油茶(Camellia oleifera)又名油茶籽油、山茶油,属于山茶科山茶属,为常绿小乔木或灌木,是我国特有的木本食用油料树种。油茶与油棕、油橄榄和椰子并称为世界四大木本食用油料树种,与乌桕、油桐和核桃并称为我国四大木本油料植物[1]。近年来,我国油茶产业发展迅速,2019年种植面积达6 800万亩(1亩≈667 m2),预计到2025年将达到9 000万亩,年产量200万t,产值达到4 000亿元[2]。目前,我国油茶主要分布在长江流域及以南的中亚热带地区、部分热带和北亚热带地区,湖南、江西、广西、浙江等8个省(区)的292个县(市、区)为其核心栽培区[3]。我国栽培的油茶品种较多,主要包括普通油茶、小果油茶、越南油茶、浙江红花油茶、腾冲红花油茶、攸县油茶等,其中以普通油茶的种植面积最大[4]。茶粕是油茶果实榨油后的残留物,因加工工艺不同,一般可制成粉状、颗粒状和饼状,颗粒状的茶粕外观呈紫褐色,含有茶皂素、单宁、生物碱以及少量的黄酮和植酸等天然活性成分。初榨茶粕可进一步提取茶皂素、黄酮、多酚及多糖等活性成分,其提取物可用于制作洗涤剂、护手霜等日化用品,亦可用于医药、农药和饲料添加剂等领域。茶皂素、单宁等抗营养因子,由于动物采食后会产生不良影响,加之目前茶皂素的提取工艺尚未成熟及规模化,因此尚未被充分应用于饲料行业中,但茶粕中的多糖、多酚作为饲料添加剂应用于畜禽生产中已取得了显著的效果。本文就茶粕的营养价值、活性成分的提取工艺以及其在动物生产中的应用进行论述,以期为非常规饲料的开发与利用提供理论指导依据。
1 茶粕的营养价值
表1 茶粕中的主要营养物质和活性成分含量Table 1 Contents of main nutrients and active components in tea seed meal % |
| 项目Items | 含量Content |
|---|---|
| 水分Moisture | 4.92~14.00 |
| 粗蛋白质Crude protein | 14.30~15.00 |
| 粗脂肪Crude fat | 1.78~5.00 |
| 粗纤维Crude fibre | 3.95~6.00 |
| 粗灰分Ash | 5.31~6.00 |
| 茶皂素Tea saponin | 10.00~14.80 |
| 总糖Total sugar | 37.36~40.00 |
| 单宁Tannin | 2.00 |
| 咖啡碱Caffeine | 0.95 |
茶粕加工工艺不同,造成其粗脂肪和粗纤维去除效率存在差异,最终体现在含量上差异较大。茶粕经过反复浸提后,粗脂肪和粗纤维的含量降低,再通过酶解或微生物发酵等方式处理,可使其粗蛋白质含量增加,粗纤维含量进一步降低,茶皂素降解率提高,溶血毒素的作用下降,茶粕的适口性和饲用价值得到改善。
1.1 茶粕脂肪酸
表2 茶油、橄榄油和花生油中主要脂肪酸的含量Table 2 Contents of main fatty acids in tea oil, olive oil and peanut oil[7-8] % |
| 脂肪酸Fatty acids | 茶油Camellia oil | 橄榄油Olive oil | 花生油Peanut oil |
|---|---|---|---|
| 亚麻酸LA (C18∶3) | 0.5~0.8 | 0.3~1.3 | 0.12~0.18 |
| 亚油酸LA (C18∶2) | 8.0~10.5 | 3.3~17.7 | 13.5~39.0 |
| 油酸OA (C18∶1) | 75.0~81.9 | 65.8~84.9 | 39.5~67.4 |
| 硬脂酸SA (C18∶0) | 1.0~1.8 | 1.0~3.0 | 3.0~3.5 |
| 棕榈油PA (C16∶0) | 8.0~11.7 | 7.6~13.0 | 7.4~11.2 |
1.2 茶粕蛋白
