【】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
(ECG )>表倍儿茶素　酸酯(EGCG )>表　儿茶素(EGC )>没食子酸(GA )>表儿茶素～儿茶素。

单宁的聚合程度越大,酚羟基个数越多,对自由基的抑制也就越强。

现代实验表明,过剩的自由基是诱发组织器官老化和多种老化疾病的一种重要因素。

以茶多酚为代表的植物单宁因其强清除氧自由基的作用,能对自由基诱发的生物大分子损伤起到保护,维护细胞膜的流动和蛋白质的构象,防止辐射诱发的DNA 断裂(可能插入碱基对平面),从而在抑制脂质过氧化、心血管病、抗癌、抗突变、抗衰老、抗白内障等方面有独到功效[15]。

3　植物单宁与金属离子的作用
植物单宁分子内有多个邻位酚羟基,可作为多基配体与一个中心离子,如铅、锡、铋、锌、汞、铁、铜络合,形成环状的螯合物,在不同的pH 值下发生沉淀。

所形成的螯合物一般有颜色。

作为这一性质的应用,单宁2金属反应的研究重点目前多在络合鞣剂和染料,金属抗锈涂料,水处理剂和农药等方面。

单宁与重金属离子的反应,在络合的同时,常常发生氧化还原反应,使高价的金属离子如C r 6+,Cu 2+,Fe 3+还原成C r 3+.Cu +,Fe 2+,自身氧化成醌。

反应时溶液的pH 值不同,配位的方式也有所不同。

此外,还与金属离子发生静电作用,所以多酚与重金属的络合是一个复杂的反应。

Gu st [16]用M ¨
o ssbauer (穆斯堡尔)光谱仪对单宁与Fe 3+的络合作了详尽的研究。

其结果表明单宁以一个离子态的氧负离子及一个酚羟基与铁络合,或以二个离子态的氧负离子与铁络合,形成二价或一价的正络离子。

在酸性状态,形成的是一配基络合物,在pH 4～6之间形成二配基络合物,在碱性状态下才能形成三配基络合物[17,18]。

图4　单宁-Fe 3+络合物结构示意图各种碱族和碱土族金属离子都能使单宁的溶解度降低,对
于周期表中的同类金属元素(L i 2K ,M g 2B a )金属活性越强,促使
单宁的溶解度降低越明显。

石碧[19]的研究表明,这类金属离子
一般并未与单宁发生络合反应,而是静电作用。

但Ca 2+是个例
外,它能与单宁生成溶于水的络合物,这可能与其电荷数和原子
半径两方面的因素有关。

在利用植物单宁作为锅炉水处理剂时,
正是利用这一性质,一方面单宁对形成锅垢的钙盐起螯合作用,
能防上钙盐的沉积;另一方面单宁能与锅炉的钢材表面的氧化
铁膜结合,形成一种起到保护作用的Fe 2O 3的单宁酸铁络合物,
使钢材表面硬化,抑制钢材被进一步腐蚀[20]。

单宁与金属离子的作用研究在营养学和药理学上也有重要意义。

食物中的单宁
影响到人体对钙、铁离子的吸收[21];单宁酸与细胞外或组织外的钙离子的络合,可拮抗平滑肌和心肌钙诱导的收缩,降低血压[22]。

4　结语
综上所述,植物单宁引起了越来越多科研领域的关注,其研究工作及成果相信对我们有启发和指导意义。

值得指出的是,从单宁的化学结构来看,因有多个活泼位置的存在,如除了它们共同的酚羟基以外,水解单宁的酯键、甙键,缩合单宁的亲电性的C 26、C 28位,可以发生多种化学反应。

常用的反应有亚硫酸化和磺化、降解、酚醛缩合反应、曼尼希反应、醚化、酯化、酰化、偶联化等。

利用这些反应可以进一步改善和扩展植物单宁的性质,从而满足更广泛领域实际应用的需要。

如固化单宁即是利用上述反应获得的一类在分离和分析化学中具有重要应用价值的新型含单宁的功能性高分子
材料,可用于酶的固化、蛋白质,或制备生物碱亲合膜和亲水性超滤膜、也可用于从海水或废水中提取浓缩稀有金属元素等等[23]。

又如用醛改性的单宁可生成耐高温亲水性凝胶,在300℃包含9倍量的水,保持13天内不失水,对封堵蒸汽采油油藏的高渗透层具有良好效果[24]。

可以相信,作为具有广阔应用前景的可再生绿色资源的植物单宁,一定会被人类更好地开发和利用。

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