Визначення кількості кофеїну в «енергетичних» напоях, каві, чаю

Avatar
Автор Білик Жанна
Кандидат біологічних наук, науковий співробітник НЦ «Мала академія наук України». Сфера наукових інтересів: біохімія та фізіологія рослин, сучасні методики викладання біології та хімії, робота з обдарованими учнями. Автор близько 50 праць. Нагороджена подякою МОН.
Рівень складності Високий
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні наукового обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 2 годин

Блок 1. Резюме

Зараз серед молоді дуже популярними є «енергетичні» напої. Основною діючою речовиною в них є кофеїн, проте більшість виробників не вказує його точну кількість. Відомі випадки отруєння кофеїном через порушення гранично допустимої дози вживання, особливо серед дітей та підлітків. З огляду на це і сформульована мета роботи.

Мета роботи: опанувати методику визначення кількості кофеїну в «енергетичних» напоях, каві, чаю.

Завдання роботи:

  1. Опанувати теоретичний матеріал.
  2. Зробити розведення стандартного розчину кофеїну та побудувати варіаційну криву.
  3. Виділити кофеїн із різних субстанцій: кава, чай, різні “енергетичні” напої.
  4. Розрахувати кількість кофеїну в досліджуваних рідинах та встановити добову дозу вживання.

Блок 2. Попередня інформація

Кофеїн – найпоширеніший у світі стимулювальний засіб. Його вживають переважно у вигляді кави, чаю, горіхів Cola acuminata  (таємний інгредієнт популярних напоїв – кока-коли та пепсі-коли). Існує легенда, що дію кофеїну вперше помітив  у 850 році нашої ери пастух кіз в Абісінії. Його розповіді про те, що кози їли червоні ягоди кущів із темним листям, а потім танцювали всю ніч, не засинаючи, надихнули монахів місцевого монастиря на експерименти з цими ягодами. Вони приготували смачний напій, вживання якого дає змогу зберігати бадьорість під час тривалих молитов. Ця новина поширилася іншими монастирями, і кава стала популярним напоєм.

У XVI–XVII сторіччях кавовий напій набув поширення у Персії, Туреччині, Європі та Америці, ставши частиною різноманітних церемоній. На близькому Сході кав’ярні за своєю популярністю переважали мечеті, тому й були заборонені. Серед європейських країн уперше масово каву почали вживати в Італії. Потім «кафе» розповсюдилось по всій Європі. Карл ІІ закрив в Англії близько 3000 кав’ярень, назвавши їх «джерелами бунтівників», але за кілька днів був вимушений скасувати заборону через суспільне незадоволення.

Іншим популярним кофеїнмістким напоєм є чай, який виготовляють з листків чайного куща (Thea sinesis), його історія налічує близько 4000 років. Згідно з легендою, першим став вживати чай один з китайських мудреців, якому сподобався аромат листя, що випадково впало в горщик з гарячою водою. У континентальну Європу чай завезли голландці у 1610 році, 1664-го він потрапив до Англії і відтоді Лондон вважається “чайною столицею” світу. В Америці чай вперше почали продавати у Бостоні в 1714 році.  За даними ВООЗ, у 2000 році 80% населення світу регулярно вживало напої, що містять кофеїн.

Кофеїн — безбарвна з гірким смаком кристалічна речовина білого кольору, за структурною будовою – гетероциклічний алкалоїд пуринового ряду. Вперше добутий з кавового екстракту в 1821 році.

У природі кофеїн трапляється в різних концентраціях разом із іншими ксантиновими алкалоїдами теофіліном і теоброміном, які є кардіостимуляторами. Кофеїн може мати різний ефект залежно від його походження, що пояснюється, в першу чергу, різною концентрацією інших стимуляторів та швидкістю абсорбції.

Кофеїн — алкалоїд рослинного походження, міститься у деяких рослинах, найвідоміші з яких кавове деревочайкакаоМате та гуарана як джерела кофеїну використовуються рідше, в основному для приготування чаю і, останнім часом, енергетичних напоїв. Альтернативні назви кофеїну — матеїн і гуаранін — походять від назв цих двох рослин відповідно.

Головним джерелом кофеїну є кавові боби (насіння кавового дерева), з яких готують каву. Вміст кофеїну в каві може бути дуже різним залежно від сорту кавових бобів і методу приготування, але в середньому одна порція кави (30 мл) містить від 40 мг кофеїну для еспресо з арабіки до 100 мг для міцної кави. Загалом, добре просмажена кава містить менше кофеїну, ніж слабо просмажена. Сорт кави Арабіка зазвичай містить менше кофеїну, ніж сорт Робуста. У каві також міститься невелика кількість теофіліну і зовсім немає теоброміну.

У багатьох культурах як джерело кофеїну використовують чай. Чай зазвичай містить приблизно вдвічі менше кофеїну, ніж кава, залежно від міцності напою. Деякі сорти чаю, наприклад чорний, містять трохи більше кофеїну, ніж інші сорти. У чаї також міститься невелика кількість теоброміну і дещо більше теофіліну, ніж у каві.

