五种从茶叶中提取咖啡因的方法比较研究

张 勇，马可望，张少敏，胡家尾，周 霞，付光学，付鹏飞

(湖北理工学院 化学与材料工程学院，湖北 黄石 435003)

咖啡因(caffeine)是存在于茶叶、咖啡、可可以及某些植物中的生物碱之一，化学名为1, 3, 7-三甲基-2，6-二氧嘌呤，其化学结构如图1所示。它呈弱碱性，味苦，为无色针状晶体，在100℃开始升华，能溶于氯仿、丙酮、乙醇和水。咖啡因是一种重要的医药工业原料，有兴奋神经中枢，消除疲劳的功效，能减弱酒精、烟碱、吗啡等物质的毒害，增加肾脏血流量，具有利尿和强身等作用[1]。茶叶中咖啡因的含量一般为2%～5%，另外还含有纤维素及11%～12%的单宁酸[2]。茶叶作为一种日常生活用品，从其中提取咖啡因是一个贴近学生生活并且能吸引学生兴趣的有机化学实验，目前的主要方法有水提法、醇提法、升华法、有机溶剂提取法，超声波震荡提取法等[3，4]。该实验耗时长，有一定的难度，为了在有机实验教学中提高实验的成功率，我们对实验方法、仪器、药品、试剂、产品产率和环保等方面进行了多角度的调研，采用无水乙醇提取-升华法、水提取-升华法和有机溶剂提取法等五种方法提取了咖啡因，比较和分析了它们的优缺点，以期为学生对实验方案的选择提供参考。

图1 咖啡因的结构简式

1 实验部分

1.1 实验仪器

恒压滴液漏斗，油浴锅，三角漏斗，研钵，蒸发皿，100mL单口圆底烧瓶，250mL单口圆底烧瓶，温度计，酒精灯，石棉网，球形冷凝管，直形冷凝管，尾接管，蒸馏头，电热套，XT-4显微熔点测定仪。

1.2 实验药品

市售散装茶叶，沸石，氧化钙，无水乙醇，碳酸钙，无水硫酸镁，石油醚，丙酮，二氯甲烷。

1.3 实验方法

1.3.1 方法一：无水乙醇提取-升华法 将棉花塞在恒压滴液漏斗颈部，然后装入10g研碎的茶叶[5，6]。在250ml圆底烧瓶内加入80 mL乙醇和少许沸石，油浴加热，使沸腾的乙醇蒸汽从恒压漏斗侧管上升，当被冷凝管冷凝的乙醇在提取器内达到一定高度时，调节恒压漏斗活塞，使冷凝液的滴入速度与其在恒压漏斗的放出速度一致。连续提取2h后停止加热。冷却后，将恒压滴液漏斗改换成蒸馏装置，蒸馏，直至瓶内剩10～15mL左右的墨绿色提取液为止。将残液趁热倾入蒸发皿中，加7～8g生石灰粉，用酒精灯微热，并用玻璃棒不断搅拌，控制温度不超过100℃，将其炒干，研细成颗粒状。将蒸发皿移至石棉网上加热，将一张刺有许多分布均匀小孔的圆滤纸盖在蒸发皿上，再罩上一只干燥的玻璃漏斗，漏斗颈部塞少许棉花，缓慢加热，使咖啡因升华。当滤纸上出现针状结晶时，调节酒精灯高度使升华速度尽可能减慢，以提高咖啡因纯度和收率。当玻璃漏斗出现棕色烟雾时，表示升华完毕，停止加热。待温度冷却至100℃以下，揭开漏斗和滤纸，收集滤纸上及漏斗内壁的咖啡因，称重，测熔点。

1.3.2 方法二 67%乙醇提取-升华法 为降低溶剂成本，本方法使用混合溶剂进行萃取。在乙醇与水组成的混合溶剂中，当V乙醇∶V水=2∶1时，咖啡因收率最高[7]，所以本实验将提取液换成67%的乙醇溶液，具体操作步骤和方法一相同，最后观察所得咖啡因颜色，称重，测熔点。

1.3.3 方法三：水提取-升华法 取10g茶叶，研细后用细纱布包裹，置于100mL单口圆底烧瓶中，再加入60mL水，用电加热套加热并使之煮沸20min.用纱布过滤出溶液，将茶叶重新装入单口圆底烧瓶中，再重新加入60mL水，加热煮沸20min，再过滤。如此往复提取8次，合并提取液，加入沸石，再置于加热套中蒸馏浓缩至15mL左右。加入7～8g氧化钙，剩下步骤与方法一相同[8]。

1.3.4 方法四：乙醇抽提结晶法 取10g茶叶，研细后加5g碳酸钙粉末和80mL水，用电加热套加热煮沸0.5h.过滤反应液，将所得滤液浓缩至原体积一半左右，再加适量碳酸钙粉末调成稠糊状，置于酒精灯上焙炒(温度不可过高)，并研细成砂粒状。用乙醇抽提上述砂粒状混合物，将所得溶液浓缩，自然结晶，即得到略带黄绿色粗品。再将粗品升华，则得到咖啡因白色晶体，称重，测熔点[9]。

