Spezialgebiet biologie - kaffee

Einleitung Kaffee ist heute eines der wichtigsten Handelsgüter; an die 7.000.000 t Rohkaffee werden pro Jahr erzeugt. Sein Wirkstoff, Coffein, ist zugleich die weltweit beliebteste und meist konsumierte psychoaktive Substanz. Obwohl Coffein auch in Colagetränken, Kakao und Schokolade z.T. sogar in beträchtlichen Mengen vorliegt, ist das beliebteste Getränk immer noch der Kaffee. In Österreich beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch 145 Liter Kaffee im Jahr. Das entspricht 4 Tassen pro Tag! Diesen Ritual des Kaffeetrinkens wird in Österreich auch durch eine ganz besondere Institution Rechnung getragen: dem Kaffeehaus. So ist eine Beschreibung des Kaffees und seiner Wirkungen nicht nur Naturgeschichte, sondern vielmehr auch Kulturgeschichte.

Botanik
Die Gattung der Coffea, landläufig auch als Kaffeebaum, Kaffee¬strauch oder Kaffeepflanze bezeichnet, gehört zur botanischen Familie der Röte- oder Labkrautgewächse (Rubiaceae). Der Name Coffea leitet sich von seiner abessinischen Urheimat, Caffa, ab. Obwohl die meisten der ca. 60 bis 80 Arten Kaffee liefern, wurden von ihnen nur die sieben folgenden kultiviert. Von wirtschaftlicher Bedeu¬tung sind allerdings nur die drei letztgenannten.

