从茶叶中提取咖啡碱实验方法改进和研讨

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摘 要：针对高校化学实验课程中“从茶叶中提取咖啡碱”实验存在的一系列问题，通过查阅文献及进行对比实验，对咖啡碱的提取、加热和升华等方法进行改进和研讨。
关键词：茶叶；咖啡因；实验；改进
中图分类号：O6-33 文献标识码：A
茶叶在我国具有丰富的自然资源，含有多种生物碱，其中以咖啡碱（又称咖啡因）为主，约占1% ～ 5 %。咖啡碱是弱碱性化合物，能溶于氯仿、热水、乙醇等溶剂。含结晶水的咖啡碱系无色针状结晶，在100℃时即失去结晶水，并开始升华，120℃时升华显著，至178℃时迅速升华。无水咖啡碱的熔点为238℃。因此，可先用适当的溶剂从茶叶中提取咖啡碱，再用升华法加以提纯[1-2]。
从茶叶中提取咖啡碱是一个典型的天然产物提取实验，在大多数高校的有机化学实验和基础化学实验（有机化学部分）中均开设。在实验过程中作者发现原有的实验方法存在实验时间长、操作不便、实验效果差等问题，通过查阅文献和组织学生进行对比实验，本文对咖啡碱的提取、加热和升华等方法进行改进和研讨。
1 提取方法改进与比较
1.1 传统的提取方法
目前国内教材普遍采用以乙醇为溶剂、利用索氏提取器抽提茶叶中的咖啡碱[1-9]，具体实验方法一般为：称取10g茶叶末，装入索氏提取器的滤纸筒中，轻压实，在圆（平）底烧瓶内加入80～120mL 95%乙醇和几粒沸石，水浴加热，连续抽取2～3h，待冷凝液刚刚虹吸下去时，立即停止加热。
1.2 新的提取方法
部分文献提到可用或直接用恒压分液漏斗代替原提取装置中的索氏提取器[6，10-12]。参考文献并结合多年实际实验教学成果，作者对原提取方法进行改进，改进后方法为：在250mL圆（平）底烧瓶中加入几粒沸石， 并在恒压分液漏斗底部垫一小团脱脂棉（或纱布），称取10g茶叶末放入恒压分液漏斗中，安装好提取装置，将120mL 95%乙醇从球形冷凝管加入，浸泡茶叶末5min后，再将液体放入烧瓶中。通开冷凝水后用电热套加热，待乙醇的冷凝回流液浸过茶叶后，调节恒压漏斗活塞并调控加热温度， 使回流液滴回漏斗的乙醇量和浸提液流入烧瓶的量相等（提取过程应确保回流液浸过茶叶）。连续提取0.5h后，恒压分液漏斗中的提取液颜色变得很淡，即可停止提取。将漏斗中的提取液全部放入烧瓶中，并用玻璃棒挤压茶叶末至干。
1.3 两种方法比较
与传统浸取法相比，索氏提取器具有操作简单、提取效率高、节约溶剂等优点，但在实际实验过程中也存在下列不足：使用滤纸套筒不经济且较难操作，若纸筒制作不够严密，样品易外漏堵塞虹吸管，导致实验失败；索氏提取器的虹吸管比较细而易破碎；部分提取器虹吸管烧制不够标准，不能虹吸或虹吸不彻底；每次虹吸必须待提取器装满溶剂后才能进行，提取时间相对较长、开课学时多（一般需要6～7学时）。个别文献[10]虽然也采用恒压分液漏斗代替索氏提取器，但使用人工反复关闭、打开漏斗的活塞来代替索氏提取器的自动回流虹吸，操作更加不便。
新提取方法除了克服索氏提取器虹吸管和滤纸套筒的不足外，通过调节恒压分液漏斗的活塞，让漏斗滴入冷凝回流液的量与滴出提取液的量相同，变静态浸提为动态提取，样品一直浸泡在处于流动状态下的新、热溶剂中，故提取速度更快。研究表明，用新方法提取0.5h后纯产品提取率与原提取方法提取3h相当，但新方法节约时间和能源[12]。
2 加热方法及温度的选择
2.1 传统的加热方法及不足
“从茶叶中提取咖啡碱”实验主要由提取、蒸馏、蒸干、焙炒、升华几个阶段完成。提取、蒸馏传统的加热方法一般采用水浴加热[1-6，11]，部分文献使用电热套加热[7-8]，提取时间为2～3h。水浴加热的优点是避免了直接加热造成的过度剧烈与温度的不可控性，加热平稳，受热均匀；缺点是加热温和，温度最高只能达到100℃，加热速度慢。原方法采用索氏提取器提取，由于索氏提取管侧管较长，并且乙醇的沸点较高，当使用水浴加热且室温较低时，提取管侧管处及和溶剂瓶的接口部分需要保温，否则溶剂蒸汽会过早冷凝，直接滴回溶剂瓶，致使回流速度变慢甚至无法回流，延长提取时间。
电热套加热是一种较好的空气浴加热，热效率高，加热温度范围较广，受热较均匀，且不是明火加热，使用比较安全。安装电热套时，要使反应瓶外壁与电热套内壁保持一定的距离，以便利用热空气传热和防止局部过热等。原实验提取和蒸馏阶段若采用电热套加热，温度不宜太高，防止在蒸馏过程中，随着烧瓶内液体量的减少，会使烧瓶内壁过热而引起被蒸馏物的碳化，降低咖啡碱的产率[3，7]。此外，使用电热套加热的另一不足之处是余热强、降温慢，加热温度较高时难于即时停止加热，容易出现虹吸不彻底或蒸馏时残留液太少甚至蒸干的现象。
