茶,是中华民族的国饮,也是风靡世界的三大饮料之一。茶、咖啡、可可为世界三大无酒精饮料,其中的共同成分非咖啡碱莫属。
咖啡碱(又称咖啡因)、可可碱和茶碱是茶叶中的主要生物碱。三种生物碱都属于甲基嘌呤类化合物,是一类重要的生物活性物质,也是茶叶的特征性化学物质之一。
在茶叶中主要以咖啡碱为主占干物质含量的2%~4%,可可碱次之,占0.05%,茶碱占0.002%。它们的药理作用也非常相似,均具有兴奋中枢神经的功效。
一、咖啡碱
咖啡碱属于甲基黄嘌呤类生物碱,其化学名是1,3,7-三甲基黄嘌呤或3,7-二氢-1,3,7-三甲基-1H-嘌呤-2,6-二酮。纯的咖啡碱是具有绢丝光泽的白色针状结晶,且有强烈苦味的粉状物,在强光和高温下稳定性较差。熔点为235℃~238℃(大量升华);易溶于水,尤其易溶于热水,其水溶液呈弱碱性;易溶于氯仿、二氯甲烷等;能溶于乙醇、丙酮、醋酸乙酯;难溶于苯。是重要的医药原料咖啡碱在120℃以上的温度下开始升华,180℃时大量挥发。绿茶在制造过程中,因经高温处理,咖啡碱部分升华而有所减少,故绿茶中咖啡碱含量低于红茶。茶树芽叶中咖啡碱含量随鲜叶的粗老而降低,成品茶的级别基本上与成品茶中的咖啡碱含量呈正相关。茶叶中咖啡碱的含量与茶树的品种和生长环境有关,大叶种茶树和覆下茶园茶树的芽叶咖啡碱含量较高,一般南方品种含量多于北方,同一地域,夏茶比春茶含量高。咖啡碱可作为鉴别真假茶的特征成分之一。
1,咖啡碱对茶汤滋味的影响
茶叶中的咖啡碱对茶叶滋味的形成有重要作用。茶汤中咖啡碱过多,则有辛苦味。红茶汤中出现的“冷后浑”就是咖啡碱与茶叶中的多酚类物质生成的大分子络合物,是衡量红茶品质优劣的指标之一。咖啡碱为诱发形成冷后浑的主要物质,冷后浑的形成能力与其浓度呈正相关关系。
2.咖啡碱的体内代谢
摄入人体的咖啡碱在摄取后45分钟内被胃和小肠完全吸收。吸收后可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。咖啡碱的代谢在肝脏中发生,由细胞色素P450氧化酶系统氧化脱甲基,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,其中副黄嘌呤(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。其他两种二甲基黄嘌呤为可可碱(12%)和茶碱(4%)。咖啡碱脱下的甲基,可通过四氢叶酸做载体,在相应酶的作用下,转移到其他化合物中,如胆碱等。而副黄嘌呤有两种去向,一是继续分解至尿酸,很快排出体外;另一是可能转化为其他嘌呤核苷酸被再利用。
咖啡碱的半衰期,即身体转化所摄取咖啡碱的一半所用的时间,在不同个体之间差异较大,主要和年龄、肝功能、怀孕与否、同时摄入的其他药物以及肝脏中与咖啡碱代谢有关的酶的数量等有关。一个健康成人的咖啡碱的半衰期大约是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为9~11个小时。当某些个体患有严重的肝脏疾病时,咖啡碱会累积,半衰期延长至96个小时。婴儿或儿童的咖啡碱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。某些其他因素也会缩短咖啡碱的半衰期,比如吸烟。
3.咖啡碱的生物活性
咖啡碱的作用极为广泛,会影响人体脑部、心脏、血管、胃肠、肌肉及肾脏等各部位功能适量的咖啡碱会刺激大脑皮层,促进感觉判断、记忆、感情活动,使心肌机能变得较活泼,血管扩张,血液循环增强,并提高新陈代谢功能;咖啡碱也可减轻肌肉疲劳,促一迸消化液分泌。由于它也会促进肾脏功能,帮助将体内多余的钠离子(阻碍水分子代谢的化学成分)排出体外,所以在利尿作用提高的前提下,咖啡碱不会像其他麻醉性、兴奋性物(麻醉药品、油漆溶剂、兴奋剂之类)那样蓄积在体内,约两个小时左右便会被排泄掉。早期的研究认为,较高浓度的咖啡碱具有致突变作用和积累性作用,对此进一步的研究证明,茶叶中的咖啡碱不但不会致突变,反而具有抗突变的效果。然而,在饮茶不当而引起的弊病中,许多还是与茶叶的咖啡碱有关。由于茶叶中存在多酚类物质,所以其所含的咖啡碱与合成咖啡碱对人体的作用有很大的区别合成咖啡碱对人体有积累毒性,而茶叶中的咖啡碱7天左右便可以完全排出体外。存在于茶汤或茶叶提取物中的咖啡碱,由于其较低的浓度及与其他成分的相互制约,对人体健康应该是安全的,并对茶叶的提神、抗疲劳、利尿、解毒等功能作出主要贡献。但如果不合理地饮茶,咖啡碱也有可能危害健康。