. Coffea abeocutae
. Coffea excelsa

. Coffea mocca
. Coffea stenophylle
. Coffea arabica (syn. Arabica-Kaffee, Bergkaffee)
. Coffea canephora (syn. Robusta-Kaffee, Kongo-Kaffee)
. Coffea liberica (syn. Liberia-Kaffee)
Die Kaffeepflanze wird kultiviert ca. 4 bis 6 Meter hoch, er¬reicht im Wildwuchs aber auch Höhen von bis zu 10 Metern. Im Boden sind sie durch eine 1 bis 3 Meter tiefe Pfahlwurzel ver¬ankert, die im oberen Bereich stark verästelt ist. Kaffee¬pflanzen sind immergrüne Gewächse mit ledrigen Blättern, die an den Zweigen sitzen. Diese Blätter sind gegenseitig paarig, etwa 20 cm lang, elliptisch mit gewellten Spitzen und von kräftiger dunkelgrüner Farbe. Der Mittel- und die Seitennerven sind deut¬lich sichtbar.
In den Blattachseln, hauptsächlich im oberen Teil der Pflanze, befinden sich die weißen Blüten, die dem Jasmin ähneln. Die Blütenstände sind 10 bis 20 Blüten als Trugdolde, zusammenge¬faßt, gegliedert in kleinere Gruppen von mehreren Blüten. Die einzelne Blüte selbst ist 5-gliedrig und kurzgestielt. Die Knospe verblüht sehr rasch, meist im Laufe von Tagen oder gar weniger Stunden.
Die 1-2 cm großen Steinfrüchte werden als Kaffeekirschen be¬zeichnet. Unter der roten Oberhaut befinden sich im saftigen und gallertartigen Fruchtfleisch zwei Samenfächer mit den Steinkernen. Diese Samen sind die eigentlichen Kaffeebohnen und werden jeweils von einer Samenschale, dem Silberhäutchen, einer fest anhaftenden Membran umhüllt. Die Bohnen weisen mit ihren runden Seiten nach außen und mit den abgeflachten zueinander. Allerdings kann sich in etwa 10% der Fälle auch nur eine an¬statt zwei Bohnen entwickeln, die dann rund ist; man spricht von Perlkaffee. Auch Dreisamigkeit kommt vor, ist aber sehr selten; diese Bohnen sind dann mehrkantig.
Die Befruchtung findet durch hauptsächlich durch Selbstbe¬stäubung, nur weniger durch Fremdbestäubung (Wind, Insekten, statt. Nachdem die Befruchtung durch ein auf den Stempel ge¬fallenes Pollenkorn eingesetzt hat, fällt die Blüte innerhalb weniger Tage ab. Bei optimalen Bedingungen erhält die der 30.000 bis 40.000 Blüten einer Kaffeepflanze die Möglichkeit befruchtet zu werden. Die Zeit die zwischen Befruchtung und vollständiger Entwicklung der Frucht liegt ist für mittel¬europäische Maßstäbe beträchtlich. Sie beträgt in Abhängigkeit von der Kaffeesorte zwischen 6 und 12 Monaten.
Anbau
Kaffeepflanzen gedeihen nur in tropischen bzw. subtropischen Gebieten etwa bis zum 28. Breitenkreis. Grund dafür sind die zum Wachstum erforderlichen Mindesttemperaturen von 17-20°C, da Kaffee extrem frostempfindlich ist. Eine weitere Voraussetzung ist ein ungestörtes Bodenprofil, um das Wachstum der Pfahlwurzeln nicht zu behindern und ausreichend Niederschlag. Besonders günstig wirkt sich das wechselwarme Klima aus, bei dem eine niederschlagsreiche Regenzeit von einer deutlichen Trockenzeit abgelöst wird. Als Richtwert gilt ein Jahresniederschlag von 1.500 mm; unter 800 mm ist der Kaffeeanbau unmöglich. Weitere Faktoren, die sich positiv auf die Qualität des Kaffees auswirken sind hoch gelegene Plantagen, deutliche Differenzen der Tages- und Nachttemperatur (Arabica-Kaffee) sowie Anzucht der Pflanzen im Halbschatten. Die Reife und somit die Qualität der Kaffeefrüchte ist also Umwelteinflüssen gegenüber sehr empfindlich.
Ernte
Ein Kaffeebaum trägt nach etwa fünf Jahren die erste volle Ernte und produziert regelmäßig 15 bis 20 Jahre lang Früchte. Manche Pflanzen liefern 0,9 bis 1,3 Kilogramm marktfähige Kaffeebohnen im Jahr, aber bereits 0,5 Kilogramm gelten als durchschnittlicher Jahresertrag. Man pflückt meist noch händisch. Da die Kaffeefrüchte nicht alle zur gleichen Zeit reif sind, muß darauf geachtet werden, daß nur die vollreifen roten, und nicht die überreifen schwarzen, oder unreifen grünen Kaffeekirschen gepflückt werden. Deshalb werden meist drei Erntegänge pro Jahr durchgeführt, am Äquator kann aber auch das ganze Jahr hindurch geerntet werden.
Aufbereitung
Die trockene Aufbereitung ist das einfachere und ursprünglichere Verfahren, führt allerdings zu einer nicht so hohen Qualität. Dabei werden die reifen Früchte solange auf eigenen Trockenterassen getrocknet, bis man die Bohnen in den Samentaschen klappern hören kann. Die Hornschale und das Silberhäutchen werden dann maschinell entfernt. Die traditionelle trockene Aufbereitung wird vor allem in den Tropen angewandt und bedarf nur der Sonnenbestrahlung. Der Vorgang dauert dann etwa drei Wochen, kann aber mit entsprechenden technischen Hilfsmitteln auf wenige Tage verkürzt werden.
Dagegen wird heute die nasse Aufbereitung bevorzugt, da sie nicht vom Klima abhängig ist und eine höhere Qualität ermöglicht. Die Früchte werden in Wassertanks von Verunreinigungen befreit. Anschließend wird werden sie mittels eines sogenannten Entpulpers vom Fruchtfleisch verteilt (das als Düngemittel eingesetzt werden kann). Das den Bohnen noch anhaftende Fruchtfleisch wird dann im Fermentationsbecken vergoren und die Bohnen durch Heißluft getrocknet. In Schälmaschinen werden noch Horn- und Silberhaut entfernt und Glanz und Farbe durch Polieren in einer Trommel erhöht.
Das Endergebnis beider Aufbereitungsformen ist der Rohkaffee, im einen Fall durch die Ressource Sonne, im anderen durch Wasser. Der anschließende Röstvorgang ist einer trockenen Destillation vergleichbar. Bei Temperaturen von ca. 200°C kommt es in den Bohnen zu physikalischen und chemischen Reaktionen die zwar eine Gewichtsreduktion von etwa 20%, aber auch eine Volumszunahme um ein Drittel zur Folge haben. Es entstehen auch durch Zersetzung von Proteinen die nichtflüchtigen Geschmacks- und ca. 500 flüchtigen, für den Kaffee typischen, Aromastoffe. Im Gegensatz zum Rohkaffee, der nahezu unbegrenzt haltbar ist, besteht beim Röstkaffee schnell die Gefahr des Verderbs, sofern er nicht speziell (vakuumverpackt)gelagert wird. Der Coffeingehalt liegt in beiden Fällen bei 1-2%.

