咖啡因生理功效、脫除技術及研究趨勢

薛 山

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

咖啡因（caffeine），又稱茶毒、馬黛因、瓜拉納因子、甲基可可堿，是一類黃嘌呤生物堿化合物。咖啡因是一種天然的殺蟲劑，存在于60余種植物的果實、葉片和種子中，如茶樹、咖啡樹、瓜拉納以及巴拉圭冬青等。純咖啡因無嗅，微苦，呈白色粉狀或無色至白色針狀結晶；水合物可在空氣中風化，80 ℃失去結晶水；大鼠經口LD50 為192mg／kg，一般被認為是安全的［1］。咖啡因是一種中樞神經興奮劑，可影響神經系統(tǒng)的活性，其在體內的代謝符合化學動力學一級反應，過程非常復雜。現(xiàn)如今，咖啡因已廣泛用于食品、醫(yī)藥和化工等領域，尤其是可樂型及含咖啡因的能量型飲料行業(yè)，但有關咖啡因的報道備受關注，也飽受爭議。

1 咖啡因的生理功效

1．1 正面生理功效

咖啡因可直接作用于人體的大腦皮層，對人類的生理系統(tǒng)有諸多有利的影響，對健康且未懷孕的成人是安全的［2］。

1．1．1 興奮神經，機能促進 咖啡因可興奮呼吸中樞以及血管運動中樞，是一種“機能增進劑”。咖啡因對神經系統(tǒng)的興奮作用被認為是通過拮抗中樞腺苷受體實現(xiàn)的，其作用原理是基于對中樞神經的刺激效應，使得細胞CAMP 含量升高，有利于兒茶酚胺的合成與釋放，從而對心血管系統(tǒng)產生正性調節(jié)作用。翟心慧等［3］采用細胞外電極引導法和離體心臟灌流法觀察咖啡因對中華大蟾蜍離體坐骨神經干及離體心臟的影響，結果證實咖啡因有興奮神經及強心作用。此外，咖啡因能夠使肌肉自由收縮，增加肌腱的力量，降低運動閥，增加身體靈活度，提高運動能力。研究［4］發(fā)現(xiàn)，咖啡因能夠提高運動成績，包括主觀的體力和耐力。

1．1．2 提升認知能力 咖啡因能夠引起“心理能量”的增加，具有提升認知的能力，即集中精力和解決問題。研究［5］顯示，咖啡因的功效受劑量影響十分明顯，對視覺注意力系統(tǒng)有著差異化的作用，而這種作用會影響腦區(qū)中的介導視覺注意力的咖啡因、腺苷和多巴胺的相互作用。測試［6］表明，200～400mg低劑量的咖啡因能夠提高個體警覺以及視覺注意力的控制能力，這個結果對咖啡因、腺苷和多巴胺理論上在大腦介導視覺區(qū)域的相互作用給與了啟示。此外，Barry等［7］探討了一個隨機雙盲單一口服咖啡因（80 mg）或安慰劑的交叉研究，結果表明咖啡因與生理和行為能力的激發(fā)有關，對注意力障礙綜合征等疾病很有幫助。

1．1．3 保護心腦血管 咖啡因可抑制環(huán)磷酸腺苷轉化為環(huán)磷酸鳥苷，從而擴張血管，增加管壁彈性，促進血液循環(huán)。有研究［8，9］證明，腦血流量與咖啡因的攝入量是成正比關系，且長期慢性的每日飲用咖啡與罹患中風的危險性呈顯著的反比。Barry等［10］研究認為咖啡因興奮的水平與增加的皮膚電導水平、增加的呼吸頻率以及α－功率的整體減弱有關，且未引起由咖啡因誘導的顯著的心血管興奮效應。

最新流行病學研究［11］證實，咖啡因逐年攝入量的增加減少了阿爾茨海默氏病的發(fā)病率。作為腺苷受體拮抗劑，咖啡因與阿爾茨海默氏病的發(fā)病率呈反比，且咖啡因能夠保護形成的神經細胞不受抗β－淀粉樣蛋白毒性的破壞，此效果由腺苷A2A 產生，而非模仿A1受體拮抗劑，這為阿爾茨海默病的預防提供了啟示。此外，Palacios等［12］報道咖啡因的攝入量與男性帕金森氏病發(fā)生率的下降有關，但其對于婦女的影響暫不太清楚，推測是受絕經后雌激素的影響。

