咖啡因

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咖啡因
CaffeineCaffeine
一般
系统名称 1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6(3H,7H)-dione

3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6-dione

其他名称 1,3,7-三甲基黄嘌呤, 三甲基黄嘌呤,
咖啡碱,茶素, 马黛因, 瓜拉纳因子,
甲基可可碱
生物利用度 99%
蛋白結合 17%-36%
半衰期 5小時
排泄 尿
分子式 C8H10N4O2
SMILES O=C1C2=C(N=CN2C)N(C(=O)N1C)C
摩尔质量 194.19 g mol−1
外观 无嗅,白色针状或粉状固体
CAS号 [58-08-2]
性质
密度相态 1.2 g/cm³, 固体
溶解性 微溶
其他溶剂 乙酸乙酯、氯仿、嘧啶、吡咯、四氢呋喃中可溶;酒精和丙酮中一般可溶;石油醚、醚及苯中微溶
熔点 237 °C
沸点 178 °C (昇华)
酸度系数 (pKa 10.4 (40 °C)
危险性
化学物质安全性表 外部链接
主要危害 吸入、吞咽及皮肤吸收均可能致命[1]
NFPA 704
NFPA 704.svg
1
2
0
 
闪点 N/A
RTECS EV6475000
若非注明,所有数据都依從国际单位制和来自标准温度和压力条件下。

參考和免責條款

咖啡因是一种黄嘌呤生物碱化合物,对人类来说是一种兴奋剂。它存在于咖啡树茶树巴拉圭冬青(玛黛茶)及瓜拿纳的果实及叶片裡,少量的咖啡因也存在于可可树可乐果代茶冬青树。存在于瓜拿纳中的咖啡因有时也被称为瓜拿纳因(guaranine),而存在于玛黛茶中的被称为马黛因(mateine),在茶中的则被称为茶素(theine)。总体上来说,作为一种自然杀虫剂,在超过60种植物的果实叶片种子中能够发现咖啡因,它能使以这些植物为食的昆虫麻痹因而达到杀虫的效果。

咖啡因是一种中枢神经兴奋剂,能暫時的驱走睡意并恢复精力。有咖啡因成分的咖啡软饮料能量饮料十分畅销,因此,咖啡因也是世界上最普遍被使用的精神药品。在北美,90%成年人每天都摄入咖啡因。[2]

很多咖啡因的自然来源也含有多种其他的黄嘌呤生物碱,包括茶碱可可碱這兩種强心剂以及其他物质例如单宁酸

来源[编辑]

烘焙咖啡豆,世界咖啡因的主要来源
常见食品药品的咖啡因含量[3][4]
产品 计量单位 每单位咖啡因含量 (毫克
咖啡因片剂 (Vivarin) 1片 200
Excedrin片剂 1片 65
咖啡,沖濾 240 mL (8 US fl oz 135*
咖啡,脱咖啡因 240 mL (8 US fl oz) 5*
咖啡,義式濃縮咖啡 57 mL (2 US fl oz) 100*
巧克力,黑 (Hershey's Special Dark) 1条 (43 g; 1.5 oz) 31
巧克力,牛奶 (Hershey Bar) 1条 (43 g; 1.5 oz) 10
红牛 240 mL (8.2 US fl oz) 80
Bawls瓜拿纳 296 mL (10 US fl oz) 67
软饮料,经典可口可乐 355 mL (12 US fl oz) 34
Atomic Rush 255 mL (7 US fl oz) 100
茶,绿茶 240 mL (8 US fl oz) 15
茶,叶或袋 240 mL (8 US fl oz) 50
* 每份中咖啡因含量均为估计,真实值随着准备的方式不同而不同。

咖啡因是一种植物生物碱,在许多植物中都能够被發现。作为自然杀虫剂,它能使吞食含咖啡因植物的昆虫麻痹[5]。人类最常使用的含咖啡因的植物包括咖啡及一些可可。其他不经常使用的包括一般被用来制茶或能量饮料巴拉圭冬青[6]和瓜拿纳树。两个咖啡因的别名:马黛因[7]和瓜拿纳因子[8]就是从这两种植物演化而来。

