茶叶中咖啡因的提取研究进展

研究发现，茶叶中含近500种成分，主要有生物碱类、黄酮类、酚类、酯类和氨基酸等，还含有对人体有益的钙、磷、铁、氟、碘、锰、钼、锌、硒、铜、锗、镁等多种矿物质。茶叶中的生物碱主要包括咖啡因、可可碱和茶碱，其中咖啡因占大部分，含量为3%～5%,是医用咖啡因的重要来源[1～5]。作者在此重点介绍茶叶中咖啡因提取技术的研究进展。

1 咖啡因的性质、结构和作用

咖啡因亦称咖啡碱，是一种甲基黄嘌呤，属生物碱类物质，化学名称为1,3,7-三甲基-3,7-二氢-1H-嘌呤-2,6-二酮水合物，化学式C8H10N4O2，相对分子质量为194.2，易溶于水、乙醚、氯仿、二氯甲烷，能溶于乙醇、丙酮、醋酸乙酯，难溶于乙醚和苯，熔点为235～237℃，白色结晶粉末，无臭，味苦，有风化性[1]。

咖啡因结构中虽含有4个N原子，但受邻位羰基吸电子的影响，呈弱碱性，其结构式如图1所示。

图1 咖啡因的分子结构式

咖啡因在生理上能刺激人体中枢神经系统引起兴奋，促进新陈代谢，加强肌肉收缩[6]，可使人的头脑清醒，有助于思维[7～9]，并可促进血液循环，利于尿液排出，解除肌体疲劳，提高劳动效率[10～12]。此外，咖啡因能增强心脏和胃肠道功能[13～15]、调节脂肪代谢[16,17]，同时还可起到解毒的功效[18,19]。

2 茶叶中咖啡因的分离提取方法

2.1 传统提取法

2.1.1 水提法

水提法是利用咖啡因在水(特别是热水)中具有一定的溶解性进行提取，一般先用水萃取茶叶中的咖啡因，然后再用溶剂萃取或其它方法提取水中的咖啡因。该方法在咖啡咖啡因提取中应用较多，中国农业科学院茶叶研究所进行了热水浸渍法提取鲜茶叶中咖啡因的实验室研究，取得了一定成果。Liang等用热水浸泡鲜茶叶提取咖啡因，以温度、浸泡时间和茶水比为影响因素进行三因素三水平的正交实验，确定最佳提取条件为：1∶20(质量体积比)的茶水比在100℃浸泡3 min，可提取83%的咖啡因，同时鲜叶中保留了95%的儿茶素。

水提法提取咖啡因只适合于鲜叶和杀青叶，而不适合于揉捻叶和干燥叶，因此该方法对绿茶而言是一种既安全又经济的方法，但不适于红茶。热水浸泡可以有效提取咖啡因，但是由于浸泡过程中会将茶叶中其它一些易溶于水的成分(如茶多酚、氨基酸等)浸出，对成品茶的风味有较大的影响[20]。

2.1.2 升华法

近年来中外学者就升华法制取天然咖啡因进行了大量研究和改进，并申请了专利。叶春园等将茶叶末投入备有搅拌器的升华罐中，用U形加热管中的电热丝将机油加热到(130±10)℃，用油泵将热油输入升华罐的夹层中，搅拌，用真空泵抽气，保持升华罐内的真空度为50.66 kPa，处理2 h，挥发物经导管进入冷凝罐冷水冷却，保持30～60℃，从冷凝罐的底部取出固体冷凝物(粗咖啡因)，加少量水溶解，漂去焦油，经结晶纯化后可得纯咖啡因，每10 kg茶叶下脚料可制得180 g咖啡因，得率1.8%。

陈友仁等设计了新型咖啡因提取装置，升华罐与冷凝罐直接连接，底部用远红外加热炉加热，冷却分离罐由分离罐体、收集网、环形集水槽、水冷却夹套进出水管、烟道和搅拌驱轴组成。该装置不仅可以完成从茶叶中提取咖啡因的加热升华，而且能直接将升华物冷却，分离出咖啡因结晶，提取时间短，产量和纯度高。

