Характеристика каротиноидов

 

Министерство образования  и науки Украины

Украинский государственный  химико-технологический университет

 

 

 

 

 

 Реферат

 

на тему:

«Характеристика каротиноидов»

 

 

 

 

Выполнила:

ст. гр. 3-ХДК-91

Филоненко Д.О.

 

 

 

 

                  

 

Содержание

 

 

Введение

 

Каротиноиды — наиболее многочисленная и широко распространенная группа природных пигментов. Они обнаружены у всех представителей растительного царства, как в фотосинтезирующих, так и в нефотосинтезирующих тканях, а также часто встречаются у микроорганизмов. Они полностью или частично обуславливают окраску многих животных, особенно птиц, рыб, насекомых, являются основой зрительных пигментов, ответственных за восприятие света и различение цветов. Они нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.

Каротиноиды образуются высшими растениями, водорослями, фототрофными бактериями и рядом хемотрофных бактерий. Кроме того, каротиноиды синтезируют некоторые мицелиальные грибы и дрожжи. Присутствуют каротиноиды также в организме некоторых членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но самостоятельно эти пигменты не образуются, а поступают с пищей и служат источником обогащения организма витамином А. Каротиноиды находятся у растений и микроорганизмов в свободной форме, могут образовывать гликозиды, каротино-белковые комплексы, но значительно чаще встречаются в виде эфиров, длинноцепочечных жирных кислот.

К группе каротиноидов относят вещества, окрашенные в желтый или оранжевый цвет. Наиболее известные представители каротиноидов — каротины — пигменты, дающие специфическую окраску корням моркови, а также лютеин — желтый пигмент, содержащийся наряду с каротинами в зеленых частях растений. Окраска семян желтой кукурузы зависит от присутствующих в них каротинов и каротиноидов, получивших название цеаксантина и криптоксантина. Окраска плодов томата обусловлена каротиноидом ликопином.

 

1.1 Химическая  природа, свойства и виды каротиноидов

1.1.1 Физико-химические  свойства каротиноидов

По химической природе  каротиноиды относятся к огромному  классу терпеноидов, включающих также  эфирные масла, фитогормоны, стероиды, сердечные гликозиды, жирорастворимые витамины, млечный сок. Их углеводородная структура состоит из цепи двух или более изопренов (С₅-углеводородов). Каротиноиды относятся к тетратерпенам; они состоят из длинных ветвящихся углеводородных цепей, содержащих несколько сопряженных двойных связей, заканчивающихся на одном (α-каротин) или обоих концах (β-каротин) кольцевой циклической структурой — иононовым кольцом.

Длинная цепь сопряженных  двойных связей образует хромофор всех каротиноидов, что позволяет отнести их к природным пигментам. Человеческому глазу каротиноиды с 7–15 конъюгированными двойными связями видятся в цвете от желтого до красного. Их хромофорные электронные системы находятся также под влиянием других дополнительных двойных связей и различных функциональных групп (например, карбонильной, эпокси-группы и др.), которые также оказывают влияние на поглощение волн света определенных длин и, как следствие, на цвет молекул.

К общим свойствам  каротиноидов можно отнести их нерастворимость в воде и хорошую растворимость во многих органических растворителях (хлороформе, бензоле, гексане, петролейном эфире, четыреххлористом водороде и др.). Гидроксилсодержащие каротиноиды лучше растворяются в спиртах (метанол, этанол). Растворы каротиноидов в органических растворителях при спектрофотометрических исследованиях дают характеристические полосы поглощения в основном в видимой области спектра, а стереоизомеры показывают их также и в ультрафиолетовой области. Это один из наиболее точных показателей, используемых при идентификации этих веществ.

Характерной является также  особенность каротиноидов избирательно абсорбироваться на минеральных  и некоторых органических абсорбентах, что позволяет разделять их при помощи методов хроматографирования.

Для отдельных каротиноидов характерны некоторые специфические  реакции, в том числе цветные.

Следует учитывать, что  каротиноиды в чистом виде характеризуются  высокой лабильностью — они весьма чувствительны к воздействию  солнечного света, кислорода воздуха, нагреванию, воздействию кислот и щелочей. Под воздействием этих неблагоприятных факторов они подвергаются окислению и разрушению. В тоже время, входя в состав различных комплексов (например, протеиновых), они проявляют большую стабильность.

