茶葉中咖啡堿的開發(fā)利用

王偉偉 張建勇 王蔚 樂婷 Ulrich H. Engelhardt 江和源

摘要：咖啡堿是茶葉中最為重要的活性物質(zhì)之一，具有較多藥理功能。茶葉中的咖啡堿，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化的提取制備，在飲料、速食食品、保健品以及藥品等領域得到了較多的應用，并有較好的發(fā)展前景。

關鍵詞：咖啡堿;食品;保健品;藥品

Development and Utilization of Caffeine in Tea

WANG Weiwei1， ZHANG Jianyong1， WANG Wei1，2， LE Ting1，2， ENGELHARDT Ulrich H. 3，? JIANG Heyuan1*

1.Tea Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Tea Plants Biology and Resources Utilization

of Agriculture Ministry/ Key Laboratory of Tea Processing Engineering of Zhejiang Province， Hangzhou 310008， China;

2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China;

3. Institute of Food Chemistry， Braunschweig Technology University， Braunschweig 38106，? Germany

Abstract： Caffeine is one of the most important active substances in tea and has many pharmacological functions.?Caffeine in tea has been extracted and prepared industrially， and is widely used in beverages， instant foods，health care products， and medicines， which has a good development prospect.

Keywords： caffeine， food， health product， medicine

茶葉中含有豐富的生物堿類物質(zhì)，其中絕大部分是咖啡堿，屬于茶葉的特征性物質(zhì)之一?？Х葔A作為茶葉中含量最高的一類生物堿，在茶鮮葉中的含量為2%～5%。茶葉中咖啡堿的含量隨著茶樹品種、生長季節(jié)和采摘嫩度不同呈現(xiàn)出差異，一般來說，細嫩茶葉中含量比粗老葉高，不同季節(jié)茶葉中咖啡堿含量表現(xiàn)為春茶>夏茶>秋茶[1-5]。

咖啡堿是一種甲基黃嘌呤，分子結(jié)構(gòu)式為C8H10N4O2，具有白色、無臭、有苦味等特征，苦味閾值約為500 μmol/L，易溶于水和乙醇，對光和熱的穩(wěn)定性較好。

咖啡堿對人體具有保健功效，是目前世界上最廣泛的精神類藥物之一。研究表明，咖啡堿具有興奮中樞神經(jīng)、提高記憶力、增加警覺度、減少疲勞感、縮短反應時間、消毒滅菌、抗氧化和抗癌等功能，還有助消化、利尿、醒酒，影響呼吸作用和新陳代謝的功能，并且可以防治阿爾茲海默癥和糖尿病等病癥[6-8]。

一、咖啡堿在食品中的應用

咖啡堿是茶葉中存在的最為重要的生物堿類，在食品加工領域主要用于能量飲料的開發(fā)，也有將咖啡堿添加到巧克力、餅干中或拼配速溶粉用以開發(fā)具有提神、提高免疫力、緩解疲勞等功能的食品。美國、加拿大、英國、瑞典和芬蘭等國成人人均日咖啡堿消費量達到200～400 mg。

1. 飲料

咖啡堿是能量飲料中常見的成分。含咖啡堿的能量飲料一般用于刺激神經(jīng)、消除疲勞、提高反應能力和思考力。當今社會，約90%成年人飲用咖啡、茶和可樂等含咖啡堿的能量飲料，美國的軟飲料中有60%以上含咖啡堿。

對有咖啡堿消費習慣的顧客，統(tǒng)計學調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，咖啡堿能增強執(zhí)行控制力和記憶力，可以減少疲勞感、增強緊張感和活力[9-10]。Daisuke等[11]研究了運動員服用咖啡堿對運動成績的影響，發(fā)現(xiàn)8名足球運動員在運動前60 min服用咖啡堿，可以改善間歇性運動的成績，在炎熱環(huán)境下不會影響體溫調(diào)節(jié)反應。Haskell等[12]研究發(fā)現(xiàn)，咖啡堿能縮短人的反應時間，提高警惕性和對視覺刺激的應變能力。Lisa等[13]研究發(fā)現(xiàn)，含咖啡堿的能量飲料可以增強運動能力，在一定劑量范圍內(nèi)可以增強乙醇的運動刺激特性。

