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青霉素萃取分离技术的探究作者：黄冬晖来源：《中国科技博览》2015年第10期[摘要]青霉素通常又被人们称作盘尼西林，它是一种十分常见的抗菌素类药物，通常就是指从青霉素的培养液当中提取其中起主要作用的分子，在这个分子当中含有青霉素烷，同时这种物质能够有效的对细菌的细胞壁起到破坏的作用，同时还会使得其在使用的过程中起到很好的杀菌作用，它也成为了史上第一种可以起到治疗作用的抗生素，在当今的临床治疗当中有着十分广泛的应用。
[关键词]青霉素；萃取；分离中图分类号：P114.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0382-01青霉素是当前使用最为广泛的抗生素，它具备很好的抗菌作用，同时它还有非常好的疗效，对人体的副作用也非常的低，在治疗细菌性感染疾病方面有着非常好的效果，这种药物在成本方面也有着非常大的优势，所以在临床上也大面积的应用、青霉素在生产的过程中主要采用的是生物合成的方法，在提纯方法上经常会使用乙酸丁酯萃取法，但是这种方法在很多方面还存在着比较明显的不足，青霉素的药用价值会大大降低，在生产过程中也需要非常多能源的支持，溶剂无法有效的回收，这样就使得生产成本在一定程度上有所提升，最近几年，青霉素的需求量也在不断的扩大，所以有必要对其萃取方法进行改进和完善。
1、现有工艺的改进与完善1.1 室温三级萃取的改进与完善一些研究人员对乙酸丁酯萃取青霉素的理论模型进行了仔细的分析和探讨，同时还将研究中的一些想法通过实验加以验证，同时也将原来的方法予以有效的改进和优化，提出了全新的萃取条件PH值要控制在3.0左右，温度也应该控制在合理的范围内，一般情况下20摄氏度为好，为了提高萃取率，选择三级萃取法，研究人员认为在合理的范围内提高PH值可以有效的提升萃取的选择性，这样就使得青霉素的有效成分更多，在常温条件下进行萃取能有效的降低生产中的能源消耗，青霉素自身的质量也在这一过程中得到了提升。
青霉素中文名：青霉素外文名：Benzylpenicillin其他名称：青霉素G钠，苄青霉素钠有25%的过敏性休克死亡的病人死于皮试。
所以皮试或注射给药时都应作好充分的抢救准备。
在换用不同批号青霉素时，也需重作皮试。
干粉剂可保存多年不失效，但注射液、皮试液均不稳定，以新鲜配制为佳。
而且对于自肾排泄，肾功能不良者，剂量应适当调整。
此外，局部应用致敏机会多，且细菌易产生抗药性，故不提倡。
编辑本段家族分类青霉素用于临床是40年代初，人们对青霉素进行大量研究后又发现一些青霉素，当人们又对青霉素进行化学改造，得到了一些有效的半合成青霉素，70年代又从微生物代谢物中发现了一些母核与青霉素相似也含有β－内酰胺环，而不具有四氢噻唑环结构的青霉素类，可分为三代：第一代青霉素指天然青霉素，如青霉素G（苄青霉素）；第二代青霉素是指以青霉素母核－6－氨基青霉烷酸（6－APA），改变侧链而得到半合成青霉素，如甲氧苯青霉素、羧苄青霉素、氨苄青霉素；第三代青霉素是母核结构带有与青霉素相同的β－内酰胺环，但不具有四氢噻唑环，如硫霉素、奴卡霉素。
按其特点可分为：青霉素G类：如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林`青霉素G、peillin G、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾等。
青霉素分子结构球棍模型青霉素V类：（别名：苯氧甲基青霉素、6-苯氧乙酰胺基青霉烷酸）如青霉素V钾等（包括有多种剂型）。
耐酶青霉素：如苯唑青霉素（新青Ⅱ号）、氯唑青霉素等。
