咖啡因

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咖啡因
CaffeineCaffeine
一般
系統名稱 1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6(3H,7H)-dione

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

其他名稱 1,3,7-三甲基黃嘌呤, 三甲基黃嘌呤,
咖啡鹼,茶素, 馬黛因, 瓜拉納因子,
甲基可可鹼
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
摩爾質量 194.19 g mol−1
外觀 無嗅,白色針狀或粉狀固體
CAS號 [58-08-2]
性質
密度相態 1.2 g/cm³, 固體
溶解性 微溶
其他溶劑 乙酸乙酯、氯仿、嘧啶、吡咯、四氫呋喃中可溶;酒精和丙酮中一般可溶;石油醚、醚及苯中微溶
熔點 237 °C
沸點 178 °C (昇華)
酸度係數 (pKa 10.4 (40 °C)
危險性
化學物質安全性表 外部連結
主要危害 吸入、吞咽及皮膚吸收均可能致命[1]
NFPA 704
NFPA 704.svg
1
2
0
 
閃點 N/A
RTECS EV6475000
若非註明,所有數據都依從國際單位制和來自標準溫度和壓力條件下。

參考和免責條款

咖啡因是一種黃嘌呤生物鹼化合物,對人類來說是一種興奮劑。它存在於咖啡樹茶樹巴拉圭冬青(瑪黛茶)及瓜拿納的果實及葉片裡,少量的咖啡因也存在於可可樹可樂果代茶冬青樹。存在於瓜拿納中的咖啡因有時也被稱為瓜拿納因(guaranine),而存在於瑪黛茶中的被稱為馬黛因(mateine),在茶中的則被稱為茶素(theine)。總體上來說,作為一種自然殺蟲劑,在超過60種植物的果實葉片種子中能夠發現咖啡因,它能使以這些植物為食的昆蟲麻痹因而達到殺蟲的效果。

咖啡因是一種中樞神經興奮劑,能暫時的驅走睡意並恢復精力。有咖啡因成分的咖啡軟飲料能量飲料十分暢銷,因此,咖啡因也是世界上最普遍被使用的精神藥品。在北美,90%成年人每天都攝入咖啡因。[2]

很多咖啡因的自然來源也含有多種其他的黃嘌呤生物鹼,包括茶鹼可可鹼這兩種強心劑以及其他物質例如單寧酸

來源[編輯]

烘焙咖啡豆,世界咖啡因的主要來源
常見食品藥品的咖啡因含量[3][4]
產品 計量單位 每單位咖啡因含量 (毫克
咖啡因片劑 (Vivarin) 1片 200
Excedrin片劑 1片 65
咖啡,沖濾 240 mL (8 US fl oz 135*
咖啡,脫咖啡因 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條 (43 g; 1.5 oz) 31
巧克力,牛奶 (Hershey Bar) 1條 (43 g; 1.5 oz) 10
紅牛 240 mL (8.2 US fl oz) 80
Bawls瓜拿納 296 mL (10 US fl oz) 67
軟飲料,經典可口可樂 355 mL (12 US fl oz) 34
Atomic Rush 255 mL (7 US fl oz) 100
茶,綠茶 240 mL (8 US fl oz) 15
茶,葉或袋 240 mL (8 US fl oz) 50
* 每份中咖啡因含量均為估計,真實值隨著準備的方式不同而不同。

咖啡因是一種植物生物鹼,在許多植物中都能夠被發現。作為自然殺蟲劑,它能使吞食含咖啡因植物的昆蟲麻痹[5]。人類最常使用的含咖啡因的植物包括咖啡及一些可可。其他不經常使用的包括一般被用來制茶或能量飲料巴拉圭冬青[6]和瓜拿納樹。兩個咖啡因的別名:馬黛因[7]和瓜拿納因子[8]就是從這兩種植物演化而來。

世界上最主要的咖啡因來源是咖啡豆(咖啡樹的種子),同時咖啡豆也是咖啡的原料。咖啡中的咖啡因含量極大程度上依賴於咖啡豆的品種和咖啡的製作方法[9],甚至同一棵樹上的咖啡豆中的咖啡因含量都有很大的區別。一般來說一杯咖啡中咖啡因的含量從阿拉伯濃縮咖啡中的40毫克到濃咖啡中的100毫克。深焙咖啡一般比淺焙咖啡的咖啡因含量少,因為烘焙能減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鹼,但不含可可鹼