對含咖啡堿的能量飲料感知和喜好研究發(fā)現(xiàn)，含咖啡堿濃度較高時可以被消費者發(fā)現(xiàn)，但是對消費者喜好影響不大，當明確告知能量飲料中含有咖啡堿，會對消費者的喜好有負面影響，并且含咖啡堿的能量飲料在美國常用于和酒共同飲用，但咖啡堿與酒精一起飲用可能會存在問題[14]。因咖啡堿具有苦味，添加于飲料中時需要通過高倍的甜味劑來掩蓋，咖啡堿在不同甜味劑中的閾值不同，但是，大家較難將加咖啡堿和不加咖啡堿的可樂飲料區(qū)分開來[15]。

含咖啡堿的能量飲料具有較多功能，但大量飲用也會帶來一定問題，尤其是特殊人群，歐盟的法規(guī)要求，不建議兒童、孕婦或哺乳期婦女飲用咖啡堿含量高于150 mg/L的飲料。國內(nèi)外對含咖啡堿飲料都作出了明確的規(guī)定：一杯現(xiàn)煮咖啡中約含咖啡堿90 mg，國家標準《咖啡類飲料》（GB/T 30767—2014）規(guī)定低咖啡堿咖啡飲料中咖啡堿含量≤50 mg/kg，濃咖啡飲料中咖啡堿含量≥200 mg/kg。國家標準《茶飲料》（GB/T 21733—2008）規(guī)定茶葉飲料中咖啡堿含量≥40 mg/ kg?？蓸泛湍芰匡嬃现锌Х葔A為外源添加，一般能量飲料中咖啡堿的添加量為40～60 mg/罐，可樂為20～30 mg/罐。

2. 速食食品

由于咖啡堿的特殊性，其在國內(nèi)速食食品領域應用并不多，但在國外軍用食品中卻有廣泛應用，一般含咖啡堿的軍用食品有茶葉、咖啡、巧克力和其他飲料等。含咖啡堿的食品可以提高士兵的作戰(zhàn)能力，美國、俄羅斯、瑞士、德國等的野戰(zhàn)軍、海軍和空軍等的口糧中都含有茶葉或速溶茶粉、咖啡和巧克力等含咖啡堿的食品，含咖啡堿的食品還可以減緩長期在嚴寒、酷暑、叢林等惡劣環(huán)境下作戰(zhàn)的士兵睡眠不足和注意力不集中等問題[16]。

咖啡堿的強烈苦味，對其在食品工業(yè)上的應用帶來一定的影響。邵苗[17]研究了淀粉對咖啡堿進行吸附和包埋作用，發(fā)現(xiàn)咖啡堿-淀粉的微膠囊結(jié)構(gòu)能有效抑制咖啡堿的苦味，并開發(fā)了提神巧克力，評價表明咖啡堿-多孔淀粉微膠囊巧克力硬度適中，咀嚼性良好，具有巧克力特有風味，無明顯苦味，且具有明顯的提神效果，儲藏8周后巧克力的穩(wěn)定性良好。

二、咖啡堿在保健和醫(yī)藥領域的應用

目前，咖啡堿在藥品領域主要用于興奮劑、麻醉劑、強心針、鎮(zhèn)痛劑、利尿劑等，保健品領域主要用于抗疲勞和改善精神障礙等方面，也有新的功能發(fā)現(xiàn)。

