Состав кофе: теобромин, кофеин, алкалоиды, химическая формула напитка

Что содержат кофейные зерна?

В химический состав кофейных зерен входит более 1000 соединений органического и неорганического происхождения. Большинство веществ играют биологические роли: они оказывают прямое воздействие на организм человека, действуют как предшественники других комплексов и участвуют в ферментативных реакциях.

Типы соединений и их относительные количества зависят от типа кофе, степени зрелости зерна и этапов последующей обработки. Внутренние химические взаимодействия происходят на этапах производства конечного продукта, что приводит к разрушению некоторых веществ и образованию новых компонентов.

Исходные кофейные зерна содержат:

• алкалоиды;
• органические кислоты;
• дубильные вещества;
• аминокислоты;
• углеводы;
• растительные белки;
• липиды;
• витамины;
• микроэлементы;
• макроэлементы.

Каждая группа связей имеет свое значение. Часто действия компонентов оказываются противоположными, что вносит определенную долю противоречий во взгляды на действие продукта. Изучение того, что находится в кофе и в каких пропорциях, продолжается. Ведутся исследования, делаются попытки искусственно синтезировать уникальные комплексы, содержащиеся в кофе.

Что представляет собой молекула кофеина?

Основное вещество кофейного напитка – это алкалоид кофеин, азотистое органическое соединение растительного происхождения. Он принадлежит к классу метилксантинов и выражается формулой C8H10N4O2.

Молекула кофеина представляет собой гетероциклическую систему, состоящую из 6-членных пиримидиновых и 5-членных имидазольных колец. К структурному ядру присоединены три метильные группы -CH3, которые во время физиологического деметилирования изменяют функции ингибирующих G-белков, модулируя некоторые реакции живого организма.

Основной механизм действия кофеина основан на антагонизме аденозиновых рецепторов в головном мозге – сигнальных белков, которые связываются с нейромодулятором аденозина и тем самым подавляют активность нервной системы. Ксантиновый алкалоид представляет собой низкомолекулярное соединение, которое является одновременно водорастворимым и жирорастворимым, поэтому легко проникает через гематоэнцефалический барьер и блокирует активные центры всех типов рецепторов. В результате тонус нервной системы временно поддерживается или восстанавливается.

Пиберри (Peaberry coffee)

В результате мутации до 5% кофейных ягод содержат не два, а только одно зерно, называемое пиберри (peaberry в переводе с английского – «горох»). Иногда ошибочно полагают, что это два сросшихся зерна. Это не тот случай: при срастании двух зерен получается полый шар, который легко можно разделить на две вогнутые половины. Такие зерна считаются бракованными, дефект называется «слоновьи уши».

Совершенно иной процесс формирования боба. В нормальной завязи всегда есть два мелких зерна. Однако у мутировавших ягод развитие одного зерна прекращается, а другое значительно увеличивается в размерах – ведь оно получает все питательные вещества, которые природа предусмотрела для двух семян.

замечено, что большинство зерен выращивают на плантациях, где не используются минеральные удобрения. Например, в Танзании до 10% арабики составляет гашиш. Воспользовавшись высокой ценой этого необычного кофе, танзанийские фермеры вручную отбирают бобы паба и продают их по гораздо более высокой цене, чем обычные бобы арабики.

В Латинской Америке паберри называют караколь («улитка») или перла (жемчуг). Благодаря использованию современных технологий здесь собирают 2-3 тонны кофе с одного гектара (а в Танзании – 300 кг). Поэтому латиноамериканские производители часто не видят пользы вручную отбирать кофе для отделения груши.

Химический состав кофейного зерна

В состав кофейных зерен входит более 100 химических соединений. Многие из них разлагаются во время обжарки, образуя вещества, изменяющие вкус и аромат кофе.

Вещества, влияющие на свойства кофе как напитка:

