Определение содержания алкалоидов в кофе и чае и изучение их влияния на организм человека

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Определение содержания алкалоидов в кофе и чае и изучение их влияния на организм человека

Кудряшова А.В. 1
1МКОУ СОШ №3
Козловская Л.А. 1
1МКОУ СОШ №3
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

«Если кофе яд, то исключительно медленно действующий, поскольку сам я умираю от него более полувека»

Вольтер

В наши дни миллионы людей начинают день с чашки кофе. Сведения о пользе и вреде кофейного напитка достаточно противоречивы. Тот, кто задастся целью выяснить, сколько можно кофе в день, обнаружит совершенно разные данные. К примеру, одни японские учёные утверждают, что 5–6 чашек кофе в день (примерно 500 мг кофеина) надёжно защищают печень от различных болезней, предупреждают развитие диабета и рака предстательной железы [7]. Но, другие японские учёные установили, что 350 мг кофеина в день – прямой путь к ревматоидному артриту [6]. Согласно исследованиям французских ученых, полезная и безопасная доза кофеина для взрослого человека составляет 100-200 мг, что соответствует двум чашкам кофе. Но в одном все соглашаются, что абсолютно безопасной дозой является 1 чашка кофе в день. Однако, по результатам статистических исследований, современное общество употребляет значительно больше кофеиносодержащих продуктов, чем рекомендовано, а значит, это может сказаться негативно на организме человека. Поэтому данная тема актуальна, и, мы задумались, а можно ли заменить кофе на другой, более безопасный напиток, и как это отразится на здоровье человека. Проанализировав химический состав чая, мы узнали, что чай также содержит алкалоиды кофе, т.е. кофеин. Мы выдвинули гипотезу: кофе можно заменить чаем, чтобы уменьшить отрицательное влияние алкалоидов на организм.

Цель: Определение содержания алкалоидов в популярных напитках кофе и чая и изучение их влияния на организм человека.

Задачи:

Узнать о природных алкалоидах и их видах, ознакомиться с алкалоидами кофеина;

Проанализировать химический состав кофе и чая популярных марок на основе литературных источников и материалов СМИ, Интернет-источников;

Изучить влияние на организм человека основных химических веществ, входящих в состав кофе и чая;

С помощью опытов определить содержание алкалоидов в популярных марках кофе и чая, сравнить результаты;

Составить рекомендации в виде буклета для любителей кофе.

Методы, используемые в работе: анализ литературы и других источников информации, анкетирование, экспериментальный, наблюдение.

Объект исследования: популярные марки кофе и чая.

Предмет исследования: содержание алкалоидов в популярных марках чая и кофе.

Практическое значение работы: с результатами данной работы мы планируем выступить на классных часах в 10-11 классах; информация, представленная в буклете будет полезна всем любителям кофе.

Глава 1. Теоретические аспекты исследования.

Природные алкалоиды и их виды. Алкалоиды.

Алкалоиды представляют собой группу встречающихся в природе химических соединений, содержащих в основном азотистые основания. Эти вещества обладают сильной и специфической физиологической активностью, и оказывают различное и многостороннее действие на организм человека и животных. Помимо углерода, водорода и азота, алкалоиды могут также содержать кислород, серу и другие элементы [1].

По сравнению с большинством других классов природных соединений, алкалоиды характеризуются большим структурным разнообразием. Их часто делят на следующие основные группы [2]:

«Настоящие алкалоиды», которые содержат азот в гетероцикле и происходят из аминокислот. Характерными примерами являются атропин, никотин и морфин.

«Протоалкалоиды», которые содержат азот, и также происходят из аминокислот. Примеры включают мескалин, адреналин и эфедрина.

Полиаминные алкалоиды – производные путресцина, спермидин и спермин.

Псевдоалкалоиды – алкалоид-подобные соединения, которые не происходят из аминокислот. Эта группа включает алкалоиды терпенового типа и стероидные алкалоиды, а также пуриновые алкалоиды (алкалоиды кофеина), такие как кофеин, теобромин, теофиллин. Структуры соединений представлены в таблице№ 1 в Приложение 1[4].

