表面活性剂是一类重要的功能性材料[1]。近年来的研究发现，由于化学合成表面活性剂难降解、环境残留持久及生物体内易聚集，天然生物表面活性剂已开始逐步替代合成表面活性剂[2] 。茶皂素是由茶树种子中提取出来的一类醣甙化合物，具有良好的生物活性和表面活性。它能自动降解，对人体无毒害，对环境无污染、无残留，化学性质温和，因而具有其他表面活性剂不具备的优势。同时茶皂素分子含有大量的活性基团，如羟基、羧基、碳碳双键等，可通过结构修饰，生产出若干性能独特的新型绿色生物表面活性剂。这也促进了茶皂素在更广泛的领域内得以应用。
茶皂素的表面活性主要来自分子内的大量活性羟基，但在诸多改性研究中发现，茶皂素活性羟基对酸、碱、热很敏感[3-6] ，任何不恰当的反应条件均会对其结构造成极大影响[7] 。现有研究显示，为了在改性的同时，茶皂素的活性羟基能得以保留，需采用温和的反应条件和弱性的酸碱[8-10] 。并且茶皂素在大多数常用有机溶剂中不溶，只能采用较为昂贵的极性试剂，反应条件苛刻，生产成本昂贵。
因此，作者提出在将茶皂素改造为各种新型生物表面活性剂之前，可先将其活性羟基进行酯化，使之成为新型生物表面活性剂的中间体[11-12] 。这样既可以使得茶皂素的活性羟基得到有效保护，同时又能改变茶皂素的极性，使之在大多数有机试剂中可溶[13-14] ，为其分子内其它基团的改性利用创造较好的使用条件。[ [收稿日期] ：
[基金项目]贵州省科技厅“茶皂素结构修饰及对重金属的吸附影响”项目[黔科合外G字[2013]7008号]；贵阳市科技计划项目[2012101 [2-21]]）；贵州省科技厅“贵州省矿山环境重金属污染防治科技创新团队”建设项目[黔科合人才团队[2012]4005号]；贵州大学“茶皂素糖基中羟基保护方法研究”项目[研理工2014013]
[作者简介]廖雄（1988-），男，在读硕士生，研究方向为环境污染与控制，E-mail：elegant_liao@163.com
*通讯作者：杨爱江（1973-），男，副教授，研究方向为环境污染与控制，E-mail：yangaij8818@sina.com]
1 实验部分
1.1 实验原料及仪器
茶皂素标准品，陕西绿清生物工程有限公司 ；乙酸酐（AR），重庆川东化工（集团）有限公司；碘（AR），天津市光复科技发展有限公司；碳酸钠（AR），重庆川江化学试剂厂；二氯甲烷（AR），天津市富宇精细化工有限公司。
HH-4数显恒温水浴锅，上海浦东物理光学仪器厂；电动搅拌器，金坛市中大仪器厂；Heidolph旋转蒸发仪 ，德国；惠普HP1100型高效液相色谱仪，美国；Nicolet 380中/远红外光谱仪，美国尼高力仪器公司。
1.2 茶皂素乙酸酯的制备
精确称取茶皂素干粉5g，装入三角烧瓶内，滴加乙酸酐和碘。水浴加热，反应温度为60℃[15]。向三角烧瓶内加入饱和碳酸钠溶液洗涤，旋转蒸发浓缩溶液。将浓缩液倒入1500mL冰水中并剧烈搅拌，产生大量深棕色固体。固液分离，并用大量去离子水洗涤。二氯甲烷溶解固体，固液分离，蒸干二氯甲烷溶液，得到土黄色固体。
1.3 茶皂素乙酸酯的纯度表征
高效液相色谱检测产物纯度。色谱条件为：色谱柱:Hewlett Packard ODS Hypersil5微米，125×4毫米不锈钢柱；流动相：甲醇；流速：0.5毫升/分；检测波长：215纳米；柱温：室温[16]。
1.4 茶皂素乙酸酯的基团测定
茶皂素乙酸酯基团采用红外吸收测定。取1mg的茶皂素乙酸酯与100mg溴化钾混合后充分研磨，用压片机压成均匀透明的薄片进行傅立叶红外波谱检测，测定范围为 400～4000cm-1。
2 结果与讨论
2.1 酯化反应影响因素的确定及分析
2.1.1 酯化反应影响因素的确定
影响合成反应的因素有：反应时间、催化剂的用量、乙酸酐的用量，正交实验设计表与茶皂素乙酸酯化反应正交实验结果分析见表1、表2；图1至图3。根据1.2的实验步骤，采用正交设计来确定酯化反应的主要影响因素。
表1 正交实验设计表
编号 A B C
乙酸酐加入量/ ml I2加入量/ g 加热时间/ h
1 30 0.12 10
2 50 0.20 20
3 70 0.28 30

