超声波乙醇法提取茶叶中咖啡因的实验研究*

陈婷婷，赵 轩，李胜楠

(武汉文理学院医学院，湖北 武汉 430345)

咖啡因，是一种黄嘌呤生物碱化合物。临床常用作中枢兴奋药，对心血管系统具有正性作用，还有促进胃酸分泌、利尿及治疗偏头痛等药用价值[1-2]。咖啡因普遍存在于茶叶、咖啡等食品中。为了从茶叶中提取更多、更好的咖啡因，本文利用超声波作用于液体介质引起介质振动，造成植物细胞壁破裂，从而加速茶叶中的咖啡因溶解于溶剂中的特点，优化得到最佳提取条件，为工业化咖啡因的提取提供理论依据。

1 实 验

1.1 实验器材与试剂

FA2004电子天平，上海菁海仪器有限公司；KQ-250型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；SHZ-Ⅲ循环水真空泵，上海知信实验仪器技术有限公司；HH-21-4电热恒温水浴锅，常州诺基仪器有限公司；Thermo iS50傅里叶变换红外光谱仪；无水乙醇、无水甲醇、氧化钙、石油醚、乙酸乙酯均为分析纯，正山小种茶(红茶)购自普通超市(咖啡因含量约为茶叶干重的2%)。

1.2 提取方法

称6 g茶叶于烧杯中，加入适量乙醇，保鲜膜封口，放入超声清洗仪中超声，取出后放入恒温水浴锅中浸提一定时间。到达预定时间后取出，稍冷却后开始抽滤。将滤液转至蒸馏装置中进行浓缩，浓缩至10 mL左右停止加热。待冷却后转入蒸发皿中，加入4 g CaO在蒸气浴上焙炒，去除乙醇和水分，炒制深绿色细沙状物将蒸发皿移至电热套中盖上有孔滤纸，并倒扣上适合口径大小的玻璃漏斗，在漏斗颈部塞上棉花。一段时间后，加热升华至有白色针状晶体析出，停止加热。待冷却后小心移开滤纸，用药匙刮下滤纸上的咖啡因结晶称重。若蒸发皿中有未完全取出的结晶，应加入回收的乙醇使之溶解，重复上述结晶操作，再次结晶，合并两次咖啡因结晶。

2 结果与讨论

2.1 不同浸提温度对咖啡因提取量的影响

6 g茶叶，加入无水乙醇100 mL，在功率为250 W超声条件下超声5 min，之后分别在40、50、60、70、80 ℃温度下浸提60 min，实验结果见图1，浸提温度在70～80 ℃时咖啡因提取量逐渐增加。温度处于80 ℃时，咖啡因提取量最大。由于乙醇沸点为78.5 ℃，当水浴温度超过80 ℃[3]，乙醇会大量挥发，导致提取剂的量减少。因此最佳浸提温度为80 ℃。

图1 不同浸提温度对咖啡因提取量的影响Fig.1 Effect of different extraction temperature on the extraction amount of caffeine

2.2 不同乙醇用量对咖啡因提取量的影响

除无水乙醇加入量不同，其他实验条件一致(加入量：50、100、150、200 mL)。实验结果见图2，乙醇用量50～150 mL咖啡因的提取量先增加后减少。当乙醇用量增加时，茶叶中除咖啡因以外的物质溶于乙醇中，影响咖啡因的提取量。乙醇用量在150～200 mL时，咖啡因的提取量趋于稳定。一定质量的茶叶中咖啡因含量一定，当完全溶出后将不再继续溶出[4]，再增加乙醇用量则导致稀释效应而使提取量下降，故乙醇用量应控制在100 mL为宜。

图2 不同乙醇用量对咖啡因提取量的影响Fig.2 Effect of different ethanol dosage on caffeine extraction

2.3 不同浸提时间对咖啡因提取量的影响

除浸提时间改变，其余实验条件一致(t：15、30、45、60、75 min)。实验结果见图3，当浸提时间在15～45 min时，咖啡因的提取量趋于稳定。浸提时间在45～75 min时，随浸提时间的增加对咖啡因的提取量影响较大。45～60 min咖啡因提取量随时间的增加而增大，60～75 min咖啡因提取量随时间的增加而减少。当浸提时间超过60 min，由于茶叶中的单宁、纤维素、水解生成的没食子酸易与咖啡因生成难溶性盐，使得咖啡因很难游离出来[5]，导致咖啡因提取率下降，故浸提时间不宜超过60 min。

