茶葉中咖啡因的提取工藝研究進(jìn)展

王文權(quán) 胥鑫萌 張雨佳

(陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中，723000)

飲品中能緩解疲勞、使人興奮的主要成分為所含的咖啡因?？Х纫蚴且环N主要存在于茶葉、可可豆和咖啡果中的黃嘌呤生物堿，分子式：C8H10N4O2，化學(xué)名：三甲基黃嘌呤，又名咖啡堿、甲基可可堿、馬黛因和茶毒等。純的咖啡因是一種白色、強(qiáng)烈苦味的粉狀物。隨著對咖啡因的深入了解與研究，發(fā)現(xiàn)咖啡因攝入量的不同對人體的影響也會不同[1]：適宜的量對人體具有一定的積極作用，但若攝入量過多，會對人體產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

研究表明，適量的咖啡因具有緩解疲勞、改善微血管性能[2]、抗氧化[3]、鎮(zhèn)痛作用、提高記憶力[4]、抗抑郁[5]和抑制癌癥[6]等作用?；谝陨戏e極作用，使得咖啡因在飲料、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?？Х纫蛑饕从诓枞~、咖啡豆等，對于茶葉而言，我國是一個(gè)茶葉大國，咖啡因主要從茶葉中提取，但提取率低是目前的主要問題。高效率、高純度提取是我們所期望的，所以研究茶葉中咖啡因提取工藝，合理分析提取工藝的原理、優(yōu)缺點(diǎn)，對其提取方法的改進(jìn)具有一定的促進(jìn)作用。本文分析了目前咖啡因相關(guān)提取方法，討論了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為后來咖啡因的提取提供借鑒。

1 提取工藝

1.1 溶劑提取法

溶劑提取法是一種傳統(tǒng)的提取天然產(chǎn)物方法，根據(jù)提取目標(biāo)在各種溶劑中溶解性的差異，選用對提取目標(biāo)溶解度大、對非提取目標(biāo)溶解度小的溶劑，從而將目標(biāo)產(chǎn)物溶解出來的方法。研究表明，咖啡因能溶于水、二氯甲烷、氯仿、乙醇和丙酮等多種溶劑[7]。綜合考慮性價(jià)比、危害等因素，其中乙醇在提取中最為常用。

吳睿韜等[8]采用溶劑浸提茶葉中咖啡因，在提取過程中，分別采用二氯甲烷和乙醇作為提取溶劑，結(jié)果表明，乙醇在咖啡因提取率方面明顯高于二氯甲烷，約為二氯甲烷的2.6倍，所以對咖啡因而言，乙醇是一種良好的提取溶劑。閆洪軍等[9]采用溶劑熱水與有機(jī)溶劑提取茶葉中咖啡因，表明有機(jī)溶劑對咖啡因的提取率遠(yuǎn)高于熱水，且條件簡單方便。在95%的乙醇100 mL，提取時(shí)間2 h條件下，咖啡因的收率最高，可達(dá) 1.546 %。

溶劑提取法是最為常用的，也是較為便利的一種提取方法，溶劑提取法要點(diǎn)在于對提取溶劑的選擇，選擇時(shí)要具有針對性，選用對咖啡因溶解度大而對其他物質(zhì)溶解度小或難溶的溶劑。由于提取溶劑為有機(jī)溶劑、氯仿、二氯甲烷和丙酮等，對環(huán)境有污染且對研究人員健康具有一定的危害。有機(jī)溶劑易揮發(fā)，在提取時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置其提取溫度，防止有機(jī)溶劑的揮發(fā)和不能達(dá)到有效提取。

1.2 超聲波輔助法

超聲波輔助法，利用超聲波的攪拌和空化作用，在提取過程中，對植物細(xì)胞壁具有一定的破壞作用，加速植物細(xì)胞中細(xì)胞液的流出，增大了與提取溶劑的接觸面積，加快傳質(zhì)速率，從而達(dá)到高效提取的目的，此法提取時(shí)間更短，提取溫度低，對熱穩(wěn)定性差、易水解或易被氧化的物質(zhì)具有一定程度的保護(hù)，同時(shí)可以節(jié)省能耗,提取液中雜質(zhì)少，提取物容易分離純化。

