新型非离子表面活性剂茶皂素的研究进展

郭霞，许荣年，秦志荣

（浙江赞宇科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

新型非离子表面活性剂茶皂素的研究进展

郭霞，许荣年，秦志荣

（浙江赞宇科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

茶皂素是一种纯天然的非离子表面活性剂，在化妆品、洗涤剂、纺织业、医药等领域得到了一定的应用。本文主要对茶皂素的基本性质、分析方法、提取方法和改性方法进行了综述，并就目前的生产和使用情况提出了一些看法，对需要解决的问题进行了初步探讨。

茶皂素；基本性质；分析方法；提取方法；改性方法

茶皂素（Tea saponin）又称茶皂甙、茶皂苷，是山茶科植物（如茶、山茶、油茶）中含有的一类天然糖苷化合物，由茶苷元（C30H50O6）结合当归酸和糖体（半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖缩酸）组成的一种五环三萜类皂苷[1]，广泛存在于山茶科植物的根、茎、叶、花、果之中。茶皂素是一种天然非离子表面活性剂，化学性质温和，易于生物降解。研究表明，提取得到的茶皂素的HLB值为16，在分散、发泡、去污以及O/W型的乳化方面均有较好的性能。茶皂素具有良好的乳化、发泡、湿润等功能，并且具有消炎、镇痛、抗渗透等药理作用，可以应用于洗涤、毛纺、针织、医药等领域[2]。

1931年日本学者青山新次郎[3]首次从茶籽中成功分离出茶皂素以后，世界主要产茶国家亦相继开展了茶皂素的研究工作。1952年日本东京大学的石镐守山和上田阳[4]分离出茶皂素的纯结晶，在此基础上，茶皂素的结构才得到深入研究。我国对茶皂素的研究始于上世纪50年代末，从起步阶段就以解决茶籽饼的综合利用为目的。1979年我国首次以工业方法从脱脂茶籽饼粕中分离出茶皂素。近年来，各地越来越重视对茶皂素的生产及应用研究，提出了各种不同的生产方法及工艺，并对其精制、脱色等方面也进行了较深入的研究。本文主要对茶皂素的研究进展进行综述，以便为国内同行提供参考和借鉴。

1.茶皂素的基本性质

茶皂素属五环三萜类皂苷，由苷元、糖和有机酸三部分组成，基本碳架为齐墩果烷（oleanane）。糖体部分主要有阿戊糖、木糖、半乳糖及葡萄糖醛酸等；有机酸包括当归酸、惕各酸、醋酸和肉桂酸等，有机酸与苷元的结合形式为苷元上的羟基与有机酸形成酯。茶皂素的亲水基团由强电负性的含氧基团如-O-、-OH、-COOH、-COO-组成，这些含氧基团集中在茶皂素的糖类配体间、有机酸配体及皂苷连接部位；而亲油基团是由非极性的碳氢环链构成。茶皂素在215nm处对紫外光有很大的吸收峰，可作为茶皂素的特征吸收峰用于结构鉴定，这是由于茶皂素的有机酸部分含有α、β共轭双键所决定的[5]。

茶皂素是一种纯天然非离子型表面活性剂，其纯品是白色微细柱状结晶体，吸湿性强，对甲基红明显酸性，其基本性质见表1。茶皂素水溶液能被醋酸铅、盐基性醋酸铅和氢氧化钡所沉淀，析出云状物，但对氯化钡和氯化铁不能产生沉淀；加入95%乙醇与浓硫酸等量混合，最初呈淡黄色，随后迅速变为紫色。

表1 茶皂素的理化性质

2.茶皂素的分析方法

茶皂苷是一类结构相似的混合物。由于茶皂苷的多样性和复杂性，单体皂苷分离十分困难。因此，20世纪70年代以前，关于茶皂苷化学组成的研究工作一直停留在酸碱水解后研究皂苷元、糖体组成的阶段。近十几年来，由于分离分析技术的不断进步，借助液相色谱、核磁共振技术等手段，茶皂素的分析方法取得了较大的进展。

