從茶葉中提取咖啡因?qū)嶒?yàn)與教學(xué)研究

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教材《試驗(yàn)化學(xué)》中從茶葉里提取咖啡因

試驗(yàn)與教學(xué)爭辯

淮安市楚州區(qū)欽工初級中學(xué)223231趙芬

摘要：本論文以堿液提取、直接升華爭辯了《試驗(yàn)化學(xué)》中“從茶葉中提取咖啡因”試驗(yàn)，探討了微型化試驗(yàn)及該試驗(yàn)在教學(xué)中的作用。目的在于豐富該試驗(yàn)的課程資源，更好的發(fā)揮該試驗(yàn)在教學(xué)中的作用。

關(guān)鍵詞：課程，中學(xué)試驗(yàn)教學(xué)，茶葉，咖啡因

前言

選題的依據(jù)和意義

《一般高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了高中化學(xué)課程的根本理念：立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和將來進(jìn)展的需要，著眼于二十一世紀(jì)公民的科學(xué)素養(yǎng)，構(gòu)建“學(xué)問與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價(jià)值觀”相融合的高中化學(xué)課程目標(biāo)體系[1]。高中化學(xué)課程由2個(gè)必修模塊和6個(gè)選修模塊組成，其中“試驗(yàn)化學(xué)”是作為一個(gè)獨(dú)立的模塊有別于以往教材的處理，突出試驗(yàn)的重要地位。該課程模塊能很好的表達(dá)課程理念第五條：通過以化學(xué)試驗(yàn)為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)爭辯的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培育學(xué)生的創(chuàng)精神和實(shí)踐力量。

“試驗(yàn)化學(xué)”課程主要有三方面的內(nèi)容：一是試驗(yàn)的根本技能，二是試驗(yàn)爭辯的思路，三是試驗(yàn)中的價(jià)值觀。高中化學(xué)課程提倡以科學(xué)探究為主的多樣化學(xué)習(xí)方式,通過試驗(yàn)探究活動，把握根本的化學(xué)試驗(yàn)技能和方法，進(jìn)一步體驗(yàn)試驗(yàn)探究的根本過程，生疏試驗(yàn)在化

學(xué)科學(xué)爭辯和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，提高化學(xué)試驗(yàn)力量?！皬牟枞~中提取咖啡因”在試驗(yàn)化學(xué)中屬綜合探究性試驗(yàn)，能夠

使學(xué)生把握提取植物中某些成分和純化物質(zhì)的一般方法，并能夠設(shè)計(jì)提取和分別物質(zhì)的試驗(yàn)方案并對方案合理性進(jìn)展評價(jià)。課程標(biāo)準(zhǔn)提倡學(xué)生獨(dú)立進(jìn)展或合作開展化學(xué)試驗(yàn)爭辯。通過該試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生通過使用探究形成化學(xué)概念、理解化學(xué)根底理論、把握化學(xué)學(xué)問和技能，培育學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀，幫助學(xué)生進(jìn)展思維力量和訓(xùn)練試驗(yàn)技能，從而到達(dá)全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

本論文的主要爭辯內(nèi)容

茶葉在生活中很常見，有解毒、利尿、止瀉、消炎等成效[2]，其主要成分為黃酮類、茶多酚、生物堿〔主要為咖啡因〕、氨基酸、維生素等[3]?？Х纫蚴亲匀坏氖称诽砑觿?，可用于制造興奮性飲料；它是制藥工業(yè)中的重要原料，復(fù)方阿司匹林的主要成分之一就是咖啡因。目前獵取咖啡因的途徑之一是人工合成。由于人工合成的咖啡因含有原料殘留,長期食用會產(chǎn)生殘毒作用,有的國家已制止在飲料中使用合成咖啡因[4]。由于人們對綠色食品的渴求，國內(nèi)外已相繼開發(fā)出從植物中提取咖啡因的工藝。

據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，茶葉〔干茶〕中咖啡因的含量在1.5%～3.5%[5]。多年來，人們爭辯出了很多從茶葉中提取有效成分咖啡因的方法，主要有：水提法、醇提法、升華法及其他有機(jī)溶劑提取法，近年來又有人爭辯出了吸附法和超臨界二氧化碳?xì)馓岱?。但這些方法多適用于工業(yè)生產(chǎn)，無論是儀器還是方法均比較繁瑣，不適于中學(xué)試驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)

查資料覺察，在課程資源方面，除了教科書外并未覺察其他有助于學(xué)生進(jìn)展的資源。本論文針對以上缺乏，從“以堿液提取法從茶葉中提取咖啡因”、“運(yùn)用直接升華法從茶葉中提取咖啡因”及微型化試驗(yàn)這幾個(gè)方面進(jìn)展?fàn)庌q，期望能夠豐富中學(xué)試驗(yàn)教學(xué)的課程資源，培育學(xué)生的創(chuàng)精神和實(shí)踐力量，并期望通過這些試驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好的發(fā)揮該試驗(yàn)在教學(xué)中的作用。