1. 用于早產(chǎn)兒的治療

早產(chǎn)兒常會帶有多種并發(fā)癥，如呼吸暫停、支氣管肺發(fā)育不良、腦癱等。

呼吸暫停會使嬰兒的大腦和其他臟器發(fā)生缺氧性損傷。胎齡小于29周的早產(chǎn)兒基本都會出現(xiàn)呼吸暫?，F(xiàn)象，胎齡越小，體重越輕，發(fā)生的概率越大?？Х葔A是治療早產(chǎn)兒呼吸暫停的一類藥物，在發(fā)達國家已普遍使用，上世紀70年代，咖啡堿已在歐美國家作為首選藥物治療早產(chǎn)兒呼吸暫停，且早產(chǎn)兒對咖啡堿的耐受性好，不良反應也少，咖啡堿被譽為新生兒醫(yī)學上的“銀子彈”。枸櫞酸咖啡因2013年豁免臨床試驗進入我國，是目前臨床上常用的一種精神興奮藥，常用于治療早產(chǎn)新生兒原發(fā)性呼吸暫停。國內(nèi)也有研究證明，維持劑量咖啡堿可以縮短早產(chǎn)兒的呼吸暫停時間，枸櫞酸咖啡因治療早產(chǎn)兒原發(fā)性呼吸暫停效果優(yōu)于氨茶堿，并且沒有明顯的不良反應增加。在使用呼吸機治療早產(chǎn)兒呼吸窘迫綜合征的研究中發(fā)現(xiàn)，撤機前1 h使用枸櫞酸咖啡因能有效提高早產(chǎn)兒撤機的成功率[18-21]。早產(chǎn)兒出生后72 h內(nèi)早期應用咖啡堿可以起到減少咖啡堿用量、縮短用氧時間和住院時間等，且早產(chǎn)兒無明顯不良反應[22]。

咖啡堿是目前治療支氣管發(fā)育不良的一線藥物，可降低發(fā)病率和病情的嚴重程度?？Х葔A能提高早產(chǎn)兒拔管的成功率，縮短通氣時間，并通過抑制肺部炎癥，減輕肺損傷，增強肺部抵御外來刺激的能力，從內(nèi)外兩方面共同作用，減輕早產(chǎn)兒支氣管炎發(fā)育不良的癥狀[23]。有研究表明，應用枸櫞酸咖啡因可以降低早產(chǎn)兒支氣管肺發(fā)育不良的概率，改善潮氣呼吸肺功能[24]。

枸櫞酸咖啡因能促進早產(chǎn)兒腦白質(zhì)髓鞘化發(fā)育、白質(zhì)纖維形成，減少智力和運動發(fā)育障礙的發(fā)生概率，且早產(chǎn)兒無明顯不良反應[25-26]。

此外，豬和羊在生產(chǎn)過程中由于產(chǎn)仔數(shù)多、體積大和分娩時間長等原因，導致產(chǎn)后幼崽死亡?？Х葔A可保護幼崽避免受到缺氧、缺血的不利影響，提高幼崽的呼吸功能、調(diào)節(jié)體溫能力和生命力，降低死胎概率，并且經(jīng)過咖啡堿處理的母豬乳汁產(chǎn)量也有提高[27]。

2. 抗疲勞

疲勞分為運動疲勞、精神疲勞、環(huán)境疲勞和免疫疲勞等類型，咖啡堿有提神醒腦的功能，能緩解精神疲勞和運動疲勞。以咖啡堿5 mg/kg、10 mg/kg、15 mg/kg，每天2次喂飼小鼠，均能提高其肝糖原儲備量，降低運動后乳酸濃度;中高劑量組可降低尿素氮水平，提高SOD活性，綜合來看，咖啡堿增強了小鼠運動耐力，有抗運動疲勞的功能[28]?？Х葔A可作為腺苷受體拮抗劑，通過調(diào)節(jié)肌肉收縮力，減少運動時對疲勞或疼痛的感知，降低主觀疲勞感，從而提高運動員的耐力素質(zhì)，且對心肺功能指標幾乎沒有影響[29-30]。

3. 改善精神障礙

老年人常出現(xiàn)睡眠質(zhì)量下降和記憶力降低的情況，咖啡堿可以改善學習和記憶能力。實驗表明，被剝奪72 h睡眠的小鼠，服用5～20 mg/kg咖啡堿可改善其學習記憶能力。作用機制可能與咖啡堿能增強大腦內(nèi)海馬抗氧化能力和膽堿能系統(tǒng)有關?？Х葔A能降低乙酰膽堿酯酶活力，提高乙酰膽堿含量，從而抑制了剝奪睡眠對小鼠大腦皮質(zhì)和海馬的氧化應激損傷[31]。

抑郁癥是以持久心情低落為主要特征的情感性精神障礙，極大影響了人們的身心健康。我國抑郁癥的患病率高達1.3%～1.5%?？Х葔A對小鼠的抑郁行為有部分改善作用，劑量與效果呈現(xiàn)一定的相關性。分別給予小鼠10～30 mg/kg咖啡堿、大鼠20～30 mg/kg咖啡堿，對抑郁的改善效果最好，當劑量達到60 mg/kg以上時，大鼠、小鼠的活動反而會減少，表現(xiàn)出抑郁狀況[32]。

4. 護肝

肝臟是身體內(nèi)以代謝功能為主的器官。肝臟疾病主要是由肝炎病毒引起，其次就是過量飲酒導致的酒精肝，炎癥對肝組織的破壞常常會導致肝纖維化，最終發(fā)展成為肝硬化?？Х葔A對急性酒精肝損傷具有保護作用，劑量5 mg/kg、15 mg/kg、30 mg/kg能顯著降低酒精肝損傷小鼠血清中的谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶含量和白介素-1β和腫瘤壞死因子-α水平，15 mg/kg和30 mg/kg處理能增強組織中SOD活性，30 mg/kg處理能顯著降低小鼠組織中的丙二醛含量，病理組織學顯示咖啡堿可以顯著改善干細胞脂肪變性[33]。咖啡堿也能在一定程度上抑制CCl4誘導的大鼠肝硬化，并提出抑制機制可能是咖啡堿能抑制肝炎反應，抑制相關細胞的活化和促進肝纖維化因子的表達，從而抑制肝纖維化[34]。

5. 保健飲劑開發(fā)

劉麗麗[35-38]發(fā)明了茶葉咖啡堿梨酵素中藥飲劑、咖啡堿果蔬復合酵素中藥飲劑、咖啡堿木瓜酵素中藥飲劑和咖啡堿青蘿卜酵素中藥飲劑及其制備方法。上述發(fā)明采用茶浸提液、紅茶咖啡堿提取液、小球藻藻粉、發(fā)酵菌和蔗糖配合其他果蔬原料，制備的梨酵素飲劑具有提神解乏功能，果蔬復合酵素具有潤嗓清肺功能，木瓜酵素有健脾消食的功能，青蘿卜酵素有促進胃腸蠕動、降低血脂、軟化血管和穩(wěn)定血壓的功能。

洪曉軒等[39]采用逆向工程技術，以葡萄糖、微晶纖維素、預膠化淀粉、麥芽糊精、硬脂酸鎂、膠態(tài)二氧化硅、咖啡堿為原料，以聚氯乙烯-鋁箔為包材，壓片制成的咖啡堿片劑。該片劑溶出和穩(wěn)定性好，并且能縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低成本。

咖啡堿攝入量過高也會有不良效果，單次超過250 mg，會引起神經(jīng)系統(tǒng)過度興奮，可能導致失眠、心悸、頭痛等不良反應。有學者研究了含咖啡堿保健品的安全性實驗，發(fā)現(xiàn)各組大鼠血常規(guī)、血生化均無明顯異常，臟器也未發(fā)現(xiàn)組織學病變[40]。可見，含咖啡堿的保健品安全性較高。

三、總結(jié)與展望

我國作為茶葉生產(chǎn)大國，具有豐富的茶葉資源，然而大量的夏秋茶資源并未得到充分利用。如果能從其中提取咖啡堿，開發(fā)成各種食品、飲料、藥品等功能產(chǎn)品，不僅有利于提高茶業(yè)經(jīng)濟效益，還可以為人們帶來健康效應。據(jù)報道，我國已經(jīng)研究提出了多種從茶葉中提取制備咖啡堿的方法，包括升華、溶劑萃取、離子沉淀、柱層析、超聲波提取及超臨界流體萃取等方法，可以為咖啡堿在食品與醫(yī)藥臨床方面的應用提供條件。

咖啡堿應用于能量飲料和食品，以及在藥品領域用于興奮劑、麻醉劑等，已經(jīng)較為普及，且咖啡堿用于早產(chǎn)兒呼吸暫停、支氣管和大腦發(fā)育不良等癥狀的治療已經(jīng)有較多研究。目前，國家開放二胎政策，高齡產(chǎn)婦數(shù)量增加，早產(chǎn)兒出現(xiàn)概率也會隨之增大，因此，咖啡堿用于開發(fā)早產(chǎn)兒并發(fā)癥的藥物有廣泛的應用前景。

茶葉中的咖啡堿對生物機體的影響是多重的，既有對神經(jīng)疾病、代謝類疾病和腫瘤預防和治療方面的積極作用，也有影響人體健康的負面作用，如嬰幼兒、孕婦和哺乳期的婦女攝入咖啡堿需要謹慎，仍然有很多未知的功能和機制尚未清晰，咖啡堿在將來很長時間仍然是醫(yī)學研究的熱點，還需要更多的研究來完善對咖啡堿的認識。

參考文獻

[1] 普冰清， 徐怡， 杜春華， 等. 不同茶葉中茶多酚類成分及咖啡堿含量研究[J]. 食品工業(yè)， 2017， 38（2）： 301-303.

[2] 張梁， 陳琪， 宛曉春， 等. 中國茶葉生物化學研究40年[J]. 中國茶葉， 2019， 41（9）： 1-10.

[3] 宛曉春， 李大祥， 張正竹， 等. 茶葉生物化學研究進展[J]. 茶葉科學， 2015， 35（1）： 1-10.

[4] 岳翠男， 王治會， 毛世紅， 等. 茶葉主要滋味物質(zhì)研究進展[J]. 食品研究與開發(fā)， 2017， 38（1）： 219-224.

[5] 宛曉春. 茶葉生物化學[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社， 2003.

[6] 吳命燕， 范方媛， 梁月榮， 等. 咖啡堿的生理功能及其作用機制[J]. 茶葉科學， 2010， 30（4）： 5-12.

[7] 易超然， 衛(wèi)中慶. 咖啡因的藥理作用和應用[J]. 醫(yī)學研究生學報， 2005， 18（3）： 270-272.

[8] 薛山. 咖啡因生理功效， 脫除技術及研究趨勢[J]. 食品與機械， 2013， 29（1）： 232-235.

[9] ANITEI M， SCHUHFRIED G， CHRAIF M. The influence of energy drinks and caffeine on time reaction and cognitive processes in young Romanian students[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2011， 30： 662-670.

[10] GILES G E， MAHONEY C R， BRUNYé T T， et al. Differential cognitive effects of energy drink ingredients： Caffeine， taurine， and glucose[J]. Pharmacology Biochemistry & Behavior， 2012， 102（4）： 569-577.

[11] NAKAMURA D， TANABE Y， ARIMITSU T， et al. Low caffeine

dose improves intermittent sprint performance in hot and humid

environments[J]. Journal of Thermal Biology， 2020， 93（3）： 1-8.

[12] HASKELL C F， KENNEDY D O， WESNES K A， et al. Cognitive and mood improvements of caffeine in habitual consumers and habitual non-consumers of caffeine[J]. Psychopharmacology， 2005， 179 （4）： 813-825.

[13] ULENIUS L， ADERMARK L， S?DERPALM B， et al. Energy drink constituents （caffeine and taurine） selectively potentiate ethanol-induced locomotion in mice[J]. Pharmacology Biochemistry and Behavior， 2019， 187： 1-3.

[14] MORRIS C， ELGAR J. Impact of caffeine and information relating to caffeine on young adults' liking， healthiness perception and intended use of model energy drinks[J]. LWT - Food Science and Technology， 2020， 132： 1-8.

[15] KEAST R， RIDDELL L J. Caffeine as a flavor additive in soft-drinks

[J]. Appetite， 2007， 49（1）： 255-259.

[16] 宮郁郁， 房彥軍. 咖啡堿在軍用食品中的應用及進展[J]. 解放軍預防醫(yī)學雜志， 2020， 38（9）： 142-145.

[17] 邵苗. 淀粉基咖啡因微膠囊的制備、性質(zhì)及在提神巧克力中的應用研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2020.

[18] 徐頌周， 胡曉艷， 趙方， 等. 不同維持劑量咖啡因治療早產(chǎn)兒呼吸暫停的療效比較[J]. 兒科藥學雜志， 2016， 22（9）： 14-16.

[19] 楊伊琳. 不同維持量枸櫞酸咖啡因治療早產(chǎn)兒呼吸暫停的效果比較[J]. 廣東醫(yī)學， 2017， 38（z1）： 246-250.

