用恒壓漏斗從綠茶中提取天然咖啡因的研究

陳秀麗，高海榮，李新紅，程曉蘭，孫海杰（鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州450044）

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用恒壓漏斗從綠茶中提取天然咖啡因的研究

陳秀麗，高海榮，李新紅，程曉蘭，孫海杰
（鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州450044）

摘要：以蒸餾水為溶劑從綠茶中提取天然咖啡因，探討提取時間、茶水質(zhì)量比、生石灰加入量、浸提裝置、升華裝置等因素對天然咖啡因提取率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)提取時間為1.5 h、茶水質(zhì)量比為1∶8、所得濃縮液中生石灰加入量為3.5 g時，咖啡因的提取率為1.03%。恒壓漏斗裝置與傳統(tǒng)的Soxhlet提取器相比，不但節(jié)約了成本及能源，而且具有操作簡便和節(jié)省時間等優(yōu)點(diǎn)；試驗以水為溶劑避免了污染，符合綠色化學(xué)的思想；此外用調(diào)溫電熱套進(jìn)行升華的效果明顯優(yōu)于酒精燈，這種方法可在各類茶葉咖啡因的提取中推廣使用。

關(guān)鍵詞：綠茶；咖啡因；蒸餾水；恒壓漏斗

天然咖啡因是一種具有生理和藥理作用的黃嘌呤生物堿化合物。適量的使用天然咖啡因可以提神醒腦，促進(jìn)消化，改善便秘，增強(qiáng)身體敏捷度，同時咖啡因還有控制體重，抗憂郁，利尿，止痛等功效[1]。茶葉是天然咖啡因的重要來源之一，從茶葉中提取天然咖啡因的方法有索氏（Soxhlet）提取-升華法[2-5]、超聲波提取-升華法[6]、微波輻射-升華法[7]、超臨界二氧化碳提取法[8-12]、氯仿萃取-升華法[13]等。其中Soxhlet提取-升華法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法，該方法一般使用95 %乙醇溶液為提取溶劑，連續(xù)提取約2 h～3 h，然后經(jīng)過蒸餾、炒干、升華等操作得到天然咖啡因，該過程大約共需要5 h～6 h；且Soxhlet提取器價格較昂貴，虹吸管處易破損，且實驗時間長，消耗的乙醇較多，能耗也較大。

從茶葉中提取天然咖啡因的方法雖然較多，但這些方法普遍使用有機(jī)溶劑作為提取劑，甚至一些溶劑會對人們的身體健康及環(huán)境造成不良影響，因此找到一種高效、廉價、環(huán)境友好的提取方法成為亟待解決的問題。本文以蒸餾水為溶劑，用恒壓漏斗從綠茶中提取咖啡因，用電熱套進(jìn)行升華，并對其實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，評價優(yōu)缺點(diǎn)，目的就是期望找到提取咖啡因的新途徑。

1　材料與方法

1.1主要材料及儀器

市售綠茶：河南信陽；生石灰（分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.0 %）：天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

CP224C電子天平：奧豪斯儀器上海有限公司制造；FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀：天津港東科技發(fā)展股份有限公司；250 mL/19*2恒壓漏斗；KDM型調(diào)溫電熱套：菏澤市鑫佳實驗儀器廠。

1.2方法

1.2.1浸提

稱取10 g（精確到0.000 1 g）綠茶，研末裝入塞有少量脫脂棉的恒壓漏斗中，并加入30 mL蒸餾水量，取一定量蒸餾水倒入平底燒瓶中，連接裝置進(jìn)行提??；調(diào)節(jié)恒壓漏斗活塞，使茶葉末始終浸泡在蒸餾水中，且平底燒瓶中提取液保持在10 mL～15 mL，用電熱套加熱回流提取，直到提取液顏色較淺為止。

1.2.2烘炒

停止加熱后，趁熱將平底燒瓶中提取液倒入裝有生石灰粉的蒸發(fā)皿中，攪成糊狀，用蒸氣浴將蒸發(fā)皿中提取液炒干成粉末狀。

1.2.3升華

在蒸發(fā)皿上蓋一張刺有許多小孔的濾紙，使孔刺朝上，再在濾紙是蓋一個倒扣的漏斗，漏斗頸部塞上一小團(tuán)脫脂棉，用酒精燈隔著石棉網(wǎng)對蒸發(fā)皿進(jìn)行加熱，控制升華溫度，使之緩慢升華，當(dāng)漏斗內(nèi)出現(xiàn)棕色氣體時，停止加熱，冷卻10min～20min，取下漏斗，緩慢揭下濾紙，得到天然咖啡因產(chǎn)物，用分析天平進(jìn)行稱量至恒重。

