Carotenoïden: de natuurlijke kleurstoffen die honger en ziekte bestrijden
Snijd een wortel doormidden en je ziet meteen waarom carotenoïden hun naam hebben: het zijn de stoffen die groenten en fruit hun oranje, gele en rode kleur geven. Denk aan de kleur van een pompoen, een tomaat, een perzik of het geel van eidooier. Al die kleuren komen van dezelfde familie van moleculen, gemaakt door planten, algen en sommige bacteriën. Mensen en dieren kunnen carotenoïden niet zelf aanmaken, maar wel opnemen via voeding, en sommige ervan zijn essentieel voor onze gezondheid.
Het bekendste voorbeeld is bètacaroteen, dat je lichaam omzet in vitamine A. Een tekort aan vitamine A is wereldwijd nog altijd een groot probleem, vooral bij kinderen in arme landen, waar het kan leiden tot blindheid en een verzwakt immuunsysteem. Daarom is er al decennialang wetenschappelijk onderzoek naar carotenoïden: niet alleen om te begrijpen hoe ze werken in planten en in ons lichaam, maar ook om gewassen te ontwikkelen die er extra veel van bevatten. Dat laatste veld, biofortificatie genoemd, probeert met gewone veredeling of gentechnologie de voedingswaarde van basisvoedsel te verhogen.
Wat is het precies?
Carotenoïden zijn een groep van meer dan zeshonderd verschillende pigmentmoleculen die alle zijn opgebouwd uit lange ketens van koolstofatomen met afwisselend enkele en dubbele bindingen. Die structuur, een zogeheten geconjugeerd systeem, is de reden dat ze licht absorberen in het blauw-groene deel van het spectrum en daardoor geel, oranje of rood op ons netvlies overkomen.
Scheikundig vallen carotenoïden uiteen in twee hoofdgroepen. De eerste groep, de caroteenen, bestaat puur uit koolstof en waterstof; bekende voorbeelden zijn bètacaroteen (wortels, zoete aardappel) en lycopeen (tomaten, watermeloen). De tweede groep, de xanthofylen, bevat ook zuurstofatomen; hiertoe behoren luteïne en zeaxanthine, die je vooral in bladgroenten zoals spinazie en boerenkool vindt.
In planten spelen carotenoïden een dubbele rol. Tijdens de fotosynthese vangen ze zonlicht op en geven de energie door aan chlorofyl, het groene pigment dat het eigenlijke werk doet. Daarnaast beschermen carotenoïden de plant tegen schade door te veel licht: ze vangen agressieve zuurstofdeeltjes op die anders celstructuren zouden beschadigen. Diezelfde antioxidant-eigenschap is de reden dat carotenoïden ook in het menselijk lichaam interessant zijn, bijvoorbeeld voor de bescherming van het netvlies.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar carotenoïden kent grofweg drie doelen. Ten eerste gezondheid: bètacaroteen is een provitamine, wat betekent dat het lichaam het kan omzetten in vitamine A. Omdat vitamine A-tekort wereldwijd nog altijd honderdduizenden kinderen per jaar blind maakt of vatbaarder voor infecties, proberen onderzoekers gewassen te maken met hogere gehaltes bètacaroteen, zodat mensen die vooral rijst, maïs of cassave eten toch voldoende binnenkrijgen.
Ten tweede oogziekten: luteïne en zeaxanthine hopen zich op in de macula, het centrale deel van het netvlies, waar ze blauw licht filteren en oxidatieve schade beperken. Wetenschappers onderzoeken of extra inname via voeding of supplementen leeftijdsgebonden maculadegeneratie kan vertragen, een belangrijke oorzaak van slechtziendheid bij ouderen.
Ten derde is er een economisch en industrieel doel: carotenoïden worden gebruikt als natuurlijke kleurstof in voeding, cosmetica en diervoer, bijvoorbeeld om zalm zijn karakteristieke roze kleur te geven. Omdat consumenten steeds vaker synthetische kleurstoffen willen vermijden, is er groeiende vraag naar carotenoïden die op natuurlijke of biotechnologische wijze zijn geproduceerd, bijvoorbeeld met gisten, algen of gefermenteerde schimmels.
Voorbeelden uit de praktijk
Golden Rice is het bekendste voorbeeld. Onderzoekers Ingo Potrykus en Peter Beyer ontwikkelden eind jaren negentig een rijstras dat via genetische modificatie bètacaroteen aanmaakt in de rijstkorrel, die daardoor geel-oranje kleurt. Na jarenlange discussie over regelgeving en veiligheid keurde de Filipijnse overheid Golden Rice in 2021 goed voor teelt, als eerste land ter wereld.
Biofortificatie van zoete aardappel: het programma HarvestPlus verspreidde vanaf de jaren 2000 in landen als Oeganda en Mozambique oranje zoete aardappelrassen met veel bètacaroteen, als vervanging van de traditionele witte variant die nauwelijks vitamine A bevat.
Gouden bananen: onderzoekers van de Queensland University of Technology in Australië werkten samen met Oegandese instituten aan bananen met verhoogd bètacaroteengehalte, bedoeld voor Oost-Afrika waar bananen een dagelijks basisvoedsel zijn. In 2023 vonden de eerste humane voedingsstudies plaats.
Astaxanthine uit algen: het bedrijf Cyanotech op Hawaï en verschillende Europese producenten kweken de microalg Haematococcus pluvialis om astaxanthine te oogsten, een krachtig antioxiderend carotenoïde dat wordt gebruikt in visvoer en voedingssupplementen.
Fermentatieve productie van lycopeen en bètacaroteen: chemiebedrijven zoals DSM-Firmenich produceren carotenoïden niet langer alleen synthetisch uit petrochemische grondstoffen, maar ook via gefermenteerde schimmels en gisten, als duurzamer alternatief voor de voedingsmiddelenindustrie.
Hoe ver is de techniek?
Biofortificatie via klassieke veredeling, zoals bij de oranje zoete aardappel, is inmiddels op grote schaal toegepast: HarvestPlus meldt dat tientallen miljoenen huishoudens in Afrika en Azië biofortified gewassen zijn gaan verbouwen. Dat proces verloopt relatief snel omdat er geen genetische modificatie nodig is en dus geen langdurige toelatingsprocedures.
Genetisch gemodificeerde gewassen zoals Golden Rice liggen moeilijker. Na de goedkeuring in de Filipijnen in 2021 volgde in 2022 een voorlopige schorsing door een rechtszaak van milieuorganisaties, waarna de teelt in 2023 weer werd toegestaan na hoger beroep. Bangladesh beoordeelt het gewas eveneens, maar een definitieve marktintroductie laat op zich wachten. De belangrijkste obstakels zijn niet technisch maar maatschappelijk en juridisch: wantrouwen tegenover gentechnologie, trage regelgeving en de vraag of boeren het gewas uiteindelijk ook willen telen en consumenten het willen eten.
Op industrieel vlak is de productie van carotenoïden via fermentatie met gisten en algen inmiddels commercieel volwassen en concurreert die in prijs met synthetische productie, al blijft schaalvergroting een uitdaging. Onderzoek naar de precieze werking van luteïne en zeaxanthine bij oogziekten loopt nog door; grote klinische studies zoals de Amerikaanse AREDS2-trial laten een bescheiden beschermend effect zien, maar geen wondermiddel.
Wie werken eraan?
Het International Rice Research Institute (IRRI) op de Filipijnen coördineert de ontwikkeling en verspreiding van Golden Rice, in samenwerking met de Zwitserse onderzoekers die de technologie oorspronkelijk ontwikkelden. HarvestPlus, onderdeel van het internationale landbouwonderzoeksconsortium CGIAR, leidt wereldwijd biofortificatieprogramma's voor gewassen als zoete aardappel, maïs en bonen.
Op het gebied van industriële productie zijn bedrijven als DSM-Firmenich (Nederland/Zwitserland), BASF (Duitsland) en het Amerikaanse Cyanotech actief. In Nederland doet Wageningen University & Research onderzoek naar plantenveredeling en de biosynthese van carotenoïden. Universiteiten in Australië, de Verenigde Staten en China werken aan nieuwe biofortified gewassen en aan gist- en algenstammen die efficiënter carotenoïden produceren.