Inhaltstoffe
Kaffeebohnen enthalten eine komplexe Mischung verschiedenster chemischer Komponenten, von denen einige den Röstprozeß unbeschadet überstehen. Andere Bestandteile, besonders die aromatischen, entstehen erst durch Veränderungen der grünen Bohnen beim Rösten. Wichtigste nichtflüchtige Substanz ist das für die psychischen und physiologischen Wirkungen verantwortliche Alkaloid Coffein mit ca. 2% Anteil. Daneben sind auch noch in geringem Maße die beiden Teealkaloide Theibromin und Theophyllin nachzuweisen. Außerdem enthält der Kaffee Chlorogensäure (aus der Nikotinsäure frei wird), Phenolsäuren und Aminosäuren, lipide Verbindungen in Form des Kaffeeöls, Eiweißstoffe und große Mengen an Zuckern. Die flüchtigen Aromastoffe sind verschiedenste Ester, Ketone, Phenole, Aldehyde und Mineralstoffe, die in ihrer Gesamtheit für den unverwechselbaren Kaffeegeruch verantwortlich sind, aber anteilsmäßig weniger als 1% ausmachen.

Chemie
Die Wirkstoffe des Kaf¬fees sind sogenannte Al¬kaloide, d.h. natürlich vorkommende stick¬stoff¬haltige cyclische Kohlenwasserstoffverbindun¬gen. Der gemeinsame Grundbaustein von Coffein, Theophyllin und Theobromid ist das bi¬cylische (aus einem 6-Ring und einem 5-Ring bestehende) Xanthin (eig. Dioxopurin). Ab¬hängig wo und wieviel Methylreste sich nun an¬gehängt finden, spricht man von:
(1,3)-Dimethylxanthin

