咖啡因生理功效、脱除技术及研究趋势

薛 山

（西南大学食品科学学院，重庆 400715）

咖啡因（caffeine），又称茶毒、马黛因、瓜拉纳因子、甲基可可碱，是一类黄嘌呤生物碱化合物。咖啡因是一种天然的杀虫剂，存在于60余种植物的果实、叶片和种子中，如茶树、咖啡树、瓜拉纳以及巴拉圭冬青等。纯咖啡因无嗅，微苦，呈白色粉状或无色至白色针状结晶；水合物可在空气中风化，80 ℃失去结晶水；大鼠经口LD50 为192mg／kg，一般被认为是安全的［1］。咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，可影响神经系统的活性，其在体内的代谢符合化学动力学一级反应，过程非常复杂。现如今，咖啡因已广泛用于食品、医药和化工等领域，尤其是可乐型及含咖啡因的能量型饮料行业，但有关咖啡因的报道备受关注，也饱受争议。

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体的大脑皮层，对人类的生理系统有诸多有利的影响，对健康且未怀孕的成人是安全的［2］。

1．1．1 兴奋神经，机能促进 咖啡因可兴奋呼吸中枢以及血管运动中枢，是一种“机能增进剂”。咖啡因对神经系统的兴奋作用被认为是通过拮抗中枢腺苷受体实现的，其作用原理是基于对中枢神经的刺激效应，使得细胞CAMP 含量升高，有利于儿茶酚胺的合成与释放，从而对心血管系统产生正性调节作用。翟心慧等［3］采用细胞外电极引导法和离体心脏灌流法观察咖啡因对中华大蟾蜍离体坐骨神经干及离体心脏的影响，结果证实咖啡因有兴奋神经及强心作用。此外，咖啡因能够使肌肉自由收缩，增加肌腱的力量，降低运动阀，增加身体灵活度，提高运动能力。研究［4］发现，咖啡因能够提高运动成绩，包括主观的体力和耐力。

1．1．2 提升认知能力 咖啡因能够引起“心理能量”的增加，具有提升认知的能力，即集中精力和解决问题。研究［5］显示，咖啡因的功效受剂量影响十分明显，对视觉注意力系统有着差异化的作用，而这种作用会影响脑区中的介导视觉注意力的咖啡因、腺苷和多巴胺的相互作用。测试［6］表明，200～400mg低剂量的咖啡因能够提高个体警觉以及视觉注意力的控制能力，这个结果对咖啡因、腺苷和多巴胺理论上在大脑介导视觉区域的相互作用给与了启示。此外，Barry等［7］探讨了一个随机双盲单一口服咖啡因（80 mg）或安慰剂的交叉研究，结果表明咖啡因与生理和行为能力的激发有关，对注意力障碍综合征等疾病很有帮助。

1．1．3 保护心脑血管 咖啡因可抑制环磷酸腺苷转化为环磷酸鸟苷，从而扩张血管，增加管壁弹性，促进血液循环。有研究［8，9］证明，脑血流量与咖啡因的摄入量是成正比关系，且长期慢性的每日饮用咖啡与罹患中风的危险性呈显著的反比。Barry等［10］研究认为咖啡因兴奋的水平与增加的皮肤电导水平、增加的呼吸频率以及α－功率的整体减弱有关，且未引起由咖啡因诱导的显著的心血管兴奋效应。

最新流行病学研究［11］证实，咖啡因逐年摄入量的增加减少了阿尔茨海默氏病的发病率。作为腺苷受体拮抗剂，咖啡因与阿尔茨海默氏病的发病率呈反比，且咖啡因能够保护形成的神经细胞不受抗β－淀粉样蛋白毒性的破坏，此效果由腺苷A2A 产生，而非模仿A1受体拮抗剂，这为阿尔茨海默病的预防提供了启示。此外，Palacios等［12］报道咖啡因的摄入量与男性帕金森氏病发生率的下降有关，但其对于妇女的影响暂不太清楚，推测是受绝经后雌激素的影响。