茶是另外一個咖啡因的重要來源,每杯茶的咖啡因含量一般只有每杯咖啡的一半,這與制茶工藝有關。特定品種的茶,例如紅茶烏龍茶,比其他茶的咖啡因含量高。茶含有少量的可可鹼以及比咖啡略高的茶鹼。茶的製作對於茶有很大影響,但是茶的顏色幾乎不能指示咖啡因的含量[10]。日本綠茶的咖啡因含量就遠遠低於許多紅茶(例如正山小種茶),幾乎不含咖啡因。

由可可粉製的巧克力也含有少量的咖啡因。巧克力是一種很弱的興奮劑,主要歸因於其中含有的可可鹼和茶鹼[11]。一條典型的28克牛奶巧克力與脫咖啡因咖啡的咖啡因含量差不多。

咖啡因也是軟飲料中的常見成分,例如可樂,最初就是由可樂果製得。一瓶軟飲料中一般含有10毫克至50毫克的咖啡因。能量飲料,例如紅牛,每瓶含有80毫克咖啡因。這些飲料中的咖啡因來源於它們所用的原始成分或由脫咖啡因咖啡所得的添加劑,也有是通過化學合成的。瓜拿納,很多能量飲料的基本成分,含有大量的咖啡因及少量的可可鹼。自然存在的緩釋賦形劑中含有少量茶鹼[12]

歷史[編輯]

早在石器時代[13],人類已經開始使用咖啡因。早期的人們發現咀嚼特定植物種子樹皮樹葉有減輕疲勞和提神的功效。直到很多年以後,人們才發現使用熱水泡這些植物能夠增加咖啡因的效用。許多文化都有關於遠古時期的人們發現這些植物的神話。

茶的歷史可以追溯到仰韶文化中發現的茶樹。宋代陸羽在《茶經》中提到,茶作為飲品的歷史「發乎神農氏[14]。西漢時期,茶已經成為宮廷中的飲料。晉代以後,茶逐漸成為普通飲料[15]

咖啡早期的歷史十分模糊,不過一個流傳廣泛的神話能讓我們回溯到阿拉伯咖啡的發源地衣索比亞。根據這個神話,一個名叫卡迪牧羊人發現,當山羊食用了咖啡灌木上的漿果時會變得興奮異常並且在夜裡失眠,山羊也會不斷地再次食用該漿果,體驗相同的活力。最早的有關咖啡的書面記載可能是9世紀波斯醫師al-Razi所著的Bunchum。1587年,Malaye Jaziri彙編了一本追溯咖啡歷史及合法性爭議的書,名叫《Umdat al safwa fi hill al-qahwa》。在這本書中,Jaziri記錄了一個亞丁伊斯蘭教長Jamal-al-Din al-Dhabhani是首先於1454年飲用咖啡的人,15世紀後,葉門蘇菲派穆斯林開始有規律的飲用咖啡來保持祈禱時的清醒。16世紀快要結束的時候,在埃及歐洲居民們記錄了咖啡的使用,大概這個時候,咖啡開始在近東廣泛使用。咖啡作為一種飲料在17世紀流傳到歐洲,最初被稱為阿拉伯。這段時間,咖啡屋開始增多,最初的咖啡屋是在君士坦丁堡威尼斯。在英國,第一家咖啡屋開業於1652年,在倫敦Cornhill街聖麥可巷。很快咖啡開始在西歐流行並在17和18世紀社會交流中扮演了重要的角色[16]

