祥鵠科技


        

            
            
        

        儀器
    




    
    
    
    

        

            

                
800B-Conversion of steroid saponins into diosgenin by catalytic hydrolysis using acid-functionalized ionic liquid under microwave irradiation

                

                    作者單位：江南大學(xué)
                    發(fā)表期刊：Journal of Cleaner Production
                

                
                    

                        
關(guān)鍵詞：

                        
                            
微波輻射

                        
                            
酸功能化離子液體

                        
                            
水解

                        
                            
甾體皂苷

                        
                            
薯蕷皂苷元

                        
                            
[BHSO3MIm]HSO4

                        
                    

                

                

                    
摘要：

                    

                        本研究成功開(kāi)發(fā)了一種在微波輻射下使用酸功能化離子液體催化水解將甾體皂苷轉(zhuǎn)化為薯蕷皂苷元的方法。典型的酸功能化離子液體，1 - 磺丁基 - 3 - 甲基咪唑硫酸氫鹽（[BHSO3MIm]HSO4），被用于評(píng)估催化效率。結(jié)果強(qiáng)烈表明，微波輻射下的酸功能化離子液體顯著提高了甾體皂苷的水解效率。此外，我們優(yōu)化了水解參數(shù)，包括離子液體濃度、溶劑與固體的比例、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。在最佳條件下，該方法以0.3 g甾體皂苷獲得了最高的薯蕷皂苷元產(chǎn)量（29.97±0.51 mg）。與常規(guī)鹽酸水解相比，該方法獲得了96％的薯蕷皂苷元，并減少了93％的反應(yīng)時(shí)間，表明在微波輻射下使用酸功能化離子液體的催化水解在薯蕷皂苷元生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
                    

                


            

            

                
                    
微波輻射下酸功能化離子液體催化水解甾體皂苷為薯蕷皂苷元

                    

                        
    

  1. 

