СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ КОФЕИНА В ВОДНЫХ ЭКСТРАКТАХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ КОФЕИНА МЕТОДОМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

УДК 542.06

К.А. Дроздов, А.В. Усольцев. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ КОФЕИНА В ВОДНЫХ ЭКСТРАКТАХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ КОФЕИНА МЕТОДОМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.
ISSN 2227-1384 «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(32)2018, с. 29-35.

В статье изложены результаты исследований содержания кофеина в водных экстрактах чая, кофе, гуараны, матэ и какао. Исследования проводились с использованием метода ядерно-магнитно резонансной спектроскопии. Данный метод позволяет исследовать непосредственно водные экстракты без предварительной пробоподготовки. Результаты исследований подтверждают ранее полученные выводы, что максимальное количество кофеина присутствует в зеленом чае, а минимальное − в экстракте какао.
Ключевые слова: ЯМР, кофеин, водная экстракция, количественная ЯМР спектроскопия
Кофеин является самым популярным в мире психостимулятором. Миллионы кружек кофе, чая, мате выпиваются человечеством каждый день. По этой причине любые исследования в этой области несут важный практический интерес. Считается, что кофеин вырабатывается растениями как токсин, защищающий растения от насекомых вредителей [1].
Растения, содержащие кофеин, произрастают в тропических или субтропических широтах (нам не удалось найти данные о содержании кофеина в растениях, произрастающих в других регионах планеты) и принадлежат к различным таксономическим группам. Например, вьющаяся лиана гуарана (Paullinia cupana) принадлежит сем. Sapindaceae, кустарниковый чай Camellia sinensis – к сем. Theaceae, кокаиновый куст, или кока (Erythroxylum coca) – к сем. Erytroxylaceae, кофейное дерево (Cofféa arábica) – к сем. Rubiaceae, падуба парагвайский (Ilex paraguariensis) – к сем. Aquifoliaceae, а какао, или шоколадное дерево (Theobroma cacao) – к сем. Sterculiaceae.
Кофеин является алкалоидом пуринового ряда, является токсином с известной токсичной дозой [2], которая составляет более 10 г [3]. Интересно, что биохимический эффект от приема препарата может в значительной степени варьировать от сопутствующих приему веществ. Так как именно водные экстракты употребляются в пищу, исследование таких экстрактов − источников кофеина, представляет особый интерес.
Для проведения исследований были получены водные экстракты черного и зеленого кофе сорта арабика, черного и зеленого цейлонских чаев, листьев мате, размолотых семян гуараны и какао. Протонные ЯМР спектры получены с помощью ядерно-магнитно резонансного спектрометра Bruker 300 Мгц.
Для сравнительного анализа был использован репер – раствор тетраметилсилана Si(CH3)4 в дейтерированном бензоле D6C6, что обусловливает отсутствие в полученном спектре сигнала от бензола. Данная микстура была запаяна в стеклянную ампулу и служила стандартом для сравнения водных экстрактов. При подготовке проб 1 грамм высушенных и перемолотых растений растворяли в 5 миллилитрах воды при температуре 96ºС.
Для определения интенсивности сигнала проводилось его интегрирование [4], что позволяет узнать площадь, соответствующую сигналам от ТМС и от протона кофеина, не входящего в метильные группы (рис. 1). Таким образом, измерив, соотношение этих значений, удалось получить количество молекул кофеина в водном экстракте по отношению к количеству молекул ТМС (Таблица 1).

Рисунок 1. H1 спектр водного раствора кофеина (ЯМР спектрометр Bruker 300 Мгц, Германия).
Были получены также ЯМР спектры водных экстрактов исследуемых растений. На рисунке 2 показан протонный спектр водного экстракта черного (обжаренного) кофе сорта Арабика. На рисунке отмечены сигналы от кофеина и тетраметилсилана (ТМС) (рис. 2). Так как используемый стандарт − стеклянная ампула с растворенным в дейтерированном бензоле ТМС, был для каждого спектра неизменным, то это позволило нормировать сигналы от кофеина во всех ЯМР. Таким образом, было получено относительное содержание кофеина к стандартному содержанию ТМС в образце путем деления интеграла от тетраметилсилана на интеграл от протона кофеина, не входящего в метильные группы (рис. 1).