1．1．4 支持早产婴儿呼吸 咖啡因能够敏感的刺激机体脑干呼吸中心，从而影响CO2的释放。作为一种腺苷受体拮抗剂，它是临床治疗早产儿呼吸暂停常用的一种呼吸兴奋剂。Davis等［13］证实了咖啡因能对早产婴儿呼吸产生有利的影响。Montandon等［14］认为咖啡因治疗新生儿呼吸的影响直到成年后可能会继续存在，尤其是在预产期的咖啡因治疗易改变婴儿呼吸控制系统的神经调节，但对人类而言，咖啡因治疗新生儿呼吸暂停目前是安全的。

1．1．5 利尿，减肥 咖啡因具有利窍除湿的功效，可促进肾脏机能，排出体内多余的钠离子，提高排尿量（高达30%），改善腹胀水肿，有助于减重瘦身。咖啡因不仅能够通过促进肾中尿液水的滤出率和刺激膀胱这两条途径来实现利尿作用；还可以提高肝脏对物质的代谢能力，增强血液循环，比如通过对肾脏的刺激作用使酒精由尿液迅速排出人体，从而达到解除酒精中毒的目的。此外，咖啡因能够通过增加交感神经的活性提高人体消耗热量的速率并刺激脂肪分解。研究［15］发现，当一个正常体重非运动的健康男性摄入仅50mg的咖啡因，其静息能量消耗30min内显著增加。

1．1．6 其它 咖啡因不仅常与解热镇痛药品配伍，以增强其镇痛的功效，还能够刺激交感神经，促使胃肠分泌胃酸和蠕动激素，从而增进食欲，有助消化。咖啡因能够促进交感神经且抑制副交感神经，避免副交感神经兴奋而发作气喘病。其内含单宁，可脱臭，消除蒜、肉味，且少量的咖啡因可使人精神振奋，心情愉快，缓解忧郁。饮用含咖啡因的茶或咖啡可以保护肝脏性能［16］，降低大肠癌患病风险［17］。此外，咖啡因能降低老鼠罹患类似人类多发性硬化症疾病的概率，为多发性硬化症的防治提供了新的思路。

1．2 负面生理功效

长期慢性或一次性大剂量（＞400 mg）摄取咖啡因会出现一系列的身体与心理的不良反应，比如兴奋过度，神经过敏、焦躁、失眠、心悸、震颤、脑代谢紊乱等。

1．2．1 过度兴奋 较大剂量的咖啡因能够兴奋下级中枢和骨髓。最近，有报道［18］称，咖啡因能够增加产生幻觉的倾向，警示了高水平咖啡因使用的安全性。Boeck等［19］研究指出长期慢性摄入咖啡因会导致儿童和青少年产生睡眠障碍和依赖成瘾性；对啮齿类动物而言，摄入的咖啡因可能会跟多巴胺类的精神兴奋剂一样产生生理交叉致敏作用。美国FDA 规定咖啡因的无作用剂量为40mg／（kg·d），该剂量比正常摄入剂量高出8～10倍，因此可以认为咖啡因对人类而言是安全的，即使过量其副作用是暂时的且可以恢复的。

1．2．2 致畸作用 咖啡因能够迅速透过胎盘，使得孕鼠腭裂、趾或脚畸形、脑膜膨出、脊柱裂、无眼、无下颌、骨化不全、发育迟缓等畸变。潘晓靓等［20］研究表明，孕前和孕期咖啡因暴露可致小鼠受孕延迟、死胎、胎鼠宫内发育迟缓、FGR 发生率升高。Chen等［21］认为，咖啡因治疗会导致肌纤维和运动神经元的缺陷，尤其是次运动神经元轴突的生长缺陷。虽然咖啡因在许多植物和食品中广泛存在，但咖啡因对早期胚胎发育的致畸作用知之甚少。

