茶叶中咖啡因的提取

咖啡因又叫咖啡碱,是一种生物碱,存在于茶叶、咖啡、可可等植物中。例如茶叶中含有1%～5%的咖啡因,同时还含有单宁酸、色素、纤维素等物质。咖啡因是弱碱性化合物,可溶于氯仿、丙醇、乙醇和热水中,难溶于乙醚和苯(冷)。纯品熔点235～236℃,含结晶水的咖啡因为无色针状晶体,在100℃时失去结晶水,并开始升华，120℃时显著升华，178℃时迅速升华。利用这一性质可纯化咖啡因。咖啡因的结构式为:NNOOCH3CH3NNCH3咖啡因（1，3，7-三甲基-2，6-二氧嘌呤）咖啡因(1,3,7-三甲基-2,6-二氧瞟岭)咖啡因是一种温和的兴奋剂,具有刺激心脏、兴奋中枢神经和利尿等作用。提取咖啡因的方法有碱液提取法和索氏提取器提取法。本实验以乙醇为溶,用索氏提取器提取,再经浓缩、中和、升华,得到含结晶水的咖啡因。工业上咖啡因主要是通过人工合成制得。它具有刺激心脏、兴奋大脑神经和利尿等作用。故可以作为中枢神经兴奋药，它也是复方阿司匹林（A.P.C）等药物的组分之一。实验时能够观察到,随着回流的进行,当提取筒中回流下的乙醇液的液面稍高于索氏提取器的虹吸管顶端时,提取筒中的乙醇液发生虹吸并全部流回到烧瓶内.然后再次回流,虹吸,记录虹吸次数.虹吸5-6次后,当提取筒中提取液颜色变得很浅时,说明被提取物已大部分被提取,停止加热,移去电热套,冷却提取液.拆除索氏提取器(若提取筒中仍有少量提取液,倾斜使其全部流到圆底烧瓶中),安装冷凝管进行蒸馏，至剩余5mL左右时趁热倾入盛有生石灰的蒸发皿中搅拌成糊状后蒸干成粉状。然后用升华法获得其晶体。一实验目的1.1学习生物碱的提取方法；1.2了解咖啡因的性质；1.3学习脂肪提取器的作用和使用方法。二实验要求重点掌握茶叶中咖啡因的提取和纯化。三实验原理茶叶中含有咖啡因，约占1~5%，另外还含有11~12%的丹宁酸（鞣酸），0.6%的色素、纤维素、蛋白质等。为了提取茶叶中的咖啡因，可用适当的溶剂（如乙醇等）在脂肪提取器中连续萃取，然后蒸去溶剂，即得粗咖啡因。粗咖啡因中还含有其它一些生物碱和杂质（如单宁酸）等，可利用升华法进一步提纯。实验装置如下：1.提管2.通气管3.虹吸管4.小烧瓶5.冷凝管1.索氏提取器是利用溶剂回流和虹吸原理，使固体物质连续不断地为纯溶剂所萃取的仪器。溶剂沸腾时，其蒸气通过侧管上升，被冷凝管冷凝成液体，滴入套筒中，浸润固体物质，使之溶于溶剂中，当套筒内溶剂液面超过虹吸管的最高处时，即发生虹吸，流入烧瓶中。通过反复的回流和虹吸，从而将固体物质富集在烧瓶中。索氏提取器为配套仪器，其任一部件损坏将会导致整套仪器的报废，特别是虹吸管极易折断，所以在安装仪器和实验过程中须特别小心。四实验仪器和试剂试剂：茶叶95%乙醇生石灰仪器：索氏提取器（50mL），烧杯，干燥器，脱脂滤纸，镊子，分析天平，烘箱，恒温水浴，脱脂棉。5实验内容和步骤5.1粗提：a、仪器安装：索氏提取器（50mL），烧杯，干燥器，脱脂滤纸，镊子，分析天平，烘箱，恒温水浴，脱脂棉。b、连续萃取：称取10g茶叶，研细，用滤纸包好，放入脂肪提取器的套筒中，用75mL95%乙醇水浴加热连续萃取2~3h。.将一张滤纸的一端封口，另一端先放入一小团棉花，再装入茶叶末（事先把茶叶放入研钵中研碎，一定要细！）并在另一端也放入棉花，封口（用手在上面捏一个小凹槽以便吸收）,用手搓一搓.用滤纸包茶叶末时要严实，防止茶叶末漏出堵塞虹吸管；滤纸包大小要合适，既能紧贴套管内壁，又能方便取放，且其高度不能超出虹吸管高度。称取50g茶叶末，将茶叶装入滤纸套筒中，把套筒小心地插入索氏提取器中，取150mL95%乙醇加入250mL平底烧瓶中（加入几粒沸石），安装好装置。