咖啡碱是茶叶生物碱的主要组成部分，由于在食品、医药行业的广泛应用，其提取方法研究比较多。从茶叶中提取咖啡碱的方法主要有溶剂萃取法、升华法、离子沉淀法、柱层析法、超声波提取法和超临界萃取法等 。
超临界 CO2 萃取法
超临界流体萃取技术（ Supercritical Fluid Extraction，SFE），是近 20 年发展起来的分离方法，具有对有机物溶解度大、传质速率高、操作条件温和等优点，由于 CO2的临界值低，安全且方便，用超临界 CO2流体作为萃取溶剂更显优势。超临界CO2萃取法在茶叶深加工中的应用，始于脱除成品茶中的咖啡碱。Vitzthum 和 Hubert 采用超临界 CO2处理茶叶，使茶叶中咖啡碱含量由原来的 3%降低到0.07%。用超临界萃取技术分离提取茶叶中的咖啡碱，再用CH2Cl2萃取分离，得到纯度为 95.16%的咖啡碱，萃取率和得率分别为 16.85%、0.55% 。超临界 CO2萃取工艺选择性强、效率高、产品质量好、得率高，但生产成本较高，难以为生产厂家所接受，尚处于实验室研究阶段，可以通过综合提取茶叶同时获得茶多酚和咖啡碱两种药用材料来降低成本。
吸附法
常用吸附剂有氧化铝、硅藻土、活性碳或 XAD2 大孔吸附树脂等。由于存在茶多酚污染树脂导致再生较困难等未能解决的问题，离子交换树脂分离茶叶中的咖啡碱至今在实际生产中未能发挥作用。为了使洗脱剂能浸润到树脂内部并置换出咖啡碱，常采用与水混溶的氨-乙醇或 NaOH-乙醇等洗脱剂洗脱部分水溶性杂质，还需要用有机溶剂萃取纯化，工艺繁琐重复。日本学者用 20 mL 乌龙茶汁通过填充有 30 g硅藻土的吸附柱，然后用 150 mL 二氯甲烷洗脱，可将柱中99.8%的咖啡因洗脱。活性碳常被用作咖啡碱的捕集剂使用，在使用 CO2 气提法脱除植物中的咖啡因时，常被用作吸附 CO2 中咖啡因的吸附剂。
升华法
利用咖啡碱可在 235℃～238℃大量升华的性质设计出各种升华装置来提取咖啡碱。陈友仁等设计了新的咖啡因提取装置，该装置是一种直接从茶叶中升华制备咖啡碱的方法。升华罐与冷凝罐直接连接，升华罐底部用远红外加热炉加热，冷却分离罐由分离罐体、收集网、环形集水槽、水冷却夹套进出水管、烟道和搅拌驱轴组成。该装置不仅可以完成从茶中提取咖啡因的加热升华，而且能直接将升华物冷却，分离出咖啡因结晶，提取时间短，产量高，纯度好。该装置提高了咖啡因的提取率，避免了污染。Ramaswamy 采用静电沉淀法回收粗咖啡碱经浓缩、结晶纯化得纯咖啡因。毛小源对结晶箱进行了改进。利用升华法可以得到药用级的咖啡碱，但由于升华的咖啡碱定向定位富集困难，收集时损耗较大，提取率也比较低，在生产中已渐渐被淘汰。
溶剂法
在咖啡碱的生产中应用比较普遍，产品得率较之升华法来得高。这种方法常在茶多酚的工业生产工艺中配合使用。目前国内使用最广泛的方法是有机溶剂萃取法。其方法主要有两种：第一种是先用热水抽体茶叶，再用氯仿等有机溶剂萃取，浓缩有机相，使咖啡碱得以纯化结晶。成锦遥等将茶叶放入浸提塔中加水蒸煮 2 h，通过沉淀池沉淀过滤、离心分离出提取液，进入清液池，蒸发浓缩至 40%～60%，并按 3∶1～6∶1 的比例加入氯仿或二氯甲烷，混合均匀后送入萃取塔中萃取，萃取液在 0℃～4℃下静置 30 min～60 min,然后蒸馏、回收溶剂，罐中粗咖啡因取出后置≤100℃下恒温 60 min～70 min,最后放入升华罐中升华，即得纯咖啡因。第二种是加石灰水和碱使茶叶变性，然后用氯仿等卤代碳氢化合物提取，蒸去溶剂后用热水抽提、纯化、结晶获得产品。上述这两种方法具有简便易操作、成本低廉、产量高等特点。但是由于二氯甲烷或三氯甲烷的使用与残留而影响产品质量，同时如果用 MgO 或 CaO 等碱水浸润茶叶，有机溶剂不易进去，需要多次重复提取，不仅有机溶剂消耗大，效率也比较低。
微波辐射法
张燕瑜、林曼斌等利用微波辐射法提取茶叶中的咖啡碱，在 250ml 锥形瓶中放入粉末状干茶样 10.0g，加入一定量、一定配比的 98%乙醇和水的混合液，置于火力级设为“高”的微波炉中，辐射至一定时间后取出抽滤，滤液用水浴蒸除乙醇，残余液倒入蒸发皿加生石灰搅拌成浆状，在蒸汽浴上蒸干成粉状，分 3 次装入干燥且洁净的坩埚中用大火加热，冷却后进行提取[5]。该法操作简便、节能省时、提取率高、产品纯度高。
萃取升华综合法
萃取法和升华法都存在着有待进一步提高和完善的环节，因此，煤炭科学合肥研究所吸取了二者的长处，将二者有机结合，开发了一种新工艺，该工艺重要流程为：茶叶→预处理→升华→杂质处理→升华→无水咖啡因。
其他制备方法
张效林等选用 PA 树脂和 XDA 大孔吸附树脂二级吸附法生产茶多酚和咖啡碱，该法避免使用有毒溶剂，无外添加物质，工艺简单易操作、耗能低、污染少、选择性高等特点。周志等以中、低档绿茶为原料，采用微波水提结合乙酸乙酯萃取应用于茶叶咖啡碱的提取，该工艺短时、高效、无毒、产品纯度高。