2.1 重量分析法

重量分析法是通过测量茶皂素经纯化水解后得到的皂苷元含量，再经换算得到茶皂素重量的分析方法。该法涉及到换算系数的问题，即100g茶皂苷元相当于多少克茶皂苷。朱全芬等[6]最早详细研究了该法，采用水解测定的数据（皂素平均相对分子质量为1203，苷元平均相对分子质量为592），得出换算系数为0.4921。理论上，一个分子的茶皂苷水解可以得到一个分子的茶皂苷元，但茶皂苷是一类混合物，配基结构有多种，因此不同研究者对于茶皂苷相对分子质量的测定值略有出入。另外，该法分析所需时间长，操作繁琐，试剂消耗量大，难以满足工业分析的需要。

2.2 比色分析法

比色法是利用三萜类皂苷的显色反应，选择一种线性关系良好的显色剂，反应后，用分光光度计测其吸光度，用纯品的标准工作曲线定量。常用的显色剂有间苯三酚-乙醇溶液、苯酚-硫酸、香草醛-浓硫酸、对-二甲氨基苯甲醛、三氯化铁-浓硫酸法等。研究表明，比色法消耗试剂少，操作简单，分析快，重现性及准确度也较好，适用于工业分析。

香草醛-硫酸法由于操作流程短，方法简便可行，显色相对稳定，反应条件容易控制等优点，是一种常用的分析方法。该法的反应机理可能是皂苷在强氧化性酸作用下脱氢，氧化后再与香草醛加成生成有色物质。朱全芬[7]、傅春玲等[8]指出，以8%的香草醛-乙醇溶液和77%硫酸为显色剂，测定波长为452.5nm，显色反应温度为60℃，反应时间为15min为宜，线性范围为0～20µg/mL。

据报道[9]，凡具有五环三萜之齐墩果烷结构的皂苷类都能与对-二甲氨基苯甲醛反应显色，色泽强度随皂苷浓度增加而增强。因此，利用这一反应，用1%对-二甲氨基苯甲醛与茶皂素浸提液加热显色，用H3PO4作稳定剂，进行比色分析，得到消光值。用茶皂素纯品做出标准曲线，进而求出茶皂素的含量。谭新东就用该方法对茶树体内各部分茶皂素含量进行了分析[10]。

2.3 荧光光度法

荧光光度法是基于茶皂苷对铝-8-羟基喹啉的荧光有增敏作用，且在一定浓度范围内荧光相对强度随茶皂苷含量的变化呈线性变化的特征进行测量。刘晓庚[11]用该方法对茶皂素含量进行了定量分析，此外，他还认为除茶皂苷与FeCl3呈黄绿色的显色反应外，植物样品中的酚类物质也能与FeCl3发生类似的显色反应，因而直接用单波长分光光度法测定时干扰严重。为此，利用两者之间的反应速率不同，进行速差分光光度法（或双波长分光光度法等）测定茶皂素含量。

2.4 其他分析方法

除了上述分析方法外，还有高效液相色谱法、薄层扫描法、溴酸钾法等。高效液相色谱（HPLC）法具有高压、高速、高效、高灵敏度的特点，现已成为分离皂苷的常用方法。由于茶皂苷结构的相似性和复杂性，目前HPLC主要用于茶皂苷的分离和纯化方面。田世雄等[12]用高效薄层色谱（HPTLC），以正丁醇∶甲醇∶吡啶＝18∶1∶1为展开剂，测定了茶皂素含量。

目前，由于皂苷结构的相似性、多样性以及复杂性，对茶皂素的定量分析是研究中存在的主要困难之一。茶皂苷总量的测定方法各有优缺点，没有一种统一的标准方法。茶皂苷标准品难寻，且现有的标准品大多为混合物，不同品种的茶、不同工艺得到的标准品有一定的差异。因此，对茶皂素单体的定量分析质量有待进一步提高。

