Каротиноиды группа биологически активных соединений, которая всегда привлекала внимание как диетологов за счет их пользы для здоровья и безопасного источника природного витамина А, который образуется при ферментативном метаболизме, так и работников пищевой промышленности для формирования оптимальных цветовых характеристик и пищевой ценности пищевых продуктов. Химическая природа каротиноидов определяет их множественные свойства: так, наличие системы сопряженных двойных связей обуславливает их окраску, количество двойных связей антиоксидантную активность, наличие ионовых колец провитаминные свойства.
В природе обнаружено около 750 каротиноидов, в большей степени они имеют растительную природу, но также содержатся в рыбе и морепродуктах (астаксантин) и водорослях (фукоксантин).
В организм человека вместе с пищевыми продуктами поступает только 40 каротиноидов, из них 10% проявляют А-витаминную активность.
Каротиноиды представляют собой соединения, содержащие 40 углеродных атомов, построенных из 8 изопреновых фрагментов и образующих полипреноидную цепь с сопряженной системой двойных связей. Эта цепь может циклизироваться на концах, образуя несколько типов иононовых колец. Длина цепи оказывает влияние на окраску каротиноидов (от желтого и оранжевого до глубокого красного), а наличие иононовых колец на витаминную активность. При наличии в структуре каротиноидов 9 и более сопряженных связей они проявляют максимальное защитное действие от синглетного кислорода.
Каротиноиды делят на каротины, состоящие из атомов углерода и водорода, и ксантофиллы, имеющие в своем составе дополнительно атомы кислорода в виде гидрокси-, метокси-, эпокси- или кетогрупп. Представители каротинов обычно оранжевого цвета (α- и β-каротины). Более разнообразны по цвету ксантофиллы: астаксантин ярко-алый, капсантин темно-красный, лютеин, зеаксантин и виолаксантин желтые. При включении в цепь сопряжения кето-групп, например, при окислении зеаксантина до капсантина и капсорубина в перцах (Capsicum annuum) происходит замена оранжевой окраски на красную. Довольно часто оранжевая окраска каротиноидов маскируется другими пигментами, например хлорофиллом или антоцианами. Это наблюдается в листовых овощах, зеленых плодах, сине-окрашенных ягодах и др.
Из 40 каротиноидов, поступающих с пищей, основными являются три каротина (α- и β- каротин, ликопин) и три ксантофилла (βкриптоксантин, зеаксантин и лютеин), имеющие типичное строение для соответствующей группы каротиноидов.
В растительных объектах каротиноиды представлены в транс-, транс-цис- и цисформах, а также этерифицированы жирными кислотами. Более стабильной и энергетически выгодной считается транс-форма, но теоретически цис-транс-изомеризация может происходить по каждой двойной связи, что частично или полностью происходит при приготовлении пищи. Цис-изомеры обладают большей биологической активностью, более легко встраиваясь в биомембраны и липопротеины, чем транс-изомеры.
Химическая структура каротиноидов, наиболее часто встречающихся в свежих плодах и овощах и пищевых продуктах с их использованием А-витаминные свойства. Каротиноиды являются безопасным и единственным источником природного витамина А, который образуется при ферментативном метаболизме каротиноидов в организме человека и животных. Однако не все каротиноиды обладают А-витаминной активностью. Из 40 каротиноидов, регулярно потребляемых человеком вместе с пищевыми продуктами, только некоторые из них (10%) с β-кольцом без кислородсодержащих функциональных групп и полиеновой цепью не менее 11 атомов углерода, проявляют А-витаминные свойства. К ним относятся транс- и транс-цис-изомеры α-, β-, γ-каротинов и β-криптоксантина. Среди них β-каротин является наиболее мощным каротиноидом провитамина А, у которого каждая молекула расщепляется на два ретинола витамина А.
Биоконверсия β-каротина в витамин А происходит путем окислительного метаболизма молекулы по центральной 1515 πсвязи под влиянием фермента β-каротин-15-15 диоксигеназы. В растениях этого фермента нет, поэтому растительные объекты витамина А не содержат. Из 1 молекулы β-каротина образуется 2 молекулы витамина А, а из α- и γкаротинов только одна. 6 мкг β-каротина эквивалентны 1 мкг витамина А. Ликопин и δ-каротин витаминной активностью не обладают.
Каротиноиды сами нетоксичны, а образование из них витамина А энзиматически лимитировано. Поэтому при потреблении пищевых продуктов, содержащих каротиноиды, передозировки витамина А не происходит и верхний допустимый уровень потребления не установлен. Среднее потребление β-каротина в разных странах колеблется в пределах 1,8 5,0 мг/сутки.
Для населения России установлена физиологическая потребность β-каротина для взрослых, которая составляет 5 мг/сутки (МР 2.3.1.243208).
Количество сопряженных двойных связей полиеновой цепи в структуре каротиноидов за счет обобщения π-электронов обуславливает их роль липофильных антиоксидантов. Каротиноид может взаимодействовать со свободными радикалами, передавая электроны, с образованием аддукта или отдавая водород с образованием относительно стабильных каротиноидных радикалов. С увеличением окислительного потенциала каротиноидов их антиоксидантная активность возрастает.
Каротиноиды являются наиболее эффективной «ловушкой» синглетного кислорода, переводя его в нормальное триплетное состояние, при этом рассеивая избыток энергии возбуждения. Каротиноиды принимают энергию возбуждения «триплетного» хлорофилла или реагируют непосредственно с синглентным кислородом. Каждая молекула β-каротина способна разрушить до 300 молекул синглентного кислорода. По сравнению с витамином Е каротиноиды улавливают его более активно: β-каротин в 25 раз, ликопин в 100 раз, астаксантин в 500 раз. Наибольшее защитное действие от УФ-излучения за счет кето-группы с обоих концов системы сопряженных двойных связей проявляет астаксантин. Его требуется в 100 раз меньше, чем β-каротина и в 1000 раз меньше, чем лютеина. Совместное присутствие ликопина, лютеина и β-каротина способно подавлять 4050% индуцированное УФ перекисное окисление липидов, но максимальную активность проявляет ликопин.
На моделях in vitro установлен ряд антиоксидантной активности каротиноидов: ликопин> α-токоферол> α-каротин> β-криптоксантин> зеаксантин> β-каротин> лютеин. Цис-изомеры каротиноидов обладают большей антиоксидантной активностью, чем их транс-изомеры. Обнаружен синергизм антиоксидантного действия каротиноидов с другими жирорастворимыми антиоксидантами α-токоферолом и коэнзимом Q10.
Каротиноиды защищают токоферолы от окисления, в первую очередь, синглентным кислородом, а токоферолы улавливают пероксильные радикалы каротиноидов, способные инициировать развитие цепей свободно радикального окисления. Синергизм β-каротина с α-токоферолом проявляется лишь при соотношении 1:4, а для более ненасыщенного астаксантина с α-токоферолом в соотношении 1:12. Увеличение концентрации каротиноидов приводит к антогонизму. Включение в систему фосфолипидов увеличивает эффективность антиоксидантного действия даже при высоких концентрациях каротиноидов.
Каротиноиды обладают многими биологическими свойствами, и их высвобождение из пищевой матрицы наиболее важно для усвоения человеком. Усвояемость каротиноидов зависит от пищевых источников. Из свежего (необработанного) растительного сырья в 3 раза большей биодоступностью обладают фрукты и ягоды, чем овощи. Причем биодоступность β-каротина сырой моркови составляет 1725%.