正交实验结果分析如表2所示：
表2 茶皂素乙酸酯化反应正交实验结果分析
实验号 A B C 指标
乙酸酐加入量/ ml I2加入量/ g 加热时间/ h 茶皂素乙酸酯质量/ g
1 30（1） 0.12（1） 10（1） 3.51
2 30（1） 0.20（2） 20（2） 4.88
3 30（1） 0.28（3） 30（3） 5.00
4 50（2） 0.12（1） 20（2） 5.11
5 50（2） 0.20（2） 30（3） 5.41
6 50（2） 0.28（3） 10（1） 4.93
7 70（3） 0.12（1） 30（3） 6.97
8 70（3） 0.20（2） 10（1） 5.30
9 70（3） 0.28（3） 20（2） 6.16
K1 13.39 15.59 13.74 总和：47.27
K2 15.45 15.59 16.15
K3 18.43 16.09 17.38
k1 4.46 5.20 4.58
k2 5.15 5.20 5.38
k3 6.14 5.36 5.79
R 1.68 0.16 1.21
2.1.2正交实验结果分析
由表2实验结果可以看出：
1.根据表2实验结果的极差分析可以看出R1>R3>R2，说明各因素对茶皂素乙酸酯产量的影响顺序为A>C>B，即乙酸酐的加入量影响最大，反应时间的影响次之，催化剂I2的影响最小。
2.根据表2实验结果的水平均值k可以看出，因素A的k值变化最大，且与指标呈明显正相关，说明反应中增大乙酸酐用量会对茶皂素乙酸酯的生成有很大的促进作用。但最佳用量需进一步确定。
因素C的k值变化较大，与指标呈较大相关性，说明反应时间的延长有利于茶皂素乙酸酯的生成。但最佳反应时间需进一步确定。
因素B的k值变化不显著，且与指标的相关性不很显著，说明在因素B的变化范围内，对茶皂素乙酸酯的产量影响不明显。最佳用量需进一步确定。
2.2 酯化反应影响因素的优化
2.2.1 乙酸酐加入量
按照1.2的实验步骤，加入不同体积乙酸酐和0.12g碘，反应30小时，检测茶皂素乙酸酯固体质量，得到乙酸酐加入量对合成茶皂素乙酸酯的影响，实验结果如图1所示。

图1 乙酸酐加入量对合成茶皂素乙酸酯的影响
从图1可以看出，乙酸酐与茶皂素的体积质量比为16:1以下时呈正相关，这是由于酯化反应过程是双分子取代反应，乙酸酐的加入量对于产物的生成有促进作用。乙酸酐中含有的乙酸离解后放出的H+附着在羟基的氧上，形成易离去的水分子，从而促进反应正向进。乙酸酐与茶皂素体积质量比为16:1时，酯化产物质量达到最大。当乙酸酐与茶皂素的体积质量比超过16:1后，酯化过程的位阻不断加大，反应难度增加，同时乙酸酐带入的乙酸离解出的H+会破坏茶皂素的分子结构，从而使得酯化产物出现分解的趋势。因此，乙酸酐与茶皂素的最佳体积质量比为16:1。
2.2.2 碘加入量
按照1.2的实验步骤，加入80mL乙酸酐和不同质量的碘，反应30小时，检测茶皂素乙酸酯固体质量，得到碘加入量对合成茶皂素乙酸酯的影响，实验结果如图2所示。

图2 催化剂加入量
从图2可以看出，碘的作用是乙酰化过程的催化剂，其用量直接影响茶皂素酯化产物产量和纯度。若催化剂的用量太少，不仅反应速度慢、反应进行不完全，而且产量也低，产品的色度不佳；若催化剂的用量太大，会浪费催化剂，提高反应成本，同时反应液后碘不易除净，给实验后处理带来困难。实验发现，催化剂的最佳用量为0.12g(按5g茶皂素标准品计)，即最佳反应用量为茶皂素：乙酸酐：碘=1:203:0.13（摩尔比)。
2.2.3 加热时间对酯化的影响
按照1.2的实验步骤，加入80mL乙酸酐和0.12g碘，反应不同时间，检测茶皂素乙酸酯固体质量，得到加热时间对合成茶皂素乙酸酯的影响，实验结果如图3所示。

图3 酯化反应时间
从图3可以看出，随着反应时间的延长，乙酸酐和茶皂素分子间有效碰撞次数增加，从而使得酯化反应正向进行较为顺利，当反应为25~30h时，酯化反应达到极值。当反应时间超过30h，出现茶皂素酯化产物分解的现象。这可能是由于乙酰化后的茶皂素分子内部扭曲程度加大，从而使得分子内部能量提高。在较高温度下，分子内部较为脆弱的部位易发生扭曲断裂，产物出现分解。因此，在尽量提升酯化产物质量的前提下，考虑到节约能源，最佳反应时间为25小时为宜。