茶皂素分离纯化及其在医药食品领域中的研究进展

刘渝港 丁泽敏 夏会平 郭时印,2 曾朝喜,2

(湖南农业大学食品科学技术学院1，长沙 410128) (湖南省菜籽油营养健康与深度开发工程技术研究中心2，长沙 410128)

茶皂素又称茶皂苷，是从茶籽或茶叶籽中分离获得的一种糖苷类化合物，同时也是一种性能良好的天然表面活性剂和小分子生物活性物质。茶皂素拥有丰富的生物和表面活性，除了茶籽外，也可储藏在部分茶叶中，其中干茶叶籽中茶皂素的质量分数可达4%～6%[1]。因其独特的结构和特性，茶皂素已广泛地应用到日化、农业等各个领域，特别是近年来研究发现茶皂素具有一系列特殊性质，引起了医药、食品领域研究人员的极大关注，研究和发展前景日趋广阔。基于此，本文对近年来最新关于茶皂素的理化性质研究及分离纯化方法进行了综述，同时，结合其性质对茶皂素在食品和医药领域的应用进行了介绍，以便为相关领域研究人员提供参考。

1 茶皂素的结构和性质

1.1 结构

茶皂素的来源是山茶植物，它是一种结构复杂的纯天然物质。我国是农业大国，也是油茶的原产国，拥有世界上最大的油茶种植基地，种植面积高达5 500万亩，可产出80多万t的油茶籽，经压榨可获得50多万t的茶饼，而茶皂素便是茶饼中具有较高应用价值的有效成分之一[2]。有机酸、皂苷和糖体是组成茶皂素主体的3个主要部分，其中有机酸主要包括乙酸、肉桂酸、当归酸等，皂苷元包括以齐墩果烷为基本碳架的β-香树素的衍生物和几种山茶皂苷，亲水糖体主要由葡萄糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、木糖和阿拉伯糖组成[3]。茶皂素主要通过皂苷元环上不同部位的羟基与有机酸的酯基键相互作用，以及和糖体形成的苷键连接形成多糖苷组成的[4]。由于茶皂素结构的复杂性，通常在不同条件、不同植物或不同生长部位下提取的茶皂素也会有所差异，因此这为提取和研究茶皂素的结构功能等带来了诸多障碍。但同时由于疏水性的皂苷种类繁多，与亲水性的糖体共同参与茶皂素的形成，这也赋予了皂苷一些通性，如能被醋酸铅、氢氧化钡等形成沉淀，与香草醛-浓硫酸反应并在特定波长下有最大吸收等[5]。这些性质使得茶皂素检测方法可通过定量分析实验得到，而其独特的结构极大地拓宽了茶皂素的科学研究和应用领域。

1.2 性质

作为一种天然的非离子表面活性剂，茶皂素的性质与其结构密不可分，组成茶皂素分子的主要成分有：疏水性的苷元、亲水性的糖体和有机酸。由于糖体、有机酸及相应配基上羟基是亲水基团，而皂苷元的配基主体为疏水，它们之间相互作用共同构成了茶皂素的复杂结构，这赋予了茶皂素许多独特的优良性质，如抗氧化、抗渗消炎、抗肿瘤和降血脂等性质。

1.2.1 抗氧化性

茶皂素的抗氧化性主要体现在其具有的强还原能力，茶皂素含有还原性的Fe3+，其还原能力强于维生素C，可以对体内产生的自由基如O2-和OH-有明显的清除作用，同时还可以抑制外源自由基的产生[4]。在茶皂素中含有的某些三萜类皂苷可抑制脂质氧化及由过氧化物催化的芬顿反应，从而发挥其抗氧化的作用[6]。研究表明，茶皂素可有效清除体内血浆中的氧自由基，也具有显著的体外抗氧化活性，但因其作为抗氧化剂的效果比现有的抗氧化剂稍弱，因此目前医学上很少有将其作为抗氧化剂用于医药中[7]。在进一步的研究中，有研究者评价了皂苷及其水解产物的体内外抗氧化作用，发现酸水解产物和皂苷元具有较强的抗氧化活性可以消除DPPH和ABTS+自由基，表明酸水解产物和皂苷元在保护机体免受自由基损伤方面具有重要价值[8]。

