江 南 胡鈺迪 李 霞

湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院 湖南 株洲 412007

0 引言

油茶是我國四大木本油料植物之一，主要生長在南方丘陵地區(qū)[1]。每提取1 t油茶籽油會產(chǎn)生近10 t的加工剩余物[1]，如油茶果殼、油茶粕等。油茶加工剩余物富含茶皂素（tea saponin，TS）、茶多酚、蛋白等生物活性物質(zhì)[2]。目前，大部分油茶加工剩余物被丟棄或燒掉[3]，若能得到合理有效利用，不僅會帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，而且能促進(jìn)油茶產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展。

近年來，茶皂素因其特有性質(zhì)和應(yīng)用價值而備受學(xué)者關(guān)注。茶皂素為無色細(xì)微柱狀晶體，是一種性能良好的天然非離子型表面活性劑[4]和抗菌劑[5]。茶皂素在油茶粕中的含量不低于10%，在油茶果殼中約為10%[6]。因此，本文闡述茶皂素的結(jié)構(gòu)特征和生物活性，梳理茶皂素在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出了將茶皂素應(yīng)用于開發(fā)綠色新材料的新思路，探討其開發(fā)的潛能和應(yīng)用前景，以期為油茶加工剩余物高值化利用提供參考。

1 茶皂素的結(jié)構(gòu)特征

目前從油茶中鑒定的皂素已有30余種[7]?，F(xiàn)有工藝提取出的茶皂素均為混合物，若要在混合物中分析單體結(jié)構(gòu)，必須綜合運用不同分離分析技術(shù)和方法。通常采用柱層析法、高效液相色譜分離法（high performance liquid chromatography，HPLC）等分離茶皂素，利用紫外/紅外光譜、核磁共振和質(zhì)譜分析等方法分析茶皂素單體結(jié)構(gòu)。例如最早江和源等[8]采用制備型HPLC和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（liquid chromatography mass spectrometry，LC-MS）聯(lián)用的系統(tǒng)方法，確定了兩種黃酐酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)。尹麗茸等[9]利用高效液相色譜-電噴霧-飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（high performance liquid chromatography-electrospray ionization time-of-flight mass spectrometry，HPLCESI-TOF-MS）在負(fù)離子模式下成功檢測到從油茶餅粕中提取的茶皂素，HPLC分析結(jié)果顯示其有5個主要皂苷峰，ESI-TOF-MS質(zhì)譜分析結(jié)果表明，5個組分均含有2～5種齊墩果烷型五環(huán)三萜類皂苷，共計18種茶皂素，并推測了其可能的結(jié)構(gòu)。

從整體結(jié)構(gòu)上看，不同的茶皂素之間結(jié)構(gòu)十分相似（如圖1所示），由親水性糖體、有機(jī)酸和疏水性配基3部分組成[9]。苷元所連糖基及官能團(tuán)的不同或官能團(tuán)在苷元上所連碳的位置不同，使茶皂素具有不同功能[10-12]。有研究發(fā)現(xiàn)，糖基位于齊墩果烷的C3位置上，茶皂素對人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤U87MG和U251細(xì)胞系具有明顯的細(xì)胞毒性，且糖殘基數(shù)量越多，其抗腫瘤活性越強(qiáng)，這類茶皂素可以作為人類膠質(zhì)瘤化療的可靠候選物質(zhì)[13]；C22位置上的肉桂?；虲28位置上的羥基發(fā)揮協(xié)同作用，可以顯著提高茶皂素對人肝癌細(xì)胞 （BEL-7402）和人早幼粒細(xì)胞白血?。℉L-60）細(xì)胞的抑制作用[14]；皂素C23位置上的甲基被氧化為醛基可增強(qiáng)其抗肝腫瘤活性[12]；茶皂素C21位置上連接當(dāng)歸酸比連接甲基丁酸，具有更強(qiáng)的抑制肝癌細(xì)胞的能力[7]。此外，糖鏈對茶皂素生物活性有非常重要的作用。一旦糖鏈被水解或者被破壞，茶皂素生物活性也會隨之改變。綜上所述，深入研究不同茶皂素的結(jié)構(gòu)特點是研究油茶茶皂素相關(guān)生物活性的關(guān)鍵[7]。

圖1 茶皂素的基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 The basic structure of tea saponin

2 茶皂素的生物活性

對皂苷生物活性的研究始于20世紀(jì)70年代末。油茶茶皂素的研究主要集中在分析結(jié)構(gòu)特征及探索潛在用途等方面。近年來，茶皂素的生物活性如抑制細(xì)胞增殖、重金屬螯合、脂類代謝調(diào)節(jié)及免疫調(diào)節(jié)等[7]作用備受學(xué)者關(guān)注。

