Coffee, Energy Drink, Caffeine
커피는 커피 나무 열매(coffee berries)에서 나온 커피 콩(coffee bean)을 구워 만든 음료다.
가장 흔한 2가지 재배 종자는 Coffea canephora (Coffea robusta) 와 Coffea arabica이다. 일단 익으면 커피 베리를 따서 가공하고 건조시킨다. 커피 씨(콩)를 구워 물리적, 화학적 변화를 유도한다. 원하는 향미에 따라 굽는 정도가 다르다. 구운 커피 콩을 갈아 섞어 커피를 만든다. 커피 음료(coffee beverage)는 커피나무 열매의 씨앗(커피 콩, coffee bean)을 볶아 가루로 낸 것을 따뜻한 물이나 증기로 우려내어 마시는 음료이다. 1년에 세계적으로 약 6천억 잔이 소비되며, 석유 다음으로 교역량이 많다.
커피 한 잔에는 카페인이 40~180밀리그램 정도 들어가 있다. 카페인은 중추신경을 자극시켜 잠을 쫓으며, 뇌 속의 도파민 농도를 증가시킨다. 카페인은 아데노신과 구조가 비슷하여 금단 증상이 나타날 수 있다. 카페인의 민감도는 개인에 따른 차이가 큰 것으로 알려져 있다.
"커피"라는 단어는 커피 원산지인 에티오피아의 “카파”에서 유래된 것으로 추정한다.
구운 커피 콩(Roasted coffee beans)
Coffee berries 와 커피 베리 안의 씨앗은 몇 가지 가공과정을 거친다. 커피 베리를 따서 익은 정도와 색깔에 따라 분류한 다음 커피 베리의 속살을 기계로 제거한다. 커피 베리 씨앗은 보통 콩(bean)이라 하고 이것을 발효시켜 콩(bean)에 묻어있는 점액성 물질을 제거한다. 발효가 끝나면 빈(bean)을 세척하여 발효 찌꺼기를 제거한 다음 빈(씨, bena)을 말리면 생두(green coffee bean)가 된다.
그 다음 커피 생두(green coffee)를 굽는다. 커피는 구운 형태로 팔리는 일이 많지만 집에서 직접 굽기도 한다.
생두 굽기는 물리적, 화학적 변화를 초래하여 향미에 커다란 영향을 미친다. 생두를 구우면 습기가 없어지고 용적이 커지며 무게는 감소한다. 커피 빈(bean) 내부 온도가 200도에 도달할 때 구워지기 시작한다. 강한 열 때문에 커피 빈 내의 전분이 파손되면서 카라멜화(caramelization)가 되어 색깔이 갈색으로 변한다. 생두를 구우면 아로마 오일, 산, 카페인이 약화되고 향미도 변한다. 섭씨 205도가 되면 오일이 생기기 시작한다. 이 오일이 Caffeol이며 커피 특유의 아로마와 향미를 발산한다.
카페인 제거(Decaffeination)
생두 상태에서 카페인이 제거된다. 커피에서 카페인을 제거하는 방법은 많지만 흔히 커피 콩을 뜨거운 물에 적시거나 찐 다음 카페인 함유 오일을 용매에 용해시켜 카페인을 제거한다.
커피 저장(Storage)
일단 구운 커피 콩의 신선한 맛을 유지하기 위해서는 적적한 저장 방식이 중요하다. 밀폐시킨 용기에 담아 차거운 곳에 저장한다. 커피 콩의 향을 손상시키는 환경 요인은 공기, 습기, 열, 빛 등이다. 소비자는 흔히 백에 든 커피를 구매한다. 그러나 백은 장기 보관에 문제가 있다. 공기가 들어가기 때문이다. 바람직한 포장은 일방통행 식 밸브가 있어 공기 진입이 차단된다.
혼합하여 만들기(Brewing)
음료 커피를 만들기 위해서는 커피 콩을 갈아 섞어야 한다. 구운 커피 콩을 분쇄기로 간다
에스프레소 방식(espresso method): 끓지는 않지만 뜨거운 물을 고압으로 커피에 가한다. 9-10기압 정도의 고압으로 섞어 만들면 에스프레소 음료는 10-15배 농축된다. 잘 만든 에스프레소는 적색을 띤 갈색 거품이 표면에 뜨게 된다. 이것이 크림(crema)이다. 아메리카노는 에스프레소가 너무 진해 이차대전 중 미국 병사가 만들어 마신 것이다. 라떼(latte)는 증기를 쐬어 뜨거운 우유를 탄 에스프레소 커피를 말한다.
커피의 건강 효과 및 약리학
구운 커피콩에는 1,000 종류 이상의 화학 물질이 들어 있다.
피의 건강 효과는 모순적이다. 건강 이득만큼 손실도 있기 때문이다.
이득
1) 유방 크기 감소 및 유방암 위험 감소시킨다
2) 알츠하이머 병, 파킨슨병, 심장병, 2형 당뇨병, 간 경화증, 통풍 위험을 감소시킨다
- 하루에 3~5잔을 마시는 moderate drinker(중간 정도 량을 마시는 사람)는 치매, 알츠하이머 병 위험이 감소된다는 연구 논문이 있다.
3) 커피 냄새(향)는 식욕 회복 및 후각 수용체 복구에 기여한다.
손실
커피의 부정적 건강 효과는 흔히 카페인이 거론된다.
1) 위산 역류 및 관련 질환 위험 증가한다
2) 철 결핍성 빈혈(산모 및 영아)을 초래한다. 커피가 철분 흡수를 방해하기 때문이다
3) 일시적으로 동맥 벽이 딱딱해진다. 그러나 더 이상 관상 동맥 질환의 위험 인자는 아니다.
4) 단기 기억력에 대한 효과는 혼합 된 결과를 보인다(정보가 현재 사고와 관련되는 기억력은 개선되지만 무관한 정보를 꺼내는 기억력은 어려워진다)
5) 금단 증상 : 하루에 235 mg씩 매일 마시는 중간 정도 커피 섭취자 중 10%가 이를 중단할 때 우울증과 불안이 증대된다.
카페인 함량(Caffeine content)
커피 타입과 준비 방식에 따라 단위 서빙당 카페인 함량에 큰 차이가 있다. 평균해서 커피한 잔(약 207 ml, 에스프레소는 예외)에 들어있는 카페인 함량은
1) Drip coffee: 115–175 mg (0.56–0.85mg/ml)
2) Espresso: 60 mg (2 mg/ml)
3) Brewed/Pressed: 80–135 mg (0.39–0.65 mg/ml)
4) Instant: 65–100mg (0.31–0.48 mg/ml)
5) Decaf, brewed: 3–4 mg
6) Decaf, instant: 2–3 mg.
* brew: 섞고 끓이고 발효시켜 커피를 제조하는 것
커피 대용 물질(Coffee substitute)
치커리 뿌리가 가끔 천연 커피 첨가제로 사용된다.
음료 커피 종류
에스프레소
"크레마" 라고 하는 검붉은 갈색의 거품과 함께 에스프레소가 추출되고 있다.
에스프레소는, 미세한 커피 가루에 고압·고온의 물을 가하여 추출해내는 고농축 커피의 일종이다. 20세기 초반 이탈리아 밀라노 지역에서 개발되었다. 오늘날에는 대개 대기 압력의 9~15배의 압력을 가해 에스프레소를 추출한다. 에스프레소의 특징은 드립 커피(거름 종이에 내리는 커피)보다 농도가 짙다는 것이다. 동일한 부피를 비교해 보면 일정 부피 안에 용해된 고형체의 양이 드립 커피보다 많다. 그러나 카페인 함유량은 흔히 생각하는 것과 반대로 더 적다. 빠른 시간에 커피를 뽑아내기 때문이다. 에스프레소용 커피는 내려 먹는 커피보다 강하게 볶은 커피를 쓴다. 에스프레소를 만들기 위해서는 적정 압력하에서 고온의 물이 커피 사이를 통과시키는 에스프레소 머신이 필요하다. 에스프레소 한 잔을 "샷(shot)"이라고 부르기도 한다. 이탈리아에서는 흔히 카페띠에라(cafetiera)라고 부르며, 영어권에서는 상표명을 따서 모카(Moka)라고 부른다. 에스프레소 한 샷을 만들기 위해서는 7 내지 10 그램의 분쇄 커피가 필요하다.
모카커피는 예멘의 모카에서 나는. 품질이 좋은 커피로 알려져 있다.
바리스타
에스프레소 머신을 전문적으로 다루는 사람을 가리켜 바리스타라고 한다. 바리스타는 이탈리아어로 바텐더라는 뜻이다. 이탈리아를 비롯한 유럽에서는 바리스타를 대대로 기술을 전수하는 장인이자 전문적인 직업으로 취급한다.
