天然物概論

天然物和我們的生活息息相關，舉凡日常生活中所使用的化妝品、食品添加劑、藥物等，許多都源自於自然界的天然物質。天然成分或者天然產物種類繁多，不外乎源自於動物、植物、海洋生物、微生物、礦物。在眾多天然物來源中，以植物萃取物的應用範圍最廣，本書撰寫的重點著重在植物萃取物的來源。
本書是針對化妝品科系設計的中高階課程易，亦可作為生物技術、醫學、藥學等科系的專業教材，也可作為化妝品製造企業人員的參考用書。在本書編排架構上，先針對「天然物的定義、應用及分類」進行說明，引導讀者認識天然物。接著介紹「天然物在萃取及分離」的重要方法，讓讀者了解如何從植物中萃取和分離天然物。最後，針對天然植物或中草藥之有效二次代謝成分（三萜皂苷、甾體皂苷、香豆素、黃酮類化合物、類萜化合物、木脂素、鞣質、萜類化合物及生物鹼等等）的結構及分類、物質特性、分離與萃取及具有代表性的有效成分進行介紹。《天然物概論》一書，有助於您具備天然化學成分之基礎知識及應用於化妝保養品活性成分配方或其他健康概念產品。

張效銘

現職
大同大學生物工程系博士後研究員

學歷
大同大學生物工程所博士

經歷
臺北城市科技大學生物技術系兼任助理教授
東方設計學院化妝品應用及管理系兼任助理教授
臺北城市科技大學化妝品應用及管理系兼任助理教授

作者序
第一章　緒論
　第一節　天然物的定義
　第二節　天然物的應用
　第三節　天然物的生物合成
　第四節　天然物成分的分類
第二章　天然有效成分的萃取及分離
　第一節　天然物有效成分的萃取方法
　第二節　天然物有效成分的分離方法
　第三節　天然物有效成分的乾燥方法
第三章　糖及糖苷
　第一節　糖的分類
　第二節　糖的物質特性
　第三節　糖的萃取分離
　第四節　具有代表性的糖
第四章　皂類化合物
　第一節　皂類化合物
　第二節　三萜皂
　第三節　甾體皂
第五章　甾體類化合物
　第一節　甾體化合物的分類
　第二節　甾體化合物的物質特性
　第三節　甾體激素及膽汁酸
　第四節　強心
第六章　黃酮類化合物
　第一節　結構與分類
　第二節　黃酮化合物的物質特性
　第三節　黃酮化合物的萃取分離
　第四節　黃酮化合物的應用
第七章　香豆素和木脂素
　第一節　香豆素
　第二節　木脂素
第八章　類化合物
　第一節　類化合物的分類
　第二節　類化合物的物質特性
　第三節　類化合物的萃取分離
　第四節　代表性的類天然物
第九章　生物鹼類化合物
　第一節　生物鹼的分類
　第二節　生物鹼的物質特性
　第三節　生物鹼的萃取與分離
　第四節　具代表性的生物鹼
第十章　類及揮發油類化合物
　第一節　類化合物的分類
　第二節　類化合物的物質特性
　第三節　類化合物的萃取分離
　第四節　揮發油
第十一章 其他類型天然產物
　第一節　有機酸
　第二節　鞣質
　第三節　胺基酸、蛋白質和
　第四節　植物激素、昆蟲激素和農用天然產物
　第五節　海洋天然產物
附　錄　天然物有效成分的萃取與分離技術
　單元一：回流萃取技術
　單元二：超音波萃取技術
　單元三：微波萃取技術
　單元四：超臨界流體（SFE）萃取分離法
　單元五：溶劑萃取分離技術
　單元六：大孔吸附樹酯分離技術
　單元七：兩水相萃取分離法
　單元八：薄膜分離技術
　單元九：超過濾技術
　單元十：濃縮技術
　單元十一：噴霧乾燥技術
　單元十二：冷凍乾燥技術330
索　引

