胡孟宇 張云艷 席紅霞 張婧

摘要：通過模擬生活中泡茶工藝，泡制白茶、鐵觀音、普洱茶、碧螺春、正山小種、高山云霧、西湖龍井及云南紅茶多種茶葉水。在高效液相色譜儀上開發(fā)適用于分析茶水中咖啡因濃度的色譜方法，并用以檢測上述各種茶水中咖啡因的濃度。結(jié)果表明，模擬泡茶a，經(jīng)1小時浸泡白茶茶水中咖啡因含量較高，接近200mg·L-1，碧螺春其次，而正山小種的含量最低。模擬泡茶b，高山云霧、西湖龍井及云南紅茶茶水中咖啡因濃度從一泡到六泡均呈下降趨勢，且從一泡到二泡，下降趨勢明顯。模擬泡茶c，從一泡到六泡，普洱茶茶水中咖啡因的濃度總體上處于下降的趨勢。

關(guān)鍵詞： 茶水; 咖啡因; 模擬泡茶; 高效液相色譜; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2022）03-0076-04

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

中國是“茶之國”，喝茶已有四千多年的歷史。茶葉中化學(xué)成分的研究始于1827年，人們在茶中發(fā)現(xiàn)嘌呤堿化合物，茶葉中的生物堿又以咖啡因為主，含量一般為2%～4%。咖啡因具有提神醒腦、興奮中樞神經(jīng)的作用[1]，攝入咖啡因的量非常關(guān)鍵，被分為不同等級[2]。魯科版高中化學(xué)選修6《實驗化學(xué)》教材中設(shè)置了“從茶葉中提取咖啡因”的探究實驗，希望通過該實驗幫助學(xué)生理解從茶葉中提取咖啡因的基本原理和方法，了解咖啡因的一般性質(zhì)，并進一步熟悉萃取、蒸餾、升華等實驗基本操作。但教材實驗提取茶葉中咖啡因時用到的是有機溶劑，有一定毒性，且需要對提取液進行升華來測試茶葉的咖啡因含量，過程較繁瑣[3];有文獻采取水提法或者溶劑浸提法[4]。水提法既無法提取茶葉中全部咖啡因，又不能表示茶水中咖啡因含量，且對茶葉種類局限性很大，而溶劑浸提法則具有一定毒性[5]?？梢娪眠@些方法提取及分析茶葉中的咖啡因含量，不適宜作為中學(xué)生的實驗活動。為了克服上述提取方式的缺點，本實驗使用高效液相色譜儀作為提取和分析茶葉中咖啡因含量的手段，可以方便準(zhǔn)確地獲知各種茶水的咖啡因含量。此外，考慮到茶葉因種植地不同、采摘時間不同、制茶工藝不同（如手工炒制、發(fā)酵、半發(fā)酵等），可能所含咖啡因含量都會有所差異。而茶葉中的咖啡因總含量有別于人們飲茶過程中攝入的咖啡因量。人們在生活中積累的飲茶習(xí)慣差異及泡茶方法豐富多樣，不同泡茶方法會影響飲茶過程中咖啡因的攝入量。為此，本實驗通過模擬生活中不同泡茶方法，使茶葉中的咖啡因溶于茶水，然后分析茶水中咖啡因的濃度，所得結(jié)果可為了解人們?nèi)粘ｏ嫴柽^程中咖啡因攝入量提供一定的依據(jù)。

1 實驗原理

茶葉中咖啡因的浸出： 由于咖啡因為水溶性，故茶葉泡在熱水中會有咖啡因浸出，且浸泡時間不同咖啡因浸出量也不同，故本實驗設(shè)計了對幾種茶葉及不同泡茶方法的茶水中咖啡因的濃度進行探究。

實驗使用高效液相色譜儀檢測茶水中咖啡因濃度。高效液相色譜儀分離混合物的基本原理為色譜分離原理，即利用樣品中各組分理化性質(zhì)的差異，各組分在色譜柱中會不同程度地分配到互不相溶的兩相中。當(dāng)兩相相對運動時，各組分在兩相中能進行反復(fù)多次的重新分配，結(jié)果使樣品得到分離。典型的高效液相色譜儀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示[6]。

通過高壓泵，可以連續(xù)將貯液器中流動相按照一定流速及比例流過色譜柱;通過進樣器，把樣品注入測試系統(tǒng)。由于樣品混合物中各組分的性質(zhì)不同，在色譜柱內(nèi)的移動速度不同而逐漸被分離。通過檢測器檢測，把被分離組分的電信號放大，記錄儀將放大的電信號以圖形形式記錄下來，即得到組分的色譜峰。如圖2所示，從開始進樣到出現(xiàn)某組分色譜峰的頂點時為止所經(jīng)歷的時間，稱為該物質(zhì)保留時間，用Rt表示，常以分（min）為時間單位。由于不同物質(zhì)在相同色譜條件洗脫會有不同的保留時間，故保留時間可作為定性分析依據(jù);而色譜峰的面積與物質(zhì)的濃度成正比，可作為定量分析的依據(jù)。

