从茶叶中提取咖啡因实验与教学研究

1新教材《实验化学》中从茶叶里提取咖啡因实验与教学研究淮安市楚州区钦工初级中学223231赵芬摘要：本论文以碱液提取、直接升华研究了《实验化学》中“从茶叶中提取咖啡因”实验，探讨了微型化实验及该实验在教学中的作用。目的在于丰富该实验的课程资源，更好的发挥该实验在教学中的作用。关键词：新课程，中学实验教学，茶叶，咖啡因1前言1.1选题的依据和意义《普通高中化学课程标准》规定了新高中化学课程的基本理念：立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，着眼于二十一世纪公民的科学素养，构建“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”相融合的高中化学课程目标体系[1]。新高中化学课程由2个必修模块和6个选修模块组成，其中“实验化学”是作为一个独立的模块有别于以往教材的处理，突出实验的重要地位。该课程模块能很好的体现新课程理念第五条：通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。“实验化学”课程主要有三方面的内容：一是实验的基本技能，二是实验研究的思路，三是实验中的价值观。高中化学新课程倡导以科学探究为主的多样化学习方式,通过实验探究活动，掌握基本的化学实验技能和方法，进一步体验实验探究的基本过程，认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用，提高化学实验能力。2“从茶叶中提取咖啡因”在实验化学中属综合探究性实验，能够使学生掌握提取植物中某些成分和纯化物质的一般方法，并能够设计提取和分离物质的实验方案并对方案合理性进行评价。新课程标准提倡学生独立进行或合作开展化学实验研究。通过该实验能激发学生的学习兴趣，帮助学生通过使用探究形成化学概念、理解化学基础理论、掌握化学知识和技能，培养学生的科学态度和价值观，帮助学生发展思维能力和训练实验技能，从而达到全面提高学生科学素养的目的。1.2本论文的主要研究内容茶叶在生活中很常见，有解毒、利尿、止泻、消炎等功效[2]，其主要成分为黄酮类、茶多酚、生物碱（主要为咖啡因）、氨基酸、维生素等[3]。咖啡因是天然的食品添加剂，可用于制造兴奋性饮料；它是制药工业中的重要原料，复方阿司匹林的主要成分之一就是咖啡因。目前获取咖啡因的途径之一是人工合成。由于人工合成的咖啡因含有原料残留,长期食用会产生残毒作用,有的国家已禁止在饮料中使用合成咖啡因[4]。由于人们对绿色食品的渴求，国内外已相继开发出从植物中提取咖啡因的工艺。据有关资料报道，茶叶（干茶）中咖啡因的含量在1.5%～3.5%[5]。多年来，人们研究出了很多从茶叶中提取有效成分咖啡因的方法，主要有：水提法、醇提法、升华法及其他有机溶剂提取法，近年来又有人研究出了吸附法和超临界二氧化碳气提法。但这些方法多适用于工业生产，无论是仪器还是方法均比较繁琐，不适于中学实验教学。经查资料发现，在课程资源方面，除了教科书外并未发现其他有助于学3生发展的资源。本论文针对以上不足，从“以碱液提取法从茶叶中提取咖啡因”、“运用直接升华法从茶叶中提取咖啡因”及微型化实验这几个方面进行研究，希望能够丰富中学实验教学的课程资源，培养学生的创新精神和实践能力，并希望通过这些实验激发学生的学习兴趣，更好的发挥该实验在教学中的作用。2实验部分2.1用碱液提取法从茶叶中提取咖啡因2.1.1实验原理咖啡因又称咖啡碱或茶素，化学式为C8H10N4O2.H2O(1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤)，是具有绢丝光泽的一种白色针状晶体[11]。其结构为100℃时晶体失去结晶水后开始升华，120℃时升华显著，至178℃时升华很快。无水咖啡因的熔点为234.5℃。利用咖啡因这一特性，通常可用升华法进行提取。咖啡因是弱碱性化合物，与酸反应能形成不稳定的盐。茶叶的主要成分包括咖啡因等生物碱,以及茶多酚、单宁酸(鞣酸)、蛋白质、糖类、氨基酸、维生素等。