試驗(yàn)局部

用堿液提取法從茶葉中提取咖啡因

試驗(yàn)原理

咖啡因又稱咖啡堿或茶素，化學(xué)式為CHN

810

O.H42

O(1,3,7-三甲基

2

-2,6-二氧嘌呤)，是具有絹絲光澤的一種白色針狀晶體[11]。其構(gòu)造為

100℃時(shí)晶體失去結(jié)晶水后開頭升華，120℃時(shí)升華顯著，至

178℃時(shí)升華很快。無水咖啡因的熔點(diǎn)為234.5℃。利用咖啡因這一特性，通?？捎蒙A法進(jìn)展提取。

咖啡因是弱堿性化合物，與酸反響能形成不穩(wěn)定的鹽。茶葉的主要成分包括咖啡因等生物堿,以及茶多酚、單寧酸(鞣酸)、蛋白質(zhì)、糖類、氨基酸、維生素等。單寧與咖啡因能生成難溶鹽，所以我們在試驗(yàn)中需用堿性試劑中和單寧酸以便咖啡因游離出來。

咖啡因易溶于熱水和氯仿，能溶于水和乙醇，微溶于乙醚。其具

3

體的溶解度見表1。

表1咖啡因在不同溶劑中的溶解度

沸 水熱 水

溶劑 水

熱乙

乙醇氯仿乙醚

〔100℃〕〔80℃〕

溶解度/g66.6 18.2 2

醇

4.5 2 18.20.19

注：未標(biāo)明溫度的均為常溫

在高中試驗(yàn)化學(xué)中，從茶葉中提取咖啡因?qū)倬C合探究性試驗(yàn)，對于堿性試劑并無明確說明，所以在以下試驗(yàn)我主要對堿性試劑的選擇和試驗(yàn)方法進(jìn)展?fàn)庌q，期望能找出適宜的堿性試劑和試驗(yàn)方法便利課堂教學(xué)。

操作步驟稱取5g干茶葉放入燒杯中，參加75mL水和適量

的堿性試劑〔NaOH，NaCO，NaHCO，Ca(OH)〕，用小火煮沸20分鐘，

2 3 3 2

煮沸過程中需不斷攪拌。趁熱減壓過濾，將濾液濃縮至5mL左右，把殘液轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿中，參加4g生石灰粉進(jìn)展吸水，用酒精燈隔著石棉網(wǎng)留神加熱，直至完全成干粉狀，使水分全部除去。冷卻后，把焙干的泥土樣粉末集中于蒸發(fā)皿中間，上面掩蓋一張刺有很多小孔且孔刺向上的濾紙，再在濾紙上罩一個(gè)大小適宜的玻璃漏斗，漏斗頸部塞一小團(tuán)疏松的棉花〔如圖1所示〕，用酒精燈隔著石棉網(wǎng)留神加熱，使咖啡因升華。當(dāng)濾紙上消滅白色針狀結(jié)晶時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整火焰使升華速度放慢。假設(shè)覺察有棕色煙霧時(shí)，應(yīng)馬上停頓加熱。冷卻后稱重。

4

圖1升華裝置

試驗(yàn)結(jié)果以上試驗(yàn)主要對各種不同堿性試劑的選擇進(jìn)展了爭辯，試驗(yàn)結(jié)果列于表2中。

表2不同堿性試劑的比較

提取咖啡

堿性試

堿性試劑

茶汁顏 過濾難

茶葉狀態(tài)

因

劑

質(zhì)量/g

色 易

質(zhì)量/g

NaOH

0.50

腐爛狀 黑 很難

0.05

NaCO

2 3

2.00

腐爛狀 深褐 很難

0.05

NaHCO

3

2.00

正常 棕黃 很難

0.03

稍微腐爛

Ca(OH)

2

2.00

棕黃 較易

狀

0.06

小結(jié)由表1可以得出用Ca(OH)

2

作為堿性試劑提取咖啡因最

好，選用NaOH和NaCO

2 3

游離咖啡因時(shí)茶汁深厚，難于過濾，簡潔造

成咖啡因的損失，選用NaHCO

3

時(shí)，雖茶葉狀態(tài)正常，但太難過濾，不

利于試驗(yàn)的進(jìn)展，故也不能選它。選用Ca(OH)

