天然產(chǎn)物化學與食品科學的關系

天然產(chǎn)物化學與食品科學的關系摘要：本文簡述了天然產(chǎn)物化學在食品科學中的應用，主要有藥用天然產(chǎn)物化學研究的現(xiàn)狀及其發(fā)展, 生物轉化在天然產(chǎn)物化學中的應用。關鍵詞：天然產(chǎn)物化學 食品科學 藥物開發(fā) 生物轉化食品產(chǎn)業(yè)是民生產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)。進入新世紀以來，我國食品產(chǎn)業(yè)得到了迅猛進展，大規(guī)模以上食品工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)突破10萬億元人民幣，與此相適應，食品科學研究取得了許多重要成果。 天然產(chǎn)物化學是以天然資源為研究對象 , 探討其化學組成、合成和作用的一門基礎研究和應用基礎研究科學,是從分子水平上研究基因、蛋白的功能,探索生命奧秘和認識生命活動規(guī)律的重要途徑之一1。天然產(chǎn)物化學的研究推動著有機化學、合成化學、分析化學、結構化學、植物化學等基礎學科的進步。通過對活性天然產(chǎn)物的合成研究,人們創(chuàng)造了許多新的有機合成方法和路線,從而極大地推動了現(xiàn)代醫(yī)藥、材料等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對國民經(jīng)濟的健康持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。天然產(chǎn)物化學與食品科學的關系尤為密切，近年來，天然產(chǎn)物化學在食品行業(yè)中的應用日益增加，比如保健食品，化學藥物，食品生物轉化技術。1 天然產(chǎn)物化學與藥物開發(fā)天然產(chǎn)物自古以來就為人類健康服務。人類在與疾病作斗爭的過程中,通過以身試藥,日積月累,對天然藥物的應用積累了豐富的經(jīng)驗。天然藥物之所以能夠防病治病,其物質基礎在于所含的有效成分。研究中草藥的有效成分,目的在于研究有效成分的化學結構、理化性質與生物活性之間的關系,逐步闡明其防病治病的原理;尋找新藥物、新藥源或開發(fā)利用對國民經(jīng)濟有價值的資源;同時,探索中草藥加工工藝,改進藥物劑型,控制中藥及其制劑的質量,提高臨床療效。由于天然藥物往往含有結構、性質不同的多種成分,且有效成分的含量一般較低,因此研究和開發(fā)天然藥物必須從復雜的中草藥組成成分中提取、分離和鑒定出有活性的單體純成分。有時,為了增強療效,克服毒副作用,通過改變有效成分的結構,如制備其類似物或衍生物,以創(chuàng)制出更好更新的藥物。以中草藥或其他動植物、微生物和海洋生物為主要研究目標的天然產(chǎn)物化學工作,已經(jīng)成為我國尋找新藥的重要研究途徑。1.1一些引人注目的藥用天然產(chǎn)物 由于現(xiàn)代分離技術和光譜方法的發(fā)展,以及近代生物技術和藥理學方法的進步,從植物中分離得到的具有生理活性的天然產(chǎn)物不斷被發(fā)現(xiàn),其中一些已用作藥物,另一些正在朝市場方向開發(fā)。下面介紹部分70年代以來國內外文獻報道的具有意義的例子。 1.1.1紫杉醇1971年,美國科學家Wani等 2首先從短葉紅豆杉(T.brevi folia)的樹皮中分離得到紫杉醇(taxol),它具有復雜新穎的化學結構,屬于三環(huán)二萜類化合物。它對疑難性卵巢轉移癌(包括順鉑無效的疾病)、乳腺癌、肺癌后期及頭頸部鱗狀細胞癌等很有效,1992年FDA批準了紫杉醇用于臨床治療。由于紫杉醇罕見的化學結構和獨特的抗癌作用機理,近十多年來, 在國內外工業(yè)界、藥物學界和化學界引起了很大的轟動,人們紛紛尋找各種方法開辟其來源。如我國已從紅豆杉Taxus Chinensis(pilger) Rehd等紅豆杉屬的植物中分離到了紫杉醇 及其衍生物。由于天然原料中含量少和資源短缺問題,例如,要獲得1kg紫杉醇需要砍伐大約11噸紅豆杉樹木(約4800 株),因此,人們還大量研究了半合成、全合成、細胞組織懸浮培養(yǎng)到基因工程法的生產(chǎn)。