2.1 抑制細(xì)胞增殖作用

茶皂素單體對不同細(xì)胞具有不同程度的破壞抑制作用，表現(xiàn)出細(xì)胞毒性，可以作為一類性能優(yōu)異的生物抑菌劑和毒殺劑。研究發(fā)現(xiàn)，茶皂素對細(xì)胞的毒性主要有以下幾種作用模式：其一，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）。A.Dantas等[15]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜磷脂是活性氧的主要反應(yīng)靶點。Li S. H.等[16]探究了茶皂素對白色念珠菌的抗菌性，發(fā)現(xiàn)60 μg/mL的茶皂素在4 h內(nèi)的殺菌率幾乎為100%。進(jìn)一步的熒光實驗證明，茶皂素是通過誘導(dǎo)活性氧的積累引起細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性（如線粒體功能障礙），達(dá)到抑菌的目的。同時，維生素C可以加強(qiáng)茶皂素的活性，而維生素E卻拮抗茶皂素的抑菌功能，這為念珠菌引起的疾病臨床選藥提供了新思路。其二，誘導(dǎo)生物內(nèi)部防御酶活性。Chen J. J.等[17]探究了茶多酚與茶皂素的協(xié)同抗菌作用，當(dāng)m(茶多酚):m(茶皂素)=1:2時，抗菌效果最佳，殺菌率為78.72%。酶分析實驗結(jié)果表明，茶多酚與茶皂素可以誘導(dǎo)油桃果實中苯丙氨酸解氨酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、幾丁質(zhì)酶的活性，從而有效控制采后果實褐腐病；茶皂素對不同動物的溶菌酶活性均有增強(qiáng)作用，對動物的免疫系統(tǒng)具有正面影響[18]。其三，破壞或抑制形成正常生物膜。Shang F.等[19]研究了茶皂素對從奶牛乳腺炎中分離的無乳鏈球菌菌株的抗菌作用，添加茶皂素后，該菌株形成的生物膜結(jié)構(gòu)松散，密度低。進(jìn)一步實驗分析發(fā)現(xiàn)，這種抑制作用是通過茶皂素下調(diào)srtA、fbsC、neuA、cpsE等生物膜相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平實現(xiàn)的。Liu Y.等[13]從越南油茶的根莖中提取了10種皂苷并測定其對細(xì)胞的抑制作用，發(fā)現(xiàn)這幾種皂苷對人類星形膠質(zhì)細(xì)胞原代培養(yǎng)的生長并無影響?？梢?，茶皂素作為一種天然的抑菌劑和毒殺劑，對環(huán)境污染較小，可以在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。但目前多數(shù)茶皂素單體的細(xì)胞毒性的傾向性尚不明確，故使用時需考慮其對非目標(biāo)細(xì)胞的危害，從而調(diào)整茶皂素的用量[20]。

2.2 重金屬螯合作用

從茶皂素結(jié)構(gòu)來看，皂苷分子中含有酸性的、可電離出氫離子的羧基，羧基與金屬陽離子發(fā)生螯合反應(yīng)，降低液相中重金屬離子活性從而達(dá)到清除液相重金屬的目的[21-22]。有研究報道茶皂素可以通過親水基團(tuán)向細(xì)胞外部環(huán)境構(gòu)建生物膜親脂部分，親水基團(tuán)羥基、羧基等帶負(fù)電荷，能與陽離子如鎘（II）、鉛（II）和銅（II）相互作用，從而實現(xiàn)對重金屬離子的萃取[23]；同時茶皂素還會改變細(xì)胞膜的滲透性，使一些易吸附重金屬的成分（如蛋白質(zhì)、多糖等）從細(xì)胞內(nèi)釋放出來，改變細(xì)胞的表面電荷[23]，促進(jìn)重金屬離子螯合。重金屬提取實驗表明，經(jīng)0.025%的茶皂素處理后單純青霉細(xì)胞對鎘（II）的萃取率從51.6 mg/L提高到74.6 mg/L。因此，利用經(jīng)茶皂素處理的植物提取土壤中的重金屬，可改善土壤環(huán)境。茶皂素的兩親性還能使茶皂素在一定濃度下形成膠束，并對重金屬離子進(jìn)行萃取，即清除環(huán)境中重金屬離子。有研究表明用茶皂素對污染土壤中的典型稀土元素（如鑭（La）、鏑（Dy）和鉺（Er））進(jìn)行萃取，pH為3～5時適量的茶皂素容易形成膠束，稀土和金屬離子被包圍在膠束中，不能與土壤顆粒結(jié)合，從而達(dá)到了清除土壤金屬污染的目的。同時，Li Q. Q.等[24]確定了最佳萃取參數(shù)即消耗量1.2 g/g（茶皂素/土壤）、pH 5、提取時間24 h，此條件下，茶皂素對La、Dy、Er、鎘（Cd）和鈀（Pb）的回收率分別達(dá)到96.9%, 88%, 84.3%, 88%和91.1%；Tao Q.等[25]采用盆栽實驗研究了皂苷輔助植物對Cd和苯并芘復(fù)合污染土壤的修復(fù)，發(fā)現(xiàn)皂苷中的羧基在水溶液中能與Cd形成絡(luò)合物從而增強(qiáng)Cd的增溶作用，達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。

