北京林业大学教授蒋建新，南京野生植物研究院院长、博士生导师张卫明在中国皂荚产业化项目推广发布会的学术报告--皂荚资源化学研究进展及齐开发利用前景
　

(蒋建新副教授、张卫明研究员)

一.皂荚资源研究利用简要概况
二.皂荚多糖胶的研究与利用
三.皂荚皂素的研究与利用
四.皂荚其他有效成分的开发利用
五.皂荚资源产业化的前期基础工作
六.皂荚资源产业化过程中需关注的几个问题

    一.皂荚资源研究利用简要概况

    皂荚（Gleditsia sinensis)豆科皂荚属植物，又名皂角、台树、悬刀，在我国有着广泛的分布。种子可食用，亦作药用，可祛痰、利尿、和血、润肺；皂刺用作中药材；果、叶可用于洗涤日化行业。由于皂荚为多用途的经济树种,自20世纪90年代中期以来，南京野生植物研究院、中国林业科学研究院、北京开元药材种植有限公司以及山东农业大学等单位开展了从皂荚树良种选育、育苗技术、资源化学组成、有效成分分离、生产工艺技术、到产品深加工与应用技术等一系列的研究实验工作。皂荚树中可持续利用的经济器官包括皂荚的种子、果肉、皂刺、树叶等。

    由皂荚经济器官通过加工、深加工可制备得到的产品有：皂荚多糖胶、皂荚功能性低聚糖、皂荚凝胶多糖、有机蛋白质、皂荚皂素、皂荚胶合板、叶蛋白饲料、抗肿瘤药物中间体等。

    皂荚类系列产品可以应用于以下相关行业：食品、保健食品、造纸、纺织、医药、采油、化妆品、洗涤用品、生物农药、皮革、电镀、饲料、木材加工等。

    目前，皂荚资源的主要化学成分已经探明，主要产品的加工利用工艺技术和装备也已成熟，规模化种植基地开始形成，深加工产品的应用技术和应用领域正在不断拓宽，皂荚资源产业将要形成。皂荚资源综合利用与高效利用流程示意图如下：

    

    二、皂荚多糖胶的研究与应用

    （一）皂荚多糖胶用途日益扩大，市场需求量迅猛增加，其他产品难以替代。

    植物多糖胶是国际大宗工业原料，年总产量超过100万吨，年贸易额逾50亿美圆，我国2004年进口量约10万吨。植物多糖胶具有一般多糖的功能特性，同时又因其独特的流变性质被广泛用作增稠剂、稳定剂、胶凝剂、絮凝剂等应用于食品医药、石油钻采、纸浆造纸、兵工炸药等行业。预测未来5年内，我国对植物多糖胶的需求量年递增10%以上。

    植物多糖胶的共同特点是在低浓度下（＜1%）形成高粘度的的水溶液，溶液呈现假塑性流体特性。胶液加热时可逆地稀化且当升高的温度被保持时，又随时间不可逆的降解，溶液的表观粘度将随切变速度的增加而急剧下降，然后趋于稳定并接近最低极限值。此外，植物多糖胶还具有降血糖、降血脂、抗辐射、润肠减肥、与微生物多糖形成凝胶等特性。多种功能于一体的天然多糖胶决定了其不可替代的地位，有关研究合成高分子或微生物多糖代替植物多糖胶的工作均未有实质性突破。

    （二）随着经济发展和环境保护的双重需要，木本多糖胶资源将会大力发展

    近几年来，在植物多糖胶的生产量中，草本植物多糖胶生产量约占60%，而草本植物胶原料的种植需要站用大量耕地。不仅如此，受天气、种植条件和政治等多因素的影响，草本植物多糖胶资源一直很不稳定，严重影响着相关行业的稳定发展。

    我国木本多糖胶资源发展迅速，并初步形成了资源基地。皂荚、野皂荚等木本植物根系发达，耐旱，耐热，抗寒，抗污染 ，抗逆性强，能较好地改良土壤，是营造水土保持林、防风固沙林的优良生态树种。木本种子中多糖胶含量丰富，木本多糖胶资源的开发利用将促进生态与经济的协调发展。随着经济发展和环境保护的双重需要，木本多糖胶资源将会进一步得到大力发展，木本多糖胶也将在植物多糖胶的生产总量中占据主导地位。

