茶叶中咖啡因提取及检测设计性实验教学初探

祝泽周，胡 云，孙 菲

（安徽工程大学化学与环境工程学院，安徽芜湖 241000）

唐代陆羽在《茶经》中指出：“茶之为饮，发乎神农氏，闻于鲁周公”。《神农本草经》中有记载：“神农尝百草，日遇七十二毒，得解之”，反映出在我国古代就发现茶能够治病的起源，并且中国的茶文化博大精深，源远流长。在后来的研究发现中，表明茶中具有多种保健功能主要来源于咖啡因（咖啡碱）的作用。咖啡因，白色针状结晶，属于甲基黄嘌呤的生物碱，化学式为C8H10N4O2，化学名为1,3,7-三甲基-1，6-二氧嘌呤（也称为1,3,7-三甲基黄嘌呤），味苦，能够溶于水、乙醇、氯仿、苯等溶剂中，在植物中常与有机酸、丹宁等结合以盐的形式存在[1]。

实验教学是实施“卓越工程师培养计划”、实现素质教育和创新人才培养目标的重要环节，用于加强学生实践能力和创新能力培养[2]。按照新一轮科技革命和产业变革的战略行动目标要求，为加快培养新兴领域工程科技人才，着眼布局未来战略重要领域人才培养，教育部探索建立“新工科”规划建设。“新工科”是“卓越工程师教育培养计划”2.0的核心内容和主要抓手，是新时代工程教育改革的新方向。为进一步落实“学生中心、产出导向、持续改进”理念，基于我校化学工程与工艺、环境工程、生物工程、食品工程等工科类专业的学生学情分析，为加强学生在实践课程中举一反三、发散性思维养成，提高学生善于发现问题、敢于提出问题以及乐于解决问题的能力。同时为顺应新时代发展要求，为未来新兴产业和新经济培养实践能力强、创新能力强、综合素质高的复合型新工科人才。在基础实验开展的同时融入综合性设计性实验，创新实验的开设更能检测学生的实践能力和科学素养，为今后理论和实践课程学习奠定基础，提升应用型人才培养质量，实现新时代高质量创新型人才培养目标。

1 设计性实验探讨

在传统实践教学模式大多开展验证型、演示型实验内容，老师讲解，学生按照实验教材中目的、原理、步骤等完成操作，教师和学生都能相对较容易完成教学、学习的任务。但是对于学生来说其中少了独立思考的锻炼，教师在实验教学过程中水平也不能得到很好的提高。为更好实现学生在培养过程中实践能力全方位锻炼，提高学生动手能力、独立思考能力、团队协作能力以及分析解决问题能力，培养学生树立实事求是的科学精神和勇于开拓的创新意识，尝试开设设计性综合型实验课程[3]。同时，设计性实验对于指导教师的整体素质也有一定程度的要求，教师必须及时更新完善教学内容，促使教学内容具备时效性。比如针对新能源、新材料及“双碳”目标等新兴领域的研究内容和方法，教师在开展前沿科研项目的同时可利用科研反哺教学，不断对实验教学活动进行改革和创新，促使学生能够了解最新的前沿研动态和研究热点，激发学生的探究兴趣，增加专业认知度和行业领域自信心。

基于我校化学工程与工艺等工科学生学情，遵循培养计划，实验模块按照由浅入深的原则，由易到难的次序，通常在第一学期/第二学期进行无机化学实验/无机及分析化学实验，在此基础之上第三学期/第四学期开始有机化学实验。我校有机化学实验教学内容中涉及茶叶中咖啡因的提取，在实验中所用原料茶叶来源于日常生活中能够激发兴趣、拓展思维，同时可以融入课程思政元素，中国茶文化博大精深，弘扬民族自信和文化自信。因而，尝试开展从天然产物茶叶中咖啡因提取及检测的设计性实验[4]。设计性实验的开设改变传统以“老师讲-学生做”为主的灌输式教学，形成新的“学生查阅-学生动手”实践模式。让学生成为教学的主体，让其乐于学习、善于思考、勤于动手、敢于质疑，联系课堂内外，理论和实践结合，充分发挥教师主导与学生主体的教学形式。从而进一步加强锻炼学生查阅资料、观察分析、团队协作、操作技能等方面能力，进而提升学生的综合实践能力，以满足工科院校培养应用型人才的特点。设计性实验的实施有助于调动学生学习的主动性、积极性和创造性，为新时代创新人才的培养提供有效支撑[5-6]。

2 天然产物茶叶中提取咖啡因

设计性实验茶叶中咖啡因提取及检测，指导老师布置任务、学生分组、分工明确。①如做实验前，需要提前查找相关文献资料，查找实验有几种方法、都用到什么试剂、哪些仪器等。小组分工合作讨论对比各种实验方法的优点与不足，结合目前实验室现有条件，哪一种实验方法容易开展，最终确定实验实施方案。实验方案确定后，拟写预习实验内容，包括实验目的、原理、仪器、试剂、实验装置、步骤、实验注意事项及可能发生的实验事故（“知己知彼”）；②实验中，要及时观察实验过程，准确记录实验现象，善于观察、勤于思考，专心致志地做实验，养成良好的实验习惯（“有的放矢”）；③实验后写实验报告，实验报告是对实验内容的过程分析、现象讨论及总结反思，端正严谨科学态度、实事求是精神的重要途径，并且报告的呈现将直接反映出学生的学习态度和实验水平（“精益求精”）。

天然产物茶叶中提取咖啡因设计性实验，首先需要理清实验思路，茶叶萃取-固液分离-品质检测；其次明确实验中茶叶提取咖啡因主要原理，基于前期对于有机物化合物的分离和提纯的理论知识和实验操作，涉及有机化学实验中常用的萃取，需要理解萃取过程的基本原理，包括液-液萃取和固-液萃取的基本操作，并且要能够掌握其在有机物研究中的应用。如在实验中采用索氏提取法，了解索氏提取器（脂肪提取器）的基本结构、作用原理，强调索氏提取器的使用操作和注意事项。索氏提取器由提取瓶、提取管和冷凝器组成，使用过程中三种仪器各部分磨口处紧密连接，利用溶剂的回流和虹吸原理，使固体物质反复、多次被纯的热溶剂所萃取。脂肪提取器的使用可以大大减少溶剂的用量，以及可缩短提取时间，从而提高萃取效率。具体实验步骤过程根据实际操作，可参考如下实验流程图（图1）。实验按照“回流虹吸—蒸馏浓缩—加热焙烧—凝华析出—品质检验”的总体思路进行，时刻注意观察实验现象，及时调整步骤，做出高效率、高纯度的咖啡因样品。

图1 茶叶中咖啡因的提取及检测实验思路流程图

3 产品检测可视化

关于提取物质咖啡因的品质检测，以往实验教学过程检测部开展较少，为了充分了解提取物的性质结构，使其能够达到实验室可视化鉴别，让学生查阅图书、文献资料给出实验方法。结合实验室现有条件，学生可选择以下检测和鉴定方式，让学生真切体验感知产品的理化性质。

1）熔点测定。联系前期实验中关于“粗苯甲酸的提取及熔点测定实验”，借助熔点仪设备测定熔点，根据测试熔点来判断化合物（咖啡因的熔点：235 ～238 ℃）。通过熔点测试再次加深学生对于熔点仪的使用及制样测试中的注意事项等方面印象。（“温故知新”）

2）红外分析。借助于红外光谱表征，将收集的晶体样品与干燥的溴化钾压片制样进行红外光谱测试。结合相应的转动峰、振动峰，分析其中多种基团信息，从而推断化合物结构，并与文献图书资料对比探讨。结构与性质息息相关，通过对咖啡因的红外光谱分子结构分析，可以对其化学性质进行了解和研究。在样品进行红外光谱测试中，促使学生掌握红外测试的原理、方法及操作，加深课本上光谱章节理论知识点红外光谱在实践中延伸应用（“学以致用”）。

3）显色反应鉴定。取少量物质样品于蒸发皿中，加入10滴2 mol/L 的盐酸，再加入少量的氯酸钾，在加热套下加热蒸干，冷却后向其中剩余“残渣”滴加数滴氨水，“残渣”变为紫色即生成四甲基紫脲酸铵，之后再滴加氢氧化钠溶液时紫色消失，可以判断此物质为咖啡因（“冰消瓦解”）。其中利用到紫脲酸铵反应，是黄嘌呤类生物碱的特色鉴别反应。

4）颜色沉淀判断。取少量样品于试管中，向其加入1 mL 的5% H2SO4溶液，震荡溶解。取0.5 mL 溶解液滴加3-5滴碘化铋钾溶液，若将有橘黄色沉淀生成，则说明有咖啡因的存在（“滴水成冰”）。碘化铋钾作为强氧化剂，可以与生物碱中含有的氮杂环化合物发生氧化还原反应，其中碘离子被还原为碘化物离子，同时生物碱中的含氮杂环化合物被氧化成相应的氮氧化物。通过反应产生的沉淀物不同颜色来检测生物碱。

5）沉淀反应鉴别。将化合物的饱和水溶液中滴加碘试液和稀盐酸，则会出现红棕色沉淀，接着再倒入过量的氢氧化钠溶液，沉淀发生溶解，那么可以判定化合物为咖啡因（“过眼云烟”）。具体相关方程式如下：

结合简单的仪器表征、反应测试，根据显色、沉淀鉴定和结构表征结果，“眼见为实”让学生们真真切切地体会到实验提取物的存在状态、结构形式及性质。以直观呈现的方式帮助学生理解抽象微观的理论知识，树立可视化实验教学与传统教学活动相结合的新时代教育特色[7]。

实验结束后进行实验报告书写，按照设计性实验的思路，从实验名称、目的、原理、试剂与仪器、步骤、实验过程与现象、分析讨论与解释、结论及实验反思等内容逐条书写。实验报告的呈现将直接反映出学生在实验前期准备、实验过程中观察、实验后总结的动手能力、分析解决问题能力及学习态度情况。实验报告的准确性、规范性撰写也将为后续专业实践课程报告、毕业设计论文以及将来科研论文打下坚实基础，并且有助于今后职业发展积累。

4 结语

通过“实验前—实验中—实验后”连贯操作执行，紧密衔接的过程，整体思维让学生们完整的参与实验开始前的准备、资料文献查阅，实验过程中观察、讨论，小组团队协作、实验产物的分析及结束后实验报告的整理撰写等，从而达到综合型设计性实验的教学目的。设计性实验融入实践教学过程中让学生学有所想、学有所用、学有所得，使学生由被动学习转变为自主探究，进一步加深由教科书里面的理性认识充分得到真真切切的可视化感官体验，达到“知识—能力—素质”的教育目标，同时也为加强贯彻落实“学生中心、产出导向、持续改进”理念，推进实验教学的高质量发展。此类设计性综合实验，通过增加实验的趣味性，拓展学生的探究性思维，锻炼个人实践能力，逐步养成严谨治学的实验思维习惯和创新能力意识，为今后学生的科学实验、毕业设计做出铺垫，更加有助于落实“新工科”创新型应用人才的培养目标实现。