Влияние кофеина на организм человека – польза и вред

Химический состав сырых зерен кофе

Биохимическая формула кофе достаточно сложная. Основой зеленого продукта выступают вода, клетчатка и масла. Также в состав кофейных зерен входят следующие компоненты:

• кофеин;
• хлорогеновая кислота (придает напитку вяжущий вкус);
• минеральные соли;
• теобромин;
• белок;
• тригонеллин (во время прожарки способствует появлению характерного аромата).

Не менее пятидесяти процентов состава зеленых зерен занимают углеводы. С их помощью удается получить в эспрессо характерную пенку. Они являются основой напитка. Также в составе есть немало кислот, которые начинают выделяться во время термической обработки. Они оказывают положительное воздействие на пищеварительную систему, функционирование желудка.

С помощью танинов удается получить вяжущий, горьковатый вкус. При добавлении в напиток молока или сливок структура меняется и частично устраняется горечь.

Содержащийся в зернах кофеин обладает бодрящим эффектом, стимулирует деятельность всех систем и незначительно повышает показатели кровяного давления. В зависимости от сорта концентрация алкалоида разная. Отмечено, что больше кофеина в робусте, чем в арабике. Помимо этого, количество вещества зависит от способа обработки продукта и региона выращивания.

Также в зернах отмечается наличие кофейной золы, состоящей из марганца, магния, калия, натрия и кальция.

Состав жареных кофейных зерен

При термической обработке состав кофейного зерна изменяется. Чем продолжительнее этот процесс, тем существенней преобразования:

• вода. Жидкость выпаривается, концентрация других веществ с учетом изменившейся массы при этом возрастает;
• сахар. При обжарке зерен происходит карамелизация, они приобретают коричневый оттенок;
• клетчатка. Происходит распад на спирты, кислоты и аминокислоты;
• жиры. Отмечается их частичный распад на кислоты;
• кофеин. После термической обработки он содержится в зернах практически в том же количестве, что и изначально. С учетом того, что продукт лишается влаги, концентрация сухих компонентов увеличивается. Поэтому относительно содержания алкалоида в зеленых плодах, в обжаренных его становится больше;
• хлорогеновая кислота. Обжарка приводит к существенному снижению ее концентрации, но все равно она остается настолько большой, что формирует горьковатый привкус и характерный аромат;
• тригоннелин. Термообработка приводит к выделению из него никотиновой кислоты.

В процессе обжарки плодов отмечается распад компонентов на множество органических соединений. Кроме того, между ними происходит реакция, в результате которой образуются новые составляющие. Как результат – особый аромат и вкус.

Количество антиоксидантов в кофе при термической обработке существенно увеличивается в процентном соотношении с другими компонентами.

Немного истории. Как и кем был открыт кофеин

Фридриб Фердинанд Рунге – немецкий химик и гениальный ученый, который первым идентифицировал кофеин. Свои научные эксперименты он начал еще в юношестве. Но настоящая известность и успех пришли к нему благодаря писателю Иоганну Гете, коту и кофейным зернам. Именно Гете подарил Рунге пакет редких кофейных зерен.
С тех пор прошло уже 200 лет. Исследования кофеина и его влияния на организм продолжались. Результатом стало изолирование этого компонента из чая в 1827 году М.Одри и получение искусственным путем Г.Э.Фишером в 1895 году. Фишер также стал первым ученым, который вывел структурную формулу кофеина. Она показывает из чего состоит кофеин.

Что содержится растворимом кофе

Содержание кофе в растворимом напитке не превышает двадцати процентов. Такой продукт заметно отличается по составу от натурального. Чтобы его изготовить, сырье вываривается до десяти часов. Все изначально присутствующие вкусовые, ароматические вещества при этом остаются в той гуще, которая в дальнейшем не используется. В готовом продукте отмечается только наличие бодрящего алкалоида и небольшого количества кислот. Около восьмидесяти процентов эрзаца составляют всевозможные усилители вкуса, консерванты, стабилизаторы, а также красители и ароматизаторы.

В дешевой продукции быстрого приготовления может также находиться цикорий, но об этом на упаковке ничего не говорится.

В состав товара даже самых дорогих брендов не входят сто процентов высококачественной арабики. Как правило, используются поврежденные, отбракованные зерна сорта робусты, отличающиеся повышенной концентрацией кофеина.

