I carotenoidi appartengono alla classe dei terpenoidi dei composti organici, in particolare i tetraterpenoidi. Sono sostanze fitochimiche, presenti quasi esclusivamente nelle piante, e si dividono in due categorie: caroteni privi di ossigeno e xantofille contenenti ossigeno. I terpenoidi possono essere derivati, almeno teoricamente, legando insieme o “polimerizzando” molecole di isoprene, CH2=C(CH3)CH=CH2. Gli scheletri tetraterpenici contengono quattro unità terpeniche da 10 atomi di carbonio per un totale di 40 atomi di carbonio. Restringendo la definizione, l’International Union of Pure and Applied Chemistry si riferisce alla struttura dei carotenoidi come quei tetraterpenoidi formalmente derivati dal licopene progenitore aciclico.
Nella struttura dei carotenoidi sono presenti esattamente 40 atomi di carbonio scheletrici, in teoria derivabili dall’unione di unità isopreniche e composti solo da carbonio, idrogeno ed eventualmente ossigeno. La struttura dei carotenoidi include anche un componente chiamato cromoforo, responsabile del colore della molecola. Questi composti organici sono biologicamente e nutrizionalmente importanti e sono indissolubilmente associati al processo vitale della fotosintesi.
La polimerizzazione è possibile perché l’isoprene possiede due doppi legami. Ogni molecola di isoprene ha cinque atomi di carbonio, quindi combinando due molecole si ottiene un’unica catena di 10 atomi di carbonio. La crescita può continuare oltre questa lunghezza, perché il secondo doppio legame per ogni molecola partecipante rimane inutilizzato. C’è una grande varietà di strutture terpenoidi che possono formarsi, perché la molecola di isoprene non è simmetrica. L’unione può avvenire testa a testa, testa a coda o coda a coda; più lunga è la catena, maggiore è il numero di combinazioni.
I carotenoidi sono tra gli alimenti nutrizionalmente benefici che si trovano in frutta e verdura. Tra i nutrienti ci sono la luteina, la zeaxantina e il licopene. La maggior parte dei carotenoidi possiede proprietà antiossidanti. Alcuni, tra cui alfa e beta-carotene e beta-criptoxantina, possono essere convertiti dall’organismo in un retinolo strutturalmente simile, la vitamina A. I colori vivaci delle verdure, in particolare il giallo del mais, l’arancione delle carote e il rosso dei pomodori , esiste a causa dei carotenoidi.
La porzione della molecola che produce i colori presenti nella struttura dei carotenoidi è il cromoforo, che significa “cuscinetto del colore”. È in gran parte determinato dalla raccolta ininterrotta di doppi legami alternati presenti nella molecola. Questa raccolta di elettroni pi assorbe energia che coincide con una parte dello spettro visibile. Ciò che rimane dei colori non assorbiti determina il colore del frutto o della verdura. Pertanto, una verdura gialla assorbe la luce in particolare nella parte blu dello spettro.
I carotenoidi si trovano nei cloroplasti e nei cromoplasti delle piante. Svolgono due funzioni specifiche. I composti assorbono la luce che può essere utilizzata nel processo di fotosintesi attraverso il trasferimento di energia e servono a proteggere le delicate molecole di clorofilla dall’esposizione alla dannosa luce ultravioletta. In autunno in alcune parti del mondo, man mano che la quantità di clorofilla diminuisce, i carotenoidi si rivelano spesso nei bei colori di molte piante che cambiano con le stagioni. I prodotti di decomposizione di molti dei carotenoidi conferiscono aromi piacevoli; alcuni di tali composti sono utilizzati nelle industrie delle essenze, dei profumi e degli aromi.