茶葉中提取咖啡因?qū)嶒灲虒W(xué)改革探索與實踐

李 靜,王惠澤,劉艷紅,房川琳,李桂英

(1. 四川大學(xué) 基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心,四川 成都 610064;2. 四川大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,四川 成都 610064)

茶葉中提取咖啡因?qū)嶒灲虒W(xué)改革探索與實踐

李 靜1,王惠澤2,劉艷紅1,房川琳1,李桂英2

(1. 四川大學(xué) 基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心,四川 成都 610064;2. 四川大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,四川 成都 610064)

依托四川大學(xué)化學(xué)專業(yè)實驗室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺的大型儀器,對經(jīng)典的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實驗——從茶葉中提取咖啡因進(jìn)行了改革探索和實踐。在傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物提取實驗基礎(chǔ)之上,引入現(xiàn)代分析技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué),并增加了對提取的咖啡因結(jié)構(gòu)鑒定的實驗教學(xué)內(nèi)容,采取核磁共振(400 MHz)和離子阱飛行質(zhì)譜確定咖啡因的結(jié)構(gòu)。

實驗教學(xué)改革； 茶葉;咖啡因提取

四川大學(xué)化學(xué)學(xué)科經(jīng)過近年的快速發(fā)展,已經(jīng)為建成我校的優(yōu)勢學(xué)科奠定了堅實基礎(chǔ),有機(jī)化學(xué)已成為國家重點學(xué)科?！皩⒔?jīng)典實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行升級改造,引入現(xiàn)代分析技術(shù),使有機(jī)合成、分離純化、結(jié)構(gòu)表征及質(zhì)量分析有機(jī)結(jié)合,加強(qiáng)綜合性和研究性訓(xùn)練、促進(jìn)教與學(xué)”一直是國內(nèi)一流實驗教學(xué)機(jī)構(gòu)提倡的教改思路[1],我?；瘜W(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)小組在實驗教學(xué)實踐中也一直結(jié)合實際情況貫徹這一教學(xué)理念。

“從茶葉中提取咖啡因”是我國高校一直開設(shè)的經(jīng)典有機(jī)化學(xué)實驗之一,在四川大學(xué)本科有機(jī)實驗教學(xué)中,一直扮演著極其重要的角色。國內(nèi)高校同行對這個經(jīng)典實驗教學(xué)也在不斷地進(jìn)行改革和創(chuàng)新,無論是萃取工藝條件的優(yōu)化或者裝置的改進(jìn)[2-4],還是實驗教學(xué)的微型化[5-6],以及實驗教學(xué)過程的綠色化[7-8]都有較多的討論。而將咖啡因提取實驗與結(jié)構(gòu)鑒定實驗教學(xué)相結(jié)合的探索還比較有限,由于儀器資源的限制,咖啡因的結(jié)構(gòu)鑒定一般也以熔點、紅外或紫外光譜分析為主[9-10],而采用現(xiàn)代大型儀器進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定分析較少。本實驗教學(xué)方案依托四川大學(xué)化學(xué)專業(yè)實驗室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺的大型儀器資源,在該經(jīng)典的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中引入核磁共振和離子阱飛行質(zhì)譜對提取產(chǎn)品進(jìn)行鑒定,確定咖啡因結(jié)構(gòu),是對經(jīng)典實驗教學(xué)內(nèi)容的升級改造。

1 咖啡因提取實驗

1.1 實驗裝置

如圖1所示,實驗裝置[11]由恒壓滴液漏斗、球形冷凝管、100 mL圓底燒瓶和加熱套組成,樣品直接裝入恒壓滴液漏斗中。

圖1 咖啡因提取實驗裝置

1.2 提取方法

在恒壓滴液漏斗底部墊上極薄一層脫脂棉,稱取6 g茶葉末裝入恒壓滴液漏斗中,輕輕壓實,筒上口蓋一片濾紙或一小團(tuán)脫脂棉；在100 mL圓底燒瓶內(nèi)加入60 mL、95%的乙醇和幾粒沸石,通冷卻水后在電熱套上加熱,當(dāng)溶劑被加熱沸騰時,溶劑蒸氣從恒壓滴液漏斗側(cè)管上升,被冷凝管冷凝為液體并滴到樣品上,當(dāng)溶劑在恒壓滴液漏斗內(nèi)達(dá)到一定高度時,調(diào)節(jié)恒壓滴液漏斗活塞,使冷凝液的滴入速度與恒壓漏斗的放液速度一致；該過程持續(xù)進(jìn)行,直到提取液顏色變淺為止(約0.5～1 h)；最后將所要提取的物質(zhì)都集中到下面的燒瓶中，冷卻,將恒壓滴液漏斗從燒瓶上取下；改成蒸餾裝置,電熱套直接加熱回收提取液中的大部分乙醇,濃縮至10～15 mL；將殘留液傾入蒸發(fā)皿中,拌入4 g研細(xì)的氧化鈣,在蒸汽浴上用玻璃棒不斷攪拌,翻炒至干,再用燈焰隔石棉網(wǎng)焙炒片刻,除去水分,冷卻,擦去粘在邊上的粉末,以免升華時污染產(chǎn)物。

