【】植物单宁化学研究进展

进展评述植物单宁化学研究进展

狄　莹　石　碧3

(四川联合大学皮革工程国家专业实验室　成都　610065)

狄　莹　女,25岁,博士研究生,从事植物单宁化学的研究。　3联系人

国家自然科学基金(29576252)、国家教委博士点基金(9561005)资助项目　1997-08-28收稿

摘　要　介绍了当前国内外对植物单宁化学的研究工作新进展,特别对单宁2蛋白质、单宁2金属离

子、单宁2自由基反应机理等化学理论进行了论述,同时对单宁的药理和其它重要研究方向的应用价值作了简介。

关键词　植物多酚　植物单宁　天然产物化学

植物单宁(V egetab le T ann in ),又称植物多酚(P lan t po lyp heno l ),是一类广泛存在于植物体内的多元酚化合物。单宁资源丰富,是产量仅次于纤维素、木质素、半纤维素的林副产品[1]。作为皮革的一种传统鞣剂,单宁一般指的是分子量为500～3000的多酚。但是目前随其应用范围的扩大(如在食品、医药、生化等领域),涵义有所扩大,包括了相关低分子量多酚。从化学结构看,单宁可以分为水解类和缩合类两大类型。前者是　酸及其衍生物与葡萄糖或多元醇主要通过酯键形成的化合物,如五　子、橡碗单宁;后者是以黄烷232醇为基本结构单元的缩合物,如落叶松、黑荆树和坚木的树皮以及茶叶中所含单宁

。

图1　单宁的化学结构示意图

(左:水解类单宁　右:缩合类单宁)

植物单宁的多元酚结构赋予它一系列独特的化学性质,如能与蛋白质、生物碱、多糖结构,使其物理、化学行为发生变化;能与多种金属离子发生络合或静电作用;具有还原性和捕捉自由基的活性;具有两亲结构和诸多衍生化反应活性等等。单宁所具有的多种生理活性,如止血、抑制微生物、抗过敏、抗突变、抗癌、抗肿瘤、抗衰老等等正是这些基本化学性质的综合体现。

近十多年来,这类天然产物的性质和应用引起了国内外更广泛的关注。植物单宁化学已成为跨学科的研究课题,林业、农业、医药、食品、材料、化工、环境等学科领域均有学者从不同角度开展了植物单宁的基础和应用研究,使其不断获得新的高附加值利用途径。本文将着重阐述目前有关单宁化学的几个重要研究方向及其进展。

1　植物单宁与蛋白质、生物碱、多糖的结合

单宁与蛋白质的结合是其最重要的特征。单宁与水溶性蛋白质结合,使其沉淀出来,如对唾液蛋白的结合达到一定程度时,令人产生涩味的感觉;对不溶于水的蛋白质,如对胶原纤维的结合,则使其化学稳定性、物理稳定性增加,起到鞣制作用。单宁与蛋白质结合的能力称之为收敛性或涩性。目前从这个角度对单宁进行研究的主要有制革,生物材料,药学,营养学,食品和饲料等学科领域。

早在1803年,D avy就发现单宁与蛋白质的可逆结合现象。但是直到80年代单宁的分离分析技术发展以后,才有可能从分子结构水平上研究它与蛋白质的结合机理。单宁沉淀蛋白质基本上是一个表面现象,在蛋白质等电点沉淀最多[2],反应可以分为两步。首先是单宁在单个蛋白质分子表面的结合,再在多个蛋白质分子间形成交联,从而凝聚乃至沉淀[3]。

早期研究认为,单宁与蛋白质结合的主要形式为氢键。单宁的大量酚羟基与蛋白质主链的肽基N H CO,侧链上的OH、N H2以及COOH以氢键的形式多点结合。然而深入研究表明,虽然单宁对于蛋白质都有结合能力,但是仍然具有选择性,体现在不同的单宁对于不同的蛋白质的亲和力差异上。A squ ith[4]认为对单宁亲和性高的蛋白质的特征为:分子量较大,结构开放松散,脯氨酸或其它疏水性氨基酸含量较高。这就表明多酚2蛋白质结合形式不只是氢键形式。石碧[5]在考察了甘氨酸,丙氨酸,缬氨酸,亮氨酸和脯氨酸等一系列氨基酸对水解类单宁亲水性的影响之后,证实了氨基酸脂肪基越大,疏水性越强,与单宁的结合越好,从而说明了在单宁2蛋白质反应中疏水键也是一种重要的形式。对水解单宁而言,只有分子中含4个以上的　酰基时才能具备沉淀蛋白质的能力。这不仅说明单宁2蛋白质反应中对单宁分子量的要求,也说明结合能力取决于单宁分子中的　酰基的数量。　酰基同时起到提供氢键和疏水键的作用。