[20] 吳敏芝. 咖啡因防治早產(chǎn)兒呼吸暫停的群體藥代動力學研究[D]. 廣州： 廣州醫(yī)科大學， 2017.

[21] 姚嶺松， 林新祝， 黃靜，等. 撤機前加用一劑維持量咖啡因在早產(chǎn)兒呼吸窘迫綜合征中的應用價值[J]. 中國當代兒科雜志， 2021， 23（1）： 31-36.

[22] 楊洋， 程銳， 吳琦， 等. 不同起始時間應用咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒安全性及有效性的評估： 一項江蘇省多中心研究[J]. 中國當代兒科雜志， 2020， 22（2）： 49-54.

[23] 趙偉明， 馬俐. 咖啡因?qū)χ夤芊伟l(fā)育不良的預防作用研究進展[J]. 臨床兒科雜志， 2019， 37（7）： 553-556.

[24] 邢景月. 早期應用枸櫞酸咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒支氣管肺發(fā)育不良的預防作用[D]. 鄭州： 鄭州大學， 2019.

[25] 楊林. 早期應用枸櫞酸咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒腦發(fā)育及神經(jīng)預后的影響[D]. 鄭州： 鄭州大學， 2018.

[26] LIU S， ZHANG X， LIU Y， et al. Early application of caffeine improves white matter development in very preterm infants[J]. Respiratory Physiology & Neurobiology， 2020， 281： 1-8.

[27] SWINBOURNE A M， KIND K L， FLINN T， et al. Caffeine： a potential strategy to improve survival of neonatal pigs and? sheep[J].

Animal Reproduction Science， 2021， 226： 1-10.

[28] 李淑翠， 張敏， 陳向明， 等. 咖啡因抗運動性疲勞作用的實驗研究[J]. 中國食品添加劑， 2012（3）： 120-124.

[29] 張欣. 咖啡因?qū)w育教育專業(yè)大學生耐力素質(zhì)的影響[D]. 沈陽： 沈陽體育學院， 2017.

[30] SPRIET， LAWRENCE L. Exercise and sport performance with low

doses of caffeine [J]. Sports Medicine， 2014， 44（2S）： 175-184.

[31] 李祖成， 亢澤春， 李淑翠， 等. 咖啡因?qū)λ邉儕Z老齡小鼠學習記憶及海馬抗氧化能力和膽堿能系統(tǒng)的影響[J]. 中國老年學雜志， 2016， 36（11）： 2583-2585.

[32] 黃曉雪， 張錦坤. 咖啡因?qū)UMS抑郁模型小鼠行為的影響[J]. 實驗動物科學， 2014， 31（3）： 15-20.

[33] 陳震， 呂雄文， 李俊， 等. 咖啡因?qū)π∈蠹毙跃凭愿螕p傷的保護作用[J]. 安徽醫(yī)科大學學報， 2009， 44（3）： 359-362.

[34] 曾熹. 咖啡因治療大鼠肝纖維化的實驗性研究[D]. 長沙： 中南大學， 2014.

[35] 劉麗麗. 一種茶葉咖啡堿青蘿卜酵素中藥飲劑及其制備方法： 107439875A[P]. 2017-12-08.

[36] 劉麗麗. 一種茶葉咖啡堿木瓜酵素中藥飲劑及其制備方法： 107441250A[P]. 2017-12-08.

[37] 劉麗麗. 一種茶葉咖啡堿果蔬復合酵素中藥飲劑及其制備方法： 107439748A[P]. 2017-12-08.

[38] 劉麗麗. 一種茶葉咖啡堿梨酵素中藥飲劑及其制備方法： 107441251A[P]. 2017-12-08.

[39] 洪曉軒， 王增明， 高靜， 等. 逆向工程在咖啡因片制劑開發(fā)中的應用[J]. 國際藥學研究雜志 2020， 47（9）： 756-764.

[40] 傅劍云， 陳苘， 張世鑫， 等. 含咖啡因保健食品30天喂養(yǎng)實驗受試物處理與評價[J]. 預防醫(yī)學， 2016， 28（7）： 649-653.