2.3 脂類代謝調(diào)節(jié)作用

茶皂素通過調(diào)控相關(guān)的基因表達(dá)可控制動物的血脂水平。有研究發(fā)現(xiàn)，從油茶籽中提取的茶皂素能調(diào)控脂肪酸代謝，達(dá)到降血脂的目的[26]。茶皂素A2通過顯著下調(diào)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白基因、脂肪酸合酶基因的表達(dá)來抑制脂肪酸合成，同時通過上調(diào)酯酰輔酶A氧化酶1基因、肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1基因的表達(dá)促進(jìn)脂肪酸β-氧化。Song C. W.等[27]實驗發(fā)現(xiàn)從苦丁茶中提取的茶皂素顯著上調(diào)A類I型清道夫受體（scavenger receptor class A types I，SR-A I）、B類I型清道夫受體（scavenger receptor class B types I，SR-B I）和血小板反應(yīng)蛋白受體CD36分子等肝臟基因表達(dá)，這3種基因的過度表達(dá)可以降低膽固醇。由此可見，合理濃度的茶皂素在降血脂的同時對人體無其他傷害，在高脂血癥治療中有潛在醫(yī)學(xué)價值。

2.4 免疫調(diào)節(jié)作用

有研究發(fā)現(xiàn)，從油茶籽餅中提取的茶皂素可促進(jìn)小鼠實體瘤細(xì)胞凋亡，且這種作用是通過上調(diào)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的Bax蛋白表達(dá)，下調(diào)抑制細(xì)胞凋亡的Bcl-2α蛋白表達(dá)實現(xiàn)對癌細(xì)胞凋亡的調(diào)控[11-14]。通過分子操作環(huán)境（molecular operating environment，MOE）軟件包對茶花皂素B1、Bcl-2和MDM2癌細(xì)胞（murine double minute2，MDM2）活性位點進(jìn)行分子對接，糖苷上的醛基基團(tuán)與促凋亡蛋白和致癌基因產(chǎn)物形成氫鍵。研究表明，茶皂素抗癌活性的主要來源是糖苷上的羥基和C22位置的順芷酸[11]。另外，皂苷衍生物同樣對人體免疫系統(tǒng)具有調(diào)控作用。Wang P. F.等[28]通過酰胺生成反應(yīng)將末端功能化的側(cè)鏈加入到天然苦瓜皂苷I和苦瓜皂苷II的C3葡萄糖醛酸單元中，制備苦瓜皂苷衍生物，結(jié)果表明這些非天然皂苷側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、三萜核心結(jié)構(gòu)和寡糖結(jié)構(gòu)域共同協(xié)調(diào)了每種皂苷的免疫反應(yīng)增強(qiáng)特性，表現(xiàn)出顯著不同的免疫刺激活性。尤其是改性后的苦瓜皂苷II，能夠有效誘導(dǎo)Th1/Th2免疫的平衡。然而，皂苷具有溶血活性，?；溡桩a(chǎn)生高毒性，這些特性限制了茶皂素作為抗腫瘤輔助劑的使用[29]。目前將茶皂素應(yīng)用于對抗臨床疾病還處于實驗探索階段，研究有待深入。

3 茶皂素的應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

目前，農(nóng)作物栽培中害蟲的防治主要采用合成化學(xué)殺蟲劑，這些殺蟲劑對環(huán)境污染嚴(yán)重。茶皂素因其細(xì)胞毒性在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中可作為生物農(nóng)藥，主要用于殺蟲，且不會造成土壤污染。有研究表明，從油茶種子中提取的茶皂素對昆蟲的毒殺作用效果明顯，能破壞昆蟲表皮的蠟質(zhì)層，導(dǎo)致昆蟲因嚴(yán)重的水分流失而無法存活[30]。同時，從不同植物或相同植物的不同部位中提取茶皂素，其毒殺活性有差異。例如將從茶葉種子提取的茶皂素施加于小菜蛾和蚜蟲，4000 mg/L的茶皂素對小菜蛾的毒殺效果最好，使用96 h后小菜蛾死亡率為80%[31]；從紫花苜蓿根部提取茶皂素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的茶皂素施加22.7 d后，幼蟲累計死亡率為90%，而從紫花苜蓿其他部位提取的茶皂素施加21.2 d后，幼蟲的累計死亡率為60%[32]。油茶餅粕浸出液和油茶餅粕生物有機(jī)肥能防治農(nóng)作物病蟲害，其原理是油茶餅粕中的茶皂素等活性物質(zhì)對昆蟲的生長和發(fā)育具有抑制作用。

3.2 食品領(lǐng)域

茶皂素作為一種天然的抑菌劑，可有效地抑制食品中微生物的活性，從而延長食品保質(zhì)期。從油茶剩余物中提取的同類茶皂素對不同供試菌的抑菌效果存在差異，其對枯草芽孢桿菌和沙門氏菌的抑制效果最好，最小抑菌質(zhì)量濃度為10 g/L。因此將油茶茶皂素用于容易滋生沙門氏菌的鮮肉保鮮中，可有效改善鮮肉的持水性和肉制品品質(zhì)，延長貨架期[33]。茶皂素是一類低毒、環(huán)境友好的天然表面活性劑，可以提高食品與醫(yī)藥類功能成分的溶解性。利用大豆分離蛋白-茶皂素制備復(fù)合乳化劑，其質(zhì)量比為1:2時，可以制備均一穩(wěn)定的山茶油乳液，所得乳液在4,25, 50 ℃的儲存條件下能夠至少穩(wěn)定存在28 d[34]。因此，經(jīng)系列處理后，茶皂素可作為多種食品和飲料的添加劑[5]。考慮到茶皂素可能對非目標(biāo)細(xì)胞存在毒殺性，應(yīng)用于食品領(lǐng)域時，需根據(jù)實際情況控制茶皂素使用量[20]。

3.3 醫(yī)藥領(lǐng)域

皂苷具有優(yōu)異的抗氧化性、抗腫瘤性、降血脂、抗癌、消炎和殺菌等生理特性，因而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域[35]。茶皂素B1和茶皂素B2在10 mol/L濃度下顯著抑制人體肺癌細(xì)胞（A549）的增殖，抑制率分別為94.44%和79.12%[36]。茶皂素A1和A3能保護(hù)胰腺β細(xì)胞系免受高糖損傷，具有降血糖活性[36]。鄧茂等[37]研究發(fā)現(xiàn)，茶皂素可顯著提高水飛薊素的溶解度，其最大溶解度為（0.44±0.018）mmol/L，高于十二烷基硫酸鈉（sodium dodecylsulfate，SDS）和吐溫80（Tween 80，T80）等合成增溶劑的增溶效果。因此，以茶皂素為天然乳化劑制備的藥物輸送系統(tǒng)，能有效增強(qiáng)藥物溶解，提高輸送效率。此外，Xu J.等[38]分別用120, 60, 30 mg/kg的野木瓜總皂苷對小鼠處理7 d，小鼠的空腹血糖水平分別降低36.33%, 32.20%,22.37%。結(jié)果表明，皂苷可以改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素抵抗，是治療2型糖尿病的候選藥物。目前油茶剩余物中茶皂素應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域研究還處于起步階段，茶皂素在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也還處于實驗探索階段，但茶皂素諸多藥理活性使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。

3.4 污染治理

利用茶皂素與重金屬螯合的特性，可將茶皂素用于環(huán)境污染治理。已有研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為15 g/L的甲基-β-環(huán)糊精（methyl-β-cyclodextrin，MCD）和10 g/L的茶皂素是一個有效的試劑組合，能對電子廢棄物污染土壤進(jìn)行修復(fù)，有機(jī)污染物的去除率為93.5%，重金屬的去除率為91.2%[22]。向根系發(fā)達(dá)的蘇丹草土壤中施加茶皂素和氮三乙酸（nitrilotriacetic acid，NTA）可以提高鎳和芘的去除率，促進(jìn)土壤中微生物對有機(jī)污染物的降解[38]。實驗表明，經(jīng)TS-NTA處理后，芘污染的地上部芘濃度提高了20.14%，鎳污染的地上部芘濃度提高了31.97%[39]。Tao Q.等[25]在盆栽試驗中發(fā)現(xiàn)苯并芘降解菌和總皂苷共施時，苯并芘的最大去除率為82.0%，Cd的萃取率為19.5%。茶皂素不但可以有效地吸附重金屬或促進(jìn)其他物質(zhì)對重金屬的吸附，還可以避免常規(guī)污染處理工藝中潛在的環(huán)境污染，因此其在污染治理方面具有較好的價值和潛能。

4 茶皂素在開發(fā)新材料領(lǐng)域的新思路及應(yīng)用潛能分析

目前，茶皂素在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用研究較為廣泛，但用于材料改性及新材料開發(fā)的相關(guān)研究卻鮮有報道。茶皂素是一類兩親性非離子型生物表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)上連有大量羥基，反應(yīng)活性較高，具有抗氧化性和抑菌性，故可嘗試?yán)貌柙硭厝〈呶廴拘缘南鄳?yīng)改性劑，來賦予材料特殊的功能。油茶剩余物中還含有大量活性物質(zhì)未得到充分回收，如纖維素。植物纖維素是一類天然高分子材料，具有成本低、可生物降解性、生物相容性及較好的機(jī)械性能[40-41]等特點，在醫(yī)藥、食品、電子等領(lǐng)域[42-43]得到廣泛應(yīng)用，如納米增強(qiáng)復(fù)合材料[44-46]、柔性電子設(shè)備[47-48]等。綜合纖維素和茶皂素的結(jié)構(gòu)特點，用茶皂素對納米纖維素薄膜進(jìn)行接枝改性（見圖2），制備力學(xué)性能優(yōu)異、可生物降解的、具有抑菌性能的綠色保鮮薄膜。該思路不僅有望實現(xiàn)保鮮薄膜制備的綠色工藝，還可促進(jìn)油茶加工剩余物高值化利用，在提高經(jīng)濟(jì)效益和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)方面都具有十分重要的意義。

圖2 茶皂素改性納米纖維素薄膜原理圖Fig. 2 Principle of tea saponin modified nanocellulose film

制備茶皂素改性納米纖維素薄膜有一系列問題丞待解決：聯(lián)結(jié)劑的選用、茶皂素使用的最佳濃度、工藝過程條件優(yōu)化、新材料性能測試和材料使用過程中可能出現(xiàn)的茶皂素遷移等。茶皂素和纖維素均具有豐富的羥基，選擇合適的聯(lián)結(jié)劑作為中間橋梁，利用聯(lián)結(jié)劑與羥基之間的反應(yīng)，在納米纖維素表面形成手臂分子，再與茶皂素進(jìn)行反應(yīng)，最終將茶皂素接枝在納米纖維素表面，即得茶皂素改性納米纖維素薄膜。接枝反應(yīng)消耗了大量羥基，且接枝的茶皂素體積較大，這造成很大的位阻效應(yīng)，以此推測改性薄膜的機(jī)械性能較未改性的稍有降低。同時，茶皂素的細(xì)胞毒性可能會作用于非目標(biāo)細(xì)胞，故需要考慮茶皂素的遷移問題。因此，茶皂素最適濃度的選擇和工藝優(yōu)化是茶皂素應(yīng)用于新材料開發(fā)有待解決的關(guān)鍵問題?？茖W(xué)合理的實驗設(shè)計可實現(xiàn)茶皂素對納米纖維素的功能改性，獲得具有生物可降解性、抗菌性和抗氧化性的納米纖維素綠色功能包裝材料。

5 結(jié)語

近年來，茶皂素的結(jié)構(gòu)特點、生物活性和應(yīng)用價值等備受關(guān)注，其開發(fā)應(yīng)用前景廣闊。目前，茶皂素的諸多理化特性尚不明晰，大多作用機(jī)理僅僅是宏觀角度的探討；作為一類功能性生物活性成分，茶皂素的應(yīng)用涉及農(nóng)業(yè)、食品、工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，但茶皂素細(xì)胞毒性的傾向性尚不明確，所以在使用過程中要考慮茶皂素對非目標(biāo)細(xì)胞或生物的毒性，合理設(shè)置使用濃度，以免造成意外損害。根據(jù)油茶剩余物中茶皂素和纖維素的結(jié)構(gòu)特點，本文提出了利用茶皂素和纖維素開發(fā)綠色功能包裝材料的思路，以期為綠色保鮮薄膜制備及促進(jìn)油茶剩余物高值化提供參考。