Koffein-haltige Lebensmittel Eine Zusammenstellung zur Geschichte, Verwendung und Wirkung von coffeinhaltigen Lebensmitteln

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1 Koffein-haltige Lebensmittel Eine Zusammenstellung zur Geschichte, Verwendung und Wirkung von coffeinhaltigen Lebensmitteln Prof. Dr. Mathias Wenzel

2 Gliederung I 1. Einleitung 2. Vorkommen von Coffein in der Natur 3. Geschichte von Coffein 4. Entdeckungsgeschichte 5. Formeln zum Verständnis 6. Biosynthese in der Pflanze 7. Durchschnittlicher Verzehr 8. Coffein-Gehalte in Pflanzen 9. Coffeingehalte in Getränken 10.Chemische Eigenschaften von Coffein 11.Toxikologische Eigenschaften von Coffein 12.Pharmakologie von Coffein Folie 2

3 Gliederung II 13. Coffein-Abbau in der Leber des Menschen 14. Wirkung von Coffein 15. Coffein und Körperliche Entzugssymptome 15. Coffein in Schokolade 16. Coffein und Lebensmittelrecht 17. Coffein und Schwangerschaft 18. Coffein und Autofahrleistung 19. Coffein und Sport 20. Literaturverzeichnis Folie 3

4 Einleitung Coffeinhaltige Lebensmittel Coffein ist eine der am häufigsten aufgenommenen bioaktiven Substanzen durch den Menschen Aufnahme über Lebensmittel oder Arzneimittel. Ca. 80% der Weltbevölkerung nehmen täglich Coffein auf. Der jährliche Welt-Coffeinbedarf liegt bei tons (Schäfer, 2007). Folie 4

5 Vorkommen von Coffein in der Natur In über 60 Pflanzen in Blättern, Früchten und Samen. Häufigste Anwendung als Lebensmittel von Kaffeebohne (Samen): Coffea arabica (Äthiopien) und Coffea canephora var. robusta (Kongo) (Rubiaceae) urspr. Afrika Teeblätter: Camellia sinensis L. (auch Thea sinensis L.) (Theaceae) urspr. Assam (Hinterindien, 2700 v.chr. nach China) Kakaosamen: Theobroma cacao L. (Sterculiaceae), urspr. Südamerika Guaranasamen: Paullinia cupana H.B.K. (Sapindaceae) urspr. Südamerika Mateblätter: Ilex paraguariensis St.-Hil. (Aquifoliaceae), urspr. Südamerika Kolanuß: Cola nitida (Vent.) (Sterculiaceae), ursp. Afrika Coffein für coffeinhaltige Limonadengetränke wie Coca Cola oder Energy- Drinks stammt entweder aus der Entcoffeinierung von Kaffee (ein Drittel) oder aus der Chemischen Synthese (zwei Drittel). Folie 5

6 Geschichte von Coffein Lebensmittel: Tee: Chinesischer Kaiser Shen Nung (2737 v. Chr): Erste Herstellung eines Tees aus Blättern und kochendem Wasser Kaffee: 9. Jahrhundert: Äthiopien: Schäfer beobachtete Verhalten seiner Schafe nach Fraß von Früchten eines Baumes Schafe waren energievoller. Der Schäfer gab Früchte an einen Mönch weiter. Durch den Islam verbreitete sich der Kaffee. Verladung über den Hafen Al Mukha (Mokka). Erstes Kaffee-Haus: Konstantinopel, 1554 Zweite Hälfte 17. Jahrhundert: Kaffeehäuser in Venedig, London, Paris, Hamburg, Wien. 19. Jahrhundert: Limonaden: Dr. Pepper, Coca Cola, Pepsi Cola 20. Jahrhundert: Energy-Drinks (mit erhöhen Gehalten) Arzneimittel: Mylan Dura, Darmstadt: Coffeinum N 0,2g, Zul.-Nr.: : 200 mg/tablette Als Bestandteil häufig in Analgetika Folie 6