氨苄西林类：如氨苄西林、阿莫西林等。
抗假单胞菌青霉素：如羧苄西林、哌拉西林、替卡西林等。
美西林及其酯匹西林：如美西林及其酯匹美西林等，其特点为较耐酶，对某些阴性杆菌（如大肠、克雷伯氏和沙门氏菌）有效，但对绿脓杆菌效差。
甲氧西林类：如坦莫西林等编辑本段药理药效青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称，由于β-内酰胺类作用于细菌的细胞壁，而人类只有细胞膜无细胞壁，故对人类的毒性较小，除能引起严重的过敏反应外，在一般用量下，其毒性不甚明显，但它不能耐受耐药菌株（如耐药金葡）所产生的酶，易被其破坏，且其抗菌谱较窄，主要对革兰氏阳性菌有效。
一、实验目的1. 学习并掌握观察青霉菌形态的基本方法。
2. 了解青霉菌的形态特征及其分类依据。
3. 探究不同培养基对青霉菌生长的影响。
二、实验原理青霉菌（Penicillium）是一类广泛分布于自然界中的真菌，它们能够产生抗生素，如青霉素。
青霉菌的菌丝体由许多菌丝组成，分为基内菌丝和气生菌丝，气生菌丝上分化出繁殖菌丝，产生孢子。
青霉菌的孢子形态多样，是分类的重要依据。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 青霉菌菌种- 马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基- 蛋白胨酵母膏琼脂（PYA）培养基- 营养琼脂培养基- 玉米粉琼脂培养基- 生理盐水- 玻璃培养皿- 灭菌棉塞- 酒精灯- 显微镜- 刮刀- 滴管- 纸巾2. 实验仪器：- 烧杯- 研钵- 移液器- 烘箱- 电热恒温水浴锅四、实验方法1. 菌种活化：将保存的青霉菌菌种接种于PDA培养基上，置于恒温培养箱中培养，待菌落长出后，进行观察。
2. 观察青霉菌形态：- 将活化后的青霉菌菌落用刮刀刮取少量菌丝，制成临时玻片。
- 在显微镜下观察菌丝的形态，包括菌丝的粗细、颜色、有无分隔等。
- 观察孢子的形态，包括孢子的形状、大小、颜色等。
3. 不同培养基对青霉菌生长的影响：- 将活化后的青霉菌菌种分别接种于PDA、PYA、营养琼脂和玉米粉琼脂培养基上。
- 将培养皿置于恒温培养箱中培养，观察不同培养基上青霉菌的生长情况。
五、实验结果1. 青霉菌菌落特征：- 青霉菌菌落呈灰绿色，表面有绒毛状菌丝。
- 菌丝直径约3-5μm，有分隔。
- 孢子呈椭圆形或圆柱形，大小约2-4μm，绿色。
2. 不同培养基对青霉菌生长的影响：- PDA培养基上青霉菌生长良好，菌落较大，菌丝发达。
- PYA培养基上青霉菌生长较差，菌落较小，菌丝较细。
- 营养琼脂培养基上青霉菌生长一般，菌落中等大小，菌丝中等发达。
- 玉米粉琼脂培养基上青霉菌生长最差，菌落较小，菌丝稀疏。
六、实验讨论1. 通过观察青霉菌的形态特征，可以初步判断其种类。
青霉素概述姓名：赵昱旭班级：制药1301 学号：2013003014青霉素（Penicillin，或音译盘尼西林）又被称为青霉素G、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。
青霉素是抗菌素的一种，是指分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是由青霉菌中提炼出的抗生素。
青霉素属于β－内酰胺类抗生素（β－内酰胺类抗生素包括青霉素、头孢菌素、碳青霉烯类、单环类、头霉素类等。
青霉素是很常用的抗菌药品。
但每次使用前必须做皮试，以防过敏。
以下为青霉素的主要介绍一青霉素的结构青霉素是6－氨基青霉烷酸苯乙酰衍生物。
侧链基团不同，形成不同的青霉素，主要是青霉素G。
工业上应用的有钠、钾、普鲁卡因、二苄基乙二胺盐。
