Каротиноиды (каротиноиды)

Общие

Растения производят биологически активные соединения с полезными для здоровья свойствами человека в контексте первичных и вторичных метаболических процессов. Каротиноиды богаты различными растительными продуктами. Они играют фундаментальную роль в биологических, химических и физиологических процессах жизни.

Статьи «Всестороннее объяснение питательных веществ», «Вторичные растительные вещества» и «Веганы часто едят нездорово» содержат обзор классификации различных групп веществ, их встречаемости в определенных растениях и продуктах питания, а также возможных положительных эффектов для здоровья человека, обогащенных ценной информацией о питательных веществах, которых можно избежать. ошибки комплексного здорового питания.

Основы

Каротиноиды (каротиноиды) относятся к числу старейших известных молекул и представляют собой очень обширную группу вторичных растительных веществ. Они появились около трех миллиардов лет назад и первоначально работали в клеточных мембранах как укрепляющие клетки длинные, трудно поворачивающиеся и формирующие цепочки липидных молекул. В ходе эволюции каротиноиды помимо своей структурирующей функции выработали в организмах дополнительные фотосинтетические, фотозащитные и ароматические функции. ¹¹

Ученые обнаружили каротиноиды в пигментах корня моркови около 200 лет назад. В настоящее время междисциплинарные научные исследования сосредоточены в первую очередь на разнообразных оздоровительных эффектах каротиноидов при различных хронических заболеваниях. Наиболее известной, вероятно, является способность некоторых каротинов, таких как β-каротин, превращаться в организме в витамин А. Витамин А необходим для зрения, роста, функции и структуры тканей, крови, костей, а также обмена веществ и репродукции. ^4,9,11

Химические свойства и биосинтез

Каротиноиды представляют собой тетратерпены. Они состоят из восьми повторяющихся звеньев изопрена с циклической или линейной структурой на обоих концах углеродных цепей. Их красочный характер основан на системе многочисленных сопряженных двойных связей. Каротиноиды химически нестабильны и имеют тенденцию окисляться в присутствии света, тепла, кислорода, кислот и ионов металлов. Кроме того, они нерастворимы в воде. Однако, будучи важными липохромами, они растворяются в жирах (т.е. являются жирорастворимыми или липофильными) и обычно связываются с жирами (липидами) в организме. ^4,5,11

Каротиноиды делятся на бескислородные каротины (например, α-каротин, β-каротин, γ-каротин и ликопин) и обогащенные кислородом оксикаротиноиды. Вторые более известны под названием ксантофиллы (например, фукоксантин, лютеин и виолаксантин). Ксантофиллы образуют спирты, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты. Каротины хорошо растворимы в органических растворителях (например, эфире и гексане) и нерастворимы в полярных растворителях (например, спиртах). С ксантофиллами ситуация обратная. ^4,5,11

Биосинтез каротиноидов происходит посредством различных сложных переплетающихся процессов в хлоропластах. Различные химические процессы (катализ, конденсация, превращение) образуют ликопин из жирных кислот. Ликопин (ликопин) может превращаться в α-каротин и β-каротин. Каротины производят ксантофиллы, поэтому лютеин образуется из α-каротина. Каротины также превращаются в криптоксантин и зеаксантин. Зеаксантин производит виолаксантин. Наконец, неоксантин создается из виолаксантина. Эти химические превращения отражаются в естественных процессах созревания и окраски ⁴ (см. также следующую главу).

Функции в растениях

Каротиноиды поглощают свет в широком спектре, главным образом в синем диапазоне длин волн, и передают энергию света хлорофиллу для использования в фотосинтезе, чтобы инициировать фотохимические процессы фотосинтеза. Каротиноиды хранятся в мембранных белках хлоропластов, хромопластов, амилопластов (пластид, запасающих крахмал) и элайопластов (пластид, запасающих липиды). В плодах, цветах и корнях каротиноиды расположены в хромопластах, а в семенах — в амилопластах или элайопластах. Ксантофиллы свободно встречаются в зеленых тканях растений, а в плодах и цветах встречаются в виде эфиров жирных кислот. ^5.11