7 Entdeckungsgeschichte Isolierung durch Friedlieb Ferdinand Runge 1819 aus Kaffeebohnen, einem Geschenk Johann Wolfgang von Goethes. Runge (in seinen Hauswirthschaftlichen Briefen): Nachdem Goethe mir seine größte Zufriedenheit ausgesprochen, übergab er mir noch eine Schachtel mit Kaffeebohnen, die ein Grieche ihm als etwas ganz Vorzügliches gesandt. Auch diese können Sie zu Ihren Untersuchungen brauchen! sagte Goethe. Er hatte Recht, den bald darauf entdeckte ich darin das Coffein. (Schäfer, 2007). Justus v. Liebig bestimmte mit Eilhard Mitscherlich 1834 die exakte Summenformel des Coffeins. Isolierung von Theobromin: Woskresensky, 1841 Isolierung von Theophyllin: Kossel, 1888 Chemische Coffein-Synthese: Traube, 1900 Wichtigste Primärwirkung: Antagonismus gegen Adenosin: L. Ther et al, Fa. Hoechst (1960er Jahre) Folie 7

8 Formeln zum Verständnis Folie 8

9 Purin/Nukleosid/Nukleotid-Nomenklatur Funktionen der Nukleotide - Energieträger (z.b. ATP) - Synthesevorstufen (z.b. DNA- und RNA-Bausteine) - Bestandteil von Coenzymen (z.b. von NAD+) - Signal-Moleküle (z.b. camp) - Allosterische Effektoren (Rassow, 2008: 415) Folie 9

10 Biosynthese in der Pflanze Synthese der Purine bsi zum Xanthosinmonophosphat (XMP) XMP SAM = S-Adenosyl- Methionin SAH = S-Adenosyl- Homocystein - P SAM H 2 O Xanthosin SAH 7-Methylxanthosin Ribose N-.Methyl-nucleosidase 7-Methyl-Xanthin 7-Methylxanthosin- Synthase= Xanthosin-N-Methyl- Transferase H O O N 1 N 3 H N 7 N Ribose-P SAM SAH Theobromin-Synthase Monomethylxanthin- N-Methyltransferase Kakao (Maior) Kaffee, Tee (Minor) Theobromin = 3,7-Xanthin Kakao (Minor) Kaffee, Tee (Major) SAM CYP450 1A2 SAH Caffein-Synthase Coffein = 1,3,7-Xanthin - "Methyl" H 3 C O O N 1 N 3 7 N N CH 3 Kakao, Kaffee, Tee (Minor) Theophyllin = 1,3-Xanthin CH 3 (Ashihara, 2008) Folie 10

11 Durchschnittlicher Verzehr von alkoholfreien Getränken [= ml/tag] alkoholfreie Getränke Davon: Männer Frauen Wasser Kaffee und Tee (grün/schwarz) Kräuter-und Früchtetee Obstsäfte/Nektare Gemüsesäfte 4 4 Limonaden Fruchtsaftgetränke BELV: Nationale Verzehrsstudie II (2008) Folie 11

12 Alkoholfreie Getränke (AfG)-Konsum nach Warengruppen 2011, in Litern/pro Kopf und Jahr in Deutschland (Fachverband der Getränkeindustrie) AfG-Konsum nach Warengruppen Liter/Kopf Gesamt-Absatz Mio Liter/D Prozent-Anteil Absatz/D Wasser 139, ,4 Erfrischungsgetränke gesamt XXXXXXXXXXXX XXXX 120,1 Unten aufgeteilt XXXXXXXXXX Cola-Getränke 29, ,5 Cola-light-Getränke 9,6 Kaffee- und Teegetränke 6,1 Eistee 780 3,4 Eiskaffee 56 0,2 Energydrinks 4, ,7 Auf coffeinhaltige Getränke gekürzte Tabelle. Folie 12

13 Coffein-Gehalte in der Trockenmasse von Pflanzen Pflanze Coffein-Gehalt % (m/m) Kaffee-Bohne 1-2,5% Schwarztee 2-4% Matetee 0,5-1,5% Kolanuß Ca. 1,5% Guarana-Paste 3,6-5,8% Kakaobohnen 0,2% (Römpp online, Aufruf: ) Folie 13

