1、武汉大学天然产物化学及提取尼古丁1、研究的意义和必要性 尼古丁是一种液态生物碱，无色易挥发,溶于水，并易形成可溶性盐，它作为烟草中的主要毒性物质，在吸烟引起的许多疾病中起到了重要作用，在医学领域,这方面的研究已相当广泛和深入，但近几年来随着对尼古丁药用价值的探讨发现，其对许多疾病有缓解和潜在的治疗作用。并且尼古丁是公认的绿色农药。2、烟草的历史 海曼(美国)在1962年出版的烟草和美洲人一书中，全面论述了烟草原产于中南美洲的观点。认为当今遍布于世界各地的烟草原产于美洲，最早种植并吸食的是当地印第安人，具体时间还没有定论。这一观点目前已得到世界大多数学者的赞同。魏纳尔(美国)在其美洲与美洲人一书
2、中认为烟草和其他一些食用植物是在1000多年前由非洲黑人横渡大西洋带到美洲的。这种说法主要是通过语言学来证实的，而缺乏可靠的考古资料的支持，因而只是一种观点。另一位美国学者沃尔费在其香料烟中认为最早吸烟的应是东亚大陆的中国人和蒙古人，这是因为美洲印第安人是从亚洲迁过去的蒙古人。虽然关于古代23万前亚洲人越过冰冻的白令海峡到达美洲的论点，已得国际上不少学者的认可，但这也不能是有力的证据，也只是一种推测而已。当时在美洲各地的烟草名称不同，但是植物种类却是同一种，即“红花烟草”，西印度群岛称“约里”，巴西称“碧冬木”，墨西哥称“叶特尔”，古巴称“科依瓦”。印第安人把烟草当作祭祀用的物品、还在各种纪念
3、庆祝活动中当作贵重的礼物。哥伦布到达美洲后把烟草带回了欧洲，从此欧洲开始了烟草的种植和吸食。据吴晗先生的考证，烟草传入我国约在明万历后期，大约是17世纪初叶，经3条路线：第一条，最早是福建水手从菲律宾(当时称吕宋)带回种子在福建种植，后传至广东和浙江。第二条是从南洋传入广东，第三条是由日本传入朝鲜，再传入辽东。我国，在明代的滇南本草中,第一次记载了烟草，后来在很多著作中都有对烟草的记载。明代人姚旅的露书中介绍烟从吕宋引入。明人张介宾的景岳全书中：烟草，自古未闻也，还自我明万历时始于闽、广之间，自后吴楚间皆种植之矣。然总不若闽中者色微黄质细，名为金丝烟，力强气胜为优也。求其习服之始，则向以征滇之
4、役，师旅深入漳地，无不染病，独一营安然无恙，问其所以，则众皆吸烟，由是传遍，今则西南一方，无分老幼，朝夕不能间也。明方以智的物理小识中有：淡巴姑，烟草，万历末有携至漳、泉，马氏造之 在清代花镜中有“烟花”一名淡巴菇，初生海外，后传种漳、泉，今随处有之，本似春不老而叶大于菜，开紫白细花，叶老爆干 本草纲目拾遗中，还对烟作了很详尽的描写，有烟草火、烟梗、烟叶、鼻烟等分别列条，包括烟草输入历史，各种烟草质量及加工方法，烟草的植物形态和品种的描述，而对其毒性及药用价值作了正反两方面的论述，也指出在明末吸烟已成为我国各地很盛的习惯。3、尼古丁的作用 过去我们对尼古丁的毒性研究的比较多，对这方面比较了解。
5、近些年来发现尼古丁也可以用于治疗一些疾病并能取得良好的疗效，应该辨正地看待这个问题。致病作用：1、慢性阻塞性疾病，动脉粥样硬化等慢性炎症疾病尼古丁促进中性粒细胞(PMNs)浸润、活化，释放炎性介质溶酶体酶、花生四烯酸及活性氧，作用于弹性蛋白、胶原蛋白，引起损伤。尼古丁通过升高胞内游离钙浓度使细胞蛋白激酶C(pkc)，Ras蛋白活化而诱导细胞间粘附因子-(ICAM-1)表达增多,促进PMNs与内皮细胞粘附，导致炎症的发生。2、肺气肿 尼古丁通过抑制M细胞凋亡使肺泡内M细胞存活时间延长，M释放更多的蛋白酶和趋化因子，蛋白酶破坏肺泡壁导致肺气肿发生，趋化因子募集更多的中性粒细胞释放蛋白酶，加重了肺气