1.2.2 抗肿瘤性

对于其抗肿瘤性质Li等[9]综述了油茶籽皂苷的化学成分及生物活性，总结出油茶皂素具有和夏枯草、翼叶蕨等中药材相同强度的抗诱变活性，由此可以证实茶皂素的抗肿瘤特性。有研究采用连续萃取法从脱脂油茶籽中提取了皂苷等3种主要成分，采用体外MTT法检测了其在不同浓度下对Hep G2细胞的抗肿瘤活性，结果表明皂苷具有显著的抗肿瘤活性(IC50值为26.754 μg/mL)[10]。Jia等[11]探究了茶皂素对女性卵巢癌的抑制效果，研究表明，茶皂素可通过介导细胞凋亡的外源性途径，发挥抑制人类卵巢癌细胞的作用，该实验结果进一步揭示茶皂素在未来有望被纳入一种潜在的治疗人类卵巢癌的药物。

1.2.3 抑菌

Kim等[12]采用薄层色谱法对大肠杆菌的抗菌活性进行了评价，研究发现：相比变异链球菌，皂苷组分对大肠杆菌的抑制作用更显著，对沙门氏菌也具有较强的抑制作用。鲍妮娜等[13]将油茶籽粕作为原料，经超声波辅助乙醇提取了油茶籽粕中的茶皂素，并研究其抑菌活性，实验结果显示：茶皂素对大肠杆菌的抑制效果不明显，然而对金黄色葡萄球菌具有显著的抑菌作用。通过季铵盐对茶皂素进行改性可作为增强茶皂素对大肠杆菌的抑制作用的方法，改性后的茶皂素还可以加强对枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果[14]。可见茶皂素在杀虫和抑菌方面具有一定的效果，拓展了其在农业等的应用领域。

1.2.4 降血脂

有研究表明，经过茶皂素处理后的动物血清，检测出该血清所含有的甘油、总固醇以及低密度脂蛋白胆固醇的量有所下降，与此同时，对人体有益的高密度脂蛋白胆固醇含量却明显上升，该结果可以有效地证实茶皂素确实具有调节机体血脂浓度，降低血液黏稠度等特性[15]。Ye等[16]在研究油茶籽中皂苷的降血脂作用时发现，皂素及其水解产物可有效控制小鼠的体重和肝系数，具有降低血脂且不会造成肠道损伤的作用[16]。高脂饮食的小鼠在口服适量皂苷及其水解产物后，可降低总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)和低密度脂蛋白(LDL)，同时增加高密度脂蛋白(HDL)，其降血脂作用与降低丙二醛(MDA)水平的抗氧化能力、提高过氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性有关[17]。该研究结果表明皂苷具有优良的降血脂作用，可用于降血脂药物的生产中。

2 茶皂素的分离和纯化

2.1 分离方法

茶皂素的传统分离方法有热水浸提法和有机溶剂萃取法，此外，辅助提取法、醇水浸提法、闪式提取法和生物提取法等作为近年来发展起来的新方法受到更多的关注。

2.1.1 辅助提取法

为了提高茶皂素的提纯率和纯度等，可利用其他技术来辅助提取原料中的茶皂素，如超声波、微波等[18]。这2种辅助技术都是通过使细胞壁破裂从而快速获得提取物，不仅降低成本，还可以提高茶皂素的成品率。基于此，张宁等[19]采用2种技术结合(超声-微波)共同辅助提取除了茶籽粕中的茶皂素，该实验流程耗时短，节能大，产品纯度和提取率也较高。此外，仅采用微波辅助萃取的方法来提取茶皂素时，与传统的提取方法相比，提取时间由6 h缩短到4 min，试剂耗用量减少，萃取率升高等[20]。Yu等[21]建立了一种快速简便的提取出茶叶皂苷的方法，即优化Box-Behnken设计中超声波辅助水提取的温度和超声时间，在丙酮沉淀中进行丙酮萃取液比的单变量实验研究，最终茶叶皂苷得率在76.5%左右；同时，通过Box-Behnken设计对水提取陈年茶叶中皂苷的过程进行了优化，进一步提高了茶叶皂苷的最终得率，该结果高于相同方法下从油茶籽粕中提取的皂苷量[22]。辅助提取法具有成本低、成品质量和得率高、提取时间短的优点，然而若提取时未控制好料液比，会影响茶皂素的分离效果，因为萃取溶剂的增加会使溶解的杂质也增多，进而影响茶皂素的提取。

