茶叶中咖啡因的提取工艺研究进展

王文权 胥鑫萌 张雨佳

(陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西汉中，723000)

饮品中能缓解疲劳、使人兴奋的主要成分为所含的咖啡因。咖啡因是一种主要存在于茶叶、可可豆和咖啡果中的黄嘌呤生物碱，分子式：C8H10N4O2，化学名：三甲基黄嘌呤，又名咖啡碱、甲基可可碱、马黛因和茶毒等。纯的咖啡因是一种白色、强烈苦味的粉状物。随着对咖啡因的深入了解与研究，发现咖啡因摄入量的不同对人体的影响也会不同[1]：适宜的量对人体具有一定的积极作用，但若摄入量过多，会对人体产生较大的负面影响。

研究表明，适量的咖啡因具有缓解疲劳、改善微血管性能[2]、抗氧化[3]、镇痛作用、提高记忆力[4]、抗抑郁[5]和抑制癌症[6]等作用。基于以上积极作用，使得咖啡因在饮料、医药等领域具有广泛的应用。咖啡因主要源于茶叶、咖啡豆等，对于茶叶而言，我国是一个茶叶大国，咖啡因主要从茶叶中提取，但提取率低是目前的主要问题。高效率、高纯度提取是我们所期望的，所以研究茶叶中咖啡因提取工艺，合理分析提取工艺的原理、优缺点，对其提取方法的改进具有一定的促进作用。本文分析了目前咖啡因相关提取方法，讨论了各种方法的优缺点，旨在为后来咖啡因的提取提供借鉴。

1 提取工艺

1.1 溶剂提取法

溶剂提取法是一种传统的提取天然产物方法，根据提取目标在各种溶剂中溶解性的差异，选用对提取目标溶解度大、对非提取目标溶解度小的溶剂，从而将目标产物溶解出来的方法。研究表明，咖啡因能溶于水、二氯甲烷、氯仿、乙醇和丙酮等多种溶剂[7]。综合考虑性价比、危害等因素，其中乙醇在提取中最为常用。

吴睿韬等[8]采用溶剂浸提茶叶中咖啡因，在提取过程中，分别采用二氯甲烷和乙醇作为提取溶剂，结果表明，乙醇在咖啡因提取率方面明显高于二氯甲烷，约为二氯甲烷的2.6倍，所以对咖啡因而言，乙醇是一种良好的提取溶剂。闫洪军等[9]采用溶剂热水与有机溶剂提取茶叶中咖啡因，表明有机溶剂对咖啡因的提取率远高于热水，且条件简单方便。在95%的乙醇100 mL，提取时间2 h条件下，咖啡因的收率最高，可达 1.546 %。

溶剂提取法是最为常用的，也是较为便利的一种提取方法，溶剂提取法要点在于对提取溶剂的选择，选择时要具有针对性，选用对咖啡因溶解度大而对其他物质溶解度小或难溶的溶剂。由于提取溶剂为有机溶剂、氯仿、二氯甲烷和丙酮等，对环境有污染且对研究人员健康具有一定的危害。有机溶剂易挥发，在提取时，应当合理设置其提取温度，防止有机溶剂的挥发和不能达到有效提取。

1.2 超声波辅助法

超声波辅助法，利用超声波的搅拌和空化作用，在提取过程中，对植物细胞壁具有一定的破坏作用，加速植物细胞中细胞液的流出，增大了与提取溶剂的接触面积，加快传质速率，从而达到高效提取的目的，此法提取时间更短，提取温度低，对热稳定性差、易水解或易被氧化的物质具有一定程度的保护，同时可以节省能耗,提取液中杂质少，提取物容易分离纯化。

刘华戎[10]以超声波辅助离心萃取的方法提取茶叶中咖啡因，结果表明，超声时间对咖啡因提取率影响最大，说明超声辅助对于咖啡因提取具有一定的帮助。超声时间15.0 min，CHCl3用量为 5.0 mL，离心萃取速率2500 r/min，离心萃取时间15.0 min，咖啡因提取率最大，可达43.55mg/2g；贾育秀等[11]采用超声波辅助法对凌云白毫茶中咖啡因进行提取，通过对乙醇浓度、超声时间、超声功率和液固比四个因素考察，结果表明，在影响程度方面，乙醇浓度>超声功率>液固比>超声时间。其中随着超声功率的增加，咖啡因提取率先升高再降低，可能由于超声波较大，导致了部分咖啡因的流失与破坏。

对超声波辅助法而言，其利用物理辅助的方法，加快了提取速率，提高了提取效率，减少了提取过程中有机溶剂的使用，对环境与提取人员都是一种保护。因其提取杂质少，在一定程度上减少了后期提取物的分离纯化的工作量，是一种较为常用的提取技术。

1.3 离子液体提取法

对于茶叶中咖啡因的提取而言，往往采取传统的有机溶剂提取，或采取其他物理方法辅助提取，以上提取方法不可避免都会用到有机溶剂，有机溶剂往往沸点较低、易燃、易爆、易挥发，在使用过程中缺乏安全性，随着对绿色化学的追求，更希望在提取过程中用一种新型溶剂来弥补更替传统溶剂。而离子液体作为一种新型绿色溶剂，具有饱和蒸汽压极小、挥发性极低、无污染、可循环等特点，其对有机物质都表现出良好的溶解能力，是一种极好的提取溶剂，近些年在天然产物提取中应用越来越多。

