天然藥物提取工藝課件-緒論

1、天然藥物提取工藝學(xué)1天然產(chǎn)物提取工藝學(xué)主編：徐懷德 中國輕工業(yè)出版社2第一章 緒論 Introduction天然藥物提取工藝學(xué)3學(xué)習(xí)要求： 了解天然產(chǎn)物提取工藝學(xué)的特點(diǎn)；熟悉分離工藝的設(shè)計(jì)策略，技術(shù)進(jìn)展；掌握天然產(chǎn)物提取過程的選擇。4天然產(chǎn)物提取工藝學(xué)特點(diǎn)天然產(chǎn)物開發(fā)利用概況天然產(chǎn)物分離工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)展產(chǎn)物提取過程的選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容：5什么叫天然產(chǎn)物？來源于動(dòng)物、植物、昆蟲、海洋生物和微生物主代謝和次生代謝的化學(xué)物質(zhì)，都稱為天然產(chǎn)物。6什么叫天然產(chǎn)物化學(xué)？天然產(chǎn)物化學(xué)是研究動(dòng)物、植物、昆蟲、海洋生物及微生物代謝產(chǎn)物化學(xué)成分的學(xué)科，甚至包括人體內(nèi)源性成分的化學(xué)研究，是在分子水平上揭示生命奧秘的重要

2、科學(xué)。7天然藥物？來源于天然生物資源，且可用來預(yù)防、治療、診斷疾病，或?yàn)榱苏{(diào)節(jié)人體生理機(jī)能、提高生活質(zhì)量、保持身體健康的天然產(chǎn)物，稱為天然藥物。8天然產(chǎn)物提取工藝？運(yùn)用化學(xué)工程原理和方法對(duì)組成生物的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行提取、分離純化的過程?；ぴ砗头椒ǖ倪\(yùn)用紅豆杉紫杉醇91.多學(xué)科性：生物化學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué)，分子生物學(xué)等生物學(xué)科；有機(jī)化學(xué)、植物化學(xué)、天然藥物化學(xué)等化學(xué)學(xué)科；化學(xué)工程、機(jī)械工程、化工原理等工程學(xué)科。一、天然產(chǎn)物提取工藝學(xué)特點(diǎn)102 多層次、多方位性：多層次：天然產(chǎn)物提取包括以發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)原料為主要目標(biāo)的一級(jí)開發(fā)以發(fā)展原料加工為目的的二級(jí)開發(fā)以深度開發(fā)原料的單體化學(xué)成分及其應(yīng)

3、用為目的的三級(jí)開發(fā)生物和天然產(chǎn)物的多層次研究開發(fā)是相輔相成的。112 多層次、多方位性：多方位：提取產(chǎn)業(yè)是生物技術(shù)與化學(xué)化工技術(shù)相互交叉的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。包括用化學(xué)化工技術(shù)提取分離純化動(dòng)植物得到天然產(chǎn)物，也利用現(xiàn)代生物技術(shù)如微生物發(fā)酵、酶工程等進(jìn)行創(chuàng)行改造，獲得天然的天然產(chǎn)物。123 復(fù)雜性生物材料組成復(fù)雜生物材料種類繁多，一個(gè)材料常包括數(shù)百種化合物，各種化合物的形狀、大小、等都不同；且在分離過程中仍會(huì)發(fā)生變化；含量低微等。天然產(chǎn)物具有不穩(wěn)定性許多生物活性物質(zhì)一旦離開機(jī)體，易變性、破壞，盡可能在較低溫度和潔凈環(huán)境下進(jìn)行。13提取分離方法：1. 物理方法：研磨、超聲波、離心等；2. 物理化學(xué)方法：凍溶

4、、透析、蒸餾等；3. 化學(xué)方法：離子交換、化學(xué)沉淀等；4. 生物方法：生物親和層析、免疫層析等；5. 新技術(shù)：微波、超臨界流體提取等；6. 現(xiàn)代生物技術(shù)：微生物工程、酶工程等；14二、天然產(chǎn)物開發(fā)利用概況1. 有了人，就有了天然產(chǎn)物； （簡單的利用原料）2. 19世紀(jì)初，從鴉片中提取嗎啡; （原料的提取分離）3. 新技術(shù)的應(yīng)用促使發(fā)明更精密、準(zhǔn)確的分離方法，應(yīng)用于天然產(chǎn)物的分離研究。 （深加工的三級(jí)階段）15二、天然產(chǎn)物開發(fā)利用概況1. 在醫(yī)藥業(yè)的開發(fā)利用概況2. 在食品行業(yè)的發(fā)展概況3. 天然產(chǎn)物提取的技術(shù)發(fā)展4. 部分天然產(chǎn)物成分及功能162.1在醫(yī)藥業(yè)的開發(fā)利用由于天然產(chǎn)物化學(xué)研究所提供

5、的活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)新穎、療效高、副作用小，所以天然產(chǎn)物始終是制藥工業(yè)中新藥研究的主要源泉之一;（結(jié)構(gòu)是新藥設(shè)計(jì)的主要模型）還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)；如除蟲菊酯系列化合物農(nóng)藥。172.1在醫(yī)藥業(yè)的開發(fā)利用隨著質(zhì)譜和核磁共振儀的普及運(yùn)用以及X射線單晶衍射儀的運(yùn)用，各種層析方法的普及，近年更以每年發(fā)現(xiàn)近200個(gè)新化合物的速度增長著，發(fā)現(xiàn)了一批有生理活性的新型結(jié)構(gòu)，其中許多有應(yīng)用前景。植物藥 利血平 治療高血壓 長春新堿 抗癌藥18天然產(chǎn)物是有效治療藥的一個(gè)重要來源，在2011年銷路最好的30個(gè)非蛋白藥物中，有10個(gè)是從天然來源產(chǎn)物衍生或通過開發(fā)而獲得的產(chǎn)物。Lipitor（阿托伐他汀）（美伐他汀衍生物）遠(yuǎn)

6、超過其他產(chǎn)品它為Pfizer公司帶來了120億美元的收入 不僅是藥物的重要來源，而且被廣泛地用作藥物開發(fā)的分子骨架。192.2 天然產(chǎn)物在食品行業(yè)的發(fā)展概況保健食品是以天然產(chǎn)物為物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅需要經(jīng)過人體及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明該產(chǎn)品具有某種生理功能，且需查清具有該項(xiàng)保健功能的功能因子的結(jié)構(gòu)、含量、作用機(jī)制等在食品中的穩(wěn)定性；以開發(fā)不同形態(tài)和功能的保健食品。202.2 天然產(chǎn)物在食品行業(yè)的發(fā)展概況農(nóng)產(chǎn)品的加工也是以天然產(chǎn)物為物質(zhì)基礎(chǔ)的產(chǎn)品；如：玉米加工產(chǎn)品淀粉糖，環(huán)保塑料等；212.3 天然產(chǎn)物提取的技術(shù)發(fā)展生物工程技術(shù)的進(jìn)步，如酶工程、發(fā)酵工程等；新型的分離純化技術(shù)的應(yīng)用，如：雙水相萃取、層析分離、超

7、臨界CO2提取等。22三、分離工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)展3.1 生物原料生產(chǎn)和提取技術(shù)結(jié)合生物原料的生產(chǎn)是天然產(chǎn)物提取生產(chǎn)的第一工廠。植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)早于動(dòng)物細(xì)胞的，利用植物細(xì)胞培養(yǎng)可以生產(chǎn)某些珍貴之物次生代謝產(chǎn)物，如生物堿等。微生物菌種選育和工程菌共建是天然產(chǎn)物提取上游工程的主要工作之一，一般以開發(fā)新物種和提高目的產(chǎn)物含量為目標(biāo)。23三、分離工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)展材料的選擇：要求原料中有效成分含量高。好的材料破碎方法和程度、選擇合適的溶劑和提取參數(shù)，減少工藝操作的次數(shù)，產(chǎn)物可被直接轉(zhuǎn)移至氣相、液相或固相。24利用細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)天然產(chǎn)物提取的工藝方法。生物化學(xué)成分也決定提取工藝的方法和參數(shù)；生物是

8、一個(gè)整體，組成的物質(zhì)各成分之間相互影響。生物體中分子結(jié)構(gòu)與分子間的作用力的不同，采取的提取工藝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮不同的方法將之隔離。3.2 生物微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提取工藝 253.3 根據(jù)天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提取工藝：天然產(chǎn)物的空間結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類、位置、數(shù)量、存在的形式等物理性質(zhì)都決定提取工藝所選用的方法；其中官能團(tuán)的種類、數(shù)量、位置、存在形式時(shí)決定提取工藝的主要因素。生物是一個(gè)整體，各個(gè)組分之間的制約和影響，也決定提取工藝、方法和步驟的不同。26天然產(chǎn)物加工過程發(fā)展的一個(gè)主要傾向是多種分離、純化技術(shù)的結(jié)合，包括新、老技術(shù)的相互交叉、滲透與融合。分離技術(shù)：親和膜分離、親和沉淀等層析技術(shù)；萃取技術(shù)：凝膠萃

9、取、雙水相分配層析等。3.4 根據(jù)不同分離技術(shù)耦合設(shè)計(jì)工藝273.5 提取過程前后階段縱向統(tǒng)一在天然產(chǎn)物提取分離中選擇不同的分離機(jī)理單元組成一套工藝；含量多的雜質(zhì)先分離除去，盡早采用高效分離手段，將最昂貴費(fèi)時(shí)的分離單元放在最后階段。 *雜質(zhì)引起的分析純化困難可通過前后協(xié)調(diào)解決. 如：萃取時(shí)常產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，可在萃取前，通過加熱、絮凝、金屬離子曾定、水解酶等預(yù)先除去雜質(zhì)蛋白避免乳化現(xiàn)象的產(chǎn)生。283.6 從天然產(chǎn)物提取分離體系改性和流體流動(dòng)特性設(shè)計(jì)工藝天然產(chǎn)物的反應(yīng)液是復(fù)雜流體，具有高黏度和依賴于生物流體的剪切力等流體力學(xué)行為，給傳熱和兩相間的接觸過程帶來特殊的問題；天然產(chǎn)物的工業(yè)化需將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)

10、放大；大型天然產(chǎn)物分離裝置中的設(shè)計(jì)需考慮流體力學(xué)的因素，制定合理的工藝。29天然產(chǎn)物提取的每步操作主要目的是：減少產(chǎn)品體積；提高產(chǎn)品純度；增加后續(xù)操作效率30 結(jié)論：天然產(chǎn)物提取工藝的整體統(tǒng)一性要從大系統(tǒng)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)奶崛》蛛x方法和工藝控制因素和參數(shù)，顧及不同參數(shù)和操作單元的相互作用，以動(dòng)態(tài)優(yōu)化和靜態(tài)的優(yōu)化結(jié)合，根據(jù)具體原料，能夠快速、便捷地提取純化天然產(chǎn)物。31四、天然產(chǎn)物提取過程的選擇1.天然產(chǎn)物加工的主要過程2.設(shè)計(jì)天然產(chǎn)物產(chǎn)品加工過程的原則324.1 天然產(chǎn)物加工的主要過程1.細(xì)胞破碎：包括珠磨破碎、壓力釋放破碎（高壓勻漿）、冷凍加壓破碎、化學(xué)破碎、機(jī)械粉碎等；細(xì)胞破碎技術(shù)

11、的成熟使得大規(guī)模生產(chǎn)胞內(nèi)產(chǎn)物成為可能。332.初步純化： 各種沉淀法的應(yīng)用，如鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀法、化學(xué)沉淀法，樹脂吸附法，膜分離法等 343.高度純化： 各類層析技術(shù)的應(yīng)用；親和層析、疏水層析等，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的主要是離子層析和凝膠層析。354.成品加工： 主要是干燥和結(jié)晶。對(duì)于生物活性物質(zhì)，根據(jù)其熱穩(wěn)定性的不同分別采用噴霧干燥、氣流干燥、沸騰床干燥、冷凍干燥等技術(shù)。冷凍干燥主要在蛋白質(zhì)產(chǎn)品干燥上應(yīng)用廣泛。結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生長。364.2 設(shè)計(jì)天然產(chǎn)物產(chǎn)品加工過程的原則1.采用步驟最少天然產(chǎn)物的分離純化流程是多步驟組合完成的，應(yīng)盡可能采用最少步驟。？幾個(gè)步驟組合的策略不僅影響產(chǎn)品的回收率

12、，還大大影響到投資的大小和操作成本。假設(shè)每一步的回收率為95%，n個(gè)步驟后總回收率為0.95n，如10個(gè)，則總回收率為60；如果減少4個(gè)步驟，總回收率為74。372.采用步驟的次序要合理在加工過程中，固液分離、高度純化和成品加工選用技術(shù)的范圍窄，次序不成問題；主要是在初步純化這個(gè)階段，要注意采用的步驟次序。4.2 設(shè)計(jì)天然產(chǎn)物產(chǎn)品加工過程的原則383.產(chǎn)品規(guī)格也稱技術(shù)規(guī)范，是用成品中各類雜質(zhì)的最低存在量來表示的，它是確定純化要求的程度以及由此而生的加工過程方案選擇的主要依據(jù)。物料的物理形式也是產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格要求的重要組成部分，包括干燥物料的粒子大小和結(jié)晶產(chǎn)品的晶型；最終產(chǎn)品的微生物污染問題也是產(chǎn)

13、品規(guī)格要求的組成部分。醫(yī)藥產(chǎn)品，在冷凍干燥前，都要進(jìn)行無菌過濾。394.生產(chǎn)規(guī)模主要是由被采用的過程決定；原料破碎、初步純化、高度純化、產(chǎn)品加工這四個(gè)過程的選擇決定。405.進(jìn)料組成 6.產(chǎn)品形式7.產(chǎn)品穩(wěn)定性 8.物性9.危害性 10.三廢處理11. 分批或連續(xù)過程4.2 設(shè)計(jì)天然產(chǎn)物產(chǎn)品加工過程的原則41五、天然產(chǎn)物提取利用建議1.生物資源多樣性和用途多功能性，進(jìn)行綜合利用同科屬的生物常具有相同的化學(xué)成分，注意在同科、同屬生物中尋找欲開發(fā)的天然藥物，同時(shí)要考慮到同一種生物物體有上千種物質(zhì)組成，應(yīng)具有不同的生理活性或用途。42五、天然產(chǎn)物提取利用建議目前，人們只對(duì)極少數(shù)生物進(jìn)行化學(xué)組成成分的研究，對(duì)已知成分知道其功能的更是少數(shù)。在天然藥物的開發(fā)利用上要注意生物資源的多樣性和物質(zhì)功能多樣性，從量大的前提化合物半合成活性天然產(chǎn)物。43注重天然產(chǎn)物提取工藝?yán)碚撗芯浚焕蒙锛夹g(shù)，對(duì)生物進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，以有效成分為目標(biāo)，進(jìn)行工廠化生產(chǎn)；充分利用現(xiàn)代分離工程技術(shù)如膜分離技術(shù)、親和分離技術(shù)等進(jìn)行天然產(chǎn)物的提取分離；利用先進(jìn)工程設(shè)備提取天然產(chǎn)物。2.充分利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)， 生產(chǎn)高技術(shù)天然產(chǎn)物產(chǎn)品44必須減少對(duì)環(huán)境污染的清潔生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)變，確保工廠排污更符合環(huán)保要求，保證原材料、能源的高效利用，并盡可能確保未反應(yīng)的原材料和水循環(huán)利用。保護(hù)生物資源的多樣性。3. 處理好利用與資源保護(hù)、