咖啡因在军用食品中的应用及展望

咖啡因在军用食品中的应用及展望
宫郁郁,房彦军*
(军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所,天津300050)
摘要:介绍了咖啡因的基本概念和生物学功能,列举了历史上咖啡因在各国军用食品的应用,对含有咖啡因的食品
(咖啡㊁茶资源㊁可可)运用在军用食品中分析应用并作一展望㊂鉴于咖啡因的副作用,及可可和茶资源本身的有益成分,建议拓展可可及茶资源在军用食品的功能及用途,尤其进行茶食品的精深加工,包括以超细茶粉为原/配料开发各种军用食品,功能性军用食品的进一步开发也是未来的趋势,以更好的为我军后勤提供保障㊂ 关键词:　军用食品;　咖啡因;　应用;　展望
中图分类号:R1 文献标志码:A 文章编号:1001-5248(2020)09-0142-04
基金项目: 十三五”国家重点研发计划课题:食品安全关键技术研
发专项(No.2018YFC1603001)
作者简介:宫郁郁(1983-),女,硕士㊂从事公共卫生和医疗卫生工作㊂*通信作者E-mail:fangyj86@
1　咖啡因的概述
咖啡因又名植物生物碱,其中是咖啡豆及茶叶的主要生物碱,咖啡因是一种黄嘌呤生物碱化合物,也是一种中枢神经兴奋剂,能够暂时驱走睡意并恢复精力,临床上用于治疗昏迷复苏和神经衰弱㊂有咖啡因成分的咖啡㊁茶㊁可可类㊁软饮料及能量饮料十分畅销,咖啡因在许多植物中都能够被发现㊂咖啡因最主要来源是咖啡豆(咖啡树的种子),同时咖啡豆也是咖啡的原料㊂咖啡中的咖啡因含量极大程度上依赖于咖啡豆的制作方法和品种,咖啡不含可可碱,但含有限量的茶碱㊂茶也是咖啡因的重要来源,每杯茶的咖啡因含量一般是每杯咖啡的一半,决定于制茶的强度㊂不同种类的茶含不同含量的咖啡因㊂含可可粉的巧克力也有少量咖啡因,是一种很弱的兴奋剂,主要归因于其中的茶碱和可可碱㊂一些软饮料和功能饮料中也含有咖啡因,例如可乐和红牛㊂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㊂食品中的咖啡因的含量受品种㊁烘焙方法㊁冲调制作方法㊁大杯小杯等因素的影响非常大,不同食品饮料甚至不同品牌所含的咖啡因差别各异:如一块黑巧克力约28g 含有24mg 咖啡因;能量饮料每瓶约237ml 含有80mg 咖啡因,而咖啡店现煮咖啡约355ml 含有235mg 咖啡因〔1〕㊂(见表1)㊂
2　咖啡因在军用食品中的应用
咖啡因可适度刺激神经㊁消除疲劳㊁使头脑灵活㊁思考力旺盛㊂在激烈的战场环境中,可提高机体反应
性,在睡眠剥夺时可有效维持机体警惕性,使头脑清醒,并有助于机体对外界作出快速反应㊂咖啡因还可刺激肠道,有助于消化㊂国内外军用食品中通常含有咖啡因的食品为咖啡㊁茶㊁巧克力及其他饮料㊂军用食品(Military Food)是指按照军队标准生产和供应的各类制式食品的总称〔2〕㊂按使用环境分为一般环境作战食品和特殊环境作战食品;按使用对象,分为单兵食品和集体食品;军用食品一般具有重量轻㊁体积小㊁食用方便易于携带㊁耐储存等特点㊂由于军事战略㊁食品科技水平㊁经济能力及饮食习惯等方面的差异,各国在军事食品上虽然不尽相同,但都会运用到富含咖啡因的食物㊂最早于1877-1878年俄土战争期间,在俄军进攻巴尔干的途中遭遇强寒潮,发现喝茶的士兵患病及冻伤的几率相对很少,经过实验分析显示,茶叶具有提高机体免疫力㊁解毒止渴和清心醒脑等功效㊂在蔬果短缺的情况下,茶叶还能提供必要的维生素㊂因此,自1886年,俄军把茶叶列为军用食品,战时定量为6g(人°d);俄军经不断改进把茶叶㊁
表1　不同食品及饮料的咖啡因含量〔1〕
来源
计量单位每单位咖啡因含量(mg)
现煮咖啡约237ml 92速溶咖啡
