超声-微波协同萃取福建乌龙茶中咖啡碱的条件优化

王立升，刘小洁，曹家兴，刘旭

(广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004)

现代医学研究表明，乌龙茶中有益于健康的主要成分有茶多酚、咖啡碱、多糖、矿物质，氨基酸等［1］。咖啡碱(又名咖啡因)是一种黄嘌呤生物碱化合物，能够暂时驱走睡意并恢复精力［2］，是一种中枢神经兴奋剂。在一定范围内，咖啡碱对人体有强心、解毒、利尿等生理作用。

从茶叶中提取咖啡碱的方法有溶剂法、超临界CO2萃取法［3］、超声波提取法［4］、微波提取法［5］、索氏提取法等。这些方法费时、费工、效率低。本文用超声-微波协同萃取［6-7］茶叶中的咖啡碱，它充分结合了超声波及微波的优点，实现了对固体样品快速、高效、可靠的处理，成本相对也较低。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙醇、氯仿、二氯甲烷均为分析纯;纯净水;福建乌龙茶。

UV-T6 型紫外-可见分光光度计;XH-300UL 型电脑微波超声波紫外光组合催化合成仪;SHB-III 型台式循环水式多用真空泵;FA1104B 电子天平;SGWX-4 熔点仪;8400S 傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 实验方法

茶叶加入液氮脆化，在液氮挥发同时捣碎成粉末状，过60 目筛。准确称取10 g 茶叶粉，在微波功率400 W、微波时间4 min、溶剂70%乙醇、提取温度80 ℃时，超声-微波协同萃取2 次。合并提取液，抽滤，浓缩。加入氧化钙，高温升华，得咖啡碱粗品，重结晶，干燥，得咖啡碱纯品(平行做三组)。采用紫外分光光度法测定吸光度［8］。

2 结果与讨论

2.1 单因素优化

2.1. 1 提取次数 微波功率400 W、微波时间4 min、溶剂70% 乙醇、提取温度80 ℃、料液比1∶20 g/mL时考察提取次数对咖啡碱产率的影响，结果见表1。

表1 提取次数的影响Table 1 The effect of extraction times

由表1 可知，提取2 次茶叶中咖啡碱基本提取完全，到第三次时不升反降。所以，选择提取次数为2 次。

2.1.2 提取溶剂 在微波功率400 W、提取时间4 min、提取温度80 ℃下提取2 次、料液比1∶20 g/mL 时考察不同提取溶剂对茶叶咖啡碱产率的影响，结果见表2。

表2 溶剂对咖啡碱产率的影响Table 2 The effect of solvents for Caffeine yield

由表2 可知，氯仿作为提取溶剂，咖啡碱产量稍高于乙醇，但差别不大。考虑到氯仿有毒，又易挥发，散布于空气中，会对环境造成污染，对操作人员的健康带来危害。故选取乙醇作为提取溶剂。

2.1. 3 料液比 在提取时间4 min、提取温度80 ℃、提取溶剂80%乙醇、微波功率400 W 条件下提取2 次，考察料液比对产率的影响，结果见表3。

表3 料液比的影响Table 3 The effect of ratio of material to solvent

由表3 可知，料液比对咖啡碱产率有一定的影响，料液比≥1∶20 g/mL 时，咖啡碱产率没太大变化。为了节省溶剂，选择料液比1∶20 g/mL。

2.1.4 微波功率 在提取时间4 min、提取温度80 ℃、提取溶剂80%乙醇、料液比为1∶20 g/mL 条件下提取2 次，考察微波功率对产率的影响，结果见表4。

表4 微波功率的影响Table 4 The effect of microwave power

由表4 可知，随着微波功率的增大，咖啡碱产率增大，400 W 时达最高，＞400 W 时，咖啡碱产率减小。适宜微波功率为400 W。

2.1.5 提取时间 在微波功率400 W、提取温度80 ℃、提取溶剂70%乙醇、料液比为1∶20 g/mL 条件下提取2 次，考察提取时间的影响，结果见表5。

表5 提取时间的影响Table 5 The effect of extraction time

由表5 可知，咖啡碱产率随着时间增长而增加，≥3 min 时，咖啡碱已经差不多被提取出来，产率趋于稳定。所以选用微波作用时间4 min。

2.1.6 乙醇浓度 在微波功率400 W、提取时间4 min、提取温度80 ℃、料液比为1∶20 g/mL 条件下提取2 次，考察乙醇浓度的影响，结果见表6。

表6 乙醇浓度的影响Table 6 The effect of ethanol concentration

由表6 可知，乙醇浓度≥80%时，咖啡碱产率基本达到稳定。因此，选择浓度80%乙醇。

2.1.7 提取温度的影响 在微波功率400 W、提取时间4 min、提取溶剂80%乙醇、料液比1∶20 g/mL条件下提取2 次，考察提取温度的影响，结果见表7。

表7 提取温度的影响Table 7 The effect of extraction temperature

由表7 可知，随着温度升高，咖啡碱产率提高，80 ℃时达最高;＞80 ℃，产率下降。因为随着温度的升高，茶叶中无机物和其他高分子物质被提取出来，给咖啡碱的分离带来一定的难度。所以提取温度选择80 ℃。

2.2 正交实验

2.2.1 正交实验结果 由单因素实验可知，在提取次数2 次，提取溶剂是乙醇、料液比为1 ∶20 g/mL时，微波功率、提取温度、提取时间、乙醇浓度均对咖啡碱产率有较大影响，所以选取这4 个因素为考察因素，采用正交表L9(34)实验，因素水平见表8，结果见表9。

表8 因素和水平表Table 8 Factor and level table

表9 正交实验结果Table 9 Results of orthogonal experiment

由表9 可知，4 种因素对咖啡碱产率的影响程度大小依次为:微波功率＞提取时间＞乙醇浓度＞提取温度，最佳提取条件为:A2B2C3D3，即微波功率500 W，微波加热时间为4 min，乙醇浓度90%，提取温度90 ℃。

表10 方差分析表Table 10 Analysis of variance table

由表10 可知，微波功率影响显著，提取时间、乙醇浓度、提取温度影响不显著。

2.2.2 验证实验 根据正交最佳提取条件，提取乌龙茶中的咖啡碱，并对其提纯，所得咖啡碱为白色针状结晶，产率2.60%，证实了该提取方法的可靠性。

2.3 咖啡碱的表征

提纯咖啡碱为无色针状结晶，熔点(227±0.2)℃，数小时内保持原状，纯度(98 ±0.4)%，红外测定结果与标准谱图特征峰一致。

2.4 不同提取方法咖啡碱产率比较

热回流法［9］、索氏提取法［10］、微波法［11］、超声法［12］均为常见的茶叶中有效成分的提取方法，以上4 种方法均参考文献中的提取工艺对咖啡碱进行提取，超声-微波协同萃取则是采用正交优化提取工艺，各法咖啡碱产率见表11。

表11 不同提取方法咖啡碱得率比较Table 11 Comparation Caffeine yield by different extraction methods

由表11 可知，超声-微波协同萃取法的提取效率明显高于其他四法，热回流法提取效率最低，其次是索氏提取法，超声提取法和微波提取法差异不大，几种方法提取咖啡碱的结果与文献报道接近。

超声-微波协同萃取技术充分利用微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快，和超声波产生的强烈振动、空化效应、搅拌作用等特点，是一种较为理想的提取方法，具有高效、节能、简单、快速的优点。

3 结论

以粉碎过筛的乌龙茶为原料，进行超声-微波协同萃取咖啡碱，最佳条件为:微波功率500 W，微波加热时间4 min，乙醇浓度90%，提取温度90 ℃，提取2 次，咖啡碱产率2.60%。缩短了提取时间，提高了咖啡碱提取效率，是一种简便快速，值得推广的提取方法。

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