茶葉中咖啡因的提取研究

魏金芳，張相平

（唐山師范學院 化學系，河北 唐山 063000）

咖啡因是存在于茶葉、咖啡、可可以及某些植物中的生物堿之一，學名為 1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤。咖啡因是一種重要的醫藥工業原料，具有興奮神經中樞，消除疲勞，減弱酒精、煙堿、嗎啡等物質的毒害，增加腎臟血流量，利尿和強身等作用[1]，臨床上用于治療神經衰弱和昏迷復蘇，還可用作治療腦血管的頭痛，尤其是偏頭痛，是阿司匹林（A.S.P）等藥物的組方之一。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：98-1-B型電子調溫電熱套（天津市泰斯儀器有限公司）；C型玻璃儀器氣流烘干器（鄭州長城科工貿有限公司）；HC-TP-12型架盤天平（天津天平儀器有限公司）；AR-1140 電子分析天平（Cohaus corp.Pine Brook，NJ，USA）；WRS-2微機熔點儀（上海精密科學儀器有限公司）；UV-2550紫外可見分光光度計（日本島津儀器公司）；TENSOR37傅立葉紅外光譜儀（德國布魯克光譜公司）；GC7900氣相色譜儀（Techcomp）。

試劑：95%乙醇和無水乙醇（AR唐山市路北區化工廠）；丙酮（天津市方得科技有限公司）；三氯甲烷（天津市東麗區天大化學試劑廠）；氧化鈣（天津市凱通化學試劑有限公司）；N,N-二甲基甲酰胺（天津市凱通化學試劑有限公司）；去離子水（二級）；市售茶葉。

1.2 簡單工藝流程

1.3 實驗步驟

1.3.1 提取咖啡因

稱取10g茶葉，研細且均勻后，用濾紙包好放入索氏提取器中，然后在250mL平底燒瓶里加入110mL（120mL、130mL、140mL）溶劑和幾粒沸石，電熱套加熱，回流提取1.5h（2.0h、2.5h、3.0h），保持回流速度均衡。然后改裝成蒸餾裝置，蒸餾濃縮提取液至殘夜約為10mL，將殘液趁熱傾入蒸發皿中，拌入4g氧化鈣，在電熱套上蒸干蒸干，其間不斷攪拌并壓碎塊狀物。然后用小火焙炒片刻，除去水分。冷卻后，擦去沾在蒸發皿上的粉末，用酒精燈加熱升華，收集得到的咖啡因并稱重。測咖啡因的熔點，熔點是 234.7℃-237.4℃。

1.3.2 氣相色譜條件

色譜柱：SE-54（毛細管柱固定相）；柱溫：230℃；檢測器：FID，溫度250℃；進樣口溫度：250℃；流速：氮氣（載氣）25mL/min，氫氣25mL/min，空氣25mL/min；進樣量：0.1μL；載氣：氮氣。

1.3.3 IR和UV測定條件

取 150mg溴化鉀至于潔凈的瑪瑙研缽中，加入 2-3mg咖啡因，研磨均勻，壓片，掃描。擦凈壓片模具和壓片機。

以無水乙醇為溶劑，咖啡因為溶質，配置濃度大約為10-5mol/L的溶液，以無水乙醇為參比，所配溶液為被測液，掃描。洗凈比色皿。

2 結果與討論

2.1 提取咖啡因條件

采用正交試驗法對提取咖啡因的條件進行優化研究。表1列出了因素水平表。

表1 水平因素表

正交試驗數據處理見表2。由表2可見，從茶葉中提取咖啡因的最佳合成條件為 A3B1C4D4，各因素對反應影響程度的次序為：茶葉種類＞溶劑種類＞回流時間>溶劑用量。

2.1.1 茶葉種類對咖啡因產率的影響

當以無水乙醇為溶劑，用量140mL，回流3個小時時，茶葉種類對收率影響最大。紅茶的收率最高，花茶的收率最低。綠茶、青茶、紅茶都是基礎類茶，發酵程度愈來愈高，發酵程度愈高，細胞壁破裂愈嚴重，致使所包含的細胞液逸出愈多，提取咖啡因越容易，咖啡因的收率也愈來愈高。花茶的發酵程度較小，在綠茶和青茶之間，但是花茶是再加工茶類，工藝過程多導致部分咖啡因流失，咖啡因產率最低。

2.1.2 溶劑種類對咖啡因產率的影響

當選用紅茶，溶劑用量是140mL，回流3個小時時，溶劑種類對收率的影響較大。咖啡因溶于乙醇、丙酮、氯仿和水中，丙酮、氯仿有毒不宜用做溶劑；選用乙醇和水。咖啡因在無水乙醇中的溶解度是 17.1g/L，在水中的溶解度是21.7g/L；雖然咖啡因在水中的溶解度較高，但是以水為溶劑提取的咖啡因的產率卻小。因為茶葉中的丹寧溶于乙醇和水中，丹寧在乙醇中不會變化，但在熱水中水解出沒食子酸，沒食子酸易于咖啡因生成難溶的鹽，致使以水為溶劑提取的咖啡因的產率降低。溶劑是95%的乙醇時，咖啡因的產率比溶劑是無水乙醇的產率略低；而溶劑是V乙醇:V水=4:1時，咖啡因的產率降低。因此，最好的溶劑是無水乙醇。