Витамины и минералы

В натуральном продукте содержатся не только белки, жиры, углеводы и алкалоиды, но и витамины. В состав входят следующие из них:

1. В3. Его удается получить из тригонеллина под воздействием высоких температур. Он оказывает положительное воздействие на нервную систему, способствует нормализации метаболизма.
2. А. Этот витамин оказывает благотворное влияние на развитие всех органов организма, способствует тому, что полезные вещества всасываются в ЖКТ должным образом.
3. Е. Помогает активизировать защитные функции организма, оказывает положительное воздействие на функционирование репродуктивной системы.

Кофе – антиоксидант, содержащий немалое количество микроэлементов (марганец, магний, калий, а также натрий и кальций). За счет их наличия удается нормализовать работу сердца, сосудов, головного мозга. Кроме того, укрепляются мышечные и костные ткани.

Структурная формула

Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: C8H10N4O2

Химический состав Кофеина

Молекулярная масса: 194,194

Кофеин

(также матеин, гуаранин)— алкалоид пуринового ряда, бесцветные или белые горькие кристаллы. Является психостимулятором, содержится в кофе, чае и многих прохладительных напитках. Кофеин содержится в растениях, таких как кофейное дерево, чай, какао, мате, гуарана, кола, и некоторых других. Он синтезируется растениями для защиты от насекомых, поедающих листья, стебли и зёрна, а также для поощрения опылителей. У животных и человека он стимулирует центральную нервную систему, усиливает сердечную деятельность, ускоряет пульс, вызывает расширение кровеносных сосудов (преимущественно сосудов скелетных мышц, головного мозга, сердца, почек), усиливает мочеотделение, снижает агрегацию тромбоцитов (однако в некоторых случаях отмечаются противоположные эффекты). Это связано с тем, что кофеин блокирует фермент фосфодиэстеразу, разрушающий цАМФ, что приводит к его накоплению в клетках. цАМФ — вторичный медиатор, через который осуществляются эффекты различных физиологически активных веществ, прежде всего, адреналина. Таким образом, накопление цАМФ приводит к адреналино-подобным эффектам. В медицине кофеин применяется в составе средств от головной боли, при мигрени, как стимулятор дыхания и сердечной деятельности при простудных заболеваниях, для повышения умственной и физической работоспособности, для устранения сонливости. Кофеин входит в перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов.

История открытия

Открыт и назван «кофеином» в 1819 году немецким химиком Фердинандом Рунге. В 1827 году Удри выделил из чайных листьев новый алкалоид и назвал его теином. Кофеин в чистом виде впервые получен в 1828 году (Пеллетье и Каванту). В 1832 году его состав был установлен Велером и Пфаффом с Либихом. В 1838 году Иобст и Г. Я. Мульдер доказали тождественность теина и кофеина. Структура кофеина была выяснена к концу XIX века Германом Эмилем Фишером, который был также первым человеком, кто искусственно синтезировал кофеин. Он стал лауреатом Нобелевской премией по химии 1902 года, которую получил частично из-за этой работы.

Химическое строение и свойства

Химическое название кофеина — 1,3,7-триметил-ксантин. В щелочной среде (при pH>9), превращается в кофеидин C7H12N4O. По строению и фармакологическим свойствам кофеин близок к теобромину и теофиллину; все три алкалоида относятся к группе метилксантинов. Кофеин лучше действует на ЦНС, а теофиллин и теобромин — в качестве стимуляторов сердечной деятельности и лёгких мочегонных средств. Кофеин, как и другие пуриновые алкалоиды, даёт положительную мурексидную реакцию, при нагревании с реактивом Несслера кофеин образует красно-бурый осадок, в отличие от теобромина, дающего в таких условиях светло-коричневое окрашивание.

