Çaydan Kafein Ekstraksiyonu Deney Raporu

kafein

 

 

 

 

 

 

 

 

DENEYİN AMACI:

Çayda bulunan kafeinin sudaki çözünürlüğünden yararlanarak çayda bulunan saf kafeini elde etmek.

 

DENEYİN TEORİSİ:

Çayın aranan bir içecek olmasının bir önemli nedeni de içerdiği alkoloid maddeleridir. Alkoloid madde olarak bilinen kafein, teobromin ve teofilin pürün türevleridir. Pürin ise nükleproteinlerin en önemli yapı taşıdır.

Çay yapraklarından izole edilen arı kafein (C8H10N4O2), tadı acı kristal halde bir maddedir. Çizelgeden görüleceği gibi yaprak yaşı ile  ilgili olarak çay yaprağının kafein kapsamı azalmaktadır.

Çay Bitkisinin Değişik Yapraklarında Bulunan Kafein Miktarları Kuru Maddede %:

 

 Yapraklar

1.Yaprak

2.Yaprak

3.Yaprak

4.Yaprak

5.Yaprak

Yaşlı Yaprak

Sap

 Kafein

3,39

4,20

3,40

2,10

1,70

0,79

0,36

Dünya çaylarında yapılan çeşitli araştırmalarda ise kafein kapsamları;
Hindistan çaylarında  %2,8 ‘ 4,0
Çin çaylarında  %2,9 ‘ 4,o
Türk çaylarında %3,1 ‘ 3,8 olarak değiştiği belirlenmiştir.

Siyah çayın işleme aşamalarından biri olan soldurma anında kafein miktarı artar. O nedenle kuru madde ilkesine göre siyah çayın kafein miktarı kuru madde miktarı yeşil çay yaprağının kafein miktarından daha yüksektir. Çay bitkisinde kafein nükleik asitlerin parçalanmaları sonucu oluşmakta  ve bu parçalanma soldurma aşamasında da sürüdüğü için siyah çayın kafein kapsamı artmaktadır.

Çayın insanlarda yorgunluk giderici, canlılık verici etkisi, içerdiği kafein ile yakından ilgilidir. Bugünkü bilgilerimize göre; bir bardak çayın kafein içeriği özdeş miktardaki kahvenin içeriğinden yaklaşık %50 daha azdır. Kuru çay %1-5 oranında kafein içerir.

Normal şekilde yapılan demleme ile çayda bulunan kafeinin yaklaşık %80’i deme geçer. Buna göre 5-6 bardak çay içen kimse ortalama 300 mg kafein alıyor demektir. Bu miktar İngiliz Eczacılık Kodeksi’nce kabul edilen (650 mg saf kafein) günlük dozun yarısından azdır. Ancak kafeinin özel fizikokimyasal durumu nedeniyle çay içildiği zaman vücudun kafin karşı direnci daha fazla olmakta, tolerans sınırı yükselmektedir. Kafein ve kafeinden oluşan metabolik maddeler de vücutta birikmeyip ifrazat yoluyla metil ürik asit şeklinde atılırlar.

Kafein beyindeki kılcal damarların önemli derecede genişlemesine neden olur, bu kan hareketinin hızlanmasına, insanların canlılık kazanmasına ve yorgunluklarının azalmasını sağlar. Mide salgılarını çoğaltır. Kafeinin olumsuz etkilerinin çayda olumlu etkilere dönüşmesi konusu gerçekten ilginçtir. Çay içersinde bulunan ve thearubigin adı verilen bileşikler kafein ile tepkimeye girerek mide üzerindeki olumsuz etkilerini önlemektedir.

Gölge koşullarında yetişen çay bitkisinde kafein kapsamı artmaktadır.

Çay atıklarından kafein üretilmesi günümüzde de üzerinde durulan ve tartışılan bir konudur. Çay atıklarında bulunan kafein miktarları yaklaşık %1-3 arasında değişmektedir. Koşullara uygun olarak hasat edilen çayda atık madde oranı ortalama %4 iken, ülkemizde ise bu oranın en iyimser bir tahminle %10 olduğu düşünülmektedir.

