一種黃姜提取皂素和鼠李糖的方法
【專利摘要】針對目前黃姜資源不足和產生大量廢棄物，嚴重影響了黃姜長期利用發展前景，而采用目前提取方法都會對環境造成大量的廢棄物，本發明提供了一種利用萃取、結晶與重結晶方法從黃姜根莖中規模化生產黃姜皂素，又能提高黃姜中黃姜皂素和鼠李糖的收率。
【專利說明】一種黃姜提取烏素和鼠李糖的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天然產物加工領域，涉及了一種黃姜提取皂素的綜合利用方法，更具體地說是涉及了一種從黃姜提取出皂素，同時又對提取皂素后的廢棄物進行綜合利用的方法。
【背景技術】
[0002]黃姜又名盾葉薯蕷，是薯蕷科薯蕷屬(Dioscrea.L)多年生草本植物，是世界上薯蕷皂苷元含量最高的種。被《中華人民共和國藥典》(2000版)收載，其根莖中薯蕷皂苷元(disogenin)(俗稱阜素)的含量為1.1 %~16.15 % ,是合成甾體激素類(steroidhormone)藥物和留體避孕藥(steroid prophylactic)的重要醫藥化工原料。草質藤本。根莖橫生。莖纖細，無毛，有縱皺紋或淺槽，有時在分枝或葉柄的基部兩側微凸出，或具短刺。葉互生，盾形；葉片三角狀卵形或長卵形，長5~11厘米，寬4~9厘米，邊緣淺波狀，基部心形或近于截形，通常3裂，中央裂片先端漸尖，兩側裂片圓耳狀；葉柄短于葉片。花單性，雌雄異株；雄花序穗狀，腋生，有時分枝；花無柄，常2~3朵簇生，僅I~2朵完全發育；苞片膜質，卵形或三角狀卵形；花被片6，卵形，紫紅色，雄蕊6 ;雌花序有花6~8朵，花有短柄，花被6裂，雄蕊退化；子房長圓柱形。蒴果干燥后藍黑色，表面附有白色粉狀物，翅近半月形，長約2.5厘米，寬約1.5厘米，頂端微凹，或近于截形，基部狹圓形、種子扁卵圓形，周圍呈薄膜狀的翅。花期5~8月，果期9~10月。
[0003]中國是盾葉薯蕷的原 產地，兩千多年前的《山海經》中就有“景山、北望少澤，其草多薯蕷”的記載。盾葉薯蕷是薯蕷科薯蕷屬(Dioscrea.L)多年生草本植物，是世界上薯蕷皂苷元含量最高的種。被《中華人民共和國藥典》(2000版)收載，其根莖中薯蕷皂苷元(disogenin)(俗稱阜素)的含量為1.1 %~16.15 % ,是合成甾體激素類(steroidhormone)藥物和甾體避孕藥(steroid prophylactic)的重要醫藥化工原料。以根狀莖入藥，中醫學認為其性味甘、苦、涼，具有清肺止咳，利濕通淋，通絡止痛，解毒消腫的功能，可治肺熱咳嗽，濕熱淋痛，風濕腰痛，癰腫惡瘡，跌打扭傷，蜂蜇蟲咬，同時具有治療皮膚急性化膿性感染、軟組織損傷、降血脂等功效，也有降低膽固醇、抗炎、抗腫瘤等藥理作用。
[0004]盾葉薯蕷的根狀莖含1.1 %~16.15 %的薯蕷皂苷元、45 %左右的淀粉、40 %的纖維素以及一些水溶性苷類、生物堿類、黃酮苷類、強心苷類、生物堿、單寧、色素等化學成分。劉建本等進行了盾葉薯蕷根莖中色素的提取和性質研究，結果表明薯蕷色素具有對紫外線有較強的吸收作用，耐熱、耐光性能良好，Fe3+、Cu2+、Hg2+3種金屬離子對色素均具有一定的增色作用，酸堿對色素的影響較大等性質，為綜合利用提供了一條新途。
[0005]薯蕷皂苷包括糖和苷元兩部分。為了對皂苷進行定位，郭永兵等將盾葉薯蕷根莖分為5個區段，對其薯蕷皂苷元的分布進行研究發現，嫩莖頂端的薯蕷皂苷元含量最高，抽莖區段次之，接著是嫩莖區段，其后為老莖區段和底層區段，須根及地上莖基部段的含量很低。薯蕷皂苷元又名皂素。它是目前世界上合成300多種留體激素和避孕藥的原料。
[0006]劉承來，陳延庸等用薄層層析法(不同展開劑)、紙層析法對盾葉薯蕷進行了分離提取，結果在根狀莖中分離出兩種水不溶性三糖皂苷和兩種水溶性四糖皂苷，用乙酰化、酸水解、酶解、克分子旋光差計算以及紅外光譜、質譜、氫譜、碳譜等方法進行分析鑒定，分別為①表-拔葜皂苷元、②延齡草次苷，結構為3-0-( β -D-葡萄吡喃糖)-薯蕷皂苷元、③薯蕷皂苷元-雙葡萄糖苷，結構為3-0-*i3-D-葡萄吡喃糖(I — 4)-β-D-葡萄吡喃糖]-薯蕷皂苷元、④纖細皂苷，結構為3-0-，β-D-葡萄吡喃糖(I —3)-[a-L-鼠李吡喃糖(I — 2) +- β -D-葡萄吡喃糖}-薯蕷皂苷元4個留體化合物，據其化學結構推測為次級皂甙。
[0007]盾葉薯蕷標本為了研究盾葉薯蕷的原始皂甙，探索其活性，1985年他們又對鮮根莖的甲醇提取物經干柱法分離得到⑤薯蕷皂苷元棕櫚酸酯、⑥谷留醇、纖細皂苷、⑦原纖細皂苷和⑧原盾葉皂苷5種留體類物質，其中原盾葉皂苷為一新發現的化合物，鑒定2種原皂苷的結構分別為⑦3-0-，β-D-葡萄吡喃糖(I — 3)-[a-L-鼠李吡喃糖(I — 2) +- β -D-葡萄吡喃糖} -26-0-, β -D-葡萄吡喃糖}-薯蕷皂苷元與⑧3-0- {a_L_鼠李吡喃糖(I — 3) -* β -D-葡萄吡喃糖(I — 2) +- β -D-葡萄吡喃糖} -26-0-，β -D-葡萄吡喃糖}_薯蕷皂苷元。 [0008]唐世蓉，吳余芬等從盾葉薯蕷根中分得兩種水不溶性三糖皂苷(Α和B)以及兩種水溶性四糖皂苷(C和D)。⑨A為新皂苷，暫定名盾葉皂苷Α，結構為薯蕷皂苷元-3-0-* β -D-葡萄吡喃糖(I — 2) +-0- [a-L-鼠李吡喃糖(I — 3) +-0- β -D-葡萄吡喃糖苷、⑩B為纖細皂苷異構物、(11) C為原盾葉皂苷A、(12) D為原盾葉皂苷B。唐世蓉，姜志東用盾葉薯蕷地上部分經提取、脫色、硅膠柱層析及反向柱層析分離得到盾葉皂苷Al、Α2、A3和叉蕊皂苷IV4種主要含雅姆皂苷元的皂苷，前三種為新化合物，分別為
(13)雅姆皂苷元-3-0-[a-L-鼠李吡喃糖(I — 2)+-β-D-葡萄吡喃糖苷、(M)羥基雅姆皂苷元-3-0-[a-L-鼠李吡喃糖(I — 2)+-β -D-葡萄吡喃糖苷、(15)雅姆皂苷元-3-0-{a-L-鼠李吡喃糖(I — 2) -* β -D-葡萄吡喃糖(I — 4) +— β -D-葡萄吡喃糖苷，其中盾葉皂苷Α2的苷元為一新留體皂苷元，命名為盾葉皂苷元。第四種為(16)雅姆皂苷元-3-0-{a-L-鼠李吡喃糖(I — 2)-*β-D-葡萄吡喃糖(I — 3)+-β-D-葡萄吡喃糖苷。這與地下部分主要含有薯蕷皂苷元的皂苷情況不同。
[0009]蔣朝暉等對盾葉薯蕷生育期皂苷元含量變化規律研究認為，皂苷在根莖中積累高峰期是現蕾及盛花期，結實期后明顯下降；在根莖生長明顯的8~9月，含量有一定提高，至枯萎期的10月和11月時含量又出現下降；2年生皂苷元含量明顯高于I年生；適宜的采收期應為第2年的枯萎期或第3年的現蕾開花期。丁志遵等研究認為，盾葉薯蕷一般在萌芽期至開花盛期皂苷含量較高，從結實期至始萎期，皂苷含量則逐漸下降；老根莖皂苷含量高于新根莖；水分含量高的根莖皂苷含量亦高。
[0010]目前從黃姜中獲取薯蕷皂苷元有三種方法。直接酸水解法:酸水解是使苷鍵斷裂生成苷元和糖。預發酵法:一般認為預發酵法可提高薯蕷皂苷元的收率。預發酵法有自然發酵法、酶解法、微生物發酵法。分離法加工薯蕷植物:從盾葉薯蕷中首先分離出植物纖維和淀粉，剩余部分再經自然發酵提取薯蕷皂苷元。
[0011]我國自上世紀50年代開始建立薯蕷皂素生產工廠，采用RothIOd發明的直接酸水解法生產薯蕷皂素的工藝，即原料浸泡、粉碎后，加酸加熱水解，再用有機溶劑提取。該工藝的缺點是:由于薯蕷根莖質地堅硬和大量淀粉的存在，不易水解徹底，皂素收率低；由于在濃酸和高溫等強烈條件下進行水解，薯蕷中其它成分如淀粉等遭到破壞，不利于資源的綜合利用。
[0012]后來，國內外都報道了在植物材料酸水解前進行預發酵(又稱自然發酵)。目前我國大多數薯蕷皂素廠都采用此生產工藝，即將薯蕷原料粉碎浸泡后任其自然發酵數天，植物體疏松后，加入強酸加熱水解、水洗至中性，濾渣烘干后瑞溶劑汽油提取皂素。該方法使皂素收率提高，但雜質增加，熔點降低。此外，該工藝同最早的皂素生產工藝一樣，公利用了黃姜中含量僅占2%的皂素，而占98%的淀粉等干物質成分不僅完全沒有被有效利用，而且產生大量的含B0D、C0D和酸性極高的有機廢水，為后續的水處理造成極大困難。按此工藝，每加工一噸鮮姜產生2.5噸以上的廢水。
[0013]如果單純從治污的角度進行清潔生產工藝設計，不僅治污成本高，而且就目前的廢水治理技術而言也難以實現。因此黃姜提取皂素清潔生產技術的關鍵在于其中占近80%的淀粉和纖維素的有效利用和高濃度皂素廢水的處理與利用。由于淀粉經強酸水解后有近一半的葡萄糖被破壞，無論是用于提取葡萄糖或酒精發酵，其利用效率將大大降低。因此對黃姜淀粉的利用要在酸水解之前進行，不僅可以最大限度地利用淀粉資源，還將大大降低水解所需的酸用量。
[0014]現有黃姜淀粉可食用或造酒的報道。西北植物研究所提出了 “分離法制取薯蕷皂素新工藝”:其主要步驟為先從黃姜中分離出淀粉漿，再進行稀酸水解使淀粉糖化，分離后得到糖液和糖渣，糖渣用于提取皂素，糖液用于發酵生產肌苷。但據文獻報道，該工藝在淀粉水洗分離中的消失會影響皂素得率，而且水處理量大，目前仍未得到大量推廣。
[0015]黃姜皂素廢水中的含糖量較高，有文獻報道從高濃度皂素廢水中提取葡萄糖或利用其中的糖類進行酒精發酵，但這些方法僅回收利用了廢水中的還原糖，仍存在二次廢水污染問題。繆禮鴻等采用皂素廢渣直接吸收高濃度皂素廢水經堆肥發酵生產有機肥料，作為皂素廢渣和廢水的一種治理方法。但該技術只解決了皂素廢渣和高濃度皂素廢水的治理問題，未涉及黃姜淀粉的利用和中、低濃度皂素廢水的處理問題。
【發明內容】
`[0016]本發明的目的在于針對目前黃姜資源不足和產生大量廢棄物，嚴重影響了黃姜長期利用發展前景，而采用目前提取方法都會對環境造成大量的廢棄物，本發明提供了一種利用萃取、結晶與重結晶方法從黃姜根莖中規模化生產黃姜皂素，又能提高黃姜中黃姜皂素和鼠李糖的收率。
[0017]本發明米用的微生物菌種,釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)來源于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，編號分別為CGMCC N0.2.558。
[0018]釀酒酵母菌粉的制備:按釀酒酵母菌CGMCC N0.2.558培養方法進行培養，離心培養液獲得釀酒酵母菌體，干燥即為釀酒酵母菌粉。
[0019]因此，本發明提供一種黃姜提取皂素和鼠李糖的方法，其具體步驟如下:
[0020](I)將黃姜進行洗凈、干燥后粉碎過20目篩>90% ；
[0021](2)加入80-90%甲醇或乙醇溶液，提取三次，每次90min ；
[0022](3)將3次黃姜提取液濃縮回收甲醇或乙醇至無醇味；
[0023](4)向濃縮液中加入鹽酸溶液使其終濃度為2.5mol/L,在30°C下進行酸水解1.5小時；
[0024](5)將酸解液過濾，得粗皂素；
[0025](6)粗皂素采用石油醚進行結晶與重結晶，靜置8-12小時，然后過濾，重結晶，直至結晶顏色潔白為止，將結晶物真空干燥得黃姜皂素成品；
[0026](7)向濾液中加入lmol/L氫氧化鈉溶液進行中和，采用AB_8大孔樹脂在45°C下進行吸附，過濾，得到已吸附色素的大孔樹脂顆粒，用水沖洗后再用55%的乙醇進行洗脫，將洗脫液進行濃縮至干獲得干燥物即為黃色素純品；
[0027](8)將第(7)所得濾液馬上加入普通面包酵母粉CGMCC N0.2.558在28°C下攪拌保溫3-5h ；
[0028](9)陶瓷膜過濾去釀酒酵母菌體，濾液進行在50°C下減壓濃縮至原有體積的1/4-1/6，直接加入α-L-鼠李糖的種晶，在4°C下結晶和重結晶方法進行制備高純度的鼠李糖。
[0029]在一個實施方案中，步驟(2)中所述甲醇或乙醇的用量，其體積(L)/黃姜重量(kg) / 比為 1:4-8。
[0030]在一個實施方案中，步驟(6)中所述石油醚的用量，其體積(L)/粗皂素重量(kg)/比為1:2-5。
[0031]在一個實施方案中，步驟(8)中所述面包酵母粉的用量，其重量(kg)/濾液體積(L)比=1:10-15。
`[0032]在一個實施方案中，步驟(9)中所述鼠李糖種晶的加入量，其重量(g)/濾液體積(L)比=1:20-25。
[0033]技術效果
[0034]1、本發明方法中所用的原料、設備均為常見的普通原料、設備，避免了工業化生產過程中對于昂貴原材料、儀器的依賴，大大地降低了生產成本。
[0035]2、黃姜產量高、價格低，來源方便，后續資源有保障。
[0036]3、本發明方法操作簡單，僅使用萃取、樹脂層析過濾、結晶再結晶技術，也不需要精密儀器或自動化設備，極大地降低了黃姜皂素的生產成本，簡化了生產過程，確保規模化
生產黃姜皂素。
[0037]4、本發明還能得到大量的鼠李糖，有利于降低黃姜皂素的生產成本，同時又得到可用于食品添加的天然色素。
【具體實施方式】
[0038]下面用本發明的實施實例來進一步說明本發明的實質性內容，但并不以此限制本發明。
[0039]實施例1
[0040]稱取IOOkg干燥黃姜后粉碎過20目篩>90%，加入500kg的80%乙醇，提取三次，每次1.5小時，將3次黃姜提取液合并濃縮回收乙醇至無醇味，向濃縮液中加入鹽酸溶液使其終濃度為2.5mol/L，在30°C下進行酸水解90min ;將酸解液過濾，得粗皂素4.34kg。粗皂素采用石油醚進行結晶與重結晶，靜置8-12小時，然后過濾，重結晶，直至結晶顏色潔白為止，將結晶物真空干燥得黃姜皂素成品3.68kg，經HPLC法進行黃姜皂素含量檢測達到99.42%。濾液采用AB-8的大孔樹脂在45°C下進行吸附，過濾，得到已吸附色素的大孔樹脂顆粒，用蒸餾水沖洗后再用55%的乙醇進行洗脫，將洗脫液進行濃縮至干獲得干燥物即為黃色素純品1.45kg，經色價檢測達到408 ;將所得濾液IlOL馬上加入IOkg普通面包酵母粉在28°C下攪拌保溫3h ;陶瓷膜過濾去釀酒酵母菌體，濾液進行在50°C下減壓濃縮至22L，直接加入a -L-鼠李糖的種晶lg，在4°C下結晶和重結晶方法進行制備高純度的鼠李糖，得到鼠李糖0.67kg，經HPLC法進行鼠李糖含量檢測達到98.55%。
[0041]實施例2
[0042]稱取200kg干燥黃姜后粉碎過20目篩>90%，加入900kg的80%乙醇，提取三次，每次1.5小時，將3次黃姜提取液合并濃縮回收乙醇至無醇味，向濃縮液中加入鹽酸溶液使其終濃度為2.5mol/L，在30°C下進行酸水解90min ;將酸解液過濾，得粗皂素8.85kg。粗皂素采用石油醚進行結晶與重結晶，靜置8-12小時，然后過濾，重結晶，直至結晶顏色潔白為止，將結晶物真空干燥得黃姜皂素成品7.45kg，經HPLC法進行黃姜皂素含量檢測達到99.46%。