2.2 溶剂提取法

Bocho-Rishvili在茶汁中先加醋酸铅和Na2HPO4，对茶汁进行去杂质纯化，再加入用量为1%的2% KMnO4及30% NaOH进一步纯化，可提高咖啡因的提取率。Mitchell等加入Na2CO3去除茶多酚等杂质，然后用二氯甲烷萃取咖啡因。仓公敖等研发了从茶叶中提取咖啡因的方法，并申请了专利，提取率为1.01%～1.68%。

Tetsuo等用水-氯仿混合物直接浸泡绿茶末，用结晶法获取有机相中的咖啡因，2 g茶提取了40.7 mg咖啡因。李沿飞等[21]采用6 mol·L-1盐酸调节茶汁pH值为2，煮沸3 h，离心过滤，浓缩至1/2体积，再加入NaOH调节pH值至12，用氯仿分2次提取，合并有机相，用1 mol·L-1盐酸洗涤，弃去水相，蒸干有机相(回收氯仿)，固形物置100～105℃烘箱中烘干即得粗咖啡因，粗咖啡因用10 BV水溶解，过滤、蒸发、重结晶、烘干。烘干后的咖啡因中加入1/5质量的氧化镁，混合物置真空箱中升华，温度控制在160～200℃，收集升华物即得纯度为99%的天然咖啡因。将粉状物投入升华罐内，在常压或减压下升华，即得纯度为99.9%的天然咖啡因，该法可提取出茶叶中75%～85%的咖啡因。

咖啡因具较强的稳定性，一般不与金属离子结合沉淀，也不会在有机试剂中析出，而茶叶中的其它功能性成分如茶多酚、蛋白质等易与Ca2+、Zn2+、Al3+等结合沉淀，茶多糖、果胶类、纤维素类物质易在丙酮、乙醇中析出，利用这些性质，可以将咖啡因与这些成分分离，有效地提取咖啡因[22]。

陆导仁等申请的专利(一种提取咖啡因的茶多酚的生产方法)就是通过沉淀法去除咖啡因，将络合沉淀剂加入到澄清的茶叶浸提液中，待冷却后加入稀碱使pH值达到6.5～10，形成茶多酚钙或茶多酚锌沉淀，过滤，沉淀用无机酸溶解，再以活性炭-硅藻土过滤，滤液用乙酸乙酯萃取，回收萃取剂，干燥，即得提取咖啡因的茶多酚。该法操作简便，去咖啡因效果好，但茶叶提取液中有效成分并不能完全沉淀或析出，部分有效成分损失严重，茶制品产率不高，而且与化学试剂接触容易导致残留[23]。

2.3 超临界CO2提取法

超临界萃取法(SFE)是近年发展起来的一种新型的分离技术[24]。它利用超临界状态下的流体作溶剂，在超出临界温度与压力的区域下进行萃取，用超临界CO2流体作为溶剂更显优势，因为CO2的临界值低，压力与温度的较小变化会引起流体密度的较大改变，并极易渗透到原料基质中，使萃取组分通过分配扩散作用而充分溶解，从而达到萃取的目的。

近年来，国内外采用超临界CO2萃取提取茶叶咖啡因的研究较多。超临界CO2对咖啡因选择性高，同时具有溶解性大、无毒安全、工艺过程简单等优点，但从茶叶中提取咖啡因的工业化应用还不理想，设备投资大，生产成本较高，且茶叶在提取咖啡因时风味损失严重。为了解决这个问题，周海滨等研究优化了用超临界CO2提取咖啡因并保持茶叶风味的工艺，得到了预脱茶香和咖啡因的两级萃取、茶香吸附和咖啡因解析的两路分离、加30%乙醇作夹带剂的最佳工艺路线，咖啡因提取率达到83%～96%。