咖啡碱的主要生物活性表现在以下几个方面。
(1)对中枢神经系统的兴奋作用目前的许多研究表明,咖啡碱能兴奋中枢神经,主要作用于大脑皮质,使精神振奋,工作效率和精确度提高,睡意消失,疲乏减轻,较大剂量能兴奋下级中枢和脊髓。咖啡碱刺激中枢神经的机制如下:神经递质(第信使)作用于细胞膜上的受体,激活了膜另一侧的腺苷酸环化酶,被激活的腺苷酸化酶催化三磷酸腺苷(ATP)形成环磷酸腺苷(cAMP)。cAMP又称做第二信使,能起细胞内一系列生化反应。磷酸二酯酶能水解cAMP生成5′-磷酸腺苷(5′-AMP而失活。咖啡碱的作用在于能抑制磷酸二酯酶的活性,从而提高了cAMP的浓度水平和细胞内生化反应的水平。
(2)助消化,利尿咖啡碱可以通过刺激肠胃,促使胃液的分泌,从而增进食欲帮助消化。咖啡碱可以直接影响胃酸的分泌,也能够通过刺激小肠分泌水分和钠。咖啡碱的利尿作用是通过肾促进尿液中水的滤出率而实现的。此外,咖啡碱对膀胱的刺激作用也协助利尿。茶咖啡碱的利尿作用也有助于醒酒,解除酒精毒害。因为茶咖啡碱能提高肝脏对物质的代谢能力,增强血液循环,把血液中的酒精排出体外,缓和与消除由酒精所引起的刺激解酒毒;同时因为咖啡碱有强心、利尿作用,能刺激肾脏,使酒精从尿液中迅速排出。
(3)强心解痉、松弛平滑肌一据研究,如果给心脏病人喝茶,能使病人的心脏指数、脉搏指数、氧消耗和血液的吸氧量都得到显著的提高,这些主要与咖啡碱的松弛平滑肌的作用密切相关。咖啡碱舒张平滑肌的作用机制是:机体中cAMP和环磷酸鸟苷酸(cGMP)之间存在着平衡,细胞中cAMP浓度高则平滑肌舒张,cGMP浓度高则平滑肌收缩。咖啡碱抑制了磷酸二酯酶的活性,提高了cAMP的浓度,则平滑肌舒张。咖啡碱具有松弛平滑肌的功效,从而可使冠状动脉松弛,促进血液循环。因而在心绞痛和心肌梗死的治疗中,茶叶可起到良好的辅助作用。
(4)影响呼吸咖啡碱对于呼吸的影响主要是通过调节血液中咖啡碱的含量而影响呼吸率。咖啡碱已经被用做防止新生儿周期性呼吸停止的药物,虽然其中确切的机制还不是很清楚,但已知主要是咖啡碱刺激脑干呼吸中心的敏感性,从而影响二氧化碳的释放。此外,在哮喘病人的治疗中,咖啡碱已被用做一种支气管扩张剂。
(5)对心血管的影响咖啡碱可以引起血管收缩,但对血管壁的直接作用又可使血管扩张;可直接兴奋心肌,使心动幅度、心率及心输出量增高;长期摄入,可能会导致人体对咖啡碱的耐受性。长期摄入咖啡碱,对于血压的影响很小,甚至没有影响;但是许多研究也表明,合理的摄入对血压的升高有促进作用,有造成高血压的危险性,甚至会对整个心血管系统造成危害。
(6)影响人体代谢作用咖啡碱促进机体代谢,使循环中儿茶酚胺含量提高,拮抗由腺嘌呤引起脂肪分解的抑制作用,使血清中游离脂肪酸较正常水平升高50%~100%。
(7)咖啡碱有时也与其他药物混合提高它们的功效咖啡碱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,缩短起作用的时间。因此,很多治疗头痛的非处方药品中包含有咖啡碱。咖啡碱也与麦角胺一起使用,治疗偏头痛和集束性头痛,也能克服由抗组胺剂带来的困意。
(8)消毒灭菌,抵御疾病咖啡碱本身有灭菌及病毒灭活功能。茶中咖啡碱对大肠杆菌、伤寒及副伤寒杆菌、肺炎菌、流行性霍乱和痢疾原菌的发育都有抑制功能,特别对牛痘、单纯性疱疹、脊髓灰质炎病毒、某些柯萨克肠道系病毒及埃柯病毒的活性有抑制效果。除了上述药理功能以外,咖啡碱还具有抗氧化、抗癌变、抗过敏、消除羟基自由基,影响细胞周期、月经周期,提高记忆力等多种功效。
