微生物法清潔生產(chǎn)黃姜皂素新技術及工程化研究.pdf

1、黃姜皂素是合成皮質(zhì)激素、性激素、蛋白同化類激素等1000多種藥物的理想原料，占甾體激素藥物原料的60％左右，被譽為“藥用黃金”。黃姜皂素在薯蕷屬植物中以黃姜皂苷形式存在，被黃姜細胞壁中大量的木質(zhì)纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等物質(zhì)包裹，一直以來，黃姜皂素的生產(chǎn)提取技術均離不開大量酸水解，對周圍環(huán)境尤其是南水北調(diào)工程水質(zhì)造成了極其嚴重的污染。為解決黃姜皂素產(chǎn)業(yè)“污染大、收率低、成本高”等瓶頸問題，本研究建立了一種利用微生物技術清潔生產(chǎn)黃姜皂素的

2、新工藝，并對其過程機理及工程化應用展開了詳細研究。
　?。?）首次對儲藏過程中鮮黃姜的有用成分如水解糖和黃姜皂素的含量變化規(guī)律展開研究，確定了室外全天露天這種儲藏方式下水解糖含量及黃姜皂素含量最高，且儲藏期為27天時黃姜皂素積累最高，這時進行黃姜皂素生產(chǎn)加工較為理想。并確定了影響黃姜儲藏過程中皂素含量變化的主要因素是糖基轉(zhuǎn)移酶、糖苷酶等一系列植物內(nèi)源酶的轉(zhuǎn)化作用，能分泌相關酶的根際微生物也會起到類似作用，且本實驗結果表明植物內(nèi)源酶

3、所起到的轉(zhuǎn)化作用大于根際微生物的作用。
　　（2）通過對比分析微波、超聲、低壓蒸汽膨化這三種預處理方式對黃姜皂苷釋放百分數(shù)及其對應的皂素提取率的影響，表明了低壓蒸汽膨化預處理技術最能促進黃姜中皂苷釋放，提高皂素提取率。并通過原子力顯微鏡（AFM）及掃描電鏡圖片（SEM）對比分析三種預處理技術對黃姜顆粒微觀結構的影響，揭示了低壓蒸汽膨化預處理對皂苷釋放具有更好效果的機理：AFM與SEM結果表明低壓蒸汽膨化預處理對黃姜顆粒表面結構破壞

4、程度最大，它不僅可以從一定程度上瓦解黃姜顆粒的細胞壁層，還能最大程度分散并破壞淀粉顆粒等，從而顯著提高后續(xù)酶解效率及細胞內(nèi)黃姜皂苷釋放百分數(shù)。
　?。?）根據(jù)不同酶處理對黃姜皂苷釋放百分數(shù)及對應皂素提取率的影響的研究結果，篩選并純化獲得了6株能有效降解黃姜組織并釋放黃姜皂苷的菌株，將其中效果最好的19＃菌株進行菌種鑒定并命名為Bacillus pumilus HR19。采用響應面分析方法優(yōu)化得到其最佳微生物處理條件是：處理時間4.

5、21 h，接種量15.58％，發(fā)酵溫度為34.14℃。此時，黃姜皂苷的釋放百分數(shù)達到85.60±1.34％，對應的皂素提取率為3.25g/100g黃姜干粉。另外，通過對微生物處理過程機理的研究，確定了微生物處理比復合酶處理更能促進黃姜皂苷釋放的原因：其一，微生物處理過程中因自身代謝需要及時利用了降解產(chǎn)物從而解除了產(chǎn)物抑制作用，使分泌的酶活一直處于較高水平；其二，微生物能根據(jù)環(huán)境中底物組成及代謝需要合理分泌各種酶以高效降解黃姜原料；第三，

6、微生物對黃姜原料的趨向性也增強了酶降解效率。在此基礎上，本研究首次建立了利用微生物技術清潔生產(chǎn)黃姜皂素及可發(fā)酵糖的新工藝，與傳統(tǒng)工藝對比，新工藝黃姜皂素提取率增加了6.21％，提取過程中的水，酸和有機溶劑用量分別減少了92.5％，97.0％和97.0％以上，具有較強的產(chǎn)業(yè)化應用潛力。
　?。?）采用微生物技術清潔生產(chǎn)黃姜皂素新工藝分別在200L和3T發(fā)酵罐的中試規(guī)模下展開工程化應用研究，由中試生產(chǎn)得到的黃姜皂素產(chǎn)品為白色結晶粉末，

7、其皂素含量在94％以上，達到了薯蕷皂素控制項目指標（DB42/T2277-2004）。同時，本工藝還得到一種含多種氨基酸和維生素的可發(fā)酵糖液，它可作為發(fā)酵生產(chǎn)眾多發(fā)酵產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)碳源，提供比普通葡萄糖更豐富的營養(yǎng)元素。更重要的是，該新工藝的中試放大研究證實了微生物技術清潔生產(chǎn)黃姜皂素工藝能從源頭解決黃姜皂素產(chǎn)業(yè)酸用量大、廢水量大，污染嚴重等重大問題。與傳統(tǒng)工藝對比可知，新工藝技術在提高黃姜皂素收率的同時，極大地減少了生產(chǎn)過程中水和酸的用量