cw-8 EKSTRAKCJA-KOFEINY, chemia produktów naturalnych, ćw. 1 KOFEINA


Ćwiczenie nr 8

EKSTRAKCJA

Ekstrakcja (z łaciny: extraho = wyciągam) jest to metoda wydzielenia z roztworu lub fazy stałej (np. surowca naturalnego) obojętnego związku organicznego poprzez przeniesienie go do odpowiedniego rozpuszczalnika.

Związki organiczne często ekstrahowane są z roztworów wodnych. Jako mało polarne zazwyczaj wykazują lepszą rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych niż w wodzie, dzięki czemu proces ten jest stosunkowo łatwy do przeprowadzenia.

EKSTRAKCJA KOFEINY Z LIŚCI HERBATY

Kofeina - alkaloid purynowy, pochodna metyloksantyny (1,3,7-trimetyloksantyna; 3,7-dihydro-1,3,7-trimetylo-1H-puryno-2,6-dion).

0x01 graphic

Ryc. Kofeina

Kofeina jest głównym alkaloidem nasion krzewu kawowego Coffea arabica, Coffea liberica i in. z rodziny Marzanowatych (Rubiaceae).Występuje poza tym w wielu innych roślinach, m. in. w zarodkach nasion drzew z rodzaju Cola („orzeszki Cola”), liściach krzewów herbacianych gatunku Camelia sinesis, nasionach drzewa kakaowego Theobroma cacao, nasionach liany brazylijskiej paulinia gwarana (Paulinia guarana) czy liściach ostrokrzewu paragwajskiego Mate.

Kofeina pobudza ośrodkowy układ nerwowy oraz ośrodki wegetatywne: oddechowy, naczynioruchowy i nerwu błędnego. Pobudza korę mózgową, przyspieszając procesy myślenia i odbioru wrażeń. Rozszerza naczynia wieńcowe, przyspiesza akcję serca. Wpływa na szybkość przemiany materii, pobudza wydzielanie soku żołądkowego i żółci, lekko pobudza diurezę. Może stymulować ośrodek oddechowy, zwiększając częstość i głębokość oddechów.

Ze względu na swoje właściwości kofeina stosowana jest jako lek pobudzający w stanach wyczerpania umysłowego i fizycznego, w niedociśnieniu, zapaściach, omdleniach, migrenach, a także w zatruciach narkotykami, alkoholem i barbituranami. Może być stosowana również w leczeniu astmy. Kofeinę dodaje się również do preparatów kosmetycznych i kosmetyczno-leczniczych (szamponów, mydeł, kremów, balsamów), które w założeniu mają pobudzać krążenie, rozjaśniać skórę i działać lipolitycznie. Kofeina jest ponadto popularnym składnikiem wielu produktów spożywczych, przede wszystkim napojów orzeźwiających typu cola oraz tzw. napojów energetyzujących.

Kofeina wchłania się szybko i całkowicie z przewodu pokarmowego, łatwo przenika przez barierę krew-mózg. Jest metabolizowana w wątrobie do paraksantyny (84%), teobrominy (12%) i teofiliny (4%) i w tej postaci jest wydalana wraz z moczem. Maksymalne stężenie w osoczu osiąga w ciągu 1 h od podania. Okres półtrwania (t1/2) kofeiny w organizmie zdrowego, dorosłego człowieka wynosi średnio 3-5 h; u kobiet przyjmujących doustne środki antykoncepcyjne oraz będących w ciąży 5-11 h; u noworodków do 30 h.

0x01 graphic

Kofeina jest substancją toksyczną. W większych dawkach wywołuje podniecenie, wzmożone bicie serca, a nawet skurcze tężcowe. Śmiertelna dawka kofeiny dla człowieka w zależności od wagi, wzrostu i indywidualnej wrażliwości na kofeinę wynosi ok. 150-200 mg/kg m.c.

Tab.2. Właściwości fizyko-chemiczne kofeiny

Forma:

ciało stałe

Kolor:

biały

Zapach:

bezwonny

Masa molowa

194.19 g/mol

pH:

5.5-6.5 (10g/l; 20oC)

Temperatura topnienia:

234-239oC

Temperatura wrzenia:

178oC

Rozpuszczalność w wodzie:

21 g/l (25oC), 46 g/l (40oC), 182 g/l (80oC), 670 g/l (100oC)

Rozpuszczalność w etanolu:

10.5 g/l (25oC)

Rozpuszczalność w chloroformie:

125 g/l (25oC)

Do izolacji kofeiny wykorzystuje się jej różnice w podziale między dwie niemieszające się ze sobą ciecze: wodę i chloroform. Ekstrakcja tego związku z liści herbaty w porównaniu z ekstrakcją z kawy czy Coca-Coli obarczona jest mniejszym ryzykiem tworzenia emulsji, a zanieczyszczenia mają słabsze zabarwienie. Proces ten przebiega dwuetapowo:

I. Ekstrakcja ciało stałe-ciecz: polega na rozpuszczeniu zawartej w herbacie kofeiny we wrzącej wodzie i powstaniu esencji herbacianej. Obok kofeiny do fazy wodnej przechodzą taniny.

