В готовой индивидуальной исследовательской работе по химии на тему «Значение кофе и кофеина в жизни человека с точки зрения биохимика» кратко пересказана история возникновения и распространения кофе на планете, описываются биологические особенности кофейного дерева. В процессе изучения химического состава кофе автор выясняет, кофе является ядом или лекарством?

Подробнее о проекте:

В ходе работы над ученическим проектом по химии на тему «Значение кофе и кофеина в жизни человека с точки зрения биохимика» была изучена справочная литература по теме, проведено изучение особенностей выращивания кофейного дерева и технологии обработки кофейных зерен. Применяя знания из области химии, автор выясняет строение и свойства кофеина, изучает положительное и отрицательное влияние кофе и кофеина на биохимические процессы в организме человека.

В рамках научно-исследовательской работы о свойствах кофе «Значение кофе и кофеина в жизни человека с точки зрения биохимика» автором проекта были проведены практические опыты, в процессе которых он исследовал химический состав кофейных зерен, проанализировал влияние кофеина на различные системы органов человека, изучил применение кофе и кофеина в лечебных целях, а также использование кофеина в фармацевтике.

Оглавление

Введение
1. История распространения кофе на планете.
2. Биологические особенности кофейного дерева.
3. Технология переработки зерен.
4. Строение и свойства кофеина.
5. Влияние кофеина на обменные процессы в организме человека.
6. Кофе и кофеин как лекарственные средства.
Заключение
Список литературы

С детства меня интересовали традиции жителей Ближнего Востока. Например, нельзя представить жизнь арабов без кофе. Приведу отрывок из произведения Н.Тихонова «Зельзеля».

«В Сирии и в Ливане нет жизни без кофе. С утра до вечера здесь пьют кофе… Нет дома , где бы вам не предложили чашечку кофе… я с удовольствием пью его мелкими глотками и не могу не рассказать… какой необыкновенный кофе я пробовал у мусульманского духовного лица. Слуга весь в белом принёс на подносе малюсенькую чашечку – она, казалась, была пуста… увидел: на самом дне есть какой-то коричневый ободок… надо попробовать. Я слизнул его смаху и почувствовал во рту неслыханную горечь, как будто я проглотил добрую порцию чем-то сдобренной хины. Горечь наполнила мой рот, но скоро пропала, а через какой – то промежуток времени со мной стало происходить что-то необыкновенное.

Я вдруг почувствовал себя свежим, бодрым и лёгким. Даже дышалось по-другому. Я испытал необыкновенный прилив энергии, как будто провёл отпуск в горах или у моря и вернулся совершенно освежённым. Несомненно, это сделал тёмно-коричневый ободок… Это был лучший геджасский кофе. Я не удержался, чтобы при прощании не спросить, почему его не дают полную чашку? Тут отвечавший серьёзно посмотрел на меня и сказал: «Если бы вы выпили кофе целую чашку, вы бы умерли!»

Мне захотелось выяснить, каково влияние кофе на организм человека. Кофе – яд или лекарство? Что приносит этот напиток вред или пользу? Каким образом он влияет на здоровье? А без здоровья невозможно быть счастливым?

Перед началом своего исследования я поставила цель и определила задачи.

Цель: Изучить положительное и отрицательное влияние кофе и кофеина на биохимические процессы в организме человека.

Задачи:

1. Рассмотреть происхождение и распространение кофе по земному шару.
2. Исследовать химический состав кофейных зерен.
3. Проанализировать влияние кофеина на различные системы органов.

Своё название кофе получил от южноэфиопской провинции Кафа, где лесные дикие заросли кофе аравийского сохранились и поныне. Кофе впервые заинтересовал пастухов, заметивших необычную живость коз, вкусивших плодов и листьев кофейного дерева. А может быть однажды, пастухи обронили плоды в костёр и , почувствовав аромат жареного кофе, сказали, что хорош и попробовали заварить.

Из Эфиопии в 12-13 веке кофейное дерево попало на Аравийский полуостров в Йемен, который сейчас поставляет лучший по качеству кофе. Сначала кофе был любимым напитком бедуинов и караванщиков, а позднее и всех обитателей Аравийского полуострова. Папский посланник Пьетро дела Балле в 1615 году в письме из Стамбула рассказывал «У турок есть питьё чёрного цвета, освежающее летом и сильно согревающее зимой… Пьют его не спеша после еды, как какую-то сладость, и непременно мелкими глотками, чтобы продлить удовольствие. У них почти не бывает встреч друзей, где бы его не употребляли. Для чего всегда разведён огонь, находятся в постоянной готовности маленькие фарфоровые чашечки, кои заполняются этим достаточно горячим напитком!»

