茶叶中咖啡因的提取研究

魏金芳，张相平

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

咖啡因是存在于茶叶、咖啡、可可以及某些植物中的生物碱之一，学名为 1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤。咖啡因是一种重要的医药工业原料，具有兴奋神经中枢，消除疲劳，减弱酒精、烟碱、吗啡等物质的毒害，增加肾脏血流量，利尿和强身等作用[1]，临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏，还可用作治疗脑血管的头痛，尤其是偏头痛，是阿司匹林（A.S.P）等药物的组方之一。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

仪器：98-1-B型电子调温电热套（天津市泰斯仪器有限公司）；C型玻璃仪器气流烘干器（郑州长城科工贸有限公司）；HC-TP-12型架盘天平（天津天平仪器有限公司）；AR-1140 电子分析天平（Cohaus corp.Pine Brook，NJ，USA）；WRS-2微机熔点仪（上海精密科学仪器有限公司）；UV-2550紫外可见分光光度计（日本岛津仪器公司）；TENSOR37傅立叶红外光谱仪（德国布鲁克光谱公司）；GC7900气相色谱仪（Techcomp）。

试剂：95%乙醇和无水乙醇（AR唐山市路北区化工厂）；丙酮（天津市方得科技有限公司）；三氯甲烷（天津市东丽区天大化学试剂厂）；氧化钙（天津市凯通化学试剂有限公司）；N,N-二甲基甲酰胺（天津市凯通化学试剂有限公司）；去离子水（二级）；市售茶叶。

1.2 简单工艺流程

1.3 实验步骤

1.3.1 提取咖啡因

称取10g茶叶，研细且均匀后，用滤纸包好放入索氏提取器中，然后在250mL平底烧瓶里加入110mL（120mL、130mL、140mL）溶剂和几粒沸石，电热套加热，回流提取1.5h（2.0h、2.5h、3.0h），保持回流速度均衡。然后改装成蒸馏装置，蒸馏浓缩提取液至残夜约为10mL，将残液趁热倾入蒸发皿中，拌入4g氧化钙，在电热套上蒸干蒸干，其间不断搅拌并压碎块状物。然后用小火焙炒片刻，除去水分。冷却后，擦去沾在蒸发皿上的粉末，用酒精灯加热升华，收集得到的咖啡因并称重。测咖啡因的熔点，熔点是 234.7℃-237.4℃。

1.3.2 气相色谱条件

色谱柱：SE-54（毛细管柱固定相）；柱温：230℃；检测器：FID，温度250℃；进样口温度：250℃；流速：氮气（载气）25mL/min，氢气25mL/min，空气25mL/min；进样量：0.1μL；载气：氮气。

1.3.3 IR和UV测定条件

取 150mg溴化钾至于洁净的玛瑙研钵中，加入 2-3mg咖啡因，研磨均匀，压片，扫描。擦净压片模具和压片机。

以无水乙醇为溶剂，咖啡因为溶质，配置浓度大约为10-5mol/L的溶液，以无水乙醇为参比，所配溶液为被测液，扫描。洗净比色皿。

2 结果与讨论

2.1 提取咖啡因条件

采用正交试验法对提取咖啡因的条件进行优化研究。表1列出了因素水平表。

表1 水平因素表

正交试验数据处理见表2。由表2可见，从茶叶中提取咖啡因的最佳合成条件为 A3B1C4D4，各因素对反应影响程度的次序为：茶叶种类＞溶剂种类＞回流时间>溶剂用量。

2.1.1 茶叶种类对咖啡因产率的影响

当以无水乙醇为溶剂，用量140mL，回流3个小时时，茶叶种类对收率影响最大。红茶的收率最高，花茶的收率最低。绿茶、青茶、红茶都是基础类茶，发酵程度愈来愈高，发酵程度愈高，细胞壁破裂愈严重，致使所包含的细胞液逸出愈多，提取咖啡因越容易，咖啡因的收率也愈来愈高。花茶的发酵程度较小，在绿茶和青茶之间，但是花茶是再加工茶类，工艺过程多导致部分咖啡因流失，咖啡因产率最低。

2.1.2 溶剂种类对咖啡因产率的影响

当选用红茶，溶剂用量是140mL，回流3个小时时，溶剂种类对收率的影响较大。咖啡因溶于乙醇、丙酮、氯仿和水中，丙酮、氯仿有毒不宜用做溶剂；选用乙醇和水。咖啡因在无水乙醇中的溶解度是 17.1g/L，在水中的溶解度是21.7g/L；虽然咖啡因在水中的溶解度较高，但是以水为溶剂提取的咖啡因的产率却小。因为茶叶中的丹宁溶于乙醇和水中，丹宁在乙醇中不会变化，但在热水中水解出没食子酸，没食子酸易于咖啡因生成难溶的盐，致使以水为溶剂提取的咖啡因的产率降低。溶剂是95%的乙醇时，咖啡因的产率比溶剂是无水乙醇的产率略低；而溶剂是V乙醇:V水=4:1时，咖啡因的产率降低。因此，最好的溶剂是无水乙醇。

