La teobromina è l'alcaloide tipico del cacao. Si tratta quindi di una sostanza naturale, dotata di una blanda azione diuretica, cardiotonica e vasodilatatoria, soprattutto a livello coronarico; non a caso, dunque, veniva utilizzata come farmaco utile per combattere l'angina.
I ben noti effetti stimolanti del cacao sono legati proprio alla presenza di teobromina (contenuta in misura del 2% circa), congiuntamente alla caffeina (0,6-0,8%). Di conseguenza, in una barretta al cioccolato fondente da 100 grammi, ritroviamo 600-1800 mg di teobromina e 20-60 mg di caffeina. Si tratta comunque di valori generali, che possono variare - anche considerevolmente - in relazione al tipo di semi, alle tecniche colturali e al processo di fermentazione a cui vengono sottoposti prima di essere torrefatti. Nel cioccolato al latte il contenuto in teobromina è ridotto (perché minore è la percentuale di cacao), mentre è praticamente nullo in quello bianco.

Piccole quantità di teobromina sono presenti anche nel the (nelle cui foglie essiccate è presente in percentuale pari allo 0,2%), nel guaranà , nella cola e nel mate. La teobromina è altresì ingrediente comune di alcuni integratori energetici e di certe creme per il trattamento della cellulite.
L'effetto stimolante sul sistema nervoso centrale è circa 10 volte inferiore rispetto a quello della caffeina; a dosi elevate, comunque, la teobromina può causare irrequietezza, tremori, ansietà, sudori, aritmie, perdita di appetito, nausea e vomito.
La teobromina, quando viene consumata in grandi quantità, è particolarmente tossica per i cani. In un esemplare da 10 kg, 200 grammi di cioccolato sono sufficienti per provocare vomito, diarrea, irrequietezza, tremori muscolari, respirazione affannosa e convulsioni, fino alla morte nei casi più gravi; in particolare, la dose letale è di 330 mg di teobromina per kg di peso.
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