药学专业实践教学设计研究

摘要:“茶叶中咖啡因的提取”是药学专业有机化学课程实践教学中的一个很经典的实验，“茶叶中咖啡因的含量测定”在仪器分析课程实践教学中可设计成多种分析方法与手段进行，并且学生学以致用，创造性地应用到创新性实践项目中，使教学效果得以升华。本文具体介绍“茶叶中咖啡因的提取与含量测定”在药学专业实践教学中的设计，以及大学生创新项目设计的实践方案，旨在说明教师良好的实践教学能为学生自主学习和探索创造良好的科学氛围。

关键词:咖啡因;提取;含量测定;实践教学;设计

咖啡因是茶叶中主要的生物碱类化合物［1］，是一种嘌呤类衍生物［2］，为白色针状晶体，在三氯甲烷、乙醇等有机溶剂中有较好溶解性，在乙醚、苯中难溶［3］，其结构如图1所示。咖啡因有神经刺激作用，常被用作中枢神经兴奋剂，在镇痛、利尿、促进胃酸分泌等方面发挥着重要的治疗作用［4］。“茶叶中咖啡因的提取”是药学专业有机化学实践课程开设的一个实践项目，采取索氏提取法，利用乙醇、三氯甲烷、苯等适当溶剂从茶叶中把咖啡因提取出来，除去溶剂后利用咖啡因升华的性质进行纯化。而提取后得到的粗溶液或者粗晶体又可用于仪器分析的色谱实验和光谱实验，进行“茶叶中咖啡因的含量测定”分析。由于该实验简单，学生还可以进行进一步探索，申请大学生研究性与创新性实验，把该实验进一步升华到创新应用。那么，教师如何把这一系列的实践教学活动融合，最后成功达到预期的教学效果，关键在于教师对整个实践教学的安排和设计。下面就“茶叶中咖啡因的提取与含量测定”在药学专业实践教学中的应用进行探索性的设计。

1在有机化学实践课程中的设计

1.1传统提取纯化分离方法

传统的“从茶叶中提取纯化分离咖啡因”的方法有升华和萃取方法［5］。1.1.1升华法［6］称取茶叶10g，放入纱布中卷成筒状，放入索氏提取器中，轻压纱布，使其低于虹吸管的高度。在250mL圆底烧瓶中加入95%乙醇100mL和几粒沸石，加热冷凝回流，控制加热的温度，使液体保持微沸状态约2h［7］。回流3次，合并提取液，浓缩至20mL，将浓缩液移入蒸发皿中，加入约4g生石灰，低温加热除去溶剂，然后继续用酒精灯小火烘烤至干燥。蒸发皿上加一多孔滤纸，再倒扣一玻璃漏斗，加热，当冒出大量棕色的烟，并有白色针状晶体在滤纸上方出现时停止加热，用药匙刮下晶体。残留物搅拌后继续小火加热升华，再次得到晶体，合并两次晶体，备用。1.1.2萃取法［6］将10g茶叶和300mL水加到烧杯中加热，保持沸腾状态25min，并在沸腾期间将热水添加到原始体积。趁热减压抽滤，在滤液中边用玻璃棒搅拌边加入25mL10%乙酸铅溶液，待鞣质等酸性物质沉淀后，减压抽滤，弃去沉淀。滤液浓缩至约20mL，减压抽滤，滤液中加20mL三氯甲烷，萃取2次，有机萃取液合并，将三氯甲烷用蒸馏装置回收。将残留液体转移至小烧杯，水浴加热蒸去溶剂，得咖啡因固体。

1.2现代提取纯化分离方法

有机溶剂萃取法中常常会有溶剂残留问题，为了克服这个缺点，文献［8］报道增加二氧化碳超临界气体萃取装置、真空升华装置与吸附装置从提取溶液中萃取纯化咖啡因。该方法具有萃取时间短、萃取效率高、咖啡因得率高的优点，但是操作繁琐，实验成本高。任小雨等［9］通过添加碳酸钠试剂、改用旋转蒸发仪和微量升华器的方法对实验进行改进，使提取时间缩短，提取得率提高。但是使用油泵减压升华，对于实验室没有这个装置的则受到了实验限制，因此不能普遍采用。在本实验室中还是使用了传统升华法，得到的提取液以及咖啡因晶体，置冰箱中保存备用。

