微波強(qiáng)化皂甙水解過程的研究

1、微波強(qiáng)化薯蕷皂甙水解的研究摘要：本文報(bào)道了微波強(qiáng)化薯蕷皂甙水解的研究。實(shí)驗(yàn)表明，微波可以明顯促進(jìn)薯蕷皂甙的水解。與水浴加熱方法相比，可減少hcl用量50%，縮短水解時(shí)間92%，提高得率20%。采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)微波輻照時(shí)間、微波功率、h+濃度3個(gè)影響微波催化薯蕷皂甙水解的因素進(jìn)行了研究，最后，探討了微波催化水解的機(jī)理。關(guān)鍵詞：微波 催化 水解 薯蕷皂甙引言薯蕷皂甙元是合成甾體激素類藥物如甾體避孕藥、皮質(zhì)激素等的重要原料，在甾體藥物工業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位。目前，薯蕷皂甙元主要由薯蕷科植物（黃姜、穿龍薯蕷等）的根莖中所含的薯蕷皂甙經(jīng)加酸加熱水解獲得。由于在薯蕷皂甙水解過程中大量使用硫酸、鹽酸等無機(jī)強(qiáng)

2、酸做為水解催化劑，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時(shí)也使占原料大部分的淀粉、纖維素等成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞而難以綜合利用。近年來有用酶代替酸作水解催化劑的實(shí)驗(yàn)研究，但考慮到效率、費(fèi)用等問題，至今尚難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用1。減少水解過程用酸量，提高水解效率，進(jìn)而減輕環(huán)境污染仍然是目前較為可行的研究思路。研究表明，微波對(duì)包括水解在內(nèi)的很多有機(jī)化學(xué)過程有催化作用2。如尚素芬等使用微波催化雞蛋水解為氨基酸3，馬敬中等使用微波催化植酸水解制肌醇等4。本文報(bào)道使用微波強(qiáng)化薯蕷皂甙水解的研究。實(shí)驗(yàn)表明，微波可以明顯促進(jìn)薯蕷皂甙的水解，減少無機(jī)酸催化劑的用量，縮短水解時(shí)間，提高薯蕷皂甙元收率。通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)微波輻照時(shí)間、微

3、波功率、h+濃度3個(gè)影響微波強(qiáng)化水解的因素進(jìn)行考察，優(yōu)化了反應(yīng)條件。最后，對(duì)微波催化水解的機(jī)理進(jìn)行了討論。一、實(shí)驗(yàn)部分1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品儀器：camag scanner3型薄層掃描儀(瑞士)；camag linomat5型半自動(dòng)點(diǎn)樣儀(瑞士)；硅膠g高效薄層板(青島海洋化工廠)；分析天平(北京賽多利斯天平有限公司)；njl07-2型實(shí)驗(yàn)專用微波爐(工作頻率2455mhz，南京杰全微波設(shè)備有限公司)。藥品：盾葉薯蕷購(gòu)自河南內(nèi)鄉(xiāng)；薯蕷皂甙元對(duì)照品由作者自盾葉薯蕷中分離提純，經(jīng)光譜鑒定和hplc檢測(cè)；蒸餾水為自制；其它試劑均為分析純。1.2 實(shí)驗(yàn)過程黃姜提取液的制備：取60目黃姜粗粉200g，加

4、入70%甲醇1600ml，保持微沸回流提取3h。靜置24h后分離上清液，3000rpm離心分離，每次10min共3次以除去溶液中的少量絮狀沉淀，得澄清黃色提取液備用。水解：量取提取液50ml置200ml圓底燒瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去其中的甲醇，加入一定量的hcl調(diào)節(jié)h+濃度，置于恒溫水浴中或微波反應(yīng)器中水解一定時(shí)間，燒瓶頂部加冷凝回流。水解結(jié)束后反應(yīng)物冷卻至室溫，減壓抽濾分離濾渣。李謙，男，1975年生，副教授，工學(xué)博士，碩士導(dǎo)師。河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（0511020200）薯蕷皂甙元含量的測(cè)定：水解得到的濾渣置真空干燥箱以60烘干，再置索氏提取器中以石油醚提取12h。提取液蒸干，殘留物用甲醇