    （三）提高行业技术水平，尽快实现植物胶国产化

    细胞显微结构研究表明，多糖胶聚集在细胞内表面，外表面是一层难溶于水的物质。细胞与水结合时，细胞内的胶不能充分溶于水，因而由内胚乳直接制粉所得的胶粘度偏低。如果设法在制粉之前打破细胞壁，使细胞内的胶充分释放出，则胶的粘度和水性化便可提高。目前，还没有与此相关的工业化处理技术。为提高产品档次，增强产品的市场竞争力，亟待开发适合植物多糖胶的物理增粘工艺和装备。

    酶法分子修饰因齐高度的的专一性、高效性以及反应条件和过程易于控制，无副反应等，在多糖结构分子修饰中已逐渐受到重视。实验证明，用酶水解多糖可得到分子量比较均一的产物，而且由于特定的酶能作用特定的糖苷键，可以得到糖苷键专一性高的理想的分子量片段。多糖胶酶法改性产品的开发应用将进一步提高木本多糖胶资源的增值幅度。

    （四）皂荚种子组成及多糖胶性质研究表明，皂荚是理想的植物多糖胶资源

    皂荚种子中蛋白质含量为15.4%，内胚乳占种子组成的37.8%，内胚乳中聚糖含量为68.6%，皂荚种子资源是可供工业化开发的植物胶资源；通过GC、PC、IR及HNMR分析多糖结构，半乳糖与甘露糖配比为1:2.5，主链是以 β-（1，4）-苷键连接的D-吡喃甘露糖，支链是以α-（1，6）-苷键连接的D-吡喃半乳糖；皂荚胶1%的水溶液表观粘度达274mPa·s(30℃，170S-1），大于瓜尔胶，皂荚胶将有可能成为高效增稠剂应用于食品、纺织、造纸和采油等行业；皂荚粘度随浓度升高而升高，随pH值的降低而有所降低，皂荚胶的自然抗生物降解能力高于瓜尔胶，因而皂荚胶表现出比瓜尔胶更高的稳定性。皂荚种子氨基酸组成以及脂肪酸组成分析表明，种子脂肪酸组成中不饱和脂肪酸大于84%，其中亚油酸含量最高（＞66.5），亚油酸是维持哺乳动物正常生长所必需的而体内又不能合成的脂肪酸。种子蛋白质含有人体不能合成而必需的氨基酸，其中谷氨酸、天冬氨酸和精氨酸等含量较高，分离提胶后的种子剩余物中含有丰富的蛋白质。

    皂荚生长过程中，无农药化肥污染，因此种子符合“有机农业”的生长条件，可以进一步开发成有机食品或有机食品添加剂。有机食品的原料必须来自有机农业生产体系，或采用有机方式采集的野生天然产品；有机食品的整个加工过程必须严格遵循有机食品的生产、加工、包装、储藏、运输标准，在生产过程中绝对禁止使用任何化学人工合成物。种子制胶过程是纯物理分离过程，符合有机食品加工要求，采用气流分级法从制胶种子副产物中分离纯度较高的蛋白质，也不需要使用或添加任何人工合成的化学物质。因此，从制胶后的种子副产品中有望开发出增值幅度较大的“有机”蛋白质。

    从种子化学组成来看，目前皂荚种子具有工业化开发前景的产品主要有皂荚多糖胶和天然无污染的有机蛋白质。皂荚多糖胶提取工艺和装备技术的研究，已于2001年5月通过了部级科技成果鉴定，中试生产线上的测试表明，皂荚多糖胶得率大于25%，增粘产品的粘度大于350mPa·s。从制胶后的种子剩余物中分离提取高含量蛋白质的分离工艺也已通过中试。以上成果的取得标志着皂荚种子的产业化开发已具备技术基础，皂荚胶改性产品和复配产品的开发将进一步提升皂荚种子利用的技术水平。

