茶皂素純化方法研究進展

唐珊珊，黃三萍，肖新生，劉 芳

(湖南科技學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，湘南優(yōu)勢植物資源綜合利用湖南省重點實驗室，湖南 永州 425199)

茶皂素又名茶皂甙，廣泛存在于山茶科植物中，是一類結(jié)構(gòu)相近的齊墩果烷型五環(huán)三萜類皂苷混合物，由于分子中含有兩性基團，可作為一種天然非離子型表面活性劑[1]。此外，茶皂素還具有抗菌[2-3]、抗?jié)B消炎[4-5]、延緩動脈粥樣硬化[6]、保護腸胃抑制酒精吸收[7]等多種生物活性，廣泛應(yīng)用于建材、化工、生物醫(yī)藥及食品等行業(yè)。

目前市場上的茶皂素主要還是以低含量為主，純度不高、雜質(zhì)含量較多，限制了茶皂素的開發(fā)利用，因此須采用適當(dāng)?shù)姆椒ǔシ遣柙硭氐碾s質(zhì)即進行茶皂素純化。純化是將多種物質(zhì)的聚集體，通過物理[8]、化學(xué)[9]或生物[10]等方法，變成一類或一種物質(zhì)的過程，通過對粗茶皂素進行純化，可生產(chǎn)高純度茶皂素。研究人員已認識到茶皂素純化的重要性，并嘗試了各種方法，但是目前茶皂素的純化工藝尚不完善，導(dǎo)致茶皂素的工業(yè)化產(chǎn)品在醫(yī)藥及化妝等精細化工行業(yè)的應(yīng)用受到一定的限制。因此，必須尋找簡單、高效的純化方法以提高茶皂素的藥用價值及經(jīng)濟價值，避免資源的浪費。本文就已開展的各種純化方法綜述茶皂素純化的研究進展，以期為茶皂素的純化利用提供參考。

1 茶皂素基本性質(zhì)

茶皂素(C57H90O28)屬于三萜類皂素，由配基、配糖體和有機酸構(gòu)成，化學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其基本碳架和配基分別由齊墩果烷(Oleanane)和β-香樹素(β-amyrin)衍生物構(gòu)成，配糖體主要由葡萄糖醛酸、半乳糖、木糖以及阿拉伯糖組成，有機酸由醋酸、肉桂酸、當(dāng)歸酸、惕各酸等成分組成。茶皂素配基與配糖體以甙鍵形式結(jié)合，與有機酸以酯基的形式結(jié)合[11]。由于組合單元體的多樣性及組合方式的差異性，導(dǎo)致茶皂素成為一種結(jié)構(gòu)相似的混合物。

茶皂素攜有苦辛辣味，純品在形態(tài)上呈柱狀結(jié)晶，色澤為無色，具有強吸濕性，對甲基紅呈酸性，基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 茶皂素的理化性質(zhì)

利用常規(guī)提取方法[12]從油茶餅粕中提取的茶皂素粗品通常含有多糖和蛋白類等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)與茶皂素在理化性質(zhì)上存在較大差異，具體表現(xiàn)在：在溶劑中的溶解度不同；與不同沉淀劑作用不同；與吸附劑的吸附能力不同；分子大小、相對分子質(zhì)量及極性不同等。研究者們正是根據(jù)這些性質(zhì)差異進行茶皂素純化。

2 茶皂素純化方法

2.1 重結(jié)晶法

根據(jù)茶皂素比多糖和蛋白類等雜質(zhì)更易溶于含水乙醇，及其在含水乙醇中的溶解度隨溫度降低迅速下降的特點利用重結(jié)晶法進行茶皂素純化。張海龍等[13]稱取粗茶皂素加入到95%熱乙醇液中，溶后趁熱過濾，收集濾液，濾液緩慢降到室溫后，置于冰箱4℃下靜置一段時間，得到半透明結(jié)晶物，將此結(jié)晶物烘干后即得較高純度的茶皂素。但是這種方法得率偏低，在工業(yè)化生產(chǎn)上存在不足。

