微波辅助循环萃取法脱除茶叶咖啡因研究

李 婧，娄在祥，王洪新

（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

微波辅助循环萃取法脱除茶叶咖啡因研究

李 婧，娄在祥，王洪新*

（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

探讨了利用微波辅助萃取技术高选择性脱除茶叶中咖啡因的新方法，在料液比1∶50，微波功率160W，微波时间6min的条件下，以沸水为溶剂，咖啡因脱除率高达80.56%，茶多酚损失率为40.16%。优化工艺以茶叶萃取液为溶剂，采用循环萃取的方式，则可以控制茶多酚损失率降至12%。进一步探索性尝试4℃冷藏静置12h的方法进行萃取液循环利用，促使咖啡因以络合物的形式沉淀、脱除。在最优条件下，连续生产茶叶9批次后仍可保持47.02%的脱除率，并且茶多酚的损失率小于11.74%。

咖啡因，茶多酚，微波，循环萃取

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶叶 无锡市茶叶品种研究所有限公司。

微波炉 飞利浦公司；2100型﹠UV-2100型分光光度计 尤尼柯上海仪器有限公司；101-2型电热鼓风干燥箱 上海浦东荣丰科学仪器有限公司；BCW201恒温浴锅 上海贝凯生物化工设备有限公司；电子分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 脱除工艺流程

1.2.2 最佳萃取工艺参数选择

1.2.2.1 料液比的影响 取茶叶5g，分别按料液比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50加入50、100、150、200、250mL沸水，于微波功率为160W下萃取12min，过滤留茶叶，于50℃常压干燥箱中烘干至恒重。测定咖啡因含量，计算脱除率；测定茶多酚的含量，计算损失率。

1.2.2.2 微波功率的影响 取茶叶5g，按料液比1∶50加入250mL沸水，分别于微波功率为160、350、500、750W下萃取12min，过滤留茶叶，于50℃常压干燥箱中烘干至恒重。测定咖啡因含量，计算脱除率；测定茶多酚的含量，计算损失率。

1.2.2.3 微波时间的影响 取茶叶5g，按料液比1∶50加入250mL沸水，于微波功率为160W下分别萃取6、8、10、12min，过滤留茶叶，于50℃常压干燥箱中烘干至恒重。测定咖啡因含量，计算脱除率；测定茶多酚的含量，计算损失率。

1.2.3 冷藏沉淀时间的影响 取茶叶10g，加入沸水300mL，于功率160W、12min条件下微波萃取，过滤，留萃取液作为母液。以该母液为溶剂，在最佳条件下对5g茶叶进行微波萃取，过滤、烘干即为产品茶。母液置于4℃冰箱中冷藏静置，一定时间后，其中一部分咖啡因会与茶多酚等物质以络合物的形式沉淀下来[12-14]，回至室温后，取上清液作为下一批茶叶的母液。依此方法，萃取液可以多次循环使用。

设计冷藏时间分别为0、4、8、12、16h的五个处理，通过对连续三批产品茶中咖啡因与茶多酚含量的分析，选择出冷藏沉淀效果最佳的时间。

1.2.4 生产批次的影响 参照微波辅助萃取最佳工艺参数、冷藏沉淀最佳时间，循环使用母萃取液连续生产茶叶9批次，烘干后测定咖啡因含量，计算脱除率；测定茶多酚的含量，计算损失率，考察生产批次的增多是否可以对提高脱除率与控制损失率做出贡献。

1.3 测定方法与指标

1.3.1 测定方法 茶多酚和咖啡因的含量分别采用国标法中酒石酸亚铁法[15]和紫外分光光度法[16]测定。

1.3.2 分析指标 咖啡因脱除率指每100g干茶中咖啡因脱除量的百分率；茶多酚损失率指每100g干茶叶中茶多酚损失量的百分率。计算公式如下：

咖啡因脱除率（%）=（1-处理后试样中咖啡因含量/原茶叶样品中咖啡因含量）×100%

茶多酚损失率（%）=（1-处理后试样中茶多酚含量/原茶叶样品中茶多酚含量）×100%

2 结果与分析

2.1 最佳萃取工艺参数选择

2.1.1 料液比的影响 取茶叶5g，分别按料液比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50加入50、100、150、200、250mL沸水，于微波功率为160W下萃取12min，结果见图1。

图1 料液比对脱除效果的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the removal

结果表明，随着料液比的加大，茶叶中可溶性物质的溶出总量显著增加，其中咖啡因脱除率随之增大，最低45.32%，最高达86.17%；茶多酚损失也随之升高，最低22.76%，最高达62.28%。因此从提高咖啡因脱除效果考虑，选择料液比为1∶50合适。

