Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

1

ĆWICZENIE 6.

Oznaczanie kofeiny w produktach spożywczych

1. KAWA

Istnieją dwa gatunki kawy: Coffea arabica o delikatnym smaku oraz Coffea

canephora (robusta), bardziej gorzka, o większej zawartości kofeiny. Największe plantacje

kawy znajdują się w Ameryce Południowej, Środkowej oraz w Afryce, przy czym 1/3

światowej produkcji kawy pochodzi z Brazylii.

Zasadniczym etapem produkcji kawy jest proces palenia (300

o

C) surowych ziaren,

podczas którego kształtują się jej cechy organoleptyczne (smakowo-zapachowe i brązowa

barwa). Wyróżnia się jasny (słaby), średni oraz ciemny (mocny) sposób palenia kawy.

Podczas palenia dochodzi m.in. do karmelizacji cukrów, częściowego rozkładu białek oraz

związków polifenolowych. Powstaje olejek kawowy zwany kafeolem, nadaje on smak i

zapach kawie. Drugim etapem produkcji jest mielenie albo kruszenie (kawa rozpuszczalna)

upalonych ziaren. Końcowym etapem jest mieszanie zmielonych lub skruszonych ziaren.

Kawa najczęściej występuje jako mieszanka kilku gatunków i odmian kawy

Produkcja kawy bezkofeinowej (dekofenizacja):

a) Ekstrakcja CO

2

w stanie nadkrytycznym

CO

2

w stanie nadkrytycznym jest rozpuszczalnikiem dla kofeiny. Przepuszcza się

go przez zielone ziarna kawy w temperaturze powyżej 31,1

o

C i pod ciśnieniem 73

atm. W takich warunkach CO

2

osiąga stan nadkrytyczny, czyli ma właściwości

umożliwiające wnikanie do ziarna i wypłukania 97-99% kofeiny. CO

2

z zawartą

kofeiną jest następnie natryskiwany wodą pod wysokim ciśnieniem. Uwolniona

kofeina może być oddzielona na węglu aktywnym lub przez destylację,

rekrystalizację lub odwróconą osmozę.

b) Dekofenizacja prowadzona może być poprzez ekstrakcję kofeiny z ziarna kawy

wodą.

Kawa bezkofeinowa zawiera do 0,1 kofeiny w ziarnie i do 0,3% w ekstrakcie

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

2

Kawa palona zawiera ok. 35 – 40% węglowodanów, 10 – 17% tłuszczów, 8%

związków białkowych i wolnych aminokwasów, 5 – 10% polifenoli – głównie kwas

chlorogenowy, 1 – 3% kofeiny, mieszaninę związków aromatycznych oraz tzw. substancje

drażniące. W ziarnach kawy znajdują się także pewne ilości składników mineralnych.

Spośród witamin na uwagę zasługuje niacyna. Wartość energetyczna 100 ml naparu kawy bez

cukru jest niska i wynosi 2 kcal, natomiast kawa słodzona czubatą łyżeczką cukru dostarcza

ok. 32 – 40 kcal.

2. DEFINICJA KOFEINY

Kofeina to inaczej 1,3,7 – trimetyloksantyna. Jest alkaloidem purynowym, o

charakterze zasadowym, zawiera w swej cząsteczce azot. Powstaje z ksantyny, w wyniku

degradacji nukleotydów.

Ryc. Budowa chemiczna kofeiny

Kofeina jest składnikiem diety pochodzenia roślinnego. Występuje naturalnie w

niektórych liściach np. krzewu herbacianego, w owocach-w przypadku drzewa kawowego

bądź nasionach np. kakaowca. Jej obecność, w tak popularnych napojach, jak kawa i herbata

powoduje, że kofeinę spożywa codziennie około 90% populacji osób dorosłych.

Dopuszczalne dzienne pobranie kofeiny (ADI) nie jest wyznaczone, nie mniej jednak badania

wskazują, że duże jej spożycie może wywoływać niekorzystne efekty zdrowotne. Doustna

dawka śmiertelna kofeiny wynosi 10 gramów, przy czym pobranie takiej ilości z żywnością

nie jest możliwe.

