茶葉中咖啡因的提取研究進(jìn)展

研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中含近500種成分，主要有生物堿類、黃酮類、酚類、酯類和氨基酸等，還含有對(duì)人體有益的鈣、磷、鐵、氟、碘、錳、鉬、鋅、硒、銅、鍺、鎂等多種礦物質(zhì)。茶葉中的生物堿主要包括咖啡因、可可堿和茶堿，其中咖啡因占大部分，含量為3%～5%,是醫(yī)用咖啡因的重要來源[1～5]。作者在此重點(diǎn)介紹茶葉中咖啡因提取技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 咖啡因的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和作用

咖啡因亦稱咖啡堿，是一種甲基黃嘌呤，屬生物堿類物質(zhì)，化學(xué)名稱為1,3,7-三甲基-3,7-二氫-1H-嘌呤-2,6-二酮水合物，化學(xué)式C8H10N4O2，相對(duì)分子質(zhì)量為194.2，易溶于水、乙醚、氯仿、二氯甲烷，能溶于乙醇、丙酮、醋酸乙酯，難溶于乙醚和苯，熔點(diǎn)為235～237℃，白色結(jié)晶粉末，無臭，味苦，有風(fēng)化性[1]。

咖啡因結(jié)構(gòu)中雖含有4個(gè)N原子，但受鄰位羰基吸電子的影響，呈弱堿性，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 咖啡因的分子結(jié)構(gòu)式

咖啡因在生理上能刺激人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起興奮，促進(jìn)新陳代謝，加強(qiáng)肌肉收縮[6]，可使人的頭腦清醒，有助于思維[7～9]，并可促進(jìn)血液循環(huán)，利于尿液排出，解除肌體疲勞，提高勞動(dòng)效率[10～12]。此外，咖啡因能增強(qiáng)心臟和胃腸道功能[13～15]、調(diào)節(jié)脂肪代謝[16,17]，同時(shí)還可起到解毒的功效[18,19]。

2 茶葉中咖啡因的分離提取方法

2.1 傳統(tǒng)提取法

2.1.1 水提法

水提法是利用咖啡因在水(特別是熱水)中具有一定的溶解性進(jìn)行提取，一般先用水萃取茶葉中的咖啡因，然后再用溶劑萃取或其它方法提取水中的咖啡因。該方法在咖啡咖啡因提取中應(yīng)用較多，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所進(jìn)行了熱水浸漬法提取鮮茶葉中咖啡因的實(shí)驗(yàn)室研究，取得了一定成果。Liang等用熱水浸泡鮮茶葉提取咖啡因，以溫度、浸泡時(shí)間和茶水比為影響因素進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳提取條件為：1∶20(質(zhì)量體積比)的茶水比在100℃浸泡3 min，可提取83%的咖啡因，同時(shí)鮮葉中保留了95%的兒茶素。

水提法提取咖啡因只適合于鮮葉和殺青葉，而不適合于揉捻葉和干燥葉，因此該方法對(duì)綠茶而言是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的方法，但不適于紅茶。熱水浸泡可以有效提取咖啡因，但是由于浸泡過程中會(huì)將茶葉中其它一些易溶于水的成分(如茶多酚、氨基酸等)浸出，對(duì)成品茶的風(fēng)味有較大的影響[20]。

2.1.2 升華法

近年來中外學(xué)者就升華法制取天然咖啡因進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)，并申請(qǐng)了專利。葉春園等將茶葉末投入備有攪拌器的升華罐中，用U形加熱管中的電熱絲將機(jī)油加熱到(130±10)℃，用油泵將熱油輸入升華罐的夾層中，攪拌，用真空泵抽氣，保持升華罐內(nèi)的真空度為50.66 kPa，處理2 h，揮發(fā)物經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入冷凝罐冷水冷卻，保持30～60℃，從冷凝罐的底部取出固體冷凝物(粗咖啡因)，加少量水溶解，漂去焦油，經(jīng)結(jié)晶純化后可得純咖啡因，每10 kg茶葉下腳料可制得180 g咖啡因，得率1.8%。

陳友仁等設(shè)計(jì)了新型咖啡因提取裝置，升華罐與冷凝罐直接連接，底部用遠(yuǎn)紅外加熱爐加熱，冷卻分離罐由分離罐體、收集網(wǎng)、環(huán)形集水槽、水冷卻夾套進(jìn)出水管、煙道和攪拌驅(qū)軸組成。該裝置不僅可以完成從茶葉中提取咖啡因的加熱升華，而且能直接將升華物冷卻，分離出咖啡因結(jié)晶，提取時(shí)間短，產(chǎn)量和純度高。

