仪器、材料及试剂16-18
• 2.1.1 主要仪器与设备16-17
• 2.1.2 实验材料17
• 2.1.3 试剂17
• 2.1.4 薯蓣皂苷和薯蓣皂素的标准曲线制作17-18
• 2.1.5 薯蓣根状茎皂素含量分析18
• 2.1.6 薯蓣皂苷和薯蓣皂苷糖的制备18
• 2.2 薯蓣皂苷水解微生物的筛选18-20
• 2.2.1 筛选培养基配方及筛选方法18-19
• 2.2.2 菌落活性进一步验证19
• 2.2.3 筛选菌种的初步鉴定19
• 2.2.4 菌种活化与扩大培养19-20
• 2.3 薯蓣材料固体发酵20-21
• 2.3.1 实验原理20
• 2.3.2 固体发酵方法20-21
• 2.4 薯蓣皂苷清洁酸水解工艺21-23
• 2.4.1 实验材料准备21
• 2.4.2 薯蓣皂苷水解-皂素同步萃取工艺与装置设计21-22
• 2.4.3 薯蓣皂苷水解与皂素同步萃取反应过程22-23
• 2.5. 薯蓣皂素逆向层析法纯化23-25
• 2.5.1 逆向层析技术原理及装置设计23-24
• 2.5.2 薯蓣皂素的逆向层析过程24-25
• 第3章 结果与分析25-41
• 3.1 水解薯蓣皂苷专一菌种的筛选与活化25-31
• 3.1.1 水解薯蓣皂苷专一菌种：青霉菌25-27
• 3.1.2 薯蓣皂苷糖（DL）对菌种水解活性的影响27-28
• 3.1.3 薯蓣皂苷对菌种水解活性的影响28-29
• 3.1.4 培养温度对菌种特异活性的影响29-30
• 3.1.5 培养时间对菌种特异活性的影响30-31
• 3.2 新鲜黄姜固态发酵法水解薯蓣皂苷31-35
• 3.2.1 发酵温度对固体发酵水解率的影响31-32
• 3.2.2 发酵时间对固体发酵水解率的影响32-33
• 3.2.3 接种量对固体发酵水解率的影响33-34
• 3.2.4 生物水解和酸水解提取薯蓣皂素比较34-35
• 3.3 薯蓣皂苷清洁酸水解过程35-38
• 3.3.1 主要反应参数：反应时间和搅拌转速35-36
• 3.3.2 最佳条件下反应的皂素得率36-38
• 3.4 薯蓣皂素逆向层析法纯化38-41
• 3.4.1 薯蓣皂素逆向层析纯度38-39
• 3.4.2 薯蓣皂素逆向层析流动相优化39-41
• 第4章 结论与讨论41-44
• 参考文献44-48
• 附录 148-49
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果49-50
• 致谢50

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