Кофеи́н (также матеин, теин, гуаранин) — алкалоид пуринового ряда, бесцветные или белые горькие кристаллы. Является психостимулятором, содержится в кофе, чае и многих прохладительных напитках. Химическое название кофеина-  1,3,7-триметилксантин. По строению и фармакологическим свойствам кофеин близок к теобромину и теофиллину. Кофеин лучше действует на ЦНС, а теофиллин и теобромин — в качестве стимуляторов сердечной деятельности и лёгких мочегонных средств [3].

Химический состав чая и кофе.

В настоящее время насчитывается много кофеиносодержащих продуктов, это и какао, шоколад, энергетические напитки и т.п. Для нашей работы мы выбрали два популярных напитка – кофе и чай, которые составляют утро современного человека.

Кофе.

Кофе представляет собой сложную смесь химических веществ, которых в его составе уже выделено более 2 000. Самый главный среди них – кофеин. Также туда макроэлементы, витамины, фенольных соединений, полисахариды, аминокислоты и т.д. Более подробный химический состав кофе представлен в таблице №2 в Приложение 1[5]. Но, следует знать, что химический состав кофе в виде зерен и в виде готового напитка заметно отличается, есть разница и между молотым, и растворимым напитком. Как правило, на производство последнего используют поврежденные зерна, которые не годятся в продажу. Такой напиток содержит меньше кофеина и много вкусовых добавок и ароматизаторов.

Чай.

Каждый вид чая обладает характерными особенностями, определяемыми местом возделывания чайной культуры и технологией обработки сырья. Вкус, цвет и особые качества напитка обусловлены его составом, в котором насчитывается более 300 различных соединений. В них входят дубильные вещества, эфирные масла, теобромин, теофиллин, кофеин, витамины, алкалоиды, углеводы, белки, минеральные вещества. Более подробный химический состав чая представлен в таблице №3 в Приложение 1[10].

Составы данных напитков имеют как сходства, так и различия. В кофе и чае содержатся одинаковые алкалоиды – кофеин и теобромин, есть белки, жиры и углеводы, витамины и микроэлементы. Различия тоже велики: в чае содержатся также аминокислоты (L-тианин) и дубильные кислоты (танины), которые сдерживают прямое усваивание кофеина в желудке. В сухом чае содержится менее 1% эфирных масел, однако их роль значительна. Более 30 видов эфирных масел формируют запах напитка. Также чай включает в свой состав пантотеновую кислоту, которой нет в кофейном напитке. В кофе же содержаться хлорогеновые и 3,4-диметоксикоричная кислоты, которые, по исследованиям врачей, имеют влияние на организм человека [5].

Влияние основных компонентов, входящих в состав кофе и чая на организм человека.

В кофе и чае содержится множество разных компонентов, но только некоторые из них способны оказывать физиологический эффект.

Белки и аминокислоты.

Осуществляют обмен веществ, служат источником восстановления и обновления цитоплазмы клеток, образования ферментов, гормонов и т.д. Но, в чае содержится больше незаменимых аминокислот, и есть уникальная аминокислота - L-тианин, которая в пять раз усиливает защитную функцию организма. Она активирует клетки иммунной системы – Т-клетки, которые регулируют секрецию защитного белка интерферона.

Углеводы и липиды.

И те, и другие выполняют энергетическую функцию, отвечают за нормальное протекание основных физиологических процессов. Липиды участвуют в передаче нервного импульса, в мышечном сокращении, а простые и сложные сахара входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, участвуют в защитных реакциях организма.

Витамины.

Повышают сопротивляемость организма к воздействию инфекций, нормализуют обменные процессы, улучшают общее самочувствие, влияют на работу многих органов. В кофе больше содержится витамин PP, главной функцией которого является регулирование окислительно-восстановительных процессов в организме, а в чае -витамин С.

Микроэлементы.

