Carotinoide

Der Wissenschaftler Heinrich Wackenroder isolierte 1831 erstmals eine Kohlenwasserstoffverbindung aus Karotten, die er Carotin nannte. Kurze Zeit später wurde der Begriff „Carotinoide“ für alle Farbstoffe dieser Gruppe geprägt. Carotinoide gehören mit den Polyphenolen zu den am besten untersuchten sekundären Pflanzenstoffen. Auch wenn bisher nur wenige evidenzbasierte Wirkungen der Polyenfarbstoffe feststehen, können doch die krebshemmenden Eigenschaften, die immunmodulierenden Wirkungen sowie die antioxidative Effekte zu den positiven Eigenschaften der Carotinoide gezählt werden.

Struktureller Aufbau

Chemisch betrachtet zählen die Carotinoide zu den Terpenoiden. Meist handelt es sich um Tetraterpene, die aus 8 Isoprenoideinheiten aufgebaut sind. Carotinoide weisen lange Kohlenwasserstoffketten mit zahlreichen konjugierten Doppelbindungen auf, weshalb diese fettlöslich sind und farbig erscheinen. Aufgrund der chemischen Struktur werden sauerstoff-freie (Carotine) und sauerstoff-haltige (Xanthophylle) Carotinoide unterschieden.

Zu den Carotinen zählen beispielsweise:

  • Alpha-Carotin
  • Beta-Carotin
  • Lykopin.

Zu den Xanthophyllen gehören beispielsweise:

  • Astaxanthin
  • Beta-Cryptoxanthin
  • Canthaxanthin
  • Lutein
  • Capsanthin
  • Zeaxanthin.

Xanthophylle entstehen durch Einfügen von Hydroxylgruppen in die Ringe der Carotinoide. Diese sind hitzeempfindlich und können daher – im Gegensatz zu den hitzestabilen Carotinen – durch Kochen oder Erhitzen in der Mikrowelle zerstört werden. Während bei Xanthophyllen bis zu über 50 % durch die Zubereitung verloren gehen, liegen die Verluste von Alpha-, Beta- und Gamma-Carotin nur bei etwa 10 %. Zurzeit sind etwa 650 Carotinoide bekannt, von denen ungefähr 50 Substanzen aufgrund ihrer chemischen Struktur in Vitamin A umgewandelt werden können. Carotinoide sind außerdem fettlöslich und sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff sowie Licht.

Die konjugierten Doppelbindungen der Carotinoide verursachen durch Absorption bestimmter Anteile des sichtbaren Lichtspektrums verschiedene Farben, die im Bereich von gelb, orange und rot liegen.

Carotinoide können von Bakterien, Algen, Pilzen und Pflanzen synthetisiert werden und sind für alle photosynthetisierenden Pflanzen essenziell. Als proteingebundene Pigmente sind diese an der photosynthetischen Lichtabsorption beteiligt und schützen das Chlorophyll in den grünen Blättern vor oxidativem Abbau. Carotine finden sich überwiegend in orange-gelb-rotem Gemüse und Obst, wohingegen Xanthophylle hauptsächlich in grünblättrigem Gemüse vorkommen. Des Weiteren sind Carotinoide auch für die gelb-rötliche Herbstfarbe der Blätter verantwortlich, da nur der Farbstoff Chlorophyll von den Pflanzen im Herbst abgebaut wird, um den darin enthaltenen Stickstoff zurückzugewinnen.

Funktionen und Aufgaben

Die physiologischen Funktionen der einzelnen Carotinoide sind vermutlich sehr unterschiedlich. Der überwiegende Anteil besitzt keine Funktion als Provitamin, jedoch sind zahlreiche Schutzwirkungen bekannt. Eine Reihe von Bevölkerungsstudien zeigte in den letzten Jahren, dass eine zu geringe Aufnahme von Carotinoiden bzw. niedrige Carotinoidspiegel im Plasma mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Infarkten oder Krebserkrankungen verbunden sind.

In experimentellen Studien zeigte sich, dass Carotinoide auf Entzündungen und das Immunsystem einwirken können und bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck, z.B. in den Endverästelungen der Blutgefäße, wirken. Einige Vertreter sind beispielsweise in der Lage, Zellen vor kanzerogenen Schädigungen zu schützen.

Antikanzerogene Wirkungen

Bereits in den 80-er Jahren zeigten epidemiologische Studien eine inverse Beziehung zwischen der Carotinoidzufuhr und der Häufigkeit von Krebserkrankungen. Carotinoidreiche Lebensmittel scheinen das Risiko von Lungen-, Gebärmutterhals-, Speiseröhren-, Darm-, Rachen-, Magen- und Prostatakrebs zu senken. Die Wirkung beruht auf der intrazellulären Initiation und Inaktivierung von Kanzerogenen. In der Initiationsphase hemmen die sekundären Pflanzenstoffe die Aktivierung von Prokanzerogenen sowie die Zellvermehrung und schützen somit die Erbsubstanz vor der Bindung von Kanzerogenen. In der Phase der Progression unterdrücken Carotinoide die Zellvermehrung sowie Zelldifferenzierung und bieten sich als Radikalfänger des Singulettsauerstoffs an.

