“海洋天然產(chǎn)物化學(xué)”課程教學(xué)實驗設(shè)計與實踐

劉穎 郝帥

[摘 要] 海洋天然產(chǎn)物化學(xué)實驗教學(xué)根據(jù)實際需求與課時安排選擇了羊棲菜、海星、真菌作為了海洋植物、動物和微生物的代表來設(shè)計實驗，要求學(xué)生完成天然產(chǎn)物的提取、分離和純化的系統(tǒng)訓(xùn)練，通過課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生奠定了良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 海洋天然產(chǎn)物化學(xué);實驗教學(xué);實驗設(shè)計

[作者簡介] 劉 穎（1988—），女，山東青島人，碩士，浙江大學(xué)海洋學(xué)院助理實驗師，主要從事海洋天然產(chǎn)物化學(xué)、實驗室與設(shè)備管理研究;郝 帥（1987—），女，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，浙江大學(xué)海洋學(xué)院實驗師，浙江大學(xué)海洋實驗教學(xué)中心副主任，主要從事深海裝備相關(guān)的教學(xué)、設(shè)計與研究。

[中圖分類號] G642.3? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0391-02? ? [收稿日期] 2020-04-14

海洋來源的天然產(chǎn)物較之陸生來源，往往具備新穎的結(jié)構(gòu)、獨特的生物活性或者獨特的生物作用機制，目前被認為是未來發(fā)現(xiàn)重要藥物先導(dǎo)物和具有新生物作用機制藥物的最主要源泉[1，2]。我國海洋天然產(chǎn)物研究起始于20世紀70年代末期，進入21世紀我國意識到了海洋生物資源的重要性，加大了對海洋產(chǎn)物的研發(fā)力度，海洋天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)和利用是海洋生物資源開發(fā)的重要組成部分，其應(yīng)用領(lǐng)域包括藥物、食品、環(huán)境、材料等。

海洋生物天然產(chǎn)物已成為具有新作用機制的抗癌藥物的最重要來源，對它們的研究已經(jīng)為有機化學(xué)、生物學(xué)提供了一些從陸源天然產(chǎn)物中難以預(yù)料的信息，一些特殊的海洋生物次生代謝產(chǎn)物的獨特作用機制已成為研究生命科學(xué)和基礎(chǔ)藥理學(xué)的探針和工具藥。除了抗腫瘤、抗炎及在心腦血管方面的活性外，海洋生物天然產(chǎn)物的生物活性還表現(xiàn)在抗病毒、抗真菌、抗氧化、抗痙攣、抗瘧、殺蟲、抗附著和酶抑制活性等多方面。

提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定是天然產(chǎn)物化學(xué)家必備的基本技能，常用的提取分離工藝有溶劑法、鹽析法、色譜法、重結(jié)晶法、膜分離法等，結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)有紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜、X射線單晶衍射以及LC-MS、LC-NMR聯(lián)用技術(shù)等。在海洋藥物領(lǐng)域，重結(jié)晶、層析是比較常用的提取分離方法，核磁共振和質(zhì)譜是最常用的結(jié)構(gòu)鑒定方法。

學(xué)生需要了解海洋天然產(chǎn)物的主要生物來源、提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定的技術(shù)手段、生物活性的測試方法，從而培養(yǎng)開發(fā)利用海洋生物活性物質(zhì)的意識和能力，該門課程的實驗部分主要包括相關(guān)技術(shù)原理講解、基本操作訓(xùn)練、海洋動物、植物和微生物中天然產(chǎn)物的提取、分離和純化的系統(tǒng)訓(xùn)練。

一、實驗對象選擇

浙江大學(xué)海洋學(xué)院所在的浙江舟山是一個海島城市，具備去海邊現(xiàn)場采樣的條件。但是天然產(chǎn)物化學(xué)如果用天然的海洋動植物，因為樣品本身的含水量較大，對于新手來說需要較多的樣品，才能確保提取分離到單一產(chǎn)物。因此單次完成全部樣品的采集比較困難，并且本門課程的重點并不在樣品采集上，更重要的是希望學(xué)生通過實驗課，了解熟悉提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定的方法與技術(shù)。

在海洋科學(xué)專業(yè)本科教育階段，已經(jīng)安排了多次走出校門的實踐活動，具體包括：大一暑期實踐去海邊潮間帶采樣并對樣品進行分類學(xué)習(xí)與觀察，后期在實驗室學(xué)習(xí)不同來源的海洋微生物分離純化方法;海洋生態(tài)與進化及實驗課程安排學(xué)生乘坐校船出海，學(xué)習(xí)采集海水與浮游生物方法;海洋生物學(xué)課程安排學(xué)生去海洋生物博物館參觀，進一步了解海洋生物分類與特征。

本門課程最終決定選取海星和馬尾藻屬海藻羊棲菜作為海洋動物和海洋植物的代表，這兩種生物屬于中藥，可以在藥店中采購。海洋微生物中真菌的發(fā)酵產(chǎn)物量大，因此我們聯(lián)系了科研實驗室，選擇發(fā)酵總產(chǎn)量大且有一種或多種產(chǎn)量大的目標化合物的真菌菌種。使用這些海洋生物樣品進行實驗課程時，具有不受實驗時間地點的限制，可以隨時開展課程的優(yōu)點。

二、課程的時間安排

海洋天然產(chǎn)物化學(xué)這門課程的實驗部分總共有48學(xué)時，由于海洋天然產(chǎn)物化學(xué)的每個獨立實驗做起來都非常耗時，如果按照每周3學(xué)時的常規(guī)安排，一次實驗課無法完成完整的實驗項目，且理論課前期需要介紹天然產(chǎn)物的概論、歷史、發(fā)展趨勢，介紹各類活性物質(zhì)的特征特性等，無法直接介紹提取分離與結(jié)構(gòu)鑒定的技術(shù)與方法，學(xué)期初即開始實驗課的模式，無法跟理論課很好的結(jié)合。

本課程綜合考慮后，我們將48學(xué)時集中在后半學(xué)期六次上完，讓學(xué)生在充分學(xué)懂理論知識后，再通過實驗課練習(xí)海洋天然產(chǎn)物的提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定，徹底的學(xué)懂學(xué)透。課程共設(shè)置了四個實驗項目，分六次完成，每次完成8學(xué)時的教學(xué)任務(wù)。

真菌的大量培養(yǎng)發(fā)酵需要靜置培養(yǎng)一個月，冷浸法提取天然產(chǎn)物也需要較長的時間，因此需要合理安排每次的實驗內(nèi)容，在前幾個實驗時需要將這些耗時的實驗內(nèi)容提前做，以保證充分利用寶貴的實驗課時。

三、實驗設(shè)計

實驗一：天然產(chǎn)物化學(xué)的基本操作（8學(xué)時）。在第一堂實驗課上，帶領(lǐng)學(xué)生對照各種儀器實地學(xué)習(xí)天然產(chǎn)物化學(xué)實驗室安全注意事項，建立實驗室安全意識;參觀并介紹旋轉(zhuǎn)減壓濃縮系統(tǒng)、高效液相色譜儀、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、核磁共振波譜儀等實驗儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本使用方法;讓學(xué)生體驗并熟悉天然產(chǎn)物提取、旋轉(zhuǎn)減壓濃縮系統(tǒng)使用、薄層色譜分析、柱色譜分離的基本原理和操作等。

實驗二：海洋植物海藻中的天然產(chǎn)物提取與分離實驗（10學(xué)時）。從眾多的海洋植物中，選擇干燥的馬尾藻屬海藻羊棲菜作為實驗對象。羊棲菜中化學(xué)成分復(fù)雜多樣，大部分具有較高的藥用價值，其中的甾醇具有抗氧化、抗菌消炎、降血脂等生活活性[3]。本實驗以小極性物質(zhì)甾醇為目標成分，按照既定實驗方案進行提取和分離純化，實驗中學(xué)習(xí)了超聲輔助有機溶劑提取法，熟悉了薄層色譜分析、柱色譜分離方法，由于目標甾醇含量大，容易析出，還讓學(xué)生體驗了結(jié)晶純化的方法。

實驗三：海洋動物天然產(chǎn)物提取與分離實驗（10學(xué)時）利用海星作為實驗對象，海星也是一位中藥，具有解毒散結(jié)，和胃止痛之功效，常用于甲狀腺腫大，瘰疬，胃痛泛酸，腹瀉，中耳炎。本次實驗的目標成分為甾體皂苷類，讓學(xué)生通過實驗二的基礎(chǔ)，結(jié)合課前文獻學(xué)習(xí)，自行設(shè)計提取和分離工藝并進行實際實驗操作，最終能夠得到一個純化合物，初步體驗海洋天然產(chǎn)物化學(xué)科研工作的實際研究思路。

實驗四：海洋微生物代謝產(chǎn)物的提取分離與鑒定（20學(xué)時），本次實驗是一個完整的綜合性實驗，對象生物為海洋微生物中的真菌。學(xué)習(xí)真菌發(fā)酵培養(yǎng)方法、代謝產(chǎn)物溶劑萃取法，通過對提取物薄層分析自行選定目標成分，并設(shè)計分離純化方案，最終分離得到目標成分，并讓學(xué)生利用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、核磁共振波譜儀對目標產(chǎn)物進行測試，嘗試根據(jù)結(jié)果進行結(jié)構(gòu)鑒定，更加了解設(shè)備的工作原理，為日后的科研工作打下一個良好的基礎(chǔ)。

四、學(xué)生人數(shù)過少時的特殊安排

海洋科學(xué)專業(yè)采取大類招生，學(xué)生可以在第二學(xué)年根據(jù)學(xué)習(xí)興趣與職業(yè)規(guī)劃選擇海洋生物、海洋化學(xué)或者物理海洋等方向，這就造成每屆海洋生物方向的學(xué)生并不固定，需要有更靈活多樣的實驗方案。

以2014級為例，海洋生物方向只有六個學(xué)生，我們邀請三個課題組開放科研實驗室，讓學(xué)生在科研實驗室完成全部實驗項目與課時數(shù)，更真實的體驗天然產(chǎn)物提取分離過程中的難點與要點，根據(jù)在研的具體項目，學(xué)生們在科研實驗室體驗了海洋天然產(chǎn)物化學(xué)科學(xué)研究的從采集樣品，篩選菌株、純化菌株、發(fā)酵培養(yǎng)、提取分離結(jié)構(gòu)鑒定的全過程。在這個過程中學(xué)習(xí)了溶劑法、鹽析法、色譜法、重結(jié)晶法、膜分離法等，結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)有紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜、X射線單晶衍射以及LC-MS、LC-NMR聯(lián)用等技術(shù)，不僅熟悉了各種儀器設(shè)備的使用方法，還掌握了ODS柱、凝膠柱、大孔樹脂柱、液相色譜制備分離等不同的分離方法，比在教學(xué)實驗室獲得了更好的學(xué)習(xí)效果。

海洋天然產(chǎn)物化學(xué)實驗課所掌握的提取分離技能可以拓展應(yīng)用到藥品檢驗分析、食品農(nóng)藥殘留和毒品檢測、環(huán)境污染物分析等多個領(lǐng)域。學(xué)生在完成海洋天然產(chǎn)物化學(xué)理論課程和實驗課程的學(xué)習(xí)之后，可以獨立完成不同性質(zhì)物質(zhì)的提取分離及分析工作，為學(xué)生日后從事海洋天然產(chǎn)物開發(fā)和利用研究，以及其他天然和人工有機化合物的分析檢測工作都奠定了良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]湯海峰.天然藥物化學(xué)課程中“海洋天然產(chǎn)物”章節(jié)的教學(xué)實踐[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2014，16（005）：359-362.

[2]史清文，李力更，霍長虹，等.加強天然藥物化學(xué)課程中海洋天然產(chǎn)物章節(jié)教學(xué)的意義[J].藥學(xué)教育，2011，27（4）：23-25.

[3]董玲麗.羊棲菜生物活性成分研究綜述[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（16）：230-233.

Teaching Experiment Design and Practice of the Course in Marine Natural Product Chemistry

LIU Ying，HAO Shuai

（Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan，Zhejiang 316021，China）

Abstract：Marine natural products chemistry experiment teaching selects hijiki，starfish，and fungi as the representative of the marine plants，animals，and microorganisms to design the experiments according to the actual demand and scheduling.Students are required to complete the extraction，separation and purification of natural products in the system training，and through the course study lay a good professional foundation.

Key words：marine natural product chemistry;experiment teaching;experiment design