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

3

2. METABOLIZM KOFEINY

Kofeina szybko wchłania się z przewodu pokarmowego , osiągając maksymalne

stężenie we krwi po 30-120 minutach od spożycia, w zależności od indywidualnych

uwarunkowań organizmu i obecności treści pokarmowej w żołądku. Z krwią kofeina

rozprowadza się do wszystkich tkanek organizmu. Przenika barierę krew-mózg, przechodzi

przez łożysko do płodu i płynu owodniowego, do mleka kobiecego, jej obecność stwierdza się

także w spermie. Kofeina nie kumuluje się w organizmie. U osób dorosłych prawie w całości

jest metabolizowana przez wątrobę. Pierwszymi produktami jej rozpadu jest paraksantyna

(67-82%) oraz teofilina i teobromina. Głównym metabolitem końcowym jest kwas 1-

metylomoczowy. U osób dorosłych tylko 1-5% spożytej kofeiny wydala się z moczem w

postaci niezmienionej.

Czas połowicznego rozpadu kofeiny u osób dorosłych waha się od 3 do 7 godzin.

Niemowlęta (6-9 miesiąc życia) mają ograniczoną zdolność metabolizmu kofeiny z powodu

zbyt małej ilości enzymów wątrobowych, stąd około 85% wydalanej z moczem kofeiny ma

postać niezmienioną. Metabolizm kofeiny uzależniony jest od uwarunkowań genetycznych,

stanu fizjologicznego, a także od czynników środowiskowych. U kobiet w ciąży, czas

połowicznego rozpadu jest 2-3 krotnie wydłużony z powodu zmian hormonalnych

zachodzących w organizmie. Palenie tytoniu przyspiesza rozpad kofeiny o połowę, natomiast

stosowanie doustnych środków antykoncepcyjnych zwalnia go. Na metabolizm kofeiny może

wpływać także rodzaj żywności. Przypuszcza się, że niektóre warzywa, jak pietruszka, seler,

marchew obniżają aktywność enzymów, co zmniejsza tempo metabolizmu, natomiast

brokuły, kalafior i kapusta nasilają go. Metabolizm kofeiny może ulegać zmianie w okresie

przyjmowania leków.

3. ODDZIAŁYWANIE KOFEINY NA ORGANIZM

Kofeina oddziałuje na organizm poprzez blokowanie receptorów adenozyny, co

przejawia się zwiększeniem wydzielania katecholamin: adrenaliny, dopaminy i serotoniny.

Skutkiem tego jest pobudzenie ośrodkowego układu nerwowego, przyspieszenie pracy serca,

rozszerzenie naczyń krwionośnych.

Umiarkowane spożycie kofeiny (100-300 mg dziennie) korzystnie wpływa na

wydolność umysłową i fizyczną, sprawność myślenia, koncentrację, a ponadto zmniejsza

zmęczenie i senność. Niejednoznaczny jest natomiast wpływ kofeiny na zwiększone spalanie

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

4

tkanki tłuszczowej i wydatkowanie energii przez organizm, stąd nie prawidłowym jest

twierdzenie że spożycie kofeiny prowadzi do redukcji masy ciała. Taki wpływ musi zostać

jeszcze potwierdzony w toku wielu badań. Kofeina pobudza wydzielanie soku żołądkowego,

działa umiarkowanie moczopędnie oraz może nasilać lipolizę tkanki tłuszczowej i

termogenezę organizmu. Kofeina, w dawce co najmniej 75 mg zwiększa też czujność i

skupienie.

Ważnym działaniem kofeiny jest stymulacja układu oddechowego, stąd kofeina jest

częstym składnikiem leków rozszerzających oskrzela. Ma działanie obkurczające na

mózgowe naczynia krwionośne, tym samym może przynosić ulgę w bólach głowy i

migrenach. Amerykańskie Towarzystwo Psychiatryczne zaliczyło kofeinę do substancji

psychoaktywnych, niemniej nie jest uważana za typową substancję uzależniającą. W świetle

aktualnego stanu wiedzy bezpieczne dla zdrowia spożycie kofeiny przez zdrowe osoby

dorosłe nie powinno przekraczać 400 mg dziennie.

Nadmierne spożycie kofeiny (powyżej 500-600 mg dziennie) może powodować

objawy niepożądane, w tym zbytnią pobudliwość, bezsenność, problemy żołądkowe, arytmię.

