カロチン

カロテン（ラテン語のcarota「ニンジン」に由来するカロチンとも呼ばれる^{[ 1 ] [ 2 ]} ）という用語は、植物によって合成されるが、一般的に動物では合成できない（菌類から合成遺伝子_を獲得した一部のアブラムシやハダニを除く）多くの関連する不飽和炭化水素物質の式 C ₄₀ H x に用いられる^{[ 3 ]} 。カロテンは光合成に重要な光合成色素である。

カロテンには酸素原子が含まれていません。紫外線、紫色、青色の光を吸収し、オレンジ色または赤色の光、そして（低濃度では）黄色の光を散乱します。

カロテンは、ニンジンのオレンジ色の原因物質であり、この化学物質群の名前の由来にもなっています。また、他の多くの果物、野菜、菌類（例えば、サツマイモ、アンズタケ、オレンジ色のカンタロープメロン）の色の原因物質でもあります。カロテンは、乾燥した葉のオレンジ色（ただし、すべての黄色ではありません）の原因物質でもあります。また、（低濃度ではありますが）乳脂肪やバターに黄色を呈する原因物質でもあります。人間やニワトリなど、食事中の有色カロテノイドを無色のレチノイドに変換する能力が比較的低い雑食動物は、食事中の植物性カロテノイドが体内に蓄積されるため、体脂肪が黄色を呈します。

カロテンは、吸収した光エネルギーをクロロフィルに伝達することで光合成に貢献する。また、光合成中に生成される酸素分子_{O₂の励起状態である}一重項酸素からエネルギーを吸収するのを助けることで、植物組織を保護する役割も果たす。

β-カロテンは2つのレチニル基から構成され、ヒトの小腸粘膜でβ-カロテン15,15'-モノオキシゲナーゼによってビタミンAの一種であるレチナールに分解されます。β-カロテンは肝臓や体脂肪に蓄えられ、必要に応じてレチナールに変換されるため、ヒトや他の哺乳類にとってビタミンAの一種となります。α-カロテンとγ-カロテンは、単一のレチニル基（β-イオノン環）を持つため、β-カロテンほどではないものの、ビタミンA活性を有しており、キサントフィルカロテノイドであるβ-クリプトキサンチンも同様です。リコピンを含むその他のカロテノイドはβ環を持たないため、ビタミンA活性はありません（ただし、抗酸化活性を持ち、他の方法で生物学的活性を持つ場合があります）。

動物種によって、レチニル（β-イオノン）を含むカロテノイドをレチナールに変換する能力は大きく異なります。一般的に肉食動物は、食事中のイオノンを含むカロテノイドの変換能力が低いです。フェレットなどの純粋な肉食動物はβ-カロテン15,15'-モノオキシゲナーゼを欠いており、カロテノイドをレチナールに全く変換できません（そのため、この種にとってカロテンはビタミンAの一種ではありません）。一方、ネコは微量のβ-カロテンをレチノールに変換できますが、その量は1日のレチノール必要量を満たすには全く不十分です。^{[ 4 ]}

カロテンは、1分子あたり40個の炭素原子、可変数の水素原子、その他の元素を含まない多価不飽和炭化水素です。一部のカロテンは、分子の片側または両端に環状構造を持っています。共役二重結合の存在により、すべて着色しています。カロテンはテトラテルペンであり、5炭素イソプレン単位8個（または10炭素テルペン単位4個）から誘導されます。^{[ 5 ]}

カロテンは植物中に、ギリシャ文字で示される2つの主要な形態、すなわちアルファカロテン（α-カロテン）とベータカロテン（β-カロテン）として存在します。^{[ 6 ]}ガンマ、デルタ、イプシロン、ゼータカロテン（γ、δ、ε、ζ-カロテン）も存在します。カロテンは炭化水素であり、酸素を含まないため、脂溶性で水には溶けません（酸素を含むため化学的に疎水性が低い他のカロテノイドであるキサントフィルとは対照的です）。

ニンジンジュースからカロテンを発見したのはハインリヒ・ヴィルヘルム・フェルディナント・ヴァッケンローダーで、駆虫薬の探索中に発見し、1831年に発表した。彼はエーテルに溶ける小さなルビーレッドの薄片としてそれを得て、脂肪に溶かすと「美しい黄色」になった。ウィリアム・クリストファー・ツァイゼは1847年にその炭化水素性を認識したが、彼の分析では組成はC ₅ H ₈となった。 1886年にレオン＝アルベール・アルノーが炭化水素性であることを確認し、理論組成C ₄₀ H ₅₆に近い式C ₂₆ H ₃₈を与えた。アドルフ・リーベンは同じく1886年に発表した黄体の色素に関する研究で、動物組織中のカロテノイドに初めて遭遇したが、色素の性質は認識できなかった。その後、ヨハン・ルートヴィヒ・ヴィルヘルム・トゥディヒュムは、1868年から1869年にかけて、立体分光法による分析の後、動物、植物、および関連する生物材料に見られるこの種の黄色の結晶性物質に「ルテイン」（lutein ）という用語を適用した。1915年に主にクロロフィルの研究でノーベル化学賞を受賞したリヒャルト・マルティン・ヴィルシュテッターは、C ₄₀ H ₅₆の組成を割り当て、類似しているが酸素化されたキサントフィルC ₄₀ H ₅₆ O ₂と区別した。1910年、ハインリヒ・エッシャーとともに、トマトからリコペンが単離され、カロテンの異性体であることが示された。エッシャーによる後の研究では、卵黄中の「黄体」色素とウシ黄体中のカロテンも区別された。 ^{[ 7 ]}

