天然药物提取工艺课件-绪论.ppt

天然药物提取工艺学天然药物提取工艺学天然产物提取工艺学天然产物提取工艺学主编主编：徐怀德徐怀德 中国轻工业出版社中国轻工业出版社第一章第一章 绪论绪论 Introduction天然药物提取工艺学天然药物提取工艺学学习要求：学习要求：了解天然产物提取工艺学的特点；了解天然产物提取工艺学的特点；熟悉分离工艺的设计策略，技术进展；熟悉分离工艺的设计策略，技术进展；掌握天然产物提取过程的选择。掌握天然产物提取过程的选择。天然产物提取工艺学特点天然产物提取工艺学特点天然产物开发利用概况天然产物开发利用概况天然产物分离工艺设计和技术进展天然产物分离工艺设计和技术进展产物提取过程的选择产物提取过程的选择学习内容：学习内容：什么叫天然产物？什么叫天然产物？n来源于来源于动物、植物、昆虫、海洋生动物、植物、昆虫、海洋生物和微生物主代谢和次生代谢的化物和微生物主代谢和次生代谢的化学物质学物质，都称为天然产物。，都称为天然产物。什么叫天然产物化学？什么叫天然产物化学？n天然产物化学天然产物化学是研究动物、植物、昆虫、是研究动物、植物、昆虫、海洋生物及微生物海洋生物及微生物代谢产物化学成分的代谢产物化学成分的学科，学科，甚至包括人体内源性成分的化学甚至包括人体内源性成分的化学研究，是在分子水平上揭示生命奥秘的研究，是在分子水平上揭示生命奥秘的重要科学。重要科学。天然药物？天然药物？n来源于天然生物资源，且可用来预防、来源于天然生物资源，且可用来预防、治疗、诊断疾病，或为了调节人体生治疗、诊断疾病，或为了调节人体生理机能、提高生活质量、保持身体健理机能、提高生活质量、保持身体健康的天然产物，称为康的天然产物，称为天然药物。天然药物。天然产物提取工艺？天然产物提取工艺？n运用运用化学工程原理和方法化学工程原理和方法对组成生物的对组成生物的化学物质进行化学物质进行提取、分离纯化提取、分离纯化的过程。的过程。化工原理和化工原理和方法的运用方法的运用红豆杉红豆杉紫杉醇紫杉醇1.1.多学科性：多学科性：生物化学、植物学、动物学、微生物学，生物化学、植物学、动物学、微生物学，分子生物学等分子生物学等生物学科生物学科；有机化学、植物化学、天然药物化学等有机化学、植物化学、天然药物化学等化学学科；化学学科；化学工程、机械工程、化工原理等化学工程、机械工程、化工原理等工程工程学科。学科。一、天然产物提取工艺学特点一、天然产物提取工艺学特点2 多层次、多方位性：多层次、多方位性：多层次：多层次：天然产物提取包括天然产物提取包括以以发展优质高产原料发展优质高产原料为主要目标的一级开发为主要目标的一级开发以以发展原料加工为目的发展原料加工为目的的二级开发的二级开发以以深度开发原料的单体化学成分及其应用为深度开发原料的单体化学成分及其应用为目的的三级开发目的的三级开发生物和天然产物的多层次研究开发是相辅相生物和天然产物的多层次研究开发是相辅相成的。成的。2 多层次、多方位性：多层次、多方位性：多方位：多方位：提取产业是提取产业是生物技术与化学化工技术相互交生物技术与化学化工技术相互交叉的一个产业。叉的一个产业。包括用化学化工技术提取分离纯化动植物得包括用化学化工技术提取分离纯化动植物得到天然产物，到天然产物，也利用现代生物技术如微生物发酵、酶工程也利用现代生物技术如微生物发酵、酶工程等进行创行改造，获得天然的天然产物。等进行创行改造，获得天然的天然产物。3 复杂性复杂性生物材料组成复杂生物材料组成复杂生物材料种类繁多，一个材料常包括数生物材料种类繁多，一个材料常包括数百种化合物，各种化合物的形状、大小、百种化合物，各种化合物的形状、大小、等都不同；且在分离过程中仍会发生变等都不同；且在分离过程中仍会发生变化；含量低微等。化；含量低微等。天然产物具有不稳定性天然产物具有不稳定性许多生物活性物质一旦离开机体，易变许多生物活性物质一旦离开机体，易变性、破坏，性、破坏，尽可能在较低温度和洁净环境下进行。尽可能在较低温度和洁净环境下进行。提取分离方法：提取分离方法：1.