池州石台夏秋茶叶中咖啡因的提取工艺研究

卞紫琦， 郭 军，，李翠红

（1.宿州学院 生物与食品工程学院，安徽 宿州 234000；2.天方茶业股份有限公司，安徽 池州 245100）

夏秋季节日照强烈，光照时间较长，气温较高，雨水充足，茶叶产量极高，茶树一年可萌发5 次新梢，其中夏秋茶产量占总产量的60%[1]。因此，夏秋茶资源非常丰富。近年来，随着经济发展水平提高，消费者消费能力增长较快，夏秋茶青叶由于含单宁物质较高，利用率越来越低。夏秋茶虽然资源丰富、产量较高，但产值却非常低。以春茶为主要原料的茶产品产量虽然只占全年茶叶总产量的20%左右，产值却占茶叶总产值的80%[2-3]。主要原因有以下几个方面[4-6]：①夏秋茶的单宁含量较高，单宁具有较重的苦味，是影响茶业品质最主要因素；②夏秋季茶树芽叶分化时间短，容易老化；③茶叶采收人工成本高；④加工技术单一化，制成的茶叶香味淡薄，苦涩味重，市场价值低，加上销售渠道少，多数夏秋茶茶产品无利可图[7]。因此，茶农采摘积极性不高，仅少量采收甚或不采，导致大量夏秋茶叶枯死老化，造成茶叶资源较大浪费。如果通过现代技术将夏秋茶开发成衍生品，或提取夏秋茶叶中有效活性成分，制作成营养保健产品，可有效提高夏秋茶资源的市场价值[8-10]。搞好夏秋茶开发，提高整个茶叶生产工业化水平、促进茶叶产业升级；对于提高茶叶生产整体效益、增加茶农收入、推动茶叶产业健康发展具有重要意义。

咖啡因（C8H10N4O2）作为一种嘌呤类生物碱，其化学名是1,3,7 -三甲基黄嘌呤或3,7 -二氢-1,3,7三甲基-1H -嘌呤-2,6 -二酮，分子量为194.19。咖啡因在药物学方面的作用是影响人类的大脑皮层、延髓和脊髓，同时还会刺激心肌，增加人的呼吸速度及深度，促进肾上腺髓质释放人体的肾上腺素[11-13]。

咖啡因存在于人们的日常饮品中，如茶叶、咖啡、可可饮料及巧克力等饮料中。咖啡因可刺激机体的中枢神经系统，具有促进人体新陈代谢和血液循环、消除疲劳、调节胃肠道功能等作用。同时，也是复方阿司匹林与复方金刚烷胺等药物的成分之一[14]。此外，多项研究表明，人体适当摄取咖啡因还可以预防某些疾病的发病率，如阿尔兹海默病、糖尿病及早产儿支管肺炎等疾病[15]。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器

（1）试剂。乙醇、碳酸钠、硫酸、乙酸钠、乙醚、石油醚、正丁醇、氯仿，均为分析纯，上海国药集团提供；茶业，池州天方茶业有限公司提供。

（2）仪器。R201D 型旋转蒸发器，上海菁海仪器公司产品；WD750B 型微波炉，格兰仕电器公司产品；SYC-15 型恒温水浴锅，江苏正基仪器有限公司产品；WK-150A 型超微粉碎机，上海辰华仪器有限公司产品；FTIR 8700 型傅里叶变换红外光谱仪，Thermo Nicolet 公司产品。

1.2 试验步骤

1.2.1 工艺流程

夏秋茶粉末→回流→获得粗液→烘干→结晶→咖啡因结构鉴定→称量。

夏秋茶破壁，称取5.00 夏秋茶放置研钵中进行研磨，然后经过筛子进行筛选，得到茶叶粉末。

1.2.2 咖啡因的提取

（1）咖啡因的回流提取。①取25 mL 的试管，将滤纸卷在试管上，滤纸底部向下折叠（注：底部需要压实，以免茶叶粉末漏出造成虹吸管堵塞）。将茶叶粉末倒入滤纸套中，滤纸套的上部稍向下折，以便从上方冷凝的乙醇溶液顺利滴下，与茶叶充分接触。将滤纸套放入索氏提取器中，用镊子调整位置（注：对比滤纸套的高度不应超过虹吸管）。②用量筒量取一定量的无水乙醇溶液倒入圆底烧瓶中（加入几粒沸石），安装好提取装置。③打开水浴锅，对装置进行水浴加热。当乙醇溶液开始沸腾时，升起的气态乙醇经冷凝后从上部滴下，当液体达到虹吸管高度时会产生虹吸现象。由于茶叶中仍有叶绿素的残留，因此提取液经浸泡后呈深绿色。当经过多次虹吸后，提取液颜色已经较浅时，立即停止加热。

（2）咖啡因的粗液提取。向圆底烧瓶中加入几粒人工沸石，将提取装置转为蒸馏装置，置于水浴锅中进行蒸馏，蒸出大部分乙醇并回收大量乙醇。（注：蒸馏结束时，注意残液的量。如果残液太少，则因过于黏稠而造成损失）。

（3）烘焙。①将残液倒入蒸发皿中水浴加热，烧瓶用回收的乙醇溶液进行洗涤，洗液同样倒入蒸发皿中。②称取氧化钙4 g，倒入蒸发皿中，在蒸气浴上用玻璃棒不断搅拌，当残液加热搅拌至粉末状时停止搅拌。