Ograniczone spożycie kofeiny zaleca się osobom z chorobą wrzodową żołądka i dwunastnicy,

chorobą refluksową, osteoporozą, chorobami serca, kobietom ciężarnym oraz kobietom

karmiącym piersią. Spożycie kofeiny w okresie ciąży nie jest wskazane. Zaleca się, aby

maksymalny dzienny poziom pobrania nie przekraczał 300 mg. Przypuszcza się bowiem, że

kofeina poprzez wzrost stężenia katecholamin może zakłócać łożyskowy przepływ krwi i

upośledzać transport substancji odżywczych do płodu. Wśród negatywnych skutków dużego

spożycia kofeiny przez kobietę ciężarną wymienia się przede wszystkim niską masę

urodzeniową noworodka, poronienia i porodu przedwczesnego. Kofeina może wpływać na

gospodarkę wapniową w organizmie.

Wpływ kofeiny na ciśnienie krwi zależy od nawyku picia kawy. U osób regularnie

pijących kawę, już po kilku dniach jej picia dochodzi do rozwoju tolerancji organizmu i jej

wpływ na ciśnienie krwi słabnie. Z niektórych badań wynika, że regularne picie kawy podnosi

ciśnienie skurczowe w granicach 1,2-2,4 mmHg i rozkurczowe o 0,5-1,2 mmHg. Badania

wskazują, że picie kawy może nasilać schorzenia sercowo naczyniowe poprzez wzrost

stężenie cholesterolu całkowitego, wzrost frakcji LDL, spadek frakcji HDL oraz wzrost

stężenia homocysteiny. Za działanie takie prawdopodobnie nie odpowiada kofeina, lecz

diterpeny – związki lipidowe kawy.

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

5

Kawa jest w diecie jednym z głównych źródeł akryloamidu, związku tworzącego się

podczas palenia kawy, który przez Międzynarodową Agencję do Badań nad Rakiem został

uznany za prawdopodobnie kancerogenny dla ludzi.

4. ŹRÓDŁA KOFEINY W DIECIE

Produkty spożywcze zawierające kofeinę można podzielić na naturalne źródła kofeiny

i produkty, do których kofeina została dodana podczas procesu technologicznego, jako

odrębny składnik surowcowy.

W pierwszej grupie produktów znajduje się kawa, herbata, czekolada, kakao. W

drugiej napoje typu cola, napoje energetyzujące, suplementy diety. Odrębnym źródłem

kofeiny są niektóre leki i preparaty farmaceutyczne.

Kawa

Ziarna kawy zawierają 1 – 3% kofeiny. Kawa z gatunku Arabica zawiera mniej

kofeiny – 1-1,5%, kawa Robusta więcej – 2,4 – 2,8%. Zawartość kofeiny w porcji naparu

kształtuje się w przedziale od 27 do 282 mg. Zależy ona od rodzaju kawy, stopnia upalenia

ziaren kawy, jej zmielenia, ilości surowca użytego na porcję i metod przygotowywania

naparu. Kawa parzona charakteryzuje się mniejszą zawartością kofeiny niż kawa z ekspresu.

Zawartość kofeiny w filiżance (160 ml) mocnego naparu kawy mielonej wynosi średnio 74

mg, a taka sama porcja kawy rozpuszczalnej dostarcza 117 mg kofeiny.

Herbata

Zawartość kofeiny w naparach herbacianych zależy od rozdrobnienia liści

herbacianych, ilości herbat użytych na porcję i warunków parzenia, w tym temperatury wody

i czasu naparzania. Szklanka herbaty czarnej ekspresowej, parzonej przez 15 sekund zawiera

średnio 15 mg kofeiny, parzonej przez 1 minutę – 22 mg, a dług oparzonej (5 minut) – 38 mg

kofeiny.

Czekolada, kakao

Zawartość kofeiny w czekoladzie i kakao zależy od udziału ziarna kakaowego w tych

produktach. Tabliczka czekolady mlecznej o masie 100 g zawiera 16-26 mg kofeiny,

natomiast trzykrotnie wyższe wartości (52 – 85 mg) stwierdza się w czekoladzie gorzkiej.

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

6

Napoje energetyzujące

Napoje te są obecnie istotnym źródłem kofeiny, szczególnie wśród ludzi młodych. W

Polsce obecnie zdecydowana większość tych napojów zawiera 80 mg kofeiny.

