Сравнительная характеристика содержания кофеина в чае и кофе

Что такое кофеин

В чистом виде это белые горькие кристаллы. «По паспорту» у вещества непроизносимое имя 1,3,7-триметилксантин.

Оно содержится в разных продуктах и, как это ни странно, от продукта зависит его «прозвище». Кофеин добывают из кофе, теин — из чайных листьев, матеин — из парагвайского чая мате, гуаранин — из южноамериканской лианы гуараны. На деле это одно и то же химическое соединение.

Получение кофеина или как делают кофе без кофеина.

Существует два способа получения кофеина:

• Декофеинизирование;
• Синтез.

Первый способ заключается в извлечении кофеина из растений, которые его вырабатывают. Второй способ позволяет получить кофеин из различных химических веществ, путем их взаимодействия. Рассмотрим подробнее.

Декофеинизирование

Это процесс извлечения кофеина из чайных листьев, кофейных зерен, како-бобов, плодов гуараны и др. Данный процесс является одной из стадий получения кофе без кофеина. Суть метода заключается в экстрагировании вещества с последующим его очищением. Экстрагирование (не путать с экстракцией) – это массообменный процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твердых тел с помощью избирательных (селективных) растворителей — экстрагентов. Разделение основано на различной растворимости компонентов смеси в экстрагенте. Умело подобранный экстрагент позволяет выделить из смеси только интересующие нас компоненты.

Примечание

Извлечение растворителем какого-либо компонента из гомогенной жидкой смеси называется жидкостной экстракцией (система жидкость-жидкость). В результате экстрагирования получают два компонента: смесь экстрагента с целевым веществом (экстракт) и остаток исходного вещества практически не содержащий необходимого вещества (в жидкостной экстракции – это раствор и его называют рафинат (не путать с рафинадом)). Рафинад – рафинированный сахар, то есть очищенный от примесей.

В качестве экстрагентов для извлечения кофе возможно использовать различные вещества.

Начиная с 1903 года декофеинизированный кофе получали путем экстрагирования бензолом с предварительной обработкой зерен насыщенным соляным раствором. Так называемый процесс Розелиуса. Применялся компанией Kaffee Handels-Aktien-Gesellschaft (Coffee Trading Company). Кофе без кофеина продавался под марками Kaffee HAG, Café Sanka в Европе и под маркой Sanka в США.

На ряду с бензолом использовались также хлороформ и трихлорэтилен. Данные органические вещества использовались на протяжении многих лет, до тех пор, пока не было доказано их отрицательно влияние на организм человека (бензол – канцероген) и окружающую среду. Помимо всего прочего вещества эти не дешевые и их применение способствует изменению вкусовых характеристик декофеинизированного кофе.

В современной промышленности в качестве экстрагентов применяют воду, дихлорметан, этилацетат и сверхкритический углекислый газ.

Широкое распространение получил запатентованный в 1979 году метод Swiss Water (Швейцарский способ). Основан на растворении кофеина в воде. Применяется горячая вода (93°C) только глубокой очистки. Использование кипятка запрещено, так как он, обваривая внешнюю поверхность семян, закрывает доступ к кофеину, находящемуся внутри семени. При использовании воды оптимальной температуры, зерна кофе набухают и «раскрываются».

После длительного настаивания зеленых кофейных зерен при постоянной температуре, воду сливают и пропускают через адсорбционную колонну, с угольным наполнителем. Активированный уголь позволяет отделить кофеин от других веществ, придающих кофе характерный приятный аромат и вкус. Обедненная от кофеина вода вновь поступает в емкость к зернам для настаивания. Это делается для экономии. После настаивания процесс обработки углем повторяется до тех пор, пока содержание кофеина в воде не достигнет минимальной отметки. В итоге очищенную от кофеина воду возвращают к кофейным зернам, практически не содержащих кофеина и упаривают полученную смесь, тем самым сохраняя вкусовые и ароматические характеристики декофеинизированного кофе. Считается одним из самых дорогих способов.

Существует также прямой метод экстрагирования. Суть его заключается в обработке органическим растворителем (дихлорметан или этилацетат) с предварительной обработкой паром в течение 30 минут. В набухшие от пара зерна кофе, легко проникает растворитель. Воздействие экстрагентом происходит в течение 10 часов, далее раствор удаляют и упаривают. Оставшиеся сырые зерна настаивают в воде для удаления остатков растворителя, затем также высушивают и подвергают классической обработке (обжарка и т.д.). Дихлорметан имеет своеобразный запах и активно используется в различных производствах для растворения смол и жиров. Этилацетат обладает фруктовым запахом, он применяется как растворитель, а также в составе ядов для насекомых. Данные химикаты в кофе могут быть опасны для человека и влиять на вкус и аромат конечного кофейного продукта, поэтому их удалению из зерен уделяют особое внимание.

Помимо прямого метода часто используют непрямой. Он заключается в комбинировании Swiss Water технологии и прямого способа. Сначала зерна замачивают в горячей воде. Далее полученный кофейный экстракт отделяют от кофейных семян и обрабатывают экстрагентом. Тем самым совмещая экстрагирование и жидкостную экстракцию. При этом воду повторно используют для настаивания, а кофеин освобождают от растворителя упариванием. Экстрагент (растворитель) при этом конденсируют и также используют повторно.

Несомненным преимуществом непрямого способа является отсутствие прямого контакта зерен с растворителем.

Наиболее совершенным способом является экстрагирование кофеина с помощью сверхкритического CO2 (оксид углерода IV, углекислый газ). Недостатком способа является высокая стоимость оборудования, так как углекислый газ нагнетается в экстрактор под давлением от 73 до 300 атмосфер. Следовательно, все узлы агрегата включая запорно-регулирующую арматуру и саму емкость, должны быть герметичны и с толстыми стенками, а это всегда дорого.

При таком высоком давлении оксид углерода IV проявляет уникальные свойства, приобретая текучесть. Являясь в таком состоянии отличным неполярным растворителем СО2 избирательно (селективно) удаляет кофеин из зерен, оставляя все остальные вещества. Процесс проводят при температуре 31,1°C в течение 10 часов.

Перед обработкой углекислым газом зерна кофе проходят обработку водяным паром, для того чтобы они набухли и газ легко проник в глубь семени.

После обработки зерен в экстракторе, CO2 необходимо отделить от кофеина. Для этого используют разные методы. Можно постепенно сбросить давление и газ испариться или прогнать смесь через адсорбер с активированным углем. Также используют дистилляцию, обратный осмос и перекристаллизацию.

Экстрагирование кофеина из других растений в большинстве производств осуществляют с помощью прямого метода и с применением сверхкритического углекислого газа.

Действие на организм: что вы уже знаете

Привычный набор фактов про кофе:

• Помогает проснуться и даже может вызвать бессонницу.
• Бодрит и заставляет мозг соображать быстрее.
• От него колотится сердце и подскакивает давление.
• Помогает протрезветь и облегчает похмелье.
• Является мочегонным и вызывает обезвоживание.

Если что-то забыли, не страшно. В любом случае, все это общие фразы, причем не всегда верные. Мы углубились до молекулярного уровня и приготовили для вас настоящий научный кофейный ликбез — все, что нужно знать, в одной статье.