Хромопласты (от древнегреческого «хрома» = цвет) часто возникают из хлоропластов. Превращение начинается, как только созревают изначально зеленые цветы и плоды. Исчезает хлорофилл, меняется тонкая структура, а каротиноиды и жиры накапливаются в мелких каплях. Нечто подобное происходит и с осенней окраской листьев: хлорофилл расщепляется, каротиноиды сохраняются и определяют пигментацию. Кроме того, каротиноиды также встречаются связанными с белками или сахарами в виде водорастворимых производных в клеточных пространствах (вакуолях). Каротиноиды более стабильны в связанной форме, чем при воздействии света, воздуха и окислителей. Каротиноиды жизненно важны для листового органа всех растений, при этом только некоторые виды растений содержат каротиноиды в лепестках. ^5.11

К основным функциям каротиноидов относятся: ^11,8

• Поддержка процесса фотосинтеза (в виде светопоглощающих пигментов в составе фотосинтетического комплекса, расширяющих спектр поглощения хлорофиллов типов а и б)
• Поглощение избыточной световой энергии и рассеивание за счет тепла.
• УФ-защитный эффект от повреждения клеток
• Связывание свободных радикалов (антиоксидантные свойства)
• Мембранная стабилизация и рост растений
• Привлечение насекомых-опылителей с помощью цветных пигментов.
• Цветовые пигменты животных (в т.ч. перьев птиц, молока, чешуи рыб, ракообразных)
• Защита сетчатки глаз за счет эффекта фильтрации синего света.
• Межклеточная коммуникация посредством образования белков коннексина.
• Стимуляция иммунной системы и когнитивных функций

Встречаемость в продуктах питания

Каротиноиды — второй по распространенности пигмент, встречающийся в природе после хлорофилла. Однако они присутствуют во всех организмах по пищевой цепи. Наукой к настоящему времени выявлено около 750 каротиноидов, 18 из которых обнаружены в организме человека ¹¹ (цитируемый источник датирован 2021 годом). Наиболее распространены α-каротин, β-каротин, γ-каротин, ликопин, β-криптоксантин, лютеин и зеаксантин. Каротиноиды, присутствующие в организме животных и человека, обычно поступают из растительных источников пищи (таких как травы, фрукты, зерновые и овощи) или из синтетических источников (например, пищевые красители). γ-каротин является основным каротином всех зеленых растений и цианобактерий. Однако тля, паутинный клещ, некоторые археи, бактерии и грибы также могут производить каротины – например, γ-каротин из зеленых бактерий и ликопин из пурпурных бактерий. Что касается ксантофиллов, то в растениях и зеленых водорослях доминируют как лютеин, так и фукоксантин, что придает бурым и диатомовым водорослям характерную окраску. ¹¹

Источниками важных для человека каротиноидов являются: ^6,11

• α-каротин (желтый, оранжевый): всегда в сочетании с β-каротином, Среди прочего, в моркови, тыкве, сладком картофеле, перце и фруктах, таких как персики, абрикосы, дыни, бананы.
• β-каротин (желтый, оранжевый, зеленый): среди прочего Морковь, сладкий картофель, тыква, перец, капуста, шпинат
• Ликопин (ярко-красный): в помидорах, шиповнике, арбузах, абрикосах, розовых грейпфрутах, гуаве и других.
• β-криптоксантин (желтый, оранжевый): в лимонах, апельсинах, манго, папайе, дынях, картофеле, яблоках и других.
• Лютеин (темно-зеленый): содержится в зеленых овощах, таких как брокколи, горох, брюссельская капуста (капуста), фасоль, шпинат, портулак, капуста, кресс-салат, петрушка исалат.
• Зеаксантин (оранжево-желтый): содержится в кукурузе, цветках бархатцев, апельсинах, перце, ягодах годжи, облепихе и других.
• Виолаксантин (коричнево-желтый), капсантин (оранжевый), капсорубин (оранжево-красный): в анютиных глазках, одуванчике, цветках нарцисса, паприке ,перце и других.

