不同咖啡因饮料对人注意力与心脏功能影响的研究——以上海地区为例
作者：李奕茵 学校：上海市新川中学
摘要：本研究以中国上海地区为目标群体，通过分析不同咖啡因饮料对注意力和心脏功能的影响，探讨饮品科学选择对学习与健康的优化作用。实验监测心率、QTc间期、HRV和反应速度等指标，发现高咖啡因饮品虽可显著提升注意力和反应速度，但可能引发心率加快和心律波动。中等咖啡因饮品提神效果温和却存在血糖波动风险。低咖啡因饮品在提神同时有助缓解压力，且对心脏影响最小。研究为高中生在不同场景下的饮品选择提供依据，强调健康饮品意识的重要性，并为合理摄取咖啡因、优化学习效率与长期健康管理提供参考。后续将扩大样本，探讨长效效应，助力健康生活方式推广。 关键词：咖啡因；高中生；上海；注意力；心脏功能
1.课题背景
咖啡因是常见的神经刺激剂，它普遍存在于咖啡、茶、能量饮料和部分碳酸饮料中，其通过阻断腺苷受体，减轻神经抑制，从而起到提神、抗疲劳的作用。咖啡消费具有全球性和文化多样性。欧美地区以咖啡为主，亚洲则有悠久的茶饮历史。近年来，能量饮料在年轻群体中流行，进一步拓展了咖啡因的消费场景。
咖啡因天然存在于多种植物中，也作为添加剂用于食品、饮料和药品中。不同产品中含量差异显著。例如：咖啡中的星巴克中杯美式（354毫升）约含225毫克，速溶咖啡（240毫升）约为30~90毫克。茶中的立顿绿茶（240毫升）含20~50毫克。能量饮料中的红牛（250毫升）含50毫克，东鹏特饮（250毫升）约55毫克。碳酸饮料中的可口可乐（355毫升）含34毫克，百事可乐（355毫升）含38毫克。
当前咖啡因摄入呈现年轻化趋势，但需注意合理控制摄入量，过量可能引发心悸、失眠或血压波动等问题。了解产品中咖啡因含量，有助于消费者科学选择，促进健康生活方式。
2.研究方法与过程
饮料中的咖啡因等活性成分可刺激中枢神经和自主神经系统，短期内可能显著影响心脏功能和反应速度。本研究通过监测受试者摄入含咖啡因饮料后，心率、QTc间期、HRV及反应速度的动态变化，评估相关成分的生理影响及其恢复规律。
指标1：心率（HR），它可反映交感神经的兴奋程度。在摄入饮料后的0、30、60、90、120、180分钟多个时间点测量，可观察心率随时间的变化曲线。
指标2：心电图参数，包括P波、PR间期、QRS波群、QTc间期，用于评估心脏传导系统的变化。饮料摄入后，QTc间期可能出现轻微延长（通常小于10ms），提示心室复极过程的短暂调整。这种变化通常在30~60分钟的代谢高峰期内最为显著，通过折线图可以直观呈现各波形参数的动态变化。
指标3：P波与PR间期，用于评估心房激动与心室传导的时间延迟，通常变化不显著。
指标4：QRS波群，反映心室激动时间是否稳定，通常变化极小。
指标5：QTc间期，通过心率校正后的QT间期评估其延长程度，若超出450ms可能提示心律异常风险。
指标6：心率变异性（HRV）分析，这是反映自主神经系统功能的重要参数，可通过分析时域（如SDNN）或频域（如LF/HF比值）评估交感神经与副交感神经的相互作用。上述指标1至6的测量均以所购置测量装置出具的报告为金标准。我们购置的设备是问心无恙设备，购自淘宝平台。其示意图如下：
其示例报告如下：
指标7：反应速度的变化趋势，这是评估中枢神经兴奋状态的重要指标。饮料中咖啡因等成分在短时间内提升了注意力和反应效率。通过分析反应速率与心率峰值间的同步性，可以揭示神经兴奋与心脏负荷间的潜在关系。
基于以上指标，本研究旨在通过分析一般饮料摄入后心脏功能和反应速度的动态变化，系统探讨咖啡因或其他成分对人体短期生理的作用机制。研究结果不仅为科学饮用提供了数据支持，还可为消费者的个性化健康管理提供参考依据。特别是在快速消费饮料日益普及的背景下，这类研究能帮助消费者更理性地选择适合自身的饮料种类及饮用方式。