14 Coffeingehalte in Getränken I Coffeinvorkommen Coffein (mg/100 ml) Coffein mg/150ml Tasse 100 ml 150 ml Kaffee Entcoffeiniert 2 mg 3 mg Instant 39 mg 58 mg Filterkaffee 55 mg 82 mg Espresso 133 mg Tee Grün 19 mg 28 mg Schwarz 20 mg 30 mg Mate 32 mg 48 mg (modifiziert nach Heckmann 2010, Stein 2011, Mylan dura 2012) Folie 14

15 Coffeingehalte in Getränken II Coffeinvorkommen Coffein (mg/100 ml) Coffein mg/150ml Tasse Coca-Cola Cola light/zero 100 ml 150 ml 10 mg 12 mg Energy-Drinks Red Bull Effect 32 mg 32 mg Coffeinum N 0,2 g 200 mg/tablette Mylan dura (modifiziert nach Heckmann 2010, Stein 2011, Mylan dura 2012) Folie 15

16 Chemische Eigenschaften von Coffein Coffein (CAS-Nr.: ) 1,3,7-Trimethylxanthin Summenformel: C 8 H 10 N 4 O 2 Molekulargewicht: 194,19 g/mol Löslichkeit: Wasser: 20g pro Liter, bei 20, heißes Wasser löst Coffein besser Verteilungskoeffizient Kow (Octanol/Wasser) = 0,81 bei 23 C, Bioakkumulation ist nicht zu erwarten Geruch/Geschmack: farb- und geruchlos, leicht bitter Folie 16

17 Toxikologische Eigenschaften von Coffein Akute Toxizität: 367,7 mg/kg (Ratte, oral, LD50, OECD-Prüfrichtlinie 401). Beim Menschen ca 10 g Coffein tödlich. Nach Resorption toxischer Mengen (ab 500 mg): Durchfall, Erbrechen, Unruhe, Kopfschmerz Gentoxizität in vivo: Mutagenität (Säugerzellentest): Chromosomenaberration. Maus und Mensch: Ergebnis negativ. Ames-Test: Salmonella typhimurium: Ergebnis: Negativ. Karzinogenität: Ratte: keine krebserzeugnede Wirkung im Tierversuch Reproduktionstoxizität: Applikationsweg: oral: Maus: Beeinträchtigung der Fortpflanzungsfähigkeit im Tierversuch. Teratogenität: Applikationsweg: oral Ratte: Nach verfügbarem Datenbestand keine Einstufungskriterien erfüllt. Folie 17

18 Pharmakologie von Coffein Versuchsaufbau: Einmalige Dosis von 5 mg Coffein pro /kg KG oral zugeführt (entspricht 350 mg/70 kg KG). Nach Aufnahme wurde 24 h lang der Serumspiegel von Coffein mittels HPLC bestimmt. Die orale Absorption erfolgte sehr schnell und vollständig innerhalb 45 Minuten. Das Maximum im Plasma wurde nach 29,8 +/- 8,1 min gefunden. Die Coffein-Plasma-Halbwertszeit variierte zwischen 2,7 und 9,9 Stunden. Ein mittlerer Wert von 5 Stunden wurde beschrieben (Aktories, 2011). Coffein ist plazentagängig und überwindet die Blut-Hirnschranke. Orale Bioverfügbarkeit: nahezu 100%, Verteilungsvolumen: 0,7 Nur 3-5% Coffein werden unverändert über die Niere ausgeschieden. 95% werden in der Leber metabolisiert. Eliminationshalbwertszeiten ändern sich mit dem Alter. Sie sind sehr lang bei Neugeborenen, am kürzesten bei Kleinkindern und werden bei Erwachsenen wieder länger. Durch einen CYP 1A2-Polymorphismus gibt es Langsam-Metabolisierer des Coffeins. Bei ihnen erhöht sich bei mehr als 3 Tassen Kaffee am Tag das Herzinfarktrisiko. Folie 18