Известно, что крупнейшим поставщиком кофе является Бразилия.

История кофе в Бразилии началась с пикантной и романтической интриги. Бразилия отправила в Гвиану посла – офицера Франсиско Пальету. Красивый и хитрый офицер завёл роман с женой губернатора Гвианы. На банкете дама преподнесла ему букет цветов, и в нём был спрятан росток кофейного дерева. Влажный климат Бразилии и рыхлая плодородная земля оказалась идеальной для новой культуры. Бразилия - нынче является основным поставщиком кофе в европейские страны. В настоящее время экспортерами кофе являются более 50 стран мира.

Кофейное дерево относится к семейству мареновых. Это небольшое вечнозелёное дерево или крупный кустарник, в культуре высотой 3-6м. Листья кожистые, темно-зелёные. Цветёт кофе, начиная с 3-летнего возраста. Цветки обоеполые, жёлто-белые, ароматные. Плоды-костянки. Они могут быть красными, чёрными , чёрно-синими, а иногда жёлтыми. Плоды величиной с вишню, с довольно сочным и съедобным околоплодником, удаляется при получении товарного кофе. В каждом плоде можно найти 2 плоских-выпуклых зеленовато-серых семени. Это и есть так называемые кофейные «бобы» или «зёрна».

Вообще род кофе довольно велик. К нему относится от 40 до 60 видов, растущих в диком состоянии главным образом в тропической Африке, на Мадагаскаре. Но хозяйственное значение имеют немногие из них. Около 90% всего кофе, потребляемого на земном шаре, составляют сорта аравийского кофейного дерева (арабика), примерно 10% либерийский кофе (либерика) и конголезский кофе (робуста).

Ежегодно с одного дерева получают около 3кг плодов, что даёт примерно 2000 зёрен, т.е. 500 г сырого или 400 г обжаренного кофе. Другими словами, каждое кофейное дерево позволяет приготовить в год 50 чашек ароматного напитка.

Кофейные зёрна сушат на солнце, перемешивая . Постепенно кофейные зёрна меняют цвет с зелёного на жёлтый. Затем сырые зёрна обжаривают при температуре 2000 С , далее размалывают. При обжаривании кофейных зёрен происходят сложные химические превращения.

Сначала испаряется вода, и частично разлагаются органические соединения. Сахара переходят в карамели, семена приобретают коричневый цвет. Нерастворимые полисахариды распадаются на более простые растворимые углеводы. Разрушается тригонеллин, образуется никотиновая кислота.

Продукты распада ароматических соединений придают неповторимый букет ароматов. В процессе обжаривания кофейные зёрна набухают, так как в них образуется углекислый газ, он играет роль консерванта аромата. В журнале «Химия и жизнь» академик Дубинин писал: «Приготовление кофе – это целое искусство, овладеть которым, наверное, будет легче, если представить себе сущность химико-физических процессов».

Химические процессы, протекающие при обжаривании кофейных зёрен.

Сахара → Карамели

Нерастворимые полисахариды → Простые растворимые углеводы

Тригонеллин (метилбетаинникотиновая кислота) → Никотиновая кислота

Химия кофейного семени очень сложна и до конца ещё не изучена. Но в ходе исследований удалось установить химические элементы, входящие в состав кофейного семени. Исследуя золу, учёные установили, что кофе содержит соединения железа, магния и калия. Присутствуют такие элементы, как сера, азот, фосфор, хлор. Эти соединения входят с состав сложных органических соединений: белков и полисахаридов, алкалоид пуринового ряда - кофеин, карбоновые кислоты и производные от них:

Кофеин 1,3,7 – триметилксантин(алкалоид пуринового ряда)

Обычная кофейная чашка содержит около 150 мг кофеина.

Из всех вышеназванных веществ наиболее подробно изучен кофеин.

В 1821 году немецкий химик Рунге выделил из кофейного экстракта бесцветные кристаллы вещества слабогорького вкуса. Расшифровать состав и структурную формулу соединения, названного кофеином, удалось в 1897 году другому немецкому учёному Фишеру. Он получил кофеин синтетическим путём. Кофеин (1,3,7 триметилксантин) – алкалоид пуринового ряда, содержащийся в семенах кофе, листьях чая, плодах южноамериканской паулинии, в орехах западноафриканского растения кола, бобах какао и луковицах морского лука.

