본문내용
1. 카페인의 추출과 분리
1.1. 카페인의 개요
1.1.1. 카페인의 성질
카페인은 화학적 자극제이며 메틸크산틴(methylxanthines)이라고 불리는 알칼로이드(alkaloid)에 속한 화합물이다. 이 화합물의 화학식은 C8H10N4O2이다. 카페인은 커피나무의 씨앗, 차 나무의 잎, 카카오나무의 열매, 콜라 나무의 열매, 마테나무의 잎에서 초임계 추출한 후 분리, 정제하여 얻어진다.
카페인은 결정 상태로 존재하며 쓴맛을 가지고 있다. 물에 잘 녹지 않지만 뜨거운 물에는 잘 녹는다. 또한 알코올, 클로로포름, 에테르 등의 유기용매에도 잘 녹는다. 이러한 성질 때문에 카페인은 다양한 용도로 사용될 수 있다.
1.1.2. 카페인의 생리적 작용
카페인의 생리적 작용은 다음과 같다.
카페인은 중추신경계와 심혈관계, 그리고 호흡기계에 영향을 미치는 대표적인 중추신경 흥분제이다. 카페인은 아데노신 수용체에 작용하여 아데노신의 억제 작용을 차단함으로써 중추신경계를 자극하여 각성 효과를 나타낸다. 특히 뇌의 대뇌피질과 척수에 작용하여 소뇌와 뇌간의 억제 작용을 해제함으로써 운동 신경을 자극한다. 또한 카페인은 교감신경을 자극하여 심장박동수와 혈압을 높이고, 말초혈관을 수축시켜 전신의 혈관을 조절한다. 이에 따라 심근의 수축력이 증가하고 말초혈관이 확장되어 전신으로의 혈액 공급이 원활해진다. 아울러 카페인은 호흡 중추를 자극하여 호흡 운동을 활발하게 하고, 한편으로는 이뇨 작용을 유발한다.
이와 같이 카페인은 중추신경계, 심혈관계, 호흡기계 등에 영향을 미치며, 이러한 작용들이 피로회복, 졸음 억제, 기분 고양 등의 효과로 나타난다. 그러나 과다 섭취 시에는 불안, 초조, 불면증, 심계항진, 구토 등의 부작용이 발생할 수 있다.
1.2. 혼합물 분리 방법
1.2.1. 증류법
증류법은 액체상태의 혼합물에서 고체를 분리하는 방법이다. 이 때 액체를 버릴 경우 증발 접시에 넣고 가열하고, 액체를 모을 경우에는 플라스크에 리비히 냉각기를 연결하여 모을 수 있다.
예를 들어 흙탕물에서 물과 흙을 분리할 때 증류법을 사용할 수 있다. 흙탕물을 가열하면 물이 증발하여 기화되고, 이를 냉각하여 액체로 응축시키면 물을 얻을 수 있다. 반면 흙과 같은 고체 성분은 증발하지 않고 남게 된다. 따라서 증류법은 액체와 고체가 혼합되어 있는 혼합물에서 액체 성분을 분리하는데 유용하게 사용된다.
이처럼 증류법은 끓는점의 차이를 이용하여 혼합물을 분리하는 방법이다. 이를 통해 순수한 성분을 얻을 수 있으며, 원유에서 가솔린, 등유, 경유, 중유 등을 분리하는데에도 널리 사용된다.
1.2.2. 분별 증류법
분별 증류법은 두 종류 이상의 액체가 균일하게 섞여 있을 때 각 액체의 끓는점 차이를 이용하여 분리하는 법이다. 끓는점이 낮은 액체부터 차례로 증류하여 얻을 수 있다. 이와 같은 방법으로는 원유에서 끓는점 차이에 의하여 가솔린, 등유, 경유, 중유 등을 분리할 수 있다. 증류법과 비교하여 끓는점 차이가 크지 않는 액체 혼합물을 순수한 액체로 분리할 수 있다.
1.2.3. 거름법
거름법(여과)은 흙탕물에서 물과 흙을 분리할 때처럼 물에 녹지 않는 고체를 체나 거름 종이로 거르는 방법이다. 이는 액체와 고체의 혼합물에서 고체를 분리해내는데 사용된다.
고체와 액체가 섞여있는 혼합물에서 고체 성분을 분리하기 위해서는 고체가 액체에 녹지 않는 성질을 이용한다. 고체 입자를 거름종이나 체를 이용하여 걸러내면 액체는 통과하지만 고체 입자는 걸러지게 된다. 이를 통해 고체와 액체를 분리할 수 있다.
거름법은 단순하고 효과적인 방법으로, 실험실에서 널리 사용되는 혼합물 분리 기술이다. 물과 모래나 황산화철과 같은 고체 혼합물을 분리할 때나, 침전물을 여과할 때 등에 활용된다. 또한 거름기술은 공업적으로도 중요하게 사용되는데, 셀룰로오스 섬유로 만든 필터 페이퍼를 이용하여 화학 공정의 부산물을 분리하는 등의 예가 있다.
1.2.4. 분별 결정법
분별 결정법은 고체 혼합물을 물과 같은 용매에서의 용해도 차이를 이용하여 고체를 정제할 때 사용되는 방법이다. 이 방법은 흔히 재결정법이라고도 불린다.
고체 혼합물을 물과 같은 적절한 용매에 녹인 후 용액을 천천히 증발시키면 각 성분들의 용해도 차이로 인해 용액 내에서 고체 결정들이 순차적으로 침전된다. 이 때 용해도가 낮은 성분들이 먼저 결정화되어 침전되고, 용해도가 큰 성분들이 나중에 결정화되어 침전된다. 이렇게 분리된 고체 결정들을 여과하여 각각 정제할 수 있다.
이 방법은 비교적 순수한 고체 시료를 얻을 수 있어 광물, 유기화합물 등의 정제에 널리 이용된다. 또한 결정형태, 결정크기, 결정습성 등을 조절하여 목적에 맞는 시료를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
예를 들어, 황과 모래의 혼합물에서 황만을 추출하거나, 설탕과 모래의 혼합물에서 설탕만을 추출할 때 분별 결정법을 이용할 수 있다.
1.2.5. 분별 용해법
분별 용해법은 고체 혼합물에서 한 종류만 용해되는 적당한 용매로 녹여낸 후 거르는 방법이다. 예를 들면 모래와 황의 혼합물에서 아황탄소를 용매로 사용하면 황만 녹이므로 모래와 분리되며, 모래와 설탕의 혼합물은 물에 녹이면 설탕만 녹아서 서로 분리된다. 이처럼 분별 용해법은 고체 혼합물에서 특정 성분을 선택적으로 용해시켜 분리하는 방법이다. 이렇게 분별 용해된 성분은 여과 등의 방법을 통해 다른 고체 성분과 분리할 수 있다. 분별 용해법은 단순 용해도 차이를 이용하여 혼합물의 성분들을 분리할 수 있는 장점이 있다.
1.2.6. 승화법
승화법은 승화성(고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 성질)이 있는 고체가 섞여 있는 고체...