世界上最主要的咖啡因来源是咖啡豆(咖啡树的种子),同时咖啡豆也是咖啡的原料。咖啡中的咖啡因含量极大程度上依赖于咖啡豆的品种和咖啡的制作方法[9],甚至同一棵树上的咖啡豆中的咖啡因含量都有很大的区别。一般来说一杯咖啡中咖啡因的含量从阿拉伯浓缩咖啡中的40毫克到浓咖啡中的100毫克。深焙咖啡一般比浅焙咖啡的咖啡因含量少,因为烘焙能减少咖啡豆裡的咖啡因含量。阿拉伯咖啡的咖啡因含量通常比中果咖啡[9]。咖啡也含有痕量的茶碱,但不含可可碱

茶是另外一个咖啡因的重要来源,每杯茶的咖啡因含量一般只有每杯咖啡的一半,这与制茶工艺有关。特定品种的茶,例如红茶乌龙茶,比其他茶的咖啡因含量高。茶含有少量的可可碱以及比咖啡略高的茶碱。茶的制作对于茶有很大影响,但是茶的颜色几乎不能指示咖啡因的含量[10]。日本绿茶的咖啡因含量就远远低于许多红茶(例如正山小种茶),几乎不含咖啡因。

由可可粉製的巧克力也含有少量的咖啡因。巧克力是一种很弱的兴奋剂,主要归因于其中含有的可可碱和茶碱[11]。一条典型的28克牛奶巧克力与脱咖啡因咖啡的咖啡因含量差不多。

咖啡因也是软饮料中的常见成分,例如可乐,最初就是由可乐果制得。一瓶软饮料中一般含有10毫克至50毫克的咖啡因。能量饮料,例如红牛,每瓶含有80毫克咖啡因。这些饮料中的咖啡因来源于它们所用的原始成分或由脱咖啡因咖啡所得的添加剂,也有是通过化学合成的。瓜拿纳,很多能量饮料的基本成分,含有大量的咖啡因及少量的可可碱。自然存在的缓释赋形剂中含有少量茶碱[12]

历史[编辑]

早在石器时代[13],人类已经开始使用咖啡因。早期的人们发现咀嚼特定植物种子树皮树叶有减轻疲劳和提神的功效。直到很多年以后,人们才发现使用热水泡这些植物能够增加咖啡因的效用。许多文化都有关于远古时期的人们发现这些植物的神话。

茶的历史可以追溯到仰韶文化中发现的茶树。宋代陆羽在《茶经》中提到,茶作为饮品的历史“发乎神农氏[14]。西汉时期,茶已经成为宫廷中的饮料。晋代以后,茶逐渐成为普通饮料[15]

咖啡早期的历史十分模糊,不过一个流传广泛的神话能让我们回溯到阿拉伯咖啡的发源地埃塞俄比亚。根据这个神话,一个名叫卡迪牧羊人发现,当山羊食用了咖啡灌木上的浆果时会变得兴奋异常并且在夜里失眠,山羊也会不断地再次食用该浆果,体验相同的活力。最早的有关咖啡的书面记载可能是9世纪波斯医师al-Razi所著的Bunchum。1587年,Malaye Jaziri汇编了一本追溯咖啡历史及合法性争议的书,名叫《Umdat al safwa fi hill al-qahwa》。在这本书中,Jaziri记录了一个亚丁伊斯兰教长Jamal-al-Din al-Dhabhani是首先于1454年饮用咖啡的人,15世纪后,也门苏菲派穆斯林开始有规律的饮用咖啡来保持祈祷时的清醒。16世纪快要结束的时候,在埃及欧洲居民们记录了咖啡的使用,大概这个时候,咖啡开始在近东广泛使用。咖啡作为一种饮料在17世纪流传到欧洲,最初被称为阿拉伯。这段时间,咖啡屋开始增多,最初的咖啡屋是在君士坦丁堡威尼斯。在英国,第一家咖啡屋开业于1652年,在伦敦Cornhill街圣迈克尔巷。很快咖啡开始在西欧流行并在17和18世纪社会交流中扮演了重要的角色[16]