1.1.2 Химическая природа и виды каротиноидов

Известна классификация каротиноидов, основанная на различиях химического строения этих пигментов. Каротиноиды делят, например, на каротины (содержат только углерод и водород) и гидроксикаротиноиды, в молекулу которых входит также кислород. Последние называют иногда общим термином ксантофиллы. Другая химическая классификация делит каротиноиды на ациклические, моноциклические и бициклические, Имеется также классификация каротиноидов, в основу которой положены отличия в функциональном значении этих пигментов.

В зависимости от степени  поглощения каротиноиды разделяются  на 2 группы: каротины и ксантофилы. Все незамещенные каротиноиды —  каротины. Они не содержат атомов кислорода, являются чистыми углеводородами и обычно имеют оранжевый цвет. Наиболее известный представитель этой группы — β-каротин. Каротиноиды, окрашенные в цвета от желтого до красного характеризуются наличием кислородсодержащих функциональных групп и называются ксантофилами. Продукты распада дифференцируются как апо-, секо- и норкаротиноиды.

Из-за многочисленных двойных  связей, обычно циклического окончания молекул и наличия ассимметричных атомов углерода каротиноиды имеют разнообразные конфигурации и стереоизомеры с различными химическими и физическими свойствами. Большинство каротиноидов имеют цис- и трансгеометрические изомеры. Атом углерода с 4 различными заместителями обусловливает возможность оптических R- или S-изомеров. Эти различия между молекулами одной и той же формулы оказывают заметное влияние на физические свойства и на эффективность каротиноидов как пигментов.

Одна из характерных особенностей этих соединений — наличие в них значительного числа сопряженных двойных связей, образующих их хромофорные группы, от которых зависит окраска. Все натуральные каротиноиды могут рассматриваться как производные ликопина — каротиноида, обнаруженного в плодах томатов, а также в некоторых ягодах и фруктах. Эмпирическая формула ликопина С₄₀Н₅₆. Строение ликопина представлено на рисунке 1

 

Рисунок 1 – химическая структура ликопина

 

Путем образования кольца на одном или обоих концах молекулы ликопина образуются его изомеры: α-, β- или γ-каротины (рисунки 2, 3, 4).

 

Рисунок 2 – химическая структура α-каротина

 

Рисунок 3 – химическая структура γ-каротина

 

Рисунок 4 – химическая структура β-каротина

 

Сопоставляя формулы, можно заметить, что α-каротин отличается от β-изомера положением двойной связи в одном из циклов, расположенных по концам молекулы. В отличие от α- и β-изомеров γ-каротин имеет только лишь один цикл.

Каротины являются веществами, из которых образуется витамин А. Поскольку ликопин и каротины содержат 40 углеродных атомов, они могут рассматриваться как образованные восемью остатками изопрена. Все без исключения другие природные каротиноиды — производные четырех указанных выше углеводородов: ликопина и каротинов. Они образуются из этих углеводородов путем введения гидроксильных, карбонильных или метоксильных групп или же путем частичной гидрогенизации или окисления.

В результате введения в молекулу β-каротина двух оксигрупп образуется каротиноид, содержащийся в зерне кукурузы и называемый цеаксантином С₄₀Н₅₆О₂ (3,3'-диокси-β-каротин), его строение представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – химическая структура цеаксантина

 

Введение двух оксигрупп  в молекулу α-каротина приводит к образованию лютеина С₄₀Н₅₆О₂ (3,3'-диокси-α-каротина), изомера цеаксантина, обнаруженного наряду с каротином в зеленых частях растений. В результате присоединения к молекуле β-каротина одного атома кислорода с образованием фураноидной структуры получается каротиноид цитроксантин С₄₀Н₅₆О, содержащийся в кожуре цитрусовых (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – химическая структура цитроксантина

 

Продуктами окисления  каротиноидов с 40 углеродными атомами  в молекуле являются кроцетин С₂₀Н₂₄О₄, биксин С₂₅Н₃₀О₄ и β-цитраурин С₃₀Н₄₀О_2.

Кроцетин – красящее вещество, находящееся в рыльцах  крокуса в соединении с двумя молекулами дисахарида гентиобиозы в виде гликозида кроцина. Кроцетин представляет собой дикарбоновую кислоту (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – химическая структура кроцетина

 

Биксин – пигмент  красного цвета, содержащийся в плодах тропического растения Bixa orellana, применяется для подкраски масла, маргарина и других пищевых продуктов (рисунок 8).