3.研究结果
被试者1：
被试者2：
被试者3：
我们对参与可乐的所有15名被试者的c指标进行了数据计算、统计与分析。然后，进行了数据拟合，来表示其特征的变化趋势。其不同的指标结果如下：
心率变化示意图（平均）
P波变化示意图
PR间期示意图
QRS波群变化
QTC指标变化趋势
反应时间变化趋势
在分析趋势图后，可以总结出以下变化规律：在心率变化方面，心率在整个时间段内总体波动较小，呈现轻微的先升后降趋势。初期心率略有上升，随后趋于平稳或略微下降。这种变化可能与咖啡因的短期刺激作用相关。咖啡因可暂时刺激交感神经系统，导致心率轻微升高，但随着代谢的进行，心率逐渐恢复正常。因此，我们认为喝可乐的波动幅度不大，表明对实验个体来说，所饮用的饮料对心率的影响是温和且可控的。
在P波方面，P波时长呈现轻微的先升后降趋势。最大值通常出现在饮用后30~60分钟，随后逐渐恢复到基线水平。P波可以反映心房去极化的时间，其变化可能受到电解质平衡和心脏自主神经调控的短期影响。咖啡因的摄入可对心脏的电生理特性有轻微作用，但未表现出异常。
在PR间期方面，PR间期总体呈现略微增加的趋势，可能在中段（30~90分钟）达到峰值后逐渐下降。PR间期延长可能与心脏传导系统中AV节点的暂时性调节有关。咖啡因对钙离子流动和心房传导可能有一定作用，但这种延长一般属于生理范围，不构成健康风险。
在QRS波群与QTc间期方面，咖啡因对心室去极化的影响极低，因此波群变化在合理范围内，科学证据表明该剂量对心室功能的影响有限。因此，本研究通过对实验个体饮用含咖啡因饮料可乐后的多项生理指标（如心率、心电图参数、心率变异性及反应速度）的动态监测，系统性分析了短期内咖啡因对人体的作用机制。实验数据显示，饮用后个体的心率在初期出现轻微升高，随后逐渐趋于平稳，这表明咖啡因对交感神经系统的刺激作用是暂时且可控的。此外，P波与PR间期分别反映心房去极化及房室结传导的时间，其在饮用后出现轻微波动，均维持在生理正常范围内，表明实验剂量的咖啡因对心脏电生理特性未造成显著风险。
值得注意的是，QTc间期呈现短期缩短与延长趋势，可能与咖啡因作用于心室复极相关，但其峰值未超出安全范围。同样，心率变异性在短期内下降，随后逐渐回升，反映个体自主神经系统对咖啡因的适应性调节能力。另一方面，反应速度显著加快，进一步验证了咖啡因通过阻断腺苷受体提高大脑兴奋性的效果。
3.1 立顿红茶
在实验过程中，通过对心率、P 波、PR 间期、QRS 波群、QTc 间期、心率变异性、增益以及反应速度等多个生理指标进行时间序列分析，得出了以下规律和趋势：
1） 心率：立顿红茶对心率的影响表现为短期内轻微升高，其升高幅度和持续时间低于可口可乐。这种变化反映了红茶中咖啡因的温和刺激作用及茶多酚成分对心血管调节的平衡效应。
2） P 波：立顿红茶对心房去极化时间（P 波）具有较为平稳的调节作用，其波动范围小于可口可乐。这表明红茶在短时间内对心脏电活动的影响较为恒定。
3）PR 间期：在饮用立顿红茶后表现出稳定或轻微延长的趋势，明显不同于可口可乐引起的缩短效应。这种稳定性归因于红茶中茶氨酸对副交感神经的促进作用，从而缓解了交感神经激活对心脏传导系统的刺激。
4）QRS 波群：持续时间在饮用立顿红茶后保持稳定，波动范围与可口可乐实验数据相似。这表明红茶对心室去极化过程的影响较小，其电生理安全性较高。5. QTc 间期：在饮用立顿红茶后轻微延长，但延长幅度和持续时间低于可口可乐。这反映了立顿红茶中的茶多酚成分在调节心室复极过程中发挥了平衡作用，有助于降低心脏电活动异常的风险。