表2 L16(45)正交試驗數據處理表

2.1.3 回流時間對咖啡因產率的影響

當選用紅茶，以無水乙醇為溶劑，用量是140mL，回流時間對咖啡因的收率影響較小。一般認為回流時間越長，產率越高。因為，在溫度不變的情況下，咖啡因在同種溶劑中的溶解度不變；回流時間長，虹吸的次數多，提取的咖啡因多。回流時間在3個小時內時，實驗結果也是如此，但產率的增幅則是先增后減。回流時間分別是 2.0h、2.5h、3.0h，與其前半小時的產率比分別增加 0.1%、0.14%、0.02%。回流2.5小時后，茶葉中咖啡因的含量減低，溶解在溶劑中的咖啡因減少，并且長時間的回流造成過多雜質的溶解，導致純化困難致使咖啡因產率的增幅降低。回流3個小時后，索氏提取器中，提取液的顏色明顯變淺，回流3.5個小時時基本無色，茶葉中的咖啡因基本提取出來，粗提取物比回流3小時時略有增加，經升化提純得到的純咖啡因卻比回流3小時時略有降低，回流時間增長了，粗提取物中的雜質多了；因此最佳回流時間是3小時。

2.1.4 溶劑用量對咖啡因產率的影響

當選用紅茶，以無水乙醇為溶劑，回流3個小時時，溶劑用量對收率的影響最小。溶劑用量既要能滿足回流需求（溶劑量不低于110mL），又不能超過燒瓶體積的2/3（溶劑量不能超過166mL）；溶劑量小時，咖啡因不能全部溶解，溶劑量愈大，咖啡因溶解的愈多；但溶劑量是150mL，160mL時的產率和溶劑量是140mL的產率基本一樣，140mL的溶劑能全部溶解咖啡因，增加溶劑的量，溶解的咖啡因不會增加；在溫度一定，回流時間一定，溶劑一定，茶葉種類一定時，溶劑量越小，茶葉中的咖啡因溶解的越少，所以，溶劑量是110mL、120mL、130mL時的產率不如溶劑量是140mL時的產率。因此，最佳溶劑量為140mL。

綜上所述得到的從茶葉中提取咖啡因的最佳合成條件為：茶葉選用紅茶，無水乙醇作溶劑，用量為140mL，回流時間是3小時。另外，茶葉要研磨細，以增加溶劑浸潤的面積，易提取咖啡因。濾紙套大小既要緊貼器壁，又能方便取出。其高度不能超過虹吸管，濾紙包茶葉末時要嚴緊，防止漏出堵塞虹吸管。濾紙扎孔時大小、疏密均勻，否則咖啡因品質不均。炒干粗提取液時，要用小火加熱，防止部分咖啡因隨著蒸發的溶劑升華。

2.2 最佳條件驗證實驗

從茶中提取咖啡因的最佳提取條件是：紅茶，無水乙醇140mL，回流時間3小時。16組正交試驗中沒有最佳條件的組合，因此需對最佳條件實驗進行驗證，重復三次實驗，表3是最佳條件下提取咖啡因的產率，平均產率是1.99%。

表3 最佳條件下驗證實驗結果

2.3 咖啡因純度檢測

以 N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，所提取咖啡因為溶質配制500mg/L的溶液，溶質的質量分數是0.0529%。咖啡因的保留時間是9.4min，找到咖啡因的檢出峰，所測溶液的溶質質量分數。以所測溶液的溶質質量分數比所配溶液的溶質質量分數即為提取咖啡因的純度。

表4 檢測結果

2.4 咖啡因波譜分析

UV譜圖：咖啡因在206.50nm、272.50nm有吸收與理論值206nm，272nm[2]基本一致。

IR譜圖：提取物在3 111.44 cm-1處有吸收，說明有=C-H（理論值是3 100 cm-1）；在2 952.63 cm-1處有吸收，說明有飽和 C-H（理論值是 2 970 cm-1）；在 1 702.96cm-1，1 655.13cm-1處有吸收，說明有C=O（理論值是1 700 cm-1，1 660 cm-1）；在1 547.83 cm-1，1 485.56cm-1處有吸收，說明有C=C（理論值是1 550 cm-1，1 480 cm-1）；在1 357.16 cm-1，1 236.40cm-1處有吸收，說明有C-N（理論值是1 360 cm-1，1 240 cm-1）。說明提取物是咖啡因。

3 結論

對咖啡因的提取條件進行了探討，采用正交試驗法，研究了茶葉種類，溶劑的種類，溶劑用量以及回流時間對提取的影響，選出了較優的提取條件為：紅茶，無水乙醇140mL，回流時間3個小時。在此條件下產物的產率為1.99%，純度98.4%，熔點是234.7-237.4℃。并對目標化合物進行了UV，IR的測定，確定為目標化合物。