6、肿。3、肺癌 肺癌的发生与尼古丁抑制肿瘤细胞的凋亡有密切的关系,其机理与尼古丁抑制M细胞的机理相似。4、收缩、损伤血管 吸烟、尼古丁、香烟提取物均可引起明显的血管收缩。5、影响牙齿生长发育 尼古丁抑制了牙乳头间充质细胞的增值，可能造成对牙齿生长发育的影响。6、影响甲状腺功能 吸烟可影响甲状腺功能，与甲状腺肿，自身免疫性甲状腺病，Grave眼病的发生发展有密切关系尼古丁作为烟草中的主要成分在影响甲状腺功能的机制中起一定的作用，尼古丁并不影响甲状腺激素的分泌及效用，但可刺激交感神经兴奋，从而影响甲状腺功能。治疗作用：1、阿尔茨海默病(AD)AD病人的记忆力逐渐丧失，进行性智能减退，最后产生痴呆。流
7、行病学研究显示，AD的发病与吸烟成负相关，并随着吸烟量的增加发病率进一步减少，而且吸烟能推迟AD的发病年龄。2、帕金森,又称震颤麻痹(PD)PD的主要病变在黑质和纹状体，在PD病人中发现黑质多巴胺(DA)能神经元缺失前伴随着尼古丁结合率的降低，在外科大脑半球横切术后的大鼠中发现，注射尼古丁可以减轻DA能神经末梢的减少，防止黑质、纹状体DA神经元的变性。3、抗氧化作用 吸烟与PD、AD似乎都成负相关，而两种疾病都存在着氧化反应增强，色谱分析提示，由于能将DA附加到强氧化剂Fe3+、H2O2，尼古丁可影响神经毒素6-羟基多巴胺的形成，所以尼古丁可强烈影响氧化反应，尼古丁处理过的大鼠，记忆力明显增强
8、，而尼古丁并未对各脑区氧自由基的形成或脂质过氧化反应造成影响。4、尼古丁治疗坏疽性脓皮病 有报道称将尼古丁贴于患处，可以对治疗有明显效果并没有副作用，但现在还是只对少量患者的实验的一种推测。5、尼古丁治疗溃疡性结肠炎 有报道称尼古丁对治疗此种疾病具有良好疗效，并且不良反应少而轻，但还处于临床实验阶段。6、抗癫痫 尼古丁可减弱癫痫发作并对神经元具有保护作用。此外，还有文献报道,尼古丁可降低Glu和NMDA的神经毒性，而对神经元起到保护作用，因而提出，尼古丁可作为兴奋毒介导疾病的治疗药物。总结：尼古丁早期一直被认为只对人体有害并诱发许多疾病，如动脉粥样硬化、慢性支气管炎、肺气肿、肺癌、Grave眼
9、病等，因此研究的焦点也定格在其致病机理上、而现在随着对其研究的深入，发现尼古丁可缓解和治疗多种疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病、溃疡型结肠炎、睡眠窒息、复发性口腔溃疡、子宫内膜癌、子宫肌瘤、子宫内膜异位症、注意力不集中、精神分裂症、记忆及学习障碍、疼痛等，可能对焦虑和抑郁也有效。尼古丁在不同的浓度和条件下对人体的作用也不同，如何把握至关重要。尼古丁在农药方面的应用：烟碱系列农药属植物杀虫剂，具有蒸薰、胃毒、触杀功能和迅速降解无残留的特点，广泛用作粮食、油料、蔬菜、水果、牧草等农作物的杀虫剂，是理想的高效绿色杀虫剂和生物性农药。尼古丁含量40%的硫酸烟碱是优良的触杀杀虫剂，根据不同需要可以制成不同
10、的制剂，用于防止蚜虫、卷叶蛾等效果良好。由烟碱生产的毙蚜丁乳剂对棉蚜不仅防治效果好，而且具有极高选择性。烟碱与复合氨基酸结合，具有抗植物病菌作用。另外，利用烟碱与过渡金属的配合作用，制成含烟酸和微量元素的微肥，兼具肥料及杀虫作用。尼古丁及其衍生物作医药原料：烟碱经氧化得烟酸，烟酸是维生素B族的一员，可制备防止癞皮病和维生素缺乏症的药物。烟酸与氨反应可得烟酰胺，用于治疗末梢血管痉挛、动脉硬化等。由烟酸还可制得尼可刹未(可拉明)，该药为中枢兴奋药物，对肺心病及吗啡过量引起的呼吸抑制效果很好。烟碱和喹啉经氧化制得异烟酸，再与水合肼缩合得异烟肼。异烟肼是高效、低毒、价廉的抗结核药物。烟碱还可制成戒烟膏
