[00051604]茶叶咖啡碱的提取加工技术及其精制产品

一、茶叶咖啡碱简介
茶叶咖啡碱是一种嘌呤碱，又名茶生物碱、茶叶咖啡因等，外文名称为Caffeine of tea。茶叶咖啡碱系从茶叶中提取出来的嘌呤类天然活性物质。
茶叶咖啡碱学名为1，3，7-三甲基黄嘌呤（1，3，7-Trmethyl- xanthine），分子式为C8H10N4O2，相对分子质量为194.19。茶叶咖啡碱有含一分子结晶水的化合物和无水物两种：含结晶水的咖啡碱为无色针状结晶、无臭味、有苦味，在100℃时即失去结晶水，并开始升华，120℃时升华相当显著，178℃升华更快，到180℃则大量升华而成针状结晶；纯咖啡碱是具有绢丝光泽的白色针状结晶体，无水咖啡碱熔点为235～238℃，有升华特性，在强光和高温下稳定性较差。咖啡碱能溶于水，易溶于80℃热水，其水溶液呈中性，能溶于乙醇、丙酮，易溶于氯仿，极微溶于乙醚和苯；露置于干燥空气中有风化性。
茶叶咖啡碱的毒性：雄大鼠经口LD50为0.335g/kg、雌大鼠经口LD50为0.247g/kg，为一般公认安全物质。FAO/WHO1984年规定，最高允许使用量为0.2％。
咖啡碱主要存在于茶叶、咖啡、可可豆等植物中，茶叶中的生物碱主要有咖啡碱、茶叶碱和可可碱，茶叶咖啡碱是茶叶生物碱中的主要成分，茶叶咖啡碱含量约占茶叶干重的2％～5％。
茶叶咖啡碱是从茶叶中分离提取而得的天然食品添加剂，同时也是饮料等的功能性营养添加剂。具有提高人体机能和运动机能、强心、利尿等功能，茶叶咖啡碱在人体代谢中分解速度较快，因而对人体副作用甚微；目前世界上已有160多个国家允许在饮料中加入咖啡因，美国和日本等均提倡使用天然咖啡因，我国于1991年已把茶叶咖啡因列入饮料添加剂范围。
茶叶咖啡碱是一种中枢兴奋剂，饮茶不但能提高思维活动能力，消除睡意，而且茶叶咖啡碱的这种兴奋作用不像酒精、烟碱之类那样，伴有继发性压抑、对人体产生毒害作用；也不会像咖啡一样，对人的神经中枢产生强烈的刺激作用。
茶叶咖啡碱的兴奋作用比较温和，而且由于咖啡碱在人体内能够迅速转化和排除，滞留不超过24h，因此药剂安全，不产生积蓄性毒害、无毒害作用。茶之所以成为普遍饮料，咖啡碱对人体的良好的药理功效是主要因素之一。
我国是茶叶的故乡，是世界上最早发现茶树和利用茶的国家，现在仍然是世界上重要的茶叶生产大国，现有茶园110万公顷，年生产茶叶70多万t；每年茶叶加工中的副产物至少在2万t以上，茶树更新修剪下来的枝叶有数万吨之多。因此，茶叶咖啡碱的生产在我国有十分充足的原料。
茶叶是含咖啡碱最多的植物之一，茶叶中咖啡碱含量约为干重茶叶的2%～5%，用茶叶为原料提取咖啡碱最为经济，而茶叶咖啡碱售价却比较高，据报道，2005年茶叶咖啡碱的售价每千克超过700元人民币。
出于回归白然的潮流和增加食品安全系数等因素，近十多年来，美国、欧洲、日本等发达国家市场对天然产物的需求量激增。因此，以茶叶下脚料、粗老茶等为原料提取茶叶咖啡碱，具有显著的效益。
须知：因咖啡碱具有兴奋作用，属兴奋剂范畴，故必须通过国家有关部门批准，方可进行生产。