2在仪器分析实践课程中的设计

对于这个经典的、有代表性的有机化学提取实验得到的成果进一步进行仪器分析，这是药学专业学生比较感兴趣的应用。在仪器分析的实践教学中，“茶叶中咖啡因的含量测定”可采取的测定方法有:紫外－可见分光光度法(UV－Vis)、气相色谱法(GC)和高效液相色谱法(HPLC)，这些常规的分析方法可精确测定出茶叶中咖啡因的含量。下面介绍这些实践方案的设计过程。

2.1紫外－可见分光光度法

咖啡因在近紫外区270nm波长处有吸收，因此可利用该法对咖啡因含量进行测定。参照文献［10］进行如下实验设计。2.1.1对照品溶液的制备精密称取一定量的咖啡因对照品，溶于甲醇，并于容量瓶中定容制成100μg/mL咖啡因对照品储备液［11］。精密量取上述咖啡因对照品储备液一定体积，逐级稀释得到浓度为5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0μg/mL系列的咖啡因对照品溶液［12］，备用。2.1.2供试品溶液的制备(1)取上述提取液三份，配成一定浓度的提取液供试品溶液。(2)精确称取纯化的咖啡因晶体配成20μg/mL的咖啡供试品溶液。2.1.3标准曲线绘制全波长扫描咖啡因对照品，绘制光谱扫描曲线以确定最大吸收波长(λmax)。以λmax为入射波长测定系列咖啡因对照品溶液的吸光度，绘制吸光度－浓度(A－c)标准曲线，得线性回归方程和相关系数。2.1.4含量测定对咖啡因晶体和咖啡因提取液进行含量测定，通过计算得到咖啡因晶体的含量和提取液中咖啡因的含量，计算提取率。

2.2高效液相色谱法

参照《分析化学实验》教材［13］设计实验方案，具体如下:2.2.1咖啡因对照品溶液的制备精密称取一定质量咖啡因对照品，用甲醇溶解，容量瓶中定容，制得0.2mg/mL的咖啡因标准品储备液。精密量取储备液一定体积，分别制得到10、20、40、60、80μg/mL系列咖啡因对照品溶液。2.2.2供试品溶液制备(1)取上述提取液三份，配成一定浓度的提取液供试品溶液。(2)精确称取咖啡因晶体配成50μg/mL的咖啡供试品溶液。2.2.3色谱条件仪器:LC－2010A(岛津);色谱柱:ODSC18柱(150mm×4.6mm×5μm，岛津);流动相∶水－甲醇(68∶32);流速:1.0mL/min;进样体积:10μL;SPD二极管阵列检测器。2.2.4仪器精密度考察取咖啡因对照品溶液1份，连续进样6次，进行仪器精密度实验，记录保留时间与峰面积，若它们的RSD小于5%，则精密度良好［14］。2.2.5样品重复性考察取同一浓度的咖啡因对照品溶液6份，每份连续进样3次，进行重复性实验，若保留时间与峰面积的RSD小于5%，则重复性良好［15］。2.2.6工作曲线绘制取上述咖啡因系列对照品溶液10μL，每份连续进样3次，以保留时间为横坐标、峰面积为纵坐标建立标准曲线，得到线性回归方程，相关系数＞0.99则说明线性关系良好。2.2.7样品含量测定分别取提取液和咖啡因晶体供试溶液10μL，注入HPLC中进行分析，计录峰面积和保留时间，由回归方程计算咖啡因的浓度和咖啡因晶体的含量。