11、，对戒烟者疗效显著。4、尼古丁的提取 尼古丁在天然烟叶中的含量较高，一般可达12%16%；在烟梗中的含量约为5%7%；而且废次烟叶及烟卷下脚料中也含1%8%的尼古丁。因此他们都可以作为烟碱生产的原料。提取尼古丁没有国家标准方法，测定尼古丁的含量有国家标准方法，尼古丁的纯度测定，利用钨硅酸的重量分析方法，编号：NF V37-033-1997，开本页数A4#*，国际标准分类号：65.160，中国国家标准分类号：5#*。1、水蒸气蒸馏法 水蒸气蒸馏法是提取天然烟碱的较为原始的工艺，将原料先用稀酸浸提再用碱中和，然后进行水蒸气蒸馏提取尼古丁，再经过草酸处理、碱化得到成品烟碱。该法流程简单，操作方便，但
12、是处理设备庞大，效率低，所得产品烟碱的纯度低，不能满足市场需要，工业上已很少应用。李方、郑怀礼利用酸提取法提取尼古丁，然后用分光光度法测定尼古丁的含量。烟草中尼古丁的提取:准确称取一定量干燥的烟末于100 ml锥形瓶中，加入30ml 0.5 mol L-1HCl溶液，在小火上微沸8分钟，趁热抽滤，再用热高纯水洗涤残留物23次，滤液合并，定容至100 ml，避光保存待用。烟草中尼古丁含量的测定:准确移取一定量的上述烟碱滤液于干燥的50 ml分液漏斗中，加入1.00 ml pH 4.7的HAc-NaAc缓冲溶液，3.50 ml甲基橙溶液，再加入一定量高纯水使水相体积为7.00ml。加入5.00ml
13、二氯甲烷，振荡12 min，静置分层，取二氯甲烷层在分光光度计上，用1cm比色皿，以试剂空自为参比，于422 nm处测定吸光度。结论：利用酸性介质提取烟草中的尼古丁，再用甲基橙与尼古丁形成可萃入二氯甲烷的络合物，直接测定有机相的吸光度，即可定量测得烟草中的尼古丁。该测试体系操作简便、快速，结果准确，适用于各种烟样中尼古丁含量的分析。溶剂萃取法：溶剂萃取法的工艺流程为:原料碱(石灰水）浸提溶剂萃取制成烟碱盐碱化烟碱产品，该方法中的溶剂可选择乙醚、氯仿、氯代烯烃等有机溶剂。钟少华、彭华采用改进方法提取尼古丁 pH值与浸提效率:取100g烟草，分别用PH=89、7、56、34、01的水浸提4小时，得
14、到烟碱浸提液，用10%硅钨酸沉淀，静置，分离，干燥，恒重。测定浸提液中的烟碱的含量。浸提方式对浸提效率的影响：取100g烟草，分别做一次、多次和累积浸 提试验，同上法测定浸提液中烟碱的含 量。萃取剂的筛选：取10ml含烟碱浸提液，分别用乙醚、氯仿、四氯化碳萃取，静置，分离，比较萃取剂的优劣。从试验现象分析，乙醚不适于作烟碱萃取剂，萃取烟碱时乳化现象非常严重，两相分离困难，四氯化碳乳化现象相对较小，适于作为烟碱萃取仿剂。萃取效率、萃取分配系数、萃取方式的选择：取10ml含烟碱浸提液，分别用乙醚、氯仿和四氯化碳萃取，用硅钨酸测定萃取液中烟碱含量。由测定的试验数据来看，氯仿平衡系数为1.315，四氯
15、化碳的平衡系数为0.4520氯仿是四氯化碳的2.9倍，氯仿更适于作为烟碱的萃取剂。PH值对萃取效率的影响 方式1:30ml含烟减浸提液不调PH值，直接用30ml萃取剂来萃取。方式2:30ml含烟碱浸提液先调至PH=9，静置、过滤，再用30ml萃取剂萃取，测定萃取液中烟碱含量。方式3:30ml含烟碱浸提液先加人30ml萃取剂，再调pH=9，静置，分离，测定萃取液中烟碱含量。萃取液烟碱含量方式1 10.96mg/ml方式2 4.24mg/ml方式3 6.01 mg/ml pH值对萃取平衡分配系数的影响 取10ml含烟碱累积浸提液，分别调节PH=8、9、10，用氯仿萃取，分离，测定萃取液、萃余液烟碱
