直接升華法從茶葉中提取咖啡因

張玉竹　陳凱旋　唐建城　李強(qiáng)林　肖秀嬋

摘要：以綠茶末為原料，采用單因素實(shí)驗(yàn)研究非索氏提取的直接升華法從茶葉中提取咖啡因的工藝條件?？疾炝斯袒瘎┓N類和用量、蒸餾水用量、水解固化反應(yīng)溫度與時間、升華溫度與時間等因素對咖啡因提取產(chǎn)率的影響。研究結(jié)果表明，最佳工藝條件為：細(xì)度為150目的10.0 g茶葉末，固化劑氧化鈣為0.20 g，蒸餾水用量為10～12 mL，水解固化溫度為80～85 ℃反應(yīng)90～100 min，咖啡因提取率為1.238%。

關(guān)鍵詞：茶葉；咖啡因；水解；固化劑；升華

中圖分類號：G 633.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）02-0054-04

Direct Separation of Caffeine from Tea by Sublimation

ZHANG Yuzhu， CHEN Kaixuan， TANG Jiancheng， LI Qianglin， XIAO Xiuchan

（Department of Architecture and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：The preparation of caffeine is mainly based on the extraction of caffeine from tea. Using green tea as the raw material， the single factor experiment was used to study the process conditions for the extraction of caffeine from tea by the direct sublimation method but nonsoxhlet extraction. The effects of the type and amount of curing agent， amount of distilled water， temperature and time of hydrolysis and curing reaction， temperature and time of sublimation on caffeine extraction yield were investigated. The results showed that the optimum conditions were as follows： 10.0 g tea powder with 150 fineness， 0.20 g calcium oxide as curing agent， 1012 mL distilled water， and 8085 ℃ hydrolytic curing temperature for 90100 min. The yield of caffeine extraction was 1.238%.

Keywords： tea； caffeine； hydrolysis； curing agent； sublimation

茶在中國的種植地域廣闊，四川、云南、福建、浙江、廣西、海南等南方各省均有大面值種植[1]。2016年我國茶葉種植面積我為29 333 km2，年產(chǎn)干毛茶葉達(dá)258萬t[2]。

但是，在茶樹的修剪與茶葉的采摘分類管理中，會扔棄大量的弱枝殘葉。在茶葉的生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量的碎末等下腳料。若能將這些茶葉作為原料合理利用，用于提取深加工系列產(chǎn)品，不僅可以提升茶的產(chǎn)值、降低因焚燒等產(chǎn)生的環(huán)境污染[3]。

由于茶葉中含有咖啡因1%～5%，還含有兒茶素類20%～35%、黃酮甙類、花青甙類、單寧酸及茶堿等30多種具有抗氧化性能的酚類物質(zhì)——茶多酚[4]。因此，茶葉的深加工系列產(chǎn)品茶多酚、咖啡因在食品和醫(yī)藥方面有廣泛應(yīng)用。

咖啡因又名咖啡堿，學(xué)名1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，化學(xué)式C8H10N4O2，相對分子質(zhì)量194.2?？Х纫蚴且环N黃嘌呤衍生物，無臭，味苦，屬于生物堿[5]?？Х纫蛟卺t(yī)藥、食品飲料行業(yè)的市場前景廣闊[6-8]，研究咖啡因的提取制備工藝，提高產(chǎn)率產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)具有重要意義[9]。

目前，從茶葉中提取咖啡因的方法主要有：有機(jī)溶劑提取法[10]、水-有機(jī)溶劑提取法[11]、超臨界CO2提取法[12]、離子液體提取法[13]、水提法[14]。前兩種方法工藝比較成熟，但使用大量有機(jī)溶劑，在生產(chǎn)過程中存在安全隱患，且溶劑消耗比例大，耗能大，成本高。超臨界CO2提取法的操作復(fù)雜，使用儀器精密昂貴，導(dǎo)致成本高。水提取法避免使用有機(jī)溶劑，但濃縮耗時長，耗能大，成本相對較高。無溶劑直接升華法提取咖啡因具有綠色環(huán)保、工藝簡單方便的特點(diǎn)，但近期研究報道較少[15]。

本文采用非索氏提取的直接升華法從茶葉中提取咖啡因，通過粉碎、固化反應(yīng)、焙炒、升華等工藝，探索簡便、安全、節(jié)能環(huán)保的最佳提取工藝。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料與試劑