在目前的研究中，离子液体在茶叶咖啡因的提取中应用鲜见。于海南[12]合成了[HMIM]PF6和[BMIM]PF6两种离子液体，用作提取溶剂，并分析其对咖啡因的提取机理，结果表明，在提取过程中，离子液体[HMIM]PF6和[BMIM]PF6中氟原子与咖啡因形成氢键，并且氢键作用越强，对咖啡因的提取效果越好。黄飞等[13]用合成离子液体[HSO3-pmim]+[HSO4]-来提取茶叶中咖啡因，通过单因素实验分析，当料液比为 1∶25，提取温度95℃，提取时间180min，离子液体浓度80%，咖啡因产量最高可达108.6 mg。

离子液体具有无污染、溶解性好、极低的挥发性等优势，对茶叶中咖啡因具有较高提取效率，是一种环境友好型的提取溶剂，但在目前的提取过程中还是应用较少，一方面，由于离子液体溶解性好、蒸气压低，提取中可能会溶解其他杂质，会给后期的分离、纯化带来较大的工作量；另一方面，离子液体价格昂贵，对大规模的提取不适用。基于以上两个方面因素，限制了其在茶叶咖啡因提取方面的应用。

1.4 微波辅助法

微波辅助法是一种物理辅助法，将被提取物置于微波快速反应系统中，采用一定频率的微波对原料进行一定时间的处理，在微波能的作用下，加快了有效活性成分的流出，微波在辅助时，对于原料提取液具有一定的加热作用，减少了提取时间，大大提高了提取效率。

刘畅等[14]采用微波辅助法提取茶叶中咖啡因，结果表明，微波功率240W，微波时间4min，提取温度85℃，料液比1：20g/ml 时，咖啡因提取率最大，可达2.35%。刘亚红[15]对茶叶中咖啡因提取进行研究，通过对比微波辅助提取、索氏提取、回流萃取，综合考虑提取率、操作时间、操作难度，表明微波辅助法提取咖啡因的效果明显高于后两种方法，用微波辅助法提取，当乙醇溶液浓度70%、料液比为1:8、微波加热时间4 min、微波功率为280W,咖啡因的提取量达到最大。

微波辅助法相比于有机溶剂提取而言，在提取过程中，微波辅助法所用有机溶剂少、提取时间短、操作简单、提取效率高，对反应具有一定的加热效果。针对于微波辅助对反应的加热来说，一方面，微波辅助法减少了提取过程中的能耗；另一方面，微波辅助法在加热时温度升高较快，所以在提取时，要对温度严格控制，防止对提取物活性产生影响。

2 饮料中咖啡因的检测方法

随着生活质量的提升，饮品已成为生活中不可缺少的东西，饮品的种类、样式众多，例如：茶饮品、咖啡、碳酸饮料和功能型饮料等，以上饮品中都含有咖啡因，功能性饮品成分复杂，就咖啡因而言，与其他饮品相比较，含量相对较多，而过量的咖啡因会对人机体造成不良影响。例如：导致睡眠时间减少、引起头痛、对咖啡因上瘾等[16]，所以对饮品中咖啡因含量检测及控制具有重要意义。

目前的检测技术主要有分光光度法、高效液相色谱法、毛细管电泳法和联合测定法[17]。罗少伟[18]用高效液相色谱法测定饮料中咖啡因含量，结果表明，此法操作快捷，具有较高的精密度与灵敏度，在饮料中咖啡因含量的测定中具有良好的应用价值。张薇[19]采用紫外分光光度法，对可乐中咖啡因进行测定，结果表明此法具有检出限低、灵敏度高、回收率好等优点。衷明华等[20]采用毛细管区带电泳法测定茶叶中咖啡因，结果表明，在8min内可将咖啡因分离，检测限为0.001—0.01μg/mL，是一种稳定、高效快速的检测方法。陈超等[21]采用一种联合测定方法HPLC-DAD-CAD法，对功能性饮料中咖啡因测定，结果表明，此法检测快速、简便、灵敏高，对咖啡因检出含量最低可达3.5 ng。

以上方法都具有检测速度快、精确度高、检测限度低和灵敏度高等优点。由于功能性饮料中添加剂种类多，牛磺酸、咖啡因等剂量较大，高效的检测方法不仅为人们如何选择安全的饮料提供了借鉴，也为饮料制备过程中咖啡因含量的合理控制提供了便利。

3 结语

本文对茶叶中咖啡因的提取方法进行了分析讨论。溶剂提取法中由于大部分有机溶剂都具有沸点低、蒸气压高、易挥发和有毒等特点，所以对于溶剂的合理选择显得十分重要，溶剂对所提取物要有较高的专一性，否则会降低提取物的收率与纯度；所选的溶剂要对环境污染小或者无污染，对操作人员的危害小；离子液体提取法与溶剂提取法相比，克服了污染大、易挥发等缺点，且离子液体的溶解性好，提取效率高。但离子液体在后期的回收利用方面存在一定的缺陷，且离子液体价格昂贵，在一定范围内限制了其应用；超声波与微波辅助提取法都采用了额外的物理辅助手段，对植物细胞壁有一定的破环作用，缩短了提取时间，二者在提取温度方面有所差异，前者在提取时提取温度低，对热敏性物质提取较为实用；后者在提取过程中，由于微波导致温度快速上升，可能会影响提取物活性，导致提取物的流失。在未来的提取过程中，更多的是将以上两种或多种方法结合起来，优势互补，以实现更高效的提取，例如,超声波-离子液体、微波-离子液体、超声波-微波辅助离子液体提取等方法。