2

時(shí)，茶葉腐爛程度不

大，茶汁顏色較淡，而且Ca2＋可與茶葉中單寧或沒食子酸形成不溶性的鈣鹽，使咖啡因作為可溶性的生物堿留在水溶液中，易于分別和最

5

10

后的提純，在試驗(yàn)過程中明顯能看到有大量絮狀沉淀析出能更好的除去單寧酸。

該試驗(yàn)無有毒有害試劑的引入，試驗(yàn)操作也不是很簡單，用于中學(xué)課堂教學(xué)中比較適宜。通過該試驗(yàn)，能夠使學(xué)生對自然有機(jī)化合物的提取有一個(gè)感性生疏，激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高他們的試驗(yàn)素養(yǎng)，為他們以后的化學(xué)學(xué)習(xí)打下了良好的根底。

運(yùn)用直接升華法從茶葉中提取咖啡因

試驗(yàn)操作取5g茶末，加2.5g的Ca(OH)

2

及適量水，調(diào)成稠

糊狀，放在石棉網(wǎng)上用小火枯燥，制成“茶砂”，將“茶砂”置于特制的升華裝置〔如圖1〕中進(jìn)展升華，留神加熱，把握升華溫度，收集咖啡因。

注：茶砂是由于茶末中參加Ca(OH)

2

及適量水，調(diào)成糊狀枯燥后外形、

顏色像砂子，故叫做茶砂

試驗(yàn)結(jié)果將茶葉粉末制成“茶砂”然后直接進(jìn)展加熱，提取得咖啡因

0.04g。

小結(jié)該試驗(yàn)方法是參考文獻(xiàn)[13]，這種方法簡潔易行，操作便利，且該試驗(yàn)不是用茶末升華，而是將茶末制成“茶砂”，再用“茶砂”升華，這樣就避開了因茶末受熱不均勻，易焦化而造成的升華不完全。該方法所用的試劑廉價(jià)、易得，升華設(shè)備及操作過程也比較簡潔，是一種可行的方法，但是從中學(xué)試驗(yàn)教學(xué)這方面看其操作太過簡潔，不能讓學(xué)生的試驗(yàn)技能得到最大提高，所以，在中學(xué)教學(xué)中這種

方法是不太好的，假設(shè)用于工業(yè)生產(chǎn)中倒還是可以考慮。

該試驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于把握升華溫度，肯定要留神加熱，收集到的產(chǎn)品中有白色晶體咖啡因和混有焦油的咖啡因晶體，可對此產(chǎn)品進(jìn)展水溶、結(jié)晶、升華，便可得到白色晶體咖啡因。

從茶葉中提取咖啡因的微型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與爭辯

化學(xué)微型試驗(yàn)即“試驗(yàn)藥品微量化，試驗(yàn)儀器微型化”?；瘜W(xué)微型試驗(yàn)的教學(xué)功能主要表達(dá)在以下四方面：〔1〕替代常規(guī)試驗(yàn)，表達(dá)綠色化學(xué)教學(xué)理念；〔2〕轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思想，嘗試化學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)；

〔3〕開闊試驗(yàn)素材，提倡課外試驗(yàn)嘗試爭辯；〔4〕供給編題題材，強(qiáng)化類比想象分析訓(xùn)練。

微型試驗(yàn)的教學(xué)功能是在對微型試驗(yàn)的開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)的，并在教學(xué)過程中不斷豐富與進(jìn)展。通過以上的幾個(gè)試驗(yàn)可以覺察在試驗(yàn)中原料、藥品的用量比較多，這樣很明顯違反了綠色化學(xué)的宗旨。所以我們參考文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了下面的這個(gè)微型試驗(yàn)方案，期望能夠找出適合課堂教學(xué)的方法。

