茶葉中咖啡因提取及檢測設計性實驗教學初探

祝澤周，胡 云，孫 菲

（安徽工程大學化學與環境工程學院，安徽蕪湖 241000）

唐代陸羽在《茶經》中指出：“茶之為飲，發乎神農氏，聞于魯周公”?！渡褶r本草經》中有記載：“神農嘗百草，日遇七十二毒，得解之”，反映出在我國古代就發現茶能夠治病的起源，并且中國的茶文化博大精深，源遠流長。在后來的研究發現中，表明茶中具有多種保健功能主要來源于咖啡因（咖啡堿）的作用?？Х纫?，白色針狀結晶，屬于甲基黃嘌呤的生物堿，化學式為C8H10N4O2，化學名為1,3,7-三甲基-1，6-二氧嘌呤（也稱為1,3,7-三甲基黃嘌呤），味苦，能夠溶于水、乙醇、氯仿、苯等溶劑中，在植物中常與有機酸、丹寧等結合以鹽的形式存在[1]。

實驗教學是實施“卓越工程師培養計劃”、實現素質教育和創新人才培養目標的重要環節，用于加強學生實踐能力和創新能力培養[2]。按照新一輪科技革命和產業變革的戰略行動目標要求，為加快培養新興領域工程科技人才，著眼布局未來戰略重要領域人才培養，教育部探索建立“新工科”規劃建設?！靶鹿た啤笔恰白吭焦こ處熃逃囵B計劃”2.0的核心內容和主要抓手，是新時代工程教育改革的新方向。為進一步落實“學生中心、產出導向、持續改進”理念，基于我?；瘜W工程與工藝、環境工程、生物工程、食品工程等工科類專業的學生學情分析，為加強學生在實踐課程中舉一反三、發散性思維養成，提高學生善于發現問題、敢于提出問題以及樂于解決問題的能力。同時為順應新時代發展要求，為未來新興產業和新經濟培養實踐能力強、創新能力強、綜合素質高的復合型新工科人才。在基礎實驗開展的同時融入綜合性設計性實驗，創新實驗的開設更能檢測學生的實踐能力和科學素養，為今后理論和實踐課程學習奠定基礎，提升應用型人才培養質量，實現新時代高質量創新型人才培養目標。

1 設計性實驗探討

在傳統實踐教學模式大多開展驗證型、演示型實驗內容，老師講解，學生按照實驗教材中目的、原理、步驟等完成操作，教師和學生都能相對較容易完成教學、學習的任務。但是對于學生來說其中少了獨立思考的鍛煉，教師在實驗教學過程中水平也不能得到很好的提高。為更好實現學生在培養過程中實踐能力全方位鍛煉，提高學生動手能力、獨立思考能力、團隊協作能力以及分析解決問題能力，培養學生樹立實事求是的科學精神和勇于開拓的創新意識，嘗試開設設計性綜合型實驗課程[3]。同時，設計性實驗對于指導教師的整體素質也有一定程度的要求，教師必須及時更新完善教學內容，促使教學內容具備時效性。比如針對新能源、新材料及“雙碳”目標等新興領域的研究內容和方法，教師在開展前沿科研項目的同時可利用科研反哺教學，不斷對實驗教學活動進行改革和創新，促使學生能夠了解最新的前沿研動態和研究熱點，激發學生的探究興趣，增加專業認知度和行業領域自信心。