6） 心率变异性：在饮用立顿红茶后短时间内略有下降，随后迅速恢复，并在后期实验中可能出现提升。这种现象表明红茶对自主神经系统具有更快速的调节效果，有助于缓解心理压力并增强神经系统的适应能力。
7）反应速度：饮用立顿红茶后，反应速度在短时间内显著提升，随后趋于平稳或轻微回落。红茶中咖啡因和茶氨酸的协同作用提高了大脑的兴奋性和注意力集中效果，从而优化了被试的认知表现。
3.2 星巴克咖啡
我们邀请了16位被试者进行星巴克美式的研究，其具体表现图如下：
心率变化图
P波变化图
PR趋势变化图
QRS变化图
QTc变化图
HRV变化图
反应时间趋势图
我们基于二次函数对上述指标进行了分析，喝星巴克美式咖啡后，各指标大致如下：
Ø 心率：呈先上升后下降的趋势，反映初期活动增强，随后逐渐恢复平稳。
Ø P波：显示轻微波动，先增加后略微下降。Ø PR间期：趋势表现为U型，初期略降，中后期上升。
Ø QRS波群：呈线性下降趋势，说明心室去极化活动逐渐减少。
Ø QTc间期：先下降后上升，可能与心脏复极化调整相关。
Ø 心率变异性：先下降后恢复，显示短期的自主神经系统平衡调节能力。
Ø 反应时间：呈下降趋势，反映逐步适应任务的反应能力提升。
心率总体变化趋势图
P波变化趋势图
PR间期变化趋势
QRS变化趋势
QTc变化趋势图
HRV变化趋势示意图
反应时间变化趋势图
4.结论与分析
我们分析了所有数据后，画出以下对比图：
不同咖啡因饮料心率变化示意图
不同咖啡因饮料P波变化示意图
不同咖啡因饮料PR间期变化示意图
不同咖啡因饮料QRS变化对比图
不同的咖啡因饮料QTc的变化对比图
HRV变化对比图
反应时间对比图
在心率方面，红牛和美式咖啡的心率峰值较高（30~60分钟内达到110 bpm以上），随后逐渐下降。可口可乐和雀巢速溶表现为温和的上升趋势（峰值约100 bpm）。矿泉水和立顿红茶的心率变化幅度最小，维持在70~85 bpm之间。在查阅治疗后发现，高咖啡因饮品（红牛、美式咖啡）强烈刺激交感神经系统，增加心率，表明肾上腺素分泌增强。可口可乐和雀巢速溶因咖啡因含量较低，对心率的刺激作用更为温和。矿泉水无咖啡因成分，几乎不影响心率。立顿红茶中茶多酚和茶氨酸则可能中和了咖啡因的兴奋效应，抑制心率的剧烈波动。
P波波幅在饮用高咖啡因饮品（如红牛、美式咖啡）后显著增加，在前期达到115~125 ms，后期逐渐回落。相比之下，可口可乐和雀巢速溶的P波变化较小，立顿红茶的P波则最为稳定。这表明高咖啡因饮品增强了心房去极化强度，立顿红茶中茶氨酸的镇静作用则有效降低了心脏电信号传播的波动。
PR间期在红牛、美式咖啡和雀巢速溶饮用后呈现“先缩短后延长”的变化趋势（初期约140 ms，后期延长至160 ms以上），反映了心脏信号传导的短期加速及后期调节。可口可乐和立顿红茶PR间期变化较为平稳，矿泉水几乎无显著变化。这表明高咖啡因饮品对心脏传导系统的刺激作用较强，低咖啡因或无咖啡因饮品的影响较小，更适合长期饮用。
美式咖啡和红牛的QRS波群持续时间在实验中显著缩短（90~100 ms），可口可乐和雀巢速溶对QRS波群影响较小，矿泉水和立顿红茶几乎没有影响。这表明高咖啡因饮品提高了心室去极化的效率，低咖啡因和无咖啡因饮品在维持心脏电生理稳定性方面具有更好的表现。
与此同时，QTc间期在高咖啡因饮品（红牛、美式咖啡）饮用后波动较大，部分时间点接近450 ms，显示出心室复极化时间的显著变化。相比之下，矿泉水和立顿红茶的QTc间期变化最小（范围在410~430 ms之间），可口可乐和雀巢速溶的变化介于两者之间。这表明高咖啡因饮品可能带来心律异常风险，而立顿红茶和矿泉水更安全。