茶粕中粗蛋白质含量可达14.3%,富含17种氨基酸,其中8种必需氨基酸的总含量占总氨基酸的25.9%(211.9 mg/g),低于联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)给出的参考标准(360 mg/g)。茶粕蛋白的必需氨基酸中赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的含量分别为33.8、22.2、8.5 mg/g,色氨酸含量最丰富,是标准评价模式的2.27倍,因此茶粕可以充当色氨酸营养补充剂应用在生产中[7]。茶粕中各氨基酸的含量不均衡,经发酵处理或补充一些限制性氨基酸,可作为一种蛋白质饲料原料应用在生产中[9]。不同的工艺处理可使茶粕蛋白发生功能改变。Yao等[10]利用氧化氢脱色对茶粕蛋白进行结构和物理性质变化的测试,通过显微镜结构和红外光谱分析得知,脱色后的茶粕蛋白降低了起泡性、乳化性,提高了持水力;茶粕蛋白性质发生了改变,但茶粕蛋白的结构没有变化。茶粕蛋白具有较高的吸油性和乳化性[11],可以作为一种蛋白质强化剂或发酵产品中的蛋白质原料,拥有广阔的应用前景。表3展示了茶粕蛋白的氨基酸组成[7]。
表3 茶粕蛋白的氨基酸组成Table 3 Amino acid composition of protein in tea seed meal[7]mg/g |
| 必需氨基酸 Essential amino acids | 含量 Content | 非必需氨基酸 Non-essential amino acids | 含量 Content |
|---|---|---|---|
| 精氨酸Arg | 123.5 | 丙氨酸Ala | 36.7 |
| 组氨酸His | 5.3 | 天冬氨酸Asp | 67.4 |
| 异亮氨酸Ile | 18.9 | 半胱氨酸Cys | 295.4 |
| 亮氨酸Leu | 45.1 | 谷氨酸Glu | 31.5 |
| 赖氨酸Lys | 33.8 | 甘氨酸Gly | 21.7 |
| 蛋氨酸Met | 22.2 | 丝氨酸Ser | 15.2 |
| 色氨酸Trp | 22.7 | 酪氨酸Tyr | 23.5 |
| 苯丙氨酸Phe | 22.2 | 脯氨酸Pro | 24.3 |
| 苏氨酸Thr | 8.5 | ||
| 缬氨酸Val | 24.3 |
2 茶粕中的活性成分
2.1 茶皂素
茶皂素是一种三萜类皂苷,为天然非离子型表面活性剂,具有较好的乳化、发泡、去污性。历史上第1次分离出茶皂素是在1931年,在此后的40年先后开展了对茶皂素的分离提纯、结构鉴定和理化性质等方面的研究。20世纪70年代末,柳荣祥等[12]研究了茶皂素的工业提取技术,为茶皂素的生产应用提供了理论依据。目前已知茶皂素是一种具有溶血毒性的活性物质,其溶血指数为0.1×106,但茶皂素的溶血毒素仅对血红细胞起作用,其引起溶血的机制是改变胆固醇的细胞膜通透性。
目前,茶皂素的应用方向主要有3个:1)作为农药加以使用。茶皂素对鱼的毒性很大,可溶解鱼的活细胞,茶皂素对鱼的半致死剂量(LD50)达3.8 mg/L,因此多用于杀鱼清塘。Cui等[13]使用AB-8大孔树脂和乙醇梯度洗脱法从油茶种子中提取不同纯度的茶皂素提取物,以茶园鳞翅目害虫斜纹夜蛾为研究对象,通过接触毒性试验和胃毒性试验评价茶皂素提取物的杀虫效果,结果证明,茶皂素可以破坏表皮的蜡质层,造成严重的水分流失,并能穿透斜纹夜蛾的肠道内部,食用茶皂素后,肠绒毛缩短,肠壁空腔被破坏,导致幼虫死亡。2)作为化学原料应用于日用化工领域。茶皂素因具有表面活性大,亲水、亲油性好,表面张力小,湿润性强等优点,故而可作为洗涤剂、乳化剂、发泡剂及湿润剂的重要成分之一。3)作为饲料添加剂饲喂畜禽。