从茶叶中提取咖啡因的工艺优化研究

从茶叶中提取咖啡因的工艺优化研究
【摘要】咖啡因是茶叶中重要的生物活性物质之一。

通过正交实验法原理，从提取剂浓度、提取时间、沉淀剂种类、料液比四个方面对咖啡因索式提取法进行了影响因素的探究，优化出最佳提取工艺路线。

正交实验结果表明：乙醇浓度为95%、提取时间2h、料液比1：10、沉淀剂为自制的质量比1：1NaAc+CaO 为最佳工艺条件该方法提取的咖啡因经过熔点、液相色谱检测，纯度达到了分析纯水平。

【关键词】咖啡因；正交实验；索式提取；工艺优化
引言
咖啡因是茶叶中含量最多的生物碱，其含量约为茶叶干重的1%～5%，其化学名称为1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤。

咖啡因具有兴奋中枢神经，消除疲劳、强心利尿、解毒平喘、抗氧化抗衰老、降血糖血脂血压等药理生理活性，故可在医药化工领域有广阔的应用前景。

我国茶叶资源丰富，据统计在2012年我国茶叶产量居世界第二位[1]，但利用率却极低，中低档茶叶存在着大量滞销的现象，在广大农村茶区，粗老茶甚至弃之不采。

据报道中低档茶中咖啡因等有效成分含量并不比高档茶低，甚至高出高档茶。

随着咖啡碱应用领域的不断拓展，国内外市场需求日益扩大。

因此，从中低档茶叶中提取回收天然咖啡因对于改变中低档茶滞销局面、节约资源和创造巨大经济效益具有重要意义。

因此茶叶中咖啡因提取工艺的研究也成为当今的研究热点，但大多集中在茶叶提取液中咖啡因含量的检测及提取装置的改进方面[2-4]，对于纯品的制备研究不多。

目前从茶叶中提取咖啡因的主要方法有：溶剂浸提法、索氏提取法、超声波萃取法、微波萃取法及超临界萃取法等。

其中微波萃取法及超临界萃取法仪器设备昂贵，不便广泛应用；溶剂浸提法好时长，效率较低；本实验采用索氏提取法对茶叶中咖啡因进行提取，通过正交实验优化提取工艺，以期为从茶叶中高效提取咖啡因工艺提供可行性途径。

1.材料与方法
1.1 实验仪器与试剂
索氏提取器；电子分析天平；电加热套；数显熔点仪；高效液相色谱仪。

无水乙醇（分析纯）；无水醋酸钠；生石灰；自制复合中和沉淀剂NaAc+CaO 按质量比1：1混合；甲醇（优级纯）。

粗老绿茶（产自河南信阳）
1.2 咖啡因提取方法
1.2.1 索氏提取器法
称取10.00 g 研细的粗老绿茶放入索氏提取器的滤纸筒内，装上回流冷凝管，在提取器下端的平底烧瓶中放入2～3粒沸石，按正交试验要求加入提取剂，水浴加热，连续回流到达设计好的时间后，停止加热，改装成蒸馏装置，回收乙醇。

浓缩液趁热倒入蒸发皿中，加入4g中和沉淀剂，在蒸气浴上蒸干，加热升华两次，合并收集产品，称量。

1.2 正交试验方法
准确称取干茶叶10.00 g，根据索氏提取的主要影响因素，选择了提取液浓度、提取时间、沉淀剂种类、料液比为考察因素，提取率为指标，进行四因素三水平的正交实验，采用正交表L9（34）进一步优化，以便得到最佳提取条件。

