Сравнительный анализ содержания кофеина в водных экстрактах растительных источников кофеина методом ядерно-магнитной спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 542.06

К. А. Дроздов, А. В. Усольцев

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

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

В статье изложены результаты исследований содержания кофеина в водных экстрактах чая, кофе, гуараны, матэ и какао. Исследования проводились с использованием метода ядерно-магнитной резонансной спектроскопии. Данный метод позволяет исследовать непосредственно водные экстракты без предварительной пробоподготовки. Результаты исследований подтверждают ранее полученные выводы, что максимальное количество кофеина присутствует в зелёном 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 имеют важный практический интерес. Считается, что кофеин вырабатывается растениями как токсин, защищающий растения от вредителей-насекомых [3].

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 [5], которая составляет более 10 г [4]. Интересно, что биохимический эффект от приёма препарата может в значи-

Дроздов Константин Анатольевич — кандидат биологических наук, доцент кафедры фундаментальной медицины, младший научный сотрудник (Дальневосточный федеральный университет, Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток); e-mail: drovsh@yandex.ru.

Усольцев Алексей Викторович — магистр кафедры фундаментальной медицины (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

© Дроздов К. А., Усольцев А. В., 2018

29

тельной степени варьироваться от сопутствующих приёму веществ. Так как именно водные экстракты употребляются в пищу, исследование таких экстрактов — источников кофеина — представляет особый интерес.

Для проведения исследований были получены водные экстракты чёрного и зеленого кофе сорта арабика, чёрного и зелёного цейлонских чаёв, листьев мате, размолотых семян гуараны и какао. Протонные ЯМР спектры получены с помощью ядерно-магнитного резонансного спектрометра Вгакег 300 Мгц.

Для сравнительного анализа был использован репер — раствор тет-раметилсилана Si (СН3)4 в дейтерированном бензоле ОбС6, 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 г высушенных и перемолотых растений растворяли в 5 мл воды при температуре 96 °С.

Для определения интенсивности сигнала проводилось его интегрирование [1], 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).

■ ■ j 4 ■ 11 ШЩ

Рис. 1. Н1 спектр водного раствора кофеина

(ЯМР спектрометр Вгикег 300 Мгц, Германия)

30

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

Чёрный чай (Camellia sinensis) 3,80

Чёрный кофе (Cofféa arábica) 2,77

Гуарана (Paullinia cupana) 2,71

Зелёный кофе арабика (Cofféa arábica) 2,19

Мате (Ilex paraguariensis) 2,03

Зелёный чай (Camellia sinensis) 1,27

Были получены также ЯМР спектры водных экстрактов исследуемых растений. На рисунке 2 показан протонный спектр водного экстракта чёрного (обжаренного) кофе сорта Арабика. На рисунке отмечены сигналы от кофеина и тетраметилсилана (ТМС) (рис. 2). Так как используемый стандарт — стеклянная ампула с растворённым в дейтери-рованном 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 путём деления интеграла от тетраметилсилана на интеграл от протона кофеина, не входящего в метильные группы (рис. 1).

С "ff-rA ГС PtC ..Tirl'I «"■

1 ТМС 1

Тдагонелягк I Кофони

к / " 1: \ .........../...,„: - 1

\ / 1 А

....... Н,..............i.........1 0 ч. \ У 1 ;1

Ц.; ________—

■-1—li-1-1-1-1-1—-i-»——i- i '' i i i i i

3 о J =

Рис. 2. Н1 спектр водного экстракта чёрного кофе

(ЯМР спектрометр Bruker 300 Мгц, Германия). ТМС (тетраметилсилан)

31

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, наибольшее содержание кофеина зафиксировано в экстракте зелёного 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 [2].

Список литературы

1. Гюнтер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 478 с.

2. Зелепухина Л. П. Влияние энергетических напитков на организм человека [Электронный ресурс] / / Современные научные исследования и инновации. 2012. № 2. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/02/7064 (дата обращения: 20.01.2016).

3. Калинин А. Я. Кофеин — друг или враг? // Компетентность. 2014. № 9 — 10 (120—121). С. 43—51.

4. Мелентьева Г. А. Фармацевтическая химия: в 2 т. Т. 2. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 1976, 826 с.

5. Barone J. J., Roberts H. R. Caffeine consumption / / Food Chemistry and Toxicology. 1996. № 34. P. 119—129.

•Jc -Jc -Jc

Drozdov Konstantin A.1, Usoltzev Aleksej V.2

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE CAFFEINE CONTENT IN AQUEOUS EXTRACTS OF PLANT SOURCES OF CAFFEINE BY NUCLEAR MAGNETIC SPECTROSCOPY

(1Far Eastern Federal University, Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok; Far Eastern Federal University, Vladivostok)

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

1. Gunter H. Vvedenie v kurs spektroskopii YaMR (The introduction in the NMR spectroscopy), Moscow, Mir, 1984, 478 p.

2. Zelepuhina L. P. The influence of energy drinks on the human body [Vliyanie energeticheskih napitkov na organizm cheloveka],Sovremennye nauchnye issledovaniya i

32

innovacii (Modern scientific research and innovation), 2012, no. 2. Available at: http://web.snauka.ru/issues/2012/02/7064 (accessed 01/20/2016).

3. Kalinin A. Ya. Caffeine — Friend or foe? [Kofein — drug ili vrag?], Kompetentnost', 2014, no. 9—10 (120—121), pp. 43—51.

4. Melent'eva G. A. Farmacevticheskaya himiya (Pharmaceutical chemistry), in 2 vol., vol. 2, The 2nd ed., Moscow, Medicina Publ., 1976. 826 p.

5. Barone J. J., Roberts H. R. Caffeine consumption, Food Chemistry and Toxicology, 1996, no. 34, pp. 119—129.

•Jc -Jc -Jc

33