物理方法物理方法：研磨、超声波、离心等；：研磨、超声波、离心等；2.物理化学方法物理化学方法：冻溶、透析、蒸馏等；：冻溶、透析、蒸馏等；3.化学方法化学方法：离子交换、化学沉淀等；：离子交换、化学沉淀等；4.生物方法生物方法：生物亲和层析、免疫层析等；：生物亲和层析、免疫层析等；5.新技术新技术：微波、超临界流体提取等；：微波、超临界流体提取等；6.现代生物技术现代生物技术：微生物工程、酶工程等；：微生物工程、酶工程等；二、天然产物开发利用概况二、天然产物开发利用概况1.有了人，就有了天然产物；有了人，就有了天然产物；（简单的利用原料）（简单的利用原料）2.19世纪初，从鸦片中提取吗啡世纪初，从鸦片中提取吗啡;（原料的提取分离）（原料的提取分离）3.新技术的应用促使发明更精密、准确的分新技术的应用促使发明更精密、准确的分离方法，应用于天然产物的分离研究。离方法，应用于天然产物的分离研究。（深加工的三级阶段）（深加工的三级阶段）二、天然产物开发利用概况二、天然产物开发利用概况1.在医药业的开发利用概况在医药业的开发利用概况2.在食品行业的发展概况在食品行业的发展概况3.天然产物提取的技术发展天然产物提取的技术发展4.部分天然产物成分及功能部分天然产物成分及功能2.12.1在医药业的开发利用在医药业的开发利用由于天然产物化学研究所提供的活性物由于天然产物化学研究所提供的活性物质结构新颖、疗效高、副作用小，所以质结构新颖、疗效高、副作用小，所以天然产物始终是天然产物始终是制药工业中新药研究的制药工业中新药研究的主要源泉之一主要源泉之一;（结构是新药设计的主要结构是新药设计的主要模型模型）还广泛应用于农业和工业；如除虫菊酯还广泛应用于农业和工业；如除虫菊酯系列化合物农药。系列化合物农药。2.12.1在医药业的开发利用在医药业的开发利用随着质谱和核磁共振仪的普及运用以及随着质谱和核磁共振仪的普及运用以及X射线单晶衍射仪的运用，各种层析方法的射线单晶衍射仪的运用，各种层析方法的普及，近年更以普及，近年更以每年发现近每年发现近200个新化合个新化合物的速度增长着，发现了一批有生理活性物的速度增长着，发现了一批有生理活性的新型结构，的新型结构，其中许多有应用前景。其中许多有应用前景。植物药植物药 利血平利血平 治疗高血压治疗高血压 长春新碱长春新碱 抗癌药抗癌药n天然产物是有效治疗药的一个重要来源天然产物是有效治疗药的一个重要来源，在，在2011年销路最好的年销路最好的30个非蛋白药物中，有个非蛋白药物中，有10个是从天然来源产物衍生或通过开发而获得个是从天然来源产物衍生或通过开发而获得的产物。的产物。nLipitor（阿托伐他汀）（美伐他汀衍生物）阿托伐他汀）（美伐他汀衍生物）远超过其他产品它为远超过其他产品它为Pfizer公司带来了公司带来了120亿亿美元的收入美元的收入 n不仅是药物的重要来源，而且被广泛地用作不仅是药物的重要来源，而且被广泛地用作药物开发的分子骨架。药物开发的分子骨架。2.2 2.2 天然产物在食品行业的发展概况天然产物在食品行业的发展概况保健食品是以天然产物为物质基础，保健食品是以天然产物为物质基础，不仅需要经过人体及动物实验证明该产品具不仅需要经过人体及动物实验证明该产品具有某种生理功能，有某种生理功能，且需查清具有该项保健功能的功能因子的结且需查清具有该项保健功能的功能因子的结构、含量、作用机制等在食品中的稳定性；构、含量、作用机制等在食品中的稳定性；以开发不同形态和功能的保健食品。以开发不同形态和功能的保健食品。2.2 2.2 天然产物在食品行业的发展概况天然产物在食品行业的发展概况农产品的加工也是以天然产物为物质基础农产品的加工也是以天然产物为物质基础的产品；的产品；如：玉米加工产品淀粉糖，环保塑料等；如：玉米加工产品淀粉糖，环保塑料等；2.3 2.3 天然产物提取的技术发展天然产物提取的技术发展生物工程技术的进步，如酶工程、发生物工程技术的进步，如酶工程、发酵工程等；酵工程等；新型的分离纯化技术的应用，如：双新型的分离纯化技术的应用，如：双水相萃取、层析分离、超临界水相萃取、层析分离、超临界CO2提提取等。