카페인(caffeine)은 알칼로이드의 일종이다. 커피 나무, 차, 구아바 열매 등에 존재하며, 코코아와 콜라 열매에도 약간 존재한다. 콜라, 초콜릿 등에도 포함되어 있으며 승화하는 특성이 있다. 이들 식물은 해충을 죽이기 위해 카페인을 사용한다.
Caffeine은 흰색의 쓴 결정체의 산틴 알칼로이드로 정신 활성을 자극하는 약물이며 경미한 이뇨 작용이 있다. 카페인은 1819년, 독일 화학자 Friedrich Ferdinand Runge가 처음 발견했다. 커피에 있는 화학물질 Kaffein이라고 명명하고 이것이 caffeine이라는 영어로 정착했다.
과라나(guarana) 카페인은 guaranine, 마테 나무(mate)의 카페인은 mateine 차에 들어있는 카페인은 theine이라고 한다.
Caffeine은 콩, 잎, 과실에 여러 정도로 함유되어 이들 식물의 살충제로 역할을 하여 곤충을 마비시켜 죽이는 물질로 이용된다
커피 나무의 체리에서 추출되며 차의 잎사귀, 콜라(kola) 견과(nut)에도 들어 있다.
카페인은 중추신경 자극제로 일시적으로 졸음을 추방하고 정신적으로 주의력을 집중시킨다. 커피, 차, 소프트 드링크, 에너지 음료 등 카페인 함유 음료가 사람들 사이에 인기가 있고 북미 성인의 90%가 매일 카페인을 소비한다. 카페인은 정신 활성 물질로 합법적으로 사용되고 있다.
구운 커피 콩은 카페인의 소스다
차(tea)의 카페인 함량은 커피보다 많지만 차(tea)를 마실 때 흔히 희석시켜 마시기 때문에서빙(serving) 당 섭취량은 오히려 더 적다. 차(Tea)는 소량의 테오브로민(theobromine)과 커피보다 많은 양의 테오필린(theophylline)이 들어있다. 카페인은 또한 콜라 등 탄산 청량 음료(소프트드링크)의 흔한 성분이다. 소프트 드링크에 사용되는 콜라 견과(Kola nut)의 카페인 때문이다.
콜라 견과(kola nut)
소프트 드링크는 단위 서빙 당 10 ~ 50 mg의 카페인이 들어있지만 반면에 에너지 드링크에는 서빙 당 80 mg의 카페인이 들어있다. 이 종류의 음료에 사용된 원료 성분에서 유래되거나 아니면 인위적으로 첨가하기 때문이다.
가장 중요한 에너지 드링크의 성분은 과라나(guarana)이다. 과라나에는 다량의 카페인이 들어 있고 소량의 테오브로민과 테오필린도 함유하고 있다.
코코아에서 유래된 초콜렛에도 소량의 카페인과 테오브로민, 테오필린이 들어 있어 약간의 중추 신경 자극 효과를 보인다.
에너지 드링크(energy drinks)
에너지 드링크는 카페인, 비타민, 약용 식물 보충제가 함께 들어 있어 카페인만 들어있는 식품보다 더 많은 주의 집중력과 육체적 활력을 부여한다.
에너지 드링크에는 흔히 메틸산틴(methylxanthines, 카페인 포함), 비타민 B 군 및 허브가 들어 있다. 그 외에도 카페인 함량이 높은 과라나(guarana), 베이비 푸드에 사용되는 타우린(taurine)과 다양한 종류의 인삼, 말토덱스트린(maltodextrin), 탄산수, 이노시톨, 카니틴(carnitine), 크레아틴(creatine), 글루쿠로노락톤(glucuronolactone) 및 은행(ginkgo biloba)을 함유하고 있다. 일부 제품에는 다량의 슈가와 인공 감미료를 첨가하기도 한다. 그러나 중심 성분은 카페인이다. 에너지 드링크 8 온스(평균 237 ml, 8 fluid ounce)에는 약 80 mg의 카페인이 들어 있다.
에너지 드링크의 효과
정신 능력과 인지 능력을 개선시키고 정신적 주의력이 증가한다는 문헌이 많다. 에너지 드링크를 과다 섭취하면 카페인의 자극 성질 때문에 경미한 또는 중등도의 도취감(euphoria)을 유발하지만 동시에 불안, 짜증, 불면, 흥분 등도 부수될 수 있다. 카페인은 또한 상체 근 지구력을 증가시킨다.
위쪽 그림은 정상 거미, 아래쪽 그림은 카페인 노출 거미가 자아낸 거미집이다.