2.2 萃取法

2.2.1 醇萃法

此方法是在水提法基礎(chǔ)上的拓展改進，將得到的粗茶皂素提取液加入另外一種萃取劑轉(zhuǎn)萃，即可獲得純度較高的茶皂素。趙元藩等[14]早在1996年報道了這種新的工藝“水提-醇萃法”，制備的茶皂素純度為95%。曾韜等[15]在此基礎(chǔ)上又進行了改進，提出 “一水二醇”法，采用95%乙醇為提取劑進行浸提，并以所得的粗茶皂素為原料，再用正丁醇萃取，在較優(yōu)的工藝條件下制得的茶皂素純度可達85%以上，且產(chǎn)品具有理想的色澤。陳秋平等[16]在進行茶皂素純化研究時，重點比較了丙酮和正丁醇兩種不同溶劑的純化效果，結(jié)果表明前者純化茶皂素產(chǎn)率低于后者，對環(huán)境污染大，并且價格也較高，所以用正丁醇純化有明顯優(yōu)勢。

李祥等[17]以實驗室研制的茶皂素粗品為原料，對比探究了純化劑分別為水飽和正丁醇和正丁醇時兩者萃取效果，結(jié)果表明前者效果明顯優(yōu)于后者，這是因為正丁醇作為萃取劑時，會產(chǎn)生大量乳化層，導(dǎo)致難以分層，而用水飽和正丁醇乳化層會大大減少。當(dāng)水飽和正丁醇用量為35 mL、pH為4、粗茶皂素質(zhì)量分數(shù)為25%、萃取次數(shù)為3時，將3次的濾液合并，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，烘干后得純度為97%的乳白色茶皂素產(chǎn)品。

醇萃法工藝簡單、制備的產(chǎn)品收率和純度都較高，適合進行工業(yè)化生產(chǎn)，值得推廣。

2.2.2 雙水相萃取法

根據(jù)茶皂素和水溶性雜質(zhì)在雙水相體系的上下相中分配情況的差異，進而達到純化的目的。張團結(jié)等[18]采用丙醇/硫酸銨雙水相體系對粗茶皂素進行萃取，優(yōu)選硫酸銨和丙醇的質(zhì)量分數(shù)分別為20%和23%，并在40℃、pH中性條件下進行萃取，茶皂素萃取率可達89.32%，質(zhì)量分數(shù)由40.2%提高至78.12%，效果可觀且分離速度快。呂琪[19]也采用丙醇/硫酸銨雙水相體系對茶皂素進行純化，在較優(yōu)的條件下得到茶皂素平均含量為77.12%，純化后的茶皂素在含量及顏色上均有大幅提升。

雙水相萃取技術(shù)具有萃取條件溫和、處理量大、萃取率高、兩相分離快、能耗低等優(yōu)點，但是因為同時一次使用兩種溶劑對設(shè)備的要求較高。

2.3 生物純化法

2.3.1 酶法

粗茶皂素中的雜質(zhì)主要是多糖和蛋白類物質(zhì)，由于這兩種物質(zhì)與茶皂素相互作用較強，導(dǎo)致分離難度較大，因此研究人員嘗試采用選擇性高的生物酶對多糖和蛋白類雜質(zhì)進行水解去除，從而實現(xiàn)制備高純度茶皂素。

游瑞云等[20]采用由纖維素酶與糖化酶按1∶2比例構(gòu)成的組合酶進行粗茶皂素水解除雜，在組合酶用量0.5%、溫度50～60℃、pH 6～7條件下水解12 h，可得到純度接近90%的茶皂素。為進一步提高純度，他們將酶水解得到的粗品加入丙酮，離心分離，烘干后最終得到的茶皂素純度高達98.3%。

周紅宇等[21]采用殼聚糖-蛋白酶聯(lián)用純化茶皂素，結(jié)果表明蛋白酶處理可顯著提高茶皂素得率，這是因為其可降低粗品中蛋白質(zhì)含量和殼聚糖絮凝時茶皂素損失。

2.3.2 發(fā)酵法

金月慶等[22]以水提得到的粗茶皂素為原料，加入的酶a、酶b用量分別為0.30%和0.35%，再按酵母液與待發(fā)酵液體積比為1∶10比例加入活化后的酵母，發(fā)酵一段時間后將發(fā)酵液過濾，濾液濃縮干燥即得茶皂素，其純度可達73.1%。