1．1．4 支持早產嬰兒呼吸 咖啡因能夠敏感的刺激機體腦干呼吸中心，從而影響CO2的釋放。作為一種腺苷受體拮抗劑，它是臨床治療早產兒呼吸暫停常用的一種呼吸興奮劑。Davis等［13］證實了咖啡因能對早產嬰兒呼吸產生有利的影響。Montandon等［14］認為咖啡因治療新生兒呼吸的影響直到成年后可能會繼續(xù)存在，尤其是在預產期的咖啡因治療易改變嬰兒呼吸控制系統(tǒng)的神經調節(jié)，但對人類而言，咖啡因治療新生兒呼吸暫停目前是安全的。

1．1．5 利尿，減肥 咖啡因具有利竅除濕的功效，可促進腎臟機能，排出體內多余的鈉離子，提高排尿量（高達30%），改善腹脹水腫，有助于減重瘦身。咖啡因不僅能夠通過促進腎中尿液水的濾出率和刺激膀胱這兩條途徑來實現(xiàn)利尿作用；還可以提高肝臟對物質的代謝能力，增強血液循環(huán)，比如通過對腎臟的刺激作用使酒精由尿液迅速排出人體，從而達到解除酒精中毒的目的。此外，咖啡因能夠通過增加交感神經的活性提高人體消耗熱量的速率并刺激脂肪分解。研究［15］發(fā)現(xiàn)，當一個正常體重非運動的健康男性攝入僅50mg的咖啡因，其靜息能量消耗30min內顯著增加。

1．1．6 其它 咖啡因不僅常與解熱鎮(zhèn)痛藥品配伍，以增強其鎮(zhèn)痛的功效，還能夠刺激交感神經，促使胃腸分泌胃酸和蠕動激素，從而增進食欲，有助消化。咖啡因能夠促進交感神經且抑制副交感神經，避免副交感神經興奮而發(fā)作氣喘病。其內含單寧，可脫臭，消除蒜、肉味，且少量的咖啡因可使人精神振奮，心情愉快，緩解憂郁。飲用含咖啡因的茶或咖啡可以保護肝臟性能［16］，降低大腸癌患病風險［17］。此外，咖啡因能降低老鼠罹患類似人類多發(fā)性硬化癥疾病的概率，為多發(fā)性硬化癥的防治提供了新的思路。

1．2 負面生理功效

長期慢性或一次性大劑量（＞400 mg）攝取咖啡因會出現(xiàn)一系列的身體與心理的不良反應，比如興奮過度，神經過敏、焦躁、失眠、心悸、震顫、腦代謝紊亂等。

1．2．1 過度興奮 較大劑量的咖啡因能夠興奮下級中樞和骨髓。最近，有報道［18］稱，咖啡因能夠增加產生幻覺的傾向，警示了高水平咖啡因使用的安全性。Boeck等［19］研究指出長期慢性攝入咖啡因會導致兒童和青少年產生睡眠障礙和依賴成癮性；對嚙齒類動物而言，攝入的咖啡因可能會跟多巴胺類的精神興奮劑一樣產生生理交叉致敏作用。美國FDA 規(guī)定咖啡因的無作用劑量為40mg／（kg·d），該劑量比正常攝入劑量高出8～10倍，因此可以認為咖啡因對人類而言是安全的，即使過量其副作用是暫時的且可以恢復的。

1．2．2 致畸作用 咖啡因能夠迅速透過胎盤，使得孕鼠腭裂、趾或腳畸形、腦膜膨出、脊柱裂、無眼、無下頜、骨化不全、發(fā)育遲緩等畸變。潘曉靚等［20］研究表明，孕前和孕期咖啡因暴露可致小鼠受孕延遲、死胎、胎鼠宮內發(fā)育遲緩、FGR 發(fā)生率升高。Chen等［21］認為，咖啡因治療會導致肌纖維和運動神經元的缺陷，尤其是次運動神經元軸突的生長缺陷。雖然咖啡因在許多植物和食品中廣泛存在，但咖啡因對早期胚胎發(fā)育的致畸作用知之甚少。

