Carotine

Strukturen einiger Carotine
α-Carotin (CAS-Nummer: 7488-99-5, PubChem 6419725)
β-Carotin (CAS-Nummer: 7235-40-7, PubChem 5280489)
γ-Carotin (CAS-Nummer: 472-93-5, PubChem 5280791)
δ-Carotin (CAS-Nummer: 472-92-4, PubChem 5281230)
Lycopin (CAS-Nummer: 502-65-8, PubChem 446925)

Carotine (Plural zu Carotin, von lateinisch carota „Karotte“) sind zu den Terpenen zählende ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit der Summenformel C₄₀H_x, die als rotgelbe Naturfarbstoffe in vielen Pflanzen vorkommen, besonders in deren farbigen Früchten, Wurzeln und Blättern.

Die Carotine gehören zu den sekundären Pflanzenstoffen; sie werden von Pflanzen aufgebaut – Tiere können dies im Allgemeinen nicht – und stellen Pigmente dar, die teils als akzessorisches Pigment bei der Photosynthese mitwirken, indem Doppelbindungen ihrer Kohlenstoffkette Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren. Chemisch handelt es sich um Tetraterpene, deren Enden als Jonon-Ringe vorliegen können. Carotine sind unpolar, daher lipophil und kaum wasserlöslich. Sie enthalten neben Kohlenstoff- nur Wasserstoffatome und treten in zahlreichen Varianten auf. Die Xanthophylle enthalten dagegen außerdem Sauerstoff; Carotine und Xanthophylle bilden die beiden Hauptgruppen der Carotinoide.

Das bekannteste Carotin ist das β-Carotin (beta-Carotin). Es ist die wichtigste Vorstufe von Vitamin A und wird deswegen auch als Provitamin A bezeichnet. Neben β-Carotin können auch α- (alpha-) und γ-Carotin (gamma-Carotin) sowie β-Cryptoxanthin in Vitamin A umgewandelt werden. Die verschiedenen Vorstufen haben jedoch auch von Vitamin A unabhängige Wirkungen.

In Pflanzen haben Carotine eine Funktion bei der Photosynthese und schützen vor den schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlen. In den Wurzeln von Pflanzen gebildet, übernehmen sie dort den Schutz vor Infektionen.

Der Mensch nimmt mit seiner Nahrung in größeren Mengen α- und β-Carotin, α- und β-Cryptoxanthin sowie Lycopin auf. Die Funktionen und Wirkungen der Carotine im menschlichen Körper werden mehr und mehr bekannt, sind aber teils umstritten. So lassen etwa neuere Studien Zweifel an der krebshemmenden Wirkung aufkommen. Eine generell zellschützende Wirkung als Antioxidantien kann ihnen jedoch zugeschrieben werden.

α-Carotin (Alpha-Carotin) ist mit β-Carotin der Farbstoff der Karotte und mit Lycopin das Rot der Tomate. Auch die gelben bis roten Farbstoffe in Spinat, Salat, Orangen, Bohnen, Broccoli und Paprika sind Carotine.

β-Carotin (Beta-Carotin, INN: Betacaroten) ist die wichtigste Vorstufe von Retinol (Vitamin A) und wird deshalb auch als Provitamin A bezeichnet.

Die besten Quellen von Beta-Carotin sind Grünkohl, tiefgelbe bis orange Früchte und Gemüse, aber auch dunkelgrüne Gemüsesorten. Grünkohl hat mit 8,68 mg β-Carotin/100 g den höchsten Gehalt an Beta-Carotin von allen Lebensmitteln.^[1] Beispiele:

• gelbe bis orange Gemüse: Karotten, Süßkartoffeln, Kürbisse
• gelbe bis orange Früchte: Kakis, Aprikosen, Papayas, Mangos, Nektarinen, Pfirsiche, Birnen, Sanddorn
• dunkelgrünes Gemüse: Grünkohl, Spinat, Broccoli, Endivien, Chicorée, Kresse, Rucola, Blätter von Roter Beete oder Löwenzahn, hoher Gehalt in Blättern von Wiesen-Sauerampfer (0,15 %) und Portulak (0,45 %).
• auch mögliche Quellen von β-Carotin sind: Tomaten, Spargel, Erbsen, Kohl, Mais, Sauerkirschen, Pflaumen