В большинстве фруктов и овощей β-каротин обычно преобладает по сравнению с его геометрическим изомером α-каротином. Значительно высокие уровни альфа-каротина обнаружены в ограниченном количестве фруктов и овощей, таких как бананы, сладкий картофель, морковь, тыква и темно-зеленые овощи (например, стручковая фасоль, шпинат и брокколи). ^1,4 Поскольку α-каротин превращается в лютеин, преобладающими являются лютеин (почти 45%) и β-каротин (25–30%), за которыми следуют виолаксантин (10–15%) и неоксантин (10–15%). каротиноидов в зеленых листовых овощах. ¹¹

В зерне обнаружены каротиноиды, такие как лютеин, зеаксантин и криптоксантин, а также α-каротин и β-каротин, при этом общее содержание каротиноидов в кукурузе значительно выше, чем в овсе, пшенице или ячмене . В большинстве видов пшеницы лютеин составляет более 85% от общей концентрации каротиноидов. ¹

Неоксантин (желтый) – натуральный компонент листьев овощей. Биксин является основным компонентом пряности или красителя Аннато и отвечает за красновато-коричневый цвет. Кроцин становится шафранно -желтым. Некоторые каротиноиды содержатся только в водорослях и морепродуктах. Астаксантин встречается в природе в микроводорослях вида Haematococcus pluvialis и в качестве метаболического продукта у криля ¹⁶ . Этот каротиноид вызывает типичную окраску перьев креветок, лосося и фламинго при приеме пищи (пищевая цепь). ⁴

Количественную информацию о наличии каротиноидов в различных продуктах растительного происхождения можно найти в сравнении питательных веществ ингредиентов . Рекомендации по классификации растительных продуктов по содержанию в них каротиноидов разделены на следующие категории: низкое содержание (0–100 мкг/100 г), умеренное содержание (100–500 мкг/100 г), высокое содержание (500–2000 мкг/100 г). ) и очень высоким содержанием (>2000 мкг/100 г). ^1.4 В упомянутой таблице (сравнение питательных веществ ингредиентов) показано, что многие свежие, а иногда и сушеные травы (такие как петрушка, базилик, кориандр и т. д.) являются продуктами, очень богатыми каротиноидами. Это подтверждено некоторыми исследованиями ^13,14 (также для свежего укропа и кервеля ¹⁵ ); Однако, по нашим данным, такие исследования достаточно редки.

Различные факторы, такие как сорт, генотип и стадия зрелости, а также время сбора урожая, условия выращивания, послеуборочная обработка, обращение, условия хранения, болезни растений и климатические условия, влияют на состав и содержание каротиноидов в пищевых продуктах. Различные части одного и того же растения также могут содержать разные типы и количества каротиноидов: например, кожура фруктов обычно богаче каротиноидами, чем мякоть. ⁴

Всасывание в организме человека и биодоступность

Из примерно 750 известных каротиноидов человеческий организм усваивает и метаболизирует около 40–50. Пережевывание пищи и действие ферментов в процессе пищеварения высвобождают каротиноиды из пищи. Это служит для хранения каротиноидов в мицеллах. Мицеллы расположены сферически, связаны липидами в воде. Соли желчных кислот способствуют образованию мицелл, помогая расщеплять липиды. Это приводит к перевариванию и всасыванию пищевых веществ, таких как каротиноиды. Липазы — это ферменты, которые поддерживают этот процесс, расщепляя липиды на более мелкие молекулы. ⁹

Превращение β-каротина в витамин А происходит в клетках стенки тонкой кишки. Избыточные каротиноиды через кровоток достигают других тканей, таких как жировая ткань, кожа и подкожная клетчатка (запасы каротина и ксантофилла), желтое тело сетчатки (лютеин, зеаксантин и мезозеаксантин), поджелудочная железа и эндотелий сосудов. ⁹

Характер пищи оказывает сильное влияние на биодоступность каротиноидов. Исследования показывают, что биодоступность β-каротина в сырых продуктах довольно низкая, поскольку каротиноиды связываются с белковыми комплексами, волокнами и клеточными стенками, что делает их устойчивыми к перевариванию и расщеплению, а также ограничивает их высвобождение. ⁴ Растворимая клетчатка потенциально ограничивает биодоступность каротиноидов, поскольку она влияет на вязкость содержимого желудочно-кишечного тракта, размер липидных капель, доступность солей желчных кислот и ферментативный липолиз триглицеридов.