1．2．3 其它 咖啡因不仅会抑制十二指肠对钙质的吸收、增加尿中钙的排出，还将促进胃酸的分泌，因此，持续高剂量的摄入会导致消化性溃疡、糜烂性食道炎以及胃食管反流病。有研究［22］称，哺乳期妇女的过量饮茶或饮用浓茶会致使咖啡因通过乳汁间接被婴儿吸收，从而引起婴儿呼吸加快和胃肠痉挛，同时，咖啡因能够诱发孕妇妊娠中毒、新生儿残疾以及更年期妇女的失眠、心跳过速和月经紊乱等症状；高剂量的摄入可使妇女在怀孕期间增加流产及相关独立妊娠症状的风险［23］。Nardi等［24］研究认为咖啡因的摄入可能会增加儿童和青少年的焦虑和抑郁症倾向以及成人的惊恐性障碍，即广义的社会焦虑症或社交焦虑症。此外，由116 363名妇女参加的一项长达16年的前瞻性研究显示［25］，日常消费400mg以上咖啡因对癫痫发病的风险并没有影响；由健康专业人员追踪调查3 497人罹患Ⅱ型糖尿病的研究［26］证实，习惯性咖啡消费与患心血管疾病的风险也并无关系。

2 脱除技术

2．1 超临界CO2 萃取（SC－CO2）

SC－CO2技术是近年来发展起来的一项新型分离技术，其利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响作用选择性的分离提纯目标物质，具有高密度、低黏度的特性。目前研究较多的是SC－CO2（Tc 31．06℃、Pc 7．39MPa）萃取技术，其具有无毒、不易燃、价格低廉、最大程度保持原材料有效成分等优点。Park等［27］运用SC－CO2法脱除绿茶中的咖啡因，并用响应面法进行了优化，研究显示，萃取压力、温度和夹带剂乙醇的浓度都会对脱除率造成显著影响，最佳脱 除 条 件 为3．0g 95% （V／V）乙 醇 夹 带 剂／100g CO2，23 MPa，63 ℃，持续时间120 min／10g绿茶，经优化咖啡因的脱除率可达96．60% （m／m）。Park等［28］还证实，夹带剂对SC－CO2法脱除绿茶中咖啡因的效果有着较大的影响。在不同条件下，咖啡因的提取率不同，同时，值得注意的是，绿茶中的主要活性成分如儿茶素类的含量也随之变化，其中夹带剂的种类和含量对试验的影响较大，当SC－CO2法的参数为95% （V／V）乙醇7．0g／100g CO2，70 ℃，持续时间120min时，绿茶中咖啡因的含量降低至原来的2．6%，但EGCG 的损耗仍高达37．8%。Kim 等［29］使用SC－CO2法选择性地从绿茶中大量提取咖啡因，同时尽可能地维持绿茶中原有儿茶素的含量。通过对温度、压力、水分含量等试验条件的探究，发现提取率的差异可能与咖啡因和儿茶素的溶解特性有关，经试验证实，咖啡因／儿茶素与传统夹带剂水和有机夹带剂乙醇的选择性分别为0．88和0．24，因而，以水为夹带剂的SC－CO2法提取绿茶中咖啡因更具选择性。同时，有研究［30］显示利用超临界萃取技术对茶叶粉末中的咖啡因进行脱除时，茶叶粉末的颗粒越小，咖啡因的脱除率越高，且当CO2流量增加时，咖啡因和儿茶素的总提取率增加，单位质量CO2的提取效率下降，这可能是由于绿茶与SC－CO2接触不均匀和作用时间缩短所引起的。此外，屠冰心等［31］研究了超临界萃取压力、萃取温度、夹带剂浓度、夹带剂用量4个因素对茶叶中咖啡因脱除率的影响，结果显示：萃取压力35 MPa、萃取温度80 ℃、夹带剂70%乙醇（与茶叶质量比为1．2∶l）时，脱除率最高（48．96%）。

2．2 微波增强真空冰水中提取法

微波辅助（MAE）提取即利用微波的激活作用，使得样品基质内目标成分快速、高效的分配到溶剂中而被分离提取，其中萃取溶剂的选择至关重要。微波增强真空冰水中提取法（MVIE）是在真空冰水条件下借用微波辅助萃取的一种先进技术。有研究［32］已证实，微波辅助萃取可应用于茶叶和可可中咖啡因的脱除。Lou等［33］研究证实，MVIE 能够有效的选择性的脱除绿茶中的咖啡因，当液料比10∶1（V ∶m），微波提取时间6 min，微波功率350 W，真空冰水提取2．5h时，咖啡因的脱除率可高达87．6%，且绿茶中总酚的损失率低，几种儿茶素的含量也几乎没有改变，显著优于热水提取等方法，具有在工业生产中推广应用的巨大潜力。