（4）升华结晶。取一支合适的玻璃漏斗，罩在隔以刺有许多小孔的滤纸的蒸发皿上，用小火小心加热升华（注：漏斗上有水汽时应用滤纸擦干）。在水浴锅上放置温度计，控制升华温度为180～185 ℃，咖啡因的针状结晶开始生长。稍冷后仔细收集滤纸正反面的咖啡因晶体，轻轻将咖啡因移至表面皿中，得到咖啡因结晶。残渣搅拌，进行2 次升华。

1.2.3 咖啡因含量的测定

用电子天平称取一洁净表面皿待用，混合2 次升华的产物放置电子天平上进行准确称量。

1.2.4 咖啡因的红外表征

取少量咖啡因针状结晶，与溴化钾混合，研磨成粉末，进行红外光谱分析表征。

2 结果与分析

2.1 乙醇用量对咖啡因提取率的影响

乙醇用量对夏秋茶咖啡因提取率的影响见图1。

图1 乙醇用量对夏秋茶咖啡因提取率的影响

根据单因素试验，固定夏秋茶5.00 g，提取时间3 h，考查提取液乙醇用量为90，95，100，105，110，115 mL 时的咖啡因提取率。

由图1 可知，随着提取液的不断增加，所得到的咖啡因的含量刚开始增加后面趋于恒定，当提取液为100 mL 时咖啡因提取率最大。夏秋茶咖啡因的含量为定值，提取咖啡因的量不可能无限增大，也就是说加入过量的提取液，提取率不会有明显增大。为了最小限度地使用乙醇，不会过多造成乙醇的浪费，试验时应加入最适的乙醇用量为100 mL。

2.2 提取时间对咖啡因提取率的影响

按照同样的提取条件，茶叶用量5 g，加入100 mL 的乙醇，考查提取时间分别为1.50，1.75，2.00，2.25，2.50 h 时的咖啡因提取率。

提取时间对咖啡因提收率的影响见图2。

图2 提取时间对咖啡因提取率的影响

由图2 可知，随着提取时间的逐渐延长，提取出的咖啡因含量先增大后减小。提取的时间越久，咖啡因的溶解量也会随之增多，但当咖啡因全部都溶解时，若继续延长提取的时间，咖啡因的溶解量也不会继续增加。由图2 可知，当提取时间为2 h时，咖啡因的溶解量达到最大，此时若提取时间继续延长，由于乙醇挥发将会导致咖啡因溶解液中部分溶解液流失，从而导致随着提取时间的延长咖啡因的回收率下降的现象。因此，当提取时间为2 h 时咖啡因的回收率最高。

2.3 升华条件对结晶咖啡因的影响

取茶叶5.00 g，加入100 mL 的乙醇溶液，提取时间2 h，考查氧化钙用量分别为4，7，8 g；升华温度分别为180～185，185～190，190～200，200～210 ℃时咖啡因结晶的状态。

不同升华条件对所提取咖啡因结晶的影响见表1，咖啡因的红外光谱图见图3。

表1 不同升华条件对所提取的咖啡因结晶的影响

图3 咖啡因的红外光谱图

由表1 和图3 可知，第1，2，4，5 组的试验结果与所提取物质的物理性质不一致，推测这种现象出现的原因可能是由于升华结晶物质时咖啡因中的溶剂未被完全蒸干，也可能是因为升华时咖啡因还未等到结晶便被蒸气带走的原因。通过上述5 组试验数据可得出结论，升华时的最佳温度应控制在180～185 ℃，而氧化钙的最好用量是7 g。

2.4 红外光谱图鉴定

咖啡因的红外光谱图解析如下：3 446.74 cm-1是酰胺键中的N-H 伸缩振动吸收峰；2 922.12 cm-1推测是由咖啡因分子结构甲基C-H 伸缩振动所引起吸收峰；1 700.71 cm-1推测由双键-C=C-伸缩振动引起吸收峰；1 658.38 cm-1是由咖啡因叔酰胺基团中的-C=O 伸缩振动所引起吸收峰，（C=O）的红外共振吸收产生在1 690.00～1 630.00 cm-1内，-C=O-和酰胺键共轭，引起C=C 双键电子云密度偏转移向O原子，C=C 双键电子云密度平均分布，使得C=O 双键的共价键作用力减弱，因而引起碳氧基团-向低数位移动；1 550.68 cm-1是N-H 摇摆振动所引起的红外吸收峰[16]；1 485.12 cm-1是由咖啡因的甲基C-H摇摆振动所引起的红外吸收峰，咖啡因甲基和咖啡因分子氮原子相连；1 376.00 cm-1红外吸收带移向波数较高位；C-N 的红外伸缩振动吸收带处于1 350.00～1 100.00 cm-1，与不饱和碳原子或者芳环碳原子连接的碳氮伸缩振动在1 350.00～1 250.00 cm-1波数，CN 还连接有甲基，甲基为供电子基，u（C-N）朝着高波数位移动。综上所述可知，谱图中的基团同咖啡因结构中的基团恰好相同。因此，该测定产品为咖啡因[17]。

3 结论

提取咖啡因的最佳试验条件为茶叶用量5 g 时，乙醇用量100 mL，氧化钙用量7 g，升华时间为2 h，升华温度为180～185 ℃。试验得出咖啡因提取率约为8 mg/g。与李凡姝等人[18]研究结果比较，池州夏秋茶中咖啡因含量与春茶铁观音中咖啡因含量相差较小，大于龙井、毛峰等春茶。