Die IUPAC empfiehlt abweichend eine Nomenklatur der Carotine entsprechend deren Endgruppen, wobei β oder ε für Jononringe enthaltende und ψ für offenkettige Endstrukturen stehen. Somit heißt α-Carotin auch β,ε-Carotin, β-Carotin auch β,β-Carotin, γ-Carotin auch β,ψ-Carotin, δ-Carotin auch ε,ψ-Carotin und Lycopin nach IUPAC-konformer Nomenklatur auch ψ,ψ-Carotin.^[2] Die vorgenannten Verbindungen haben alle die gleiche Summenformel C₄₀H₅₆, ebenso wie ε-Carotin (epsilon-Carotin, ε,ε-Carotin), anders als beispielsweise ζ-Carotin (zeta-Carotin, Tetrahydro-ψ,ψ-carotin; C₄₀H₆₀), eine aus Phytoen (Octahydro-ψ,ψ-carotin; C₄₀H₆₄) gebildete Vorstufe von Neurosporin (Dihydro-ψ,ψ-carotin; C₄₀H₅₈) wie darüber von Lycopin bei der Biosynthese von Carotinoiden in Pflanzen und in einigen Schlauchpilzen, beispielsweise Neurospora crassa.

Zur zuverlässigen qualitativen und quantitativen Bestimmung der Carotine in humanen Blut-/Plasmaproben eignet sich nach angemessener Probenvorbereitung die Kopplung der HPLC mit der Massenspektrometrie.^[3][4] Die analytische Technik eignet sich ebenfalls nach spezifischer Probenvorbereitung zur Bestimmung der Carotine in pflanzlichem Material.^[5][6][7] Auch zur Analytik von Ölen ist die Methodik einsetzbar.^[8]

Aus Pflanzen extrahiertes oder synthetisch hergestelltes Beta-Carotin wird als Lebensmittelfarbstoff (E 160a^[9], siehe Lebensmittelzusatzstoff) sowie als Beigabe zu Vitaminpräparaten verwendet.^[10] Beta-Carotin wird vielen Lebensmitteln wie zum Beispiel Butter, Margarinen, Süßwaren, Molkereiprodukten und Limonaden in teilweise sehr hohen Mengen zugesetzt, um dem Verbraucher das von ihm erwartete Bild der Ware (Farbe) zu bieten.^[11] Ansonsten wären beispielsweise Margarinen mehr oder weniger weiß bis hellgrau. Die meisten Fette sind im reinen Zustand farblos – die üblicherweise mit Fetten assoziierten Farben kommen von entsprechenden Spurenstoffen. Der gelbliche Ton von menschlichem Körperfett (z. B. Talg) und Butter basiert auf natürlicherweise enthaltenem Carotin und kann je nach Ernährung variieren.

Die Aufnahme von β-Carotin ist schlechter als von Vitamin A. Es muss etwa sechsmal so viel β-Carotin aufgenommen werden, um dem Körper die gleiche Menge Vitamin A zur Verfügung zu stellen. Die beiden Stoffe sind frei kombinierbar. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) empfiehlt für gesunde Erwachsene eine tägliche Zufuhr von 0,8 bis 1,1 mg Vitamin A.

Anders als bei Vitamin A kann es beim Menschen nach übermäßiger Zufuhr von Carotinen mit Provitamin-A-Aktivität nicht zu einer Hypervitaminose kommen. Dies liegt an der geringeren Resorptionsrate für Carotine (20–35 % für β-Carotin) sowie an der begrenzten Kapazität zur Umwandlung in Vitamin A.^[12] Die enzymatisch gesteuerte Konversion zu Vitamin A hängt von der Höhe der β-Carotin- und Proteinzufuhr, der Vitamin-E-Versorgung und der gleichzeitigen Fettzufuhr ab. Auch der Vitamin-A-Status spielt eine große Rolle: Je besser die Vitamin-A-Versorgung, desto geringer die Enzymaktivität.^[13]

Der Mensch transportiert einen Großteil aufgenommener Carotinoide in unveränderter Form, während die Ratte Carotinoide nahezu vollständig konvertiert.^[14] Carotinoide finden sich in verschiedenen Organen des Menschen. Die höchsten Konzentrationen lassen sich in der Leber, der Nebenniere, den Hoden und dem Gelbkörper feststellen; Niere, Lunge, Muskeln, Herz, Gehirn oder Haut weisen dagegen geringere Carotinoidspiegel auf.^[15]

Ein Überschuss an Carotinoiden als Folge einer langandauernden übermäßigen Zufuhr macht sich beim Menschen optisch als Gelbfärbung der Haut bemerkbar („Carotinodermie“, „Karottenikterus“, Carotinämie). Betroffen sind zunächst der Bereich der Nasolabialfalten, die Palmarseite der Hände und die Fußsohlen. Die Gelbfärbung geht zurück, wenn die Überversorgung eingestellt wird.^[16]

Teratogene Effekte des β-Carotin sind nicht bekannt. Sogar hohe supplementierte Tagesdosen (20–30 mg) oder eine überaus carotinreiche Ernährung über lange Zeiträume sind nicht mit einer Toxizität verbunden.^[16]

Allerdings steht die mehrjährige Supplementierung von β-Carotin im Verdacht, bei Rauchern und Trinkern das Inzidenzrisiko für Lungenkrebs^[17][18][19] und Darmkrebs^[20] zu erhöhen. So wurde in einer australischen Studie im Journal of the National Cancer Institute vom 21. Mai 2003, die den Effekt als Sonnenschutzmittel untersuchen wollte, bei Rauchern und Personen, die regelmäßig mehr als ein alkoholisches Getränk pro Tag zu sich nahmen, eine doppelte Anzahl von Adenomen des Dickdarms – den Vorstufen von Darmkrebs – gefunden. Bei Nichtrauchern und Nichttrinkern reduzierte sich stattdessen deren Auftreten um 44 %. Die American Cancer Society verlangt Warnschilder auf β-Carotin-haltigen Waren, um Raucher auf ein möglicherweise gesteigertes Lungenkrebsrisiko hinzuweisen.^[21]

Nach Anordnung des Bundesinstituts für Arzneimittel müssen seit Mai 2006 alle Arzneimittel, die zwischen 2 mg und 20 mg β-Carotin enthalten, mit dem Warnhinweis versehen werden, dass „starke Raucher“ („20 oder mehr Zigaretten“ täglich) diese Arzneimittel nicht über einen längeren Zeitraum einnehmen sollten. Arzneimittel mit mehr als 20 mg β-Carotin müssen nach dieser Anordnung unter „Gegenanzeigen“ erwähnen, dass das Arzneimittel von starken Rauchern nicht eingenommen werden darf. Auf das in klinischen Studien festgestellte erhöhte Risiko für das Auftreten von Lungenkrebserkrankungen bei Rauchern muss jeweils zusätzlich hingewiesen werden. Für Arzneimittel, die β-Carotin nur als Hilfsstoff enthalten und bei deren Anwendung mehr als 2 mg β-Carotin pro Tag eingenommen werden, wurde die Zulassung zum 1. Juli 2006 widerrufen.^[22]

Durch die Studien kann keine Aussage darüber getroffen werden, ob durch den Konsum von naturbelassenen Lebensmitteln mit natürlichem Carotingehalt eine Gefahr bestehen könnte; allerdings ist der Anteil von β-Carotin in naturbelassenen Lebensmitteln und Säften oftmals merklich geringer als in künstlich damit angereicherten.