隨著紫杉醇主要構效關系的闡明,合成了紫杉醇的大量類似物,以尋找生物活性強、水溶性好的藥物 3 。1.1.2黃皮酰胺黃皮(Clausena Lansium)系生長在我國南方的一種果樹, 民間用其葉煮水治流感、疥癩,消風腫。其葉的水浸膏治療黃疸型病毒性肝炎有效。楊明河等4從黃皮葉中分離得一類具有 降SGPT活性的新酰胺化合物黃皮酰胺(Clausenamide), 結構由X-射線衍射法確證。隨后,又發(fā)現(xiàn)黃皮酰胺具有抑制脂質過氧化和腦保護作用。有人完成了這種保肝化合物的全合成5,并發(fā)現(xiàn)只有(3R,4S,5S,7R)這種立體構型的化合物才具活性。德國Bayer公司正在開發(fā)這種藥物。1.1.3 抗HIV活性化合物 近年來人們對尋找抗HIV活性的化合物越來越感興趣。值得一提的有沒食子酸(digallic acid),各種丹寧6, Castanosp ernine ,金絲桃素( Hypericin),從大葉吳茱萸分得的喹啉類生物堿Buchapine和喹啉酮等7,例如Buchapine和喹啉酮抗 HIV-1感染活性EC50分別為0.94、1.64mol/l,抑制HIV-1逆轉錄酶的活性IC 50分別為2.9、26.9mol/1。此外,從藍桉(Eucalyprus globulus)中分離到的芳香族取代二萜(Macraarpol)等也是頗令人感興趣的抗HIV-1感染活性的化合物8。1.1.4 免疫調節(jié)劑和抗腫瘤活性多糖現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種天然多糖,很多用作藥助劑,但真正作為藥物開發(fā)還是近年來的事。在已分離的多糖中,分子量大多在1萬45萬之間?，F(xiàn)已知多糖的免疫活性及抗腫瘤作用與多糖的結構有關。關于構效關系已見討論9。對其結構進行改造修飾,尋求最佳活性的半合成工作已開始進行。這些具有免疫刺激作用的多糖多來自真菌、地衣、藻類,結構通常以1,3及1,6糖甘鍵為主的葡聚糖,從高等植物中發(fā)現(xiàn)了1,2果聚糖及阿拉伯聚糖。2 生物轉化在天然產(chǎn)物中的應用 生物轉化是利用生物體系或其產(chǎn)生的酶制劑對外源性化合物進行結構修飾的生物化學過程。就其本質而言,生物轉化是生物體系對外源性底物的酶催化反應10-12。生物轉化反應具有高效、高選擇性、反應清潔、產(chǎn)物單純、易分離純化、能耗低等優(yōu)點,符合綠色化學的要求。著名化學家Wong Chi Huey教授指出,生物轉化在天然產(chǎn)物化學中的應用具有巨大的潛力,設計與發(fā)展適于生物轉化(酶促)反應的新的底物和利用遺傳工程改變酶的催化性質等都將大大利于其在制藥工業(yè)中的應用13。因此,生物轉化方法已經(jīng)受到研究者的廣泛重視,并正迅速發(fā)展。2.1有機合成及天然產(chǎn)物結構修飾天然活性藥物常常因為含量低、資源有限、結構復雜、不能采用化學方法合成等缺點而難以開發(fā)成新藥。生物轉化是由酶催化的化學反應, 具有位置選擇性和立體選擇性好、催化效率高、反應條件溫和、反應類型多、不污染環(huán)境等特點,因此往往應用生物轉化方法合成有活性的天然產(chǎn)物或尋找有活性的天然產(chǎn)物衍生物,易于得到結構新穎的化合物,且避免了有機合成反應中對其它基團的保護與去保護,簡化了合成步驟,提高了產(chǎn)物的收率,現(xiàn)已成為開發(fā)新藥的有效途徑。利用結構類似物進行生物轉化對于開發(fā)天然活性藥物具有重要意義。1952年,Murray和Peterson首先成功用黑根霉( Rbizopus nigricans)使孕酮(黃體酮)實現(xiàn)C11羥基化,成為C11A-羥基孕酮(圖1),成功地解決了皮質激素類藥物合成過程中的難題,也使人們意識到用化學方法極難發(fā)生的C11羥基化,通過微生物轉化能輕而易舉地完成,從而開創(chuàng)了微生物轉化甾體化合物的先例14。10-羥基喜樹堿(HCPT),作為抗癌藥,其療效好而且毒性低。近期發(fā)現(xiàn)多種微生物能定向將含量較高的喜樹堿(CPT,圖2)轉化10-羥基喜樹堿15。2.2作為藥物代謝機制的研究模型近年來,有人發(fā)現(xiàn)藥物的體內代謝產(chǎn)物往往與其微生物轉化產(chǎn)物具有一定的相似性,遂提出將微生物轉化作為藥物體內代謝的模型,從而將生物轉化技術引入到一個新的應用領域。