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《江南大学》 2015年
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盾叶薯蓣中甾体皂苷的提取和薯蓣皂苷元绿色制备工艺研究

汪朋  
【摘要】:盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensis C.H.Wright)为薯蓣科薯蓣属植物,广泛分布于我国陕西、湖南、湖北等地,其植物根茎中的甾体皂苷是主要活性物质。甾体皂苷具有治疗心血管疾病、增强免疫、抗菌、抗癌等多种功效。盾叶薯蓣中甾体皂苷结构上的母核主要为薯蓣皂苷元,为甾体激素类药物的合成前体,是一种非常重要的化学合成原料。传统提取甾体总皂苷的方法是加热搅拌提取,存在溶剂消耗大、效率低等缺陷。传统的薯蓣皂苷元的制备方法中使用大量盐酸、硫酸水解皂苷,环境污染极其严重。为了解决以上两个突出问题,本课题根据甾体皂苷和薯蓣皂苷元的性质,首先设计简单且高效的甾体皂苷提取工艺;在此基础上,使用“绿色溶剂”酸性离子液体代替传统的无机酸去催化水解甾体皂苷制备薯蓣皂苷元;并进一步对甾体皂苷活性进行分析评价。主要结果如下:1.甾体皂苷提取工艺的设计与优化针对传统提取工艺弱点,设计三种提取工艺,并对其进行了优化。采用超声微波提取工艺提取盾叶薯蓣中的总甾体皂苷,最优提取条件为70%乙醇作为提取溶剂,料液比为1:15 g mL-1,微波功率为500 W,提取时间为420 s。在该提取条件下,总甾体皂苷能够被提取出来,得率以薯蓣皂苷元计为1.35%。采用超声微波辅助离子液体提取工艺提取盾叶薯蓣中的总甾体皂苷,最优提取条件为0.5 mol L-1的[EMIm]BF4作为提取溶剂,料液比为1:15 g m L-1,微波功率为500 W,提取时间为480 s。在该提取条件下,甾体皂苷得率以薯蓣皂苷元计为1.02%。采用酶法前处理-超声微波提取工艺提取盾叶薯蓣中的总甾体皂苷,单因素实验结果为使用纤维素酶和果胶酶1:1比例的复合酶进行酶解前处理,酶解缓冲液pH确定为5.0,加酶量为底物原料重量的0.8%。提取过程中,70%乙醇作为提取溶剂,料液比为1:15,微波功率为500 W,提取时间为300 s。此后采用响应面优化方法对酶法前处理-超声微波提取工艺进行优化,成功建立Box-Behnken响应面模型,模型优化后条件为pH 5.2,乙醇浓度为73.7%,微波功率为547.9 W,模型预测最优值以薯蓣皂苷元计为1.46%,验证实验结果为1.41%,验证结果与预测结果基本保持一致。2.薯蓣皂苷元新型制备工艺的设计、优化和水解机理研究酸性离子液体是一种具有广阔前景的酸性催化剂,其化学性质稳定、可回收循环使用、催化效率高等特性,在催化水解甾体皂苷制备薯蓣皂苷元方面表现得十分突出。使用普通酸性离子液体[EMIm]HSO4催化皂苷水解制备薯蓣皂苷元,并采用响应面优化水解条件。优化后的反应条件为[EMIm]HSO4浓度8.5 mol L-1,反应温度100℃,料液比1:22g m L-1,反应时间为7.3 h。在该条件下,水解0.3 g皂苷得到薯蓣皂苷元量为29.88±0.45mg。功能化酸性离子液体[BHSO3MIm]HSO4催化皂苷水解为薯蓣皂苷元的反应条件为浓度5 mol L-1,反应温度100℃,料液比为1:15 g m L-1,反应时间为5 h。在该条件下,水解0.3 g皂苷得到薯蓣皂苷元量为30.68±0.36 mg。在此基础上,设计了微波辅助功能化酸性离子[BHSO3MIm]HSO4催化水解皂苷为薯蓣皂苷元,反应条件为浓度4 mol L-1,温度100℃,料液比为1:15 g mL-1,反应时间为20 min。在该条件下,水解0.3 g皂苷得到薯蓣皂苷元量为29.97±0.51 mg。此后对[EMIm]HSO4与[BHSO3MIm]HSO4进行比较。同时对水解过程中甾体皂苷成分变化的研究表明甾体皂苷在离子液体催化水解过程是一个逐级的、动态变化的过程:C3位糖链上的糖被离子液体逐个水解直至生成薯蓣皂苷元。3.固定化酸性离子液体的制备和应用采用溶胶-凝胶法制备固定化酸性离子液体。以正硅酸乙酯为硅源,以功能化酸性离子液体1-丁基磺酸-3-甲基咪唑硫酸氢盐([BHSO3MIm]HSO4)为原料,并采用红外光谱和扫描电镜进行表征,结果表明固定化离子液体制备成功。研究了固定化离子液体催化水解甾体皂苷制备薯蓣皂苷元的最佳工艺,其工艺为0.3 g皂苷用9 mL 70%乙醇水溶液充分溶解以后,加入固定化酸性离子液体,95℃水解反应4 h。反应结束,冷却,加入20倍体积的蒸馏水。过滤,取滤渣烘干至恒重。再用石油醚萃取滤渣中的薯蓣皂苷元,回收石油醚后得到薯蓣皂苷元。结果表明制备的固定化离子液体单次催化水解效果和多次使用后水解效果均比未固定离子液体好。4.薯蓣皂苷元产品表征和副产物薯蓣淀粉的提取重结晶得到薯蓣皂苷元产品。对薯蓣皂苷元进行外貌分析、扫描电镜分析、红外光谱分析、高效液相色谱色谱分析,其结果说明该产品为薯蓣皂苷元白色晶体,纯度为92.3%。设计了二种同时提取皂苷、分离淀粉工艺。其路线一为:原料为干盾叶薯蓣,则先浸泡24 h,使其充分吸水,“转化”为鲜盾叶薯蓣。然后将盾叶薯蓣带水磨浆3 min,用滤布过滤,每次用200 m L水洗纤维素2次,合并滤液和水洗液,静置分层。分离下层,水洗、烘干至恒重后得淀粉,记录淀粉重量,其淀粉得率为36%-40%。其路线二为:干燥盾叶薯蓣粉末先提取皂苷,过滤,将提取料渣与其质量1.5%的纤维素酶均匀混合后,在pH为5.0缓冲液体系中,50℃反应2 h,离心、洗涤、烘干至恒重,即可得粗淀粉,粗淀粉得率约为40%。5.抑制细菌生物膜活性和抗肺癌细胞活性的研究研究盾叶薯蓣中典型甾体皂苷单体对铜绿假单胞菌生物膜抑制作用。薯蓣皂苷、纤细薯蓣皂苷、原薯蓣皂苷随着浓度的增大,抑制能力也在增强,呈现明显的剂量依赖性。当皂苷浓度在4 mg m L-1水平时,其生物膜抑制率均大于80%。研究薯蓣皂苷、纤细薯蓣皂苷、原薯蓣皂苷对非小细胞肺癌细胞A549的抑制活性,这三种典型的甾体皂苷对肺癌细胞有明显的抑制作用,均呈现出较为明显的时间和剂量依赖性,且在10μg m L-1浓度水平上抑制能力超过阳性对照品10-羟基喜树碱。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ464.3

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