超聲波乙醇法提取茶葉中咖啡因的實(shí)驗(yàn)研究*

陳婷婷，趙 軒，李勝楠

(武漢文理學(xué)院醫(yī)學(xué)院，湖北 武漢 430345)

咖啡因，是一種黃嘌呤生物堿化合物。臨床常用作中樞興奮藥，對(duì)心血管系統(tǒng)具有正性作用，還有促進(jìn)胃酸分泌、利尿及治療偏頭痛等藥用價(jià)值[1-2]?？Х纫蚱毡榇嬖谟诓枞~、咖啡等食品中。為了從茶葉中提取更多、更好的咖啡因，本文利用超聲波作用于液體介質(zhì)引起介質(zhì)振動(dòng)，造成植物細(xì)胞壁破裂，從而加速茶葉中的咖啡因溶解于溶劑中的特點(diǎn)，優(yōu)化得到最佳提取條件，為工業(yè)化咖啡因的提取提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材與試劑

FA2004電子天平，上海菁海儀器有限公司；KQ-250型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；SHZ-Ⅲ循環(huán)水真空泵，上海知信實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)有限公司；HH-21-4電熱恒溫水浴鍋，常州諾基儀器有限公司；Thermo iS50傅里葉變換紅外光譜儀；無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇、氧化鈣、石油醚、乙酸乙酯均為分析純，正山小種茶(紅茶)購(gòu)自普通超市(咖啡因含量約為茶葉干重的2%)。

1.2 提取方法

稱(chēng)6 g茶葉于燒杯中，加入適量乙醇，保鮮膜封口，放入超聲清洗儀中超聲，取出后放入恒溫水浴鍋中浸提一定時(shí)間。到達(dá)預(yù)定時(shí)間后取出，稍冷卻后開(kāi)始抽濾。將濾液轉(zhuǎn)至蒸餾裝置中進(jìn)行濃縮，濃縮至10 mL左右停止加熱。待冷卻后轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿中，加入4 g CaO在蒸氣浴上焙炒，去除乙醇和水分，炒制深綠色細(xì)沙狀物將蒸發(fā)皿移至電熱套中蓋上有孔濾紙，并倒扣上適合口徑大小的玻璃漏斗，在漏斗頸部塞上棉花。一段時(shí)間后，加熱升華至有白色針狀晶體析出，停止加熱。待冷卻后小心移開(kāi)濾紙，用藥匙刮下濾紙上的咖啡因結(jié)晶稱(chēng)重。若蒸發(fā)皿中有未完全取出的結(jié)晶，應(yīng)加入回收的乙醇使之溶解，重復(fù)上述結(jié)晶操作，再次結(jié)晶，合并兩次咖啡因結(jié)晶。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同浸提溫度對(duì)咖啡因提取量的影響

6 g茶葉，加入無(wú)水乙醇100 mL，在功率為250 W超聲條件下超聲5 min，之后分別在40、50、60、70、80 ℃溫度下浸提60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，浸提溫度在70～80 ℃時(shí)咖啡因提取量逐漸增加。溫度處于80 ℃時(shí)，咖啡因提取量最大。由于乙醇沸點(diǎn)為78.5 ℃，當(dāng)水浴溫度超過(guò)80 ℃[3]，乙醇會(huì)大量揮發(fā)，導(dǎo)致提取劑的量減少。因此最佳浸提溫度為80 ℃。

圖1 不同浸提溫度對(duì)咖啡因提取量的影響Fig.1 Effect of different extraction temperature on the extraction amount of caffeine

2.2 不同乙醇用量對(duì)咖啡因提取量的影響

除無(wú)水乙醇加入量不同，其他實(shí)驗(yàn)條件一致(加入量：50、100、150、200 mL)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，乙醇用量50～150 mL咖啡因的提取量先增加后減少。當(dāng)乙醇用量增加時(shí)，茶葉中除咖啡因以外的物質(zhì)溶于乙醇中，影響咖啡因的提取量。乙醇用量在150～200 mL時(shí)，咖啡因的提取量趨于穩(wěn)定。一定質(zhì)量的茶葉中咖啡因含量一定，當(dāng)完全溶出后將不再繼續(xù)溶出[4]，再增加乙醇用量則導(dǎo)致稀釋效應(yīng)而使提取量下降，故乙醇用量應(yīng)控制在100 mL為宜。

圖2 不同乙醇用量對(duì)咖啡因提取量的影響Fig.2 Effect of different ethanol dosage on caffeine extraction

2.3 不同浸提時(shí)間對(duì)咖啡因提取量的影響

除浸提時(shí)間改變，其余實(shí)驗(yàn)條件一致(t：15、30、45、60、75 min)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，當(dāng)浸提時(shí)間在15～45 min時(shí)，咖啡因的提取量趨于穩(wěn)定。浸提時(shí)間在45～75 min時(shí)，隨浸提時(shí)間的增加對(duì)咖啡因的提取量影響較大。45～60 min咖啡因提取量隨時(shí)間的增加而增大，60～75 min咖啡因提取量隨時(shí)間的增加而減少。當(dāng)浸提時(shí)間超過(guò)60 min，由于茶葉中的單寧、纖維素、水解生成的沒(méi)食子酸易與咖啡因生成難溶性鹽，使得咖啡因很難游離出來(lái)[5]，導(dǎo)致咖啡因提取率下降，故浸提時(shí)間不宜超過(guò)60 min。