19 Coffein-Abbau in der Leber des Menschen (Heckmann, 2010) Folie 19

20 Coffein-Abbau in der Leber des Menschen Aus Purin-Alkaloiden entsteht keine Harnsäure. Der Abbau erfolgt in der Leber, die Ausscheidung der Metaboliten über die Niere und den Harn. Gichtkranke dürfen daher Kaffee trinken. Primäre Gicht ist eine Störung in der Uratausscheidung (Urat = Anion der Harnsäure) in der Niere. Es kommt zu Ablagerung von Uratkristallen in Gelenken mit Schmerzen und Entzündungsreaktionen. Ev. bilden sich Uratsteine in der Niere. Folie 20

21 Wirkung von Coffein auf Adenosin-A1-Rezeptoren Coffein wirkt über einen Hauptmechanismus auf verschiedene Organe des Menschen. Es bindet an die Adenosin-Rezeptoren in den Zellwänden von Zellen. Adenosin entsteht aus dem Abbau von Adenosintriphosphat (ATP) ADP AMP Adenosin Im Gehirn wirkt Adenosin als Regulator des Schlafbedürfnisses. Adenosin hemmt letztendlich das Enyzm Adenylatzyklase, was bewirkt, das die Umwandlung von ATP in camp gehemmt wird. Genau diese Hemmung wird durch Coffein verhindert, der camp-spiegel bleibt hoch. Folie 21

22 Wirkung von Coffein auf Adenosin-A1-Rezeptoren Coffein besetzt die A1-Rezeptoren, wirkt dadurch als kompetitiver Antagonist, vermindert/unterbindet diese inhibitorische Kaskade und erleichtert dadurch die Signalweiterleitung. Der Wachzustand wird verlängert. Sicard (o.z.: S. 43) Chemie-Nobel-Preis 2012 für Robert J. Lefkowitz und Brian K. Kobilka für die Entdeckung der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Folie 22

23 Wirkung von Coffein auf Adenosin-A1-Rezeptoren Coffein wirkt hemmend auf die Phosphodiesterase (Schäfer, 2007) Folie 23

24 Wirkung von Coffein und Theophyllin auf das ZNS Theophyllin und Coffein sind Psychostimulantien (Theophyllin besser als Coffein). - Müdigkeit läßt nach. - Aufmerksamkeit und Leistungsbereitschaft nehmen zu. - Lernen wird erleichtet. -Atmung wird angeregt. Dies gilt besonders, wenn man vor Aufnahme müde war, weniger im ausgeruhten Zustand. Ab mg Coffein stellt sich Dysphorie (Störung der Affektivität mit bedrückter, gereizter Stimmung) ein: Zu beobachten sind Unruhe, Angst, Zittern, ev. Übelkeit und Erbrechen. (Aktories, 2011): Folie 24

25 Biochemische Wirkung von Coffein Pharmakologische Wirkung Hemmung der Adenosinrezeptoren Hemmung der Phosphodiesterasen Freisetzung von intrazelluär gespeichertem Calzium IC50-Wert Klinische Wirkung (mittlere inhibitorische Konzentration [µmol/l] 30 Diurese Ausscheidung von Wasser und Natrium 700 Hemmung der Thrombozytenaggregation 3000 Zittern, Unruhe, Tachykardie, Insomnia, Gedankenflucht (verändert nach Stein, 2011:84) Folie 25

26 Weitere Wirkungen der Methylxanthine Methyl- Xanthin ZNSstimulieren de Wirkung Bronchound Vasodila tion Herzwirkung Skelett- Muskulatur - Stimulation Coffein Diurese Theophyllin Theobromin (verändert nach Stein, 2011: 84) Folie 26

27 Körperliche Entzugssymptome Auswertung von 48 experimentellen Studien Nennungen: Kopfschmerzen (37 von 48 Studien, Incidence 50%;), Müdigkeit (32 von 38 Studien, Incidence 27%), Verminderte Energie/Aktivität (24 von 32 Studien, Incidence: 36%) Verminderte Wachsamkeit (22 von 31 Studien, Incidence 27 und 50%) Schläfrigkeit (21von 27 Studien, Incidence 45%) Depressive Stimmung (9 von 29 Studien, Incidence 16%), Konzentrationsschwierigkeiten (22 von 31 Studien, Incidence 11 und 79%) Reizbarkeit (8 von 23 Studien, Incidence 9, 20, 21 und 29%) Fehlende Klarköpfigkeit, Nebeligkeit (7 von 18 Studien, Incidence 79%) (Juliano, 2004) Folie 27

