多种茶叶不同泡法茶水中咖啡因浓度的测定

胡孟宇 张云艳 席红霞 张婧

摘要：通过模拟生活中泡茶工艺，泡制白茶、铁观音、普洱茶、碧螺春、正山小种、高山云雾、西湖龙井及云南红茶多种茶叶水。在高效液相色谱仪上开发适用于分析茶水中咖啡因浓度的色谱方法，并用以检测上述各种茶水中咖啡因的浓度。结果表明，模拟泡茶a，经1小时浸泡白茶茶水中咖啡因含量较高，接近200mg·L-1，碧螺春其次，而正山小种的含量最低。模拟泡茶b，高山云雾、西湖龙井及云南红茶茶水中咖啡因浓度从一泡到六泡均呈下降趋势，且从一泡到二泡，下降趋势明显。模拟泡茶c，从一泡到六泡，普洱茶茶水中咖啡因的浓度总体上处于下降的趋势。

关键词： 茶水; 咖啡因; 模拟泡茶; 高效液相色谱; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2022）03-0076-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

中国是“茶之国”，喝茶已有四千多年的历史。茶叶中化学成分的研究始于1827年，人们在茶中发现嘌呤碱化合物，茶叶中的生物碱又以咖啡因为主，含量一般为2%～4%。咖啡因具有提神醒脑、兴奋中枢神经的作用[1]，摄入咖啡因的量非常关鍵，被分为不同等级[2]。鲁科版高中化学选修6《实验化学》教材中设置了“从茶叶中提取咖啡因”的探究实验，希望通过该实验帮助学生理解从茶叶中提取咖啡因的基本原理和方法，了解咖啡因的一般性质，并进一步熟悉萃取、蒸馏、升华等实验基本操作。但教材实验提取茶叶中咖啡因时用到的是有机溶剂，有一定毒性，且需要对提取液进行升华来测试茶叶的咖啡因含量，过程较繁琐[3];有文献采取水提法或者溶剂浸提法[4]。水提法既无法提取茶叶中全部咖啡因，又不能表示茶水中咖啡因含量，且对茶叶种类局限性很大，而溶剂浸提法则具有一定毒性[5]。可见用这些方法提取及分析茶叶中的咖啡因含量，不适宜作为中学生的实验活动。为了克服上述提取方式的缺点，本实验使用高效液相色谱仪作为提取和分析茶叶中咖啡因含量的手段，可以方便准确地获知各种茶水的咖啡因含量。此外，考虑到茶叶因种植地不同、采摘时间不同、制茶工艺不同（如手工炒制、发酵、半发酵等），可能所含咖啡因含量都会有所差异。而茶叶中的咖啡因总含量有别于人们饮茶过程中摄入的咖啡因量。人们在生活中积累的饮茶习惯差异及泡茶方法丰富多样，不同泡茶方法会影响饮茶过程中咖啡因的摄入量。为此，本实验通过模拟生活中不同泡茶方法，使茶叶中的咖啡因溶于茶水，然后分析茶水中咖啡因的浓度，所得结果可为了解人们日常饮茶过程中咖啡因摄入量提供一定的依据。

1 实验原理

茶叶中咖啡因的浸出： 由于咖啡因为水溶性，故茶叶泡在热水中会有咖啡因浸出，且浸泡时间不同咖啡因浸出量也不同，故本实验设计了对几种茶叶及不同泡茶方法的茶水中咖啡因的浓度进行探究。

实验使用高效液相色谱仪检测茶水中咖啡因浓度。高效液相色谱仪分离混合物的基本原理为色谱分离原理，即利用样品中各组分理化性质的差异，各组分在色谱柱中会不同程度地分配到互不相溶的两相中。当两相相对运动时，各组分在两相中能进行反复多次的重新分配，结果使样品得到分离。典型的高效液相色谱仪的结构系统如图1所示[6]。

通过高压泵，可以连续将贮液器中流动相按照一定流速及比例流过色谱柱;通过进样器，把样品注入测试系统。由于样品混合物中各组分的性质不同，在色谱柱内的移动速度不同而逐渐被分离。通过检测器检测，把被分离组分的电信号放大，记录仪将放大的电信号以图形形式记录下来，即得到组分的色谱峰。如图2所示，从开始进样到出现某组分色谱峰的顶点时为止所经历的时间，称为该物质保留时间，用Rt表示，常以分（min）为时间单位。由于不同物质在相同色谱条件洗脱会有不同的保留时间，故保留时间可作为定性分析依据;而色谱峰的面积与物质的浓度成正比，可作为定量分析的依据。