Taniny to złożone związki organiczne, polifenole, zbudowane z wielu cząsteczek kwasu galusowego (3,4,5-trihydroksybenzoesowego) i D-glukozy. Aby usunąć taniny stosuje się związki z dwuwartościowym kationem metalu, np.:

a) tlenek magnezu;

b) octan ołowiu;

c) chlorek wapnia.

Powstałe sole tanin są nierozpuszczalne w wodzie, dzięki czemu w znacznej mierze można je łatwo usunąć z roztworu poprzez sączenie.

II. Ekstrakcja ciecz-ciecz: ekstrakcja kofeiny chloroformem (CHCl3) z esencji herbacianej.

Współczynnik podziału (K) kofeiny między chloroform a wodę wynosi ok. 9, co związane jest z większą rozpuszczalnością kofeiny w chloroformie niż w wodzie. W praktyce oznacza to, iż przy jednakowej objętości chloroformu i wody 90% ilości kofeiny przejdzie do warstwy chloroformowej, a jedynie 10% do warstwy wodnej.

K kofeiny = [kofeina] CHCl3/ [kofeina] H2O ≈ 9

Otrzymany ekstrakt suszy się, a następnie oddestylowuje rozpuszczalnik. Surową kofeinę można oczyścić poprzez krystalizację lub sublimację. Kryształy kofeiny mają kształt białych, długich igieł o temperaturze topnienia 234-239oC.

Cel ćwiczenia: zapoznanie się z metodą izolacji związków z produktów naturalnych

Odczynniki:

herbata

25 g lub 15 torebek po 2g każda

MgO

12,5 g

woda destylowana

chloroform

50 cm3

2.0 M H2SO4

MgSO4

10% NaOH

3 cm3

alkohol etylowy

2 cm3

Sprzęt:

moździerz

zlewka na 250 cm3 - 2 szt.

zlewka na 50 cm3

kolbka stożkowa z korkiem

maszynka elektryczna

zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem (lejek Büchnera, sączek, kolba ssawkowa)

cylinder miarowy

zestaw do destylacji z chłodnicą wodną

lejek z sączkiem karbowanym

bagietka

łyżeczka

szkiełko zegarkowe

Wykonanie ćwiczenia:

I. Herbata liściasta:

  1. 25g herbaty rozetrzeć w moździerzu z 12,5 g MgO.

  2. Przenieść do zlewki i zalać 200 cm3 wody.

  3. Całość doprowadzić do wrzenia i gotować przez 10-15 min.

  4. Odczekać aż opadną fusy i sączyć ciecz pod zmniejszonym ciśnieniem.

II. Herbata w torebkach:

  1. 15 torebek zalać 200 cm3 wody destylowanej i dodać 12,5 g MgO.

  2. Całość doprowadzić do wrzenia i gotować przez 10-15 min.

  3. W przypadku gdy otrzymany roztwór wodny nie będzie klarowny sączyć pod zmniejszonym ciśnieniem.

III. Dalsza procedura:

  1. Klarowny wyciąg wodny zakwasić 2,0 M H2SO4*, ok. 30-40 kropli (pH ok.2; kontrolować papierkiem uniwersalnym) i odparować na kuchence elektrycznej do około 1/3 objętości, a następnie schłodzić w łaźni z lodem.

  2. Ekstrahować 5-krotnie chloroformem (po 10 cm3) w rozdzielaczu wg wskazówek asystenta (UWAGA! Warstwa chloroformowa jest warstwą dolną, należy ją zbierać do kolbki stożkowej z korkiem).

  3. Do połączonych ekstraktów chloroformowych dodać 3 cm3 10% ługu sodowego (NaOH) w celu usunięcia resztek tanin, całość ekstrahować w rozdzielaczu.

  4. Procedurę z pkt.3 powtórzyć z 3 cm3 wody destylowanej.

  5. Suszyć przy użyciu bezwodnego MgSO4 poprzez dodanie odczynnika i wytrząsanie w kolbce do momentu aż MgSO4 przestanie się zbrylać.

  6. Roztwór chloroformowy przesączyć przez sączek karbowany bezpośrednio do kolbki destylacyjnej.

  7. Chloroform oddestylować ostrożnie do sucha (temperatura wrzenia chloroformu:
    61-62oC).

  8. Do otrzymanej surowej kofeiny dodać 8 cm3 rozpuszczalnika złożonego z alkoholu etylowego i wody w stosunku 1:3.

  9. Całość przelać do zlewki na 50 cm3 i pozostawić pod dygestorium do swobodnej krystalizacji kofeiny.

  10. Efekt krystalizacji obserwujemy po 2-3 dniach.

Kryształy kofeiny mają postać igieł o temperaturze topnienia 234oC.

*W ok. 0.01 M H2SO4 kofeina nie wykazuje właściwości zasadowych, zaś w ok. 0.5 M H2SO4 prawie cała ulega protonowaniu i występuje w formie kationu. Sole kofeiny wykazują duże powinowactwo do wody, ich współczynnik ekstrakcji wynosi ok. 2. Nadmierne zakwaszenie warstwy wodnej znacznie zmniejsza więc efektywność ekstrakcji chloroformem, dlatego zaleca się dodawanie H2SO4 ostrożnie do pH ok.2.

Literatura:


Wyszukiwarka