16、含量。从实验效果看出，PH值对萃取平衡分配系数有很大的影响，pH值增加，萃取平衡分配系数增大，对萃取有利。对试验数据权衡的结果，我们认为，萃取操作时，萃取体系的酸碱度以pH=910为最好。反萃取：总结：通过实验找出了一些提取的优化条件，为恰当的工业提取流程给出了一点指导。离子交换法：将原料用稀酸浸提，加热回流抽滤，将滤液经离子交换树脂(强酸性)，烟碱即被吸附在交换柱上，然后用碱交换得到游离烟碱的水溶液。该法的工艺流程为:原料稀硫酸浸提陈化压滤离子交换萃取反萃陈化产品。离子交换树脂选择HN268型，萃取剂选择煤油，反萃剂为硫酸，洗脱液为2mol/L的NaOH溶液。该法的烟碱最高提取率可达98 超
17、临界流体萃取：只有在烟草的含水量在25%时，CO2才能有效的萃取尼古丁。单级萃取工艺原料烟草的含水量为25%，萃取温度305370K，压力30kPa。不同原料会有不同的萃取结果，文献中表明，尼古丁的萃取率可达95。王献科、李玉萍用“液膜法提取烟草中的尼古丁”，这是一种新型的膜分离技术，有很多优良的性能。主要试剂与仪器：尼古丁标准溶液：质量分数为98%的烟碱(进口产品、分析纯)配成质量浓度为2.00mg.L-1.膜试剂：N,N-二仲辛基乙酰胺，分析纯；仲辛醇(Octanol-2)，分析纯；L113B(双烯丁二酰亚胺，兰州炼油厂产品)；磺化煤油，市售煤油与浓硫酸按体积比为4 1的比例混合，在80下
18、磺化35min，用分液漏斗分离出煤油，再用1.5molL-1NaHCO3溶液洗涤至中性(即可使用)；H2SO4水溶液按质量浓度为0.2mol.L-1；所用的水均为离子交换纯水或蒸馏水.仪器：制乳器、分离器(自制)；7232型电动搅拌机(上海标本模型厂)；HL-2型恒流泵(上海沪西仪器厂)；DBJ-621型定时变速搅拌器(4306分厂)；高压高频静电发生器(20004000V)；721B型分光光度计(上海第三分析仪器厂)；pHS-3C型酸度计(上海雷磁仪器厂)。试验方法：制乳：取体积分数分别为5%、3%、3%和89%的N,N-二仲辛基乙酰胺、仲辛醇、L113B和磺化煤油，置于制乳器中，搅拌均匀后
19、慢慢以30mL/min速度，加入与有机相等体积的H2SO4水溶液，再以2500r/min高速搅拌10min，制成油包水型的液膜。富集：取500mL试液(或料液)，置于分离器 中，用NaOH(质量浓度为100gL-1)水溶液，调节pH11左右，加入40mL上述液膜,以250rmin低速搅拌10min，静置分层。上层是有机相、下层是(料液)水溶液。破乳：分层后弃去水溶液、将有机相在2500V静电电压下破乳5min，液膜与内相水溶液两相分 层，上层是有机相，下层是富集在内相中含尼古丁水溶液。测定：收集含尼古丁水溶液，置于200mL容量瓶中，用水(纯水)稀释至刻度摇匀。取一定的试液，用硅钨酸滴定法或光
20、度法测定尼古丁的质量浓度。结论：选用N,N二仲辛基乙酰胺、仲辛醇为流动载体的液膜体系，分离提取尼古丁，在膜相组成(体积分数)有5%N,N一二仲辛基乙酰胺、3%仲辛醇、3%L113B和89%磺化煤油。以质量浓度为0.2molL-1的H2SO4水溶液为内相试剂，外相控制在pH11左右，Roi为1:1;Rew为40:500；温度在1536下操作，提取时间10min条件下，尼古丁的提取(富集)率在99.6%以上，RSD在1.0%4.5%范围内.内相中富集了高浓度的硫酸尼古丁，经处理、净化后，尼古丁纯度在99.4%以上。5、前景展望 对尼古丁的医学和农药学的角度研究都比较多，特别是关于烟草方面的毒性作用研究很多，因为这是有着巨大的经济利益作为支撑的。对尼古丁提取方法的研究还很不够，现在很多还是在用很传统的方法。一些新兴的方法也只是有些尝试，而没有大量系统的研究，真正将其进行足够的改良用于工业生产。从了解的情况来看，在尼古丁提取方面还有很多工作可以做。1、尝试其他的萃取分离技术，如：超声波提取、微波提取等 2、完善已经进行的新兴提取方法：分离树脂提取、超临界流体提取等。3、对尼古丁的提取进行化学动力学等机理方面的研究。