劉華戎[10]以超聲波輔助離心萃取的方法提取茶葉中咖啡因，結(jié)果表明，超聲時(shí)間對咖啡因提取率影響最大，說明超聲輔助對于咖啡因提取具有一定的幫助。超聲時(shí)間15.0 min，CHCl3用量為 5.0 mL，離心萃取速率2500 r/min，離心萃取時(shí)間15.0 min，咖啡因提取率最大，可達(dá)43.55mg/2g；賈育秀等[11]采用超聲波輔助法對凌云白毫茶中咖啡因進(jìn)行提取，通過對乙醇濃度、超聲時(shí)間、超聲功率和液固比四個(gè)因素考察，結(jié)果表明，在影響程度方面，乙醇濃度>超聲功率>液固比>超聲時(shí)間。其中隨著超聲功率的增加，咖啡因提取率先升高再降低，可能由于超聲波較大，導(dǎo)致了部分咖啡因的流失與破壞。

對超聲波輔助法而言，其利用物理輔助的方法，加快了提取速率，提高了提取效率，減少了提取過程中有機(jī)溶劑的使用，對環(huán)境與提取人員都是一種保護(hù)。因其提取雜質(zhì)少，在一定程度上減少了后期提取物的分離純化的工作量，是一種較為常用的提取技術(shù)。

1.3 離子液體提取法

對于茶葉中咖啡因的提取而言，往往采取傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取，或采取其他物理方法輔助提取，以上提取方法不可避免都會用到有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑往往沸點(diǎn)較低、易燃、易爆、易揮發(fā)，在使用過程中缺乏安全性，隨著對綠色化學(xué)的追求，更希望在提取過程中用一種新型溶劑來彌補(bǔ)更替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑。而離子液體作為一種新型綠色溶劑，具有飽和蒸汽壓極小、揮發(fā)性極低、無污染、可循環(huán)等特點(diǎn)，其對有機(jī)物質(zhì)都表現(xiàn)出良好的溶解能力，是一種極好的提取溶劑，近些年在天然產(chǎn)物提取中應(yīng)用越來越多。

在目前的研究中，離子液體在茶葉咖啡因的提取中應(yīng)用鮮見。于海南[12]合成了[HMIM]PF6和[BMIM]PF6兩種離子液體，用作提取溶劑，并分析其對咖啡因的提取機(jī)理，結(jié)果表明，在提取過程中，離子液體[HMIM]PF6和[BMIM]PF6中氟原子與咖啡因形成氫鍵，并且氫鍵作用越強(qiáng)，對咖啡因的提取效果越好。黃飛等[13]用合成離子液體[HSO3-pmim]+[HSO4]-來提取茶葉中咖啡因，通過單因素實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)料液比為 1∶25，提取溫度95℃，提取時(shí)間180min，離子液體濃度80%，咖啡因產(chǎn)量最高可達(dá)108.6 mg。

離子液體具有無污染、溶解性好、極低的揮發(fā)性等優(yōu)勢，對茶葉中咖啡因具有較高提取效率，是一種環(huán)境友好型的提取溶劑，但在目前的提取過程中還是應(yīng)用較少，一方面，由于離子液體溶解性好、蒸氣壓低，提取中可能會溶解其他雜質(zhì)，會給后期的分離、純化帶來較大的工作量；另一方面，離子液體價(jià)格昂貴，對大規(guī)模的提取不適用?；谝陨蟽蓚€(gè)方面因素，限制了其在茶葉咖啡因提取方面的應(yīng)用。

1.4 微波輔助法

微波輔助法是一種物理輔助法，將被提取物置于微波快速反應(yīng)系統(tǒng)中，采用一定頻率的微波對原料進(jìn)行一定時(shí)間的處理，在微波能的作用下，加快了有效活性成分的流出，微波在輔助時(shí)，對于原料提取液具有一定的加熱作用，減少了提取時(shí)間，大大提高了提取效率。

劉暢等[14]采用微波輔助法提取茶葉中咖啡因，結(jié)果表明，微波功率240W，微波時(shí)間4min，提取溫度85℃，料液比1：20g/ml 時(shí)，咖啡因提取率最大，可達(dá)2.35%。劉亞紅[15]對茶葉中咖啡因提取進(jìn)行研究，通過對比微波輔助提取、索氏提取、回流萃取，綜合考慮提取率、操作時(shí)間、操作難度，表明微波輔助法提取咖啡因的效果明顯高于后兩種方法，用微波輔助法提取，當(dāng)乙醇溶液濃度70%、料液比為1:8、微波加熱時(shí)間4 min、微波功率為280W,咖啡因的提取量達(dá)到最大。