Согласно нескольким исследованиям, улучшение биодоступности может происходить за счет одновременного приема минералов, уменьшения количества клетчатки, высвобождения клеточного содержимого, размягчения растительного материала и уменьшения взаимодействия между каротиноидами и другими пищевыми компонентами. ^3,4,6 Это означает, что тщательная подготовка или тип потребления могут заметно увеличить усвоение каротиноидов. Было доказано, что такие факторы, как измельчение, приготовление пищи или добавление жира, увеличивают их доступность и, следовательно, их усвоение. ¹⁷ Измельчение играет здесь самую большую роль. ^17.18

В любом случае жир увеличивает поглощение каротиноидов из пищи; Однако гораздо эффективнее сильно измельчить пищу (хорошо пережевать, пюрировать и т. д.). Приготовление пищи помогает дестабилизировать клеточные стенки и, следовательно, также способствует доступности; Однако в то же время он разрушает термочувствительные ингредиенты, такие как многие витамины группы В или витамин С. ^18,20

Когда дело доходит до потребления жиров, достаточно натуральных жиров, таких как орехи ( макадамия, грецкие орехи и т. д.) или авокадо . ^18,19 Вам следует избегать добавления масла или даже сливочного масла, поскольку они не дают лучших результатов с точки зрения биодоступности и приносят больше вреда, чем пользы . Однако многочисленные научные публикации не принимают во внимание эти факты и акцентируют внимание лишь на теме масла: исследования подчеркивают, что концентрации ликопина и зеаксантина в плазме увеличиваются при всасывании каротиноидов с использованием растительных масел ( сафлорового масла ) в качестве вещества-носителя. Аналогичным образом, одно исследование показало влияние соевого масла на абсорбцию и биодоступность каротиноидов из шпината, салата, моркови и помидоров. Концентрации α-каротина, β-каротина, лютеина и ликопина в плазме повышались с увеличением концентрации соевого масла. ⁴

Методы упаковки и обработки (например, термическая обработка и различные процессы сушки) значительно ухудшают содержание каротиноидов. Для большинства овощей сушка снижает содержание каротиноидов на 10-20%, а измельчение приводит к дальнейшим потерям, а также самоокислению, высоким температурам, свету и воздуху. Термическая обработка приводит к их деградации из-за возможной транс - тоцис- изомеризации β-каротина и лютеина. Это было сделано в серии исследований фруктов и овощей, таких как горох, брокколи, капуста, шпинат и кукуруза. ^4.7

Хотя термическая обработка снижает содержание каротиноидов, при нагревании концентрация некоторых каротиноидов (например, ликопина) увеличивается, поскольку изменяются структуры белково-каротиноидных комплексов. Исследования показывают, что уровень лютеина и β-каротина в различных овощах имеет тенденцию повышаться при приготовлении и снижаться при приготовлении на пару. Уровни виолаксантина и неоксантина снижаются при приготовлении пищи несколько меньше, чем при приготовлении на пару. Необходимы дальнейшие исследования для изучения природы различных каротиноидов во время термической обработки. ^2,3,4

Климатические и географические компоненты также влияют на содержание каротиноидов. Исследования показывают, что фрукты, подвергающиеся воздействию высоких температур и солнечного света, улучшают биосинтез каротиноидов, защищая растение от фотоокисления. ⁴

Биологически активные добавки и добавки

Производство β-каротина и большинства других каротиноидов сегодня сравнительно недорого. В пищевой промышленности некоторые каротиноиды (Е160) используются для окраски и приготовления пищевых продуктов, безалкогольных напитков, соков, сливочного масла, консервов, джемов и выпечки; Виолаксантин и астаксантин (E161j) также используются в качестве добавок в корма для животных, а также лютеин (E161b) и кантаксантин (E161g, например, из лисичек) для окраски мяса выращенного лосося или для улучшения цвета яичных желтков.

