茶皂素提取技术 及生物活性研究进展

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(江西省蚕桑茶叶研究所,江西南昌 330043)

茶皂素又名茶皂甙、茶皂苷,是一类齐墩果烷型五环三萜类皂甙混合物,广泛存在于山茶科、山茶属植物的根、茎、叶、花、果,籽之中,尤其以茶籽中含量最多。油茶为世界四大木本油料植物之一,我国具有悠久的栽培历史。我国是世界山茶属植物栽培面积最大,品种最多,产量最高的国家,主要分布在长江流域,尤其是在江南地区,有大批量的种植。进年来,一些学者对茶皂素的化学结构和药理研究发现,茶皂素是一种性能优良的天然非离子表面活性剂,具有较强的发泡、乳化、分散等作用,并具有抗渗、消炎、镇痛、抗癌等药理活性,还可制造各种类型的乳化剂、洗涤剂、防腐剂、杀虫剂、杀菌剂等,广泛应用于医药、日化、建材、农业等领域[1-4]。当前,茶皂素的主要提取方法有水提法,有机溶剂提取法以及辅助提取法等,总产品的得率在20%左右,相对较低[2],如何从茶籽饼中高效地提取茶皂素的问题也备受关注。本文对茶皂素的提取技术以及生物活性进行综述,以期为茶皂素功能开发和茶籽饼附加值的提高提供基础。

1 茶皂素的理化特性

茶皂素是从山茶科、山茶属植物中提取的纯天然产品,属于三萜类皂素。茶皂素分子中由亲水性的糖体和疏水性的配位基及有机酸构成,分子式为C57H90O26,分子量为1191.28。目前已从茶籽中分离鉴定出7种苷配基,这七种茶苷配基的区别在于A环上C-23、C-24及E环C-21的连接基团不同,茶叶中分离鉴定出4种皂苷配基[5-7]。糖体部分主要有阿拉伯糖、木糖、半乳糖以及葡萄糖醛酸等,其与配基环上的羟基以甙键形式相结合。有机酸包括当归酸、惕各酸、醋酸和肉桂酸等,有机酸与配基上的C-12,C-21位上的羟基结合成脂。茶皂素的亲水基团由强电负性的含氧基团组成,这些含氧团集中在茶皂素的糖类配体间、有机酸配体及皂甙连接部位,而亲油基团是由非极性的碳氢环链构成[2]。茶皂素水溶液为茶褐色,pH为5.0～6.5,表面张力为47～59 N/m,熔点223～224 ℃[4]。茶皂素具有皂苷的通性,味苦、辛辣,吸湿性强,对甲基红显酸性,难溶于无水甲醇、无水乙醇、冷水,不溶于石油、氯仿、丙酮、苯、乙醚等有机溶剂,易溶于热水、含水甲醇、含水乙醇以及冰醋酸、醋酐、吡啶等。茶皂素溶液中加入盐酸时,皂甙就沉淀,水溶液中的茶皂素能被醋酸铅、盐基性醋酸铅和氢氧化钡所沉淀,而不能被氯化钡和氯化铁所沉淀,茶皂素能与香草醛-浓硫酸反应且在452 nm处有最大吸收峰,可以以此为依据,定量分析茶皂素[8]。另外,茶皂素是一种性能优良的天然表面活性剂,因而具有良好的乳化、分散、润湿、发泡、稳泡、去污等表面活性。

2 茶皂素的提取技术

茶皂素是茶籽中的重要生物活性成分,其主要是从茶籽饼中提取的副产物。当前,茶皂素的主要提取方法有水提法、有机溶剂提取法、辅助提取法等。

2.1 水提法

水提法的主要依据是茶皂素易溶于热水,MA L等[9]通过单因素试验研究热水提取茶籽饼的茶皂素最佳工艺条件,结果表明,在固液比为1∶20 (g∶mL),浸提温度80 ℃、浸提时间6 h、pH为9时,茶皂素的提取率达到95.50%;侯如燕等[10]采用三次浸提二次洗涤的方法提取油茶饼中的茶皂素,提取率为72.93%,纯度45.53%,得率为18.92%。此方法成本低、易于操作、基本无安全隐患,但是耗时且提取液不易安全存放,还夹带有大量杂质,为工业化生产带来诸多不便。