水浴加热，连续提取2~2.5h后，提取液颜色较淡，待溶液刚刚虹吸流回烧瓶时，立即停止加热。c、蒸馏浓缩：待刚好发生虹吸后，把装置改为蒸馏装置，蒸出大部分乙醇。蒸发浓缩时不要用坩埚和酒精灯，最好使用水蒸气浴作为热源，因为咖啡因易升华，温度稍高就会损失惨重。安装好蒸馏装置，水浴上进行蒸馏，蒸出大部分乙醇并回收乙醇。d、加碱中和：趁热将残余物倾入蒸发皿中，拌入3~4g生石灰，使成糊状。蒸气浴加热，不断搅拌下蒸干。生石灰起中和和吸水作用,以除去部分杂质.浓缩萃取液时不可蒸得太干，以防转移损失。否则因残液很粘而难于转移，造成损失e、焙炒除水：将蒸发皿放在石棉网上，压碎块状物，小火焙炒，除尽水分。粗咖啡因中的水分必须除完全之后,才能进行升华操作,否则留有的少量水分会在下一步升华开始时带来一些烟雾。在玻棒不断搅拌下蒸汽浴上将溶剂蒸干。再在石棉网上用小火小心地将固体焙炒至干。5.2纯化：a、仪器安装：安装升华装置。用滤纸罩在蒸发皿上，并在滤纸上扎一些小孔，再罩上口径合适的玻璃漏斗。取一只合适的玻璃漏斗，罩在隔以刺有许多小孔的滤纸（用三层）的蒸发皿上（图4-31）。用小火小心加热升华在里面加一个温度计控温150~170，若漏斗上有水汽应用滤纸擦干。当滤纸上出现白色针状物时，可暂停加热，稍冷后仔细收集滤纸正反面的咖啡因晶体。残渣经拌和后可用略大的火再次升华，控温200~210，合并b、初次升华：220℃砂浴升华。刮下咖啡因。咖啡因易溶于氯仿（12.5%），水（2%）及乙醇（2%）等。含结晶水的咖啡因为无色针状晶体，在100℃时即失去结晶水，并开始升华，在120℃升华显著，178℃升很快。注：因为大火加热时温度会过高，茶叶中的一些色素也会被带出加热温度是升华操作成功的关键,升华过程中始终都应严格控制加热温度,温度太高,会发生炭化,影响结晶颜色,升华温度一定要控制在固体化合物熔点以下升华时用表面积稍大的容器，如蒸发皿，使得咖啡因能充分升华，温度可以高到210~230摄氏度，重复两到三次升华过程。每次升华后待温度降到100°以下再收集咖啡因晶体。滤纸上可以用牙签多钻点小洞，把粗糙面朝下，漏斗一定要压严实。以防咖啡因跑掉，当然不要忘了在漏斗口塞棉花。C、再次升华：残渣经拌和后升高砂浴温度升华。合并咖啡因。再升华是为了使升华完全,再升华过程也要严格控制加热温度。升华过程中要控制好温度。若温度太低，升华速度较慢，若温度太高，会使产物发黄5.3检验：称重后测定熔点。纯净咖啡因熔点为234.5℃。6实验注意事项1、脂肪提取器是利用溶剂回流和虹吸原理，使固体物质连续不断地为纯溶剂所萃取的仪器。溶剂沸腾时，其蒸气通过侧管上升，被冷凝管冷凝成液体，滴入套筒中，浸润固体物质，使之溶于溶剂中，当套筒内溶剂液面超过虹吸管的最高处时，即发生虹吸，流入烧瓶中。通过反复的回流和虹吸，从而将固体物质富集在烧瓶中。脂肪提取器为配套仪器，其任一部件损坏将会导致整套仪器的报废，特别是虹吸管极易折断，所以在安装仪器和实验过程中须特别小心。2、用滤纸包茶叶末时要严实，防止茶叶末漏出堵塞虹吸管；滤纸包大小要合适，既能紧贴套管内壁，又能方便取放，且其高度不能超出虹吸管高度。3、若套筒内萃取液色浅，即可停止萃取。4、浓缩萃取液时不可蒸得太干，以防转移损失。否则因残液很粘而难于转移，造成损失。5、拌入生石灰要均匀，生石灰的作用除吸水外，还可中和除去部分酸性杂质（如鞣酸）。6、升华过程中要控制好温度。若温度太低，升华速度较慢，若温度太高，会使产物发黄（分解）。7、刮下咖啡因时要小心操作，防止混入杂质。.