음료 속 카페인 추출 및 확인

🧪 실험 목표

  음료수에서 카페인을 추출하고 TLC(Thin Layer Chromatography)를 통해 성분을 확인할 수 있다.

 

🧪 실험 이론

 

✔ 카페인(Caffeine)

  카페인은 알칼로이드 화합물로 차나 커피 등에 많이 함유되어 있다. 화학식은 C₈H₁₀N₄O₂이며 3개의 메틸기를 가진 크산틴 구조로, 브라질의 커피콩에 1 ~ 1.5%, 동양의 찻잎에 1 ~ 5%, 열대 아프리카 콜라 열매에 3%가 존재하는 흥분성 물질이다. 견사 광택이 나는 무색, 무취의 흰 바늘모양 결정인 침상구조이고, 뜨거운 물과 알코올에 약간 녹으며 쓴맛이 있다. 카페인은 강심제, 중추신경 자극제, 이뇨제 등에 들어가 약효를 나타낸다. 그러나 다량의 카페인을 섭취하면 내성 및 습관성이 생기므로 카페인에 들어 있는 차를 하루 5잔 이상 마시면, 카페인이 체내에서 독극물로 작용하여 무기력감, 두통, 메스꺼움을 느낄 수 있다. 녹차 등에서 뜨거운 물로 추출하여 탄닌 등 불순물을 제거하고 분리할 수 있다. 차나 커피에서 추출하는 것이 외에 합성으로 생산한다.

 

✔ 염석 효과

  수용액 층에 염을 넣어주면 수용액에 녹아있는 유기물이 유기 용매 층으로 더 많이 옮아가는 현상이다. 예를 들면, 비눗물에 다량의 식염을 가하면 비누가 석출되고, 단백질 수용액에 황산암모늄을 가하면 단백질이 침전한다. 또, 식염 수용액에 염화수소 기체를 통과시키면 염화나트륨이 석출되고 알코올 수용액에 탄산칼륨을 가하면 알코올이 분리되는 현상도 넓은 뜻에서 염석이라고 한다.

 

🧪 실험 준비물

  카페인 음료, 염화메틸렌(CH₂Cl₂), 무수 황산나트륨(Na₂SO₄), 카페인 표준용액(0.2g/5mL,CH₂Cl₂), 에틸아세테이트(CH₃COOC₂H₅), 분별깔때기, 피펫, 삼각플라스크, 비커, 실리카판(TLC용), 모세관(TLC용), TLC통, UV램프

 

🧪 실험 방법

1. 카페인의 분리

  가. 카페인 음료 25mL를 피펫을 이용해 분별 깔때기로 옮긴다.

  나. 분별 깔때기에 25mL 염화메틸렌을 넣고 뚜껑을 닫은 후 두 손으로 잘 잡고 뒤집어 흔들어 준다. 두 번 흔들고 콕을 열

       어 기체를 방출시키며 흔들어 주는 과정을 3회 정도 실시한다.

  다. 분별 깔때기를 스탠드에 세워 두 층을 분리시킨 후, 아래의 염화메틸렌 층을 삼각플라스크에 모은다.

  라. 분별 깔때기에 남은 수용액 층에 25mL의 염화메틸렌을 새로 넣고, 나 ~ 다를 다시 실시하여, 총 3회의 추출이 진행되

       도록 한다.

염화메틸렌층은 아래쪽이다. 에멀젼(emulsion)층을 줄이려면 증류수에 염을 탄 용액을 소량 넣어주어 극성차이를 크게 만든다.

  마. 삼각플라스크에 모아진 염화메틸렌 용액에 무수 황산나트륨 2수저 정도 넣고 10분동안 방치한다. 이때 황산나트륨

        이 녹은 듯 뭉쳐 있으면 더 넣어준다.

수분이 남아있다면 덩어리 진다.

  바. 삼각플라스크에 모아진 염화메틸렌 용액의 맑은 윗부분만 비커에 옮긴다.

 

2. 분리된 카페인의 성분 분석

  가. TLC(thin-layer chromatography)를 전개시킬 통에 전개 용매 에틸아세테이트를 7mm 높이가 되도록 담고, 증기가 포화 상태

        에 도달하도록 방치한다.

  나. TLC판에 연필로 그림과 같이 실리카 젤이 긁히지 않도록 살짝만 표시한다.

  다. 모세관을 이용하여 TLC판의 한 점에는 카페인 표준용액으로 두세 번 점을 찍는다.

  라. 다른 한 점에는 실험을 통해 얻은 카페인을 두세 번 점을 찍는다.

  마. TLC판을 전개액이 들어 있는 통에 넣고 윗선까지 이동상이 닿으면 TLC판을 꺼낸다.

  바. TLC판의 용매를 말린 다음, UV 램프로 분리된 점을 관찰한다.

TLC판은 벽에 붙지 않도록 한다.

 

🧪 실험 결과 및 분석

📌 카페인 음료에서 카페인을 분리하는 원리를 설명하시오.

  용매에 따른 용해도 차이를 이용해 카페인을 추출하였다. 카페인의 용해도는 25 ℃ 물(H₂O) 100 mL 당 2.18 g, 25 ℃ 염화메틸렌(CH₂Cl₂) 100 mL 당 18.2 으로 물에 비해 염화메틸렌에 카페인이 잘 녹는다는 것일 알 수 있다. 카페인은 약한 극성을 가진 물질로 매우 큰 극성을 가지는 물보다 약한 극성을 가진 염화메틸렌에 더 쉽게 용해된다. 물과 염화메틸렌은 극성차이로 층 분리가 일어나고 물(1 g/mL) 보다 밀도가 큰 염화메틸렌(1.3266 g/mL, 20℃)이 아래층에 형성되기 때문에 용매 추출법을 이용해 추출할 수 있다.

 

📌 카페인 추출 용액에 무수 황산나트륨을 넣는 이유를 설명하시오.

    무수 황산나트륨은 수분을 함유하는 유기화합물의 용액을 탈수 건조하는데 많이 사용되는 물질로 추출한 염화메틸렌 용액 속 미량의 수분을 제거하기 위해 넣어준다. 용액 속 수분이 남아있다면 뭉쳐있으며 수분이 제거되면 가루형태로 풀어진다.

 

📌 시약용 카페인과 실험으로 얻은 카페인의 크로마토그래피 결과를 분석하시오.

동일한 위치에 카페인의 스팟이 나타난다.

    순수한 카페인 용액 TLC와 추출한 카페인 용액 TLC를 비교하였을 때, 동일한 위치에 스팟이 나타나는 것을 확인했다. 즉 추출액에는 카페인이 포함되어 있다는 점을 알 수 있다. 추출액 TLC 위쪽에 나타나는 스팟은 카페인과 함께 추출된 불순물이다.(카페인보다 극성이 높은것으로 보아, 향료와 식품첨가물 일것으로 예상한다.)