从茶叶中提取咖啡因试验方法及改进

从茶叶中提取咖啡因试验方法及改进作者：沈晓静张帮磊杨豪男盛军王宣军字成庭来源：《安徽农业科学》2019年第23期摘要;为了克服传统方法从茶叶中提取咖啡因步骤繁琐、耗时长、过程难控制等缺点，从时间、试剂、产量和环保等因素综合考虑，得出咖啡因的提取条件为采用溶剂萃取法，原料为云南大叶种茶叶10 g，水80 mL，提取时间2 h，乙酸乙酯萃取后吸附、结晶得到白色咖啡因晶体，提取率为0.66%。

关键词;茶叶;咖啡因;提取;改进中图分类号;TS;272文献标识码;A文章编号;0517-6611（2019）23-0180-03doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.052开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Experimental Method and Improvement of Extracting Caffeine from Tea LeavesSHEN Xiao;jing1， ZHANG Bang;lei1，2， YANG Hao;nan1，2 et al（1. College of Science， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan650201; 2. Key Laboratory of Puer Tea， Ministry of Education， Yunnan Agricultural University，Kunming， Yunnan650201）Abstract;In order to overcome the shortcomings of traditional methods in extracting caffeine from tea leaves， such as cumbersome steps， long time;consuming and difficult to control the process， the extraction conditions of caffeine were obtained. Based on the comprehensive consideration of time， reagent， yield and environmental protection， the extraction conditions of caffeine were obtained as follows： using solvent extraction method， the raw material of Yunnan large;leaf tea was 10 g， 80 mL water， and the extraction time 2 h， then， ethyl acetate extraction， impurity was removed and white caffeine crystals were obtained by adsorption and crystallization and the extraction rate was 0.66%.Key words;Tea leaves;Caffeine;Extraction;Improvement咖啡因（caffeine）是茶葉的一类重要的生物碱类化合物，其含量为茶叶的2%～4%。

咖啡因化学名为1，3，3-三甲基-2，6-氧嘌呤，分子式为C8H10O2N4，相对分子质量为212.21，熔点为235～238 ℃，为白色结晶粉末，味苦、无臭，易溶于乙醚、氯仿、二氯甲烷，能溶于乙醇、丙酮、乙酸乙酯等溶剂中[1]。

研究表明，咖啡因作为黄嘌呤的衍生物，具有刺激人体中枢神经系统兴奋、加强肌肉收缩、抗氧化、抗衰老等作用，广泛用于医药、食品、化妆品等领域[2-3]。

从茶叶中提取天然咖啡因受到国内外学者的广泛关注，相继开发出很多工艺。

根据文献报道，目前的主要方法有水提法、醇提法、升华法、有机溶剂萃取法、超声波振荡提取法、结晶法、吸附剂和洗脱剂提取法和超临界二氧化碳提取法[4-8]。

但是，传统的咖啡因提取方法存在很多不足，如试验操作步骤过于繁琐、耗时长、升华过程难以控制等，导致试验成功率较低、试验效果不太理想[9]。

该研究基于天然咖啡因的提取原理，采用环境友好溶剂非索氏提取直接升华法从茶叶中提取咖啡因，通过提取、过滤、除杂、萃取、浓缩和结晶等步骤探索简单、安全、节能和环保的最佳提取工艺。

1;材料与方法1.1;材料与仪器1.1.1材料。

云南大叶种茶叶，250 mL圆底烧瓶，球形冷凝管、滴管、玻璃棒、100 mL量筒、石棉网、温度计、蒸发皿、玻璃棒、蒸馏水、95%乙醇、沸石、石灰粉、乙酸乙酯、无水硫酸钠。

1.1.2;仪器。

高速中药粉碎机、密闭加热电炉、电热套、恒温加热磁力搅拌器、分析天平、减压蒸馏装置、高效液相色谱（Agilent 1260）、数字显微熔点测定仪（X-4）。

1.2;方法1.2.1;传统试验方法（方法1）[10]。

将10 g茶叶碾碎后放入索氏提取器的滤纸筒内，在提取器的烧瓶中加入80 mL浓度为95%乙醇和几粒沸石，用电热套加热并连续提取2 h。

待冷凝液虹吸下去后停止加热并冷却到室温[11]。

冷却后，将提取液浓缩至10～15 mL的墨绿色浓缩液为止。

将残液趁热倒入蒸发皿中，加入7～8 g生石灰粉，用密闭电炉缓慢加热，并用玻璃棒不断搅拌，控制温度不超过100 ℃将其焙炒干，研细成颗粒状。

将蒸发皿移到石棉网上放到电炉上加热，将一张刺有许多分布均匀小孔的圆滤纸盖在蒸发皿上，再罩上一只干燥的玻璃漏斗，漏斗颈部塞少许棉花，缓慢加热，使咖啡因升华。

当滤纸上出现针状结晶时，调节电炉温度使升华速度尽可能减慢，以提高咖啡因纯度和收率。

当玻璃漏斗出现棕色烟雾时，表示升华完毕，停止加热。

待温度冷却至100 ℃以下后揭开漏斗和滤纸，收集滤纸上及漏斗内壁的咖啡因，称重，计算咖啡因产率[12-13]。

1.2.2;改进试验方法（方法2）。

将10 g茶叶碾碎后，放入250 mL的圆底烧瓶中，加入80 mL水和几粒沸石，用电热套加热并回流提取2 h，稍冷后用纱布过滤得到提取液。

在所得的滤液中加入5～6 g活性炭，再加热煮沸5 min，稍冷却后抽滤得到滤液。

将滤液转入分液漏斗中，分别用15 mL乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤，蒸馏回收乙酸乙酯。