取等。三、分离工艺设计和技术进展三、分离工艺设计和技术进展3.1 生物原料生产和提取技术结合生物原料生产和提取技术结合生物原料的生产是天然产物提取生产的第生物原料的生产是天然产物提取生产的第一工厂一工厂。植物细胞的大规模培养早于动物细胞的，利用植物细胞的大规模培养早于动物细胞的，利用植物细胞培养可以生产某些珍贵之物次生代谢植物细胞培养可以生产某些珍贵之物次生代谢产物，如生物碱等。产物，如生物碱等。微生物菌种选育和工程菌共建是天然产物提取微生物菌种选育和工程菌共建是天然产物提取上游工程的主要工作之一，一般以开发新物种上游工程的主要工作之一，一般以开发新物种和提高目的产物含量为目标。和提高目的产物含量为目标。三、分离工艺设计和技术进展三、分离工艺设计和技术进展材料的选择：要求原料中有效成分含量高。材料的选择：要求原料中有效成分含量高。好的材料破碎方法和程度、选择合适的溶剂好的材料破碎方法和程度、选择合适的溶剂和提取参数，减少工艺操作的次数，产物可和提取参数，减少工艺操作的次数，产物可被直接转移至气相、液相或固相。被直接转移至气相、液相或固相。利用利用细胞的结构组成细胞的结构组成设计天然产物提取的工设计天然产物提取的工艺方法。艺方法。生物化学成分生物化学成分也决定提取工艺的方法和参数；也决定提取工艺的方法和参数；生物是一个整体，组成的物质各成分之间相互影生物是一个整体，组成的物质各成分之间相互影响。生物体中响。生物体中分子结构与分子间的作用力的不同分子结构与分子间的作用力的不同，采取的提取工艺设计时要考虑不同的方法将之隔采取的提取工艺设计时要考虑不同的方法将之隔离。离。3.2 生物微观结构设计提取工艺生物微观结构设计提取工艺 3.3 3.3 根据天然产物的结构设计提取工艺：根据天然产物的结构设计提取工艺：天然产物的空间结构、官能团的种类、位置、天然产物的空间结构、官能团的种类、位置、数量、存在的形式等物理性质都决定提取工数量、存在的形式等物理性质都决定提取工艺所选用的方法；艺所选用的方法；其中官能团的种类、数量、位置、存在形式其中官能团的种类、数量、位置、存在形式时决定提取工艺的主要因素。时决定提取工艺的主要因素。生物是一个整体，各个组分之间的制约和影生物是一个整体，各个组分之间的制约和影响，也决定提取工艺、方法和步骤的不同。响，也决定提取工艺、方法和步骤的不同。天然产物加工过程发展的一个主要倾向是天然产物加工过程发展的一个主要倾向是多种多种分离、纯化技术的结合分离、纯化技术的结合，包括新、老技术的，包括新、老技术的相互交叉、渗透与融合。相互交叉、渗透与融合。分离技术：亲和膜分离、亲和沉淀等层析技分离技术：亲和膜分离、亲和沉淀等层析技术；术；萃取技术：凝胶萃取、双水相分配层析萃取技术：凝胶萃取、双水相分配层析等。等。3.4 根据不同分离技术耦合设计工艺根据不同分离技术耦合设计工艺3.5 提取过程前后阶段纵向统一提取过程前后阶段纵向统一在天然产物提取分离中选择不同的分离机理在天然产物提取分离中选择不同的分离机理单元组成一套工艺；单元组成一套工艺；含量多的杂质先分离除去，尽早采用高效分含量多的杂质先分离除去，尽早采用高效分离手段，将最昂贵费时的分离单元放在最后离手段，将最昂贵费时的分离单元放在最后阶段。阶段。*杂质引起的分析纯化困难可通过前后协杂质引起的分析纯化困难可通过前后协调解决调解决.如：如：萃取时常产生乳化现象萃取时常产生乳化现象，可在萃取前，可在萃取前，通过加热、絮凝、金属离子曾定、水解酶等通过加热、絮凝、金属离子曾定、水解酶等预先除去杂质蛋白避免乳化现象的产生。预先除去杂质蛋白避免乳化现象的产生。3.6 3.6 从天然产物提取分离体系改性和流从天然产物提取分离体系改性和流体流动特性设计工艺体流动特性设计工艺天然产物的天然产物的反应液是复杂流体反应液是复杂流体，具有，具有高黏高黏度和依赖于生物流体的剪切力等流体力学度和依赖于生物流体的剪切力等流体力学行为行为，给传热和两相间的接触过程带来特，给传热和两相间的接触过程带来特殊的问题；殊的问题；天然产物的工业化需天然产物的工业化需将实验室技术放大将实验室技术放大；大型天然产物分离装置中的设计需考虑流大型天然产物分离装置中的设计需考虑流体力学的因素，制定合理的工艺。