將實驗裝置改為升華裝置,小火小心加熱,至產(chǎn)生棕色煙霧止,收集白色針狀晶體即為產(chǎn)物,稱量。

2 咖啡因結(jié)構(gòu)鑒定

2.1 核磁共振分析

稱取約10 mg白色針狀晶體于核磁共振測樣管中,加入0.5～0.6 mL的氘代氯仿作為溶劑,振蕩,形成均一透明的溶液,用Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀進(jìn)行1H NMR譜圖的測試。

2.2 離子阱飛行質(zhì)譜

將咖啡因配制成50 μg/L水溶液,振蕩,形成均一透明的溶液,過濾,取濾液用島津LCMS-IT-TOF液質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行分子量的測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 提取實驗

提取實驗結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果[12]

該實驗經(jīng)過多年的教學(xué)實踐,仍然在不斷地改進(jìn),例如:采用恒壓滴液漏斗代替索氏提取器可以明顯簡化提取實驗的操作難度,并能有效提高實驗的成功率;采用電熱套替代酒精燈加熱可以避免潛在的實驗危險,并且更易于調(diào)控加熱溫度。在實際教學(xué)中，學(xué)生普遍反映目前的實驗方法簡單,易于操作,成功率高,咖啡因的產(chǎn)率一般都能夠達(dá)到1.5%以上。

3.2 結(jié)構(gòu)鑒定

咖啡因是一種黃嘌呤生物堿化合物,其結(jié)構(gòu)見圖2。它的化學(xué)名稱為1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤?？Х纫蚓哂写碳ば呐K、興奮大腦神經(jīng)和利尿等作用,因此可以作為中樞神經(jīng)興奮藥。它也是復(fù)方阿司匹林等許多復(fù)方藥的成分之一。

圖2 咖啡因結(jié)構(gòu)式

3.2.1 核磁共振譜圖

圖3是學(xué)生利用核磁共振儀測試咖啡因提取實驗樣品得到的1H NMR(400MHz)譜圖，以加標(biāo)(TMS)氘代氯仿為溶劑。圖3中首先排除譜圖中氘代溶劑(CDCl3)所表現(xiàn)出來的溶劑峰,化學(xué)位移δ=7.26×10-6,譜圖中溶劑峰面積遠(yuǎn)小于樣品峰,說明配制的樣品濃度較大;同時在咖啡因中,由于不存在自旋-自旋耦合作用,所以測得的譜圖中沒有觀察到自旋-自旋裂分現(xiàn)象,譜圖中的四類質(zhì)子都表現(xiàn)出單峰;δ=3.29×10-6、δ=3.47×10-6和δ=3.90×10-6分別對應(yīng)1、3、7位氮原子上的甲基峰,δ=7.45×10-6對應(yīng)8位雜環(huán)上的質(zhì)子峰,且四組峰對應(yīng)的峰面積比為3∶3∶3∶1,與各位置的質(zhì)子數(shù)相匹配。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，測得的1H NMR譜圖的結(jié)果與咖啡因結(jié)構(gòu)中的質(zhì)子類型和數(shù)目是完全匹配的。

圖3 咖啡因1H NMR譜圖

3.2.2 離子阱飛行質(zhì)譜

圖4是學(xué)生利用離子阱飛行質(zhì)譜儀測試咖啡因提取實驗樣品得到的質(zhì)譜譜圖(圖中m為質(zhì)量濃度，z為電荷)。測得分子量結(jié)果為:C8H11N4O2+,[M+H]+=195.0880,而理論計算值為195.087 7,可見測得的分子量與理論值是非常接近的。

3.2.3 結(jié)論

通過1H NMR譜圖和離子阱飛行質(zhì)譜譜圖綜合分析,可以推斷出茶葉中提取的白色針狀固體是咖啡因。

4 教學(xué)效果分析與討論

相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué),將實驗教學(xué)和大型分析儀器教學(xué)相結(jié)合能取得良好的教學(xué)效果,主要體現(xiàn)在以下方面:

(1) 有利于豐富本科有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)手段。將有機(jī)實驗和儀器分析實驗分別涉及的咖啡因提取和咖啡因結(jié)構(gòu)鑒定組合為一個綜合實驗進(jìn)行教學(xué),包括了有機(jī)和儀器分析的相關(guān)實驗技能,既能夠給學(xué)生一個系統(tǒng)、完整的實驗過程,又能體現(xiàn)學(xué)科之間的相互交叉。

圖4 咖啡因質(zhì)譜譜圖

(2) 有利于發(fā)揮大型精密儀器在本科實驗教學(xué)中的作用。目前,高校大型儀器配備都日趨完善,但這些儀器通常主要用于科研和研究生教學(xué)。而四川大學(xué)化學(xué)專業(yè)實驗室綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺承擔(dān)的主要任務(wù)之一就是為本科實驗教學(xué)服務(wù),利用該平臺的大型儀器資源對原有實驗教學(xué)內(nèi)容改革升級,充分發(fā)揮大型精密儀器在有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)的作用。