에너지 드링크의 카페인 부작용
카페인에 노출된 집 거미는 거미줄을 자아내어 거미집을 짓는 능력이 떨어진다. 한가지 종류의 에너지 음료를 섭취할 때는 카페인 섭취 과다 가능성이 적다. 그러나 하루에 2가지 이상의 에너지 음료를 섭취하면 카페인 과다 위험이 높아진다.
인삼은 흔히 에너지 음료에 들어있어 카페인 효과를 증강시키고 과라나(guarana) 같은 성분에는 그 자체에도 카페인이 들어있다. 400 mg 이상 카페인 섭취에 의한 부작용은 불안, 초조, 짜증, 불면, 배뇨 증가, 심 박동 이상(부정맥), 골 밀도 감소, 위장 장애 등이다.
스포츠 음료에 들어 있는 슈가(sugar)는 6-7%가 최적 농도다. 이 농도에서 흡수율이 최대가 되고 또한 혈당의 롤러코스트 효과를 방지할 수 있다. 이보다 더 높은 농도의 탄수화물을 함유한 에너지 드링크는 액체 흡수가 느려지고 탈수 위험이 높아진다. 혈당이 높으면 신체 세포는 물을 얻기 어렵다. 물이 혈당 농도를 희석시키기에 바쁘기 때문이다.
에너지 드링크의 부작용으로 구역질, 이상 심 박동을 초래할 수 있다.
2008년 프랑스 정부는 에너지 드링크 ‘Red Bull’ 판매를 금지시켰다. 19세 운동 선수가 에너지 드링크 3캔을 마시고 농구 경기 중에 죽었기 때문이다. 프랑스 과학 위원회는 Red Bull에 들어 있는 과량의 카페인 때문이라고 결론지었다. 그러나 영국에서는 단지 임신 여성에 한하여 사용을 경고한 정도다.
에너지 드링크를 마시고 음주하는 것은 바람직하지 않다. 에너지 드링크는 자극제이고 알코올은 억제제다. 따라서 이 두 가지를 혼합하면 에너지 드링크가 알코올 영향을 중화시켜 해로울 수 있다. 누구나 과음하면 피로해진다. 그러나 에너지 드링크의 자극 효과가 알코올 효과를 무효화하여 더 많은 술을 마시게 한다.
카페인을 사용하면 피로가 감소하고 주의력이 증가한다. 학생들이 시험 공부할 때나 운전할 때, 일할 때 이용한다.
콜라 견과(kola nut)는 커피 베리 및 찻잎(Tea leaf)처럼 사용역사가 길다. 서부 아프리카에서는 콜라 견과를 씹어 먹어 활력을 회복하고 심한 공복감(hunger pangs)을 줄였다.
1911년 kola는 건강에 위해를 초래하는 물질로 관심의 초점이 되었다. 미국 정부가 이 음료 성분인 카페인이 건강에 해롭다고 코카콜라 시럽을 몰수했기 때문이다. 미국 정부는 콜라에서 카페인을 제거하도록 명령했다. 여자 학교에서 콜라를 과다 섭취한 소녀들이 야간 일탈, 학칙 위반, 여성 범절이나 품행이 좋지 않았기 때문이다. 그 후 1912년 미국 의회에서는 카페인이 습관성이 있고 해로운 물질이라는 사실을 제품 라벨에 표기토록 하는 법령을 제정했다.
카페인의 약리학
세계적으로 연간 카페인 소비량은 12만 톤에 이른다. 카페인은 신체 내에서 복잡한 생화학 반응을 유발한다. 중추신경 자극 및 대사 자극 효과가 있다. 무력감이나 졸음이 올 때 육체적 피로를 감소시키고 정신적 주의력을 회복시키기 위해 사용한다. 카페인은 고농도에서 먼저 중추신경을 자극하여 정신 주의력을 증가시키고 사고가 명료해지며 집중력이 증가하고 신체간 기능 조화가 개선된다.
카페인은 간에서 3 종류의 화학물질, 파라산틴(paraxanthine, 84%), 테오브로민(theobromine, 12%), 테오필린(theophylline, 4%)으로 대사된다.
커피나 기타 음료에 들어있는 카페인은 위와 소장에서 45분 내에 흡수되어 신체의 모든 조직으로 퍼져 분포하고 first-order kinetics에 의해 제거된다. 또한 직장을 통해서도 흡수되어 에르고타민 주석산염(ergotamine tartrate)및 카페인 좌약(편두통 경감제),클로로부타놀(chlorobutanol)및 카페인 좌약(구역질 치료 목적)에 사용된다.
