咖啡因具有刺激心脏、兴奋大脑神经和利尿等作用, 主要用作中枢神经兴奋剂[1]、苦味剂和香料在医药及饮料行业需求量极大。
从茶叶中获取咖啡因常用有机溶剂提取法, 同时结合升华法进行提纯。由于干茶叶中咖啡因的含量较低, 仅为1%~5%[2], 提取过程的各个环节都关系到咖啡因的收率和纯度。所以提高其收率并获得纯度较高的咖啡因产品是实验者追求的目标。本文针对醇提取法中影响咖啡因收率和纯度的诸多因素加以阐述, 供实验者借鉴。
1 咖啡因的基本信息
化学式:C8H10N4O2;化学名称:3, 7-三甲基-2, 6-二氧嘌呤;相对分子质量:194.19。
物理性质:性状及熔点:咖啡因为白色针状晶体, 熔点为234.5℃[3], 178℃很快升华。1g咖啡因能溶于46m L水, 5.5m L80℃热水, 1.5m L沸水, 66m L乙醇, 22m L60℃热乙醇, 5.5m L氯仿[4]等。
2 实验原理
以热乙醇为溶剂, 利用soxhlet提取器反复连续萃取, 将咖啡因从茶叶中抽提出来, 去除溶剂后得到咖啡因粗产品。用生石灰除去粗产品中丹宁酸等酸性杂质及水分, 再升华提纯得咖啡因晶体。
3 实验流程
见图1。
4 实验过程及影响咖啡因收率和纯度的因素分析
4.1 咖啡因的萃取
取8.0g茶叶末放入折好的滤纸筒中, 将滤纸筒置于soxhlet提取器内, 向滤纸筒中加入30m L乙醇, 在圆底烧瓶中加入50m L乙醇, 电热套加热, 回流提取2h~3h。
本阶段的主要影响因素如下。
(1) 滤纸筒的粗细以soxhlet提取器的内径为准, 太粗不方便取放, 太细所容茶叶量又太少;滤纸筒的底部必须扎紧, 且其高度要介于soxhlet提取器的虹吸管与蒸气支管口之间, 这样才能既保证蒸气顺畅流通, 又可防止茶叶进入回流管内。
(2) 滤纸筒上边缘要向内折成凹形, 以利回流液均匀浸润茶叶末。
(3) 滤纸筒内的茶叶末不宜填装得过多或过紧, 否则溶剂不易渗透到内部, 提取效果不好, 严重时还可能阻碍虹吸。茶叶的高度也不应超出soxhlet提取器的回流管, 以保证茶叶能够全部被回流液浸泡, 提高提取效率。
(4) 回流时间的把握以提取液接近无色为宜。时间太短, 抽提不完全, 收率降低;时间过长又会造成热源和人力的不必要浪费。
(5) 萃取结束时, 要在最后一次冷凝液刚刚虹吸下去时立即停止加热, 以保证所有冷凝液全部转移到烧瓶中, 减少被提取物的损失。
4.2 蒸馏浓缩 (回收溶剂)
改成蒸馏装置, 进行蒸馏, 待蒸出大部分乙醇时, 停止蒸馏。
本阶段的主要影响因素如下。
停止蒸馏时, 必须保证烧瓶中有一定量 (3m L~5m L) 的溶剂残留, 否则残液太稠, 很难将所有提取物全部转移出来, 会造成产品损失。
4.3 蒸发干燥
将残液趁热倒入蒸发皿中, 加入3g~4g生石灰粉, 搅拌成糊状, 再置于蒸气浴上, 在不断搅拌下将溶剂蒸干。再将蒸发皿移至石棉网上, 小火焙炒片刻, 直至除去全部水分。冷却后, 擦去粘在蒸发皿边沿上的粉末。
本阶段的主要影响因素如下。
(1) 必须要趁热将残液转移至蒸发皿中, 温度稍低便会有咖啡因晶体附着在烧瓶壁上难以移出, 造成产品损失。
(2) 所用生石灰一定要足量, 用量太少杂质除去不彻底会降低产品的纯度。
(3) 蒸发溶剂时要用蒸气浴加热, 不可直接用酒精灯直接加热, 以防温度过高, 蒸发速度过快, 造成咖啡因提前升华而损失。
(4) 焙炒时温度不可过高, 也不可焙炒过火, 否则将有咖啡因提前升华而损失, 甚至可能出现炭化现象导致实验前功尽弃。
4.4 升华提纯
用一张刺有许多小孔的滤纸毛面向上盖在蒸发皿上, 上面再倒扣一个大小合适的玻璃漏斗, 在漏斗颈口塞上少许棉花, 用酒精灯在石棉网上小心加热升华, 控制温度在220℃左右, 当滤纸上出现许多白色针状晶体时, 适当减小火焰, 尽可放慢升华的速度, 以提高晶体的纯度, 出现棕色烟雾时, 停止加热。冷却至100℃以下时, 取下漏斗, 轻轻取下滤纸, 用不锈钢铲仔细刮下附在滤纸上下两面及器皿周围的咖啡因。蒸发后的残渣经搅拌后用较大的火焰再升华1~2次, 直到残渣变为棕色为止。
本阶段的主要影响因素如下。
(1) 在滤纸上刺孔时孔要密集, 但孔径不要太大, 这样即可让咖啡因蒸气溢出, 又防止冷却的咖啡因晶体脱落下来。
(2) 漏斗口径要略小于蒸发皿的口径, 漏斗一定要压实, 且颈部要塞好棉花, 以防升华的咖啡因从滤纸缝隙逃溢而损失。
(3) 升华是本实验最为关键的一个环节, 操作过程一定要保持小火加热, 缓慢升温。要用酒精灯隔着石棉网加热, 且酒精灯的火焰尖刚好接触石棉网为宜;若用砂浴加热, 要考虑到砂子导热慢, 受热不均匀的因素, 需要多点测定温度。不论哪种加热方法, 温度都一定要使控制在220℃左右, 温度过低, 升华速度太慢;温度过高, 产物易炭化变黑, 会严重影响纯度及收率, 甚至会导致整个实验的失败。
(4) 一定要待出现棕色烟雾时, 再停止加热, 以尽量使绝大部分咖啡因得以升华。
(5) 停止升华操作时, 务必要等温度降至100℃以下时方可取下漏斗, 否则会有已升华的咖啡因还没来得及结晶就挥发掉了, 减少了产品收率。
5 结语
综上所述, 在从茶叶中提取咖啡因的实验中, 影响咖啡因的收率及纯度的因素诸多, 几乎惯穿实验的全过程。实验者必须认真对待每一个细小的环节, 谨慎细心地操作, 并且不断总结经验, 才能提高产品的产量与质量, 取得理想的效果。
摘要：从茶叶中提取咖啡是目前我国获取天然咖啡因最长用和最重要的途径之一。但茶叶中咖啡因的含量较低, 所以提高产品的收率并获得纯度较高的咖啡因是众望所归目标。本文针对醇提取法中影响咖啡因收率和纯度的诸多因素加以阐述, 以利取得理想的实验效果。
关键词：茶叶,咖啡因,纯度,收率
参考文献
[1] [3]浙江大学化学系组编, 郭伟强.大学化学基础实验[M].北京:科学出版社, 2005, 7:199.
[2] 北京大学化学学院有机化学研究所.有机化学实验[M].北京:北京大学出版社, 2002:241.
[4] 柯铭清.中草药有效成分理化与药理特性 (修订本) [M].长沙:湖南科学技术出版社, 1982:137～138.