Li等[14]使用MTT法和台盼蓝染色法评价细胞培养中茶籽皂素对猪繁殖与呼吸综合征病毒(porcine reproductive and respiratory syndrome virus,PRRSV)的细胞毒性和抗病毒能力,结果表明,茶籽皂素具有体外抗PRRSV活性,可作为一种潜在对PRRSV进行预防和控制的抗病毒药物。Chi等[15]研究了茶皂素对环磷酰胺诱导鸡发生的氧化应激的反应,该试验将120只鸡分为5组,其中3、4组肌肉注射环磷酰胺诱导氧化应激和免疫抑制,2、4组用茶皂素饮水灌胃7 d,1~4组用新城疫病毒和传染性支气管炎病毒二价活疫苗免疫。结果表明,茶皂素对鸡具有抗氧化活性,可增强免疫反应,且对鸡没有副作用,由此推测茶皂素可能是一种潜在的改善氧化应激所致免疫抑制的药物。Wang等[16]将20头泌乳期荷斯坦奶牛随机均分为4组,分别添加0、20、30、40 g/(d·头)茶皂素,经过2周的适应期和6周的治疗期得到奶牛的产奶性能、血液免疫功能及乳脂肪酸数据,结果表明,饲粮中添加30 g/(d·头)的茶皂素饲喂6周后具有减轻氧化应激、提高免疫力等效果。此外,在杜泊母羊饲粮中添加茶皂素可以增加氮排放量、减少甲烷排放量[17]。茶皂素作为一种活性物质,其在生产中应用广泛,同时现阶段茶粕主要也是用作提取茶皂素,这表明提皂后的茶粕二次加工利用拥有巨大潜力。
2.2 多糖
茶粕多糖主要由甘露糖(30.06%)、半乳糖(22.92%)、阿拉伯糖(18.17%)、鼠李糖(11.39%)、葡萄糖(11.26%)和木糖(6.22%)等6种单糖组成,平均相对分子质量为2 000[18]。Shen等[19]使用热水浸提法、超声波浸提法、酶浸提法和碱浸提法从茶籽饼中提取出4种多糖(COP-H、COP-U、COP-E和COP-A),分别对它们进行结构特征和抗氧化活性测定,结果表明,4种多糖的结构特征和分子质量不同,分子比例存在显著差异,但4种多糖的单糖组成一样;在抗氧化方面,4种多糖均显示出浓度依赖性的抗氧化活性,COP-E对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基、羟自由基和超氧阴离子自由基具有较高的清除活性。上述试验结果表明,茶籽饼多糖具有作为抗氧化剂的潜力。Xu等[20]采用超滤分离法从茶籽饼粕中提取出4种分子质量不同的多糖(COP-1、COP-2、COP-3、COP-4)并对它们进行抗氧化活性测试,结果表明,4种茶粕多糖都具有抗氧化活性,COP-1的金属螯合能力最强,COP-2对自由基的清除能力最高,COP-4的分子质量最高。Jin等[21]使用乙醇浸提法从茶籽饼中提取出粗多糖,并研究了该茶籽饼多糖对超氧阴离子自由基和羟自由基的体外清除作用,然后以秀丽隐杆线虫为模型动物,研究了茶籽饼多糖对体内抗氧化酶活性、脂质过氧化水平和超氧化物介导的百草枯毒性的影响,最后使用小鼠测定其抗肿瘤活性和铁螯合能力,结果表明,该茶籽饼多糖在体内、体外均有抗氧化活性,对秀丽线虫各指标均有作用,当其浓度达到40 mg/kg时,对小鼠的抗肿瘤率为85.6%,具有显著的抗肿瘤效果。胡贵丽等[22]研究了饲粮中添加茶籽多糖和博落回生物碱对黄羽肉鸡肠道菌群的影响,结果显示,饲粮中添加茶籽多糖和博落回生物碱均能够改善黄羽肉鸡的空肠形态结构,其作用效果与抗生素相当;茶籽多糖和博落回生物碱联合使用与单独添加均能显著增加空肠内容物中乳酸杆菌数量,且效果均优于抗生素,说明茶籽多糖和博落回生物碱均能替代抗生素。
2.3 多肽
多肽是一种可被动物消化道直接吸收利用的小分子,在酸性和碱性条件下均具有较大的溶解性和持水力,在碱性条件下具有良好的热稳定性和冷冻储存稳定性[23]。多肽具有较强的生理活性,且在体内的半衰期较短,分解利用较快。机体内的各个器官和组织中都存在活性多肽,特定的多肽可调节细胞的生理功能,改善机体的心血管及植物性神经功能,并具有促进器官和组织吸收和利用营养物质、抗病菌和抗病毒等功效[24]。龚吉军[25]构建了小白鼠致毒模型,使用不同浓度梯度的茶粕多肽开展小白鼠体内抗氧化试验,结果表明,中、高剂量组的小鼠肝脏中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)与谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)活性显著提高,这表明茶粕多肽具有良好的抗氧化活性;茶粕中的蛋白质可被碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶水解成小分子的多肽,这些多肽可通过抑制血管紧张素转换酶(angiotensin-converting enzyme,ACE)来调节肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system,RAS)和激肽释放酶-激肽系统(kallikrein-kinin system,KKS),促进血管舒张,从而拥有降血压的生理活性。
2.4 其他活性成分
茶粕中还含有多酚、黄酮等活性成分。多酚可作为药用成分,具有提高机体抵抗力、清除自由基及延缓衰老等功能。曹耀强等[26]分别使用异丙醇、正己烷、乙醚等3种溶剂提取油茶饼中的酚类化合物,并通过开展体外抗氧化试验发现,油茶饼中的酚类化合物对DPPH的清除率可达20%,对羟基自由基的清除率可达55%,对二价铁离子(Fe2+)的络合能力可达27%,还原力为0.18,对超氧阴离子的清除率可达71%,经这3种不同溶剂处理后得到的酚类提取物都表现出了显著的体外抗氧化能力。茶粕中的2种山奈酚活性物质对DPPH自由基具有高效的清除作用,还能保护血管内皮细胞不受过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)的氧化损伤[27]。此外,使用多元醇溶剂从茶粕中提取的多酚物质制备的防晒霜,可以降低紫外线(ultraviolet,UV)的吸收量,增加对UVA(长波紫外线)和UVB(中波紫外线)的防护能力[28]。
3 茶粕的脱皂工艺
表4 茶皂素的提取方法Table 4 Extraction method of tea saponin |
| 项目 Items | 工艺流程 Technological process | 优点 Advantages | 缺点 Disadvantages | 案例 Examples | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|---|
| 物理浸提取法 Physical extraction method | 茶籽饼经粉碎后,用热水浸提 一段时间,经过滤分离后得到 的提取液经浓缩、富集后得 到高浓度的皂素液,最终经干 燥处理得到茶皂素 | 所用设备较少、生产流程简单、 提取成本较低;茶皂素的水溶 性极好,此法在生产中已 得到大规模地应用 | 需要大量的水来处理,且易造 成茶粕淀粉糊化和蛋白质胶体 化;茶皂素的浓缩、干燥时间较 长,提取的茶皂素存在浓度偏低、 颜色较深等问题,经济效益低 | 设定浸提温度分别为40、50、60、 70、80 ℃时,得出在浸提温度 为70 ℃时茶皂素从茶粕中的分解 量为最高,在浸提温度为40~70 ℃ 时,茶皂素的分解量随温度的 升高而提高,当高于70 ℃时,茶皂 素水解效果受到抑制,分解量降低 | 唐鹏程 等[33] |
| 化学溶剂浸提法 Chemical solvent extraction method | 乙醇法:茶粕粉碎→脱脂→ 乙醇低温浸提→过滤分离 (废渣丢弃)→收集提取液→ 长管蒸发器→浓缩→高浓度 皂素液→干燥→茶皂素 | 用乙醇提取的茶皂素具有纯度、 提取率高、产品结构稳定等优 点,是目前工业上常用的 有机溶剂浸提剂 | 生产中大量使用有机溶剂容 易产生环境污染,且毒性 比较高、沸点低、易燃,对生 产设备和加工环境要求高 | 将茶粕粉碎脱脂,使用不同 浓度的乙醇浸提,确定了乙醇 浓度在76%、浸提温度81 ℃、 时间4 h、固液比1∶11时, 提取率为21.5% | 赵文净 等[34]、 孙万里[35] |