Im Rahmen der sogenannten CARET-Studie wurde in den 1990er Jahren der Effekt einer Supplementierung von täglich 30 mg β-Carotin in Kombination mit 25.000 I.E. Retinylpalmitat auf das Inzidenzrisiko für verschiedene Krebserkrankungen sowie die Mortalität untersucht. Es nahmen 18.314 Personen teil, deren Inzidenzrisiko für Lungenkrebs erhöht war, weil sie entweder eine langjährige Raucherkarriere hinter sich hatten oder Asbeststaub ausgesetzt waren. Die Forscher fanden als mutmaßliche Supplementierungsfolge neben der weiteren Risikoerhöhung für Lungenkrebs auch eine erhöhte Sterblichkeit infolge einer Herz-Kreislauf-Erkrankung.^[23]

Carotin wurde zuerst von Ferdinand Wackenroder entdeckt, der es aus Karotten isolierte. William Christopher Zeise erkannte, dass es sich um einen Kohlenwasserstoff handelt.^[24] Paul Karrer, der 1937 für seine Untersuchungen an Carotinoiden, Flavinen und Vitaminen den Nobelpreis für Chemie erhielt, hatte 1930 die korrekte Konstitutionsformel des beta-Carotins aufgestellt.^[25] Zur Strukturaufklärung nutzte er Abbaureaktionen mit Ozon, Kaliumpermanganat oder Chromsäure.^[26] Die genaue Anordnung der Atome von β-Carotin wurde mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse bestimmt und 1964 bekanntgegeben.^[27][28]