基于我?；瘜W工程與工藝等工科學生學情，遵循培養計劃，實驗模塊按照由淺入深的原則，由易到難的次序，通常在第一學期/第二學期進行無機化學實驗/無機及分析化學實驗，在此基礎之上第三學期/第四學期開始有機化學實驗。我校有機化學實驗教學內容中涉及茶葉中咖啡因的提取，在實驗中所用原料茶葉來源于日常生活中能夠激發興趣、拓展思維，同時可以融入課程思政元素，中國茶文化博大精深，弘揚民族自信和文化自信。因而，嘗試開展從天然產物茶葉中咖啡因提取及檢測的設計性實驗[4]。設計性實驗的開設改變傳統以“老師講-學生做”為主的灌輸式教學，形成新的“學生查閱-學生動手”實踐模式。讓學生成為教學的主體，讓其樂于學習、善于思考、勤于動手、敢于質疑，聯系課堂內外，理論和實踐結合，充分發揮教師主導與學生主體的教學形式。從而進一步加強鍛煉學生查閱資料、觀察分析、團隊協作、操作技能等方面能力，進而提升學生的綜合實踐能力，以滿足工科院校培養應用型人才的特點。設計性實驗的實施有助于調動學生學習的主動性、積極性和創造性，為新時代創新人才的培養提供有效支撐[5-6]。

2 天然產物茶葉中提取咖啡因

設計性實驗茶葉中咖啡因提取及檢測，指導老師布置任務、學生分組、分工明確。①如做實驗前，需要提前查找相關文獻資料，查找實驗有幾種方法、都用到什么試劑、哪些儀器等。小組分工合作討論對比各種實驗方法的優點與不足，結合目前實驗室現有條件，哪一種實驗方法容易開展，最終確定實驗實施方案。實驗方案確定后，擬寫預習實驗內容，包括實驗目的、原理、儀器、試劑、實驗裝置、步驟、實驗注意事項及可能發生的實驗事故（“知己知彼”）；②實驗中，要及時觀察實驗過程，準確記錄實驗現象，善于觀察、勤于思考，專心致志地做實驗，養成良好的實驗習慣（“有的放矢”）；③實驗后寫實驗報告，實驗報告是對實驗內容的過程分析、現象討論及總結反思，端正嚴謹科學態度、實事求是精神的重要途徑，并且報告的呈現將直接反映出學生的學習態度和實驗水平（“精益求精”）。

天然產物茶葉中提取咖啡因設計性實驗，首先需要理清實驗思路，茶葉萃取-固液分離-品質檢測；其次明確實驗中茶葉提取咖啡因主要原理，基于前期對于有機物化合物的分離和提純的理論知識和實驗操作，涉及有機化學實驗中常用的萃取，需要理解萃取過程的基本原理，包括液-液萃取和固-液萃取的基本操作，并且要能夠掌握其在有機物研究中的應用。如在實驗中采用索氏提取法，了解索氏提取器（脂肪提取器）的基本結構、作用原理，強調索氏提取器的使用操作和注意事項。索氏提取器由提取瓶、提取管和冷凝器組成，使用過程中三種儀器各部分磨口處緊密連接，利用溶劑的回流和虹吸原理，使固體物質反復、多次被純的熱溶劑所萃取。脂肪提取器的使用可以大大減少溶劑的用量，以及可縮短提取時間，從而提高萃取效率。具體實驗步驟過程根據實際操作，可參考如下實驗流程圖（圖1）。實驗按照“回流虹吸—蒸餾濃縮—加熱焙燒—凝華析出—品質檢驗”的總體思路進行，時刻注意觀察實驗現象，及時調整步驟，做出高效率、高純度的咖啡因樣品。

圖1 茶葉中咖啡因的提取及檢測實驗思路流程圖

3 產品檢測可視化

關于提取物質咖啡因的品質檢測，以往實驗教學過程檢測部開展較少，為了充分了解提取物的性質結構，使其能夠達到實驗室可視化鑒別，讓學生查閱圖書、文獻資料給出實驗方法。結合實驗室現有條件，學生可選擇以下檢測和鑒定方式，讓學生真切體驗感知產品的理化性質。

1）熔點測定。聯系前期實驗中關于“粗苯甲酸的提取及熔點測定實驗”，借助熔點儀設備測定熔點，根據測試熔點來判斷化合物（咖啡因的熔點：235 ～238 ℃）。通過熔點測試再次加深學生對于熔點儀的使用及制樣測試中的注意事項等方面印象。（“溫故知新”）

