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摘要 传统盾叶薯蓣皂素生产工艺产生大量高浓度含酸有机废水，严重污染水源，制约了皂素产业的健康发展。对皂素的清洁生产工艺及资源综合利用进展进行了系统介绍，并对清洁生产工艺未来发展趋势及面临问题进行讨论。
关键词 盾叶薯蓣；清洁生产工艺；资源综合利用
中图分类号 S632 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2014）26-09176-04
The Research Progress of Clean Production Process and Comprehensive Utilization of Dioscorea zingiberensis
HUANG Yi et al （School of Life Science and Engineering， Southwest University of Science and Technology， Sichuan， Mianyang 621010）
Abstract Traditional disogenin production process produced large amounts of high concentration organic and acidic waste water which seriously contaminated water source and restricted the healthy development of saponin industry. In this paper， the clean production process and the comprehensive utilization of the Dioscorea zingiberensis were introduced， and the future development trend and problems were discussed.
Key words Dioscorea zingiberensis； Cleaner production process； Comprehensive utilization
盾葉薯蓣（Dioscorea zingiberensis C.H.Wright）别名黄姜，是薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea）植物，为我国特有，分布于四川、湖北、陕西、甘肃、河南和湖南等地，是世界上薯蓣皂苷元（disogenin，俗称皂素）含量最高的种，最高可达16.15%。薯蓣皂素是合成甾体激素类药物和甾体避孕药的重要原料药，可用于合成可的松、强的松、地塞米松、强的松龙、炔雌醇和尼尔雌醇等药物。该化合物最早从墨西哥小花穗薯蓣中开发提取，20世纪50年代后期我国发现盾叶薯蓣中皂素含量更高并加以开发，摆脱了西方国家对该原料药的垄断。近年来，由于黄姜药材市场的无序以及技术手段的进步，许多新资源和替代品逐步出现，比如南美以及我国云南剑麻中的剑麻皂素[1]，中东阿拉伯国家传统蔬菜葫芦巴中提取的薯蓣皂素[2]，湖南和东北的穿龙薯蓣皂素[3]，甚至水果加工副产品（如石榴皮）中提取的薯蓣皂素。
由于甾体类化合物全合成工业化路线目前并不成熟，较长一段时间内全球对皂素原料药的需求会维持稳定提升，但现行企业的传统生产工艺能耗高，废水排放严重且处理成本高，在民众环保意识大幅提升的今天，企业的环保压力及成本逐年上升，加之全球可替代资源的逐步开发，黄姜皂素企业竞争压力越来越大。因此，皂素清洁生产工艺并结合资源综合利用，控制成本，增加附加值这一可持续发展路线将是企业唯一选择。笔者分别对近年来盾叶薯蓣清洁化生产工艺及资源综合利用情况进行综述，以期为该资源开发利用提供参考。
1 清洁生产工艺
薯蓣皂素是异螺旋甾烷的衍生物，在植物体内以薯蓣皂苷（Dioscin）配基形式存在，通过C3和C26糖苷键与糖链相连进而与植物细胞壁紧密连接。由于该结构特征及其在植物体内的存在形式，决定了它的提取步骤：通常先使薯蓣皂苷与植物细胞壁分开，再水解断开糖苷键使皂素游离，利用其不溶于水而易溶于有机溶剂的性质将它提取出来。目前，生产工艺包括直接水解法、预发酵法和预分离法3种，现分别讨论。
1.1 直接水解法
作为最早的生产方法，直接水解法也是目前普遍采用的工艺（特别是中小企业）。该法利用强酸水解断开皂苷元与糖基之间的苷键，再利用亲脂性溶剂（如汽油）提取皂素。由于盾叶薯蓣中除所含薯蓣皂苷元外，还含有45%左右的淀粉，40%的纤维素以及其他物质。直接酸水解方式将同时对淀粉及纤维素进行水解，且淀粉水解速率快于皂苷。虽然该法工艺简单，操作简便，但淀粉、纤维素等副产物不能得到充分利用，水解生产的废水有机物含量高，污染非常严重。虽然目前已有的原位水解[4]和高压水解[5]新工艺能减少酸用量，但废水杂质多，综合利用率低的问题并未彻底解决，应该逐步放弃。