Физические свойства

Белые игольчатые кристаллы горьковатого вкуса, без запаха. Хорошо растворим в хлороформе, плохо растворим в холодной воде (1:60), легко — в горячей (1:2), трудно растворим в этаноле (1:50). Растворы имеют нейтральную реакцию; стерилизуют при +100 °C в течение 30 мин. Т пл. 234 °C

Фармакология

В малых дозах оказывает стимулирующее воздействие на нервную систему. При длительном применении может вызывать слабую зависимость — теизм (заболевание). В больших дозах вызывает истощение, а в дозах 150—200 мг на килограмм массы тела (80—100 чашек кофе за ограниченный промежуток времени) — смерть. Под воздействием кофеина ускоряется сердечная деятельность, поднимается кровяное давление, примерно на 40 минут слегка улучшается настроение за счёт высвобождения дофамина, но через 3—6 часов действие кофеина проходит: появляется усталость, вялость, снижение трудоспособности. Физиологические особенности действия кофеина на ЦНС были изучены И. П. Павловым и его сотрудниками, показавшими, что кофеин усиливает и регулирует процессы возбуждения в коре головного мозга. Стимулирующее действие приводит к повышению умственной и физической работоспособности, уменьшению усталости и сонливости. Большие дозы могут, однако, привести к истощению нервных клеток. Влияние кофеина (как и других психостимулирующих средств) на высшую нервную деятельность в значительной степени зависит от типа нервной системы. Поэтому дозирование кофеина должно производиться с учётом индивидуальных особенностей нервной деятельности. Кофеин ослабляет действие снотворных и наркотических средств, повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга, возбуждает дыхательный и сосудодвигательный центры. Сердечная деятельность под влиянием кофеина усиливается, сокращения миокарда становятся более интенсивными и учащаются. При коллаптоидных и шоковых состояниях артериальное давление под влиянием кофеина повышается, при нормальном артериальном давлении существенных изменений не наблюдается, так как одновременно с возбуждением сосудодвигательного центра и сердца под влиянием кофеина расширяются кровеносные сосуды скелетных мышц и других областей тела (сосуды головного мозга, сердца, почек), однако сосуды органов брюшной полости (кроме почек) сужаются. Диурез под влиянием кофеина несколько усиливается, главным образом в связи с уменьшением реабсорбции электролитов в почечных канальцах. Кофеин понижает агрегацию тромбоцитов. Под влиянием кофеина происходит стимуляция секреторной деятельности желудка. По современным данным, в механизме действия кофеина существенную роль играет его угнетающее влияние на фермент фосфодиэстеразу, что ведёт к внутриклеточному накоплению циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Циклический АМФ рассматривается как медиаторное вещество (вторичный медиатор), при помощи которого осуществляются физиологические эффекты различных биогенных лекарственных веществ. Под влиянием циклического АМФ усиливаются процессы гликогенолиза, стимулируются метаболические процессы в разных органах и тканях, в том числе в мышечной ткани и в ЦНС. Полагают, что стимуляция кофеином желудочной секреции тоже связана с увеличением содержания циклического АМФ в слизистой оболочке желудка . В нейрохимическом механизме стимулирующего действия кофеина важную роль играет его способность связываться со специфическими «пуриновыми», или аденозиновыми рецепторами мозга, эндогенным агонистом для которых является пуриновый нуклеозид — аденозин. Структурное сходство молекулы кофеина и аденозина способствует этому. Поскольку аденозин рассматривается как фактор, уменьшающий процессы возбуждения в мозге, замещение его кофеином приводит к стимулирующему эффекту. При длительном применении кофеина возможно образование в клетках мозга новых аденозиновых рецепторов, и действие кофеина постепенно уменьшается. Вместе с тем при внезапном прекращении введения кофеина, аденозин занимает все доступные рецепторы, что может привести к усилению торможения с явлениями утомления, сонливости, депрессии и др.