一个位于巴勒斯坦的咖啡屋, 大约1900年

就像咖啡浆果和茶叶一样,可乐果也有很古老的起源。很多西非的文明通过单独或群体的咀嚼可乐果来恢复精力和减轻饥饿。1911年,当美國政府在田纳西州查塔努加市没收了40大桶和20小桶可口可乐浓缩原浆,并宣称其“有害健康”后,可乐成了最早的关于引起健康恐慌的其中一个记录[17]。当年3月13日,美国政府开始了“美国起诉40大桶和20小桶可口可乐”案,希望通过夸大的宣传迫使可口可乐将咖啡因从其配方中移除,比如宣传在一个女子学校,过多的饮用可口可乐导致“夜间荒诞行为,违背学院规则和女性的礼节,甚至不道德”。[18] 尽管法官最后的裁决有利于可口可乐,1912年仍然有两个旨在修正纯粹食品与药品法案的议案被提交到众议院,把咖啡因添加进“上瘾”和“有害”的物质清单,因此该成份必须在产品标签中列出。

使用可可的最早的证据是从公元前8世纪玛雅文明时期的罐中发现的残渣。在新世界里,巧克力被混入一种叫Xocoatl的苦辣饮品之中使用,也常伴有香草辣椒胭脂。Xocoatl被广泛认为能够抗疲劳,这大概归功于其中可可碱和咖啡因成分。巧克力在哥伦布发现美洲大陆以前的中美洲是一种奢侈品,可可豆也曾被用来作为货币。

巧克力在1700年由西班牙人引进欧洲,他们也将可可树引入了東印度群岛和菲律宾。它们被用于炼金术,叫做黑豆。

1819年德国化学家弗里德里希·费迪南·龙格第一次分离得到纯的咖啡因。传说中他之所以这样做,是因为听了歌德的吩咐[19]

现在,每年咖啡因的国际销量已达到120000吨[20],这个数字相当于每天每个人消耗一份咖啡饮品,这也使它成为了世界最流行的影响精神的物质。在北美,90%的成年人每天消耗一定量的咖啡因。

药理学[编辑]

初服咖啡因,能使中枢神经系统兴奋,因此能够增加警觉度,使人警醒,有快速而清晰的思维,增加注意力和保持较好的身体状态。[21]最后进入脊髓并保持一个较高的剂量。在体内,关于咖啡因的化学反应十分复杂[21] ,大致的几种机理如下:

代谢[编辑]

咖啡因在肝脏中被分解产生三个初级代谢产物副黄嘌呤英语Paraxanthine(84%)、可可碱(12%)和茶碱(4%)

咖啡因在摄取后45分钟内被小肠完全吸收。吸收后它会分布于身体的所有器官之中,转化过程符合化学动力学一级反应[22]

咖啡因的半衰期,即身体转化所摄取咖啡因的一半量所用的时间,在不同个体之间差異極大。这主要和年龄、肝功能、是否怀孕、同时摄入的其他药物,以及肝脏中与咖啡因代谢有关的的数量等有关。一个健康成人的咖啡因的半衰期大约是3-4个小时,在口服避孕药物的女性体内则延长至5-10个小时[23] ,在已怀孕的女性体内则大概为9-11个小时[24]。当某些个体患有严重的肝脏疾病时,咖啡因会累积,半衰期延长至96个小时[25]婴儿儿童的咖啡因的半衰期可能大于成年人,在一个新生婴儿的体内可能会长至30个小时。某些其它因素也会缩短咖啡因的半衰期,比如吸烟[26]

咖啡因的代谢在肝脏中发生,由细胞色素P450氧化酶(特别是1A2同工酶)酶系统氧化,形成三种不同的二甲基黄嘌呤[27],这三种二甲基黄嘌呤对身体有不同的作用。

这些化合物进一步代谢,最终通过尿液排泄出体外。

适度摄入的影响[编辑]

咖啡因使蜘蛛不能編織正常的蜘蛛网

咖啡因是一个中枢神经系统兴奋剂[28]也是一个新陈代谢的刺激剂。咖啡因既被作为饮品,也被作为品,其作用都是提神及解除疲劳,咖啡因也可減低頭痛時的痛楚。每个人所需要的能够产生效果的咖啡因精确剂量并不相同,主要取决于体型和咖啡因耐受度。咖啡因在不到一个小时的时间内就可以开始在身体裡发挥作用,如果摄取温和剂量的咖啡因,作用可在3到4个小时内消失[21]。食用咖啡因并不能减少所需睡眠时间,它只能临时的减弱睏的感觉。

因为这些影响,咖啡因是机能增进剂:提升大脑和身体的能力。一项在1979年的研究表明,与对照组相比,摄取了咖啡因之后的运动员在长距离自行车项目中的表现增加7%[29]。其他的研究获得了更加显著的结果:一个对经过训练的跑步运动员的实验表明,在摄取一剂9毫克每千克体重的咖啡因之后,运动员的直线跑耐久性增加44%,环形跑耐久力增加55%。[30] 如此显著的提升并不是孤立的偶然情况,一些后续的研究也得到相似的结果。另外一个研究表明,在摄取了5.5毫克每千克体重咖啡因之后,在自行车项目中,能够提升29%的持续时间[31]

咖啡因有时也与其他药物混合提高它们的功效。咖啡因能够使减轻头痛的药的功效提高40%,并能使身体更快的吸收这些药品缩短起作用的时间[32]。因此,很多非处方治疗头痛的药品中包含有咖啡因。咖啡因也与麦角胺一起使用,治疗偏头痛集束性头痛,也能克服由抗组胺剂带来的困意。

早产婴儿的呼吸问题,有时也使用柠檬酸咖啡因治疗。使用柠檬酸咖啡因疗法后,早产婴儿的支气管发育不良明显减少。此疗法的唯一缺点是在治疗中暂时性的体重增长变慢.[33]。柠檬酸咖啡因在很多国家只能通过处方获得.[34]

对人类而言,咖啡因是安全的,但是咖啡因对某些动物而言却是有毒的,例如鹦鹉等,因为这些动物肝臟的分解咖啡因的能力比人类弱很多。咖啡因对蜘蛛有显著的影响,远远高于其他药物[35]

过度使用[编辑]

在短时间内过多的咖啡因可以导致上瘾和一系列的身体与心理的不良反应

在长期摄取的情况下,大剂量的咖啡因是一种毒品,能够导致“咖啡因中毒”。咖啡因中毒包括上瘾和一系列的身体与心理的不良反应,比如神经过敏,易怒,焦虑,震颤,肌肉抽搐(反射亢进),失眠和心悸[36] (一般人服用咖啡因是因为它的刺激作用,许多学生在應付考試時及做夜班的人均會服用咖啡因药片[37]。而在严格的上瘾的定义下,只有逐渐增高用量才是上瘾,用咖啡因依赖描述更为恰当一些,但是在一个被广泛接受的定义下,所有慢性的很难摆脱的行为都叫做上瘾,所以也可以用咖啡因上瘾来描述。)另外,由于咖啡因能使胃酸增多,持续的高剂量摄入会导致消化性溃疡,糜烂性食道炎胃食管反流病[38]。然而,因为无论是正常的咖啡还是脱咖啡因咖啡,都会刺激胃粘膜,增加胃酸分泌,所以咖啡因可能不是咖啡造成此原因的唯一成分。[39]

四个被精神疾病诊断与统计手册(第四版)所验证的由咖啡因引起的精神紊乱包括咖啡因过度兴奋、咖啡因焦虑症、咖啡因睡眠失调及其他咖啡因相关紊乱。

咖啡因过度兴奋[编辑]

一个急剧的过量咖啡因,通常超过250毫克(相当于2-3杯煮咖啡)就能够导致中枢神经系统过度兴奋。咖啡因过度兴奋的症状包括:烦躁、神经过敏、兴奋、失眠、脸红、尿液增加胃肠紊乱、肌肉抽搐、思维涣散、心跳不规则过快以及躁动[36][40][41]

摄取极大剂量的咖啡因会导致死亡[42] 。对于实验,咖啡因的半数致死量为192毫克每千克体重。咖啡因半数致死量取决于体重和个人敏感程度,大概是150至200毫克每千克体重,大约是一个普通成年人在一个有限的时间内摄取140至180杯咖啡,时间取决于生物半衰期。尽管饮用普通咖啡几乎不可能致死,但有由于过度服用咖啡因药丸致死的报告[43][44][45][46]

对于咖啡因过度兴奋的治疗通常是辅助性的,即对个别的症状进行相应的治疗。但是如果患者的血清咖啡因浓度过高,则有可能采取腹膜透析血液透析血液滤过等方法。

咖啡因焦虑症及睡眠失调[编辑]

长期性且过度摄取咖啡因会引起一系列的精神紊乱。其中两种被美国精神病学协会验证的是咖啡因焦虑症和咖啡因睡眠失调。

咖啡因睡眠失调是指由一个个体有规律的摄取高剂量的咖啡因所导致的他或她的睡眠紊乱,并且能被临床诊断所發现[47]

对某些个体而言,大剂量的咖啡因所导致的焦虑足够被临床诊断發现。咖啡因焦虑症会以不同的形式出现,一般性焦虑失调恐慌发作强迫症甚至是恐怖症[47]。因为这些症状容易与基本神经失调混淆,比如恐慌失调一般性焦虑失调躁鬱症或甚至是精神分裂症,所以一些医务工作者认为部分咖啡因摄入过量的人被误诊并给予了不必要的治疗,他们认为咖啡因诱发的精神疾病可以通过切断咖啡因来源而很简单的控制[48] 。一个由《不列颠上瘾期刊》(British Journal of Addiction)所作的调查表明,虽然咖啡因引发的疾病很少被诊断出,咖啡因慢性中毒至少困扰了十分之一的总人口[49]

咖啡因的生物合成途径

新陈代谢、毒性與對健康的影響[编辑]

大脑中咖啡因可以阻挡腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷与它的接受器结合后可以减缓神经细胞的活动。一般在睡眠时两者结合。咖啡因分子与腺嘌呤核苷类似,可以与同一种接受器结合。但它不促使细胞活动降低,相反地,它阻止腺嘌呤核苷与它的接受器结合。其结果是神经细胞活动增高,神经细胞分泌激素肾上腺素。肾上腺素导致心跳加快,血压增高,肌肉中的血流量提高,皮肤内脏的血流量降低,肝脏血液释放葡萄糖。此外咖啡因与氨基丙苯一样可以提高脑内的神经递质多巴胺

与其它刺激中枢神经系统的物质和酒精不同的是,咖啡因的作用相当短。对大多数人来说,咖啡因不影响他们的注意力和其他高级智力功能,因此含咖啡因的饮料往往在工作场所饮用。

长时间饮用咖啡因可以导致身体对咖啡因的习惯化。假如这时中断使用咖啡因,身体会对腺嘌呤核苷过分灵敏,血压会过度降低,导致头疼和其它症状。最近的一些研究似乎说明饮用咖啡因可以减低获得帕金逊症的危险,但这个研究的结论还有待证实。

太多咖啡因可以导致咖啡因中毒。其症状是烦躁、紧张、刺激感、失眠、面红、多尿和消化道不适。有些人在每日服用250毫克以下时就会有这些症状。每天多于1克可以导致痉挛、思想和语言突然转换、心跳不稳心动过速精神运动性激越。咖啡因中毒的症状有点类似恐慌症全面化焦虑症。192毫克/体重千克[50],或对普通成年人来说,72杯咖啡可能可以导致半数人死亡。[來源請求] 目前沒有明確証據指咖啡因與骨質流失及骨質疏鬆症有相關性。在一項與可樂有關而不包括其他碳酸飲料的研究當中發現咖啡因並不是導致骨質流失的原因,相反當中磷酸的分量與年長女性出現骨質疏鬆有較直接的關係[51]

管制[编辑]

中華人民共和國[编辑]

「纯咖啡因」列為「第二类精神藥品」管制,其生产、供应必须经过省级卫生行政部门批准,由县级以上卫生行政部门指定的单位经营。医师处方中的用量不得超过7日常用量,并需存根2年[52]

  • 第347條,非法走私、販賣、運輸、製造咖啡因,無論數量多少,屬刑事罪行。按刑法第347條及最高人民法院的解釋,涉及「数量大」(200公斤咖啡因以上)者最高刑罰為死刑,涉及「数量較大」(50公斤以上但不滿200公斤咖啡因)者處7年以上有期徒刑。[53]
  • 刑法第348條把非法持有「数量大」或「数量較大」的咖啡因列為可判處監禁的罪行。

中華民國[编辑]

中華民國毒品危害防制條例并未将「咖啡因」列为管制药物。根据行政院卫生署食物药品管理局《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》[54][55],非药用的咖啡因用途限定于食品添加剂中饮料的调味剂,并且必须是源自材料中原料的天然成分而不是以纯咖啡因添加,规定其含量不得超过每千克320毫克(320ppm),否则视为药用。中華民國行政院消費者保護委員會於2006年8月1日則推行咖啡因分級制度,主要針對台灣主要十一家連鎖咖啡店的現煮咖啡,包括濃縮咖啡或其他類型,推動按照紅色黃色綠色顏色差異標示來提醒消費者每杯咖啡的咖啡因含量。其中紅色為200-300毫克或以上、黃色為100-200毫克、綠色為100毫克以下。這項措施不具強制性,但業者多半配合,只是標示方式未必清楚,有些標在菜單上,有些則印製成傳單讓消費者索取(例如星巴克)。

美国[编辑]

美国法律中「咖啡因」不在管制药物之列,其药用和食用都是合法的。美国食品药品监督管理局认为只要饮料中作为食物添加剂的咖啡因含量在每千克200毫克(200ppm)以下,就是安全的。然而,含有咖啡因的食物和药物都必须在包装上注明咖啡因的含量[56]

新聞[编辑]

  • 2012年4月24日 [57]
  • 台北市衛生局抽驗15件咖啡及茶產品的咖啡因,發現咖啡飲料的咖啡因含量最高,其次依序為咖啡口味冰品、茶飲。其中「曠世奇派卡布奇諾雪糕」、「杜老爺歐布雷克愛爾蘭咖啡甜筒」咖啡因含量還超過部分咖啡。
  • 簡任技正陳立奇建議,幼童仍在發育,也較成人敏感,為避免刺激中樞神經、影響睡眠,12歲以下幼童應盡可能避免攝取咖啡因,歐美等國就不建議幼童攝取咖啡因,連建議值都沒訂。加拿大訂定了指引,4至6歲幼童一天不要超過45毫克、7至9歲上限為63毫克、10至12歲為85毫克。以「杜老爺歐布雷克愛爾蘭咖啡甜筒」為例,一個甜筒(86克,產品包裝標示)的咖啡因含量為19毫克,6歲以下幼童一天吃兩個就會逼近上限。
  • 歐盟建議,正常成人每人每天攝取咖啡因以300毫克(mg)為限。

参考资料[编辑]

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