Кофеїн також є інгредієнтом безалкогольних напоїв таких, як кола, що виготовляється із горіхів кола. Безалкогольні напої зазвичай містять від 10 до 50 мг кофеїну на порцію. На відміну від них, енергетичні напої містять близько 80 мг кофеїну на порцію. Гуарана, основний складник енергетичних напоїв, має високий вміст кофеїну та низький теоброміну і теофіліну.

Шоколад, який виготовляють з какао, є слабким стимулятором, переважно завдяки вмісту в ньому теоброміну і теофіліну, хоча він також містить невелику кількість кофеїну. Проте вміст цих речовин у шоколаді надто малий для ефекту, який можна порівняти із дією кави на організм людини. Плитка молочного шоколаду вагою 28 г містить приблизно стільки кофеїну, скільки чашка декофеїнізованої кави.

Кофеїн також продають як медикамент у вигляді таблеток.

Кофеїн є стимулятором центральної нервової системи (ЦНС). Дослідження свідчать, що кофеїн підсилює процеси збудження в корі головного мозку, у відповідних дозах підсилює позитивні умовні рефлекси і підвищує рухову активність. Стимулювальна дія підвищує розумову та фізичну працездатність, зменшує втому та сонливість. Великі дози, щоправда, можуть призводити до виснаження нервових клітин. У дозуванні кофеїну треба враховувати індивідуальні особливості нервової системи. Кофеїн послаблює дію снодійних і наркотичних речовин, підвищує рефлекторну збудливість спинного мозку. Серцева діяльність під дією кофеїну посилюється, серцеві скорочення стають більш інтенсивними та частими. У колаптоїдних і шокових станах артеріальний тиск під дією кофеїну підвищується, однак у разі нормального артеріального тиску суттєвих змін не відбувається, оскільки водночас зі збудженням судинного центру і серця розширюються також судини скелетних м’язів та інших органів тіла (мозку, серця, нирок) (щоправда судини органів черевної порожнини звужуються).

Під дією кофеїну підсилюється секреторна діяльність шлунку.

Кофеїн застосовують у випадку отруєння наркотиками.

Якщо кофеїн є відносно безпечним для людей, то для деяких тварин — собак, коней, папуг — ця речовина значно токсичніша внаслідок набагато слабшої здатності до метаболізму кофеїну. Під дією кофеїну павуки плетуть неправильні сітки.

Кофеїн повністю всмоктується в шлунку та тонкій кишці через 45 хвилин після вживання. Період напіввиведення кофеїну з організму становить від 3,5 до 6 годин. Кофеїн легко розповсюджується в організмі. Тривале вживання спричиняє звикання. У разі відмови від постійного вживання організм стає надчутливим до аденозину, що спричиняє раптове підвищення кров’яного тиску.

Кофеїн розкладається в печінці людини на три диметилксантинові речовини, кожна з яких має свій вплив на організм:

  • Параксантин (84 %) — має ефект посилення розщеплення жирів.
  • Теобромін (12 %) — розширює судини і підвищує кількість сечі. Теобромін міститься у какао, відповідно і в шоколаді.
  • Теофілін (4 %) — розслаблює гладкі м’язи у бронхах, через що його використовують у лікуванні астми. Щоправда, терапевтична доза теофіліну в декілька разів вища, ніж отримується внаслідок метаболізму кофеїну.

Кожна з цих речовин далі розкладається і виводиться з організму разом із сечею.

Молекула кофеїну структурно подібна до молекули аденозину і може зв’язуватися зі специфічними аденозиновими рецепторами мозку. Аденозин зменшує процеси збудження в мозку, відповідно заміщення його кофеїном здійснює стимулювальний ефект. У випадку тривалого вживання кофеїну можливе утворення в клітинах мозку нових аденозинових рецепторів, внаслідок чого дія кофеїну послаблюється. Водночас у разі раптового припинення вживання кофеїну аденозин займає всі доступні рецептори, що може спричинити підсилення гальмування з явищами втоми, сонливості, нудоти, депресії тощо. Ці симптоми проявляються через 12-24 години після припинення вживання кофеїну і можуть тривати від одного до п’яти днів. У такому випадку анальгетики, наприклад, аспірин, можуть полегшувати головний біль, так само як невеликі дози кофеїну.

Мінімальна смертельна доза кофеїну становить 3200 мг із введенням прямо у кров. LD50 для кофеїну встановлено на рівні 13-19 г перорально для середньої дорослої людини. LD50 для кофеїну залежить від ваги та індивідуальної чутливості і становить 150—200 мг на 1 кг маси тіла, що відповідає приблизно 140—180 чашкам кави для дорослої людини протягом відрізка часу, що залежить від періоду напіввиведення кофеїну з організму. Період напіввиведення становить від 3,5 до 10 годин, для дорослих людей — в середньому 5 годин. Контрацептиви збільшують цей період до близько 12 годин; для жінок понад 3 місяців вагітності він становить 10-18 годин. У дітей період напіввиведення кофеїну з організму зазвичай більший, ніж у дорослих. Хоча досягти смертельної дози кофеїну кавою практично неможливо, все ж траплялися випадки смерті через умисне передозування таблетками кофеїну.