Применение

Из-за возбуждающего свойства кофеина и физического привыкания к нему многие люди употребляют кофеиносодержащие продукты (напитки) для взбадривания. Кофе чаще всего пьют утром для быстрого восстановления после сна. Чаи (чёрный, зелёный) пьют в любое время дня, обычно после еды. Поскольку чай часто пьют из-за вкуса или для утоления жажды, производятся чаи без кофеина, не имеющие (порой нежелательных) свойств возбуждения ЦНС и повышения кровяного давления. Выпускается и декофеинизированный кофе. В медицине кофеин (и кофеин-бензоат натрия) применяют при инфекционных и других заболеваниях, сопровождающихся угнетением функций ЦНС и сердечно-сосудистой системы, при отравлениях наркотиками и другими ядами, угнетающими ЦНС, при спазмах сосудов головного мозга (при мигрени и др.), для повышения психической и физической работоспособности, для устранения сонливости. Применяют также кофеин при энурезе у детей. Кофеин также используется как мочегонное средство. Кофеин является действующим компонентом большинства «энергетических напитков» (в большинстве таких напитков его содержится 250—350 мг/л, но некоторые энергетические напитки, в частности изготовляемые для спортсменов, могут содержать кофеина в десятки раз больше). Кофеин входит в состав «энергетических жевательных резинок» (в большинстве их его содержится 50—75 мг, но некоторые энергетические жевательные резинки STAY ALERT®, в частности изготовляемые для армии США, содержат кофеина до 100 мг). Содержание кофеина в кофе — 380—650 мг/л, в растворимом кофе — 310—480 мг/л, в кофе «Эспрессо» — 1700—2250 мг/л. В напитке «Кола» около 100 мг/л кофеина. Содержание кофеина в чае варьируется в достаточно широком диапазоне — до 5—6 раз в сухом листе — в зависимости от разновидности и возраста чайного куста, времени сбора, продолжительности ферментации и других факторов. В заваренном чае содержание кофеина в существенной мере зависит от способа заваривания (продолжительность, температура воды) и также может отличаться в разы. В большинстве случаев содержание кофеина в заваренном чае находится в пределах 180—420 мг/л. Кофеин в чае действует мягче, но дольше, чем кофеин в кофе. Продукты «без кофеина» всё равно его содержат, но в уменьшенном количестве. Так, например, чёрный декофеинизированный чай обычно содержит от 8 до 42 мг кофеина на 1 л напитка. В США декофеинизирование означает, что продукт состоит из кофеина на 2,5 % или менее.

Фармакотерапевтические свойства

В основе психостимулирующего действия кофеина лежит его способность подавлять активность центральных аденозиновых рецепторов (А1 и А2) в коре головного мозга и подкорковых образованиях ЦНС. В настоящее время показано, что аденозин (промежуточный продукт метаболизма АТФ) выполняет в ЦНС роль нейромедиатора, агонистически влияя на аденозиновые рецепторы, расположенные на цитоплазматических мембранах нейронов. Возбуждение аденозином аденозиновых рецепторов I вида (A1) вызывает в клетках головного мозга уменьшение образования цАМФ, что в конечном итоге приводит к угнетению их функциональной активности. Блокада А1-аденозиновых рецепторов способствует прекращению тормозного действия аденозина, что клинически проявляется повышением умственной и физической работоспособности. Однако кофеин не обладает избирательной способностью блокировать только А1-аденозиновые рецепторы головного мозга, а также блокирует и А2-аденозиновые рецепторы. Доказано, что активация А2-аденозиновых рецепторов (скорее всего, пресинаптических гетерорецепторов) в ЦНС сопровождается подавлением функциональной активности D2 дофаминовых рецепторов. Блокада кофеином А2-аденозиновых рецепторов способствует восстановлению функциональной активности D2 дофаминовых рецепторов, что также вносит вклад в психостимулирующий эффект препарата.

Показания

• снижение умственной и физической работоспособности;
• сонливость;
• угнетение ЦНС, сосудистой и дыхательной систем (легкие отравления опиоидными анальгетиками и снотворными средствами);
• энурез у детей;
• головная боль сосудистого происхождения.

Побочные эффекты

Со стороны ЦНС: возбуждение, тревога, тремор (дрожание пальцев рук и ног), беспокойство, головная боль, головокружение, судороги, усиление рефлексов, повышение мышечного тонуса, тахипноэ, бессонница; при внезапной отмене — усиление процессов торможения ЦНС (утомление и сонливость). Со стороны ЖКТ: тошнота, рвота, обострение язвенной болезни. Со стороны сердечно-сосудистой системы: усиленное серцебиение, тахикардия, аритмия, повышение артериального давления.