利用超临界CO2提取茶叶中咖啡因在国内外有许多专利，用于提取的原料主要有茶叶和茶提取物(如茶多酚)，不同专利的主要区别在于原料预处理和萃取条件的不同。

近年来，有研究发现，超临界提取过程中添加水或乙醇作为夹带剂可以有效提高咖啡因的提取率。Iwai等通过静态循环方法及在线FTIR(313.2 K，15.0MPa)、分光光度计检测，发现添加水的条件下超临界CO2对咖啡因的溶解度最高可增加22%，在添加水和乙醇的条件下咖啡因溶解性反而比添加相同量的水或乙醇更差，随着乙醇添加量的增加，C=O对咖啡因的吸收峰也发生了变化。

满瑞林等研究发现，咖啡因首先在水的作用下从茶叶基质上脱附下来并进入到水相，然后通过茶叶组织的孔隙扩散到茶叶表面，最后进入超临界CO2流体相，同时水可以使茶叶体积膨胀，扩大咖啡因传质面积，但咖啡因在CO2流体相和水相中的分配系数较小，使得水也成为阻止咖啡因进入到流体相的阻力因素之一；另外，水可溶解在CO2中，在萃取中是否产生共溶剂效应有待进一步研究。

2.4 吸附剂与洗脱剂提取法

吸附剂与洗脱剂提取法是利用各种吸附剂与洗脱剂进行吸附解吸使得茶叶提取液中咖啡因与其它成分分离。大须博文等[25]将处理的硅藻土用二氯甲烷拌浆填入分离柱，将乌龙茶液注入柱中，吸附10 min后用二氯甲烷淋洗去除咖啡因，再用水洗脱柱内的茶提取物，该方法能提取98%以上的咖啡因。

Oritah等用绿茶进行了多种溶剂的浸提实验和吸附型树脂及亲脂凝胶过滤对儿茶素净化方法的对比实验，提出了一种去咖啡因的儿茶素加工工艺。将绿茶或鲜叶经80%乙醇浸提，注入Toyopearl HW 40柱，用去离子水淋洗去除糖、色素等，用15%乙醇淋洗去除咖啡因，80%乙醇淋洗得到儿茶素，可获得高纯度(杂质含量<3%)的低咖啡因(0.1%)儿茶素产品。

Suehiro等用乙烯基聚合物吸附剂色谱法，使茶叶提取物中的儿茶素得到完全分离，去除了咖啡因等杂质。

Ryuta等在碱性条件下用合成吸附剂除去茶叶提取物中咖啡因，制备低咖啡因茶多酚。将含咖啡因7%、儿茶素30%的绿茶提取液过装有SP 207 pH值为10的柱，然后脱盐干燥，可获得64%的低咖啡因(0.2%)儿茶素制品。

黄继轸等在活性炭表面制备一层厚度恰当的疏水性提取咖啡因专用膜，吸附脱除茶液中的生物碱，经浓缩、喷雾干燥后，即可生产去咖啡因速溶茶。研究表明，以活性炭为吸附剂，以植物油为膜剂，加0.1%月桂酸制成膜，膜剂用量10%～25%内，提取咖啡因效果较佳。

3 结语

多年来，随着经济和社会的发展，咖啡因一直是我国出口的大宗产品，每年出口量均占产量的75%左右，特别是最近以来，国际市场咖啡因需求急剧增加。20世纪90年代初，我国咖啡因生产迎来了一个高速增长期，全国生产能力连续数年都以每年千吨的规模增加，产量也以每年千吨的速度增长。90年代中期，咖啡因生产增长势头趋缓，但仍在稳步前进，到90年代后期，咖啡因生产再掀高潮。21世纪初，咖啡因年产量超过8000 t，并逐年增加。

目前，我国咖啡因生产规模不断扩大，工艺技术逐年改进，产品质量稳步提高，生产成本大幅下降，今后咖啡因提取研究的重点在于提取方法的创新，并且要节约能源、减少污染，使其在国际市场上的竞争力越来越强。

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