升华装置：具有较高蒸气压的固体物质，在加热到熔点以下，不经过熔融而直接变成蒸气，蒸气遇冷再凝结成固体的过程称为升华。用升华法可制得纯度较高的产品，但此法损失较大。在蒸发皿中加入已充分干燥（在这个实验中干燥变得特别重要。）的待升华物质，蒸发皿上盖一张带有密集小孔的滤纸，再倒扣一个口径比蒸发皿略小的玻璃漏斗。为避免蒸气逸出，在漏斗颈部塞一小团棉花2.．注意蒸馏时，烧瓶内不能装得太满，以防爆溢。焙炒时，水份要除尽,但又不能炒焦。滤纸刺孔，孔径大，排列紧密、均匀。用时，孔刺朝上。升华装置：蒸发皿要贴近锅底，防漏气，不能揭开漏斗观看结晶；升华时，从室温开始，维持在~210℃至少30分钟。升华时，温度计位置要准确。2.升华前加入生石灰起什么作用？除去鞣酸，使之留在废弃物里。3.升华操作的原理是什么？咖啡碱在100℃时即失去结晶水，并开始升华，在120℃升华显著，178℃升华很快，其他物质不升华4.为什么在升华操作中，加热温度一定要控制在被升华物熔点以下？导致不能完全被提取，导致损失。5.为什么升华前要将水分除尽？会影响纯度（水会使咖啡碱变黄）6.除了升华还可以用何方法提取咖啡因？可以用氯仿萃取，加热蒸发并抽滤。7．茶叶中有鞣酸11~12%、色素0.6%、蛋白质27%、生物碱1~5%其余是纤维素。咖啡碱（1-5%）溶于水、乙醇、乙醚、氯仿等，生物碱可可豆碱（0.05%）难溶于冷水和乙醇。（碱性）茶碱（极少）微溶于冷水，易溶于氯仿。•鞣酸：酸性，用生石灰除去。•色素：不升华•纤维素：不溶于乙醇。•蛋白质：加热变性。A用乙醇提取，加热，蒸馏————除去纤维素，引入水和乙醇；B加生石灰，蒸气浴蒸干，培炒————除去乙醇和水：C升华————除去鞣酸盐,得到晶体。第一，如果条件允许的话，你可以采用滴液漏斗来代替，因为滴液漏斗能使作为溶剂的酒精反复被利用，能够使茶叶中的咖啡因充分溶解。而且你得到的是茶叶浸出液，过滤的步骤就省了。第二，你提取茶叶浸出液的时间不够长，这会影响收率，及使用滴液漏斗也最好能在一个半小时以上，何况你用的是锥形瓶。第三，试着将生石灰的量加大点，加到四克，因为你得到的茶叶浸出液里有除了有生物碱外还有大量的有机酸，必须用足够的生石灰才能中和有机酸，使得咖啡因这种生物碱得以尽可能多地保留。1.咖啡因产率应在1.25%以上，产率的计算方法如下：咖啡因产率=咖啡因晶体总质量/茶叶质量（8g）2.蒸发皿中玫瑰红色残渣,滴加1滴浓氨水后，颜色为紫色。解释：咖啡因可被过氧化氢等氧化剂氧化，生成四甲基偶嘌呤（将其用水浴蒸干，呈玫瑰红色），后者与氨作用即成一紫色的紫脲酸铵。该反应是嘌呤类生物碱的特征反应。实验流程图称取10克茶叶→放入索氏提取器→加入100ml95％的乙醇→水浴加热回流1.5~2h（待虹吸管中的颜色变浅时停止加热）→改为蒸馏装置→蒸去大量乙醇→残液转入蒸发皿中→加入3~4克生石灰→水汽蒸去残留的乙醇→蒸发皿上放置滤纸和倒扣的漏斗进行升华→收集得到的产物→再次进行加热升华（棕色烟雾时停止加热）→合并两次的产物→称重→定性实验→取样品配制成溶液→滴入白瓷板并滴加酸性KI-I2→加热并滴加氨水→现象咖啡因的定性检验在白色瓷扳上加入咖啡因后再滴加入2滴6molHCl和2滴碘-碘化钾溶液后观察现象：产生红褐色沉淀制做大小适应的纸套滤纸10g茶叶略加粉碎装入纸套中封好装入脂肪提取器中60ml氯仿加热连续提取8-10次蒸馏回收溶剂剩余3-5ml转入蒸发皿中小火蒸干残液拌入1-2g生石灰粉制做升华装置小火加热升华冷却检查咖啡因的量蒸馏瓶提取器虹吸管蒸汽导管冷凝器图二、蒸汽干燥装置图三、升华装置瓷坩锅小漏斗烧杯图一、萃取装置