| 超声波辅助 提取法 Ultrasonic assisted extraction method | 茶粕粉碎→脱脂→超声波辅助 热水提取→离心分离(滤渣进一 步加工)→茶皂素提取液(添加 絮凝剂)→离心分离→ 蒸发干燥→茶皂素 | 减少了浸提时间,降低能耗, 提高茶皂素的提取率 | 固定资产投入大,超声 波会使人感觉不适 | 使用正交试验进行茶皂素超声 波辅助乙醇提取最佳工艺:乙 醇浓度90%、温度40 ℃、 时间40 min、料液比1∶9, 得率最高为90% | Wu 等[36] |
| 微波辅助提取法 Microwave-assisted extraction method | 茶粕粉碎→浸提→微波提 取→离心分离(残渣进一 步加工)→蒸发干燥→ 茶皂素 | 缩短了浸提时间,能够将大 部分茶皂素提取出来,极大地 提高了生产效率,节约了浸 提溶剂,资源利用率进一步提高, 经济潜力巨大 | 辐射过大和前期设备投资高, 规模化生产后产量受 设备制约 | 使用单因素试验,固定参数: 微波功率400 W、时间4 min、 温度60 ℃、料液比1∶10及 乙醇浓度70%,得率最高 可达90% | He等[37] |
4 茶粕在动物生产中的应用
4.1 在猪生产中的应用
茶粕提取后残留的多糖、多酚等活性成分在一定程度上有维护和改善猪肠道健康的功效。茶皂素有利于改善哺乳仔猪的肠道功能,促进哺乳仔猪肠道对养分的消化与吸收。此外,茶皂素具有较强的抑菌活性,可调节肠道菌群,改善肠道健康,增强猪只的抗病能力。茶粕中的单宁可增强断奶仔猪肠道中消化酶的活性,促进其对饲粮中营养物质的消化与吸收,进而提高其生长性能;同时,茶粕中的单宁作为一种典型的多酚类物质,自身具备较强的抗氧化能力,作为饲料添加剂可以提高断奶仔猪抗氧化应激的能力,降低仔猪腹泻率[42]。茶粕中的多糖作为一种活性成分,在茶皂素提取加工环节得以保留,作为饲料添加剂补充在饲粮中可促进猪只生长。李学军等[43]在生长猪饲粮中添加600 mg/kg茶籽多糖,猪的平均日增重提高了4.7%,平均日采食量提高了4.5%,料重比降低了4.2%,血清SOD活性提高了9.9%,丙二醛(malondialdehyde,MDA)降低了4.8%,表明茶籽多糖可以改善生长猪的生长性能,增强机体抗氧化能力和免疫力。Wang等[44]在断奶仔猪饲粮中添加500 mg/kg茶粕提取物糖硫萜烯素,仔猪肝脏GSH-Px活性升高。
4.2 在反刍动物生产中的应用
卫洋洋[45]在荷斯坦奶牛饲粮中添加发酵茶粕替代15%、30%、45%的豆粕,结果显示,与对照组相比,发酵茶粕组荷斯坦奶牛的产奶量、乳脂率和乳糖率显著提高,乳蛋白率极显著提高,表明发酵茶粕可显著提升泌乳期奶牛的生产性能。
4.3 在家禽生产中的应用
4.4 在水产养殖中的应用
茶粕在水产养殖行业中应用较广。茶粕不仅可以用于鱼清塘、灭螺,还可以按一定的比例添加在鱼饲料中。周江等[48]将茶粕按10%~15%的比例添加至罗非鱼饲料中,罗非鱼的成活率在90%以上,与对照组相比,15%茶粕组罗非鱼的增重率提高了58.56%,随着茶粕添加比例的提高,罗非鱼的肌肉粗蛋白质和鱼体粗脂肪含量均有所增加,其原理可能是茶粕中低剂量(10%)的茶皂素改善了罗非鱼体内的酶活系统,提高了罗非鱼的生长性能,增强了其机体免疫力。
5 小结
我国拥有丰富的油茶资源,茶粕资源的高效开发与利用可有效缓解国内饲料原料短缺的压力。茶粕的营养价值较高,但因其所含有的茶皂素具有溶血毒性且适口性差等特点,目前尚未被广泛应用于饲料行业。今后应加强茶粕在畜禽生产中的应用研究,为其在畜禽生产中的应用提供理论依据。此外,茶粕提取物与其他生物活性物质和营养素配伍是否可以发挥协同作用,也需要进一步研究。