Термин каротин (также каротин , от латинского carota , «морковь» [1] [2] ) используется для обозначения многих родственных ненасыщенных углеводородных веществ, имеющих формулу C 40 H x , которые синтезируются растениями, но в целом не могут быть получены путем животные (за исключением некоторых тлей и паутинных клещей , перенявших синтезирующие гены от грибов). [3] Каротины — это фотосинтетические пигменты, важные для фотосинтеза . Каротины не содержат атомов кислорода. Они поглощают ультрафиолетовый, фиолетовый и синий свет и рассеивают оранжевый или красный свет и (в низких концентрациях) желтый свет.
Каротины отвечают за оранжевый цвет моркови , в честь которой назван этот класс химических веществ, а также за цвет многих других фруктов, овощей и грибов (например, сладкого картофеля , лисичек и оранжевой дыни ). Каротины также отвечают за оранжевый (но не весь желтый) цвет сухой листвы. Они также (в более низких концентрациях) придают желтую окраску молочному жиру и сливочному маслу. Всеядные виды животных, которые относительно плохо конвертируют цветные пищевые каротиноиды в бесцветные ретиноиды, такие как люди и куры , имеют жировые отложения желтого цвета в результате задержки каротиноидов из растительной части их рациона.
Каротины способствуют фотосинтезу, передавая поглощаемую ими световую энергию хлорофиллу . Они также защищают ткани растений, помогая поглощать энергию синглетного кислорода , возбужденной формы молекулы кислорода O 2 , которая образуется во время фотосинтеза.
β-каротин состоит из двух ретинильных групп и расщепляется в слизистой оболочке тонкой кишки человека под действием β-каротин-15,15' - монооксигеназы до ретиналя , формы витамина А. β-каротин может храниться в печени и жировых отложениях и при необходимости превращаться в сетчатку глаза, что делает его формой витамина А для человека и некоторых других млекопитающих. Каротины α-каротин и γ-каротин , благодаря своей единственной ретинильной группе (β- иононовое кольцо), также обладают некоторой активностью витамина А (хотя и меньшей, чем β-каротин), как и ксантофилл - каротиноид β- криптоксантин . Все другие каротиноиды, включая ликопин , не имеют бета-кольца и, следовательно, не обладают активностью витамина А (хотя они могут обладать антиоксидантной активностью и, следовательно, биологической активностью другими способами).
Виды животных сильно различаются по способности превращать содержащие ретинил (бетаионон ) каротиноиды в ретинали. Плотоядные животные в целом являются плохими переработчиками пищевых иононсодержащих каротиноидов. У чистых плотоядных животных, таких как хорьки, отсутствует β-каротин-15,15'-монооксигеназа, и они вообще не могут превращать каротиноиды в сетчатку (в результате чего каротины не являются формой витамина А для этого вида); в то время как кошки могут превращать следы β-каротина в ретинол, хотя этого количества совершенно недостаточно для удовлетворения их ежедневных потребностей в ретиноле. [4]
Каротины — это полиненасыщенные углеводороды , содержащие 40 атомов углерода на молекулу, переменное количество атомов водорода и никаких других элементов. Некоторые каротины имеют кольца на одном или обоих концах молекулы. Все они окрашены из-за наличия сопряженных двойных связей . Каротины являются тетратерпенами , что означает, что они происходят из восьми 5-углеродных изопреновых единиц (или четырех 10-углеродных терпеновых единиц).
Каротины встречаются в растениях в двух основных формах, обозначаемых буквами греческого алфавита : альфа-каротин (α-каротин) и бета-каротин (β-каротин). Также существуют гамма- , дельта- , эпсилон- и зета-каротин (γ, δ, ε и ζ-каротин). Поскольку они являются углеводородами и, следовательно, не содержат кислорода, каротины жирорастворимы и нерастворимы в воде (в отличие от других каротиноидов , ксантофиллов , которые содержат кислород и, следовательно, менее химически гидрофобны).