(3) 有利于培養(yǎng)學(xué)生波譜分析的實際操作能力和綜合運用各種譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、推斷有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的能力。通過各種譜圖確定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)是有機(jī)化學(xué)必須掌握的專業(yè)基本技能,長期以來波譜分析教學(xué)和有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)分別屬于獨立的教學(xué)課程,波譜分析教學(xué)往往注重于理論基礎(chǔ)知識,學(xué)生接觸到的譜圖一般都是書本中的經(jīng)典例子,學(xué)生實際運用波譜分析確定化合物結(jié)構(gòu)的能力得不到有效的鍛煉。通過將制備實驗與儀器分析實驗相結(jié)合的方式,學(xué)生普遍反映不僅對核磁共振儀和離子阱飛行質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和原理有了更加深刻的認(rèn)識,同時也對實際樣品的測試過程有了形象和具體的了解,能夠有效地將書本知識轉(zhuǎn)換為實際運用能力。

(4) 有利于本科生的實驗教學(xué)與科學(xué)研究的結(jié)合。在咖啡因提取實驗中增加咖啡因結(jié)構(gòu)鑒定實驗內(nèi)容這類綜合性實驗更貼近實際的科學(xué)研究方式,有利于培養(yǎng)學(xué)生從整體入手、多角度考慮實驗過程的能力,是學(xué)生今后從事科研工作的基本功,讓學(xué)生盡早了解科研過程。

5 結(jié)束語

在經(jīng)典實驗教學(xué)內(nèi)容中引入現(xiàn)代分析技術(shù),加強(qiáng)實驗教學(xué)的綜合性和研究性是我?；瘜W(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)小組實驗教學(xué)改革的基本思想,“從茶葉中提取咖啡因”實驗教學(xué)的改革和實踐已經(jīng)取得了初步的效果。這種實驗教學(xué)與科研基本能力培養(yǎng)相互支持,相互促進(jìn)的模式,必將逐步成為四川大學(xué)化學(xué)綜合實驗教學(xué)的特色。

References)

[1] 王秧年,陸大東,葉濤,等. 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀在1-溴丁烷教學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(12):63-65.

[2] 王莉賢,王紅,金東元,等. 雙套管分離裝置在咖啡因提取實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2004,23(9):32-33.

[3] 李玉賢,張佳樂,劉金浩. 正交實驗法優(yōu)化咖啡因提取實驗工藝研究[J].實驗室科學(xué),2011,14(2):105-107.

[4] 陳忠平,陳君華,黎少君,等. 茶葉中提取咖啡因方法的改進(jìn)[J].安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2005,19(1):46-48.

[5] 王玉飛. 微量化學(xué)-GC/MS法測定茶葉中咖啡因的含量[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志,2005,15(7):818-819.

[6] 胡慶華,張蔚萍,陶春元,等. 茶葉中咖啡因提取的微型化實驗設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2010,13(2):53-55.

[7] 劉葵,汪建民. 循環(huán)實驗?zāi)Ｊ降臉?gòu)建與教學(xué)實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):140-142.

[8] 周先波,王永紅,毛紅雷,等. 大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)綠色化思考與設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2013,16(2):194-196.

[9] 黃攀豪. 茶葉中咖啡因的提取和分析[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2008,26(2):48-50.

[10] 張偉,唐明珠,邱安瑩,等. 咖啡因提取品與合成品的鑒別[J].中國藥房,2002,13(12):751-752.

[11] 王玉良,陳華. 有機(jī)化學(xué)實驗[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2009:53-55.

[12] 楊祖幸,楊潔,孫群,等. 從茶葉中提取咖啡因?qū)嶒灧椒把b置的改進(jìn)[J].實驗室研究與探索,2008,27(3):43-44.

Exploration and practice on experimental teaching reform of extracting caffeine from tea

Li Jing1,Wang Huize2,Liu Yanhong1,Fang Chuanlin1,Li Guiying2

(1. Experiment Teaching Center of Basic Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610064,China;2. College of Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610064,China)

Improving of the teaching experiment(extraction of caffeine from tea),relied on the instrument of the comprehensive training and teaching platform (the professional labortory of chemistry,Sichuan University),some meaningful improvements of classical organic chemistry teaching experiments(the extraction of caffeine from tea) are conducted. On the basis of traditional natural product extraction experiment,the modern analytical technique is introduced into this experiment teaching to identify the structure of caffeine extracted from tea,by using the NMR (400 MHz), and the ion trap time-of-flight mass spectrometry (LCMS-IT-TOF).

experimental teaching reform； tea;caffeine extraction

2014- 05- 24 修改日期：2014- 07- 04

四川大學(xué)實驗技術(shù)項目資助(0083304116008)

李靜(1981—)，女，四川廣安，碩士，助理研究員，主要從事大型精密儀器運行與實驗教學(xué).

E-mail：jingli@scu.edu.cn

O6-33

A

1002-4956(2015)1- 0054- 03