Обширно представлены в обоих напитках (K, Na, Ca, P, Fe и т.д.). Минералы необходимы для поддержания эффективного функционирования сердечно-сосудистой системы, предупреждения склеротических изменений, питания нервных тканей. При этом, разнообразие (27 элементов) и содержание их в чае больше, и достигает 6%.

Дубильные вещества (соединения фенолов).

В кофе представлены хлорогеновыми кислотами, а в чае соединений этого ряда намного больше. Обладают антиоксидантными свойствами.

Алкалоиды.

Именно влияние алкалоидов на организм человека вызывает противоречия.

Кофеин. Содержание алкалоида в напитках представлено в приложении 2.

Является основным алкалоидом в составе кофе, хотя лидером по его содержанию является зеленый чай. Даёт ощущение бодрости и повышает настроение, и в тоже время, при его чрезмерном употреблении вызывает много негативных моментов:

Прилив энергии и повышенное настроение длятся недолго, на замену приходит учащённое сердцебиение и чувство тревоги. Со временем человек сталкивается с такими проблемами, как бессонница, тревожность, депрессия, панические атаки.

Кофеин вызывает повышение выделения гормона серотонина, которые стимулирует центры нашего удовольствия. Он вызывает физическую зависимость, которая сопровождается абстинентным синдромом (ломка, синдром отмены), при отсутствии кофе человек будет испытывать сильную головную боль, слабость, перепады настроения, тошноту, боль в мышцах [5].

Кофеин оказывает прямое воздействие на органы желудочно-кишечного тракта. Результатом этого влияния являются слабительный эффект и неприятные спазмы. Кофеин снижает сопротивляемость слизистой желудка к бактерииХеликобактерпилори, которая поражает желудок и тонкую кишку. Людям, страдающим гастритом с повышенной кислотностью, категорически не рекомендуют употреблять что-либо с кофеином, а тем более кофе.

Кофеин влияет на метаболизм кальция, у кофеманов могут наблюдаться ломкие ногти, повышенную чувствительность зубов из-за стёртой эмали, выпадение волос. Не рекомендуется чрезмерно употреблять кофе лицам преклонного возраста, у которых, в силу возрастных изменений, кальций вымывается из костей, а также детям, чей скелет находится в фазе активного роста. Не стоит злоупотреблять кофе и женщинам, ждущим ребенка. Об этом говорят результаты исследования датских и американских ученых. Отмечено, что женщины, выпивающие одну-две чашки кофе в день, повышают риск рождения ребенка с недостаточным весом на 20% в сравнении с женщинами, чье потребление кофеина не превышает 100 миллиграммов.

Но, в июне-июле 2019 года журналом Nature Communications были опубликованы результаты самых масштабных за последнее время исследований влияния кофе на организм человека, в том числе и кофеина [8].

Так, по исследованию британских ученых из Университета Ковентри, кофеин повышает силу мышц у пожилых людей. А это, наоборот, может защитить их от падений и переломов.

Также, алкалоид стимулирует выброс нейромедиаторов (веществ, при помощи которых общаются нейроны с другими клетками) и побуждает нейроны работать активнее. Стэнфордские ученые выяснили, что кофеин понижает концентрацию в нашей крови сигнального иммунного белка — интерлейкина 1 бета. Его избыток в организме свидетельствует о проблемах с сосудами, повышенным артериальным давлением и риском смерти от сердечно-сосудистых заболеваний [9].

Значение кофеина еще раз подтвердило исследование китайских ученых. Они обнаружили, что кофеин способствует высвобождению окситоцина – гормона гипоталамуса, который является мощным регулятором энергетического метаболизма.

Проанализировав данные полутора тысяч человек в возрасте от 65 до 84 лет, итальянские ученые выяснили, что употребление этого напитка уменьшает вероятность развития незначительных когнитивных нарушений, кофеин способен предотвращать возникновение нейрофибриллярных клубков и амилоидных бляшек в человеческом мозге, предотвращает риск  возникновения болезни Альцгеймера..