使用高效液相色谱法分析咖啡因时，首先要确定仪器色谱条件的建立，选择合适的色谱柱以及实验探索柱温、流动相流速、进样量、合适的流动相梯度等，以确保被测组分的色谱峰形较好，出峰时间较短且分离效果更好。

色谱峰面积与浓度的定量关系需通过外标法来确定。本实验采用外标法定量分析茶水中咖啡因浓度，即用咖啡因标准样品配制成六种浓度的标准系列，在与待测组分相同的高效液相色谱条件下，等体积进样，测量各峰的峰面积。用咖啡因标准样品的测试数据绘制谱峰面积与浓度关系的标准曲线，再由茶水样品测得咖啡因峰面积并应用标准曲线方程，可以求得茶水中的咖啡因浓度。

2 实验仪器与材料

2.1 实验仪器

Agilent1260高效液相色谱仪，电子天平，一次性注射器，针头式滤器（0.45μm×13mm），手持式移液器（200μL、 1.00mL、 5.00mL）

2.2 实验材料

市售（包装完好）： 白茶、铁观音、普洱茶、碧螺春、正山小种、高山云雾、西湖龙井、云南红茶;色谱级甲醇，浓度为200μg·mL-1的咖啡因标准样品，超纯水

2.3 咖啡因标准系列的溶液配制

分别移取浓度为200μg·mL-1的咖啡因标准样品50μL、 0.25mL、 0.50mL、 1.25mL、 2.50mL、 5.00mL，置于6个容量为5mL的容量瓶中并用超纯水定容，得到浓度为2μg·mL-1、 10μg·mL-1、 20μg·mL-1、 50μg·mL-1、 100μg·mL-1和200μg·mL-1的系列标准溶液，待测。

2.4 茶水样的制备

2.4.1 模拟泡茶a

室温下，用电子天平各称取3.00g白茶、铁观音、生普洱、碧螺春、正山小种，分别转移至500mL烧杯中，各加入300mL煮沸的超纯水，表面皿覆盖烧杯口，浸泡1h。用茶漏将茶水过滤，分别取1.00mL茶水于5mL容量瓶中，用超纯水定容体积至5.00mL。使用注射器取样，经0.45μm微孔滤膜过滤至液相色谱样品瓶中，待测。其中此茶水试样测试前稀释5倍。

2.4.2 模拟泡茶b

室温下，用电子天平各称取3.00g高山云雾、西湖龙井、云南红茶，分别转移至500mL烧杯中，各加入300mL煮沸的超纯水，表面皿覆盖烧杯口，浸泡10min。用茶漏将茶水过滤至500mL烧杯中，分别标记为高山云雾一泡试样、西湖龙井一泡试样、红茶一泡试样。过滤后茶叶重新放置于另一个500mL烧杯中，加入300mL煮沸的超纯水，表面皿覆盖烧杯口，浸泡10min。用茶漏将茶水过滤至500mL烧杯中，分别标记为高山云雾二泡试样、西湖龙井二泡试样、红茶二泡试样。重复上述操作，直至取到六泡茶水试样。将以上茶水试样分别移取2.50mL于5mL容量瓶中，用超纯水定容体积至5.00mL。用注射器将定容后试样取样，经0.45μm微孔滤膜过滤至液相色谱瓶中，待测。其中此茶水试样测试前稀释2倍。

2.4.3 模拟泡茶c

室温下，用电子天平称取3.00g生普洱，放入500mL烧杯中，加入300mL煮沸的超纯水，表面皿覆盖烧杯口，浸泡2min。用茶漏将茶叶过滤，茶水放置500mL烧杯中，标记为普洱茶一泡试样。过滤后茶叶放置于另一500mL烧杯中，加入300mL煮沸的超纯水，表面皿覆盖烧杯口，浸泡2min。用茶漏将茶叶过滤，茶水放置500mL烧杯中，标记为普洱茶二泡茶水试样。重复上述操作，直至取到六泡茶水试样。用注射器将一到六泡茶水试样取样，经0.45μm微孔滤膜过滤至液相色谱瓶中，待测。其中此茶水试样测试前未稀释。

3 实验内容

3.1 高效液相色谱条件建立

使用高效液相色谱法分析咖啡因时，多采用C18色谱柱[7]。本实验采用的色谱柱为Eclipse Plus C18 3.5μm，检测器波长设置为273nm[8]，柱温： 30℃，流速： 1.000mL·min-1，进样量： 2μL。经过对流动相水与甲醇体积比变化梯度的摸索，在表1所示流动相变化梯度下，色谱峰峰形较好，分析时间较短且能实现各茶叶水中咖啡因与杂质的良好分离。