表2 L16(45)正交试验数据处理表

2.1.3 回流时间对咖啡因产率的影响

当选用红茶，以无水乙醇为溶剂，用量是140mL，回流时间对咖啡因的收率影响较小。一般认为回流时间越长，产率越高。因为，在温度不变的情况下，咖啡因在同种溶剂中的溶解度不变；回流时间长，虹吸的次数多，提取的咖啡因多。回流时间在3个小时内时，实验结果也是如此，但产率的增幅则是先增后减。回流时间分别是 2.0h、2.5h、3.0h，与其前半小时的产率比分别增加 0.1%、0.14%、0.02%。回流2.5小时后，茶叶中咖啡因的含量减低，溶解在溶剂中的咖啡因减少，并且长时间的回流造成过多杂质的溶解，导致纯化困难致使咖啡因产率的增幅降低。回流3个小时后，索氏提取器中，提取液的颜色明显变浅，回流3.5个小时时基本无色，茶叶中的咖啡因基本提取出来，粗提取物比回流3小时时略有增加，经升化提纯得到的纯咖啡因却比回流3小时时略有降低，回流时间增长了，粗提取物中的杂质多了；因此最佳回流时间是3小时。

2.1.4 溶剂用量对咖啡因产率的影响

当选用红茶，以无水乙醇为溶剂，回流3个小时时，溶剂用量对收率的影响最小。溶剂用量既要能满足回流需求（溶剂量不低于110mL），又不能超过烧瓶体积的2/3（溶剂量不能超过166mL）；溶剂量小时，咖啡因不能全部溶解，溶剂量愈大，咖啡因溶解的愈多；但溶剂量是150mL，160mL时的产率和溶剂量是140mL的产率基本一样，140mL的溶剂能全部溶解咖啡因，增加溶剂的量，溶解的咖啡因不会增加；在温度一定，回流时间一定，溶剂一定，茶叶种类一定时，溶剂量越小，茶叶中的咖啡因溶解的越少，所以，溶剂量是110mL、120mL、130mL时的产率不如溶剂量是140mL时的产率。因此，最佳溶剂量为140mL。

综上所述得到的从茶叶中提取咖啡因的最佳合成条件为：茶叶选用红茶，无水乙醇作溶剂，用量为140mL，回流时间是3小时。另外，茶叶要研磨细，以增加溶剂浸润的面积，易提取咖啡因。滤纸套大小既要紧贴器壁，又能方便取出。其高度不能超过虹吸管，滤纸包茶叶末时要严紧，防止漏出堵塞虹吸管。滤纸扎孔时大小、疏密均匀，否则咖啡因品质不均。炒干粗提取液时，要用小火加热，防止部分咖啡因随着蒸发的溶剂升华。

2.2 最佳条件验证实验

从茶中提取咖啡因的最佳提取条件是：红茶，无水乙醇140mL，回流时间3小时。16组正交试验中没有最佳条件的组合，因此需对最佳条件实验进行验证，重复三次实验，表3是最佳条件下提取咖啡因的产率，平均产率是1.99%。

表3 最佳条件下验证实验结果

2.3 咖啡因纯度检测

以 N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，所提取咖啡因为溶质配制500mg/L的溶液，溶质的质量分数是0.0529%。咖啡因的保留时间是9.4min，找到咖啡因的检出峰，所测溶液的溶质质量分数。以所测溶液的溶质质量分数比所配溶液的溶质质量分数即为提取咖啡因的纯度。

表4 检测结果

2.4 咖啡因波谱分析

UV谱图：咖啡因在206.50nm、272.50nm有吸收与理论值206nm，272nm[2]基本一致。

IR谱图：提取物在3 111.44 cm-1处有吸收，说明有=C-H（理论值是3 100 cm-1）；在2 952.63 cm-1处有吸收，说明有饱和 C-H（理论值是 2 970 cm-1）；在 1 702.96cm-1，1 655.13cm-1处有吸收，说明有C=O（理论值是1 700 cm-1，1 660 cm-1）；在1 547.83 cm-1，1 485.56cm-1处有吸收，说明有C=C（理论值是1 550 cm-1，1 480 cm-1）；在1 357.16 cm-1，1 236.40cm-1处有吸收，说明有C-N（理论值是1 360 cm-1，1 240 cm-1）。说明提取物是咖啡因。

3 结论

对咖啡因的提取条件进行了探讨，采用正交试验法，研究了茶叶种类，溶剂的种类，溶剂用量以及回流时间对提取的影响，选出了较优的提取条件为：红茶，无水乙醇140mL，回流时间3个小时。在此条件下产物的产率为1.99%，纯度98.4%，熔点是234.7-237.4℃。并对目标化合物进行了UV，IR的测定，确定为目标化合物。