圖3 浸提時(shí)間對(duì)咖啡因提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the amount of caffeine extracted

2.4 不同乙醇濃度對(duì)咖啡因提取量的影響

使用濃度為50%、60%、70%、80%、90%、無(wú)水的乙醇各100 mL提取，其他實(shí)驗(yàn)條件相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，咖啡因的提取量隨乙醇濃度的升高而增加。在濃度為50%的乙醇中咖啡因難以溶出，在60%～80%時(shí)，咖啡因的提取量緩慢增加，在90%～99.7%(無(wú)水乙醇)的乙醇中咖啡因的提取量顯著增加。在無(wú)水乙醇中，咖啡因的提取效果最好，提取量最大，為10 mg。

圖4 乙醇濃度對(duì)咖啡因提取量的影響Fig.4 Effect of ethanol concentration on caffeine extraction

2.5 不同超聲時(shí)間對(duì)咖啡因提取量的影響

除超聲時(shí)間改變，其余實(shí)驗(yàn)條件一致(超聲時(shí)間：5、10、15、20、25 min)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，超聲提取的前5 min，咖啡因提取量隨著超聲時(shí)間的增加而增加；超聲時(shí)間在5～10 min時(shí)咖啡因提取量顯著降低，10～15 min時(shí)咖啡因提取量逐漸增加但低于5 min提取的量。15～20 min時(shí)咖啡因提取量再次降低，20～25 min咖啡因提取量再次回升。當(dāng)改變超聲提取的時(shí)間時(shí)，咖啡因提取量成規(guī)律性變化，反復(fù)出現(xiàn)提取量先升高后降低的現(xiàn)象。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知5 min時(shí)咖啡因提取量最大，用時(shí)最短，因此實(shí)驗(yàn)超聲時(shí)間應(yīng)控制在5 min。

圖5 超聲時(shí)間對(duì)咖啡因提取量的影響Fig.5 Effect of ultrasound time on caffeine extraction

3 提取的咖啡因產(chǎn)品的物理鑒別、化學(xué)鑒別、薄層色譜與紅外光譜鑒別

經(jīng)升華后得到的物質(zhì)為白色針狀晶體(見(jiàn)圖6)，無(wú)臭，有風(fēng)化性。取本品的飽和水溶液5 mL，加碘試液5滴，不生成沉淀；再加稀HCl 3滴，生成紅棕色的沉淀，并能在稍過(guò)量的NaOH試液中溶解[6](見(jiàn)圖7)。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與《中國(guó)藥典》所述現(xiàn)象相符，初步判斷該提取物為咖啡因。

圖6 升華得到的咖啡因Fig.6 Sublimated caffeine

圖7 咖啡因化學(xué)鑒別Fig.7 Chemical identification of caffeine

用薄層色譜法[4]進(jìn)行物質(zhì)鑒別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8，咖啡因產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)品斑點(diǎn)位置一致，無(wú)拖尾且無(wú)其他雜質(zhì)斑點(diǎn)，Rf=0.41，證明供試品與標(biāo)準(zhǔn)品為同一物質(zhì)(展開(kāi)條件：石油醚∶乙酸乙酯∶甲醇=3∶5∶1)。

圖8 薄層色譜圖Fig.8 Thin layer chromatogram

使用紅外分光光度法對(duì)提取物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖9，提取物在3111 cm-1有吸收峰，為不飽和五元環(huán)上的C-H的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的弱吸收峰。2953 cm-1的峰為N-CH3結(jié)構(gòu)中C上的C-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰。由于N原子連接不同原子，故在1400～1500 cm-1處有四個(gè)C-H的變角振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰。在1701 cm-1有C2上C=O伸縮振動(dòng)的強(qiáng)吸收峰，1654 cm-1有C6上C=O伸縮振動(dòng)的強(qiáng)吸收峰。在1621 cm-1有C4=C5伸縮振動(dòng)產(chǎn)生中等強(qiáng)度吸收峰。在1548 cm-1有C8=N9伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰。在1240 cm-1、1385 cm-1為酰胺鍵上的C-N伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的中等強(qiáng)度吸收峰。在1024 cm-1有C4-N3伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的中等強(qiáng)度吸收峰。在744 cm-1有不飽和五元環(huán)上的C-H的變角振動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰。通過(guò)紅外光譜證實(shí)提取物為咖啡因，其結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖10。

圖9 提取物紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectra of extract

圖10 咖啡因結(jié)構(gòu)式Fig.10 Structural formula

4 結(jié) 論

本文以茶葉中咖啡因的提取量為參考指標(biāo)，在超聲乙醇提取法中，最佳提取條件為超聲5 min，無(wú)水乙醇提取劑用量為100 mL，浸提溫度為80 ℃，浸提時(shí)間為60 min，CaO用量為4 g。最高提取產(chǎn)量為10 mg，提取率為8.3%。此方法耗時(shí)短、易操作、無(wú)污染、效率高，具有很大的使用價(jià)值。