5、溶解并轉(zhuǎn)移至100ml容量瓶中，漏斗及燒瓶以少量甲醇洗滌數(shù)次并入容量瓶，用甲醇定容至刻度，使用薄層色譜檢測(cè)薯蕷皂甙元的含量。薄層色譜條件為：展開劑：氯仿-乙酸乙酯（10：1.5），rf值0.32；展開方式：上行展開，展距10cm；顯色劑：2%磷鉬酸無水乙醇溶液，噴濕潤(rùn)后140烘5分鐘得清晰的深藍(lán)色薯蕷皂甙元斑點(diǎn)。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：選定微波輻照時(shí)間、微波功率、h+濃度3個(gè)待考查因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平(見表1)，根據(jù)正交表l9(34)安排實(shí)驗(yàn)5。所有實(shí)驗(yàn)均平行做3次，取算術(shù)平均值。表1 待考查因素、水平列表：a 微波輻照時(shí)間(min)b 微波功率(w)c h+濃度(mol/l)11030022205

6、0043307006二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1為水浴加熱時(shí)，水解時(shí)間對(duì)水解過程的影響(水解條件：h+=4m，85)。從圖1可以看出，水解初期，薯蕷皂甙元的得量隨時(shí)間的增加而增加，在4h時(shí)達(dá)到最大值76.85mg。隨后，進(jìn)一步增加水解時(shí)間，得量反下降。這是因?yàn)樵趶?qiáng)酸性條件下發(fā)生副反應(yīng)，薯蕷皂甙元轉(zhuǎn)化為去氧薯蕷皂甙元引起的6。圖2為水浴加熱時(shí)，水解溫度對(duì)水解過程的影響(水解條件：h+=4m，水解時(shí)間1h)。圖2表明，薯蕷皂甙元的得量隨水解溫度的升高而增加，即升溫有利于水解的進(jìn)行。從圖2我們可推測(cè)，在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高水解溫度可望提高薯蕷皂甙的水解速率，進(jìn)而增加薯蕷皂甙元的得量。

7、圖2 溫度對(duì)水解的影響h+=4m，水解時(shí)間1h圖1 時(shí)間對(duì)水解的影響h+=4m，852.2 微波強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后水浴與微波加熱水解的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2。對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可知，微波對(duì)薯蕷皂甙水解有明顯的促進(jìn)作用。微波水解用酸量?jī)H為水浴水解的50%，水解時(shí)間為水浴水解的8.3%，而薯蕷皂甙元得量則為水浴水解的120%。表2 水浴水解與微波催化水解的數(shù)據(jù)對(duì)比加熱類型h+(mol/l)水解時(shí)間(h)微波功率(w)水解溫度()皂甙元量(mg)水浴448576.85微波20.333(20min)700103*92.16* 儀器自帶紅外測(cè)溫。正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見表3所示。極差分析表明5，3個(gè)因素對(duì)薯蕷皂甙

8、元得量的影響顯著性依次為：h+濃度微波輻照時(shí)間輻照功率。優(yōu)化后的條件組合為a2b3c1，即微波輻照時(shí)間20min，微波功率700w，h+濃度=2m，與實(shí)驗(yàn)6相同。h+濃度為影響水解的最顯著因素。h+濃度有一最優(yōu)范圍，若h+濃度過低，則水解速度較慢，收率降低，h+濃度過高則會(huì)使副反應(yīng)速度增加，影響薯蕷皂甙元的收率。適宜的h+濃度與微波輻照的功率相關(guān)。當(dāng)微波功率較低(300w)時(shí)，適宜的h+濃度為4m，與水浴加熱水解相同。隨著微波輻照功率的升高，適宜的h+濃度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)微波功率為700w時(shí)，適宜的h+濃度為2m。這說明提高微波輻照功率可增加微波對(duì)水解的催化作用，提高水解速度，因此在較低的h+濃

9、度即可獲得較高的收率。700w下h+濃度=4m、6m時(shí)的薯蕷皂甙元收率遠(yuǎn)低于h+濃度=2m。這是由于微波輻照對(duì)副反應(yīng)也有較強(qiáng)的催化作用，使得在此酸度下得副反應(yīng)速度大大增加而降低了收率。微波輻照時(shí)間也是影響水解的顯著因素。在水解初期，水解反應(yīng)速度遠(yuǎn)高于副反應(yīng)的速度，隨著微波輻照時(shí)間的增加，薯蕷皂甙元的量也增加。水解后期，隨著反應(yīng)物的積累，副反應(yīng)速度逐漸增加，而水解速度則由于薯蕷皂甙的消耗而不斷減少。至兩者相等時(shí)薯蕷皂甙元含量達(dá)到最大值。此后若再增加反應(yīng)時(shí)間則引起薯蕷皂甙元收率降低。為此，微波輻照時(shí)間有一最優(yōu)值。事實(shí)上，微波催化薯蕷皂甙水解反應(yīng)過程受到微波功率、輻照時(shí)間和h+濃度的綜合影響。微波輻

10、照促進(jìn)了薯蕷皂甙的水解，同時(shí)h+濃度的降低和水解時(shí)間的縮短抑制了副反應(yīng)的發(fā)生，才使得微波催化獲得高于水浴加熱的薯蕷皂甙元得量。表3 微波催化水解正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)序號(hào)微波輻照時(shí)間(min)微波功率(w)h+濃度(mol/l)皂素得量(mg)110300251.71210500428.21310700621.2242030045604620700292.16730300610.51830500263.89930700450.08m133.7139.4569.25m258.1139.3844.81m316.6954.4919.26r41.4215.1050.002.3 產(chǎn)品

11、對(duì)比兩種方法得到的薯蕷皂甙元經(jīng)與對(duì)照品同板薄層色譜檢驗(yàn)，色點(diǎn)的位置、顏色均相同，可知為同一種物質(zhì)。三 微波催化水解機(jī)理分析一般認(rèn)為，微波催化化學(xué)反應(yīng)的主要機(jī)理是微波的熱效應(yīng)26。在微波的輻照下，物質(zhì)分子吸收電磁能高速振動(dòng)而產(chǎn)生熱能。由于加熱的速度非?？欤沙霈F(xiàn)局部溫度高于體系溫度的情況7。在本實(shí)驗(yàn)中，微波輻照時(shí)，反應(yīng)體系的溫度可達(dá)103104，高于水浴加熱的極限100，而局部溫度可能更高。圖2表明，溫度的提高可增加薯蕷皂甙的水解速度。因此，微波的熱效應(yīng)是催化水解的主要原因。對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系的溫度升高不過34%，但h+濃度、反應(yīng)時(shí)間的降幅則分別達(dá)到50%和92%，薯蕷皂甙元得率也

12、提高了20%。如此大的差別似不能單純用熱效應(yīng)來解釋。我們推測(cè)，微波催化薯蕷皂甙元水解可能還存在非熱效應(yīng)，如降低水解反應(yīng)活化能，改變反應(yīng)化學(xué)平衡等。這一猜測(cè)在文獻(xiàn)7中可得到驗(yàn)證。因此，對(duì)本實(shí)驗(yàn)研究的薯蕷皂甙水解反應(yīng)，微波的催化作用可能來源于熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)共同作用引起的綜合效應(yīng)。四 結(jié)論微波輻照可大大減少薯蕷皂甙水解的用酸量，縮短水解時(shí)間，提高水解得率。微波強(qiáng)化水解的最優(yōu)條件為微波功率700w，h+=2m，水解20min。與水浴水解相比，可減少hcl用量50%，縮短水解時(shí)間92%，提高得率20%。此法設(shè)備簡(jiǎn)單，條件易控制，污染少，產(chǎn)率高，有廣闊的應(yīng)用前景。微波的催化作用可能來源于熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)

13、共同作用引起的綜合效應(yīng)參考文獻(xiàn)1. enzymatic degradation of parviflosidej. j in jian-ming , liu xi- kui , teng rong-wei , yang chong-ren 植物學(xué)報(bào) 2002, 44 (10)：1243-12492. 微波在酯化和水解反應(yīng)中的應(yīng)用j. 賈艷宗,馬沛生,王彥飛 化工進(jìn)展 2004, 23(6): 641-6443. 高效液相色譜法研究氨基酸測(cè)定中雞蛋樣品的微波水解j. 尚素芬,王洪 色譜 1997, 15(2):138-1404. 微波輻射水解植酸快速制備肌醇的研究j. 馬敬中,江洪,吳謀成 中國(guó)

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15、s found that microwave radiation can greatly accelerate the hydrolysis rate of diocsin. compared to commonly used water bath heating method, microwave can reduce the amount of hydrochloric acid used as catalyst by 50%, shorten the reaction time by 92%, increase the amount of diosgenin obtained to 120% of that obtained from water bath heated hydrolysis. the influential factors, s