新型非離子表面活性劑茶皂素的研究進展

郭霞，許榮年，秦志榮

（浙江贊宇科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

新型非離子表面活性劑茶皂素的研究進展

郭霞，許榮年，秦志榮

（浙江贊宇科技股份有限公司，浙江 杭州 310009）

茶皂素是一種純天然的非離子表面活性劑，在化妝品、洗滌劑、紡織業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。本文主要對茶皂素的基本性質(zhì)、分析方法、提取方法和改性方法進行了綜述，并就目前的生產(chǎn)和使用情況提出了一些看法，對需要解決的問題進行了初步探討。

茶皂素；基本性質(zhì)；分析方法；提取方法；改性方法

茶皂素（Tea saponin）又稱茶皂甙、茶皂苷，是山茶科植物（如茶、山茶、油茶）中含有的一類天然糖苷化合物，由茶苷元（C30H50O6）結(jié)合當(dāng)歸酸和糖體（半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖縮酸）組成的一種五環(huán)三萜類皂苷[1]，廣泛存在于山茶科植物的根、莖、葉、花、果之中。茶皂素是一種天然非離子表面活性劑，化學(xué)性質(zhì)溫和，易于生物降解。研究表明，提取得到的茶皂素的HLB值為16，在分散、發(fā)泡、去污以及O/W型的乳化方面均有較好的性能。茶皂素具有良好的乳化、發(fā)泡、濕潤等功能，并且具有消炎、鎮(zhèn)痛、抗?jié)B透等藥理作用，可以應(yīng)用于洗滌、毛紡、針織、醫(yī)藥等領(lǐng)域[2]。

1931年日本學(xué)者青山新次郎[3]首次從茶籽中成功分離出茶皂素以后，世界主要產(chǎn)茶國家亦相繼開展了茶皂素的研究工作。1952年日本東京大學(xué)的石鎬守山和上田陽[4]分離出茶皂素的純結(jié)晶，在此基礎(chǔ)上，茶皂素的結(jié)構(gòu)才得到深入研究。我國對茶皂素的研究始于上世紀(jì)50年代末，從起步階段就以解決茶籽餅的綜合利用為目的。1979年我國首次以工業(yè)方法從脫脂茶籽餅粕中分離出茶皂素。近年來，各地越來越重視對茶皂素的生產(chǎn)及應(yīng)用研究，提出了各種不同的生產(chǎn)方法及工藝，并對其精制、脫色等方面也進行了較深入的研究。本文主要對茶皂素的研究進展進行綜述，以便為國內(nèi)同行提供參考和借鑒。

1.茶皂素的基本性質(zhì)

茶皂素屬五環(huán)三萜類皂苷，由苷元、糖和有機酸三部分組成，基本碳架為齊墩果烷（oleanane）。糖體部分主要有阿戊糖、木糖、半乳糖及葡萄糖醛酸等；有機酸包括當(dāng)歸酸、惕各酸、醋酸和肉桂酸等，有機酸與苷元的結(jié)合形式為苷元上的羥基與有機酸形成酯。茶皂素的親水基團由強電負性的含氧基團如-O-、-OH、-COOH、-COO-組成，這些含氧基團集中在茶皂素的糖類配體間、有機酸配體及皂苷連接部位；而親油基團是由非極性的碳氫環(huán)鏈構(gòu)成。茶皂素在215nm處對紫外光有很大的吸收峰，可作為茶皂素的特征吸收峰用于結(jié)構(gòu)鑒定，這是由于茶皂素的有機酸部分含有α、β共軛雙鍵所決定的[5]。

茶皂素是一種純天然非離子型表面活性劑，其純品是白色微細柱狀結(jié)晶體，吸濕性強，對甲基紅明顯酸性，其基本性質(zhì)見表1。茶皂素水溶液能被醋酸鉛、鹽基性醋酸鉛和氫氧化鋇所沉淀，析出云狀物，但對氯化鋇和氯化鐵不能產(chǎn)生沉淀；加入95%乙醇與濃硫酸等量混合，最初呈淡黃色，隨后迅速變?yōu)樽仙?/p>

表1 茶皂素的理化性質(zhì)

2.茶皂素的分析方法

茶皂苷是一類結(jié)構(gòu)相似的混合物。由于茶皂苷的多樣性和復(fù)雜性，單體皂苷分離十分困難。因此，20世紀(jì)70年代以前，關(guān)于茶皂苷化學(xué)組成的研究工作一直停留在酸堿水解后研究皂苷元、糖體組成的階段。近十幾年來，由于分離分析技術(shù)的不斷進步，借助液相色譜、核磁共振技術(shù)等手段，茶皂素的分析方法取得了較大的進展。

