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茶叶咖啡碱提取制备技术

作者:袁新跃 江和源 张建勇 出处:中国茶叶 点击:8008

咖啡碱( Caffeine),又名茶素或咖啡因,1827年由Oudry首次在茶叶中发现。化学名为137-三甲基-26-二氧嘌呤,其化学式为C8H10N4O2,相对分子量为194.2,易溶于热水、氯仿、二氯甲烷,能溶于乙醇、丙酮、乙酸乙酯和冷水,难溶于乙醚和苯。熔点为235~238℃,在120℃以上开始升华,到180℃可大量升华成针状结晶。固态下咖啡碱为白色粉末,无臭,味苦,有风化性。咖啡碱属于生物碱,具有与大多数生物碱一样的特性,在272274nm处有最大吸收峰。与1%钼酸纳的浓硫酸液(Frohde试液)作用显橙色,1%钼酸铵的浓硫酸液(Mandelin试液)作用显黄色。咖啡碱是茶叶中含量最高的生物碱,一般含量为2%4%,是茶叶特征性物质之一。在茶叶中,咖啡碱的含量随茶树的生长条件及其品种的不同而有所不同,一般遮光栽培条件下,茶树中咖啡碱含量比较高,细嫩茶叶比粗老茶叶含量高,夏茶比春茶含量高。大量研究发现,咖啡碱具有兴奋神经中枢,消除疲劳,助消化,减弱酒精、烟碱、吗啡等物质的毒害,增加肾脏血流量,利尿和强身等作用。因此,咖啡碱在食品(主要是饮料行业)和医药行业得到了广泛的应用。

一、咖啡碱的提取制备方法

由于咖啡碱在食品和医药等行业得到广泛应用,而茶叶中的咖啡碱含量相比一般的植物含量高,因而,对从茶叶中提取咖啡碱的研究比较多,尤其是对夏秋茶咖啡碱的提取利用。目前,从茶叶中提取制备咖啡碱的方法主要有溶剂萃取法、升华法、离子沉淀法、柱层析法、超声波提取法和超临界萃取法等。在咖啡碱的整个提取工艺中已不局限于单个提取方法的使用,而往往是两种或多种方法综合使用,可达到更好的提取咖啡碱,以及提高咖啡碱产品纯度的效果。

1.传统提取方法

(1)溶剂萃取法。溶剂萃取法的原理是利用咖啡碱易溶于乙醇、热水、氯仿等溶剂的性质,将茶叶中的咖啡碱和其他杂质进行分离的方法。该法的关键工艺主要有浸提、去杂,去有机溶剂和重结晶。具体操作为:茶叶或茶末经乙醇浸提一段时间,之后过滤,滤渣再经乙醇浸提1次,合并两次的滤液,加入稀硫酸调pH2.53.0,絮凝沉淀去除植物胶质等杂质,过滤,滤液加MgO去杂,之后过滤,浓缩,加Ca( OH)2饱和液调pH9.09.2,冷却结晶,过滤得到的晶体再用热水溶解,加入活性炭脱色,再经浓缩,重结晶,干燥得到含有一分子结合水的咖啡碱结晶体。此法的缺点在于工序太多,造成咖啡碱的多次损失,从而导致咖啡碱提取率的降低和提取成本的提高。

(2)升华法。升华法是利用咖啡碱在120C以上开始升华,到180大量升华,冷却后形成针状结晶的原理来实现茶叶中咖啡碱的提取。升华法的优点在于工艺简单,工序少,整个提取制备过程不带入三氯甲烷、铅等有毒物质,所得到的产品纯度不含结晶水,而且纯度较高。目前升华法提取制备咖啡碱的工艺主要有两种:一种是先升华提取,再经过重结晶纯化;另一种是先经过预处理,去除一部分杂质后,再进行升华提取纯化。前者的具体操作为:茶叶或茶末经加温至180以上升华,冷却得到咖啡碱粗品,咖啡碱粗品再经热水溶解,漂洗之后的咖啡碱溶液静置冷却,之后过滤,滤液经结晶.再在100下干燥,可得到含有一分子结合水的咖啡碱产品。该工艺简单易行,操作方便,但是由于升华后得到的咖啡碱粗品中含有大量的烟气、杂醇油乃至碳化物等杂质,仅经过漂洗和结晶难以有效去除,从而导致该工艺制备的咖啡碱的纯度和提取率不高。后者的具体操作为:茶叶或茶末先经一定浓度的乙醇萃取后,为提高提取工艺的得率,滤渣再用一定浓度的乙醇萃取1次,合并两次的滤液,然后经过真空旋转蒸发回收乙醇,浓缩液中加入稀硫酸絮凝沉淀去杂,过滤,滤液蒸干后得到固态物,再加温至180以上进行升华提取并提纯咖啡碱。此工艺得到的咖啡碱的纯度可达99.96%,而且升华前的预处理所用的乙醇可经真空旋转蒸发回收,可大大降低提取制备咖啡碱的成本。

(3)沉淀法。离子沉淀法的原理是利用某些金属离子能沉淀咖啡碱浸提液中的茶多酚,从而间接完成咖啡碱的提纯。该工艺是将茶叶或茶末加入一定浓度的乙醇在一定温度下浸提一定的时间,然后过滤,得到的滤液经真空减压浓缩,浓缩液经冷却后,加入低浓度的金属离子溶液沉淀茶多酚,过滤得到的滤液加入质量为茶原料质量25%30%的生、熟石灰(2.3)混合物,搅拌均匀后干燥脱水,置于升华器内在常压或减压条件下升华提纯咖啡碱。沉淀茶多酚的离子络合沉淀剂主要有氯化钙、氧化钙和氯化锌等,也有采用铅和铝等金属离子来沉淀去除茶多酚的报道。此法的操作工艺简单,可行性强,但采用金属离子络合去除茶多酚的效果不甚理想,从而影响了咖啡碱产品的纯度。

