全 文 ：第31卷
收稿日期:2007-01-08;修回2007-03-01
基金项目:国家“863”科技攻关项目(2004AA01050) ;湖北省重点科技攻关项目(2004AA305A)
作者简介:李耀辰(1980-),男,助教,硕士学位,研究方向为清洁生产与水污染控制及治理,(手机)15931072309(电子信箱)yaochen-li@163.com。
黄姜皂素清洁生产工艺试验研究
李耀辰 1, 周旋 2, 刘超 2, 蔡鹤生 2, 焦珍 1
(1.石家庄经济学院工程学院,河北 石家庄 050031; 2.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)
摘 要:传统皂素生产工艺在皂素生产过程中,不仅造成了优质淀粉资源的巨大浪费,而且还造成环境污染及其所带来的高昂的污
染治理费用。采用水洗淀粉法,即从皂素生产的源头把淀粉从黄姜中分离出来。这种工艺不但回收了淀粉,提高了皂素的收率,淀粉回收
率平均约为46.3%,皂素收率提高了1.1%,而且还降低了皂素废水的处理难度,末端废水COD从原来的33615mg/L降为12285mg/L。该
工艺简单、投资费用少,在实际生产中有较好的应用前景。
关键词:黄姜皂素; 水洗淀粉法; 清洁生产
中图分类号:X383文献标识码:A 文章编号:1003-6504(2008)01-0136-03
Clean Production of Diosgenin Saponin
LI Yao-chen1, ZHOU Xuan2, LIU Chao2, CAI He-sheng2, JIAO Zhen1
(1.Engineering School,Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang 050031,China;
2.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,Ch na)
Abstracts:Traditional saponin production process not only leads to a huge waste of high quality starch resource,but l o
causes environment pollution as well as accompanied high cost for pollution control. Water-washed starch method,whi h
separates starch from diosgenin at the beginning of saponin production,harv sts sapo in and recycles the starch with average
recycling rate of starch of 46.3% and harvesting rate of saponin increased by 1.1%. The difficulty of saponin wastewater
treatment will be decreased,and COD of end wastewater declines from 33,615mg/L to 12,285mg/L. The method is simple
and cost effective,which will have a bright prospective in practical production.
Key words:diosgenin saponin; water-washed starch method; clean production
皂素工业是近年来在黄姜人工种植开发成功的
基础上发展起来的新兴行业,皂素又名皂甙元,是一
种具有很高药用价值的白色晶体或粉末状物质。然而
目前多数皂素企业存在规模小、资源利用率低、皂素
收率低、污染严重等现象,严重抑制了皂素产业的发
展。而且针对皂素废水污染以及资源综合利用问题,
多数研究都是从生产末端着手解决,如:昆明市环境
科学研究所及一些研究单位利用皂素废水发酵制取
酒精[1],华中农业大学研究出从黄姜水解液中回收葡
萄糖工艺等[2],虽然这些研究能够初步降低皂素废水
的污染并回收了一些有用物质,但在皂素生产过程中
耗酸成本并没有降低,而且回收产品单一,回收产品
不能根据市场的需求适时移的进行自我调控,这必将
会影响黄姜资源综合利用产业的发展。
湖北十堰地区是黄姜的主要产地,黄姜产业是支
撑十堰区域经济发展的重要支柱产业,然而皂素废水
的污染问题以及黄姜资源综合利用率低的问题严重
影响了皂素产业的发展。而且湖北十堰地区又位于我
国南水北调工程的水源地,皂素废水的污染问题必将
影响南水北调工程的正常实施,所以解决黄姜皂素废
水的污染问题以及充分利用黄姜资源已是当务之急。
1 水洗淀粉法在黄姜皂素生产中的应用
由于黄姜中含有大量的淀粉,它对皂素废水的
COD值、废水中的含盐量以及皂素收率的影响都非
常大。原因一是在酸水解的过程中淀粉转化成了糖等