Пищевая добавка бета-каротин (Е160а) получают из моркови, а аннато (синоним: Биксин, Норбиксин, Е160b) — из куста аннато ( Bixa orellana — из Перу/Бразилия, т.е. неотропики). ^6.9 Каротиноид ликопин (Е160d, син.: ликопин, лейкопин) в высоких концентрациях содержится в томатах и плодах шиповника, зеаксантин (Е161h) часто получают синтетически или экстрагируют из богатых зеаксантином частей растений и водорослей, в том числе из лепестков бархатцев. или Тагетес ( Tagetes L.).

Другими используемыми каротинами являются α-, β- и γ-каротин и капсантин (E160c, основной каротиноид красного перца, а также капсорубин). А также ксантофиллы, такие как флавоксантин (утвержденный как E161a до 1994 г., например, из цветков одуванчика), криптоксантин (например, из апельсинов), рубиксантин (утвержденный как E161d до 1994 г., например, из плодов шиповника) и родоксантин (утвержденный как E161f до 1994 г.).

В фармацевтической технологии каротины используются для окраски драже, капсул, суппозиториев, мазей и эмульсий. В медицине чистый β-каротин выступает в качестве препарата для системного лечения кожных заболеваний, в качестве сопутствующего препарата при введении фототоксических препаратов и для предотвращения хронических световых повреждений, изменений тканей и опухолей. Кантаксантин содержится в продуктах для загара. ^6,9

Однако использование каротиноидов в пищевой промышленности ограничено из-за их низкой растворимости в воде, биодоступности и быстрого высвобождения. Процессы инкапсуляции улучшают стабильность, растворимость и биодоступность каротиноидов. Пищевая промышленность использует этот метод уже более 60 лет для упаковки пищевых ингредиентов, ферментов, клеток или других функциональных соединений в небольшие капсулы; с целью защиты их от воздействия окружающей среды, продления срока годности или маскировки свойств компонентов, например нежелательных ароматизаторов. ⁴

Передозировка может привести к гиперкаротинемии (пожелтению кожи), которая обратима при прекращении приема каротина. Вполне возможно, что потребление β-каротина курильщиками, перенесшими инфаркт миокарда, увеличивает риск смертельного заболевания сердца. Однако β-каротин считается во многом безвредным веществом. ^4,5

Спектр воздействия на здоровье

Исследования широко подтверждают многочисленные положительные свойства каротиноидов для здоровья, такие как их антиоксидантное, противоопухолевое, антидиабетическое, антивозрастное и противовоспалительное действие. Особенно ценятся эффекты каротиноидов провитамина А. Около 50 из примерно 750 известных каротиноидов в процессе расщепления производят вещества со свойствами провитамина А, такие как α-, β- и γ-каротины, а также β-криптоксантин. Другие включают сапотексантин, криптокапсин и β-апо-8'-каротиналь (бета-апо-8'-каротиналь). Только каротиноиды с β-ионным кольцом обладают активностью провитамина А, которой нет у каротиноидов, таких как ликопин, лютеин и зеаксантин. ⁴

Витамин А существует в виде ретиналя, ретинола и ретиноевой кислоты. Витамин необходим для поддержания зрения, модуляции экспрессии генов, содействия эмбриональному развитию и размножению, роста и дифференцировки клеток, укрепления иммунной системы, стимуляции метаболических процессов в желудочно-кишечном тракте и снижения риска развития рака. ⁴

Следует подчеркнуть антиоксидантные свойства всех каротиноидов, в частности β-каротинов, α-каротинов, зеаксантина, β-криптоксантина, кантаксантина, астаксантина, лютеина и ликопина. Будучи антиоксидантами, они замедляют, ингибируют или предотвращают окисление молекул и защищают клетки, ткани и органы от повреждений, вызванных свободными радикалами. Благодаря своим длинным цепочкам двойных связей ликопин особенно эффективен и защищает от окислительного стресса. ^1.4. Самые высокие концентрации ликопина у человека обнаруживаются в надпочечниках, печени, семенниках и простате. Опухоли должны создавать новые кровеносные сосуды из уже существующих (ангиогенез; это важно для васкуляризации и роста опухолей). Ликопин настолько препятствует этому процессу, что считается перспективным объектом исследований в области терапии рака. ¹²