    引言
    藥用植物盾葉薯蕷（Dioscorea zingiberensis C. H. Wright，DZW）屬于薯蕷科，廣泛分布于中國(guó)的山西、湖北和云南等?。╖hang等人，2012）。其根莖是一種著名的中藥。它是薯蕷皂苷元（diosgenin）的主要來(lái)源，薯蕷皂苷元是甾體激素藥物如口服避孕藥、性激素和其他類固醇的半合成起始原料（Oncina等人，2000）。近年來(lái)，薯蕷皂苷元的各種藥用用途，包括抗血栓作用（Gong等人，2011）、抗氧化（Rajalingam等人，2012）、對(duì)癌細(xì)胞的抗增殖和抗侵襲作用（Mao等人，2012），已被報(bào)道。
    在薯蕷屬植物中，薯蕷皂苷元以皂苷的形式儲(chǔ)存，皂苷被認(rèn)為是DZW的主要活性成分（Liu等人，2010a，b，c）。皂苷通過(guò)CeO糖苷鍵與葡萄糖或鼠李糖連接到苷元上（Zhang等人，2006）。工業(yè)上的薯蕷皂苷元主要通過(guò)這些糖苷鍵的鹽酸水解制備。然而，在薯蕷皂苷元的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，排放出大量低pH和高化學(xué)需氧量（COD）的廢水，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。此外，無(wú)機(jī)酸水解中的氯化反應(yīng)等二次反應(yīng)降低了薯蕷皂苷元的產(chǎn)量。
    為了減少環(huán)境污染，許多將甾體皂苷轉(zhuǎn)化為薯蕷皂苷元的水解技術(shù)已被研究以取代無(wú)機(jī)酸水解技術(shù)。里氏木霉（Zhu等人，2010）、哈茨木霉（Liu等人，2010a，b，c）和米曲霉（Dong等人，2010）可以產(chǎn)生污染較少的薯蕷皂苷元。微生物合成一系列糖苷酶來(lái)水解甾體皂苷。由于其成本低和植物中淀粉的綜合利用方式，植物材料的直接微生物轉(zhuǎn)化方法已被廣泛應(yīng)用。淀粉在酸性條件下不水解，但在酸性條件下可以被微生物充分利用。它大大減少了高COD的排放。然而，在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，原始草藥中的多底物和酶沒(méi)有得到徹底研究，并且沒(méi)有獲得高轉(zhuǎn)化率（Dong等人，2010）。此外，生物轉(zhuǎn)化是無(wú)方向的轉(zhuǎn)化，微生物在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物。在目標(biāo)組分的分離和純化過(guò)程中消耗大量有機(jī)溶劑。與傳統(tǒng)方法相比，生物轉(zhuǎn)化方法通常具有3 - 7天的長(zhǎng)生產(chǎn)周期和低生產(chǎn)效率。因此，許多研究人員關(guān)注酶水解。通過(guò)來(lái)自煙曲霉的β - 葡萄糖苷酶（Lei等人，2012）或商業(yè)纖維素（Liu等人，2010a，b，c）從皂苷到薯蕷皂苷元進(jìn)行酶水解。天然產(chǎn)物的酶水解是一種有效的方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：特異性高、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好。然而，這種方法需要酶的制備過(guò)程。然而，對(duì)特定糖苷鍵的低催化活性導(dǎo)致產(chǎn)量低。此外，由于成本高，這種方法無(wú)法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
    因此，有必要開(kāi)發(fā)一種高效、方便、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化方法。近年來(lái)，離子液體作為一種環(huán)境友好型溶劑，在許多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑方面顯示出巨大潛力（Wu等人，2013；Naushad等人，2012；Yu等人，2011；Yi等人，2013）。離子液體由各種陽(yáng)離子和陰離子組成，室溫下的離子液體仍處于液態(tài)。因此，它們不揮發(fā)、不易燃，可與水和各種有機(jī)溶劑互溶（Wilkes，2004；Boschetti等人，2007）。與傳統(tǒng)溶劑系統(tǒng)相比，離子液體顯示出出色的設(shè)計(jì)能力。此外，離子液體可回收且環(huán)境相容，可減輕環(huán)境污染。因此，我們?cè)谒夥磻?yīng)中采用離子液體作為綠色催化劑。酸功能化的“”離子液體顯示出優(yōu)異的催化水解性能，并具有傳統(tǒng)離子液體的特點(diǎn)。此外，由于引入了酸官能團(tuán)，它還具有一些其他特性，如均勻的酸強(qiáng)度分布、高酸密度、可調(diào)酸度和持久酸度。
    為了縮短反應(yīng)時(shí)間，我們使用微波加熱方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱方法。微波因其加熱效應(yīng)能大大縮短反應(yīng)時(shí)間，顯著提高反應(yīng)速率和產(chǎn)率而受到廣泛關(guān)注（Huang等人，2006）。離子液體由一對(duì)離子組成，因此具有高密度的強(qiáng)偶極子，這使它們成為微波吸收的有前途的候選者（Shih等人，2011）。
    據(jù)我們所知，微波輻射下酸功能化離子液體催化水解甾體皂苷尚未見(jiàn)報(bào)道。在本研究中，我們將離子液體與微波技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)薯蕷皂苷元的高效清潔生產(chǎn)（圖1）。此外，還研究了離子液體濃度、溶劑與固體的比例和水解時(shí)間等重要反應(yīng)因素。還研究了回收方法。水解中使用的所有溶劑都是環(huán)境友好且可回收的。最后，將該方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，以突出其優(yōu)勢(shì)。
    圖1. 微波輻射下酸功能化離子液體[BHSO3MIm]HSO4生產(chǎn)薯蕷皂苷元。（a）：甾體皂苷。（b）：薯蕷皂苷元。R：許多糖，如葡萄糖和鼠李糖。
    

    2. 

  2. 