Кофеин по физическим свойствам: твёрдое вещество, белые шелковистые игольчатые кристаллы или белый порошок без запаха, горький на вкус. При нагревании возгоняется. Медленно растворим в воде, легко растворим в горячей воде.

Кристаллы кофеина

На предметное стекло помещаем небольшое количество растёртых листьев чая, и, накрыв вторым стеклом, нагреваем. На верхнем стекле оседает кофеин в виде длинных слегка окрашенных игл.

Кофеин в виде длинных игл

Кофеин облегчает восприятие, ускоряет течение ассоциативных процессов, улучшает функцию органов чувств, повышает двигательную активность, умственную и физическую работоспособность. В лаборатории И.П.Павлова изучались процессы возбуждения в коре головного мозга.

Дело в том, что молекула кофеина похожа на молекулу аденозина естественного гормона, имеющегося в каждой клетке, который замедляет в клетке выработку энергии. Кофеин занимает на время место аденозина, но тормозить энергетические процессы не может и клетки, особенно нервные становятся более энергичными. Под действием кофеина повышается возбудимость спинного мозга, дыхательного и сосудодвигательного центров продолговатого мозга.

Установлено также, что кофеин ингибирует фермент фосфодиэстеразу и тем самым способствует повышению в клетках уровня цАМФ (аденозинмонофосфат), который стимулирует выход внутриклеточных ионов кальция.

- (ингибирует) - Фосфодиэстераза -

- повышение уровня цАМФ - стимулирование выхода внутриклеточных ионов Са 2+ - повышение возбудимости клеток

С высвобождением ионов кальция связывают действие скелетных мышц при утомлении. Кофеин в умеренных количествах повышает физическую выносливость и эффективность тренировок.

Действие кофеина на кровообращение неоднозначно. При нормальном артериальном давлении кофеин не вызывает существенных изменений его уровня, т.к. при этом одновременно со стимуляцией сосудодвигательного центра кофеин оказывает прямое сосудорасширяющее действие на сосуды скелетной мускулатуры, головного мозга, сердца и почек. Деятельность сердца кофеин усиливает. Воздействие кофеина на организм ощущается уже в течение нескольких минут после приёма и сохраняется на протяжении от 4 до 6 часов.

Попав в организм, кофеин влияет на гормоны. Кофеин может препятствовать всасыванию гормона, который успокаивает организм, что сначала обостряет внимание, однако, впоследствии может вызывать нарушение сна, бессонницу.

Вместе с кофеином в организм попадает гормон адреналин, что обеспечивает временный прилив энергии, который через некоторое время сменяется упадком сил.

Кофеин увеличивает уровень содержания кортизола (гормона стресса) в организме, что стимулирует развитие целого ряда нежелательных последствий: от прибавления в весе и плохого настроения до сердечных заболеваний и диабета.

Кофеин повышает уровень дофамина в организме, т.е. вызывает чувство эйфории, что быстро сменяется апатией и депрессией. Резкие перепады уровня дофамина может привести к формированию физической зависимости.

Кофеин может уменьшить сонливость и сократить часы сна. Следовательно, для необходимого организму восстановления остаётся меньше времени, что сказывается на готовности к следующему дню и состоянии здоровья в целом.

Многие эксперты считают, что повышение гормона кортизола способствуют усилению тяги к жирам и углеводам, что приводит к формированию жировых отложений.

Современные врачи утверждают, что кофеин, кофе противопоказаны при повышенной возбудимости, бессоннице, выраженной гипертонии, атеросклерозе, при заболеваниях сердечнососудистой системы, в старческом возрасте, при глазном заболевании – глаукоме.

Значит, кофеин несёт опасность для человека. Он снижает активность кожных желёз. Чрезвычайно большие дозы кофеина вредно сказываются на организме человека, вызывают возбуждение, бессонницу, дрожание мышц, шум в ушах, аритмию сердца и последующее подавленное настроение.

Кофеин применяют как стимулирующее средство при умственном и физическом утомлении. В составе кофе кофеин получил распространение как «бытовой» стимулятор ц.н.с. Например, кофеин влияет на сон, уменьшая сонливость. Кофеин повышает уровень содержания дофамина в организме. Дофамин способствует появлению кратковременного чувства эйфории.

Кофеин также применяется при недостаточности сердечнососудистой системы, угнетении дыхания, при лечении неврозов и при головной боли.

Кофеин, потребляемый в небольших количествах , стимулирует деятельность скелетной мускулатуры и сердца, повышает кровяное давление и температуру тела и улучшает работу почек.