Масштабные исследования, проведенные учеными многих стран, подтвердили пользу от употребления кофе. Содержащаяся в кофе хлорогеновая кислота может обеспечивать защитный эффект против диабета. Она снижает усвоение пищевого железа, а диабет может развиться в том числе из-за чрезмерного потребления этого микроэлемента.

«Кофе содержит много антиоксидантов и фенольных соединений, которые играют важную роль в профилактике рака», – говорит один из авторов исследования Вероника Сетяван, сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ. – Хотя это исследование не показывает причинности и не указывает на то, какие именно химические вещества в кофе могут повлиять на продление жизни, но уже ясно, что кофе можно включить в здоровую диету и образ жизни»[8].

Теобромин

Это вещество действует почти как кофеин, но эффект не такой выраженный. Теобромин обладает высокой тропностью к сердечно-сосудистой системе. Он влияет положительно на работу сердечной мышцы, увеличивая ее сократительную способность и улучшая работу коронарных артерий. Наиболее выраженный эффект заметен на мускулатуре мышц, участвующих в дыхании. Теобромин также способствует снижению давления и ухудшению почечного кровотока. По этой причине, после приема тонизирующего напитка необходимо восполнить водный баланс[5].

В отличие от кофе, в составе чая много дубильных веществ,оказывающих на организм положительное воздействие: танины оказывают антимикробное и дезинфицирующее действие, улучшают усвоение витамина С; катехины укрепляют стенки сосудов, повышают их эластичность, снижают давление, замедляются процессы старения, уменьшается восприимчивость организма к воздействию радиации;флавоноиды и полифенолы обладают выраженным противоопухолевым действием, показывают снижение заболеваемости от инфарктов и инсультов, понижают «плохой» холестерин. Исследования проведенные в Китае подтвердили пользу зеленого чая, в котором содержится самое большое число соединений данного ряда[10].

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Анкетирование.

Мы провели анкетирование среди 10-11 классов с целью выявить популярные марки чая и кофе среди семей обучающихся. В опросе участвовало 50 семей, 70 человек. Вопросы и результаты анкетирования представлены в приложении 3.

По результатам анкетирования были сделаны следующие выводы:

Наиболее популярная марка кофе NESCAFE гранулированный (58%), наиболее популярные марки чая Tess пакетированный -35%, Greenfield пакетированный-40%. Люди предпочитают гранулированный кофе из-за быстроты приготовления и насыщенного вкуса (56%), большинство опрошенных пьют не более 2-4 чашек кофе (44%)в день, не более 2 чашек чая в день, вместе с водой (56%). Для того, чтобы чувствовать себя бодрым ответы среди опрошенных были следующие: нужно 2-3 чашки кофе-40 человек, 2 чашки чая -20 человек. На 6 вопрос: чувствуйте ли вы дискомфорт после нескольких чашек кофе? - большинство отметили, что повышается умственная и физическая работоспособность, помогает не уснуть.

2.2. Получение кофеина и проведение качественной реакции на кофеин.

Испытуемые образцы: подготовлены четыре образца для исследования.

Оборудование и реактивы: фарфоровая ступка, фарфоровый тигель, фарфоровая чашка, электрическая плитка, оксид магния, чай, азотная кислота (ρ= 1.4 г/мл), аммиак (концентрированный раствор).

Выполнение анализа:

2.1. Проведение качественной реакции на кофеин.

Провела качественную реакцию на кофеин. К полученному кофеину прилили несколько капель 5%-ного раствора перекиси водорода и 1 каплю азотной кислоты. Смесь выпарили досуха на водяной бане. Полученный остаток смочили 1-2 каплями раствора аммиака. Появилась пурпурная окраска. Результаты представлены в таблице №5.

Образец 1

Образец 2

Образец 3

Образец 4

Красно-розовая окраска

Окраски не было

Слабо розовая окраска

Красно-розовая окраска

Вывод: большее количество кофеина отмечено в 1 и 4 образцах.

2.2. Определение массы кофеина в объектах исследования.

