The influence of the preparation method on the carotenoids in fruit and vegetables and its importance for skin aging

Eine der aktuellsten, in zahlreichen Arbeitsgruppen und wissenschaftlichen Publikationen diskutierten Fragen, ist die nach der Rolle von freien Radikalen und der ihrer Gegenspieler generell und speziell in der menschlichen Haut. Diese Arbeit hatte das Ziel zu untersuchen, ob ein und welcher Zusammenhang zwischen dem antioxidativen Zustand der Haut und der Hautrauigkeit als makroskopische Messgröße der Hautalterung besteht. Als Leitsubstanz für das antioxidative Schutzsystem wurden aus der Gruppe der Carotinoide Lycopin und β-Carotin, ausgewählt. Sie konnten durch Einsatz eines im Bereich Hautphysiologie der Klinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie der Medizinischen Fakultät Charité-Universitätsmedizin Berlin speziell entwickelten Raman-Resonanzspektroskops nichtinvasiv in vivo und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar bestimmt werden. Das ermöglichte, ein zweites Ziel in dieser Arbeit, die Beeinflussung der Bioverfügbarkeit von β-Carotin durch Variation der Garbedingungen bei Karotten, Paprika, Broccoli und Kartoffeln und durch unterschiedliche Lagerungsbedingungen für Bauernpflaumen zu verfolgen. Die Experimente unter Einbeziehung des PRIMOS-3D-Messsystems führten zum Nachweis, dass in dem eng begrenzten Probandenkollektiv (40-50 Jahre) die Haut eine umso geringere Hautrauigkeit hatte, je höher der Antioxidantiengehalt war. Diese erstmalig über den Lycopingehalt nachgewiesene Korrelation zeigte klar, welche Bedeutung die optimale Versorgung der Haut mit Carotinoiden für den Alterungsprozess hat und dass eine gesunde Ernährung eine sehr gute Präventionsstrategie gegen Hautalterung darstellt.. Die Bestimmung der Änderung der β-Carotinkonzentration während des Garens erlaubte für Karotten, Paprika, Broccoli und Kartoffeln eine grobe Einteilung in zwei Gruppen. In einer Gruppe steigen die β-Carotingehalte mit zunehmender Garzeit an (Karotte, gelber Paprika, Kartoffelsorte „Rosaria“). Die zweite Gruppe mit Broccoli, roter Paprika und den Kartoffelsorten „Arkula“ und „Adretta“ zeigt einen Abfall an bioverfügbarem β-Carotin. Für dieses Verhalten könnte die unterschiedliche Komposition der gesamten als Schutzkettensystem funktionierenden Antioxidantien in den Früchten verantwortlich sein. Überraschend war der β-Carotingehalt von „Rosaria“, einer rotschaligen Kartoffelsorte, vergleichbar hoch wie der von Karotten oder gelber Paprika. Unterschiedliche Lagerungsbedingungen für Kernobst (Prunus domestica) führten zu starken Änderungen der gemessenen β-Carotinkonzentration. Bei Raumtemperatur steigt mit der Lagerzeit die Bioverfügbarkeit an, bei Aufbewahrung unter Kühlung (6°C) bleibt β-Carotin über 96 Stunden stabil. Zusatz von Alkohol steigert mit zunehmender Zeit die Bioverfügbarkeit des Carotinoids in den Früchten, bis ein Abfall durch Übertritt in die alkoholische Phase zu einem Rückgang an β-Carotin in der Frucht führt. Diese Arbeit zeigt, dass Antioxidantien eine äußert wichtige Funktion für den Zustand der Haut haben. Carotinoide wie Lycopin und β-Carotin haben dabei eine Schlüsselfunktion. Um eine optimale Versorgung mit diesen Substanzen zu ermöglichen, erlauben die Resultate der Garungs- und Lagerungsexperimente einen einfachen Ratschlag für die Küche: Gemüse sollte möglichst als Rohkost, nicht aber vollständig gegart gegessen werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass Obst und Gemüse nicht nur aus Carotinoiden, sondern auch aus verschiedenen Antioxidantien bestehen, welche sich gegenseitig vor der zerstörerischen Wirkung der freien Radikale schützen. Ein sehr effektives Antioxidans, wie Vitamin C ist temperaturempfindlich, wird aber durch hohe Carotinoid-Konzentrationen stabilisiert. Bauernpflaumen genießt man am besten nach 72 Stunden Lagerung in Alkohol. Die geringen Mengen an Alkohol, welche in den Früchten enthalten sind, sollten sich nicht oder nur in geringem Maße auf das antioxidative Schutzsystem der Haut auswirken.One of the current issues widely discussed among numerous research groups and in lots of scientific papers refers to the role of the free radicals and their adversaries, specifically in the human skin. The objective of this thesis was to investigate whether there is a correlation, and if so which, between the cutaneous antioxidative status and the roughness of the skin as a macroscopic measurand. From the group of carotenoids, lycopene and β-carotene were selected as indicator substance for the antioxidative protective system. These two components could be determined noninvasively, in vivo, at high accuracy and reproducibly using a Raman resonance spectroscopic system specifically developed at the Center of Experimental and Applied Cutaneous Physiology (CCP), Department of Dermatology, Venerology and Allergology of the Charité - Universitätsmedizin Berlin. This permitted to address a second objective of the present thesis, namely to influence the bio-availability of β-carotene by varying the cooking conditions for carrots, pepper, broccoli and potatoes, and by varying the storage conditions for regular plums. Using the PRIMOS-3D- measuring system, it could be demonstrated in the experiments that the roughness of the skin of the volunteers, whose age variance was restricted to only 10 years (40-50 years), was the lower the higher their antioxidative status of the skin. This correlation, which could be successfully detected for the first time via the lycopene content, clearly showed that an optimum supply of the skin with carotenoids considerably influences the ageing process and that the intake of healthy food is an excellent preventive strategy against premature skin aging. The determined changes in the β-carotene concentrations during the cooking process permitted to roughly divide carrots, pepper, broccoli and potatoes into two groups. While in group I the β-carotene values increased with extended cooking time (carrot, yellow pepper, potato type „Rosaria“),the group II vegetables, i.e., broccoli, red pepper and potatoes of types „Arkula“ and „Adretta“ showed a decline of bio-available β-carotene. This could be due to the different composition of the total of antioxidants functioning as protective chains in the respective vegetables. Surprisingly, the β-carotene content of the „Rosaria“ type potato with its red peel, was comparably high to that of carrots or yellow pepper. Different storage conditions of stone fruit (Prunus domestica) resulted in strong changes of the measured β-carotene concentrations. If stored at room temperature, the bio- availability increases with storage time; if stored at 6 °C, β-carotene remains stable for 96 h. The addition of alcohol increases the bio- availability of carotene in the fruits with time until a decay due to transition into the alcoholic phase results in a reduction of β-carotene in the fruits. This thesis shows that antioxidants, above all carotenoids like lycopene and β-carotene, play an extremely important role for the condition of the skin. For an optimum supply with these substances, the results of the cooking and storage experiments permit a simple recommendation. Vegetables should be eaten raw but not completely cooked, duly considering that fruit and vegetables contain not only carotenoids but a variety of different antioxidants which protect each other against the destructive action of the free radicals. A highly efficient antioxidant, such as Vitamin C, is temperature-sensitive, although stabilised by a high carotenoid concentation. Regular plums should preferably be stored 72 h in alcohol before eating. The antioxidative protective system of the skin should be affected scarcely or not at all by the low alcohol amount in the stored plums