约237ml 63Espresso 特浓咖啡约30ml 63咖啡店现煮咖啡约355ml 235咖啡店美式咖啡约355ml 150脱咖啡因咖啡约237ml 2现泡绿茶约237ml 28现泡红茶约237ml 47薄荷茶约237ml 0洋甘菊茶约237ml 0能量饮料约237ml 80软饮料㊁可乐约375ml 48.75高浓度能量饮料约59ml 200牛奶巧克力约28g 6黑巧克力
约28g
24
黄油㊁糖㊁盐和牛奶合成茶砖后研磨至粉末,制成这种合成茶粉,用水冲后饮用㊂一战后,美军推出新型军用口粮里包括咖啡和巧克力;二战后,美军推出的野战口粮(C型)里有咖啡,而野战口粮(D型)推出一种重量为124g的浓缩巧克力,别名 荷西巧克力”㊂而二战时苏联野战口粮中包括茶叶;二战初期日本海军食品里包括咖啡;进入21世纪,美军研制的新型野战口粮品种丰富,其中也添加了咖啡因;英国研制的全天候野战口粮包括咖啡㊂1986年以后,我军第三代野战口粮(侦察兵口粮)包括巧克力和提神饮料; 1991年海湾战争期间,法国Ration军粮的单日份餐中包括巧克力味硬饼干;英国国防食品供应部研制的
RAE口粮增添了巧克力,深受官兵喜爱㊂
3　咖啡因在一般环境作战食品中的应用 一般环境作战食品通常分为单兵食品和通用集体食品㊂单兵食品是部队执行任务或作战时用于单兵使用的日份包装或餐份包装食品㊂集体食品是指部队执行任务或作战时具备一定炊事条件下使用的制式成品及半成品,并按多人日份包装或餐份包装,具有主㊁副食组合配套,营养搭配合理,耐储存,不加调理或稍加调理即可食用的特点㊂在美军单兵口粮中,初始打击口粮(Frist Strike Ration, FSR)的HooAH能量棒含有巧克力口味,并添加了咖啡因来提高军事作战能力㊂美陆军作战给养指挥部要求食品工程实验室加工的FSR口粮供应战场,包括干咖啡胶㊂参战口粮(The Go To War Ra⁃tion,GTW)GTW口粮包括速溶咖啡;改进型通用救生食品包(General Purpose,GP-I)应用于各类救生场合,其中包含柠檬茶和速溶咖啡㊂
俄军单兵口粮中包括速溶咖啡2g,速溶茶16 g;德军装备野战口粮中,应急口粮中有速溶茶,单兵作战口粮包括速溶茶和咖啡;瑞士野战食品中的战斗口粮中有速溶咖啡,应急口粮是一块能量为1000kcal的特制巧克力糖,食后可维持1天生命;马来西亚军用食品中包括红茶维生素片;意大利军队野战食品的早中晚三餐均含有咖啡,以及早餐还包括巧克力棒〔3〕;根据我军总后勤部2010年批准发布的‘军人食物定量“(GJB826B-2010)中规定:一类灶㊁二类灶和三类灶的巧克力定量标准分别为无㊁10g和20g/(人°d),其中在GJB826B-2010中的定量标准中包括茶叶和咖啡〔4〕㊂
4　咖啡因在特殊环境作战食品中的应用 我军海军特种作战食品大体分为三部分:陆战队作战食品㊁舰艇远航食品和救生口粮㊂在舰艇远
航食品这类Ⅱ型核潜艇远航食品标准所规定每人
每日定量标准:咖啡茶26g㊁巧克力20g㊁茶叶15g;
在60-1型远航食品定量标准规定每人每日平均量
为:咖啡1.56g㊁巧克力7.81g㊁茶叶1.56g;陆战
队作战食品(两栖作战口粮)中包括可可味压缩口
粮和巧克力;美国空军飞行救生食品中有速溶咖啡
和速溶茶;我军飞行远航食品中,针对长距离飞行
的特点,分别研制了富含绿茶提取物和人参皂苷成
分的巧克力球,每块热量500kcal,三块富含绿茶
提取物的巧克力球等同于一杯浓茶的咖啡因含
量〔5〕,食用便捷适合军事远航,可达到迅速提神醒脑和集中注意力,提高军事作业能力㊂而我军特种
机远航飞行食品里也包括巧克力㊂
5　咖啡因在军用功能食品中的应用
