กาแฟ เป็นเครื่องดื่มที่ได้รับความนิยมกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งในกาแฟประกอบไปด้วยสารที่มีผลต่อร่างกายหลายชนิดไม่ว่าจะเป็นคาเฟอีน (Caffeine) ที่มีฤทธิ์กระตุ้นระบบประสาทส่วนกลาง, สารกลุ่มไดเทอร์พีน (Diterpenes) เช่นคาเฟสทอล (Cafestol) คาเวออล (Kahweol) มีผลในการเพิ่มโคเลสเตอรอลและไตรกลีเซอไรด์ในเลือด นอกจากนี้ในเมล็ดกาแฟยังอุดมไปด้วยโมเลกุลของสารต้านอนุมูลอิสระทั้งสารในกลุ่มโพลีฟีนอล (Polyphenols) เช่นกรดคลอโรจินิก (Chlorogenic Acid) กรดคาเฟอิก (Caffeic Acid), กลุ่มเมลานอยด์ (Melanoids), กลุ่มควิไนด์ (Quinides), กลุ่มลิกแนน (Lignans) เป็นต้น นอกจากนี้ในเมล็ดกาแฟยังประกอบไปด้วยแมกนีเซียมและสารทริโกเนลลีน (Trigonelline) ซึ่งทำหน้าที่ช่วยลดการเกิดอนุมูลอิสระได้อีกด้วย โดยปริมาณสารต่าง ๆ ที่พบในเมล็ดกาแฟนั้น จะมีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ สายพันธุ์ของเมล็ดกาแฟ แหล่งที่ปลูก กระบวนการเก็บรักษา ระยะเวลาการเก็บรักษา รวมถึงกระบวนการคั่วเมล็ดกาแฟและความร้อนที่ใช้ในการคั่ว (รูปที่ 1) ซึ่งปัจจัยที่กล่าวมาข้างต้นล้วนมีผลสำคัญต่อปริมาณสารที่พบในเมล็ดกาแฟทั้งสิ้น
รูปที่ 1 แสดงปริมาณสารกลุ่ม Chloroginic Acid ไอโซเมอร์ต่าง ๆ ที่พบในเมล็ดกาแฟสด และเมล็ดกาแฟที่ผ่านการคั่วในระดับต่าง ๆ กัน (Liang, N. et al.; 2016)
นอกจากนี้ยังมีอีกหลายงานวิจัยที่ศึกษาเกี่ยวกับปริมาณสารอนุมูลอิสระที่พบในเมล็ดกาแฟที่ผ่านการคั่วที่อุณหภูมิต่าง ๆ โดยอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นนั้น คาดว่าเกิดจากกระบวนการคั่วเมล็ดกาแฟด้วยความร้อนที่อุณหภูมิต่างกัน ทำให้เกิดสารอนุมูลอิสระขึ้นที่ปริมาณต่างกันด้วย โดยสารอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการคั่วเมล็ดกาแฟนั้นไม่สามารถถูกจับด้วยสารต้านอนุมูลอิสระชนิดต่าง ๆ ที่พบในกาแฟ
อนุมูลอิสระ (Free Radical) คือ อะตอม โมเลกุลหรือไอออนของสารที่มีอิเล็กตรอนโดดเดี่ยวหรืออิเล็กตรอนไร้คู่ (Unpaired Electron) อย่างน้อย 1 อิเล็กตรอนโคจรรอบวงนอกสุด ซึ่งมีผลทำให้อนุมูลอิสระนั้นไม่เสถียร มีความว่องไวต่อปฏิกิริยาสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction) ซึ่งเป็นการเกิดปฏิกิริยาการดึงหรือให้อิเล็กตรอนกับโมเลกุลรอบข้าง เพื่อให้มีความเสถียรมากขึ้น และทำให้โมเลกุลรอบข้างที่เกิดปฏิกิริยาด้วยเกิดภาวะสูญเสียหรือรับอิเล็กตรอนจนเกิดเป็นอนุมูลอิสระชนิดใหม่ที่มีความไม่เสถียรเกิดขึ้น และเข้าทำปฏิกิริยากับโมเลกุลรอบข้างอื่นต่อไปเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) โดยทั่วไปร่างกายมนุษย์จะได้รับอนุมูลอิสระทั้งจากภายในและภายนอกร่างกาย เช่น อนุมูลอิสระที่เกิดจากกระบวนการเมทาบอลิซึมของเซลล์ เกิดจากความเครียด การได้รับแสงอาทิตย์ระหว่างวัน การรับประทานอาหารมากเกินไป หรือการได้รับสารพิษจากอาหาร เช่นแอลกอฮอล์ กาแฟ ชา หรือวัตถุปรุงแต่งอาหารต่าง ๆ เป็นต้น (รูปที่ 2) เมื่อมีอนุมูลอิสระเกิดขึ้นในร่างกายจะส่งผลทำให้เซลล์ต่าง ๆ ในร่างกายถูกทำลาย ซึ่งหากร่างกายไม่สามารถกำจัดอนุมูลอิสระที่มากเกินไปได้ ร่างกายจะเกิดภาวะที่เรียกว่า ภาวะ Oxidative Stress คือภาวะที่อนุมูลอิสระมากเกินไปจนอาจเป็นสาเหตุให้เกิดอันตรายแก่ร่างกายหรือเกิดโรคต่าง ๆ ได้ เช่น โรคหลอดเลือดหัวใจอุดตัน หรือเป็นสาเหตุร่วมในการเกิดมะเร็ง ทำให้ผิวหนังเกิดรอยเหี่ยวย่น โรคไขข้อ
อักเสบ เป็นต้น
รูปที่ 2 แสดงปัจจัยต่างๆในชีวิตประจำวันที่มีส่วนในการสร้างอนุมูลอิสระ (http://quantumleapwellness.com/blog.html/news/why-antioxidants-prevent-aging)
สารต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidant) คือ สารที่มีฤทธิ์ยับยั้งหรือชะลอการเกิดปฏิกิริยาของอนุมูลอิสระโดยการทำให้โมเลกุลของอนุมูลอิสระมีความเสถียรขึ้น โดยทั่วไปร่างกายมีระบบการป้องกันภาวะการสะสมของอนุมูลอิสระอยู่ 2 ส่วนด้วยกัน ส่วนแรกเกิดจากการที่ร่างกายสร้างเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidant Enzymes) ขึ้น เพื่อควบคุมอนุมูลอิสระให้อยู่ในปริมาณที่สมดุล เนื่องจากอนุมูลอิสระเหล่านี้มีหน้าที่ช่วยทำลายสิ่งแปลกปลอม ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อร่างกายเช่นกัน แต่เมื่อร่างกายได้รับสารพิษจากภายนอก เช่น การสูบบุหรี่ การสัมผัสแสงอาทิตย์ระหว่างวัน หรือการรับประทานอาหารที่มีผลให้เกิดอนุมูลอิสระ จะส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานของระบบที่ควบคุมปริมาณสารพิษในร่างกายลดลง อนุมูลอิสระจะมีการสะสมในร่างกายมากขึ้น จนส่งผลเสียต่อร่างกายในทันที ดังนั้น กลไกการควบคุมสารต้านอนุมูลอิสระจากร่างกายอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ มีความจำเป็นต้องนำเข้าสารต้านอนุมูลอิสระจากภายนอกร่างกายซึ่งเป็นส่วนที่สอง คือ สารต้านอนุมูลอิสระที่ได้มาจากอาหาร เช่น วิตามินเอ (Vitamin A) วิตามินซี (Vitamin C) วิตามินอี (Vitamin E) สารเบตา-แคโรทีน (Beta-carotene) สารกลุ่มพอลิฟีนอล (Polyphenols) และสารกลุ่มฟลาโวนอยด์ (Flavonoids) ซึ่งสารเหล่านี้พบมากในอาหารจำพวกผักและผลไม้ เมื่อสารดังกล่าวเข้าสู่ร่างกายจะมีฤทธิ์ในการช่วยเสริมสร้างระบบต้านการเกิดออกซิเดชันในร่างกาย ให้มีประสิทธิภาพในการทำลายอนุมูลอิสระได้ดียิ่งขึ้น
เทคนิคอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (Electron Paramagnetic Resonance, EPR) หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า เทคนิคอิเล็กตรอนสปินเรโซแนนซ์ (Electron Spin Resonance, ESR) เป็นเทคนิคชนิดเดียวที่ใช้ตรวจหาอนุมูลอิสระหรืออิเล็กตรอนโดดเดี่ยวได้โดยตรง โดยใช้หลักการวัดค่าการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของสารที่มีอิเล็กตรอนโดดเดี่ยวหรืออิเล็กตรอนไร้คู่ (Unpaired Electron) ในช่วงความถี่ไมโครเวฟ สารหรือไอออนที่มีอิเล็กตรอนโดดเดี่ยว เช่น อนุมูลอิสระ โมเลกุลที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคี่ (Odd Electron Molecule) ไอออนเชิงซ้อน (Complex Ions) สารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชัน (Transition Metal Complexes) ไออนของสารกลุ่มแลนทาไนด์ (Lanthanide Ions) โมเลกุลที่มีสถานะทริพเพล็ต (Triplet-state Molecules) และสารที่มีสมบัติเป็นพาราแมกเนติก (Paramagnetic Molecules) เช่น O2, NO, NO2 และ ClO2 เป็นต้น
EPR นอกจากจะเป็นเทคนิคเดียวที่สามารถตรวจวัดอนุมูลอิสระได้โดยตรงแล้ว ยังมีลักษณะเด่นคือ
- เป็นเทคนิคที่ไม่ทำลายสารตัวอย่าง (Non Destructive) โดยการวัดด้วยเทคนิค EPR จะมีการป้อนสนามแม่เหล็กระหว่าง 0.5-1 เทสลา (1 เทสลา = 10,000 Gauss) เข้าสู่ชิ้นงานและป้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ไมโครเวฟ ซึ่งคลื่นเหล่านี้ไม่ทำลายชิ้นงานและสามารถตรวจวัดชิ้นงานซ้ำหลายครั้งได้