所得到的粗产品用95%乙醇加热溶解，将溶解液冰浴冷却结晶，抽滤，得到白色晶体，干燥称重，计算咖啡因产率。

1.3;试验流程图;试验流程见图1。

1.4;薄层色谱层析试验分别取1 mg/mL的6份样品和咖啡因标准品，用毛细管点样于10 cm×20 cm的薄层色谱（TLC）薄层板上，点样动作必须缓慢，每点一滴，需用吹风机吹干后方可再点样，使得点样面积控制在3～4 mm内;将预先配好的展开剂（二氯甲烷∶甲醇=15∶1）倒入层析槽中，然后盖上玻璃盖，让其层析、展开;将层析后的TLC板取出，吹干后用波长为254 nm的紫外灯显色。

1.5;高效液相色谱检测条件分别取1 mg/mL的6份样品和咖啡因标准品用甲醇溶解后置于高效液相瓶中，色谱条件：Agilent ZORBAX SB C18色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）;流动相A（甲醇）-B（水）梯度洗脱（0～10 min，90%A—50%A，10～20 min，50%A—30%A，20～30 min，30%A—10%A）;流速1 mL/min;柱温25 ℃;进样量5 μL;检测波长254 nm。

2;结果与分析2.1;试验结果分析由传统方法和改进方法得到咖啡因纯品的试验结果见表1。

由表1可知，采用改进后试验方法（方法2）的咖啡因平均提取率为0.66%，传统试验方法（方法1）的咖啡因平均提取率为0.26%，方法2的平均提取率大于方法1的平均提取率，由此得出煮沸回流提取更有利于咖啡因的溶出，可以在一定程度上提高咖啡因的提取率。

2.2;试验过程分析传统的试验方法（方法1）涉及液固萃取、蒸馏和升华3个主要的操作步骤[14]。

液固萃取装置为索氏提取器：其虹吸管容易折断或堵塞，试验的成功率较低;同时，提取时间过长和效率较低。

蒸馏采用经典常压蒸馏装置来实现。

升华过程由加碱焙干、加热和冷却步骤组成，在焙炒的过程中，需要除水分延长反应的时间，且需要控制好温度，以防止咖啡因被蒸出。

改进的试验方法（方法2）分为提取、过滤、除杂、萃取、浓缩和结晶几个步骤。

方法2中用回流装置代替索氏提取节约了仪器的成本，且在一定程度上提高了咖啡因的提取率，方法2相对方法1使用水为提取剂节约了成本，方法2中使用的萃取剂为乙酸乙酯，试验安全性高。

2.3;薄层色谱（TLC）检测对比分析将得到的咖啡因样品与标准品在10 cm×20 cm的薄层色谱（TLC）薄层板上，用毛细管点样，每块板上点6个样品（1～6）和标准品，用展开剂展开后再用波长为254 nm的紫外灯显色，得到薄层色谱检测分析结果。

从图2可以看出，Rf标准品=Rf样品（1～6）=0.8，结果表明制取所得的咖啡因样品与标准品一致。

2.4;高效液相色谱（HPLC）分析将通过2种方法得到的咖啡因样品与标准品用高效液相色谱对比分析，从图3可以看出，咖啡因标准品（S1）与所制取咖啡因（S2～S7）的保留时间为10.94～11.00 min，对比制备所得到咖啡因样品在此区域产生强烈吸收峰，可确定提取的产品即是咖啡因。

所得的色谱峰对称性好，并通过比较峰面积可得产品的纯度为98%以上。

2.5;样品熔点测定分析将制备得到的咖啡因样品经数字显示显微熔点测定仪检测其熔点，并与咖啡因标准品对照，结果如表2所示。

制取样品熔点与咖啡因标准品熔点相差0～2 ℃，表明制取的咖啡因样品符合GB14758—2010《食品安全国家标准食品添加剂咖啡因》，说明该研究提取的咖啡因为合格产品。

3;结语综合以上试验分析，该研究中改进的咖啡因提取方法以水作为提取剂回流提取不仅缩短了提取时间，还更安全，并提高了咖啡因的提取率;在提取液中加入活性炭进一步吸附杂质，可以提高咖啡因的纯度，浓缩后用乙酸乙酯萃取得到咖啡因粗品，避免了升华法制取咖啡耗时长、成功率低等不足;用乙酸乙酯代替二氯甲烷、氯仿等有毒萃取剂，可避免对实验人员的健康造成伤害;最终所得的咖啡因提取率为0.66%。

该方法减少了传统溶剂提取法中的索氏提取器抽提工序和蒸馏工序，且不需使用大量有机溶剂，具有工艺简单、安全性能好、容易操作、节能环保等特点。

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