实验六—七：从茶叶中提取咖啡因

本文稿主要内容 小品文：咖啡因 实验主要内容 索氏提取器工作原理 提取咖啡因实验注意事项 升华原理 升华实验注意事项

第一部分：小品文 咖啡因

咖啡和茶作为饮料的起源已古老地无从考证。据说咖啡是阿比西尼亚一个牧羊人发现地，他看到他的羊吃了某种矮小带红浆果的植物后会反常地活泼蹦跳。他决定亲自尝一下这种浆果，于是发现了咖啡。阿拉伯人不久后就种起咖啡树来了。最早关于使用咖啡的描述之一是在公元900年左右的一本阿拉伯医书中发现的。伟大的植物分类学家Linnaeus称这种植物为咖啡。 茶叶的发现的一个传说（可以料到它来自亚洲），认为茶叶是Daruma发现的。Daruma是禅宗佛教的创始人。传说中说，有一天他在惯例的反省中居然漫不经心地睡着了。为了保证不重犯这种行为失检，他毅然割去双目的眼睑。在眼睑掉落的地方，一种崭新的植物生根长出，它有使人保持清醒的威力。虽然一些专家断言茶叶的医学用途早在公元前2737年在中国的“神农百草”这本药典中已有报道，但第一篇无可争辩的参考资料确是从公元350年出现的Kuo P’o著的中文字典中见到的。非药用性的，或民间广泛使用茶叶看来传播地很慢。在公元700年之前，茶树尚未在中国广泛种植。由于茶树原本长在印度支那北部和印度北部，固必定在输入中国之前就已经在这一带被栽植。Linnaeus把茶树这种灌木命名未茶（Thea sinensis）；然而更严格地说，茶树与山茶属（camellia)更加近缘，因此植物学家重新命名未Camellia thea。

咖啡因是使茶叶和咖啡称为对人类有用处地活性成分。咖啡因是一种生物碱。生物碱是一类具有有机胺地碱性地含氮天然产物（碱性的英文为alkaline，据此称生物碱为alkaloid）。茶叶和咖啡并不是咖啡因的唯一来源。其它来源包括：可拉果，巴拉圭茶，冠纳茶籽以及含咖啡因量颇少的可可豆。纯咖啡因是在1821年由法国化学家Pierre Jean Robiquet从咖啡中分离出来的。 咖啡因属于一类叫做黄嘌呤类的天然化合物。黄嘌呤类生药或许是人类所知的最古老的兴奋剂。所有黄嘌呤类化合物或多或少对中枢神经和骨骼肌有刺激作用。这种刺激的结果是警觉提高，睡眠推延，并促进思考能力。咖啡因是这方面最强烈的黄嘌呤。它是流行的名叫No-Doz提神药片的主要成分。

虽然咖啡因对中枢神经系统作用强烈，氮并非所有黄嘌呤类豆如此有效。例如可可碱，它是存在于可可中的一种黄嘌呤，对于中枢神经系统的作用就较小。但它是一种强烈的利尿剂（引起排尿），所以有益于治疗病人的严重积水问题。与咖啡因一起存在于茶叶中的第二种黄嘌呤是茶碱，它有少许刺激中枢神经系统的功效，但它是个强烈的心肌兴奋剂，它能使冠状动脉扩张（松弛）。茶碱又称氨茶碱，常用于治疗充血性心力衰竭。它也用于减轻和缓和心绞痛。此外，它又是效力比可可碱强的利尿剂。由于它又是个血管舒张药（使血管松弛），故常常用于治疗高血压头痛和支气管哮喘。 有的人会对黄嘌呤，特别是咖啡因产生耐药性和依赖性。依赖性是实际存在的，一个喝咖啡成瘾的人（每天超过5杯）在停杯18小时后将发生嗜睡，头痛或许还会又恶心等症状。饮服咖啡过度可导致焦虑，易怒，失眠喝肌肉震颤。咖啡可能有毒。但据统计，在比较短的一段时间内饮100杯咖啡才会达到咖啡因的致死量。 咖啡因存在于在天然的咖啡、茶喝可拉果中。茶碱嗜存在于茶叶中的次要组分。可可的主要成分嗜可可碱。茶叶中所含的咖啡因量从2％～5％不等。对红茶所做的一次分析曾测得下列物质：咖啡因 2.5％，可可碱 0.17％，茶碱0.013％，线嘌呤 0.014％，还有微量鸟嘌呤和黄嘌呤。

咖啡豆中可含高达5％（重量比）的咖啡因，可可含5％可可碱。商业上的可乐嗜一种以可拉果提出物为基料的饮料。在美国很难搞到可拉果，但其浆状提取物则在商业上到处可得。这种浆可配制成可乐，里面含有咖啡因，丹宁，色素和糖。为了使这种浆状物呈深色，要加进磷酸和酱色。经过加水丙在压力下压入二氧化碳使混合物能冒泡，这样便制成最终得成品饮料。美国食物和药物管理局（FDA）近来规定可乐要含一定咖啡因，但限定其数量，至多不得超过每盎司5毫克。为使咖啡因得数量达到合格水准，大多数制造商先从可拉提取物中把咖啡因全部除去，然后重新向浆内加入准确量得咖啡因。下表列出了各种饮料中得咖啡因数量。

许多人鉴于咖啡因对中枢神经系统有作用，宁可选用脱去咖啡因得咖啡。从咖啡中脱去咖啡因得方法使将整粒状咖啡在71C时用三氯乙烯萃取，萃取后，沥去溶剂，再将咖啡豆用蒸汽熏以除去任何残存溶剂。然后再将咖啡豆干燥和烘烤使发出香味。脱去咖啡因得咖啡中，咖啡因含量降至0.03％至1.2％的范围内。提出的咖啡因用于制造各种药品，如APC药片等。 咖啡因一向是个引起争议的化合物。某些宗教禁止使用含咖啡因的饮料，它们把咖啡因视为能使人成瘾的一种药物。事实上，确有许多人认为咖啡因是种使人成瘾的药物。这在近来已经引起关注，因为咖啡因在结构上与嘌呤碱种的腺嘌呤和鸟嘌呤相似，后两者是机体用来形成核酸DNA和RNA的五种主要碱基中的两种。令人担心的是，如果咖啡因取代腺嘌呤或者鸟嘌呤这些对遗传有重要的物质，势必将造成染色体缺陷。

DNA分子结构的一部分如图所示。此处特地分别把腺嘌呤和鸟嘌呤的典型结合方式都表示出来。万一咖啡因取代了这两者之一，那么把两个链连接起来所必须的氢键势必将受到扰乱。尽管咖啡因与鸟嘌呤非常像，但由于在必要的位置上没有氢，而是一个甲基，因此无法形成中间的氢键。因此遗传信息杯串改，链中势必出现一个缺口。幸运的是，几乎没有什么证据表明由于使用咖啡因而造成的染色体缺陷。数世纪来许多文明社会一直在饮用茶和咖啡，而并物任何明显的遗传问题。

实 验 目 的 学习使用索氏提取器（脂肪提取器）从天然产物中提取有效成分的基本原理和方法。 学习减压升华和常压升华的原理和方法

基 本 原 理 连续萃取法 有些有机化合物在原有溶剂中比在萃取溶剂中更易 溶解时，就必须使用大量溶剂进行多次的萃取才行。间 断多次萃取效率差，繁琐且损失大。为了提高萃取效率， 减少溶剂用量和纯化物的损失，一般多采用连续萃取装 置。 连续萃取就是使溶剂在萃取后能自动流入加热器，受热汽化，冷凝后返回再进行萃取，如此循环即可萃取出大部分物质。此法的缺点是时间较长，依所用溶剂大于或小于被萃取溶液比重的条件，可采用不同的装置，其原理相似。

2. 脂肪萃取器的使用方法： 一般用脂肪萃取器来进行液固萃取。 1） 将固体物质研细，以尽量增大固液两相接触的表面积。 2） 将固体放入滤纸筒内（可用定型的筒形滤纸，或将滤纸卷成筒 状，筒的直径略小于提取筒，上下要扎紧，不让固体溢出。也 可以下部扎紧，上部盖一块圆形滤纸。 3） 把滤纸及固体放入提取筒中，使滤纸筒上沿不超过虹吸管顶， 以免影响虹吸顺利进行。 4）从提取筒上口加入溶剂，当溶剂液面高于虹吸管顶部时，会发生虹吸现象溶剂回流至烧瓶中，烧瓶内应先加入沸石，此时再补加10～15ml左右溶剂，并记下溶剂的加入总量。 5）装上冷凝器并通冷却水后开始加热，当溶剂沸腾时，其蒸汽通过 蒸汽上升管上升到冷凝器，又冷凝滴回到提取筒中。当筒内液 面高于虹吸管顶部，因此又虹吸液体流入烧瓶。这样使固体每 次受到新鲜溶剂浸泡萃取。经过多次长时间循环，直到被萃取 物质大部分被提取出来为止。 6）固体中可溶物富集于烧瓶中的溶剂中，用适当的方法从溶液中分 离提纯索需要的物质。

3.使用脂肪萃取器的注意事项 用索氏提取器萃取过程中，溶剂进入到提取筒内，烧瓶内溶剂量逐渐减少。这时加热温度过高，产物会在瓶壁上结垢或炭化。因此一定要注意不断调节温度受热易分解或变色的物质使用这种方法萃取不适宜。若溶剂的沸点较高时，也不适用此法。

茶叶中主要成分的介绍 茶 碱：强烈的心肌兴奋剂，利尿剂 可可碱：利尿剂，兴奋剂 叶绿素（主要），熔点190－193度 丹宁酸色素，也称鞣酸，200度分解 蛋白质 咖啡因，178度升华 茶 碱：强烈的心肌兴奋剂，利尿剂 可可碱：利尿剂，兴奋剂

注 意 事 项 每人称取5克茶叶 向提取筒内加入适量95％乙醇，直到刚刚发生虹吸溢流后再多加10～15ml。 注 意 事 项 每人称取5克茶叶 向提取筒内加入适量95％乙醇，直到刚刚发生虹吸溢流后再多加10～15ml。 虹吸三次后，第四次不要让溶剂回流到烧瓶中，直接到入回收瓶中，烧瓶中剩余液体到入蒸发皿中，待下次使用。茶叶残渣到入垃圾桶中

实验六中所用仪器 索氏提取器一套 蒸发皿一个

实验中第二步用乙醇提取出来的物质 丹宁酸色素（鞣酸）：具有酸性，可与咖啡因成盐，使咖啡因不能够升华，故升华前加CaO中和丹宁酸。结构见图。从结构式可见，它是酯类化合物，可以与醇羟基及糖分子中的羟基发生酯交换反应，因此它可以被乙醇提取出来。 咖啡因：它略溶于水及乙醇，故本试验用乙醇连续提取。 蛋白质与氨基酸：茶叶中包括胱氨酸，丝氨酸与蛋白质。它们可以与乙醇发生酯化反应而被提取出来。比如我们平时常用的酒精消毒伤口。其原理也正是利用乙醇能将细菌蛋白质从皮肤（伤口处）提取出来的性质。 叶绿素：

试验七 升华提取咖啡因

升华的基本原理 升华 固体物质具有较高的蒸汽压时，往往不经过熔融状态就直接变成蒸汽，蒸汽遇冷直接变成固体。这个过程成为升华。 升华的应用 容易升华的物质含有不挥发杂质时，可以用升华的方法进行精制，升华不使用溶剂，可以省去除去溶剂这一步操作。 升华比重结晶方法要快且效率高。但使用的对象较为有限（只有具有升华性能的物质才可以采用），损失量较大。故升华是依据物质特性。纯化固体有机物的方法一般用于较少化合物的纯化（2－6克）。 3. 升华的基本原理见教材67页。

常压升华操作 称取1.5克CaO，研成粉末，拌入残留物中形成茶砂。在红外灯下炒干。注意温度不要把液体溅到红外灯上。 把预先研碎干燥好的待升华物质平铺在蒸发皿中。 用一张穿有很多小孔的滤纸把三角玻璃漏斗中包起来，再把该漏斗倒盖再蒸发皿上。漏斗颈部塞一团疏松的脱脂棉（或玻璃棉），以防蒸汽溢出的损失。 可以把蒸发皿放在电热套中，也可以放在沙浴中，缓慢加热，把温度计水银球部分置于蒸发皿底部靠近样品的部位，以参照蒸发皿的温度。 从漏斗壁或滤纸孔上下观看升华后的结晶。漏斗外靠空气冷却。必要时用湿布冷却，以利于蒸汽凝固。参见图a.

减压升华操作 将装有样品的吸滤管浸入水浴，空气浴或油浴中。 缓慢加热，固体汽化遇到指形冷凝器的外表面又变成固体并附着再其壁上。 升华完成后先移走热源，缓慢通大气，轻轻取出纯化样品。 另外减压升华有时也可采用通入少量空气或惰性气体以加快蒸发的速度，但要控制好通入气体的量，不至于影响真空度。

实验七注意事项 称取1.5克CaO，形成粉末。拌入残留物中形成茶砂。将茶砂在电炉上炒干。 所制成的茶砂必须烘干，否则，漏斗上聚集水珠，不利于咖啡因精品粘附。 漏斗颈部塞一团脱脂棉，以免蒸汽溢出。 控制加热温度，以免过热。 红外灯烘烤的温度不能太高，以免产物升华。 取0.5g茶砂作减压升华，其余茶砂作常压升华。 升华后的咖啡因回收。

思考题 具有何条件的物质才能够用升华法提纯？ 容易升华的物质含有不挥发物质，可以用升华法进行精制。 升华操作的关键是什么？ 关键是控制温度，缓慢加热，升华物质受热均匀。 本实验用CaO的作用是什么？ 用CaO吸收萃取液中的水分，还可以吸收酸性物质，如浓缩液中的丹宁酸色素等。