В настоящее время известно, что кофеин входит с состав комбинированных таблеток – аскофен, кофетамин, цитрамон, кофеина-бензоат натрия.

Впервые кофе как лечебное средство начали применять в классической арабской медицине в 900 годы н.э. В России кофе появилось в 1665 году, когда придворный лекарь прописал царю Алексею Михайловичу рецепт: «Вареное кофе, персиянами и турками знаемое, изрядное есть лекарство против надмений, насморков и главоболений».

Многие лекари 15-16 веков дружно восстали против «ужасной страсти и тиранической привычки» пить кофе. Некоторые утверждали даже, что этот напиток сокращает жизнь, что французский министр Коблер якобы сжёг себе желудок, употребляя кофе во время ночной работы, что какая-то принцесса умерла от кофе, который вызвал в желудке её сто нарывов.

Рассказывают, что в 18 веке одному французскому учёному поручили установить, какой «яд» убивает быстрее: кофе или чай. Он получил разрешение произвести опыты на приговоренных к смертной казни преступниках – близнецах. Одному заключенному стали давать в день по 3 чашки чая, другому – по 3 чашки кофе. Первый дожил до 70 лет, а второй до 80 лет. Учёный не пил ни чая, ни кофе и скончался на 62 году жизни.

Литераторы вспоминают, что один врач уговаривал отказаться от употребления кофе французского писателя Бернарда Фонтенеля, убеждая его, что кофе – яд, действующий довольно медленно.

Вольтер вовсе не мог работать, если дома не было кофе. За день он иногда выпивал 50 чашек этого напитка. 15000 чашек крепкого кофе выпил Оноре де Бальзак при написании «Человеческой комедии».

Так восславим кофе словами Кюхельбера:

«Дар прямой самих богов

Кофе нектар мудрецов!»

В защиту кофе Иоганн Себастьян Бах в 1732 году написал «Кофейную кантату» на стихи немецкого поэта Пикандера.

В результате исследования я выяснила, что в кофейных зернах содержится кофеин, а также различные витамины: тиамин, рибофлавин, пантотеновая кислота, никотиновая кислота, пиридоксин, токоферол; микроэлементы, способствующие полноценной работе организма.

Кофеин относится к психостимуляторам. Но влияние на высшую нервную деятельность зависит от дозы кофеина и типа нервной системы.

Кофеин имеет прямое стимулирующее действие на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. За счет облегчения межнейронной передачи возбуждения он усиливает спинномозговые рефлексы.

Кофеин влияет на различные сосудистые области организма.

Под влиянием кофеина повышается секреция желез желудка, а также незначительно повышается диурез, что связано с угнетением процесса реабсорбции в почечных канальцах ионов натрия и воды.

В ходе работы я выяснила, что кофеин противопоказан при артериальной гипертензии, атеросклерозе, нарушении сна и глаукоме.

Так что же такое кофе – яд или лекарство? Я думаю, что кофе полезный напиток, обладающий лекарственными свойствами. Но каждое лекарственное средство хорошо в меру, если превысить дозу, то можно добиться негативных последствий. Известно, что перебор с кофеином (более 750 мг) может привести к головокружениям и галлюцинациям, слабости. Некоторые исследователи утверждают, что смертельная доза около 40 чашек за один раз.

Проведя исследование, я могу дать несколько полезных советов кофеманам:

1. Не потребляйте кофе в больших количествах. В связи с опасностью для здоровья и вероятностью формирования физической зависимости, потребление кофе следует ограничить 2 чашками в день
2. Не употребляйте кофе после 14 часов. Здоровый крепкий сон очень важен для нормальной жизнедеятельности организма. Кофеин может оставаться в организме до 6 часов и дольше, именно, поэтому следует отказаться от его потребления во второй половине дня, чтобы избежать расстройства сна.
3. Сочетайте кофеин с фитнесом. Он улучшает эффективность тренировок, а позитивный эффект занятий спортом помогает увеличить стрессоустойчивость организма, даёт заряд бодрости на целый день.

1. Лаптев Ю.П. Рассказы о полезных растениях: Пособие для учащихся.- М.: Просвещение,1992 год.
2. Современная энциклопедия Аванта + Кулинарные традиции мира. ЗАО Детское идательство «Аванта +»
3. Филиппович Ю.Б. и др. Практикум по общей биохимии: Учеб.пособие для студентов хим.спец.пед.интитутов-М.:Просвещение,1995г.