2.1 重量分析法

重量分析法是通過測量茶皂素經(jīng)純化水解后得到的皂苷元含量，再經(jīng)換算得到茶皂素重量的分析方法。該法涉及到換算系數(shù)的問題，即100g茶皂苷元相當(dāng)于多少克茶皂苷。朱全芬等[6]最早詳細研究了該法，采用水解測定的數(shù)據(jù)（皂素平均相對分子質(zhì)量為1203，苷元平均相對分子質(zhì)量為592），得出換算系數(shù)為0.4921。理論上，一個分子的茶皂苷水解可以得到一個分子的茶皂苷元，但茶皂苷是一類混合物，配基結(jié)構(gòu)有多種，因此不同研究者對于茶皂苷相對分子質(zhì)量的測定值略有出入。另外，該法分析所需時間長，操作繁瑣，試劑消耗量大，難以滿足工業(yè)分析的需要。

2.2 比色分析法

比色法是利用三萜類皂苷的顯色反應(yīng)，選擇一種線性關(guān)系良好的顯色劑，反應(yīng)后，用分光光度計測其吸光度，用純品的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線定量。常用的顯色劑有間苯三酚-乙醇溶液、苯酚-硫酸、香草醛-濃硫酸、對-二甲氨基苯甲醛、三氯化鐵-濃硫酸法等。研究表明，比色法消耗試劑少，操作簡單，分析快，重現(xiàn)性及準(zhǔn)確度也較好，適用于工業(yè)分析。

香草醛-硫酸法由于操作流程短，方法簡便可行，顯色相對穩(wěn)定，反應(yīng)條件容易控制等優(yōu)點，是一種常用的分析方法。該法的反應(yīng)機理可能是皂苷在強氧化性酸作用下脫氫，氧化后再與香草醛加成生成有色物質(zhì)。朱全芬[7]、傅春玲等[8]指出，以8%的香草醛-乙醇溶液和77%硫酸為顯色劑，測定波長為452.5nm，顯色反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為15min為宜，線性范圍為0～20μg/mL。

據(jù)報道[9]，凡具有五環(huán)三萜之齊墩果烷結(jié)構(gòu)的皂苷類都能與對-二甲氨基苯甲醛反應(yīng)顯色，色澤強度隨皂苷濃度增加而增強。因此，利用這一反應(yīng)，用1%對-二甲氨基苯甲醛與茶皂素浸提液加熱顯色，用H3PO4作穩(wěn)定劑，進行比色分析，得到消光值。用茶皂素純品做出標(biāo)準(zhǔn)曲線，進而求出茶皂素的含量。譚新東就用該方法對茶樹體內(nèi)各部分茶皂素含量進行了分析[10]。

2.3 熒光光度法

熒光光度法是基于茶皂苷對鋁-8-羥基喹啉的熒光有增敏作用，且在一定濃度范圍內(nèi)熒光相對強度隨茶皂苷含量的變化呈線性變化的特征進行測量。劉曉庚[11]用該方法對茶皂素含量進行了定量分析，此外，他還認為除茶皂苷與FeCl3呈黃綠色的顯色反應(yīng)外，植物樣品中的酚類物質(zhì)也能與FeCl3發(fā)生類似的顯色反應(yīng)，因而直接用單波長分光光度法測定時干擾嚴(yán)重。為此，利用兩者之間的反應(yīng)速率不同，進行速差分光光度法（或雙波長分光光度法等）測定茶皂素含量。

2.4 其他分析方法

除了上述分析方法外，還有高效液相色譜法、薄層掃描法、溴酸鉀法等。高效液相色譜（HPLC）法具有高壓、高速、高效、高靈敏度的特點，現(xiàn)已成為分離皂苷的常用方法。由于茶皂苷結(jié)構(gòu)的相似性和復(fù)雜性，目前HPLC主要用于茶皂苷的分離和純化方面。田世雄等[12]用高效薄層色譜（HPTLC），以正丁醇∶甲醇∶吡啶＝18∶1∶1為展開劑，測定了茶皂素含量。

目前，由于皂苷結(jié)構(gòu)的相似性、多樣性以及復(fù)雜性，對茶皂素的定量分析是研究中存在的主要困難之一。茶皂苷總量的測定方法各有優(yōu)缺點，沒有一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。茶皂苷標(biāo)準(zhǔn)品難尋，且現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)品大多為混合物，不同品種的茶、不同工藝得到的標(biāo)準(zhǔn)品有一定的差異。因此，對茶皂素單體的定量分析質(zhì)量有待進一步提高。

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、有機溶劑法以及在此基礎(chǔ)上改良的新方法，如水提-沉淀法、水提-醇萃法、樹脂吸附法、超聲波法等。

3.1 水浸法

水提法[13]是較早開發(fā)的提取茶皂素的方法，先將油茶餅碎至一定粒級，用熱水浸取，然后抽濾，即得茶皂素的水溶液，將濾液干燥即得產(chǎn)品。該方法工藝簡單、成本低、投資少、見效快，但蒸發(fā)量大、能耗高、生產(chǎn)周期長，且提取得到的茶皂素純度低、顏色深、質(zhì)量差，產(chǎn)品多為漿料，再提純較困難。因此，作為對水提法的改進，又開發(fā)了水提-沉淀法，即在得到的茶皂素水溶液中加入沉淀劑，使茶皂素轉(zhuǎn)為沉淀，與雜質(zhì)分離，再將分離出的沉淀用沉淀轉(zhuǎn)換劑轉(zhuǎn)換沉淀，釋放出茶皂素。該工藝使水提法得到了完善，與有機溶劑法相比也較為簡單，值得推廣應(yīng)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劑從茶籽餅中浸取茶皂素的方法。該法能耗小，收率高，純度高，便于生產(chǎn)粉劑，易再純化，產(chǎn)品可用作生化試劑和醫(yī)藥原料，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，投資大，成本高。

由于正丁醇[14]對茶皂素具有選擇溶解能力，因此可用正丁醇直接從茶枯中提取茶皂素：在茶枯餅中加入4～6倍90%正丁醇，在66℃～74℃浸取4次（2h/次）；將浸提液在0.06～0.09 MPa真空度下進行蒸餾以回收正丁醇，蒸餾釜中加入適量的水和脂肪酶，進行保溫、攪拌操作，靜置澄清后過濾，以用脂肪酶去掉殘油；采用6號汽油洗滌茶皂素，除去雜質(zhì)，洗滌后的茶皂素經(jīng)干燥、粉碎得到產(chǎn)品。用該工藝制得的茶皂素純度可達80%以上，同時正丁醇回收性能好，降低了產(chǎn)品成本。且正丁醇不易燃，對人和動物的健康也沒有影響。

3.3 水提-醇萃取法

水提-醇萃取法是根據(jù)茶皂素易溶于熱水和含水乙醇溶液、不溶于冷水的性質(zhì)，用熱水浸提茶餅，而后于過濾液中加入絮凝劑Al2(SO4)3，經(jīng)過沉降、過濾、濃縮、冷卻后，再用95%乙醇轉(zhuǎn)萃提純的一種方法[15-17]。水提-醇萃取法是在綜合了水提法、有機溶劑法、水提-沉淀法三者優(yōu)點的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型提取茶皂素方法，具有工藝較為簡單、投資少、收率和純度高等特點。用該法提取的茶皂素收率可達15%，純度可達90%，產(chǎn)品質(zhì)量高、用途廣，是一項值得推廣和工業(yè)化前景好的技術(shù)。

3.4 超臨界萃取法

超臨界流體CO2萃取技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，在天然活性成分提取方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。CO2超臨界萃取法可在一套裝置下實現(xiàn)脫除殘油，提取茶皂素，簡化了生產(chǎn)工藝，而且在產(chǎn)品純度、操作周期、對環(huán)境影響等方面明顯優(yōu)于乙醇浸提法。呂曉玲等[18]首次用SFE-CO2技術(shù)對茶皂素提取進行了研究，并討論了其工業(yè)應(yīng)用的可行性。