生物純化法純化茶皂素工藝條件溫和、對環(huán)境友好、選擇性較高，但是操作過程較復(fù)雜，耗時較長。

2.4 沉淀法

沉淀作用包括一個新的凝結(jié)相的形成過程，和由于沉淀劑的使用導(dǎo)致某些離子生成難溶化合物進而沉積的過程。根據(jù)沉淀對象的不同，分為兩類：一類是沉淀目標物茶皂素，一類是沉淀雜質(zhì)。經(jīng)沉淀法純化得到的精制茶皂素純度較高，但是此方法產(chǎn)率偏低，不適合工業(yè)生產(chǎn)。

2.4.1 沉淀雜質(zhì)

使雜質(zhì)沉淀的試劑主要有殼聚糖、乙醇、硫酸鋁鉀、聚三氯化鐵等。劉堯剛等[23]選用80%乙醇為溶劑，殼聚糖為沉淀劑，在料液比1∶50、溶劑與沉淀劑比10∶1時提純得到的茶皂素純度為65.67%，回收率為94.36%。

2.4.2 沉淀茶皂素

使茶皂素沉淀的試劑主要有丙酮、乙醚、氧化鈣、鉛鹽、膽甾醇等，其中丙酮是目前使用最廣泛的。趙娟等[24]以茶皂素粗品為原料，對比了蒸餾水、80%甲醇、80%乙醇3種不同溶劑的效果，并比較了丙酮、乙酸乙酯、乙醚3種不同沉淀劑的效果，同時進行了工藝條件優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)溶劑選用80%乙醇，沉淀劑選用丙酮，在料液比為1∶20、溶劑與沉淀劑比為1∶2時提純效果最好，制備的茶皂素純度可達87.20%，回收率達71.17%。

楊坤國等[25]將粗茶皂素先用索氏提取器抽提除雜并制得皂素-膽甾醇復(fù)合物(膽甾醇與皂素投料質(zhì)量比0.75∶1)，選用甲苯作為溶劑再次用索氏提取器抽提分離該復(fù)合物，精制得到的茶皂素純度達98.5%以上。

隨著對沉淀法技術(shù)的研究，學(xué)者們嘗試將兩種沉淀劑聯(lián)合使用。王金元等[26]以油茶籽水媒法提油后的水相為原料，先經(jīng)過殼聚糖凝絮，再用氧化鈣沉淀，最后通過碳酸氫銨釋放來濃縮純化，在較優(yōu)的工藝條件下最終得到的茶皂素純度為80.25%，此工藝有效解決了茶皂素水溶液濃縮問題，在茶皂素純化方面有較好成效。

解慶范等[27]以乙醇浸提的茶皂素液為原料，用明礬沉淀法初提純得到純度為76.92%的茶皂素，再進行丙酮二次提純，結(jié)果表明以80%乙醇為溶劑、丙酮為沉淀劑，在茶皂素粗品與溶劑比為1∶20、溶劑與沉淀劑比為1∶2時，提純得到的茶皂素純度可達93.6%。

2.5 吸附分離法

吸附是溶質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固相的過程。由于不同物質(zhì)與吸附劑的吸附能力強弱不同，利用這一特性使目標物質(zhì)和雜質(zhì)分離，從而實現(xiàn)濃縮提純目的的方法。這類方法操作簡便、成本較低、過程安全，具有很大的應(yīng)用前景。目前常用的吸附劑有活性炭、吸附樹脂、凝膠吸附劑、硅膠吸附劑等。

2.5.1 活性炭吸附法

涂云飛等[28]采用活性炭柱層析純化油茶皂苷，結(jié)果表明先用水洗再用90%乙醇進行洗脫能取得較好的分離效果，最終得率為62.9%，精制油茶皂苷純度達50.1%以上。活性炭具有化學(xué)惰性、可再生性，是工業(yè)化純化茶皂素的理想載體，但是目前活性炭吸附法純化茶皂素存在產(chǎn)品得率不高，純度欠佳的問題，限制了它的工業(yè)化應(yīng)用。

