一种茶叶中咖啡因的检测方法与流程

1.本发明属于咖啡因的检测技术领域，具体涉及一种茶叶中咖啡因的检测方法。


背景技术：

2.咖啡因是一种生物碱化合物，属于中枢神经兴奋剂，临床上用于治疗神经衰弱和 昏迷复苏。随着工作和生活节凑的加快，人们在日常生活中对于咖啡因的需求也越来 越大，用于暂时驱走睡意并恢复精力，含有咖啡因成分的产品比较丰富，例如咖啡、 茶、软饮料或能量饮料等。世界卫生组织国际癌症研究机构公布咖啡因属于“尚不能 分类”的致癌物。因此，人们对于咖啡因的摄入应该适量，
3.茶叶作为中国传统饮品，有着几千年的历史，在日常生活中消耗量较大，因此， 对于茶叶中的咖啡因的含量的测定，具有重要意义，能够指导人们科学合理的规划饮 茶量。
4.咖啡因能溶于一些极性或非极性溶剂，而茶叶中的色素成分或显色物质在溶剂中 会产生强烈的色素干扰，严重影响咖啡因的检测。在传统方法中，茶叶中咖啡因的检 测是采用分离的方法，分离丹宁、色素和蛋白，最后通过生化结晶，获得咖啡因晶体， 然而，该方法的咖啡因损失较大。目前，本领域内多采用液相色谱法测量咖啡因，虽 然准确性较之前有了提升，但茶叶中含有大量天然成分，且较为复杂，本领域技术人 员在研究液相色谱中茶叶的各种化合物的检测峰分离时投入了时间，耗时耗力。而且 对于不同种类的茶叶，由于其中化合物种类和含量不同，本领域技术人员还要花费大 量时间研究不同种类的茶叶。因此，利用溶解显色法测量咖啡因的方法方便快捷，成 本低廉，但需要首先解决色素干扰的问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种茶叶中咖啡因的检测方法，使用高精度光热电 位分析仪分析茶叶中的咖啡因含量，包括以下步骤：
6.s100：将茶叶研磨后，取样称重并记录茶叶样品的重量；
7.s200：在茶叶样品中加入醋酐，超声混合，得到溶液一；
8.s300：在溶液一中加入甲苯，混合均匀后，再加入石墨化炭黑和次氯酸，去除色 素，得到溶液二；
9.s400：制作空白样品：分别移取与步骤s200中体积相同的醋酐和与步骤s300中 体积相同的甲苯，将醋酐和甲苯混合均匀，加入结晶紫指示液，得到空白样品；
10.s500：向溶液二中加入结晶紫指示液，再放入所述光热电位分析仪的电极，滴定 液为高氯酸标准滴定溶液，同时使用电位滴定和光度滴定，滴定至终点，记录溶液二 所消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积；
11.按照同样方法滴定空白样品，记录空白样品所消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积。
12.所述检测方法的计算方法为：
[0013][0014]
或
[0015]
式中：
[0016]
c：高氯酸标准滴定溶液的浓度，mol/l；
[0017]
v：溶液二消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积，ml
[0018]
v0：空白样品消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积，ml
[0019]
m：称取的样品的质量，g
[0020]
194.2：咖啡因最小反应单元的质量分数，g/mol。
[0021]
可选的，步骤s100中，茶叶研磨后的样品的目数为250
‑
300目。
[0022]
可选的，步骤s200和s300中，茶叶样品、醋酐和甲苯的质量体积比为 1g:(4
‑
6)ml:(6
‑
9)ml。
[0023]
可选的，步骤s200中，超声频率为40
‑
50hz，功率为50
‑
60w，时间为10
‑
20min， 本发明中超声频率、功率和时间不宜过大过长，避免过多色素溶出。
[0024]
可选的，步骤s300中，茶叶样品与石墨化炭黑的质量比为1:(5
‑
8)，茶叶样品与 次氯酸的质量体积比为1g:(0.5
‑
1.5)ml。
[0025]
可选的，步骤s500中，所述结晶紫指示液为结晶紫的无水醋酸溶液。
[0026]
可选的，步骤s500中，所述高氯酸标准滴定溶液的浓度为0.1
‑
0.2mol/l。
[0027]
所述光热电位分析仪的电极为ph复合电极和光度电极，利用ph复合电极进行动 态等当点滴定，即用ph复合电极来测量溶液中ph值的变化所带来的电位变化，将电 位变化的突变点为终点的一种滴定方式。ph复合电极和光度电极对同一样品进行检测， 得到两条滴定曲线，便于将两个电极对应曲线所计算出的检测结果进行比较，验证光 度电极检测的准确性。
[0028]
步骤s500中，溶液二滴定时由紫色变为蓝绿色时，即为光度滴定的终点；光度 滴定的光度电极的光线波长为502nm。
[0029]
本发明在研究过程中发现，茶叶中色素的溶出对光度滴定的影响较大，为了提高 滴定准确性，排出茶叶中色素的干扰具有重要作用。茶叶中色素包括水溶性色素和脂 溶性色素，具体到本发明，茶叶样品的溶剂为醋酐和甲苯，即提供了无水环境，所以 溶液二中主要为脂溶性色素，脂溶性色素主要包括叶绿素、类胡萝卜素、叶酸等。
[0030]
可选的，步骤s200包括以下步骤：
[0031]
(1)用乙醚和苯的混合溶液洗涤茶叶样品，叶绿素和类胡萝卜素溶入乙醚和苯的 混合溶液中，然后过滤，得到滤渣，烘干滤渣；
[0032]
(2)用氯仿和醋酐的混合溶液超声洗涤步骤(1)的滤渣，咖啡因溶入氯仿和醋 酐的混合溶液中，然后过滤，得到滤液，即为溶液一。
[0033]
步骤(1)去除色素中的大部分叶绿素和类胡萝卜素，步骤(2)去除色素中的大 部分叶酸。
[0034]
可选的，步骤s300包括以下步骤：
[0035]
(3)向步骤(2)得到的溶液一中加入甲苯，混合均匀；
[0036]
(4)向步骤(3)得到的溶液中加入石墨化炭黑和次氯酸，进一步去除色素；
[0037]
(5)向步骤(4)得到的溶液中加入结晶紫指示液，得到溶液二。
[0038]
可选的，步骤(1)中，茶叶样品与乙醚的质量体积比为1g:(10
‑
13)ml，苯与乙醚 的体积比为1:(5
‑
6)。
[0039]
可选的，步骤(2)中，步骤(1)的滤渣与醋酐的质量体积比为1g:(4
‑
6)ml，氯 仿与醋酐的体积比为1:(2
‑
3)。
[0040]
可选的，步骤(3)中，步骤(1)的滤渣与甲苯的质量体积比为1g:(6
‑
9)ml。
[0041]
可选的，步骤(4)中，步骤(1)的滤渣与石墨化炭黑的质量比为1:(5
‑
8)，步骤 (1)的滤渣与次氯酸的质量体积比为1g:(0.5
‑
1.5)ml，由于咖啡因具有弱碱性，本发 明选择了氧化性较强同时酸性很弱的次氯酸，并严格控制次氯酸的用量，达到较好的 脱色效果。
[0042]
茶叶中的色素成本比较复杂，而且脂溶性色素的性质相似，脂溶性色素与咖啡因 的分离比较困难。本发明经过长期实验研究，反复研究对比脂溶性色素和咖啡因的特 性，终于得出上述分离方法，即利用一定比例的乙醚和苯的混合溶液，先分离出叶绿 素和类胡萝卜素，这就解决了茶叶中大部分显色性能较强的脂溶性色素；然后，利用 一定比例的氯仿和醋酐的混合溶液，分离出大部分的叶酸色素，至此，样品溶液中的 绝大部分显色物质得到了有效的去除。最后再通过石墨化炭黑的物理吸附作用和次氯 酸的氧化作用，对残余的色素进行去除，最大程度地去除茶叶中色素显色对光度滴定 的影响。
[0043]
另外，本发明对滴定终点的科学选取，也进行了研究。由于本发明的样品溶液中 含有多种溶剂且含量各异，各种溶剂对咖啡因和高氯酸的反应具有比较复杂的影响， 这些影响的原理现在还没有完全研究清楚，但为了准确测定茶叶中的咖啡因含量，对 计算时，滴定终点的科学选取，并做合理的修正。
[0044]
电位滴定分析时，终点微分值是判定终点的重要依据，通过对电极电位与滴定液 体积之间的关系进行微分得出，现有的滴定终点确定方法有e
‑
v曲线法、一阶微商法 和二阶微商法。具体到本发明的茶叶中咖啡因的检测，e
‑
v曲线具有两个突变点，即 具有两个爬升平台，选择第二个突变点对滴定终点进行分析。
