咖啡因

咖啡因（caffeine）又称咖啡碱，是一种黄嘌呤生物碱化合物，具有强的中枢神经兴奋作用，也有弱的利尿作用。咖啡具有微弱碱性，其化学结构是茶碱的嘌呤环上第七位氮上的氢被取代的嘌呤类生物碱。

咖啡因主要存在于咖啡树、茶树、巴拉圭冬青（玛黛茶）及瓜拿纳的果实及叶片里，而可可树、可乐果及代茶冬青树也存在少量的咖啡因。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，目前在超过60种植物的果实、叶片和种子中发现了咖啡因，它能使以这些植物为食的昆虫麻痹来达到杀虫的效果。

咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，能暂时地驱走睡意并恢复精力，所以人们在从事思考、阅读、会议等脑力劳动时，有时会选择摄入咖啡因来提神；健身者和运动员也可能摄入咖啡因以提高表现。有咖啡因成分的咖啡、茶、软饮料及能量饮料十分畅销，因此也有一定的成瘾性（Coffee addiction），咖啡因也是世界上最普遍被使用的精神药品。在北美，90%成年人每天都会需要摄食咖啡因。

很多咖啡因的自然来源也含有多种其他的黄嘌呤生物碱，包括茶碱和可可碱这两种强心剂以及其他物质例如单宁酸。

## 历史

早在石器时代，人类已经开始使用咖啡因。早期的人们发现咀嚼特定植物的种子、树皮或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。

在中国，茶的历史可以追溯到仰韶文化中发现的茶树。唐代陆羽在《茶经》中提到，茶成为饮料的历史“发乎神农氏”。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。

可乐果的使用似乎有相当古老的起源。在很多西非文化中，人们通过单独或群体地咀嚼可乐果来恢复精力和减轻饥饿感。

使用可可豆的最早的证据，是从公元前8世纪古玛雅文明的罐中的残留物发现的。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、辣椒和胭脂。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。

有关喝咖啡的最早的可靠记录，出现在15世纪中叶阿拉伯南部也门的苏菲派修道院中。当地的苏菲派穆斯林有规律地饮用咖啡来保持祈祷时的清醒。咖啡从摩卡传播到埃及和北非，到16世纪，它已经传播到中东其他地区、波斯和土耳其。再从中东传播到意大利，然后传播到欧洲其他地区。咖啡树被荷兰人运到东印度群岛和美洲。

在英国，第一家咖啡屋开业于1652年，位于伦敦康希尔街圣迈克尔巷。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。

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东印度群岛和菲律宾。它们被用于炼金术，叫做黑豆。

1819年，德国化学家弗里德利布·费迪南德·龙格第一次分离出相对纯净的咖啡因。

1911年，美国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，咖啡因成了最早的关于引起健康恐慌的其中一个记录。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”。尽管最高法院最后做出了有利于可口可乐的裁决，1912年仍然有两个旨在修正“纯天然食品与药品法案”的议案被提交到众议院，把咖啡因添加进“上瘾”和“有害”物质清单，因此该成分必须在产品标签中列出。

现在，每年咖啡因的国际销量已达到120000吨，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%的成年人每天会消耗一定量的咖啡因。

## 来源

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常见食品药品的咖啡因含量

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，冲滤｜240 mL （8 US fl oz）｜135*

咖啡，脱咖啡因｜240 mL （8 US fl oz）｜5*

咖啡，意式浓缩咖啡｜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｜250 mL （8.453 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

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，能在许多植物中发现。作为自然杀虫剂，它能使啃食含咖啡因植物的昆虫麻痹。人类最常使用的含咖啡因的植物包括咖啡、茶及一些可可。其他不经常使用的包括一般被用来制茶或能量饮料的巴拉圭冬青和瓜拿纳树。两个咖啡因的别名：马黛因和瓜拿纳因子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，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比卡浓缩咖啡中的40毫克到浓咖啡中的100毫克。阿拉比卡咖啡的咖啡因含量通常比中果咖啡低。咖啡也含有少量的茶碱，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，例如红茶和乌龙茶，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。日本玉露绿茶的咖啡因含量就远远高于许多红茶（例如几乎不含咖啡因的正山小种茶）。

由可可粉制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，主要归功于其中含有的可可碱和茶碱。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。

## 药理学

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。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，大致的几种机理如下：

在大脑中咖啡因可以阻挡腺嘌呤核苷受体。腺嘌呤核苷与它的受体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，可以与同一种受体结合。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受体结合。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，皮肤和内脏的血流量降低，肝脏向血液释放葡萄糖。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。

### 代谢

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咖啡因在摄取后45分钟内被胃和小肠完全吸收。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。

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，在不同个体之间差异极大。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酶的数量等有关。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，在已怀孕的女性体内则大概为9-11个小时。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。婴儿或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。