2.1.2 醇水浸提法

将热水浸提和有机溶剂萃取相结合，在水提法中添加乙醇浸提的实验过程，在保证了有机溶剂使用量较少的前提下，还可以获得较好的产品质量，但醇水浸提依旧耗时长[23]。在水提法在基础上， Yuan等[24]以去离子水为萃取剂，采用两段沉淀法(乙醇沉淀和CaO沉淀)，分别在各阶段的最佳条件下从油茶饼中提取出了茶皂素，最终获得的皂苷质量分数为87.58%，水沉淀法操作简单，更适合于工业化的生产。醇水浸提法虽然在一定程度上节约了有机溶剂的使用成本，但仍具有操作复杂、耗费时间久的缺点。在实际应用中应该综合考虑各个生产条件和因素，权衡之下以抉择出最佳的茶皂素提取方法。

2.1.3 闪式提取法

该方法是由闪式提取器来完成实验的主要部分，即从原料中获取有效成分，与普通的有机溶剂回流提取法相比，该方法不仅简化了实验条件，如温度可从70 ℃降低至室温，提取时间也从原来的几小时缩短至几十秒，还进一步地提高了产物的获得率，为生产工艺带来了便捷，所以采用闪式提取器来获取原料中的茶皂素是一种较为理想的方法[25]。王亚等[26]采用闪式提取法，从原料中提取制备了茶皂素，该方法不仅可节约大量的时间和能源，且实验进展完全，快速高效，极大地提高了茶皂素粗品的品质。闪式提取法最突出的特点便是极大地缩短了提取时间，降低了茶皂素的提取温度，使实验条件变得更温和，但在产品得率的提高上略显不足。

2.1.4 生物提取法

生物提取法也叫酶解法，是通过生物制剂酶的作用，使物质酶解进一步分离出茶皂素的方法。喻冬秀等[27]采用酶解法，借助正交实验来获取有关茶皂素提取的工艺参数，结果显示：酶用量仅需0.6 mL，提取时间为30 min，这表明该方法用于提取茶皂素试剂消耗少，时间短。另一种生物提取法是将原料通过酒精酵母的发酵，利用发酵产生的酒精将茶皂素溶出，经分离可获得产品。该方法最显著的一个优点便是经过二次发酵提取获得的茶皂素纯度极大地提升，是水提法的5倍之多，但工艺却较为烦琐[28]。生物提取法的缺点是在实验温度的控制上要求较高，常温下提取率低，温度过高又会使酶失活，但提取时间短，酶耗用量少。

2.2 纯化方法

高纯度的茶皂素是充分利用其特殊生理生化性质的重要前提，因此，茶皂素的纯化技术一直是行业关注的重点。经分离得到的粗茶皂素需要进行纯化以除去其中含有的大量杂质，以获得高纯度的茶皂素。目前关于茶皂素的纯化方法研究较多，本文重点介绍几种最受关注的纯化方法及其研究进展。

2.2.1 层析法

层析法的主要原理是：被分离物质本身的生物、化学或物理性质各不相同，导致它们在某种基质中具有不同的移动速度，从而达到分离和提纯的目的。目前使用的层析方法主要是硅胶板层析法和反相柱层析法。在张健文等[29]的研究中采用硅胶板层析法对提取的粗茶皂素样品进行纯化分析时，获得的茶皂素纯度高，适用于作定量分析中的纯化品；将粗茶皂素样品通过反相柱层析法提纯后，获得的茶皂素样品纯度可达99.2%[30]。由此可见，层析法对于茶皂素粗品的提纯具有很好的效果，获得的产品纯度较高，但同时该方法实验操作的精确度要求高。