2.2 有机溶剂提取法

有机溶剂提取法采用的主要溶剂有甲醇、乙醇、正丙醇等。刘尧刚等[11]报道甲醇提取茶皂素最优工艺:甲醇浓度70%、液固比7∶1 mL/g、浸提时间2 h、pH为10.5、浸提温度55 ℃,茶皂素的浸提得率为 14.45%。Gong等[12]通过响应面优化法用乙醇水溶液提取茶籽饼中茶皂素,得出最优提取工艺:液固比14.57∶1 mL/g,提取温度40.04 ℃,提取时间4.97 h,乙醇浓度64.11%,同时得出产量的最佳回归方程;Hu等[13]采用相同的优化方法用乙醇提取山茶花的茶皂素,得出的最优条件为液固比8.6∶1 mL/g,提取温度82.2 ℃,提取时间3.3 h。利用这两种溶剂提取茶皂素最大的问题是甲醇有毒、乙醇易挥发,虽然乙醇的产率较高,但存在成本过大的问题,不适合工业化大生产。于辉等[14]采用正丙醇提取茶籽饼的茶皂素,采用正交试验得出最佳工艺条件:茶仔饼60目、料液比1∶12 (g/mL)、正丙醇体积分数80%、温度为80 ℃、时间为3 h,此条件下,茶皂素得率20.13%,纯度到达62.78%。有学者将有机溶剂特异结合,来提取茶皂素,如:以混合茶皂素为模板合成分子印迹聚合物和丙烯酰胺-β-环糊精作为特异性结合的共官能团单体,用于提取茶树花中的茶皂素[15]。相对而言,采用有机溶剂提取的粗提产品的纯度、得率、以及色泽均优于水提法,但是有机溶剂的提取设备要求更精密、生产成本高。

2.3 辅助提取法

辅助提取法指,采用一定的手段来提高产品的质量、得率、纯度以及色泽等。目前,主要的辅助法有:微波、微波/光波、超声波、酶、离子添加剂、超临界CO2、闪式提取器等。

微波辅助提取原理是通过增加被萃取的物质细胞内部的温度和压力,从而使其细胞壁破裂,有效成分被提取溶剂溶解[16]。He J等[17]利用微波辅助提取法(MAE)从茶籽饼中提取茶皂素,得出影响萃取效率的因素,包括微波功率、照射时间、温度、溶剂与材料的比例和乙醇水溶液的体积分数,通过系统正交试验,得出的最佳提取工艺为固液比1∶13 (g∶mL)、65%乙醇水溶液、提取温度为50 ℃、微波功率500 W、持续照射7 min,提取率可达14.3%,很大程度上缩短提取时间。彭游[18]采用微波(55%、440 W)+光波(45%、360 W)辅助正丁醇提取茶皂素,在25 g油茶饼粉、1 mL DMF、30 mL正丁醇的条件下,茶皂素的提取率8.8%、纯度81.2%。Luo等[19]采用超声波辅助乙醇和硫酸铵两相萃取波斯菊中的茶皂素,在最优工艺条件下,只需30 min,产量可达33.4 g/kg。微波辅助萃取可以有效的缩短提取时间,提高提取率,但存在生产成本高,辐射性较大的弊端,在工业化大生产应用此法时,需要解决如何扩大微波设备和防辐射问题。

酶辅助法[20]、离子添加剂辅助法[21]均是在茶皂素的提取过程中添加外援物质,来促进茶皂素的溶解,以达到提高提取率的目的;超临界流体萃取是一种环境友好型的化工分离技术,是天然产物萃取领域的关键技术之一,伊文峰等[22]利用超临界CO2萃取茶皂素得出最优工艺条件为萃取温度55 ℃、压力30 MPa、夹带剂75%乙醇水溶液、夹带剂流速 1.5 mL/min时,萃取时间 1.5 h,提取率和纯度分别为 15.9%和62.5%,此提取方法具有萃取和精馏的双重特性,且不会引起被萃取物的污染,缺点是设备和操作均是在高压下进行的,生产成本较高;闪式提取法是以组织破碎原理为基础,促进有效物的暴露和溶解[23-24],闪式提取具有高效、充分、快速的特点,且无需加热,可以节省能源,保护萃取物的热敏感性,使用安全可靠,但每次作业量较小,不利于工业化大生产。

3 茶皂素的生物活性功能

3.1 溶血和鱼毒作用

茶皂素的毒性主要是指皂甙类溶血作用,其对动物的红细胞有破坏作用,此外,茶皂素对鱼类的毒性也很大,这一现象还被称为鱼毒作用。朱全芬等[25]用茶皂素处理不同生物的血液,并在显微镜下观察其溶血效果,结果表明,茶皂素只对血液中的红细胞有溶血效果,而在白细胞和虾细胞中没有发现这一效果;它的鱼毒作用原理主要是是通过破坏鱼鳃的上皮细胞,继而进入鳃血管和心脏后作用于红细胞,从而造成鱼毒效应,茶皂素的溶血速率是呈“S”型趋势变化的,溶血指数为100000;其次,茶皂素的毒性强度与其糖链的长度也密切相关,通常情况下,糖链越长、毒性越大。陈剑锋等[26]研究表明,茶皂素的鱼毒制剂对长江流域的淡水鱼有较强的毒性,并且实验结果呈现良好的药效关系。因此,茶皂素可以作为鱼塘清洁剂,清除池塘中有害的鱼类,达到“清鱼护虾”的目的。

3.2 抗菌功能

茶皂素有较强的抗菌活性,主要在防治某些皮肤疾病的应用中得到体现。文莉等[27]把不同浓度的茶皂素分别涂抹到背部脱毛破损和背部健康家兔上,观察抑菌效果,结果表明,茶皂素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、酵母菌、枯草芽孢杆菌有较明显的抑制作用,对白色念珠菌有一定的抑制作用,而对绿脓杆菌无抑制作用。Jiang等[28]利用茶多酚和茶皂素同时和分别处理匍枝根霉,发现它们可以抑制该霉菌丝的生长,茶多酚和茶皂素最佳除菌比例是7∶3;被处理过的菌丝在生长过程中产生过氧化氢,导致菌丝的膜脂质透性增加,K+、可溶性蛋白、可溶性糖流失,从而使得菌丝的生长受到抑制;Chen等[29]研究也表明茶皂素与茶多酚在抑制菌丝生长方面有协同效应。黄继光等[30]通过抑制菌丝生长的方法检测茶皂素对稻瘟病菌、水稻纹枯病菌、番茄小核病菌、柑橘青霉病菌、黄瓜炭疽病菌等12种植物病原菌的抑制活性,结果表明,茶皂素对植物病原菌的室内活性差异较大,对稻瘟病菌、柑橘青霉病菌、番茄小核病菌、荔枝霜疫霉、玉米小斑病菌5种病原菌菌丝生长有明显的抑制作用,其含量不同抑菌效果存在一定的差异。因此,有效的利用茶皂素的这种生物活性,来降低病菌对农作物的危害,譬如可以通过茶园的修剪叶的特殊处理,作用于有病菌感染的农田,实现绿色除菌的目的。

3.3 抗氧化功能

自由基带有较强的氧化性,容易抢夺人体细胞的电子使机体活细胞受损,从而导致慢性病的产生以及生理衰老[4],而茶皂素具有较强的生物抗氧化的功能[31],可以清除人体内的自由基。刘容等[32]采用体外抗氧化实验研究茶皂素的抗氧化功能,结果表明,茶皂素供应的电子既可以将 Fe3+还原为 Fe2+,也可以与自由基反应从而使自由基成为稳定的物质,其清除自由基的能力与质量浓度具有一定的相关性,并且其还原能力强于抗坏血酸;黄起壬等[33]利用茶皂素处理被皮下注射异丙肾上腺素(ISO)而诱发心肌损伤大鼠,结果发现,茶皂素可以明显对抗ISO所造成的大鼠心肌损伤,减少心率失常的发生几率;吕晓玲等[34]通过检测发现,茶皂素可以较好的抑制亚铁离子引发的卵磷脂脂质过氧化,除此之外,其还有清除羟基自由基、超氧阴离子自由基等生物活性功能;Chi等[35]用茶皂苷饲喂由环磷酰胺引起氧化应激的鸡,检测其影响,结果发现,茶皂素显著(p<0.05)增加总抗氧化物的能力,而使丙二醛和蛋白质羰基这些有害物质的含量降低,同时它还可以增加免疫反应能力。茶皂素是较好的抗氧化天然产物,因此可用以研发出适合人类健康需求茶皂素产品,来迎合不同消费者的需求。

3.4 降血压功能

目前,关于茶皂素对高血压产生影响的报道相对较少。Sagesakamitane等[36]给患有自发性高血压的小鼠(SHR)饲喂茶皂素,15周的SHR按照100 mg/kg的剂量口服5 d后,其血压比对照组低29.2 mmHg,单剂量茶皂素50 mg/kg和3 mg/kg剂量的马来酸依那普利的效力相当,此外,在体外实验结果表明,茶皂素可以通过抑制血管紧张素的方式降低小鼠血压;Yang等[37]给患有自发性高血压的雄性大鼠分别强制口服相同体积的高剂量茶皂素(1600 mg/kg,一日一次)、低剂量茶皂素(400 mg/kg,一日一次)、卡托普利(150 mg/kg,一日一次),并以正常血压的雄性大鼠作为对照,同时饲喂其相同体积的去离子水,8周后,检测其收缩压的结果表明,高剂量的茶皂素可以显著(p<0.05)降低血压,低剂量茶皂素和卡托普利的降压效果相当;Song等[38]从苦丁茶中提取茶皂素,并用其处理人工诱导的高血脂小鼠,结果发现,小鼠血清的低密度蛋白、高密度蛋白、动脉粥硬化指数均显著性降低,同时,茶皂素还可以增加肝脏清道夫受体表达SR-AI,SR-BI,and CD36水平,这也说明茶皂素还具有保护肝脏的功能[39]。由此可见,茶皂素主要是通过抑制血管紧缩素和减少生物体内低密度蛋白合成来降低血压和预防血脂升高造成动脉粥硬化;茶皂素这些功能的发现为今后高血压、高血脂的预防和临床治疗提供新的途径,对人类的健康有着深远的影响。

3.5 杀虫、驱虫功能

茶皂素是一种天然的表面活性剂,并且具有植物杀虫的作用,如果和某些杀虫剂同时使用,还具有协同、增和的效应[40-41]。何晓玲等[42]研究表明茶皂素对地下田间害虫如蚯蚓、小菜蛾等有较好的防治作用,其防治效果主要表现在,小菜蛾会拒食涂抹有茶皂素的甘蓝叶片,并且茶皂素会抑制小菜蛾幼虫的生长发育,王小艺等[43]关于茶皂素驱虫研究也得出相似的结论,Potter D等[44-45]用茶皂素直接灌溉草坪,发现可以迅速驱除蚯蚓,这一发现很好的体现出茶皂素的驱虫作用。Cai等[46]报道,被饲喂茶皂素的小菜蛾幼虫生长速率减慢、蛹生产量减少、蛹重降低、化蛹率降低、成虫羽化率降低、生殖力下降,但幼虫期和蛹期延长。Rizwan等[47]报道茶皂素与绿僵菌毒素、Bt(苏云金芽孢杆菌)在防御甜菜夜蛾方面有较好的协同效应。郝卫宁等[48-50]国内众多学者均有报道茶皂素的驱虫、与杀虫剂的协同效应等生物活性功能。茶皂素的杀虫、驱虫的作用可以病虫害的防治工作提供新的方式,尤其是在有机田园建设方面具有重大意义。

