超聲-微波協同萃取福建烏龍茶中咖啡堿的條件優化

王立升，劉小潔，曹家興，劉旭

(廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004)

現代醫學研究表明，烏龍茶中有益于健康的主要成分有茶多酚、咖啡堿、多糖、礦物質，氨基酸等［1］。咖啡堿(又名咖啡因)是一種黃嘌呤生物堿化合物，能夠暫時驅走睡意并恢復精力［2］，是一種中樞神經興奮劑。在一定范圍內，咖啡堿對人體有強心、解毒、利尿等生理作用。

從茶葉中提取咖啡堿的方法有溶劑法、超臨界CO2萃取法［3］、超聲波提取法［4］、微波提取法［5］、索氏提取法等。這些方法費時、費工、效率低。本文用超聲-微波協同萃取［6-7］茶葉中的咖啡堿，它充分結合了超聲波及微波的優點，實現了對固體樣品快速、高效、可靠的處理，成本相對也較低。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙醇、氯仿、二氯甲烷均為分析純;純凈水;福建烏龍茶。

UV-T6 型紫外-可見分光光度計;XH-300UL 型電腦微波超聲波紫外光組合催化合成儀;SHB-III 型臺式循環水式多用真空泵;FA1104B 電子天平;SGWX-4 熔點儀;8400S 傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 實驗方法

茶葉加入液氮脆化，在液氮揮發同時搗碎成粉末狀，過60 目篩。準確稱取10 g 茶葉粉，在微波功率400 W、微波時間4 min、溶劑70%乙醇、提取溫度80 ℃時，超聲-微波協同萃取2 次。合并提取液，抽濾，濃縮。加入氧化鈣，高溫升華，得咖啡堿粗品，重結晶，干燥，得咖啡堿純品(平行做三組)。采用紫外分光光度法測定吸光度［8］。

2 結果與討論

2.1 單因素優化

2.1. 1 提取次數 微波功率400 W、微波時間4 min、溶劑70% 乙醇、提取溫度80 ℃、料液比1∶20 g/mL時考察提取次數對咖啡堿產率的影響，結果見表1。

表1 提取次數的影響Table 1 The effect of extraction times

由表1 可知，提取2 次茶葉中咖啡堿基本提取完全，到第三次時不升反降。所以，選擇提取次數為2 次。

2.1.2 提取溶劑 在微波功率400 W、提取時間4 min、提取溫度80 ℃下提取2 次、料液比1∶20 g/mL 時考察不同提取溶劑對茶葉咖啡堿產率的影響，結果見表2。

表2 溶劑對咖啡堿產率的影響Table 2 The effect of solvents for Caffeine yield

由表2 可知，氯仿作為提取溶劑，咖啡堿產量稍高于乙醇，但差別不大。考慮到氯仿有毒，又易揮發，散布于空氣中，會對環境造成污染，對操作人員的健康帶來危害。故選取乙醇作為提取溶劑。

2.1. 3 料液比 在提取時間4 min、提取溫度80 ℃、提取溶劑80%乙醇、微波功率400 W 條件下提取2 次，考察料液比對產率的影響，結果見表3。

表3 料液比的影響Table 3 The effect of ratio of material to solvent

由表3 可知，料液比對咖啡堿產率有一定的影響，料液比≥1∶20 g/mL 時，咖啡堿產率沒太大變化。為了節省溶劑，選擇料液比1∶20 g/mL。

2.1.4 微波功率 在提取時間4 min、提取溫度80 ℃、提取溶劑80%乙醇、料液比為1∶20 g/mL 條件下提取2 次，考察微波功率對產率的影響，結果見表4。

表4 微波功率的影響Table 4 The effect of microwave power

由表4 可知，隨著微波功率的增大，咖啡堿產率增大，400 W 時達最高，＞400 W 時，咖啡堿產率減小。適宜微波功率為400 W。

2.1.5 提取時間 在微波功率400 W、提取溫度80 ℃、提取溶劑70%乙醇、料液比為1∶20 g/mL 條件下提取2 次，考察提取時間的影響，結果見表5。

表5 提取時間的影響Table 5 The effect of extraction time

由表5 可知，咖啡堿產率隨著時間增長而增加，≥3 min 時，咖啡堿已經差不多被提取出來，產率趨于穩定。所以選用微波作用時間4 min。

2.1.6 乙醇濃度 在微波功率400 W、提取時間4 min、提取溫度80 ℃、料液比為1∶20 g/mL 條件下提取2 次，考察乙醇濃度的影響，結果見表6。

表6 乙醇濃度的影響Table 6 The effect of ethanol concentration

由表6 可知，乙醇濃度≥80%時，咖啡堿產率基本達到穩定。因此，選擇濃度80%乙醇。

2.1.7 提取溫度的影響 在微波功率400 W、提取時間4 min、提取溶劑80%乙醇、料液比1∶20 g/mL條件下提取2 次，考察提取溫度的影響，結果見表7。

表7 提取溫度的影響Table 7 The effect of extraction temperature

由表7 可知，隨著溫度升高，咖啡堿產率提高，80 ℃時達最高;＞80 ℃，產率下降。因為隨著溫度的升高，茶葉中無機物和其他高分子物質被提取出來，給咖啡堿的分離帶來一定的難度。所以提取溫度選擇80 ℃。

2.2 正交實驗

2.2.1 正交實驗結果 由單因素實驗可知，在提取次數2 次，提取溶劑是乙醇、料液比為1 ∶20 g/mL時，微波功率、提取溫度、提取時間、乙醇濃度均對咖啡堿產率有較大影響，所以選取這4 個因素為考察因素，采用正交表L9(34)實驗，因素水平見表8，結果見表9。

表8 因素和水平表Table 8 Factor and level table

表9 正交實驗結果Table 9 Results of orthogonal experiment

由表9 可知，4 種因素對咖啡堿產率的影響程度大小依次為:微波功率＞提取時間＞乙醇濃度＞提取溫度，最佳提取條件為:A2B2C3D3，即微波功率500 W，微波加熱時間為4 min，乙醇濃度90%，提取溫度90 ℃。

表10 方差分析表Table 10 Analysis of variance table

由表10 可知，微波功率影響顯著，提取時間、乙醇濃度、提取溫度影響不顯著。

2.2.2 驗證實驗 根據正交最佳提取條件，提取烏龍茶中的咖啡堿，并對其提純，所得咖啡堿為白色針狀結晶，產率2.60%，證實了該提取方法的可靠性。

2.3 咖啡堿的表征

提純咖啡堿為無色針狀結晶，熔點(227±0.2)℃，數小時內保持原狀，純度(98 ±0.4)%，紅外測定結果與標準譜圖特征峰一致。

2.4 不同提取方法咖啡堿產率比較

熱回流法［9］、索氏提取法［10］、微波法［11］、超聲法［12］均為常見的茶葉中有效成分的提取方法，以上4 種方法均參考文獻中的提取工藝對咖啡堿進行提取，超聲-微波協同萃取則是采用正交優化提取工藝，各法咖啡堿產率見表11。

表11 不同提取方法咖啡堿得率比較Table 11 Comparation Caffeine yield by different extraction methods

由表11 可知，超聲-微波協同萃取法的提取效率明顯高于其他四法，熱回流法提取效率最低，其次是索氏提取法，超聲提取法和微波提取法差異不大，幾種方法提取咖啡堿的結果與文獻報道接近。

超聲-微波協同萃取技術充分利用微波的反射、穿透、吸收、熱效應和滲透速度快，和超聲波產生的強烈振動、空化效應、攪拌作用等特點，是一種較為理想的提取方法，具有高效、節能、簡單、快速的優點。

3 結論

以粉碎過篩的烏龍茶為原料，進行超聲-微波協同萃取咖啡堿，最佳條件為:微波功率500 W，微波加熱時間4 min，乙醇濃度90%，提取溫度90 ℃，提取2 次，咖啡堿產率2.60%。縮短了提取時間，提高了咖啡堿提取效率，是一種簡便快速，值得推廣的提取方法。

［1］ 杜繼煜，白嵐，白寶璋.茶葉的主要化學成分［J］.農業與技術，2003，23(1):53-55.

［2］ 官興麗，劉躍云. 茶葉咖啡堿的功效及含量測定研究進展［J］.福建茶葉，2012(3):5-8.

［3］ 汪小鋼，蕭偉祥.超臨界CO2提取茶葉中咖啡堿［J］.茶葉科學，1998，18(1):65-69.

［4］ 徐鳳英，梁英，王亞飛.超聲波輔助乙醇提取咖啡因工藝優化［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2013，25(2):85-87.

［5］ 葉懷義，宗雪源. 微波輔助萃取紅茶中咖啡堿的研究［J］.哈爾濱商業大學學報:自然科學版，2006，22(2):40-43.

［6］ 王篤政，于娜娜.超聲-微波協同萃取技術在中藥有效成分提取中的研究進展［J］.化工中間體，2011(5):5-9.

［7］ Xia Tao，Hi Siquan，Wan Xiaochun.Effects of microwave and ultrasound assisted extraction of main chemical components of tea［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2004，20(6):170-173.

［8］ 林鄭和，嚴蘭芳. 紫外分光光度法測定茶葉中的咖啡堿［J］.茶業科學技術，2001(4):40-41.

［9］ 陳學文，羅一帆，羅麗卿，等.茶葉中咖啡堿的提取、純化與測定［J］. 中國民族民間醫藥雜志，2004(70):297-299.

［10］陳志慧.茶葉中提取咖啡堿的實驗方法比較［J］.時珍國醫國藥，2005，16(6):495-496.

［11］岳賢田.微波輔助提取茶葉中咖啡堿的工藝研究［J］.安徽農業科學，2011，39(7):4062-4065.

［12］岳賢田. 超聲波輔助提取茶葉中咖啡堿的工藝研究［J］.食品工程，2010，27(1):125-127.