Ülkemizde kafein gereksinimi tümüyle dış alım yolu ile sağlanmaktadır ve kafein başta ilaç sanayinde olmak üzere soğuk içeceklerin üretiminde de kullanılmaktadır. Yıllık kafein dış alımımız 50 ton civarındadır.

TÜRKİYEDE KAFEİN ÜRETİMİ

İlaç ve meşrubat sanayinin önemli bir hammaddesi olan kafeinin başlıca doğal kaynağı kahve ve çaydır. Ülkemizin kafein ihtiyacı yurt dışından karşılanmaktadır. Doğu Karadeniz Bölgesinde üretilen çayın artıklarının değerlendirilmesi, iyi bir kafein kaynağı olarak düşünülmüş, Çay kurumu Genel müdürlüğü yaptığı çalışmalar sonucunda Rize’de bir kafein fabrikasının kurulması planlanmış ve ihalesi yapılmıştır. Bu fabrikanın üretime geçmesiyle yılda 75 ton kafein üretimi yapılabilecek ve Ülkemize önemli bir gelir sağlanmış olacaktır.

Kafein gıda ve ilaçların birçoğunda bulunan bir maddedir. Dünyada doğal olarak bir çok bitkide bulunmakla beraber, ticari olarak iki çeşit bitkiden üretilmektedir. Bu bitkilerden en önemlileri kahve ve çaydır. Dünya Kafein üretiminin %45’i  doğal kaynaklardan (dekafeinize kahve üretiminden ve çay atıklarından) geri kısmı ise sentetik yollardan elde edilmektedir. Dünya kafein tüketiminin %70’e ulaşan kısmı kolalı içeceklerde, geri kalan kısmı ilaç sanayinde kullanılmaktadır.

Ülkemiz kafein  ihtiyacının tamamı ithalatla karşılanmaktadır. Gerek ilaç sanayinin gelişmesi gerekse soğuk içeceklerin üretim ve tüketimindeki artışlarla ithal edilen kafein miktarı devamlı yükselme göstermektedir.

Çay atıklarındaki kafeini çıkaracak bir tesisin kurulması Ülkemiz ihtiyacı olan kafeinin tamamının öz kaynaklardan üretilerek kafein ithalatına gerek kalmayacağı düşünceleri uzun yıllardan beri tartışılmaktadır.

Türkiye de Kafein Tesisi Kurma Çalışmaları

Ülkemizde çay atıklarından kafein araştırılması 1960 yıllarına kadar gider. Çay Araştırma Enstitüsü elemanları özellikle çay sanayi ile ilgili yabancı yayınlardan elde ettikleri literatür bilgisi ile Türk çaylarında kafein miktarlarını araştırmışlardır. Enstitünün bu yıllardaki çalışmaları kafeinin çeşitli çay kısımlarında bulunma nisbetini tayin şeklindedir. Özellikle  Hindistan, Japonya gibi çay atıklarından ticari olarak kafein üreten ülkelerden bilgi alışverişi yapılmış ve kafein üretimi tesisinin Türkiye’de kurulması için ön fizibilite çalışmaları bir Hindistan firması ile yapılmıştır. Çalışmalar bu safhada kalmış ve konunun üzerinde ileriki yıllarda ilgilenilmemiştir. Birçok üniversite ve fakülteler çayda kafeinin belirlenmesi araştırmalarında bulunmuşlar, fakat bu girişimler ticari olarak çay atıklarından kafein üretimini amaçlamamıştır.

1974-1975 yıllarında Hacettepe Üniversitesi Farmakoloji Bölümünden Sezik, Türk çay atıklarının kafein yönünden ticari değerlendirilmesi için araştırmalı çalışmaya girmiş; proje Çay Kurumu ve Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumunca desteklenmiştir.

Proje sonucunda;
– Ülkemiz çay sanayisinde atıkların gerçek miktarının tam belirlenmiş olmadığı
– Endüstriyel kafein üretimi için plot tesisin kurulması
– Kafein tesisinin Çay-Kur Genel Müdürlüğü tarafından kurulması gerektiğini
– Kafein üretim tesisinin kurulması ile ilaç ve meşrubat sanayinin dışa bağımlılıktan kafein yönünden kurtulabileceğini belirtmiştir.

1979-1980 yılında Marmara Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Enstitüsü ile Çay Kurumu Genel Müdürlüğü arasında yapılan sözleşme ile çay atıklarından endüstriyel ölçekte kafein eldesini gerçekleştirmek üzere proje geliştirilmiştir.

Proje sonucunda;
Türkiye de sentetik veya kısmi  sentetik kafein üretimi, hammadde girdileri ithali nedeni ile ekonomik değildir. Çay tarım ve sanayi atıkları Türkiye ‘nin ihtiyacını karşılayacak kadar kafeine haiz olup ekonomik olarak üretebilir.

1982 yılında Çay Kurumu Genel Müdürlüğü çay atıklarından kafein imal edecek tesisin komple kurulması için uluslararası bir ihale açmıştır. Bir çok yerli ve 11 adet yabancı ülke firmasının katıldığı ihaleyi Alman Buckhau Walther firması kazanır. Bilahare üç kişilik bir heyet kafein tesislerinde inceleme yapıp DPT’ na rapor halinde sunar.

Son Durum

1982 yılındaki bu ihalede olduğu gibi kalmış, bir gelişme olmamıştır. 1992 yılında konu bir kez daha “Kafein + Doğal Gübre Üretimi Entegre Tesisleri” şeklinde masaya yatırılmıştı. Tek başına rantabil olmayan kafein tesislerinin kafein üretim atıklarının gübre olarak değerlendirilmesiyle ekonomik olacağı ifade edilmişse de hayata geçirilmemişti.
Doğal gübre üretimi entegreli  kafein tesislerinin, organik çay üretiminin düşünüldüğü bu periyotta konunun bir kez daha ele alınacağını ve sonuçlandırılacağını beklemek niye bir hayal olsun ki?

ÇAYDA BULUNAN ÇEŞİTLİ KİMYASAL VE BİYOKİMYASAL MADDELER 

1. Enzimler :

Yaşayan  her hücrede yüzlerce, binlerce kimyasal tepkime cereyan eder. Tepkimelerin düzenli bir şekilde sürmesi hücrede bulunan ve enzim adı verilen karmaşık bileşiklerin yardımıyla olur. Enzimler yaşayan hücrelerde oluşan katalizörlerdir.
Çay yaprağında bulunan enzimler:
· Polifenol oksidas enzimi : Çay yaprağında bulunan polifenol oksidas enzimi ( O-diphenol : O2 oksidoredüktas) siyah çay işlemede en önemli görev yapar. Bu enzimin aktivatör olarak bakır içerir. Enzim aktivitesi soldurma ve kıvırma esnasında artarken fermantasyon esnasında giderek azalmaktadır.
· Peroksidas enzimi : Siyah çay işleme esnasında artmaktadır.
· 5-Dehidroshikimat redüktas enzimi : Bu enzimin aktivitesi genç sürgünlerde daha fazladır. Polifenollerin biyosentezinde anahtar rol oynar.
· Fenilalanin amonyak liyas enzimi : Aktivitesi çay yaprağının çeşidine, yaşına ve gelişme dönemindeki gölgelenme durumuna göre değişir. Yaş yapraklarda ve gölgelenme aktiviteyi azaltır. Kateşin kapsamı ile aktivitesini olumlu yönde etkileyen bu enzim, polifenollerin sentezinde önemli rol oynar.
· Peptidas enzimi :  Altivitesi sürgün uçlarında saptanmıştır. Çay bitkisi çeşitlerine göre sürgün uçlarındaki  aktivitesi farklılık gösterir. Soldurma aşamasında proteinlerin amino asitlerine parçalanmasında görev yapmaktadır.
· Leusin – a – kettoglutarat transaminas enzimi : Çaya koku veren uçucu bileşiklerin biyosentezinde görev yapar.
· Klorofilas enzimi : Aktivitesi mevsime göre değişir. Aktivitesi çay yaprağının klorofil kapsamı ile ters orantılıdır. Bu olgu siyah çaya işleme anında fiofitinin fioforbide olan oranın belirlenmesinde de önmeli rol oynar.
· Pektin metilesteras enzimi : Pektinin dimetilizasyonu sonucunda pektik asit oluşturmakta ve pektik asit de oksijenin difüzyonunu engelleyerek ortamda oluşturduğu bir gel ile oksidasyon tepkimelerini olumsuz yönde etkilemektedir. Aktivitesi polifenoller gibi polifenollerin oksidasyon ürünleri tarafından da önemli ölçüde geriletilmektedir.
· Alkol Dehirogenas (ADH+) enzimi : Çayın aroma oluşumunda görev yapar. Yaş çay yaprağında cis-3-hexenal ile trans-2-hexenal”in dönüşümlerinde rol oynar.