Как кофеин действует на организм человека

Почему кофеин «бодрит»? Во-первых, попадая в организм, кофеин имитирует нейрогормон аденозин, который замедляет нервные импульсы и вызывает сонливость. Кофеин блокирует рецепторы аденозина в головном мозге и других органах, не позволяя этому веществу с ними связываться. Таким образом, он подавляет расслабление, повышает внимание и скорость реакции. Во-вторых, кофеин стимулирует выделение гормона адреналина, который увеличивает частоту сердечных сокращений и повышает давление, а также увеличивает приток крови к мышцам и провоцирует поступление в кровь глюкозы из ее депо в печени. В-третьих, кофеин повышает уровень нейрогормона дофамина в мозге. Это вещество ответственно за чувство благополучия и счастья. Именно ощущение бодрости и подъема после хорошей чашечки кофе является причиной возникновения привыкания к кофеину. Когда кофеин безопасен? Для большинства людей безопасная для здоровья ежедневная доза кофеина – 300 мг. Это эквивалент трех небольших чашек крепкого кофе. Однако не стоит забывать, что уровень содержания кофеина в разных сортах чая, кофе и шоколада может различаться. Кроме того, у некоторых людей наблюдается повышенная чувствительность к кофеину. Уже 100 мг этого вещества может вызвать у них неприятные симптомы передозировки. Когда кофеина слишком много? Симптомы передозировки кофеина довольно легко распознать. Они включают: -учащенное сердцебиение -повышенную тревожность -бессонницу -учащенное мочеиспускание -головокружение -спазмы в желудке и кишечнике -прилив крови к лицу -жажду -тошноту -головные боли Симптомы повышенной чувствительности к кофеину очень похожи на те, что возникают при его передозировке. Что повышает чувствительность к кофеину? 1. С возрастом чувствительность к кофеину увеличивается. 2. Женщины более чувствительны к кофеину, чем мужчины. 3. Сердечно-сосудистые заболевания увеличивают восприимчивость к действию кофеина. 4. Нерегулярное потребление кофеина. Чем реже человек употребляет напитки, богатые кофеином, тем чувствительнее он к этому веществу. 5. Взаимодействие с медицинскими препаратами. О сочетаемости лекарства с кофеином обычно написано в инструкции по применению. 6. Пониженный вес увеличивает чувствительность к кофеину. Симптомы синдрома отмены кофеина: -озноб -снижение внимания -депрессивное настроение -сложности с концентрацией внимания -сонливость -головные боли -раздражительность -боль в мышцах Появление подобных симптомов означает, что вы пьете слишком много кофеиносодержащих напитков, и у вашего организма развилась зависимость. В таком случае специалисты рекомендуют существенно снизить ежедневные дозы кофеина или отказаться от него совсем. Самое важное Кофеин – это природный стимулятор, который позволяет взбодриться и избавиться от сонливости. Однако при превышении безопасной дозы кофеина могут появиться симптомы его передозировки, а также развиться привыкание к этому веществу.

Как кофеин попадает в кровь

Кофеин обладает липофильными

свойствами — он хорошо растворяется в липидах, то есть в жирах. Из липидов состоят оболочки наших клеток, а значит, и наши биологические барьеры.

Стенки кишечника и кровеносных сосудов для липофильного вещества не препятствие, всасывание происходит быстро и практически без потерь. Причем из жидких продуктов (кофе, энергетический напиток) всасывание быстрее, чем из твердых (шоколад или, например, брауни).

Уже через час концентрация вещества в крови становится максимальной.

Влияние кофеина на организм

Остальные 20% вещества связываются с белками крови и разносятся по тканям и органам. И хотя каждая система организма реагирует по-своему, по большей части воздействие кофеина основано на двух ключевых механизмах. Расскажем сначала о них, а потом уже о том, как эти механизмы работают для разных органов.

Механизм №1

Кофеин как брат-близнец похож на аденозин — один из четырех «кирпичиков» ДНК. О нем мы уже рассказывали. Здесь важно рассказать о другой его роли в организме. Коротко, в трех тезисах:

1. Есть такие молекулы — АТФ. Это «батарейки» для всех клеточных процессов.
2. В молекуле АТФ три фосфата. Отщепляем один фосфат — получаем энергию. Из одной молекулы АТФ можно вытянуть энергию трижды.
3. Истощенная до нуля молекула АТФ — это и есть аденозин. Если его накапливается много, значит организм потратил много энергии. Пора переходить в энергосберегающий режим.