2.2.2 酶解法

酶解法是通过将与茶皂素相互作用的多糖分子(半乳糖、阿拉伯糖、木糖等)和蛋白质等物质，经专一性的酶水解成单糖小分子后除去，最终得到单一且纯度高的茶皂素的方法。游瑞云等[31]在考察温度、pH等因素对茶皂素纯化效果的影响时发现，在中性条件50 ℃下通过酶法水解粗品24 h后，可获得纯度为98.3%的茶皂素。同样的，在周红宇等[32]的研究中利用壳聚糖-蛋白酶联用的方法分离提纯了茶皂素，实验结果显示出茶皂素的获得率有所提升，这与添加纤维素酶有关，粗品经蛋白酶水解后，可减少壳聚糖絮凝蛋白质时造成的茶皂素损失。酶解法的优点是因酶的专一性使获得的产品纯度高，酶用量少，且对环境友好，但为了保证良好的实验效果，酶对底物的作用时间较长。

2.2.3 大孔树脂法

大孔树脂法纯化茶皂素的原理是依靠大孔树脂从溶液中有选择性地物理吸附有机物，从而实现对目标物的浓缩和分离作用[33]。该方法的主要优势在于获得的茶皂素产量高且成本低。在大孔树脂法的基础上，张云丰等[34]采用响应面法优化了洗脱条件，对粗茶皂素进行纯化，最终纯度提升到了85.36%。Yang等[35]用大孔树脂法从茶花饼中分离纯化出茶籽多糖和茶皂素，并比较了4种树脂(AB-8、NKA-9、XDA-6和D4020)对其分离纯化的效果，结果显示：AB-8大孔树脂具有最佳的分离能力，并通过AB-8树脂柱层析的动态吸附/脱附实验确定出最佳工艺参数，茶籽皂苷的纯度高达96.0%，通过大孔树脂法纯化茶皂素效率高，操作过程简单。现阶段用于纯化茶皂素的大孔树脂品种繁多，研究表明XR910X型的大孔树脂纯化茶皂素的效果最好，在对实验操作进行优化后，茶皂素的回收率达70%以上，其纯化度也大幅提升，同时茶皂素的表面活性等也有了很大的改善[36]。大孔树脂法纯化茶皂素获得的产品纯度和产量较高，实验成本低，操作简便，但在实验时应选择合适的上样浓度，保证茶皂素分子与树脂作用完全，以达到最佳平衡吸附量。

2.2.4 膜分离法

膜分离法的原理主要是根据膜上孔径大小的差异来通过或限制被分离物中的不同成分，以达到纯化样品的目的，依据膜的孔径大小将膜分为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)。顾姣等[37]采用超滤膜法从油茶籽的副产物中提取出了大量的茶皂素，考察了不同因素对茶皂素提取率和纯度的影响，实验结果显示：超滤膜法纯化后的茶皂素纯度可达84.16%，对提油后的油茶籽水相副产物实现了二次利用。除使用单种膜进行分离外，也有研究采取多种膜结合的技术，如微滤-超滤组合工艺对粗茶皂素进行纯化，可将茶皂素的纯度从70%提高到91.8%[38]。杜志欣等[39]在膜分离法的基础上，结合了絮凝处理实现了对茶皂素的提纯，将1%的壳聚糖作为絮凝剂处理3 h后可除去28.32%的杂质，最终获得的茶皂素纯度为85.67%。通过膜分离法获得的茶皂素纯度较高，且能耗低，但实验所用膜寿命有限，还需定期清理以保证使用效果。

