Carotin - Carotene

Ein dreidimensionales Stabdiagramm von β-Carotin
Carotin ist für die orange Farbe von Karotten und die Farben vieler anderer Obst- und Gemüsesorten und sogar einiger Tiere verantwortlich.
Zwergflamingos im Ngorongoro- Krater, Tansania . Die rosa Farbe der wilden Flamingos ist auf Astaxanthin (ein Carotinoid) zurückzuführen, das sie aus ihrer Nahrung von Salzgarnelen aufnehmen. Wenn sie karotinfrei gefüttert werden, werden sie weiß.

Der Begriff Carotin (auch Carotin , vom lateinischen carota , "Karotte") wird für viele verwandte ungesättigte Kohlenwasserstoffe der Formel C 40 H x verwendet , die von Pflanzen synthetisiert, aber im Allgemeinen nicht von Tieren hergestellt werden können (mit Ausnahme von einige Blattläuse und Spinnmilben , die die synthetisierenden Gene von Pilzen erworben haben). Carotine sind photosynthetische Pigmente, die für die Photosynthese wichtig sind . Carotine enthalten keine Sauerstoffatome. Sie absorbieren ultraviolettes, violettes und blaues Licht und streuen oranges oder rotes Licht und (in geringen Konzentrationen) gelbes Licht.

Carotine ist für die orange Farbe der verantwortliche Karotte , wonach diese Klasse von Chemikalien genannt wird, und für die Farben von vielen anderen Früchten, Gemüse und Pilzen (zum Beispiel Süßkartoffeln , Pfifferling und orange Cantaloupe - Melone). Carotine sind auch für die orangefarbenen (aber nicht alle gelben) Farben in trockenem Laub verantwortlich. Sie verleihen auch (in geringeren Konzentrationen) Milchfett und Butter die Gelbfärbung. Allesfressende Tierarten, die farbige Nahrungs- Carotinoide relativ schlecht in farblose Retinoide umwandeln, haben aufgrund der Carotinoid-Retention aus dem pflanzlichen Teil ihrer Nahrung vergilbtes Körperfett. Das typisch gelb gefärbte Fett von Mensch und Huhn entsteht durch die Fetteinlagerung von Carotinen aus der Nahrung.

Carotine tragen zur Photosynthese bei, indem sie die von ihnen absorbierte Lichtenergie auf Chlorophyll übertragen . Sie schützen auch Pflanzengewebe, indem sie helfen, die Energie von Singulett-Sauerstoff zu absorbieren , einer angeregten Form des Sauerstoffmoleküls O 2 , das während der Photosynthese gebildet wird.

β-Carotin besteht aus zwei Retinylgruppen und wird in der Schleimhaut des menschlichen Dünndarms durch β-Carotin 15,15'-Monooxygenase zu Retinal , einer Form von Vitamin A , abgebaut . β-Carotin kann in Leber und Körperfett gespeichert und bei Bedarf in Retinal umgewandelt werden, wodurch es für den Menschen und einige andere Säugetiere zu einer Form von Vitamin A wird. Die Carotine α-Carotin und γ-Carotin besitzen aufgrund ihrer einzelnen Retinylgruppe (β- Iononring ) ebenfalls eine gewisse Vitamin-A-Aktivität (wenn auch weniger als β-Carotin), ebenso wie das Xanthophyll- Carotinoid β- Cryptoxanthin . Alle anderen Carotinoide, einschließlich Lycopin , haben keinen Beta-Ring und somit keine Vitamin-A-Aktivität (obwohl sie auf andere Weise antioxidative Aktivität und damit biologische Aktivität aufweisen können).

Tierarten unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit zu konvertieren retinyl (beta- Ionon ) enthalten Carotinoide Retinale. Fleischfresser sind im Allgemeinen schlechte Konverter von iononhaltigen Carotinoiden in der Nahrung. Reinen Fleischfressern wie Frettchen fehlt die β-Carotin-15,15'-Monooxygenase und sie können überhaupt keine Carotinoide in Retinale umwandeln (was dazu führt, dass Carotine für diese Spezies keine Form von Vitamin A sind); während Katzen Spuren von β-Carotin in Retinol umwandeln können, obwohl die Menge völlig unzureichend ist, um ihren täglichen Retinolbedarf zu decken.

Molekulare Struktur

Chemisch gesehen sind Carotine mehrfach ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die 40 Kohlenstoffatome pro Molekül, eine variable Anzahl von Wasserstoffatomen und keine anderen Elemente enthalten. Einige Carotine sind an einem oder beiden Enden des Moleküls durch Kohlenwasserstoffringe terminiert. Alle sind aufgrund umfangreicher Systeme konjugierter Doppelbindungen für das menschliche Auge gefärbt . Strukturell sind Carotine Tetraterpene , dh sie werden biochemisch aus vier 10-Kohlenstoff- Terpen- Einheiten synthetisiert , die wiederum aus acht 5-Kohlenstoff- Isopren- Einheiten gebildet werden.

Carotine kommen in Pflanzen in zwei Hauptformen vor, die durch Buchstaben aus dem griechischen Alphabet bezeichnet werden : Alpha-Carotin (α-Carotin) und Beta-Carotin (β-Carotin). Gamma- , Delta- , Epsilon- und Zeta-Carotin (γ, δ, ε und ζ-Carotin) existieren ebenfalls. Da sie Kohlenwasserstoffe sind und somit keinen Sauerstoff enthalten, sind Carotine fettlöslich und wasserunlöslich (im Gegensatz zu anderen Carotinoiden , den Xanthophyllen , die Sauerstoff enthalten und daher chemisch weniger hydrophob sind).

Geschichte

Die Entdeckung von Carotin aus Karottensaft wird Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder zugeschrieben , ein Fund, der bei einer Suche nach Antihelminthika gemacht wurde , die er 1831 veröffentlichte. Er erhielt es in kleinen, in Äther löslichen rubinroten Flocken, die, wenn sie in Fetten gelöst wurden, eine schöne gelbe Farbe“. William Christopher Zeise erkannte 1847 seine Kohlenwasserstoffnatur, aber seine Analysen ergaben eine Zusammensetzung von C 5 H 8 . Es war Léon-Albert Arnaud im Jahr 1886, der seine Kohlenwasserstoffnatur bestätigte und die Formel C 26 H 38 gab , die der theoretischen Zusammensetzung von C 40 H 56 nahe kommt . Adolf Lieben stieß in ebenfalls 1886 veröffentlichten Studien über den Farbstoff in Gelbkörpern zuerst auf Carotinoide in tierischem Gewebe, erkannte aber die Natur des Pigments nicht. Johann Ludwig Wilhelm Thudichum , 1868–1869, verwendet nach stereoskopischer Spektraluntersuchung den Begriff "Lutein" ( Lutein ) auf diese Klasse von gelben kristallisierbaren Substanzen, die in Tieren und Pflanzen vorkommen. Richard Martin Willstätter , der den gewonnenen Nobelpreis in Chemie im Jahr 1915, vor allem für seine Arbeit an Chlorophyll , zugewiesen , um die Zusammensetzung von C 40 H 56 , aus dem ähnlich , aber mit Sauerstoff angereichert zu unterscheiden Xanthophyll , C 40 H 56 O 2 . Mit Heinrich Escher wurde 1910 Lycopin aus Tomaten isoliert und als Isomer von Carotin nachgewiesen. Spätere Arbeiten von Escher differenzierten auch die ' lutealen ' Pigmente im Eigelb von denen der Carotine im Corpus luteum der Kuh.

Nahrungsquellen

Die folgenden Lebensmittel enthalten Carotine in nennenswerten Mengen:

Absorption von diesen Lebensmitteln wird mit Fetten , wenn gegessen verstärkt, wie Carotine sind fettlöslich, und wenn das Essen für ein paar Minuten , bis die Pflanze gekocht Zellwand spaltet und die Farbe wird in eine Flüssigkeit freigesetzt. 12 µg β-Carotin aus der Nahrung liefern das Äquivalent von 1 µg Retinol und 24 µg α-Carotin oder β-Cryptoxanthin liefern das Äquivalent von 1 µg Retinol.

Formen von Carotin

α-Carotin
β-Carotin
γ-Carotin
δ-Carotin

Die beiden primären Isomere des Carotins, α-Carotin und β-Carotin, unterscheiden sich in der Position einer Doppelbindung (und damit eines Wasserstoffs) in der cyclischen Gruppe an einem Ende (rechtes Ende im Diagramm rechts).

β-Carotin ist die häufigere Form und finden sich in gelb , Orange und grün belaubten Obst und Gemüse . Als Faustregel gilt: Je intensiver die orange Farbe des Obstes oder Gemüses ist, desto mehr β-Carotin enthält es.

Carotin schützt Pflanzenzellen vor den zerstörerischen Wirkungen von ultraviolettem Licht. β-Carotin ist ein Antioxidans .

β-Carotin und Physiologie

β-Carotin und Krebs

In einem Artikel der American Cancer Society heißt es, dass die Cancer Research Campaign Warnhinweise auf β-Carotin-Ergänzungen gefordert hat, um Raucher zu warnen, dass solche Nahrungsergänzungsmittel das Risiko für Lungenkrebs erhöhen können.

Das New England Journal of Medicine veröffentlichte 1994 einen Artikel über eine Studie, die den Zusammenhang zwischen der täglichen Einnahme von β-Carotin und Vitamin E (α-Tocopherol) und dem Auftreten von Lungenkrebs untersuchte. Die Studie wurde mit Nahrungsergänzungsmitteln durchgeführt, und die Forscher waren sich der epidemiologischen Korrelation zwischen carotinoidreichen Obst und Gemüse und niedrigeren Lungenkrebsraten bewusst. Die Studie kam zu dem Schluss, dass bei den Teilnehmern, die diese Nahrungsergänzungsmittel einnahmen, keine Verringerung des Lungenkrebses festgestellt wurde, und darüber hinaus können diese Nahrungsergänzungsmittel tatsächlich schädliche Auswirkungen haben.

Das Journal des National Cancer Institute und das New England Journal of Medicine veröffentlichten 1996 Artikel über eine Studie mit dem Ziel zu bestimmen, ob Vitamin A (in Form von Retinylpalmitat ) und β-Carotin (bei etwa 30 mg/Tag, die ist das 10-fache der Referenz-Tagesdosis ) Nahrungsergänzungsmittel hatten eine positive Wirkung zur Vorbeugung von Krebs. Die Ergebnisse zeigten ein erhöhtes Risiko für Lungen- und Prostatakrebs bei den Teilnehmern, die das β-Carotin-Supplement konsumierten und die durch Rauchen oder Asbestexposition Lungenreizungen hatten , was dazu führte, dass die Studie vorzeitig abgebrochen wurde.

Eine Übersicht über alle randomisierten kontrollierten Studien in der wissenschaftlichen Literatur der Cochrane Collaboration, die 2007 in JAMA veröffentlicht wurde, ergab, dass synthetisches β-Carotin die Mortalität um 1-8 % erhöhte (Relatives Risiko 1,05, 95 % Konfidenzintervall 1,01–1,08). Diese Metaanalyse umfasste jedoch zwei große Studien mit Rauchern, sodass nicht klar ist, ob die Ergebnisse auf die Allgemeinbevölkerung zutreffen. Der Review untersuchte nur den Einfluss synthetischer Antioxidantien und die Ergebnisse sollten nicht auf mögliche Wirkungen von Obst und Gemüse übertragen werden.

β-Carotin und Kognition

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht zeigte in einer Studie mit über 4000 Ärzten bei einer durchschnittlichen Behandlungsdauer von 18 Jahren, dass 50 mg β-Carotin jeden zweiten Tag den kognitiven Rückgang verhinderten.

β-Carotin und Lichtempfindlichkeit

Orales β-Carotin wird Menschen verschrieben, die an erythropoetischer Protoporphyrie leiden . Es bietet ihnen eine gewisse Erleichterung von der Lichtempfindlichkeit.

Carotinämie

Carotinämie oder Hypercarotinämie ist ein Überschuss an Carotin, aber im Gegensatz zu einem Überschuss an Vitamin A ist Carotin nicht toxisch. Obwohl Hyperkarotenämie nicht besonders gefährlich ist, kann sie zu einer Orangenfärbung der Haut (Carotenodermie) führen, nicht jedoch der Bindehaut der Augen (daher visuell leicht von Gelbsucht zu unterscheiden ). Es wird am häufigsten mit dem Verzehr einer Fülle von Karotten in Verbindung gebracht , kann aber auch ein medizinisches Zeichen für gefährlichere Zustände sein.

β-Carotin und Nanotechnologie

β-Carotin- und Lycopin- Moleküle können in Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingekapselt werden, wodurch die optischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbessert werden . Zwischen dem eingekapselten Farbstoff und der Nanoröhre findet eine effiziente Energieübertragung statt – Licht wird vom Farbstoff absorbiert und ohne nennenswerten Verlust auf die einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre (SWCNT) übertragen. Die Verkapselung erhöht die chemische und thermische Stabilität von Carotinmolekülen; es erlaubt auch ihre Isolierung und individuelle Charakterisierung.

Produktion

Algenfarmteiche in Whyalla , Südaustralien, dienten der Herstellung von β-Carotin.

Der größte Teil der weltweiten synthetischen Versorgung mit Carotin stammt aus einem Produktionskomplex in Freeport, Texas, der sich im Besitz von DSM befindet . Auch der andere große Lieferant BASF nutzt ein chemisches Verfahren zur Herstellung von β-Carotin. Zusammen machen diese Lieferanten etwa 85 % des β-Carotins auf dem Markt aus. In Spanien produziert Vitatene natürliches β-Carotin aus dem Pilz Blakeslea trispora , ebenso wie DSM, jedoch in einer viel geringeren Menge im Vergleich zu seinem synthetischen β-Carotin-Verfahren. In Australien wird organisches β-Carotin von Aquacarotene Limited aus getrockneten Meeresalgen Dunaliella salina hergestellt, die in Ernteteichen in Karratha, Westaustralien, angebaut werden . Darüber hinaus produziert BASF Australia β-Carotin aus Mikroalgen, die an zwei Standorten in Australien angebaut werden, die die größten Algenfarmen der Welt sind. In Portugal , die industriellen Biotechnologie Firma Biotrend produziert natürliche All- trans -β-Carotin aus einer nicht-gentechnisch veränderten Bakterien der Gattung Sphingomonas aus dem Boden isoliert.

Carotine kommen auch in Palmöl, Mais und in der Milch von Milchkühen vor, wodurch die Kuhmilch je nach Futter der Rinder und Fettgehalt der Milch (fettreiche Milch, wie z die von Guernsey- Kühen produziert werden , neigen dazu, gelber zu sein, da sie aufgrund ihres Fettgehalts mehr Carotin enthalten).

Carotine kommen auch in einigen Termitenarten vor, wo sie offenbar aus der Nahrung der Insekten aufgenommen wurden.

Totalsynthese

Derzeit gibt es zwei gebräuchliche Methoden der Totalsynthese von β-Carotin. Die erste wurde von BASF entwickelt und basiert auf der Wittig-Reaktion mit Wittig selbst als Patentinhaber:

Carotinsynthese von Wittig

Die zweite ist eine Grignard-Reaktion , die von Hoffman-La Roche aus der Originalsynthese von Inhoffen et al. Sie sind beide symmetrisch; die BASF-Synthese ist C20 + C20 und die Hoffman-La Roche-Synthese ist C19 + C2 + C19.

Nomenklatur

Carotine sind Carotinoide, die keinen Sauerstoff enthalten. Carotinoide, die etwas Sauerstoff enthalten, werden als Xanthophylle bezeichnet .

Die beiden Enden des β-Carotin-Moleküls sind strukturell identisch und werden β-Ringe genannt . Insbesondere bildet die Gruppe von neun Kohlenstoffatomen an jedem Ende einen β-Ring.

Das α-Carotin-Molekül hat an einem Ende einen β-Ring; das andere Ende wird als ε-Ring bezeichnet . Es gibt keinen "α-Ring".

Diese und ähnliche Namen für die Enden der Carotinoid-Moleküle bilden die Grundlage eines systematischen Namensschemas, nach dem:

  • α-Carotin ist β,ε-Carotin ;
  • β-Carotin ist β,β-Carotin ;
  • -Carotin (mit einem β-Ring und einem unzyklisierten Ende, das als psi bezeichnet ist ) ist β,ψ-Carotin ;
  • δ-Carotin (mit einem ε-Ring und einem uncyclisierten Ende) ist ε,ψ-Carotin ;
  • ε-Carotin ist ε,ε-Carotin
  • Lycopin ist ψ,ψ-Carotin

ζ-Carotin ist die biosynthetische Vorstufe von Neurosporen , das die Vorstufe von Lycopin ist, das wiederum die Vorstufe der Carotine α bis ε ist.

Lebensmittelzusatzstoff

Carotin wird auch als Substanz zum Färben von Produkten wie Säften, Kuchen, Desserts, Butter und Margarine verwendet. Es ist als Lebensmittelzusatzstoff in der EU (gelistet als Zusatzstoff E160a), Australien und Neuseeland (gelistet als 160a) und den USA zugelassen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links