1.2 预发酵法
为了减少酸用量或彻底放弃酸水解处理方式，国内不少厂商开始采用预发酵法处理盾叶薯蓣，该法包括自然发酵法、酶解法和添加微生物发酵法3种类型。
自然发酵法[6-8]主要是通过将药材浸润后，利用药材本身具有的微生物群落自然发酵数天，待淀粉和纤维素部分分解，植物体疏松后再进行酸水解，从中提取皂素。该法可降低酸用量并缩短水解时间，提高皂素收率。但发酵后产品中杂质增多，后处理成本上升，发酵过程中多种微生物自然参与，发酵条件难以控制。
酶解法是将原料进行粉碎后，人工添加多种酶对原料进行酶解，比如用纤维素酶[9-11]破坏植物细胞壁，或者用糖化酶[12]处理淀粉。除使用单一酶外，复合酶处理法[13]近年来也多有研究，张裕卿等还利用阶梯生物催化法，研究了纤维素酶、果胶酶、淀粉酶和糖化酶4种酶混合处理方法对皂素提取的影响[14]，该工艺能够将薯蓣药材中98%的皂素提取出来，资源利用率很高。 酶解法有2个问题：第一是由于催化环境的复杂性，生物酶随着时间、热作用和产物的影响，生物活性会逐渐衰减，致使催化效率降低。对于这个问题，一种办法是通过酶的改性[15-17]，使其能耐更高温度；另一种办法是将酶解与液相萃取偶联，及时解除产物对酶的抑制作用，将反应与分离同步进行，提高反应效率，同时减少操作步骤，降低生产成本[18]。第二是加酶会造成成本上升，不太适于大规模的工业生产，且加酶种类与产物产量相关性问题还需要大量实验摸索[19]。
由于自然发酵法和酶解法都不能完全回避酸水解工艺，部分研究人员利用产酶微生物发酵来降低成本，这就是微生物生物转化法。该法有2个使用点，一是利用人工添加微生物提高盾叶薯蓣纤维素和淀粉分解率，降低后续酸水解酸用量，比如朱余玲等通过驯化和筛选，选出了3株产木聚糖酶、纤维素酶、糖苷酶活力高的微生物，并将这3株霉菌组成了多种添加方案进行研究，效果不错[20]。另一点是人工添加菌种发酵进行生物转化，直接替代酸水解。目前米曲霉[21-23]、烟曲霉[24]、里实木酶[25-26]均有研究，这种去酸生物转化方式将是未来清洁生产工艺的重要研究点。
以上预发酵法工艺的最主要问题还在于淀粉及纤维素基本被水解，造成水解液成分复杂，污染重，后处理困难，而且发酵过程中，薯蓣皂苷定向转化为薯蓣皂素可能不可控，使得率下降。
1.3 预分离法
为解决前2种方法后处理难问题，2005年后又开发出了预分离法[27-34]，该法一般是先将原料粉碎磨浆后水洗，分离出纤维素，通过自然沉降，分离上清液、悬浊层和淀粉，再将悬浊层浓缩，并酸解或生物转化提取皂素。此法可基本实现皂素、淀粉及纤维素3种主要物质的效用最大化，同时降低酸消耗，减轻污染。主要问题是纤维素及淀粉的预分离工艺耗水量大，以及洗水中如何实现淀粉及皂苷的有效分离等问题。陈合等曾比较了以上3种方法，发现预分离法是最有使用价值的方案，应该作为清洁生产工艺的重要研究点[35]。除以上常规工艺外，目前还有一些新工艺，已整理在表1中。
2 资源综合利用
由于盾叶薯蓣中除含薯蓣皂素外，还含有淀粉、纤维素等其他物质，这些副产物的开发不仅有利于降低污染，还能提高企业附加值。根据不同的生产工艺，副产物的开发情况各有不同：如果采用预发酵法，生产皂苷元后残余的溶液一般是强酸性高浓度的有机废水，其主要含有酸、葡萄糖、鼠李糖、醇、色素和木素等；如果采用预分离法，可以单独获得淀粉以及纤维素。笔者将目前盾叶薯蓣副产物开发情况整理在表2中。
3 问题及展望
从以上综述可以得出，预分离法因其分隔开了淀粉、纤维素以及皂苷三大类物质，使得后续皂苷水解工艺复杂度及污染度大幅度降低，并且较好地回收了淀粉和纤维素，是目前最为可行的清洁生产工艺。但该法还必须解决如下几个问题：
第一，水洗淀粉及纤维素工艺中耗水量大，水溶性皂苷丢失造成皂素回收率下降。这个问题主要涉及水的回收重复使用及皂苷富集等工艺，这里可参考文献[57]的方案，考虑使用膜分离手段解决。
第二，能否将预分离、发酵、生物转化等工艺方案灵活结合使用，最大化提高皂素得率并降低污染。Huang等就尝试了结合物理分离、多酶水解、酵母发酵并配合甲醇修饰的超临界二氧化碳萃取技术的方法，能回收95%皂素，95%甲醇和75%的纤维素，并且相对于传统工艺降低了废水中88%的COD值，效果很好[38]；王安亭等甚至直接利用盾叶薯蓣发酵过程中自然产生的乙醇顺带出薯蓣皂苷，大大节约有机溶媒使用[99]。
第三，各种副产物产出后是否符合市场产品要求，这还需大量的市场调研。第四，工业化放大可能性及可行性还需要大量的论证。
伴随民众环保意识的上升，国家南水北调工程的开展以及可持续发展的要求，盾叶薯蓣皂素生产企业的环保压力将越来越大，采用适当的清洁生产工艺及资源综合利用将是我国薯蓣皂素產业唯一选择。
参考文献
[1]韩广甸，马兆扬.我国利用剑麻皂素合成甾体药物的研究进展[J].中国医药工业杂志，2002，33（9）：45-50.
