生物堿的分類和鑒定方法研究進展

張德華,李 茹,王永梅,朱曉蕓,王彥彥

(1.皖西學院生物與制藥工程學院,安徽六安 237012;2.安徽省植物生物技術實訓中心,安徽六安 237012)

生物堿的分類和鑒定方法研究進展

張德華1,2,李 茹1,王永梅1,朱曉蕓1,王彥彥1

(1.皖西學院生物與制藥工程學院,安徽六安 237012;2.安徽省植物生物技術實訓中心,安徽六安 237012)

生物堿是廣泛存在于自然界天然植物中的堿性含氮有機化合物。大多數生物堿具有顯著的生理活性,是許多藥用植物的有效成分。本文綜述了近年來生物堿的分類與鑒別方法及其應用與進展。

生物堿;分類;鑒定;進展

生物堿(alkaloids)一般指存在于生物體內的堿性含氮化合物,多數具有復雜的含氮雜環,有光學特異性和顯著的生理效應[1](P329)。但也有少數生物堿例外,如麻黃堿是有機胺衍生物,氮原子不在環內[2-3];咖啡因雖為含氮的雜環衍生物,但堿性非常弱,或基本上沒有堿性[4];秋水仙堿幾乎完全沒有堿性,氮原子也不在環內等[5-7]。由于它們均來源于植物的含氮有機化合物,又有明顯的生物活性,故仍包括在生物堿的范圍內。而有些來源于天然的含氮有機化合物,如某些維生素、氨基酸、蛋白質、核苷等,習慣上又不屬于生物堿,所以“生物堿”一詞到現在還未有嚴格而確切的定義。

某些生物堿因其具有抗腫瘤、抗炎、抗病毒、抗血小板凝集、抗心律失常以及抗高血壓等心血管疾病的功能,在衛生、醫藥等方面有著巨大的應用潛力,近年來成為人們研究的熱點。

1 生物堿的分類

生物堿是生物體次生代謝產物中較大的一類,目前已分離出的生物堿約有1萬多種。而且不斷有新的生物堿被發現[8](P23-29)。生物堿種類繁多,結構復雜,來源不同,分類方法眾多,文獻量巨大,多數與中藥制劑相關。

1.1 按其植物來源分類

常見的有毛茛科生物堿、百合科生物堿、罌粟科生物堿、茄科生物堿等[8](P23-29)。例如,煙草主要含煙堿、去甲煙堿和毒黎堿等;雷公藤主要含雷公藤堿、雷公藤精堿、雷公藤次堿、雷公藤春堿和雷公藤辛堿等;苦參主要含苦參堿、氧化苦參堿、羥基苦參堿、N -甲氫野靛堿和脫氫苦參堿等。

1.2 按其藥理作用分類

如對心血管系統的作用、抗腫瘤作用、對中樞神經系統的作用、降脂作用、降血糖作用、抗菌、抗病毒、殺蟲作用、對平滑肌作用、對免疫功能的影響、抗炎作用、其他作用等[9,10]。

1.3 按物理化學性質分類

如揮發堿、酚性堿、弱堿、強堿、水溶堿、季銨堿等;液體生物堿、揮發性的生物堿、升華性的生物堿、甜味的生物堿、有顏色的生物堿等。

1.4 按其代謝來源分類

常見有鳥氨酸類生物堿、賴氨酸類生物堿、鄰氨基苯甲酸類生物堿、色氨酸類生物堿、萜類生物堿、甾類生物堿七大類,每類又分若干組。

1.5 按其結構分類

(1)吡啶衍生物類[8](P23-29)[11](P53)[12](P7)[13](P313-322),包括簡單吡啶類及雙稠派啶類。如煙堿、金雀花堿、半邊蓮堿、檳榔堿、苦參堿等。(2)吡咯啶衍生物類[14],此類生物堿指五環(吡咯烷)或六環(派啶)中存在一個氮原子的生物堿。如紅古豆堿、野百合堿等。(3)茛菪烷衍生物類,莨菪烷是由四氫吡咯和六氫吡咯并合而成的雜環。莨菪堿是由莨菪醇和莨菪酸縮合而生成的酯。如莨菪堿、阿托品、古柯堿等。(4)異喹啉衍生物類,它們的結構基于四氫異喹啉核,主要由苯丙氨酸或酪氨酸生物合成而來。這些生物堿都是芳香堿基,具有不同數量的羥基、甲氧基以及亞甲基二氧取代基。如小檗堿、罌栗堿、嗎啡等。(5)菲啶衍生物類,如白屈菜堿、石蒜堿等。(6)吲哚衍生物類,此類生物堿是從色氨酸生物合成而來,包括簡單吲哚類和二吲哚類衍生物。如長春花堿、麥角新堿、麥角胺、利血平等。(7)吡嗪衍生物類,如川芎堿等。(8)喹唑酮衍生物類,如常山堿等。(9)嘌呤衍生物類,由嘌呤衍生的生物堿,在植物界分布較散。如咖啡堿、香菇嘌呤等。(10)喹啉衍生物類,由(鄰)氨基苯甲酸生物合成而來,具有一個雙環結構,即一個苯環與一個吡啶環相連接。如藍刺頭堿、茵宇堿、奎寧、喜樹堿等。(11)咪唑衍生物類,如毛果蕓香堿等。(12)有機胺類,此類生物堿的化學結構特點是氮原子在環外側鏈上,如麻黃堿、秋水仙堿、益母草堿等;(13)甾體生物堿,此類生物堿包括甾類生物堿和異甾類生物堿,氮原子大多數在甾環中,有的以與低聚糖結合的形式存在,如藜蘆堿、茄堿、貝母堿等。(14)萜類生物堿,其氮原子在萜的環狀結構中或在萜結構的側鏈上,單萜類生物堿由異戊二烯化合物與氨的縮合生物合成而來。還有一些單萜類生物堿化合物具有較為突出的胍基取代。如龍膽那寧、獼猴桃堿、石斛堿、關附甲素、烏頭堿等。(15)大環生物堿,大多數具有內酯結構,故亦稱為大環內酯類生物堿,如美登木堿、番木爪堿等。(16)其他[15](P3-31),如千金藤堿、哈林通堿等。

2 生物堿的鑒定方法

生物堿的鑒定包括結構鑒定和含量分析。

2.1 物性測定

測定化合物的溶沸點、比旋光度等物理參數,與已知生物堿的物理參數進行比較[16](P48-118)。沉淀反應是鑒定生物堿的定性反應,方法簡單、快捷,可直接在生物堿提取液中滴加生物堿顯色劑,出現特征顏色沉淀物。肖桂青等[17]在荷葉生物堿提取液中分別滴加碘化鉍鉀、硅鎢酸、碘化汞鉀、碘-磺化鉀試劑,分別出現桔紅色無定形沉淀、灰白色無定形沉淀、白色無定形沉淀和紅棕色無定形沉淀。

2.2 化學降解反應

為經典的結構測定方法,將分子降解為幾個穩定的碎片,它們通常是一些比較易于鑒別或可通過合成證明的簡單化合物,然后按降解原理推導出原來可能的化學結構。常采用霍夫曼降解、布朗反應和埃姆特降解[14]。或用脫氫方法使化合物轉為易于鑒別的芳香化合物,再推導其結構。這些方法不足之處是費時費料,結果較差。

2.3 氧化反應

是一種應用于生物堿結構研究的方法,即通過將化合物氧化裂解成小分子化合物推知該化合物環狀結構的類型和取代基的種類及位置。常用的氧化劑有較溫和、中等強度和較強等多種。如根據罌粟堿用高錳酸鉀中性溶液和酸性溶液氧化的產物結構可推導出罌粟堿的結構。