2.3气相色谱法

参照文献［16］方法设计气相色谱法测定茶叶中咖啡因的含量，具有方案如下:2.3.1内标溶液制备精密称取一定量的邻苯二甲酸二丁酯(内标)对照品0.1g，甲醇溶解，置容量瓶定容，配成2mg/mL的储备液。2.3.2咖啡因对照品溶液的制备精密量取咖啡因储备液一定体积，加入一定体积的内标，用甲醇定容，配成10、20、100、200、300、400、500μg/mL系列咖啡因标准溶液及含160μg/mL的内标溶液。2.3.3供试品溶液制备(1)取咖啡因提取液三份，配成一定浓度的供试品溶液。(2)精确取咖啡因晶体配成100μg/mL的咖啡供试品溶液。2.3.4色谱条件GC2014气相色谱仪(岛津)，HP－5型毛细管柱(30m×0.32mm×0.25μm，岛津)，色谱柱、汽化室和检测器温度分别为230℃、250℃、250℃，N2流速2.5mL/min，分流比1∶20，进样体积0.2μL。2.3.5仪器精密度考察取咖啡因对照品溶液1份，连续进样6次，若保留时间与峰面积RSD小于5%，则精密度良好。2.3.6样品重复性考察取咖啡因对照品溶液6份，每份连续进样3次，若保留时间与峰面积RSD小于5%，则重复性良好。2.3.7工作曲线绘制取0.2μL咖啡因系列对照品溶液，进样，以保留时间为横坐标、峰面积为纵坐标建立标准曲线，得到线性回归方程，若相关系数＞0.99则线性关系良好［17］。2.3.8样品含量测定分别取0.2μL咖啡因提取液和咖啡因晶体供试液，注入GC进行分析，计录峰面积与保留时间，根据工作曲线计算得到咖啡因溶液的浓度和咖啡因晶体的含量，计算咖啡因提取得率。

3在创新性实践项目中的设计

大学生创新性实践项目是国家和各省市对在校大学生提供学习和创新实践项目开展的一项有力举措，教学团队在教学实施过程中，往往将专业实践教学内容与大学生创新实践项目结合，为学生的科研训练铺造一个有益的、合适的平台［18］，将项目能真正落实到学生的创新过程中，有利于锻炼学生的科研能力，为以后的科研开展奠定基础［19］。教学团队把“茶叶中咖啡因的提取与含量测定”的实验用于药学专业有机化学与仪器分析的教学实践活动中，使学生获得了良好的教学实践效果，同时对茶叶的提取与含量测定产生了极大的兴致，学生们设想:一种茶叶能做出来的结果，多种茶叶也能做出结果，如果对不同品种、不同产地的茶叶中咖啡因的含量进行测定，可能咖啡因的含量会有差别。那么，是否可以根据咖啡因的含量对茶叶进行分类，进而探讨同一品种不同产地或者同一产地不同品种的茶叶中咖啡因含量差异的原因?在这种思路的引导下，学生申报了省级大学生研究性与创新性实践项目“HPLC法测定8个不同品种茶叶中咖啡因的含量”，还申报了校级的开放性实践项目。他们设计的实验方案为:从24种不同茶叶中提取咖啡因(优化提取方法)→咖啡因纯化(纯化方法优化)→HPLC色谱方法探索(色谱条件优化)→HPLC方法考察(包括精密度、重复性、线性关系、稳定性和加样回收率试验)→样品含量测定(测定24种茶叶中咖啡因的含量)→数据处理(PCA、OPLS－DA分析)→实验结果(分析不同茶叶咖啡因含量差异的原因)。有了前期的实践，学生已经熟练掌握了天然药物有效成分的提取分离方法、中药的前处理方法、高效液相色谱仪的使用及基本的实验操作等，在指导老师指导下，精心设计实验方案，并进行切实有效的实施，能够完成该创新项目。

4结语

一个实践项目在两门专业基础课程中进行综合性的实践教学设计，并调动了学生积极的创新意识，积极申报并实质性地开展了创新性实践项目，使教师的教学效果得到最大体现，使学生的学习效果、实践能力和创新思维得到极大的提升，把教学相长发挥到极致［20］。因此，在实践教学中，教师应精选实践项目，力求验证和推广实验结果和理论结果，重视并指导项目的创新点，真正让学生在实践教学中学有所悟，为学生自主学习和探索创造良好的科学氛围。

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作者：袁治倩 傅春燕 曾伟 龙一鸣 王婷 单位：邵阳学院药学院