카페인 반감기는 연령, 간 기능, 임신, 복용약물, 카페인 대사 간 효소 등에 의해 개인차이가 있다. 건강한 성인의 경우에는 약 3-4시간이다. 그러나 피임약을 복용하는 여성의 경우에는 5–10 시간으로 길어진다. 임산부는 9–11 시간이다. 심한 간질환이 있을 때는 카페인이 축적되어 반감기가 96시간 까지 길어진다. 영아나 소아의 반감기는 성인보다 길다. 신생아의 반감기는 30시간 정도다. 흡연 등 인자가 카페인 반감기를 단축시킨다.
카페인은 간에서 cytochrome P450 oxidase 효소계에 의해 대사되어 3 종류의 디메틸산틴(dimethylxanthines)을 대산 산물로 생성한다. 이 3가지 대사 물질이 각각 신체에 영향을 미친다.
1) 파라산틴(Paraxanthine,84%): 지방을 분해시켜 글리세롤과 지방산의 혈중 수준을 증가시킨다
2) 테오브로민(Theobromine, 12%): 혈관 확장 및 소변량을 증가시킨다. 코코아와 초콜렛의 주요 알칼로이드다.
3) 테오필린(Theophylline, 4%): 기관지 평활근 이완. 천식 치료에 사용된다. 그러나 테오필린의 치료 용량은 카페인 대사로 얻어진 용량보다 수배나 높아야 나타난다.
이들 대사 산물은 더욱 대사되어 소변으로 배출된다
카페인 작용 기전의 핵심은 아데노신 작용을 방해하는 것이다.
카페인의 주요 작용 모드는 뇌의 아데노신 수용체 길항제라는 점에서 출발한다. 카페인은 알코올이나 니코틴처럼 혈액-뇌 관문(BBB)을 쉽게 통과한다. 카페인 분자는 아데노신과 구조가 비슷하여 세포 표면의 아데노신 수용체에 결합하되 수용체를 활성화시키지 않는 길항작용을 나타낸다. 카페인이 아데노신과 경쟁적으로 작용하는 것이다.
아데노신은 거의 모든 신체 부위에 존재하여 ATP 관련 에너지 대사계에 중요한 역할을 한다. 하지만 뇌에서는 특별한 기능을 보인다. 여러 가지 대사 스트레스(허혈 또는 무 산소증)에 의해 뇌의 아데노신 농도가 늘어나서 신경 활성을 억제하고 혈류를 증가시켜 뇌를 보호한다. 카페인은 뇌신경 활성을 억제하는 아데노신 작용을 방해한다. 카페인이 정신적 각성 상태 및 주의력을 증가시키는지 명확한 기전은 아직 모른다. 아데노신이 누적되면 졸음을 유발한다.
뇌의 아데노신 분비 기전은 복잡하다. 아데노신은 연접부위에서 신경 전달 물질로 작용하는 증거도 있다. 그러나 대사 스트레스 관련 아데노신 증가는 주로 ATP의 세포 외 대사에 의해 생성되는 것으로 보인다.
아데노신이 일차 신경전달 물질은 아닌 것 같다. 그러나 여러 신경 원에서 다른 신경 전달 물질과 함께 아데노신이 분비되는 것은 사실이다. 아데노신은 대부분의 신경 전달 물질과 달리 소포(vesicle)에 들어 있지 않다.
아데노신 수용체는 몇 가지 타입이 있다. A1 수용체는 광범위하게 분포하여 칼슘 흡수를 억제하고 A2A수용체는 대뇌 기저핵(basal ganglia)에 고농도로 농축되어 행동을 조절한다. 그러나 뇌의 기타 부위에도 저 농도로 분포되어 있다. AA수용체는 도파민계와 상호 반응한다. 아데노신은 신경 보호 효과 이외에 수면-각성 사이클 조절에 관여한다.
카페인의 이차 효과는 아데노신과 무관하데 일어난다. 카페인은 cAMP-phosphodiesterase (cAMP-PDE)의 경쟁적 억제제이다. 이 효소는 cyclic AMP (cAMP)를 noncyclic 형태로 전환시킨다. 따라서 카페인은 세포 내에 cAMP를 누적시킨다. Cyclic AMP는 단백질 키나제(Protein Kinase) A (PKA)를 활성화시켜 포도당 합성에 사용되는 효소를 인산화시킨다.