各因素水平见表1。

1.3 咖啡因纯度测定方法
所得咖啡因用数显熔点测定仪测定熔点；用高效液相色谱测定，谱图与标准样品对照，评定其品质。

2.实验结果与讨论
2.1 正交试验结果及分析
正交试验的结果表明：在不同的提取工艺条件下，咖啡因产率差别很大。

在实验条件下，咖啡因最大得率为127.0mg，最小值为56.6 mg.。

通过极差分析（极差分析又称直观分析，即用各因素各水平均收率的极差R来反映各因素的水平变动时对实验结果的影响大小。

即：极差=平均收率的最大值-平均收率的最小值），极差越大，说明该因素对实验指标的影响越大，该因素也就越重要。

）可以看出：以提取产量为考察指标，4种因素对咖啡因提取产量的影响程度依次为：乙醇浓度（A）>料液比（D）>提取时间（B）>沉淀剂种类（C）。

同时，可以得到正交实验范围内的最优组合为A3B1C3D2，在该提取条件下，得到127.0mg 咖啡因。

从实验操作过程来看，当乙醇体积分数为95%时，索氏抽提中溶剂回流速度较快，沸腾平稳，而低浓度的乙醇（尤其是60%），回流慢，在浓缩时，产生大量的气泡且极易产生爆沸，不易操作，升华过程中极不易蒸干，温度不易控制，产品易污染；从实验数据分析，虽然本实验采用的中和沉淀剂无水醋酸钠较优于传统的氧化钙，但在升华前无水醋酸钠伴过的样品浓缩液极不易蒸干，会凝成粘性固体团，给干燥带来巨大困难，而自制的2gCaO+2gNaAc混合沉淀剂既有传统的CaO具有的易干燥的特点，同时又能提高产量，效果较佳；在升华装置的制作上，本实验采用了双层滤纸法，下层小滤纸孔刺朝上，上层大滤纸孔刺朝下，在上层大滤纸上盖上玻璃漏斗，有效防止了产品回落。

2.2 咖啡因纯度测定分析
该方法提取的咖啡因均为纯白色，有丝光的针状结晶。

产品经四分法取样后，用数显熔点仪测定其熔点为235.7～236.5℃，符合中国药典标准（235～238℃）。

经高效液相色谱鉴定（以甲醇为溶剂，流动相为甲醇），提取咖啡因样品保留时间为1.97，与标准样品（保留时间为1.98）非常接近。

其谱图与标准样品保留时间及吸收峰一致，样品纯度达到分析纯水平。

3.结论
综上数据分析及实验操作的可行性双重因素考虑，提取剂的浓度对提取率的影响最大，95%乙醇提取咖啡因的得率最高。

其次料液比，当茶叶质量（g）与乙醇溶液体积（mL）之比为1：10时，提取效率最高；提取时间的影响也较大，从实验结果看来，2h的提取时间较佳，长时间的加热回流提取有可能造成咖啡因损失或分子的破坏从而降低产量；沉淀剂种类对产量的影响不大，从效率和干燥时间双重因素考虑，2gCaO+2gNaAc混合沉淀剂最佳。

4.展望
我国茶源丰富，若能够充分利用低档茶叶提取重要的生物活性物质将具有现实的经济效益和广阔的市场前景。

笔者所探究的两种工艺均为设备简单，便于操作，适于普及等特点，但产品干燥、升华纯化耗时长，装置实验室化，使该工艺直接转化为社会生产力尚存很大的差距，如何使工艺直接工业化还需各位同行的共同努力。

茶叶中除含咖啡因外，还含有茶多酚、茶多糖等其它的重要活性物质，若能形成同时提取茶叶中多种有效成分的综合技术，对于提高经济效益，实现工业化将具有很重要的意义。

参考文献：
[1] 武文博. 茶叶市场的线性数据模型构建[J].茶学，2013（7）：31-32.
[2] 白清清，刘永峰，郭玫.茶叶中有效成分提取工艺研究[J].中药材，2011，34（9）：1438-1441.
[3] 薛艳，赖小伟.改进茶叶中提取咖啡因的有效方法[J].河南师范大学学报，2009，37（4）：161-163.
[4] 徐帅，李炤，王莹莹.实验室中一种高纯度咖啡因提取方法的研究[J].当代化工，2013，42（10）：1364-1366.。