一個位於巴勒斯坦的咖啡屋, 大約1900年

就像咖啡漿果和茶葉一樣,可樂果也有很古老的起源。很多西非的文明通過單獨或群體的咀嚼可樂果來恢復精力和減輕飢餓。1911年,當美國政府在田納西州查塔努加市沒收了40大桶和20小桶可口可樂濃縮原漿,並宣稱其「有害健康」後,可樂成了最早的關於引起健康恐慌的其中一個記錄[17]。當年3月13日,美國政府開始了「美國起訴40大桶和20小桶可口可樂」案,希望通過誇大的宣傳迫使可口可樂將咖啡因從其配方中移除,比如宣傳在一個女子學校,過多的飲用可口可樂導致「夜間荒誕行為,違背學院規則和女性的禮節,甚至不道德」。[18] 儘管法官最後的裁決有利於可口可樂,1912年仍然有兩個旨在修正純粹食品與藥品法案的議案被提交到眾議院,把咖啡因添加進「上癮」和「有害」的物質清單,因此該成份必須在產品標籤中列出。

使用可可的最早的證據是從公元前8世紀瑪雅文明時期的罐中發現的殘渣。在新世界裡,巧克力被混入一種叫Xocoatl的苦辣飲品之中使用,也常伴有香草辣椒胭脂。Xocoatl被廣泛認為能夠抗疲勞,這大概歸功於其中可可鹼和咖啡因成分。巧克力在哥倫布發現美洲大陸以前的中美洲是一種奢侈品,可可豆也曾被用來作為貨幣。

巧克力在1700年由西班牙人引進歐洲,他們也將可可樹引入了東印度群島和菲律賓。它們被用於鍊金術,叫做黑豆。

1819年德國化學家弗里德里希·費迪南·龍格第一次分離得到純的咖啡因。傳說中他之所以這樣做,是因為聽了歌德的吩咐[19]

現在,每年咖啡因的國際銷量已達到120000噸[20],這個數字相當於每天每個人消耗一份咖啡飲品,這也使它成為了世界最流行的影響精神的物質。在北美,90%的成年人每天消耗一定量的咖啡因。

藥理學[編輯]

初服咖啡因,能使中樞神經系統興奮,因此能夠增加警覺度,使人警醒,有快速而清晰的思維,增加注意力和保持較好的身體狀態。[21]最後進入脊髓並保持一個較高的劑量。在體內,關於咖啡因的化學反應十分複雜[21] ,大致的幾種機理如下:

代謝[編輯]

咖啡因在肝臟中被分解產生三個初級代謝產物副黃嘌呤英語Paraxanthine(84%)、可可鹼(12%)和茶鹼(4%)

咖啡因在攝取後45分鐘內被小腸完全吸收。吸收後它會分布於身體的所有器官之中,轉化過程符合化學動力學一級反應[22]

咖啡因的半衰期,即身體轉化所攝取咖啡因的一半量所用的時間,在不同個體之間差異極大。這主要和年齡、肝功能、是否懷孕、同時攝入的其他藥物,以及肝臟中與咖啡因代謝有關的的數量等有關。一個健康成人的咖啡因的半衰期大約是3-4個小時,在口服避孕藥物的女性體內則延長至5-10個小時[23] ,在已懷孕的女性體內則大概為9-11個小時[24]。當某些個體患有嚴重的肝臟疾病時,咖啡因會累積,半衰期延長至96個小時[25]嬰兒兒童的咖啡因的半衰期可能大於成年人,在一個新生嬰兒的體內可能會長至30個小時。某些其它因素也會縮短咖啡因的半衰期,比如吸煙[26]

咖啡因的代謝在肝臟中發生,由細胞色素P450氧化酶(特別是1A2同工酶)酶系統氧化,形成三種不同的二甲基黃嘌呤[27],這三種二甲基黃嘌呤對身體有不同的作用。

這些化合物進一步代謝,最終通過尿液排泄出體外。

適度攝入的影響[編輯]

咖啡因使蜘蛛不能編織正常的蜘蛛網

咖啡因是一個中樞神經系統興奮劑[28]也是一個新陳代謝的刺激劑。咖啡因既被作為飲品,也被作為品,其作用都是提神及解除疲勞,咖啡因也可減低頭痛時的痛楚。每個人所需要的能夠產生效果的咖啡因精確劑量並不相同,主要取決於體型和咖啡因耐受度。咖啡因在不到一個小時的時間內就可以開始在身體裡發揮作用,如果攝取溫和劑量的咖啡因,作用可在3到4個小時內消失[21]。食用咖啡因並不能減少所需睡眠時間,它只能臨時的減弱睏的感覺。

