薯蕷皂素清潔生產(chǎn)技術(shù)研究

【摘要】：從我國特有野生植物盾葉薯蕷根狀莖(黃姜)中提取的薯蕷皂素是一種非常重要的醫(yī)藥原料。傳統(tǒng)提取工藝造成嚴(yán)重的環(huán)境污染一直是限制黃姜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。薯蕷皂素清潔生產(chǎn)技術(shù)決定了黃姜產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。本文以盾葉薯蕷(Dioscorea zingiberensis)根狀莖為實(shí)驗(yàn)材料,分別從生物技術(shù)角度和化學(xué)工程角度對薯蕷皂素的清潔提取進(jìn)行了研究。通過篩選專一微生物對薯蕷皂苷進(jìn)行生物水解獲得薯蕷皂素;通過改進(jìn)酸水解過程和純化方法獲得無污染并且高效的薯蕷皂素提取工藝。這兩方面的實(shí)驗(yàn)分別得到如下結(jié)果:1.篩選得到具有水解薯蕷皂苷活性的青霉菌,可對根狀莖直接進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵獲得薯蕷皂苷元:酸水解薯蕷皂苷,分離出皂苷糖(DL)。以薯蕷皂苷糖為唯一碳源,配制篩選培養(yǎng)基,篩選出具有水解薯蕷皂苷活性的微生物,經(jīng)初步鑒定后將其命名為青霉菌Penicillium dioscorea.對該菌種進(jìn)行活化和擴(kuò)大培養(yǎng)后,得出優(yōu)化的菌種培養(yǎng)條件為:MS培養(yǎng)液(1000ml)+8.0 g皂苷糖/8.0 g薯蕷皂苷,培養(yǎng)溫度30℃,培養(yǎng)時間36小時。將擴(kuò)大培養(yǎng)的液體菌種接種到蒸煮滅菌后的黃姜材料上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,得出最佳的發(fā)酵條件為:接種量0.05g鮮菌絲/1kg鮮黃姜,發(fā)酵溫度30℃,發(fā)酵時間48小時,薯蕷皂苷的水解率可達(dá)到93%。2.薯蕷皂苷酸水解并同步萃取薯蕷皂苷元,整個過程不排放廢水:首先,本實(shí)驗(yàn)用90%乙醇提取干燥黃姜粉末中的薯蕷皂苷,回收乙醇后得到薯蕷皂苷粉末。其次,向定制的壓力反應(yīng)釜中投入薯蕷皂苷粉末、1.0M濃度的硫酸和石油醚(比率分別為25kg:50L:100L),組成一個三相反應(yīng)體系,攪拌軸轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘,在95℃控溫條件下反應(yīng)1小時后冷卻降壓,放出石油醚相,回收石油醚后得到薯蕷皂素粗品,過濾剩余反應(yīng)體系得到酸性廢水,向酸性廢水中加入硫酸,將其濃度調(diào)節(jié)到1.0M后繼續(xù)用于下一批水解反應(yīng),過濾得到的廢渣主要為糖酯,是由糖基與硫酸反應(yīng)生成的一種酯類物質(zhì),曬干后可作為鍋爐燃料。該方法無需中和水解物,酸水可多次循環(huán)使用,克服了傳統(tǒng)工藝大量排放酸性有機(jī)廢水的缺陷。3.采用逆向?qū)游黾夹g(shù)純化薯蕷皂素粗品,適合工業(yè)化生產(chǎn):目前在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)上,一般采用結(jié)晶沉淀法來純化石油醚提取的薯蕷皂素,經(jīng)過三次結(jié)晶后皂素純度可達(dá)到95%以上,熔點(diǎn)為192℃左右。然而該方法費(fèi)工費(fèi)時,生產(chǎn)效率低下且耗費(fèi)成本高。本實(shí)驗(yàn)發(fā)明了一種逆向?qū)游龇椒ê蛯游鲅b置:將薯蕷皂素粗品粉末裝入到本裝置中,向底部溶劑室注入石油醚和無水乙醇,然后將該裝置放入到真空烘干箱中,加熱到80℃,在烘箱出口處回收溶劑,烘干完成后,打開層析裝置,去除薯蕷皂素表層的褐色雜質(zhì),下層即為高純度的白色薯蕷皂素,純度在95%以上,熔點(diǎn)超過192℃。此方法和裝置使得薯蕷皂素的純化效率得到極大提高,成本也極大的降低,尤其適合于工業(yè)化大生產(chǎn)。逆向?qū)游黾夹g(shù)同時也適用于其他天然產(chǎn)物的提取純化,該技術(shù)已申請專利保護(hù)。綜上所述,薯蕷皂苷生物水解技術(shù)是可行的,不過在應(yīng)用于工業(yè)化大生產(chǎn)之前該技術(shù)的穩(wěn)定性和反應(yīng)過程還有待進(jìn)一步研究。采用化學(xué)工程技術(shù)進(jìn)行薯蕷皂苷無污染提取是勢在必行的,然而還存在不足之處,薯蕷皂素的得率和生產(chǎn)效率有待進(jìn)一步提高。 【關(guān)鍵詞】：盾葉薯蕷 薯蕷皂苷 薯蕷皂素 水解 純化
【學(xué)位授予單位】：湖北民族學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ920.6;TQ464
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 課題研究背景9-12
• 1.1.1 黃姜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史9-11
• 1.1.2 黃姜產(chǎn)業(yè)面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢12-14
• 1.2.1 薯蕷皂素的傳統(tǒng)提取方法概述12-13
• 1.2.2 薯蕷皂苷生物酶解法的研究進(jìn)展13-14
• 1.3 課題研究目的與計(jì)劃14-16
• 1.3.1 生物水解研究：14
• 1.3.2 酸水解環(huán)保技術(shù)研究：14-16
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法16-25
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器、材料及試劑16-18
• 2.1.1 主要儀器與設(shè)備16-17
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料17
• 2.1.3 試劑17
• 2.1.4 薯蕷皂苷和薯蕷皂素的標(biāo)準(zhǔn)曲線制作17-18
• 2.1.5 薯蕷根狀莖皂素含量分析18
• 2.1.6 薯蕷皂苷和薯蕷皂苷糖的制備18
• 2.2 薯蕷皂苷水解微生物的篩選18-20
• 2.2.1 篩選培養(yǎng)基配方及篩選方法18-19
• 2.2.2 菌落活性進(jìn)一步驗(yàn)證19
• 2.2.3 篩選菌種的初步鑒定19
• 2.2.4 菌種活化與擴(kuò)大培養(yǎng)19-20
• 2.3 薯蕷材料固體發(fā)酵20-21
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理20
• 2.3.2 固體發(fā)酵方法20-21
• 2.4 薯蕷皂苷清潔酸水解工藝21-23
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備21
• 2.4.2 薯蕷皂苷水解-皂素同步萃取工藝與裝置設(shè)計(jì)21-22
• 2.4.3 薯蕷皂苷水解與皂素同步萃取反應(yīng)過程22-23
• 2.5. 薯蕷皂素逆向?qū)游龇兓?/span>23-25
• 2.5.1 逆向?qū)游黾夹g(shù)原理及裝置設(shè)計(jì)23-24
• 2.5.2 薯蕷皂素的逆向?qū)游鲞^程24-25
• 第3章 結(jié)果與分析25-41
• 3.1 水解薯蕷皂苷專一菌種的篩選與活化25-31
• 3.1.1 水解薯蕷皂苷專一菌種：青霉菌25-27
• 3.1.2 薯蕷皂苷糖（DL）對菌種水解活性的影響27-28
• 3.1.3 薯蕷皂苷對菌種水解活性的影響28-29
• 3.1.4 培養(yǎng)溫度對菌種特異活性的影響29-30
• 3.1.5 培養(yǎng)時間對菌種特異活性的影響30-31
• 3.2 新鮮黃姜固態(tài)發(fā)酵法水解薯蕷皂苷31-35
• 3.2.1 發(fā)酵溫度對固體發(fā)酵水解率的影響31-32
• 3.2.2 發(fā)酵時間對固體發(fā)酵水解率的影響32-33
• 3.2.3 接種量對固體發(fā)酵水解率的影響33-34
• 3.2.4 生物水解和酸水解提取薯蕷皂素比較34-35
• 3.3 薯蕷皂苷清潔酸水解過程35-38
• 3.3.1 主要反應(yīng)參數(shù)：反應(yīng)時間和攪拌轉(zhuǎn)速35-36
• 3.3.2 最佳條件下反應(yīng)的皂素得率36-38
• 3.4 薯蕷皂素逆向?qū)游龇兓?/span>38-41
• 3.4.1 薯蕷皂素逆向?qū)游黾兌?/span>38-39
• 3.4.2 薯蕷皂素逆向?qū)游隽鲃酉鄡?yōu)化39-41
• 第4章 結(jié)論與討論41-44
• 參考文獻(xiàn)44-48
• 附錄 148-49
• 攻讀碩士學(xué)位期間所取得的研究成果49-50
• 致謝50

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