在以上咖啡碱的传统提取制备技术中,现常采用溶剂萃取法或沉淀法富集茶叶中的咖啡碱,同时在一定程度上可去除茶叶中的杂质,然后通过升华法来实现咖啡碱的纯化制备。

2.新技术

(1)柱层析技术。柱层析技术因为是绿色和低能耗提取技术,故在很多物质的提取工艺中都得到广泛的应用,采用柱层析技术纯化茶叶咖啡碱的技术也得到大量而深入的研究。其原理是利用各种吸附剂(柱填料)与洗脱剂进行吸附一解吸附的过程来实现茶叶提取液中咖啡碱与其他成分的分离。具体工艺流程是,先将茶原料用热水或一定浓度的乙醇溶液浸提一定时间,得到的浸提液经过浓缩后,采用柱层析技术实现咖啡碱与杂质的分离纯化。浓缩液上柱后,可以是杂质被柱填料吸附,而咖啡碱未被吸附而实现分离,或是咖啡碱被柱填料吸附,杂质先于咖啡碱从填料中解吸附下来,最后用洗脱剂将咖啡碱洗脱,从而实现咖啡碱与其他杂质的分离。如大须博文等将处理的硅藻土用二氯甲烷拌浆后填入分离柱中,将乌龙茶提取液注入柱中,吸附10min后用二氯甲烷淋洗对咖啡碱进行解吸附,可得到纯度达98%的咖啡碱产品。Horita H通过大量实验研究筛选出Toyopearl HW-40柱,采用15%的乙醇溶液淋洗解吸附咖啡碱。具体操作是茶叶或是茶鲜叶经80%的乙醇浸提后,浸提液浸入到Toyopearl HW-40柱中,先用去离子水淋洗去除糖类、色素等杂质,然后用15%的乙醇淋洗解吸附咖啡碱,得到纯度大于97%的咖啡碱产品。此外还有Ryuta S在碱性条件下用合成的吸附剂吸附茶多酚纯化咖啡碱。

(2)微波萃取技术。微波萃取技术是近年发展起来的一种能有效提高萃取率的新技术,它的原理是利用在微波场下,各物质组分因为其本身的结构特性而导致其在吸收微波能力上的差异,从而被选择性加热而从基体或是体系中选择性分离出来,进入到介电常数较小,微波吸收能力相对较差的萃取溶剂体系中。一般的萃取介质有水、乙醇和正己烷等,而出于成本和安全角度,水和乙醇在工艺中多被采用。目前,微波萃取技术已在茶叶咖啡碱提取工艺中得到广泛应用。茶叶原料经粉碎后,加入一定比例的热水或是其他萃取介质,在微波场间隔作用数次,然后过滤,滤液经浓缩得到粗咖啡碱,粗咖啡碱经升华进一步纯化。研究表明,萃取介质对咖啡碱的提取效率影响不大,而微波作用方式对其提取效率有较大的影响。张燕瑜以98%的乙醇为萃取介质,直接一次在微波中作用34min,之后过滤得到的滤液加入一定量的生石灰得到粉状物,经升华得到咖啡碱产品,此法的提取率达到1.2%以上。农容丰等以水为萃取介质,提取率可达到1.40%。陈志慧以95%的乙醇为萃取介质,采用微波间隔作用方式,每次1min,共作用7次,咖啡碱的提取率可达到0.77%

(3)超临界萃取法。超临界萃取技术(SFE)是近年发展起来的一种新型分离技术。其原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而实现分离。在超临界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小不同的成分依次萃取出来。当然,对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的,但可以控制条件得到最佳比例的混合成分,然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体,被萃取物质则完全或基本析出,从而达到分离提纯的目的,所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。

超临界CO2萃取法就是采用CO2作为超临界流体介质来实现目标物与杂质的分离。CO2作为超临界流体介质有以下优点:①CO2的临界温度和压力都比较低,CO2的临界温度为31,压力为7.4MPa,条件温和,比较适合工业化生产;②对有机物的溶解能力强,选择性好,在超临界条件下,温度或压力值的一个较小的变化就会引起CO2流体密度的大幅度改变,从而影响物质在CO2流体中溶解度的变化;③CO2来源广泛,成本较低;④CO2无毒,易实现与产品的分离,可有效减少制备工序和降低成本。

超临界CO2萃取法的工艺流程为茶叶原料(或是磨碎茶叶)放入密闭的萃取罐,然后通入CO2,通过高压泵系统加压,使得系统压力达到设定要求之后,停止加入CO2,通过泵的压力实现CO2在茶叶中的循环,之后泵人夹带剂(一定浓度的乙醇),并适量补充系统中CO2的量,使得系统的压力达到设定压力和温度之后,开始循环萃取茶叶中的咖啡碱(图1)。循环萃取完毕之后从解析罐出料口得到浅黄色的咖啡碱初产品。在此过程中,可以通过改变夹带剂的浓度和萃取的压力和温度来实现茶叶中多种成分的萃取分离,提高咖啡碱的萃取率和得率,有效地减少咖啡碱产品中的杂质,简化后续的纯化步骤,进一步提高咖啡碱产品的纯度。

1  超临界C02萃取法制备咖啡碱工艺路线

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