Открытие каротина из морковного сока приписывают Генриху Вильгельму Фердинанду Вакенродеру , открытие, сделанное во время поиска противогельминтных средств , которое он опубликовал в 1831 году. Он получил его в виде маленьких рубиново-красных хлопьев, растворимых в эфире, которые при растворении в жирах давали " красивый желтый цвет». Уильям Кристофер Зейзе признал его углеводородную природу в 1847 году, но его анализы дали ему состав C 5 H 8 . Именно Леон-Альбер Арно в 1886 году подтвердил его углеводородную природу и дал формулу C 26 H 38 , близкую к теоретическому составу C 40 H 56 . Адольф Либен в исследованиях красящего вещества жёлтого тела , также опубликованных в 1886 году , впервые наткнулся на каротиноиды в тканях животных, но не распознал природу пигмента. Иоганн Людвиг Вильгельм Тудичум в 1868–1869 годах после стереоскопического спектрального исследования применил термин «лютеин» ( лютеин ) к этому классу желтых кристаллизующихся веществ, обнаруженных у животных и растений. Рихард Мартин Вильштеттер , получивший Нобелевскую премию по химии в 1915 году главным образом за работы по хлорофиллу , присвоил состав C 40 H 56 , отличив его от аналогичного, но насыщенного кислородом ксантофилла C 40 H 56 O 2 . Генрих Эшер в 1910 году выделил из томатов ликопин и показал, что он является изомером каротина. Более поздняя работа Эшера также дифференцировала « лютеиновые » пигменты в яичном желтке от каротинов в желтом теле коровы. [5]
Следующие продукты содержат каротины в заметных количествах: [6]
Усвоение этих продуктов усиливается, если их употреблять с жирами, поскольку каротины растворимы в жирах, а также если пища готовится в течение нескольких минут, пока стенка растительных клеток не расщепится и цвет не выделится в любую жидкость. [6] 12 мкг пищевого β-каротина обеспечивают эквивалент 1 мкг ретинола, а 24 мкг α-каротина или β-криптоксантина обеспечивают эквивалент 1 мкг ретинола. [6] [8]
Два первичных изомера каротина, α-каротин и β-каротин, различаются положением двойной связи (и, следовательно, водорода) в циклической группе на одном конце (правый конец на диаграмме справа).
β-каротин является более распространенной формой и содержится в желтых , оранжевых и зеленых листовых фруктах и овощах . Как правило , чем интенсивнее оранжевый цвет фрукта или овоща, тем больше в нем содержится β-каротина.
Каротин защищает растительные клетки от разрушительного воздействия ультрафиолета, поэтому β-каротин является антиоксидантом .
В статье Американского онкологического общества говорится, что Кампания по исследованию рака призвала разместить предупреждающие надписи на добавках β-каротина, чтобы предупредить курильщиков о том, что такие добавки могут увеличить риск рака легких. [11]
В 1994 году Медицинский журнал Новой Англии опубликовал статью [12] об исследовании, в котором изучалась связь между ежедневным приемом β-каротина и витамина Е (α- токоферола ) и заболеваемостью раком легких. Исследование проводилось с использованием добавок, и исследователи знали об эпидемиологической корреляции между фруктами и овощами, богатыми каротиноидами, и снижением заболеваемости раком легких. Исследование пришло к выводу, что у участников, принимавших эти добавки, не было обнаружено снижения заболеваемости раком легких, и, более того, эти добавки могут фактически иметь вредные последствия.
Журнал Национального института рака и Медицинский журнал Новой Англии в 1996 году опубликовали статьи [13] [14] об исследовании с целью определить, являются ли витамин А (в форме ретинилпальмитата ) и β-каротин (примерно 30 мг/день, что в 10 раз превышает рекомендуемую суточную дозу ), оказало положительное влияние на предотвращение рака. Результаты показали повышенный риск рака легких и простаты у участников, которые принимали добавку β-каротина и у которых было раздражение легких от курения или воздействия асбеста , что привело к досрочному прекращению исследования. [14]
Обзор всех рандомизированных контролируемых исследований в научной литературе, проведенный Кокрановским сотрудничеством, опубликованный в JAMA в 2007 году, показал, что синтетический β-каротин увеличивает смертность на 1–8% (относительный риск 1,05, 95% доверительный интервал 1,01–1,08). [15] Однако этот метаанализ включал два крупных исследования курильщиков, поэтому неясно, применимы ли результаты к общей популяции. [16] В обзоре изучалось только влияние синтетических антиоксидантов, и результаты не следует переводить на потенциальное воздействие фруктов и овощей.