体力学的因素，制定合理的工艺。天然产物提取的每步操作主要目的是：天然产物提取的每步操作主要目的是：n减少产品体积；减少产品体积；n提高产品纯度；提高产品纯度；n增加后续操作效率增加后续操作效率 结论：结论：天然产物提取工艺的整体统一性要天然产物提取工艺的整体统一性要从大系统的角度进行设计，从大系统的角度进行设计，选择适当的提选择适当的提取分离方法和工艺控制因素和参数，顾及取分离方法和工艺控制因素和参数，顾及不同参数和操作单元的相互作用，以动态不同参数和操作单元的相互作用，以动态优化和静态的优化结合，根据具体原料，优化和静态的优化结合，根据具体原料，能够快速、便捷地提取纯化天然产物。能够快速、便捷地提取纯化天然产物。四、天然产物提取过程的选择四、天然产物提取过程的选择1.1.天然产物加工的主要过程天然产物加工的主要过程2.2.设计天然产物产品加工过程的原则设计天然产物产品加工过程的原则4.1 天然产物加工的主要过程天然产物加工的主要过程n1.细胞破碎：细胞破碎：包括珠磨破碎、压力释放破碎（高压匀包括珠磨破碎、压力释放破碎（高压匀浆）、冷冻加压破碎、化学破碎、机械浆）、冷冻加压破碎、化学破碎、机械粉碎等；粉碎等；细胞破碎技术的成熟使得大规模生产胞细胞破碎技术的成熟使得大规模生产胞内产物成为可能。内产物成为可能。n2.初步纯化：初步纯化：各种沉淀法的应用，如盐析法、有机溶各种沉淀法的应用，如盐析法、有机溶剂沉淀法、化学沉淀法，树脂吸附法，剂沉淀法、化学沉淀法，树脂吸附法，膜分离法等膜分离法等 n3.高度纯化：高度纯化：各类层析技术的应用；亲和层析、疏水各类层析技术的应用；亲和层析、疏水层析等，应用于工业生产的主要是离子层析等，应用于工业生产的主要是离子层析和凝胶层析。层析和凝胶层析。n4.成品加工：成品加工：主要是干燥和结晶。主要是干燥和结晶。对于生物活性物质，根据其对于生物活性物质，根据其热稳定性的不热稳定性的不同分别采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾床同分别采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾床干燥、冷冻干燥等技术。干燥、冷冻干燥等技术。冷冻干燥主要在蛋白质产品干燥上应用广冷冻干燥主要在蛋白质产品干燥上应用广泛。泛。结晶技术实现工业化生长。结晶技术实现工业化生长。4.2 设计天然产物产品加工过程的原则设计天然产物产品加工过程的原则n1.采用步骤最少采用步骤最少天然产物的分离纯化流程是多步骤组合完成天然产物的分离纯化流程是多步骤组合完成的，应尽可能采用最少步骤。的，应尽可能采用最少步骤。？几个步骤组合的策略不仅影响产品的回收率，几个步骤组合的策略不仅影响产品的回收率，还大大影响到投资的大小和操作成本。还大大影响到投资的大小和操作成本。假设每一步的回收率为假设每一步的回收率为95%，n个步骤后总回个步骤后总回收率为收率为0.95n，如，如10个，则总回收率为个，则总回收率为60；如果减少如果减少4个步骤，总回收率为个步骤，总回收率为74。n2.2.采用步骤的次序要合理采用步骤的次序要合理在加工过程中，固液分离、在加工过程中，固液分离、高度纯化和高度纯化和成品加工成品加工选用技术的范围窄，次序不成选用技术的范围窄，次序不成问题；问题；主要是在主要是在初步纯化初步纯化这个阶段，要注意采这个阶段，要注意采用的步骤次序。用的步骤次序。4.2 设计天然产物产品加工过程的原则设计天然产物产品加工过程的原则n3.3.产品规格产品规格也称技术规范，是用成品中各类杂质的也称技术规范，是用成品中各类杂质的最低存在量最低存在量来表示的，它是确定来表示的，它是确定纯化要纯化要求的程度求的程度以及由此而生的加工过程方案以及由此而生的加工过程方案选择的主要依据。