茶皂素的提取及纯化研究

邓桂兰（广东轻工职业技术学院，广东广州510300）



茶皂素的提取及纯化研究

邓桂兰
（广东轻工职业技术学院，广东广州510300）

摘要：茶皂素是一种存在于茶树种子（茶籽、茶叶籽）中的天然表面活性剂，具有乳化、分散等表面活性以及抑菌、抗炎等多种生物活性，广泛应用于化工、农药、饲料、医药等领域。介绍从油茶饼粕中提取茶皂素的生产工艺以及茶皂素粗品纯化的方法，以期为油茶饼粕的综合利用提供一定参考。

关键词：茶皂素；油茶饼粕；提取；纯化

油茶籽榨取茶油后剩下的渣饼即为油茶饼粕，是茶油生产的下脚料。我国油茶饼粕年产量约90万t[1]，数量十分可观，但目前我国油茶饼粕除一小部分作为肥料或清塘剂使用外，其余大都被废弃，造成了很大的资源浪费。研究发现，油茶饼粕含有茶皂素、生物碱和多酚类等多种活性物质[2]。茶皂素又名茶皂甙，是一种优良的非离子型天然表面活性剂，具有溶血、抗菌、抗病毒、抗应激、降血脂等多种生理活性，可广泛应用于日化、医药、食品和农药等行业[3]。油茶饼粕中茶皂素含量为12.8 %～13.8 %，据此估算我国每年至少要扔掉13万t油茶皂素[4]。鉴于此，如何从油茶饼粕中有效提取和纯化茶皂素是目前科学研究的热点。

1　茶皂素的性质

茶皂素是一类结构相似的齐墩果烷型三萜类皂苷混合物，其单体结构称为茶皂苷，由皂苷元、糖体、有机酸（或糖醛酸）3部分组成。茶皂素为乳白色或淡黄色无定形粉末，平均分子式为C57H90O26，相对分子量为1200～2800左右，熔点223℃～224℃，是一种非离子型极性物质[5]；茶皂素具有苦味和辛辣味，吸湿性强，有很强的起泡能力；极性较大，易溶于碱性热水、醋酸、含水乙醇、含水甲醇等，微溶于温水、乙酸乙酯、二硫化碳，难溶于冷水、无水乙醇、无水甲醇，不溶于苯、乙醚、丙酮、氯仿等有机溶剂；茶皂素溶于水中时因带羟基而呈弱酸性；茶皂素的苷键受热或在酸、碱性、酶水解时生成糖和皂苷单元，因此茶皂素次生代谢产物多，如何分离和鉴定油茶皂素及其次生代谢产物国内外报道不多[6]。

2　油茶饼粕中茶皂素的提取

2.1化学提取法

2.1.1水提法

茶皂素是一种非离子型极性物质，较易溶解于水中特别是热水中，因此用水作为溶剂来提取油茶饼粕中的茶皂素是最早使用的方法。水是一种廉价、无污染且获取方便的溶剂，但长时间热水浸泡油茶饼粕会使茶皂素发生水解变质，大量杂质溶解，造成杂质分离困难，增加后续纯化难度[3]。

纯水提取法：工艺流程如下：油茶饼粕→粉碎→过筛→加热水浸提→过滤→弃渣留液→浓缩→干燥→粉状茶皂素粗品。李秋庭等[7]用水浸提油茶饼粕后，将得到的浸提液先离心分离再真空浓缩干燥，茶皂素得率为95.1 %，较一般水提法要高，且解决了常规水提法分离难的问题。但此法能耗大，纯品纯度仍较低[8]。高凯翔等[9]对水提法和水提醇沉法提取茶皂素进行了对比，得出茶皂素提取率是水提法（97.5 %）比水提醇沉法（95.2 %）稍高，但茶皂素纯度是水提醇沉法（69.9 %）比水提法（48.6 %）要高得多，故综合来看水提醇沉法依然是一种非常值得推广的方法。