試驗(yàn)步驟在50mL燒杯中參加0.5g無水NaCO，溶于10mL

2 3

熱水，再加1.0g研細(xì)的茶末，蓋上外表皿，水浴溫?zé)嶂廖⒎?，持續(xù)30分鐘。稍冷后減壓過濾，并擠壓茶葉。用1mL熱水洗滌燒杯兩次，

濾液轉(zhuǎn)入離心試管中，向?yàn)V液中參加2mLCHCl，用毛細(xì)滴管深入離

3

心試管底部反復(fù)吸入和放出液體，務(wù)使兩相充分接觸，將離心試管置

于離心機(jī)內(nèi)分層，用毛細(xì)滴管深入離心試管底部吸出CHCl

3

萃取液，

置于50mL燒杯中，重復(fù)萃取操作4次。稱取1.5g無水CaCl枯燥

2

萃取液，約10分鐘后，將枯燥的溶液吸入50mL圓底燒瓶中，再用

mLCHCl洗滌小燒杯中的CaCl

。洗滌液并入事先已準(zhǔn)確稱重的圓

3

底燒瓶中，水浴回收CHCl用差減法得產(chǎn)量。

2

，直至蒸干為止。準(zhǔn)確稱量圓底燒瓶質(zhì)量，

3

試驗(yàn)結(jié)果以微型試驗(yàn)提取得咖啡因量的結(jié)果如表5所示。

表3微型試驗(yàn)提取得咖啡因量

原料/g

圓底燒瓶質(zhì)量〔前〕

/g

圓底燒瓶質(zhì)量〔后〕

/g

咖啡因質(zhì)量

/g

1.0

30.6610

30.6743

0.0133

小結(jié)原參考文獻(xiàn)中用的枯燥劑是無水NaSO，由于試驗(yàn)室中無

2 4

該藥品，我將枯燥劑用無水CaCl

2

替代，覺察并不影響試驗(yàn)結(jié)果。該

微型試驗(yàn)簡化了試驗(yàn)裝置，削減了藥品的用量，降低了環(huán)境污染，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，具有安全、快速、簡潔、現(xiàn)象明顯，藥品器材消耗量很少等優(yōu)點(diǎn)，適合作為學(xué)生試驗(yàn)實(shí)施。

學(xué)生在做試驗(yàn)時(shí)感受到化學(xué)試驗(yàn)帶來的污染時(shí)，他們往往會錯誤地把現(xiàn)代社會中環(huán)境失衡與災(zāi)難歸之于化學(xué)。這是化學(xué)教學(xué)的一種哀痛。而微型試驗(yàn)則要求試驗(yàn)藥品微量化和試驗(yàn)儀器微型化，這不僅削減藥品消耗及試驗(yàn)污染物的排放，而且能提高原料利用率。因此，開展微型試驗(yàn)是很有必要的，它是綠色化學(xué)教學(xué)理念在教學(xué)實(shí)踐中的具體表達(dá)。

本試驗(yàn)在教學(xué)中的作用

通過這個(gè)探究性試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)展學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，樂于探究物質(zhì)變化的微妙，體驗(yàn)科學(xué)探究的艱辛和喜悅，感受化學(xué)世界的奇異與和諧。通過該試驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生生疏試驗(yàn)在化學(xué)科學(xué)爭辯和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，體會到化學(xué)試驗(yàn)是學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)問、解決生產(chǎn)和生活中的重要途徑和方法。能夠讓對生活中和自然界中化學(xué)現(xiàn)象具有古怪心，并試圖通過化學(xué)試驗(yàn)來探究其中的道理。

通過該試驗(yàn)可以讓學(xué)生樂觀的參與化學(xué)試驗(yàn)操作活動，讓他們擅長與人合作，并主動溝通各種化學(xué)試驗(yàn)信息。還要教育他們客觀、準(zhǔn)確地觀看和記錄化學(xué)試驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)事求是地完成化學(xué)試驗(yàn)報(bào)告，有助于學(xué)生樹立辯證唯物主義的世界觀，養(yǎng)成務(wù)實(shí)求真，勇于創(chuàng)、樂觀實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，崇尚科學(xué)，反對迷信。

在試驗(yàn)過程中要培育學(xué)生的安全意識，以保證能順當(dāng)完成試驗(yàn)。這在微型試驗(yàn)中可以很好的表達(dá)，試驗(yàn)中還應(yīng)讓學(xué)生樹立綠色化學(xué)思想，形成環(huán)境保護(hù)的意識?？萍既赵庐?，隨著社會的進(jìn)步，人類對化學(xué)品的需求越來越大，與此同時(shí)溫室效應(yīng)、臭氧空洞、酸雨、白色污染等一次次向我們敲響了警鐘。所以在該試驗(yàn)的教學(xué)中，不僅要引導(dǎo)學(xué)生充分生疏化學(xué)對人類的重要價(jià)值，還要糊涂地看到化學(xué)品應(yīng)用危及人類生存的另一面，樂觀關(guān)注社會可持續(xù)進(jìn)展中與化學(xué)相關(guān)的一系列“熱點(diǎn)”問題。在化學(xué)課程中介紹綠色化學(xué)，重要的不但是學(xué)習(xí)相關(guān)的學(xué)問，而且是使學(xué)生從中獲得科學(xué)的價(jià)值觀。

完畢語

本文從不同角度，對從茶葉中提取咖啡因的方案設(shè)計(jì)，找出了比

較好的方案。這樣不但能夠便利中學(xué)課堂教學(xué)，還豐富了課程資源。特別是這種探究性試驗(yàn)，科學(xué)的本質(zhì)在于探究，通過這種探究性試驗(yàn)?zāi)軌蚬┙o師生、生生等多種溝通合作的時(shí)機(jī)，能讓學(xué)生在較為輕松、活潑的氣氛中理解、探究化學(xué)現(xiàn)象，建構(gòu)對化學(xué)科學(xué)學(xué)問的理解，有利于形成良好的人際關(guān)系和樂觀的學(xué)習(xí)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知的進(jìn)展，在班級學(xué)習(xí)者共同體中創(chuàng)立自己