Передозировка

Симптомы — боль в животе, ажитация, тревога, психическое и двигательное возбуждение, спутанность сознания, делирий (диссоциатив), обезвоживание, тахикардия, аритмия, гипертермия, учащенное мочеиспускание, головная боль, повышенная тактильная или болевая чувствительность, тремор или мышечные подергивания; тошнота и рвота, иногда с кровью; звон в ушах, эпилептические припадки (при острой передозировке — тонико-клонические судороги). Кофеин в дозах более 300 мг в сутки (в том числе на фоне злоупотребления кофе — более 4 чашек натурального кофе по 150 мл) может вызвать состояние тревоги, головную боль, тремор, спутанность сознания, экстрасистолию.

Противопоказания

Кофеин, как и другие стимуляторы ЦНС, противопоказан при повышенной возбудимости, бессоннице, выраженной гипертензии и атеросклерозе, при органических заболеваниях сердечно-сосудистой системы, в старческом возрасте, при глаукоме. Приём кофеина ускоряет рост кист у больных поликистозом.

Получение

Кофеин экстрагируют из отходов чая, кофейных зёрен. В промышленности кофеин синтезируют из мочевой кислоты и ксантина. Традиционный синтез из мочевой кислоты состоит из 2-х стадий: Действие формамида на мочевую кислоту, в результате чего образуется ксантин. На 2-й стадии ксантин подвергается метилированию диметилсульфатом, в зависимости от условий возможно получение кофеина и теобромина. Кофеин получается в слабощелочной среде при pH = 8,0-9,0. Если же метилирование происходит в присутствии KOH и метанола при 60-70° С, то образуется теобромин. Выход кофеина достигает в среднем 65-70 %. Наибольшее распространение из полусинтетических методов получил метод, разработанный О. Ю. Магидсоном и Е. С. Головчинской, в котором исходным продуктом служит мочевая кислота. Метод сводится к нагреванию мочевой кислоты с уксусным ангидридом в присутствии катализатора (диметиланилин, пиридин) с образованием 8-метилксантина. Реакция протекает через промежуточное раскрытие имидазольного цикла в пуриновой системе, декарбоксилирование и отщепление уксусной кислоты. Полученный 8-метилксантин метилируют, при этом в зависимости от условий проведения реакции могут быть получены 1,3,7,8-тетраметилксантин или 3,7,8-триметилксантин. При метилировании 8-метилксантина избытком диметилсульфата в слабощелочной среде, получается 1,3,7,8-тетраметилксантин, а при метилировании метиловым эфиром бензол(толуол)-сульфокислоты (220—230° С в присутствии CaO) получается 3,7,8-триметилксантин (8-метилтеобромин) Порядок замещения в пуриновом ядре зависит от «кислотности» соответствующих атомов водорода. Атомы водорода в положениях 3,7 обладают близкой кислотностью, атом же водорода в 1-м положении обладает более низкой кислотностью. В соответствии с этим при метилировании ксантина порядок замещения — 3,7 и 1. Для получения из 8-метилкофеина и 8-метилтеобромина, соответственно, кофеина и теобромина необходимо удалить метильную группу из положения-8. С этой целью полученные три и -тетраметилпроизводные ксантина подвергают хлорированию. Направление процесса хлорирования зависит главным образом от температурного режима проведения реакции. При температуре ниже 8-10° С хлор замещает водород метильной группой при C8, а при температуре ~80° С хлорируется не только CH3-группа в положении 8, но одновременно замещается на хлор один атом водорода в метильной группе у С7. При последующем гидролизе соответствующих хлорпроизводных, получается кофеин и теобромин. Существует также синтез из циануксусной кислоты и диалкилмочевины, разработанный Морицом Траубе. Этот способ является наиболее экономичным.

Сколько кофеина в одной чашке

Концентрация кофеина в кофе зависит от нескольких факторов:

