五種從茶葉中提取咖啡因的方法比較研究

張 勇，馬可望，張少敏，胡家尾，周 霞，付光學，付鵬飛

(湖北理工學院 化學與材料工程學院，湖北 黃石 435003)

咖啡因(caffeine)是存在于茶葉、咖啡、可可以及某些植物中的生物堿之一，化學名為1, 3, 7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，其化學結構如圖1所示。它呈弱堿性，味苦，為無色針狀晶體，在100℃開始升華，能溶于氯仿、丙酮、乙醇和水。咖啡因是一種重要的醫(yī)藥工業(yè)原料，有興奮神經中樞，消除疲勞的功效，能減弱酒精、煙堿、嗎啡等物質的毒害，增加腎臟血流量，具有利尿和強身等作用[1]。茶葉中咖啡因的含量一般為2%～5%，另外還含有纖維素及11%～12%的單寧酸[2]。茶葉作為一種日常生活用品，從其中提取咖啡因是一個貼近學生生活并且能吸引學生興趣的有機化學實驗，目前的主要方法有水提法、醇提法、升華法、有機溶劑提取法，超聲波震蕩提取法等[3，4]。該實驗耗時長，有一定的難度，為了在有機實驗教學中提高實驗的成功率，我們對實驗方法、儀器、藥品、試劑、產品產率和環(huán)保等方面進行了多角度的調研，采用無水乙醇提取-升華法、水提取-升華法和有機溶劑提取法等五種方法提取了咖啡因，比較和分析了它們的優(yōu)缺點，以期為學生對實驗方案的選擇提供參考。

圖1 咖啡因的結構簡式

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

恒壓滴液漏斗，油浴鍋，三角漏斗，研缽，蒸發(fā)皿，100mL單口圓底燒瓶，250mL單口圓底燒瓶，溫度計，酒精燈，石棉網，球形冷凝管，直形冷凝管，尾接管，蒸餾頭，電熱套，XT-4顯微熔點測定儀。

1.2 實驗藥品

市售散裝茶葉，沸石，氧化鈣，無水乙醇，碳酸鈣，無水硫酸鎂，石油醚，丙酮，二氯甲烷。

1.3 實驗方法

1.3.1 方法一：無水乙醇提取-升華法 將棉花塞在恒壓滴液漏斗頸部，然后裝入10g研碎的茶葉[5，6]。在250ml圓底燒瓶內加入80 mL乙醇和少許沸石，油浴加熱，使沸騰的乙醇蒸汽從恒壓漏斗側管上升，當被冷凝管冷凝的乙醇在提取器內達到一定高度時，調節(jié)恒壓漏斗活塞，使冷凝液的滴入速度與其在恒壓漏斗的放出速度一致。連續(xù)提取2h后停止加熱。冷卻后，將恒壓滴液漏斗改換成蒸餾裝置，蒸餾，直至瓶內剩10～15mL左右的墨綠色提取液為止。將殘液趁熱傾入蒸發(fā)皿中，加7～8g生石灰粉，用酒精燈微熱，并用玻璃棒不斷攪拌，控制溫度不超過100℃，將其炒干，研細成顆粒狀。將蒸發(fā)皿移至石棉網上加熱，將一張刺有許多分布均勻小孔的圓濾紙蓋在蒸發(fā)皿上，再罩上一只干燥的玻璃漏斗，漏斗頸部塞少許棉花，緩慢加熱，使咖啡因升華。當濾紙上出現(xiàn)針狀結晶時，調節(jié)酒精燈高度使升華速度盡可能減慢，以提高咖啡因純度和收率。當玻璃漏斗出現(xiàn)棕色煙霧時，表示升華完畢，停止加熱。待溫度冷卻至100℃以下，揭開漏斗和濾紙，收集濾紙上及漏斗內壁的咖啡因，稱重，測熔點。

1.3.2 方法二 67%乙醇提取-升華法 為降低溶劑成本，本方法使用混合溶劑進行萃取。在乙醇與水組成的混合溶劑中，當V乙醇∶V水=2∶1時，咖啡因收率最高[7]，所以本實驗將提取液換成67%的乙醇溶液，具體操作步驟和方法一相同，最后觀察所得咖啡因顏色，稱重，測熔點。

1.3.3 方法三：水提取-升華法 取10g茶葉，研細后用細紗布包裹，置于100mL單口圓底燒瓶中，再加入60mL水，用電加熱套加熱并使之煮沸20min.用紗布過濾出溶液，將茶葉重新裝入單口圓底燒瓶中，再重新加入60mL水，加熱煮沸20min，再過濾。如此往復提取8次，合并提取液，加入沸石，再置于加熱套中蒸餾濃縮至15mL左右。加入7～8g氧化鈣，剩下步驟與方法一相同[8]。

1.3.4 方法四：乙醇抽提結晶法 取10g茶葉，研細后加5g碳酸鈣粉末和80mL水，用電加熱套加熱煮沸0.5h.過濾反應液，將所得濾液濃縮至原體積一半左右，再加適量碳酸鈣粉末調成稠糊狀，置于酒精燈上焙炒(溫度不可過高)，并研細成砂粒狀。用乙醇抽提上述砂粒狀混合物，將所得溶液濃縮，自然結晶，即得到略帶黃綠色粗品。再將粗品升華，則得到咖啡因白色晶體，稱重，測熔點[9]。