军用功能食品隶属军用食品范畴,但又兼具功能食品的特性㊂军用功能食品具备如下特点:提供额外能量,消除疲劳感;缩短大脑反应时间和提高决断能力;提高单兵适应严酷环境下(高温㊁低温㊁干燥㊁潮湿㊁核辐射㊁高海拔等)的能力;提高单兵作战能力和促进伤口快速愈合等㊂我军最早主要集中研究抗疲劳和抗缺氧这两大方面,并随着科研推进向抗辐射㊁抗低温/高温军用功能食品发展㊂在进行对比我军与美军对提高军事作业能力的特殊营养措施展开了大量研究的前提下,发现使用咖啡因可增进军事训练中的认知作业效率和体力作业效率,并提高机体反应率,可在丧失睡眠的情况下有效维持机体警觉性㊂咖啡因作用于中枢神经系统,促进神经肌肉传递并提高骨骼肌的收缩,从而有助于机体快速反应㊂摄入适量咖啡因,可明显降低疲劳感㊂在低温环境的军事作业中,人体摄入适量咖啡和茶,内含的咖啡因能兴奋心脏,促进血液循环,提高肢体末端的温度,继而具有在一定程度上抗低温的功效㊂对于军用抗高温功能食品,茶叶中不仅富含咖啡因,食用后可以增强机体条件反射的能力,有助于提高军事作业中的行动及思维效率㊂同时,茶叶所富含的茶氨酸㊁茶多酚㊁茶多糖等元素,具有提神㊁解乏㊁利尿㊁驱除睡意和维持心肌正常的功效㊂尤其苦丁茶,是我国南方地区夏季民间常饮用的一种防暑降温饮品,味微苦,具有清热解毒功效㊂经相关研究证实,苦丁茶能促进小鼠热应激蛋白Hsp70的合成,增强抗氧化能力,阻止热暴露后肝细胞糖皮质激素受体结合活性的下降㊂此外,茶叶中的茶多酚㊁茶氨酸和茶多糖等物质,具有抗辐射的功效〔6〕㊂
6摇咖啡因(咖啡㊁茶资源㊁可可)在军用食品领域的应用前景
咖啡㊁茶资源㊁可可类均含有咖啡因㊂据报道,英国人均消费咖啡因约300mg,芬兰及瑞典人均消费约400mg,咖啡因积极作用有兴奋神经中枢㊁提神醒脑㊁利尿㊁来源丰富㊁易于接受和摄入等㊂试验表明, 64h SD时服用咖啡因(300mg/6h或400mg/24h)对恢复期睡眠无明显不良影响〔7〕㊂近年来,对缓释剂型咖啡因的效果亦进行了研究,每12h用药300mg在45h内具有效果〔8〕㊂由于咖啡因具有一定的中枢兴奋作用,特别是无明显严重副作用,在军事飞行人员中应用仍受重视㊂1995年,美国空军推荐使用咖啡因作为促醒剂来提高认知能力㊁对抗睡眠,并指出应注意长途飞行中的利尿和脱水效应〔9〕㊂但咖啡因的不足之处在于:对于经常摄入者,其作用强度和维持时间可能不够,利尿脱水,刺激肠胃,对正常睡眠有一定干扰,睡前6h不应摄入,摄入过量易引起心律不齐㊁焦虑㊁导致钙流失和骨质疏松等㊂有研究显示,重要性眼内压(IOP)对咖啡因的摄入和体育锻炼敏感有关,结果摄入咖啡因具有显着影响(P<0.001,η2=0.50),表明运动前摄入咖啡因抵消了对低强度耐力运动降低IOP的反应㊂对于那些会因低强度运动而降低IOP的患者(如青光眼患者或处于此危险患者),应避免在运动前摄入大量咖啡因〔10〕㊂一项新近研究表明,宾夕法尼亚州立大学健康临床心理学家Julie Radico博士认为低剂量的咖啡因是安全的,在50至200mg 的范围内㊂但一次摄入超过400mg可能会导致过度刺激和焦虑,并带来诸如恶心㊁腹痛或心跳等症状㊂咖啡因作为焦虑的一个潜在诱因,与药物相互作用下,可能导致癫痫发作㊁慢性肝病㊁肾脏疾病以及某些心脏病或甲状腺疾病㊂
应激㊁紧张㊁辐射㊁连续昼夜作战以及在严寒㊁酷暑㊁高海拔㊁热带丛林和海㊁空等特种军事环境下作战,会对官兵的睡眠产生严重不良影响㊂长时间睡眠不足或失眠,易导致神经系统紊乱,注意力㊁记忆力㊁目标辨别能力和战斗力会明显降低㊂睡眠剥夺(SD)影响工作能力的显著特征是操作的不连续性和出现 脱漏”㊂SD对于部队官兵在执行军事作业时不可避免,摄入咖啡因能有效对抗SD后的症状,但咖啡因对于人体的负面作用,尤其是导致睡眠障碍,应引起必要重视,从睡眠卫生监督㊁食物营养㊁药物以及部队轮休制度等多方调节,由慢性睡眠不足导致许多健康问题,包括认知障碍㊂茶叶中不仅含有咖啡因,还含有众多的茶多酚
