微生物法清潔生產(chǎn)黃姜皂素新技術(shù)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(yù)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(xì)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(lái)，黃姜皂素的生產(chǎn)提取技術(shù)均離不開大量酸水解，對(duì)周圍環(huán)境尤其是南水北調(diào)工程水質(zhì)造成了極其嚴(yán)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(wèn)題，本研究建立了一種利用微生物技術(shù)清潔生產(chǎn)黃姜皂素的

2、新工藝，并對(duì)其過(guò)程機(jī)理及工程化應(yīng)用展開了詳細(xì)研究。
　?。?）首次對(duì)儲(chǔ)藏過(guò)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(chǔ)藏方式下水解糖含量及黃姜皂素含量最高，且儲(chǔ)藏期為27天時(shí)黃姜皂素積累最高，這時(shí)進(jìn)行黃姜皂素生產(chǎn)加工較為理想。并確定了影響黃姜儲(chǔ)藏過(guò)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(guān)酶的根際微生物也會(huì)起到類似作用，且本實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)對(duì)比分析微波、超聲、低壓蒸汽膨化這三種預(yù)處理方式對(duì)黃姜皂苷釋放百分?jǐn)?shù)及其對(duì)應(yīng)的皂素提取率的影響，表明了低壓蒸汽膨化預(yù)處理技術(shù)最能促進(jìn)黃姜中皂苷釋放，提高皂素提取率。并通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）及掃描電鏡圖片（SEM）對(duì)比分析三種預(yù)處理技術(shù)對(duì)黃姜顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響，揭示了低壓蒸汽膨化預(yù)處理對(duì)皂苷釋放具有更好效果的機(jī)理：AFM與SEM結(jié)果表明低壓蒸汽膨化預(yù)處理對(duì)黃姜顆粒表面結(jié)構(gòu)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(xì)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(xì)胞內(nèi)黃姜皂苷釋放百分?jǐn)?shù)。
　?。?）根據(jù)不同酶處理對(duì)黃姜皂苷釋放百分?jǐn)?shù)及對(duì)應(yīng)皂素提取率的影響的研究結(jié)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(jìn)行菌種鑒定并命名為Bacillus pumilus HR19。采用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化得到其最佳微生物處理?xiàng)l件是：處理時(shí)間4.

5、21 h，接種量15.58％，發(fā)酵溫度為34.14℃。此時(shí)，黃姜皂苷的釋放百分?jǐn)?shù)達(dá)到85.60±1.34％，對(duì)應(yīng)的皂素提取率為3.25g/100g黃姜干粉。另外，通過(guò)對(duì)微生物處理過(guò)程機(jī)理的研究，確定了微生物處理比復(fù)合酶處理更能促進(jìn)黃姜皂苷釋放的原因：其一，微生物處理過(guò)程中因自身代謝需要及時(shí)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(duì)黃姜原料的趨向性也增強(qiáng)了酶降解效率。在此基礎(chǔ)上，本研究首次建立了利用微生物技術(shù)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(duì)比，新工藝黃姜皂素提取率增加了6.21％，提取過(guò)程中的水，酸和有機(jī)溶劑用量分別減少了92.5％，97.0％和97.0％以上，具有較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。
　　（4）采用微生物技術(shù)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(yīng)用研究，由中試生產(chǎn)得到的黃姜皂素產(chǎn)品為白色結(jié)晶粉末，

7、其皂素含量在94％以上，達(dá)到了薯蕷皂素控制項(xiàng)目指標(biāo)（DB42/T2277-2004）。同時(shí)，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(yíng)養(yǎng)元素。更重要的是，該新工藝的中試放大研究證實(shí)了微生物技術(shù)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(yán)重等重大問(wèn)題。與傳統(tǒng)工藝對(duì)比可知，新工藝技術(shù)在提高黃姜皂素收率的同時(shí)，極大地減少了生產(chǎn)過(guò)程中水和酸的用量