Coffein spielt eine zentrale Rolle in der heutigen Gesellschaft und ist ein wichtiger Teil des sozialen Lebens. Aus diesem Grund wird es oft, unter anderem von Studenten, als leistungssteigernde Substanz im Studium eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, durch systematische Literatur und Studien Reviews, festzustellen, ob Coffein tatsächlich positiv auf die geistige Leistungsfähigkeit wirkt und eine sinnvolle Ergänzung im Studium sein kann. Anschließend werden einige der derzeit existierenden Studien auf ihre Validität geprüft und daraus eine Handlungsempfehlung für die weitere Forschung abgeleitet.
Einleitend folgt nach einer kurzen Definition und Klärung der Wortherkunft sowie der Beschreibung des chemischen Aufbaus und des Vorkommens von Coffein eine Gegenüberstellung koffeinhaltiger Getränke, die auf dem Markt legal erworben werden können. Überleitend zum Hauptteil dieser Arbeit werden die Auswirkungen auf die chemische Reizweiterleitung im zentralen Nervensystem untersucht. Der zentrale Fokus liegt auf der Evaluation unter der Berücksichtigung, Gegenüberstellung und kritischen Betrachtung aktueller Studien auf die Auswirkungen von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit, welche anhand des Stroop-Tests ermittelt wurden.
Darüber hinaus wird ein Lösungsansatz für einen besseren Versuchsaufbau aus den Ergebnissen abgeleitet, welcher das Ziel eines validen Studienergebnis verfolgt. Zur vollständigen Kosten-Nutzen-Analyse werden abschließend die Nebenwirkungen des Coffeins untersucht, im Zusammenhang mit den vorangegangenen Ergebnissen ausgewertet und zusammengefasst im Fazit mit einer Handlungsempfehlung für weitere Untersuchungen dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Was ist Coffein?
2.1 Definition und Wortherkunft
2.2 Chemischer Aufbau
3 Vorkommen
4 Gegenüberstellung koffeinhaltiger Getränke
5 Auswirkungen von Coffein auf die chemische Reizweiterleitung im Zentralnervensystem
6 Einfluss von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit überprüft anhand des Stroop - Tests
6.1 Definition des Stroop - Tests
6.2 Diskussion: Auswirkungen von Koffeinkonsum auf die kognitive Leistungsfähigkeit
7 Lösungsvorschlag zu einem optimalen Versuchsaufbau zur Messung der akuten Wirkung von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit
8 Toxizität des Coffeins und Dosierungsempfehlung
9 Fazit
Anhang
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Häufigkeit des Konsums bestimmter Mittel und Substanzen
Abbildung 2: Koffeingehalt ausgewählter Getränke und Nahrungsmittel
Tabelle 1: Pharmakologische Wirkung von Coffein, Theophyllin und Theobromin
1 Einleitung
Coffein spielt eine zentrale Rolle in der heutigen Gesellschaft und ist ein wichtiger Teil des sozialen Lebens. Coffein ist eine psychotrope Substanz und wirkt stimulierend auf das zentrale Nervensystem (Vgl.Dixit et al. 2012, S. 218).
Aus diesem Grund wird es oft, unter anderem von Studenten, als leistungssteigernde Substanz im Studium eingesetzt. „College students often consume caffeine [...] to help them improve their attention and performance“ (Arieputri et al. 2017 - 2017, S. 15).
Ziel dieser Arbeit ist es, durch systematische Literatur und Studien Reviews, festzustellen, ob Coffein tatsächlich positiv auf die geistige Leistungsfähigkeit wirkt und eine sinnvolle Ergänzung im Studium sein kann. Anschließend werden Einige, der derzeit existierenden Studien auf ihre Validität geprüft und daraus eine Handlungsempfehlung für die weitere Forschung abgeleitet.
Der genaue Forschungsstand bezüglich der Wirkungsweise von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit wird in vielerlei Hinsicht kontrovers diskutiert. In manchen Studien und Werken gängiger Literatur werden der akuten Wirkung des Coffeins positive Effekte auf die kognitive Leistungsfähigkeit eingeräumt (Vgl.Beiglböck 2016; Vgl.Dixit et al. 2012; Vgl.Soar et al. 2016), in anderen dagegen nicht (Vgl.Hameleers et al. 2000; Vgl.Edwards et al. 1996; Arieputri et al. 2017 - 2017). Hameleers et al. konnte zwar keine akute Wirkung auf die kognitive Leistungsfähigkeit feststellen, entdeckte jedoch bei regelmäßigem Konsum positive Effekte auf das Langzeitgedächtnis.
