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(江西省蠶桑茶葉研究所,江西南昌 330043)

茶皂素又名茶皂甙、茶皂苷,是一類齊墩果烷型五環(huán)三萜類皂甙混合物,廣泛存在于山茶科、山茶屬植物的根、莖、葉、花、果,籽之中,尤其以茶籽中含量最多。油茶為世界四大木本油料植物之一,我國具有悠久的栽培歷史。我國是世界山茶屬植物栽培面積最大,品種最多,產量最高的國家,主要分布在長江流域,尤其是在江南地區(qū),有大批量的種植。進年來,一些學者對茶皂素的化學結構和藥理研究發(fā)現(xiàn),茶皂素是一種性能優(yōu)良的天然非離子表面活性劑,具有較強的發(fā)泡、乳化、分散等作用,并具有抗?jié)B、消炎、鎮(zhèn)痛、抗癌等藥理活性,還可制造各種類型的乳化劑、洗滌劑、防腐劑、殺蟲劑、殺菌劑等,廣泛應用于醫(yī)藥、日化、建材、農業(yè)等領域[1-4]。當前,茶皂素的主要提取方法有水提法,有機溶劑提取法以及輔助提取法等,總產品的得率在20%左右,相對較低[2],如何從茶籽餅中高效地提取茶皂素的問題也備受關注。本文對茶皂素的提取技術以及生物活性進行綜述,以期為茶皂素功能開發(fā)和茶籽餅附加值的提高提供基礎。

1 茶皂素的理化特性

茶皂素是從山茶科、山茶屬植物中提取的純天然產品,屬于三萜類皂素。茶皂素分子中由親水性的糖體和疏水性的配位基及有機酸構成,分子式為C57H90O26,分子量為1191.28。目前已從茶籽中分離鑒定出7種苷配基,這七種茶苷配基的區(qū)別在于A環(huán)上C-23、C-24及E環(huán)C-21的連接基團不同,茶葉中分離鑒定出4種皂苷配基[5-7]。糖體部分主要有阿拉伯糖、木糖、半乳糖以及葡萄糖醛酸等,其與配基環(huán)上的羥基以甙鍵形式相結合。有機酸包括當歸酸、惕各酸、醋酸和肉桂酸等,有機酸與配基上的C-12,C-21位上的羥基結合成脂。茶皂素的親水基團由強電負性的含氧基團組成,這些含氧團集中在茶皂素的糖類配體間、有機酸配體及皂甙連接部位,而親油基團是由非極性的碳氫環(huán)鏈構成[2]。茶皂素水溶液為茶褐色,pH為5.0～6.5,表面張力為47～59 N/m,熔點223～224 ℃[4]。茶皂素具有皂苷的通性,味苦、辛辣,吸濕性強,對甲基紅顯酸性,難溶于無水甲醇、無水乙醇、冷水,不溶于石油、氯仿、丙酮、苯、乙醚等有機溶劑,易溶于熱水、含水甲醇、含水乙醇以及冰醋酸、醋酐、吡啶等。茶皂素溶液中加入鹽酸時,皂甙就沉淀,水溶液中的茶皂素能被醋酸鉛、鹽基性醋酸鉛和氫氧化鋇所沉淀,而不能被氯化鋇和氯化鐵所沉淀,茶皂素能與香草醛-濃硫酸反應且在452 nm處有最大吸收峰,可以以此為依據(jù),定量分析茶皂素[8]。另外,茶皂素是一種性能優(yōu)良的天然表面活性劑,因而具有良好的乳化、分散、潤濕、發(fā)泡、穩(wěn)泡、去污等表面活性。

2 茶皂素的提取技術

茶皂素是茶籽中的重要生物活性成分,其主要是從茶籽餅中提取的副產物。當前,茶皂素的主要提取方法有水提法、有機溶劑提取法、輔助提取法等。

2.1 水提法

水提法的主要依據(jù)是茶皂素易溶于熱水,MA L等[9]通過單因素試驗研究熱水提取茶籽餅的茶皂素最佳工藝條件,結果表明,在固液比為1∶20 (g∶mL),浸提溫度80 ℃、浸提時間6 h、pH為9時,茶皂素的提取率達到95.50%;侯如燕等[10]采用三次浸提二次洗滌的方法提取油茶餅中的茶皂素,提取率為72.93%,純度45.53%,得率為18.92%。此方法成本低、易于操作、基本無安全隱患,但是耗時且提取液不易安全存放,還夾帶有大量雜質,為工業(yè)化生產帶來諸多不便。

2.2 有機溶劑提取法

有機溶劑提取法采用的主要溶劑有甲醇、乙醇、正丙醇等。劉堯剛等[11]報道甲醇提取茶皂素最優(yōu)工藝:甲醇濃度70%、液固比7∶1 mL/g、浸提時間2 h、pH為10.5、浸提溫度55 ℃,茶皂素的浸提得率為 14.45%。Gong等[12]通過響應面優(yōu)化法用乙醇水溶液提取茶籽餅中茶皂素,得出最優(yōu)提取工藝:液固比14.57∶1 mL/g,提取溫度40.04 ℃,提取時間4.97 h,乙醇濃度64.11%,同時得出產量的最佳回歸方程;Hu等[13]采用相同的優(yōu)化方法用乙醇提取山茶花的茶皂素,得出的最優(yōu)條件為液固比8.6∶1 mL/g,提取溫度82.2 ℃,提取時間3.3 h。利用這兩種溶劑提取茶皂素最大的問題是甲醇有毒、乙醇易揮發(fā),雖然乙醇的產率較高,但存在成本過大的問題,不適合工業(yè)化大生產。于輝等[14]采用正丙醇提取茶籽餅的茶皂素,采用正交試驗得出最佳工藝條件:茶仔餅60目、料液比1∶12 (g/mL)、正丙醇體積分數(shù)80%、溫度為80 ℃、時間為3 h,此條件下,茶皂素得率20.13%,純度到達62.78%。有學者將有機溶劑特異結合,來提取茶皂素,如:以混合茶皂素為模板合成分子印跡聚合物和丙烯酰胺-β-環(huán)糊精作為特異性結合的共官能團單體,用于提取茶樹花中的茶皂素[15]。相對而言,采用有機溶劑提取的粗提產品的純度、得率、以及色澤均優(yōu)于水提法,但是有機溶劑的提取設備要求更精密、生產成本高。

2.3 輔助提取法

輔助提取法指,采用一定的手段來提高產品的質量、得率、純度以及色澤等。目前,主要的輔助法有:微波、微波/光波、超聲波、酶、離子添加劑、超臨界CO2、閃式提取器等。

微波輔助提取原理是通過增加被萃取的物質細胞內部的溫度和壓力,從而使其細胞壁破裂,有效成分被提取溶劑溶解[16]。He J等[17]利用微波輔助提取法(MAE)從茶籽餅中提取茶皂素,得出影響萃取效率的因素,包括微波功率、照射時間、溫度、溶劑與材料的比例和乙醇水溶液的體積分數(shù),通過系統(tǒng)正交試驗,得出的最佳提取工藝為固液比1∶13 (g∶mL)、65%乙醇水溶液、提取溫度為50 ℃、微波功率500 W、持續(xù)照射7 min,提取率可達14.3%,很大程度上縮短提取時間。彭游[18]采用微波(55%、440 W)+光波(45%、360 W)輔助正丁醇提取茶皂素,在25 g油茶餅粉、1 mL DMF、30 mL正丁醇的條件下,茶皂素的提取率8.8%、純度81.2%。Luo等[19]采用超聲波輔助乙醇和硫酸銨兩相萃取波斯菊中的茶皂素,在最優(yōu)工藝條件下,只需30 min,產量可達33.4 g/kg。微波輔助萃取可以有效的縮短提取時間,提高提取率,但存在生產成本高,輻射性較大的弊端,在工業(yè)化大生產應用此法時,需要解決如何擴大微波設備和防輻射問題。

酶輔助法[20]、離子添加劑輔助法[21]均是在茶皂素的提取過程中添加外援物質,來促進茶皂素的溶解,以達到提高提取率的目的;超臨界流體萃取是一種環(huán)境友好型的化工分離技術,是天然產物萃取領域的關鍵技術之一,伊文峰等[22]利用超臨界CO2萃取茶皂素得出最優(yōu)工藝條件為萃取溫度55 ℃、壓力30 MPa、夾帶劑75%乙醇水溶液、夾帶劑流速 1.5 mL/min時,萃取時間 1.5 h,提取率和純度分別為 15.9%和62.5%,此提取方法具有萃取和精餾的雙重特性,且不會引起被萃取物的污染,缺點是設備和操作均是在高壓下進行的,生產成本較高;閃式提取法是以組織破碎原理為基礎,促進有效物的暴露和溶解[23-24],閃式提取具有高效、充分、快速的特點,且無需加熱,可以節(jié)省能源,保護萃取物的熱敏感性,使用安全可靠,但每次作業(yè)量較小,不利于工業(yè)化大生產。

3 茶皂素的生物活性功能

3.1 溶血和魚毒作用

茶皂素的毒性主要是指皂甙類溶血作用,其對動物的紅細胞有破壞作用,此外,茶皂素對魚類的毒性也很大,這一現(xiàn)象還被稱為魚毒作用。朱全芬等[25]用茶皂素處理不同生物的血液,并在顯微鏡下觀察其溶血效果,結果表明,茶皂素只對血液中的紅細胞有溶血效果,而在白細胞和蝦細胞中沒有發(fā)現(xiàn)這一效果;它的魚毒作用原理主要是是通過破壞魚鰓的上皮細胞,繼而進入鰓血管和心臟后作用于紅細胞,從而造成魚毒效應,茶皂素的溶血速率是呈“S”型趨勢變化的,溶血指數(shù)為100000;其次,茶皂素的毒性強度與其糖鏈的長度也密切相關,通常情況下,糖鏈越長、毒性越大。陳劍鋒等[26]研究表明,茶皂素的魚毒制劑對長江流域的淡水魚有較強的毒性,并且實驗結果呈現(xiàn)良好的藥效關系。因此,茶皂素可以作為魚塘清潔劑,清除池塘中有害的魚類,達到“清魚護蝦”的目的。

3.2 抗菌功能

茶皂素有較強的抗菌活性,主要在防治某些皮膚疾病的應用中得到體現(xiàn)。文莉等[27]把不同濃度的茶皂素分別涂抹到背部脫毛破損和背部健康家兔上,觀察抑菌效果,結果表明,茶皂素對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌有較明顯的抑制作用,對白色念珠菌有一定的抑制作用,而對綠膿桿菌無抑制作用。Jiang等[28]利用茶多酚和茶皂素同時和分別處理匍枝根霉,發(fā)現(xiàn)它們可以抑制該霉菌絲的生長,茶多酚和茶皂素最佳除菌比例是7∶3;被處理過的菌絲在生長過程中產生過氧化氫,導致菌絲的膜脂質透性增加,K+、可溶性蛋白、可溶性糖流失,從而使得菌絲的生長受到抑制;Chen等[29]研究也表明茶皂素與茶多酚在抑制菌絲生長方面有協(xié)同效應。黃繼光等[30]通過抑制菌絲生長的方法檢測茶皂素對稻瘟病菌、水稻紋枯病菌、番茄小核病菌、柑橘青霉病菌、黃瓜炭疽病菌等12種植物病原菌的抑制活性,結果表明,茶皂素對植物病原菌的室內活性差異較大,對稻瘟病菌、柑橘青霉病菌、番茄小核病菌、荔枝霜疫霉、玉米小斑病菌5種病原菌菌絲生長有明顯的抑制作用,其含量不同抑菌效果存在一定的差異。因此,有效的利用茶皂素的這種生物活性,來降低病菌對農作物的危害,譬如可以通過茶園的修剪葉的特殊處理,作用于有病菌感染的農田,實現(xiàn)綠色除菌的目的。

3.3 抗氧化功能

自由基帶有較強的氧化性,容易搶奪人體細胞的電子使機體活細胞受損,從而導致慢性病的產生以及生理衰老[4],而茶皂素具有較強的生物抗氧化的功能[31],可以清除人體內的自由基。劉容等[32]采用體外抗氧化實驗研究茶皂素的抗氧化功能,結果表明,茶皂素供應的電子既可以將 Fe3+還原為 Fe2+,也可以與自由基反應從而使自由基成為穩(wěn)定的物質,其清除自由基的能力與質量濃度具有一定的相關性,并且其還原能力強于抗壞血酸;黃起壬等[33]利用茶皂素處理被皮下注射異丙腎上腺素(ISO)而誘發(fā)心肌損傷大鼠,結果發(fā)現(xiàn),茶皂素可以明顯對抗ISO所造成的大鼠心肌損傷,減少心率失常的發(fā)生幾率;呂曉玲等[34]通過檢測發(fā)現(xiàn),茶皂素可以較好的抑制亞鐵離子引發(fā)的卵磷脂脂質過氧化,除此之外,其還有清除羥基自由基、超氧陰離子自由基等生物活性功能;Chi等[35]用茶皂苷飼喂由環(huán)磷酰胺引起氧化應激的雞,檢測其影響,結果發(fā)現(xiàn),茶皂素顯著(p<0.05)增加總抗氧化物的能力,而使丙二醛和蛋白質羰基這些有害物質的含量降低,同時它還可以增加免疫反應能力。茶皂素是較好的抗氧化天然產物,因此可用以研發(fā)出適合人類健康需求茶皂素產品,來迎合不同消費者的需求。

3.4 降血壓功能

目前,關于茶皂素對高血壓產生影響的報道相對較少。Sagesakamitane等[36]給患有自發(fā)性高血壓的小鼠(SHR)飼喂茶皂素,15周的SHR按照100 mg/kg的劑量口服5 d后,其血壓比對照組低29.2 mmHg,單劑量茶皂素50 mg/kg和3 mg/kg劑量的馬來酸依那普利的效力相當,此外,在體外實驗結果表明,茶皂素可以通過抑制血管緊張素的方式降低小鼠血壓;Yang等[37]給患有自發(fā)性高血壓的雄性大鼠分別強制口服相同體積的高劑量茶皂素(1600 mg/kg,一日一次)、低劑量茶皂素(400 mg/kg,一日一次)、卡托普利(150 mg/kg,一日一次),并以正常血壓的雄性大鼠作為對照,同時飼喂其相同體積的去離子水,8周后,檢測其收縮壓的結果表明,高劑量的茶皂素可以顯著(p<0.05)降低血壓,低劑量茶皂素和卡托普利的降壓效果相當;Song等[38]從苦丁茶中提取茶皂素,并用其處理人工誘導的高血脂小鼠,結果發(fā)現(xiàn),小鼠血清的低密度蛋白、高密度蛋白、動脈粥硬化指數(shù)均顯著性降低,同時,茶皂素還可以增加肝臟清道夫受體表達SR-AI,SR-BI,and CD36水平,這也說明茶皂素還具有保護肝臟的功能[39]。由此可見,茶皂素主要是通過抑制血管緊縮素和減少生物體內低密度蛋白合成來降低血壓和預防血脂升高造成動脈粥硬化;茶皂素這些功能的發(fā)現(xiàn)為今后高血壓、高血脂的預防和臨床治療提供新的途徑,對人類的健康有著深遠的影響。

3.5 殺蟲、驅蟲功能

茶皂素是一種天然的表面活性劑,并且具有植物殺蟲的作用,如果和某些殺蟲劑同時使用,還具有協(xié)同、增和的效應[40-41]。何曉玲等[42]研究表明茶皂素對地下田間害蟲如蚯蚓、小菜蛾等有較好的防治作用,其防治效果主要表現(xiàn)在,小菜蛾會拒食涂抹有茶皂素的甘藍葉片,并且茶皂素會抑制小菜蛾幼蟲的生長發(fā)育,王小藝等[43]關于茶皂素驅蟲研究也得出相似的結論,Potter D等[44-45]用茶皂素直接灌溉草坪,發(fā)現(xiàn)可以迅速驅除蚯蚓,這一發(fā)現(xiàn)很好的體現(xiàn)出茶皂素的驅蟲作用。Cai等[46]報道,被飼喂茶皂素的小菜蛾幼蟲生長速率減慢、蛹生產量減少、蛹重降低、化蛹率降低、成蟲羽化率降低、生殖力下降,但幼蟲期和蛹期延長。Rizwan等[47]報道茶皂素與綠僵菌毒素、Bt(蘇云金芽孢桿菌)在防御甜菜夜蛾方面有較好的協(xié)同效應。郝衛(wèi)寧等[48-50]國內眾多學者均有報道茶皂素的驅蟲、與殺蟲劑的協(xié)同效應等生物活性功能。茶皂素的殺蟲、驅蟲的作用可以病蟲害的防治工作提供新的方式,尤其是在有機田園建設方面具有重大意義。