图3 浸提时间对咖啡因提取量的影响Fig.3 Effect of extraction time on the amount of caffeine extracted

2.4 不同乙醇浓度对咖啡因提取量的影响

使用浓度为50%、60%、70%、80%、90%、无水的乙醇各100 mL提取，其他实验条件相同。实验结果见图4，咖啡因的提取量随乙醇浓度的升高而增加。在浓度为50%的乙醇中咖啡因难以溶出，在60%～80%时，咖啡因的提取量缓慢增加，在90%～99.7%(无水乙醇)的乙醇中咖啡因的提取量显著增加。在无水乙醇中，咖啡因的提取效果最好，提取量最大，为10 mg。

图4 乙醇浓度对咖啡因提取量的影响Fig.4 Effect of ethanol concentration on caffeine extraction

2.5 不同超声时间对咖啡因提取量的影响

除超声时间改变，其余实验条件一致(超声时间：5、10、15、20、25 min)。实验结果见图5，超声提取的前5 min，咖啡因提取量随着超声时间的增加而增加；超声时间在5～10 min时咖啡因提取量显著降低，10～15 min时咖啡因提取量逐渐增加但低于5 min提取的量。15～20 min时咖啡因提取量再次降低，20～25 min咖啡因提取量再次回升。当改变超声提取的时间时，咖啡因提取量成规律性变化，反复出现提取量先升高后降低的现象。由实验结果可知5 min时咖啡因提取量最大，用时最短，因此实验超声时间应控制在5 min。

图5 超声时间对咖啡因提取量的影响Fig.5 Effect of ultrasound time on caffeine extraction

3 提取的咖啡因产品的物理鉴别、化学鉴别、薄层色谱与红外光谱鉴别

经升华后得到的物质为白色针状晶体(见图6)，无臭，有风化性。取本品的饱和水溶液5 mL，加碘试液5滴，不生成沉淀；再加稀HCl 3滴，生成红棕色的沉淀，并能在稍过量的NaOH试液中溶解[6](见图7)。上述实验现象与《中国药典》所述现象相符，初步判断该提取物为咖啡因。

图6 升华得到的咖啡因Fig.6 Sublimated caffeine

图7 咖啡因化学鉴别Fig.7 Chemical identification of caffeine

用薄层色谱法[4]进行物质鉴别。实验结果见图8，咖啡因产品与标准品斑点位置一致，无拖尾且无其他杂质斑点，Rf=0.41，证明供试品与标准品为同一物质(展开条件：石油醚∶乙酸乙酯∶甲醇=3∶5∶1)。

图8 薄层色谱图Fig.8 Thin layer chromatogram

使用红外分光光度法对提取物进行结构鉴定，测定结果见图9，提取物在3111 cm-1有吸收峰，为不饱和五元环上的C-H的伸缩振动产生的弱吸收峰。2953 cm-1的峰为N-CH3结构中C上的C-H伸缩振动产生的强吸收峰。由于N原子连接不同原子，故在1400～1500 cm-1处有四个C-H的变角振动产生的吸收峰。在1701 cm-1有C2上C=O伸缩振动的强吸收峰，1654 cm-1有C6上C=O伸缩振动的强吸收峰。在1621 cm-1有C4=C5伸缩振动产生中等强度吸收峰。在1548 cm-1有C8=N9伸缩振动产生的强吸收峰。在1240 cm-1、1385 cm-1为酰胺键上的C-N伸缩振动产生的中等强度吸收峰。在1024 cm-1有C4-N3伸缩振动产生的中等强度吸收峰。在744 cm-1有不饱和五元环上的C-H的变角振动产生的强吸收峰。通过红外光谱证实提取物为咖啡因，其结构式见图10。

图9 提取物红外光谱图Fig.9 Infrared spectra of extract

图10 咖啡因结构式Fig.10 Structural formula

4 结 论

本文以茶叶中咖啡因的提取量为参考指标，在超声乙醇提取法中，最佳提取条件为超声5 min，无水乙醇提取剂用量为100 mL，浸提温度为80 ℃，浸提时间为60 min，CaO用量为4 g。最高提取产量为10 mg，提取率为8.3%。此方法耗时短、易操作、无污染、效率高，具有很大的使用价值。