以下の食品には、かなりの量のカロテンが含まれています。^{[ 8 ]}

これらの食品からの吸収は、カロテンが脂溶性であるため、脂肪と一緒に摂取した場合、また、植物細胞壁が破れて色が液体中に放出されるまで数分間調理した場合に促進されます。^{[ 8 ]} 12 μg の食事性 β-カロテンは 1 μg のレチノールに相当し、24  μg の α-カロテンまたは β-クリプトキサンチンは 1  μg のレチノールに相当します。^{[ 8 ] [ 10 ]}

カロテンの2つの主要な異性体であるα-カロテンとβ-カロテンは、一方の端（右図の右端）の環状基における二重結合（したがって水素）の位置が異なります。 ^{[ 13 ]}

β-カロテンはより一般的な形態であり、黄色、オレンジ色、緑色の葉物野菜や果物に含まれています。一般的に、果物や野菜のオレンジ色が濃いほど、β-カロテンの含有量が多くなります。^{[ 14 ]}

カロテンは、他のテルペノイドやテルペンと同様に、イソプレン誘導体のカップリング、環化、酸化反応によって一般的に生成されます。リコペンはカロテノイドの重要な前駆体です。リコペンは、ゲラニルゲラニルピロリン酸とゲラニルリナリピロリン酸のカップリングによって生成されます。^{[ 23 ]}

世界の合成カロテン供給量の大部分は、テキサス州フリーポートにあるDSM所有の製造複合施設から供給されています。もう1つの主要供給業者であるBASFも化学プロセスを使用してβ-カロテンを生産しています。これらの供給業者を合わせると、市場に出回っているβ-カロテンの約85%を占めます。^{[ 24 ]}スペインでは、VitateneがBlakeslea trispora菌類から天然β-カロテンを生産しており、DSMも同様ですが、合成β-カロテン事業と比較するとはるかに少ない量です。オーストラリアでは、西オーストラリア州カラサにある収穫池で栽培された乾燥海藻Dunaliella salinaから、 Aquacarotene Limitedが有機β-カロテンを生産しています。BASF Australiaも、世界最大の藻類農場であるオーストラリアの2か所で栽培された微細藻類からβ-カロテンを生産しています。ポルトガルでは、バイオテクノロジー企業であるバイオトレンド社が、土壌から分離されたスフィンゴモナス属の非遺伝子組み換え細菌から、天然のオールトランスβ-カロテンを生産している。

カロテンはパーム油、トウモロコシ、乳牛の乳にも含まれており^{[ 25 ]}、牛の飼料や乳脂肪の量によって牛乳が淡黄色になる（ガーンジー牛などの高脂肪乳は脂肪含有量が多いためカロテンが多く含まれ、黄色みが強くなる傾向がある）。

カロテンはシロアリの一部の種にも見られ、昆虫の食餌から摂取されたものと思われる。^{[ 26 ]}

合成

現在、 β-カロテンの全合成には2つの一般的な方法があります。1つ目はBASFによって開発されたもので、ウィッティヒ反応に基づいており、ウィッティヒ自身が特許権者です。^{[ 27 ] [ 28 ]}

2つ目はグリニャール反応^{[ 29 ]}で、インホッフェンらの元の合成法からホフマン・ラ・ロシュが改良したものです。どちらも対称性があり、BASFの合成法はC20 + C20、ホフマン・ラ・ロシュの合成法はC19 + C2 + C19です。

カロテンは酸素を含まないカロテノイドである。酸素を含むカロテノイドはキサントフィルとして知られている。^{[ 30 ]}

β-カロテン分子の両端は構造的に同一であり、β環と呼ばれている。具体的には、両端にある9個の炭素原子のグループがβ環を形成している。

α-カロテン分子は、一方の端にβ環を持ち、もう一方の端はε環と呼ばれます。「α環」というものは存在しません。

これらの名称や類似の名称は、カロテノイド分子の末端部分について、体系的な命名法の基礎を形成しており、それによると以下のようになる。

• α-カロテンはβ,ε-カロテンです。
• β-カロテンはβ,β-カロテンです。
• γ-カロテン（1つのβ環と、ψとラベル付けされた1つの非環状末端を持つ）はβ,ψ-カロテンである。
• δ-カロテン（1つのε環と1つの非環状末端を持つ）はε,ψ-カロテンである。
• ε-カロテンはε,ε-カロテンである
• リコピンはψ,ψ-カロテンである

ζ-カロテンはニューロスポレンの生合成前駆体であり、ニューロスポレンはリコペンの前駆体であり、リコペンはαからεまでのカロテンの前駆体である。

カロテンは、ジュース、ケーキ、デザート、バター、マーガリンなどの製品の着色に使用されます。^{[ 3 ]} EU（添加物E160aとしてリストされています）^{[ 31 ]}、オーストラリアとニュージーランド（160aとしてリストされています）^{[ 32 ]}、および米国^{[ 33 ]で食品添加物としての使用が承認されています。}

• 抗酸化物質

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるカロテン