正交試驗法從茶葉中提取咖啡因的工藝研究

周芳　朱亞偉　位翠杰

摘要 [目的] 研究從茶葉中提取咖啡因的工藝。[方法]從茶葉中提取天然咖啡因，以微波進行前處理，乙醇作為溶劑，利用索氏提取器進行提取。以得到的咖啡因的產量為評價指標，運用正交試驗原理考察了微波功率、微波時間、乙醇濃度和浸提時間對產量的影響。[結果]試驗優選出了茶葉中咖啡因提取的最佳工藝條件：稱取8 g茶葉，微波功率為240 W，微波時間為3 min，乙醇濃度為95%，索氏提取器提取時間為1.5 h，此條件下咖啡因產量為 89.2 mg。[結論] 研究可為茶葉中咖啡因的提取提供參考依據。

關鍵詞 茶葉；咖啡因；提取；正交試驗

中圖分類號 S609.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-274-02

茶葉是世界三大飲料之一[1]，具有降壓、抗氧化、抗腫瘤、降低膽固醇、提神、增強機體免疫力等作用[2]。據已有的研究資料表明，茶葉中含有糖類、多種氨基酸、生物堿、茶多酚等多種成分，其中，咖啡因的含量約占茶葉干重的2%～5%[3-4]。從茶葉中提取咖啡因的方法較多，其中浸提法、索氏提取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法等已有報道[5]，以微波進行前處理，結合索氏提取法尚未見報道。筆者以乙醇作為提取溶劑，以得到的咖啡因的產量為評價指標，運用正交試驗，考察微波輻射功率、輻射時間、乙醇濃度和索氏提取時間4個因素對咖啡因提取產量的影響，尋找一個提取率比較高的新工藝流程。

1 材料與方法

1.1 材料 原料：信陽毛尖，市售。主要試劑：無水乙醇。主要儀器：索氏提取器；電子天平；微波化學反應器WBFY-201，上海丞明儀器設備有限公司。

1.2 方法 用粉碎機將茶葉粉碎，過60目篩。分別稱取8 g樣品，置于微波反應器中，以不同的功率、不同的時間進行輻射。前處理后，將樣品進行包裹，放入索氏提取器中，選用不同濃度的乙醇，提取不同時間后，將索氏提取裝置改為蒸餾裝置， 回收大部分的乙醇，然后將濃縮液轉移至蒸發皿中，加入3 g生石灰，邊加熱邊攪拌，待蒸干水和乙醇后，升華，收集產品，稱重，測定其熔點。

2 結果與分析

2.1 正交試驗影響因素的選擇 溶劑是影響提取率的重要因素之一，咖啡因易溶于乙醇，因此把乙醇的濃度作為主要的考察因素之一；同時，微波功率、微波時間、浸提時間均會影響咖啡因的提取率，因此把這4 個因素同時作為考察因素。試驗的影響因素和水平見表1。

2.2 正交試驗結果 為了提高咖啡因的產量，試驗考察了4個影響因素和3個水平，故選用4因素3水平9次試驗的正交試驗表L9（34）。正交試驗設計及試驗結果見表2。

R為各因素的極差，反映了各因素影響試驗指標的主次關系。R越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，因此也就越重要。由極差分析結果可以看出，以提取產量為考察指標，4種因素對咖啡因提取產量的影響大小程度依次為：乙醇濃度、提取時間、微波時間、微波功率。從表2可得出，正交試驗范圍內的較優的提取條件為D3C2B1A2，即乙醇濃度95%，提取時間1.5 h，微波功率240 W，微波輻射時間3 min，在此條件下8 g茶葉中咖啡因的提取量89.2 mg。

F值是指因素水平的改變引起的的平均偏差平方和與誤差的平均偏差平方和的比值，比值的大小反映了各因素水平對試驗結果影響程度的大小。若F>F0，說明該因素水平的改變對試驗結果有顯著的影響，兩數差別越大，說明該因素影響的顯著性越大。由方差分析可得出，乙醇濃度對試驗結果影響顯著；微波功率、微波時間和提取時間對試驗結果影響不顯著。各因素對試驗結果的影響顯著性次序為：因素D（乙醇濃度，F=28.691）>因素C（提取時間，F=4.627）>因素B（微波時間，F=1.912）>因素A（微波功率，F=1.000），其中T臨界值=19.000。

由極差和方差分析得出，乙醇的濃度是影響咖啡因提取產量的主要因素，95%乙醇提取的效果最好，其次是提取時間、微波時間和微波功率。

2.3 產品分析

2.3.1 熔點測試。

外觀：白色針狀晶體。干燥后測其熔點為233～234 ℃，熔程短，純度較高。

2.3.2 紅外光譜分析。 得到的咖啡因產品經紅外分析，得到譜圖，如圖1所示。

由圖1可見，3 116 cm-1處為芳環上的C-H伸縮振動，744 cm-1處為其變角振動；1 703和1 667 cm-1處分別為2位和6位C原子上的C=O伸縮振動；1 548 cm-1處為芳環上4、5原子的C=C伸縮振動；1 484 cm-1為N-CH3的C-H彎曲振動；1 024 cm-1處為C-N伸縮振動吸收峰。由此確定該物質為咖啡因。

2.4 驗證試驗 用上述條件D3C2B1A2，進行3次平行試驗，結果3次平行試驗從8 g茶葉中提取咖啡因含量依次為85.1、93.3、84.4 mg，平均提取量為87.6 mg，提取率高且具有重復性，驗證了所選提取工藝條件的合理性。

3 結論

以信陽毛尖為原料，采用微波輻射和索氏提取器聯合提取，利用正交試驗方法，優化出了較佳的工藝條件：微波功率240 W，輻射時間3 min，乙醇濃度95%，提取時間1.5 h，產量為8 g茶葉可提取咖啡因89.2 mg。李玉賢等利用索氏提取器，采用正交試驗的方法，咖啡因的產量為33.6 mg/8g[6]；楊兵等采用微波提取法，得到咖啡因的產量為38.9 mg/5g[7]。用微波進行前處理后，再用索氏提取器進行提取，咖啡因的產量明顯提高，并且純度比較高。因此從產量、試驗時間和儀器要求等方面綜合考察，該工藝條件較為理想。

參考文獻

[1] YANG C S，LAMBERT J，江和源，等.茶對人體健康的作用[J].中國茶葉，2006，28（5）：14-15.

[2] 鄒盛勤.茶葉的藥用成分、藥理作用及應用研究進展[J].中國茶葉加工，2004（3）：35-37.

[3] 劉軍海，李志洲.茶葉中有效成分應用及其提取工藝研究進展[J].食品研究與開發，2007，28（3）：173-176.

[4] 羅一帆，郭振飛，朱振宇，等.近紅外光譜測定茶葉中茶多酚和茶多糖的人工神經網絡模型研究[J].光譜學與光譜分析，2005，25（8）：1230-1233.

[5] 盛貽林.茶葉中咖啡因提取實驗方法的比較及改進[J].生物學雜志，2007，24（1）：75-76.

[6] 李玉賢，張佳樂，劉金浩.正交實驗法優化咖啡因提取實驗工藝研究[J].實驗室科學，2011，14（2）：105-107.

[7] 楊兵，彭傳友，陳源，等.茶葉中咖啡因提取條件優化及方法對比[J].光譜實驗室，2012，29（5）：2695-2697.