蒸干传统的加热方法一般采用蒸汽浴加热[1-8，11]，部分文献使用电热套加热[9-10]；焙炒、升华传统的加热方法一般采用酒精灯隔着石棉网或砂浴加热[1-6，11]，部分文献使用电热套加热[8-10]。使用酒精灯加热，实验效果均不太好。原因在于酒精灯火力偏强，温度难以把控，并且由于蒸发皿受热不均匀， 容易导致焙炒时部分咖啡碱提前升华，升华时升华不完全，或因升华时温度过高，导致被烘物和滤纸炭化，一些有色物质也会被带出来，使产品不纯，产率受影响。
使用砂浴加热升华，与酒精灯加热相比，受热较均匀，并且可以使用温度计，温度相对可知可控。缺点是砂对热的传导能力较差而散热却较快，温度上升较慢，且不易控制[3，7]。
原实验传统的加热方法除了具有以上不足外，加热方法多样，也增加了实验操作的难度和操作时间。
2.2 加热方法及温度选择
综合考虑各种加热方法的优缺点，结合本实验实际情况，统一采用数显控温电热套或普通调温电热套加热。为了克服普通调温电热套实际加热温度不可知及电热套余热强、加热难即停的缺点，可在普通电热套外壳半球形边沿处用锉刀挫一小缺口（注意不要挫伤绝缘材料）用于安放水银温度计指示加热温度，并在电热套下面加垫普通小型升降台用于辅助控温（安装装置时先将升降台升高，加热温度过高或要停止加热时再把升降台降下来）。
与原方法相比，采用电热套完成整个实验的加热操作，温度控制方面明显改善很多，并且加热方法单一、操作更加简便。但由于本实验经历的流程相对较复杂，不同的实验阶段需要不同的温度，因此，只有找到合适的加热温度，才能在确保咖啡碱纯度和产率的前提下，节约实验时间。
经过实验发现，对咖啡碱产量和实验时间影响最大的温度在于提取和升华阶段，其他几个阶段的温度相对固定。提取方法改进后，提取过程中烧瓶内液体量基本不变，避免了因烧瓶内壁过热而引起被蒸馏物的碳化，故加热温度可以比较高，设定为250℃左右，目的是高温可以使乙醇很快汽化、冷凝，溶剂在漏斗中的保留时间短、替换速度快，故溶剂的温度比原来高，提取速度更快。蒸馏和蒸干温度设定为90℃左右，焙炒温度设定为110℃左右，为了避免蒸馏过程中烧瓶、烧瓶内壁过热而使被蒸馏物碳化，为了既可以有效地除去水分，又可以减少咖啡碱提前升华。无水咖啡碱在178℃时迅速升华，熔点为238℃，因此第1次升华温度设定为190℃左右，第2次升华温度设定为230℃左右，这样既可以保证产品的纯度，又可以在一定程度上提高咖啡碱的产率。
3 升华装置的改进
3.1 传统的升华装置
在装有粗咖啡碱的蒸发皿上盖一张刺有许多小孔且孔刺向上的滤纸，再罩一个合适的漏斗，漏斗颈部疏松地塞一小团棉花。在石棉网上小火（或砂浴）加热蒸发皿，当滤纸上出现针状晶体时，暂停加热。冷至100℃左右，揭开漏斗和滤纸，用小刀仔细地将附着于滤纸和漏斗内壁上的咖啡因刮下。残渣经搅拌后，用较大的火再加热升华一次[1-7]。
3.2 升华方法的改进
原方法只用一层滤纸盖在蒸发皿上，容易导致升华的气体逸出，使产率下降。而且，实验结束取出滤纸时，部分产品凝华在滤纸下面和孔中，在转移过程中容易掉在蒸发皿里；升华温度不够高或时间不够长时，产品甚至会凝华在蒸发皿内壁上部，不利于收集和测定产量。经过思考与探索，改进实验装置（见图2），将瓷制蒸发皿换成玻璃蒸发皿，在升华过程中采用两层滤纸，下层滤纸刺有许多小孔，并用口径比蒸发皿口径略小的漏斗在蒸发皿内压制成平底蒸发皿状，边缘剪个缺口，便于观察升华现象。上层滤纸刺孔较少[13]。
升华装置改进后，升华现象更直观。实验完成时，生成的咖啡碱晶体呈无色针状晶体，结晶长度长于改进前产品，并集中附着于上层滤纸的下表面和孔中，相对容易收集，损失也较少，且产品纯度较高。
图2 改进升华装置
此外，由于河沙传热较快且均匀， 故升华前在粗咖啡碱中拌入少量河沙可使咖啡碱迅速升华[14]。
4 结语
新方法用恒压分液漏斗代替原提取装置中的索氏提取器，统一采用电热套完成整个实验的加热操作，并在升华过程中使用两层滤纸。经过改进，提高了提取效率，缩短了实验时间，并且实验现象更加直观，实验更容易操作，成功率更高，学生普遍反映效果更好。
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作者简介：黄明堦（1976-），男，高级实验师，硕士，主要从事实验教学和植物资源利用研究。