正交试验法从茶叶中提取咖啡因的工艺研究

黄飞

（黄山学院化学化工学院，黄山 245041）

咖啡因又称为咖啡碱，存在于茶叶、咖啡、可可等一些植物中，其化学名称为1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，化学式为C8H10N4O2，易溶于水、乙醚、二氯甲烷、氯仿、乙醇、醋酸乙酯、丙酮等溶剂。咖啡因是一种重要的医药原料，具有消除疲劳，减弱酒精、吗啡、烟碱等物质的毒害，促进血液循环，预防高血压和心肌梗塞，抗氧化、抗衰老等作用[1-3]，临床上用于治疗神经衰弱、偏头痛等疾病[4]。黄山茶叶资源十分丰富，是我国重要茶叶产地，黄山毛峰、毛尖、祁门红茶、太平猴魁等名茶均产于此。在茶叶的加工过程中产生大量茶梗、茶末、茶灰，茶叶滞销时，低档茶叶大量积压，因此，合理有效的利用这些废茶料和低档茶叶，从中提取市场紧缺的天然咖啡因，具有十分重要的意义。

目前，从茶叶中提取咖啡因的主要方法包括水提取法、溶剂提取法、升华法、超临界CO2提取法和吸附剂与洗脱剂提取法等[5-6]，这些方法步骤烦琐，不易操作，产品的提取率不高。超声波提取法适用于咖啡的主要成分和高沸点物质的提取，方法简单，易于操作，提取时间短，产量和纯度较高[7-8]。研究以乙醇作为溶剂，咖啡因产率为评价指标，从费次茶叶中提取天然咖啡因，用正交试验法对影响提取率的5 个因素进行讨论，得出较优的提取工艺条件。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与药品

NICOLET-380 傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力公司）；UV-2100 型紫外可见分光光度计（北京北分瑞利分析仪器有限责任公司）；WRS-1B 数字熔点仪（上海精密科学仪器有限公司）；ZNHW 型电热套（巩义市予华仪器有限责任公司）；JK-500 型超声波清洗仪（合肥金尼机械制造有限公司）；SHZ-DⅢ真空循环抽滤泵（巩义市予华仪器有限责任公司）。

费次茶叶，购于黄山茶城；乙醇，生石灰均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

称取5.0 g 的茶叶，以一定浓度的乙醇为提取溶剂，在不同的料（茶叶）液（乙醇）比、超声时间下进行超声处理，再于不同的温度下提取不同时间后，进行减压过滤，向滤液中加入适量双氧水，60 ℃下脱色10 min，蒸发浓缩除去大部分乙醇溶剂，蒸发浓缩液倒入蒸发皿中，加2 g 生石灰粉，在沙浴上加热，把乙醇完全蒸发，在蒸发皿上盖一张刺有许多小孔且孔刺向上的圆形滤纸，取口径合适的玻璃漏斗罩在滤纸上，漏斗颈部塞一小团疏松的棉花，控制沙浴温度在220 ℃左右。当滤纸上出现许多白色毛状结晶时，暂停加热，让其自然冷却至100 ℃左右，小心取下漏斗，揭开滤纸，将滤纸上下两面和器皿周围的咖啡因刮下，收集产品，称重并测定其熔点[2，9]。

1.3 咖啡因产率的计算

咖啡因的粗产率（%）=（咖啡因产量/茶叶质量）×100

咖啡因产量的计算：咖啡因（%）=[（C×L/1 000）×（100/10）×（50/25）×100]/M×m

上式中C/ mg·mL-1表示测得试样的吸光度，从咖啡因标准曲线上计算得咖啡因相应含量；L/ mL 表示试液总体积；M/g 表示试样用量；m/%表示试样干物质含量。

2 结果与讨论

2.1 正交试验影响因素的选择

咖啡因易溶于水和乙醇，所以选择乙醇的浓度作为考察的主要因素之一。料液比、超声时间、浸提温度、浸提时间均会影响咖啡因的提取率，因此把这5 个因素同时作为考察因素，其试验的影响因素和水平见表1。

表1 正交试验因素和水平表Table 1 Factor level of orthogonal experiment

2.2 正交试验结果与讨论

为了提高咖啡因的产量，考察各反应因素对试验的影响情况，进行了5 因素4 水平L16（45）正交试验。其正交试验设计及结果见表2。

表2 L16（45）正交试验及结果Table 2 Results of orthogonal experiment L16（45）

续表2 L16（45）正交试验及结果Continued table 2 Results of orthogonal experiment L16（45）

表2 中的R 为各因素的极差值，即任何一列各水平下指标值的最大值与最小值之差；R 值越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要[10]。由极差分析结果可以看出，以咖啡因的提取产量为考察指标，5 种因素对咖啡因提取产量的影响程度大小顺序依次为：料液比（B）＞超声时间（A）＞浸提温度（C）＞浸提时间（D）＞乙醇浓度（E）；因此茶叶中提取咖啡因的最佳提取条件为：B3A1C3D3E3，即料液比为1∶18，超声时间为5 min，浸提温度为70 ℃，浸提时间为60 min，乙醇的浓度为85%，在此条件下咖啡因的提取率为3.74%。