    （五）皂荚多糖胶生产工艺的特点与创新之处

    烘炒法皂荚多糖胶生产工艺是针对种皮厚而硬的一类种子而提出的，其基本加工原理是对种子进行低温加热，使种皮、胚乳、和胚三部分结合力削弱，再对种子进行短时间的高温烘炒，使种皮脆化。然后在打击力和挫撕力双重作用下将种子打开成两至三瓣，再经重复选片和筛选获得较完整的胚乳片。种子的低温加热又称预热，预热温度控制在75—80℃。随着预热时间延长，皂荚多糖胶抽提率和粘度都相应提高，也就是说预热时间越长，种皮、胚乳、和胚三部分之间的结合力越弱，胚乳越容易分离。

    采用纯物理方法从种子中分离提取植物胶，生产中不使用或添加任何化学物质，无废水废气排放，不造成二次污染；首次成功开发植物胶细胞破壁释放工业化技术，使植物胶粘度提高50%以上，开发了烘炒法制胶成套设备与生产技术，这对我国植物胶行业的技术进步有重要意义。

    三、皂荚皂素的研究与利用

    皂荚果实中种子占15%-30%，果肉占70%-85%，果肉的产量是种子产量的3-5倍。因此，皂荚荚果的开发利用对皂荚资源的高效利用和综合利用具有决定性的意义。

    研究表明，皂荚荚果中含有三萜类皂苷（皂荚素）等天然活性成分，这些皂苷类成分呈中性，泡沫丰富，易生物降解，对皮肤无刺激，对人体无毒害，具有较好的表面活性和一定的洗涤去污能力，较好的耐酸、耐碱、耐盐能力，还能与多种表面活性剂复配产生协同效应，是一种很有潜力的强极性非离子的天然表面活性剂。可以用来洗涤丝绸及贵重金属，不损光泽，也可以用在电镀业清洗待镀金属等，还可作轻质混凝土的起泡剂，配制泡沫灭火剂溶液，配制农药作杀冲剂等。远在古代，人们就已经知道用它可以洗涤衣物、毛发了。现代，由于合成活性剂的快速发展及其优良性能，皂角的用量日益减少。但随着人们环保意识的增强，由皂角提取出的天然活性剂又重新得到重视，许多采用皂角活性剂与合成活性剂复配所制成的新型洗涤产品深受用户喜爱。

    皂荚素是三萜烯酸配糖体，有着优良的表面活性作用、乳化性、分散性、可溶性、浸透性等功能，现在欧美日等广泛用作饮料起泡剂、各种香辛料的乳化剂。皂荚素有很大的起泡性及起泡稳定性，即使在乙醇及酸性条件下起泡性也不低，因而常用作饮料特别是非醇类饮料的起泡剂及泡泡糖的起泡剂，有的性质优于使用蔗糖、聚甘油脂肪酸酯等化学合成表面活性剂。因此，皂荚皂素是一种医药、食品和日用化工上均有广泛应用前景的天然产物。

    四、皂荚其他有效成分的开发利用

    皂荚刺即皂荚树的棘刺，为我国传统中药材，是中医治疗乳腺癌、肺癌等多种癌症常用的配伍药之一，被列为抗癌中草药。研究表明皂荚刺中含有黄酮类化合物为黄颜木素（即3，7，3' ,4' -四羟基双氢黄酮）、非瑟素（3，7，3'，4-四羟基黄酮），并含有无色花青素；此外，皂荚刺还含有酚类、氨基酸等。采用现代分离技术从皂荚刺分离制备医药中间体，是进一步提高皂荚资源利用价值的重要途径。

    香港理工大学的研究发现，中草药皂荚的浓缩液具有抗癌特性。为进一步研究皂荚的抗癌性，香港理工大学与美国国立癌病研究所辖下的积逊实验室合作，利用该实验室的先进设备，进行动物测试及其他相关的抗癌机理研究，目标是研究出对抗血癌及其他癌症的新药物，预计于三至五年内研制出新药物。
    皂荚树叶中蛋白质含量在20%左右，可以作为木本饲料资源加以开发利用。从我国现有种植业提供给畜牧业的饲料来看，由于受饲料不足和饲料结构不合理的影响，我国畜牧养殖业的发展还受到一定的制约，如我国蛋白质饲料只能满足当前需要总量的50%左右，国外有关研究资料表明，如果家畜饲料中可消化蛋白质缺少20%—25%，畜产品就减少30%—40%，饲料消耗量和畜产品成本则增加30%—50%。因此有效地利用皂荚树叶的蛋白质做饲料，对我国畜牧养殖业具有重要意义。