Перорально β-каротин назначают людям, страдающим эритропоэтической протопорфирией . Это дает им некоторое облегчение от светочувствительности. [17]
Каротинемия или гиперкаротинемия — это избыток каротина, но в отличие от избытка витамина А каротин нетоксичен. Хотя гиперкаротинемия не представляет особой опасности, она может привести к покраснению кожи (каротинодермии), но не конъюнктивы глаз (что позволяет визуально отличить ее от желтухи ). Чаще всего это связано с употреблением большого количества моркови , но также может быть медицинским признаком более опасных заболеваний.
Каротины производятся обычным способом для других терпеноидов и терпенов, т.е. реакциями сочетания, циклизации и оксигенации производных изопрена . Ликопин является ключевым предшественником каротиноидов. Он образуется путем сочетания геранилгеранилпирофосфата и гераниллинилпирофосфата. [18]
Большая часть мировых поставок синтетического каротина поступает из производственного комплекса, расположенного во Фрипорте, штат Техас и принадлежащего DSM . Другой крупный поставщик BASF также использует химический процесс для производства β-каротина. Вместе на долю этих поставщиков приходится около 85% β-каротина на рынке. [19] В Испании Vitatene производит природный β-каротин из гриба Blakeslea trispora , как и DSM, но в гораздо меньших количествах по сравнению с его синтетическим β-каротином. В Австралии органический β-каротин производится компанией Aquacarotene Limited из сушеных морских водорослей Dunaliella salina, выращенных в прудах для сбора урожая, расположенных в Каррате, Западная Австралия . BASF Australia также производит β-каротин из микроводорослей, выращенных на двух участках в Австралии, которые являются крупнейшими в мире фермами по выращиванию водорослей. В Португалии промышленная биотехнологическая компания Biotrend производит природный полностью транс -β-каротин из негенетически модифицированных бактерий рода Sphingomonas , выделенных из почвы.
Каротины также содержатся в пальмовом масле , кукурузе и молоке дойных коров, [20] придавая коровьему молоку светло-желтый цвет в зависимости от корма крупного рогатого скота и количества жира в молоке (молоко с высоким содержанием жира). (например, те, что производятся коровами Гернси , имеют тенденцию быть более желтыми, поскольку из-за содержания жира в них содержится больше каротина).
Каротины также обнаружены у некоторых видов термитов, где они, по-видимому, поступают из рациона насекомых. [21]
В настоящее время широко используются два метода полного синтеза β-каротина. Первый был разработан BASF и основан на реакции Виттига , патентообладателем которого является сам Виттиг: [22] [23]
Вторая представляет собой реакцию Гриньяра , [24] разработанную Хоффманом-Ла Рошем на основе оригинального синтеза Инхоффена и др. Они оба симметричны; синтез BASF - C20 + C20, а синтез Хоффмана-Ла Роша - C19 + C2 + C19.
Каротины – это каротиноиды , не содержащие кислорода. Каротиноиды, содержащие некоторое количество кислорода, известны как ксантофиллы .
Два конца молекулы β-каротина структурно идентичны и называются β-кольцами . В частности, группа из девяти атомов углерода на каждом конце образует β-кольцо.
Молекула α-каротина имеет на одном конце β-кольцо; другой конец называется ε-кольцом . Не существует такого понятия, как «α-кольцо».
Эти и подобные названия концов молекул каротиноидов составляют основу систематической схемы наименований, согласно которой:
ζ-каротин является биосинтетическим предшественником нейроспорина , который является предшественником ликопина, который, в свою очередь, является предшественником каротинов от α до ε.
Каротин используется для окраски таких продуктов, как соки, торты, десерты, масло и маргарин. [3] Он одобрен для использования в качестве пищевой добавки в ЕС (в списке как добавка E160a), [25] в Австралии и Новой Зеландии (в списке как 160a) [26] и в США. [27]