Carotinoide mit antikanzerogen Wirkungen
Substanzgrößere Mengen enthalten
Alpha-CarotinKarotten, Kürbis
Beta-CarotinKarotten, getrocknete Aprikosen, gekochter Spinat
Beta-CryptoxanthinSüd- und Zitrusfrüchte
LuteinKohl/ Grünkohl, gekochter Spinat
ZeaxanthinKohl/ Grünkohl, gekochter Spinat
LykopinTomaten, Guaven, Grapefruits

Neben der positiven Wirkung der Carotinoide auf Lungenkrebs kommt die Supplementation auch in der Behandlung des Prostatakarzinoms vermehrt zum Einsatz. Ein hoher Verzehr von Lykopin und anderen Carotinoiden aus Gemüse und Obst war in einer Fall-Kontroll-Studie mit einem verminderten Risiko für Prostatakrebs verbunden [Jia 2005]. Andere Studien konnten diese Wirkung wiederum nicht belegen. Des Weiteren lassen Daten aus einer prospektiven Studie vermuten, dass Carotinoide eine präventive Wirkung auf die Entwicklung von Brustkrebs entfalten könnten [Sat 2002].

Antioxidative Wirkung

Carotinoide können im menschlichen Organismus freie Radikale binden [Gra 2005]. Diese aggressiven Sauerstoffverbindungen werden aus der Umwelt aufgenommen oder entstehen im Stoffwechselgeschehen. Häufen sich diese an, können Zellen massiv geschädigt werden. Neben vielen anderen Antioxidantien tragen ebenso Carotinoide wirksam dazu bei, freie Radikale zu entschärfen. Dies gilt für

  • Peroxyl-Radikale
  • Singulett-Sauerstoff
  • die Lipidperoxidation
  • UVB-, Röntgen- und Höhenstrahlungen.

Durch die antioxidative Wirkung spielen Carotinoide im Immunsystem und beim Zellschutz eine wichtige Rolle. Aber nicht jede Substanz entfaltet die gleichen antioxidativen Wirkungen. Jeweils unterschiedliche Fähigkeiten und Wirkungen können sich untereinander ergänzen und verstärken. Einige Vertreter wirken beispielsweise stärker immunmodulierend, andere können direkt auf Krebszellen einwirken.

Der antioxidative Effekt beruht auf der Fähigkeit, Elektronen abzugeben. Carotinoide inaktivieren den hochreaktiven Singulettsauerstoff, wobei sie vorübergehend in einen angeregten Triplettzustand übergehen und unter Wärmeabgabe wieder in den Ausgangzustand gelangen. Die Fähigkeit zum Radikal-Quenching steigt mit der Anzahl der Doppelbindungen. Hierdurch können Carotinoide die DNA vor oxidativen Schäden sowie vor Lipidperoxidation schützen. Als wirksame Radikalfänger haben sich besonders Beta-Carotin, Lykopin und Beta-Cryptoxanthin erwiesen. Bisher konnte die Schutzwirkung auf die DNA und vor der Lipidperoxidation nur nach dem Verzehr von carotinoid-reichem Gemüse und Obst nachgewiesen werden. Aussagekräftige Daten aus Humanstudien, in denen eine Zufuhr an isolierten Carotinoiden den gleichen Effekt aufweist, fehlen bislang.

Carotinoide schützen ebenso die Haut vor UV-Strahlen. 20 mg Carotinoide täglich über drei Monate intensiver Sonneneinstrahlung können die Gefahr eines Sonnenbrands verringern. Bei starker Sonnenintensität und bei langem Aufenthalt in der Sonne ist ein zusätzlicher Hautschutz notwendig.

Cholesterinsenkende Wirkung

Carotinoide besitzen die Fähigkeit, den Gesamtcholesteringehalt im Blut zu beeinflussen [Vou 2006]. Im Stoffwechsel wird in bestimmten Immunzellen (Monozyten) die Cholesterinsynthese beispielsweise durch Beta-Carotin und Lykopin blockiert, gleichzeitig wird die Aufnahme von LDL über spezifische Rezeptoren in die Zelle stimuliert. Inwieweit dieser Effekt beim Menschen eine messbare Wirkung erzielt, ist bislang jedoch fraglich.

Modulation des Immunsystems

Aus verschiedenen Untersuchungen geht hervor, das Carotinoide immunstimulierend wirken können [Wat 1999]. So führte bereits eine tägliche zusätzliche Aufnahme von 15 mg Beta-Carotin über einen Zeitraum von 4 Wochen zu einer ex vivo-gesteigerten Synthese des Tumor-Nekrose-Faktors alpha (TNF-alpha). Allerdings wurde bislang nur eine geringe Anzahl der natürlich vorkommenden Carotinoide auf diese Wirkung hin untersucht. Nichtsdestotrotz lässt sich aus diesen Erkenntnissen ableiten, dass eine Ernährung mit einem hohen Anteil an carotinoid-reichem Gemüse und Obst verschiedene Immunmechanismen aktivieren kann. Da Beobachtungsstudien bereits immunmodulierende und antioxidative Effekte aufzeigen konnten, nutzt die Forschung den Ansatz, um die Wirksamkeit der Carotinoide in isolierter Form auf weitere medizinische Gebiete zu übertragen.

