天然咖啡因與人工合成咖啡因的鑒別

黃艷　陳浩　莫建光

摘要[目的]通過研究咖啡因自身結構差異性，得到一種新的鑒別天然與人工合成咖啡因的方法。 [方法] 通過茶葉提取天然高純度咖啡因，利用連續流同位素質譜法檢測被測咖啡因樣品元素的同位素比值，根據其差值來進行判定，鑒別出天然咖啡因與合成咖啡因。 [結果]研究表明，利用連續流同位素質譜法，將實驗室提取制備的天然牛磺酸與市場購買的人工合成牛磺酸進行元素的同位素比值測定，發現天然咖啡因的δ13C同位素比值為-25，δ15N同位素比值為-1.5；而人工合成咖啡因的δ13C同位素比值為-36，δ15N同位素比值為-10，其同位素比值存在明顯的差異，根據同位素比值的差異性可以對天然與人工合成的咖啡因進行鑒別判定。 [結論] 天然咖啡因和合成咖啡因的δ13C、δ15N同位素比值存在明顯的差異，可通過其差異性比值鑒別出天然與人工合成咖啡因。

關鍵詞咖啡因；鑒別；同位素比值

中圖分類號S509-9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-316-02

Identification of Natural and Synthetic Caffeine Caffeine

HUANG Yan1， CHEN Hao2， MO Jian-guang1

（1. Guangxi Analysis and Test Research Center， Nanning， Guangxi 530022； 2. Inspection and Quarantine Technology Center， Guangxi Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau， Nanning， Guangxi 530022）

Abstract[Objective] Through study on caffeine itself structure difference， a new method for identifying natural and synthetic caffeine was obtained. [Method] The natural high purity caffeine was extracted from tea， continuous flow isotope mass spectrometry was used to detect the ratio of isotope， according to the difference to identify natural and synthetic caffeine. [Result] The ratio of isotope was determined on natural taurine and artificial synthesis taurine. It was found that the ratio of isotope δ13C is -25， δ15N is -1.5 in natural caffeine； δ13C is -36， δ15N is -10 in synthetic caffeine. According to the significant sifference of the ratio of isotype， natural and synthetic caffeine can de distinguished. [Conclusion] The ratio of isotope（δ13C， δ15N） in natural and synthetic caffeine has significant differences， which can be used as the way for identification.

Key words Caffeine； Identification； Isotope ratio

咖啡因是一種植物生物堿，1895～1899年由易·費斯歇及其學生首先完成咖啡因的人工合成過程。由于人工合成咖啡因的成本較天然咖啡因低，且生產能力大，所以，人工合成咖啡因仍是咖啡因的主要來源[1]。目前，咖啡因的人工合成方法有幾種[2-4]：氰乙酸乙酯尿素法、氰乙酸尿素縮合法、1，3二甲基-4-亞氨基脲嗪溴化法、以尿酸為起始原料的半合成法、二甲脲與氰乙酸路線合成法、甲醛合成法等。天然的咖啡因于1820年由林格最初從咖啡豆中提取得到，其后在茶葉、冬青茶中亦有發現。天然咖啡因能夠逐漸而緩慢地刺激神經，刺激維持的有效期長，而且刺激比較溫和，對人體沒有危害，不具成癮性。但因其成本較貴，它的市場價格往往是人工合成咖啡因的3～4倍，因此很多黑心的商家寧愿選擇人工咖啡因也不愿考慮天然咖啡因。目前只有加拿大衛生部于2010年3月19日宣布，決定取消禁止在非可樂軟飲料中添加低濃度合成咖啡因的規定，允許在非可樂軟飲料中添加低濃度的合成咖啡因，但不得添加合成咖啡因的規定對其他食品依然有效。

當前中國藥典、日本藥典等對咖啡因的質量標準僅限于性狀、含量、溶液的澄清度、有關物質、干燥失重、熾灼殘渣、重金屬等指標的規定，并沒有現行的天然咖啡因和合成咖啡因的鑒別標準方法。筆者通過茶葉提取天然高純度咖啡因，利用連續流同位素質譜法檢測被測咖啡因樣品的4種元素的同位素比值，根據其差值來進行判定，鑒別出天然咖啡因與合成咖啡因。

1 材料與方法

1.1材料

茶葉，市面可購買的雜茶；人工合成咖啡因標準品，sigma， ≥99%；參考氣體（He、N2≥99.999%，CO2≥99.995%，CO≥99.9%，SO2≥99.9%）；內標物質（IAEA-C3，St-An， St-Li，Ag2S）；標準物質（PDB， Air-N2， CDT）。

主要儀器：

Thermo-Nicolet 4700紅外光譜儀，

Waters2695高效液相色譜，

EuroVector EA-3028-HT/GV Instuments Isoprime聯用儀。

1.2方法

1.2.1

天然咖啡因的提取。稱取茶葉末放入索氏提取器中，用95%乙醇連續提取4 h后蒸發除去大部分乙醇，殘留液倒入蒸發皿中，拌入生石灰粉蒸干乙醇；取一錐形漏斗，頸口處用少量棉花堵住，在一張略大于漏斗底口的濾紙上扎一些小孔后蓋在蒸發皿上，再用漏斗蓋住，小心加熱，慢慢升華，收集晶體。