2．3 高压辅助萃取法

高压辅助萃取是受相平衡、化学反应及分子结构转化等共同作用的结果，其原理基于3个方面：①升压时，溶剂快速渗入细胞内；②保压时，有效成分充分溶解在溶剂中；③卸压时，溶解了有效成分的溶液从细胞内释放出来，从而达到分离纯化的目的，常用于中药中生物活性物质的提取。Xi等［34］研究了高压辅助咖啡因脱除法在绿茶中的应用。试验通过对比不同提取方法（在室温下提取、超声提取和加热回流提取）和设定不同试验参数：高静水压（100～600 MPa），溶剂（丙酮、甲醇、乙醇和水），乙醇浓度（0～100%，V／V），保压时间（1～10min）和液固比（10∶1～25∶1，V∶m），最终确定当乙醇浓度50% （V／V），液固比为20∶1（V∶m），压力500 MPa，保 压 时 间1 min 时，脱 除 率 最 高，可 达（4．0±0．22）%。该方法提取率高、用时短，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积，其对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］探讨了活性炭吸附脱除茶叶提取液中咖啡因的最佳工艺条件。结果表明，吸附时间2h，活性炭用量0．125g／mL，温度40 ℃，质量浓度45g／L为活性炭吸附咖啡因的最佳工艺条件，茶多酚与咖啡因的质量比由原来的6．9增至64．8，且活性炭可以重复使用，在整个试验过程中无需使用有机溶剂和昂贵的设备。此外，最新研究［37］报道，活性炭粒状固定床法已成功应用于咖啡因的吸附与脱除。

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光谱仪测定了咖啡因的含量，该方法快速、简便、且采用了高斯拟合技术，以消除测定中光谱可能的干扰。Broseus等［39］研究发现，臭氧剂能够有效的脱除咖啡因，脱除率可高达80%，同时，咖啡因可作为衡量臭氧对农药等有害物质干扰和清除情况的一个指标。此外，动态微波辅助萃取（DMAE）－在线检测法选择性强、灵敏度、回收率高［40］。高效连续色谱柱吸附提取法（CCE）设备简单，溶剂消耗低，可用于高品质的茶叶提取物和生物活性化合物（如咖啡因）的定量分析和连续生产［41］。

3 脱除技术的发展趋势

随着科研的不断进步，咖啡因的脱除与纯化不仅拓宽了茶叶、咖啡等食品市场，广泛应用于医药配伍、增效和标记，还成功推广到了化妆、洗护及减肥类等化工产品的生产，引领了生活新的消费趋势。目前，脱咖啡因的技术不仅有水脱除、溶剂萃取（如：氯甲烷、醋酸乙酯等）、离子沉淀、吸附分离等传统方法，还有SC－CO2、酶法降解咖啡因和培育低咖啡因茶树等新型的方法，其中，热水快速脱除法的选择性较弱，在咖啡因脱除过程中易导致其它风味成分的损失，溶剂法和离子交换法等只适于茶提取液中咖啡因的脱除，且仅能用于低咖啡因速溶茶和液体饮料的生产，而文章提到的SC－CO2、高压、微波、活性炭、臭氧剂以及高效连续色谱柱吸附等先进的辅助技术更为便捷、灵敏、高效，是咖啡因脱除技术发展的新趋势。总体而言，咖啡因脱除技术的研究与应用需要综合考虑原料的性质、产品的类型以及环境对产品安全性影响等因素，在现有的研究基础上，合理建立多种方法配用，力争探索出既能保持传统产品特色，又安全、环保、高效率、低成本、强可操作性的工艺技术。

1 丁晓雯，周才琼．保健食品原理［M］．重庆：西南师范大学出版社，2008：179～180．

2 Glade M J．Caffeined not just a stimulant［J］．Nutrition，2010，26（10）：932～938．

3 翟心慧，王志华，吴清华，等．咖啡碱对蟾蜍坐骨神经干动作电位和离体心脏活动的影响［J］．中国应用生理学杂志，2008，24（4）：397～398，467．

4 Jones G．Caffeine and other sympathomimetic stimulants：modes of action and effects on sports performance［J］．Essays in Bio－chemistry，2008（44）：109～124．

5 BrunyéT T，Mahoney C R，Lieberman H R，et al．Caffeine modulates attention network function［J］．Brain and Cognition，2010，72（2）：181～188．

6 BrunyéT T，Mahoney C R，Lieberman H R，et al．Acute caffeine consumption enhances the executive control of visual attention in habitual consumers［J］．Brain and Cognition，2010，74（3）：186～192．

7 Barry R J，Clarke A R，Johnstone S J，et al．Caffeine effects on resting－state arousal in children［J］．International Journal of Psychophysiology，2009，73（3）：355～361．

8 Addicott M A，Yang L L，Peiffer A M，et al．The effect of daily caffeine use on cerebral blood flow：how much caffeine can we tolerate？［J］．Human Brain Mapping，2009，30（10）：3 102～3 114．

9 Lopez－Garcia E，Rodriguez－Artalejo F，Rexrode K M，et al．Coffee consumption and risk of stroke in women［J］．Circulation，2009，119（8）：1 116～1 123．

10 Barry R J，Clarke A R，Johnstone S J，et al．Timing of caffeines impact on autonomic and central nervous system measures：Clarification of arousal effects［J］．Biological Psychology，2008，77（3）：304～316．

11 DallIgna O P，Fett P，Gomes M W，et al．Caffeine and adenosine A（2a）receptor antagonists preventβ－amyloid（25～35）－induced cognitive deficits in mice［J］．Experimental Neurology，2007，203（1）：241～245．

12 Palacios N，Weisskopf M，Simon K，et al．Polymorphisms of caffeine metabolism and estrogen receptor genes and risk of Parkinsons disease in men and women［J］．Parkinsonism ＆Related Disorders，2010，16（6）：370～375．

13 Davis P G，Schmidt B，Roberts R S，et al．Caffeine for apnea of prematurity trial：benefits may vary in subgroups［J］．The Journal of Pediatrics，2010，156（3）：382～387．

14 Montandon G，Kinkead R，Bairam A．Adenosinergic modulation of respiratory activity：Developmental plasticity induced by perinatal caffeine administration［J］．Respiratory Physiology ＆Neurobiology，2008，164（1～2）：87～95．

15 Belza A，Toubro S，Astrup A．The effect of caffeine，green tea and tyrosine on thermogenesis and energy intake［J］．European Journal of Clinical Nutrition，2009，63（1）：57～64．

16 Costentin C E，Roudot－Thoraval F，Zafrani E－S，et al．Association of caffeine intake and histological features of chronic hepatitis C［J］．Journal of Hepatology，2011，54（6）：1 123～1 129．

17 Temple J L．Caffeine use in children：What we know，what we have left to learn，and why we should worry［J］．Temple Neuroscience and Biobehavioral Reviews，2009，33（6）：793～806．

18 Crowe S F，Caldow J B，Aspromonte S J，et al．The effect of caffeine and stress on auditory hallucinations in a non－clinical sample［J］．Personality and Individual Differences，2011，50（5）：626～630．

19 Boeck C R，Marques V B，Valvassori S S，et al．Early longterm exposure with caffeine induces cross－sensitization to methylphenidate with involvement of DARPP－32in adulthood of rats［J］．Neurochemistry International，2009，55（5）：318～322．

20 潘晓靓，刘冬琳，孟巍，等．咖啡因暴露对小鼠胚胎发育的影响［J］．武汉大学学报（医学版），2008，29（2）：165～168．

21 Chen Y－H，Huang Y－H，Wen C C，et al．Movement disorder and neuromuscular change in zebrafish embryos after exposure to caffeine［J］．Neurotoxicology and Teratology，2008，30（5）：440～447．

22 赵卉，杜晓．低咖啡碱茶的研究进展［J］．华中农业大学学报，2008，27（4）：564～568．

23 Weng X，Odouli R，Li D－K．Maternal caffeine consumption during pregnancy and the risk of miscarriage：aprospective cohort study［J］．American Journal of Obstetrics and Gynecology，2008，198（3）：279～279．

24 Nardi A E，Lopes F L，Freire R C，et al．Panic disorder and social anxiety disorder subtypes in a caffeine challenge test［J］．Psychiatry Research，2009，169（2）：149～153．

25 Dworetzky B A，Bromfield E B，Townsend M K，et al．A prospective study of smoking，caffeine，and alcohol as risk factors for seizures or epilepsy in young adult women：data from the nurses’health study II［J］．Epilepsia，2010，51（2）：198～205．

26 Zhang W L，Lopez－Garcia E，Li T Y，et al．Coffee consumption and risk of cardiovascular events and all－cause mortality among women with type 2diabetes［J］．Diabetologia，2009，52（5）：810～817．

27 Park H S，Im N G，Kim K H．Extraction behaviors of caffeine and chlorophylls in supercritical decaffeination of green tea leaves［J］．LWT－Food Science and Technology，2012，45（1）：73～78．

28 Park H S，Lee H J，Shin M H，et al．Effects of cosolvents on the decaffeination of green tea by supercritical carbon dioxide［J］．Food Chemistry，2007，105（3）：1 011～1 017．

29 Kim W，Kim J，Kim J，et al．Selective caffeine removal from green tea using supercritical carbon dioxide extraction［J］．Journal of Food Engineering，2008，89（3）：303～309．

30 Park H S，Choi H，Lee S J，et al．Effect of mass transfer on the removal of caffeine from green tea by supercritical carbon dioxide［J］．The Journal of Supercritical Fluids，2007，42（2）：205～211．

31 屠冰心，庞林江，王允祥，等．超临界脱除茶叶咖啡因的优化工艺［J］．农机化研究，2009（9）：166～168．

32 GonzáLez－Nuez L N，CaIzares－Macías M P．Focused microwaves－assisted extraction of theobromine and caffeine from cacao［J］．Food Chemistry，2011，129（4）：1 819～1 824．

33 Lou Z，Er C，Li J，et al．Removal of caffeine from green tea by microwave－enhanced vacuum ice water extraction［J］．Analytica Chimica Acta，2012（716）：49～53．

34 Xi J．Caffeine extraction from green tea leaves assisted by high pressure processing［J］．Journal of Food Engineering，2009，94（1）：105～109．

35 Ye J，Liang Y，Jin J，et al．Preparation of partially decaffeinated instant green tea［J］．Journal of Agriculture and Food Chemistry，2007，55（9）：3 498～3 502．

36 王平，陶春妙，朱兴一，等．活性炭吸附法脱除茶叶提取液中咖啡因的工艺研究［J］．浙江工业大学学报，2010，38（4）：360～364．

37 Sotelo J L，Rodríguez A，lvarez S，et al．Removal of caffeine and diclofenac on activated carbon in fixed bed column［J］．Chemical Engineering Research and Design，2012，90（7）：967～974．

38 Belay A，Ture K，Redi M，et al．Measurement of caffeine in coffee beans with UV／VIS spectrometer［J］．Food Chemistry，2008，108（1）：310～315．

39 Broséus R，Vincent S，Aboulfadl K，et al．Ozone oxidation of pharmaceuticals，endocrine disruptors and pesticides during drinking water treatment［J］．Water Research，2009，43（18）：4 707～4 717．

40 Wang H，Chen L，Xu Y，et al．Dynamic microwave－assisted extraction coupled on－line with clean－up for determination of caffeine in tea［J］．LWT－Food Science and Technology，2011，44（6）：1 490～1 495．

41 Wang L，Gong L，Chen C，et al．Column－chromatographic extraction and separation of polyphenols，caffeine and theanine from green tea［J］．Food Chemistry，2012，131（4）：1 539～1 545．