Рисунок 2. H1 спектр водного экстракта черного кофе (ЯМР спектрометр Bruker 300 Мгц, Германия). ТМС (тетраметилсилан).
Таблица 1. Исследуемые экстракты растений и количество молекул ТМС приходящихся на 1 молекулу кофеина в экстракте.
Наименование Количество молекул ТМС на 10 молекул кофеина
Какао (Theobroma cacao) 7,27
Черный чай (Camellia sinensis) 3,80
Черный кофе (Cofféa arábica) 2,77
Гуарана (Paullinia cupana) 2,71
Зеленый кофе Арабика (Cofféa arábica) 2,19
Мате (Ilex paraguariensis) 2,03
Зеленый чай (Camellia sinensis) 1,27

Соответственно, чем большее количество молекул ТМС приходится в растворе на 10 молекул кофеина, тем меньшее содержание кофеина фиксируется в экстракте. Согласно полученным данным, представленным в таблице 1, наибольшее содержание кофеина зафиксировано в экстракте зеленого чая, а наименьшее − в какао.
Важным аспектом нашего исследования является, то, что основываясь на полученных данных, можно проводить измерения содержания кофеина в различных готовых водных растворах: различных сортах чая, кофе, энергетических напитках. Кроме этого, возможно проведение исследований предполагаемых химических взаимодействий различных химических препаратов с кофеином и выявление возможных противопоказаний сочетания кофеин-содержащих напитков и исследуемых медицинских препаратов, действие которых может как нивелироваться под воздействием кофеина, так и усиливаться, например, при употреблении цитрамона и аспирина [5].
.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калинин А.Я. Кофеин − Друг или враг? Компетентность 9–10/120–121/2014, с. 43−51.
2. Barone J.J., Roberts H.R. Caffeine consumption. Food Chemistry and Toxicology 1996, 34, P. 119−129.
3. Фармацевтическая химия / Г.А. Мелентьева. − Изд. 2-е, перераб. и доп. − М.: Медицина, 1976, 826 с.
4. Гюнтер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР. Пер. с англ. – Мир, 1984, 478 с.
5. Зелепухина Л.П. Влияние энергетических напитков на организм человека // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 2 [Электронный ресурс] / сайт – http://web.snauka.ru/issues/2012/02/7064 (дата обращения: 20.01.2016).

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Дроздов Константин Анатольевич – кандидат биологических наук, доцент кафедры фундаментальной медицины ДВФУ, м.н.с. ТИБОХ ДВО РАН; e-mail: drovsh@yandex.ru.
Усольцев Алексей Викторович, магистр кафедры фундаментальной медицины ДВФУ.

Abstract

Drozdov K.A., Usoltzev A.V.
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE CAFFEINE CONTENT IN AQUEOUS EXTRACTS OF PLANT SOURCES OF CAFFEINE BY NUCLEAR MAGNETIC SPECTROSCOPY

The article presents the results of studies on the content of caffeine in water extracts of tea, coffee, guarana, mate and cocoa. Studies were conducted using the method of nuclear magnetic resonance spectroscopy. Еhis method allows to explore directly the aqueous extracts without prior sample preparation. The research results are consistent with generally accepted: the maximum amount of caffeine is in green tea, and the minimum − in the cocoa extracts.

Keywords: NMR, caffeine, water extraction, quantitative NMR spectroscopy
REFERENCES

Список работ автора:

Дроздов К. А., Звягинцев Н. В., Есипов А. В. Исследование методом ядерно-магнитной резонансной спектроскопии состава растительных жиров из семян культурных
растений различных климатических поясов // Программа и материалы научной конференции «Биоразнообразие и эволюция», посвященной памяти академика О. Г. Кусакина,
Владивосток, 4–6 окт. 2016 г. – Владивосток, 2016. – С. 53–58. – Библиогр.: 9 назв.
http://east-eco.com/node/6337

К.А. Дроздов, А.В. Усольцев. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ КОФЕИНА В ВОДНЫХ ЭКСТРАКТАХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ КОФЕИНА МЕТОДОМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.
ISSN 2227-1384 «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(32)2018, с. 29-35.
http://east-eco.com/node/6295

К.А. Дроздов. АВТОНОМНАЯ СТАНЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ISSN 2227-1384 «Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема» № 3(32)2018, с. 23-28.
http://east-eco.com/node/6257

Дроздов К. А. Куриленко В. В.. Биохимические решения проблемы пластикового замусоривания // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. – 2019. – Т. 3, № 36, с. 29-35 – Библиогр.: 7 назв.
http://east-eco.com/node/6254

Дроздов К.А. Самоубийства животных. Факты и домыслы. Часть первая: отряд китообразные
https://east-eco.com/node/4954#

Дроздов К.А. Самоубийства животных. Факты и домыслы. Часть вторая: отряд грызуны
https://east-eco.com/node/4958