碱水提取法：根据茶皂素较易溶于热碱水的特点，很多学者对碱水提取茶皂素工艺进行了研究，如表1所示。

表1　碱水法提取油茶饼粕中茶皂素的工艺对比Table 1 Comparison of alkali-water extraction methods of tea saponin from Oil-tea-cake

从表1可看出，用碱水提取茶皂素时，除要考虑料液比、浸提pH、浸提温度、浸提时间等常规因素外，还应考虑除酶剂、絮凝剂等其他影响茶皂素得率的因素。

2.1.2醇提法

全昌云等[14]研究发现，温度较低时，茶皂素在无水乙醇中溶解度随温度升高快速增大，温度超过50℃后，再升高温度茶皂素溶解度变化很小，并据此建立了通过改变温度分离茶皂素的工艺，用液固比为5∶1 （mL/g）的无水乙醇量75℃浸提1 h，冷却结晶析出茶皂素产品，其得率可达到13.87 %，这种工艺可用油脂提取的常规设备逆流提取茶皂素，实现工业化的连续操作。刘北平等[15]以无水乙醇为溶剂，利用响应面法优化醇法提取茶皂素工艺，表明最佳工艺条件为：提取温度77.0℃，提取时间1.5 h，液固比5∶1（mL/g），此条件下茶皂素得率为15.99 %。

2.1.3水-醇提取法

水-甲醇提取法：刘尧刚等[16]以甲醇为浸提剂提取油茶饼粕中的茶皂素，研究得出最佳浸提条件为：甲醇浓度70 %，浸提液固比7∶1（mL/g），浸泡时间2 h，浸提pH 10.5，浸提温度55℃，在此条件下茶皂素的浸提得率为14.45 %。

水-乙醇提取法：以水和乙醇为浸提剂提取油茶饼粕中茶皂素的研究很多，见表2。

水-丙醇提取法：于辉等采用正丙醇提取油茶饼[30]粕中的茶皂素，确定最佳工艺为：脱脂油茶饼粕60目、80 %正丙醇、液料比12∶1（mL/g）、温度80℃、时间3 h，此条件下茶皂素得率20.13 %，纯度62.78 %，所得茶皂素产品的得率及纯度均优于常规乙醇浸提法。

表2　以水和乙醇为浸提剂的油茶饼粕茶皂素提取工艺对比Table 2 Comparison of ethanol-water extraction methods of tea saponin from Oil-tea-cake

水-丁醇提取法：李祥等[31]研究了水饱和正丁醇对油茶饼粕茶皂素的转萃效果的影响，结果表明，当水饱和正丁醇用量为35 mL、pH为4、粗品质量分数为20 %，萃取次数为3时，可得到纯度为97 %，回收率为54.25 %的乳白色茶皂素。

2.1.4有机溶剂法

丙酮-水提取法：唐玲等[32]采用丙酮-水法提取油茶饼粕中总皂苷，得出最佳工艺：9倍量60 %丙酮-水在70℃下提取2次，3 h/次，总皂苷收率和含量分别为12.80 %和55.37 %，表明丙酮-水提取法可用于油茶饼粕中总皂苷的提取，溶剂与物料比对总皂苷的提取有显著影响。

丙酮-乙醇提取法：周盛敏等[33]以丙酮-乙醇混合溶剂（95 %乙醇-丙酮配比为4∶1）提取油茶饼粕中的茶皂素，得到优化的提取工艺为液料比4∶1（mL/g），浸提时间3.5 h，温度70℃，此条件下茶皂素产率可达33.3 %。

2.2生物提取法

2.2.1酶法

张云丰等[34]研究了用生物酶法提取油茶饼粕中茶皂素的工艺，以水为浸提液，确定最佳提取工艺为：浸提温度50℃、时间1 h、脂肪酶量0.31 %、纤维素酶量0.32 %、蛋白酶量0.36 %，此条件下茶皂素得率为86.86 %±0.92 %。酶法提取茶皂素主要优点是简单、高效、提取条件温和，相比化学法提取茶皂素能耗较低，对于规模化的工业提取是可行的。该法不足之处是提取液中含有可溶性蛋白、糖类等杂质较多，为后期进一步纯化带来一定影响。