文獻報道華蟾毒精和蟾毒靈在大鼠肝臟的主要代謝途徑3-OH脫氫及16-位脫乙?；磻?與微生物轉化具有一定的相似性,例證了微生物轉化可用于制備并輔助鑒定藥物的體內代謝產(chǎn)物。Hufford研究組對蒿乙醚進行微生物轉化,得到的轉化產(chǎn)物中9B-羥基蒿乙醚、9A-羥基蒿乙醚、2A-羥基蒿乙醚、14-羥基蒿乙醚也是蒿乙醚在小鼠肝細胞中的代謝產(chǎn)物。藥物的體內代謝產(chǎn)物在生物制品中大多含量很低,且雜質干擾嚴重, 產(chǎn)物的分離純化與結構鑒定均較困難;而微生物轉化產(chǎn)物的分離過程則相對簡單,且可實現(xiàn)較大量的產(chǎn)物制備,因此可用于輔助鑒定藥物代謝的微量乃至痕量產(chǎn)物,并可大量制備以作深入的研究16。2.3闡明抑真菌藥物的耐藥機制最近發(fā)現(xiàn)生物轉化是微生物耐受抑真菌藥物的重要脫毒機制。Aleu等發(fā)現(xiàn)Botrytiscinerea可使具有抑真菌活性的天然化合物Ginsenol和Isoprobotryan-9A-ol的結構發(fā)生改變, 生成羥基化產(chǎn)物,從而失去抗真菌作用。該研究成果為抑真菌藥物的研制及耐藥機制的闡明提供了新的思路。Pedras等還發(fā)現(xiàn)植物對病原性真菌的耐受亦存在著類似于生物轉化的機制。植物可使真菌產(chǎn)生的有害物質通過糖苷化、羥基化等反應,失去毒害作用17。綜上所述,我們應該重視天然產(chǎn)物化學研究中各個研究階段工作的開展,同時也必須有重點地選擇各個研究階段的關鍵科學問題進行研究。要充分利用現(xiàn)代科學技術手段和多學科交叉的方法,將研究的觸角深入到天然產(chǎn)物的原始出發(fā)點,即與之相關的生理行為的研究中去,為后基因組時代我國食品科學的發(fā)展做出應有的貢獻18。參考文獻1Nicolaou K C, Vourloumis D , Winssinger N , Baran P S.Angew. Chem. Int. Ed.,2000,39:442Wani M Cetal . J Am Chem Soc,1971,2325-23273韓廣甸等.有機化學. 19 93,13(4):337-3464Yang MingHe, etal.Phytochemistry,1988,27:4 45-4505饒爾昌等.藥學學報. 1994,29 (7):502-5056Nonaka G I,etal. J Nat Prod, 1990, 53(3):587-5957Jinping L M ,etal . J Nat Prod.1996,59(5):469-4718Nishizawa M,etal.Tetrahedron Lett, 1992,33:2983-29869方積年.藥學學報, 1986,21(12):944-94710褚志義.生物合成藥物學M.北京:化學工業(yè)出版社, 2000: 259 -262.11 Loughlin W A.Biotransformations in organic synthesisJ. Bioresource Technolog y, 2000,74(1):49-62.12 Rozzell J D.Commercial scale biocatalysis:Myths and realit iesJ.Bioorg Med Chem,1999,7(10):2253-2261.13張禮和.化學學科進展M.北京:化學工業(yè)出版社,2005:149 -150.14張春燕,白寶星,王明蓉.甾體藥物生物轉化體系的研究進 展J.國外醫(yī)藥:抗生素分冊,2007,28(5):210-214.15余伯陽.中藥與天然藥物生物技術研究進展與展望J.中國藥科大學學報,2002,33(5):359-363.16湯亞杰,李艷,徐小玲,等.天然活性先導化合物生物轉化J.中國生物工程雜志, 2007,27(9):110-115.17于德泉,吳毓林.天然產(chǎn)物化學進展M.北京:化學工業(yè)出版社, 2005:368-39218杜燦屏,劉魯生,張恒.21世紀有機化學發(fā)展戰(zhàn) 略.北京:化學工業(yè)出版社.2002年