3 茶皂素在食品医药领域中的应用

茶皂素的特殊理化性质，及其近年来逐渐被发现的各种新的生理活性，使得茶皂素应用开始被重新定位。越来越多的研究表明，茶皂素在医药食品领域中将呈现广阔的发展前景。

3.1 食品领域

茶皂素可发挥其抑菌效果用作防腐剂来有效控制食品微生物带来的腐败，以起到有效延长食品保质期的作用[40]。何荣荣等[41]研究了茶皂素对沙门氏菌的抑菌机理，并探讨了其在鸡胸肉保鲜中的应用可能性，结果表明茶皂素能有效抑制鸡胸肉中沙门氏菌的生长，因此茶皂素有望应用于肉类食品保鲜剂的开发中。通常消费者们往往更偏向于天然物质，茶皂素作为一种有效的天然表面活性剂，可替代食品和饮料中的合成表面活性剂，使得产品配方更受消费者们的青睐。有研究将皂苷作为天然表面活性剂用于代替合成的表面活性剂来形成和稳定乳液，通过考察均质压力等因素发现天然皂苷形成的乳液液滴更小[42]。此外，茶皂素还可作为发泡剂用于制造碳酸饮料或啤酒的生产中，因其稳定性可以赋予食品更加优良的品质。在饮品中添加适量改性后的茶皂素可以有效地抑制酵母生长，起到延长饮料保质期，提高酒品质的效果。与此同时，有研究表明茶皂素能降低大鼠血液和肝脏中的乙醇含量，抑制酒精的吸收，可用于制作醒酒茶等保健食品的生产中[43]。另外在某些中药成分中也含有一定的皂苷类物质，其具有的祛痰止咳功效有望应用于保健食品的生产中[44]。

3.2 医药领域

茶皂素具有抗渗消炎和抗肿瘤的作用使其在医学领域得以显著应用。抗渗消炎主要表现在茶皂素可以抗白三烯D4，因白三烯D4是一种过敏症慢反应物，可以调节炎症和哮喘等疾病的诱发，因此茶皂素能有效地抑制生物体内的炎症等[45]。且茶皂素可以诱导天然奎宁氧化还原酶的活性，从而发挥抗肿瘤作用[46]。

茶皂素除了具有抗渗消炎和抗肿瘤的作用外，还具有降血脂、抗过敏及其他保健作用等，主要表现在茶皂素可降低血液的黏稠度，加强血液循环，以达到预防动脉粥样硬化和抵抗心血管疾病对人体危害的效果[47]。有研究证明茶皂素可以升高血清中高密度脂蛋白的浓度，具有促进蛋白质合成代谢和降血脂的作用[48]。林勇等[50]研究了茶叶中功能成分茶皂素等的抗过敏作用，发现其对速发型过敏症状具有显著预防与治疗效果[49]。此外，还有研究显示，茶皂素对酒精具有一定的抑制效果，可以阻碍生物体对酒精的吸收，以达到保护其肠胃和干燥的效果，因此茶皂素可用于医药上生产具有解酒功能的药物。在神经保护作用方面，有研究者通过进一步合成铁皂苷元纳米粒以减轻小鼠神经退化，表明茶皂素可应用于神经保护药物的生产[51]。邱红等[52]研究了茶油联合蒙脱石散及维生素C在百草枯中毒致口腔溃疡治疗中的效果，发现该处理可以减轻口腔溃疡患者的痛苦，降低并发症发生的可能性，是一种值得推广的治疗方法。另外有报道称茶皂素中酰基的位置对其药理性有重要影响，从茶树种子中提取的皂素混合物对小鼠胃排空有抑制作用，可加速胃肠道的运输[53]。在抗癌药物的开发方面茶皂素也表现出了一定的应用前景，Fu等[54]从油茶籽中分离得到5种新的三萜皂苷，并评价其对人肿瘤细胞的毒理性质，结果显示化合物1～5均表现出不同程度的对人体类癌症细胞系的细胞毒活性。

4 结语

近年来，随着越来越多的关于茶皂素性质的研究出现，茶皂素的应用也开始被重新定位，鉴于其良好的生理生化活性，食品、医药领域研究人员开始对其进行更为深入广泛的研究。有效的分离纯化是保证茶皂素功能和作用效果的前提，因此，茶皂素的分离纯化方法广受关注，各种新的提取纯化方法相继出现，并取得了良好的效果，很大程度上解决了茶皂素提取率低，纯化程度不高等缺陷，将有助于茶皂素在医药食品领域的基础理论及应用研究。本文重点介绍了茶皂素的理化性质及分离纯化新技术的研究进展，并综述了其在食品及医药领域中的应用，以期为相关领域研究提供可行性的参考。