[2] 蒋建新，朱莉伟，徐嘉生，等.从制胶后的胡芦巴种子中提取甾体皂甙元的研究[J].天然产物研究与开发，2001，13（1）：49-51.
[3] 周雯.应用盐酸-丙酮混合液从穿龙薯蓣中直接提取皂素[J].中草药，1996，27（4）：207-208.
[4] 袁丽红，邵辉，顾永明，等.盾叶薯蓣中水解原位提取薯蓣皂甙元[J].高校化学工程学报，2007，21（3）：538.
[5] 阴春晖，李培琴，赵江林，等.从盾叶薯蓣组培苗中高压酸解制备薯蓣皂苷元[J].天然产物研究与开发，2011，23（1）：114-117.
[6] 汤兴利，徐增莱，夏冰，等.用盾叶薯蓣生产薯蓣皂苷元预发酵与水解条件优化[J].植物资源与环境学报，2004，13（3）：35-37.
[7] 乔振杰，李向民，徐桂新.盾叶薯蓣中薯蓣皂甙元提取预发酵和水解条件的优化[J].西北农业学报，2006，15（3）：212-215， 222.
[8] 王颖，富瑶瑶，刘廷强，等.黄姜中自身转化薯蓣皂苷元提取的研究[J].安徽农业科学，2010，38（3）：1616-1617， 1645.
[9] 唐俊，葛海涛，张云霞，等.纤维素酶辅助提取盾叶薯蓣中薯蓣皂苷的工艺优化研究[J].中国医药科学，2012，2（1）：27-29.
关键词 盾叶薯蓣；清洁生产工艺；资源综合利用
中图分类号 S632 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2014）26-09176-04
The Research Progress of Clean Production Process and Comprehensive Utilization of Dioscorea zingiberensis
HUANG Yi et al （School of Life Science and Engineering， Southwest University of Science and Technology， Sichuan， Mianyang 621010）
Abstract Traditional disogenin production process produced large amounts of high concentration organic and acidic waste water which seriously contaminated water source and restricted the healthy development of saponin industry. In this paper， the clean production process and the comprehensive utilization of the Dioscorea zingiberensis were introduced， and the future development trend and problems were discussed.
Key words Dioscorea zingiberensis； Cleaner production process； Comprehensive utilization
盾葉薯蓣（Dioscorea zingiberensis C.H.Wright）别名黄姜，是薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea）植物，为我国特有，分布于四川、湖北、陕西、甘肃、河南和湖南等地，是世界上薯蓣皂苷元（disogenin，俗称皂素）含量最高的种，最高可达16.15%。薯蓣皂素是合成甾体激素类药物和甾体避孕药的重要原料药，可用于合成可的松、强的松、地塞米松、强的松龙、炔雌醇和尼尔雌醇等药物。该化合物最早从墨西哥小花穗薯蓣中开发提取，20世纪50年代后期我国发现盾叶薯蓣中皂素含量更高并加以开发，摆脱了西方国家对该原料药的垄断。近年来，由于黄姜药材市场的无序以及技术手段的进步，许多新资源和替代品逐步出现，比如南美以及我国云南剑麻中的剑麻皂素[1]，中东阿拉伯国家传统蔬菜葫芦巴中提取的薯蓣皂素[2]，湖南和东北的穿龙薯蓣皂素[3]，甚至水果加工副产品（如石榴皮）中提取的薯蓣皂素。