第一章
緒　論
天然物和我們的生活息息相關，舉凡日常生活中所使用的化妝品、食品添加物、藥物等，許多都源自於自然界的天然物質。雖然化學工業的進步使人們可藉由化學合成的技術大量製造生活必需品，但在意識到化學品對於人類所造成的負面影響後，及受到健康生活方式的引導、人們對化學藥物的反彈，以及對於基因改造產品的反抗等市場需求因素的影響，使得強調對人體自然無害的「天然萃取產品」，漸漸在全球市場上走紅。
第一節　天然物的定義
一、天然物的定義
（一）廣義的定義
自然界的所有物質都應稱為天然產物。天然萃取物應用於日常生活的例子非常多，而萃取物的來源也非常廣泛，常見之天然萃取物及其來源如下：
• 動物來源之天然萃取物：透明質酸（玻尿酸）、膠原蛋白、明膠。
• 植物來源之天然萃取物：香料、色素、精油、植物激素。
• 海洋生物來源之天然萃取物：甲殼素、藻膠、膠原蛋白、DHA。
• 礦物來源之天然萃取物：礦物質。
• 微生物來源之天然萃取物：酵素、抗生素。
（二）狹義的定義
在化學學科內，天然產物專指由動物、植物及海洋生物和微生物體內分離出來的生物二次代謝產物，及生物體內源性生理活性化合物，這些物質也許只在一個或幾個生物物種中存在，也可能分布極為廣泛。

天然產物化學提以各類生物為研究對象，以有機化學為基礎，化學和物理方法為手段，研究生物二次代謝產物的萃取、分離、結構、功能、生物合成、化學合成與修飾及其用途的一門科學，是生物資源開發利用的基礎研究。目的是希望從天然物中獲得醫治嚴重危害人類健康之疾病的防治藥物、醫用及農用抗菌素，並開發高效低毒農藥以及植物生長激素或其他具有經濟價值的物質。
第二節　天然萃取物的應用
天然萃取物目前主要可作為食品、化妝品及清潔用品、藥品的原料。在各種商品化的天然萃取產品中，其成分不外乎源自於動物、植物、海洋生物、微生物、礦物。
一、天然萃取物應用分析
目前美國所使用的天然萃取物有高達33%為精油（essential oils），28%屬於樹脂、凝膠、聚合物（gums, gels & polymers），另有22%為植物萃取物（botanical extracts），以及17%其他來源的天然物。應用情況，大致是使用在食品及飲品（food & beverages）、殺蟲劑（pesticides）、指甲油及清潔劑（polishes & cleaners）、藥品（pharmaceuticals）、膳食補充品（dietary supplements）、化妝品（cosmetics & toiletries）等各類產品中。針對全球天然萃取物的應用分析，以保健食品、化妝品、藥品等三個領域應用最多，且此三個領域相互關聯（圖1-1）。
（一）天然化妝品
愛美是人的天性，因此在身體健康的維持之外，對於美麗的追求，更是人類所關注的一個熱門主題。以往天然物運用在身體保健、疾病治療為主，現在卻有逐漸朝向天然化妝品發展的趨勢。由於化妝品裡往往含有人工合成的添加劑或化學成分，易引起使用者皮膚過敏的現象及安全上的疑慮；因此，為符合消費者追求高品質生活及預防皮膚疾病的需求下，在化妝品中添加天然萃取物或強調天然訴求的「天然化妝品」，成為當今極具發展潛力的商品。
（二）天然保健食品
天然物的使用經驗是前人所遺留的寶貴資產，而人類利用天然萃取物治病強身的觀念和做法，無論是古今中外都有相當豐富的使用心得。伴隨生物科技的進步，科學家發現並驗證許多食品都具有預防或延緩疾病的效果，並且在全球人類健康意識提升的趨勢中，保健食品的市場需求量大增，其種類亦趨於多樣化。以天然物為主成分之保健食品，不但對人體接受度高，且多為有長期使用經驗的傳統方劑，因此又更可做為現今保健品開發的依據。相較醫藥品而言，進入門檻較低，因而受到眾多廠商的青睞而競相投入天然保健食品市場。
（三）天然藥品
天然萃取藥品之興起，主要歸因於人類意識到化學藥物的毒性高、副作用大，且許多重大疾病尚未研發出有效的治療藥物，再加上目前純化合物新藥開發遇到瓶頸，因此植物萃取物與複方藥物的開發，成為目前醫藥研發的選擇之一。尤其當人類在遭遇到如SARS等傳染病的威脅，而化學合成藥物卻束手無策時，所謂的營養療法、食補強身等回歸自然古法的養身之道，便成為現代人趨之若鶩的一線希望。
二、現有之應用商品簡介
（一）天然萃取化妝品簡介
天然萃取的保養成分大致可分為三大類，即：動物萃取物、植物萃取物、微生物萃取物。
1. 動物萃取物：最耳熟能詳的就是胎盤素、膠原蛋白、彈性纖維蛋白、胺基酸、Q10等。
2. 植物萃取物：例如富含維生素E的小麥胚芽、酪梨、紫根、海藻、蘆薈等能減緩氧化傷害；含有胡蘿蔔素的胡蘿蔔和番茄能使細胞更新及消除皺紋；具消炎、止癢功效的甘菊等，都是已被廣為使用的草本植物。
3. 微生物萃取物：例如肉毒桿菌毒素、神經醯胺、麴酸等，是一般民眾皆耳熟能詳且在市場上熱賣的商品。