1. Сорт. Арабика обладает более высокими вкусовыми характеристиками, чем робуста. При этом количество алкалоида в ней существенно меньше. В чашке напитка на основе робусты, объемом 170 миллилитров, бодрящего вещества будет около 200 миллиграмм. В такой же чашечке арабики его окажется не более 110 миллиграмм.
2. Степень прожарки. Чем более продолжительную термическую обработку проходят зерна, тем крепче получится напиток.
3. Помол. При выборе способа приготовления кофе крайне важно учитывать степень измельчения продукта. При использовании френч-пресса или капельной кофеварки применяются крупные фракции. При заваривании в турке зерна должны быть измельчены в пыль. Чем мельче степень помола, тем большее количество алкалоида будет вымыто водой, соответственно, концентрация окажется выше.
4. Продолжительность и способ приготовления. Чем дольше длится заваривание, тем больше кофеина окажется в напитке. Следовательно, при использовании френч-пресса он будет крепче, чем в случае применения пара ристретто. Повышенной крепостью отличается эспрессо (1700-2250 миллиграмм на литр), меньше концентрация алкалоида при использовании турки (380-650 миллиграмм на литр). В капучино всего 350-400 миллиграмм на литр, а в латте 270-400 миллиграмм на такой же объем. Кроме того, если в воду добавить не одну чайную ложку молотого продукта, а две, кофе также окажется крепче.

Так удается определить концентрацию алкалоида в чашке различных кофейных напитках:

• эспрессо – 40-78 миллиграмм;
• при заваривании в турке – 80-130 миллиграмм на чашку 200 миллилитров;
• капучино – 70-80 миллиграмм;
• растворимый кофе – 40-100 миллилитров;
• декофеинато – от 2 до 5 миллиграмм.

Кофейные зерна характеризуются наличием огромного количества компонентов. Благодаря их наличию напиток приобретает столь изысканный вкус и аромат, оказывает бодрящий эффект. Кроме того, при его употреблении в умеренных дозах оказывается благотворное воздействие на организм.

Декофеинизация или как получают кофе без кофеина

Кофе бодрит и, в разумных дозах, положительно влияет на организм здорового человека. А вот людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями, беременным и детям от употребления этого напитка лучше воздержаться. Что же делать тем, кто любит горячий ароматный кофе, но по тем или иным причинам имеет противопоказания.

Сейчас многие знают о существовании кофе без кофеина. А вот как происходит этот процесс известно далеко не всем. По легенде, изобретение технологии декофеинизации стало возможно благодаря случаю. В 1903 году корабль, на котором находился кофе, попал в шторм и груз намок. Людвиг Роземус изучил зерна и обнаружил, что они лишились кофеина, но их можно использовать.

Основная задача декофеинизации — не только сделать кофе безопасным для организма, но и сохранить его вкус и аромат. Сейчас технология стала настолько совершенной, что очень сложно различить кофе с кофеином и без. Существуют несколько сотен способов декофеинизации. В любом из них проводится обработка зеленого зерна. Особо стоит отметить три основных метода.

Этот метод самый простой и наименее затратный. Весь процесс выглядит следующим образом:

1. Зеленые кофейные зерна заливаются горячей водой (но не кипятком) или обрабатываются паром в течение 30 минут.
2. Затем они погружаются в растворители (чаще всего применяется метиленхлорид или этиленацитат), которые выводят алкалоид. Этот этап длится в среднем 10 часов.
3. После этого зерна снова промываются в горячей воде для удаления излишка растворителя.
4. Завершающий этап — сушка.

Содержание кофеина при таком способе составляет от 1% до 3%. Среди недостатков стоит отметить потерю вкусовых качеств и некоторых полезных веществ вследствие использования химических растворителей.

Этот способ более новый и дорогой. Он был введен в употребление швейцарской . Преимущество швейцарской технологии состоит в том, что в процессе не используются химические средства. Этапы декофеинизации:

1. Зеленые кофейные зерна замачиваются горячей водой.

1. Далее воду сливают и с помощью фильтра удаляют из нее кофеин.
2. После этого новую партию зерен заливают водой с растворенными в ней вкусовыми компонентами. В результате получается напиток, не уступающим натуральному кофе.

Использовать двуокись углерода для декофеинизации зерен впервые предложили в Германии. Этот метод был запатентован в 1970 году. Процесс состоит из следующих этапов:

1. Сперва кофейные зерна вымачиваются в горячей воде.
2. Далее их помещают на 10 часов в сжатый углекислый газ с небольшим количеством воды (примерно 3%). Температура должна составлять 70 °С. Диоксид углерода превратится в жидкость и будет играть роль растворителя.
3. По истечении необходимого времени, зерна высушиваются и обжариваются.

Данная технология позволяет сохранить весь вкус и аромат кофейного зерна. А углекислый газ не оставляет после себя следов. Соответственно на выходе получается безвредный для здоровья ароматный напиток.