濾液采用AB-8的大孔樹脂在45°C下進行吸附，過濾，得到已吸附色素的大孔樹脂顆粒，用蒸餾水沖洗后再用55%的乙醇進行洗脫，將洗脫液進行濃縮至干獲得干燥物即為黃色素純品3.03kg,經色價檢測達到412 ;將所得濾液250L馬上加入22kg普通面包酵母粉在28°C下攪拌保溫4h;陶瓷膜過濾去釀酒酵母菌體，濾液進行在50°C下減壓濃縮至40L，直接加入a -L-鼠李糖的種晶2g，在4°C下結晶和重結晶方法進行制備高純度的鼠李糖，得到鼠李糖1.35kg，經HPLC法進行鼠李糖含量檢測達到98.67%。
[0043]實施例3
[0044]稱取400kg干燥 黃姜后粉碎過20目篩>90%，加入1800kg的80%乙醇，提取三次，每次1.5小時，將3次黃姜提取液合并濃縮回收乙醇至無醇味，向濃縮液中加入鹽酸溶液使其終濃度為2.5mol/L，在30°C下進行酸水解90min ;將酸解液過濾，得粗皂素17.56kg。粗皂素采用石油醚進行結晶與重結晶，靜置8-12小時，然后過濾，重結晶，直至結晶顏色潔白為止，將結晶物真空干燥得黃姜皂素成品13.55kg，經HPLC法進行黃姜皂素含量檢測達到99.63%。濾液采用AB-8的大孔樹脂在45°C下進行吸附，過濾，得到已吸附色素的大孔樹脂顆粒，用蒸餾水沖洗后再用55%的乙醇進行洗脫，將洗脫液進行濃縮至干獲得干燥物即為黃色素純品5.08kg,經色價檢測達到421 ;將所得濾液450L馬上加入40kg普通面包酵母粉在28°C下攪拌保溫5h ;陶 瓷膜過濾去釀酒酵母菌體，濾液進行在50°C下減壓濃縮至90L，直接加入a -L-鼠李糖的種晶2g，在4°C下結晶和重結晶方法進行制備高純度的鼠李糖，得到鼠李糖2.78kg，經HPLC法進行鼠李糖含量檢測達到98.72%。
【權利要求】
1.本發明提供一種黃姜提取皂素和鼠李糖的方法，其具體步驟如下: (1)將黃姜進行洗凈、干燥后粉碎過20目篩>90%; (2)加入80-90%甲醇或乙醇溶液，提取三次，每次90min； (3)將3次黃姜提取液濃縮回收甲醇或乙醇至無醇味； (4)向濃縮液中加入鹽酸溶液使其終濃度為2.5mol/L，在30°C下進行酸水解1.5小時； (5)將酸解液過濾，得粗皂素； (6)粗皂素采用石油醚進行結晶與重結晶，靜置8-12小時，然后過濾，重結晶，直至結晶顏色潔白為止，將結晶物真空干燥得黃姜皂素成品； (7)向濾液中加入lmol/L氫氧化鈉溶液進行中和，采用AB-8大孔樹脂在45°C下進行吸附，過濾，得到已吸附色素的大孔樹脂顆粒，用水沖洗后再用55%的乙醇進行洗脫，將洗脫液進行濃縮至干獲得干燥物即為黃色素純品； (8)將第(7)所得濾液馬上加入普通面包酵母粉CGMCCN0.2.558在28°C下攪拌保溫3-5h ； (9)陶瓷膜過濾去釀酒酵母菌體，濾液進行在50°C下減壓濃縮至原有體積的1/4-1/6，直接加入α-L-鼠李糖的種晶，在4°C下結晶和重結晶方法進行制備高純度的鼠李糖。
2.根據權利要求1的方法，步驟(2)中所述甲醇或乙醇的用量，其體積(L)/黃姜重量(kg) / 比=1:4-8。
3.根據權利要求1的方法，步驟(6)中所述石油醚的用量，其體積(L)/粗皂素重量(kg) / 比為 1:2-5。
4.根據權利要求1的方法，步驟(8)中所述面包酵母粉的用量，其重量(kg)/濾液體積(L)比=1:10-15。
5.根據權利要求1的方法，步驟(9)中所述鼠李糖種晶的加入量，其重量(g)/濾液體積(L)比=1:20-25。
【文檔編號】C07H1/08GK103755776SQ201410027330
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】于華忠 申請人:于華忠