2. Polifenoller :

Çaya işlemede bir seri kimyasal değişiklikler uğrayarak çayın özellik kazanmasında temel rolü oynarlar. Çay bitkisinde gallik asit ve kateşinin türevleri halinde bulunurlar. Gallik asitin en iyi bilinen türevlerinin tanenler olması nedeniyle çayda bulunan polifenollerin bir büyük bölümü uzun süre tanenler olarak sınıflandırılmıştır.  Çayda bulunan polifenollerin hiçbirinin tanen özeliğine sahip olmaması nedeniyle yanlış olarak yapılan bu sınıflandırma son yıllarda geçerliliğini kaybetmiştir. Yaşlı yaprağa doru gittikçe miktarları azalır. Bu yüzden çay üretimi için körpe çay yaprakları ile tomurcuk tercih edilir. Yeşil çay üretiminde polifenol oksidas enzimi Japonya’da yapıldığı gibi sıcak buharla Çin’de yapıldığı gibi sıcak hava ile parçalanarak flavonellerin oksitlenmesi engellenir.
Genç çay yaprağı ve tomurcukta bulunan polifenolik bileşikler:
· Flavoneller (Önceleri Kateşinler olarak isimlendirilmiştir) : Siyah çayın işlenmesi anında polifenol oksidaz enzimi ile oksitlenerek siyah çayın renk dahil çeşitli özelliklerini kazanmasına neden olur.
· Flavoneller ve flavonol glikozidler : Çay bitkisinde az miktarda bulunurlar. Siyah çay işleme esnasında kapsamları giderek azalır. Siyah çayda yeşil çay yaprağına göre %15-25 daha azdırlar.
· Flavonlar
· Asitler ve depsitler : Siyah çayda Aspartik asit, lösin, glutamik asit, fenilalanin, valin, alanin, serin, asparagin, tirozin, arginin, histidin, lisin, izolösin, treonin, gltamin, beta-alanin, alfa-aminobütürik asit, triptofan, prolin ve çaya özgü olan Theanin gibi amino asitlere rastlanmıştır.

3. Alkaloidler :

Çayın aranan bir içecek olmasının bir önemli  nedeni de içerdiği alkoloid maddelerdir. Alkoloid madde olarak bilinen kafein, teobromin ve teofilin pürin türevleridir.
· Kafein : Saf olarak (C8 H10 N4 O2) çay yapraklarında bulunup, tadı acı kristal halde bir maddedir. Yaşlı yaprağa doğru miktarı giderek azalır. Soldurma esnasında kafein miktarı artar. Çayın insanlarda yorgunluk giderici, canlılık verici etkisi, içerdiği kafein ile yakından ilgilidir. Bir bardak çayın kafein içeriği özdeş miktardaki kahvenin içeriğinden yaklaşık %50 daha azdır. Kuruçay %1-5 oranında kafein içerir.
Normal şekilde yapılan demleme ile çayda bulunan kafeinin yaklaşık %80’i deme geçer. Buna göre 5-6 bardak çay içen kimse ortalama 300 mg kafein alıyor demektir. Bu miktar İngiliz Eczacılık Kodeksi’nce kabul edilen (650 mg saf kafein) günlük dozun yarısından azdır. Ancak kafeinin özel fizikokimyasal durumu nedeniyle çay içildiği zaman vücudun kafin karşı direnci daha fazla olmakta, tolerans sınırı yükselmektedir. Kafein ve kafeinden oluşan metabolik maddeler de vücutta birikmeyip ifrazat yoluyla metil ürik asit şeklinde atılırlar.
Kafein beyindeki kılcal damarların önemli derecede genişlemesine neden olur, bu kan hareketinin hızlanmasına, insanların canlılık kazanmasına ve yorgunluklarını artmasına yol açar. Mide salgılarını çoğaltır. Kafeinin olumsuz etkilerinin çayda olumlu etkilere dönüşmesi konusu gerçekten ilginçtir. Çay içersinde bulunan ve thearubigin adı verilen bileikler kafein ile tepkimeye girerek mide üzereindeki olumsuz etkilerini önlemektedir.