1.3.5 方法五：二氯甲烷提取法 取10g研细的茶叶于250mL单口瓶中，加入120mL水，加热煮沸1h，稍冷后用纱布代替滤纸抽滤。在所得滤液中，加入约1/7体积的5% NaOH溶液。搅拌，将混合溶液转入分液漏斗中，分别用15mL二氯甲烷萃取四次，收集有机相，用无水硫酸镁干燥，过滤，蒸馏回收二氯甲烷。所得粗产品用尽可能用少量的丙酮溶解，控温80℃，向其中缓慢加入石油醚，直至溶液刚开始出现浑浊，冷却结晶，抽滤，得白色晶体，干燥称重，测熔点[10]。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

由五种从茶叶中提取咖啡因的方法所得到的粗产品和进一步升华后得到的纯品的实验结果见表1和表2.粗产品颜色为黄色或淡黄色，说明提取的咖啡因中混有其它的杂质。粗产品进一步升华后，都得到了白色晶体。薄层色谱分析显示它们在薄层层析板上都只有一个点，此外，它们熔点的均与文献报道的结果(234℃～236℃)相符，这说明粗产品经过升华后得到的都是咖啡因纯品，而且粗产品的回收率都比较高。

2.2 五种方法的比较

提取咖啡因的方法有多种，在实验室中提取咖啡因需要考虑很多的因素，如提取方法应该简单，步骤少，仪器要求低，试剂毒性小，操作方便，安全环保等等。我们采用了五种方法来提取咖啡因，通过比较分析，将每种方法优缺点小结如下：

表1 五种从茶叶中提取咖啡因的方法所得到的粗产品结果

表 2 粗产品进一步升华后得到咖啡因纯品结果

1)方法一是一种改进的实验方法，即以恒压滴液漏斗代替在实验室提取咖啡因时经常使用的索氏提取器[5，6]。索氏提取器易破损，和恒压滴液漏斗相比价格相对昂贵，因此这种方法在一定程度上节约了仪器的成本。此外，该方法实验时间相对较短，咖啡因的提取率较高，在实验方案的选择上具有较大的优势。由于提取的溶剂是乙醇, 且乙醇易燃、易挥发，和方法三水提取-升华法相比，方法一使用溶剂的成本较高。

2)方法二与方法一类似，仅将溶剂换成比例V乙醇∶V水=2∶1的混合溶液。这种方法可以看做第一种方法的改进。本实验的不足之处是在焙炒过程中，需要蒸走水分，延长了反应时间，而且要求控制好温度，防止咖啡因也被蒸出。方法二相对于方法一实验时间稍长，产率稍低，但成本低，而且产率在所允许的误差范围内，所以方法二更加适合工业生产。

3)方法三利用水溶解的方法，多次溶解和过滤，易于操作，安全性高，其缺点是实验耗时太长(6h)，作为传统的提取方法，收率一般。

4)方法四加入碳酸钙，可以破坏茶叶的叶肉细胞和组织，增加咖啡因的溶解量。通过对比实验数据发现此种方法收率较低，可能是用乙醇抽提和乙醇重结晶损失了较多的产品。

5)方法五采用有机溶剂提取法，得到的咖啡因纯度较高，但此种方法收率最低，可能是由于结晶损失了很多的产品。此外，二氯甲烷、丙酮、石油醚这些有机溶剂都易挥发，和乙醇相比毒性较大，会对环境造成污染，在操作过程中不可避免地对操作人员的健康带来危害。

3 结论

综合以上分析，在实验中使用相同质量的茶叶,由于提取方法不同,其得到咖啡因的量不同。本文所采用的五种方法都各有优缺点，作为大学有机化学实验教学中提取天然产物的实验，适合学生自主选择各种不同的方法。但从产率、实验时间、环保和仪器要求等方面综合考察，方法一是较理想的实验方法。

参考文献:

[1]程嘉豪, 张 萍.茶叶副产品综合利用[J].化工时刊, 1994, (4): 13～14.

[2]王清廉.有机化学实验(第三版) [M] .北京: 高等教育出版社, 2010.

[3]刘俊武.从茶叶中提取天然咖啡因技术综述[J].云南化工, 1998, (4): 10～13.

[4]刁晓菊, 高 峰.从茶叶中提取咖啡因不同实验方法对照研究[J].徐州医学院学报,2010, 30(3): 165～166.

[5]吕守茂, 祝 巨, 俞远志, 等.茶叶中提取咖啡因实验装置的改进[J].实验室研究与探索, 2009, 5(28): 32～33.

[6]尤秀丽, 林 璇.从茶叶中提取咖啡因实验方法的改进[J].漳州师范学院学报(自然科学版)，2012, (3): 73～76.

[7]王 辉.茶叶中提取咖啡因改进研究[J].科技信息, 2011, 27: 7～8.

[8]张 龚, 杨一思, 田志新.从茶叶中提取咖啡因实验的绿色化改进[J].中学化学教学参考, 2011 (9)：42～43.

[9]李 琴.从茶叶中绿色提取咖啡因的方法探讨[J].湖北林业科技, 2011, 4: 29～31.

[10]盛贻林.茶叶中咖啡因提取实验方法的比较及改进[J].生物学杂志, 2007, 24(1): 75～76.