微波輻射法從茶葉中提取咖啡堿的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

　　摘要： 采用微波輻射法從茶葉中提取咖啡堿。Plackett-Burman設(shè)計(jì)法確定影響咖啡堿提取率的主效應(yīng)因子為：茶葉粒度、溶劑用量和沉淀劑。進(jìn)一步的單因子變量實(shí)驗(yàn)確定咖啡堿提取的最佳工藝條件為：10g已粉碎且過20目篩的茶粉，以95%乙醇與水的體積比為4.2：1的溶液作為萃取劑，萃取溶劑用量為115mL，微波輻射時(shí)間為170s，升華時(shí)以醋酸鈉作為沉淀劑。此條件下，咖啡堿有最大提取率3.178±0.004%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為本實(shí)驗(yàn)在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供了參考。
　　Abstract： Caffeine is extracted from the tea by microwave method. The results of the Plackett-Burman Design show that the main factors， which affect caffeine yield， are the size of the tea powder， the solvent volume and the precipitant. The following single-factor experiments show the best conditions for caffeine extraction are： 10g tea powder through 20 mesh sieve， 4.2：1 of 95% alcohol-to-water volume ratio， 115mL of the solvent volume， the 170s of the extraction time and sodium acetate as the precipitant. Under the conditions， the caffeine yield maximizes 3.178±0.004%， which benefits the application of the experiment in university chemistry experiments teaching.
　　關(guān)鍵詞： 微波輻射法；咖啡堿；Plackett-Burman設(shè)計(jì)
　　Key words： microwave method；caffeine；Plackett-Burman Design
　　中圖分類號(hào)：S571.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）25-0297-02
　　0 引言
　　咖啡堿是茶葉中一種主要的生物堿，約占茶葉干重的1%-5%[1]。自茶葉中提取咖啡堿是大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于天然產(chǎn)物提取的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[2]。在教學(xué)中通常采用索氏提取法[3]或碳酸鈉溶液煮沸法[4]。但是前者耗時(shí)長(zhǎng)[5]，而后者提取率低[6]影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。為解決這一問題，微波輻射萃取法被引入到茶葉中咖啡堿提取的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。其原理[7]是利用微波場(chǎng)中吸收微波能力的差異使得萃取體系中的某些成分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小，微波吸收能力相對(duì)差的萃取劑中。然而影響微波輻射萃取法從茶葉中提取咖啡堿提取率的因素眾多，實(shí)驗(yàn)條件亟需進(jìn)一步改進(jìn)。
　　Plackett-Burman（PB）設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)有效的兩水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它可以利用最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，從眾多的考察因素中快速而有效地篩選出主效應(yīng)因子。本研究采用微波輻射法從茶葉中萃取咖啡堿，通過PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)影響咖啡堿產(chǎn)率的因素進(jìn)行篩選，并進(jìn)一步優(yōu)化主效應(yīng)因子的實(shí)驗(yàn)條件，提高了咖啡堿的提取率。
　　1 材料與方法
　　1.1 材料與設(shè)備 材料：市售綠茶；95%乙醇、生石灰、無水醋酸鈉，無水碳酸鈉，上海國(guó)藥，分析純。
　　主要設(shè)備：家用微波爐；家用萬能粉碎機(jī)；電子天平；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；數(shù)字熔點(diǎn)測(cè)定儀。
　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法
　�、僭�料預(yù)處理。市售綠茶葉，干燥。
　　②微波輻射法從茶葉中提取咖啡堿。在500mL燒杯中加入10.0g茶葉，加入一定量一定配比的95%乙醇和蒸餾水的混合溶液，搖勻，微波爐高火作用一段時(shí)間，取出，抽濾。濾液濃縮后轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿，拌入5g沉淀劑，蒸干成粉狀。將粉狀物分2次轉(zhuǎn)入干燥且潔凈的坩堝中，用升華法提取咖啡堿。待坩堝冷卻后，小心刮下坩堝壁及其蓋上的產(chǎn)品，干燥，稱重。
　　③PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8-9]表明，溶劑配比、溶劑用量和微波輻射時(shí)間對(duì)咖啡堿的提取率有顯著影響。文獻(xiàn)[10-12]報(bào)道，通過粉碎茶葉、提取過程中加入適量碳酸鈉、升華時(shí)以醋酸鈉替代生石灰作為沉淀劑，均可以不同程度的影響咖啡堿的提取率。因此，將上述6個(gè)變量作為PB實(shí)驗(yàn)的考察因子，用MINITAB 15.0軟件設(shè)計(jì)生成9因子2水平的矩陣表格。實(shí)驗(yàn)因素水平表見表1。
　　2 結(jié)果與分析
　　2.1 PB設(shè)計(jì)法篩選影響咖啡堿產(chǎn)率的主效應(yīng)因素 PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，其中D1、D2、D3為虛擬變量用于估計(jì)誤差。
　　應(yīng)用MINITAB 15.0處理PB設(shè)計(jì)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。方差分析結(jié)果Radj2=95.71%，說明PB實(shí)驗(yàn)中有95.71%的數(shù)據(jù)可以由此模型解釋。F檢驗(yàn)的結(jié)果P=0.035<0.05，說明模型在被研究的回歸區(qū)域中擬合的較好，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上回歸顯著。在95%的置信區(qū)間上各因素對(duì)咖啡堿提取率的影響評(píng)估表見表3。
　　從表3中可以看出，在95%的置信區(qū)間上對(duì)咖啡堿提取率影響最大的三個(gè)因素依次是是茶葉粒度（X1）、溶劑用量（X3）和沉淀劑（X6）。
　　2.2 PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)化 影響微波輻射法提取咖啡堿產(chǎn)率的主效應(yīng)因素中茶葉用量和沉淀劑為離散型變量，根據(jù)其在PB實(shí)驗(yàn)中的效應(yīng)，茶葉粒度取低水平值，即茶葉在實(shí)驗(yàn)前需粉碎過20目篩；沉淀劑取高水平值，即采用醋酸鈉作為沉淀劑。非顯著因素按其在PB實(shí)驗(yàn)中的影響趨勢(shì)取值，即提取過程中不添加碳酸鈉，微波輻射時(shí)間為170s，95%乙醇與水的溶劑配比為4.2：1。

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