Theophyllin
(3,7)-Dimethylxanthin

Theobromin
1,3,7-Trimethyxanthin

Coffein
Pharmakologie
Coffein wird üblicherweise oral aufgenommen und im Magen-Darm-Trakt resorbiert. Innerhalb einer halben bis dreiviertel Stunde sind im Blutplasma nennenswerte Konzentrationen festzustellen. Die maximale Konzentration liegt nach etwa zwei Stunden vor. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt die Elimination mit einer Halbwerts¬zeit von etwa vier Stunden. Bei älteren oder schwangeren Personen kann sie aber auch erheblich höher sein, da die Abbauenzyme nicht mehr in ausreichendem Maße vorliegen. Die Substanz wird dann in der Leber metabolisiert und über die Niere ausgeschieden. Nur ca. 10% der Wirkstoffmenge verlassen den Körper unverändert, den Rest macht der demethylierte Hauptmetabolit
1-Methyl-Harnsäure aus.
Über die pharmakokinetischen Wechselwirkungen von Coffein und verwandten Methylxanthinen wurden im Laufe der Zeit mehrere Hypothesen aufgestellt. Zuerst nahm man an, daß Coffein in die Synthese von cyclischem Adenosinmonophosphat eingreife, indem es ein diese Synthese hemmendes Enzym vorübergehend außer Kraft setze. Durch die Ansammlung von cAMP würden interzelluläre Prozesse, wie etwa das Öffnen von Ionenkanälen und dadurch die Signalweiterleitung begünstigt, was schließlich für den bekannten stimulierenden Effekt des Coffeins verantwortlich sei. Vertreter einer anderen Hypothese postulierten, Coffein erhöhe die Verfügbarkeit von Ca++ in den Neuronen. Da hohe Calziumkonzentrationen stets einem Aktionspotential vorausgehen, sei das die Erklärung für die von Coffein bewirkte zentralnervöse Erregung.
Heute ist bekannt, daß beide Erklärungsversuche nicht alleine zutreffen können, da für beiderlei Einflußnahme eine viel höhere Menge an Coffein notwendig wäre, wie sie tatsächlich im Blut vorhanden ist. Statt dessen ist die heute gängige These die der Adenosin¬inhibition.
Adenosin ist kein Neurotransmitter im eigentlichen Sinne, sondern ein sogenannter Autakoid, der sich an spezifische Rezeptoren bindet und so auf die betroffene Zelle modulierend wirkt. Typische Adenosinwirkungen sind Sedierung, hervorgerufen durch verringerten Sauerstoffhaushalt der Zelle, und allgemeine neurale Dämpfung durch Hemmung zahlreicher echter Neurotransmitter wie den Catecholaminen, Acetylcholin, Glutamat und GABA. Obwohl im menschlichen Gehirn keine adenosinergen Bahnen existieren, gibt es eigene adenosinempfindliche Rezeptoren mit den Subtypen A1, A2 und A3.
Diese haben höchst unterschiedliche Eigenschaften, wobei jene des A1-Typs für die Coffeinwirkung von besonderem Interesse sind. Bereits im Bereich von 10-9 Mol bewirkt Adenosin an diesem Subtyp die Abnahme von cAMP und seinen Syntheseenzymen (Adenylatcyclasen). Die daraus resultierende Depression verschiedenster Neuronen kann durch Coffein und andere Methylxanthine stark abgeschwächt werden. Inwieweit die Subtypen A2 und A3 in diesen Mechanismus involviert sind, ist jedoch noch ungeklärt. Jedenfalls reichen bereits einige Tassen Kaffee aus, um die Hälfte der Adenosinrezeptoren zu besetzten. Die direkte Folge sind die stimulierenden Wirkungen im Bereich des Großhirns und die positive Verstärkung im Limbischen System, dem Belohnungszentrum des menschlichen Gehirns.
Pharmakologisch gesprochen ist Coffein also ein kompetiver Antagonist des Adenosin, was bedeutet daß es an den Rezeptoren wirksame Substanzen verdrängt und so dem Adenosin entgegenwirkt. Durch negative Rückkopplung wird so vor allem der Effekt der catecholaminerge Neurotransmitter verstärkt.
Wirkung
Der an Coffein so geschätzte Effekt ist der der Stimulation. Es erregt bereits nach Dosen von etwa 200 mg höhere Gehirnzentren und fördert so die intellektuelle Leistungsfähigkeit, ohne daß dabei Störungen auftreten. Als verhaltensbeinflussende Effekte sind gesteigerte Aufmerksamkeit, beschleunigter und klarerer Gedankenfluß und ein erhöhtes Wachheitsgefühl zu nennen. Müdigkeit wird unterdrückt, und das Bedürfnis nach Schlaf verzögert. Außerdem wirkt Coffein gefäßerweiternd und fördert somit die Durchblutung, was ebenfalls Müdigkeit entgegen wirkt.
Mäßige Coffeindosen haben eine leicht anregende Wirkung auf Herztätigkeit (durch Erweiterung der Herzkranzgefäße) und Atemfunktion, und steigern somit auch die körperliche Leistungsfähigkeit. Erst eine Überdosierung führt zu Herzfrequenzverlangsamung und -rhythmusstörungen.
Schließlich erhöht Coffein auch die Magensäuresekretion und wirkt harntreibend. Vermutet wird neben einer Erhöhung der Nierenfunktion durch bessere Durchblutung auch eine zusätzliche direkte Reizung der Blase.
Coffeinismus
Den Zustand einer akuten Überdosierung mit Vergiftungserscheinungen bezeichnet man als Coffeinismus-Syndrom. Coffein ist an sich eine recht wenig toxische Substanz, die geschätzte mittlere tödliche Dosis (LD50) beträgt für den Menschen 10.000 mg. Um sich also mit Kaffee zu töten, müßte man an einem Tag pro Kilogramm Körpergewicht mindestens eine Tasse Kaffee trinken. Obwohl eine Coffeinvergiftung recht unangenehme Folgen hat, ergeben sich daraus im Normalfall keine längerfristigen oder gar lebensgefährlichen gesundheitlichen Schäden.
Ab einer Tagesdosis von etwa 1.000 mg Coffein (dem Äquivalent von etwa 10 Tassen Kaffee) schlagen die erwünschten zentralnervösen Effekte in weniger angenehme wie Angst, Schlafstörungen und Stimmungsveränderungen, namentlich Nervosität und Unruhe um. Hinzu kommt, daß bei hohen Dosen zusätzlich auch Strukturen im Hirnstamm und Rückenmark stimuliert werden, die bei gemäßigtem Coffeinkonsum nicht ansprechen, was Symptome wie Herzrasen, Herzrhythmusstörungen und Bluthochdruck zur Folge haben kann.