• кофеин – это алкалоид, который действует как энергетический напиток. В робусте больше кофеина, чем в арабике;
• тригонеллин – это алкалоид, который при нагревании разлагается с образованием никотиновой кислоты. Продукты распада тригонеллина реагируют с образованием веществ, которые создают приятный аромат поджаренных зерен;
• углеводы, в частности моносахариды (глюкоза, фруктоза, лактоза, сахароза), придающие напитку сладкий вкус. В арабике – 8,2-8,3% сахаров, в робусте – 3,3-4,1%. Коричневый цвет обжаренных кофейных зерен является результатом карамелизации сахаров во время термической обработки;
• жиры – при нагревании разлагаются, образуя кислоты. Именно из-за наличия жира жареный кофе приобретает протухший запах при длительном хранении. Считается, что меньше всего жира содержится в индийской арабике;
• органические кислоты: лимонная, винная, яблочная, щавелевая, кофейная. Кислоты напитку придают фруктовые кислоты: цитрусовые или лесные ягоды, иногда с нотками вина. Если в напитке присутствует неприятный привкус уксуса, значит, зерна слишком долго ферментировались, в результате чего в них образовалась уксусная кислота. Такой вкус считается недостатком. Кислоты разлагаются при нагревании, поэтому в кофе темной обжарки практически отсутствует кислотность. Если вы хотите смягчить кислотность слегка обжаренного кофе, вы должны приготовить напиток в заливке или настойке, используя метод холодного брюшного пресса;
• хлорогеновая кислота (относится к органическим кислотам), которая сама по себе не имеет горького вкуса. При обжаривании он образует лактоны хлорогеновой кислоты, которые, в свою очередь, разлагаются на фенилинданы, очень горькие вещества. Поэтому кофе из зерен темной обжарки всегда имеет более горький вкус;
• дубильные вещества – это соединения, придающие напитку горький вкус.

Алкалоиды

Группа алкалоидов объединяет биологически активные вещества растений, наделенные способностью влиять на работу органов и систем животных организмов. Это мощные азотсодержащие комплексы, многие из которых классифицируются как токсичные соединения.

• Кофеин

Кофеин – основной алкалоид, содержащийся в кофейных зернах. Количество вещества в сухом остатке достигает 2,5% от общей массы. Для сильнодействующего соединения доля впечатляющая, поэтому натуральные кофейные напитки являются лидером среди продуктов с кофеином.

Кофеин относится к классу психостимуляторов, благодаря своей способности стимулировать центральную нервную систему, ускорять проведение нервных импульсов, блокируя рецепторы релаксации.

Основные эффекты кофеина:

• тонизируют организм человека и повышают работоспособность;
• стимулируют работу мышечных волокон;
• ускорение обменных процессов, в том числе метаболизма жиров и мочевой кислоты;
• увеличение скорости реакций в головном мозге.

Кофейные зерна с кофеином стимулируют деятельность сердечной системы и сосудов, вызывают учащение пульса, спазмы сосудов и провоцируют повышение артериального давления.

Эффекты временные, но при наличии заболеваний сердца, сосудов, нервной системы вероятность негативных последствий увеличивается. Не рекомендуется употреблять кофе в больших дозах, превышающих две чашки кофе в день.

При злоупотреблении кофейными напитками возможно формирование зависимости, проявляющейся повышенной раздражительностью, агрессией и другими нарушениями поведения.

• Теобромин

Иногда, выпив чашку кофе, вместо ожидаемого бодрящего эффекта чувствуется сонливость. Возникает вопрос: что же, кроме кофеина, содержится в кофе, обладающем другими свойствами.

Алкалоид теобромина находится в центральной части кофейного зерна и действует противоположно кофеину. Вещество не возбуждает нервную систему, но оказывает успокаивающее действие. Соотношение алкалоидов разного направления определяет конечный эффект от употребления напитка: бодрящий или успокаивающий.

• Теофиллин

Теофиллин стимулирует дыхательную функцию. Облегчает дыхание, снижает выраженность приступов одышки. Способствует учащению пульса, стимулирует сердечную деятельность.

• Тригонеллина

Состав не оказывает такого сильного воздействия на организм человека, но именно тригонеллин придает напитку неповторимый вкус. Во время обжарки это вещество распадается на ароматические соединения, которые придают напитку характерный узнаваемый запах.

Дубильные вещества

Соединения ряда дубильных веществ обладают вяжущими свойствами и придают кофе горечь. Натуральные зерна содержат около 8% дубильных веществ. Молочные продукты (молоко, сливки) связывают дубильные соединения, лишая напиток горечи. Коричневый оттенок обжаренных бобов обусловлен пигментами, образованными танинами из-за интенсивного воздействия тепла.

Органические кислоты и эфиры

Состав кофе насыщен органическими кислотами, которых насчитывается более трех десятков. Среди них: лимонная, коричная, щавелевая, яблочная, хинная, кофейная кислоты. Комбинации соединений позволяют использовать кофе в косметологии благодаря его способности блокировать УФ-излучение, оказывать пилинговый эффект, способствующий обновлению кожи.