青霉素发酵液中含有 5 种以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F 和V 等），它们的差别仅在于侧链R 基团的结构不同。
青霉素的结构通式可表示为：二青霉素的医疗作用青霉素对溶血性链球菌等链球菌属，肺炎链球菌和不产青霉素酶的葡萄球菌具有良好抗菌作用。
对肠球菌有中等度抗菌作用，淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、白喉棒状杆菌、炭疽芽孢杆菌、牛型放线菌、念珠状链杆菌、李斯特菌、钩端螺旋体和梅毒螺旋体对本品敏感。
青霉素对流感嗜血杆菌和百日咳鲍特氏菌亦具一定抗菌活性，其他革兰阴性需氧或兼性厌氧菌对青霉素敏感性差.青霉素对梭状芽孢杆菌属、消化链球菌厌氧菌以及产黑色素拟杆菌等具良好抗菌作用，对脆弱拟杆菌的抗菌作用差。
青霉素为以下感染的首选药物：1．溶血性链球菌感染，如咽炎、扁桃体炎、猩红热、丹毒、蜂窝织炎和产褥热等2．肺炎链球菌感染如肺炎、中耳炎、脑膜炎和菌血症等 3．不产青霉素酶葡萄球菌感染 4．炭疽5．破伤风、气性坏疽等梭状芽孢杆菌感染 6．梅毒(包括先天性梅毒) 7．钩端螺旋体病 8．回归热 9．白喉 10．青霉素与氨基糖苷类药物联合用于治疗草绿色链球菌心内膜炎，青霉素亦可用于治疗：1．流行性脑脊髓膜炎 2．放线菌病3．淋病 4．奋森咽峡炎 5．莱姆病 6．多杀巴斯德菌感染 7．鼠咬热 8．李斯特菌感染 9．除脆弱拟杆菌以外的许多厌氧菌感染，风湿性心脏病或先天性心脏病患者进行口腔、牙科、胃肠道或泌尿生殖道手术和操作前，可用青霉素预防感染性心内膜炎发生。
青霉菌结构
解析：
青霉即青霉菌，其细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核。
青霉菌属于真核生物，有完整的细胞核。
细胞壁在最外层，保护细胞不受外界环境影响，细胞膜属于一种半透性膜，负责与外界进行物质交换。
细胞质是细胞进行新陈代谢的主要场所。
细胞核是细胞遗传和代谢的调控中心。
青霉素类药物可以通过抑制青霉菌细胞壁的合成来达到灭菌的目的。
如果细胞壁不能合成就会将细胞膜暴漏在外，受环境渗透压的影响较大，如果外界环境渗透压较低，青霉菌细胞会吸收膨胀，细胞膜会被破坏，甚至导致青霉菌的死亡。
青霉素结构的探究摘要青霉素是人类抗菌历史上最伟大的产物。
在极其简陋的实验条件下，正是由于科学家不懈地探索，青霉素神秘的结构才逐渐展现在人类面前。
现在广泛用于临床上的β-内酰胺抗生素，大都是在青霉素原有结构基础上修饰改造而来。
关键词青霉素立体构型结构改造青霉素（Penicillin），音译名盘尼西林，人类历史上最负盛名的抗生素，它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。
由于分子中含有4个原子构成的β-内酰胺结构（图1），故统称为β-内酰胺抗生素。
青霉素分子由氢化噻唑环与β-内酰胺环并和而成，二者构成青霉素分子的母核，在母核上分别连有羧基和酰氨基侧链。
β-内酰胺环为一个平面结构，但2个稠和环不共平面。
青霉素分子中含有3个手性碳原子，只有3个碳原子绝对构型为2S,5R,6R的具有抗菌活性。
从青霉菌培养液中得到6种天然青霉素，现已证实为侧链不同的青霉素（见表1）。
其中以青霉素G的含量最高，效用最好，故在临床上广泛使用。
1 青霉素结构的探索对青霉素结构工作的探索是极其曲折的。
在那个设备粗糙、条件简陋的年代，科学家对青霉素研究的困难程度是现代科学家所无法想象的。
1.1 分子式的确定早期实验曾指出青霉素分子中不含S原子，这个错误的结论直到1943年7月才被纠正。