4.咖啡碱的负面效应
咖啡碱也存在负面效应,这主要表现在晚上饮茶可影响睡眠,对神经衰弱者及心动过速者等有不利影响。大剂量或长期使用也会对人体造成损害,特别是它也有成瘾性,一旦停用会出现精神萎顿、浑身困乏疲软等各种戒断症状。虽然其成瘾性较弱,戒断症状也不十分严重,但由于药物的耐受性而导致用药量不断增加时,咖啡碱就不仅作用于大脑皮层,还能直接兴奋延髓,引起阵发性惊厥和骨骼震颤,损害肝、胃、肾等重要内脏器官,诱发呼吸道炎症、妇女乳腺瘤等疾病,甚至导致吸食者下一代智能低下,肢体畸形,因此也被列入受国家管制的精神药品范围。咖啡碱是一个中枢神经系统兴奋剂,也是一个新陈代谢的刺激剂。由咖啡碱引起的精神紊乱包括咖啡碱过度兴奋、咖啡碱焦虑症、咖啡碱睡眠失调及其他咖啡碱相关紊乱。
(1)咖啡碱引起过度兴奋摄入过量咖啡碱,通常超过250mg(相当于2~3杯煮咖啡)就能够导致中枢神经系统过度兴奋。咖啡碱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、心跳不规则或过快以及躁动等。摄取极大剂量的咖啡碱会导致死亡。对于实验鼠,咖啡碱的半数致死量(LD50)为192mg/kg体重。咖啡碱半数致死量取决于体重和个人敏感程度,大概是150~200mg/kg体重。摄入过量咖啡碱可以导致咖啡碱中毒,其症状与上述的过度兴奋症状类似。有些人在每日服用250mg以下时就会有这些症状。每天多于1g可以导致痉挛,思维和语言突然转换,心跳不稳、心动过速和精神运动性激越。咖啡碱中毒的症状有点类似恐慌症和全面化焦虑症。
(2)咖啡碱焦虑症及睡眠失调长期过量地摄取咖啡碱会引起一系列的精神紊乱。其中两种经美国精神病学协会验证的是咖啡碱焦虑症和咖啡碱睡眠失调。
①大剂量的咖啡碱所导致的焦虑足够被临床诊断发现。咖啡碱焦虑症会以不同的形式出现,如一般性焦虑失调、恐慌发作,强迫症甚至是恐惧症。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、躁郁症甚至是精神分裂症。
②咖啡碱睡眠失调是指由一个个体有规律地摄取高剂量的咖啡碱所导致的睡眠紊乱,并且能被临床诊断所发现。在大脑中咖啡碱可以阻挡腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷与它的接受器结合后可以减缓神经细胞的活动。一般在睡眠时两者结合。咖啡碱分子与腺嘌呤核苷类似,可以与同一种接受器结合。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接受器结合。其结果是神经细胞活动增强,而神经细胞分泌肾上腺素,肾上腺素又导致心跳加快,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,其结果是严重影响睡眠。此外咖啡碱与氨基丙苯一样可以提高脑内的神经递质多巴胺。与其他刺激中枢神经系统的物质和酒精不同的是,咖啡碱的作用相当短。对大多数人来说,咖啡碱不影响他们的注意力和其他高级智力功能,因此含咖啡碱的饮料往往在工作场所饮用。
③长时间饮用咖啡碱可以导致身体对咖啡碱的习惯化,假如此时中断使用咖啡碱,身体会对腺嘌呤核苷过分灵敏,血压会过度降低,导致头痛和其他症状。最近的一些研究说明饮用咖啡碱可以降低获得帕金森病的危险,但这个研究的结论还有待证实。
④咖啡碱与骨质流失及骨质疏松症有相关性。过量的咖啡碱同样具有促进钙排出、减少肠道钙吸收和钙盐在骨中沉积的作用,其轻度利尿作用还会增加尿钙排出。因此建议适量摄取咖啡、茶等饮料。
⑤咖啡碱摄入量过多会导致体内胆固醇含量升高。美国研究人员对已发表的有关咖啡与人体内胆固醇含量关系的报道进行分析研究后得出:每天饮用咖啡6杯以上者体内低密度脂蛋白胆固醇的含量会升高,而高密度脂蛋白胆固醇的含量不会发生任何变化。
对人类来说,咖啡碱是安全的,但咖啡碱和其他与它类似的物质如茶碱等却对其他动物毒性很大,比如对狗和马,原因是这些动物肝脏的新陈代谢与人不同。
5.咖啡碱的应用
(1)在食品、饮料行业的应用
咖啡碱可以明显增加碳酸饮料诸如可乐型饮料的风味和提高人的精神活力,已被160多个国家准许在饮料中作为苦味剂使用,70%以上的饮料以0.02%的浓度添入,很多国家的最大用量在100~200mg/kg。咖啡碱将作为一种纯天然的添加剂更广泛地应用于食品、饮料的生产中。
(2)在医药行业的应用
茶叶咖啡碱在医药上多用做兴奋剂、强心剂、利尿剂和麻醉剂,也被广泛用于临床上的镇痛、止血。相对于茶多酚来说,茶咖啡碱对人体保健的抗癌防癌还有协同作用。早在第二次世界大战时咖啡碱就已被作为战场上的止痛药而得到应用,现在咖啡碱也常与解热镇痛药配伍以增强其镇痛效果,与麦角胺合用来治疗偏头痛。并且由于其具有极强的舒张支气管平滑肌的作用,在哮喘病的治疗中已被用做一种支气管与溴化物合用治疗神经衰弱的扩张剂。
(3)在日用化工行业的应用
利用咖啡碱缓解脂肪的局部沉积的功能,开发出减肥产品;利用其舒张血管,促进局部血液循环,改善代谢更新的功用,开发出紧肤、淡化黑眼圈、祛眼袋等系列产品,满足了消费者(尤其是女性消费者)不同层次的消费需求。
(4)在其他领域的应用
咖啡碱还可用于复印纸、摄影、绘图、油漆等工业,是化工、建材的重要原料。
二、可可碱
可可碱是一种生物碱,分子式C2H3N4O2,其化学名是3,7-二氢-3,7-二甲基-1H-嘌呤-2,6-二酮。它存在于可可和茶叶中,于1841年由沃斯克列先斯基发现。可可碱的熔点351℃,290℃升华;微溶于水和乙醇,几乎不溶于苯、氯仿、石油醚、四氯化碳等溶液。它的化学性质与咖啡碱类似,其盐类在水溶液中极容易分解成游离碱和酸,而游离碱则较稳定。可可碱具有利尿、兴奋心肌、舒张血管、松弛平滑肌等作用。其半数致死量(LD30)为200mg/kg(猫口服)。用途:磷酸二酯酶抑制剂;弱腺苷受体拮抗剂,平滑肌松弛剂。
茶碱
也是一种生物碱,分子式C7H3N4O2,其化学名是3,7-二氢-1,3-二甲基-1H嘌呤-2,6-二酮,1,3-二甲基黄嘌呤。它是茶中所含的白色不定形的结晶状生物碱,为可可碱的异构体。白色结晶,水溶性8.3g/(20℃),1g能溶于120ml水,80ml乙醇,约110ml氯仿,溶于热水、氢氧化钠溶液和氨水,也溶于稀盐酸及硝酸,难溶于乙醚。作用和结构都类似咖啡碱,具有松弛平滑肌、兴奋心脏肌以及利尿的作用。茶碱类药物对胃黏膜有刺激,口服易出现胃部不适、恶心、腹泻等症状,应饭后服用。用于治疗哮喘病。茶碱还是一种磷酸二酯酶抑制剂,因此广泛用于呼吸系统疾病的治疗。茶碱的一般用量为口服4mg/(kg·次),每日3次,静滴2-4mg/(kg·次),由于该药
治疗剂量与中毒剂量十分接近,因此用药过程中易发生毒性反应,严重茶碱中毒还可致死。
茶碱的药理作用与血浓度有关。而其有效血浓度安全范围很窄,如血浓度1020μg/ml时扩张支气管,超过20ug/ml即能引起毒性反应。口服吸收不稳定,其在体内廓清影响因素多,且个体差异很大,血中的浓度较难控制,故易发生中毒。一次用量过大,或静脉注射速度过快,或反复用药其作用积累,均有发生过量中毒的可能。而且有时中毒症状不易被发现,甚至误诊为由原有疾病本身所致,并因此错误地进一步加大茶碱用量,酿成严重中毒。
茶碱中毒症状有
①轻度中毒:恶心、呕吐、头痛、不安、失眠及易激动等;
②中度中毒:除上述反应外,出现心前区不适、心悸、心律失常或呼吸不规则等;
③重度中毒:可有室性心动过速、精神失常、惊厥、癫痫发作、昏迷,甚至呼吸和心脏骤停。婴幼儿和老年人中毒症状较成年人更为严重。
由表可知,茶碱的主要药理作用与咖啡碱基本相似,但兴奋高级神经中枢的作用比咖啡碱弱,而强心、扩张血管、松弛平滑肌、利尿等作用较咖啡碱强。而可可碱的主要药理作用与咖啡碱、茶碱也基本相近,但兴奋高级神经中枢的作用比上述两者都弱,其利尿作用却持久性较强。至于强心、松弛平滑肌的作用,甚于咖啡碱而次于茶碱