有机污染物,致使末端废水COD值很高;二是酸水解
的过程中要用足够的酸来降低淀粉对薯蓣皂甙的包
裹和屏蔽作用,以提高皂素收率,所以传统工艺皂素
生产过程中耗酸量大,末端废水中含盐量高;三是根
据化学平衡原理(见图 1) ,酸水解过程所产生大量的
糖份不利于皂素的生成,从而影响了皂素的收率[3]。由
此可见,在皂素生产过程中,黄姜中的淀粉是制约该
产业发展的主要因素。
目前皂素工业生产中普遍采用传统工艺,即直接
酸水解法提取黄姜皂素,该工艺存在黄姜资源不能充
第31卷 第1期
2008年1月
Vol. 31 NO.1
Jan. 2008Environmental Science & Technology
第1期
分利用、皂素收率低、用酸量大、水洗脱酸时用水量大
并产生大量的高含盐有机污染废水等问题。针对直接
酸水解工艺的缺点,本研究应用水洗淀粉法旨在探讨
回收淀粉资源、提高皂素收率、降低生产成本和减少
对环境的污染等问题。
2 实验部分
2.1 原理和工艺
2.1.1 原料的准备
原料来源于湖北十堰某黄姜皂素生产厂。盐酸采
用2mol/L的工业盐酸。
实验原理:根据淀粉难溶于水的特性以及皂素存
在于可溶性皂甙中,用水洗法把淀粉从黄姜中洗出并
分离出来,一是降低皂素废水的污染,二是降低淀粉
对薯蓣皂甙的包裹和屏蔽作用,以及对皂甙水解产生
的干扰作用,提高皂素收率,三是大量淀粉被洗出,可
减少水解过程中的淀粉耗酸量,降低生产成本。
实验流程:水洗淀粉法皂素生产流程见图2。取一
定量的鲜黄姜,用清水进行浸泡,再在温度<45℃条件
下磨碎成料浆。然后用其三倍重的水量进行水洗,准
确称取一定量的料浆(同时测定其含水率),用200目
筛子进行淀粉筛分,将滤液和滤渣分离开来。由于淀
粉难溶于水,将滤液沉降1h,滤液出现分层,上层为上
清液,上清液回收用于水洗淀粉工段,不参与水解过
程;下层为固体状淀粉层,将淀粉分离来烘干并称重
计量;中间层为含有皂素的混悬液。然后,把混悬液和
滤渣进行酸水解和皂素提取过程。该工艺与传统工艺
相比,增加了中间副产品淀粉的分离过程以及废水回
用过程。
本实验研究了黄姜中淀粉的分离情况,并采用了
对比实验方法研究了淀粉去除对皂素收率以及皂素
废水水质的影响。
2.2 分析测试方法
COD测定方法采用国标法;皂素提取采用汽油
提取;皂素分析测定采用传统的重量法。
2.3 结果与讨论
2.3.1 黄姜中淀粉的去除情况
黄姜中含有丰富的淀粉,约占干黄姜总重的45%
左右[4]。由于淀粉受高温的影响很大,所以在粉碎黄姜
的过程中,严格控制由于机械摩擦所引起的黄姜料浆
温度过高,致使黄姜中淀粉膨胀发酵而无法洗出。在
实验过程中控制料浆温度<45℃。黄姜中的淀粉去除
情况见表1。
经过反复的试验,由表 1可以看出,用水洗法去
除淀粉的效果比较明显,淀粉洗出率最低为 44.16%,
即 500g湿料浆(含水率为 76.25%),水洗出淀粉
23.61g;淀粉去除率最高为48.43%,即500g湿料浆
(含水率 78.25%),水洗出淀粉 23.7g。根据表 1数据
计算可知黄姜中淀粉平均去除率约占黄姜中所含淀
粉总量的46.3%,淀粉分离效果明显。若以干黄姜计,
每吨干黄姜可以分离出淀粉约 208kg,有效的回收淀
粉资源。
2.3.2 淀粉的去除对皂素收率的影响
为了确定淀粉对皂素收率的影响以及水洗淀粉
法在皂素清洁生产工艺中的应用价值,以皂素收率为
参照对象,采用对比实验,通过比较淀粉去除前后皂
素收率的变化情况来研究淀粉对皂素收率的影响。实
验结果见图3、图4。
由图3可以看出,淀粉去除后皂素的收率相比淀
粉去除前皂素收率明显提高了。采用传统工艺,皂素
收率平均约为13.4%,而采用水洗淀粉法,在部分淀粉
去除后,皂素收率最高达到 14.63%,皂素收率平均约
为14.5%,淀粉去除后相比淀粉去除前皂素收率提高
表1 黄姜中淀粉的去除
Table1 Removalofstarchindiosgenin
编号 料浆(g) 含水率(%)淀粉洗出量(g)淀粉去除率(%)
(1) 500 72.25 28.42 45.49
(2) 500 72.25 29.03 46.45
(3) 500 76.25 23.61 44.16
(4) 500 76.25 24.13 45.10
(5) 500 78.25 23.62 48.22
(6) 500 78.25 23.70 48.43
注:黄姜中淀粉的含量占黄姜总干重的45%计。
李耀辰,等 黄姜皂素清洁生产工艺试验研究 137
第31卷
了约1.1%。
从图4中可以看出,皂素收率的变化量随着淀粉
去除率的升高而升高,淀粉去除率为 44.16%,皂素收
率提高了0.97%,当淀粉去除率升高为48.43%时,皂
素收率则提高了1.25%。
综上黄姜中淀粉对皂素提取有一定抑制作用,淀
粉被分离去除后,减小了其对皂素提取的干扰作用,
有助于提高黄姜皂素收率,从而也提高了黄姜皂素产
业的经济效益。
2.3.3 淀粉的去除对皂素废水水质影响
淀粉是黄姜皂素废水中有机污染物的主要来
源。在传统皂素生产工艺中,淀粉在水解物生产过程
中被酶化成糖,经处理后排出,这样不仅造成了优质
淀粉资源巨大流失,而且末端废水 COD值很高。本
研究以末端废水 COD值为参照,通过对比实验,研
究了淀粉去除前后末端废水的水质变化情况。实验
结果见表2。
由表 2可以看出,一定量的淀粉去除后,末端废
水的 COD明显降低了。在淀粉去除前,末端废水
COD平均约为 33615mg/L,部分淀粉去除后,末端废
水COD平均约为12285mg/L。与传统的方法相比,采
用水洗淀粉法末端废水COD值降低了约63.5%。
由此可见,淀粉去除后,末端废水污染负荷减轻了;
而且根据皂素生产的水解化学过程,部分淀粉去除
后,可以减少淀粉水解的耗酸量,从而也就降低废水
中的含盐量。因为高盐浓度会对微生物的生长产生毒
性,所以耗酸量的减少降低了废水中盐份的浓度,从
而降低了其对生物处理系统的毒害作用,有助于解决
生物处理工艺在皂素废水处理中应用难的问题[5]。
3 存在的问题和展望
(1)该方法充分利用黄姜中的资源,变废为宝,不
但回收了淀粉,而且提高了皂素收率,提高经济效益。
但对如何充分发挥黄姜淀粉资源的经济效益需要做
进一步的研究,可以根据市场的需求把淀粉加工成不
同的产品,如:经加工后可以食用,可制造糖浆、淀粉
糖、增稠剂、乳化剂、酿酒、制酒精等[4]。
(2)淀粉被分离和去除后,减小了其对皂素提取
的干扰作用,在皂素生产过程中可减少用酸量,那么
在新的条件下确定最佳的水解条件,调整酸的用量是
应马上解决的问题。从而可以在实际生产中,既能做
到充分提取皂素,又不至于因酸的过度使用而导致环
境污染和资源浪费。
(3)水洗淀粉法,工艺简单,容易操作。在皂素生
产工艺中有一定的研究价值和实际应用意义。但是,
还有大量的工作要做,如提高淀粉的分离去除率、工
业化生产的可行性等还需进一步的研究,尤其黄姜中
的淀粉受季节性的影响,容易发酵膨胀,这严重抑制
了淀粉的分离,所以对黄姜中淀粉的特性研究也是我
们目前也要解决的问题之一。
[参考文献]
[1]郑一新.制药行业高浓度有机废水的综合治理及资源利用
研究[J].环境科学研究,1999,12(4):19-24.
ZhengYi-xin.Studyontreatmentandreuseofhigh-level
organicwastewaterinpharmaceuticalindustry[J].Researchof
EnvironmentalScience,1999,12(4):19-24.(inChinese)
[2]黄进,张肇煜,李林,等.黄姜提取薯蓣皂甙及葡萄糖的工艺
研究[J].农业工程学报,2001,17(6):119-122.
HuangJin,ZhangZhao-yu,LiLin,etal.Studyonex-
tractingtechnologyofdiosgeninandglucosefromyam[J].
TransactionsofTheChineseSocietyofAgriculturalEngi-
neering,2001,17(6):119-122.(inChinese)
[3]李国富,冯振声.黄姜提取皂素新工艺探讨[J].益阳师专学
报,1999,16(5):67-69.
LiGuo-fu,FengZhen-sheng.Studyofnewextracting
technologyofdiosgenin[J].JournalofYiyangTeachersCol-
lege,1999,16(5):67-69.(inChinese)
[4]秦天才,张友德,张君芝.湖北黄姜资源的现状及开发利用
[J].资源科学,1996,(3):58-62.
QinTian-cai,ZhangYou-de,ZhangJun-zhi.Present
situationandexploitationofdiosgeninresourcesinHubei
Province[J].ResourceScience,1996,(3):58-62.(inChinese)
[5]刘大银,毕亚凡,李庆新,等.皂素生产废水综合治理技术研
究[J].武汉化工学院学报,2003,25(4):33-36.
LiuDa-yin,BiYa-fan,LiQing-xin,etal.Apracticable
technologyofcomprehensivetreatmentofdiosgeninwastew-
ater[J].JournalofWuhanInstituteofChemicalTechnology,
2003,25(4):33-36.(inChinese)
表2 淀粉去除前后末端废水COD变化情况
Table2 ChangeofCODwiththeremovalofstarchindiosgenin(mg/L)
编号 (1) (2) (3) (4) (5) (6)
1 33385 33276 34192 33278 33284 33276
2 12738 12803 12175 12217 11975 11802
注:1.淀粉去除前末端废水COD;2.部分淀粉去除后末端废水COD。
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