在心率变化率方面，红牛和美式咖啡显著降低了HRV（低于20 ms），表明交感神经活动增强，副交感神经受到抑制。可口可乐和雀巢速溶的HRV略有下降，立顿红茶和矿泉水在实验中表现稳定，部分时间点甚至显示HRV增加，表明其有助于自主神经系统的平衡调节。
最后，在认知功能测试中，高咖啡因饮品（红牛、美式咖啡）显著缩短了反应时间（减少50~80 ms），雀巢速溶和可口可乐的改善幅度较小，矿泉水无明显变化。立顿红茶表现为温和但稳定的反应时间提升，反映其对注意力的持久增强效果。
5.收获与体会
在高中生的日常学习生活中，高强度的学习任务和长时间的备考状态使得注意力集中和脑力输出成为常态，让我们十分疲劳。然而，红牛和美式咖啡作为高咖啡因饮品，因其迅速提升注意力和反应速度的能力，成为一些学生熬夜刷题、准备考试的常见选择。然而，这类高咖啡因含量的饮品虽在短时间内能显著改善认知表现，但心率显著升高、QTc间期波动较大的副作用不容忽视。尤其是在夜晚饮用红牛或美式咖啡，可能导致交感神经过度兴奋，造成心率不齐、入睡困难，进而引发次日的疲劳积累，甚至可能长期影响心血管健康。因此，建议高中生在选择高咖啡因饮品时要特别注意适量饮用，并避免在晚间或连续多日饮用。可口可乐和雀巢速溶咖啡作为中等咖啡因饮品，在中国高中生中较为普遍。
可口可乐因其清凉解渴的特点，经常出现在午后课间或自习期间，既为学生补充能量，又带来轻微的提神效果。然而，其高含糖量在短期内可能导致血糖快速上升并随后下降，容易引发注意力不稳定。
雀巢速溶咖啡则是早晨课前冲泡的快捷选择。相比美式咖啡，它的咖啡因含量较低，能够适度提神，帮助学生进入学习状态，而不会造成过度刺激。尤其在考试前的小憩时间，适量的雀巢速溶咖啡可以在提升脑力的同时，保持较为稳定的生理状态。
与此同时，课题经过调研发现，立顿红茶富含茶多酚和茶氨酸，不仅能温和提升注意力，还具有缓解压力的作用。这对于承受高考压力的学生来说，是一种更健康的提神方式。此外，红茶的温和特性还适合在寒冷的冬季饮用，既可以暖身，又能避免因咖啡因摄入过多导致的心律波动。矿泉水则在运动后、晨读前、晚自习期间等场景中起到重要作用。与含咖啡因的饮品相比，矿泉水能更高效地为身体补充水分，帮助大脑保持清醒，避免因脱水引发的疲劳和注意力下降。
高中生的生活充满高强度的学习压力，因此饮品的选择需根据不同场景和个人需求进行优化：
Ø 早晨课前：建议选择美式咖啡、雀巢速溶咖啡或立顿红茶，帮助快速提神、进入学习状态。
Ø 午后课间：适量饮用可口可乐可为身体补充能量，但需要避免过量，以防血糖波动。
Ø 夜间自习：可适量选择立顿红茶，其镇静效果有助于平稳学习，但避免选择红牛或美式咖啡，以免影响睡眠质量。 Ø 运动后或疲劳时：矿泉水是最佳选择，可有效补水并缓解疲劳。
中国高中生在饮品选择上往往受便利性、口感喜好等因素驱动，但健康意识的培养尤为重要。例如，高糖饮品的长期摄入可能增加肥胖和代谢疾病的风险；高咖啡因饮品若过度依赖，可能对心血管健康造成隐患。因此，在家庭和学校的教育中，应注重向学生普及饮品成分及其对身体的影响，引导学生根据个人需求选择更健康的饮品。
本研究的测量数据虽为中国高中生的饮品选择提供了一定的科学依据，但样本数据的多样性尚待进一步扩充。未来研究可结合实际实验数据，针对不同地域、年龄和学习强度的学生群体，探索饮品对心血管和神经系统的长期影响。同时，还应关注饮品中其他成分（如糖分、抗氧化剂）的潜在作用，为学生群体提供更科学的健康饮食建议。
参考文献：
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责任编辑：李银慧
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