池州石臺夏秋茶葉中咖啡因的提取工藝研究

卞紫琦， 郭 軍，，李翠紅

（1.宿州學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.天方茶業(yè)股份有限公司，安徽 池州 245100）

夏秋季節(jié)日照強(qiáng)烈，光照時間較長，氣溫較高，雨水充足，茶葉產(chǎn)量極高，茶樹一年可萌發(fā)5 次新梢，其中夏秋茶產(chǎn)量占總產(chǎn)量的60%[1]。因此，夏秋茶資源非常豐富。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高，消費者消費能力增長較快，夏秋茶青葉由于含單寧物質(zhì)較高，利用率越來越低。夏秋茶雖然資源豐富、產(chǎn)量較高，但產(chǎn)值卻非常低。以春茶為主要原料的茶產(chǎn)品產(chǎn)量雖然只占全年茶葉總產(chǎn)量的20%左右，產(chǎn)值卻占茶葉總產(chǎn)值的80%[2-3]。主要原因有以下幾個方面[4-6]：①夏秋茶的單寧含量較高，單寧具有較重的苦味，是影響茶業(yè)品質(zhì)最主要因素；②夏秋季茶樹芽葉分化時間短，容易老化；③茶葉采收人工成本高；④加工技術(shù)單一化，制成的茶葉香味淡薄，苦澀味重，市場價值低，加上銷售渠道少，多數(shù)夏秋茶茶產(chǎn)品無利可圖[7]。因此，茶農(nóng)采摘積極性不高，僅少量采收甚或不采，導(dǎo)致大量夏秋茶葉枯死老化，造成茶葉資源較大浪費。如果通過現(xiàn)代技術(shù)將夏秋茶開發(fā)成衍生品，或提取夏秋茶葉中有效活性成分，制作成營養(yǎng)保健產(chǎn)品，可有效提高夏秋茶資源的市場價值[8-10]。搞好夏秋茶開發(fā)，提高整個茶葉生產(chǎn)工業(yè)化水平、促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)升級；對于提高茶葉生產(chǎn)整體效益、增加茶農(nóng)收入、推動茶葉產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

咖啡因（C8H10N4O2）作為一種嘌呤類生物堿，其化學(xué)名是1,3,7 -三甲基黃嘌呤或3,7 -二氫-1,3,7三甲基-1H -嘌呤-2,6 -二酮，分子量為194.19?？Х纫蛟谒幬飳W(xué)方面的作用是影響人類的大腦皮層、延髓和脊髓，同時還會刺激心肌，增加人的呼吸速度及深度，促進(jìn)腎上腺髓質(zhì)釋放人體的腎上腺素[11-13]。

咖啡因存在于人們的日常飲品中，如茶葉、咖啡、可可飲料及巧克力等飲料中?？Х纫蚩纱碳C(jī)體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具有促進(jìn)人體新陳代謝和血液循環(huán)、消除疲勞、調(diào)節(jié)胃腸道功能等作用。同時，也是復(fù)方阿司匹林與復(fù)方金剛烷胺等藥物的成分之一[14]。此外，多項研究表明，人體適當(dāng)攝取咖啡因還可以預(yù)防某些疾病的發(fā)病率，如阿爾茲海默病、糖尿病及早產(chǎn)兒支管肺炎等疾病[15]。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

（1）試劑。乙醇、碳酸鈉、硫酸、乙酸鈉、乙醚、石油醚、正丁醇、氯仿，均為分析純，上海國藥集團(tuán)提供；茶業(yè)，池州天方茶業(yè)有限公司提供。

（2）儀器。R201D 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海菁海儀器公司產(chǎn)品；WD750B 型微波爐，格蘭仕電器公司產(chǎn)品；SYC-15 型恒溫水浴鍋，江蘇正基儀器有限公司產(chǎn)品；WK-150A 型超微粉碎機(jī)，上海辰華儀器有限公司產(chǎn)品；FTIR 8700 型傅里葉變換紅外光譜儀，Thermo Nicolet 公司產(chǎn)品。