单宁与咖啡因能生成难溶盐，所以我们在实验中需用碱性试剂中和单宁酸以便咖啡因游离出来。咖啡因易溶于热水和氯仿，能溶于水和乙醇，微溶于乙醚。其具体的溶解度见表1。4表1咖啡因在不同溶剂中的溶解度溶剂沸水（100℃）热水（80℃）水热乙醇乙醇氯仿乙醚溶解度/g66.618.224.5218.20.19注：未标明温度的均为常温在新高中实验化学中，从茶叶中提取咖啡因属综合探究性实验，对于碱性试剂并无明确说明，所以在以下实验我主要对碱性试剂的选择和实验方法进行研究，希望能找出合适的碱性试剂和实验方法方便课堂教学。2.1.2操作步骤称取5g干茶叶放入烧杯中，加入75mL水和适量的碱性试剂（NaOH，Na2CO3，NaHCO3，Ca(OH)2），用小火煮沸20分钟，煮沸过程中需不断搅拌。趁热减压过滤，将滤液浓缩至5mL左右，把残液转入蒸发皿中，加入4g生石灰粉进行吸水，用酒精灯隔着石棉网小心加热，直至完全成干粉状，使水分全部除去。冷却后，把焙干的泥土样粉末集中于蒸发皿中间，上面覆盖一张刺有许多小孔且孔刺向上的滤纸，再在滤纸上罩一个大小合适的玻璃漏斗，漏斗颈部塞一小团疏松的棉花（如图1所示），用酒精灯隔着石棉网小心加热，使咖啡因升华。当滤纸上出现白色针状结晶时，要适当调节火焰使升华速度放慢。若发现有棕色烟雾时，应立即停止加热。冷却后称重。5图1升华装置2.1.3实验结果以上实验主要对各种不同碱性试剂的选择进行了研究，实验结果列于表2中。表2不同碱性试剂的比较碱性试剂碱性试剂质量/g茶叶状态茶汁颜色过滤难易提取咖啡因质量/gNaOH0.50腐烂状黑很难0.05Na2CO32.00腐烂状深褐很难0.05NaHCO32.00正常棕黄很难0.03Ca(OH)22.00轻微腐烂状棕黄较易0.062.1.4小结由表1可以得出用Ca(OH)2作为碱性试剂提取咖啡因最好，选用NaOH和Na2CO3游离咖啡因时茶汁浓厚，难于过滤，容易造成咖啡因的损失，选用NaHCO3时，虽茶叶状态正常，但太难过滤，不利于实验的进行，故也不能选它。选用Ca(OH)2时，茶叶腐烂程度不大，茶汁颜色较淡，而且Ca2＋可与茶叶中单宁或没食子酸形成不溶性的钙盐，使咖啡因作为可溶性的生物碱留在水溶液中，易于分离和最后的提纯，在实验过程中明显能看到有大量絮状沉淀析出能更好的除去单宁酸。该实验无有毒有害试剂的引入，实验操作也不是很复杂，用于中6学课堂教学中比较合适。通过该实验，能够使学生对天然有机化合物的提取有一个感性认识，激发他们学习化学的兴趣，提高他们的实验素养，为他们以后的化学学习打下了良好的基础。2.2运用直接升华法从茶叶中提取咖啡因2.2.1实验操作取5g茶末，加2.5g的Ca(OH)2及适量水，调成稠糊状，放在石棉网上用小火干燥，制成“茶砂”，将“茶砂”置于特制的升华装置（如图1）中进行升华，小心加热，控制升华温度，收集咖啡因。注：茶砂是因为茶末中加入Ca(OH)2及适量水，调成糊状干燥后形状、颜色像砂子，故叫做茶砂2.2.2实验结果将茶叶粉末制成“茶砂”然后直接进行加热，提取得咖啡因0.04g。2.2.3小结该实验方法是参考文献[13]，这种方法简单易行，操作方便，且该实验不是用茶末升华，而是将茶末制成“茶砂”，再用“茶砂”升华，这样就避免了因茶末受热不均匀，易焦化而造成的升华不完全。该方法所用的试剂廉价、易得，升华设备及操作过程也比较简单，是一种可行的方法，但是从中学实验教学这方面看其操作太过简单，不能让学生的实验技能得到最大提高，所以，在中学教学中这种方法是不太好的，若用于工业生产中倒还是可以考虑。该实验成功的关键在于控制升华温度，一定要小心加热，收集到的产品中有白色晶体咖啡因和混有焦油的咖啡因晶体，可对此产品进7行水溶、结晶、升华，便可得到白色晶体咖啡因。2.3从茶叶中提取咖啡因的微型实验的设计与研究化学微型实验即“实验药品微量化，实验仪器微型化”。化学微型实验的教学功能主要体现在以下四方面：（1）替代常规实验，体现绿色化学教学理念；（2）改变设计思想，尝试化学实验设计创新；（3）开阔实验素材，倡导课外实验尝试研究；（4）提供编题题材，强化类比想象分析训练。