2.5.2 吸附樹脂分離法

吸附樹脂由于吸附性能好、對有機成分選擇性較高、成本低廉、易再生等特性，被廣泛應(yīng)用于液體中雜質(zhì)的分離和純化[29-31]。目前應(yīng)用較多的是大孔吸附樹脂，此種樹脂在分離純化茶皂素上表現(xiàn)出良好的效果。將粗茶皂素溶液通過大孔樹脂后，先用水洗滌去除水溶性雜質(zhì)如糖類物質(zhì)等，然后再用梯度濃度的甲醇或乙醇依次洗脫。通過大孔樹脂分離法精制的茶皂素產(chǎn)量大、純度高，且該過程簡單，成本低廉，可連續(xù)化操作，但是目前該技術(shù)在批量化生產(chǎn)上還不成熟。

金月慶等[32]以脫脂油茶餅粕80%乙醇浸提液為原料，用AB-8樹脂進行純化。在較優(yōu)的條件下，茶皂素的吸附率達90.70%、總洗脫率達85.47%，最終得到的茶皂素產(chǎn)品純度達85%。游瑞云等[33]也采用AB-8樹脂進行茶皂素純化，在最佳工藝條件下制備的茶皂素純度達85.7%。

張海龍等[34]通過靜態(tài)吸附和動態(tài)吸附篩選出合適的大孔樹脂D4020型大孔樹脂，并對洗脫劑體積、體積分數(shù)、洗脫流速等進行了工藝條件的優(yōu)化，在優(yōu)化的條件下進行吸附分離，得到的茶皂素純度為81%，回收率達82%以上。

張云豐等[35]通過對比選用S-8型大孔樹脂對含量為47.38%的茶皂素粗品進行純化，并用響應(yīng)面分析法優(yōu)化茶皂素的洗脫條件，最終通過控制樹脂柱量、粗茶皂素濃度及用量、上樣流速、洗脫劑用量及流速等因素，實現(xiàn)茶皂素最大得率為81.74%，回收率為78.29%，含量為85.36%。

孫國金等[36]研究了D101型大孔樹脂純化茶皂素的工藝參數(shù)，除了對常規(guī)的上樣濃度、流速及洗脫液濃度進行探討外，還研究了一個新的影響因素：洗脫液與樹脂體積比。當(dāng)兩者體積比5∶1時綜合效果最好，最終洗脫率為83.6%，純度可達92%。

魏婷婷等[37]在探究大孔樹脂純化茶皂素時發(fā)現(xiàn)DM130型樹脂處理得到的茶皂素純度最高，當(dāng)上樣液質(zhì)量濃度為139.75 mg/mL、上樣流速0.33 mL/min、洗脫液乙醇體積分數(shù)80%、洗脫流速3.57 mL/min時，制得的茶皂素純度達85.6%。

顧姣等[38]通過對比8種不同極性的大孔樹脂對茶皂素分離效果，發(fā)現(xiàn)XR910X效果最好。并提出兩步洗脫，首先用NaOH溶液洗脫部分雜質(zhì)，再用90%乙醇洗脫茶皂素，通過兩步洗脫產(chǎn)品純度得到進一步提高，最終在較優(yōu)條件下制備的茶皂素純度達94.26%，回收率也較高，為70.34%。

2.5.3 凝膠色譜法

凝膠色譜法是利用分子篩的原理來實現(xiàn)對不同相對分子質(zhì)量化合物的分離，在用不同濃度的洗脫液洗脫時，各成分按相對分子質(zhì)量從高到低的順序依次被洗脫下來[39-40]。姜偉等[41]以油茶餅粕的乙醇提取液為原料，用Sephadex LH20進行分離純化，得到的茶皂苷純度可達到95.58%。凝膠色譜法操作簡單，不需使用大量有機溶劑，對相對分子質(zhì)量差異大的物質(zhì)分離效果好，但是價格較昂貴，不適合工業(yè)應(yīng)用。