Einige Studien untersuchten den Effekt einer Supplementierung auf den Gesundheitszustand von AIDS-Patienten. Hierbei konnten immunstimulierende Mechanismen der Carotinoide erstmals gezeigt werden [Pat 1999]. Oftmals leiden AIDS-Patienten an einem Nährstoffmangel, der sich auch in einer niedrigen Carotinoidkonzentration manifestieren kann. Ein derartiger Mangel kann den Gesundheitszustand und somit die Überlebenschance verschlechtern. Die Forscher selbst forderten jedoch weiterführende Untersuchungen, um die Mechanismen zu bestätigen.

Einfluss auf kognitive Fähigkeiten

In einer placebo-kontrollierten klinischen Studie untersuchten amerikanische Forscher einen Zusammenhang zwischen der Beta-Carotin-Supplementierung und den kognitiven Fähigkeiten. An wechselnden Tagen wurden den Teilnehmern 50 mg Beta-Carotin und Aspirin verabreicht. Nach 18 Monaten konnten 75% der Probanden im Vergleich zur Placebogruppe einen positiven Effekt auf die verbale Erinnerung und Sprechfähigkeit verzeichnen [Gro 2007].

Einsatz in der Lebensmittelindustrie

Carotinoide werden zudem in Form von Pflanzenextrakten oder als einzelne Verbindungen in der Lebensmittelindustrie u.a. zum Färben von Margarine, Eiscreme, Käsezubereitungen, Getränken, Saucen sowie Fleisch-, Süß- und Teigwaren eingesetzt.

Vorkommen und Zufuhrempfehlungen

Carotine finden sich überwiegend in orange-gelb-rotem Gemüse und Obst, wohingegen Xanthophylle hauptsächlich in grünblättrigem Gemüse enthalten sind. Die verschiedenen Carotinoide kommen in unterschiedlicher Menge in den einzelnen Obst- und Gemüsesorten vor, wobei der Carotinoid-Gehalt stark von verschiedenen Faktoren wie z.B. Reifezustand, Lagerung, Herkunft oder Verarbeitung abhängig ist.

Des Weiteren kommen Carotine auch in einigen tierischen Lebensmitteln wie Milch und Eigelb vor. In tierische Gewebe, wo die Substanzen modifiziert und gespeichert werden, gelangen die Carotine über das Futter. In Pflanzen kommen in der Regel komplex zusammengesetzte Carotinoidgemische vor. So wurden z.B. in Orangen mehr als 50 Verbindungen identifiziert.

Über physiologisch sinnvolle Zufuhrempfehlungen liegen noch keine evidenzbasierten Daten vor. Neben der industriellen Anwendung als Farbstoffe, sind Carotinoide, insbesondere das Beta-Carotin, oftmals Bestandteil von Nahrungsergänzungsmitteln. Grundlage hierfür sind die postulierten mannigfaltigen Wirkungen auf den menschlichen Organismus. Obwohl sich Tendenzen für den positiven Effekt einer Carotinoidsupplementierung bei einzelnen Erkrankungen aufzeigen ließen, fehlt jedoch jegliche wissenschaftliche Beweisführung für eine isolierte Aufnahme.

Vielmehr ist die Wirkung der sekundären Pflanzenstoffe im natürlichen Verbund, sprich mit anderen Inhaltsstoffen der Lebensmittel, dokumentiert. Daher spricht alles für einen ausreichenden Konsum von frischem Gemüse und Obst, jedoch wenig für eine künstliche Zufuhr über Supplemente – zumindest nicht über einen längeren Zeitraum.

Toxizität

Aus Humanstudien geht hervor, dass Carotinoide aus Lebensmitteln auch in hohen Mengen keine irreversiblen Schäden hervorrufen.

Eine extrem hohe Aufnahme carotinoidreicher Lebensmittel wie der tägliche Konsum von 2 Liter Tomatensaft über mehrere Monate führte temporär zu einer reversiblen Beeinträchtigung der Leberfunktion.

Eine reversible Gelbfärbung der Haut war ebenfalls zu beobachten, wenn über längere Zeit große Carotinoidmengen (>30 mg/ Tag) aufgenommen wurden. Gesundheitliche Nachteile hiervon sind nicht bekannt.

Eine andauernde Zufuhr von mehr als 30 mg Carotinoiden täglich kann laut wissenschaftlichen Erhebungen als unbedenklich eingestuft werden. Selbst bei therapeutischen Dosen im Bereich von 180 mg pro Tag traten keine toxischen Nebenwirkungen auf. Lediglich die Kombination von Zigarettenkonsum und einer Supplementierung in isolierter Form, wie in Interventionsstudien gezeigt, kann negative Auswirkungen mit sich bringen.