“海洋天然產(chǎn)物化學(xué)”課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉穎 郝帥

[摘 要] 海洋天然產(chǎn)物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)實(shí)際需求與課時(shí)安排選擇了羊棲菜、海星、真菌作為了海洋植物、動(dòng)物和微生物的代表來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(guò)課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生奠定了良好的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 海洋天然產(chǎn)物化學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

[作者簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)師，主要從事海洋天然產(chǎn)物化學(xué)、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)師，浙江大學(xué)海洋實(shí)驗(yàn)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(jì)與研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）38-0391-02? ? [收稿日期] 2020-04-14

海洋來(lái)源的天然產(chǎn)物較之陸生來(lái)源，往往具備新穎的結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的生物活性或者獨(dú)特的生物作用機(jī)制，目前被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)現(xiàn)重要藥物先導(dǎo)物和具有新生物作用機(jī)制藥物的最主要源泉[1，2]。我國(guó)海洋天然產(chǎn)物研究起始于20世紀(jì)70年代末期，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)意識(shí)到了海洋生物資源的重要性，加大了對(duì)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(kāi)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(jī)制的抗癌藥物的最重要來(lái)源，對(duì)它們的研究已經(jīng)為有機(jī)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(dú)特作用機(jī)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(chóng)、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(lái)源、提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定的技術(shù)手段、生物活性的測(cè)試方法，從而培養(yǎng)開(kāi)發(fā)利用海洋生物活性物質(zhì)的意識(shí)和能力，該門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇

浙江大學(xué)海洋學(xué)院所在的浙江舟山是一個(gè)海島城市，具備去海邊現(xiàn)場(chǎng)采樣的條件。但是天然產(chǎn)物化學(xué)如果用天然的海洋動(dòng)植物，因?yàn)闃悠繁旧淼暮枯^大，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)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(mén)課程的重點(diǎn)并不在樣品采集上，更重要的是希望學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhuān)業(yè)本科教育階段，已經(jīng)安排了多次走出校門(mén)的實(shí)踐活動(dòng)，具體包括：大一暑期實(shí)踐去海邊潮間帶采樣并對(duì)樣品進(jìn)行分類(lèi)學(xué)習(xí)與觀察，后期在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)不同來(lái)源的海洋微生物分離純化方法;海洋生態(tài)與進(jìn)化及實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步了解海洋生物分類(lèi)與特征。

本門(mén)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(dòng)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(gòu)。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(shí)驗(yàn)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(biāo)化合物的真菌菌種。使用這些海洋生物樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，具有不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)的限制，可以隨時(shí)開(kāi)展課程的優(yōu)點(diǎn)。

二、課程的時(shí)間安排

海洋天然產(chǎn)物化學(xué)這門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)部分總共有48學(xué)時(shí)，由于海洋天然產(chǎn)物化學(xué)的每個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)做起來(lái)都非常耗時(shí)，如果按照每周3學(xué)時(shí)的常規(guī)安排，一次實(shí)驗(yàn)課無(wú)法完成完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shì)，介紹各類(lèi)活性物質(zhì)的特征特性等，無(wú)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(kāi)始實(shí)驗(yàn)課的模式，無(wú)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(shí)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(shí)后，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分六次完成，每次完成8學(xué)時(shí)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(gè)月，冷浸法提取天然產(chǎn)物也需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此需要合理安排每次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在前幾個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將這些耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提前做，以保證充分利用寶貴的實(shí)驗(yàn)課時(shí)。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一：天然產(chǎn)物化學(xué)的基本操作（8學(xué)時(shí)）。在第一堂實(shí)驗(yàn)課上，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)照各種儀器實(shí)地學(xué)習(xí)天然產(chǎn)物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全注意事項(xiàng)，建立實(shí)驗(yàn)室安全意識(shí);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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)二：海洋植物海藻中的天然產(chǎn)物提取與分離實(shí)驗(yàn)（10學(xué)時(shí)）。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(shí)驗(yàn)對(duì)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(jià)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(shí)驗(yàn)以小極性物質(zhì)甾醇為目標(biāo)成分，按照既定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行提取和分離純化，實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)了超聲輔助有機(jī)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(biāo)甾醇含量大，容易析出，還讓學(xué)生體驗(yàn)了結(jié)晶純化的方法。

實(shí)驗(yàn)三：海洋動(dòng)物天然產(chǎn)物提取與分離實(shí)驗(yàn)（10學(xué)時(shí)）利用海星作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)的目標(biāo)成分為甾體皂苷類(lèi)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)，結(jié)合課前文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，自行設(shè)計(jì)提取和分離工藝并進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，最終能夠得到一個(gè)純化合物，初步體驗(yàn)海洋天然產(chǎn)物化學(xué)科研工作的實(shí)際研究思路。

實(shí)驗(yàn)四：海洋微生物代謝產(chǎn)物的提取分離與鑒定（20學(xué)時(shí)），本次實(shí)驗(yàn)是一個(gè)完整的綜合性實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(guò)對(duì)提取物薄層分析自行選定目標(biāo)成分，并設(shè)計(jì)分離純化方案，最終分離得到目標(biāo)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(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試，嘗試根據(jù)結(jié)果進(jìn)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(gè)良好的基礎(chǔ)。

四、學(xué)生人數(shù)過(guò)少時(shí)的特殊安排

海洋科學(xué)專(zhuān)業(yè)采取大類(lèi)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(shí)驗(yàn)方案。

以2014級(jí)為例，海洋生物方向只有六個(gè)學(xué)生，我們邀請(qǐng)三個(gè)課題組開(kāi)放科研實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生在科研實(shí)驗(yàn)室完成全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課時(shí)數(shù)，更真實(shí)的體驗(yàn)天然產(chǎn)物提取分離過(guò)程中的難點(diǎn)與要點(diǎn)，根據(jù)在研的具體項(xiàng)目，學(xué)生們?cè)诳蒲袑?shí)驗(yàn)室體驗(yàn)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(guò)程。在這個(gè)過(guò)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(shù)脂柱、液相色譜制備分離等不同的分離方法，比在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室獲得了更好的學(xué)習(xí)效果。

海洋天然產(chǎn)物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課所掌握的提取分離技能可以拓展應(yīng)用到藥品檢驗(yàn)分析、食品農(nóng)藥殘留和毒品檢測(cè)、環(huán)境污染物分析等多個(gè)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(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)之后，可以獨(dú)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(kāi)發(fā)和利用研究，以及其他天然和人工有機(jī)化合物的分析檢測(cè)工作都奠定了良好的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[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(shí)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(zhǎng)虹，等.加強(qiáng)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