Схема такая: остатков АТФ становится много, их цепляют рецепторы — нейроны переключают организм в экономный режим. Кофеин делает простую штуку — он сам садится на рецепторы, выключает их, но при этом никакого сигнала «надо отдохнуть» нет. В итоге утомление остается для нас самих секретом, и все наши органы продолжают бодриться даже на «севших батарейках».

Механизм №2

Кофеин блокирует фермент, который расщепляет молекулы цАМФ (поверьте, вам незачем знать расшифровку). Все, что нужно знать, тоже в тезисах:

1. Некоторые гормоны слишком большие и не могут пройти сквозь клеточную оболочку, чтобы передать свой сигнал по адресу.
2. цАМФ — клеточные «курьеры». Они умеют принимать сигналы от гормонов и передавать их внутрь клетки.
3. Если фермент заблокирован, он перестает разрушать молекулы цАМФ, и их концентрация в клетках увеличивается.

В результате «курьеров» в клетке больше, действие гормонов усиливается. Какое именно действие — зависит от того, о каком гормоне и о какой клетке идет речь.

Влияние на мозг

Между кровью и мозгом есть специальный гематоэнцефалический барьер. Липофильный кофеин легко преодолевает его и «прилипает» к аденозиновым рецепторам на нейронах. Вдобавок, через цАМФ увеличивается эффект адреналина на нейроны.

Результат: мозг работает шустрее и не обращает внимание на усталость. До тех пор, пока у организма есть ресурсы.

Влияние на сердце

Аденозиновые рецепторы есть и на клетках миокарда. Активация этих рецепторов снижает частоту сердечных сокращений, улучшает кровоток в сердце и снижает артериальное давление.

Кофеин блокирует рецепторы и, следовательно, дает диаметрально противоположный эффект. Вдобавок, из-за большого количества цАМФ сердце острее чувствует адреналиновый эффект.

Результат: сердце начинает колотиться сильнее и продолжает даже тогда, когда ему по-хорошему надо отдыхать. Привет, тахикардия.

Влияние на желудок

Для переваривания пищи специальные клетки выделяют в желудок соляную кислоту. Кофеин — стимулятор этого процесса. Механизмы действия все те же. Секреторные клетки становятся менее чувствительны к аденозину — игнорируют «энергосберегающий режим» и продолжают выделять кислоту на полную катушку. Параллельно цАМФ повышают чувствительность клетки к гистамину — гормону, который усиливает выработку кислоты.

Результат: активное выделение соляной кислоты. Теперь понимаете, почему пить кофе лучше непосредственно до приема пищи или сразу после него?

Вообще, если не злоупотреблять кофе, то его влияние на здоровье людей вполне себе положительное.

Давайте к делу

Как вы думаете, что общего у кофе, чая, шоколада, энергетиков и какао? Все они содержат кофеин. Да! После небольшой предыстории перейду к нему. Кофеин — химическое соединение из класса алкалоидов [17]. Это наиболее широко используемое психостимулирующее вещество [18–22], обладающее рядом физиологических и биохимических эффектов. Кофеин воздействует на нервную, сердечно-сосудистую, дыхательную, выделительную системы, на компоненты желудочно-кишечного тракта.

Кофеин содержится в семенах, бобах, листьях большого количества растений (кофе, чая, какао и др.). Потребляется он в основном в виде напитков (кофе, чая, энергетиков), шоколада и жвачек, но содержится также и в зубных пастах. В настоящее время подсчитано содержание кофеина в различных продуктах питания [23].

До 99% употребленного кофеина всасывается в кровь за 45 минут [24]. В плазме пик его концентрации наступает между 15 и 120 минутами после перорального (через полость рта) употребления [24].

Как кофеин влияет на организм человека? Его эффекты зависят от концентрации. В умеренных дозах он вызывает такие положительные субъективные эффекты, как прилив энергии, повышение активности, общительности, общего самочувствия. В больших дозах может привести к сильному возрастанию артериального давления и к другим нехорошим явлениям. Какие рекомендации по потреблению кофеина есть? До 400 мг/день — для взрослых, до 300 мг/день для беременных женщин, до 2,5 мг/кг/день для детей и подростков [20].