由于甾体类化合物全合成工业化路线目前并不成熟，较长一段时间内全球对皂素原料药的需求会维持稳定提升，但现行企业的传统生产工艺能耗高，废水排放严重且处理成本高，在民众环保意识大幅提升的今天，企业的环保压力及成本逐年上升，加之全球可替代资源的逐步开发，黄姜皂素企业竞争压力越来越大。因此，皂素清洁生产工艺并结合资源综合利用，控制成本，增加附加值这一可持续发展路线将是企业唯一选择。笔者分别对近年来盾叶薯蓣清洁化生产工艺及资源综合利用情况进行综述，以期为该资源开发利用提供参考。
1 清洁生产工艺
薯蓣皂素是异螺旋甾烷的衍生物，在植物体内以薯蓣皂苷（Dioscin）配基形式存在，通过C3和C26糖苷键与糖链相连进而与植物细胞壁紧密连接。由于该结构特征及其在植物体内的存在形式，决定了它的提取步骤：通常先使薯蓣皂苷与植物细胞壁分开，再水解断开糖苷键使皂素游离，利用其不溶于水而易溶于有机溶剂的性质将它提取出来。目前，生产工艺包括直接水解法、预发酵法和预分离法3种，现分别讨论。
1.1 直接水解法
作为最早的生产方法，直接水解法也是目前普遍采用的工艺（特别是中小企业）。该法利用强酸水解断开皂苷元与糖基之间的苷键，再利用亲脂性溶剂（如汽油）提取皂素。由于盾叶薯蓣中除所含薯蓣皂苷元外，还含有45%左右的淀粉，40%的纤维素以及其他物质。直接酸水解方式将同时对淀粉及纤维素进行水解，且淀粉水解速率快于皂苷。虽然该法工艺简单，操作简便，但淀粉、纤维素等副产物不能得到充分利用，水解生产的废水有机物含量高，污染非常严重。虽然目前已有的原位水解[4]和高压水解[5]新工艺能减少酸用量，但废水杂质多，综合利用率低的问题并未彻底解决，应该逐步放弃。
1.2 预发酵法
为了减少酸用量或彻底放弃酸水解处理方式，国内不少厂商开始采用预发酵法处理盾叶薯蓣，该法包括自然发酵法、酶解法和添加微生物发酵法3种类型。
自然发酵法[6-8]主要是通过将药材浸润后，利用药材本身具有的微生物群落自然发酵数天，待淀粉和纤维素部分分解，植物体疏松后再进行酸水解，从中提取皂素。该法可降低酸用量并缩短水解时间，提高皂素收率。但发酵后产品中杂质增多，后处理成本上升，发酵过程中多种微生物自然参与，发酵条件难以控制。
酶解法是将原料进行粉碎后，人工添加多种酶对原料进行酶解，比如用纤维素酶[9-11]破坏植物细胞壁，或者用糖化酶[12]处理淀粉。除使用单一酶外，复合酶处理法[13]近年来也多有研究，张裕卿等还利用阶梯生物催化法，研究了纤维素酶、果胶酶、淀粉酶和糖化酶4种酶混合处理方法对皂素提取的影响[14]，该工艺能够将薯蓣药材中98%的皂素提取出来，资源利用率很高。 酶解法有2个问题：第一是由于催化环境的复杂性，生物酶随着时间、热作用和产物的影响，生物活性会逐渐衰减，致使催化效率降低。对于这个问题，一种办法是通过酶的改性[15-17]，使其能耐更高温度；另一种办法是将酶解与液相萃取偶联，及时解除产物对酶的抑制作用，将反应与分离同步进行，提高反应效率，同时减少操作步骤，降低生产成本[18]。第二是加酶会造成成本上升，不太适于大规模的工业生产，且加酶种类与产物产量相关性问题还需要大量实验摸索[19]。
由于自然发酵法和酶解法都不能完全回避酸水解工艺，部分研究人员利用产酶微生物发酵来降低成本，这就是微生物生物转化法。该法有2个使用点，一是利用人工添加微生物提高盾叶薯蓣纤维素和淀粉分解率，降低后续酸水解酸用量，比如朱余玲等通过驯化和筛选，选出了3株产木聚糖酶、纤维素酶、糖苷酶活力高的微生物，并将这3株霉菌组成了多种添加方案进行研究，效果不错[20]。另一点是人工添加菌种发酵进行生物转化，直接替代酸水解。目前米曲霉[21-23]、烟曲霉[24]、里实木酶[25-26]均有研究，这种去酸生物转化方式将是未来清洁生产工艺的重要研究点。
以上预发酵法工艺的最主要问题还在于淀粉及纤维素基本被水解，造成水解液成分复杂，污染重，后处理困难，而且发酵过程中，薯蓣皂苷定向转化为薯蓣皂素可能不可控，使得率下降。
1.3 预分离法
为解决前2种方法后处理难问题，2005年后又开发出了预分离法[27-34]，该法一般是先将原料粉碎磨浆后水洗，分离出纤维素，通过自然沉降，分离上清液、悬浊层和淀粉，再将悬浊层浓缩，并酸解或生物转化提取皂素。此法可基本实现皂素、淀粉及纤维素3种主要物质的效用最大化，同时降低酸消耗，减轻污染。主要问题是纤维素及淀粉的预分离工艺耗水量大，以及洗水中如何实现淀粉及皂苷的有效分离等问题。陈合等曾比较了以上3种方法，发现预分离法是最有使用价值的方案，应该作为清洁生产工艺的重要研究点[35]。除以上常规工艺外，目前还有一些新工艺，已整理在表1中。
2 资源综合利用
由于盾叶薯蓣中除含薯蓣皂素外，还含有淀粉、纤维素等其他物质，这些副产物的开发不仅有利于降低污染，还能提高企业附加值。根据不同的生产工艺，副产物的开发情况各有不同：如果采用预发酵法，生产皂苷元后残余的溶液一般是强酸性高浓度的有机废水，其主要含有酸、葡萄糖、鼠李糖、醇、色素和木素等；如果采用预分离法，可以单独获得淀粉以及纤维素。笔者将目前盾叶薯蓣副产物开发情况整理在表2中。
3 问题及展望
从以上综述可以得出，预分离法因其分隔开了淀粉、纤维素以及皂苷三大类物质，使得后续皂苷水解工艺复杂度及污染度大幅度降低，并且较好地回收了淀粉和纤维素，是目前最为可行的清洁生产工艺。但该法还必须解决如下几个问题：
第一，水洗淀粉及纤维素工艺中耗水量大，水溶性皂苷丢失造成皂素回收率下降。这个问题主要涉及水的回收重复使用及皂苷富集等工艺，这里可参考文献[57]的方案，考虑使用膜分离手段解决。
第二，能否将预分离、发酵、生物转化等工艺方案灵活结合使用，最大化提高皂素得率并降低污染。Huang等就尝试了结合物理分离、多酶水解、酵母发酵并配合甲醇修饰的超临界二氧化碳萃取技术的方法，能回收95%皂素，95%甲醇和75%的纤维素，并且相对于传统工艺降低了废水中88%的COD值，效果很好[38]；王安亭等甚至直接利用盾叶薯蓣发酵过程中自然产生的乙醇顺带出薯蓣皂苷，大大节约有机溶媒使用[99]。
第三，各种副产物产出后是否符合市场产品要求，这还需大量的市场调研。第四，工业化放大可能性及可行性还需要大量的论证。
伴随民众环保意识的上升，国家南水北调工程的开展以及可持续发展的要求，盾叶薯蓣皂素生产企业的环保压力将越来越大，采用适当的清洁生产工艺及资源综合利用将是我国薯蓣皂素產业唯一选择。
参考文献
[1]韩广甸，马兆扬.我国利用剑麻皂素合成甾体药物的研究进展[J].中国医药工业杂志，2002，33（9）：45-50.
[2] 蒋建新，朱莉伟，徐嘉生，等.从制胶后的胡芦巴种子中提取甾体皂甙元的研究[J].天然产物研究与开发，2001，13（1）：49-51.
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[4] 袁丽红，邵辉，顾永明，等.盾叶薯蓣中水解原位提取薯蓣皂甙元[J].高校化学工程学报，2007，21（3）：538.
[5] 阴春晖，李培琴，赵江林，等.从盾叶薯蓣组培苗中高压酸解制备薯蓣皂苷元[J].天然产物研究与开发，2011，23（1）：114-117.
[6] 汤兴利，徐增莱，夏冰，等.用盾叶薯蓣生产薯蓣皂苷元预发酵与水解条件优化[J].植物资源与环境学报，2004，13（3）：35-37.
[7] 乔振杰，李向民，徐桂新.盾叶薯蓣中薯蓣皂甙元提取预发酵和水解条件的优化[J].西北农业学报，2006，15（3）：212-215， 222.
[8] 王颖，富瑶瑶，刘廷强，等.黄姜中自身转化薯蓣皂苷元提取的研究[J].安徽农业科学，2010，38（3）：1616-1617， 1645.
[9] 唐俊，葛海涛，张云霞，等.纤维素酶辅助提取盾叶薯蓣中薯蓣皂苷的工艺优化研究[J].中国医药科学，2012，2（1）：27-29.