3.6 清潔、洗滌功能

茶皂素的親水親油性賦予其的表面活性劑的功能,且起泡性較好[51],因此它也可以作為洗滌劑而被開發(fā)應用,尤其是對絲、毛等衣物的洗滌效果良好,去污力強且不會損傷衣物,易降解環(huán)保的優(yōu)勢[52],此外,它還可以作為土壤清洗劑,消減土壤中的重金屬[53]。Baek等[54]用茶皂素、SDS等五種具有去污能力的表面活性劑處理纖維織物,結果發(fā)現(xiàn),茶皂素和SDS一樣的去垢能力。Chen等[55-56]研究表明茶皂素可以清潔電子垃圾所釋放出的有機污染物和重金屬,Gusiatin等[57]研究也表明皂甙類物質可以作為土壤淋洗劑,清除土壤中的重金屬,洗滌效果與皂甙物質的使用量和土壤的類型密切相關,Sun等[58]研究硝酸鉀和茶皂素在厭氧條件下對消除水稻田中的多環(huán)芳烴的影響,結果表明適當濃度的土壤中的KNO3和茶皂素可以增強土壤微生物的特性,恢復部分微生物的生物功能,消減多環(huán)芳香烴,達到修復土壤的效果。茶皂素的“清潔、洗滌”功效除了可以作為化工原料的分散劑、清潔劑,還可以應用到土壤中,作為土壤的凈化劑,清除其重金屬,為作物的健康生長和土壤的良性循環(huán)提供基礎。

3.7 其他功能

此外,茶皂素還有抑制酒精吸收和保護腸胃、生物激素樣[46]、殺滅流感病毒[59]、化痰止咳、助燃[60]、刺激腎上腺皮質機能、調節(jié)血糖水平和抗癌[61-62]等生物活性功能。茶皂素的類生物激素作用對動植物都有促進作用,一方面,它可以作為生長調節(jié)劑調控植物的生長;另一方面,茶皂素可以通過刺激蝦體內的激素分泌,從而間接的刺激蝦的生長[3]。Morikawa等[63]研究表明,茶皂素對老鼠的胃粘膜病變有抑制作用,每公斤體重為5.0 mg/kg,而且它的活性比奧美拉唑更有效;Tsukamoto等[64]按一定的時間先后順序給小鼠口服茶皂素和酒精,檢測小鼠的血液、肝臟和胃部的乙醇、乙醛和丙酮的含量,結果顯示,茶皂素可以降低血液和肝臟中的乙醇含量,而胃里的酒精增加了5倍,這表明茶皂素可以抑制酒精的吸收,縮短其從血液消失的時間;乙酸酯和丙酮的含量未受影響;而乙醛濃度在血液、肝臟和胃中的含量都有所降低,表明茶皂素對肝臟有保護作用。茶皂素是一類較好的天然活性物質,無論是在人類健康方面、還是促進農作物健康生長以及化工應用方面,均有積極的影響。

4 結語與展望

茶皂素是一種重要的天然功能性產物,其可以被應用在化工、日化、食品、醫(yī)藥、建材和農業(yè)等領域。當前,茶皂素的主要提取方法有水提法、有機溶劑提取法、輔助提取法(微波、微波/光波、超聲波、酶、離子添加劑、超臨界CO2、閃式提取器等輔助萃取)等,但這些技術不能一次性實現(xiàn)工藝簡單、提取率高、用時短、成本低、危害小、經(jīng)濟環(huán)保的技術要求,因此還需要科研工作者進一步研制出適合可持續(xù)發(fā)展的新工藝、新技術。我國有豐富的茶籽資源,主要被用來榨油,其產物茶籽餅被焚燒處理,導致資源的嚴重浪費,環(huán)境污染,因此茶籽餅(茶籽被榨油后的產物)的有效利用問題需亟待解決。

目前,茶皂素的消炎、抑菌、抗癌、降血壓和血脂、保護腸胃等生物活性研究還停滯在小鼠實驗階段而沒有實施到臨床治療階段,具體的抗病機理尚不清楚,這可作為今后的研究目標,主要是加強基礎性理論研究,為臨床藥物的開發(fā)和應用提供科學理論支撐,為人類疾病的預防和治療帶來福音;以茶皂素的功能性為視角,研發(fā)出與茶皂素相關的功能性食品和日用品,這也符合健康的時代主題和市場的需求,同時也可以促進茶籽餅的有效利用,提高其經(jīng)濟效益、減輕環(huán)境負擔;茶皂素具有驅蟲、激素樣和淋洗土壤重金屬的作用,基于此點,可以將其作為農田的凈化劑和土壤綠肥,實現(xiàn)改善土壤環(huán)境、提高農作物品質的目的,同時還可以為土壤提供礦物元素營養(yǎng)、減少生物化學肥料噴施。