另外，以印度草本植物為基礎所發展出阿育吠陀化妝品（ayurvedic cosmetic），不但具有保養的功效，還同時兼具了健康的概念，其所使用的原料為草本植物、草本植物萃取物，以及草藥等天然成分。
（二）天然萃取食品簡介
來自於天然的食用元素，在日常生活中常用者如香料、天然色素、機能性材料、有機原料等。而天然的保健食品可源自於植物、動物或礦物，其中草本植物萃取物、葡萄糖胺以及必需脂肪酸等有機成分，為現今最廣泛使用的保健資源。

由於消費者希望以最天然的營養成分達到預防、改善疾病之效果，因此在保健食品中添加天然萃取物來提高健康價值的保健品，成為目前主要發展趨勢。目前我國所使用之保健食品成分，有：
• 植物類：人參、蘆薈、花粉、穀粉等。
• 維生素與礦物質。
• 動物類：雞精、魚油等。
• 微生物類：乳酸菌、酵母菌、紅麴、藻類等。
• 機能性成分：幾丁聚糖、酵素、核酸等。
• 複方產品：草本食品、藥膳等。
（三）天然萃取藥品簡介
大自然蘊含許多豐富的元素可供醫藥原料應用，目前市場上販售的藥品，很多是從植物中萃取出來的成分，或是以這些天然化合物為圭臬，以合成的方法製造出類似自然來源的成分。植物萃取物於醫藥上的應用，以生物鹼（alkaloid）、糖苷（glycoside）、萜烯（terpene）這三類化學結構之植物萃取物，為現在醫療應用上使用最多的產品。
1. 生物鹼（alkaloid）：係最早被科學化應用的植物萃取成分，主要作用為中樞神經系統之抑制或刺激物（central nervous system inhibitors and stimulants）。
2. 糖苷（glycoside）：可從植物的葉、芽、幼枝、樹皮、種子中萃取而得，在醫療方面的應用範圍很廣。
3. 萜烯（terpene）：物質來源極廣，目前已可自60大類、超過2,000種的植物中萃取而來，由於來源及成分多，所以在醫療上的應用也相當的廣泛，成為高銷售量的暢銷植物藥。
三、天然萃取物研發趨勢
（一）天然化妝品
天然化妝品之研發趨勢漸漸朝向具有特定功能的產品及原料開發，以及非外科手術的醫療美容市場邁進。
1. 新原料的開發
• 自天然物中尋找抗老化、抗氧化及美白之活性成分。
• 天然萃取物的保濕活性成分篩選。
• 以傳統草藥、植物萃取物及中草藥為核心成分的產品開發。
• 酵素、蛋白質之應用開發。