    五、皂荚资源产业化的前期基础工作

    （一）相关技术成果

    （二）相关专利

    （三）基地建设

    1、皂荚多糖胶中试生产线——南京野生植物综合利用研究院内

    2、皂荚良种育苗基地（1000亩，采穗园100亩）——北京开元药材公司

    3、皂荚资源产业基地  ①山西省5万亩 ②河北省15万亩 ③内蒙治沙20万亩

    六、皂荚资源产业化过程中需关注的几个问题

    （一）紧密结合国家林业支持政策，发展皂荚资源基地

    皂荚是生态经济型多用途树种：耐旱、节水、根系发达；耐热、抗寒、较抗污染；固氮、适应性广、抗逆性强；生长较快、木材物理力学性质好、较坚硬。因而，皂荚又是天然林保护工程退耕还林的优选树种，能较好地改良土壤，用于松树混交可抑制松毛虫。世界上四十多个国家的皂荚种植已广泛用于防风固沙林、城乡景观林、农田防护林、草场防护林和工业原料林。由于皂荚生长速度相对较慢，皂荚挂果需3-5年长的时间，盛果期要8年才开始，在皂荚种植的前几年里，其经济价值不能充分体现出来，而皂荚是良好的生态物种，所以，只有紧密结合国家林业支持政策，并积极开展立地种植、推动皂荚资源基地建设，才能使皂荚的潜在经济价值得以发挥。

    （二）作为工业原料林，皂荚优良品种的推广是关键

    随着品种的不同，种子在荚果中所占的比例也相差较大，种子含量低者只有15%，种子含量最高者可达33%；种子中多糖胶的原胶粘度也在162—282mPa·s(30℃，170S-1）幅度范围内有较大变化。所以就胶源植物开发而言，建设人工林基地时应重视选择高含量高粘度植物胶的皂荚品种。不同居群皂荚皂素含量比较表明，北京地区的皂荚全果不仅果肉含量高，而且果肉中的皂素含量高达32%，因此北京皂荚是最理想的皂荚皂素提取和利用居群。2002年由国家林木品种审定委员会审定通过4个皂荚良种皂荚家系G301、G302、G303和G304，编号分别为国 R-SF-GS-030-2002、国 R-SF-GS-031-2002、国 R-SF-GS-032-2002和国 R-SF-GS-033-2002。

    （三）科学研究和产品开发是皂荚资源产业持续发展的动力

    植物多糖胶都具有较好的水溶性和交联性，而且在低浓度下有高粘度的特点，但是，多糖胶的原粉在某些工业中使用时，往往不能达到工业生产要求的快速溶胀和水合，溶解速度慢，同时水不溶物含量高。植物多糖胶的改性按照处理方式可分为物理改性、酶法改性和化学改性三类。物理改性是指种子胚乳细胞的破壁增粘；酶法改性是指α—半乳糖苷酶作用于多糖胶以改变分子中的半乳糖含量，或者用β—甘露聚糖酶降解多糖胶获得较低分子量的多糖甚至是低聚糖；化学改性是使多糖分子中引入亲水基因，提高亲水性和溶胀速度，减少了氢键，增加了溶解度，降低了水不溶物含量，提高了胶液的清澈度，并且可提高电解质的兼容性。皂荚多糖胶经改性后可形成上百种新的系列产品，天然植物多糖胶进行适当的改性对提高产品性能和价值，以及扩大应用领域都有重要意义。

    由于科学技术的不断发展，某些产品的某种用途可能被新的科技成果所替代。因此，为了适应市场的风云变换，应该不断研制新产品，经常调整产品结构，扩大产品新用途，才能保证在竞争中持久不衰。