微波輔助法相比于有機(jī)溶劑提取而言，在提取過程中，微波輔助法所用有機(jī)溶劑少、提取時(shí)間短、操作簡單、提取效率高，對反應(yīng)具有一定的加熱效果。針對于微波輔助對反應(yīng)的加熱來說，一方面，微波輔助法減少了提取過程中的能耗；另一方面，微波輔助法在加熱時(shí)溫度升高較快，所以在提取時(shí)，要對溫度嚴(yán)格控制，防止對提取物活性產(chǎn)生影響。

2 飲料中咖啡因的檢測方法

隨著生活質(zhì)量的提升，飲品已成為生活中不可缺少的東西，飲品的種類、樣式眾多，例如：茶飲品、咖啡、碳酸飲料和功能型飲料等，以上飲品中都含有咖啡因，功能性飲品成分復(fù)雜，就咖啡因而言，與其他飲品相比較，含量相對較多，而過量的咖啡因會對人機(jī)體造成不良影響。例如：導(dǎo)致睡眠時(shí)間減少、引起頭痛、對咖啡因上癮等[16]，所以對飲品中咖啡因含量檢測及控制具有重要意義。

目前的檢測技術(shù)主要有分光光度法、高效液相色譜法、毛細(xì)管電泳法和聯(lián)合測定法[17]。羅少偉[18]用高效液相色譜法測定飲料中咖啡因含量，結(jié)果表明，此法操作快捷，具有較高的精密度與靈敏度，在飲料中咖啡因含量的測定中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。張薇[19]采用紫外分光光度法，對可樂中咖啡因進(jìn)行測定，結(jié)果表明此法具有檢出限低、靈敏度高、回收率好等優(yōu)點(diǎn)。衷明華等[20]采用毛細(xì)管區(qū)帶電泳法測定茶葉中咖啡因，結(jié)果表明，在8min內(nèi)可將咖啡因分離，檢測限為0.001—0.01μg/mL，是一種穩(wěn)定、高效快速的檢測方法。陳超等[21]采用一種聯(lián)合測定方法HPLC-DAD-CAD法，對功能性飲料中咖啡因測定，結(jié)果表明，此法檢測快速、簡便、靈敏高，對咖啡因檢出含量最低可達(dá)3.5 ng。

以上方法都具有檢測速度快、精確度高、檢測限度低和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。由于功能性飲料中添加劑種類多，牛磺酸、咖啡因等劑量較大，高效的檢測方法不僅為人們?nèi)绾芜x擇安全的飲料提供了借鑒，也為飲料制備過程中咖啡因含量的合理控制提供了便利。

3 結(jié)語

本文對茶葉中咖啡因的提取方法進(jìn)行了分析討論。溶劑提取法中由于大部分有機(jī)溶劑都具有沸點(diǎn)低、蒸氣壓高、易揮發(fā)和有毒等特點(diǎn)，所以對于溶劑的合理選擇顯得十分重要，溶劑對所提取物要有較高的專一性，否則會降低提取物的收率與純度；所選的溶劑要對環(huán)境污染小或者無污染，對操作人員的危害??；離子液體提取法與溶劑提取法相比，克服了污染大、易揮發(fā)等缺點(diǎn)，且離子液體的溶解性好，提取效率高。但離子液體在后期的回收利用方面存在一定的缺陷，且離子液體價(jià)格昂貴，在一定范圍內(nèi)限制了其應(yīng)用；超聲波與微波輔助提取法都采用了額外的物理輔助手段，對植物細(xì)胞壁有一定的破環(huán)作用，縮短了提取時(shí)間，二者在提取溫度方面有所差異，前者在提取時(shí)提取溫度低，對熱敏性物質(zhì)提取較為實(shí)用；后者在提取過程中，由于微波導(dǎo)致溫度快速上升，可能會影響提取物活性，導(dǎo)致提取物的流失。在未來的提取過程中，更多的是將以上兩種或多種方法結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)，以實(shí)現(xiàn)更高效的提取，例如,超聲波-離子液體、微波-離子液體、超聲波-微波輔助離子液體提取等方法。