2.2.2发酵法

发酵法是根据油茶饼粕含有丰富的糖类物质（碳源）和蛋白质（氮源）的特点，在油茶饼粕中接入酒精酵母进行发酵，产生的一定量的酒精可促进油茶饼粕中茶皂素的溶出，再进行固液分离，即可得到茶皂素。王文杰等[35]采用二次发酵法（先在玉米粉中接入酵母进行发酵，再在玉米醪液中加入油茶饼粕进行第二次发酵）提取茶皂素，结果表明茶皂素的提取率达80 %左右，且粗提茶皂素纯度高，可达到62.37 %。利用此法能耗较低，且初提液浓度非常高，与常规水提法相比，高出5倍以上，而且纯度高。此法缺点是工艺流程比较复杂繁琐。

2.3物理辅助提取法

2.3.1超声波辅助提取法

超声波是指频率为20 kHz～50 MHz的机械波，其作用于油茶饼粕和萃取溶剂时，会产生乳化、扩散、击碎等许多次级效应，使油茶饼粕更加分散于萃取溶剂中，促进了茶皂素的溶出，进而提高了茶皂素的提取速度及提取率。超声波萃取工艺流程为：油茶饼粕→粉碎→加入溶剂浸提→超声波辅助提取→固液分离→浓缩→干燥→粉碎→茶皂素粗品。现将超声波辅助提取茶皂素的相关研究结果汇总如下，见表3。

超声技术具有提取速率高、杂质含量少、能耗低和有效成分破坏少的特点，并可免去高温对活性成分的影响[41]。但超声波的强大作用力使得大量杂质溶出，从而影响了产品纯度及后处理，另外超声波的使用会使人的身体出现不适反应，这也影响了其在工业中的应用。

表3　超声波辅助提取油茶饼粕中茶皂素的工艺对比Table 3 Comparison of ultrasonic-assisted extraction methods of tea saponin from Oil-tea-cake

2.3.2微波/光波辅助提取法

微波辅助提取又称微波萃取，是一种微波和传统溶剂提取法相结合的方法，其流程为：油茶饼粕→粉碎→加入溶剂→微波辅助提取→固液分离→浓缩→干燥→粉碎→茶皂素粗品。其操作包括以下几个关键步骤：将油茶饼粕粉碎，使之能更充分地吸收微波能；将微波与适宜的溶剂（如水或乙醇等）混合，置于微波设备中，接受辐照；固液分离除去残渣。现将微波/光波辅助提取茶皂素的相关研究结果汇总如下，见表4。

表4　微波/光波辅助提取油茶饼粕中茶皂素的工艺对比Table 4 Comparison of microwave-assisted or light-assisted extraction methods of tea saponin from Oil-tea-cake

微波穿透力强，可以在反应物内外同时均匀、迅速地加热，故具有简便、快速的优点。但微波对人体会产生一定辐射且能耗较高，故这项技术并为完全进入工业化阶段[8]。

2.3.3超声波-微波协同辅助提取法

张宁等[45]采用超声波-微波协同辅助萃取脱脂油茶饼粕中的茶皂素，确定萃取工艺为：50 %乙醇、液料比10∶1（mL/g）、微波功率600 W、超声波功率50 W、萃取时间150 s、萃取次数2次。在此条件下，茶皂素得率为17.43 %±0.13 %，纯度为67.12 %。超声波-微波协同作用可较有效提高茶皂素的提取速度和得率，但也同样存在超声波或微波萃取中存在的问题。

2.3.4闪式提取法

闪式提取法是指将植物原料置于闪式提取器中，再加入溶剂，启动设备，通过设备产生的高速机械剪切力将物料破碎至细微颗粒，同时溶剂迅速渗透进物料组织内，使物料中的有效成分迅速溶出，最后通过过滤达到提取之目的。与一般的浸提方法相比，闪式提取法快速、高效、便捷，目前已在多种植物有效成分的提取中得到广泛应用。朱兴一等[46]研究得出闪式提取油茶饼粕中茶皂素的较佳工艺条件为：78 %乙醇、提取时间40 s、液料比20∶1（mL/g），此条件下茶皂素得率为21.09 %±0.26 %。与传统乙醇热回流提取方法相比，闪式提取法的提取时间由6 h缩短为40 s，提取温度由70℃降到20℃～25℃，是一种较理想的茶皂素提取方法。

2.3.5超临界萃取法

超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，它是一种十分理想的萃取剂。超临界CO2萃取技术以液态CO2为溶剂，其萃取流程为：放空CO2←冷却水→CO2→低温浴槽→高压泵→预热器→萃取器→分离器→产品，其提取率与提取温度、压力、CO2消耗量等因素有关。吕晓玲等[47]研究得出CO2超临界流体萃取油茶皂甙的最佳条件为：压力25 MPa、温度50℃、65%乙醇为夹带剂，CO2流量25 L/h～30 L/h，萃取时间3 h，此条件下油茶皂苷的收率为15.23 %，纯度78.65 %。与乙醇浸提法相比较，超临界萃取皂甙的纯度比乙醇浸提法高54 %，且工艺较简单，产品不含有害物质、无污染。但由于超临界提取设备价格昂贵，生产成本高，目前仍不能进行规模化生产。

3　茶皂素粗品的纯化

3.1化学纯化法（沉淀法）

此法是将被分离物溶于某种溶剂（称为“溶解试剂”）中，再加入另外一种溶剂或试剂（称为“沉淀试剂”），使某种或某些成分析出沉淀，而其他成分保留在溶液中经过滤后达到分离的一种方法。可以使杂质沉淀析出，也可使欲得成分（如茶皂素）沉淀析出。使杂质沉淀的试剂主要有壳聚糖、乙醇、硫酸铝钾、聚三氯化铁等，使茶皂素沉淀的试剂主要有乙醚、丙酮、胆甾醇、氧化钙、铝盐等。沉淀法所得茶皂素纯度较高，但产率较低，应用于工业化生产有一定难度。现将沉淀法提取茶皂素的相关研究结果汇总如下，见表5。

表5　沉淀法纯化茶皂素的工艺对比Table 5 Comparison of precipitation purification methods of tea saponin from Oil-tea-cake

该法是利用茶皂素溶于乙醇、丁醇而不溶于冷水的性质，先将茶皂素粗品溶于热水中，冷却后加入醇进行萃取，然后将萃取液减压蒸馏回收醇液，最后将浓缩的茶皂素溶液放入真空恒温箱干燥即可。陈秋平等[52]进行了正丁醇和丙酮纯化粗茶皂素的对比试验，结果表明正丁醇纯化茶皂素的产率和纯化度远高于丙酮，且从价格和安全性来看，正丁醇也比丙酮有优势。曾韬等[53]用“一水二醇”法提取和纯化茶皂素，即先用95 %乙醇浸提再用正丁醇萃取，制得的茶皂素粗品色泽好，纯度达85 %以上。张团结等[54]采用丙醇/硫酸铵双水相体系对粗茶皂素进行分离提纯，在硫酸铵质量分数为20 %，丙醇质量分数为23 %，温度为40℃，pH为7时，茶皂素萃取率可达到89.32 %，茶皂素质量分数可达到78.12 %。醇萃法具有投资少，工艺简单，茶皂素纯度和收率均较高的优点，适合进行工业化生产，值得推广。