四川峨眉山碎茶末200目；工業(yè)級氧化鈣、碳酸鎂、碳酸鈣、氫氧化鈣（均為成都科龍化工試劑廠），蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)自制。

1.2 主要儀器設(shè)備

HX500A高速中藥粉碎機(jī)（浙江永康市溪岸五金藥具廠），轉(zhuǎn)速2 500 r/min；NB9240AD電熱鼓風(fēng)干燥箱（臺式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱）；981B型可調(diào)恒溫電熱套（蘇州市宏興科教儀器廠）；FA1100電子天枰（上海舜宇恒平科學(xué)儀器廠）；X4數(shù)字顯微熔點(diǎn)測定儀（北京泰克儀器有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程路線

本實(shí)驗(yàn)的工藝流程路線如圖1所示。

1）粉碎茶葉末：將500 g茶葉放于中藥粉碎機(jī)中25 000 r/min高速粉碎5 min，停頓3 min，重復(fù)3次，并用200目不銹鋼篩分離，篩下細(xì)粉備用。

2）浸潤：取用茶葉細(xì)粉10.0 g于100 mL燒杯中，加入適量的蒸餾水，用玻璃棒攪拌均勻。

3）加入固化劑：向燒杯中加入一定量的固化劑粉末（氧化鈣、碳酸鎂、碳酸鈣、氫氧化鈣），用玻璃棒攪拌均勻，粉末變成墨綠色團(tuán)?；驖{糊狀。

4）水解固化反應(yīng)與干燥：將燒杯放入60～110 ℃的恒溫鼓風(fēng)烘箱中反應(yīng)60～130 min，得到墨綠色塊狀固體，轉(zhuǎn)入碾缽中碾成細(xì)粉。

5）焙炒：在加熱套上放上2個重疊的蒸發(fā)皿，下面的蒸發(fā)皿稍大一些，裝有細(xì)砂，上面的蒸發(fā)皿稍小一些，四周緊貼在細(xì)砂上。將碾細(xì)的混合物全部轉(zhuǎn)入小蒸發(fā)皿上，100 ℃加熱焙炒至灰黑色干粉狀。

6）升華：將小蒸發(fā)皿內(nèi)壁粘附的物質(zhì)全部刮于底部，保持內(nèi)壁邊緣干凈，并使粉末平鋪于底部，再將刺有許多小孔的圓形濾紙平穩(wěn)放于小蒸發(fā)皿內(nèi)（濾紙毛面朝上），保持濾紙與粉末有1～2 cm的距離，并將一支干燥潔凈的普通玻璃漏斗（漏斗底部用一團(tuán)棉花堵?。┑怪糜谛≌舭l(fā)皿上，使其盡可能與蒸發(fā)皿閉合。將砂子加熱至200～220 ℃，仔細(xì)觀察漏斗內(nèi)是否有大量白霧，觀察濾紙上是否有晶體生成，防止濾紙變成焦黃色，若在升華過程中，玻璃漏斗內(nèi)壁出現(xiàn)大量水珠（焙炒未徹底），則快速更換另一只干燥潔凈的玻璃漏斗，以免因咖啡因溶于內(nèi)壁水滴中而收集不到咖啡因晶體，大約30～45 min，濾紙上出現(xiàn)大量晶體后，停止加熱，再讓預(yù)熱繼續(xù)升華5 min，漏斗內(nèi)白霧消失后，小心取出濾紙，用潔凈的硬紙片刮下產(chǎn)品于稱量紙上，稱量得咖啡因。

1.3.2 固化劑類型對產(chǎn)率的影響

用碳酸鎂、碳酸鈣、硫酸鈣、氧化鈣分別做固化劑，其用量0.25 g，考察4種固化劑對咖啡因升華產(chǎn)率的影響。

1.3.3 固化劑用量對咖啡因產(chǎn)率的影響

選用氧化鈣和氫氧化鈣為固化劑，實(shí)驗(yàn)條件：碎茶葉末10.0 g，固化反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間70 min，蒸餾水10 mL，氧化鈣用量為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g。