1．2．3 其它 咖啡因不僅會抑制十二指腸對鈣質的吸收、增加尿中鈣的排出，還將促進胃酸的分泌，因此，持續(xù)高劑量的攝入會導致消化性潰瘍、糜爛性食道炎以及胃食管反流病。有研究［22］稱，哺乳期婦女的過量飲茶或飲用濃茶會致使咖啡因通過乳汁間接被嬰兒吸收，從而引起嬰兒呼吸加快和胃腸痙攣，同時，咖啡因能夠誘發(fā)孕婦妊娠中毒、新生兒殘疾以及更年期婦女的失眠、心跳過速和月經紊亂等癥狀；高劑量的攝入可使婦女在懷孕期間增加流產及相關獨立妊娠癥狀的風險［23］。Nardi等［24］研究認為咖啡因的攝入可能會增加兒童和青少年的焦慮和抑郁癥傾向以及成人的驚恐性障礙，即廣義的社會焦慮癥或社交焦慮癥。此外，由116 363名婦女參加的一項長達16年的前瞻性研究顯示［25］，日常消費400mg以上咖啡因對癲癇發(fā)病的風險并沒有影響；由健康專業(yè)人員追蹤調查3 497人罹患Ⅱ型糖尿病的研究［26］證實，習慣性咖啡消費與患心血管疾病的風險也并無關系。

2 脫除技術

2．1 超臨界CO2 萃取（SC－CO2）

SC－CO2技術是近年來發(fā)展起來的一項新型分離技術，其利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響作用選擇性的分離提純目標物質，具有高密度、低黏度的特性。目前研究較多的是SC－CO2（Tc 31．06℃、Pc 7．39MPa）萃取技術，其具有無毒、不易燃、價格低廉、最大程度保持原材料有效成分等優(yōu)點。Park等［27］運用SC－CO2法脫除綠茶中的咖啡因，并用響應面法進行了優(yōu)化，研究顯示，萃取壓力、溫度和夾帶劑乙醇的濃度都會對脫除率造成顯著影響，最佳脫 除 條 件 為3．0g 95% （V／V）乙 醇 夾 帶 劑／100g CO2，23 MPa，63 ℃，持續(xù)時間120 min／10g綠茶，經優(yōu)化咖啡因的脫除率可達96．60% （m／m）。Park等［28］還證實，夾帶劑對SC－CO2法脫除綠茶中咖啡因的效果有著較大的影響。在不同條件下，咖啡因的提取率不同，同時，值得注意的是，綠茶中的主要活性成分如兒茶素類的含量也隨之變化，其中夾帶劑的種類和含量對試驗的影響較大，當SC－CO2法的參數為95% （V／V）乙醇7．0g／100g CO2，70 ℃，持續(xù)時間120min時，綠茶中咖啡因的含量降低至原來的2．6%，但EGCG 的損耗仍高達37．8%。Kim 等［29］使用SC－CO2法選擇性地從綠茶中大量提取咖啡因，同時盡可能地維持綠茶中原有兒茶素的含量。通過對溫度、壓力、水分含量等試驗條件的探究，發(fā)現(xiàn)提取率的差異可能與咖啡因和兒茶素的溶解特性有關，經試驗證實，咖啡因／兒茶素與傳統(tǒng)夾帶劑水和有機夾帶劑乙醇的選擇性分別為0．88和0．24，因而，以水為夾帶劑的SC－CO2法提取綠茶中咖啡因更具選擇性。同時，有研究［30］顯示利用超臨界萃取技術對茶葉粉末中的咖啡因進行脫除時，茶葉粉末的顆粒越小，咖啡因的脫除率越高，且當CO2流量增加時，咖啡因和兒茶素的總提取率增加，單位質量CO2的提取效率下降，這可能是由于綠茶與SC－CO2接觸不均勻和作用時間縮短所引起的。此外，屠冰心等［31］研究了超臨界萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑濃度、夾帶劑用量4個因素對茶葉中咖啡因脫除率的影響，結果顯示：萃取壓力35 MPa、萃取溫度80 ℃、夾帶劑70%乙醇（與茶葉質量比為1．2∶l）時，脫除率最高（48．96%）。

2．2 微波增強真空冰水中提取法

微波輔助（MAE）提取即利用微波的激活作用，使得樣品基質內目標成分快速、高效的分配到溶劑中而被分離提取，其中萃取溶劑的選擇至關重要。微波增強真空冰水中提取法（MVIE）是在真空冰水條件下借用微波輔助萃取的一種先進技術。有研究［32］已證實，微波輔助萃取可應用于茶葉和可可中咖啡因的脫除。Lou等［33］研究證實，MVIE 能夠有效的選擇性的脫除綠茶中的咖啡因，當液料比10∶1（V ∶m），微波提取時間6 min，微波功率350 W，真空冰水提取2．5h時，咖啡因的脫除率可高達87．6%，且綠茶中總酚的損失率低，幾種兒茶素的含量也幾乎沒有改變，顯著優(yōu)于熱水提取等方法，具有在工業(yè)生產中推廣應用的巨大潛力。

2．3 高壓輔助萃取法

高壓輔助萃取是受相平衡、化學反應及分子結構轉化等共同作用的結果，其原理基于3個方面：①升壓時，溶劑快速滲入細胞內；②保壓時，有效成分充分溶解在溶劑中；③卸壓時，溶解了有效成分的溶液從細胞內釋放出來，從而達到分離純化的目的，常用于中藥中生物活性物質的提取。Xi等［34］研究了高壓輔助咖啡因脫除法在綠茶中的應用。試驗通過對比不同提取方法（在室溫下提取、超聲提取和加熱回流提取）和設定不同試驗參數：高靜水壓（100～600 MPa），溶劑（丙酮、甲醇、乙醇和水），乙醇濃度（0～100%，V／V），保壓時間（1～10min）和液固比（10∶1～25∶1，V∶m），最終確定當乙醇濃度50% （V／V），液固比為20∶1（V∶m），壓力500 MPa，保 壓 時 間1 min 時，脫 除 率 最 高，可 達（4．0±0．22）%。該方法提取率高、用時短，耗能低。

2．4 活性炭法

活性炭含有大量微孔和巨大的比表面積，其對茶多酚和咖啡因都有一定的吸附作用，且吸附速度不同［35］。王平等［36］探討了活性炭吸附脫除茶葉提取液中咖啡因的最佳工藝條件。結果表明，吸附時間2h，活性炭用量0．125g／mL，溫度40 ℃，質量濃度45g／L為活性炭吸附咖啡因的最佳工藝條件，茶多酚與咖啡因的質量比由原來的6．9增至64．8，且活性炭可以重復使用，在整個試驗過程中無需使用有機溶劑和昂貴的設備。此外，最新研究［37］報道，活性炭粒狀固定床法已成功應用于咖啡因的吸附與脫除。

2．5 其它

Belay等［38］用二氯甲烷提取咖啡豆中溶解于水的咖啡因，并用UV／VIS光譜儀測定了咖啡因的含量，該方法快速、簡便、且采用了高斯擬合技術，以消除測定中光譜可能的干擾。Broseus等［39］研究發(fā)現(xiàn)，臭氧劑能夠有效的脫除咖啡因，脫除率可高達80%，同時，咖啡因可作為衡量臭氧對農藥等有害物質干擾和清除情況的一個指標。此外，動態(tài)微波輔助萃取（DMAE）－在線檢測法選擇性強、靈敏度、回收率高［40］。高效連續(xù)色譜柱吸附提取法（CCE）設備簡單，溶劑消耗低，可用于高品質的茶葉提取物和生物活性化合物（如咖啡因）的定量分析和連續(xù)生產［41］。

3 脫除技術的發(fā)展趨勢

隨著科研的不斷進步，咖啡因的脫除與純化不僅拓寬了茶葉、咖啡等食品市場，廣泛應用于醫(yī)藥配伍、增效和標記，還成功推廣到了化妝、洗護及減肥類等化工產品的生產，引領了生活新的消費趨勢。目前，脫咖啡因的技術不僅有水脫除、溶劑萃取（如：氯甲烷、醋酸乙酯等）、離子沉淀、吸附分離等傳統(tǒng)方法，還有SC－CO2、酶法降解咖啡因和培育低咖啡因茶樹等新型的方法，其中，熱水快速脫除法的選擇性較弱，在咖啡因脫除過程中易導致其它風味成分的損失，溶劑法和離子交換法等只適于茶提取液中咖啡因的脫除，且僅能用于低咖啡因速溶茶和液體飲料的生產，而文章提到的SC－CO2、高壓、微波、活性炭、臭氧劑以及高效連續(xù)色譜柱吸附等先進的輔助技術更為便捷、靈敏、高效，是咖啡因脫除技術發(fā)展的新趨勢。總體而言，咖啡因脫除技術的研究與應用需要綜合考慮原料的性質、產品的類型以及環(huán)境對產品安全性影響等因素，在現(xiàn)有的研究基礎上，合理建立多種方法配用，力爭探索出既能保持傳統(tǒng)產品特色，又安全、環(huán)保、高效率、低成本、強可操作性的工藝技術。

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