 

Рисунок 8 – химическая структура биксина

 

β-Цитраурин находится в кожуре плодов цитрусовых, его строение представлено на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – химическая структура β-цитраурина

 

В бурых водорослях обнаружен каротиноид фукоксантин С₄₀Н₆₀О₆, который принимает участие в процессе фотосинтеза в качестве так называемого вспомогательного пигмента (рисунок 10).

 

Рисунок 10 – химическая структура фукоксантина

 

В организме человека и животных каротиноиды играют важную роль в  качестве исходных веществ, из которых  образуются витамины группы А, а также  «зрительный пурпур», участвующий в зрительном акте. В растительном организме каротиноиды играют важную роль в процессе фотосинтеза.

Исходя из химического строения каротиноидов, содержащих значительное количество двойных связей, можно предполагать, что они являются в растении переносчиками активного кислорода и принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. На это указывает широкое распространение в растениях кислородных производных каротиноидов — эпоксидов, чрезвычайно легко отдающих свой кислород.

Примером такого кислородного производного может служить диэпоксид β-каротина (рисунок 11).

 

Рисунок 11 – химическая структура диэпоксида β-каротина

 

Каротиноиды легко образуют перекиси, в которых молекула кислорода присоединяется по месту двойной связи и может затем легко окислять различные вещества. Каротиноиды в качестве основной структурной единицы имеют изопрен (рисунок 12).

 

Рисунок 12 – химическая структура изопрена

 

Фитол и каротиноиды так же, как терпены, гутта, каучук и рассматриваемые ниже стероиды, представляют собой изопреноиды.

В настоящее время фитол, каротиноиды, терпены, каучук, гутту, стероиды, а также убихиноны, пластохиноны, витамин Е и витамин К объединяют общим термином терпеноиды.

Исходным материалом для синтеза терпеноидов является радикал ацетила СН₃СО, а промежуточным продуктом, образующимся при биосинтезе терпеноидов из соединений, содержащих активный ацетил, — мевалоновая кислота.

1.2 Содержание  каротиноидов в плодах и овощах

 

Несмотря на то, что  каротин может быть получен с  помощью химического синтеза, его производят преимущественно из природного сырья.

В качестве источников каротина используют растения, бактерии, водоросли и грибы с высоким содержанием целевого вещества.

Каротиноиды в зеленых листьях составляют примерно 0,07 — 0,2% при расчете на сухую массу листьев. В отдельных исключительных случаях наблюдается, однако, очень высокая концентрация каротиноидов. Например, в пыльниках многих видов лилий содержатся очень большие количества лютеина и каротиноида, называемого антераксантином.

Каротиноидные композиции у различных групп и видов  живых организмов не только отличаются по количественному содержанию, но и различны по качественному составу. Следует отметить, что в природе каротиноиды могут находиться в различных состояниях: в свободном виде они чаще встречаются в пластидах растений, мышечной ткани рыб, яйцах птиц, в виде эфиров жирных кислот — в хроматофорах и эпидермальных структурах растений, в форме каротин-протеинов — в эпидермальных тканях животных и т. д.

В большинстве фруктов и овощей основным или иногда даже единственным источником активности витамина А является β-каротин. Единственным исключением здесь является морковь, содержащая примерно 30 каротиноидов в виде α-каротина. В таблице 1 приводится содержание других каротиноидов в продуктах. Значения по криптоксантинам зачастую не дифференцируют — преобладающей является их β-форма, а α-форма представлена гораздо меньшим количеством. Содержание β-каротина эквивалентно сумме β-каротина и половины присутствующих α-каротина и криптоксантинов; значение эквивалента ретинола составляет одну шестую от эквивалента β-каротина. В ликопене активности витамина А не наблюдается.