- เทคนิค EPR เป็นเทคนิคที่มีความไวสูงมาก (High Sensitivity) ซึ่งมีความไวสูงกว่าเทคนิคนิวเคลียร์แมกเนติกส์เรโซแนนซ์ (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) กว่า 700 เท่า ดังนั้นสามารถวัดอิเล็กตรอนโดดเดี่ยวที่มีจำนวนเพียง 109 อิเล็กตรอนได้ด้วย และมีความไวในการสปินสูงถึง 1010 สปิน ต่อความเข้มสนามแม่เหล็ก 10-4 เทสลา จึงสามารถวัดสารตัวอย่างได้ในปริมาณน้อย ๆ ได้
- สามารถวัดสารได้ทั้งสภาวะของแข็งและของเหลว และไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการเตรียมตัวอย่าง (อย่างไรก็ตามของแข็งควรเป็นผงละเอียดหรือชิ้นงานมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางไม่เกิน 2 มิลลิเมตร)
Electron Paramagnetic Resonance (EPR) รุ่น EMX Micro BRUKER
(ศูนย์เครื่องมือวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย)
สัญญาณที่ได้จากการวิเคราะห์อนุมูลอิสระในกาแฟคั่วชนิดต่าง ๆ
สัญญาณที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค EPR แสดงถึงค่า Intensity ของสัญญาณที่ค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ต่างกัน โดยค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ใช้ในการวิเคราะห์อนุมูลอิสระในกาแฟคั่วจะอยู่ในช่วง 3,000 ถึง 4,000 Gauss (หรือ 300 ถึง 400 mT)
รูปที่ 3 เปรียบเทียบสัญญาณการวิเคราะห์ด้วย EPR ของแคปซูลกาแฟชนิด Ispirazione Ristretto Italiano และเมล็ดกาแฟสดผ่านการคั่ว Espresso Roast และแคปซูลกาแฟชนิด Vienna Linizio Lungo
รูปที่ 4 เปรียบเทียบสัญญาณการวิเคราะห์ด้วย EPR ของแคปซูลกาแฟชนิด Ispirazione Ristretto Italiano และแคปซูลกาแฟชนิด Ispirazione Ristretto Italiano Decaffeinato
จากตัวอย่างสัญญาณที่ได้จากการวิเคราะห์ปริมาณอนุมูลอิสระในกาแฟด้วยเทคนิค EPR นั้น ทำให้เห็นได้ชัดว่ากาแฟที่ผ่านการคั่วแล้ว ยังคงมีสารอนุมูลอิสระที่ไม่ถูกจับโดยสารต้านอนุมูลอิสระที่พบในกาแฟดังที่กล่าวมาในข้างต้น ทั้งนี้จากข้อมูลที่นำมาแสดงชี้ให้เห็นว่า ชนิดและสายพันธุ์ของเมล็ดกาแฟ รวมถึงขั้นตอนกระบวนการคั่วกาแฟ มีผลต่อปริมาณของสารอนุมูลอิสระที่พบในกาแฟชนิดต่าง ๆ ด้วย
ทั้งนี้จุดเด่นของการวิเคราะห์อนุมูลอิสระด้วยเทคนิค EPR คือการวิเคราะห์ตัวอย่างได้โดยตรง ไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการเตรียมตัวอย่าง ทำให้ผลการวิเคราะห์มีความถูกต้องค่อนข้างสูง เนื่องจากสัญญาณที่ได้เป็นสัญญาณจากอนุมูลอิสระที่พบในตัวอย่างที่แท้จริง
เอกสารอ้างอิง
Goodman, B.A. and Yeretzian, C., 2014. Free radical processes in coffee I-Solid samples. Processing and Impact on Active Components in Food. Chapter 67, 559-566.
Hu, G.L., Wang, X., Zhang, L. and Qiu, M.H., 2019. The sources and mechanisms of bioactive ingredients in coffee. Food Funct. 10, 3113-3126.
Liang, N., Xue, W., Kennepohl, P. and Kitts, D.D., 2016. Interactions between major chlorogenic acid isomers and chemical changes in coffee brew that affect antioxidant activities. Food Chemistry. 213, 251-259.
O’Meara, J.P., Truby, F.K. and Shaw, T.M., 1957. Free radicals in roasted coffee. Food Res. 22, 96-101.
มณีรัตน์ ลิ้มสุวัฒนาธำรง
เจ้าหน้าที่บริการวิทยาศาสตร์
ศูนย์เครื่องมือวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย