天然产物提取工艺学第一章、第二章

天然产物提取工艺学中国轻工业出版社第一章绪论¾一、天然产物提取工艺学特点¾二、天然产物开发利用概况¾三、天然产物分离工艺设计和技术进展¾四、产物提取过程的选择¾五、提取利用建议¾1.多学科性：生物化学、植物学、动物学、微生物学；有机化学、植物化学、天然药物化学等。¾2.多层次、多方位性：生物技术与化学化工技术相互交叉。¾3.复杂性：生物材料组成复杂，具有不稳定性，一、天然产物提取工艺学特点提取分离方法：¾1.物理方法：研磨、超声波、离心等；¾2.物理化学方法：冻溶、透析、色谱法、蒸馏等；¾3.化学方法：离子交换、化学沉淀等；¾4.生物方法：生物亲和层析、免疫层析¾5.新技术：微波、超临界流体提取等；¾6.现代生物技术：微生物工程、酶工程等；二、天然产物开发利用概况¾1.在医药业的开发利用概况¾2.在食品行业的发展概况¾3.天然产物提取的技术发展¾4.部分天然产物成分及功能三、分离工艺设计和技术进展¾1.生物原料生产和提取技术结合¾2.生物微观结构设计提取工艺¾分子结构与分子间的作用力¾3.天然产物的结构设计提取工艺：空间结构、官能团的种类、物理性质等；¾4.根据不同分离技术耦合设计工艺¾5.提取过程前后阶段纵向统一¾6.分离体系的特性设计工艺四、产物提取过程的选择„1.加工的主要过程„2.设计加工过程的原则加工的主要过程„1.细胞破碎：高压匀浆等„2.初步纯化：沉淀法等„3.高度纯化：亲和层析、疏水层析等„4.成品加工：干燥和结晶设计加工过程的原则„1.步骤最少2.次序合理„3.产品规格4.生产规模„5.进料组成6.产品形式„7.产品稳定性8.物性„9.危害性10.三废处理„11.分批或连续过程天然产物提取利用建议„1.生物多样性，合理利用„2.利用先进科学技术，高技术产品„3.资源保护、环境保护的协调„4.市场生产适销天然产物提取工艺学的要求¾1.掌握天然产物提取方法与技术设计¾2.熟悉新型分离技术的应用¾3.掌握天然产物提取的工艺设计¾4.掌握不同类型药物的提取工艺设计第二章天然产物的提取方法和技术¾第一节天然产物开发利用方案确定¾第二节原料细胞结构与提取工艺特性¾第三节天然产物传统分离纯化方法第一节天然产物开发利用方案确定大致可分为：选定研究对象、生物材料采集和品种鉴定、文献资料调研、化学成分预试验、活性提取部位和活性化合物跟踪分离和结构鉴定、构效关系、药理、毒理、制剂工艺、临床实验、中试、正式生产等步骤。一、研究对象的确定¾根据古代医学典籍、民族医学实践提供的资料或民间经验和临床观察¾根据当地植物样品随机选取¾根据天然产物成分信息确定¾根据已有的天然产物、医药学及相关科学研究成果的基础上，通过大量的文献检索¾根据市场商品要求确定研究对象例：当归芦荟丸：临床具有泻肝作用；中国医学科学院用其治疗白血病，也有好效果。处方中：除去麝香后，疗效仍有；但除去青黛和芦荟后，则无一例有效；再进行小鼠筛选：发现青黛是抗白血病的活性植物。继续研究：发现青黛的有效成分为靛玉红，研制出抗慢性粒细胞白血病的有效新药。NaturalProductReport,(7.325)1984年开始出版（英国皇家化学会）JournalofNaturalProduct,(2.418)美国化学会与美国生药学会合办Phytochemistry,(2.78)国际植物生物化学与天然有机化学的专业期刊JournalofAsianNaturalProductResearch,(0.832)中国和日本合办PhytochemiealAnalysis,（0.912)英国主办二、查阅文献资料和收集信息实验设计：1.观察项目的可比性2.选择测试指标植物化学的提取方法：新化合物、鉴定结构、发现新成分、不计算成本、收率、经济效益；天然产物的提取工艺：收率、成本和经济效益；以经济的观点设计生产工艺：流程简单、经济和可行，收率高、产品质量高和成本低三、实验设计和工艺流程的选择工艺流程：1.分离纯化的早期：不宜选择分辨能力较高的纯化方法；萃取、沉淀、吸附有利；2.