[0045]
一般分析是在e
‑
v曲线的终点突跃线上，选择电位的最大值和最小值之和的1/2 处电位对应的体积为滴定终点的体积。而对于本技术，加入了修正系数，所述修正系 数与苯、乙醚、氯仿、醋酐和甲苯的介电常数和用量体积有关。
[0046]
具体的，滴定终点的体积为e
‑
v曲线的终点突跃线上的最大电位和最小电位之和 的1/2 r处电位对应的体积。
[0047]
所述修正系数为r，计算公式为：
[0048][0049]
式(1)中，a与步骤(1)中的乙醚和苯的介电常数和用量体积有关，a的计算公 式为：
[0050][0051]
式(2)中，ε1和ε2分别为苯和乙醚的介电常数，分别为2.3和4.3；l1为苯与乙 醚的体积比1:(5
‑
6)，即l1的取值为0.167
‑
0.2；l2为乙醚与茶叶样品的体积质量比为 (10
‑
13)ml:1g，即l2的取值为10
‑
13。
滴定液为c＝0.1mol/l高氯酸标准滴定溶液，同时使用电位滴定和光度滴定，滴定至终 点，记录溶液二所消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积v；
[0072]
按照同样方法滴定空白样品，记录空白样品所消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积 v0；
[0073]
步骤s500中，溶液二滴定时由紫色变为蓝绿色时，即为光度滴定的终点；光度 滴定使用的光线的波长为502nm。
[0074]
所述检测方法的计算方法为：
[0075][0076]
式中：c：高氯酸标准滴定溶液的浓度，0.1mol/l；v：溶液二消耗的高氯酸标准滴定 溶液的体积，ml；v0：空白样品消耗的高氯酸标准滴定溶液的体积，ml；m：称取的样 品的质量，5.0013g；194.2g/mol为咖啡因最小反应单元的质量分数；v和v0均为各自e
‑
v 曲线的终点突跃线上的最大电位和最小电位之和的1/2处电位对应的体积。
[0077]
本实施例使用ph复合电极和光度电极对同一样品进行检测，得到两条滴定曲线，并 分别按上述计算方法得到计算结果，将两个计算结果进行比较，相对偏差r在5％以内。
[0078][0079]
上式中，r为相对偏差，％；c1为光度电极检测的计算结果，mg/g；c2为ph复合电 极检测的计算结果，mg/g。
[0080]
对比例1
[0081]
本对比例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例1相同，区别在于，步骤s300 中茶叶样品中不加入甲苯，加入结晶紫指示液后，直接滴定。
[0082]
对比例2
[0083]
本对比例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例1相同，区别在于，步骤s300 中不添加石墨化炭黑和次氯酸。
[0084]
实施例2
[0085]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例1相同，区别在于，步骤s100 中，茶叶样品研磨至300目；步骤s200和s300中，茶叶样品、醋酐和甲苯的质量体 积比为1g:6ml:9ml；步骤s200中，超声频率为50hz，功率为60w，时间为10min。
[0086]
实施例3
[0087]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例2相同，区别在于，步骤s300 中，茶叶样品与石墨化炭黑的质量比为1:8。
[0088]
实施例4
[0089]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例2相同，区别在于，步骤s300 中，茶叶样品与石墨化炭黑的质量比为1:9。
[0090]
实施例5
