咖啡因生理功效、脫除技術(shù)及研究趨勢

薛 山

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)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?？Х纫蚴且环N天然的殺蟲劑，存在于60余種植物的果實(shí)、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(jié)晶；水合物可在空氣中風(fēng)化，80 ℃失去結(jié)晶水；大鼠經(jīng)口LD50 為192mg／kg，一般被認(rèn)為是安全的［1］?？Х纫蚴且环N中樞神經(jīng)興奮劑，可影響神經(jīng)系統(tǒng)的活性，其在體內(nèi)的代謝符合化學(xué)動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)，過程非常復(fù)雜?，F(xiàn)如今，咖啡因已廣泛用于食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域，尤其是可樂型及含咖啡因的能量型飲料行業(yè)，但有關(guān)咖啡因的報(bào)道備受關(guān)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(duì)人類的生理系統(tǒng)有諸多有利的影響，對(duì)健康且未懷孕的成人是安全的［2］。

1．1．1 興奮神經(jīng)，機(jī)能促進(jìn) 咖啡因可興奮呼吸中樞以及血管運(yùn)動(dòng)中樞，是一種“機(jī)能增進(jìn)劑”?？Х纫?qū)ι窠?jīng)系統(tǒng)的興奮作用被認(rèn)為是通過拮抗中樞腺苷受體實(shí)現(xiàn)的，其作用原理是基于對(duì)中樞神經(jīng)的刺激效應(yīng)，使得細(xì)胞CAMP 含量升高，有利于兒茶酚胺的合成與釋放，從而對(duì)心血管系統(tǒng)產(chǎn)生正性調(diào)節(jié)作用。翟心慧等［3］采用細(xì)胞外電極引導(dǎo)法和離體心臟灌流法觀察咖啡因?qū)χ腥A大蟾蜍離體坐骨神經(jīng)干及離體心臟的影響，結(jié)果證實(shí)咖啡因有興奮神經(jīng)及強(qiáng)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(yùn)動(dòng)閥，增加身體靈活度，提高運(yùn)動(dòng)能力。研究［4］發(fā)現(xiàn)，咖啡因能夠提高運(yùn)動(dòng)成績，包括主觀的體力和耐力。

1．1．2 提升認(rèn)知能力 咖啡因能夠引起“心理能量”的增加，具有提升認(rèn)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(duì)視覺注意力系統(tǒng)有著差異化的作用，而這種作用會(huì)影響腦區(qū)中的介導(dǎo)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(gè)體警覺以及視覺注意力的控制能力，這個(gè)結(jié)果對(duì)咖啡因、腺苷和多巴胺理論上在大腦介導(dǎo)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(gè)隨機(jī)雙盲單一口服咖啡因（80 mg）或安慰劑的交叉研究，結(jié)果表明咖啡因與生理和行為能力的激發(fā)有關(guān)，對(duì)注意力障礙綜合征等疾病很有幫助。

1．1．3 保護(hù)心腦血管 咖啡因可抑制環(huán)磷酸腺苷轉(zhuǎn)化為環(huán)磷酸鳥苷，從而擴(kuò)張血管，增加管壁彈性，促進(jìn)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(guān)系，且長期慢性的每日飲用咖啡與罹患中風(fēng)的危險(xiǎn)性呈顯著的反比。Barry等［10］研究認(rèn)為咖啡因興奮的水平與增加的皮膚電導(dǎo)水平、增加的呼吸頻率以及α－功率的整體減弱有關(guān)，且未引起由咖啡因誘導(dǎo)的顯著的心血管興奮效應(yīng)。

最新流行病學(xué)研究［11］證實(shí)，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(hù)形成的神經(jīng)細(xì)胞不受抗β－淀粉樣蛋白毒性的破壞，此效果由腺苷A2A 產(chǎn)生，而非模仿A1受體拮抗劑，這為阿爾茨海默病的預(yù)防提供了啟示。此外，Palacios等［12］報(bào)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(guān)，但其對(duì)于婦女的影響暫不太清楚，推測是受絕經(jīng)后雌激素的影響。

1．1．4 支持早產(chǎn)嬰兒呼吸 咖啡因能夠敏感的刺激機(jī)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(chǎn)兒呼吸暫停常用的一種呼吸興奮劑。Davis等［13］證實(shí)了咖啡因能對(duì)早產(chǎn)嬰兒呼吸產(chǎn)生有利的影響。Montandon等［14］認(rèn)為咖啡因治療新生兒呼吸的影響直到成年后可能會(huì)繼續(xù)存在，尤其是在預(yù)產(chǎn)期的咖啡因治療易改變嬰兒呼吸控制系統(tǒng)的神經(jīng)調(diào)節(jié)，但對(duì)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(jìn)腎臟機(jī)能，排出體內(nèi)多余的鈉離子，提高排尿量（高達(dá)30%），改善腹脹水腫，有助于減重瘦身?？Х纫虿粌H能夠通過促進(jìn)腎中尿液水的濾出率和刺激膀胱這兩條途徑來實(shí)現(xiàn)利尿作用；還可以提高肝臟對(duì)物質(zhì)的代謝能力，增強(qiáng)血液循環(huán)，比如通過對(duì)腎臟的刺激作用使酒精由尿液迅速排出人體，從而達(dá)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(jīng)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(dāng)一個(gè)正常體重非運(yùn)動(dòng)的健康男性攝入僅50mg的咖啡因，其靜息能量消耗30min內(nèi)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(qiáng)其鎮(zhèn)痛的功效，還能夠刺激交感神經(jīng)，促使胃腸分泌胃酸和蠕動(dòng)激素，從而增進(jìn)食欲，有助消化。咖啡因能夠促進(jìn)交感神經(jīng)且抑制副交感神經(jīng)，避免副交感神經(jīng)興奮而發(fā)作氣喘病。其內(nèi)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(hù)肝臟性能［16］，降低大腸癌患病風(fēng)險(xiǎn)［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(fù)面生理功效

長期慢性或一次性大劑量（＞400 mg）攝取咖啡因會(huì)出現(xiàn)一系列的身體與心理的不良反應(yīng)，比如興奮過度，神經(jīng)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(jí)中樞和骨髓。最近，有報(bào)道［18］稱，咖啡因能夠增加產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致兒童和青少年產(chǎn)生睡眠障礙和依賴成癮性；對(duì)嚙齒類動(dòng)物而言，攝入的咖啡因可能會(huì)跟多巴胺類的精神興奮劑一樣產(chǎn)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(rèn)為咖啡因?qū)θ祟惗允前踩?，即使過量其副作用是暫時(shí)的且可以恢復(fù)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(nèi)發(fā)育遲緩、FGR 發(fā)生率升高。Chen等［21］認(rèn)為，咖啡因治療會(huì)導(dǎo)致肌纖維和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的缺陷，尤其是次運(yùn)動(dòng)神經(jīng)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?qū)υ缙谂咛グl(fā)育的致畸作用知之甚少。

1．2．3 其它 咖啡因不僅會(huì)抑制十二指腸對(duì)鈣質(zhì)的吸收、增加尿中鈣的排出，還將促進(jìn)胃酸的分泌，因此，持續(xù)高劑量的攝入會(huì)導(dǎo)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(huì)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(shí)，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(jīng)紊亂等癥狀；高劑量的攝入可使婦女在懷孕期間增加流產(chǎn)及相關(guān)獨(dú)立妊娠癥狀的風(fēng)險(xiǎn)［23］。Nardi等［24］研究認(rèn)為咖啡因的攝入可能會(huì)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(huì)焦慮癥或社交焦慮癥。此外，由116 363名婦女參加的一項(xiàng)長達(dá)16年的前瞻性研究顯示［25］，日常消費(fèi)400mg以上咖啡因?qū)Πd癇發(fā)病的風(fēng)險(xiǎn)并沒有影響；由健康專業(yè)人員追蹤調(diào)查3 497人罹患Ⅱ型糖尿病的研究［26］證實(shí)，習(xí)慣性咖啡消費(fèi)與患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)也并無關(guān)系。

2 脫除技術(shù)

2．1 超臨界CO2 萃?。⊿C－CO2）

SC－CO2技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型分離技術(shù)，其利用壓力和溫度對(duì)超臨界流體溶解能力的影響作用選擇性的分離提純目標(biāo)物質(zhì)，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(shù)，其具有無毒、不易燃、價(jià)格低廉、最大程度保持原材料有效成分等優(yōu)點(diǎn)。Park等［27］運(yùn)用SC－CO2法脫除綠茶中的咖啡因，并用響應(yīng)面法進(jìn)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(huì)對(duì)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(shí)間120 min／10g綠茶，經(jīng)優(yōu)化咖啡因的脫除率可達(dá)96．60% （m／m）。Park等［28］還證實(shí)，夾帶劑對(duì)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(shí)，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(duì)試驗(yàn)的影響較大，當(dāng)SC－CO2法的參數(shù)為95% （V／V）乙醇7．0g／100g CO2，70 ℃，持續(xù)時(shí)間120min時(shí)，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(dá)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(shí)盡可能地維持綠茶中原有兒茶素的含量。通過對(duì)溫度、壓力、水分含量等試驗(yàn)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(guān)，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，咖啡因／兒茶素與傳統(tǒng)夾帶劑水和有機(jī)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(shí)，有研究［30］顯示利用超臨界萃取技術(shù)對(duì)茶葉粉末中的咖啡因進(jìn)行脫除時(shí)，茶葉粉末的顆粒越小，咖啡因的脫除率越高，且當(dāng)CO2流量增加時(shí)，咖啡因和兒茶素的總提取率增加，單位質(zhì)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(shí)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(gè)因素對(duì)茶葉中咖啡因脫除率的影響，結(jié)果顯示：萃取壓力35 MPa、萃取溫度80 ℃、夾帶劑70%乙醇（與茶葉質(zhì)量比為1．2∶l）時(shí)，脫除率最高（48．96%）。

2．2 微波增強(qiáng)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(zhì)內(nèi)目標(biāo)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(guān)重要。微波增強(qiáng)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(jìn)技術(shù)。有研究［32］已證實(shí)，微波輔助萃取可應(yīng)用于茶葉和可可中咖啡因的脫除。Lou等［33］研究證實(shí)，MVIE 能夠有效的選擇性的脫除綠茶中的咖啡因，當(dāng)液料比10∶1（V ∶m），微波提取時(shí)間6 min，微波功率350 W，真空冰水提取2．5h時(shí)，咖啡因的脫除率可高達(dá)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(chǎn)中推廣應(yīng)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(xué)反應(yīng)及分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化等共同作用的結(jié)果，其原理基于3個(gè)方面：①升壓時(shí)，溶劑快速滲入細(xì)胞內(nèi)；②保壓時(shí)，有效成分充分溶解在溶劑中；③卸壓時(shí)，溶解了有效成分的溶液從細(xì)胞內(nèi)釋放出來，從而達(dá)到分離純化的目的，常用于中藥中生物活性物質(zhì)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(yīng)用。試驗(yàn)通過對(duì)比不同提取方法（在室溫下提取、超聲提取和加熱回流提?。┖驮O(shè)定不同試驗(yàn)參數(shù)：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(shí)間（1～10min）和液固比（10∶1～25∶1，V∶m），最終確定當(dāng)乙醇濃度50% （V／V），液固比為20∶1（V∶m），壓力500 MPa，保 壓 時(shí) 間1 min 時(shí)，脫 除 率 最 高，可 達(dá)（4．0±0．22）%。該方法提取率高、用時(shí)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(duì)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(jié)果表明，吸附時(shí)間2h，活性炭用量0．125g／mL，溫度40 ℃，質(zhì)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(zhì)量比由原來的6．9增至64．8，且活性炭可以重復(fù)使用，在整個(gè)試驗(yàn)過程中無需使用有機(jī)溶劑和昂貴的設(shè)備。此外，最新研究［37］報(bào)道，活性炭粒狀固定床法已成功應(yīng)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(shù)，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(dá)80%，同時(shí)，咖啡因可作為衡量臭氧對(duì)農(nóng)藥等有害物質(zhì)干擾和清除情況的一個(gè)指標(biāo)。此外，動(dòng)態(tài)微波輔助萃?。―MAE）－在線檢測法選擇性強(qiáng)、靈敏度、回收率高［40］。高效連續(xù)色譜柱吸附提取法（CCE）設(shè)備簡單，溶劑消耗低，可用于高品質(zhì)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(chǎn)［41］。

3 脫除技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科研的不斷進(jìn)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(yīng)用于醫(yī)藥配伍、增效和標(biāo)記，還成功推廣到了化妝、洗護(hù)及減肥類等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，引領(lǐng)了生活新的消費(fèi)趨勢。目前，脫咖啡因的技術(shù)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(dǎo)致其它風(fēng)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(chǎn)，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(jìn)的輔助技術(shù)更為便捷、靈敏、高效，是咖啡因脫除技術(shù)發(fā)展的新趨勢?？傮w而言，咖啡因脫除技術(shù)的研究與應(yīng)用需要綜合考慮原料的性質(zhì)、產(chǎn)品的類型以及環(huán)境對(duì)產(chǎn)品安全性影響等因素，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，合理建立多種方法配用，力爭探索出既能保持傳統(tǒng)產(chǎn)品特色，又安全、環(huán)保、高效率、低成本、強(qiáng)可操作性的工藝技術(shù)。

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