3.2 咖啡因标准样品及茶水样品测试

根据上述建立的高效液相色谱条件，对六种不同浓度咖啡因标准样品及上述配制的茶水稀释后的试样分别进行测试。

4 结果与讨论

4.1 咖啡因保留时间

使用3.1所得高效液相色谱条件，对六种咖啡因标准样品进行测试，图2为浓度为100μg·mL-1咖啡因标准样品液相色谱图。

由该图可知，咖啡因保留时间Rt=7.63min，该保留时间为色谱分析茶水中咖啡因组分的定性测试依据。

4.2 咖啡因浓度标准曲线

在高效液相色谱仪上测定咖啡因标准样品得系列浓度与对应色谱峰面积数据如表2所示，绘制得到标准曲线如图3所示。

由图3所得，咖啡因其线性方程为： A=5.898c+2.646，相关系数r为0.9999，说明在2～200μg·mL-1浓度范围内，线性关系良好，可以作为标准曲线使用。

因此，稀释后茶水试样中咖啡因浓度c的计算式为

c=（A-2.646）/5.898（1）

原泡制茶水中咖啡因的浓度c0的计算式为

c0=n（A-2.646）/5.898（2）

（2）式中的n为茶水的稀释倍数。

4.3 模拟泡茶a茶水试样咖啡因的测定

分别将测得的五种茶叶高效液相色谱峰面积代入（2）式中，计算结果如表3所示。

在本实验泡制的茶水样品中，白茶的咖啡因浓度最高，接近200μg·mL-1，碧螺春次之，正山小种浓度最低为107.0μg·mL-1。实验表明，由这种泡茶法冲泡出的茶水中咖啡因浓度一般在100～200μg·mL-1之间。

考虑到对于大部分坐办公室的人员来说，茶叶冲泡比例为1g∶100mL的茶水已经是较高的比例了，即使每天饮用1000mL茶水，咖啡因总摄入量接近200mg，仍为低摄入量。

4.4 模拟泡茶b茶水试样咖啡因的测定

分别将所测的高山云雾茶、西湖龙井茶及红茶一泡至六泡茶水样品高效液相色谱峰面积代入（2）式中，计算结果如表4所示。

由三种茶水浓度变化趋势线可得，三种茶水试样，一泡茶水中高山云雾中咖啡因浓度最高，西湖龙井次之，云南红茶最低。二泡及之后茶水试样中咖啡因浓度下降明显，西湖龙井一泡与二泡茶水试样中咖啡因浓度差别最大。故日常饮茶过程中，若偏好咖啡因含量摄入，可以多饮用一泡茶水。若对咖啡因比较排斥，可将一泡茶水倾倒，饮用二泡及之后茶水。

4.5 模拟泡茶c茶水试样咖啡因的测定

分别将普洱茶一泡至六泡茶水样品所测的高效液相色谱峰面积代入（2）式中，计算结果如表5所示。

实验结果表明，从一泡到六泡，普洱茶茶水中咖啡因的浓度总体上处于下降的趋势。日常经验中，普洱茶比较耐泡，生普洱可以泡10次甚至更多。本实验中，六泡普洱茶水的咖啡因浓度仍有26.15μg·mL-1。

5 结语

科学探究是国际科学教育研究的热点，也是我国高中化学新课程改革的基本理念之一。在模拟不同冲泡茶水时，有多种因素会影响茶水中咖啡因的浓度。如从茶饼不同位置取用的茶叶咖啡因含量不同;泡茶时有小块茶叶附着在杯壁，影响冲泡效果，含量会略有差异。在本实验探究中，为了控制变量，冲泡比例统一为1g∶100mL。而事实上，不同茶叶的最佳冲泡比例也是不同的，而且有些茶水需要特定的温度的热水而不是沸水泡制，且品茶是需评价茶水的色、香、味等。若能把这些与测定茶水中的咖啡因结合起来，可以进一步丰富探究不同茶水中咖啡因浓度的实验活动。探究实验可以由学生自主设计、自主开展实验活动得出结果，以激发学生对科学探究的热情，培养学生的科学探究能力。

参考文献：

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[3]王磊主编. 普通高中化学课程标准实验教科书·实验化学[M]. 济南： 山东科技出版社，2004： 2.

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