1.2.2

天然咖啡因的含量測定。按照GB/T14758中液相色譜法測定咖啡因的含量。

1.2.3

咖啡因的紅外光譜鑒定。將升華收集到的晶體用溴化鉀壓片，紅外光譜掃描，光譜圖與《藥品紅外光譜集》第一卷（一九九五） 圖B.1咖啡因紅外光譜比較。

1.2.4

同位素質譜儀分析條件。

1.2.4.1

EA參數。氧化爐：1 000～1 060 ℃，還原爐：630～680 ℃，柱溫：35～95 ℃，載氣（氦氣）壓力：100 kPa。

1.2.4.2

質譜參數。質普分析室真空（連續流模式）：1.5×10-4～2.0×10-4Pa。

1.2.4.3

元素分析。加速電壓：2 500～4 600 V；萃取電壓：65%～75%AV；H板電壓：8～35 V；Z板電壓：20～50 V；阱電流：200 μA；電子能量：70～100 eV；推板電壓：-8 V ；磁體電流：3 500～4 500 mA。

1.2.5

天然咖啡因與合成咖啡因同位素比值的測定。將咖啡因樣品于錫杯中并包裹緊密，通過自動采樣器將樣品送到EA-3028-HT元素分析儀，通過氣相色譜柱分離后進入IsoPrime連續流同位素分析儀測定天然咖啡因和合成咖啡因的δ13C、δ15N同位素比值。

2 結果與分析

2.1天然咖啡因的含量測定

（表1）

利用茶葉實驗室提取了4個批次的高純度咖啡因，純度分別為96.27%、95.11%、98.95%、99.00%，并通過紅外光譜驗證鑒定為咖啡因（圖1）。

表1天然與合成咖啡因同位素比值

樣品天然咖啡因純度∥%

天然咖啡因同位素比值∥‰

δ13Cδ15N

合成咖啡因同位素比值∥‰

δ13Cδ15N

1#96.27-25.6791.562-36.281-9.823

2#95.11-25.3701.570-36.395-9.769

3#98.95-25.7091.506-36.558-9.949

4#99.00-25.7351.550-36.597-10.100

RSD∥%-0.170.030.150.15

2.2咖啡因的紅外光譜鑒定（圖1、2）

通過圖1、2可知，實驗室提取的咖啡因，與購買的人工合成咖啡因的紅外光譜圖與《藥品紅外光譜集》第一卷（一九九五） 圖B.1 咖啡因紅外光譜一致，表明了通過紅外無法鑒別天然與合成咖啡因。

圖1茶葉中提取的天然咖啡因紅外光譜

2.3天然咖啡因與合成咖啡因同位素比值的測定（表1）

研究通過茶葉提取了4個批次的高純度咖啡因（純度>95%），利用連續流同位素質譜法測定得到天然咖啡因的δ13C同位素比值在-25.0左右，δ15N同位素比值為-1.5左右；而人工合成咖啡因的δ13C同位素比值為-36.0左右，δ15N同位素比值為-10.0左右。研究表明，天然與人工合成的咖啡因δ13C，δ15N比值存在明顯差異性。

圖2合成咖啡因紅外光譜

3 結論

咖啡因的提取品與合成品為同一化合物，化學式為：

C8H10N4O2。其熔點、紫外光吸收圖譜、紅外光吸收圖譜、高效液相色譜、薄層色譜一致，不能通過主要物質成分直接鑒別區分二者。咖啡因合成品與提取品因來源、制法不同，所含“有關物質”有所不同，因此，張偉等[5]、尤厚成等[6]采用直接熒光檢查法、提取“有關物質”HPLC法、薄層色譜法和熒光分光光度法鑒別區分兩種制品[4]。《中國藥典》、《英國藥典》及《日本藥局方》咖啡因的“有關物質”檢查均采用薄層色譜法。薄層色譜條件《中國藥典》與《英國藥典》完全相同；《日本藥局方》所用展開劑及點樣量不同。分別用兩種方法檢查咖啡因的有關物質，結果不顯雜質斑點（<0.1%）。

但隨著咖啡因的提取與合成，精制工藝的不斷改良，通過采用咖啡因“有關物質”來鑒別咖啡因的合成品與提取品越發出現問題，如若采用增大點樣量來提高有關物質的濃度，隨著點樣量的增大，主斑點咖啡因拖尾加重，無法判斷。而通過咖啡因合成品與提取品的粉末X-射線衍射圖譜有顯著差異來鑒別區分兩者的原理為兩者的精制方法不同、晶型不同所致，若將合成品改為提取品的精制方法（升華精制），升華可使合成品轉品，則可得到與提取品相同的圖譜，從而無法鑒別咖啡因的提取品與合成品[6]。

筆者針對咖啡因物質化學結構的各元素同位素比值的差異，利用連續流同位素質譜法檢測被測咖啡因樣品的元素的同位素比值，根據其差值來進行判定，依賴于本身結構鑒別出天然咖啡因與合成咖啡因，取得明顯的效果，今后人們將對不同來源的天然咖啡因以及參雜合成品的咖啡因進行進一步的研究。

參考文獻

[1]

劉勝高，王軍，沈紅. 天然咖啡因精制工藝研究[J].齊魯藥事，2006，25（12）：749-751.

[2] 韓佳賓，陳靜，王靜康. 咖啡因制備方法研究進展[J].化工時刊，2003，17（3）：13-16.

[3] 盛建偉.咖啡因合成工藝的研究[D].沈陽：沈陽藥科大學，2006.

[4] 杜德平.咖啡因合成工藝改進[D].濟南：山東大學，2005.

[5] 張偉，唐明珠，邱安瑩.咖啡因提取品與合成品的鑒別[J].中國藥房，2002，13（12）：751-752.

[6] 尤厚成，羅軍玉.咖啡因提取品與合成品的快速鑒別[J].藥品檢測，2002， 11（3）：60-61.