2　結(jié)果與討論

按照1.2中的試驗步驟改變變量進(jìn)行正交試驗。以下試驗數(shù)據(jù)均是3次平行試驗的平均值。

2.1提取時間對天然咖啡因提取率的影響

取50 mL蒸餾水倒入平底燒瓶中，提取咖啡因時間分別為1、1.5、2 h，濃縮液中加入4.0 g生石灰，其它步驟按照1.2中的進(jìn)行。記錄上述試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。并根據(jù)表1作咖啡因提取率與時間的變化曲線圖，如圖1所示。

通過對表1及圖1進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)提取時間為1 h時，咖啡因的平均產(chǎn)率為0.42 %，當(dāng)提取時間為1.5 h時，咖啡因的平均產(chǎn)率為0.67 %，二者相差較大，也就是說在1 h～1.5 h之間，咖啡因的提取率受時間影響較大。隨著提取時間的增長，天然咖啡因的提取率越來越高。1.5 h～2 h之間，咖啡因提取率雖略有增加，但增幅較小，即受時間影響較小。且在1.5 h左右，浸漬液顏色已變得很淺，因此，綜合各方面因素及試驗成本可得出使用此種提取方法的最佳提取時間為1.5 h。

2.2茶水質(zhì)量比對天然咖啡因提取率的影響

表1　提取時間對咖啡因提取率的影響Table 1 The influence of extraction time on caffeine extraction rate

圖1　提取時間對咖啡因提取率的影響變化曲線Fig.1 The curves of the influence of extraction time on caffeine extraction rate

當(dāng)茶水質(zhì)量比分別為1∶8、1∶9、1∶10（即在平底燒瓶中分別加入蒸餾水分別為50、60、70 mL），提取時間為1.5 h，濃縮液中加入4.0 g生石灰，其它步驟按1.2中的進(jìn)行。記錄上述試驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　茶水質(zhì)量比對咖啡因提取率的影響Table 2 The influence of the ratio of tea and water quality on caffeine extraction rate

對表2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：蒸餾水加入量對天然咖啡因提取率的影響不大，本著節(jié)約用水的原則，最佳茶水質(zhì)量比選為1∶8。

2.3生石灰加入量對天然咖啡因提取率的影響

當(dāng)茶水質(zhì)量比選為1∶8（即在平底燒瓶中蒸餾水加入量為50 mL），浸提1.5 h后，分別稱取3.0、3.5、4.0 g的生石灰于蒸發(fā)皿中，其它步驟按1.2中的進(jìn)行。記錄上述試驗數(shù)據(jù)，如表3所示。并根據(jù)表3作咖啡因提取率與時間的變化曲線圖，如圖2所示。

表3　生石灰加入量對咖啡因提取率的影響Table 3 The influence of the quantity of lime on caffeine extraction rate

圖2　生石灰加入量對咖啡因提取率的影響變化曲線Fig.2 The curves of the influence of the quantity of lime on caffeine extraction rate

通過對表3及圖2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)生石灰加入量在3.0 g～3.5 g時，咖啡因提取率隨生石灰加入量的增加而升高，而當(dāng)生石灰加入量在3.5 g～4.0 g之間時，咖啡因提取率略有減少。這是由于天然咖啡因易與茶葉中的單寧、沒食子酸等酸性物質(zhì)生成難溶鹽，影響咖啡因的升華。而生石灰與提取液中的水反應(yīng)后生成的氫氧化鈣可以中和這些酸性物質(zhì)，生成不溶性的鈣鹽，從而使天然咖啡因作為可溶性的生物堿留在提取液中，經(jīng)過升華得到咖啡因晶體。所以，當(dāng)加入的生石灰量較少時，會影響咖啡因的提取率，而生石灰過量后對提取率的影響就較小了，因此，根據(jù)圖中曲線分析生石灰的最佳加入量為3.5 g。

2.4浸提裝置對天然咖啡因提取率的影響

稱取10g茶葉末，當(dāng)茶水質(zhì)量比選為1∶8，用Soxhlet提取法進(jìn)行咖啡因的提取，電熱套加熱回流1.5 h后，稍冷卻改為蒸餾，把提取液中大部分的水蒸出，趁熱把剩余液體倒入蒸發(fā)皿中，并加入研細(xì)的3.5 g生石灰，其它步驟與文獻(xiàn)[5]相同，并與同等條件下的恒壓漏斗法進(jìn)行對比，記錄上述試驗數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4　浸提裝置對咖啡因提取率的影響Table 4 The influence of extraction device on caffeine extraction rate