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，这三种二甲基黄嘌呤对身体有不同的作用。

- 副黄嘌呤（1,7-二甲基黄嘌呤，84%）-能够加速脂解，导致血浆中的甘油及自由脂肪酸的含量增加。
- 可可碱（12%）-能够扩张血管，增加尿量。可可碱也是可可豆中主要的生物碱，也存在于巧克力中。
- 茶碱（4%）-舒缓支气管平滑肌，被用作治疗哮喘。治疗所用的剂量远远大于由咖啡因代谢所产生的剂量。

这些化合物进一步代谢，最终通过尿液排泄出体外。

## 生理影响

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咖啡因是一个中枢神经系统兴奋剂，也是代谢的刺激剂。咖啡因既被作为饮品，也被作为药品，其作用都是提神及解除疲劳，咖啡因也可减低头痛时的痛楚。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里发挥作用，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。食用咖啡因并不能减少所需睡眠时间，它只能临时的减弱困的感觉。

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%。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%。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。

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%，并能使身体更快地吸收这些药品，缩短这些药品起作用的时间。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，治疗偏头痛和丛集性头痛，也能克服由抗组胺剂带来的困意。

早产儿的呼吸问题，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。柠檬酸咖啡因在很多国家只能通过处方获得。

目前亦有许多研究显示，服用含咖啡因饮料有助于缓解忧郁症病人的情感症状，但过量使用可能导致情绪亢奋或成瘾的现象；故仍需进行个别性的评估后，再决定是否将含咖啡因饮料融入均衡饮食中使用。

### 过量使用

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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（一般人服用咖啡因是因为它的刺激作用，许多熬夜读书应付考试的学生，还有夜班工作的人会摄入咖啡因，如饮茶、咖啡或咖啡因药丸等。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，糜烂性食道炎和胃食管反流病。然而，因为无论是正常的咖啡还是脱咖啡因咖啡，都会刺激胃黏膜，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。

#### 咖啡因过度兴奋

短时间内过量摄入咖啡因（通常超过250毫克，相当于2-3杯煮咖啡），可以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、心悸或过快以及躁动。

摄取极大剂量的咖啡因会导致死亡。对于实验鼠，咖啡因的半致死剂量为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。

#### 咖啡因焦虑症及睡眠失调

长期过量摄取咖啡因会引起一系列精神紊乱。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发现。

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发现。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。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，躁郁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。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。

### 代谢、毒性与对健康的影响

长期摄入咖啡因可以导致身体产生耐受性，假如这时中断使用会产生咖啡因戒断，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。

对人类而言，正常摄入的咖啡因是安全的，但是咖啡因对某些动物而言却是有毒的，例如猫、狗、马和鹦鹉等，因为这些动物肝脏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。

#### 骨质流失与骨折风险

目前没有明确证据指出咖啡因与骨质流失及骨质疏松症直接相关。在一项与可乐有关而不包括其他碳酸饮料的研究当中发现咖啡因并不是导致骨质流失的原因，反而是其中磷酸的含量与年长女性出现骨质疏松有较直接的关系。

但由于咖啡因会干扰肠道内维生素D受体的表达，从而降低肠道对钙的吸收效率；且咖啡因具有利尿作用，会短期增加肾脏排泄，导致尿钙排出量增加；在钙摄入不足的人群中，过量饮用会加速钙流失，也可能造成骨质流失。

此外，由于咖啡内含的绿原酸和多酚类物质具有抗炎、抗氧化特性，可能可以抑制破骨细胞，有些荟萃分析甚至得出适量饮用咖啡会有这种“保护作用”，可以抵消咖啡因带来的少量钙流失。这种结论与其他文献结论，在不同剂量下，可能有所冲突，因为目前的研究显示“过量”咖啡因可能也是危险因子。

## 管制

### 中华人民共和国

用作药物、纯度较高的咖啡因被中华人民共和国政府列为第二类精神药品管制，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。将咖啡因作为毒品滥用和走私、贩卖等是违法犯罪行为。医师处方中的用量不得超过7日常用量，并需存根2年。20世纪80年代开始，山西省民间曾流行以咖啡因制成“片片”（又称“面面”）服用成瘾的严重社会问题。

《中华人民共和国刑法》

- 刑法第357条中定义了毒品，将“国家规定管制的其他能够使人形成瘾癖的麻醉药品和精神药品”列入毒品范畴，咖啡因即属于精神药品名录中的第二类部分。
- 刑法第347条，非法走私、贩卖、运输、制造毒品，无论数量多少，属刑事罪行。按刑法第347条及最高人民法院的相关解释，涉及“数量大”（200公斤咖啡因以上）者最高刑罚为死刑，涉及数量较大（50公斤以上但不满200公斤咖啡因）者处7年以上有期徒刑。
- 刑法第348条把非法持有“数量大”或“数量较大”的毒品列为可判处监禁的罪行。

2020年，内蒙古包头市公安局破获一起跨省贩卖咖啡因案件，缴获咖啡因750公斤，共抓获13人。同年，在甘肃省敦煌市的一次稽查中，32名山西省吕梁籍大货车司机因饮用了含有咖啡因的饮品，尿检结果呈阳性，被认定为“毒驾”，并被迫编造吸食安钠咖情节的口供。

### 中华民国

中华民国并未将咖啡因列为管制药物。根据行政院卫生署（今卫生福利部）食物药品管理局颁布之《食品添加物使用范围及限量暨规格标准》，非药用的咖啡因用途限定于食品添加剂中饮料的调味剂，食材中必须是源自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320毫克/千克（320ppm），否则视为药用。

含有咖啡因成分，且有容器或包装之液态饮料，依行政院卫生署（今卫生福利部）于2007年所公告之《含有咖啡因成分且有容器或包装之饮料，应于个别产品外包装标示咖啡因含量》，须在外包装标示咖啡因含量，并符合下列标示要求：(一)每100毫升所含咖啡因高于或等于20毫克者，其咖啡因含量以每100毫升所含咖啡因之毫克数为标示方式，其标示值之误差允许范围，请业者依照厂规确实品管。(二)每100毫升所含咖啡因低于20毫克者，其咖啡因含量以“20mg/100mL以下”标示之。(三)咖啡、茶及可可饮料，每100毫升所含咖啡因等于或低于2毫克者，得以标示“低咖啡因”替代前述“20mg/100mL以下”用语。

现煮咖啡因受咖啡豆种类、冲泡方式不同影响含量，由行政院消费者保护委员会于2006年8月1日则推行咖啡因分级制度，主要针对台湾主要11家连锁咖啡店的现煮咖啡，包括浓缩咖啡或其他类型，推动按照红色、黄色、绿色颜色差异标示来提醒消费者每杯咖啡的咖啡因含量。其中红色为200－300毫克或以上、黄色为100－200毫克、绿色为100毫克以下。这项措施原先不具强制性，但业者多半配合，只是标示方式未必清楚，有些标在菜单上，有些则印制成传单让消费者索取（例如星巴克）。但自112年1月1日起，依卫生福利部订定之《连锁饮料便利商店及速食业之现场调制饮料标示规定》，要求含有咖啡因成分之现场调制饮料，应标示该杯饮料总咖啡因含量之最高值，并加注“最高值”；或以红黄绿标示区分总咖啡因含量，该标示得以符号或图样标示之。

### 美国

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。

## 外部链接

- Caffeine: How Stuff Works
- GMD MS Spectrum
- The Consumers Union Report on Licit and Illicit Drugs, Caffeine-Part 1 Part 2
- Caffeine: ChemSub Online
- Caffeine at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- Caffeine International Chemical Safety Cards

## 基本资料

- drug_name：咖啡因、caffeine (INN)
- IUPAC_name：1,3,7-Trimethylpurine-2,6-dione
- IUPAC_name_zh：1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
- pregnancy_AU：A
- pregnancy_US：C
- 合法状态：Unscheduled
- legal_CA：Unscheduled
- legal_NZ：Unscheduled
- legal_UK：Unscheduled
- legal_US：Unscheduled
- legal_EU：Unscheduled
- legal_UN：Unscheduled
- legal_CN：第二类精神药品
- 依赖性：生理: 低至中、心理: 低
- 成瘾性：低/ 无
- 给药途径：口服, 喷雾, 灌肠, 直肠, 静脉注射
- 药物代谢：~1 小时
- 生物利用度：99%
- 血浆蛋白结合率：25–36%
- 药物代谢：主要: CYP1A2、小部分: CYP2E1,CYP3A4,CYP2C8,CYP2C9
- 生物半衰期：成人: 3–7小时、新生儿: 65–130小时
- 排泄途径：尿液(100%)
- 作用时间：3–4 小时
- 代谢产物：副黄嘌呤 (84%)、可可碱 (12%)、茶碱 (4%)
- CAS号：58-08-2
- ATC码：N06B
- ATC码：C01
- PubChem：2519
- 药物银行数据库：DB00201
- ChemSpiderID：2424
- UNII：3G6A5W338E
- KEGG：D00528
- ChEBI：27732
- ChEMBL：113
- PDB配体ID：CFF
- IUPHAR_ligand：407
- 异名：Guaranine、Methyltheobromine、1,3,7-Trimethylxanthine、Theine
- C：8
- H：10
- N：4
- O：2
- molecular_weight：194.19 g/mol
- 3D模型（JSmol）：CN1C=NC2=C1C(=O)N(C(=O)N2C)C
- InChI：1/C8H10N4O2/c1-10-4-9-6-5(10)7(13)12(3)8(14)11(6)2/h4H,1-3H3
- InChIKey：RYYVLZVUVIJVGH-UHFFFAOYAW
- StdInChI：1S/C8H10N4O2/c1-10-4-9-6-5(10)7(13)12(3)8(14)11(6)2/h4H,1-3H3
- StdInChIKey：RYYVLZVUVIJVGH-UHFFFAOYSA-N
- 密度：1.23
- 熔点：235
- 熔点：238
- 熔点：(无水)