Каротиноиды активируют определенные гены, которые контролируют выработку белка (коннексина), который является частью клеточных коммуникационных структур. Клетки используют эти связи для обмена сигналами и веществами-мессенджерами, регулирующими рост клеток. Этот обмен сигналами больше не происходит в раковых клетках. Присутствие α- и β-каротина, зеаксантина, лютеина или ликопина подавляет трансформацию ранее поврежденных клеток в раковые. Противовоспалительные свойства этих каротиноидов благотворно влияют на канцерогенез. Потребление каротиноидов или концентрация каротиноидов в крови оказывает положительное влияние на рак легких, простаты, пищевода, шейки матки, яичников, молочной железы, желудка и толстой кишки. Исследования также отметили положительный синергизм между каротиноидами и фенольными соединениями за счет усиления антиоксидантной активности в организмах. ^1,5,9

Однако результаты различных интервенционных исследований с β-каротином позволяют предположить, что эти связи не обязательно являются причинно-следственными. Возможно, β-каротин следует рассматривать как индикатор диеты, богатой фруктами и овощами, которая в целом оказывает противораковое действие благодаря содержанию вторичных растительных веществ, витаминов и минералов. Такие данные также доступны для α-каротина, лютеина, ликопина, зеаксантина и β-криптоксантина. Достаточное потребление каротиноидов может быть связано с более низким риском заболеваний сердца, костей, кожи и глаз. ^1,9

Когда дело доходит до модификации каротиноидов для лечения диабета, механизм действия до сих пор не ясен, но антиоксидантный эффект, наряду с другими процессами, играет центральную роль. Диета, богатая каротиноидами, снижает риск остеоартрита коленного сустава, остеопороза, артрита и стимулирует рост костей. Обширные исследования демонстрируют профилактическое воздействие ликопина на сердечно-сосудистые заболевания. Клинические исследования показывают, что ликопин снижает уровень общего холестерина. Недавние исследования демонстрируют роль каротиноидов в качестве иммунных регуляторов в форме терапевтических средств при вирусных инфекциях, таких как COVID-19 и ВИЧ. Однако для подтверждения этого необходимо провести дальнейшие исследования. ^1,4,8

Спорно обсуждается, оказывают ли также влияние на здоровье вторичные растительные вещества, синтезируемые или удаляемые из растения, включая большинство каротиноидов. В любом случае каротиноиды идеальны в качестве биомаркеров из-за их большого структурного разнообразия и распределения. Исследования фиксируют ежедневное потребление овощей путем измерения количества каротиноидов в крови или в продуктах выделения. ⁴

Резюме:

Каротиноиды имеют фундаментальное значение для растений и выполняют множество функций в фотосинтезе, светозащите, окраске, синтезе фитогормонов и передаче сигналов. Каротиноиды как вторичные растительные вещества также обладают многочисленными потенциалами для укрепления здоровья человека и имеют решающее значение в качестве предшественников синтеза витамина А и антиоксидантов в пищевых продуктах. Они существенно помогают снизить окислительный стресс и снизить риск различных заболеваний. Каротиноиды в основном содержатся во фруктах и овощах, но также очень хорошо представлены в травах.

Несмотря на сложную тему, на практике применяется следующее: отдавайте предпочтение разнообразной, растительной и сезонно-ориентированной диете с как можно более необработанными органическими продуктами. Это означает, что вы можете получить оптимальную пользу от разнообразных положительных эффектов вторичных растительных веществ. Мы должны есть растительные продукты как можно более сырыми и необработанными или готовить их щадящим способом, чтобы полностью раскрыть их питательный потенциал. Что касается каротиноидов, обратите внимание на наши дополнительные советы по приготовлению и употреблению для обеспечения оптимальной биодоступности. Поскольку второстепенные растительные вещества часто находятся во внешних слоях, очищайте овощи и фрукты осторожно. Если вы веган или всеядный человек, обратите внимание на статью «Веганы часто едят нездоровую пищу». Предотвратимые ошибки в питании . Многие из наших недавно отредактированных описаний продуктов питания предоставляют вам конкретную информацию о том, какие из упомянутых веществ наиболее заметно представлены в обсуждаемом ингредиенте.