28 Körperliche Entzugssymptome Typischerweise tauchen die Symptome h nach Abstinenz auf mit einem Maximum bei h, für eine Dauer von 2-9 Tagen. Die Schwere der Symptome hängt von der vorher aufgenommenen täglichen Dosis ab. Symptome treten ab einer täglichen Dosis ab 100 mg Coffein auf. sowie Reinforcement = Bekräftigungswirkung (Bekräftigung künftiger Einnahme). (Juliano, 2004) Folie 28

29 Kakao Schokoladen von Rausch Nr. Kakaomas Name der Herkunft Theobrom Coffein se Schokolad in mg/100 g 1 35% Noumea Neu e mg/100 g ,4 Guinea 2 47% Guacimo Costa Rica ,1 3 60% Amacado Peru ,6 4 75% Tobago Tobago ,6 5 85% Lindt ,6 6 99% Lindt ,8 Folie 29

30 Kakao Schokoladen von Rausch Folie 30

31 Coffein und Lebensmittelrecht Tee: min. 1,5% Coffein in der Trockenmasse (Leitsätze für Tee) Kaffee: keine Anforderungen Limonadengetränke: Mindestens 65 mg/l Coffein wegen anregender Wirkung Kenntlichmachung bis 150 mg/l: coffeinhaltig Kenntlichmachung ab 150 mg/l: erhöhter Coffeingehalt Grenzwert für Limonadengetränke: 250 mg/l Coffein Sonderzulassung für Energydrinks: bis 320 mg/l Coffein Folie 31

32 Coffein und Schwangerschaft Nach einer Information der DGE zur Beratungspraxis wird festgestellt, dass aus epidemiologischen Untersuchungen der Schluß gezogen werden kann, das von moderatem Kaffeekonsum (< 5-6 mg Koffein pro kg Körpergewicht (ca. 3 Tassen Kaffee) während der Schwangerschaft keine negativen Wirkungen zu erwarten sind (DGEInfo 10/2007). Folie 32

33 Coffein und Autofahrleistung Doppelt-blinde, randomisierte, placebokontrollierte Cross-over-Studie (Mets, 2012) Die Aufgabe der Probanden bestand darin, auf der rechten Spur einer Autobahn mit 95 km/h (im Simulator) zu fahren. 2h fahren 15 min Pause + Kaffee (80mg C.) 2h fahren Als Messparameter wurden aufgezeichnet: -Der Abstand zum rechten Rand der Straße und damit die Schlangenbewegung des Autos = Steuer-Genauigkeit Mittlere seitliche Abweichung zum Rand (MLP) mit Standardabweichung (SDLP). LP steht für lateral [seitliche] position. -Die Geschwindigkeitsveränderung (Mean speed (MS) und Standardabweichung der Geschwindigkeit (SDS). Folie 33

34 Coffein und Autofahrleistung Der Effekt auf die SDLP ist vergleichbar mit dem von Probanden ohne und mit einer Alkoholaufnahme von 0,5 Promille im Blut. Steuer-Genauigkeit Mittlere seitliche Abweichung zum Rand (MLP) mit Standardabweichung (SDLP) Folie 34

35 Coffein und Autofahrleistung Die Geschwindigkeitsveränderung (Mean speed (MS) und Standardabweichung der Geschwindigkeit (SDS). Folie 35

36 Coffein und Sport Coffein ist seit dem nicht mehr als Dopingsubstanz ausgewiesen. Vor diesem Zeitpunkt lag ein positiver Dopingnachweis vor, wenn im Urin ein Wert von 12 µg/ml überschritten war. Das entspricht einer Coffeinaufnahme von > 4-8 mg Coffein/kg KG, was einer Aufnahme von mg Coffein (4-5 Tassen Kaffee oder 3-4 Liter Coca Cola) entspricht. Mit Coffein wird bei Ausdauersportarten die Leistung und die Leistungsdauer (eigentlich Arbeit: Leistung mal Zeit) signifikant erhöht (Bützer, 2011) Z.B. wurde in einer Studie mit 4,9 mg Coffein /kg KG eine um 20% verbesserte Leistungsfähigkeit an Radfahrern gezeigt (zitiert nach Bützer, 2011). Folie 36

37 Danke für die Aufmerksamkeit Folie 37

38 Literatur I Aktories K.; U. Förstermann; F. Hofmann und K. Starke (2011): Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie. 10. Auflage. Verlag Urban & Fischer, München: Amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach 35 LMBG: Bestimmung des Gehaltes an Theobromin und Coffein in flüssigen Teeegetränken. L /2. Lose Blattsammlung. Beuth-Verlag Ashihara H.; H. Sano und A. Crozier (2008): Caffeine and related purine alkaloids: Biosynthesis, catabolism, function and genetic engineering. Phytochemistry 69: BELV: Nationale Verzehrsstudie II (2008), herausgegeben vom Max-Rubner-Institut Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel, Karlsruhe. Blanchard, J. und S.J.A. Sawers (1983): The Absolute Bioavailability of Caffeine in Man. Eur J Clin Pharmacol 24: Bützer, Peter (2011): Coffein-Dynamik. Pädagogische Hochschule St. Gallen. ( ) ( ) DGEInfo 04/2004- Beratungspraxis: Bedeutung von Kaffee für den Flüssigkeitshaushalt DGEInfo 10/2007- Beratungspraxis: Kaffee bzw. Koffein und Schwangerschaftsrisiken Fischer Lars (2012): Nobelpreise 2012: Die Sinnesorgane der Zelle. Franke W.(1997): Nutzpflanzenkunde. 6.A. Thieme-Verlag, Stuttgart Fredholm, B.B.; H. Battig und J. Holmen (1999): Actions of caffeine in the brain with special reference to factors that contribute to its widespread use. Pharm Rev 51: Heckmann, M.; J. Weil und E. Gonzalez de Meija (2010): Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) in Foods: A Comprehensive Review on Consumption, Functionality, Safety and Regulatory Matters. J Food Science. 75, Nr 3: R77-R87 Folie 38

39 Literatur II Juliano L.M. und R.R. Griffiths (2004): A critical review of caffeine withdrawl: empirical validation of symptoms and signs, incidence, severity and associated features. Psychopharmacology. 176: 1-29 Kuczkowski Krzysztof M. (2009): Caffeine in pregnancy. Arch. Gynecol Obstet, 280: Mets M.A.J.; D. Baas; I. van Boven; B. Olivier und J.C. Verster (2012): Effects of coffee on driving performance during prolonged simulated highway driving. Psychopharmacology. 222: Mylan dura (2012): Beipackzettel für Coffeinum N 0,2g Tablette, Zul.-Nr Version Darmstadt Nehling, A. und G. Debry (1994): Potential genotoxic, mutagenic and antimutagenic effects of coffee: A review. Mutation Research 317: Pschyrembel (1997): Klinisches Wörterbuch Auflage. Verlag de Gruyter, Berlin: Stichwort: Abhängigkeit: S. 3. Rassow, J.; K. Hauser, R. Netzker und R. Deutzmann (2008): Biochemie. 2. Auflage, Thieme-Verlag Schäfer, Bernd (2007): Naturstoffe der chemischen Industrie. Verlag Spektrum im Verlag Elsevier, München. Shapiro R.E. (2007): Caffeine and headaches. Neurol Sci. 28: Sicard B. (o.z.): Die Alltagsdroge Koffein. Spektrum der Wissenschaft. Highlights 2: S38-45 Stein J.; M. Raithel und M. Kist (2011): Erkrankungen durch Nahrungs- und Genußmittel. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart Werner, Sandra (2008): Schokolade und Alkaloide Theobromin- und Coffeinbestimmung in Schokoladen mit unterschiedlichem Kakaomassenanteil mittels HPLC. Projektarbeit. HS Weihenstephan-Triesdorf World-Almanac (2012). Infobase Learning, New York (ISBN ) Yang Amy; A.A. Palmer und H. de Wit (2010): Genetics of caffeine consumpion and responses to caffeine. Psychopharmacology. 211: Folie 39