4. Azotlu Bileşikler :

Bitkilerde ‘N’ kapsayan bileşiklerin başında proteinler gelir. Çay yapraklarında ‘N’ miktarı %4,5 civarında bulunur. %2,5’un altına düştüğünde şiddetli azot noksanlığı ortaya çıkar. Çay bitkisinde proteinler yapı taşı olarak önem taşırlar. Eğer çay bitkisi yüksek oranda protein içeriyorsa işleme sırasında protein ile polifenoller arasında tepkime sonucu suda çözünmeyen bileşikler oluşur. Bu durum siyah çayın niteliksiz olmasına neden olur. Buna karşın yeşil çay üretimine olumsuz etki yapmaz. Japonya’da çaylıklar gölgelik yerlerde kurulur, bu nedenle bitkide protein kapsamı yüksek, polifenol kapsamı düşük olur.
Çay bitkisinde tomurcuktan başlayarak aşağıya doğru inildikçe yapraklarda toplam protein kapsamı azalmaktadır. Bu arada vejetasyon başında sona nispeten önemli derecede yüksektir.

5. Karbonhidratlar :

Öteki  bitkiler gibi çay bitkisi de basit şekerlerden kompleks polisakkaritlere- selüloza ve hamselüloza- değin tüm şekerleri içerirler. Çay yapraklarında serbest glikoz, früktoz, sakkaroz, ve iki oligosakkarid ile glikozit bileşenleri olarak glikoz, ramnoz, galaktoz ve arabinoz bulunmaktadır.
Üretim sırasında sakkaroz miktarı azalır. Buna karşın siyah çayda glikoz ve früktoz gibi monosakkaritlerin miktarı artar. Kimyaca saf glikoz ya da früktoz çözeltilerinin yüksek sıcaklıkta ısıtılmalar durumunda karamel aroması verdiği bilinmektedir. Kurutma sırasında da özdeş bir koku hissedilir. O nedenle basit karbonhidratların çayın aromasına olumlu yönde etki yaptığı varsayılır.
Çay yaprağı yaşlandıkça lignin, hemiselüloz ve a’selüloz oranı artar. Her ne kadar bunlar çay suyuna geçmedikleri için olumsuz etkileri olmazsa da lif oluşturmaları nedeniyle kuruçaydan ayrılmaları gerekir, randımanı düşürür.
Pektik Maddeler : Çay yapraklarının işlenmesi sırasında görülen sıvı kısmın kıvamına, siyah çayın tat kazanmasına olumlu yönde etki yapar.  Soldurma süresinin uzunluğu ve derecesi pektik madde üzerine etki yapmaz. Buna karşın değişik çay bitkisi çeşitlerinde pektik madde miktarları da farklılık arz etmektedir.

6. Klorofil  ve Öteki Pigmentler :

Çay bitkisi karoten, ksantofil ve klorofil içerir. Yaz aylarına göre çay bitkisi, ilkbaharda daha fazla klorofile sahiptir. Yaşlı yaprakların klorofil kapsamları genç yapraklarınkine oranla yüksektir.
İşleme esnasında pigmentler önemli ölçüde azalır. Siyah çayda fazla miktarda klorofil bulunması halinde çayın rengi yeşil ve tadı otsu olur.
Karoten ve neoksantin miktarı soldurma esnasında azalırken lutein ve violeksantin miktarları artar.

