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(xué)，付鵬飛

(湖北理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)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(xué)名為1, 3, 7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它呈弱堿性，味苦，為無(wú)色針狀晶體，在100℃開(kāi)始升華，能溶于氯仿、丙酮、乙醇和水?？Х纫蚴且环N重要的醫(yī)藥工業(yè)原料，有興奮神經(jīng)中樞，消除疲勞的功效，能減弱酒精、煙堿、嗎啡等物質(zhì)的毒害，增加腎臟血流量，具有利尿和強(qiáng)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(gè)貼近學(xué)生生活并且能吸引學(xué)生興趣的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，目前的主要方法有水提法、醇提法、升華法、有機(jī)溶劑提取法，超聲波震蕩提取法等[3，4]。該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，有一定的難度，為了在有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高實(shí)驗(yàn)的成功率，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、儀器、藥品、試劑、產(chǎn)品產(chǎn)率和環(huán)保等方面進(jìn)行了多角度的調(diào)研，采用無(wú)水乙醇提取-升華法、水提取-升華法和有機(jī)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(diǎn)，以期為學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的選擇提供參考。

圖1 咖啡因的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)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(jì)，酒精燈，石棉網(wǎng)，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(diǎn)測(cè)定儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

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

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 方法一：無(wú)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?jī)?nèi)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(cè)管上升，當(dāng)被冷凝管冷凝的乙醇在提取器內(nèi)達(dá)到一定高度時(shí)，調(diào)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?jī)?nèi)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(guò)100℃，將其炒干，研細(xì)成顆粒狀。將蒸發(fā)皿移至石棉網(wǎng)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(dāng)濾紙上出現(xiàn)針狀結(jié)晶時(shí)，調(diào)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(dāng)玻璃漏斗出現(xiàn)棕色煙霧時(shí)，表示升華完畢，停止加熱。待溫度冷卻至100℃以下，揭開(kāi)漏斗和濾紙，收集濾紙上及漏斗內(nèi)壁的咖啡因，稱重，測(cè)熔點(diǎn)。

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(jìn)行萃取。在乙醇與水組成的混合溶劑中，當(dāng)V乙醇∶V水=2∶1時(shí)，咖啡因收率最高[7]，所以本實(shí)驗(yàn)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(cè)熔點(diǎn)。

1.3.3 方法三：水提取-升華法 取10g茶葉，研細(xì)后用細(xì)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(guò)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(guò)濾。如此往復(fù)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(jié)晶法 取10g茶葉，研細(xì)后加5g碳酸鈣粉末和80mL水，用電加熱套加熱煮沸0.5h.過(guò)濾反應(yīng)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(diào)成稠糊狀，置于酒精燈上焙炒(溫度不可過(guò)高)，并研細(xì)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(jié)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(cè)熔點(diǎn)[9]。

1.3.5 方法五：二氯甲烷提取法 取10g研細(xì)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(zhuǎn)入分液漏斗中，分別用15mL二氯甲烷萃取四次，收集有機(jī)相，用無(wú)水硫酸鎂干燥，過(guò)濾，蒸餾回收二氯甲烷。所得粗產(chǎn)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(kāi)始出現(xiàn)渾濁，冷卻結(jié)晶，抽濾，得白色晶體，干燥稱重，測(cè)熔點(diǎn)[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由五種從茶葉中提取咖啡因的方法所得到的粗產(chǎn)品和進(jìn)一步升華后得到的純品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2.粗產(chǎn)品顏色為黃色或淡黃色，說(shuō)明提取的咖啡因中混有其它的雜質(zhì)。粗產(chǎn)品進(jìn)一步升華后，都得到了白色晶體。薄層色譜分析顯示它們?cè)诒訉游霭迳隙贾挥幸粋€(gè)點(diǎn)，此外，它們?nèi)埸c(diǎn)的均與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果(234℃～236℃)相符，這說(shuō)明粗產(chǎn)品經(jīng)過(guò)升華后得到的都是咖啡因純品，而且粗產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室中提取咖啡因需要考慮很多的因素，如提取方法應(yīng)該簡(jiǎn)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(lái)提取咖啡因，通過(guò)比較分析，將每種方法優(yōu)缺點(diǎn)小結(jié)如下：

表1 五種從茶葉中提取咖啡因的方法所得到的粗產(chǎn)品結(jié)果

表 2 粗產(chǎn)品進(jìn)一步升華后得到咖啡因純品結(jié)果

1)方法一是一種改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法，即以恒壓滴液漏斗代替在實(shí)驗(yàn)室提取咖啡因時(shí)經(jīng)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(jià)格相對(duì)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(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，咖啡因的提取率較高，在實(shí)驗(yàn)方案的選擇上具有較大的優(yōu)勢(shì)。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(jìn)。本實(shí)驗(yàn)的不足之處是在焙炒過(guò)程中，需要蒸走水分，延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，而且要求控制好溫度，防止咖啡因也被蒸出。方法二相對(duì)于方法一實(shí)驗(yàn)時(shí)間稍長(zhǎng)，產(chǎn)率稍低，但成本低，而且產(chǎn)率在所允許的誤差范圍內(nèi)，所以方法二更加適合工業(yè)生產(chǎn)。

3)方法三利用水溶解的方法，多次溶解和過(guò)濾，易于操作，安全性高，其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)(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(xì)胞和組織，增加咖啡因的溶解量。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(jié)晶損失了較多的產(chǎn)品。

5)方法五采用有機(jī)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(jié)晶損失了很多的產(chǎn)品。此外，二氯甲烷、丙酮、石油醚這些有機(jī)溶劑都易揮發(fā)，和乙醇相比毒性較大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在操作過(guò)程中不可避免地對(duì)操作人員的健康帶來(lái)危害。

3 結(jié)論

綜合以上分析，在實(shí)驗(yàn)中使用相同質(zhì)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(diǎn)，作為大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提取天然產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)，適合學(xué)生自主選擇各種不同的方法。但從產(chǎn)率、實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)方法。

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