3.茶皂素的提取方法

茶皂素的提取方法主要有水浸法、吸附法、有机溶剂法以及在此基础上改良的新方法，如水提-沉淀法、水提-醇萃法、树脂吸附法、超声波法等。

3.1 水浸法

水提法[13]是较早开发的提取茶皂素的方法，先将油茶饼碎至一定粒级，用热水浸取，然后抽滤，即得茶皂素的水溶液，将滤液干燥即得产品。该方法工艺简单、成本低、投资少、见效快，但蒸发量大、能耗高、生产周期长，且提取得到的茶皂素纯度低、颜色深、质量差，产品多为浆料，再提纯较困难。因此，作为对水提法的改进，又开发了水提-沉淀法，即在得到的茶皂素水溶液中加入沉淀剂，使茶皂素转为沉淀，与杂质分离，再将分离出的沉淀用沉淀转换剂转换沉淀，释放出茶皂素。该工艺使水提法得到了完善，与有机溶剂法相比也较为简单，值得推广应用。

3.2 醇提法

醇提法一般是指用含水甲醇或含水乙醇作浸取剂从茶籽饼中浸取茶皂素的方法。该法能耗小，收率高，纯度高，便于生产粉剂，易再纯化，产品可用作生化试剂和医药原料，但生产工艺复杂，投资大，成本高。

由于正丁醇[14]对茶皂素具有选择溶解能力，因此可用正丁醇直接从茶枯中提取茶皂素：在茶枯饼中加入4～6倍90%正丁醇，在66℃～74℃浸取4次（2h/次）；将浸提液在0.06～0.09 MPa真空度下进行蒸馏以回收正丁醇，蒸馏釜中加入适量的水和脂肪酶，进行保温、搅拌操作，静置澄清后过滤，以用脂肪酶去掉残油；采用6号汽油洗涤茶皂素，除去杂质，洗涤后的茶皂素经干燥、粉碎得到产品。用该工艺制得的茶皂素纯度可达80%以上，同时正丁醇回收性能好，降低了产品成本。且正丁醇不易燃，对人和动物的健康也没有影响。

3.3 水提-醇萃取法

水提-醇萃取法是根据茶皂素易溶于热水和含水乙醇溶液、不溶于冷水的性质，用热水浸提茶饼，而后于过滤液中加入絮凝剂Al2(SO4)3，经过沉降、过滤、浓缩、冷却后，再用95%乙醇转萃提纯的一种方法[15-17]。水提-醇萃取法是在综合了水提法、有机溶剂法、水提-沉淀法三者优点的基础上开发的一种新型提取茶皂素方法，具有工艺较为简单、投资少、收率和纯度高等特点。用该法提取的茶皂素收率可达15%，纯度可达90%，产品质量高、用途广，是一项值得推广和工业化前景好的技术。

3.4 超临界萃取法

超临界流体CO2萃取技术是近年来发展起来的一项新技术，在天然活性成分提取方面得到越来越广泛的应用。CO2超临界萃取法可在一套装置下实现脱除残油，提取茶皂素，简化了生产工艺，而且在产品纯度、操作周期、对环境影响等方面明显优于乙醇浸提法。吕晓玲等[18]首次用SFE-CO2技术对茶皂素提取进行了研究，并讨论了其工业应用的可行性。

3.5 超声波法

超声波是介质中的一种弹性机械波，具有束射特性、吸收特性以及能量传递特性。超声波现已广泛应用于植物中活性成分的提取[19]。超声波作用于液体中可产生空化效应，强大的压力会造成生物细胞壁的破坏，而且整个破碎过程在瞬间完成，同时超声波产生的振动加强了细胞内物质的释放、扩散及溶解，被浸提的物质在被破碎时生物活性保持不变，同时提高破碎速率和提取率。有文献[20-22]报道了应用超声波技术提取油茶枯饼中的茶皂素工艺研究，并与水浸提法和乙醇溶液浸提法进行比较。结果表明，采用超声波法缩短了从油茶饼中提取茶皂素的时间，降低了能耗，同时也可以提高茶皂素的得率。目前用于超声提取的设备还不成熟，要将该工艺应用于工业化生产还需开展进一步研究。