Risikofaktoren
Coffein kann zwar nur bei massiver Überdosierung Panikattacken zur Folge haben, bei Menschen, die aber an Panikstörungen leiden, können auch schon geringere Mengen als Auslöser fungieren. Die zentralnervösen und peripheren Wirkungen können dann das normale Ausmaß übersteigen, weshalb solche Menschen den Konsum von Coffein eher hintanhalten sollten.
Ähnlich verhält es sich mit Herzpatienten. Obwohl das Risiko eines Herzinfarktes oder Schlaganfalls durch Kaffeekonsum nur unmerklich erhöht wird, sollten gewisse Risikogruppen (starke Raucher, Übergewicht, erhöhter Cholesterinspiegel) auf exzessiven Kaffeekonsum verzichten. Auch die Tatsache, daß ein Umsteigen von coffeiniertem zu entcoffeiniertem Kaffee wenig sinnvoll ist, spricht dafür, daß Coffein kaum als Auslöser für Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Frage kommt.

Sehr umstritten ist die Frage, ob Coffein teratogene Folgen, also Mißbildungen an menschlichen Feten, nach sich zieht. Tatsache ist, daß aufgrund der strukturellen Verwandtschaft des Coffeins mit den Bausteinen der DNS (das chemische Grundgerüst des Coffeins, Purin, ist auch in den organischen Basen Adenin und Guanin enthalten), es zu Chromosomenabnormitäten kommen kann. Daher wird empfohlen, den Coffeinkonsum während der Schwangerschaft einzudämmen. Ebenfalls muß beachtet werden, daß Coffein in die Muttermilch übergehen kann, und so beim Stillen möglicherweise die neurologischen Entwicklung des Kindes beeinträchtigt.
Langzeitfolgen
Wie bei den meisten psychoaktiven Substanzen bildet sich auch bei häufigem Konsum von Coffein eine Toleranz, welche vor allem auf eine Anpassung der Rezeptoren zurückzuführen ist. Eine solche Rezeptoradaption bedeutet, daß durch die ständige Anwesenheit von Coffein die Anzahl und Empfindlichkeit der Adenosinrezeptoren im Gehirn erhöht wird, um einen Ausgleich herzustellen. Bei besonders starkem und chronischem Coffeinkonsum können sich bei plötzlichem Absetzen Entzugserscheinungen wie Müdigkeit, Gereiztheit und Kopfschmerzen einstellen. Die mögliche Abhängigkeit stellt aber keine besondere Gefahr dar, da die Entzugssymptome schon nach kurzer Zeit abklingen und Coffein aufgrund seiner geringen Toxizität, im Gegensatz zu anderen Psychostimulantien wie etwa Nicotin, keine Organschäden zur Folge hat.
Dennoch ist ein Konsum von mehr als 1.000 mg Coffein (dem Äquivalent von 10 Tassen Kaffee) als bedenklich einzustufen und es sollte daran gedacht werden, ihn zu reduzieren. Dazu bieten sich zwei Möglichkeiten an: die der langsamen Reduktion (caffeine fading) und die der völligen Entsagung vom geliebten schwarzen Gebräu (cold turkey).
Beim Fading empfiehlt es sich zuerst einmal eine Woche lang seinen Coffeinkonsum zu protokollieren (nicht nur Kaffee, sondern auch alle anderen coffeinhaltigen Getränke und Nahrungsmittel) und den Konsum dann schrittweise um eine halbe Tasse Kaffee pro Tag bzw. vier bis fünf Tassen pro Woche zu reduzieren. Diese Methode empfiehlt sich insbesondere dann, wenn der Tageskonsum jenseits der oben erwähnten 10 Tassen liegt.
Die zweite, radikalere Methode hat den Vorteil des schnelleren Erfolges, allerdings zum Preis möglicher Entzugserscheinungen. Diese können aber durch viel Schlaf und/oder körperliche Anstrengung gemildert werden. Auch erweisen sich schwächere coffeinhaltige Cola- oder Kakaogetränke als Substitute hilfreich.

Coffeinprodukte
Produkt Coffeingehalt

Kaffee 100 mg je 150 ml
Tee 50 mg je 150 ml

Kakao 5 mg je 150 ml
Colagetränke 40 mg je 330 ml

Energie-Drinks
z.B. Red Bull

80 mg
je 250 ml

Schokolade 20-90 mg je 100 g
Rezeptfreie Stimulantien 50-200 mg je Tablette

Rezeptfreie Schmerzmittel
z.B. Aspirin

50 mg
je Tablette
Den überwiegenden Teil der Coffeinprodukte machen die Kaffeegetränke aus, die es in vielerlei Varianten gibt. Neben den verschiedenen Möglichkeiten den Rohkaffee in entcoffeinierten Kaffee, Schonkaffee oder Kaffeextrakt umzuwandeln, gibt es auch zahllose Arten Kaffee zuzubereiten. Die bekanntesten Sorten sind unter anderem der italienische Cappuccino, Espresso, Mokka, Frappe, Irish-Coffee, Melange, der Verlängerte oder der kleine Braune ...
Kulturgeschichte
Die anregende Wirkung der Kaffeefrüchte ist nachgewiesenermaßen seit dem 9. Jahrhundert in Äthiopien (Kaffa) bekannt. Durch Abkochen der Früchte wurde von Mönchen ein Trank hergestellt, der sie wach hielt. Pilger brachten im 14. Jahrhundert den Kaffeestrauch und damit die Sitte des Kaffeetrinkens nach Mekka, den Jemen und die gesamte islamische Welt. Die Beliebtheit des Kaffees war hoch, denn im Gegensatz zum Alkohol war sein Genuß nicht durch den Koran verboten. Seine Bedeutung war so groß, daß man sogar mit Kaffeebohnen bezahlen konnte.
In Europa erfuhr man vom Kaffee erst 1583 durch den Bericht des orientreisenden Augsburger Arztes Leonhard Rauwolf. Arabien hielt quasi das Monopol für Kaffee, da es sich weigerte Ableger nach Europa zu verkaufen. Am Ende des 17. Jhdts. gelang es den Holländern heimlich Keimlinge auszuführen, mit deren Hilfe sie auf Java und Ceylon , später auch in Brasilien riesige Plantagen gründeten. Arabien verlor dadurch seine Vormachtstellung und verfiel in Bedeutungslosigkeit.
In Europa gelangte der Kaffee über Venedig in alle bedeutenden Seehandelsstädte. Nach den ersten Kaffeehäusern im Orient (bereits um das 12. Jhdt.) entstehen diese auch rasch in Venedig (1647), Oxford (1652), Paris (1670) und Hamburg (1677). Das Wiener Kaffeehaus geht auf die Zweite Türkenbelagerung von 1683 zurück. Nachdem die Türken - so wird berichtet - bei ihrem Rückzug 500 Sack Kaffeebohnen zurückließen, wurde 1685 die erste dieser für Wien so typischen Institutionen gegründet.
Das Kaffeehaus war immer mehr, als nur ein Lokal, an dem Kaffee ausgeschenkt wird. Vielmehr war es - schon von Anbeginn an - Ort politischer Diskussionen, Treffpunkt Intellektueller wie überhaupt Kommunikationsstätte und Sammelplatz geistiger Anregung; allerdings oft zum Mißfallen der Behörden. Berühmt sind die Wiener Kaffeehauszirkel der Jahrhundertwende im Café Zentral und Griensteidl. Dort trafen sich so bekannte Persönlichkeiten wie Karl Kraus, Hermann Bahr, Ernst Mach, Franz Werfel, Arthur Schnitzler, Hugo v. Hoffmannsthal oder Joseph Roth u.a.