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天然產(chǎn)物化學(xué)與食品科學(xué)的關(guān)系 摘要：本文簡述了天然產(chǎn)物化學(xué)在食品科學(xué)中的應(yīng)用，主要有藥用天然產(chǎn)物化學(xué)研究的現(xiàn)狀及其發(fā)展, 生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：天然產(chǎn)物化學(xué) 食品科學(xué) 藥物開發(fā) 生物轉(zhuǎn)化 食品產(chǎn)業(yè)是民生產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國食品產(chǎn)業(yè)得到了迅猛進(jìn)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(yīng)，食品科學(xué)研究取得了許多重要成果。 天然產(chǎn)物化學(xué)是以天然資源為研究對象 , 探討其化學(xué)組成、合成和作用的一門基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究科學(xué),是從分子水平上研究基因、蛋白的功能,探索生命奧秘和認(rèn)識生命活動規(guī)律的重要途徑之一[1]。天然產(chǎn)物化學(xué)的研究推動著有機(jī)化學(xué)、合成化學(xué)、分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、植物化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)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(jī)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(jì)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。 天然產(chǎn)物化學(xué)與食品科學(xué)的關(guān)系尤為密切，近年來，天然產(chǎn)物化學(xué)在食品行業(yè)中的應(yīng)用日益增加，比如保健食品，化學(xué)藥物，食品生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。 1 天然產(chǎn)物化學(xué)與藥物開發(fā) 天然產(chǎn)物自古以來就為人類健康服務(wù)。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(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。天然藥物之所以能夠防病治病,其物質(zhì)基礎(chǔ)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(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)與生物活性之間的關(guān)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(jì)有價(jià)值的資源;同時(shí),探索中草藥加工工藝,改進(jìn)藥物劑型,控制中藥及其制劑的質(zhì)量,提高臨床療效。 由于天然藥物往往含有結(jié)構(gòu)、性質(zhì)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(fù)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(shí),為了增強(qiáng)療效,克服毒副作用,通過改變有效成分的結(jié)構(gòu),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(biāo)的天然產(chǎn)物化學(xué)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(shù)和光譜方法的發(fā)展,以及近代生物技術(shù)和藥理學(xué)方法的進(jìn)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(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的具有意義的例子。 1.1.1紫杉醇 1971年,美國科學(xué)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(fù)雜新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu),屬于三環(huán)二萜類化合物。它對疑難性卵巢轉(zhuǎn)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(xì)胞癌等很有效,1992年FDA批準(zhǔn)了紫杉醇用于臨床治療。由于紫杉醇罕見的化學(xué)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的抗癌作用機(jī)理,近十多年來, 在國內(nèi)外工業(yè)界、藥物學(xué)界和化學(xué)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(xì)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(gòu)效關(guān)系的闡明,合成了紫杉醇的大量類似物,以尋找生物活性強(qiáng)、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(fēng)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(jié)構(gòu)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(zhì)過氧化和腦保護(hù)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(gòu)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、1.64μmol/l,抑制HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶的活性IC 50分別為2.9、26.9μmol/1。此外,從藍(lán)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(diào)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。現(xiàn)已知多糖的免疫活性及抗腫瘤作用與多糖的結(jié)構(gòu)有關(guān)。關(guān)于構(gòu)效關(guān)系已見討論[9]。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造修飾,尋求最佳活性的半合成工作已開始進(jìn)行。這些具有免疫刺激作用的多糖多來自真菌、地衣、藻類,結(jié)構(gòu)通常以β—1,3及β—1,6糖甘鍵為主的葡聚糖,從高等植物中發(fā)現(xiàn)了β—1,2—果聚糖及β—阿拉伯聚糖。 2 生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物中的應(yīng)用 生物轉(zhuǎn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的生物化學(xué)過程。就其本質(zhì)而言,生物轉(zhuǎn)化是生物體系對外源性底物的酶催化反應(yīng)[10-12]。生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)具有高效、高選擇性、反應(yīng)清潔、產(chǎn)物單純、易分離純化、能耗低等優(yōu)點(diǎn),符合綠色化學(xué)的要求。著名化學(xué)家Wong Chi Huey教授指出,生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用具有巨大的潛力,設(shè)計(jì)與發(fā)展適于生物轉(zhuǎn)化(酶促)反應(yīng)的新的底物和利用遺傳工程改變酶的催化性質(zhì)等都將大大利于其在制藥工業(yè)中的應(yīng)用[13]。因此,生物轉(zhuǎn)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(jī)合成及天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)修飾 天然活性藥物常常因?yàn)楹康汀①Y源有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能采用化學(xué)方法合成等缺點(diǎn)而難以開發(fā)成新藥。生物轉(zhuǎn)化是由酶催化的化學(xué)反應(yīng), 具有位置選擇性和立體選擇性好、催化效率高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)類型多、不污染環(huán)境等特點(diǎn),因此往往應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化方法合成有活性的天然產(chǎn)物或?qū)ふ矣谢钚缘奶烊划a(chǎn)物衍生物,易于得到結(jié)構(gòu)新穎的化合物,且避免了有機(jī)合成反應(yīng)中對其它基團(tuán)的保護(hù)與去保護(hù),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(jié)構(gòu)類似物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)C11羥基化,成為C11A-羥基孕酮(圖1),成功地解決了皮質(zhì)激素類藥物合成過程中的難題,也使人們意識到用化學(xué)方法極難發(fā)生的C11羥基化,通過微生物轉(zhuǎn)化能輕而易舉地完成,從而開創(chuàng)了微生物轉(zhuǎn)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?qū)⒑枯^高的喜樹堿(CPT,圖2)轉(zhuǎn)化10-羥基喜樹堿[15]。 2.2作為藥物代謝機(jī)制的研究模型 近年來,有人發(fā)現(xiàn)藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物往往與其微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有一定的相似性,遂提出將微生物轉(zhuǎn)化作為藥物體內(nèi)代謝的模型,從而將生物轉(zhuǎn)化技術(shù)引入到一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)報(bào)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?yīng),與微生物轉(zhuǎn)化具有一定的相似性,例證了微生物轉(zhuǎn)化可用于制備并輔助鑒定藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物。 Hufford研究組對蒿乙醚進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化,得到的轉(zhuǎn)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(xì)胞中的代謝產(chǎn)物。藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物在生物制品中大多含量很低,且雜質(zhì)干擾嚴(yán)重, 產(chǎn)物的分離純化與結(jié)構(gòu)鑒定均較困難;而微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分離過程則相對簡單,且可實(shí)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(jī)制 最近發(fā)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化是微生物耐受抑真菌藥物的重要脫毒機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)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(zhuǎn)化的機(jī)制。植物可使真菌產(chǎn)生的有害物質(zhì)通過糖苷化、羥基化等反應(yīng),失去毒害作用[17]。 綜上所述,我們應(yīng)該重視天然產(chǎn)物化學(xué)研究中各個研究階段工作的開展,同時(shí)也必須有重點(diǎn)地選擇各個研究階段的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究。要充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段和多學(xué)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(diǎn),即與之相關(guān)的生理行為的研究中去,為后基因組時(shí)代我國食品科學(xué)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)[18]。 參考文獻(xiàn) [1]Nicolaou K C, Vourloumis D , Winssinger N , Baran P S.Angew. 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