2. 美容醫療的應用
• 膠原蛋白於真皮層修補之應用。
• 肉毒桿菌毒素於抗皺之應用。
• 透明質酸（玻尿酸）於生物材料之應用。
• 其他新聚合物的開發及應用。
（二）天然保健食品
天然保健食品的發展趨勢，除了積極地從事新素材的開發，具有療效的產品研究，更是提高保健食品產值的最佳走向。
1. 原料開發
• 植物萃取物的開發：可改善更年期症狀、護肝等效果的成分開發。
• 有機成分添加物的開發：具特殊功效之成分開發。

2. 應用方向
• 日常保健：食品中添加植物萃取物以達到預防、治療、提升健康的目的。
• 疾病治療：添加具有療效的植物萃取食品，以增強體質和抵抗力，或可抗氧化、改善大腦功能、治療憂鬱症和抗焦慮、抗緊張與精神壓力。
（三）天然藥品
天然藥品的研發無論國內外，都以依循科學化驗證的植物新藥為開發首選。而在植物新藥的研發上，由於國內外醫療市場需求不同，造成新藥治療標的有所差異。研發方向大致歸納如下：
• 具醫療活性的成分篩選。
• 如癌症、愛滋等西藥難以治療之疾病治療用植物萃取物的開發。
• 代謝性疾病之治療成分開發。
第三節　天然物的生物合成
一、一次代謝與二次代謝
一次代謝（primary metabolism）指在植物、昆蟲或微生物體內的生物細胞通過光合作用、碳水化合物代謝和檸檬酸代謝，生成生物體生存繁殖所必需的化合物，例如糖類、胺基酸、脂肪酸、核酸及其聚合衍生物（多糖體、蛋白質、酯類、RNA、DNA）、乙醯輔酶A的代謝過程。這些化合物稱為一次代謝產物（primary metabolites）。一次代謝過程對於各種生物來說基本上是相同的，其代謝產物廣泛分布於生物體內，二次代謝（secondary metabolism）是以某些一次代謝產物作為起始原料，通過一系列特殊生物化學反應，生成表面上看來似乎對生物本身無用的化合物，例如萜類、甾體、生物鹼、多酚類等，這些二次代謝產物（secon-dary metabolites）就是人們熟知的天然產物。二次代謝及其產物對於不同族、種的生物來說，常具有不同的特徵，而且二次代謝產物的體內分布具有局限性。不像一次代謝產物那樣分布廣泛，目前對於一次代謝及其產物的研究歸屬於生物化學的領域，對二次代謝及其產物的研究已擴展到天然產物化學、化學生態學、植物分類學等學科。事實上，對一次代謝產物與二次代謝產物的區分，有時也不是很明顯。例如，已被生化學家廣泛研究的葡萄糖、果糖和甘露糖是一次代謝產物，而結構上與其密切相關的其他糖類，例如D-查爾糖（D-chalcose）、L-鏈黴糖（L-streptose）和D-碳黴糖（D-mycaminose）都被劃為二次代謝產物，又如L-脯胺酸（L-proline）是一次代謝產物，而同樣廣泛分布的六碳環類似物啶酸（L-pipecolic acid）卻被認為是一個二次代謝產物。

極大多數二次代謝產物對生成它們的生物有哪些影響或直接作用，尚有待進行深入探討。近十年來的研究表明，二次代謝產物的生成與生物所處的外界環境（生長期、植物開花期、季節、溫度、產地、光照等）密切相關。例如，幼嫩的楝樹葉含很少的鞣酸，隨著楝樹的迅速生長，樹葉中鞣酸量增加，到秋季楝樹葉含鞣酸的量達最高。鞣酸具有收斂和難以消化等性質，是幼蟲生長的抑制劑。堅韌成熟的葉子中的高含量的鞣酸，可保護植物的生長。因此，二次代謝產物可成為非滋養性化學物質，它能控制周圍環境中其他生物的生態學，在生物群的共同生存、演變過程中，扮演著重要的作用。
二、二次代謝產物的生物合成途徑
二次代謝產物是一次代謝的延續，兩者又是互相關聯的。一次代謝生成的乙酸、甲戊二羥酸、莽草酸是二次代謝的原料。而成為二次代謝產物的前驅物，通常又是某些一次代謝的前驅物。例如，芳香胺基酸同為多肽、蛋白質和生物鹼的前驅物，多酮為脂肪酸和黃酮類的前驅物。二次代謝的主要途徑，根據不同的起始原料，可分為以下五類：
• 莽草酸途徑（shikimic acid pathway）：生成芳香化合物（aro-matics），例如酚、胺基酸等。
• β-多酮途徑（polyketides pathway）：生成多炔類（polyalkynes）、多元酚（polyphenol）、前列腺素（prostaglandins, PGs）、四環黴素（tetracyclins）、巨環類抗生素（macrolide）。
• 甲戊二羥酸途徑（mevalonic acid pathway）：生成萜類（terpenoids）、甾體（steroids）。
• 胺基酸途徑（amino acid pathway）：生成青黴素（penicillin）、頭孢菌素（cephalosporin）、生物鹼（alkaloids）。
• 桂皮酸途徑（cinnamic acid pathway）：生成苯丙素類化合物（phenyl propanoids）。例如，黃酮類化合物（flavonids）、香豆素（coumarin）及木脂素（lignans）等。
• 混合途徑（mixture pathway）：例如，由胺基酸和甲戊二羥酸生成吲哚生物鹼（indole alkaloids），由β-多酮和莽草酸生成黃酮類（flavonoids）。
上述二次代謝途徑，可歸納如圖1-2所示：
第四節　天然物成分的分類
天然成分或者天然產物種類繁多，在眾多天然物來源中，以植物萃取物的應用範圍最廣（圖1-3），本書將撰寫的重點放在植物萃取物的來源為主，針對各種不同植物萃取物的成分結構及分類、分離及萃取、物質特性及具有代表性的物質三方面，進行詳細的介紹。
近年來，藥妝品最主要的發展方向為加入草藥植物或酵素等有效成分。而藥妝業者為保持植物和草藥植物的完整活性物質，進行了嚴謹的管控，故植物和草藥植物的有效活性成分萃取，有著更複雜的製造過程要求。在化妝品中添加植物萃取物是因消費者需要更好的生活品質及預防皮膚疾病的認知，故以天然為基礎的產品需求日漸增多。藥妝品又較個人保養產品更會添加這類有功效的萃取物質，例如抗皺、抗氧化、皮膚調節、止痛、防曬及刺激頭髮生長等。
植物萃取物之應用於全球市場中具有極大之開發潛力，而藥妝品常見的植物萃取物中，蘆薈是較早普遍使用在皮膚保養藥妝品的成分，但1997年後，其他植物萃取物如洋甘菊（chamomile）、綠茶、荷荷芭、薰衣草等開始廣泛被應用。目前全球植物萃取物市場最暢銷的植物萃取物產品包括：銀杏（ginkgo biloba）、紫錐花（echinacea）、人參（ginseng）、綠茶（green tea）、Kava kava、鋸棕櫚（saw plametto）、聖約翰草（St. John’s wort）等。現今更加入草藥植物成分如人參、銀杏，利用其抗氧化及水合特性，普遍使用在化妝品中。中草藥已有數千年的使用經驗，除了應用在疾病的治療外，在化妝保養品上亦有相當多的應用性。植物萃取物應用在化妝品的種類眾多，如表1-1所示。