カロチン

カロチン（カロチンとも呼ばれ、ラテン語のcarota（ニンジン）に由来^{[1] [2]} ）という用語は、化学式C ₄₀ H _{xで表される多くの関連}不飽和炭化水素物質を指すのに使用され、植物によって合成されるが、一般に動物によって生成されることはない（菌類から合成遺伝子を獲得した一部のアブラムシとハダニを除く）。 ^{[3]カロチンは}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、黄色の光（低濃度の場合）を散乱します。

カロテンは、この化学物質の分類の由来となったニンジンのオレンジ色や、その他多くの果物、野菜、菌類（例えば、サツマイモ、アンズタケ、オレンジ色のマスクメロン）の色の原因です。カロテンは、乾燥した葉のオレンジ色（黄色のすべてではありません）も原因です。また、低濃度では、乳脂肪やバターに黄色の色を与えます。人間や鶏などの雑食動物は、色のついた食物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く、食事の野菜部分からカロテノイドが保持される結果として、体脂肪が黄色く なります。

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します。また、光合成中に生成される酸素分子 O ₂の励起形態である一重項酸素からのエネルギー吸収を助けることで植物組織を保護します。

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、ヒトや他の一部の哺乳類にとってビタミンAの一種となります。カロテンのα-カロテンとγ-カロテンも、レチニル基（β-イオノン環）が1つあるため、ある程度のビタミンA活性があります（β-カロテンほどではありませんが） 。キサントフィルカロテノイドのβ-クリプトキサンチンも同様です。リコピンを含む他のすべてのカロテノイドはβ環を持たず、したがってビタミンA活性はありません（ただし、抗酸化活性があり、したがって他の方法で生物学的活性がある場合があります）。

動物種は、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が大きく異なります。肉食動物は一般的に、食事中のイオノンを含むカロテノイドの変換が苦手です。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まったく変換できません（その結果、この種にとってカロテンはビタミンAの形ではありません）。一方、猫は微量のβ-カロテンをレチノールに変換できますが、その量は毎日のレチノールの必要量を満たすにはまったく不十分です。^[4]

カロテンは、分子あたり 40 個の炭素原子と、さまざまな数の水素原子を含み、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、分子の片端または両端が環で終わっています。共役二重結合があるため、すべて色がついています。カロテンはテトラテルペンであり、つまり、8 つの 5 炭素イソプレン単位 (または 4 つの 10 炭素テルペン単位) から生成されます。

カロテンは、ギリシャ語のアルファベットで表す 2 つの主要な形態、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) で植物中に存在します。ガンマ-、デルタ-、イプシロン-、ゼータ-カロテン(γ-カロテン、δ-カロテン、ε-カロテン、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のカロチンの発見は、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によるものとされており、彼は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の形でカロチンを発見し、それを脂肪に溶かすと「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年にその炭化水素としての性質を認識したが、彼の分析では組成がC ₅ H ₈であると判明した。 1886年にレオン＝アルベール・アルノーがその炭化水素としての性質を確認し、理論上の組成であるC ₄₀ H _{56に近い化学式C 26} H ₃₈を与えたのは彼だった。アドルフ・リーベンは、同じく1886年に発表した黄体の色素物質に関する研究で、動物組織中のカロチノイドに初めて遭遇したが、その色素の性質は認識していなかった。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、立体分光法による研究の結果、動物や植物に含まれる黄色の結晶性物質のクラスに「ルテイン」という用語を適用した。1915年に主にクロロフィルに関する研究でノーベル化学賞を受賞したリチャード・マーティン・ヴィルシュテッターは、この物質にC ₄₀ H ₅₆という組成を割り当て、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、トマトからリコピンが単離され、カロチンの異性体であることが示された。エッシャーはその後の研究で、卵黄の「黄体」色素と牛の黄体のカロチンを区別した。 ^[5]

以下の食品にはカロテンが多量に含まれています。^[6]

カロテンは脂溶性であるため、脂肪と一緒に摂取したり、植物細胞壁が分裂して色素が液体に溶け出すまで数分間調理したりすると、これらの食品からの吸収が促進されます。^[6]食事中のβ-カロテン12μgはレチノール1μgに相当し、α-カロテンまたはβ-クリプトキサンチン24μgはレチノール1μgに相当します。^{[6] [8]}

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 (右の図の右端) の環状基の 二重結合(したがって水素)の位置が異なります。

β-カロチンはより一般的な形で、黄色、オレンジ色、緑色の葉野菜や果物に含まれています。経験則として、果物や野菜のオレンジ色が濃いほど、含まれるβ-カロチンが多くなります。

カロチンは紫外線の破壊的な影響から植物細胞を保護するので、β-カロチンは抗酸化物質です。

アメリカ癌協会の記事によると、癌研究キャンペーンは、β-カロチンサプリメントに警告ラベルを付け、喫煙者に対してそのようなサプリメントが肺癌のリスクを高める可能性があることを警告するよう求めている。^[11]