3.2生物纯化法

3.2.1发酵法

金月庆等[55]以脱脂油茶饼粕为原料，按照“油茶饼粕→粉碎→热水浸提→过滤→加入酶a、酶b及酵母菌发酵→过滤→浓缩→干燥→茶皂素产品”工艺制备茶皂素，得出较佳的工艺参数为：酶a添加量为0.30 %，酶b添加量为0.35 %，酵母液与待发酵液体积比为1∶10，同时，研究表明水提发酵法较常规水提法所得产品纯度有很大的提高，较乙醇溶液浸提法及醇提正丁醇萃取法所得产品纯度相差不大但提取率有所提高。

3.2.2酶法

游瑞云等[56]采用淀粉酶、糖化酶、纤维素酶和蛋白酶对茶皂素进行纯化水解，结果表明，通过酶法可以提高茶皂素的纯度，当温度50℃，pH＝7，水解时间24 h的条件下，酶可使茶皂素的纯度由67.5 %提高到90 %以上。

3.3物理纯化法

3.3.1重结晶法

将茶皂素粗品溶于热乙醇中，然后过滤，重复操作3次，合并滤液后加入盐酸，放置冷却，茶皂素即可结晶析出。此法得到的茶皂素纯度较高，但得率较低，不适用于工业生产。刘传芳等[57]分别采用重结晶法和大孔树脂分离法提纯茶皂素，结果表明大孔树脂分离法所得茶皂素产品纯度和得率均高于重结晶法，并且大孔树脂分离法工艺简单，试剂用量少，纯化成本低，更适于高纯茶皂素的工业化生产。

3.3.2吸附分离法

吸附分离法是指利用吸附剂对活性物质和杂质间吸附能力的差异，将样品中的生物活性物质或杂质吸附于适当的吸附剂上，使目的物和其它物质分离，以达到浓缩和提纯目的的方法。常用吸附剂有活性炭、硅藻土、氧化镁吸附剂、吸附树脂、凝胶吸附剂等。

3.3.2.1活性炭吸附法

涂云飞等[58]用活性碳柱纯化茶皂素粗品，结果表明水洗之后再用90 %乙醇洗脱效果较好，总皂甙解吸得率为62.9 %，总洗脱率为92.4 %，纯度为50.1 %以上。活性炭具有化学性质稳定，可再生及环境友好等优点，因此可用作工业化中纯化茶皂素的载体。

3.3.2.2吸附树脂分离法

合成树脂在工业生产中被广泛应用于液体中杂质的分离和纯化，种类主要有离子交换树脂、吸附树脂及一些专用树脂。其中离子交换树脂运用离子交换的原理来分离纯化物质，而吸附树脂（目前最常用的为大孔吸附树脂）则运用吸附的原理来分离纯化物质。目前应用大孔吸附树脂分离纯化茶皂素粗品的报道逐年增多，如表6所示。大孔树脂分离法制备茶皂素纯度高，回收率大，操作简单，成本低廉，连续化程度较高，但目前该技术的产业化还不成熟，还需进一步完善。

表6　大孔树脂纯化茶皂素的工艺对比Table 6 Comparison of macroporous resin purification methods of tea saponin from Oil-tea-cake

3.3.2.3凝胶色谱法

凝胶色谱法是利用分子筛的原理来分离分子量不同的化合物，在用不同浓度的甲醇、乙醇或水等溶剂洗脱时，各成分按分子量递减顺序依次被洗脱下来。即分子量大的皂苷先被洗脱下来，分子量小的皂苷后被洗脱下来。姜伟等[69]用Sephadex LH20对油茶饼粕的乙醇提取物进行进一步纯化后，油茶皂苷的纯度可达到95.58 %。凝胶色谱法使用设备简单、操作方便，不需要有机溶剂，对高分子物质有很高的分离效果，但其价格昂贵，不适合工业化生产。