1. ↑ Lebensmittel: Beta-Carotin. DocMedicus: Vitalstoff-Lexikon.de; abgerufen am 5. März 2017.
2. ↑ Nomenclature of carotenoids. In: Pure and Applied Chemistry. Band 41, Nr. 3, 1975, S. 405–431, doi:10.1351/pac197541030405. 
3. ↑ M. Zoccali, D. Giuffrida, F. Salafia, S. V. Giofrè, L. Mondello: Carotenoids and apocarotenoids determination in intact human blood samples by online supercritical fluid extraction-supercritical fluid chromatography-tandem mass spectrometry. In: Anal Chim Acta, 22. November 2018, Band 1032, S. 40–47. PMID 30143220
4. ↑ R. E. Kopec, R. M. Schweiggert, K. M. Riedl, R. Carle, S. J. Schwartz: Comparison of high-performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry and high-performance liquid chromatography/photo-diode array detection for the quantitation of carotenoids, retinyl esters, α-tocopherol and phylloquinone in chylomicron-rich fractions of human plasma. In: Rapid Commun Mass Spectrom., 30. Juni 2013, Band 27, Nr. 12, S. 1393–1402. PMID 23681818
5. ↑ D. Giuffrida, P. Donato, P. Dugo, L. Mondello: Recent Analytical Techniques Advances in the Carotenoids and Their Derivatives Determination in Various Matrixes. In: J Agric Food Chem., 4. April 2018, Band 66, Nr. 13, S. 3302–3307; Review. PMID 29533609
6. ↑ M. Zoccali, D. Giuffrida, P. Dugo, L. Mondello: Direct online extraction and determination by supercritical fluid extraction with chromatography and mass spectrometry of targeted carotenoids from red Habanero peppers (Capsicum chinense Jacq.). In: J Sep Sci., Oktober 2017, Band 40, Nr. 19, S. 3905–3913. PMID 28759173
7. ↑ Y. J. Park, S. Y. Park, M. Valan Arasu, N. A. Al-Dhabi, H. G. Ahn, J. K. Kim, S. U. Park: Accumulation of Carotenoids and Metabolic Profiling in Different Cultivars of Tagetes Flowers. In: Molecules, 18. Februar 2017, Band 22, Nr. 2. PMID 28218705
8. ↑ C. L. Flakelar, P. D. Prenzler, D. J. Luckett, J. A. Howitt, G. Doran: A rapid method for the simultaneous quantification of the major tocopherols, carotenoids, free and esterified sterols in canola (Brassica napus) oil using normal phase liquid chromatography. In: Food Chem., 1. Januar 2017, Band 214, S. 147–155. PMID 27507459
9. ↑ Eintrag zu E 160a: Carotenes in der Europäischen Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe, abgerufen am 16. Juni 2020.
10. ↑ M. J. Scotter, L. Castle, J. M. Croucher, L. Olivier: Method development and analysis of retail foods and beverages for carotenoid food colouring materials E160a(ii) and E160e. In: Food Additives and Contaminants. Band 20, 2003, S. 115–126, doi:10.1080/0265203021000055397.
11. ↑ P. Hahn: Lexikon Lebensmittelrecht. Behr’s Verlag, 1998, ISBN 3-86022-334-8.
12. ↑ Karl-Heinz Bässler, Konrad Lang: Vitamine. Dr. Dietrich Steinkopff Verlag, Darmstadt 1975, ISBN 3-7985-0431-8.
13. ↑ Carotinoide. In: Lexikon der Ernährung. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001.
14. ↑ Thomas Arnhold: 1.4.2 Absorption und Metabolismus im Intestinaltrakt. In: Untersuchungen zum Metabolismus von Vitamin A / Retinoiden im Hinblick auf eine Risikoabschätzung ihrer teratogenen Wirkung beim Menschen. Dissertation. Braunschweig, 7. März 2000, S. 10. (Volltext)
15. ↑ H. K. Biesalski, J. Köhrle, K. Schümann: Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Georg Thieme Verlag, Stuttgart / New York 2002, ISBN 3-13-129371-3, S. 41–49.
16. ↑ ^{a b} Health Risks from Excessive Vitamin A In: Vitamin A – Fact Sheet for Health Professionals. National Institutes of Health – Office of Dietary Supplements, 5. Juni 2013.
17. ↑ The Alpha-Tocopherol Beta Carotene Cancer Prevention Study Group: The effect of vitamin E and beta carotene on the incidence of lung cancer and other cancers in male smokers. In: The New England journal of medicine. Band 330, Nummer 15, April 1994, S. 1029–1035, doi:10.1056/NEJM199404143301501. PMID 8127329.
18. ↑ M. E. Wright, S. D. Groshong u. a.: Effects of beta-carotene supplementation on molecular markers of lung carcinogenesis in male smokers. In: Cancer Prevention Research. Band 3, Nummer 6, Juni 2010, S. 745–752, doi:10.1158/1940-6207.CAPR-09-0107. PMID 20484175. PMC 3496925 (freier Volltext).
19. ↑ D. Albanes, O. P. Heinonen u. a.: Alpha-Tocopherol and beta-carotene supplements and lung cancer incidence in the alpha-tocopherol, beta-carotene cancer prevention study: effects of base-line characteristics and study compliance. In: Journal of the National Cancer Institute. Band 88, Nummer 21, November 1996, S. 1560–1570. PMID 8901854.
20. ↑ β-Carotin erhöht bei Rauchern und Trinkern das Darmkrebsrisiko. wissenschaft.de, 21. Mai 2003, abgerufen am 11. September 2019. 
21. ↑ Vitamin supplements, smoking and lung cancer risk. 14. April 2011, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 25. Oktober 2012; abgerufen am 26. August 2012 (englisch). 
22. ↑ Bescheid vom 07.12.2005 bezüglich des Anhörungsschreibens der Stufe II vom 11.06.2003. (PDF) Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM).
23. ↑ G. E. Goodman u. a.: The Beta-Carotene and Retinol Efficacy Trial: incidence of lung cancer and cardiovascular disease mortality during 6-year follow-up after stopping beta-carotene and retinol supplements. In: Journal of the National Cancer Institute. Band 96, Nummer 23, Dezember 2004, S. 1743–1750, doi:10.1093/jnci/djh320. PMID 15572756.
24. ↑ Theodore L. Sourkes: The Discovery And Early History Of Carotene. In: Bull. Hist. Chem. Band 34, 2009, S. 32–38. scs.illinois.edu (PDF; 0,4 MB)
25. ↑ Biografie Paul Karrer. nobelprize.org (englisch).
26. ↑ P. Karrer, A. Helfenstein, H. Wehrli, A. Wettstein: Pflanzenfarbstoffe XXV. Über die Konstitution des Lycopins und Carotins. In: Helvetica Chimica Acta, 1. Oktober 1930, Band 13, Nr. 5, S. 1084–1099; doi:10.1002/hlca.19300130532.
27. ↑ β-Carotene, helps you see in the dark
28. ↑ Clarence Sterling: Crystal structure analysis of β-carotene. In: Acta Crystallographica, 1964, Band 17, Nr. 10, S. 1224–1228; doi:10.1107/S0365110X64003152.