3.6 清洁、洗涤功能

茶皂素的亲水亲油性赋予其的表面活性剂的功能,且起泡性较好[51],因此它也可以作为洗涤剂而被开发应用,尤其是对丝、毛等衣物的洗涤效果良好,去污力强且不会损伤衣物,易降解环保的优势[52],此外,它还可以作为土壤清洗剂,消减土壤中的重金属[53]。Baek等[54]用茶皂素、SDS等五种具有去污能力的表面活性剂处理纤维织物,结果发现,茶皂素和SDS一样的去垢能力。Chen等[55-56]研究表明茶皂素可以清洁电子垃圾所释放出的有机污染物和重金属,Gusiatin等[57]研究也表明皂甙类物质可以作为土壤淋洗剂,清除土壤中的重金属,洗涤效果与皂甙物质的使用量和土壤的类型密切相关,Sun等[58]研究硝酸钾和茶皂素在厌氧条件下对消除水稻田中的多环芳烃的影响,结果表明适当浓度的土壤中的KNO3和茶皂素可以增强土壤微生物的特性,恢复部分微生物的生物功能,消减多环芳香烃,达到修复土壤的效果。茶皂素的“清洁、洗涤”功效除了可以作为化工原料的分散剂、清洁剂,还可以应用到土壤中,作为土壤的净化剂,清除其重金属,为作物的健康生长和土壤的良性循环提供基础。

3.7 其他功能

此外,茶皂素还有抑制酒精吸收和保护肠胃、生物激素样[46]、杀灭流感病毒[59]、化痰止咳、助燃[60]、刺激肾上腺皮质机能、调节血糖水平和抗癌[61-62]等生物活性功能。茶皂素的类生物激素作用对动植物都有促进作用,一方面,它可以作为生长调节剂调控植物的生长;另一方面,茶皂素可以通过刺激虾体内的激素分泌,从而间接的刺激虾的生长[3]。Morikawa等[63]研究表明,茶皂素对老鼠的胃粘膜病变有抑制作用,每公斤体重为5.0 mg/kg,而且它的活性比奥美拉唑更有效;Tsukamoto等[64]按一定的时间先后顺序给小鼠口服茶皂素和酒精,检测小鼠的血液、肝脏和胃部的乙醇、乙醛和丙酮的含量,结果显示,茶皂素可以降低血液和肝脏中的乙醇含量,而胃里的酒精增加了5倍,这表明茶皂素可以抑制酒精的吸收,缩短其从血液消失的时间;乙酸酯和丙酮的含量未受影响;而乙醛浓度在血液、肝脏和胃中的含量都有所降低,表明茶皂素对肝脏有保护作用。茶皂素是一类较好的天然活性物质,无论是在人类健康方面、还是促进农作物健康生长以及化工应用方面,均有积极的影响。

4 结语与展望

茶皂素是一种重要的天然功能性产物,其可以被应用在化工、日化、食品、医药、建材和农业等领域。当前,茶皂素的主要提取方法有水提法、有机溶剂提取法、辅助提取法(微波、微波/光波、超声波、酶、离子添加剂、超临界CO2、闪式提取器等辅助萃取)等,但这些技术不能一次性实现工艺简单、提取率高、用时短、成本低、危害小、经济环保的技术要求,因此还需要科研工作者进一步研制出适合可持续发展的新工艺、新技术。我国有丰富的茶籽资源,主要被用来榨油,其产物茶籽饼被焚烧处理,导致资源的严重浪费,环境污染,因此茶籽饼(茶籽被榨油后的产物)的有效利用问题需亟待解决。

目前,茶皂素的消炎、抑菌、抗癌、降血压和血脂、保护肠胃等生物活性研究还停滞在小鼠实验阶段而没有实施到临床治疗阶段,具体的抗病机理尚不清楚,这可作为今后的研究目标,主要是加强基础性理论研究,为临床药物的开发和应用提供科学理论支撑,为人类疾病的预防和治疗带来福音;以茶皂素的功能性为视角,研发出与茶皂素相关的功能性食品和日用品,这也符合健康的时代主题和市场的需求,同时也可以促进茶籽饼的有效利用,提高其经济效益、减轻环境负担;茶皂素具有驱虫、激素样和淋洗土壤重金属的作用,基于此点,可以将其作为农田的净化剂和土壤绿肥,实现改善土壤环境、提高农作物品质的目的,同时还可以为土壤提供矿物元素营养、减少生物化学肥料喷施。