 

Таблица 1

Содержание каротиноидов в продуктах, мкг/100г съедобной части

№ п/п	Продукт	Каротиноидные фракции
		α-Каротин	β-Каротин	β-Криптоксантин	Эквивалент каротина	Эквивалент ретинола
	Бобовые
1	Стручковая фасоль (мунг), сырая	20	20	20	40	7
2	Кормовые бобы, замороженные отварные без соли	12	220	0	225	37
3	Зеленая фасоль / французская  фасоль, отваренная без соли	52	494	0	520	87
	Горошек
4	Зеленый горошек, сырой	19	290	0	300	50
5	Зеленый горошек, отваренный без соли	7	245	0	250	41
6	Зеленый горошек, замороженный, отваренный без соли	26	558	0	571	95
7	Зеленый горошек, консервированный, разогретый, без жидкости	15	526	0	534	89
	Овощи разные
8	Спаржа, сырая	10	310	0	315	53
9	Спаржа, отваренная в  соленой воде	0	389	0	389	65
10	Баклажан, сырой	60	40	0	70	12
11	Баклажан, жаренный на кукурузном масле	110	70	0	125	21
12	Свекла, сырая	20	10	0	20	3
13	Морковь старая, сырая	4070	10400	0	12500	2080
14	Морковь молодая, сырая	3380	6120	0	7810	1300
15	Морковь молодая, отваренная без соли	3420	5990	0	7700	1280
16	Морковь, консервированная разогретая подсушенная	729	1710	0	2070	345
17	Кабачки-цуккини, сырые	0	550	0	610	100
18	Кабачки-цуккини, поджаренные  на кукурузном масле	0	450	0	500	83
19	Капуста кудрявая, сырая	0	3130	32	3150	525
20	Капуста кудрявая, отваренная без соли	0	3350	33	3380	560
21	Тыква (сорт карела), сырая	95	295	0	345	57
22	Салат-латук, сырой	0	1020	0	1023	171
23	Бамия, сырая	30	500	0	515	85
24	Бамия, отваренная без  соли	29	450	0	465	77
25	Стручковый перец, капсикум, зеленый, сырой	9	260	0	265	44
26	Стручковый перец, зеленый, отваренный в соленой воде	8	235	0	240	40
27	Тыква, сырая	14	445	0	450	75
28	Тыква, отваренная в соленой  воде	29	940	0	450	75
29	Шпинат, сырой	0	3520	35	3540	589
30	Шпинат, отваренный без соли	0	3820	39	3840	640
31	Зеленый лук, сырой	0	2620	216	2630	438
32	Зеленый лук, отваренный без соли	0	2260	23	2270	378
33	Сладкая кукуруза (зерно), консервированная, разогретая, без жидкости	0	22	180	110	19
34	Сладкая кукуруза, в початке, цельная, отваренная без соли	0	14	115	71	12
35	Помидоры, сырые	0	564	0	564	94
36	Помидоры, жаренные на кукурузном масле	0	740	42	765	125
37	Помидоры, жаренные на гриле	0	1790	97	1840	306
38	Помидоры, консервированные	0	362	0	362	60
	Фрукты
39	Абрикосы, сырые	2	405	0	405	67
40	Абрикосы, консервированные в сиропе	0	810	0	810	135
41	Авокадо	8	540	0	545	91
42	Ежевика, сырая	4	78	0	80	13
43	Ежевика с сахаром	3	61	0	62	10
44	Вишня, сырая	4	23	0	25	4
45	Вишня, консервированная в сиропе	4	15	0	17	3
46	Клементины	5	73	0	75	13
47	Крыжовник, с сахаром	3	40	0	41	7
48	Грейпфрут, сырой	9	12	0	17	3
49	Гуава, сырая	0	380	110	435	73
50	Киви	0	40	0	40	7
51	Мандарины, консервированные в собственном соку	7	92	0	95	16
52	Мандарины, консервированные в сиропе	7	105	0	105	18
53	Манго, зрелые, сырые	0	682	27	696	116
54	Дыня-канталупа	19	1760	0	1770	294
55	Арбуз	0	116	0	116	19
56	Нектарины	0	114	0	114	19
57	Апельсины	26	14	39	47	8
58	Маракуйя	410	360	370	750	125
59	Папайя, сырая	0	130	1365	810	135
60	Персики, сырые	0	119	0	119	19
61	Груши, сырые	0	17	3	18	3
62	Груши, сырые, без кожуры	0	18	3	19	3
63	Слива, сырая	23	355	19	376	63
64	Сливы, консервированные в собственном соку	15	135	0	140	23
65	Сливы, готовые к употреблению	27	125	0	140	3
66	Мандарины сацума	5	73	0	75	13
67	Танжерины	6	94	0	97	16
	Фруктовые соки
68	Апельсиновый сок, без  добавления сахара	2	5	21	17	3