茶叶中咖啡因提取方法的比较(1)

茶叶中咖啡因提取方法的比较

刘晓庚,朱珊,李佩昕

(南京财经大学食品科学与工程学院应用化学系,南京　210003)

　　摘　要:茶叶是人们生活中的重要饮品,。滞销的5万多吨中低档茶叶,。活性物质,其中咖啡因就是当中含量较高的一种,(5Soxhlet。正交试验表明,从茶叶中提取:W(v/v)乙醇、料液比为1∶16(m/V)、浸提时间

9min()±53次,使用自制复合中和沉淀剂,咖啡因提取率平均达到2171,较法提取6h的14418mg/10g茶样高5012%,最高可达22118mg/10g茶样,比Soxhlet法的18mg/10g茶样高4911%。而且微波法所得咖啡因的纯度、外观和稳定性等质量指标明显优于Soxhlet法。这为传统的茶叶提取咖啡因工艺的升级改造提供了实验依据。

关键词:茶叶;咖啡因;提取;微波辅助法;Soxhlet法

中图分类号:TQ91　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-2513(2010)04-0083-05

Comparisonofmethodsofextractioncaffeinefromtea

LIUXiao2geng,ZHUShan,LIPei2xi

(DepartmentofAppliedChemistry,CollegeofFoodScienceandEngineering,

NanjiingUniversityofFinance&Economics,Nanjing210003)

Abstract:TeaisveryimportantforChinesepeople.theworld.

TheteaproductionandsalesinChinaisintheleadingplaceof

Inthisexperiment,greenteawasusedasrawmaterial,caffeinewasextractedbymicrowave-assistedex2

5

tractionmethod.TheimpactfactorswasstudiedbyL16(4)orthogonalexperimentandusedthetraditionalSoxhletex2

tractionasthecontrol.Theexperimentresultsshowedthatthebestextractionconditionswereasfollows:microwavepower012kW,extractionagent80%(v/v)ethanol,solid-liquidratioof1∶16(m/V),extractiontimeofmicro2waveirradiation9min(gap-typeextract),caffeineyieldwas21715mg/10g,5012%higherthanSoxhletextractionwhichcaffeineyieldwas14418mg/10gafter6hoursextration.Thehighestyieldwas22118mg/10gwhichwas4911%higherthanthehighestSoxhletextraction’sof14818mg/10g.thebasicinformationforfurtherstudiesinthefuture.

Keywords:tea;caffeine;extraction;microwave-assistedextraction;Soxhlet’smethod

Thequalityindicatorsofcaffeineobtainedbymicrowave

Thisprovides

methodsuchaspurity,appearanceandstabilityetc.,wereremarkablesuperiortoSoxhletmethod’s.

我国茶叶产量居世界第二位,茶叶消费居世界第一位。由于国际茶叶市场激烈,我国中低档

收稿日期:2009-11-23

茶叶更是大量滞销,每年多达5万t以上。茶叶中含咖啡因2%～5%,咖啡因有舒张血管,

[1-2]

作者简介:刘晓庚(1962-),男,教授,硕士生导师,主要从事应用化学与食品化学研究。

　83

兴奋神经中枢、促进血液循环、预防高血压、心肌梗塞、利尿、解毒、抗氧化、抗衰老、减肥等

[1-2]

药理和生理作用的生物碱。从茶叶中提取咖啡因传统的方法有乙醇回流法和碳酸钠溶液煮沸法。但前者需在Soxhlet萃取器中回流约215h以上,周期较长、醇耗、能耗较大,不利于工业化生产。后者虽只需煮沸20min,但煮沸后呈泥胶状,过滤和萃取均很难,致使收率很低。虽然微

[3-4][5]

波辐照提取法、超临界萃取法等也有报道,但结果千差万别。为寻找从茶叶中高效制得优质的咖啡因的方法和工艺,机溶剂Soxhlet,得到品质优、易于工业化的最佳提取工艺要求加入提取剂,设定微波功率和微波辐照时间,装好装置进行提取。然后冷却、抽滤、真空浓缩,加入1～2g中和沉淀剂,搅匀,用自制升华器先蒸去溶剂后于165℃～195℃沙浴上升华数次,收集所得咖啡因晶体,称重计算产率。113　正交试验方法

在用正交试验法筛选得到茶叶提取咖啡因的初步条件为提取剂乙醇优于水,20～4040目80目,中和NaAc、NaAc优90℃为宜的实验基础上,,再选择了微波功率、微波浸提时间、提取剂浓度及料液比为考察