[0091]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例3相同，区别在于，步骤(4) 中，茶叶样品与次氯酸的质量体积比为1g:1.5ml。
[0092]
实施例6
[0093]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例3相同，区别在于，步骤(4) 中，茶叶样品与次氯酸的质量体积比为1g:1.6ml。
[0094]
实施例7
[0095]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例5相同，区别在于，步骤s200 包括以下步骤：
[0096]
(1)用乙醚和苯的混合溶液洗涤茶叶样品，叶绿素和类胡萝卜素溶入乙醚和苯的 混合溶液中，然后过滤，得到滤渣，烘干滤渣；
[0097]
茶叶样品与乙醚的质量体积比为1g:10ml，苯与乙醚的体积比为1:5；
[0098]
(2)用氯仿和醋酐的混合溶液超声洗涤步骤(1)的滤渣，咖啡因溶入氯仿和醋 酐的混合溶液中，然后过滤，得到滤液，即为溶液一；
[0099]
步骤(1)所得的干燥的滤渣与醋酐的质量体积比为1g:4ml，氯仿与醋酐的体积 比为1:2；
[0100]
上述步骤(1)去除色素中的大部分叶绿素和类胡萝卜素，步骤(2)去除色素中 的大部分叶酸。
[0101]
实施例8
[0102]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例7相同，区别在于，步骤(1) 中，茶叶样品与乙醚的质量体积比为1g:13ml。
[0103]
实施例9
[0104]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例7相同，区别在于，步骤(1) 中，茶叶样品与乙醚的质量体积比为1g:14ml。
[0105]
实施例10
[0106]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例8相同，区别在于，步骤(1) 中，苯与乙醚的体积比为1:6。
[0107]
实施例11
[0108]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例8相同，区别在于，步骤(1) 中，苯与乙醚的体积比为1:7。
[0109]
实施例12
[0110]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例10相同，区别在于，步骤(2) 中，氯仿与醋酐的体积比为1:3。
[0111]
实施例13
[0112]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例10相同，区别在于，步骤(2) 中，氯仿与醋酐的体积比为1:1。
[0113]
实施例14
[0114]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例10相同，区别在于，步骤 s300包括以下步骤：
[0115]
(3)向步骤(2)得到的溶液一中加入甲苯，混合均匀；步骤(1)所得的干燥的 滤渣与甲苯的质量体积比为1g:6ml；
[0116]
(4)向步骤(3)得到的溶液中加入石墨化炭黑和次氯酸，进一步去除色素；步 骤
(1)所得的干燥的滤渣与石墨化炭黑的质量比为1:5，与次氯酸的质量体积比为 1g:0.5ml；
[0117]
(5)向步骤(4)得到的溶液中加入结晶紫指示液，得到溶液二。
[0118]
实施例15
[0119]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例14相同，区别在于，步骤(3) 中，步骤(1)所得的干燥的滤渣与甲苯的质量体积比为1g:9ml。
[0120]
实施例16
[0121]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例15相同，区别在于，步骤(4) 中，步骤(1)所得的干燥的滤渣与石墨化炭黑的质量比为1:8。