카페인은 에피네프린과 에피네프린 유사 물질인 암페타민, 메탐페타민, methylphenidate 효과를 연장시킨다. 위벽 세포에서 cAMP 농도 증가는 protein kinase A (PKA) 활성을 증가시켜 H+/K+ ATPase 활성을 증가시켜 위산 분비를 증가시킨다.
카페인 대사 산물 또한 카페인 효과에 기여한다. 파라산틴(Paraxanthine)은 지방을 용해, 혈중에 글리세롤과 지방산 수준을 증가시키고 지방산은 근육 연료로 사용하게 한다.
테오브로민(Theobromine)은 혈관을 확장시켜 더 많은 산소 및 영양소를 뇌와 근육으로 운반한다. 테오필린(Theophylline)은 평활근 이완제이며 주로 기관세지를 확장시키고 심박과 심장 효율성을 증가시키는 chronotrope및 inotrope으로 작용한다
카페인 부작용
카페인 용량은 체구, 카페인 내성 정도 등에 따라 개인차가 많다. 섭취 후 1시간 이내에 효과가 발현되어 ergogenic한 효과를 보이고 정신적, 육체적 능력을 증가시킨다.
카페인을 섭취한 그룹은 2시간 동안 자전거 주행거리가 7% 증가하고 훈련된 주자(달리기 )의 경주 지구력을 44% 증가시키며 자전거 경주 지구력이 51% 증가했다(체중1 kg당 9 mg의 카페인을 복용할 때)
카페인 구연산염(Caffeine citrate)은 호흡 장애(미숙아의 무호흡증, 미숙아의 폐 형성 이형증) 치료에 단기 위험과 장기 이익을 나타낸다. 단기 위험은 체중의 일시적 감소다. 사람에게는 비교적 안전하나 동물에게 독성을 보인다. 동물은 카페인 대사 능력이 불량하기 때문이다.
카페인은 항문 내 괄약근을 이완시킨다. 따라서 변 실금 환자의 경우에는 카페인 사용을 피하는 것이 원칙이다.
카페인 내성과 중단(Tolerance and withdrawal)
카페인은 아데노신에 대한 중추신경계 수용체 길항제이기 때문에 주기적으로 카페인을 섭취하는 사람의 중추 신경계는 아데노신 수용체 수가 증가한다. 아데노신 수용체가 증가하면 신체가 아데노신에 더 민감해져 2가지 결과를 야기한다.
1) 카페인의 자극 효과가 상당히 감소한다. 이 현상을 내성 적응(tolerance adaptation)이라고 한다
2) 이와 같은 카페인에 대한 적응 반응은 아데노신에 더욱 민감하게 한다. 카페인 섭취를 감소하면 아데노신의 생리적 효과를 증가시켜 금단 증상을 야기한다.
아데노신 수용체의 상향 조절(up-regulation)은 카페인 자극 효과에 대한 내성을 유발한다. 카페인 용량을 더욱 증가시키면 카페인 내성이 극복된다.
카페인 내성은 과량의 커피나 과량의 에너지 드링크 섭취 자에게 신속하게 발생한다. 아데노신이 혈관을 확장시켜 혈압을 조절하기 때문에 카페인을 중지하면 아데노신 효과가 한층 증가하여 머리 혈관이 확장되고 과다한 혈액이 모여 들어 두통, 구역질을 유발한다.
카테콜아민 활성이 감소하면 피로, 졸림 증이 초래된다. 카페인을 중단하면 세로토닌이 감소되어 불안, 짜증, 집중력 감소, 일상 업무 능력이 감소되고 심하면 경미한 우울증을 초래한다. 이효과를 통틀어 crash라고 한다.
카페인 금단 증상
카페인 섭취를 중단하면 12-24시간 내에 두통, 짜증, 집중력 감소, 불면증, 졸림, 위통, 상체 및 관절 통 등이 출현한다. 48시간 경과시점이 되면 이들 증상이 절정에 달한다. 이런 증상은 1일 ~ 5일 동안 지속된다. 뇌의 아데노신 수용체 숫자가 정상 수준으로 되돌아갈 때까지다.
아스피린 등 진통제는 소량의 카페인만큼 통증을 경감시킨다. 진통제와 소량의 카페인을 함께 투여하면 진통 효과가 더욱 효과적이다. 카페인이 진통제 효과를 증강시키기 때문이다. 카페인은 특히 두통 완화제나 진통제 흡수를 도와 두통을 신속하게 경감시킨다. 따라서 두통에 대한 많은 OTC 진통제에는 카페인이 들어 있다.