Практически все эффекты кофеина связаны с его ролью в качестве антагониста аденозиновых рецепторов (рис. 2). Дело в том, что кофеин имеет сходную структуру с аденозином, благодаря чему может связываться с его рецепторами. Но никакого стимулирующего или подавляющего действия на клетки при этом он не оказывает. Кофеин просто блокирует рецепторы для аденозина. Последний же не реализует свои эффекты и «художественно тоскует от своего горя», как пишет Андрей Курпатов (правда, он не совсем про кофеин). Этот момент является ключевым для понимания физиологического действия кофеина. Никакой энергии он не прибавляет, он просто не позволяет нейронам получить сигнал о том, что пора бы взять перерыв и отдохнуть. Человек же в это время чувствует невероятный прилив сил… Но, как можно было догадаться, мнимый. Все это длится примерно 2,5–4,5 часа [24]. Почему именно столько? Это так называемое время полужизни, или полувыведения, — период элиминации половины поступившего в организм вещества. Когда оно истекает, эффекты этого «бодрящего напитка» быстро исчезают. Аденозин связывается с освободившимися от кофеина рецепторами, и человек снова утомлен и хочет спать.

Рисунок 2. Структура кофеина и механизм его действия. Представлена химическая формула кофеина, где красным обозначены молекулы кислорода, а синим — азота. Розового потока, как в предыдущем рисунке нет — кофеин не оказывает влияния на клетки, он лишь блокирует аденозиновый рецептор.

рисунок автора статьи

Как я писал выше, аденозиновые рецепторы имеются не только в головном мозге. Они представлены и в сердце, и в почках. Физиологические эффекты кофеина на деятельность этих органов, возможно, также объясняются блокированием аденозиновых рецепторов. Если аденозин взаимодействует с рецепторами в сердце и почках, это приводит к ингибированию их деятельности. Если же кофеин блокирует рецепторы, то это проявляется как тахикардия (увеличения частоты сердечных сокращений) и полиурия (учащенное мочеиспускание). Эти эффекты, скорее всего, вам знакомы по личному опыту.

В последнее время в научной среде широко обсуждается терапевтический потенциал кофеина применительно к таким нейродегенеративным болезням, как болезни Альцгеймера, Паркинсона и др. [25], [26].

Польза для здоровья

• Профилактика нейродегенеративных заболеваний.
  Доказано: кофе помогает при профилактике болезней Альцегеймера и Паркинсона. К примеру, в эксперименте с мышами снизилось количество «плохих» аномальных белков в участке мозга, ответственном за память.
• Профилактика инсульта
  .

  Британские ученые провели исследование с группой из 83284 человек, которым давали 2-4 чашки кофе ежедневно в течение нескольких месяцев. Проследим за самочувствием подопытных, ученые сделали вывод: употребление кофе на 20% снижает риск инсульта.

• Профилактика рака.
  Есть несколько статистических исследований, в которых показано: люди с умеренной любовью к кофе реже болеют раком. Вероятно, это связано с тем, что в нем содержатся мощнейшие антиоксиданты. По силе они примерно в 500 раз сильнее, чем экстракт зеленого чая или витамин С.

Вред кофеина при передозировке

• Важно помнить: калорийность кофе нулевая. Чашка американо не дает нам новой энергии, зато помогает сжечь имеющиеся запасы. Надо вовремя пополнять резервы, иначе не за горами физическое истощение и нервный срыв.
• Может стимулировать язвенную болезнь желудка, воспаление слизистой оболочки пищевода и гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь.
• Усиливает сердцебиение. Само по себе это не так страшно, но если в багаже уже есть ишемическая болезнь сердца или органическое поражение миокарда, даже небольшая «добавка» может привести к серьезным осложнениям.
• Триггер мигрени. Современные работы подтверждают: кофе может провоцировать приступы мигрени. Опять же, речь о больших дозах.