Вначале работы, мы использовали другую методику, каждый раз смешивая измельченную чайную ложку образцов с 2 г оксида магния. Подготовленные смеси нагревали, над ними устанавливали колбы с холодной водой. Возгоняясь, кофеин осаждался на колбе. Но собрать полученные таким образом кристаллы алкалоида было невозможно из-за их небольшого количества. Мы применили методику и технику постановки опыта из пособия «Опыты по химии с экологической направленностью» преподавателя химии БГПУ Э.П. Щитовой.

Методика опыта:

1.Растерли в ступке с пестиком исследуемые образцы.

2.Взвесили на весах исследуемые образцы по 2 грамма. Образцы поместили в фарфоровую чашку.

3.Взвесили часовое стекло. Для точности опыта брали одну и ту же посуду.

4.Закрыла навеску часовым стеклом и нагревали на медленном огне, наблюдая возгонку кофеина, который оседает на верхнем стекле в виде длинных, слегка окрашенных игл.

5.Определила массу кофеина в каждой навеске. От массы часового стекла с кофеином отняли массу чистого часового стекла, получила массу чистого кофеина.

Рассчитала дозу кофеина в одном пакетике чая и в 1 чайной ложке кофе: 1 ч.л. -2 -3 грамма кофе, в 1пакетике -1,5-2 грамма чая. Измерения проводили 2 раза.

Рассчитала процентное содержание кофеина в исходных навесках.

Результаты эксперимента:

 

Образец 1

Образец 2

Образец 3

Образец 4

Проба 1

0,04г

0,02г

0,03г

0,05г

Проба 2

0,045г

0,03г

0,04г

0,04г

 

В 1 ч.л. –

0,04-0,06г кофеина

В 1 пакетике -0,015-0,0225г кофеина

В 1 пакетике -0,0225-0,03г кофеина

В 1 пакетике -0,03-0,0375г кофеина

Выводы: наибольшее количество кофеина из представленных образцов содержится в образце 4 (смесь крупно- и среднелистового чая). В кофе содержание кофеина снижено. Причина этого, возможно, из-за содержания дополнительных веществ (добавок, ароматизаторов, консервантов). Та же самая причина объясняет и низкие показатели в образце 2 и в образце 3. И, как мы видим, примерно одинаковое количество кофеина содержится в 1 чашке кофе или 2-х чашках черного чая (пакетированного).

Заключение

В данной работе были рассмотрены вопросы, которые касаются содержания алкалоидов кофеина в кофе и чае.

Тема исследовательской работы была сформулирована следующим образом: «Определение содержания алкалоидов кофеина в кофе и чае и влияние их на организм человека».

Ход исследовательской деятельности определяла цель: изучить содержание алкалоидов кофеина в популярных напитках кофе и чая и их влияние на организм человека.

Анализ литературы по теме исследования показал, что польза от регулярного употребления кофе скорее перевешивает вред от него. Иначе говоря, нет причин для беспокойства — если вы любите выпить в день одну чашечку кофе или даже две, нет никаких причин себе в этом отказывать. Только, если вы дурно себя от этого чувствуете. Более подробные рекомендации к употреблению кофе представлены в буклете.

В ходе работы гипотеза не подтвердилась. Каждый человек сам решает, делать ли ему ежедневный выбор в пользу кофе и чая.

По результатам наших исследований можно сделать вывод, что наибольшее количество кофеина содержится в зеленом чае. В кофе содержание кофеина снижена, мы предполагаем это из-за дополнительных веществ, которые входят в состав кофейного напитка.

Таким образом, данная работа достигла поставленной цели, задачи реализованы.

В буклете представлены рекомендации к любителям кофе.