安排纯化顺序：利于减少工序、提高效率；3.分离后期：避免产品的损失（器皿的吸附，液体残留，空气氧化及无法了解的原因）三、实验设计和工艺流程的选择新实验研究阶段：小型和放大实验小实验：原料用量少，使用设备以玻璃仪器为主，参加实验人少；放大实验：投料量大，设备多用小型工业设备，参加实验人多；小实验为放大实验提供数据和经验，可节约放大实验所需要的时间、人力、物力的投入。二、实验设计和工艺流程的选择进入中试前的考虑：1.产率达到一定的稳定程度，质量可靠；2.工艺路线及操作步骤确定，建立和确定产品、中间体及原料的分析方法；3.确定和鉴定产品的生物材料的资源；4.物料的衡算，三废的处理方法；5.中试规模及原料的规格和数量；6.安全生产措施和方法。四、天然产物提取中试设计转入工业化生产的过渡性试验：1.原辅材料规格的过渡试验；2.设备选型与材料质量试验；3.反应条件限度实验；4.原辅材料、中间体及产品质量分析方法研究；5.下游工艺研究。中试放大的方法：1.经验法：2.相似法：3.数学模型法第二节原料细胞结构与提取工艺特性一、原料与天然产物提取工艺特性1.植物材料：根、茎、干果、花、叶等根：如人参、丹参等用有机溶剂乙醇浸出；茎:可用有机溶剂加热浸出干果：可用有机溶剂浸出花：是由果胶类物质组成，需用酶或发酵的方法处理后再用溶剂提取；叶：多数不用处理，直接用溶剂提取；2.动物材料与天然产物提取工艺特性角类和骨类：加工前需要粉碎细一些；皮类：应用新鲜材料，加工前先破碎；3.海洋生物材料与天然产物提取工艺特性海藻：抗肿瘤、防心血管疾病等；腔肠动物：海葵毒素；软体动物：抗病毒、抗肿瘤等；棘皮动物：海胆毒素；2.微生物与天然产物提取工艺特性细菌放线菌蓝细菌真菌（霉菌和酵母菌）二、生物细胞的结构与天然成分的浸出活性成分或有效成分存在细胞质中。细胞有：细胞壁和细胞膜¾细胞有细胞壁和细胞膜；¾细胞膜类似于半透膜，具有超滤作用，即对细胞外的物质的透过有分子筛作用，筛孔有一定的大小，透过物质的分子较小时容易透过，较大的分子不易透过；¾细胞壁主要时有纤维素、半纤维素和果胶物质组成，细胞壁上有许多小孔叫孔壁，不过，不影响水溶性物质的出入；¾对外界物质的进入或细胞内物质的外出有决定作用的是细胞膜。活性成分/有效成分是存在细胞质中¾植物原料外表面如叶、果实皮、茎皮等的表面组织上有蜡浸细胞壁，是蜡浸入细胞的纤维素壁中，形成蜡层。¾蜡层是由蜡醇和脂肪酸组成，是细胞壁有很强的疏水性。¾有效成分的提取，要设法破坏一般细胞的细胞膜，改变细胞膜的通透性，使浸出溶剂进入细胞内，并把有效成分提取出来。¾对有蜡浸细胞壁组织表面的原料需破坏其蜡浸细胞壁，改变细胞壁的通透性。二、生物细胞的结构与天然成分的浸出活性成分或有效成分存在细胞质中。破坏细胞膜和细胞壁，使有效成分提取出来。三、破坏细胞壁和细胞膜的方法1.风干法2.加热干燥法3.机械法4.非机械法5.化学法在通风良好不见直射阳光的条件下开始时，由于外界空气的蒸汽压或相对湿度较低，细胞壁先失水，随后细胞质的液泡也失水，细胞液的浓度增高，使涨压减低萎蔫，终致细胞破坏到死亡。风干法，对有效成分损害小；1.风干法原料的细胞组织用风干法不易破坏的，且有效成分在加热时没有重大影响的条件下，可用加热法破坏原料组织结构；a.在浸出有效成分时，使细胞质和蛋白质凝集、变性、收缩，致使细胞膜和细胞壁破坏，提高渗透性，细胞内物质迅速向外扩散；b.新鲜原料切片后加热干燥，水分急剧蒸发，细胞内原生质和蛋白质凝固、变性、细胞萎缩，破坏细胞壁和细胞膜，改变细胞组织的渗透性；不适合热不稳定性物质；2.加热干燥法处理量大，速度快，但需采取冷却措施，a.球磨法:将细胞组织悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨，使细胞破碎；b.高压匀浆：利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击而造成细胞破裂；压力、温度和通过匀浆阀的次数；c.X-press法：改进的高压方法；d.