2.5.4 硅膠吸附分離法

硅膠吸附分離是根據(jù)不同物質(zhì)在硅膠上的吸附力存在差異的特性進行物質(zhì)分離，一般情況下極性越大的物質(zhì)越容易被硅膠吸附，反之亦然。其整個過程包括吸附、解吸、再吸附、再解吸。由于茶皂素極性較其他雜質(zhì)大，依據(jù)此特性恰可采用硅膠吸附分離法進行提純。

采用干法裝柱，樣品也采用干法上樣，就緒之后用水飽和正丁醇溶液進行洗脫，收集茶皂素洗脫部分，再經(jīng)過減壓蒸餾至干，即得純化茶皂素。干法裝柱節(jié)約了時間成本和溶劑成本。而且由于干柱分離接近薄層層析，這樣就更易于后續(xù)篩選合適的分離條件。硅膠吸附分離法雖然得到的茶皂素純度較高，但此方法不適用于工業(yè)化生產(chǎn)[42]。

2.6 膜分離法

膜分離技術(shù)其實質(zhì)近似于篩分過程，是根據(jù)濾膜孔徑的大小使物質(zhì)透過或被膜截留。常見的濾膜根據(jù)孔徑大小分為4種：微濾膜，納濾膜，超濾膜，反滲透膜。膜分離法純化茶皂素具有分離效果好、耗能低、工藝簡單、清潔無污染等優(yōu)點，但同時存在膜通透量下降嚴重，生產(chǎn)成本高，不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等不足。

杜志欣等[43]先用0.3 μm微濾膜分離，透過液再用截留相對分子質(zhì)量為5 000的超濾膜進行超濾，在0.16 MPa壓力下超濾110 min，得到的茶皂素純度為85.67%。孟維等[44]也采用微濾-超濾組合工藝對粗茶皂素水溶液進行精制，可將茶皂素純度提高到91.8%左右，提升幅度高達20%以上。顧春雷等[45]先用孔徑為0.5 μm的陶瓷膜預(yù)處理，再用PW超濾膜濃縮提純，最終得到的茶皂素回收率為72%，純度達到93%。

顧姣等[46]以乙醇水提法提取油茶籽油后剩余的水相副產(chǎn)物為原料，利用超濾膜法對茶皂素進行分離提純，并優(yōu)化超濾工藝條件：首先將水相稀釋，降低茶皂素質(zhì)量濃度至約13.13 mg/mL，調(diào)節(jié)pH至中性，然后通過10 kDa改良纖維素復(fù)合膜過濾，并在超濾后期加入3倍體積水稀釋，最終茶皂素透過率可達64.39%，純度達84.16%。

2.7 其他方法

除前文敘及的純化方法外，還有一些其他方法如離子交換法，該法是利用待提純?nèi)芤褐懈鞣N離子與離子交換劑中的可交換基團的離子交換能力的強弱差異來進行分離的一種方法[47-48]。茶皂素粗品中含有的可溶性鹽類可利用離子交換樹脂去除，從而間接實現(xiàn)茶皂素提純。陽離子交換樹脂可選用磺酸型(732型)，陰離子交換樹脂可選季銨鹽型(717型)[42]。此方法得到的茶皂素純度較高，但是處理量不大，一般需與其他方法配合使用。

3 結(jié) 語

茶皂素是我國優(yōu)勢植物資源，環(huán)境相容性好，廣泛應(yīng)用于建材、化工、生物醫(yī)藥及食品等行業(yè)。我國油茶資源豐富，政府扶持力度大，根據(jù)《全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009—2020年)》，到2020年，我國油茶種植總規(guī)模將擴大到467萬hm2，茶粕將達到約750萬t，按油茶粕中茶皂素含量10%～22%計算，茶皂素產(chǎn)量最少可達75萬t，相當(dāng)可觀，因此開發(fā)利用茶皂素具有重要的現(xiàn)實意義和前景。采取合理的純化工藝純化目前市場上的粗茶皂素，得到產(chǎn)量高、純度好的高純茶皂素，并可將純化的茶皂素用于醫(yī)藥及化妝等精細化工行業(yè)，可更大地發(fā)揮茶皂素的價值潛能。