Библиографический список

Фримантл М . Химия в действии. Ч. 2, пер.с англ- М.: Мир, 1991 г. – С . 570

Э.П. Шитова. Опыты по химии с экологической направленностью: Методические рекомендации / Благовещенск:  БГПУ,  1993 г.-   с.24

Р. И Досона, Д. Эллиота./Справчник по биохимии  -М: 1971 г. –с. 12

А.А.Баев, Г.Г. Винберг, Г.А. Заварзин и др.- 2-е изд., /Биологический энциклопедический словарь/ -Москва: 1989 г. – с.864

https://coffeefan.info/ximicheskij-sostav-kofe.html

https://fito-tea.com/gde-bolshe-kofeina.html

https://chayguru.info/poleznaya-informatsiya/kofein-v-chae-skolko-ego-v-chae-i-v-kakom-bolshe

https://zen.yandex.ru/nakedscience

https://nauka.tass.ru/nauka/6932279

https://www.tea-terra.ru/2014/06/16/16894/

Приложение 1.

Таблица №1. Строение молекул теобромина, кофеина, теофиллина.

     

«Молекула теобромина»

«Молекула кофеина»

«Молекула теофиллина»

Таблица №2. Химический состав кофе.

Вещества

Содержание в кофейных зернах(%)

Кофеин

0,7 - 2,5

Белковые в-ва

10-13

Минеральные в-ва

3,7 – 4,5

Клетчатка

32,5 – 33,5

Дубильные в-ва

8,7 – 11, 9

Витамины:

Тиамин(В1)

Никотиновая кислота(РР)

Пиридоксин(В6)

Витамин В12

Витамин Е

Химические элементы:

K, Mg, Ca, Na, Fe, Mn, Rb, Zn, Cu, Sr

Таблица №3. Химический состав чая (основные компоненты).

Вещества

Содержание от общей массы сухого вещества

1.Дубильные вещества

-катехины

-флавонолы

-антицианиды

-фенолокислоты

20-35%

Эфирные масла. Липиды

0,02 -8%

Витамины

0,6-1%

Алкалоиды

2-5%

Биологические пигменты

До 1%

Аминокислоты и белки

16-25%

Углеводы

20-25%

Минеральные вещества и пектины

3,5-7%

Приложение 2.

Таблица №4. Содержание кофеина в разных напитках.

Название напиткаОбъем, млСодержание кофеина

Нерастворимый заварной кофе 150 90-130 мг

Экспрессо 50 90 мг

Американо 120 80 мг

Капучино 160 70-80 мг

Кофе без кофеина 100 4 мг

Латте 170 70 мг

Растворимый средних сортов кофе 100 35-60 мг

Сублимированный 100 80-100 мг

Чай чёрный средних сортов 100 40-55 мг

Зелёный чай 100 до 80 мг

Белый чай 100 15 мг

Чай в пакетиках 100 35-65 мг

Приложение 3.

Вопросы и результаты анкетирования.

1.Какой кофе вы предпочитаете (без учета добавок)? Свой ответ.

Нерастворимый заварной кофе Гранулированный кофе

Растворимый кофе

Кофе без кофеина

Никакой

-5

-39

-20

-2

- 4

2.Какую марку кофе вы предпочитаете?

Nescafe Сlassic

Jacobs monarch

Другие марки кофе(без разницы)

-35

-19

-16

3. Сколько чашек кофе вы пьете в день?

не более 1 чашки в день

не более 2-4 чашек в день

более 4 раз в день

не пьют кофе

- 25

-31

- 10

- 4

4.Какую марку чая вы предпочитаете? Свой ответ.

чай Tess пакетированный

чай Greenfield пакетированный

чай Ахмат

другие марки чая

-20

-25

-10

-15

4.Сколько чашек чая вы пьете в день?

не более 2 чашек в день

не более 3-4 чашек в день

более 4 раз в день

-39

-23

-8

5.Сколько чашек в день вам необходимо, чтобы вы чувствовали себя бодрым?

Чашки кофе (кол-во_______),

чашки чая (кол-во_______).

2-3 чашки -40

2 чашки-20

6.Чувствуйте ли вы дискомфорт после нескольких чашек кофе?

Повышение давления

Повышает умственную и физическую работоспособность

Помогает не спать

Помогает уснуть

Все вышеперечисленное

Другое

10

28

31

4

2

15

Просмотров работы: 56