由表3 方差分析可得出：料液比和超声时间对试验结果影响非常显著；浸提温度、浸提时间和乙醇浓度对试验结果影响不显著。各因素对试验结果的影响显著性次序为：因素B（料液比）＞因素A（超声时间）＞因素C（浸提温度）＞因素D（浸提时间）＞E（乙醇浓度）。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

由极差和方差分析可以得出：料液比对于咖啡因的提取影响最大，其中当料液比为1∶18 时提取效率最高。超声时间对于咖啡因的提取影响次于料液比的影响，且随着超声时间增加，提取效果越好。浸提温度和浸提时间对于咖啡因提取的也有影响，随着浸提温度、浸提时间的增加，咖啡因的提取率逐渐增加。乙醇的浓度对于咖啡因提取的影响较小。

2.3 咖啡因产品分析及验证试验

2.3.1 咖啡因的熔点测试

从费次茶叶中提取咖啡因得到的粗产品颜色为黄色或淡黄色，说明产品中混有其他的杂质，粗产品进一步升华提纯后，得到了白色针状晶体。经显微数字熔点仪检测熔点为233.4 ℃，与文献值相近[9]。这说明粗产品经过升华后得到的是咖啡因纯品，而且粗产品的回收率比较高。

2.3.2 咖啡因的红外光谱分析

纯化后的咖啡因经过KBr 压片法测其红外光谱，测定结果如图1 所示。

图1 咖啡因的红外光谱图Fig.1 IR spectra of caffeine

在3 113 cm-1为-C-H 和N-CH3的弯曲振动吸收峰，2 938 cm-1为饱和-C-H 的伸缩振动吸收峰，1 612 cm-1为＞C=O 的伸缩振动吸收峰，1 472 cm-1为-C-H 和N-CH3的弯曲振动吸收峰，1 307 cm-1为C-N 的伸缩振动吸收峰[1，11]，由此可以说明该提取物为咖啡因。

2.3.3 验证试验

根据正交试验确定的咖啡因的最佳提取条件，按照试验方法操作，经提纯后可得白色针状咖啡因晶体，经测定其纯度为96.2%，提取产率为3.74%，熔点为233.4 ℃。

3 结论

以费次茶叶为原料，利用正交试验法探究了料液比、超声时间、浸提温度、浸提时间、乙醇的浓度对产率的影响。试验结果表明，其最佳条件为：在料液比为1∶18，超声时间为5 min，浸提温度为70 ℃，浸提时间为60 min，乙醇浓度为85%条件下提取咖啡因，得到熔点为233.4 ℃、提取产率为3.74%的白色针状咖啡因晶体。超声波辅助正交试验法提取咖啡因，缩短了咖啡因的提取时间，提高了咖啡因提取效率，得到了纯度好、提取率高的咖啡因产品。

［1］李晓林，鹿海真，张坦东，等.茶叶中提取天然咖啡因的方法改进［J］.山东师范大学学报，2007，22（2）：139-140.

［2］徐凤英，梁英，王亚飞.超声波辅助乙醇提取咖啡因工艺优化［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（2）：85-87.

［3］蓝雪铭，刘志彬，倪莉.乌龙茶保健功效的研究进展［J］.中国食品学报，2014，14（2）：202-207.

［4］魏金芳，张相平.茶叶中咖啡因的提取研究［J］.唐山师范学院学报，2011，33（2）：18-20.

［5］赵卫星，姜红波，冯国栋.茶叶中咖啡因的提取研究进展［J］.化学与生物工程，2010，27（9）：17-20.

［6］张勇，马可望，张少敏，等.五种从茶叶中提取咖啡因的方法比较研究［J］.湖北师范学院学报，2012，32（4）：24-26.

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［8］冯若，李化茂.超声化学及其应用［M］.合肥：安徽科技出版社，1992.

［9］兰州大学.有机化学实验［M］.2版.北京：高等教育出版社，1994.

［10］李玉贤，张佳乐，刘金浩.正交试验法优化咖啡因提取实验工艺研究［J］.实验室科学，2011，14（2）：105-107.

［11］江蓉，王艳芳，殷丽娟.不同茶叶中咖啡因的提取及其测定［J］.黄山学院学报，2011，13（3）：32-35.