进一步研究表明单宁2蛋白质结合是分子识别的典型例子。要考虑作为供体的多酚和作为受体

图2　单宁(多酚)2蛋白质反应机理

的蛋白质的分子组成、结构和构型,也要考虑到它们的协同作用。H aslam 等认为,可用“手2手套”(H and 2in 2Glove )模型来说明此反应。蛋白质分子中疏水基团较集中的部位构成“疏水袋”,单宁分子进入“疏水袋”中并通过氢键加强结合。因此影响单宁与蛋白质结合的因素有:单宁的分子尺寸,分子量大于500时产生较牢固的结合;单宁的酚羟基和疏水基数量多者结合强;具有柔性的分子构型者结合强;水溶性低者结合强。因此水解单宁的收敛性与其所含疏水基多少有直接的关系,缩合单宁则与其聚合程度有关,往往前者的收敛性大于后者。

图3　单宁2生物碱反应机理单宁与生物碱(如咖啡因)和多糖(如纤维素,环糊精)

也可发生与单宁2蛋白质结合相似的复合反应。这三种复

合反应稳定常数之间存在一定对应关系,都可用单宁的收

敛性表征。对此三类物质复合反应的研究结果初步揭示了

单宁对核酸(DNA 、RNA )或生物膜等生物大分子的作用

机理。可以认为收敛性是单宁多种生理活性的基础。传统

草药虎仗、四季青用于创伤面保护和局部止血[6],不仅因

为其活性成分单宁对蛋白质的收敛性,而且因为它对于大

部分酶的抑制作用。M iyam o to [7]分析了单宁的结构及其

抗肿瘤之间的关系,发现含　酰基最多的结构具有最强的

活性,表明了单宁的抗肿瘤活性与其收敛性的相关性。对

艾滋病病毒H I V 的抗性研究也得到类似的结果。2　植物单宁的抗氧化性

植物单宁的酚羟基,尤其邻位酚羟基(邻苯二酚,邻苯三酚)容易被氧化,在有酶、空气、水分的条件下氧化加快,表现为颜色加深。在pH 215时氧化较慢,pH 高于315时已较易发生氧化,尤其在碱性条件下氧化速度大大加快。低分子量的茶单宁(茶多酚,T P )和水解单宁的降解物没食子酸作为天然抗氧化剂已经大量用于食品保存,作用强而毒性低[8]。分子量较大的单宁的抗氧化性远较茶多酚和没食子酸强。单宁与V E 、V C 具有协同的抗氧化作用。目前,除了食品以外,植物单宁的抗氧化性在药理学、金属表面化学、高分子合成化学、电化学等领域也受到重视。

表1　单宁2自由基反应平衡常数反应平衡常数

T +N ・3

　K T ・K =4×109T +O ・-2　K

T ・-K =6×105T +1O 2

　K T ・-K =2×108T +・V C K 1　

K 2・++V c -K 1=3×10

5K 2=3×104

T ——植物单宁;V c ——V ltam ine C 单宁的抗氧化性体现在两个方面,一方面通过还原反应降低环境中的氧含量,另一方面则是通过作为氢供体释放出氢与环境中的自由基结合,中止自由基引发的链锁反应,从而阻止氧化过程的继续传递和进行。这就意味着单宁具有很强的清除自由基的能力[9,10]。单宁类与维生素C 和维生素E (V C 和V E )的协同抗氧化效应,一般认为是它们能与促进氧化反应的金属离子螯合使之钝化,也可认为单宁与V C 和V E 之间可以互相再生[11]。表1列举了植物单宁(T )与某些自由基和单线态氧

的反应常数(与英荷利华联合公司交流资料)。实际上,单宁对于超氧自由基(O ・2,HO ・2)和羟自由基(・OH ,・OOH )、单线态氧(1O 2)、臭氧和过氧化氢(O 3,H 2O 2),硝氧基(NO ・2)等多种活性氧和脂质过氧化自由基(ROO ・、R ・)等具有广谱清除能力[12,13]。 N ida Salah 等[14]采用电子自旋共振法(ESR )测定了茶多酚中几种成分在水溶液中对脂质过氧化残基的清除能力,表儿茶素　酸酯