ニューイングランド医学ジャーナルは1994年に、β-カロチンとビタミンE（α-トコフェロール）の毎日のサプリメントと肺がんの発症率との関係を調べた試験に関する記事^[12]を発表しました。この研究はサプリメントを使用して行われ、研究者はカロテノイドが豊富な果物と野菜と肺がんの発生率の低下との間の疫学的相関関係を認識していました。この研究では、これらのサプリメントを使用した参加者に肺がんの減少は見られず、さらに、これらのサプリメントは実際には有害な影響がある可能性があるという結論が出ました。

1996年に、国立がん研究所ジャーナルとニューイングランド医学ジャーナルは、ビタミンA（レチニルパルミテートの形）とβ-カロチン（約30mg/日、基準1日摂取量の10倍^）のサプリメントががんの予防に有益な効果があるかどうかを判断することを目的とした試験に関する^{記事を発表しました}。結果は、 β-カロチンサプリメントを摂取し、喫煙やアスベストへの曝露による肺の炎症を起こした参加者の肺がんと前立腺がんのリスクが増加することを示し、試験は早期に中止されました。^[14]

2007年にJAMA誌に発表されたコクラン共同体による科学文献のすべてのランダム化比較試験のレビューでは、合成β-カロチンは死亡率を1～8％増加させることが判明しました（相対リスク1.05、95％信頼区間1.01～1.08）。^[15]しかし、このメタ分析には喫煙者を対象とした2つの大規模な研究が含まれていたため、結果が一般集団に当てはまるかどうかは明らかではありません。^[16]このレビューでは合成抗酸化物質の影響のみを研究しており、その結果を果物や野菜の潜在的な影響に当てはめるべきではありません。

経口β-カロチンは骨髄性プロトポルフィリン症の患者に処方され、光線過敏症の症状をいくらか緩和します。^[17]

カロテン血症または高カロテン血症はカロテンが過剰になることですが、ビタミン A の過剰摂取とは異なり、カロテンは無毒です。高カロテン血症は特に危険ではありませんが、皮膚がオレンジ色になることがあります (カロテン血症)。ただし、目の結膜はオレンジ色になりません(そのため、視覚的には黄疸と簡単に区別できます)。これは、ニンジンの大量摂取に最もよく見られますが、より危険な状態の 医学的兆候である可能性もあります。

カロテンは他のテルペノイドやテルペンと一般的な方法で生成され、イソプレン誘導体のカップリング、環化、酸素化反応によって生成されます。リコピンはカロテノイドの重要な前駆体です。ゲラニルゲラニルピロリン酸とゲラニリニルピロリン酸のカップリングによって形成されます。^[18]

世界の合成カロチン供給のほとんどは、テキサス州フリーポートにあるDSMが所有する製造施設から来ています。もう1つの主要サプライヤーであるBASFも、化学プロセスを使用してβ-カロチンを製造しています。これらのサプライヤーを合わせると、市場のβ-カロチンの約85％を占めています。^{[19]スペインでは、Vitateneが}Blakeslea trispora菌類から天然β-カロチンを生産しており、DSMも同様ですが、合成β-カロチン事業と比較すると、その量ははるかに少ないです。オーストラリアでは、Aquacarotene Limitedが、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から有機β-カロチンを生産しています。BASFオーストラリアは、オーストラリアにある世界最大の藻類農場2か所で栽培された微細藻類からβ-カロチンも生産しています。ポルトガルでは、産業バイオテクノロジー企業バイオトレンドが、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全トランスβ-カロチンを生産している。

カロテンはパーム油、トウモロコシ、乳牛のミルクにも含まれており、 ^[20]牛の飼料やミルクに含まれる脂肪の量に応じて、牛乳が淡黄色になる原因となっています（ガーンジー牛のような高脂肪ミルクは、脂肪分が多くカロテンを多く含むため、黄色くなる傾向があります）。

カロチンはシロアリのいくつかの種にも含まれており、シロアリの食事から摂取されたものと思われます。^[21]

現在、 β-カロチンの全合成には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を取得しています。^{[22] [23]}

2つ目はグリニャール反応で、^[24]ホフマン・ラ・ロッシュがインホッフェンらのオリジナルの合成法に基づいて開発した。どちらも対称的で、BASF合成法はC20 + C20、ホフマン・ラ・ロッシュ合成法はC19 + C2 + C19である。

カロテンは酸素を含まないカロテノイドです。酸素をいくらか含むカロテノイドはキサントフィルとして知られています。

β-カロチン分子の両端は構造的に同一であり、β環と呼ばれます。具体的には、各端の 9 個の炭素原子のグループが β 環を形成します。

α-カロチン分子は、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。

カロテノイド分子の末端に対するこれらおよび類似の名前は、体系的な命名体系の基礎を形成し、それによれば次のようになります。

• 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、psiとラベル付けされた1つの非環化末端を持つ）は、β,ψ-カロテンです。
• δ-カロテン（1つのε環と1つの非環化末端を持つ）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-カロチンである

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ピンの前駆体であり、リコピンはカロテンαからεまでの前駆体です。

カロチンはジュース、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として記載）^[25]オーストラリアとニュージーランド（160aとして記載）^[26]および米国では食品添加物として使用することが承認されています。^[27]

• 抗酸化物質

• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のカロチン