2.1.2 微波功率的影响 取茶叶5g，按料液比1∶50加入250mL沸水，分别于微波功率为160、350、500、750W下萃取12min，结果见图2。

图2 微波功率对脱除效果的影响Fig.2 Effect of microwave power on the removal

结果表明，微波功率对萃取效果有一定的影响，咖啡因与茶多酚的溶出随功率的减小而增多。从750W到160W，咖啡因脱除率由77.86%提高至86.17%，茶多酚损失率由55.18%提高至62.28%。因此从提高咖啡因脱除效果考虑，选择微波功率为160W合适。

微波功率较大时热量提供过剩，溶剂水蒸发沸腾剧烈，导致料液比减小，萃取效果下降；而功率较小时微波提供的热量恰好保持溶液微沸，促使茶叶中可溶性物质的迁移，尤其是咖啡因的充分溶出，由此萃取效果提升。

2.1.3 微波时间的影响 取茶叶5g，按料液比1∶50加入250mL沸水，于微波功率为160W下分别萃取6、8、10、12min，结果见图3。

结果表明，随着微波时间的延长，咖啡因脱除率略有增加，6min和12min时分别为80.56%和86.17%，仅提高了5.61%；但是茶多酚的损失却显著升高，6min和12min时分别为40.16%和62.28%，增大了22.12%；后者增量约是前者增量的4倍。因此从咖啡因脱除效果与茶多酚保留效果结合考虑，选择微波时间为6min即可。同时说明在沸水萃取中，咖啡因溶出速率大于茶多酚的溶出速率，这与前者易溶于沸水而后者易溶于温水的事实相符合。

图3 微波时间对脱除效果的影响Fig.3 Effect of microwave time on the removal

综上所述，应用于微波辅助循环萃取法脱除茶叶中咖啡因的最佳工艺参数组合为：料液比1∶50、微波功率160W、微波时间6min。

2.2 微波辅助循环萃取法脱除咖啡因

2.2.1 母液制作 取茶叶10g，按料液比1∶30加入300mL沸水，于微波功率160W下萃取12min后取出过滤，保留萃取液为母液。

2.2.2 产品茶生产 取茶叶5g，按料液比1∶50加入250mL温度为98℃以上的母液，于微波功率为160W下萃取6min后取出过滤。将茶叶置于50℃的常压干燥箱中烘干，作为第一批产品茶，采用国标方法测定咖啡因含量，计算脱除率；测定茶多酚的含量，计算损失率。同时继续保留萃取液作为第二批处理用母液。

将该母液静置于4℃的冰箱中冷藏一定时间，使其自然沉淀。之后取出静置，回至室温后取上清液为母液，以同样的方法生产第二批产品茶并测定。第三批同第二批，依此类推。

2.2.3 冷藏沉淀时间的影响 实验研究发现，在0℃左右非冻结情况下，萃取出的茶汤呈不透明柠檬黄色乳状液体，沉淀为黄棕色油状物质，成分应为咖啡因与茶多酚等的络合物；取冷藏放置12h的茶汤中产生的沉淀，干燥，测定，发现沉淀中咖啡因的平均含量为16.20%。

在一定时间范围内，冷藏静置出的沉淀总量随时间的延长而增多，过久则不会再有新的沉淀生成；沉淀总量的多少可能会影响后续母液对产品茶中咖啡因的脱除率和茶多酚等的损失率。为此，探讨了冷藏沉淀时间对咖啡因脱除效果的影响，结果见表1。

由表1可以看出，第一批次的平均脱除率55.17%；随着沉淀时间的延长，在0~16h范围内，第一批以后的产品茶咖啡因脱除率逐渐提高，其中第二批次由37.73%提高至51.49%，增长了13.76%；第三批次由30.13%提高至48.25%，增长了18.12%。这种脱除率随沉淀时间延长而增大的现象，正是由于咖啡因等络合形成的沉淀物总量随时间延长而逐渐增多所致。并且在前12h，咖啡因脱除率的增长一直很快，超过12h后，增长不再明显。

表1 冷藏沉淀时间对脱除效果的影响Table 1 Effect of frozen precipitation time on the removal

第一批次产品茶的茶多酚的损失率平均为18.33%，这与基础实验中以水作为溶剂时的40.16%相比有了很大的下降，达21.83%，说明茶叶萃取液作为溶剂可有效保护茶多酚并减少其流失；随着沉淀时间的延长，在0~16h范围内，第一批以后的产品茶茶多酚损失率逐渐加大，其中第二批次由12.91%增大至16.90%，加大了3.99%；第三批次由10.62%增大至13.81%，加大了3.19%。这说明茶多酚是与咖啡因一同沉淀下来的，且12h之后茶多酚的损失情况较12h之前稍为显著。

综合时间因素、咖啡因脱除情况与茶多酚损失变化考虑，对萃取母液冷藏沉淀时间的选择以12h较为适宜。

2.2.4 生产批次的影响 与上述同理制作母液，按料液比1∶50、微波功率为160W、微波时间6min的最佳工艺参数处理茶叶，以12h的冷藏沉淀时间为准，循环使用同一母液连续生产茶叶9批次，结果见表2。

表2 生产批次对脱除效果的影响Table 2 Effect of production batches on the removal

从表2可以看出，前三批产品茶的咖啡因脱除率与茶多酚损失率下降皆较快，尤其是茶多酚损失率由19.42%降至12.27%，证实了连续使用萃取液对控制茶多酚损失做出的贡献，从第三至第九批，茶多酚损失率变化较小，为11%~13%；咖啡因脱除率均能够保持在47%~49%，无明显下降，因此，经过冷藏沉淀后，萃取液能够循环多次使用，并保持高选择性的脱除效果，该工艺操作简易，不添加有机溶剂，保证了安全性，有利于连续性工业化生产。

3 结论

本研究根据多次测定的结果，得到了以沸水为溶剂微波辅助萃取脱除茶叶中咖啡因的最佳工艺参数，即在料液比1∶50、微波功率160W、微波时间6min的条件下，咖啡因的脱除率最高可以达到80.56%，同时茶多酚损失率为40.16%。

通过优化工艺，以茶叶萃取液作为新溶剂，采用微波辅助萃取的方式，在不破坏茶叶品质的前提下有效脱除咖啡因；能够显著降低茶多酚等其他有效成分的损失，保持茶叶的营养、保健功能。同时尝试采取4℃冷藏沉淀12h的方法，将萃取液中的咖啡因以络合物形式沉淀脱除，促使母液循环多次利用。在此条件下连续生产茶叶达9批次后仍可保持近50%的咖啡因脱除率，且茶多酚的低损失率低于13%。萃取液能够循环多次使用，高选择性脱除咖啡因，这对工业化连续性生产也颇为适宜。对于如何在低温条件下加速咖啡因的络合反应，缩短沉淀时间，有待进一步的实验研究。

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[15]中华人民共和国国标GB/T 8313-2002[S].

[16]中华人民共和国国标GB/T 8312-2002[S].

Study on removal of caffeine from tea with microwave-assisted cycle extraction

LI Jing，LOU Zai-xiang，WANG Hong-xin*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

A new method was proposed to selectively remove caffeine from green tea leaf.When the solid to solvent ratio was 1∶50（g∶mL），using water as solvent，the removal yield of caffeine was 80.56%and the loss of total phenolics was 40.16%under a microwave power of 160W for a processing time of 6min.The tea extract was used as new solvent to remove caffeine for the first time.The results indicated that the removal yield of total phenolics was decreased to 12%.Moreover，it was found that，after an interval time of 12h，the caffeine could be removed by sedimentation effect from tea extract，and the tea extract could be used repeatedly for removal of caffeine from many batches of tea leaf.When the tea extract was used for processing the ninth batch of tea leaf，the removal yield of caffeine was still as high as 47.02%，while the removal yield of total phenolics was decreased to 11.74%.

caffeine；tea polyphenol；microwave；cycle extraction

TS201.1

B

1002-0306（2012）07-0294-04

茶叶富含多种营养成分，茶多酚占茶叶干重的30%左右，其抗氧化、降血糖、抗肿瘤等功效已被广泛认识[1-3]。咖啡因是茶叶中主要生物碱，占干重的2%~4%，药理功能主要有兴奋中枢神经系统、助消化、利尿、松弛平滑肌等[4-5]，过量摄入对高血压、心脏病患者、老人、孕妇等颇为不利[6-7]。茶叶脱除咖啡因技术对于满足特殊人群需要，开拓茶产品市场具有重要意义。日本学者有关茶叶脱咖啡因技术的研究始于20世纪80年代，近年来国内学者也开始了对低咖啡因茶叶开发的研究。传统脱除咖啡因的技术主要有水脱除、溶剂萃取、吸附分离和超临界CO2萃取，新型技术包括微生物降解、酶法降解、培育低因茶树等[8-9]。其中Liang等[10]发现热水浸泡法的咖啡因脱除率达83%，但仅适合于鲜叶和杀青叶，且其它成分的损失对成品风味造成不利影响；溶剂萃取法与吸附分离法多应用于茶叶提取液中咖啡因的脱除，其中三氯甲烷、乙酸乙酯等的使用对产品安全性提出质疑；超临界萃取法是近年发展起来的新型分离技术，周海滨[11]等优化后的超临界CO2法咖啡因脱除率达83%~96%，安全性好，但是设备成本高不利于工业化推广；其余新型技术尚未成熟。本实验在传统水脱除法的基础上，利用微波辅助萃取，更有利于咖啡因的溶出，首次采取茶叶萃取液作为溶剂，控制茶多酚等多种成分保持较小的损失。同时探索性尝试4℃冷藏沉淀法脱除咖啡因以促进萃取液的循环利用，与其他诸如有机溶剂萃取法、沉淀法、吸附分离法相比，易于推广、安全性高，期望能够为“低因高酚”茶叶生产提供新思路。

2011－07－18 *通讯联系人

李婧（1990-），女，本科生，研究方向：食品质量与安全。