二、保健功效
茶叶咖啡碱兴奋中枢神经、统帅人体生理全局的保健和药理功效具体表现在以下几个方面。
1．减肥健美
茶叶咖啡碱能兴奋神经中枢系统，影响全身的生理机能，促进胃液的分泌和食物的消化，除脂解腻；并且提高食物的吸收率和同化率,作用持久，因而也就增加了对食物的持久耐饥性，有利于消油除腻，使人减肥健美。故茶叶有“健美饮料”之称，乌龙茶被誉为“苗条茶”、“美貌妙药”等。
2．提神解乏
茶叶咖啡碱对大脑皮质有选择兴奋作用，能够消除瞌睡，振奋精神，强化思维，缓解疲乏感，提高对外界印象的感受力，强化思维活动，提高工作效率。咖啡碱作用于人体高级神经，可增加神经系统的反射量，临床试验证明，咖啡碱能加强横纹肌的收缩力，从而相应提高了体力劳动的效能。
3．强心健肺
咖啡碱有强心功能，使心率加速、收缩力加强，并兴奋血管运动中枢，使内脏血管收缩，皮肤血管冠状血管及肾血管舒张，使血压降低；同时，由于血管运动中枢的兴奋，血液循环加强，有利于抑制血栓的形成。因此，咖啡碱对心血管系统具有保健功能。
由于咖啡碱兴奋中枢、由大脑依次波及延髓，因而使呼吸中枢兴奋，使每分钟肺通量增强。呼吸作用是机体物质代谢和能量代谢的根源，增强呼吸，可以提高人体基础代谢功能。
4．利尿排毒
咖啡碱能兴奋血管运动中枢，使肾血管壁舒张，畅通血液，增加了肾小管的过滤量。并且咖啡碱对肾小管的再吸收有抑制作用，提高了对机体无用或有害物质的排出量，所以有利于毒质顺尿流排出体外。
咖啡碱对机体生理全局具有统帅调控的功能，增进血液循环，促进胃、肾、肝脏的净化机能，从而能够迅速尽量地把血液中有害物质,如酒精、吗啡、烟碱等排出体外。因此，咖啡碱有“绿色肝脏”之称。
5．消毒灭菌
茶叶咖啡碱及茶叶相关成分，对肺炎菌、大肠杆菌、痢疾原菌、流行性霍乱、伤寒及副伤寒杆菌的发育都有抑制功能，对牛痘、疱疹、脊髓灰质炎病毒等的抑制效果明显；特别咖啡碱对3型脊髓灰质炎病霉的抑制，效果极为显著。
此外，茶叶咖啡碱有镇痛作用，在第二次世界大战时已被作为战场上的止疼药而得到应用；茶叶咖啡碱还有解热等多种功效。
三、制造方法
(一)热水提取一氯仿萃取法
1、基本原理
利用茶叶中的咖啡碱易溶于热水、三氯甲烷等溶剂的性质，采用三氯甲烷或二氯甲烷为萃取剂，得到粗品咖啡碱；再通过重结晶法纯化精制，得到茶叶咖啡碱精品。
2．工艺流程
茶叶原料→浸提→过滤→浓缩→提取→氯仿层→浓缩→咖啡碱粗品→重结晶→结晶物→干燥→咖啡碱精品
3．主要设备
名称 规格 数量（台、套）
粉碎机
浸提器
过滤器
浓缩器
蒸发器
贮液槽
干燥装置
干燥箱
贮水池
锅炉
变电装置 不锈钢材质粉碎机
医药工业用多功能浸提器
离心机、板框压滤机
减压浓缩回收装置
高效离心薄膜蒸发器
带分离洗涤装置
医药工业用真空干燥装置
普通干燥箱，不锈钢材质
建有循环装置

千伏安左右的变电装置
4、生产控制参数及具体操作
将咖啡粗品用无水乙醇重结晶二次以上，收集结晶物，真空低温干燥，得到结晶状的咖啡碱精品。
（二）石灰除杂-热水提取法
1、基本原理
利用茶叶中的咖啡碱易溶于80℃热水、茶叶中的多酚类物质可与钙离子形成难溶于水的络合物等性质，先将茶叶原料用石灰乳碱化，然后用温水浸提、浓缩、冷却结晶后，可得到咖啡碱粗品；再用无水乙醇重结晶，可得到茶叶咖啡碱精品。
2、工艺流程
茶叶原料→拌和→碱化原料→浸提→过滤→浓缩→结晶→过滤→结晶物→干燥→咖啡碱粗品→重结晶→结晶物→干燥
3、主要设备
见（一）热水提取-氯仿萃取法。
4、生产控制参数及具体操作
将咖啡碱粗品用无水乙醇重结晶2次以上，收集结晶物，通过真空干燥，得到结晶状咖啡碱精品。
5、相关事宜
应用超临界流体二氧化碳提取茶叶中的咖啡碱，也已取得进展，该法首先应用于脱除成品茶叶中的咖啡碱，可使茶叶中咖啡碱含量由原来3％降低到0.07％。
四、安全事宜
1、使用有机溶剂时，需防止跑、冒、滴、漏等现象发生，车间要有通风、排气装置，防止车间挥发的有机溶剂的浓度超标；乙醇为易燃易爆物质，要有安全措施。
2、在空气中，氯仿能被光催化氧化生成氯化氢和光气，有剧毒；因此，在使用氯仿时要保持设备密封状态良好，室内注意通风，防止意外事故发生。
3、使用石灰等腐蚀性物质时，要穿好防护服装，戴好防护用具，以防止烧伤、烫伤等事故发生。
4、过量的兴奋剂能引起惊厥，美国食品医药管理局[FDA]确定咖啡碱的安全剂量为每天每kg体重限量40mg；并认为饮茶或给药，使用咖啡碱量在650mg范围以内，不会产生胎儿畸变和致癌作用。
五、环境保护
1、溶剂回收：应做好氯仿、乙醇等有机溶剂的回收利用，既降低生产成本，又避免污染环境。
2、废水处理：废水应处理达标后才能排人下水道，以避免环境
污染；冷凝冷却水流人循环水池，散热后即可反复使用。
3、综合利用：从茶叶中提取咖啡碱时，可通过综合开发的途径，同时制备茶多酚、茶多糖、茶色素等物质；这样，达到了原料资源的充分利用，减少了废弃物的排放，有利于环境保护。
六、产品质量
项目 指标
TCN-80 TCN-30
外观
含量（C8H10N4O2）
熔点
水分
炽灼残渣
重金属（以Pb计）
砷（以As计） 浅绿色粉状
≥80%
235～237℃
≤5%
≤1%
≤10mg/kg
≤10mg/kg 淡褐色水溶液和白色针状结晶
≥30%
235-231℃
≤65%
≤1%
≤10mg/kg
≤10mg/kg
产品质量参考指标2(FCC，1981)
项目 指标
含量（干基计）
含水咖啡碱水分
无水咖啡碱水分
灼烧残渣
熔程
砷（以As计）
铅（以Pb计）
重金属（以Hg计）
易碳化物试验
其他生物碱试验 ≥99.5%
≤8.5%
≤0.5%
≤0.1%
235-237.5℃
≤3mg/kg
≤10mg/kg
≤2mg/kg
阴性
阴性
2、环境标志
产品咖啡碱具有兴奋作用，有提神醒脑、刺激中枢神经系统、提高人体机能和运动、强心、利尿、强心解痉、松弛平滑肌、帮助消化等多种药理功能，因此，咖啡碱在饮料、食品及医药等方面有广泛的应用价值。从茶叶是提取咖啡碱的生产，系以水为提取剂，工艺过程可实现清洁生产，为咖啡碱产品进入国际市场提供便利。