    實(shí)驗(yàn)
    2.1. 材料
    將盾葉薯蕷根莖在50℃下干燥，然后粉碎成粉末?？傇碥盏闹苽浞椒ɑ赮ang等人（2003）的報(bào)告。將干燥的根莖粉末與70％乙醇水溶液混合，在60℃下回流提取兩次。然后過(guò)濾提取溶液，并在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮以回收乙醇。將剩余的水溶液用正丁醇萃取三次以獲得皂苷提取物。然后回收正丁醇并獲得總甾體皂苷。
    酸功能化離子液體1 - 磺丁基 - 3 - 甲基咪唑硫酸氫鹽（[BHSO3MIm]HSO4，純度> 99％）購(gòu)自中國(guó)甘肅蘭州化學(xué)物理研究所。薯蕷皂苷元標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自上海源葉生物科技有限公司（上海）。標(biāo)準(zhǔn)化合物的純度高于99％。
    色譜級(jí)乙腈購(gòu)自國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司（上海）。用于HPLC（高效液相色譜）的所有溶劑均通過(guò)0.22μm微孔膜過(guò)濾。
    石油醚和正丁醇均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司（上海）。
    

    3. 



 


2.2. 儀器
XH - 800B智能微波工作站，輸出功率為0 - 1000 W，購(gòu)自北京祥鵠科技發(fā)展有限公司（北京）。反應(yīng)混合物的溫度被監(jiān)測(cè)并保持恒定（±1℃）。一個(gè)正負(fù)控制旋轉(zhuǎn)板放置在微波腔的底部，同時(shí)可以處理六個(gè)樣品。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)波動(dòng)的微波功率使反應(yīng)溫度保持恒定。
Agilent 1100系列HPLC系統(tǒng)購(gòu)自安捷倫（美國(guó)加利福尼亞州）。使用GraceSmart RP C18柱（5μm，4.6×250 mm，W. R. Grace & Co. - Conn，哥倫比亞，馬里蘭州，美國(guó)）。


 


2.3. 微波輔助水解的優(yōu)化
為了獲得最佳水解效果，通過(guò)單因素分析方法研究并優(yōu)化了四個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，即離子液體濃度、溶劑與固體的比例、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中，將離子液體[BHSO3MIm]HSO4在燒杯中完全溶解在去離子水中，轉(zhuǎn)移到容量瓶中，并稀釋至不同濃度。然后稱取0.3 g甾體皂苷，加入反應(yīng)罐中，然后與一定體積的離子液體混合。反應(yīng)在微波腔中通過(guò)預(yù)設(shè)程序在不同參數(shù)下進(jìn)行。反應(yīng)完成后，儀器立即自動(dòng)啟動(dòng)冷卻過(guò)程。冷卻后，溶液過(guò)濾并用蒸餾水洗滌幾次。過(guò)濾后的殘留物在50℃下干燥，然后在索氏提取器中用石油醚提取3小時(shí)。溶劑提取物在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮并干燥。然后將薯蕷皂苷元用甲醇溶解，然后通過(guò)0.22μm膜過(guò)濾。薯蕷皂苷元通過(guò)HPLC測(cè)定。


 


2.4. 回收實(shí)驗(yàn)
離子液體是可回收的。因此，還研究了離子液體的回收方法。每次反應(yīng)后，通過(guò)過(guò)濾去除反應(yīng)產(chǎn)物、不溶性薯蕷皂苷元和水中的皂苷。然后用飽和正丁醇對(duì)濾液進(jìn)行兩次萃取。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮并干燥正丁醇層，以回收溶劑并獲得未反應(yīng)或中間皂苷。正丁醇和皂苷被回收。底層是水、離子液體和較少雜質(zhì)的混合物。去除水并真空干燥半小時(shí)后，得到略帶黃色的離子液體，并用于下一次反應(yīng)。此外，通過(guò)五次反應(yīng)研究了[BHSO3MIm]HSO4的可回收性。


 


2.5. 常規(guī)方法
為了突出[BHSO3MIm]HSO4和微波輻射的效果，選擇常規(guī)油浴或微波中的鹽酸水解作為對(duì)照進(jìn)行比較。根據(jù)常規(guī)油浴水解方法，將0.3 g皂苷與10 mL 2 mol/L鹽酸混合，然后在油浴中于100℃下水解5小時(shí)（Liu等人，1995）。根據(jù)常規(guī)微波水解方法，將0.3 g甾體皂苷與2 mol/L鹽酸（4.5 mL）混合，然后在微波輻射下于100℃下水解20分鐘。所有樣品在與微波輔助水解相同的條件下進(jìn)行分析。