微型实验的教学功能是在对微型实验的开发过程中实现的，并在教学过程中不断丰富与发展。通过以上的几个实验可以发现在实验中原料、药品的用量比较多，这样很明显违背了绿色化学的宗旨。所以我们参考文献[15]设计了下面的这个微型实验方案，希望能够找出适合课堂教学的方法。2.3.1实验步骤在50mL烧杯中加入0.5g无水Na2CO3，溶于10mL热水，再加1.0g研细的茶末，盖上表面皿，水浴温热至微沸，持续30分钟。稍冷后减压过滤，并挤压茶叶。用1mL热水洗涤烧杯两次，滤液转入离心试管中，向滤液中加入2mLCHCl3，用毛细滴管深入离心试管底部反复吸入和放出液体，务使两相充分接触，将离心试管置于离心机内分层，用毛细滴管深入离心试管底部吸出CHCl3萃取液，置于50mL烧杯中，重复萃取操作4次。称取1.5g无水CaCl2干燥萃取液，约10分钟后，将干燥的溶液吸入50mL圆底烧瓶中，再用2mLCHCl3洗涤小烧杯中的CaCl2。洗涤液并入事先已准确称重的圆底烧瓶中，水浴回收CHCl3，直至蒸干为止。准确称量圆底烧瓶质量，8用差减法得产量。2.3.2实验结果以微型实验提取得咖啡因量的结果如表5所示。表3微型实验提取得咖啡因量原料/g圆底烧瓶质量（前）/g圆底烧瓶质量（后）/g咖啡因质量/g1.030.661030.67430.01332.3.3小结原参考文献中用的干燥剂是无水Na2SO4，由于实验室中无该药品，我将干燥剂用无水CaCl2替代，发现并不影响实验结果。该微型实验简化了实验装置，减少了药品的用量，降低了环境污染，缩短了实验时间，具有安全、迅速、简单、现象明显，药品器材消耗量很少等优点，适合作为学生实验实施。学生在做实验时感受到化学实验带来的污染时，他们往往会错误地把现代社会中环境失衡与灾难归之于化学。这是化学教学的一种悲哀。而微型实验则要求实验药品微量化和实验仪器微型化，这不仅减少药品消耗及实验污染物的排放，而且能提高原料利用率。因此，开展微型实验是很有必要的，它是绿色化学教学理念在教学实践中的具体体现。3本实验在教学中的作用（1）通过这个探究性实验能够发展学生学习化学的兴趣，乐于探究物质变化的奥妙，体验科学探究的艰辛和喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。通过该实验能够让学生认识实验在化学科学研究和化学学9习中的重要作用，体会到化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的重要途径和方法。能够让对生活中和自然界中化学现象具有好奇心，并试图通过化学实验来探究其中的道理。（2）通过该实验可以让学生积极的参与化学实验操作活动，让他们善于与人合作，并主动交流各种化学实验信息。还要教育他们客观、准确地观察和记录化学实验现象，实事求是地完成化学实验报告，有助于学生树立辩证唯物主义的世界观，养成务实求真，勇于创新、积极实践的科学态度，崇尚科学，反对迷信。（3）在实验过程中要培养学生的安全意识，以保证能顺利完成实验。这在微型实验中可以很好的体现，实验中还应让学生树立绿色化学思想，形成环境保护的意识。科技日新月异，随着社会的进步，人类对化学品的需求越来越大，与此同时温室效应、臭氧空洞、酸雨、白色污染等一次次向我们敲响了警钟。所以在该实验的教学中，不仅要引导学生充分认识化学对人类的重要价值，还要清醒地看到化学品应用危及人类生存的另一面，积极关注社会可持续发展中与化学相关的一系列“热点”问题。在化学课程中介绍绿色化学，重要的不但是学习相关的知识，而且是使学生从中获得科学的价值观。4结束语本文从不同角度，对从茶叶中提取咖啡因的方案设计，找出了比较好的方案。这样不但能够方便中学课堂教学，还丰富了课程资源。特别是这种探究性实验，科学的本质在于探究，通过这种探究性实验能够提供师生、生生等多种交流合作的机会，能让学生在较为轻松、10活泼的氛围中理解、探究化学现象，建构对化学科学知识的理解，有利于形成良好的人际关系和积极的学习态度，促进学生科学认知的发展，在班级学习者共同体中创建自己的科学