正交試驗(yàn)法從茶葉中提取咖啡因的工藝研究

黃飛

（黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黃山 245041）

咖啡因又稱(chēng)為咖啡堿，存在于茶葉、咖啡、可可等一些植物中，其化學(xué)名稱(chēng)為1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，化學(xué)式為C8H10N4O2，易溶于水、乙醚、二氯甲烷、氯仿、乙醇、醋酸乙酯、丙酮等溶劑?？Х纫蚴且环N重要的醫(yī)藥原料，具有消除疲勞，減弱酒精、嗎啡、煙堿等物質(zhì)的毒害，促進(jìn)血液循環(huán)，預(yù)防高血壓和心肌梗塞，抗氧化、抗衰老等作用[1-3]，臨床上用于治療神經(jīng)衰弱、偏頭痛等疾病[4]。黃山茶葉資源十分豐富，是我國(guó)重要茶葉產(chǎn)地，黃山毛峰、毛尖、祁門(mén)紅茶、太平猴魁等名茶均產(chǎn)于此。在茶葉的加工過(guò)程中產(chǎn)生大量茶梗、茶末、茶灰，茶葉滯銷(xiāo)時(shí)，低檔茶葉大量積壓，因此，合理有效的利用這些廢茶料和低檔茶葉，從中提取市場(chǎng)緊缺的天然咖啡因，具有十分重要的意義。

目前，從茶葉中提取咖啡因的主要方法包括水提取法、溶劑提取法、升華法、超臨界CO2提取法和吸附劑與洗脫劑提取法等[5-6]，這些方法步驟煩瑣，不易操作，產(chǎn)品的提取率不高。超聲波提取法適用于咖啡的主要成分和高沸點(diǎn)物質(zhì)的提取，方法簡(jiǎn)單，易于操作，提取時(shí)間短，產(chǎn)量和純度較高[7-8]。研究以乙醇作為溶劑，咖啡因產(chǎn)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從費(fèi)次茶葉中提取天然咖啡因，用正交試驗(yàn)法對(duì)影響提取率的5 個(gè)因素進(jìn)行討論，得出較優(yōu)的提取工藝條件。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與藥品

NICOLET-380 傅里葉變換紅外光譜儀（美國(guó)尼高力公司）；UV-2100 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司）；WRS-1B 數(shù)字熔點(diǎn)儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；ZNHW 型電熱套（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；JK-500 型超聲波清洗儀（合肥金尼機(jī)械制造有限公司）；SHZ-DⅢ真空循環(huán)抽濾泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

費(fèi)次茶葉，購(gòu)于黃山茶城；乙醇，生石灰均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

稱(chēng)取5.0 g 的茶葉，以一定濃度的乙醇為提取溶劑，在不同的料（茶葉）液（乙醇）比、超聲時(shí)間下進(jìn)行超聲處理，再于不同的溫度下提取不同時(shí)間后，進(jìn)行減壓過(guò)濾，向?yàn)V液中加入適量雙氧水，60 ℃下脫色10 min，蒸發(fā)濃縮除去大部分乙醇溶劑，蒸發(fā)濃縮液倒入蒸發(fā)皿中，加2 g 生石灰粉，在沙浴上加熱，把乙醇完全蒸發(fā)，在蒸發(fā)皿上蓋一張刺有許多小孔且孔刺向上的圓形濾紙，取口徑合適的玻璃漏斗罩在濾紙上，漏斗頸部塞一小團(tuán)疏松的棉花，控制沙浴溫度在220 ℃左右。當(dāng)濾紙上出現(xiàn)許多白色毛狀結(jié)晶時(shí)，暫停加熱，讓其自然冷卻至100 ℃左右，小心取下漏斗，揭開(kāi)濾紙，將濾紙上下兩面和器皿周?chē)目Х纫蚬蜗?，收集產(chǎn)品，稱(chēng)重并測(cè)定其熔點(diǎn)[2，9]。

1.3 咖啡因產(chǎn)率的計(jì)算

咖啡因的粗產(chǎn)率（%）=（咖啡因產(chǎn)量/茶葉質(zhì)量）×100

咖啡因產(chǎn)量的計(jì)算：咖啡因（%）=[（C×L/1 000）×（100/10）×（50/25）×100]/M×m

上式中C/ mg·mL-1表示測(cè)得試樣的吸光度，從咖啡因標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上計(jì)算得咖啡因相應(yīng)含量；L/ mL 表示試液總體積；M/g 表示試樣用量；m/%表示試樣干物質(zhì)含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)影響因素的選擇

咖啡因易溶于水和乙醇，所以選擇乙醇的濃度作為考察的主要因素之一。料液比、超聲時(shí)間、浸提溫度、浸提時(shí)間均會(huì)影響咖啡因的提取率，因此把這5 個(gè)因素同時(shí)作為考察因素，其試驗(yàn)的影響因素和水平見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平表Table 1 Factor level of orthogonal experiment

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了提高咖啡因的產(chǎn)量，考察各反應(yīng)因素對(duì)試驗(yàn)的影響情況，進(jìn)行了5 因素4 水平L16（45）正交試驗(yàn)。其正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 L16（45）正交試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment L16（45）

續(xù)表2 L16（45）正交試驗(yàn)及結(jié)果Continued table 2 Results of orthogonal experiment L16（45）

表2 中的R 為各因素的極差值，即任何一列各水平下指標(biāo)值的最大值與最小值之差；R 值越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要[10]。由極差分析結(jié)果可以看出，以咖啡因的提取產(chǎn)量為考察指標(biāo)，5 種因素對(duì)咖啡因提取產(chǎn)量的影響程度大小順序依次為：料液比（B）＞超聲時(shí)間（A）＞浸提溫度（C）＞浸提時(shí)間（D）＞乙醇濃度（E）；因此茶葉中提取咖啡因的最佳提取條件為：B3A1C3D3E3，即料液比為1∶18，超聲時(shí)間為5 min，浸提溫度為70 ℃，浸提時(shí)間為60 min，乙醇的濃度為85%，在此條件下咖啡因的提取率為3.74%。

由表3 方差分析可得出：料液比和超聲時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著；浸提溫度、浸提時(shí)間和乙醇濃度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著性次序?yàn)椋阂蛩谺（料液比）＞因素A（超聲時(shí)間）＞因素C（浸提溫度）＞因素D（浸提時(shí)間）＞E（乙醇濃度）。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

由極差和方差分析可以得出：料液比對(duì)于咖啡因的提取影響最大，其中當(dāng)料液比為1∶18 時(shí)提取效率最高。超聲時(shí)間對(duì)于咖啡因的提取影響次于料液比的影響，且隨著超聲時(shí)間增加，提取效果越好。浸提溫度和浸提時(shí)間對(duì)于咖啡因提取的也有影響，隨著浸提溫度、浸提時(shí)間的增加，咖啡因的提取率逐漸增加。乙醇的濃度對(duì)于咖啡因提取的影響較小。

2.3 咖啡因產(chǎn)品分析及驗(yàn)證試驗(yàn)

2.3.1 咖啡因的熔點(diǎn)測(cè)試

從費(fèi)次茶葉中提取咖啡因得到的粗產(chǎn)品顏色為黃色或淡黃色，說(shuō)明產(chǎn)品中混有其他的雜質(zhì)，粗產(chǎn)品進(jìn)一步升華提純后，得到了白色針狀晶體。經(jīng)顯微數(shù)字熔點(diǎn)儀檢測(cè)熔點(diǎn)為233.4 ℃，與文獻(xiàn)值相近[9]。這說(shuō)明粗產(chǎn)品經(jīng)過(guò)升華后得到的是咖啡因純品，而且粗產(chǎn)品的回收率比較高。

2.3.2 咖啡因的紅外光譜分析

純化后的咖啡因經(jīng)過(guò)KBr 壓片法測(cè)其紅外光譜，測(cè)定結(jié)果如圖1 所示。

圖1 咖啡因的紅外光譜圖Fig.1 IR spectra of caffeine

在3 113 cm-1為-C-H 和N-CH3的彎曲振動(dòng)吸收峰，2 938 cm-1為飽和-C-H 的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 612 cm-1為＞C=O 的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 472 cm-1為-C-H 和N-CH3的彎曲振動(dòng)吸收峰，1 307 cm-1為C-N 的伸縮振動(dòng)吸收峰[1，11]，由此可以說(shuō)明該提取物為咖啡因。

2.3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)確定的咖啡因的最佳提取條件，按照試驗(yàn)方法操作，經(jīng)提純后可得白色針狀咖啡因晶體，經(jīng)測(cè)定其純度為96.2%，提取產(chǎn)率為3.74%，熔點(diǎn)為233.4 ℃。

3 結(jié)論

以費(fèi)次茶葉為原料，利用正交試驗(yàn)法探究了料液比、超聲時(shí)間、浸提溫度、浸提時(shí)間、乙醇的濃度對(duì)產(chǎn)率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，其最佳條件為：在料液比為1∶18，超聲時(shí)間為5 min，浸提溫度為70 ℃，浸提時(shí)間為60 min，乙醇濃度為85%條件下提取咖啡因，得到熔點(diǎn)為233.4 ℃、提取產(chǎn)率為3.74%的白色針狀咖啡因晶體。超聲波輔助正交試驗(yàn)法提取咖啡因，縮短了咖啡因的提取時(shí)間，提高了咖啡因提取效率，得到了純度好、提取率高的咖啡因產(chǎn)品。

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