茶叶中咖啡碱的开发利用

2021-09-10王伟伟张建勇王蔚乐婷UlrichH.Engelhardt江和源

中国茶叶 2021年5期

关键词：保健品药品食品

王伟伟张建勇王蔚乐婷 Ulrich H. Engelhardt 江和源

摘要：咖啡碱是茶叶中最为重要的活性物质之一，具有较多药理功能。茶叶中的咖啡碱，已经实现了工业化的提取制备，在饮料、速食食品、保健品以及药品等领域得到了较多的应用，并有较好的发展前景。

关键词：咖啡碱;食品;保健品;药品

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

茶叶中含有丰富的生物碱类物质，其中绝大部分是咖啡碱，属于茶叶的特征性物质之一。咖啡碱作为茶叶中含量最高的一类生物碱，在茶鲜叶中的含量为2%～5%。茶叶中咖啡碱的含量随着茶树品种、生长季节和采摘嫩度不同呈现出差异，一般来说，细嫩茶叶中含量比粗老叶高，不同季节茶叶中咖啡碱含量表现为春茶>夏茶>秋茶[1-5]。

咖啡碱是一种甲基黄嘌呤，分子结构式为C8H10N4O2，具有白色、无臭、有苦味等特征，苦味阈值约为500 μmol/L，易溶于水和乙醇，对光和热的稳定性较好。

咖啡碱对人体具有保健功效，是目前世界上最广泛的精神类药物之一。研究表明，咖啡碱具有兴奋中枢神经、提高记忆力、增加警觉度、减少疲劳感、缩短反应时间、消毒灭菌、抗氧化和抗癌等功能，还有助消化、利尿、醒酒，影响呼吸作用和新陈代谢的功能，并且可以防治阿尔兹海默症和糖尿病等病症[6-8]。

一、咖啡碱在食品中的应用

咖啡碱是茶叶中存在的最为重要的生物碱类，在食品加工领域主要用于能量饮料的开发，也有将咖啡碱添加到巧克力、饼干中或拼配速溶粉用以开发具有提神、提高免疫力、缓解疲劳等功能的食品。美国、加拿大、英国、瑞典和芬兰等国成人人均日咖啡碱消费量达到200～400 mg。

1. 飲料

咖啡碱是能量饮料中常见的成分。含咖啡碱的能量饮料一般用于刺激神经、消除疲劳、提高反应能力和思考力。当今社会，约90%成年人饮用咖啡、茶和可乐等含咖啡碱的能量饮料，美国的软饮料中有60%以上含咖啡碱。

对有咖啡碱消费习惯的顾客，统计学调查研究发现，咖啡碱能增强执行控制力和记忆力，可以减少疲劳感、增强紧张感和活力[9-10]。Daisuke等[11]研究了运动员服用咖啡碱对运动成绩的影响，发现8名足球运动员在运动前60 min服用咖啡碱，可以改善间歇性运动的成绩，在炎热环境下不会影响体温调节反应。Haskell等[12]研究发现，咖啡碱能缩短人的反应时间，提高警惕性和对视觉刺激的应变能力。Lisa等[13]研究发现，含咖啡碱的能量饮料可以增强运动能力，在一定剂量范围内可以增强乙醇的运动刺激特性。

对含咖啡碱的能量饮料感知和喜好研究发现，含咖啡碱浓度较高时可以被消费者发现，但是对消费者喜好影响不大，当明确告知能量饮料中含有咖啡碱，会对消费者的喜好有负面影响，并且含咖啡碱的能量饮料在美国常用于和酒共同饮用，但咖啡碱与酒精一起饮用可能会存在问题[14]。因咖啡碱具有苦味，添加于饮料中时需要通过高倍的甜味剂来掩盖，咖啡碱在不同甜味剂中的阈值不同，但是，大家较难将加咖啡碱和不加咖啡碱的可乐饮料区分开来[15]。

含咖啡碱的能量饮料具有较多功能，但大量饮用也会带来一定问题，尤其是特殊人群，欧盟的法规要求，不建议儿童、孕妇或哺乳期妇女饮用咖啡碱含量高于150 mg/L的饮料。国内外对含咖啡碱饮料都作出了明确的规定：一杯现煮咖啡中约含咖啡碱90 mg，国家标准《咖啡类饮料》（GB/T 30767—2014）规定低咖啡碱咖啡饮料中咖啡碱含量≤50 mg/kg，浓咖啡饮料中咖啡碱含量≥200 mg/kg。国家标准《茶饮料》（GB/T 21733—2008）规定茶叶饮料中咖啡碱含量≥40 mg/ kg。可乐和能量饮料中咖啡碱为外源添加，一般能量饮料中咖啡碱的添加量为40～60 mg/罐，可乐为20～30 mg/罐。

2. 速食食品

由于咖啡碱的特殊性，其在国内速食食品领域应用并不多，但在国外军用食品中却有广泛应用，一般含咖啡碱的军用食品有茶叶、咖啡、巧克力和其他饮料等。含咖啡碱的食品可以提高士兵的作战能力，美国、俄罗斯、瑞士、德国等的野战军、海军和空军等的口粮中都含有茶叶或速溶茶粉、咖啡和巧克力等含咖啡碱的食品，含咖啡碱的食品还可以减缓长期在严寒、酷暑、丛林等恶劣环境下作战的士兵睡眠不足和注意力不集中等问题[16]。

咖啡碱的强烈苦味，对其在食品工业上的应用带来一定的影响。邵苗[17]研究了淀粉对咖啡碱进行吸附和包埋作用，发现咖啡碱-淀粉的微胶囊结构能有效抑制咖啡碱的苦味，并开发了提神巧克力，评价表明咖啡碱-多孔淀粉微胶囊巧克力硬度适中，咀嚼性良好，具有巧克力特有风味，无明显苦味，且具有明显的提神效果，储藏8周后巧克力的稳定性良好。

二、咖啡碱在保健和医药领域的应用

目前，咖啡碱在药品领域主要用于兴奋剂、麻醉剂、强心针、镇痛剂、利尿剂等，保健品领域主要用于抗疲劳和改善精神障碍等方面，也有新的功能发现。

1. 用于早产儿的治疗

早产儿常会带有多种并发症，如呼吸暂停、支气管肺发育不良、脑瘫等。

呼吸暂停会使婴儿的大脑和其他脏器发生缺氧性损伤。胎龄小于29周的早产儿基本都会出现呼吸暂停现象，胎龄越小，体重越轻，发生的概率越大。咖啡碱是治疗早产儿呼吸暂停的一类药物，在发达国家已普遍使用，上世纪70年代，咖啡碱已在欧美国家作为首选药物治疗早产儿呼吸暂停，且早产儿对咖啡碱的耐受性好，不良反应也少，咖啡碱被誉为新生儿医学上的“银子弹”。枸橼酸咖啡因2013年豁免临床试验进入我国，是目前临床上常用的一种精神兴奋药，常用于治疗早产新生儿原发性呼吸暂停。国内也有研究证明，维持剂量咖啡碱可以缩短早产儿的呼吸暂停时间，枸橼酸咖啡因治疗早产儿原发性呼吸暂停效果优于氨茶碱，并且没有明显的不良反应增加。在使用呼吸机治疗早产儿呼吸窘迫综合征的研究中发现，撤机前1 h使用枸橼酸咖啡因能有效提高早产儿撤机的成功率[18-21]。早产儿出生后72 h内早期应用咖啡碱可以起到减少咖啡碱用量、缩短用氧时间和住院时间等，且早产儿无明显不良反应[22]。

咖啡碱是目前治疗支气管发育不良的一线药物，可降低发病率和病情的严重程度。咖啡碱能提高早产儿拔管的成功率，缩短通气时间，并通过抑制肺部炎症，减轻肺损伤，增强肺部抵御外来刺激的能力，从内外两方面共同作用，减轻早产儿支气管炎发育不良的症状[23]。有研究表明，应用枸橼酸咖啡因可以降低早产儿支气管肺发育不良的概率，改善潮气呼吸肺功能[24]。

枸橼酸咖啡因能促进早产儿脑白质髓鞘化发育、白质纤维形成，减少智力和运动发育障碍的发生概率，且早产儿无明显不良反应[25-26]。

此外，猪和羊在生产过程中由于产仔数多、体积大和分娩时间长等原因，导致产后幼崽死亡。咖啡碱可保护幼崽避免受到缺氧、缺血的不利影响，提高幼崽的呼吸功能、调节体温能力和生命力，降低死胎概率，并且经过咖啡碱处理的母猪乳汁产量也有提高[27]。

2. 抗疲劳

疲劳分为运动疲劳、精神疲劳、环境疲劳和免疫疲劳等类型，咖啡碱有提神醒脑的功能，能缓解精神疲劳和运动疲劳。以咖啡碱5 mg/kg、10 mg/kg、15 mg/kg，每天2次喂饲小鼠，均能提高其肝糖原储备量，降低运动后乳酸浓度;中高剂量组可降低尿素氮水平，提高SOD活性，综合来看，咖啡碱增强了小鼠运动耐力，有抗运动疲劳的功能[28]。咖啡碱可作为腺苷受体拮抗剂，通过调节肌肉收缩力，减少运动时对疲劳或疼痛的感知，降低主观疲劳感，从而提高运动员的耐力素质，且对心肺功能指标几乎没有影响[29-30]。

