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1、微波强化薯蓣皂甙水解的研究摘要：本文报道了微波强化薯蓣皂甙水解的研究。实验表明，微波可以明显促进薯蓣皂甙的水解。与水浴加热方法相比，可减少HCl用量50%，缩短水解时间92%，提高得率20%。采用正交实验对微波辐照时间、微波功率、H+浓度3个影响微波催化薯蓣皂甙水解的因素进行了研究，最后，探讨了微波催化水解的机理。关键词：微波 催化 水解 薯蓣皂甙引言薯蓣皂甙元是合成甾体激素类药物如甾体避孕药、皮质激素等的重要原料，在甾体药物工业中占有相当重要的地位。目前，薯蓣皂甙元主要由薯蓣科植物（黄姜、穿龙薯蓣等）的根茎中所含的薯蓣皂甙经加酸加热水解获得。由于在薯蓣皂甙水解过程中大量使用硫酸、盐酸等无机强
2、酸做为水解催化剂，造成了严重的环境污染，同时也使占原料大部分的淀粉、纤维素等成分的化学结构被破坏而难以综合利用。近年来有用酶代替酸作水解催化剂的实验研究，但考虑到效率、费用等问题，至今尚难以实现工业化应用1。减少水解过程用酸量，提高水解效率，进而减轻环境污染仍然是目前较为可行的研究思路。研究表明，微波对包括水解在内的很多有机化学过程有催化作用2。如尚素芬等使用微波催化鸡蛋水解为氨基酸3，马敬中等使用微波催化植酸水解制肌醇等4。本文报道使用微波强化薯蓣皂甙水解的研究。实验表明，微波可以明显促进薯蓣皂甙的水解，减少无机酸催化剂的用量，缩短水解时间，提高薯蓣皂甙元收率。通过正交实验对微波辐照时间、微
3、波功率、H+浓度3个影响微波强化水解的因素进行考察，优化了反应条件。最后，对微波催化水解的机理进行了讨论。一、实验部分1.1 实验仪器与药品仪器：CAMAG Scanner3型薄层扫描仪(瑞士)；CAMAG LINOMAT5型半自动点样仪(瑞士)；硅胶G高效薄层板(青岛海洋化工厂)；分析天平(北京赛多利斯天平有限公司)；NJL07-2型实验专用微波炉(工作频率2455MHz，南京杰全微波设备有限公司)。药品：盾叶薯蓣购自河南内乡；薯蓣皂甙元对照品由作者自盾叶薯蓣中分离提纯，经光谱鉴定和HPLC检测；蒸馏水为自制；其它试剂均为分析纯。1.2 实验过程黄姜提取液的制备：取60目黄姜粗粉200g，加
4、入70%甲醇1600ml，保持微沸回流提取3h。静置24h后分离上清液，3000rpm离心分离，每次10min共3次以除去溶液中的少量絮状沉淀，得澄清黄色提取液备用。水解：量取提取液50ml置200ml圆底烧瓶中，旋转蒸发除去其中的甲醇，加入一定量的HCl调节H+浓度，置于恒温水浴中或微波反应器中水解一定时间，烧瓶顶部加冷凝回流。水解结束后反应物冷却至室温，减压抽滤分离滤渣。李谦，男，1975年生，副教授，工学博士，硕士导师。河南省自然科学基金资助项目（0511020200）薯蓣皂甙元含量的测定：水解得到的滤渣置真空干燥箱以60烘干，再置索氏提取器中以石油醚提取12h。提取液蒸干，残留物用甲醇
5、溶解并转移至100mL容量瓶中，漏斗及烧瓶以少量甲醇洗涤数次并入容量瓶，用甲醇定容至刻度，使用薄层色谱检测薯蓣皂甙元的含量。薄层色谱条件为：展开剂：氯仿-乙酸乙酯（10：1.5），Rf值0.32；展开方式：上行展开，展距10cm；显色剂：2%磷钼酸无水乙醇溶液，喷湿润后140烘5分钟得清晰的深蓝色薯蓣皂甙元斑点。正交实验设计：选定微波辐照时间、微波功率、H+浓度3个待考查因素，每个因素取3个水平(见表1)，根据正交表L9(34)安排实验5。所有实验均平行做3次，取算术平均值。表1 待考查因素、水平列表：A 微波辐照时间(min)B 微波功率(W)C H+浓度(mol/L)11030022205
6、0043307006二、实验结果与讨论2.1 预实验结果图1为水浴加热时，水解时间对水解过程的影响(水解条件：H+=4M，85)。从图1可以看出，水解初期，薯蓣皂甙元的得量随时间的增加而增加，在4h时达到最大值76.85mg。随后，进一步增加水解时间，得量反下降。这是因为在强酸性条件下发生副反应，薯蓣皂甙元转化为去氧薯蓣皂甙元引起的6。图2为水浴加热时，水解温度对水解过程的影响(水解条件：H+=4M，水解时间1h)。图2表明，薯蓣皂甙元的得量随水解温度的升高而增加，即升温有利于水解的进行。从图2我们可推测，在一定的范围内，进一步提高水解温度可望提高薯蓣皂甙的水解速率，进而增加薯蓣皂甙元的得量。
7、图2 温度对水解的影响H+=4M，水解时间1h图1 时间对水解的影响H+=4M，852.2 微波强化实验结果经正交实验优化后水浴与微波加热水解的实验数据列于表2。对比两组数据可知，微波对薯蓣皂甙水解有明显的促进作用。微波水解用酸量仅为水浴水解的50%，水解时间为水浴水解的8.3%，而薯蓣皂甙元得量则为水浴水解的120%。表2 水浴水解与微波催化水解的数据对比加热类型H+(mol/L)水解时间(h)微波功率(W)水解温度()皂甙元量(mg)水浴448576.85微波20.333(20min)700103*92.16* 仪器自带红外测温。正交实验的结果见表3所示。极差分析表明5，3个因素对薯蓣皂甙
8、元得量的影响显著性依次为：H+浓度微波辐照时间辐照功率。优化后的条件组合为A2B3C1，即微波辐照时间20min，微波功率700W，H+浓度=2M，与实验6相同。H+浓度为影响水解的最显著因素。H+浓度有一最优范围，若H+浓度过低，则水解速度较慢，收率降低，H+浓度过高则会使副反应速度增加，影响薯蓣皂甙元的收率。适宜的H+浓度与微波辐照的功率相关。当微波功率较低(300W)时，适宜的H+浓度为4M，与水浴加热水解相同。随着微波辐照功率的升高，适宜的H+浓度呈下降趋势。当微波功率为700W时，适宜的H+浓度为2M。这说明提高微波辐照功率可增加微波对水解的催化作用，提高水解速度，因此在较低的H+浓
9、度即可获得较高的收率。700W下H+浓度=4M、6M时的薯蓣皂甙元收率远低于H+浓度=2M。这是由于微波辐照对副反应也有较强的催化作用，使得在此酸度下得副反应速度大大增加而降低了收率。微波辐照时间也是影响水解的显著因素。在水解初期，水解反应速度远高于副反应的速度，随着微波辐照时间的增加，薯蓣皂甙元的量也增加。水解后期，随着反应物的积累，副反应速度逐渐增加，而水解速度则由于薯蓣皂甙的消耗而不断减少。至两者相等时薯蓣皂甙元含量达到最大值。此后若再增加反应时间则引起薯蓣皂甙元收率降低。为此，微波辐照时间有一最优值。事实上，微波催化薯蓣皂甙水解反应过程受到微波功率、辐照时间和H+浓度的综合影响。微波辐
10、照促进了薯蓣皂甙的水解，同时H+浓度的降低和水解时间的缩短抑制了副反应的发生，才使得微波催化获得高于水浴加热的薯蓣皂甙元得量。表3 微波催化水解正交实验结果实验序号微波辐照时间(min)微波功率(W)H+浓度(mol/L)皂素得量(mg)110300251.71210500428.21310700621.22420300456.13520500626.04620700292.16730300610.51830500263.89930700450.08m133.7139.4569.25m258.1139.3844.81m316.6954.4919.26R41.4215.1050.002.3 产品
11、对比两种方法得到的薯蓣皂甙元经与对照品同板薄层色谱检验，色点的位置、颜色均相同，可知为同一种物质。三 微波催化水解机理分析一般认为，微波催化化学反应的主要机理是微波的热效应26。在微波的辐照下，物质分子吸收电磁能高速振动而产生热能。由于加热的速度非常快，可出现局部温度高于体系温度的情况7。在本实验中，微波辐照时，反应体系的温度可达103104，高于水浴加热的极限100，而局部温度可能更高。图2表明，温度的提高可增加薯蓣皂甙的水解速度。因此，微波的热效应是催化水解的主要原因。对比表2中的数据可发现，反应体系的温度升高不过34%，但H+浓度、反应时间的降幅则分别达到50%和92%，薯蓣皂甙元得率也
12、提高了20%。如此大的差别似不能单纯用热效应来解释。我们推测，微波催化薯蓣皂甙元水解可能还存在非热效应，如降低水解反应活化能，改变反应化学平衡等。这一猜测在文献7中可得到验证。因此，对本实验研究的薯蓣皂甙水解反应，微波的催化作用可能来源于热效应和非热效应共同作用引起的综合效应。四 结论微波辐照可大大减少薯蓣皂甙水解的用酸量，缩短水解时间，提高水解得率。微波强化水解的最优条件为微波功率700W，H+=2M，水解20min。与水浴水解相比，可减少HCl用量50%，缩短水解时间92%，提高得率20%。此法设备简单，条件易控制，污染少，产率高，有广阔的应用前景。微波的催化作用可能来源于热效应和非热效应
13、共同作用引起的综合效应参考文献1. Enzymatic Degradation of ParviflosideJ. J IN Jian-Ming , LIU Xi- Kui , TENG Rong-Wei , YANG Chong-Ren 植物学报 2002, 44 (10)：1243-12492. 微波在酯化和水解反应中的应用J. 贾艳宗,马沛生,王彦飞 化工进展 2004, 23(6): 641-6443. 高效液相色谱法研究氨基酸测定中鸡蛋样品的微波水解J. 尚素芬,王洪 色谱 1997, 15(2):138-1404. 微波辐射水解植酸快速制备肌醇的研究J. 马敬中,江洪,吴谋成 中国
14、粮油学报 2003, 18(3) :78-805. 正交与均匀试验设计M. 方开泰, 马长兴 北京：科学出版社 20016. 薄层层离及其在中草药分析中的应用M. 中国科学院药物研究所 北京：科学出版社 19787. 协同组合化学M. 胡文祥,王建营 北京：科学出版社 2003Promoting Hydrolysis of Diocsin by Microwave RadiationAbstract: This paper presents our research on promoting hydrolysis of diocsin by microwave radiation. It wa
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 12
16、0% of that obtained from water bath heated hydrolysis. The influential factors, such as radiation time, power of microwave and concentration of H+ were investigated with orthogonal test. Finally, the mechanics of microwave induced enhancement of hydrolysis was discussed.Key words: microwave, catalyze, hydrolysis, diocsin