不同的青霉素水解都可以得到一种氨基酸——青霉胺，其分子式是C5H11NO2S，除此之外还有不同的青霉醛和二氧化碳。
从反应的产物可看出，青霉素分子中含有2个氮原子，4个氧原子和1个硫原子。
再后来研究发现2-戊烯基青霉素的钠盐分子式为C14H19N2O4SNa，苄基青霉素的钠盐分子式为C16H17N2O4SNa。
1.2 6种不同的青霉素化学家们在刚着手研究青霉素时就遇到了很大的困难，在自然界中不止存在一种天然的青霉素。
在英国，采用弗莱明发现青霉素时的表面培养法获得的青霉素与在美国采用玉米浸渍液培养出来的青霉素不一致，后来又陆续发现了另外一些共6种天然的青霉素（表1）。
为纪念弗莱明所作的贡献，在英国表面培养法获得的青霉素称为青霉素F或者青霉素Ⅰ，而在美国玉米浸渍液培养出的青霉素则称为青霉素G或者Ⅱ。
后经研究证实，青霉素F就是2-戊烯基青霉素，青霉素G是苄基青霉素。
1.3 不同的侧链R基团不同的青霉素水解得到不同的青霉醛，比如从2-戊烯基青霉素水解得到的青霉醛其分子结构式为C5H9—CO—NH—CH2—CHO，而苄基青霉素水解则得到C6H5—CH2—CO—NH—CH2—CHO。
科学家由此判断并证实了水解产物青霉醛中不同的侧链对应了青霉素不同的侧链。
6种天然青霉素的差异只是因为它们有着不同的侧链R基团。
至此，人类对青霉素的认识又前进了一大步。
对不同侧链的研究相对来说较为简单。
比如在研究2-戊烯基青霉素的水解产物青霉醛时，首先将其转化为对应的酸，再用稀高锰酸钾溶液氧化得到产物丙醛。
说明双键在戊烯基的2号位，从而确定了2-戊烯基青霉素的侧链结构。
1.4 青霉素可能的结构众多卓越的科学家在研究青霉素的过程中付出了大量的心血，并提出了许多各自认为合理的结构。
经过实践的反复验证、筛选，只有3种结构经受住了考验，呈现在科学家面前。
它们分别是噻唑-唑酮结构，β-内酰胺结构和三环结构（图2）。
每种结构都有其合理的地方，并有着各自的支持者与反对者。
科学家为此产生的激烈争论一直在延续，甚至到成功合成青霉素以后。
1.5 噻唑-唑酮结构这种结构是当时有机化学权威人士鲁宾逊（牛津大学有机化学家，1947年诺贝尔化学奖获得者）一直痴迷的。
支持这一结构的实验事实是青霉素水解产物青霉烯酸（Penicillenic acid，图3）。
青霉烯酸似乎可以说明青霉素是噻唑-唑酮结构。
然而这种结构却无法解释另外一些实验事实。
滴定数据表明，青霉素溶液呈酸性，pK值约为2.7，相当于一个羧基的电离，并且未发现碱性基团的存在。
而噻唑-唑酮环中有碱性的N-H 基团，仅这一实验证据就足以排除这种结构。
噻唑-唑酮结构的支持者们试图对其作出合理解释，然而结果都不令人信服。
后来随着红外光谱技术（IR）的发展，采用红外光谱技术测定物质结构成为可能。
青霉素的红外光谱数据表明不存在单独的唑酮环。
至此，噻唑-唑酮结构被彻底推翻。
而水解产物青霉烯酸从表面上看可以为噻唑-唑酮结构提供证据，但后来证实了噻唑-唑酮只是青霉素水解成为青霉烯酸的中间产物（图4）。
鲁宾逊提出的噻唑-唑酮结构是站不住脚的。
1.6 三环结构有科学家从青霉素水解产物青霉素二酸（Penillic acid）判断青霉素的结构是三环结构。
3个环中没有碱性基团，与实验事实相符合，这是三环结构有利的一面。
而这种结构面临的困难是分子中的1个碳原子与3个电负性大的原子（2个N原子，1个O原子）相连，它的稳定性令人质疑。
事实上，一个简单的示踪原子的方法就可以排除这种结构的可能性。
在反应前引入2H+，按照三环结构理论，2H应当出现在产物青霉素二酸的羧基中（图5），而实验结果令三环结构的支持者们无言以对。
2H出现在了2H2O中，与他们提出的水解历程完全相悖。
图5 三环结构理论此外，IR光谱数据显示青霉素在双键区有3个吸收带，说明青霉素分子中有3个双键（不包括侧链）。
而三环的结构在IR光谱下只可能有2个吸收带，难以自圆其说。
青霉素的三环结构很快被否定了。
化学家后来对三环的研究表明，青霉素水解成为青霉素二酸的过程是十分复杂的，这种三环物质只是复杂重排反应的中间产物。
令人深思的是，2种错误结构的支持者所提出的青霉素结构都只是青霉素水解的中间产物。
1.7 β-内酰胺结构最能支持β-内酰胺结构的依据是苄基青霉素在镍合金的催化作用下发生脱硫反应得到2种产物（图6）。
另外，IR吸收光谱表明产物a脱硫苄基青霉素是一个β-内酰胺结构，其钠盐在双键区的3个吸收带（1720 cm-1,1670cm-1,1585 cm-1）分别对应了β-内酰胺环上的羰基、侧链羰基与羧酸根。
这个得到2种产物的竞争反应强烈支持β-内酰胺结构。
而β-内酰胺结构也可以合理解释青霉素的水解产物青霉素二酸、青霉烯酸、青霉噻唑（Penilloic acid）、青霉酸（Penicilloic acid）等。
β-内酰胺结构的反对者们则提出了支持者当时难以回答的问题：酰胺化合物由于存在N—CO←→N+=C—O-的共振而稳定。
已经确认为β-内酰胺结构的脱硫苄基青霉素符合这一规则显示出了预期的稳定性，而青霉素相对不稳定的多，很容易丧失其生物活性。
另外，按照共振理论，青霉素的共振式如图7所示。
后面这种物质是不合适的，一是因为当时理论已证实小的双环体系中桥头碳不允许是双键，二是实验结果表明双键相连的4个原子不共面。
β-内酰胺结构在解释这些问题上遇到了困难。
1.8 青霉素结构的最终确定为青霉素结构确定作出最大贡献的是后来引入化学实验的X射线衍射技术。
最初研究青霉素时，培养出的青霉素量少而且纯度很低，加上当时计算设备的不完善，无法用X射线衍射研究青霉素。
但是后来青霉素培养技术的改进与计算机的迅速发展使得这一愿望成为现实。
在众人研究的结果之上，霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin）与查尔斯•邦恩（Charles.W.Bunn）对青霉素X射线衍射结果进行了艰苦并反复的分析，证实了青霉素实际上是一种卷曲的β-内酰胺结构。
另外，由于青霉素结构的特殊性，β-内酰胺环中羰基和氮上的共用电子对不能共轭，加之四元环的张力，造成β-内酰胺环具有高度化学反应活性，易受亲核试剂或亲电试剂的进攻，使β-内酰胺环破裂。
2 青霉素立体构型尽管人们发现了青霉素的β-内酰胺结构，然而问题并没有完全解决。
现在即使是中学生也可以看出青霉素母核上有3个手性碳，8个旋光异构体中只有绝对构型2S,5R,6R的具有活性。
在科学家工作过程中，获得苄基青霉素经脱硫反应得到的二肽产物，这个重要发现使得研究青霉素的立体构型有了很大进展。
由二肽产物中手性碳的构型可以推知青霉素噻唑环上与β-内酰胺环上2个手性碳原子的构型（图8）。
再后来的X射线衍射确定了第3个手性碳原子的构型。
青霉素最终结构才完全的展示在人们面前（图9）。
3 青霉素的结构改造青霉素的结构决定了它的化学性质不稳定。
它的缺点是不耐酸、不耐酶、抗菌谱窄及过敏反应。
为此，科学家对青霉素的化学结构进行了改造（即所谓的半合成）。
利用青霉素母核6-氨基青霉烷酸（6-APA）与不同的羧酸氯化物或混合酸酐进行反应，在青霉素侧链引入不同的基团（图10），得到了效果更好的半合成青霉素。
如目前广泛使用的氨苄青霉素和羟氨苄青霉素，又名氨苄西林（Ampicillin）和阿莫西林(Amoxicillin)。
临床上主要用于泌尿系统、呼吸系统、胆道等的感染（图11）。
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