3. 改善精神障碍

老年人常出现睡眠质量下降和记忆力降低的情况，咖啡碱可以改善学习和记忆能力。实验表明，被剝夺72 h睡眠的小鼠，服用5～20 mg/kg咖啡碱可改善其学习记忆能力。作用机制可能与咖啡碱能增强大脑内海马抗氧化能力和胆碱能系统有关。咖啡碱能降低乙酰胆碱酯酶活力，提高乙酰胆碱含量，从而抑制了剥夺睡眠对小鼠大脑皮质和海马的氧化应激损伤[31]。

抑郁症是以持久心情低落为主要特征的情感性精神障碍，极大影响了人们的身心健康。我国抑郁症的患病率高达1.3%～1.5%。咖啡碱对小鼠的抑郁行为有部分改善作用，剂量与效果呈现一定的相关性。分别给予小鼠10～30 mg/kg咖啡碱、大鼠20～30 mg/kg咖啡碱，对抑郁的改善效果最好，当剂量达到60 mg/kg以上时，大鼠、小鼠的活动反而会减少，表现出抑郁状况[32]。

4. 护肝

肝脏是身体内以代谢功能为主的器官。肝脏疾病主要是由肝炎病毒引起，其次就是过量饮酒导致的酒精肝，炎症对肝组织的破坏常常会导致肝纤维化，最终发展成为肝硬化。咖啡碱对急性酒精肝损伤具有保护作用，剂量5 mg/kg、15 mg/kg、30 mg/kg能显著降低酒精肝损伤小鼠血清中的谷丙转氨酶、谷草转氨酶含量和白介素-1β和肿瘤坏死因子-α水平，15 mg/kg和30 mg/kg处理能增强组织中SOD活性，30 mg/kg处理能显著降低小鼠组织中的丙二醛含量，病理组织学显示咖啡碱可以显著改善干细胞脂肪变性[33]。咖啡碱也能在一定程度上抑制CCl4诱导的大鼠肝硬化，并提出抑制机制可能是咖啡碱能抑制肝炎反应，抑制相关细胞的活化和促进肝纤维化因子的表达，从而抑制肝纤维化[34]。

5. 保健饮剂开发

刘丽丽[35-38]发明了茶叶咖啡碱梨酵素中药饮剂、咖啡碱果蔬复合酵素中药饮剂、咖啡碱木瓜酵素中药饮剂和咖啡碱青萝卜酵素中药饮剂及其制备方法。上述发明采用茶浸提液、红茶咖啡碱提取液、小球藻藻粉、发酵菌和蔗糖配合其他果蔬原料，制备的梨酵素饮剂具有提神解乏功能，果蔬复合酵素具有润嗓清肺功能，木瓜酵素有健脾消食的功能，青萝卜酵素有促进胃肠蠕动、降低血脂、软化血管和稳定血压的功能。

洪晓轩等[39]采用逆向工程技术，以葡萄糖、微晶纤维素、预胶化淀粉、麦芽糊精、硬脂酸镁、胶态二氧化硅、咖啡碱为原料，以聚氯乙烯-铝箔为包材，压片制成的咖啡碱片剂。该片剂溶出和稳定性好，并且能缩短产品生产周期、降低成本。

咖啡碱摄入量过高也会有不良效果，单次超过250 mg，会引起神经系统过度兴奋，可能导致失眠、心悸、头痛等不良反应。有学者研究了含咖啡碱保健品的安全性实验，发现各组大鼠血常规、血生化均无明显异常，脏器也未发现组织学病变[40]。可见，含咖啡碱的保健品安全性较高。

三、总结与展望

我国作为茶叶生产大国，具有丰富的茶叶资源，然而大量的夏秋茶资源并未得到充分利用。如果能从其中提取咖啡碱，开发成各种食品、饮料、药品等功能产品，不仅有利于提高茶业经济效益，还可以为人们带来健康效应。据报道，我国已经研究提出了多种从茶叶中提取制备咖啡碱的方法，包括升华、溶剂萃取、离子沉淀、柱层析、超声波提取及超临界流体萃取等方法，可以为咖啡碱在食品与医药临床方面的应用提供条件。

咖啡碱应用于能量饮料和食品，以及在药品领域用于兴奋剂、麻醉剂等，已经较为普及，且咖啡碱用于早产儿呼吸暂停、支气管和大脑发育不良等症状的治疗已经有较多研究。目前，国家开放二胎政策，高龄产妇数量增加，早产儿出现概率也会随之增大，因此，咖啡碱用于开发早产儿并发症的药物有广泛的应用前景。

茶叶中的咖啡碱对生物机体的影响是多重的，既有对神经疾病、代谢类疾病和肿瘤预防和治疗方面的积极作用，也有影响人体健康的负面作用，如婴幼儿、孕妇和哺乳期的妇女摄入咖啡碱需要谨慎，仍然有很多未知的功能和机制尚未清晰，咖啡碱在将来很长时间仍然是医学研究的热点，还需要更多的研究来完善对咖啡碱的认识。

参考文献

[1] 普冰清，徐怡，杜春華，等. 不同茶叶中茶多酚类成分及咖啡碱含量研究[J]. 食品工业， 2017， 38（2）： 301-303.

[2] 张梁，陈琪，宛晓春，等. 中国茶叶生物化学研究40年[J]. 中国茶叶， 2019， 41（9）： 1-10.

[3] 宛晓春，李大祥，张正竹，等. 茶叶生物化学研究进展[J]. 茶叶科学， 2015， 35（1）： 1-10.

[4] 岳翠男，王治会，毛世红，等. 茶叶主要滋味物质研究进展[J]. 食品研究与开发， 2017， 38（1）： 219-224.

[5] 宛晓春. 茶叶生物化学[M]. 北京：中国农业出版社， 2003.

[6] 吴命燕，范方媛，梁月荣，等. 咖啡碱的生理功能及其作用机制[J]. 茶叶科学， 2010， 30（4）： 5-12.

[7] 易超然，卫中庆. 咖啡因的药理作用和应用[J]. 医学研究生学报， 2005， 18（3）： 270-272.

[8] 薛山. 咖啡因生理功效，脱除技术及研究趋势[J]. 食品与机械， 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， SÖDERPALM 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] 宫郁郁，房彦军. 咖啡碱在军用食品中的应用及进展[J]. 解放军预防医学杂志， 2020， 38（9）： 142-145.

[17] 邵苗. 淀粉基咖啡因微胶囊的制备、性质及在提神巧克力中的应用研究[D]. 广州：华南理工大学， 2020.

[18] 徐颂周，胡晓艳，赵方，等. 不同维持剂量咖啡因治疗早产儿呼吸暂停的疗效比较[J]. 儿科药学杂志， 2016， 22（9）： 14-16.

[19] 杨伊琳. 不同维持量枸橼酸咖啡因治疗早产儿呼吸暂停的效果比较[J]. 广东医学， 2017， 38（z1）： 246-250.

[20] 吴敏芝. 咖啡因防治早产儿呼吸暂停的群体药代动力学研究[D]. 广州：广州医科大学， 2017.

[21] 姚岭松，林新祝，黄静，等. 撤机前加用一剂维持量咖啡因在早产儿呼吸窘迫综合征中的应用价值[J]. 中国当代儿科杂志， 2021， 23（1）： 31-36.

[22] 杨洋，程锐，吴琦，等. 不同起始时间应用咖啡因对早产儿安全性及有效性的评估：一项江苏省多中心研究[J]. 中国当代儿科杂志， 2020， 22（2）： 49-54.

[23] 趙伟明，马俐. 咖啡因对支气管肺发育不良的预防作用研究进展[J]. 临床儿科杂志， 2019， 37（7）： 553-556.

[24] 邢景月. 早期应用枸橼酸咖啡因对早产儿支气管肺发育不良的预防作用[D]. 郑州：郑州大学， 2019.

[25] 杨林. 早期应用枸橼酸咖啡因对早产儿脑发育及神经预后的影响[D]. 郑州：郑州大学， 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，张敏，陈向明，等. 咖啡因抗运动性疲劳作用的实验研究[J]. 中国食品添加剂， 2012（3）： 120-124.

[29] 张欣. 咖啡因对体育教育专业大学生耐力素质的影响[D]. 沈阳：沈阳体育学院， 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，亢泽春，李淑翠，等. 咖啡因对睡眠剥夺老龄小鼠学习记忆及海马抗氧化能力和胆碱能系统的影响[J]. 中国老年学杂志， 2016， 36（11）： 2583-2585.

[32] 黄晓雪，张锦坤. 咖啡因对CUMS抑郁模型小鼠行为的影响[J]. 实验动物科学， 2014， 31（3）： 15-20.

[33] 陈震，吕雄文，李俊，等. 咖啡因对小鼠急性酒精性肝损伤的保护作用[J]. 安徽医科大学学报， 2009， 44（3）： 359-362.

[34] 曾熹. 咖啡因治疗大鼠肝纤维化的实验性研究[D]. 长沙：中南大学， 2014.

[35] 刘丽丽. 一种茶叶咖啡碱青萝卜酵素中药饮剂及其制备方法： 107439875A[P]. 2017-12-08.

[36] 刘丽丽. 一种茶叶咖啡碱木瓜酵素中药饮剂及其制备方法： 107441250A[P]. 2017-12-08.