카페인은 편두통 및 군발 두통(떼 두통, cluster headache) 치료, 그리고 항 히스타민에 의해 생긴 졸림 증을 극복하는데 에르고타민(ergotamine)과 함께 병용한다.
카페인 중독 (Caffeine intoxication)
300 mg 이상의 카페인을 갑자기 과용하면 체중이나 카페인 내성 정도에 따라 다르지만 중추 신경 과다 자극에 의한 카페인 중독 증상을 나타낸다. 이 상태를 속어로 caffeine jitters(불안, 초조, 안달)라고 한다. 증상은 다른 중추 신경 자극제 과용에 의한 증상과 같다. 좌 불안석, 신경질, 불안, 흥분, 불면증, 얼굴 화끈거림, 배뇨 증가, 소화기관 장애, 근육 떨림, 정신 소요, 빈맥, 정신적 흥분 등 증상이 나타난다.
더 많은 양을 복용하면 조울증, 판단 착오, 억제력 상실, 환청, 혼미, 망상, 정신병이 일어날 수있고 근육 파괴도 나타날 수 있고 심지어는 사망하기도 한다. LD50는 대개 80-100잔의 커피를 제한 된 시간에 마신 분량으로 체중 Kg당 150-200 mg 정도다. 사망 원인은 심실 세동(ventricular fibrillation)이다.
카페인 중독의 치료는 일반적으로 보조적 수단을 동원한다. 즉시 발현된 증상을 치료한다. 그러나 카페인 농도가 높을 때는 혈액 투석으로 카페인을 제거한다.
불안 및 수면 장애(Anxiety and sleep disorders)
카페인을 장기 복용하면 수면 장애와 불안 장애가 생긴다. 불안 장애는 여러 가지 형태로 나타나는데 불안부터 공황 발작(panic attacks), 강박 반응성 증상(obsessive-compulsive symptoms), 공포 증상(phobic symptoms)까지 다양하다. 기질적인 정신 장애와 유사하여 공황장애(panic disorder), 범불안장애(generalized anxiety disorder), 양극성 장얘(bipolar disorder), 정신 분열증(schizophrenia)를 나타내기도 한다.
파킨슨 병(Parkinson's disease)
카페인은 남자의 파킨슨 병 위험을 감소시킨다는 연구 결과가 있지만 그 기전은 알 수 없다. 동물 실험에서 카페인이 도파민 생성 신경 세포의 소실을 방지한다는 결과도 보고되어 있다. 그러나 왜 그런지 잘 모른다.
기억력과 학습 능력에 대한 영향(Effects on memory and learning)
카페인은 뇌기능 개선 효과(nootropic effects)가 있어 기억력과 학습 능력이 좋아진다는 연구 결과가 있다. 그러나 카페인에 대한 뇌기능 개선 효과에 대한 결과는 일관성이 없다.
저 용량을 장기 투여하면 해마 의존적인 학습 능력과 장기 기억력이 손상되는데 이는 카페인이 해마의 신경세포 생성을 방해하기 때문이다. 카페인이 부분적으로 해마의 신경세포 생성을 억제하여 해마 의존적인 학습 능력과 기억력을 저해한다는 것이다.
반대로 카페인 100 mg을 투여한 후 뇌 전엽에 위치한 일부 영역이 활성화했고 이 부위가 기억에 관련된 그물망의 일부이며 또한 주의력을 조절하는 뇌 영역이라는 점을 들어 카페인을 투여하면 기억력이 좋아진다고 주장하기도 한다.
그러나 또 다른 연구는 카페인이 단기 기억을 손상시키고 설단(舌端)현상(tip of the tongue phenomenon)을 증가시키는 것으로 보고했다. 카페인은 현재 일련의 생각과 관련된 정보를 꺼낼 때는 단기 기억을 돕지만 일련의 생각과 무관한 단기 기억은 오히려 방해한다고 한다.
본질적으로 카페인은 집중하고 있는 생각에 대한 정신 능력을 증가시키지만 광범위한 사고력을 감소시킨다.
TOT (Tip of tongue) phenomena
어떤 단어가 생각이 날 듯 말 듯하면서 입 밖으로는 나오지 않는 ‘혀끝을 맴도는(TOT: tip of tongue)’ 현상이다. TOT 현상 끝에 원하던 단어가 생각나면 속이 시원해지고 다시는 그 단어를 잊지 않을 것 같지만 같은 상황이 반복된다. 시간이 두뇌에 ‘실수 회로’를 만들기 때문이다.
심장에 대한 효과
카페인은 심근 세포 표면 수용체와 결합하여 세포 내 cAMP 수준을 증가시켜(cAMP 파괴 효소 차단) 에피네프린과 유사한 효과를 발휘한다. 에피네프린은 세포 표면 수용체와 결합하여 cAMP 생성을 활성화한다. cAMP는 2차 전령으로 활동하여 protein kinase A (PKA; cAMP-dependent protein kinase)를 활성화시킨다. Glycolysis 증가로 근육 수축 및 이완에 필요한 ATP의 생성량이 증가된다.
역학 연구에 의하면 커피의 카페인은 심장 질환을 현저하게 감소시킨다. 그러나 이와 같은 효과를 보이는 대상은 고혈압이 없는 사람이었다. 또한 65세 이하인 사람, 65세 이상이지만 뇌혈관 질환자의 경우에는 이러한 심장 보호효과가 없었다.
소아의 카페인 효과
소아의 성장을 둔화시킨다는 소문과 배치된 과학적 연구 결과도 있다. 소아도 어른과 동일한 효과를 보인다. 카페인이 많이 들어 있는 대부분의 에너지 드링크는 많은 학교에서 음용을 금지하고 있다.
임신과 카페인
하루에 200 mg 이상 카페인을 섭취한 임산부는 약 2배의 유산율을 보인다. 그러나 유산과 카페인 섭취는 무관하다는 상반된 연구 결과도 있다. 영국 Food Standards Agency에서는 임산부의 경우, 하루에 2 머그잔 분량에 해당되는 200 mg 이하 섭취를 권장하고 있다.
카페인 제거(Decaffeination)
벤젠, 클로로포름, 트리클로로에틸렌, 디클로로메탄(dichloromethane) 등 여러 가지 용매를 이용하여 카페인을 제거해 왔다. 그러나 환경 문제, 안정성, 비용, 향미 등 문제로 다른 방식으로 대체되었다.
- 물에 의한 제거 Water extraction
커피 콩을 물에 불린다. 물에는 커피 콩의 카페인 뿐만 아니라 커피 향과 관련된 기타 많은 화학 물질을 내포한다. 이 물을 활성탄에 통과시켜 카페인을 제거한다. 활성탄을 통과한 물을 다시 커피 콩에 부어 증발, 건조시키면 향미가 좋은 카페인 제거 커피(decaffeinated coffee)가 된다. 카페인은 소프트 드링크나 OTC 카페인 정제를 만드는데 사용한다.
- 초임계 이산화탄소에 의한 제거(Supercritical carbon dioxide extraction)
초임계 이산화탄소(Supercritical carbon dioxide)는 카페인에 대한 훌륭한 비극성 용매이며유기물 용매보다 안전하다. 제거 방식은 간단하다. CO2를 온도 31.1도, 73 기압의 압력에서 생두에 강제 진입시킨다. 이 상태의 CO2 는 임계를 초과한 초임계 상태(supercritical state)이다. 가스와 유사한 성질로 카페인의 97–99%를 용해시킨다. 카페인을 적재한 이산화 탄소(caffeine-laden CO2)를 고압의 물로 분사시켜 카페인을 제거한다. 카페인은 활성탄 흡수 또는 증류, 재결정화, 역 삼투압으로 분리된다.
- 유기물 용매에 의한 제거 Extraction by organic solvents
에르고타민(Ergotamine)
에르고타민은 에르고펩틴(ergopeptine)으로 에르고트 알칼로이드계 일부다. 구조적, 생화학적으로 에르골린(ergoline)과 밀접한 관련이 있다. 몇몇 신경전달물질과 유사한 구조를 가지고 있고 생물학적으로는 혈관 수축제로 작용한다. 급성 편두통 치료 목적으로 사용되며 분만을 유도하고 분만 후 출혈을 방지한다. 처음 ergot fungus에서 발견되었다.
각용 기전은 복잡하다. 이 분자는 세로토닌, 도파민, 아드레날린등 신경 전달물질과 유사하다. 몇몇 세포 수용체와 결합하여 세포 신호 전달에서 효현제나 길항제로 작용한다.
항 편두통 효과(anti-migraine effect)는 5-HT1B 수용체를 통해 두피 혈관을 수축 시키거나 또는 5-HT1D 수용체에 의한 삼차신경 신경 전달(trigeminal neurotransmission)을 억제함으로써 일어난다. 에르고타민은 도파민과 노아드레날린 수용체에 영향을 미친다. D2 도파민 및 5-HT1A 수용체에 작용하여 일부 부작용을 유발한다.
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