Einleitend folgt nach einer kurzen Definition und Klärung der Wortherkunft, sowie der Beschreibung des chemischen Aufbaus und des Vorkommens von Coffein, eine Gegenüberstellung koffeinhaltiger Getränke, die auf dem Markt legal erworben werden können. Überleitend zum Hauptteil dieser Arbeit werden die Auswirkungen auf die chemische Reizweiterleitung im zentralen Nervensystem untersucht. Der zentrale Fokus liegt auf der Evaluation unter der Berücksichtigung, Gegenüberstellung und kritischen Betrachtung aktueller Studien auf die Auswirkungen von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit, welche anhand des Stroop - Tests ermittelt wurden. Darüber hinaus wird ein Lösungsansatz für einen besseren Versuchsaufbau aus den Ergebnissen abgeleitet, welcher das Ziel eines validen Studienergebnis verfolgt. Zur vollständigen Kosten - Nutzen - Analyse werden abschließend die Nebenwirkungen des Coffeins untersucht, im Zusammenhang mit den vorangegangenen Ergebnissen ausgewertet und zusammengefasst im Fazit mit einer Handlungsempfehlung für weitere Untersuchungen dargestellt.
2 Was ist Coffein?
2.1 Definition und Wortherkunft
Beim Coffein oder auch Koffein geschrieben „handelt es sich um ein geruchloses, weißes Kristallpulver oder farblose Kristalle (hexagonale Prismen) von bitterem Geschmack (Karen Nieber, Sandra Felke und Anke Schmalz 2007). „Koffein ist ein natürlicher Bestandteil der Kaffeesamen, findet sich aber auch in anderen Pflanzen, wie Tee, Kakao und den exotischeren Pflanzen Kolabaum, Mate und Guarana“ (Miedaner 2018, S. 162). Das Wort Coffein leitet sich von Kaffee ab, da „die chemisch reine Substanz erstmals aus Kaffee gewonnen wurde. [.] Der Ursprung [des Wortes Kaffee] liegt mit ziemlicher Sicherheit im Arabischen ,Qahwa‘, das von arabischen Wörtern abgeleitet wird, die in etwa,den Wunsch nach etwas mildern‘bedeuten“ (Beiglböck 2016).
Eine Umfrage, die 2017 in Deutschland durchgeführt wurde, zeigt auf, dass Coffein unter den tausend Befragten, die am meisten genutzte Substanz ist, sogar häufiger als Alkohol und Nikotin konsumiert wird (Vgl. Abb. 1 im Anhang).
Coffein wird als „die mit Abstand am häufigsten konsumierte psychoaktive Substanz weltweit[. definiert]. In Europa und im angloamerikanischen Raum wird von ungefähr 80-90% aller Erwachsenen täglich Koffein konsumiert“ (Beiglböck 2016, S. 2).
2.2 Chemischer Aufbau
Coffein oder auch 1,3,7- Trimethylxanthin ist ein Purinderivat und gehört chemisch betrachtet zur Klasse der Alkaloide (Vgl.Dr. Peter Bützer 2003, S. 2). Purinderivate leiten sich vom Xanthin ab. „Beim Purinalkaloid Xanthin (Alkaloid bedeutet ursprünglich, aus Pflanzen isolierte Stoffe‘ [.]) kommen dann zu diesen beiden Ringen noch 2 Sauerstoffatome dazu. Beim Koffein ist an der ersten, dritten und siebenten Position noch eine sogenannte Methylgruppe Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff dabei - das sind Gruppen von 1 Kohlenstoff- und 3 Wasserstoffatomen“ (Beiglböck 2016, S. 40). Zu den Purinderivaten gehören neben Coffein auch: Theophyllin, Theobromin, Aminophyllin (Vgl.Wellhöner 1976, S. 266). Die Summenformel für Coffein lautet: C8H10N4O2 (Vgl.Dr. Peter Bützer 2003, S. 2). Es setzt sich somit aus 8 Kohlenstoff-, 10 Wasserstoff-, 4 Stickstoff- und 2 Sauerstoffatomen zusammen.
3 Vorkommen
Das von Pflanzen synthetisierte Coffein ist in unterschiedlichen Teilen der jeweiligen Pflanzen zu finden. Die Samen des Kaffeestrauchs (Cofea arabica und andere Arten), bei uns bekannt als Kaffeebohnen, sind in den Abessinen einheimisch und werden heute überall in den Tropen angebaut (Vgl.Daunderer 1996, S. 1). Diese Samen enthalten, laut Daunderer durchschnittlich 1-2% Coffein. Die Blätter des Teestrauchs (Thea sinensis), welcher in Ostasien einheimisch ist, enthält ca. 2-5% Coffein (Vgl.Daunderer 1996, S. 1). „Im brasilianischen Mate, von Ilex paraguariensis, finden sich ähnliche Mengen“ (Daunderer 1996, S. 1). Die Samen des Cola - acuminata, so genannte Kokanüsse, sind in Afrika einheimisch und enthalten ca. 2% Coffein. Zur Guaranapaste (Theobroma Paullinia sorbilis), welche aus Brasilien stammt, gibt der Autor keinen Koffeingehalt an. Einer anderen Quelle ist zu entnehmen, dass der Coffein - Gehalt bei Guarana zwischen 4-6% liegt (vgl. Vitalinstitut 2017).