5

因素,采用正交表L16(4)进一步优化,以便得到最佳提取条件。各因素水平安排见表1。

表1　正交试验设计方案

Table1　Theorthogonalexperimentaldesign

因　　素

水平

A微波功率(kW)

1234

[**************]0

B微波浸提时间

(min)15915

C乙醇浓度(%)60708095

D料液比(m/V)1∶81∶121∶161∶24

1　材料与方法

111　材料与仪器

茶叶为南京真泰工贸实业有限公司产明前毛

尖绿茶,经干燥、粉碎、过筛后装瓶备用;95%乙醇、CaO、Na2CO3等试剂均为分析纯,自制复合中和沉淀剂为NaAc+Na2CO3按质量比3∶1混合研匀、过筛、装瓶备用;水为蒸馏水;WS70-1红外线快速干燥器(浦东荣丰仪器有限公司),高速万能粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司),LWMC-250可调功率微波化学反应器(南京陵江科技有限公司),SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司),RE52CS旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂),B-220恒温水浴锅(上海亚荣生化仪器厂),BS224S电子分析天平(北京赛多利斯公司),360FT-IR红外光谱仪(日本津岛),UV-1102紫外分光光度计(上海

114　咖啡因品质测定方法

天美公司),X4显微熔点仪(北京泰克仪器有限公司)。

112　咖啡因提取方法11211　Soxhlet萃取法

所得咖啡因用X4显微熔点测定仪测定熔点;

用KBr压片法于360FT-IR红外光谱仪测定红外光谱;用UV-1102紫外分光光度计测定紫外可见光谱;用多人评分法进行感观测定;纯度用荷移光度法测定

[7]

。

2　实验结果与讨论

211　正交试验结果及分析

取绿茶粉1010g,按文献[6]方法进行。

11212　微波提取方法

取绿茶粉1010g,加适量沸石后按正交试验

正交试验的结果见表2和图1,其数据分析

见表3和表4。

　84

表2　L16(45)正交试验的结果

Table2　ResultsofL16(4)orthogonalexperiment

实验序号No1

A微波功率(kW)

B微波浸提时间(min)

C乙醇浓度(%)

D料液比(m/V)

E误差

5

咖啡因产率Y平均值

(mg/10g茶样)

[***********][***********][***********][***********]1115513

[***********]41516

[**************]

[1**********]234

[**************]

[**************]3

[**************]

表3　正交试验的直观分析[8]

Table3　Intuitiveanalysisoftheorthogonalexperiment

项目

K1(k1)K2(k2)K3(k3)K4(k4)R(R)w1w2w3w4

A

B

C

D

E

咖啡因产率

(mg/10g茶样)Y总=224210

61112(15218)47514(11819)58219(14517)57216(14312)14818(3711)

1217-2113516310

49618(12412)49617(12412)63914(15919)60912(15213)12016(5414)

-1519-[1**********]2

52516(13114)54112(13513)60517(15114)59616(14911)6715(1618)

-817-4181113910

53018(13217)55913(13918)60616(15116)54514(13614)6917(1714)

-714-0131115-318

56718(14210)54913(13713)57318(14315)55111(13718)9710(2413)

118-218313-213

Y平均=14011

注:(ki)=(1/3)×Ki;A:微波功率,B:微波浸提时间,C:乙醇浓度,D:料液比。

　85

表4　正交试验的方差分析[8]

Table4　Varianceanalysisoftheorthogonalexperiment

项目偏差平方和SS自由度f方差MS

F值

微波功率(kW)

[**************]5

微波辐照时间(min)

[**************]17

乙醇浓度(%,v/v)

[**************]1

料液比(m/V)

[1**********]713

误差

[1**********]10

显著性3显著33极显著注:F

0105(3,3)=9128,F0101(3,3)=29146。

图1　各因素的变化趋势图

Figure1　Changesofvariousfactorstrends

21111　微波功率对咖啡因提取的影响

由表2、3、4和图1a可得微波功率对咖啡因

提取的影响颇大,是影响显著的因素;且以微波功率为012kW最佳,功率超过0135kW会使咖啡因产率下降。产生这种结果的原因可能是微波功率过大会使咖啡因从细胞中溶出受到茶叶中其它随微波功率增加而溶出迅速增大的组分的阻碍,另外大功率下会使升温过快、难控制,易造成物料糊化或炭化而使咖啡因产率下降。因此,微波功率以012kW为佳。21112　微波浸提时间对咖啡因提取的影响