使用高效液相色譜法分析咖啡因時，首先要確定儀器色譜條件的建立，選擇合適的色譜柱以及實驗探索柱溫、流動相流速、進樣量、合適的流動相梯度等，以確保被測組分的色譜峰形較好，出峰時間較短且分離效果更好。

色譜峰面積與濃度的定量關(guān)系需通過外標(biāo)法來確定。本實驗采用外標(biāo)法定量分析茶水中咖啡因濃度，即用咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品配制成六種濃度的標(biāo)準(zhǔn)系列，在與待測組分相同的高效液相色譜條件下，等體積進樣，測量各峰的峰面積。用咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品的測試數(shù)據(jù)繪制譜峰面積與濃度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線，再由茶水樣品測得咖啡因峰面積并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，可以求得茶水中的咖啡因濃度。

2 實驗儀器與材料

2.1 實驗儀器

Agilent1260高效液相色譜儀，電子天平，一次性注射器，針頭式濾器（0.45μm×13mm），手持式移液器（200μL、 1.00mL、 5.00mL）

2.2 實驗材料

市售（包裝完好）： 白茶、鐵觀音、普洱茶、碧螺春、正山小種、高山云霧、西湖龍井、云南紅茶;色譜級甲醇，濃度為200μg·mL-1的咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品，超純水

2.3 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)系列的溶液配制

分別移取濃度為200μg·mL-1的咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品50μL、 0.25mL、 0.50mL、 1.25mL、 2.50mL、 5.00mL，置于6個容量為5mL的容量瓶中并用超純水定容，得到濃度為2μg·mL-1、 10μg·mL-1、 20μg·mL-1、 50μg·mL-1、 100μg·mL-1和200μg·mL-1的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，待測。

2.4 茶水樣的制備

2.4.1 模擬泡茶a

室溫下，用電子天平各稱取3.00g白茶、鐵觀音、生普洱、碧螺春、正山小種，分別轉(zhuǎn)移至500mL燒杯中，各加入300mL煮沸的超純水，表面皿覆蓋燒杯口，浸泡1h。用茶漏將茶水過濾，分別取1.00mL茶水于5mL容量瓶中，用超純水定容體積至5.00mL。使用注射器取樣，經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾至液相色譜樣品瓶中，待測。其中此茶水試樣測試前稀釋5倍。

2.4.2 模擬泡茶b

室溫下，用電子天平各稱取3.00g高山云霧、西湖龍井、云南紅茶，分別轉(zhuǎn)移至500mL燒杯中，各加入300mL煮沸的超純水，表面皿覆蓋燒杯口，浸泡10min。用茶漏將茶水過濾至500mL燒杯中，分別標(biāo)記為高山云霧一泡試樣、西湖龍井一泡試樣、紅茶一泡試樣。過濾后茶葉重新放置于另一個500mL燒杯中，加入300mL煮沸的超純水，表面皿覆蓋燒杯口，浸泡10min。用茶漏將茶水過濾至500mL燒杯中，分別標(biāo)記為高山云霧二泡試樣、西湖龍井二泡試樣、紅茶二泡試樣。重復(fù)上述操作，直至取到六泡茶水試樣。將以上茶水試樣分別移取2.50mL于5mL容量瓶中，用超純水定容體積至5.00mL。用注射器將定容后試樣取樣，經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾至液相色譜瓶中，待測。其中此茶水試樣測試前稀釋2倍。

2.4.3 模擬泡茶c

室溫下，用電子天平稱取3.00g生普洱，放入500mL燒杯中，加入300mL煮沸的超純水，表面皿覆蓋燒杯口，浸泡2min。用茶漏將茶葉過濾，茶水放置500mL燒杯中，標(biāo)記為普洱茶一泡試樣。過濾后茶葉放置于另一500mL燒杯中，加入300mL煮沸的超純水，表面皿覆蓋燒杯口，浸泡2min。用茶漏將茶葉過濾，茶水放置500mL燒杯中，標(biāo)記為普洱茶二泡茶水試樣。重復(fù)上述操作，直至取到六泡茶水試樣。用注射器將一到六泡茶水試樣取樣，經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾至液相色譜瓶中，待測。其中此茶水試樣測試前未稀釋。