Хлорогеновые кислоты – это редкие соединения, которые в больших количествах содержатся в зеленых кофейных зернах. Вещества образуются при реакции этерификации хинина, коричной и кофейной кислот. Содержание хлорогеновых кислот в зерновых-сырцах достигает 10%.

Соединения обладают следующими полезными эффектами:

• регулировать метаболические фазы;
• улучшить механические свойства сосудов;
• обладают выраженным антиоксидантным действием;
• уменьшить проявления воспаления;
• помогает нейтрализовать токсины;
• повышают чувствительность тканей к инсулину.

Хлорогеновая кислота – это полезный компонент, который в зеленом кофе содержится в рекордных количествах по сравнению с другими продуктами.

Таурин

Таурин не содержится в семенах кофейного растения, но его добавляют в молотый продукт для повышения энергоэффективности обмена веществ.

Соединение относится к классу сульфоновых кислот, небольшое количество которых синтезируется в клетках белой жировой ткани, в печени и почках человека. Таурин обладает антиоксидантной активностью и усиливает нейромодулирующие эффекты кофеина. Однако механизмы его действия изучены недостаточно, поэтому есть опасения по поводу негативных последствий длительного употребления этого вещества.

Таннин

В кофе содержание танина – вещества, состоящего из кислорода и водорода, которое связывает белки и полисахариды – в сырых зернах достигает 7,7%. Но при обжарке большое количество разлагается или окисляется, а его содержание в готовом напитке не превышает 1%. Однако благодаря разложению танина он приобретает особый аромат и вкус.

Теобромин

Находясь в составе кофейных зерен, и кофеин, и теобромин влияют на психомоторную функцию человека. Также можно выделить другие качества теобромина:

• взаимодействует со щелочами и кислотами;
• не разлагается на воздухе;
• практически не растворим в воде;
• это твердое состояние;
• кристальная структура;
• он горький на вкус.

Теобромин имеет собственную формулу – C7H8O2N4, из которой видно, что вещество представляет собой соединение углерода, водорода, азота и кислорода. Он содержится в какао-бобах, орехах кола, а также в деревьях семейства Холли. Листья чайного дерева и кофейные зерна содержат небольшое количество.

Фенолы кофе

Помимо аромата, фенолы придают кофе характерный аромат и цвет. Некоторые из этих фенольных соединений перечислены ниже:

• 4-этилфенол
• 2,4-метиленфенол
• 2, 3, 5-триметилфенол
• 4-метокси-4-винилфенол
• 2-этилфенол

Фенольные кислоты, обладающие антиоксидантными свойствами, содержатся в большом количестве в чашке кофе. Например, кофе содержит феруловую кислоту, пара-кумаровую кислоту и кофейную кислоту, которые классифицируются как фенольные кислоты.

Аминокислоты

Аминокислоты необходимы для нормального функционирования органов и систем человека. Многие кислоты не синтезируются в организме; восполнить дефицит можно с помощью еды. Аминокислоты в кофе усиливают защитные функции, тонизируют сосуды и регулируют аппетит.

Теофиллин в кофе

Теофиллин – бесцветная игла, плохо растворимая в холодной воде, с формулой C7H8O2N4. Его общее количество в зернах спонтанных кофейных растений составляет 1-4 мг%. Теофиллин расслабляет гладкие мышцы дыхательных путей, облегчая дыхание. Кроме того, это вещество стимулирует скорость и силу сердца.

Белки, жиры, углеводы

Сахар в среднем составляет 55% от массы кофе. Большинство из них представляют собой олигосахариды сложной структуры (пектин, целлюлоза, сахароза, арабиногалактан). Простые сахара (глюкоза, фруктоза) в меньших количествах содержатся в злаках. Обжарка влияет на потребление углеводов. Полисахариды разлагаются, но моносахариды частично восстанавливаются на последних стадиях процесса, глюкоза карамелизируется.

Растительные белки составляют десятую часть веса пшеницы. Липидов мало. При отсутствии добавок при приготовлении и употреблении напитка из молотой пшеницы в готовом продукте всего 2 ккал.

Витамины и минералы

В составе кофе присутствуют витаминно-минеральные соединения, влияющие на протекание важнейших процессов в организме человека.

Витамины и минералы в кофе

Некоторые вещества, входящие в состав натурального продукта, теряются на стадиях обработки, но обжарка зерна позволяет получить ряд новых соединений.

Зависимость вкуса кофе от климатических условий

Вкус кофе одного сорта меняется в зависимости от высоты расположения плантации:

• 600-1200 м – во вкусе иногда ощущаются землистые и травянистые тона, особенно если зерна обработаны в сухом виде. При влажной обработке вкус становится более приятным;
• 1200-1800 м – кофе имеет ореховый, цитрусовый или ванильно-шоколадный привкус;
• выше 1800 м – во вкусе проявляются цветочные, ягодные и фруктовые нюансы, иногда с винной кислинкой.

Альпийский кофе считается лучшим. Однако собирать урожай непросто – плантации располагаются в местах со сложным рельефом, на горных склонах, где невозможно обеспечить техникой. Поэтому такой кофе собирают вручную и обрабатывают с особой тщательностью, иначе его не удастся продать по высоким ценам.

Пищевая ценность кофе

Несмотря на столь разнообразный состав, кофе, полученный из свежемолотых натуральных зерен, не обладает такой высокой калорийностью из-за легкой усвояемости веществ, входящих в его состав. Процесс всасывания и пищеварения дополнительно стимулируется кофеином, который также содержится в кофейных напитках.

В зависимости от сорта кофе и способа приготовления его пищевая ценность на 100 грамм продукта без сахара в среднем составляет:

Пищевая ценность натурального кофе в 100 г продукта без сахара составляет:

• белки – 0,2 г;
• жиры – 0,6 г;
• углеводы – 0,1 г;
• кальций – до 5 мг;
• витамин B3 – 0,6 мг;
• калий – 9 мг;
• фосфор – 7 мг;
• железо – 2 мг;
• органические кислоты – 9,2 г;
• зола – 6,2 г;
• насыщенные жирные кислоты – 5,7 г;
• вода – 4,7 г;
• моно- и дисахариды – 2,8 г

Пищевая ценность растворимого кофе в 100 г продукта:

• белки – 15 г;
• жиры – 3,6 г;
• углеводы – 7 г;
• вода – 7 г;
• зола – 1 г;
• витамин PP (эквивалент ниацина) – 26,49 мг;
• витамин PP – 24 мг;
• витамин В2 (рибофлавин) – 1 мг;
• фосфор – 250 мг;
• кальций – 100 мг;
• железо – 6,1 мг;
• натрий – 3 мг.

Кофе может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на организм человека

Размеры кофейных зёрен

Для отбора зерна их просеивают через специальные сита с ячейками разного размера.

Типы кофе по размеру зерен (измеряются зеленые и необжаренные зерна):

• очень мелкое зерно (сито № 12, длина стороны ячеи – 4 764 мм);
• мелкое зерно (№ 13, 5 161 мм);
• мелкое зерно (№14, 5.558 мм);
• среднезернистость (№15, 5,955 мм);
• хорошее зерно (# 16, 6,352 мм);
• достаточно крупное зерно (сито № 17, 6,749 мм);
• крупное зерно (№ 18, 7 146 мм);
• особо крупное зерно (№19, 7 543 мм);
• очень крупное зерно (№20, более 8 мм).

Размер кофейного зерна не влияет напрямую на вкус напитка; Ни одна современная система оценки качества не рассматривает размер в качестве критерия. Выбор необходим только для правильной обжарки кофе. Чем крупнее зерно, тем сложнее будет равномерно его обжарить внутри и снаружи.

В каких случаях меняются состав и эффекты от кофе?

Состав, органолептические свойства и полезное действие кофе обусловлены степенью извлечения веществ из зерен, которая зависит от многих параметров. Окончательный химический профиль продукта зависит от степени измельчения и обжарки семян, степени воздействия температуры и состава воды.

В процессе обжарки происходит разрушение сахарозы и хлорогеновых соединений, но увеличивается концентрация уксусной и муравьиной кислот. Во время варки количество фенольных соединений также увеличивается.

Сырые зерна

Химический состав кофе состоит из белков, жиров, углеводов, кофеина, дубильных веществ, минералов, витаминов, включая B1, B2, E, ниацин, а также органических кислот и микроэлементов, таких как кальций, магний, натрий, железо, калий, медь… Короче, это углеводы, вода и кофейные масла. Более 50% состава занято углеводами, такими как клетчатка и сахар. Я тело напитка.

Жареные кофейные зерна

Под физическим и химическим воздействием вещество в кофе изменяется из-за частичного разложения и образования новых веществ. Так, при обжарке зерно теряет до 18% влаги и увеличивается в 1,5 раза. Сахар карамелизируется, делая цвет темнее. Клетчатка распадается на кислоты и спирты. Жиры частично расщепляются на кислоты. Содержание кофеина существенно не меняется, потому что бобы теряют влагу и увеличивают концентрацию сухого вещества.

Помимо белков, жиров, углеводов, органических кислот, пищевых волокон, воды, золы, жареных злаков содержатся витамины В2, Е, ниацин и такие микроэлементы, как кальций, натрий, фосфор и железо.

Растворимый кофе

Формула кофе состоит из белков и углеводов, которые составляют 50-60% от общей массы сырого кофе. Растворимый кофе отличается от натурального тем, что производители добавляют много химических добавок и ароматизаторов. Существует также органический кофе, производственный процесс которого включает сушку кофейного экстракта.

Таблица изменения химического состава кофе в процессе обжаривания

Обжарка кофейных зерен запускает множество процессов, во время которых изменяется состав кофейных зерен. Чем дольше длится жарка, тем сильнее изменение.

• Водопад. Вода из зерен активно испаряется (примерно от 12% до 3%) и увеличивает содержание других веществ в пересчете на модифицированную массу.
• Сахара. В процессе обжарки они карамелизируются, что определяет коричневый цвет.
• Целлюлоза. Разлагается на кислоты, спирты, аминокислоты.
• Толстый. Частично разлагается на кислоты.
• Кофеин. Его количество практически не меняется, но поскольку зерно теряет влагу и увеличивает концентрацию сухих компонентов, относительное содержание кофеина в обжаренном кофе выше, чем в зеленом кофе.
• Хлоргеновая кислота. Его количество значительно уменьшается во время обжарки, но остается достаточно большим, чтобы сформировать горький аромат и вкус.
• Тригоннеллино. Один из важнейших алкалоидов во время термической обработки выделяет драгоценный витамин PP или никотиновую кислоту.

При обжаривании компоненты бобов не только распадаются на несколько соединений, но и вступают в реакцию друг с другом, образуя новые (обычно летучие) компоненты. В результате формируется особый вкус и аромат.

Летучие маслянистые соединения довольно хрупкие, и их концентрация снижается даже при отсутствии воздуха. Вот почему так важно покупать свежеобжаренный кофе и хранить его в небольших закрытых емкостях.

Влияние кофе на здоровье человека

Учитывая богатый химический состав, кофе оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на здоровье, которое напрямую зависит от индивидуальных особенностей человека и количества выпиваемого за день напитка. Общая картина воздействия кофейного продукта на организм такова:

• регулярное употребление чистого кофеина в количествах более 1000 мг, из которых кофе является самым богатым, может вызвать феномен привыкания, похожего на наркотики или алкоголь;
• кофе обладает достаточным мочегонным действием, поэтому при появлении признаков обезвоживания необходимо увеличить количество жидкости, которую вы пьете;
• у здоровых людей, не страдающих повышенным артериальным давлением, кофе вызывает общее повышение артериального давления на 10-15 мм рт. У людей, страдающих гипертонией и связанными с ней сердечно-сосудистыми заболеваниями, артериальное давление может значительно повышаться или, наоборот, снижаться, что сильно ограничивает потребление кофе;
• не было отмечено прямого воздействия кофеина на сердце. Кофе косвенно влияет на сердечную деятельность – повышая артериальное давление, стимулируя центральную нервную систему;
• регулярное употребление нефильтрованного кофе часто приводит к повышению общего холестерина в крови, что неизбежно приводит к патологиям сосудов, характеризующим появление проблем с артериальным давлением;
• улучшение внимания, продуктивности, памяти и настроения носит временный характер. В зависимости от реактивности организма подобный эффект исчезает через 30-120 минут;
• кофе усиливает действие некоторых обезболивающих, например ацетилсалициловой кислоты и анальгина, снижает риск болезни Паркинсона и Альцгеймера благодаря временному сосудосуживающему эффекту и прямому воздействию на нейроны мозга, так называемому «тренировочному» эффекту этих органы возникают;
• регулярное употребление кофе снижает риск возникновения запоров и цирроза печени, рака груди у женщин;
• у пожилых людей кофе снижает плотность костей скелета, из-за чего могут возникать трещины и переломы;
• у людей, выпивающих более двух чашек кофе в день, высока вероятность развития мочекаменной болезни;
• беременным женщинам не рекомендуется выпивать более одной чашки кофе в день. Из-за повышения артериального давления из-за воздействия кофеина возможно развитие плацентарной анемии, преждевременных родов и низкой массы тела при рождении, а также выкидышей и мертворождений.