[0122]
实施例17
[0123]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例15相同，区别在于，步骤(4) 中，步骤(1)所得的干燥的滤渣与石墨化炭黑的质量比为1:9。
[0124]
实施例18
[0125]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例16相同，区别在于，步骤(4) 中，步骤(1)所得的干燥的滤渣与次氯酸的质量体积比为1g:1.5ml。
[0126]
实施例19
[0127]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例16相同，区别在于，步骤(4) 中，步骤(1)所得的干燥的滤渣与次氯酸的质量体积比为1g:1.6ml。
[0128]
实施例20
[0129]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例18相同，区别在于，加入了 修正系数，所述修正系数与苯、乙醚、氯仿、醋酐和甲苯的介电常数和用量体积有关。
[0130]
具体的，滴定终点的体积为e
‑
v曲线的终点突跃线上的最大电位和最小电位之和 的1/2 r处电位对应的体积。
[0131]
所述修正系数为r，计算公式为：
[0132][0133]
式(1)中，a与步骤(1)中的乙醚和苯的介电常数和用量体积有关，a的计算公 式为：
[0134][0135]
式(2)中，ε1和ε2分别为苯和乙醚的介电常数，分别为2.3和4.3；l1为苯与乙 醚的体积比1:6，即l1的取值为0.167；l2为乙醚与茶叶样品的体积质量比为13ml:1g， 即l2的取值为13。
[0136]
式(1)中，b与步骤(2)中的氯仿和醋酐的介电常数和用量体积有关，b的计算 公式为：
[0137][0138]
式(3)中，ε3和ε4分别为氯仿和醋酐的介电常数，分别为5.1和20.7；l3为氯仿 与醋酐的体积比为1:2，即l1的取值为0.5；l4为醋酐与步骤(1)的滤渣的体积质量 比为6ml:1g，即l4的取值为6。
[0139]
式(1)中，c与步骤(3)中的甲苯的介电常数和用量体积有关，c的计算公式为：
[0140][0141]
式(4)中，ε5为甲苯的介电常数，为2.4；l5为甲苯与步骤(1)的滤渣的体积 质量比为9ml:1g，即l5的取值为9。
[0142]
上述实施例1
‑
20和对比例1
‑
2均检测福利来茉莉花茶中咖啡因的含量；
[0143]
福利来茉莉花茶，配料为绿茶和茉莉花，类型为烘青茉莉花茶，生产商为成都御 茗春茶茶业有限公司，条形码号为6936160900918。
[0144]
实施例21
[0145]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例20相同，区别在于，茶叶样 品为立顿茉莉花茶，取样量为5.0026g。立顿茉莉花茶的生产商为联合利华(中国)有 限公司，产地安徽省黄山市，配料为绿茶和茉莉花，条形码号为6902088802566。
[0146]
实施例22
[0147]
本实施例所述的茶叶中咖啡因的检测方法，与实施例20相同，区别在于，茶叶样 品为忆江南铁观音，取样量为5.0026g；
[0148]
采购于京东的忆江南茗茶官方旗舰店，货号为6923790798701，产地为杭州，采 摘时间为秋季，等级为二级，发酵程度为半发酵，类型为壮结，采摘要求为一芽三四 叶，条形码号为6923790798701。
[0149]
上述三种茶叶先使用液相色谱法检测茶叶中咖啡因的含量，作为标准值，检测方 法按照国标gb 5009.139
‑
2014《食品安全国家标准饮料中咖啡因的测定》，将实施例 1
‑
18和对比例1的检测结果与液相色谱法的检测结果进行对比，评价本发明方法的准 确性。表1中准确性的计算方法为：