2.2 溶劑提取法

Bocho-Rishvili在茶汁中先加醋酸鉛和Na2HPO4，對(duì)茶汁進(jìn)行去雜質(zhì)純化，再加入用量為1%的2% KMnO4及30% NaOH進(jìn)一步純化，可提高咖啡因的提取率。Mitchell等加入Na2CO3去除茶多酚等雜質(zhì)，然后用二氯甲烷萃取咖啡因。倉公敖等研發(fā)了從茶葉中提取咖啡因的方法，并申請(qǐng)了專利，提取率為1.01%～1.68%。

Tetsuo等用水-氯仿混合物直接浸泡綠茶末，用結(jié)晶法獲取有機(jī)相中的咖啡因，2 g茶提取了40.7 mg咖啡因。李沿飛等[21]采用6 mol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)茶汁pH值為2，煮沸3 h，離心過濾，濃縮至1/2體積，再加入NaOH調(diào)節(jié)pH值至12，用氯仿分2次提取，合并有機(jī)相，用1 mol·L-1鹽酸洗滌，棄去水相，蒸干有機(jī)相(回收氯仿)，固形物置100～105℃烘箱中烘干即得粗咖啡因，粗咖啡因用10 BV水溶解，過濾、蒸發(fā)、重結(jié)晶、烘干。烘干后的咖啡因中加入1/5質(zhì)量的氧化鎂，混合物置真空箱中升華，溫度控制在160～200℃，收集升華物即得純度為99%的天然咖啡因。將粉狀物投入升華罐內(nèi)，在常壓或減壓下升華，即得純度為99.9%的天然咖啡因，該法可提取出茶葉中75%～85%的咖啡因。

咖啡因具較強(qiáng)的穩(wěn)定性，一般不與金屬離子結(jié)合沉淀，也不會(huì)在有機(jī)試劑中析出，而茶葉中的其它功能性成分如茶多酚、蛋白質(zhì)等易與Ca2+、Zn2+、Al3+等結(jié)合沉淀，茶多糖、果膠類、纖維素類物質(zhì)易在丙酮、乙醇中析出，利用這些性質(zhì)，可以將咖啡因與這些成分分離，有效地提取咖啡因[22]。

陸導(dǎo)仁等申請(qǐng)的專利(一種提取咖啡因的茶多酚的生產(chǎn)方法)就是通過沉淀法去除咖啡因，將絡(luò)合沉淀劑加入到澄清的茶葉浸提液中，待冷卻后加入稀堿使pH值達(dá)到6.5～10，形成茶多酚鈣或茶多酚鋅沉淀，過濾，沉淀用無機(jī)酸溶解，再以活性炭-硅藻土過濾，濾液用乙酸乙酯萃取，回收萃取劑，干燥，即得提取咖啡因的茶多酚。該法操作簡(jiǎn)便，去咖啡因效果好，但茶葉提取液中有效成分并不能完全沉淀或析出，部分有效成分損失嚴(yán)重，茶制品產(chǎn)率不高，而且與化學(xué)試劑接觸容易導(dǎo)致殘留[23]。

2.3 超臨界CO2提取法

超臨界萃取法(SFE)是近年發(fā)展起來的一種新型的分離技術(shù)[24]。它利用超臨界狀態(tài)下的流體作溶劑，在超出臨界溫度與壓力的區(qū)域下進(jìn)行萃取，用超臨界CO2流體作為溶劑更顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镃O2的臨界值低，壓力與溫度的較小變化會(huì)引起流體密度的較大改變，并極易滲透到原料基質(zhì)中，使萃取組分通過分配擴(kuò)散作用而充分溶解，從而達(dá)到萃取的目的。

近年來，國(guó)內(nèi)外采用超臨界CO2萃取提取茶葉咖啡因的研究較多。超臨界CO2對(duì)咖啡因選擇性高，同時(shí)具有溶解性大、無毒安全、工藝過程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但從茶葉中提取咖啡因的工業(yè)化應(yīng)用還不理想，設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本較高，且茶葉在提取咖啡因時(shí)風(fēng)味損失嚴(yán)重。為了解決這個(gè)問題，周海濱等研究?jī)?yōu)化了用超臨界CO2提取咖啡因并保持茶葉風(fēng)味的工藝，得到了預(yù)脫茶香和咖啡因的兩級(jí)萃取、茶香吸附和咖啡因解析的兩路分離、加30%乙醇作夾帶劑的最佳工藝路線，咖啡因提取率達(dá)到83%～96%。

利用超臨界CO2提取茶葉中咖啡因在國(guó)內(nèi)外有許多專利，用于提取的原料主要有茶葉和茶提取物(如茶多酚)，不同專利的主要區(qū)別在于原料預(yù)處理和萃取條件的不同。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，超臨界提取過程中添加水或乙醇作為夾帶劑可以有效提高咖啡因的提取率。Iwai等通過靜態(tài)循環(huán)方法及在線FTIR(313.2 K，15.0MPa)、分光光度計(jì)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)添加水的條件下超臨界CO2對(duì)咖啡因的溶解度最高可增加22%，在添加水和乙醇的條件下咖啡因溶解性反而比添加相同量的水或乙醇更差，隨著乙醇添加量的增加，C=O對(duì)咖啡因的吸收峰也發(fā)生了變化。

滿瑞林等研究發(fā)現(xiàn)，咖啡因首先在水的作用下從茶葉基質(zhì)上脫附下來并進(jìn)入到水相，然后通過茶葉組織的孔隙擴(kuò)散到茶葉表面，最后進(jìn)入超臨界CO2流體相，同時(shí)水可以使茶葉體積膨脹，擴(kuò)大咖啡因傳質(zhì)面積，但咖啡因在CO2流體相和水相中的分配系數(shù)較小，使得水也成為阻止咖啡因進(jìn)入到流體相的阻力因素之一；另外，水可溶解在CO2中，在萃取中是否產(chǎn)生共溶劑效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

2.4 吸附劑與洗脫劑提取法

吸附劑與洗脫劑提取法是利用各種吸附劑與洗脫劑進(jìn)行吸附解吸使得茶葉提取液中咖啡因與其它成分分離。大須博文等[25]將處理的硅藻土用二氯甲烷拌漿填入分離柱，將烏龍茶液注入柱中，吸附10 min后用二氯甲烷淋洗去除咖啡因，再用水洗脫柱內(nèi)的茶提取物，該方法能提取98%以上的咖啡因。

Oritah等用綠茶進(jìn)行了多種溶劑的浸提實(shí)驗(yàn)和吸附型樹脂及親脂凝膠過濾對(duì)兒茶素凈化方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提出了一種去咖啡因的兒茶素加工工藝。將綠茶或鮮葉經(jīng)80%乙醇浸提，注入Toyopearl HW 40柱，用去離子水淋洗去除糖、色素等，用15%乙醇淋洗去除咖啡因，80%乙醇淋洗得到兒茶素，可獲得高純度(雜質(zhì)含量<3%)的低咖啡因(0.1%)兒茶素產(chǎn)品。

Suehiro等用乙烯基聚合物吸附劑色譜法，使茶葉提取物中的兒茶素得到完全分離，去除了咖啡因等雜質(zhì)。

Ryuta等在堿性條件下用合成吸附劑除去茶葉提取物中咖啡因，制備低咖啡因茶多酚。將含咖啡因7%、兒茶素30%的綠茶提取液過裝有SP 207 pH值為10的柱，然后脫鹽干燥，可獲得64%的低咖啡因(0.2%)兒茶素制品。

黃繼軫等在活性炭表面制備一層厚度恰當(dāng)?shù)氖杷蕴崛】Х纫驅(qū)Ｓ媚?，吸附脫除茶液中的生物堿，經(jīng)濃縮、噴霧干燥后，即可生產(chǎn)去咖啡因速溶茶。研究表明，以活性炭為吸附劑，以植物油為膜劑，加0.1%月桂酸制成膜，膜劑用量10%～25%內(nèi)，提取咖啡因效果較佳。

3 結(jié)語

多年來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，咖啡因一直是我國(guó)出口的大宗產(chǎn)品，每年出口量均占產(chǎn)量的75%左右，特別是最近以來，國(guó)際市場(chǎng)咖啡因需求急劇增加。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)咖啡因生產(chǎn)迎來了一個(gè)高速增長(zhǎng)期，全國(guó)生產(chǎn)能力連續(xù)數(shù)年都以每年千噸的規(guī)模增加，產(chǎn)量也以每年千噸的速度增長(zhǎng)。90年代中期，咖啡因生產(chǎn)增長(zhǎng)勢(shì)頭趨緩，但仍在穩(wěn)步前進(jìn)，到90年代后期，咖啡因生產(chǎn)再掀高潮。21世紀(jì)初，咖啡因年產(chǎn)量超過8000 t，并逐年增加。

目前，我國(guó)咖啡因生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工藝技術(shù)逐年改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高，生產(chǎn)成本大幅下降，今后咖啡因提取研究的重點(diǎn)在于提取方法的創(chuàng)新，并且要節(jié)約能源、減少污染，使其在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力越來越強(qiáng)。

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