由表2、3、4和图1b可得微波浸提时间对咖啡因提取影响最大,属极显著的影响因素。咖啡因的产率在10min内随时间延长而增加,且5～9min的增加趋势更明显,而15min时产率出现下

咖啡因提取有较大影响,属影响显著的因素;正交试验结果显示乙醇浓度以80%为最佳。21114　料液比对咖啡因提取的影响

由表2、3、4和图1d可得料液比对咖啡因提取的影响不显著。正交试验结果表明:料液比在低于1∶16(m/V)时,咖啡因产率随着料液比的增大而增大,但超过1∶16(m/V)时,咖啡因产率随着料液比的增大反而减小。故料液比选定为1∶16(m/V)。212　最佳提取条件的确定及实验验证

根据正交试验结果,以正交试验的各因素最好水平作为最佳组合,得出从茶叶中提取天然咖啡因的最佳提取方案为:A1B3C3D3。根据试验设计的理论推算出咖啡因最佳产率为:

Y优=Y平均+w1,优+w2,优+w3,优+w4,优=14011+1217+1917+1113+1115=19513(mg/10g茶样)

在所得的最佳条件下进行实验验证,得到的平行实验结果分别为21312、21715和22118mg/10g茶样,平均为21715mg/10g茶样。较理论计算结果19513mg/10g茶样高2212mg/10g茶样,

[9]

降。这与提取时间越长产率越高的常规略有不同,其原因可能是长时间微波辐照导致咖啡因等发生反应而使产率降低,但这有待进一步探明。微波辐照时间以9min为宜。21113　乙醇浓度对咖啡因提取的影响

由表2、3、4和图1c可得提取剂乙醇浓度对

　86

产率提高了1114%。造成这种结果原因不是试验设计方法所致,因为方差分析(见表4)表明该正交试验误差项的F值最小,所以可能是操作过程中某些条件控制的差异所造成。

213　两种工艺方法对咖啡因提取率影响的比较

在最佳条件下,用微波法和Soxhlet法两种方法对绿茶进行平行3次的提取比对试验,其结果见表5。

表5　两种工艺方法对咖啡因提取率的影响

Table5　Twokindsofprocessmethodsonextractionyieldofcaffeine

提取方法微波法

Soxhlet萃取法

提取次数

(次)33

微波辐照时间

(min)9180

乙醇浓度

(%,v/v)

80料液比(m/V)

1(茶样)

1122118)318(13917,14518,14818)3

3括号内数据为3从表5Soxhlet法高50%,且

提取时间短、,但乙醇用量要多些。214　两种工艺方法所得咖啡因的品质比较

将微波法和Soxhlet法两种方法提取得到的咖

啡因进行品质分析实验,其结果见表6。从表6可知微波法制得的咖啡因无论是纯度、外观和稳定性,还是光谱特性等品质指标上均明显优于Soxhlet法。

表6　两种方法制得的咖啡因的品质比较

Table6　Comparisonofthequalityofcaffeinebytwoways

提取方法微波法

外观无色针状结晶略混有浅黄色针状或粉状结晶

滋味味苦

稳定性高,24h内保持原状

熔点(℃)

238±013

纯度(%)

99189

光谱测定结果

样品的UV谱图和IR谱图与标准品的两种谱图完全一致样品的UV谱图和IR谱图与

标准品的特征峰一致

Soxhlet萃取法味苦差,5h后晶体粉末化238±01898179

3　结论

从绿茶中提取咖啡因用自制复合中和沉淀剂

以乙醇为提取剂时,微波法明显优于Soxhlet法。微波法的最佳提取条件为:微波功率012kW、料液比1∶16(m/V)、微波提取时间9min、提取剂乙醇浓度80%(v/v)、温度83±5℃、连续提取3次。咖啡因提取的产率平均为21715(mg/10g茶样),最高可达22118(mg/10g茶样),制品中咖啡因含量99189%。微波法提取绿茶中咖啡因具有成本低、省时、节能、高效、操作简便、安全、不破坏咖啡因分子结构、产品质量高、稳定性好,效果显著优于传统的Soxhlet法等优点,是一种值得生产应用的方法,但还需要对生产中的放大效应和生产工程工艺等细节问题进一步研究。

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