“海洋天然產物化學”課程教學實驗設計與實踐

劉穎 郝帥

[摘 要] 海洋天然產物化學實驗教學根據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計實驗，要求學生完成天然產物的提取、分離和純化的系統訓練，通過課程的學習，為學生奠定了良好的專業基礎。

[關鍵詞] 海洋天然產物化學;實驗教學;實驗設計

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

[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

海洋來源的天然產物較之陸生來源，往往具備新穎的結構、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現重要藥物先導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，加大了對海洋產物的研發力度，海洋天然產物的發現和利用是海洋生物資源開發的重要組成部分，其應用領域包括藥物、食品、環境、材料等。

海洋生物天然產物已成為具有新作用機制的抗癌藥物的最重要來源，對它們的研究已經為有機化學、生物學提供了一些從陸源天然產物中難以預料的信息，一些特殊的海洋生物次生代謝產物的獨特作用機制已成為研究生命科學和基礎藥理學的探針和工具藥。除了抗腫瘤、抗炎及在心腦血管方面的活性外，海洋生物天然產物的生物活性還表現在抗病毒、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。

提取分離和結構鑒定是天然產物化學家必備的基本技能，常用的提取分離工藝有溶劑法、鹽析法、色譜法、重結晶法、膜分離法等，結構鑒定技術有紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜、質譜、X射線單晶衍射以及LC-MS、LC-NMR聯用技術等。在海洋藥物領域，重結晶、層析是比較常用的提取分離方法，核磁共振和質譜是最常用的結構鑒定方法。

學生需要了解海洋天然產物的主要生物來源、提取分離和結構鑒定的技術手段、生物活性的測試方法，從而培養開發利用海洋生物活性物質的意識和能力，該門課程的實驗部分主要包括相關技術原理講解、基本操作訓練、海洋動物、植物和微生物中天然產物的提取、分離和純化的系統訓練。

一、實驗對象選擇

浙江大學海洋學院所在的浙江舟山是一個海島城市，具備去海邊現場采樣的條件。但是天然產物化學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，更重要的是希望學生通過實驗課，了解熟悉提取分離和結構鑒定的方法與技術。

在海洋科學專業本科教育階段，已經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習與觀察，后期在實驗室學習不同來源的海洋微生物分離純化方法;海洋生態與進化及實驗課程安排學生乘坐校船出海，學習采集海水與浮游生物方法;海洋生物學課程安排學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酵產物量大，因此我們聯系了科研實驗室，選擇發酵總產量大且有一種或多種產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點。

二、課程的時間安排

海洋天然產物化學這門課程的實驗部分總共有48學時，由于海洋天然產物化學的每個獨立實驗做起來都非常耗時，如果按照每周3學時的常規安排，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物的概論、歷史、發展趨勢，介紹各類活性物質的特征特性等，無法直接介紹提取分離與結構鑒定的技術與方法，學期初即開始實驗課的模式，無法跟理論課很好的結合。

本課程綜合考慮后，我們將48學時集中在后半學期六次上完，讓學生在充分學懂理論知識后，再通過實驗課練習海洋天然產物的提取分離和結構鑒定，徹底的學懂學透。課程共設置了四個實驗項目，分六次完成，每次完成8學時的教學任務。

真菌的大量培養發酵需要靜置培養一個月，冷浸法提取天然產物也需要較長的時間，因此需要合理安排每次的實驗內容，在前幾個實驗時需要將這些耗時的實驗內容提前做，以保證充分利用寶貴的實驗課時。

三、實驗設計

實驗一：天然產物化學的基本操作（8學時）。在第一堂實驗課上，帶領學生對照各種儀器實地學習天然產物化學實驗室安全注意事項，建立實驗室安全意識;參觀并介紹旋轉減壓濃縮系統、高效液相色譜儀、高效液相色譜-質譜聯用儀、核磁共振波譜儀等實驗儀器的基本結構、工作原理和基本使用方法;讓學生體驗并熟悉天然產物提取、旋轉減壓濃縮系統使用、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物提取與分離實驗（10學時）。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。羊棲菜中化學成分復雜多樣，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，實驗中學習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，還讓學生體驗了結晶純化的方法。

實驗三：海洋動物天然產物提取與分離實驗（10學時）利用海星作為實驗對象，海星也是一位中藥，具有解毒散結，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，讓學生通過實驗二的基礎，結合課前文獻學習，自行設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物化學科研工作的實際研究思路。

實驗四：海洋微生物代謝產物的提取分離與鑒定（20學時），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。學習真菌發酵培養方法、代謝產物溶劑萃取法，通過對提取物薄層分析自行選定目標成分，并設計分離純化方案，最終分離得到目標成分，并讓學生利用高效液相色譜-質譜聯用儀、核磁共振波譜儀對目標產物進行測試，嘗試根據結果進行結構鑒定，更加了解設備的工作原理，為日后的科研工作打下一個良好的基礎。

四、學生人數過少時的特殊安排

海洋科學專業采取大類招生，學生可以在第二學年根據學習興趣與職業規劃選擇海洋生物、海洋化學或者物理海洋等方向，這就造成每屆海洋生物方向的學生并不固定，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生，我們邀請三個課題組開放科研實驗室，讓學生在科研實驗室完成全部實驗項目與課時數，更真實的體驗天然產物提取分離過程中的難點與要點，根據在研的具體項目，學生們在科研實驗室體驗了海洋天然產物化學科學研究的從采集樣品，篩選菌株、純化菌株、發酵培養、提取分離結構鑒定的全過程。在這個過程中學習了溶劑法、鹽析法、色譜法、重結晶法、膜分離法等，結構鑒定技術有紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜、質譜、X射線單晶衍射以及LC-MS、LC-NMR聯用等技術，不僅熟悉了各種儀器設備的使用方法，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，比在教學實驗室獲得了更好的學習效果。

海洋天然產物化學實驗課所掌握的提取分離技能可以拓展應用到藥品檢驗分析、食品農藥殘留和毒品檢測、環境污染物分析等多個領域。學生在完成海洋天然產物化學理論課程和實驗課程的學習之后，可以獨立完成不同性質物質的提取分離及分析工作，為學生日后從事海洋天然產物開發和利用研究，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基礎。

參考文獻

[1]湯海峰.天然藥物化學課程中“海洋天然產物”章節的教學實踐[J].基礎醫學教育，2014，16（005）：359-362.

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

[3]董玲麗.羊棲菜生物活性成分研究綜述[J].現代農業科技，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