1.2 試驗步驟

1.2.1 工藝流程

夏秋茶粉末→回流→獲得粗液→烘干→結(jié)晶→咖啡因結(jié)構(gòu)鑒定→稱量。

夏秋茶破壁，稱取5.00 夏秋茶放置研缽中進(jìn)行研磨，然后經(jīng)過篩子進(jìn)行篩選，得到茶葉粉末。

1.2.2 咖啡因的提取

（1）咖啡因的回流提取。①取25 mL 的試管，將濾紙卷在試管上，濾紙底部向下折疊（注：底部需要壓實，以免茶葉粉末漏出造成虹吸管堵塞）。將茶葉粉末倒入濾紙?zhí)字校瑸V紙?zhí)椎纳喜可韵蛳抡?，以便從上方冷凝的乙醇溶液順利滴下，與茶葉充分接觸。將濾紙?zhí)追湃胨魇咸崛∑髦?，用鑷子調(diào)整位置（注：對比濾紙?zhí)椎母叨炔粦?yīng)超過虹吸管）。②用量筒量取一定量的無水乙醇溶液倒入圓底燒瓶中（加入幾粒沸石），安裝好提取裝置。③打開水浴鍋，對裝置進(jìn)行水浴加熱。當(dāng)乙醇溶液開始沸騰時，升起的氣態(tài)乙醇經(jīng)冷凝后從上部滴下，當(dāng)液體達(dá)到虹吸管高度時會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。由于茶葉中仍有葉綠素的殘留，因此提取液經(jīng)浸泡后呈深綠色。當(dāng)經(jīng)過多次虹吸后，提取液顏色已經(jīng)較淺時，立即停止加熱。

（2）咖啡因的粗液提取。向圓底燒瓶中加入幾粒人工沸石，將提取裝置轉(zhuǎn)為蒸餾裝置，置于水浴鍋中進(jìn)行蒸餾，蒸出大部分乙醇并回收大量乙醇。（注：蒸餾結(jié)束時，注意殘液的量。如果殘液太少，則因過于黏稠而造成損失）。

（3）烘焙。①將殘液倒入蒸發(fā)皿中水浴加熱，燒瓶用回收的乙醇溶液進(jìn)行洗滌，洗液同樣倒入蒸發(fā)皿中。②稱取氧化鈣4 g，倒入蒸發(fā)皿中，在蒸氣浴上用玻璃棒不斷攪拌，當(dāng)殘液加熱攪拌至粉末狀時停止攪拌。

（4）升華結(jié)晶。取一支合適的玻璃漏斗，罩在隔以刺有許多小孔的濾紙的蒸發(fā)皿上，用小火小心加熱升華（注：漏斗上有水汽時應(yīng)用濾紙擦干）。在水浴鍋上放置溫度計，控制升華溫度為180～185 ℃，咖啡因的針狀結(jié)晶開始生長。稍冷后仔細(xì)收集濾紙正反面的咖啡因晶體，輕輕將咖啡因移至表面皿中，得到咖啡因結(jié)晶。殘渣攪拌，進(jìn)行2 次升華。

1.2.3 咖啡因含量的測定

用電子天平稱取一潔凈表面皿待用，混合2 次升華的產(chǎn)物放置電子天平上進(jìn)行準(zhǔn)確稱量。

1.2.4 咖啡因的紅外表征

取少量咖啡因針狀結(jié)晶，與溴化鉀混合，研磨成粉末，進(jìn)行紅外光譜分析表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇用量對咖啡因提取率的影響

乙醇用量對夏秋茶咖啡因提取率的影響見圖1。

圖1 乙醇用量對夏秋茶咖啡因提取率的影響

根據(jù)單因素試驗，固定夏秋茶5.00 g，提取時間3 h，考查提取液乙醇用量為90，95，100，105，110，115 mL 時的咖啡因提取率。

由圖1 可知，隨著提取液的不斷增加，所得到的咖啡因的含量剛開始增加后面趨于恒定，當(dāng)提取液為100 mL 時咖啡因提取率最大。夏秋茶咖啡因的含量為定值，提取咖啡因的量不可能無限增大，也就是說加入過量的提取液，提取率不會有明顯增大。為了最小限度地使用乙醇，不會過多造成乙醇的浪費，試驗時應(yīng)加入最適的乙醇用量為100 mL。