3 實驗內(nèi)容

3.1 高效液相色譜條件建立

使用高效液相色譜法分析咖啡因時，多采用C18色譜柱[7]。本實驗采用的色譜柱為Eclipse Plus C18 3.5μm，檢測器波長設(shè)置為273nm[8]，柱溫： 30℃，流速： 1.000mL·min-1，進樣量： 2μL。經(jīng)過對流動相水與甲醇體積比變化梯度的摸索，在表1所示流動相變化梯度下，色譜峰峰形較好，分析時間較短且能實現(xiàn)各茶葉水中咖啡因與雜質(zhì)的良好分離。

3.2 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品及茶水樣品測試

根據(jù)上述建立的高效液相色譜條件，對六種不同濃度咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品及上述配制的茶水稀釋后的試樣分別進行測試。

4 結(jié)果與討論

4.1 咖啡因保留時間

使用3.1所得高效液相色譜條件，對六種咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品進行測試，圖2為濃度為100μg·mL-1咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品液相色譜圖。

由該圖可知，咖啡因保留時間Rt=7.63min，該保留時間為色譜分析茶水中咖啡因組分的定性測試依據(jù)。

4.2 咖啡因濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

在高效液相色譜儀上測定咖啡因標(biāo)準(zhǔn)樣品得系列濃度與對應(yīng)色譜峰面積數(shù)據(jù)如表2所示，繪制得到標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示。

由圖3所得，咖啡因其線性方程為： A=5.898c+2.646，相關(guān)系數(shù)r為0.9999，說明在2～200μg·mL-1濃度范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好，可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線使用。

因此，稀釋后茶水試樣中咖啡因濃度c的計算式為

c=（A-2.646）/5.898（1）

原泡制茶水中咖啡因的濃度c0的計算式為

c0=n（A-2.646）/5.898（2）

（2）式中的n為茶水的稀釋倍數(shù)。

4.3 模擬泡茶a茶水試樣咖啡因的測定

分別將測得的五種茶葉高效液相色譜峰面積代入（2）式中，計算結(jié)果如表3所示。

在本實驗泡制的茶水樣品中，白茶的咖啡因濃度最高，接近200μg·mL-1，碧螺春次之，正山小種濃度最低為107.0μg·mL-1。實驗表明，由這種泡茶法沖泡出的茶水中咖啡因濃度一般在100～200μg·mL-1之間。

考慮到對于大部分坐辦公室的人員來說，茶葉沖泡比例為1g∶100mL的茶水已經(jīng)是較高的比例了，即使每天飲用1000mL茶水，咖啡因總攝入量接近200mg，仍為低攝入量。

4.4 模擬泡茶b茶水試樣咖啡因的測定

分別將所測的高山云霧茶、西湖龍井茶及紅茶一泡至六泡茶水樣品高效液相色譜峰面積代入（2）式中，計算結(jié)果如表4所示。

由三種茶水濃度變化趨勢線可得，三種茶水試樣，一泡茶水中高山云霧中咖啡因濃度最高，西湖龍井次之，云南紅茶最低。二泡及之后茶水試樣中咖啡因濃度下降明顯，西湖龍井一泡與二泡茶水試樣中咖啡因濃度差別最大。故日常飲茶過程中，若偏好咖啡因含量攝入，可以多飲用一泡茶水。若對咖啡因比較排斥，可將一泡茶水傾倒，飲用二泡及之后茶水。

4.5 模擬泡茶c茶水試樣咖啡因的測定

分別將普洱茶一泡至六泡茶水樣品所測的高效液相色譜峰面積代入（2）式中，計算結(jié)果如表5所示。

實驗結(jié)果表明，從一泡到六泡，普洱茶茶水中咖啡因的濃度總體上處于下降的趨勢。日常經(jīng)驗中，普洱茶比較耐泡，生普洱可以泡10次甚至更多。本實驗中，六泡普洱茶水的咖啡因濃度仍有26.15μg·mL-1。

5 結(jié)語

科學(xué)探究是國際科學(xué)教育研究的熱點，也是我國高中化學(xué)新課程改革的基本理念之一。在模擬不同沖泡茶水時，有多種因素會影響茶水中咖啡因的濃度。如從茶餅不同位置取用的茶葉咖啡因含量不同;泡茶時有小塊茶葉附著在杯壁，影響沖泡效果，含量會略有差異。在本實驗探究中，為了控制變量，沖泡比例統(tǒng)一為1g∶100mL。而事實上，不同茶葉的最佳沖泡比例也是不同的，而且有些茶水需要特定的溫度的熱水而不是沸水泡制，且品茶是需評價茶水的色、香、味等。若能把這些與測定茶水中的咖啡因結(jié)合起來，可以進一步豐富探究不同茶水中咖啡因濃度的實驗活動。探究實驗可以由學(xué)生自主設(shè)計、自主開展實驗活動得出結(jié)果，以激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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