3.6 微波萃取法

微波萃取是近些年兴起的提取技术，与传统热萃取相比，微波辅助萃取具有萃取时间短、溶剂用量少、提取效率高、投资少、易挥发性成分的提取得率高以及不需要特殊的分离步骤等优点。该技术适用于许多天然物的提取，可达到高效、快速、高度选择性、安全无害环境的要求，近年来已成为提取天然产物中活性成分的重要方法，可有效地提高收率。微波辅助萃取方法的这些优点适合于油茶枯饼中茶皂素的提取。但至今国内外未见有采用该方法提取茶皂素的报道。

4.茶皂素的改性方法

目前，对于茶皂素的研究主要集中在提取精制方面，对其改性研究的报道较少。下面介绍2种方法。

4.1 复配改性

赵晓东等[23]研究了茶皂素与脂肪醇复配体系的泡沫性能，发现加入脂肪醇可大大提高茶皂素的起泡能力和泡沫稳定性；与几种常用的表面活性剂（十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和烷基聚氧乙烯醚硫酸钠）相比，茶皂素-仲丁醇复配体系的泡沫稳定性高很多，特别是在盐卤或盐卤与煤油共存的条件下，仍然具有较好的起泡能力和泡沫稳定性。

彭艳春等[24]对茶皂素与十二烷基硫酸钠复配体系浮选去除废水中的金属离子做了研究。研究认为，混合体系的表面张力介于两复配组分纯溶液之间，cmc值比两组分都低，降低表面张力的效率比较明显；复配后溶液的起泡性和稳泡性均得到了不同程度的改善。

4.2 化学改性

杨磊等[25]以茶皂素为原料，依次与单乙醇胺、顺丁烯二酸酐反应，制备茶皂素单乙醇酰胺琥珀酸，再与亚硫酸氢钠进行磺化反应，合成了一种新型表面活性剂——茶皂素单乙醇酰胺琥珀酸单酯硫酸钠。结果表明，该新型表面活性剂同时具有阴离子及非离子型表面活性剂的优点，HLB值为19.06，表面张力低于茶皂素，起泡力及稳泡性优于茶皂素。

陶莉、冯章明等[26,27]以含氢硅油、缩水甘油烯丙醚、丙烯醇聚氧乙烯聚氧丙烯丙醚进行硅氢化反应，再与天然茶皂素进行酯化反应，最后与叔胺盐酸盐反应，制得茶皂素改性有机硅季铵盐。将该改性产品用于洗发香波中，能明显增强头发的干、湿梳理性能，且光泽较好，泡沫丰富。

5.结语

茶皂素具有许多优良特性，可以应用于许多行业，利用潜力巨大。我国各类茶籽资源十分丰富，目前国内关于茶皂素的研究与应用取得了一定进展，但仍存在一些有待解决的问题：1）在基础理论研究方面，茶皂素的各种表面活性和生理活性机理有待于进一步研究，对各类茶皂素的活性差异及其化学组成和结构的对应关系也缺乏足够的认识；2）茶皂素的提取工艺还不十分成熟，尤其是精制阶段，仍然没有十分理想的生产工艺。比如，粗品茶皂素的脱色问题仍找不到很好的解决方法，常用的脱色剂活性炭，虽然能吸附粗品茶皂素的色素，但对茶皂素本身吸附也较多，从而导致产品的精制率降低，费用提高；3）目前国内对茶皂素的应用开发还很不够深入，对茶皂素的改性工作也需要进一步提高。

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