[0150][0151]
表1实施例和对比例的检测结果比较
[0152] 准确性(％) 准确性(％)实施例16.0实施例133.9实施例25.6实施例141.3实施例35.4实施例151.2实施例45.8实施例161.0实施例55.2实施例171.4实施例65.4实施例180.9实施例74.0实施例191.2实施例83.7实施例200.6实施例94.5实施例210.5实施例103.3实施例220.6实施例114.0对比例115.8实施例123.5对比例210.4
[0153]
由上表可知，使用本发明所述的茶叶中咖啡因的检测方法，检测结果与使用液相 色谱的检测结果相比偏差较小，大致控制在6％以内。另外，在实施例1
‑
18中，所述 检测方
法使用ph复合电极和光度电极得到的检测结果的相对误差均在5％以内。本发 明的方法适用于多种茶叶的检测，适用性较强，比液相色谱检测方法更为简单、快捷， 具有广泛推广价值。
[0154]
为了便于公众理解本发明所使用的光热电位分析仪，现将其馈液传动单元和滴定 管的结构补充如下：
[0155]
如图1所示，所述滴定管2包括管体21和位于管体内的泵头22，用于抽打滴定 液；所述馈液传动单元1推拉泵头22，从而将滴定液抽取至管体21中或将管体21内 的滴定液注入烧杯中，烧杯中存放有待滴定液体。
[0156]
在泵头22上设置有换向机构，以分别对洗涤液和滴定液抽取。
[0157]
如图2
‑
3所示，所述馈液传动单元1包括伸缩组件11、主电机12、主丝杠13、 细分电机14、细分丝杠15、驱动齿轮16和大丝母17。伸缩组件11的顶端与泵头22 连接，伸缩组件11的底端具有螺纹孔，套设在细分丝杠15上；
[0158]
细分丝杠15的一端与大丝母17顶端固定连接，大丝母的底端具有螺纹孔，使得 大丝母17能够套设在主丝杠13上，在大丝母17的周向侧面设置有与驱动齿轮16相 对应的齿轮，使得驱动齿轮16能够驱动或限制大丝母17的旋转；驱动齿轮16与细分 电机14的输出轴连接；主丝杠13与主电机12的输出轴连接。
[0159]
在伸缩组件11的上部和下部设置有限位开关19，使得伸缩组件11仅能够上下伸 缩，不能旋转。
[0160]
主丝杠13和细分丝杠15的螺纹旋向相同，主丝杠13的导程大于细分丝杠15的 导程。
[0161]
驱动齿轮16的轴线与细分丝杠15的轴线平行，驱动齿轮16的齿宽大于大丝母 17周向齿轮的齿宽，使得大丝母17与驱动齿轮16在轴向上能够相对滑动。
[0162]
主电机12转动，带动主丝杠13旋转，主丝杠13与主电机12的传动比是1：5， 主丝杠的导程是5mm，在该种传动效果下，1/4步细分的主电机即可实现馈液传动单 元的20000/1细分。大丝母17被驱动齿轮16旋转锁定，大丝母17在主丝杠13的驱 动下沿主丝杠13上的螺纹滑动，进而带动细分电机14与伸缩组件11上下移动，实现 泵头22的快速升降。
[0163]
在慢速滴定时，主电机12处于通电锁死状态，此时主丝杠13不转动；细分电机 14转动，带动驱动齿轮16转动，大丝母17在驱动齿轮16的转动下进行周向旋转， 大丝母17沿主丝杠13上的螺纹滑动上升或下降；细分丝杠15随大丝母17旋转，使 得伸缩组件11沿细分丝杠15相对滑动，进行与大丝母17相反方向的相对运动；由于 主丝杠13导程大于与细分电机14的导程，大丝母17的升降与伸缩组件11的升降速 度不同，最终伸缩组件11的实际升降量为大丝母17的升降量与伸缩组件11相对细分 丝杠15升降量之差。在大丝母17下端设置有接近开关18，通过接近开关18复位大 丝母17的初始位置。主电机12工作，使得大丝母17下降，直至大丝母17与接近开 关18接触，此时，大丝母17位置即为初始位置。
[0164]
上述馈液传动单元1的使用如下：
[0165]
s1、确定单次馈液量，获得单次泵头移动量；
[0166]
s2、按泵头移动量划分快速滴定阶段和慢速滴定阶段进行滴定；
[0167]
s3、电极检测，确认下次馈液量，重复上述过程直至滴定结束。