Передозування кофеїном призводить до кофеїнової інтоксикації, або отруєння кофеїном. Симптоми отруєння як психологічні, так і фізіологічні: неспокій, нервовість, збудливість, безсоння, підвищений діурез, посмикування м’язів, непослідовні думки і мова, параноя, аритмія серця, тахікардія, підвищений кров’яний тиск, частий пульс. У виняткових випадках спостерігається манія, депресія, дезорієнтація, галюцинації, психози.

Рис. 1. Зовнішній вигляд кофеїну (білий кристалічний порошок)

Блок 3. Обладнання

Фотоелектрокалориметр (ФЕК), який здатний давати хвилю довжиною 270 нм, кварцові кювети відповідного розміру, фільтрувальний папір, стандартний розчин кофеїну (кофеїн-бензонат натрію – Дарниця, розчин для ін’єкцій 100 мг/мл), етилетаноат, 1 М розчин натрій (калій) карбонату, індикаторний папір, магній сульфат (безводний), ділильні лійки, мірні циліндри, лійки, мензурки, штативи, медичні шприци для ін’єкцій на 2 мл, пробірки,  зразки «енергетичних» напоїв, кави, чаю.

Рис. 2. Необхідне обладнання

Рис. 3. Зовнішній вигляд фотоелектрокалориметра (ФЕК)

Блок 4. Експериментальна процедура

І. Побудова калібрувальної кривої

  1. Увімкніть ФЕК для прогріву.
  2. Візьміть 4 пробірки, пронумеруйте їх, вставте на штативі.
  3. Використовуючи медичний шприц, приготуйте розчини відповідно до таблиці 1.
  4. У кожну пробірку додайте декілька кристалів магній сульфату безводного.
  5. Під час вимірювання оптичної густини пам’ятайте, що кювету порівняння (контрольну кювету) необхідно заповнити етилетаноатом.
  6. Перед вимірюванням оптичної густини перелийте вміст пробірки без кришталиків магній сульфату в кювету, вміст якої перемішайте.

Таблиця 1. Побудова калібрувальної кривої

Концентрація кофеїну, мг/мл Об’єм стандартного розчину кофеїну, мл Об’єм етилетаноату, мл  Оптична густина
10 0,3 2,7 0,01*
30 0,9 2,1 0,02*
50 1,5 1,5 0,045*
70 2,1 0,9 0,06*

*експериментальні значення, наведені для спектрофотометра ULAB, наведені для прикладу. Для кожного приладу необхідно будувати власну калібрувальну криву.

7. Використовуючи програму Excel, побудуйте калібрувальну криву.


Графік 1. Калібрувальна крива для визначення концентрації кофеїну (дані, отримані за допомогою інших ФЕКів, можуть відрізнятися).

Під час аналізу графіка зверніть увагу на коефіцієнт R (коефіцієнт апроксимізації): рівняння прямої можна використовувати лише тоді, коли R становить більше 0,9.

ІІ. Виділення кофеїну з експериментальних зразків

  1. Візьміть 50 мл «енергетичного» напою, кави чи чаю, додайте 9 мл 1М розчину натрій (калій) карбонату. За допомогою універсального індикаторного паперу з’ясуйте рН розчину, він має бути в межах 8-10. Якщо спостерігаєте відхилення, то додайте декілька крапель будь-якого лугу.
  2. Додайте 15 мл етилетаноату, перемішайте та перелийте в ділильну лійку.
  3. Відкрийте ділильну лійку; першою буде зливатися водна фаза, вона не потрібна. Зберіть верхню органічну фазу в чисту колбу чи мензурку.
  4. До органічної фази додайте ще 15 мл етилацетату та струсіть; знову повторіть процедуру розділення: першу водну фазу злийте, а другу – органічну – зберіть у чистий хімічний стакан.
  5. Для того, щоб зовсім прибрати воду, додайте декілька кристалів магній сульфату безводного.
  6. Отриманий розчин буде містити кофеїн; перелийте його в кварцову кювету, виміряйте оптичну густину при довжині хвилі 270 нм, як кювету порівняння використовуючи кювету з етилетаноатом.
  7. Отримана величина оптичної густини – це величина у. Розв’яжіть рівняння прямої та знайдіть величину х – це і буде концентрація кофеїну в досліджуваній рідині. Наприклад, отримано оптичну густину 0,04. 0,09х-0,0013=0,04, звідси х=4,59. Отже, концентрація кофеїну в досліджуваному розчині 4,59 мг/мл.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Розрахуйте концентрацію кофеїну в досліджуваних розчинах, заповніть таблицю 2.

Таблиця 2.

Досліджуваний розчин Концентрація кофеїну, мг/мл
Кава розчинна
Чай зелений
Чай чорний

Проаналізуйте, скільки відповідного продукту необхідно вжити, щоб отримати гранично допустиму дозу.

Блок 6. Напрями розвитку

Визначте концентрацію кофеїну в екстрактах, отриманих із різних рослин.