超声波法：在15－25KHz频率下操作，利用超声波的空穴作用，不适用于大规模操作；3.机械法：适于微生物的破碎，包括酶解、渗透压冲击、冻结和融化、热处理和化学法溶胞等；酶解：利用酶的反应分解破坏细胞壁上特殊的键，达到破坏目的，有专一性强，条件温和的优点；渗透压冲击：渗透压的突然变化，水迅速进入细胞内，引起细胞壁破裂；适用于细胞壁较脆弱的菌；冻结和融化：在低温下突然冷冻和室温下融化，对此达到破坏细胞壁作用；适合细胞壁较弱的胞体；4.非机械法三、破坏细胞壁和细胞膜的方法选择合适的破碎方法：细胞的数量；所需要的产物对破碎条件如：温度、化学试剂、酶等的敏感性；达到的破碎程度及破碎所需的速度等；1.形态与性状相结合的鉴别方法：按生物分类学形态鉴定的方法，依照各部分的形态，确定其所属分类学的科、属、种；再按其利用部位进行形态学与性状鉴定相结合的方法，做出鉴定结论。四、原料的质量控制方法2.显微粉末鉴定：在显微镜下观察其组织或细微的形态，做出鉴定结论；3.化学鉴别法：根据被鉴定原料的化学成分，利用TLC法或传统化学方法进行成分鉴定4.紫外光谱法：原料可用乙醇或甲醇浸出液在紫外光谱仪上测定紫外光谱；可靠、简单；四、原料的质量控制方法5.有效成分的含量测定：GC：分析和鉴定各成分，且同时确定定性和定量的结果；适用于芳香油、香豆素、脂肪酸等；HPLC：分离效果更好的分析方法，比GC还要广泛，比TLC分离效果更好；需要仪器设备－高压液相色谱仪；紫外吸收光谱扫描；既可以定性分析，又可以定量分析，且结果较为理想。四、原料的质量控制方法1.除杂、洗涤、切割:需要在新鲜状态进行除杂和洗涤，原料处理按生产工艺的要求，选择采收原料的时间，制定除杂方法；五、原料的前处理2.原料的干燥：破坏细胞壁和细胞膜，利于浸出目的是为了便于贮藏和运输，有破坏细胞膜和细胞壁的作用，利于浸出的顺利进行；需采用不同的干燥方法进行干燥；中药材先多用晒干法，在日光的直接照射下，干燥速度较快、细胞膜破坏较好，不适合光不稳定性的有效成分的干燥；如：小檗根，含有双卞基异喹啉生物碱，对光不稳定，易发生结构改变，不适用于晒干法，适合风干法干燥；五、原料的前处理3.粉碎：增加表面积，提高浸出速度；原料的粉碎程度同原料的种类和性质相关：草类原料，粉碎粗一些，木质类原料，粉碎细一些，较粗的根、茎和果实以及种子类原料，需粉碎的更细4.发酵和水解处理法：5.脱脂处理：原料中含较多的油、脂或蜡6.含挥发油类原料的处理：宜在新鲜状态处理，防止成分改变；7.以酶和蛋白质为主要成分的原料处理：同6，需在新鲜状态处理，以免变性或失活。五、原料的前处理六、生理活性物质的保护措施1.缓冲系统：2.加入保护剂：3.抑制水解酶的破坏4.其他一些特殊要求的保护第三节天然产物传统分离纯化方法提取法萃取法微波提取超声波提取过滤蒸发浓缩沉淀法结晶干燥一、提取法1.提取：（浸出、固液萃取）溶剂提取法根据植物中各种有效成分在溶剂中的溶解作用，选用对有效成分溶解度大，对不需要成分溶解度小的溶剂，而将有效成分从植物组织内提取出来。浸提是通过溶剂与原料接触，互相渗透、溶解以及扩散等一系列复杂过程而完成。一般包括：渗透、溶解、分配和扩散。（1）渗透对干原料，首先要湿润，新鲜的水分占80%左右，原料与疏水性的石油醚溶剂接触时更为困难，为了加快渗透，需添加少量的极性溶剂如乙醇或丙酮等。（2）溶解溶剂渗入细胞后，可溶解的成分按溶解度大小先后溶解到溶剂中去。对于干原料，以溶解过程为主。（3）分配若在两相中溶质浓度不平衡，则在相互接触时，将在相与相之间进行分配，即为有效成分从细胞液的液相转入溶剂相中，直到有效成分在细胞原生质液和溶剂两个液相内达到完全平衡。K=C1/C2（在一定条件下）K－分配系数C1－两相平衡时被浸提组分在浸提液中的浓度C2－两相平衡时被浸提组分在被浸提混合物中的浓度（4）扩散：从植物原料中浸提精油时，溶剂经渗透浸入含有精油的原料内，在细胞内生成一种溶液。浸提过程只能更新溶剂，才能重新开