2.2 提取時間對咖啡因提取率的影響

按照同樣的提取條件，茶葉用量5 g，加入100 mL 的乙醇，考查提取時間分別為1.50，1.75，2.00，2.25，2.50 h 時的咖啡因提取率。

提取時間對咖啡因提收率的影響見圖2。

圖2 提取時間對咖啡因提取率的影響

由圖2 可知，隨著提取時間的逐漸延長，提取出的咖啡因含量先增大后減小。提取的時間越久，咖啡因的溶解量也會隨之增多，但當(dāng)咖啡因全部都溶解時，若繼續(xù)延長提取的時間，咖啡因的溶解量也不會繼續(xù)增加。由圖2 可知，當(dāng)提取時間為2 h時，咖啡因的溶解量達(dá)到最大，此時若提取時間繼續(xù)延長，由于乙醇揮發(fā)將會導(dǎo)致咖啡因溶解液中部分溶解液流失，從而導(dǎo)致隨著提取時間的延長咖啡因的回收率下降的現(xiàn)象。因此，當(dāng)提取時間為2 h 時咖啡因的回收率最高。

2.3 升華條件對結(jié)晶咖啡因的影響

取茶葉5.00 g，加入100 mL 的乙醇溶液，提取時間2 h，考查氧化鈣用量分別為4，7，8 g；升華溫度分別為180～185，185～190，190～200，200～210 ℃時咖啡因結(jié)晶的狀態(tài)。

不同升華條件對所提取咖啡因結(jié)晶的影響見表1，咖啡因的紅外光譜圖見圖3。

表1 不同升華條件對所提取的咖啡因結(jié)晶的影響

圖3 咖啡因的紅外光譜圖

由表1 和圖3 可知，第1，2，4，5 組的試驗結(jié)果與所提取物質(zhì)的物理性質(zhì)不一致，推測這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于升華結(jié)晶物質(zhì)時咖啡因中的溶劑未被完全蒸干，也可能是因為升華時咖啡因還未等到結(jié)晶便被蒸氣帶走的原因。通過上述5 組試驗數(shù)據(jù)可得出結(jié)論，升華時的最佳溫度應(yīng)控制在180～185 ℃，而氧化鈣的最好用量是7 g。

2.4 紅外光譜圖鑒定

咖啡因的紅外光譜圖解析如下：3 446.74 cm-1是酰胺鍵中的N-H 伸縮振動吸收峰；2 922.12 cm-1推測是由咖啡因分子結(jié)構(gòu)甲基C-H 伸縮振動所引起吸收峰；1 700.71 cm-1推測由雙鍵-C=C-伸縮振動引起吸收峰；1 658.38 cm-1是由咖啡因叔酰胺基團(tuán)中的-C=O 伸縮振動所引起吸收峰，（C=O）的紅外共振吸收產(chǎn)生在1 690.00～1 630.00 cm-1內(nèi)，-C=O-和酰胺鍵共軛，引起C=C 雙鍵電子云密度偏轉(zhuǎn)移向O原子，C=C 雙鍵電子云密度平均分布，使得C=O 雙鍵的共價鍵作用力減弱，因而引起碳氧基團(tuán)-向低數(shù)位移動；1 550.68 cm-1是N-H 搖擺振動所引起的紅外吸收峰[16]；1 485.12 cm-1是由咖啡因的甲基C-H搖擺振動所引起的紅外吸收峰，咖啡因甲基和咖啡因分子氮原子相連；1 376.00 cm-1紅外吸收帶移向波數(shù)較高位；C-N 的紅外伸縮振動吸收帶處于1 350.00～1 100.00 cm-1，與不飽和碳原子或者芳環(huán)碳原子連接的碳氮伸縮振動在1 350.00～1 250.00 cm-1波數(shù)，CN 還連接有甲基，甲基為供電子基，u（C-N）朝著高波數(shù)位移動。綜上所述可知，譜圖中的基團(tuán)同咖啡因結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)恰好相同。因此，該測定產(chǎn)品為咖啡因[17]。

3 結(jié)論

提取咖啡因的最佳試驗條件為茶葉用量5 g 時，乙醇用量100 mL，氧化鈣用量7 g，升華時間為2 h，升華溫度為180～185 ℃。試驗得出咖啡因提取率約為8 mg/g。與李凡姝等人[18]研究結(jié)果比較，池州夏秋茶中咖啡因含量與春茶鐵觀音中咖啡因含量相差較小，大于龍井、毛峰等春茶。