4 Gegenüberstellung koffeinhaltiger Getränke
Adam Forth beschreibt die Bestimmung des Koffeingehalts in koffeinhaltigen Getränken als diffizil, da sich die unterschiedlichen Gebräuche der Zubereitung solcher Getränke in verschiedenen Kulturkreisen stark auf den Koffeingehalt auswirkt (Vgl.Forth und Adam 2001). „Amerikanischer (USA) Kaffee ist meist recht schwach, dagegen wird in den Anbauländern (Brasilien, Guatemala) ein wesentlich stärkerer Kaffee getrunken. Man kann als grobe Orientierung in einer Tasse (125 ml) Kaffee 100 mg Coffein vermuten“ (Forth und Adam 2001).
Dies deckt sich mit der Aussage der Statistik über den Koffeingehalt ausgewählter Lebensmittel, die angibt in einem Liter Kaffee sind 400 mg Coffein enthalten (Vgl. Abb. 2 im Anhang).
Des Weiteren wird Espresso dort mit 1.916 mg pro Liter als Getränk mit dem höchsten Koffeingehalt geführt. Energydrinks und Energyshots werden in dieser Statistik nicht geführt. Laut Forth dürfen „Energy-Drinks aus dem Ausland, die im Sinne des § 47a des Lebensmittelgesetzes nach Deutschland eingeführt werden, [...] maximal 320 mg/l Coffein aufweisen“ (Vgl.Forth und Adam 2001). Beliebt unter Sportlern sind so genannte Energy Shots. Diese Shots enthalten Coffein in einer sehr hohen Konzentration. Der Vital 4 U Energy Shot enthält beispielsweise pro Portion 15ml 155 mg Coffein (Vgl.Precise Nutrition Int'l 2020). Das wären auf einem Liter 10.333 mg Coffein. Es enthält somit mehr als 5-mal so viel Coffein wie Espresso.
5 Auswirkungen von Coffein auf die chemische Reizweiterleitung im Zentralnervensystem
Coffein hat zahlreiche Auswirkungen auf den Körper (Vgl. Tabelle 1 im Anhang). Laut Beiglböck wirkt es unter anderem auf die Aufmerksamkeit und Konzentrationsfähigkeit durch Hemmung der Wirkungsweise des Neuromodulators Adenosin. „Aufgrund der Blockade dämpfender Mechanismen und der vermehrten Ausschüttung aktivierender Neurotransmitter, sowie Aufmerksamkeitssteigerung der verbesserten Durchblutung des Gehirns zeigen sich deutliche Effekte auf Aufmerksamkeit und Wachheit (da [.] Adenosin einschlaffördernd wirkt), der Reaktionszeit und der Merkfähigkeit“ (Beiglböck 2016, 47f.). Bei Adenosin handelt es sich um eine Purinbase, die im Nervensystem als Neu- romudulator fungiert (Vgl.Hartwig Hanser 2020).
Das Adenosin dockt an so genannte Adenosin - Rezeptoren an und hemmt dadurch die Ausschüttung der Nervenbotenstoffe Noradrenalin, Dopamin und Acetylcholin (Vgl.Beiglböck 2016, S. 41). „Dies führt in weiterer Folge dazu, dass die Blutgefäße erweitert werden und daher der Blutdruck sinkt sowie die Herzfrequenz verlangsamt wird“ (Beiglböck 2016, S. 41). Das bedeutet, das Coffein dockt an die Adenosin - Rezeptoren an und verhindert die Hemmung der Ausschüttung der oben genannten Nervenbotenstoffe. Dies erklärt unter anderem die aufputschende Wirkungsweise des Coffeins. Coffein wirkt außerdem auf „die Tätigkeit bestimmter Neurotransmitter, d. h. chemischer Botenstoffe, die der Kommunikation vor allem der Gehirnzellen und -nervenbahnen dienen. Gesichert scheint, dass die Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) bzw. deren Rezeptoren betroffen sind“ (Beiglböck 2016, S. 43). GABA ist laut Gottesmann einer der Hauptinhibitoren des Zentralen Nervensystems und reguliert unter anderem den Schlaf (Vgl.Gottesmann 2002).
„Koffein behindert über die Erhöhung des Dopaminspiegels [...] die Ausschüttung von GABA, weswegen mehr Rezeptoren gebildet werden, um dies zu kompensieren. [...] Eine verminderte Ausschüttung bedeutet daher ebenfalls mehr Aktivierung und Wachheit, aber auch eine erhöhte motorische Aktivität“ (Beiglböck 2016, S. 43).
Außerdem wirkt Coffein auf den Neurotransmitter Acetylcholin, der bei Erwachsenen zur Steuerung der Wachheit und Aufmerksamkeit beiträgt, sowie auf die Erhöhung der Sero- toninproduktion, welche „kognitive Funktionen wie z. B. die Merkfähigkeit steuert“ (Beiglböck 2016, S. 43).
6 Einfluss von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit überprüft anhand des Stroop - Tests
Der Einfluss von Coffein auf die kognitive Leistungsfähigkeit wird in vielen Studien kontrovers diskutiert und oft erzielen Forscher widersprüchliche Resultate.
Kognitive Funktionen werden von Fisher et al. wie folgt definiert:
„Cognitive functioning refers to multiple mental abilities, including learning, thinking, reasoning, remembering, problem solving, decision making, and attention“ (Fisher et al. 2019, S. 18). Ergänzend kann noch die Konzentration als weiterer Teil der kognitiven Funktionen angeführt werden, da Aufmerksamkeit und Konzentration eng miteinander verbunden sind. Laut Kullmann und Seidel ist „Konzentration die Fähigkeit, unsere Aufmerksamkeit zu bündeln und für längere Zeit auf ein Ziel zu richten“ (Kullmann und Seidel 2000, S. 26). Wobei die Aufmerksamkeit für die Selektion von Sinneseindrücken und -informationen verantwortlich ist (Vgl.H. Niemann 2010, S. 146).
Zur Messung kognitiver Funktionen, insbesondere der Aufmerksamkeit, ist der Stroop - Test ein gängiges Messinstrument.
6.1 Definition des Stroop - Tests
Der Stroop - Test ist ein neuropsychologischer Test, der die Interferenz zwischen zwei gleichzeitig wahrgenommen inhärenten Stimuli untersucht (Vgl.Stroop 1992, S. 16).
Das Stroop - Experiment, auch bekannt als der Stroop Color and Word - Test (SCWT), wurde ursprünglich 1935 von Stroop vorgestellt. Bei diesem Test sollten die Versuchspersonen 3 unterschiedliche Tabellen so schnell wie möglich vorlesen (Vgl.Scarpina und Tagini 2017, S. 1). „Two of them represent the ,congruous condition‘ in which participants are required to read names of colors [...] printed in black ink (W) and name different color patches (C). Conversely, in the third table, named color-word (CW) condition, color-words are printed in an inconsistent color ink (for instance the word ,red‘ is printed in green ink). Thus, in this incongruent condition, participants are required to name the color of the ink instead of reading the word. In other words, the participants are required to perform a less automated task (i.e., naming ink color) while inhibiting the interference arising from a more automated task (i.e., reading the word;)“ (Scarpina und Tagini 2017, S.1).
Bei diesem Test spielen 3 Faktoren eine entscheidende Rolle, die sich auf die Antwortgeschwindigkeit der jeweiligen Aufgaben auswirken: Die Schnelligkeit der selektiven Informationswahrnehmung durch gezielte Aufmerksamkeit, die anschließende kognitive Informationsverarbeitung und die Reaktionsgeschwindigkeit auf den wahrgenommenen Stimuli der Versuchsperson.
In der nachfolgenden Diskussion soll herausgearbeitet werden, inwieweit sich Coffein positiv auf die kognitiven Funktionen auswirkt und welche Vorzüge es diesbezüglich mit sich bringt respektive nicht mit sich bringt.
6.2 Diskussion: Auswirkungen von Koffeinkonsum auf die kognitive Leistungsfähigkeit
Auffallend bei Durchsicht der Studienlage, bezüglich der Auswirkung des Coffeins auf die Probanden beim Stroop - Test, ist der Konsens der Forscher, dass akuter Koffeinkonsum zu einer Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit führt (Vgl.Kenemans et al. 1999; Vgl.Soar et al. 2016; Vgl.Hasenfratz und Bättig 1992). Wobei Hameleers et al. klar zwischen der Reaktionszeit und Bewegungsgeschwindigkeit differenziert. „In the present study, higher habitual caffeine intake was also related to reaction time [.] more specifically, a faster movement time (and not total reaction time, which includes an information processing component)“ (Hameleers et al. 2000, S. 579).
Aus welchem Grund keine schnellere Informationsverarbeitung nach Koffeinkonsum stattfindet, wird von Hameleers et al. nicht beschrieben. Kenemans et al. zeigen in ihrer Untersuchung ab einer Dosis von 250 mg Coffein positive Auswirkungen auf die Fehlerquote auf.
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