Suplementy diety, leki, preparaty farmaceutyczne

Kofeina jest składnikiem leków m.in. moczopędnych oraz stosowanych w astmie

oskrzelowej, leków przeciwbólowych i pobudzających. Kofeina jest również składnikiem

suplementów wspomagających odchudzanie, pobudzających, zmniejszających zmęczenie.

SPOŻYCIE KOFEINY

Średnie spożycie kofeiny w krajach europejskich kształtuje się w granicach 280 – 490

mg dziennie, a największe jest w krajach skandynawskich, co jest spowodowane dużym

spożyciem kawy.

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

7

Oznaczanie kofeiny w naparach kawowych

Zasada metody polega na oddzieleniu substancji przeszkadzających i wytrąceniu

roztworem jodu nadjodku kofeiny. Otrzymany osad rozpuszcza się po odsączeniu w alkoholu

metylowym, a ilość uwolnionego do roztworu jodu oznacza się jodometrycznie.

Wykonanie oznaczenia:

Odważyć dokładnie 2 łyżeczki zmielonej kawy (naważkę zanotować) i zalać 250 cm

3

wrzącej wody destylowanej. Zaparzać 10 minut pod przykryciem, a następnie całość

przesączyć przez sączek karbowany. Z przesączu pobrać pipetą 25 cm

3

do zlewki o poj. 50

cm

3

i dodać 3 cm

3

roztworu siarczanu miedziowego. Zawartość zlewki ogrzewać przez 5 min.

w łaźni wodnej o temp. 60-70

o

C. Po ochłodzeniu roztwór przenieść ilościowo do kolby

miarowej o poj. 50 cm

3

, dodać 1,2 cm

3

roztworu żelazocyjanku potasowego i dopełnić do

kreski wodą destylowaną. Po dokładnym wymieszaniu zawartość kolbki przesączyć. Do

zlewki o poj. 100 cm

3

odpipetować 10 cm

3

przesączu, dodać 4 cm

3

20% roztworu H

2

SO

4

i

ogrzewać 10 min. we wrzącej łaźni wodnej. Po ostudzeniu dodać do zlewki 3 cm

3

roztworu

jodu i po 5 min. sączyć przez sączek Schotta G4 pod zmniejszonym ciśnieniem. Zlewkę

popłukać 1,5 cm

3

wody destylowanej i odsysać płyn znad osadu, a następnie przez 2 min.

przepuszczać przez sączek powietrze. Sączek osuszyć delikatnie od spodu bibułą i przenieść

do drugiej czystej kolby ssawkowej. Na osad znajdujący się na sączku wlać pipetą 25 cm

3

alkoholu metylowego i uruchomić pompkę. Gdy osad nadjodku kofeiny rozpuści się, sączek

przepłukać 25 cm

3

wody destylowanej, którą przepuszcza się do alkoholowego roztworu.

Roztwór w kolbie natychmiast miareczkować z biurety 0,01 M roztworem tiosiarczanu

sodowego (Na

2

S

2

O

3

) wobec kleiku skrobiowego jako wskaźnika, do odbarwienia roztworu.

Obliczanie wyników:

Zawartość kofeiny (w mg) w całej objętości sporządzonego naparu obliczyć wg wzoru:

X = a * 0,4853 * V / 5

Toksykologia żywności dr inż. Barbara Borczak

8

Gdzie: V- objętość sporządzonego naparu

a- objętość roztworu Na

2

S

2

O

3

zużyta do miareczkowania

0,4853 – ilość mg kofeiny jaka odpowiada 1 cm

3

0,01 M tiosiarczanu sodu

Obliczyć procentową zawartość kofeiny w badanym produkcie.

Odczynniki:

1. Siarczan miedziowy – roztwór (69,2 g CuSO

4

* 5H

2

O w 1 dm

3

roztworu)

2. Żelazocyjanek potasowy - roztwór (150 g K

4

Fe(CN)

6

w 1 dm

3

roztworu)

3. Kwas siarkowy 20%

4. Alkohol metylowy

5. Jod- 0,1M roztwór

6. Tiosiarczanu sodowy (Na

2

S

2

O

3

) - 0,01 M roztwór

7. Kleik skrobiowy 2%