选择的主要依据。物料的物理形式物料的物理形式也是产品技术规格要求也是产品技术规格要求的重要组成部分，包括的重要组成部分，包括干燥物料的粒子干燥物料的粒子大小和结晶产品的晶型大小和结晶产品的晶型；最终产品的微生物污染问题最终产品的微生物污染问题也是产品规也是产品规格要求的组成部分。医药产品，在冷冻格要求的组成部分。医药产品，在冷冻干燥前，都要进行无菌过滤。干燥前，都要进行无菌过滤。n4.4.生产规模生产规模主要是由被主要是由被采用的过程采用的过程决定；决定；原料破碎、初步纯化、高度纯化、原料破碎、初步纯化、高度纯化、产品加工这四个过程的选择决定。产品加工这四个过程的选择决定。n5.进料组成进料组成 n6.产品形式产品形式n7.产品稳定性产品稳定性 n8.物性物性n9.危害性危害性 n10.三废处理三废处理n11.分批或连续过程分批或连续过程4.2 设计天然产物产品加工过程的原则设计天然产物产品加工过程的原则五、天然产物提取利用建议五、天然产物提取利用建议1.1.生物资源多样性和用途多功能性，进行综生物资源多样性和用途多功能性，进行综合利用合利用同科属的生物常具有相同的化学成分，注同科属的生物常具有相同的化学成分，注意在同科、同属生物中寻找欲开发的天然意在同科、同属生物中寻找欲开发的天然药物，药物，同时要考虑到同一种生物物体有上千种物同时要考虑到同一种生物物体有上千种物质组成，应具有不同的生理活性或用途。质组成，应具有不同的生理活性或用途。五、天然产物提取利用建议五、天然产物提取利用建议n目前，人们只对极少数生物进行化学组成成分目前，人们只对极少数生物进行化学组成成分的研究，对已知成分知道其功能的更是少数。的研究，对已知成分知道其功能的更是少数。在天然药物的开发利用上要注意生物资源的多在天然药物的开发利用上要注意生物资源的多样性和物质功能多样性，样性和物质功能多样性，从从量大的前提化合物半合成活性天然产物量大的前提化合物半合成活性天然产物。注重天然产物提取工艺理论研究；注重天然产物提取工艺理论研究；利用生物技术，对生物进行细胞培养，利用生物技术，对生物进行细胞培养，以有效成分为目标，进行工厂化生产；以有效成分为目标，进行工厂化生产；充分利用现代分离工程技术如膜分离技充分利用现代分离工程技术如膜分离技术、亲和分离技术等进行天然产物的提术、亲和分离技术等进行天然产物的提取分离；取分离；利用先进工程设备提取天然产物。利用先进工程设备提取天然产物。2.2.充分利用先进科学技术，充分利用先进科学技术，生产高技术天然产物产品生产高技术天然产物产品必须减少对环境污染的清洁生产工艺转必须减少对环境污染的清洁生产工艺转变，确保工厂排污更符合环保要求，保变，确保工厂排污更符合环保要求，保证原材料、能源的高效利用，并尽可能证原材料、能源的高效利用，并尽可能确保未反应的原材料和水循环利用。确保未反应的原材料和水循环利用。保护生物资源的多样性。保护生物资源的多样性。3.3.处理好利用与资源保护、环境保处理好利用与资源保护、环境保护的矛盾，使其处于良性循环状态护的矛盾，使其处于良性循环状态调整产品结构，要发展高档产品调整产品结构，要发展高档产品如高档医药生化产品、功能性食品、如高档医药生化产品、功能性食品、生化催化剂等。生化催化剂等。发展众多精细化工产品及用化学法无发展众多精细化工产品及用化学法无法生产或很难生产的产品；法生产或很难生产的产品；如微生物多糖、色素、甜味剂等。如微生物多糖、色素、甜味剂等。4.4.面向市场生产适销对路产品面向市场生产适销对路产品天然产物提取工艺学的要求天然产物提取工艺学的要求 1.1.掌握天然产物提取方法与技术设计掌握天然产物提取方法与技术设计 2.2.熟悉新型分离技术的应用熟悉新型分离技术的应用 3.3.掌握天然产物提取的工艺设计掌握天然产物提取的工艺设计 4.4.掌握不同类型药物的提取工艺设计掌握不同类型药物的提取工艺设计 成绩计算：成绩计算：平常考核：平常考核：30 期末考试：期末考试：70