1.3.5 方法五：二氯甲烷提取法 取10g研細的茶葉于250mL單口瓶中，加入120mL水，加熱煮沸1h，稍冷后用紗布代替濾紙抽濾。在所得濾液中，加入約1/7體積的5% NaOH溶液。攪拌，將混合溶液轉入分液漏斗中，分別用15mL二氯甲烷萃取四次，收集有機相，用無水硫酸鎂干燥，過濾，蒸餾回收二氯甲烷。所得粗產品用盡可能用少量的丙酮溶解，控溫80℃，向其中緩慢加入石油醚，直至溶液剛開始出現(xiàn)渾濁，冷卻結晶，抽濾，得白色晶體，干燥稱重，測熔點[10]。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

由五種從茶葉中提取咖啡因的方法所得到的粗產品和進一步升華后得到的純品的實驗結果見表1和表2.粗產品顏色為黃色或淡黃色，說明提取的咖啡因中混有其它的雜質。粗產品進一步升華后，都得到了白色晶體。薄層色譜分析顯示它們在薄層層析板上都只有一個點，此外，它們熔點的均與文獻報道的結果(234℃～236℃)相符，這說明粗產品經過升華后得到的都是咖啡因純品，而且粗產品的回收率都比較高。

2.2 五種方法的比較

提取咖啡因的方法有多種，在實驗室中提取咖啡因需要考慮很多的因素，如提取方法應該簡單，步驟少，儀器要求低，試劑毒性小，操作方便，安全環(huán)保等等。我們采用了五種方法來提取咖啡因，通過比較分析，將每種方法優(yōu)缺點小結如下：

表1 五種從茶葉中提取咖啡因的方法所得到的粗產品結果

表 2 粗產品進一步升華后得到咖啡因純品結果

1)方法一是一種改進的實驗方法，即以恒壓滴液漏斗代替在實驗室提取咖啡因時經常使用的索氏提取器[5，6]。索氏提取器易破損，和恒壓滴液漏斗相比價格相對昂貴，因此這種方法在一定程度上節(jié)約了儀器的成本。此外，該方法實驗時間相對較短，咖啡因的提取率較高，在實驗方案的選擇上具有較大的優(yōu)勢。由于提取的溶劑是乙醇, 且乙醇易燃、易揮發(fā)，和方法三水提取-升華法相比，方法一使用溶劑的成本較高。

2)方法二與方法一類似，僅將溶劑換成比例V乙醇∶V水=2∶1的混合溶液。這種方法可以看做第一種方法的改進。本實驗的不足之處是在焙炒過程中，需要蒸走水分，延長了反應時間，而且要求控制好溫度，防止咖啡因也被蒸出。方法二相對于方法一實驗時間稍長，產率稍低，但成本低，而且產率在所允許的誤差范圍內，所以方法二更加適合工業(yè)生產。

3)方法三利用水溶解的方法，多次溶解和過濾，易于操作，安全性高，其缺點是實驗耗時太長(6h)，作為傳統(tǒng)的提取方法，收率一般。

4)方法四加入碳酸鈣，可以破壞茶葉的葉肉細胞和組織，增加咖啡因的溶解量。通過對比實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)此種方法收率較低，可能是用乙醇抽提和乙醇重結晶損失了較多的產品。

5)方法五采用有機溶劑提取法，得到的咖啡因純度較高，但此種方法收率最低，可能是由于結晶損失了很多的產品。此外，二氯甲烷、丙酮、石油醚這些有機溶劑都易揮發(fā)，和乙醇相比毒性較大，會對環(huán)境造成污染，在操作過程中不可避免地對操作人員的健康帶來危害。

3 結論

綜合以上分析，在實驗中使用相同質量的茶葉,由于提取方法不同,其得到咖啡因的量不同。本文所采用的五種方法都各有優(yōu)缺點，作為大學有機化學實驗教學中提取天然產物的實驗，適合學生自主選擇各種不同的方法。但從產率、實驗時間、環(huán)保和儀器要求等方面綜合考察，方法一是較理想的實驗方法。

參考文獻:

[1]程嘉豪, 張 萍.茶葉副產品綜合利用[J].化工時刊, 1994, (4): 13～14.

[2]王清廉.有機化學實驗(第三版) [M] .北京: 高等教育出版社, 2010.

[3]劉俊武.從茶葉中提取天然咖啡因技術綜述[J].云南化工, 1998, (4): 10～13.

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[6]尤秀麗, 林 璇.從茶葉中提取咖啡因實驗方法的改進[J].漳州師范學院學報(自然科學版)，2012, (3): 73～76.

[7]王 輝.茶葉中提取咖啡因改進研究[J].科技信息, 2011, 27: 7～8.

[8]張 龔, 楊一思, 田志新.從茶葉中提取咖啡因實驗的綠色化改進[J].中學化學教學參考, 2011 (9)：42～43.

[9]李 琴.從茶葉中綠色提取咖啡因的方法探討[J].湖北林業(yè)科技, 2011, 4: 29～31.

[10]盛貽林.茶葉中咖啡因提取實驗方法的比較及改進[J].生物學雜志, 2007, 24(1): 75～76.