2.4 滴定法

滴定法的原理是酸堿中和反應。人工滴定法是根據指示劑的顏色變化指示滴定終點,然后目測標準溶液消耗體積,計算分析結果。自動電位滴定法是通過電位的變化,由儀器自動判斷終點[18]。滴定法簡便、經濟、快速,但相對標準偏差較大。

楊長府等[19]在煙葉樣品處理中加入Ba(OH)2,用 HClO4-冰醋酸在苯-氯仿體系中準確測定了煙葉中的煙堿。趙紅俠[20]以氫氧化鈉為滴定液,一階導數法確定終點,并與標準方法進行比較,測定結果的精密度和準確度比非水滴定好。

2.5 紫外吸收光譜法(ultraviolet absorption spectrometry,UV)

不少生物堿具有引起紫外吸收的共軛系統,有的生物堿母核為完整的共軛系統,如喹啉類、吡啶類、簡單吲哚類等;而大多數生物堿的共軛系統只是其結構的一部分,如具有四氫異喹啉結構的生物堿等。對于母核為完整共軛系統的生物堿,其UV光譜可反映其基本結構的特點。共軛系統若只是生物堿的部分結構時,則共軛系統的組成、共軛系統的大小,以及共軛系統中助色團的種類、位置和數量對UV光譜將產生影響。溶液的p H值對生物堿的紫外吸收有明顯的影響。該法操作簡單、準確度高、重現性好。

崔盛等[21]根據二帖類生物堿和酸性染料溴甲酚綠在酸性緩沖液中形成的絡合物能被氯仿提取,并且提取液在415nm處具有吸收值的原理,運用酸性染料比色法測定了四川境內烏頭屬植物總生物堿的含量。

2.6 紅外光譜法(infrared absorption spectroscopy, IR)

紅外光譜法利用物質對紅外光區電磁輻射的選擇性吸收來進行結構分析及對各種吸收紅外光的化合物的定性和定量分析。被測物質的分子在紅外線照射下,只吸收與其分子振動、轉動頻率相一致的紅外光譜。生物堿紅外光譜主要用于結構中官能團的定性鑒定,或用于與已知結構生物堿進行對照鑒定。該法特征性強、測定快速、不破壞試樣、試樣用量少、操作簡便、能分析各種狀態的試樣,但分析靈敏度較低、定量分析誤差較大。

王家俊[22]應用傅立葉變換紅外光譜法(FTNIR)測定了近1000個具有代表性的烤煙樣品的近紅外光譜數據。

2.7 質譜法(mass spectrometry,MS)

質譜法是將物質分子轉化為離子,按質荷比差異進行分離和測定,實現成分和結構分析的方法。從質譜(MS)中,不僅能通過分子離子峰再結合氮規則判斷含氮原子的個數,而且可得到生物堿分子量、分子式的信息,還能通過碎片離子給出的裂解方式獲得分子結構信息。

電噴霧質譜(electrospray ionization mass spectrometry,ESI-MS)是近年來迅速發展并逐步完善起來的一種軟電離質譜,特別適用于極性大、熱不穩定的天然化合物分析。因其具有高特異性、高靈敏度及多級質譜(MSn)等技術特點,故可以直接進行混合物的微量分析。

陳懷俠等[23]研究了苦參堿和氧化苦參堿的電噴霧一級質譜電離規律和二級質譜碎裂規律,總結出苦參堿類生物堿的特征裂解規律,而且通過苦參對照藥材生物堿提取物的一級和二級質譜測定,對已知成分進行認證,為苦參藥材質量控制提供了新的方法。陳煥文[24]利用電噴霧解吸電離質譜(DESI-MS)快速測定吳茱萸中有重要活性的5種生物堿結構。由于在大氣壓下進行操作(樣品更換等較便利)和不需要樣品預處理,使得DESI適合于進行現場、在線分析,具有靈敏度高、速度快、特異性好等特點。

2.8 核磁共振譜(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)

氫核磁共振譜(1H NMR)和碳核磁共振譜(13C NMR)能揭示結構中各官能團的種類和周圍的結構狀態,在生物堿結構測定中具有重要價值。胡明華等[25]先用酸水提取安徽小檗生物堿,再用硅膠柱色譜分離純化,然后用核磁共振法鑒定出其中含有小檗堿、巴馬汀、dehydrocapaurinine、藥根堿、非洲防已堿、jatrorubine等6種生物堿。李寧等[26]從鵝掌楸中分離得到3個7-氧代阿樸菲型生物堿,采用MS、1D NMR和2D NMR等技術確定了化合物的結構,并利用2D NMR技術對其核磁共振信號進行了全歸屬。

2.9 高效液相色譜法(high performance liquid chromatography,HPLC)

HPLC具有高效的分離效能、較寬的適用范圍、條件優化的靈活性、靈敏度高、重現性好、樣品易回收和色譜柱可反復使用等優點,因而在生物堿分析中得到了廣泛應用。根據HPLC分析生物堿時所使用的固定相的性質、流動相的組成及極性大小,其分析模式大致可分為正相吸附色譜法、正相硅膠-反相洗脫系統色譜法、離子交換色譜法及反相高效液相色譜法。劉正聰[27]利用超聲萃取-超高效液相色譜法測定可替寧、降煙堿、麥斯明、新煙堿和煙堿5種煙絲生物堿向主流煙氣的遷移率。

2.10 氣相色譜法(gas chromatography,GC)

以氣體為流動相的色譜方法,廣泛應用于生物堿的定量分析。氣相色譜的定量方法主要有三種:內標準法、標準曲線法和峰面積百分率法。高志強[28]利用氣相色譜儀對湖南3個等級559個煙葉樣本的生物堿,采用內標法進行定量分析,研究湖南烤煙生物堿含量的地理分布特征及與生物堿含量之間的相關性。

2.11 薄層色譜法(thin layer chromatography,TLC)

薄層色譜是快速分離和定性分析少量物質的一種很重要的實驗技術。若采用薄層掃描儀對色譜斑點進行掃描,與對照物所得的色譜圖作對比可以實現定量分析。TLC法兼備了柱色譜和紙色譜的優點,適用于少量樣品(幾微克,甚至0.01μg)的分離。

凌育趙[29]采用薄層色譜分離白毛茶的多種生物嘌呤堿,測其總生物堿為4.68-4.89%,平均回收率97.13%。

2.12 超臨界流體色譜(supercritical fluid chromatography,SFC)

SFC是以超臨界流體作流動相,以固體吸附劑或健合到載體上的高聚物為固定相,其分離機理與CG和LC是一樣的,是分析難揮發、易熱解物質的有效方法。具有分離效率高、方便快捷、后處理簡單、無污染等優點。梁寶鉆等[30]在對亞東烏頭總生物堿提取和含量測定分析時,研究了堿化試劑、萃取壓力、夾帶劑、表面活性劑對實驗的影響。

2.13 毛細管電泳法(capillary electrophoresis,CE)

CE是電泳技術和色譜技術相結合的產物,具有高靈敏度、高分辨率、高速度、樣品少和成本低等特點,是近十幾年來發展較快的一種分離分析技術,廣泛應用于生物堿的分析測定中。張蘭[31]依據毛細管區帶電泳的特性,建立了用毛細管電泳-電化學檢測法研究四種生物堿:苯異丙胺、苯丙醇胺、麻黃堿和甲基麻黃堿電離常數的線性模型和測定方法,結果令人滿意,可望在藥物離解常數測定應用中得到推廣。

2.14 膠束電動毛細管色譜(micellar electrokinetic capillary chromatography,MECC)

MECC是在緩沖液中加入表面活性劑,如SDS,在緩沖液中添加的表面活性劑具有吸附、增溶、形成膠束等功能,當表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度時,便形成荷電膠束。離子化膠束在電場作用下泳動,溶質在膠束和水相間分配。因為不同溶質在兩相間的分配系數不同,溶液的電滲流和膠束的電泳速率差異使它們得到分離。分離效率可與毛細管區帶電泳相比擬,MECC是唯一的既能分離電中性組分又能分離帶電組分的電泳技術,對某些離子化合物也能改善峰形和選擇性。

宋冠群等[32]采用膠束電動毛細管色譜法建立了茶葉的色譜指紋譜并用于分析10種中國名茶。該方法將色譜圖轉換成數據表,實現了圖譜的數據化;并且以相對保留值表示各色譜峰的峰位,大大減少了各種操作條件對色譜相對保留值的影響,降低了色譜峰峰位變化的波動性,提高了樣品間的可比性。這種色譜指紋譜在沒有標準品的情況下也可得出可靠的、有意義的結果。

2.15 分子印跡法(molecular imprinting technology,MIT)

MIT是近年來迅速發展起來的一種高選擇性分離技術,利用具有分子識別功能的分子印跡聚合物(molecule imprinting polymer,MIP)為固定相,對目標分子進行分離、篩選、純化的一種高選擇性仿生技術,其技術該心是通過印跡、聚合、去除印跡分子3步制備分子印跡聚合物(MIP),以其特定的分離機理而具有極高的選擇性。董襄朝等[33]以左旋麻黃堿為模板分子,甲基丙烯酸為功能單體,使用不同的交聯劑和致孔劑合成的MIP對烙印分子具有很好的親和能力及選擇性。

MIP最大的特點就是對模板分子的識別具有可預見性,對于特定物質的分離極具針對性。具有抗惡劣環境能力強、穩定性好、使用壽命長等優點[34]。

3 展望

生物堿的種類繁多,不同的提取純化方法有所差異,對生物堿的質量影響很大,并直接涉及到分析鑒定效果。上述生物堿的鑒定方法有其各自的特點和適用范圍,應根據生物堿的性質和實際需要,靈活選擇不同的鑒定方法。

多種檢測方法聯用技術得到加快發展。如液相色譜與質譜聯用(HPLC-MS)使 HPLC對復雜基體化合物的高分離能力與MS獨特的選擇性、靈敏度、分子量及結構信息相結合,廣泛用于生物堿的定性定量分析研究。李麗梅等[35]運用 HPLC-MSn技術,從白背三七葉片的生物堿提取物中檢測出2個肝毒性吡咯里西啶生物堿。氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)技術具有樣品用量少、定性準確和不易丟失組分等優點。郭志峰等[36]采用氣相色譜-質譜聯用方法,對中草藥青風藤中的生物堿進行分析,鑒定出青藤堿等生物堿。由于毛細管電泳(CE)和質譜(MS)的快速發展以及CE-MS接口的日趨成熟,在天然產物研究領域CE-MS應用越來越廣泛。

生物堿作為中草藥中具有生理和藥理活性的重要組分,各種生物堿獨特效能的不斷發掘及其廣泛應用極有可能成為我國將來具有自主知識產權的新藥,其提取、分離純化和鑒定技術的研究將日趨活躍。

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Progress on the Method of Classification and Identifying of Alkaloids

ZHANG De-hua1,2,LI Ru1,W ANG Yong-mei1,ZHU Xiao-yun1,W ANG Yan-yan1
(1.College of Biological and Pharmaceutical Engineering,West A nhui University,L u’an237012,China;
2.Plant Biotechnology Training Center of A nhui Province,L u’an237012,China)

Alkaloids are alkaline nitrogenous organic compounds,which are widely existed in the natural plant.Most of alkaloids have significantly physiological activity,which are the effective ingredients in many medicinal plants.The application and development of different methods for Classification and identifying of alkaloids in recent years were reviewed in this paper.

alkaloids;classification;identifying;progress

Q946.88

A

1009-9735(2010)05-0069-05

2010-05-24

安徽省高校省級自然科學基金重點項目(KJ2008A15ZC)。

張德華(1957-),男,安徽六安人,教授,研究方向:天然產物開發。