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生物碱是一类含氮的复杂环状有机化合物。广泛存在于植物和少数动物中，茶叶中的生物碱主要是嘌呤碱，其中最多的是咖啡碱，其余的还有可可碱、茶叶碱等。现主要介绍咖啡碱的有关性质：
咖啡碱学名为1、3、7-二甲基-2、6-二氧嘌呤。它是有绢丝光泽的白色针状结晶，没有香气，微苦，溶于水，溶解量随水温升高而增加。咖啡碱具有兴奋神经，解除大脑疲劳，加强肌肉收缩，消除疲劳的作用，强心利尿，减轻酒精、烟碱的毒害等药理功效，是茶叶的重要部分。
茶叶冲泡后，咖啡碱与茶黄素、茶红素形成化合物，有改善茶汤滋味的作用。茶汤冷却后，这种化合物便分离出来，使茶汤呈现乳酪状，通常叫"冷后浑"。"冷后浑"是茶汤浓度高，内容物质丰富的表现。一般淡薄的茶汤无"冷后浑"的现象。
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。例如据上海、武汉、重庆等商检局分析：祁红、滇红及宁红等11种工夫红茶的咖啡碱平均含量为3.67%，屯绿、婺绿等7种珍眉绿茶的咖啡碱平均含量为2.94%。
茶树芽叶中咖啡碱含量随鲜叶的粗老而降低。咖啡碱在制造过程中变化不大，成品茶的级别基本上与咖啡碱的含量成正相关。
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。
咖啡碱与多酚类化合物结合的配合量比例有人认为1∶3，有人认为1∶3-1∶1.2依照茶汤的浓度和用沉淀剂的浓度而定。若超量，则茶味不好，咖啡碱过多，茶汤有辛苦味。在乳状沉淀中，咖啡碱与多酚类化合物的比例大约为1∶3.5-1∶4。
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