對表4進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：用恒壓漏斗裝置浸提咖啡因的提取率稍高于Soxhlet提取器。前者在回流過程中，隨時可調(diào)節(jié)旋塞調(diào)節(jié)水量，加速水的循環(huán)；而且省去了Soxhlet提取法中的蒸餾操作，簡化了試驗步驟，達(dá)到節(jié)能的目的，并降低了試驗儀器的成本。與文獻(xiàn)[5]中傳統(tǒng)的Soxhlet法相比，用水代替95 %乙醇作溶劑更為環(huán)保，且大大縮短了反應(yīng)的時間。

2.5升華裝置對天然咖啡因提取率的影響

用恒壓漏斗裝置提取咖啡因，升華裝置將1.2.3中的酒精燈換成調(diào)溫電熱套，其它步驟按2.4中的進(jìn)行。記錄上述實驗數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5　升華裝置對咖啡因提取率的影響Table 5 The influence of sublimation device on caffeine extraction rate

對表5進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：使用酒精燈加熱的平均提取率為0.69 %，而使用電熱套加熱升華的平均提取率為1.03 %，可見使用電熱套升華的效果明顯優(yōu)于酒精燈升華。這是由于酒精燈加熱升華時溫度不易控制，火焰大小會受到周圍環(huán)境的影響，導(dǎo)致升華不完全或發(fā)生碳化現(xiàn)象，造成提取率較低。而使用調(diào)溫電熱套可以很好的控制升華溫度，避免上述情況的發(fā)生，提高了咖啡因的提取率。

3　結(jié)論

1）本研究用恒壓漏斗從綠茶中提取天然咖啡因工藝參數(shù)進(jìn)行了探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：最適宜浸提條件為：提取時間1.5 h、茶水質(zhì)量比為1∶8、加入3.5 g生石灰，在升華操作中，使用恒溫電熱套的升華效果明顯優(yōu)于酒精燈，且咖啡因的提取率為1.03 %。

2）用恒壓漏斗裝置與傳統(tǒng)的Soxhlet提取器相比，前者提取時間短、成本低、節(jié)能、操作簡便、高效等優(yōu)點(diǎn)，適宜在實驗教學(xué)過程中使用。

3）從綠茶中提取天然咖啡因，用蒸餾水作溶劑，避免了污染。

綜上所述，與傳統(tǒng)的Soxhlet提取器相比，恒壓漏斗裝置具有時間短、高效、節(jié)能的特點(diǎn)，且用水作溶劑實現(xiàn)了提取過程的綠色化，用電熱套升華的效果比酒精燈更好，適用于各類茶葉中咖啡因的提取，具有推廣價值。

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Study on the Extraction of Natural Caffeine from Green Tea by Constant Pressure Funnel

CHEN Xiu-li，GAO Hai-rong，LI Xin-hong，CHENG Xiao-lan，SUN Hai-jie
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Zhengzhou Normal University，Zhengzhou 450044，Henan，China）

Abstract：This study extracted natural caffeine from green tea with distilled water as solvent.It was discovered the effect factor about the extraction yield of caffeine depended on the extraction time，the ratio of tea and water quality，the quantity of lime，the extraction device，the sublimation device and other factors.The experiment results showed：the extraction yield was 1.03 % when the extraction time was 1.5 hours，the ratio of tea and water quality was 1∶8 and the concentrated liquid lime dosage was 3.5 g.Compared with traditional Soxhlet extraction device，the constant pressure funnel device not only saved the cost and energy，but also had advantages of convenient operation and saving time；Using water as the solvent was to avoid the pollution which accorded with the idea of green chemistry；In addition，the sublimation effect of electric heating sleeve was obviously better than alcohol lamp.This method can be used in all kinds of tea caffeine extraction.

Key words：green tea；caffeine；distilled water；constant pressure funnel

DOI:10.3969/j.issn.1005-6521.2016.05.011

基金項目：河南省高校重點(diǎn)科研項目（15A150084）；河南省教育廳項目（2016-JSJYYB-154）

作者簡介：陳秀麗（1967—），女（漢），講師，碩士，主要從事食品方向的研究。

收稿日期：2015-12-03