类和儿茶素类,有抗氧化㊁消除自由基㊁抑制和阻断亚
硝胺形成的作用㊂有研究显示茶叶中的茶多酚治疗可
以改善S-DEP小鼠的识别障碍和焦虑样行为㊂前述
结果证明茶多酚在S-DEP小鼠模型中具有认知保护
作用,这通过靶向TACE/TNFα/AMPA途径为S-DEP
诱导的认知障碍的治疗提供了理论基础〔11〕㊂部队日常训练中会产生高强度㊁长时间的能量消耗,增加了体
内尿素㊁自由基等含量,容易引发肌肉疲劳,既会影响
军事作业和训练,还存在危害身体健康的隐患㊂而茶
多酚的抗氧化功效使其能够有效缓解自由基动态平衡
被打破带来的危害,对缓解运动性疲劳具有独到作用㊂
因此,深入研究茶多酚对疲劳的影响机制,对促进军事
抗疲劳的发展具有重要意义㊂
利用夏秋季产的新鲜茶叶加工成超微细茶粉(其
粒度达到10μm),最大程度保留茶叶中的咖啡因㊁茶
多酚㊁茶多糖㊁茶氨酸㊁叶绿素㊁胡萝卜素㊁维生素A㊁维
生素B㊁维生素E㊁维生素P等物质㊂其中,茶叶儿茶素
类化合物是茶多酚的主体成分,儿茶素在多酚类中的
化学活性最为显著,已被研究证实可避免受到自由基
侵害而导致的断裂或突变发生,减少铅诱导的过氧化
氢在细胞内释放和丙二醛(MDA)沉积〔12〕,增强抗氧化酶活性㊂在严寒低温下,人体的儿茶酚胺分泌下降促进血管扩张,可造成明显再灌注损伤及血液外溢出血管,伴随胃粘膜保护机制改变,再灌注致使盐酸诱导细胞损伤〔13〕㊂然而,茶氨酸中的抗运动性疲劳作用,不仅增强脑组织DA含量,进而抑制5-羟色胺分泌,而且促进具有兴奋作用的儿茶酚胺分泌,可以使人体适当抵抗低温㊂同时,茶氨酸还可增强免疫力,尤其是L-茶氨酸能使人缓解焦虑㊁松弛神经紧张及放松身心等功效㊂据Tsunoda T.等报道,当茶氨酸摄入量为1740mg时,可显著抑制由咖啡因引起的神经系统兴奋,因此茶氨酸可拮抗由咖啡因引起的副作用〔14〕㊂含有咖啡因的可可,还兼具其他有益物质,可在军用功能性食品中加以应用㊂科学家在研究中发现可可中含有类黄酮物质的天然化合物,抗氧化剂能帮助机体细胞抵抗自由基所致的损伤㊂自由基造成的损伤是在许多过程(包括利用氧产生能量)中产生的㊂最近研究表明,大剂量的类黄酮物质还对维持心血管健康的有关机制具有益处㊂这些机制包括血小板聚集㊁内皮细胞功能和二十烷类物质平衡㊂可可富含黄酮类物质能显著提高战士的身体机能㊂并且据英国‘每日邮报“报道,英国牛津布鲁克斯大学研究人员发表在‘英国医学杂志“
期刊上的最新研究表明,患有多发性硬化症(MS)的患者若连续六周每天饮用热可可饮料,可使疼痛感和疲劳感有所减轻㊂研究人员认为,这是因为可可饮料中富含抗炎特性的类黄酮㊂多发性硬化症是一种神经系统疾病,约90%的患者会感到疲劳,并伴有疼痛,最终会丧失视力及行动能力㊂这一病症是由于人体的免疫系统出现问题而引起的,该病症的患者的免疫系统不再发挥抵御疾病的作用㊂
7　展望
建议拓展可可及茶资源在军用食品的功能及用途,尤其进行茶食品的精深加工,包括以超微细茶粉为原/配料开发茶糕点㊁茶料理等各类军用食品㊂按照部队的各类需求及优势互补原则,在食品研发的信息交流㊁技术转化等方面加强与地方沟通协作,或直接选用地方成熟产品和技术,节省军需开支㊂军事作业节奏快,部队机动频繁,对于富含茶多酚的茶类食品在恶劣环境下保质期更长,便于贮存;食用便捷且安全营养,连续食用可接受性好;食品模块化,易于搭配组合㊂随着现代食品科技和生物技术的不断发展,军用食品逐步走向多元化和功能化,一些新技术㊁新工业也逐渐运用到军用食品中,满足部队在各种特殊作战环境下对食品营养的需求㊂功能性军用食品的进一步开发也是未来的趋势,以更好的为我军后勤提供保障㊂
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