魏金芳，張相平

（唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000）

咖啡因是存在于茶葉、咖啡、可可以及某些植物中的生物堿之一，學(xué)名為 1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤。咖啡因是一種重要的醫(yī)藥工業(yè)原料，具有興奮神經(jīng)中樞，消除疲勞，減弱酒精、煙堿、嗎啡等物質(zhì)的毒害，增加腎臟血流量，利尿和強身等作用[1]，臨床上用于治療神經(jīng)衰弱和昏迷復(fù)蘇，還可用作治療腦血管的頭痛，尤其是偏頭痛，是阿司匹林（A.S.P）等藥物的組方之一。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：98-1-B型電子調(diào)溫電熱套（天津市泰斯儀器有限公司）；C型玻璃儀器氣流烘干器（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）；HC-TP-12型架盤天平（天津天平儀器有限公司）；AR-1140 電子分析天平（Cohaus corp.Pine Brook，NJ，USA）；WRS-2微機熔點儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；UV-2550紫外可見分光光度計（日本島津儀器公司）；TENSOR37傅立葉紅外光譜儀（德國布魯克光譜公司）；GC7900氣相色譜儀（Techcomp）。

試劑：95%乙醇和無水乙醇（AR唐山市路北區(qū)化工廠）；丙酮（天津市方得科技有限公司）；三氯甲烷（天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠）；氧化鈣（天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；N,N-二甲基甲酰胺（天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；去離子水（二級）；市售茶葉。

1.2 簡單工藝流程

1.3 實驗步驟

1.3.1 提取咖啡因

稱取10g茶葉，研細且均勻后，用濾紙包好放入索氏提取器中，然后在250mL平底燒瓶里加入110mL（120mL、130mL、140mL）溶劑和幾粒沸石，電熱套加熱，回流提取1.5h（2.0h、2.5h、3.0h），保持回流速度均衡。然后改裝成蒸餾裝置，蒸餾濃縮提取液至殘夜約為10mL，將殘液趁熱傾入蒸發(fā)皿中，拌入4g氧化鈣，在電熱套上蒸干蒸干，其間不斷攪拌并壓碎塊狀物。然后用小火焙炒片刻，除去水分。冷卻后，擦去沾在蒸發(fā)皿上的粉末，用酒精燈加熱升華，收集得到的咖啡因并稱重。測咖啡因的熔點，熔點是 234.7℃-237.4℃。

1.3.2 氣相色譜條件

色譜柱：SE-54（毛細管柱固定相）；柱溫：230℃；檢測器：FID，溫度250℃；進樣口溫度：250℃；流速：氮氣（載氣）25mL/min，氫氣25mL/min，空氣25mL/min；進樣量：0.1μL；載氣：氮氣。

1.3.3 IR和UV測定條件

取 150mg溴化鉀至于潔凈的瑪瑙研缽中，加入 2-3mg咖啡因，研磨均勻，壓片，掃描。擦凈壓片模具和壓片機。

以無水乙醇為溶劑，咖啡因為溶質(zhì)，配置濃度大約為10-5mol/L的溶液，以無水乙醇為參比，所配溶液為被測液，掃描。洗凈比色皿。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取咖啡因條件

采用正交試驗法對提取咖啡因的條件進行優(yōu)化研究。表1列出了因素水平表。

表1 水平因素表

正交試驗數(shù)據(jù)處理見表2。由表2可見，從茶葉中提取咖啡因的最佳合成條件為 A3B1C4D4，各因素對反應(yīng)影響程度的次序為：茶葉種類＞溶劑種類＞回流時間>溶劑用量。

2.1.1 茶葉種類對咖啡因產(chǎn)率的影響

當(dāng)以無水乙醇為溶劑，用量140mL，回流3個小時時，茶葉種類對收率影響最大。紅茶的收率最高，花茶的收率最低。綠茶、青茶、紅茶都是基礎(chǔ)類茶，發(fā)酵程度愈來愈高，發(fā)酵程度愈高，細胞壁破裂愈嚴重，致使所包含的細胞液逸出愈多，提取咖啡因越容易，咖啡因的收率也愈來愈高。花茶的發(fā)酵程度較小，在綠茶和青茶之間，但是花茶是再加工茶類，工藝過程多導(dǎo)致部分咖啡因流失，咖啡因產(chǎn)率最低。

2.1.2 溶劑種類對咖啡因產(chǎn)率的影響

當(dāng)選用紅茶，溶劑用量是140mL，回流3個小時時，溶劑種類對收率的影響較大?？Х纫蛉苡谝掖?、丙酮、氯仿和水中，丙酮、氯仿有毒不宜用做溶劑；選用乙醇和水?？Х纫蛟跓o水乙醇中的溶解度是 17.1g/L，在水中的溶解度是21.7g/L；雖然咖啡因在水中的溶解度較高，但是以水為溶劑提取的咖啡因的產(chǎn)率卻小。因為茶葉中的丹寧溶于乙醇和水中，丹寧在乙醇中不會變化，但在熱水中水解出沒食子酸，沒食子酸易于咖啡因生成難溶的鹽，致使以水為溶劑提取的咖啡因的產(chǎn)率降低。溶劑是95%的乙醇時，咖啡因的產(chǎn)率比溶劑是無水乙醇的產(chǎn)率略低；而溶劑是V乙醇:V水=4:1時，咖啡因的產(chǎn)率降低。因此，最好的溶劑是無水乙醇。