3.3.2.4硅胶吸附分离法

硅胶吸附分离法即硅胶柱层析法，是根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离，一般情况下极性较大的物质（如茶皂素）易被硅胶吸附，极性较弱的物质（如蛋白质、脂肪等杂质）不易被硅胶吸附，整个分离过程即是吸附、解吸、再吸附、再解吸过程。硅胶分离法采用干法上柱，干法上样。用饱和正丁醇洗脱，收集皂素部分，至洗脱液在薄层上无皂素点出现，减压浓缩，干燥得纯化茶皂素。硅胶干法装柱既可节约溶剂，又省时，产品质量较好，但因装柱不均易产生短路，导致提纯效果不佳，故不适合工业化生产。

3.3.3离子交换分离法

离子交换分离法是利用交换剂（最常用的是离子交换树脂）与溶液中的离子发生交换进行分离的方法，是一种固液分离方法。将茶皂素粗品溶于水中，先后用阳离子交换树脂（如磺酸型阳离子交换树脂）和阴离子交换树脂（如季铵盐型阴离子交换树脂）进行处理，即可去除茶皂素粗品中的可溶性盐类杂质。离子交换分离法纯化茶皂素效果较好，但处理量不大，且需与其他方法配合使用。

3.3.4膜分离法

膜分离法是指含不同组分的原液在通过半透膜时，膜表面密布的微孔只允许水及小分子物质（如糖类、盐类、色素等小分子杂质）通过，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质（茶皂素）则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，从而实现对原液进行分离、浓缩的一种方法。半透膜又称分离膜或滤膜，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等。

曹万新等[70]采用超滤膜法对茶皂素粗品进行提纯，其产品纯度可达80 %左右。赵敬娟等[71]以0.05 μm孔径的陶瓷膜、0.15Mpa的操作压力和1 %的料液浓度纯化茶皂素，产品纯度由50 %提高到81 %，得率为66.4 %。杜志欣等[72]采用0.3 μm的微滤膜和5 000 Da的超滤膜对茶皂素进行提纯，超滤压力为0.16 MPa，时间为110 min，得到纯度为85.67 %的茶皂素。刘锐等[73]先后用孔径为300 nm的微滤膜和截留分子量为500 Da的纳滤膜纯化水酶法提取茶油后水相中的茶皂素，最后制得纯度为91.09 %的茶皂素。顾春雷等[74]的研究表明采用0.5 μm的陶瓷膜预处理加PW超滤膜浓缩提纯的工艺适宜用于茶皂素的提纯浓缩，最终浓缩液浓度为46 %，浓缩液茶皂素纯度为93 %，茶皂素最终得率为72 %。

4　结语

我国油茶种植面积广，油茶饼粕和茶皂素资源丰富。根据《全国油茶产业发展规划（2009-2020年）》，到2020年，我国油茶种植规模将扩大至467万公顷，茶油副产品-油茶饼粕将迅速增加，而油茶饼粕中茶皂素含量高达12.8 %～13.8 %，因此茶皂素资源将十分可观。若能从油茶饼粕中科学提取和纯化茶皂素，并实现产业化，则将使油茶饼粕变废为宝，并带来显著的社会效益和经济效益。

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Study on Extraction and Purification of Tea Saponin

DENG Gui-lan
（Guangdong Industry Technical College，Guangzhou 510300，Guangdong，China）

Abstract：Tea Saponin is a pure surfactants which is mainly existed in tea seeds. Tea Saponin has many excellent surface activities，such as emulsification，decentralization etc.It also have many biological activities，such as bacteriostasic activity，anti - inflammatory effect and so on. It is widely used in chemical industry，pesticide，feedstuff，medicine and other important fields.The article has introduced the extraction methods from Oil-teacake and the purification methods from crude product of tea saponin.The purpose of the article was to give some construtive references for comprehensive utilization of Oil-tea-cake.

Key words：tea saponin；Oil-tea-cake；extraction；purification

收稿日期：2015-10-14

作者简介：邓桂兰（1978—），女（汉），讲师，硕士研究生，研究方向：营养保健与食品卫生。

基金项目：广东省省级科技计划项目（2013B020312002）

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.08.047