因為這些影響,咖啡因是機能增進劑:提升大腦和身體的能力。一項在1979年的研究表明,與對照組相比,攝取了咖啡因之後的運動員在長距離自行車項目中的表現增加7%[29]。其他的研究獲得了更加顯著的結果:一個對經過訓練的跑步運動員的實驗表明,在攝取一劑9毫克每千克體重的咖啡因之後,運動員的直線跑耐久性增加44%,環形跑耐久力增加55%。[30] 如此顯著的提升並不是孤立的偶然情況,一些後續的研究也得到相似的結果。另外一個研究表明,在攝取了5.5毫克每千克體重咖啡因之後,在自行車項目中,能夠提升29%的持續時間[31]

咖啡因有時也與其他藥物混合提高它們的功效。咖啡因能夠使減輕頭痛的藥的功效提高40%,並能使身體更快的吸收這些藥品縮短起作用的時間[32]。因此,很多非處方治療頭痛的藥品中包含有咖啡因。咖啡因也與麥角胺一起使用,治療偏頭痛集束性頭痛,也能克服由抗組胺劑帶來的困意。

早產嬰兒的呼吸問題,有時也使用檸檬酸咖啡因治療。使用檸檬酸咖啡因療法後,早產嬰兒的支氣管發育不良明顯減少。此療法的唯一缺點是在治療中暫時性的體重增長變慢.[33]。檸檬酸咖啡因在很多國家只能通過處方獲得.[34]

對人類而言,咖啡因是安全的,但是咖啡因對某些動物而言卻是有毒的,例如鸚鵡等,因為這些動物肝臟的分解咖啡因的能力比人類弱很多。咖啡因對蜘蛛有顯著的影響,遠遠高於其他藥物[35]

過度使用[編輯]

在短時間內過多的咖啡因可以導致上癮和一系列的身體與心理的不良反應

在長期攝取的情況下,大劑量的咖啡因是一種毒品,能夠導致「咖啡因中毒」。咖啡因中毒包括上癮和一系列的身體與心理的不良反應,比如神經過敏,易怒,焦慮,震顫,肌肉抽搐(反射亢進),失眠和心悸[36] (一般人服用咖啡因是因為它的刺激作用,許多學生在應付考試時及做夜班的人均會服用咖啡因藥片[37]。而在嚴格的上癮的定義下,只有逐漸增高用量才是上癮,用咖啡因依賴描述更為恰當一些,但是在一個被廣泛接受的定義下,所有慢性的很難擺脫的行為都叫做上癮,所以也可以用咖啡因上癮來描述。)另外,由於咖啡因能使胃酸增多,持續的高劑量攝入會導致消化性潰瘍,糜爛性食道炎胃食管反流病[38]。然而,因為無論是正常的咖啡還是脫咖啡因咖啡,都會刺激胃粘膜,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]

四個被精神疾病診斷與統計手冊(第四版)所驗證的由咖啡因引起的精神紊亂包括咖啡因過度興奮、咖啡因焦慮症、咖啡因睡眠失調及其他咖啡因相關紊亂。

咖啡因過度興奮[編輯]

一個急劇的過量咖啡因,通常超過250毫克(相當於2-3杯煮咖啡)就能夠導致中樞神經系統過度興奮。咖啡因過度興奮的癥狀包括:煩躁、神經過敏、興奮、失眠、臉紅、尿液增加胃腸紊亂、肌肉抽搐、思維渙散、心跳不規則過快以及躁動[36][40][41]

攝取極大劑量的咖啡因會導致死亡[42] 。對於實驗,咖啡因的半數致死量為192毫克每千克體重。咖啡因半數致死量取決於體重和個人敏感程度,大概是150至200毫克每千克體重,大約是一個普通成年人在一個有限的時間內攝取140至180杯咖啡,時間取決於生物半衰期。儘管飲用普通咖啡幾乎不可能致死,但有由於過度服用咖啡因藥丸致死的報告[43][44][45][46]

對於咖啡因過度興奮的治療通常是輔助性的,即對個別的癥狀進行相應的治療。但是如果患者的血清咖啡因濃度過高,則有可能採取腹膜透析血液透析血液濾過等方法。

咖啡因焦慮症及睡眠失調[編輯]

