咖啡因(caffeine)屬於生物鹼類(alkaloids)，生物鹼最早是由植物中發現的，如尼古丁(nicotine)、奎寧(quinine)、古柯鹼(cocaine)、嗎啡(morphine)及龍葵鹼(a-solanine，存於發芽之馬鈴薯中)等亦是，生物鹼是許多含氮化合物的通稱，通常作用於神經系統，常是許多和草藥的有效或有毒成分。4000種經試的植物中發現共超過3000種生物鹼，應用於臨床試驗的已超過80種。咖啡因可作為自然殺蟲劑，它能使吞食咖啡因植物的昆蟲麻痹或死亡，在2006年六月的自然科學雜誌(Nature Science)上，美國太平洋流域農業研究中心的 Robert Hollingsworth等人發表了咖啡因可作為蛞蝓和蝸牛之驅逐劑的新發現，他們的研究結果顯示：蛞蝓會避開經過0.01-2%咖啡因噴灑處理的甘藍菜葉，而暴露在0.5-2%咖啡因中的蝸牛則會在96小時內死亡。
咖啡因，又名1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤 (1,3,7-trimethyl-2,6-dioxopurine)，其分子式為C8H10N4O2，其結構類似去氧核醣核酸(DNA)及核酸(RNA)中之嘌呤類，如腺嘌呤(adenine，A)及鳥嘌呤(guanine，G)。於此簡言之，在DNA分子主鏈上有四個核苷酸，分別為腺嘌呤、胞嘧啶(cytosine，C)、鳥嘌呤及胸腺嘧啶(thymine，T)，而這四個核苷酸經由無間隔的排列，就形成所謂的DNA序列，即俗稱的遺傳密碼。
咖啡因在人體內之代謝過程
咖啡因在攝取後，約30-45分鐘內會被胃及小腸完全吸收，吸收後會直接進入血液而將咖啡因分佈於全身各器官中，約15分鐘後身體便會有所反應，15-45分鐘後體內咖啡因濃度達最高峰，然而在肝臟進行咖啡因代謝，咖啡因之濃度於於是逐漸降低，約3-6小時後，咖啡因濃度可降低一半，至於代謝咖啡因之快慢，則因各人體質而有所不同。
咖啡因在肝臟中代謝，需依賴一種細胞色素P450 1A 2 (cytochrome P450 1A 2，或CYP 1A 2)的氧化脢(oxidase)方能代謝，透過CYP 1A 2酵素之催化作用，可將咖啡因轉化為三種二甲基黃嘌呤異構物(isomer)，即為副黃嘌呤(paraxanthine，或PX)、可可碱(theobromine，或TB)及茶碱(theophylline，或TP)，再經CYP 1A 2酵素，可進一步將二甲基黃嘌呤轉化為甲基黃嘌呤(methyl xanthine，或MX)，接著也是在肝臟內再透過黃嘌呤氧化脢(xanthine oxidase，或XO)，將甲基黃嘌呤、二甲基黃嘌呤及二甲基黃嘌呤分別進一步代謝為甲基尿酸(methyl uric acid，或MU)、二甲基尿酸(dimethyl uric acid，或DMU)及二甲基尿酸(trimethyl uric acid，或TMU)，而透過氮-乙醯化轉移酵素(N-acetyltransferase type 2，或NAT2)及CYP 1A 2，可將paraxanthine轉化為acetyl-6-formylamino-3-methyluracil (AFMU)，AFMU可進一步被代謝轉化為5-acetyl-6-amino-3-methyluracil (AAMU)。
在肝臟中，經由CYP 1A 2酵素之催化作用，可將咖啡因轉化成三種不同的二甲基黃嘌呤異構物，其中80-84%咖啡因轉化為PX，10-12%轉為TB，4%轉為TP。因此一般健康的人，咖啡因大都透過PX進行代謝，其所產生的代謝產物(metabolites)，如MX、MU及AFMU，就佔總代謝產物的60%。其實，透過尿液排出的咖啡因代謝物，相當繁富，包括未代謝之咖啡因(約1-2%)、PX、TB、TP、MX、TMU、DMU、MU及AAMU，其中尿酸如TMU、DMU及MU，會先形成尿酸鹽類，才隨尿液排出。
CYP 1A 2酵素有兩種型態(polymorphisms)，一為CYP 1A 2* 1F，咖啡因代謝速度慢，另一為CYP 1A 2* 1A，咖啡因代謝速度較快；因此體內肝臟中因遺傳而擁有CYP 1A 2* 1F酵素的人，則咖啡因代謝慢，需較久時間才能將攝取的咖啡因代謝掉，隨尿液完全排出體外；肝臟持有CYP 1A 2* 1A酵素的人，則咖啡因代謝會較快，有機會需較短時間就可將攝取的咖啡因完全排出體外；然有些人，肝臟中同時具有CYP 1A 2* 1F及CYP 1A 2* 1A酵素，則代謝速度介於前兩種人之間。
咖啡因之生理作用
事實上，咖啡因對人體之生理作用，並非僅指咖啡因之作用，由於咖啡因進入人體後，很快就被代謝成它的代謝產物(metabolites)，例如咖啡因首先會被代謝成為三種二甲基黃嘌呤異構物，而這三種代謝產物對人體亦各具不同的生理作用：(1)Paraxanthine(副黃嘌呤)，會增加血管舒張壓、增加血中腎上腺素(epinephrine)、及增加脂解速率使血中游離脂肪酸增加等，血中Paraxanthine濃度太高易導致流產；(2)Theobromine(可可碱)，可擴張血管、舒緩平滑肌，有利於降低血壓；(3)Theophylline(茶碱)，可鬆弛支氣管平滑肌，使支氣管擴張，增加心肌收縮力，增加心跳及血壓。
咖啡因及其代謝物合併對人體的生理作用簡述如下：
(1)咖啡因可作為腺苷酸(adenosine)之拮抗劑。腺苷酸會結合神經細胞表面的腺苷酸A1受體(adenosine A1 receptor)，接著引發一連串訊息，以阻止身體釋放神經傳遞物質，如麩胺酸(glutamate)、g-胺基丁酸(gamma-amino butyric acid，或簡稱GABA)、正腎上腺素(norepinephrine)、血清素(serotonin)、乙醯膽鹼(acetylcholine)等，導致神經元細胞反應遲頓，使身體代謝速率降低及體溫降低，達到「催促休息」及「休息」的效果；其中麩胺酸受到抑制釋放最為強烈。由於咖啡因分子結構很像腺苷酸，因此咖啡因會與腺苷酸A1受體結合，使腺苷酸無法發揮作用以抑制神經傳遞物質之釋放，反而繼續不斷釋放神經傳遞物質，讓神經系統無法休息，而持續亢奮工作。
(2)咖啡因會刺激增加大腦神經傳遞物質血清素(serotonin)的分泌，血清素主要作用於神經突觸間隙的神經訊息傳導，與情緒調節有關，分泌充足時，會有情緒激動、樂觀的傾向，分泌不足時，則會有悲觀、懊悔、自責、退縮的傾向。因此食用咖啡後會有樂觀興奮的感覺。
(3)咖啡因會刺激釋放各類神經傳遞物質，但影響適放改變量最大的為麩胺酸。中樞神經內超過一半的神經細胞皆以麩胺酸作為興奮性神經傳遞物質，攸關學習與記憶的成效，咖啡因刺激而使麩胺酸分泌增加，會使神經系統處於興奮工作狀態。正腎上腺素的分泌增加，會使人體的交感神經呈現興奮狀態，讓人情緒激昂，警覺性提高。
(4)咖啡因會抑制磷酸二脂脢(phosphodiesterase，或PDE)的活性，藉此提高細胞內環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，或cAMP)的濃度，cAMP為第二訊息分子(負責將細胞外的訊號轉換為細胞內的訊號，或稱secondary messenger)，有助於脂肪的分解與燃燒，cAMP濃度增加具有訊號放大作用，而增強神經傳遞物質的作用，如正腎上腺素(norepinephrine)及多巴氨(dopamine)等的生理作用，此兩種神經傳遞物質負責思考、認知、記憶、精神集中以應付突發事件，可使睡意全消。其中正腎上腺素亦可增進交感神經呈現興奮狀態。
(5) 咖啡因刺激cAMP濃度增加亦能促使身體的代謝速率增加，藉此產生較高血壓、加快心跳，刺激胃酸分泌，及促進利尿作用。刺激胃酸分泌，易使人產生飢餓的感覺。利尿作用，排尿增加，易加速礦物質隨尿流失，因此常喝咖啡者，應注意補充礦物質，如鈣、鐵、鋅、鎂等。有研究報告，100毫克的咖啡因(約1杯咖啡)就能使人體的新陳代謝率增快百分之三至四。
(6)食用咖啡因，會增加血漿中游離脂肪酸、皮質醇(cortisol)及腎上腺素(epinephrine)的濃度，可以促進短期運動的表現，相對的，亦可增進短期工作的效能。
(7)其它可能之生理作用，但未獲得完全證實確認，如(a)降低血管中膽固醇，減低罹患阿茲海默症機率；(b)增加分泌神經傳遞物質多巴氨(dopamine)，減低罹患帕金森氏症機率；(c)刺激心肌，增加心跳，易導致心律不整；(d)過量食用，易導致流產，或胎兒成長遲緩；(e)刺激交感神經，抑制副交感神經，可使氣喘病患避免因副交感神經興奮而發作。
(8)根據流行病學方法的研究證實，適量飲用咖啡，可降低肝硬化及肝癌的風險。(參考文獻 M Inoue et al, Cancer Epidemiol, 35(3), p. 250-253, 2011；X Yu et al, BMC Cancer, 11, p. 96, 2011)
行政院衛生署食用咖啡因建議量及規定咖啡因食品標示方法
依據歐盟食品科學專家委員會之評估資料顯示，每人每日咖啡因攝取量在300 mg以下，對健康應不致造成影響。衛生署建議，每人每日咖啡因攝取量以不超過300 mg為原則。咖啡因雖然不會對人類生育造成影響，但咖啡因會經由胎盤及乳汁傳遞到胎兒及嬰兒身上，因此建議懷孕及哺乳婦女最好不要喝含有咖啡因的飲料。至於腦部尚在發育階段的幼童，也應避免喝含咖啡因的飲料。
至於兒童及少年，每日不應攝取多於每公斤3-5毫克的咖啡因。舉例來說，體重 三十公斤 的少年，每日不應攝取多於90-150毫克的咖啡因，家長須注意兒童及少年飲用可樂飲品的份量，這可能是大多數兒童及少年的膳食中咖啡因的主要來源。
鑒於民眾飲用茶、咖啡或各類提神飲料之風氣日盛，衛生署對含咖啡因飲料之管理進行整體檢討後，已修正對咖啡因標示及含量上限之規定，將自明（97）年1月1日起實施。
為使消費者能夠知道所喝的飲料中含有多少咖啡因，以避免攝取過量的咖啡因，衛生署要求含有咖啡因成分且有完整包裝之液態飲料及「即溶小包裝咖啡」需沖泡之粉末產品，應於外包裝標示咖啡因含量。同時，該咖啡因含量不可列入營養標示中，以免使消費者誤認咖啡因是營養成分。
咖啡因含量標示方式： (一)有容器或包裝之液態飲料：(1)每100毫升所含咖啡因高於或等於20毫克者，其咖啡因含量以每100毫升所含咖啡因之毫克數為標示方式，其標示值之誤差允許範圍，請業者依照廠規確實品管。 (2)每100毫升所含咖啡因低於20毫克者，其咖啡因含量以「20mg/ 100m L以下」標示之。 (3)咖啡、茶及可可飲料，每100毫升所含咖啡因等於或低於2毫克者，得以「低咖啡因」標示之。 (二)「即溶小包裝咖啡」需沖泡之粉末產品，以每一食用份量所含咖啡因總量（毫克）為標示方法，其標示值之誤差允許範圍，請業者依照廠規確實品管。
規定之標示方法，簡單來說就是以每人一天基本可引用的咖啡因飲料上限為300毫克來劃分。
紅色代表「含量200-300毫克、或300毫克以上，每天喝一杯就夠」；
黃色代表「含量100-200毫克，可再搭配一杯綠燈咖啡」；
綠色代表「含量100毫克以下，喝三杯沒問題」。
咖啡因之食物來源
以下列出常見飲料及食品之咖啡因含量，由於咖啡因含量會受到食物品種或處理方式不同而有所不同，因此下表僅供參考用。
飲料類
可口可樂，份量360毫升，含咖啡因46-65毫克。百事可樂，360毫升，38-43毫克。山露(Mountain Dew)汽水，360毫升，54毫克。七喜(7-UP)汽水，360毫升，0毫克。雪碧汽水，360毫升，0毫克。熱可可，360毫升，3-20毫克。
巧克力
HERSHEY'S巧克力棒，份量1條43克，含咖啡因9毫克。KITKAT wafer bar，42克，6毫克。HERSHEY'S杏仁巧克力棒，41克，8毫克。
咖啡
煮式(brewed)咖啡，份量100毫升，含咖啡因35-56毫克。即溶(instant) )咖啡，100毫升，25-35毫克。濃縮(espresso，或義式沖泡式)咖啡，100毫升，25-35毫克。滴泡(drip)咖啡，100毫升，37-62毫克。
茶(泡的時間愈久，咖啡因含量愈高)
Lipton茶，份量100毫升，含咖啡因15-17毫克。紅茶，100毫升，16-35毫克。綠茶，100毫升，5-24毫克。烏龍茶，100毫升，8-37毫克。
咖啡因之上癮效應
上癮之生化原理簡述：當身體想休息時，身體便會分泌腺苷酸，就會跑去通知神經細胞，而神經細胞表面有腺苷酸A1受體的位置，就是專門接受腺苷酸的訊息的位置，一旦腺苷酸接觸到腺苷酸A1受體而且結合在一起，此時神經細胞就收到了想休息的訊號，於是開始阻止身體釋放神經傳遞物質，導致神經元細胞反應遲頓，使身體代謝速率降低及體溫降低，以達到昏昏欲睡然後睡著好好休息的效果。然而食用咖啡因後，咖啡因跑去結合腺苷酸A1受體，使得腺苷酸無法與腺苷酸A1受體結合，而讓神經細胞收不到想休息的訊號，因此無法下達休息的指令，讓想休息的身體，無法進行休息的動作，繼續保持清醒工作狀態。人體為了抵抗咖啡因的干擾，為了想休息，於是在神經細胞表面增生腺苷酸A1受體，以增加腺苷酸A1受體的數目，且稍增加腺苷酸分泌量，而讓神經細胞可以有機會收到腺苷酸的訊息，在此情況下，因此就需要食用更多的咖啡因，來與增生腺苷酸A1受體結合，以防堵腺苷酸與腺苷酸A1受體結合，讓神經細胞保持工作興奮狀態。所以，對於長期食用咖啡因的人而言，就會產生需要食用越來越多的咖啡因才能得到提神的效果；而且由於神經細胞表面的腺苷酸A1受體增多之故，只要中斷食用咖啡因，因此比正常的人(未食用或少量食用咖啡因的人)更多一些的腺苷酸更易於與腺苷酸A1受體結合，造成未食用咖啡因時，整天呈現昏昏沉沉倦怠的狀態，此即所謂的「上癮」現象。
某些研究顯示咖啡因會使身體上癮。要辨別某人是否「需要」咖啡或可樂的方式就是將飲料拿開，看看他是否會出現退縮症候群。與咖啡因有關的退縮症候群包括了頭痛，疲勞，肌肉疼痛。一項研究說身體上癮的最低量是一天四杯咖啡。其他的研究則顯示還需要更多的咖啡才會引發上癮。
對於已經上癮的人，如果突然停止使用咖啡因，則可能會產生所謂的「咖啡因戒斷症候群」，戒斷症狀通常在十二至二十四小時開始，二十至四十八小時達到頂點，持續約一個星期，主要的戒斷症狀是頭痛及疲倦，其他包括焦慮、精神運動性操作變差、噁心、嘔吐及對咖啡因的渴望，有些人甚至樂趣感喪失，出現易怒及憂鬱的症狀。
當飲料中的咖啡因含量過高，或是特殊過敏族群飲用時，會產生些許不良的副作用，如不安、顫抖、心悸等。定期飲用高量咖啡因的人(例如每天喝五杯以上的咖啡)，其對於咖啡因的耐受力會提高，而必須提高飲用量，才能達到相同的刺激效果，如果在幾小時內不飲用含咖啡因的飲料，他們也會受到戒斷之苦，出現如疲倦、頭痛、精神運動性操作變差、焦慮、興奮或憂鬱、易怒、渴望再喝咖啡因等症狀。
長期喝咖啡是否對身體健康會有所傷害？到目前醫學上仍有許多爭論存在。雖然藥理上證明每天喝兩杯或三杯咖啡不會使人上癮。但是許多人會說：「我就是沒辦法不喝咖啡！」，這是一種心理作用。喝咖啡已經變成一種習慣，並且一天喝一杯或兩杯咖啡常常就能使你振作，使你覺得舒暢，因為咖啡確實是一種腦神經興奮劑。其實，這已有略為上癮之現象，這種習慣若要突然改掉，通常會產生不適現象，例如頭痛、疲倦、精神不振、煩躁、焦慮或專注力不足等現象。但只要忍耐住不喝，數天之後，即可恢復正常。但若長期飲用高量咖啡，所謂咖啡成癮，若要改變喝咖啡習慣，則可採用逐漸減少飲用量的方式：先減量飲用，數天後待不適症狀消除，再續減量，待不適症狀消除，再減量，直至不需飲用咖啡，不會產生不適時，即戒斷成功。
如果有人就是喜歡咖啡的味道，一時戒不掉，可以選用低咖啡因的咖啡。然而大部分低咖啡因咖啡飲料是用化學溶劑，把咖啡豆裡的咖啡因萃取出來；由於化學溶劑可能殘留在咖啡裡，所以並不建議這種咖啡。比較好的方式是用水把咖啡因萃取出來，但是這種咖啡比較難買得到。
此外，咖啡還有很多問題。例如，咖啡產地化肥與重金屬的污染、咖啡豆的烘培問題、即溶咖啡的仿冒問題．．等等。很多人也許不曉得，許多即溶咖啡是用烤焦的綠豆粉、咖啡因與人工咖啡香精做出來的，咖啡因與咖啡香精可以在化工行買到，做出來的咖啡味道與顏色，與真品難以分辨。
過量食用咖啡因
大量使用時咖啡因可以致命。致命劑量估計是10克以上(大約是體重每公斤170毫克)：這等於快速連續喝下80到100杯咖啡，這件事做起來並不簡單。當一天攝取的咖啡因超過500毫克時，就容易出現煩燥不安、焦慮、易怒、心悸、噁心感及尿液增加等咖啡因輕度中毒現象。許多科學家指出，到目前為止，科學研究並未找到確實證據證明適量地喝咖啡對人體健康有害，甚至連小害也沒有。對健康的人來說，如要說咖啡因的最大壞處那就是它可能使人喜歡不斷的喝它。由於咖啡因的攝取量龐大，無論是醫學或民眾雜誌，常會發表「咖啡是危險的」報導。但是，通常隨後又會有其他文章駁斥這個說法。咖啡因究竟是飲料還是藥品，它安全嗎？
小量(每天50-100毫克)的咖啡因可使人增加警覺性、有幸福感，但是一些需要動用精密的肌肉協調而且要精確的抓住時間或者算數技能的工作，咖啡因反而會有不利的影響。
咖啡因的代謝能力，會隨年齡的增長而緩慢，因此隨年齡的增長應酌量降低一天咖啡因食用量。年輕的時候，喝兩杯或三杯咖啡不會影響到睡眠，但到了50歲後，要是到下午五點鐘以後喝一杯咖啡的話，可能就會失眠。
那些人需限制食用咖啡因食品
下列為需限制食用咖啡因食品者--發育中兒童：咖啡因代謝能力差。青少年(特別是12歲以下勿食用)：興奮作用敏感，易心悸及影響睡眠。懷孕或授乳期婦女：影響胎兒或幼兒。腸、胃潰瘍的患者、胃酸過多者、腹瀉者及腸道過敏者：咖啡因刺激胃酸分泌。有高血壓及心臟血管疾病之人：咖啡因刺激心肌及血管。停經後婦女及老年人：加速鈣質、鐵質及其它礦物質流失。容易失眠者：咖啡因具興奮作用。肝臟有疾病者或肝炎帶原者：咖啡因在肝臟代謝，增加肝臟負擔。腎臟病患：咖啡因利尿及刺激激素分泌。服用鎮定劑或精神方面疾病者。服藥物者：需經藥師詢問，其服用藥物是否與咖啡因反應作用。
咖啡因食品食用注意事項
1. 含咖啡因食品，應選購有咖啡因含量正確標示之商品，以避免食用過量。
2. 下午四點鐘後儘量避免食用咖啡因食品或飲用咖啡，以避免影響睡眠。
3. 咖啡因有利尿作用，食用咖啡因食品或飲用咖啡後，應額外補充水分。
4. 熱水沖泡咖啡，應趁熱喝，免得冷後，因單寧酸作用，風味變差。
5. 咖啡無固定飲用方法，可加糖減苦味，加奶精減澀味，全憑個人喜好。可先加糖溶解後，再加奶精，因奶精會降低咖啡溫度，使糖不易完全溶解。
6. 咖啡因僅造成短暫清醒，體力未實際恢復，應注意足量的休息時間，若長期休息時間不足，易降低抵抗力及加速衰老。不論是神經系統或肌肉，累了就需休息，工作、休息、工作、休息‧‧‧循環順序，本就是使用身體最好的方式，不要經常利用咖啡因在需要休息時進行提神繼續工作，打亂(工作/休息)循環，此舉易降低身體免疫抵抗力及加速衰老。
7. 咖啡因雖可加速脂肪分解成游離脂肪酸，但若未運動消耗游離脂肪酸，則離脂肪酸又會結合回脂肪，作為減肥食品仍有其限制，加上咖啡因有其副作用，以咖啡因食品作為減肥食品，需審慎考量。
8. 食用咖啡因食品時，應與鈣質、鐵質或其它礦物質食品隔開，至少2小時以上，以免影響鈣質、鐵質或其它礦物之吸收。
9.正常健康的人，適時適量勿過量飲用咖啡，對身體應大概無害，咖啡因可充分被肝臟分解排出體外，咖啡中的其餘良好成分，對健康多少有所助益，如降低癌症風險等。但肝臟有問題者，應詢問專業醫師之意見，再決定飲用與否。
10. 咖啡因是否為身體所必需的營養素，目前科學尚無法證實，或許人類須要適量攝取咖啡因也不一定，總之，食用含咖啡因食品，應注意自己的肝臟功能狀況，勿過量食用。