2）紅外分析。借助于紅外光譜表征，將收集的晶體樣品與干燥的溴化鉀壓片制樣進行紅外光譜測試。結合相應的轉動峰、振動峰，分析其中多種基團信息，從而推斷化合物結構，并與文獻圖書資料對比探討。結構與性質息息相關，通過對咖啡因的紅外光譜分子結構分析，可以對其化學性質進行了解和研究。在樣品進行紅外光譜測試中，促使學生掌握紅外測試的原理、方法及操作，加深課本上光譜章節理論知識點紅外光譜在實踐中延伸應用（“學以致用”）。

3）顯色反應鑒定。取少量物質樣品于蒸發皿中，加入10滴2 mol/L 的鹽酸，再加入少量的氯酸鉀，在加熱套下加熱蒸干，冷卻后向其中剩余“殘渣”滴加數滴氨水，“殘渣”變為紫色即生成四甲基紫脲酸銨，之后再滴加氫氧化鈉溶液時紫色消失，可以判斷此物質為咖啡因（“冰消瓦解”）。其中利用到紫脲酸銨反應，是黃嘌呤類生物堿的特色鑒別反應。

4）顏色沉淀判斷。取少量樣品于試管中，向其加入1 mL 的5% H2SO4溶液，震蕩溶解。取0.5 mL 溶解液滴加3-5滴碘化鉍鉀溶液，若將有橘黃色沉淀生成，則說明有咖啡因的存在（“滴水成冰”）。碘化鉍鉀作為強氧化劑，可以與生物堿中含有的氮雜環化合物發生氧化還原反應，其中碘離子被還原為碘化物離子，同時生物堿中的含氮雜環化合物被氧化成相應的氮氧化物。通過反應產生的沉淀物不同顏色來檢測生物堿。

5）沉淀反應鑒別。將化合物的飽和水溶液中滴加碘試液和稀鹽酸，則會出現紅棕色沉淀，接著再倒入過量的氫氧化鈉溶液，沉淀發生溶解，那么可以判定化合物為咖啡因（“過眼云煙”）。具體相關方程式如下：

結合簡單的儀器表征、反應測試，根據顯色、沉淀鑒定和結構表征結果，“眼見為實”讓學生們真真切切地體會到實驗提取物的存在狀態、結構形式及性質。以直觀呈現的方式幫助學生理解抽象微觀的理論知識，樹立可視化實驗教學與傳統教學活動相結合的新時代教育特色[7]。

實驗結束后進行實驗報告書寫，按照設計性實驗的思路，從實驗名稱、目的、原理、試劑與儀器、步驟、實驗過程與現象、分析討論與解釋、結論及實驗反思等內容逐條書寫。實驗報告的呈現將直接反映出學生在實驗前期準備、實驗過程中觀察、實驗后總結的動手能力、分析解決問題能力及學習態度情況。實驗報告的準確性、規范性撰寫也將為后續專業實踐課程報告、畢業設計論文以及將來科研論文打下堅實基礎，并且有助于今后職業發展積累。

4 結語

通過“實驗前—實驗中—實驗后”連貫操作執行，緊密銜接的過程，整體思維讓學生們完整的參與實驗開始前的準備、資料文獻查閱，實驗過程中觀察、討論，小組團隊協作、實驗產物的分析及結束后實驗報告的整理撰寫等，從而達到綜合型設計性實驗的教學目的。設計性實驗融入實踐教學過程中讓學生學有所想、學有所用、學有所得，使學生由被動學習轉變為自主探究，進一步加深由教科書里面的理性認識充分得到真真切切的可視化感官體驗，達到“知識—能力—素質”的教育目標，同時也為加強貫徹落實“學生中心、產出導向、持續改進”理念，推進實驗教學的高質量發展。此類設計性綜合實驗，通過增加實驗的趣味性，拓展學生的探究性思維，鍛煉個人實踐能力，逐步養成嚴謹治學的實驗思維習慣和創新能力意識，為今后學生的科學實驗、畢業設計做出鋪墊，更加有助于落實“新工科”創新型應用人才的培養目標實現。