長期性且過度攝取咖啡因會引起一系列的精神紊亂。其中兩種被美國精神病學協會驗證的是咖啡因焦慮症和咖啡因睡眠失調。

咖啡因睡眠失調是指由一個個體有規律的攝取高劑量的咖啡因所導致的他或她的睡眠紊亂,並且能被臨床診斷所發現[47]

對某些個體而言,大劑量的咖啡因所導致的焦慮足夠被臨床診斷發現。咖啡因焦慮症會以不同的形式出現,一般性焦慮失調恐慌發作強迫症甚至是恐怖症[47]。因為這些癥狀容易與基本神經失調混淆,比如恐慌失調一般性焦慮失調躁鬱症或甚至是精神分裂症,所以一些醫務工作者認為部分咖啡因攝入過量的人被誤診並給予了不必要的治療,他們認為咖啡因誘發的精神疾病可以通過切斷咖啡因來源而很簡單的控制[48] 。一個由《不列顛上癮期刊》(British Journal of Addiction)所作的調查表明,雖然咖啡因引發的疾病很少被診斷出,咖啡因慢性中毒至少困擾了十分之一的總人口[49]

咖啡因的生物合成途徑

新陳代謝、毒性與對健康的影響[編輯]

大腦中咖啡因可以阻擋腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷與它的接受器結合後可以減緩神經細胞的活動。一般在睡眠時兩者結合。咖啡因分子與腺嘌呤核苷類似,可以與同一種接受器結合。但它不促使細胞活動降低,相反地,它阻止腺嘌呤核苷與它的接受器結合。其結果是神經細胞活動增高,神經細胞分泌激素腎上腺素。腎上腺素導致心跳加快,血壓增高,肌肉中的血流量提高,皮膚內臟的血流量降低,肝臟血液釋放葡萄糖。此外咖啡因與氨基丙苯一樣可以提高腦內的神經遞質多巴胺

與其它刺激中樞神經系統的物質和酒精不同的是,咖啡因的作用相當短。對大多數人來說,咖啡因不影響他們的注意力和其他高級智力功能,因此含咖啡因的飲料往往在工作場所飲用。

長時間飲用咖啡因可以導致身體對咖啡因的習慣化。假如這時中斷使用咖啡因,身體會對腺嘌呤核苷過分靈敏,血壓會過度降低,導致頭疼和其它癥狀。最近的一些研究似乎說明飲用咖啡因可以減低獲得帕金遜症的危險,但這個研究的結論還有待證實。

太多咖啡因可以導致咖啡因中毒。其癥狀是煩躁、緊張、刺激感、失眠、面紅、多尿和消化道不適。有些人在每日服用250毫克以下時就會有這些癥狀。每天多於1克可以導致痙攣、思想和語言突然轉換、心跳不穩心動過速精神運動性激越。咖啡因中毒的癥狀有點類似恐慌症全面化焦慮症。192毫克/體重千克[50],或對普通成年人來說,72杯咖啡可能可以導致半數人死亡。[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[編輯]

中華人民共和國[編輯]

「純咖啡因」列為「第二類精神藥品」管制,其生產、供應必須經過省級衛生行政部門批准,由縣級以上衛生行政部門指定的單位經營。醫師處方中的用量不得超過7日常用量,並需存根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「數量大」(200公斤咖啡因以上)者最高刑罰為死刑,涉及「數量較大」(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「數量大」或「數量較大」的咖啡因列為可判處監禁的罪行。

中華民國[編輯]

中華民國並未將「咖啡因」列為管製藥物。根據行政院衛生署食物藥品管理局《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》[54][55],非藥用的咖啡因用途限定於食品添加劑中飲料的調味劑,並且必須是源自材料中原料的天然成分而不是以純咖啡因添加,規定其含量不得超過每千克320毫克(320ppm),否則視為藥用。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)。

美國[編輯]

美國法律中「咖啡因」不在管製藥物之列,其藥用和食用都是合法的。美國食品藥品監督管理局認為只要飲料中作為食物添加劑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藥物都必須在包裝上註明咖啡因的含量[56]

新聞[編輯]

  • 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。

參考資料[編輯]

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外部連接[編輯]

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維基詞典上的詞義解釋: