Cursul 2

CAROTENOIDE(COLORANTI POLIENICI)

Coloranţii polienici, carotenoidele, au răspândire universală, atât în regnul vegetal cât şi în regnul animal. Organismul animal nu poate sintetiza carotenoide; toate carotenoidele găsite în organismele animale sunt de origine vegetală şi sunt introduse odată cu hrana.

Clorofila din frunzele verzi este însoţită de doua carotenoide: carotenul şi xantofila.

Carotenoidele sunt pigmenţi galbeni, portocalii şi roşii, insolubili în apă, solubili în grăsimi, numiţi de aceea şi coloranţi lipocromi. Solubilitatea lor în grăsimi este limitată dar creşte mult prin esterificare cu un acid gras.

Carotenoidele formează cu proteinele lipoproteide colorate; cea mai importantă este purpura vizuala din retină, necesară vederii pe timpul nopţii.

Funcţia fiziologică a carotenoidelora) în plante carotenoidele servesc drept complecşi de exploatare a luminii LHC

(light harvesting complexes) având funcţia majoră de a strânge energia solara şi de a o transfera centrilor de reacţie pentru procesul redox foto-indus (fotosintaza);

b) la om joacă un rol esenţial prin relaţia lor cu vitamina A şi cu substanţele din retină; deasemenea reprezintă un factor important pentru sănătate prin acţiunea lor antioxidantă şi de regulatori ai sistemului imunitar (cancer, boli cardiace, oftalmologice etc.).

Pupura vizuală (Rodopsina)Organele microscopice din retină, sensibile la lumină, se numesc după forma lor: conuri sau bastonaşe. Din bastonaşe s-a izolat o substanţă intens roşie numită purpura vizuală sau rodopsina. Această substanţă sensibilă la lumină este combinaţia aldehidei corespunzând vitaminei A (retinina, Ret-CH=O) cu o proteină, orseina (are o grupare NH2 liberă, Ors-NH2).Prin absorbţia unei cuante de lumină, rodopsina (sau mai exact retinina) trece intr-un compus cu caracter de radical-ion, aşa-numitul portocaliu trecător, din care, după scurtă vreme, se regenerează rodopsina.

Au fost izolate peste 600 de carotenoide şi s-a determinat structura a peste 200 dintre acestea.

Clasificarea carotenoidelor după structura chimică:

1.Hidrocarburi carotenoidice cu 40 atomi de carbon (C40H56);2.Derivaţi oxigenaţi ai carotenoidelor (conţn grupe hidroxi, epoxi, furanoidice, cetonice);3.Carotenoide cu mai puţin de 40 atomi de carbon (aldehide, alcooli, acizi mono- şi bibazici);4.Coloranţi ceruri (ceruri polienice).

Au fost izolate încă de mult, din cele mai variate materiale vegetale, numeroase hidrocarburi izomere cu formula moleculară (C5H8)n . Pentru: n=2, C10H16 – terpeni;

n=3, C15H24 – sesquiterpeni;n=4, C20H32 – diterpeni;n=6, C30H48 – triterpeni;n=8, C40H56 – tetraterpeni.

Se poate observa apartenenţa carotenoidelor la această mare clasă de produşi naturali cu schelet poliizoprenic. Examinarea structurală a terpenilor arată ca scheletul hidrocarbonat al acestor compuşi este alcătuit din unităţi de izopren legate de obicei cap la coadă. S-a recunoscut astfel în regula izoprenică un principiu general al biosintezei vegetale (L. Ruzicka, 1921). Regula izoprenică a devenit importantă în stabilirea structurii terpenilor superiori şi a derivaţilor lor.

1. Carotenoide cu 40 atomi de carbon

În 1831 Wackenröder izolează colorantul din morcov pe care îl numeşte caroten (carotină). Până în 1933 au fost izolate carotine din foarte multe plante, ele fiind permanent insoţitoarele clorofilei din frunzele şi părţile verzi ale plantelor, conţinutul în carotine crescând treptat, de la începutul vegetaţiei până la înflorire, si scăzând până la căderea frunzelor.În afară de morcov ( Daucus carota) de la care provine numele, carotinele se găsesc în cele mai variate vegetale: tisă, lăcrămioară, măceş, răsură, trandafir, narcisă, tomate, ardei, piersici, caise, portocale, mandarine, lămâi, grapefruit, grâu, porumb, alge brune, urzici etc. Carotinele sunt responsabile şi de coloritul anumitor păsări (flamingo, canar), insecte şi chiar animale (creveţi, homari, somon).Deasemenea carotenoidele liposolubile sunt insoţite de vitamine hidrosolubile C, B1 şi B2.

Carotina extrasă constituie în cele mai multe cazuri un amestec de izomeri C40H56. Separarea izomerilor, laborioasa, implica metode cromatografice iar caracterizarea lor se face cel mai bine prin spectrele de absorbţie (vezi schema 1).

Schema 1. Schema generală de izolare a carotinoidelor

β-Carotina

Cristalizează din benzen-metanol în prisme hexagonale de culoare violet-închis iar din eter de petrol în plăci rombice de culoare roşie-închis.

Este conţinută în toate părţile verzi ale plantelor, ca un insoţitor permanent al clorofilei.Conţine: - 11 duble legături (determinate prin hidrogenare catalitică);

- 2 inele β–iononice marginale unite prin catena formată de patru resturi izoprenice (determinare prin oxidare cu KMnO4). Aceste inele β–iononice conferă caracterul de provitamină A.

Formula a fost confirmată prin sinteza pe mai multe căi.

α – Carotina

A fost descoperită la cromatografierea carotinei brute. Este aproape tot atât de raspandită ca şi β-carotina dar se găseşte întotdeauna în proporţie mai mică decât aceasta (de la urme pana la 25% faţă de β-caroten).Conţine: - 11 duble legături ( în spectrul de absorbţie banda principală este deplasată spre lungimi de unda mai mici deoarece nu toate dublele legaturi sunt conjugate);

- un inel β – iononic şi un inel α – iononic marginal (ox. KMnO4).Încalzita la 100-110oC cu etoxid de sodiu trece în β-carotină.

γ-Carotina

A fost descoperită la cromatografierea carotinei brute (1% faţă de β-carotină în morcov). Se găseşte relativ rar în natură: în stigmatele florilor de şofran, în părţile cărnoase ale fructelor de cais. Are acţiune provitaminică.

Licopina

Se prezintă sub formă de cristale de culoare roşie-violet.Este colorantul din pătlagelele roşii. Se găseşte în mai mult de 70 de specii

vegetale, mai ales în fructe (pepene, grapefruit, papaya) iar în speciile animale în unt, ser sanguin şi ficat omenesc.

Culoarea închisă se datorează numarului mare de duble legături conjugate (13).Molecula licopinei este alcătuită din doua jumatăţi identice, simetrice. Fiecare jumătate este compusă din patru resturi izoprenice legate cap la coadă; la jumatatea moleculei se inversează modul de legare.

Licopina este un antioxidant care absorbit în corp ajută la prevenirea imbolnăvirilor şi la repararea celulelor bolnave. Are efectul cel mai protector împotriva radicalilor liberi dintre toate carotenoidele. Se recomandă consumul a doua pahare de suc de roşii pe zi; roşiile gătite sau prelucrate termic conţin mai multă licopină iar aceasta este convertită într-o formă ce avantajează absorbţia ei de către organism.

2. Derivati oxigenati ai carotenoidelor cu 40 de atomi de carbon

Aceşti compuşi se caracterizează prin prezenţa grupelor: hidroxilice, carbonilice, hidroxi-cetonice, carboxilice, epoxidice, furanoidice, eterice.

Se vor face câteva referiri doar la principalii derivaţi hidroxilaţi ai carotenoidelor.

a) Cu schelet de α – carotina

Fizaxantina (3`- hidroxi - α – carotina)

Luteina sau xantofila (3,3`- dihidroxi - α – carotina)

Formează cristale galbene prin transparenţă şi violet metalic prin reflexie.Numele de xantofilă a fost dat de Berzelius pigmentului galben din frunzele îngălbenite. Ulterior s-a dovedit ca xantofila este derivatul principal din frunzele galbene, cu structura identică cu luteina conţinută în gălbenuşul de ou. Numele de xantofilă s-a menţinut pentru a indica grupa alcoolilor cu schelet carotenoidic.

Luteina este una dintre cele mai răspandite carotenoide din natură, însoţind β-carotina şi clorofila în toate plantele verzi.

b) Cu schelet de β-carotina

Criptoxantina (3-hidroxi- β-Carotina)

Zeaxantina (3,3`-dihidroxi- β-Carotina)

c) Cu schelet de licopona

Licoxantina (3-hidroxi-licopina)

Licofila (3,3`-dihidroxi-licopina)

3.Carotenoide cu mai puţin de 40 de atomi de carbon

3.1.Aldehide

Au fost izolate aldehide carotenoidice din fructe de citrice, măceşe, legume verzi, spanac etc.Unul din inelele iononice se pastrază la un capăt al lanţultui iar celalalt inel suferă un proces de oxidare urmat sau nu de scăderea succesivă a numărului atomilor de carbon. La oprirea procesului oxidativ, la un capăt al lanţului se află o grupare aldehidică ce

intră în conjugare cu lanţul polienic (efect batocrom) în timp ce concomitent, scurtarea lanţului polienic provoacă un efect hipsocrom.

β-Apo-8`-carotenalul este o aldehidă provenită de la β-caroten, folosită drept colorant alimentar (se obţine şi pe cale sintetică):

Prin oxidarea licopinei cu dioxid de crom se obţine bixin-dialdehida (intermediar se formează monoaldehida – licopinalul)

3.2. Alcooli

Vitamina A (Retinol, Axeroftol)

Vitamina A a fost izolată din porţiunea nesaponificabilă a uleiului gras din ficatul de peşte, sub forma unui ulei gălbui, optic inactiv, foarte uşor oxidabil, solubil în grăsimi. Compusul este relativ stabil la încălzire (se descompune la peste 200oC). Cu SnCl2 dă o coloraţie albastă-intensă.

Vitamina A2

Dublele legaturi din inelul marginal participă la conjugare – efect batocrom.

3.3.Acizi

α -Crocetina (C20H24O4), acid dicarboxilic polienic, cu 4 grupe metil, se găseşte în crocină, un ester cu doua molecule de gentobioza, produs izolat din stigmatele florilor de şofran.

Se cunosc şi β-crocetina – esterul monometilic al α-crocetinei şi γ-crocetina, esterul dimetilic al α-crocetinei. Toate crocetinele au fost izolate din şofran. 1Kg de şofran uscat (pulbere aromată, galben-aurie) se obţine din aproximativ 200 000 de flori.

Şofranul este utilizat în industria alimentară drept colorant dar şi pentru aroma sa.

Bixina

Bixina, esterul monometilic al norbixinei, se extrage din fructul roşu al arborelui tropical Bixa Orellana, şi se foloseste drept colorant alimentar sub denumirea de anatto.

4. Izomeria cis-trans la carotinoide

Cu puţine excepţii (ex.: bixina, crocetina) carotinoidele apar în natură într-o singură formă, cea stabilă, cu toate dublele legături trans (forma trans - totală).

Unele dintre formele cis imaginabile nu sunt posibile în realitate, din cauza împiedicării sterice a catenei laterale metil cu atomul de hidrogen vecin.

5. Proprietăţi fizice

Majoritatea carotinoidelor sunt substanţe colorate datorită cromoforului polienic alcătuit din cel puţin 8-9 duble legături conjugate:

< 8-9 duble legături conjugate – nu sunt colorate (fitoenul, fitofluenul); > 8-9 duble legături conjugate –10 leg. C=C – galbene (α-carotina, luteina);

11 leg. C=C – portocalii (β-carotina, zeaxantina); >11 leg. C=C – roşii (licopina).

Carotinoidele cu grupe carbonil – roşii-violet, cu grupări epoxi – galbene.

Prezintă un miros caracteristic, slab aromat; Nu sunt toxice sau iritante; Punctele de topire sunt în general sub 250oC (170-200oC); Prezintă un mare număr de izomeri geometrici (izomerii termodinamic

stabili - trans total); Pot fi transformaţi în cis-trans sub influenţa: luminii, căldurii, I2, acizilor,

solvenţilor.

6. Proprietăţi chimice

Carotinoidele sunt substanţe reactive datorită prezenţei dublelor legături C=C. Dau reacţii de hidrogenare, halogenare, oxidare, esterificare, deshidratare, condensare.

Cu acizii – reacţii de izomerizare; Bazele – în general sunt stabile la acţiunea bazelor.