1.3.4 水解固化反應(yīng)時間對咖啡因產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)條件：碎茶葉末10.0 g，蒸餾水10 mL，氧化鈣用量為0.20 g，固化反應(yīng)溫度80 ℃，水解固化反應(yīng)時間為60、70、80、90、100、110、120、130 min。

1.3.5 水解固化反應(yīng)溫度對咖啡因產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)條件：碎茶葉末10.0 g，蒸餾水10 mL，氧化鈣用量為0.20 g，水解固化反應(yīng)時間為90 min，反應(yīng)溫度為60、65、70、75、80、85、90、95、100 ℃。

1.3.6 蒸餾水用量對咖啡因產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)條件：碎茶葉末10.0 g，氧化鈣用量為0.20 g，水解固化在80 ℃，反應(yīng)90 min，蒸餾水4、6、8、10、12、16、18 mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑類型對產(chǎn)率的影響

分別用碳酸鎂、碳酸鈣、硫酸鈣、氧化鈣為固化劑，其用量0.25 g，考察4種固化劑對咖啡因升華產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知，4種固化劑對咖啡因升華產(chǎn)率的由低到高的順序?yàn)椋禾妓徕}<硫酸鎂<氫氧化鈣<氧化鈣，其提取率都高于0.630%，其中氧化鈣固化效果最好，提取率達(dá)到0.973%，而氫氧化鈣與氧化鈣固化效果比較接近，提取率達(dá)到0.928%。因此，選用氧化鈣作為固化劑較佳。

2.2 固化劑固化原理分析

分別用碳酸鎂、碳酸鈣、氫氧化鈣、氧化鈣作為固化劑，與茶葉中單寧酸或水解生成的沒食子酸（見圖2）等酸性物質(zhì)反應(yīng)生成不溶性的鈣鹽或鎂鹽而固化（見圖3），使咖啡因游離出來，避免單寧及沒食子酸與咖啡因形成難溶性的鹽不利于升華（見圖4） [9]。

2.3 固化劑用量對咖啡因產(chǎn)率的影響

由圖5可知，隨著固化劑（氧化鈣或氫氧化鈣）用量的增加，咖啡因提取的產(chǎn)率也逐漸增加，當(dāng)氫氧化鈣用量達(dá)到0.25 g時，咖啡因的提取產(chǎn)率達(dá)0.876%，當(dāng)氧化鈣用量達(dá)到0.20 g時，咖啡因的提取產(chǎn)率達(dá)0.973%。若繼續(xù)增加氧化鈣用量，其提取率無明顯增加。這是因?yàn)檠趸}與體系中的水作用生成氫氧化鈣，氫氧化鈣的鈣離子與茶葉中丹寧水解出來的沒食子酸作用生成不溶性的鈣鹽，避免沒食子酸與咖啡因形成難溶性的鹽，有利于咖啡因的提取。當(dāng)氧化鈣增加到0.20 g時或氫氧化鈣的用量為0.25 g時，體系中的沒食子酸幾乎全部形成了鈣鹽，繼續(xù)增加氧化鈣的用量，對咖啡因的提取貢獻(xiàn)不大。因此，氧化鈣的最佳用量為0.20 g。

2.4 水解固化反應(yīng)時間對咖啡因產(chǎn)率的影響

由圖6可知，隨著水解固化反應(yīng)時間的增加，咖啡因提取的產(chǎn)率逐漸增加，當(dāng)時間達(dá)到90 min時，咖啡因的提取產(chǎn)率達(dá)0.973%，時間達(dá)到100 min時，其產(chǎn)率達(dá)1.079%。若繼續(xù)增加水解固化時間至130 min，其升華提取率僅增加0.053%，產(chǎn)率增加很小。這是因?yàn)殡S著時間的增長，茶葉中的丹寧水解的沒食子酸的量增加，并與鈣離子形成難溶性鹽而固化使其不易升華，有利于咖啡因的提取，當(dāng)時間到達(dá)100 min時，茶葉中丹寧水解基本結(jié)束，不再有沒食子酸與鈣離子結(jié)合，100 min后再延長水解固化時間對咖啡因提取產(chǎn)率提高不明顯。因此，其最佳水解與固化時間為90～100 min。

2.5 水解固化溫度對咖啡因產(chǎn)率的影響

圖7表明，隨著溫度的升高，咖啡因提取的產(chǎn)率逐漸增加。當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時，咖啡因的提取產(chǎn)率達(dá)0.986%；當(dāng)溫度達(dá)到85 ℃時，其提取產(chǎn)率達(dá)1.053%。若繼續(xù)升高溫度至100℃，咖啡因提取產(chǎn)率提高僅0.061%，增加不顯著。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，茶葉中丹寧水解的速率增大，沒食子酸與鈣離子形成難溶性的鈣鹽的速率也增大，當(dāng)溫度到達(dá)80～85 ℃時，丹寧水解程度達(dá)到較大，反應(yīng)90 min后，水解固化也基本完成，繼續(xù)升高溫度對咖啡因的產(chǎn)率提高不大。因此，其最佳溫度為80～85 ℃。

2.6 蒸餾水用量對產(chǎn)率的影響

由圖8可見：隨著蒸餾水的用量增加，咖啡因產(chǎn)率先顯著提高，再趨于平緩。當(dāng)水量增加到10 mL時，咖啡因的提取產(chǎn)率達(dá)0.965%；當(dāng)水量增加到12 mL時，提取率達(dá)1.026%。若繼續(xù)增加水量至18 mL，對咖啡因的產(chǎn)率僅提高0.043%。這可能是因?yàn)殡S著水量增加，茶葉浸潤的程度增加，茶葉中單寧酸、水楊酸等酸性物質(zhì)溶解量增加，更有利于加快水解反應(yīng)速率，而使固化劑與酸性物質(zhì)中和固化量增加，更有利于茶堿游離出來，從而使咖啡因升華提取產(chǎn)率增加，當(dāng)水質(zhì)幾乎全部可溶性酸都溶解、水解和成鹽固化后，提取率達(dá)到最高值，增加水量對咖啡因提取量增加不顯著了。因此，蒸餾水最佳用量為10～12 mL。

由圖6～圖7的曲線變化規(guī)律可知，提取時間和溫度對咖啡因的提取極為顯著，最佳實(shí)驗(yàn)條件為：氧化鈣用量為0.20 g，水用量為10～12 mL，反應(yīng)時間為90～100 min，反應(yīng)溫度為80～85 ℃時，咖啡因的產(chǎn)率最高。

2.7 優(yōu)化條件下的平行實(shí)驗(yàn)

結(jié)合以上的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，根據(jù)直接升華法從茶葉中提取咖啡因的水解固化最佳工藝條件下進(jìn)行

實(shí)驗(yàn)平行3次，產(chǎn)率分別為1.233%，1.231%，1.250%，平均產(chǎn)率為1.238%。

由此可知，平行實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性良好，直接升華法從茶葉中提取咖啡因的水解固化最佳工藝條件組合為：氧化鈣用量為0.20 g，水用量為12 mL，反應(yīng)時間為100 min，反應(yīng)溫度為85 ℃時，咖啡因的提取產(chǎn)率可達(dá)到1.238%。

2.8 熔點(diǎn)測定

將提取所得的咖啡因經(jīng)數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測定儀檢驗(yàn)其熔點(diǎn)為235～237 ℃，符合GB14758—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑 咖啡因》，表明本研究提取的咖啡因?yàn)楹细癞a(chǎn)品。

3 結(jié)語

1）直接升華法從茶葉中提取咖啡因的最佳工藝條件是：氧化鈣用量為0.20 g，水用量為10～12 mL，反應(yīng)時間為90～100 min，反應(yīng)溫度為80～85 ℃時，在此條件下咖啡因的提取產(chǎn)率為1.238%。

2）該方法減少了傳統(tǒng)的溶劑提取法中的索氏提取器抽提工序和蒸餾工序，且不需使用大量有機(jī)溶劑，工藝簡單、安全性能好、容易操作、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

3）該方法提取所得咖啡因?yàn)獒槧罱Y(jié)晶。

參考文獻(xiàn)：

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陳志翔， 樊慶. 茶葉種植現(xiàn)狀與栽培管理技術(shù)措施[J]. 大科技， 2013（8）：276277.

[2]中商情報網(wǎng).農(nóng)業(yè)部：2017年中國茶葉產(chǎn)量258萬噸 同比增長7%[EB/OL].（20171223）[20171231].http：//www.askci. com/news/chanye/20171223/163402114643.shtml.