3.5 超聲波法

超聲波是介質(zhì)中的一種彈性機械波，具有束射特性、吸收特性以及能量傳遞特性。超聲波現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于植物中活性成分的提取[19]。超聲波作用于液體中可產(chǎn)生空化效應(yīng)，強大的壓力會造成生物細胞壁的破壞，而且整個破碎過程在瞬間完成，同時超聲波產(chǎn)生的振動加強了細胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴散及溶解，被浸提的物質(zhì)在被破碎時生物活性保持不變，同時提高破碎速率和提取率。有文獻[20-22]報道了應(yīng)用超聲波技術(shù)提取油茶枯餅中的茶皂素工藝研究，并與水浸提法和乙醇溶液浸提法進行比較。結(jié)果表明，采用超聲波法縮短了從油茶餅中提取茶皂素的時間，降低了能耗，同時也可以提高茶皂素的得率。目前用于超聲提取的設(shè)備還不成熟，要將該工藝應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還需開展進一步研究。

3.6 微波萃取法

微波萃取是近些年興起的提取技術(shù)，與傳統(tǒng)熱萃取相比，微波輔助萃取具有萃取時間短、溶劑用量少、提取效率高、投資少、易揮發(fā)性成分的提取得率高以及不需要特殊的分離步驟等優(yōu)點。該技術(shù)適用于許多天然物的提取，可達到高效、快速、高度選擇性、安全無害環(huán)境的要求，近年來已成為提取天然產(chǎn)物中活性成分的重要方法，可有效地提高收率。微波輔助萃取方法的這些優(yōu)點適合于油茶枯餅中茶皂素的提取。但至今國內(nèi)外未見有采用該方法提取茶皂素的報道。

4.茶皂素的改性方法

目前，對于茶皂素的研究主要集中在提取精制方面，對其改性研究的報道較少。下面介紹2種方法。

4.1 復(fù)配改性

趙曉東等[23]研究了茶皂素與脂肪醇復(fù)配體系的泡沫性能，發(fā)現(xiàn)加入脂肪醇可大大提高茶皂素的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性；與幾種常用的表面活性劑（十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉和烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉）相比，茶皂素-仲丁醇復(fù)配體系的泡沫穩(wěn)定性高很多，特別是在鹽鹵或鹽鹵與煤油共存的條件下，仍然具有較好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

彭艷春等[24]對茶皂素與十二烷基硫酸鈉復(fù)配體系浮選去除廢水中的金屬離子做了研究。研究認為，混合體系的表面張力介于兩復(fù)配組分純?nèi)芤褐g，cmc值比兩組分都低，降低表面張力的效率比較明顯；復(fù)配后溶液的起泡性和穩(wěn)泡性均得到了不同程度的改善。

4.2 化學(xué)改性

楊磊等[25]以茶皂素為原料，依次與單乙醇胺、順丁烯二酸酐反應(yīng)，制備茶皂素單乙醇酰胺琥珀酸，再與亞硫酸氫鈉進行磺化反應(yīng)，合成了一種新型表面活性劑——茶皂素單乙醇酰胺琥珀酸單酯硫酸鈉。結(jié)果表明，該新型表面活性劑同時具有陰離子及非離子型表面活性劑的優(yōu)點，HLB值為19.06，表面張力低于茶皂素，起泡力及穩(wěn)泡性優(yōu)于茶皂素。

陶莉、馮章明等[26,27]以含氫硅油、縮水甘油烯丙醚、丙烯醇聚氧乙烯聚氧丙烯丙醚進行硅氫化反應(yīng)，再與天然茶皂素進行酯化反應(yīng)，最后與叔胺鹽酸鹽反應(yīng)，制得茶皂素改性有機硅季銨鹽。將該改性產(chǎn)品用于洗發(fā)香波中，能明顯增強頭發(fā)的干、濕梳理性能，且光澤較好，泡沫豐富。

5.結(jié)語

茶皂素具有許多優(yōu)良特性，可以應(yīng)用于許多行業(yè)，利用潛力巨大。我國各類茶籽資源十分豐富，目前國內(nèi)關(guān)于茶皂素的研究與應(yīng)用取得了一定進展，但仍存在一些有待解決的問題：1）在基礎(chǔ)理論研究方面，茶皂素的各種表面活性和生理活性機理有待于進一步研究，對各類茶皂素的活性差異及其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系也缺乏足夠的認識；2）茶皂素的提取工藝還不十分成熟，尤其是精制階段，仍然沒有十分理想的生產(chǎn)工藝。比如，粗品茶皂素的脫色問題仍找不到很好的解決方法，常用的脫色劑活性炭，雖然能吸附粗品茶皂素的色素，但對茶皂素本身吸附也較多，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的精制率降低，費用提高；3）目前國內(nèi)對茶皂素的應(yīng)用開發(fā)還很不夠深入，對茶皂素的改性工作也需要進一步提高。

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