表2 L16(45)正交試驗數(shù)據(jù)處理表

2.1.3 回流時間對咖啡因產(chǎn)率的影響

當(dāng)選用紅茶，以無水乙醇為溶劑，用量是140mL，回流時間對咖啡因的收率影響較小。一般認為回流時間越長，產(chǎn)率越高。因為，在溫度不變的情況下，咖啡因在同種溶劑中的溶解度不變；回流時間長，虹吸的次數(shù)多，提取的咖啡因多?；亓鲿r間在3個小時內(nèi)時，實驗結(jié)果也是如此，但產(chǎn)率的增幅則是先增后減?；亓鲿r間分別是 2.0h、2.5h、3.0h，與其前半小時的產(chǎn)率比分別增加 0.1%、0.14%、0.02%。回流2.5小時后，茶葉中咖啡因的含量減低，溶解在溶劑中的咖啡因減少，并且長時間的回流造成過多雜質(zhì)的溶解，導(dǎo)致純化困難致使咖啡因產(chǎn)率的增幅降低?；亓?個小時后，索氏提取器中，提取液的顏色明顯變淺，回流3.5個小時時基本無色，茶葉中的咖啡因基本提取出來，粗提取物比回流3小時時略有增加，經(jīng)升化提純得到的純咖啡因卻比回流3小時時略有降低，回流時間增長了，粗提取物中的雜質(zhì)多了；因此最佳回流時間是3小時。

2.1.4 溶劑用量對咖啡因產(chǎn)率的影響

當(dāng)選用紅茶，以無水乙醇為溶劑，回流3個小時時，溶劑用量對收率的影響最小。溶劑用量既要能滿足回流需求（溶劑量不低于110mL），又不能超過燒瓶體積的2/3（溶劑量不能超過166mL）；溶劑量小時，咖啡因不能全部溶解，溶劑量愈大，咖啡因溶解的愈多；但溶劑量是150mL，160mL時的產(chǎn)率和溶劑量是140mL的產(chǎn)率基本一樣，140mL的溶劑能全部溶解咖啡因，增加溶劑的量，溶解的咖啡因不會增加；在溫度一定，回流時間一定，溶劑一定，茶葉種類一定時，溶劑量越小，茶葉中的咖啡因溶解的越少，所以，溶劑量是110mL、120mL、130mL時的產(chǎn)率不如溶劑量是140mL時的產(chǎn)率。因此，最佳溶劑量為140mL。

綜上所述得到的從茶葉中提取咖啡因的最佳合成條件為：茶葉選用紅茶，無水乙醇作溶劑，用量為140mL，回流時間是3小時。另外，茶葉要研磨細，以增加溶劑浸潤的面積，易提取咖啡因。濾紙?zhí)状笮〖纫o貼器壁，又能方便取出。其高度不能超過虹吸管，濾紙包茶葉末時要嚴緊，防止漏出堵塞虹吸管。濾紙扎孔時大小、疏密均勻，否則咖啡因品質(zhì)不均。炒干粗提取液時，要用小火加熱，防止部分咖啡因隨著蒸發(fā)的溶劑升華。

2.2 最佳條件驗證實驗

從茶中提取咖啡因的最佳提取條件是：紅茶，無水乙醇140mL，回流時間3小時。16組正交試驗中沒有最佳條件的組合，因此需對最佳條件實驗進行驗證，重復(fù)三次實驗，表3是最佳條件下提取咖啡因的產(chǎn)率，平均產(chǎn)率是1.99%。

表3 最佳條件下驗證實驗結(jié)果

2.3 咖啡因純度檢測

以 N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，所提取咖啡因為溶質(zhì)配制500mg/L的溶液，溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)是0.0529%?？Х纫虻谋Ａ魰r間是9.4min，找到咖啡因的檢出峰，所測溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。以所測溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)比所配溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)即為提取咖啡因的純度。

表4 檢測結(jié)果

2.4 咖啡因波譜分析

UV譜圖：咖啡因在206.50nm、272.50nm有吸收與理論值206nm，272nm[2]基本一致。

IR譜圖：提取物在3 111.44 cm-1處有吸收，說明有=C-H（理論值是3 100 cm-1）；在2 952.63 cm-1處有吸收，說明有飽和 C-H（理論值是 2 970 cm-1）；在 1 702.96cm-1，1 655.13cm-1處有吸收，說明有C=O（理論值是1 700 cm-1，1 660 cm-1）；在1 547.83 cm-1，1 485.56cm-1處有吸收，說明有C=C（理論值是1 550 cm-1，1 480 cm-1）；在1 357.16 cm-1，1 236.40cm-1處有吸收，說明有C-N（理論值是1 360 cm-1，1 240 cm-1）。說明提取物是咖啡因。

3 結(jié)論

對咖啡因的提取條件進行了探討，采用正交試驗法，研究了茶葉種類，溶劑的種類，溶劑用量以及回流時間對提取的影響，選出了較優(yōu)的提取條件為：紅茶，無水乙醇140mL，回流時間3個小時。在此條件下產(chǎn)物的產(chǎn)率為1.99%，純度98.4%，熔點是234.7-237.4℃。并對目標化合物進行了UV，IR的測定，確定為目標化合物。