“海洋天然产物化学”课程教学实验设计与实践

刘颖 郝帅

[摘 要] 海洋天然产物化学实验教学根据实际需求与课时安排选择了羊栖菜、海星、真菌作为了海洋植物、动物和微生物的代表来设计实验，要求学生完成天然产物的提取、分离和纯化的系统训练，通过课程的学习，为学生奠定了良好的專业基础。

[关键词] 海洋天然产物化学;实验教学;实验设计

[作者简介] 刘 颖（1988—），女，山东青岛人，硕士，浙江大学海洋学院助理实验师，主要从事海洋天然产物化学、实验室与设备管理研究;郝 帅（1987—），女，内蒙古包头人，硕士，浙江大学海洋学院实验师，浙江大学海洋实验教学中心副主任，主要从事深海装备相关的教学、设计与研究。

[中图分类号] G642.3    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0391-02    [收稿日期] 2020-04-14

海洋来源的天然产物较之陆生来源，往往具备新颖的结构、独特的生物活性或者独特的生物作用机制，目前被认为是未来发现重要药物先导物和具有新生物作用机制药物的最主要源泉[1，2]。我国海洋天然产物研究起始于20世纪70年代末期，进入21世纪我国意识到了海洋生物资源的重要性，加大了对海洋产物的研发力度，海洋天然产物的发现和利用是海洋生物资源开发的重要组成部分，其应用领域包括药物、食品、环境、材料等。

海洋生物天然产物已成为具有新作用机制的抗癌药物的最重要来源，对它们的研究已经为有机化学、生物学提供了一些从陆源天然产物中难以预料的信息，一些特殊的海洋生物次生代谢产物的独特作用机制已成为研究生命科学和基础药理学的探针和工具药。除了抗肿瘤、抗炎及在心脑血管方面的活性外，海洋生物天然产物的生物活性还表现在抗病毒、抗真菌、抗氧化、抗痉挛、抗疟、杀虫、抗附着和酶抑制活性等多方面。

提取分离和结构鉴定是天然产物化学家必备的基本技能，常用的提取分离工艺有溶剂法、盐析法、色谱法、重结晶法、膜分离法等，结构鉴定技术有紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱、X射线单晶衍射以及LC-MS、LC-NMR联用技术等。在海洋药物领域，重结晶、层析是比较常用的提取分离方法，核磁共振和质谱是最常用的结构鉴定方法。

学生需要了解海洋天然产物的主要生物来源、提取分离和结构鉴定的技术手段、生物活性的测试方法，从而培养开发利用海洋生物活性物质的意识和能力，该门课程的实验部分主要包括相关技术原理讲解、基本操作训练、海洋动物、植物和微生物中天然产物的提取、分离和纯化的系统训练。

一、实验对象选择

浙江大学海洋学院所在的浙江舟山是一个海岛城市，具备去海边现场采样的条件。但是天然产物化学如果用天然的海洋动植物，因为样品本身的含水量较大，对于新手来说需要较多的样品，才能确保提取分离到单一产物。因此单次完成全部样品的采集比较困难，并且本门课程的重点并不在样品采集上，更重要的是希望学生通过实验课，了解熟悉提取分离和结构鉴定的方法与技术。

在海洋科学专业本科教育阶段，已经安排了多次走出校门的实践活动，具体包括：大一暑期实践去海边潮间带采样并对样品进行分类学习与观察，后期在实验室学习不同来源的海洋微生物分离纯化方法;海洋生态与进化及实验课程安排学生乘坐校船出海，学习采集海水与浮游生物方法;海洋生物学课程安排学生去海洋生物博物馆参观，进一步了解海洋生物分类与特征。

本门课程最终决定选取海星和马尾藻属海藻羊栖菜作为海洋动物和海洋植物的代表，这两种生物属于中药，可以在药店中采购。海洋微生物中真菌的发酵产物量大，因此我们联系了科研实验室，选择发酵总产量大且有一种或多种产量大的目标化合物的真菌菌种。使用这些海洋生物样品进行实验课程时，具有不受实验时间地点的限制，可以随时开展课程的优点。

二、课程的时间安排

海洋天然产物化学这门课程的实验部分总共有48学时，由于海洋天然产物化学的每个独立实验做起来都非常耗时，如果按照每周3学时的常规安排，一次实验课无法完成完整的实验项目，且理论课前期需要介绍天然产物的概论、历史、发展趋势，介绍各类活性物质的特征特性等，无法直接介绍提取分离与结构鉴定的技术与方法，学期初即开始实验课的模式，无法跟理论课很好的结合。

本课程综合考虑后，我们将48学时集中在后半学期六次上完，让学生在充分学懂理论知识后，再通过实验课练习海洋天然产物的提取分离和结构鉴定，彻底的学懂学透。课程共设置了四个实验项目，分六次完成，每次完成8学时的教学任务。

真菌的大量培养发酵需要静置培养一个月，冷浸法提取天然产物也需要较长的时间，因此需要合理安排每次的实验内容，在前几个实验时需要将这些耗时的实验内容提前做，以保证充分利用宝贵的实验课时。

三、实验设计

实验一：天然产物化学的基本操作（8学时）。在第一堂实验课上，带领学生对照各种仪器实地学习天然产物化学实验室安全注意事项，建立实验室安全意识;参观并介绍旋转减压浓缩系统、高效液相色谱仪、高效液相色谱-质谱联用仪、核磁共振波谱仪等实验仪器的基本结构、工作原理和基本使用方法;让学生体验并熟悉天然产物提取、旋转减压浓缩系统使用、薄层色谱分析、柱色谱分离的基本原理和操作等。

实验二：海洋植物海藻中的天然产物提取与分离实验（10学时）。从众多的海洋植物中，选择干燥的马尾藻属海藻羊栖菜作为实验对象。羊栖菜中化学成分复杂多样，大部分具有较高的药用价值，其中的甾醇具有抗氧化、抗菌消炎、降血脂等生活活性[3]。本实验以小极性物质甾醇为目标成分，按照既定实验方案进行提取和分离纯化，实验中学习了超声辅助有机溶剂提取法，熟悉了薄层色谱分析、柱色谱分离方法，由于目标甾醇含量大，容易析出，还让学生体验了结晶纯化的方法。

实验三：海洋动物天然产物提取与分离实验（10学时）利用海星作为实验对象，海星也是一位中药，具有解毒散结，和胃止痛之功效，常用于甲状腺肿大，瘰疬，胃痛泛酸，腹泻，中耳炎。本次实验的目标成分为甾体皂苷类，让学生通过实验二的基础，结合课前文献学习，自行设计提取和分离工艺并进行实际实验操作，最终能够得到一个纯化合物，初步体验海洋天然产物化学科研工作的实际研究思路。

实验四：海洋微生物代谢产物的提取分离与鉴定（20学时），本次实验是一个完整的综合性实验，对象生物为海洋微生物中的真菌。学习真菌发酵培养方法、代谢产物溶剂萃取法，通过对提取物薄层分析自行选定目标成分，并设计分离纯化方案，最终分离得到目标成分，并让学生利用高效液相色谱-质谱联用仪、核磁共振波谱仪对目标产物进行测试，尝试根据结果进行结构鉴定，更加了解设备的工作原理，为日后的科研工作打下一个良好的基础。

四、学生人数过少时的特殊安排

海洋科学专业采取大类招生，学生可以在第二学年根据学习兴趣与职业规划选择海洋生物、海洋化学或者物理海洋等方向，这就造成每届海洋生物方向的学生并不固定，需要有更灵活多样的实验方案。

以2014级为例，海洋生物方向只有六个学生，我们邀请三个课题组开放科研实验室，让学生在科研实验室完成全部实验项目与课时数，更真实的体验天然产物提取分离过程中的难点与要点，根据在研的具体项目，学生们在科研实验室体验了海洋天然产物化学科学研究的从采集样品，筛选菌株、纯化菌株、发酵培养、提取分离结构鉴定的全过程。在这个过程中学习了溶剂法、盐析法、色谱法、重结晶法、膜分离法等，结构鉴定技术有紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱、X射线单晶衍射以及LC-MS、LC-NMR联用等技术，不仅熟悉了各种仪器设备的使用方法，还掌握了ODS柱、凝膠柱、大孔树脂柱、液相色谱制备分离等不同的分离方法，比在教学实验室获得了更好的学习效果。

海洋天然产物化学实验课所掌握的提取分离技能可以拓展应用到药品检验分析、食品农药残留和毒品检测、环境污染物分析等多个领域。学生在完成海洋天然产物化学理论课程和实验课程的学习之后，可以独立完成不同性质物质的提取分离及分析工作，为学生日后从事海洋天然产物开发和利用研究，以及其他天然和人工有机化合物的分析检测工作都奠定了良好的专业基础。

参考文献

[1]汤海峰.天然药物化学课程中“海洋天然产物”章节的教学实践[J].基础医学教育，2014，16（005）：359-362.

[2]史清文，李力更，霍长虹，等.加强天然药物化学课程中海洋天然产物章节教学的意义[J].药学教育，2011，27（4）：23-25.

[3]董玲丽.羊栖菜生物活性成分研究综述[J].现代农业科技，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