7. Vitaminler :

Çayın fizyolojik etkinliği, büyük ölçüde çay bitkisinde ve çayda bulunan vitaminlerden ileri gelir. Çayda bulunan vitaminler şunlardır:
· Vitamin C: Çay yaprağında bulunan vitamin C miktarı, limon ya da portakal suyunda bulunandan 3-5 kat daha fazladır. İşleme esnasında siyah çayda C vitamini büyük ölçüde yok olur. Yeşil çay üretiminde ise göreceli olarak daha az kayıp olur.
· Vitamin B1 (Tiamin):
· Vitamin B2 (Riboflavin):
· Vitamin PP (Nikotinik Asit):
· Pantotenik Asit :

8. Uçucu Maddeler:

Tat ve koku (aroma) çayın niteliğini belirleyen öğeler arasında yer alır. Çayın kokusu üzerinde esensiyel yağlar temel öğe olarak kabul edilir. Çayın kokusu tek bir maddenin etkisi altında değil pek çok etmenin altında oluşmaktadır. Değişik kökenli  çayların farklı kokulara sahip olmalrına karşın uçucu madde miktarları birbirine çok yakındır.

DENEYİN YAPILIŞI :

500 mL’ lik bir erlcne 30 g çay, 300 mL su ve 15 g toz halinde CaCO3 ilave edilir. Erlen sık sık çalkalanarak ısıtılır ve 20 dakika hafifçe kaynatıldıktan sonra nuçeden süzülür. Nuçe üstündeki kati karışım temiz bir beher veya erlenin dip kısmıyla iyice bastırılarak bütün süzüntünün nuçe erlenine toplanması sağlanır.

Sulu ekstrakt (süzüntü) 15-20 °C ye kadar soğutulur ve bir ayırma hunisine alınır. 25 mL’ lik kısımlar halinde CHCl3 ile tic kez ekstrakte edilir. Kurutulan ekstrakt uygun büyüklükte bir destilasyon balonuna alınır ve ‘gerekli düzenek kurularak su banyosu üzerinde 10mL” lik hacme kadar destillenir. Bu sıcak ve derişik çözelti küçük bir behere aktarılır ve balon 5 mL kadar CHC1;, ile yıkanarak çözelti behere ilave edilir. (çeker ocakta ve su banyosu üzerinde kuruluğa kadar buharlaştırılır. Ele gecen ham ürün bir erlen içinde 10 mL kadar benzende su banyosu ile ısıtılarak çözülür ve 15-20 mL hekzan ilavesi ile kafein kristalleşmeye bırakılır. Oluşan kristaller küçük beherden süzülerek hekzan ile yıkanır. Kurutulur ve kuru cay miktarına göre verim hesaplanır.

YORUM VE SONUÇ:

Deney sonucunda elde edilen ürün saf kafein tayini yapmamıza izin vermedi .Çünkü ürünü içeren karışım ayırma hunisine alınınca faz ayırımı gerçekleşmedi .Bu olumsuz etkiyi meydana getiren işlemleri aşağıdaki gibi sıralayabiliriz :

1.Alınan CaCO3 çayda bulunan kafeinden başka maddelerin tutulması gerçekleşmemiş olmasından elde edilen üründe saf kafein tayinini olumsuz etkiledi.

2.Çalkalama ve ısıtma işlemleri sırasında kafein maximum çözünme sıcaklağına kadar ısıtılmamış olabilir. Böylelikle az miktarda çözünen kafeinin tam olarak faz ayırımı gözlenemedi.Ve oluşan çok az faz ayırımı tayin için yeterli bulunmadı .

3.Kloroform ile ekstraksiyon sırasında eğer tutuldu ise tutulan maddelerin uzaklaştırılamamış olmasından ve 1. etkeninde yardımıyla faz ayırımı gerçekleşemedi.

Yukarıdaki olabilecek hataların orak notası tam tutulamayan (tutulamayan ürünlerin sıcaklıkla kendi aralarında reaksiyon yada etkileşime girmiş olabilir) yan ürünler ve tutulan maddelerin uzaklaştırılamaması sonucu kafein eldesi gerçekleştirilemedi

Oluşan bir yada bir dizi hatalar sonucu saf kafein elde edilemedi. Fakat yaklaşık olarak kafein miktarının % 3.1-3.8 olması gerekir. Ve böylece 0,93g- 1.14g arsında saf kafein elde etmemiz gerekirdi.

 

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir