Antioxidans

Ein Antioxidans oder Antioxidationsmittel (Mehrzahl Antioxidantien, auch Antioxidanzien) ist eine chemische Verbindung, die eine Oxidation anderer Substanzen verlangsamt oder gänzlich verhindert. ⓘ

Antioxidantien haben eine große physiologische Bedeutung durch ihre Wirkung als Radikalfänger. Sie inaktivieren im Organismus reaktive Sauerstoffspezies (ROS), deren übermäßiges Vorkommen zu oxidativem Stress führt, der in Zusammenhang mit dem Altern und der Entstehung einer Reihe von Krankheiten gebracht wird. Geringe, d. h. physiologische Mengen an ROS dagegen sind als Signalmoleküle, die die Stressabwehrkapazität, Gesundheit und Lebenserwartung von Modellorganismen und des Menschen steigern, durchaus erforderlich. Eine nahrungsergänzende Zufuhr (Supplementierung) von Antioxidantien kann bestimmten Studien zufolge zu einer gesteigerten Krebshäufigkeit und zu einem erhöhten Sterberisiko des Menschen führen. ⓘ

Antioxidationsmittel sind außerdem von großer, insbesondere technologischer Bedeutung als Zusatzstoffe für verschiedenste Produkte (Lebensmittel, Arzneimittel, Bedarfsgegenstände, Kosmetik, Gebrauchsmaterialien), um darin einen – besonders durch Luftsauerstoff bewirkten – oxidativen Abbau empfindlicher Moleküle zu verhindern. Der oxidative Abbau bestimmter Inhaltsstoffe oder Bestandteile wirkt sich wertmindernd aus, weil sich Geschmack oder Geruch unangenehm verändern (Lebensmittel, Kosmetika), die Wirkung nachlässt (bei Arzneimitteln), schädliche Abbauprodukte entstehen oder physikalische Gebrauchseigenschaften nachlassen (z. B. bei Kunststoffen). ⓘ

Struktur des Antioxidans Glutathion ⓘ

Antioxidantien sind Verbindungen, die die Oxidation hemmen, eine chemische Reaktion, bei der freie Radikale und Kettenreaktionen entstehen können, die die Zellen von Organismen schädigen können. Antioxidantien wie Thiole oder Ascorbinsäure (Vitamin C) können diese Reaktionen hemmen. Um den oxidativen Stress auszugleichen, enthalten und produzieren Organismen Antioxidantien wie Glutathion, Mycothiol oder Bacillithiol. ⓘ

Die einzigen ernährungsbedingten Antioxidantien sind die Vitamine A, C und E. Der Begriff Antioxidans wird auch für Industriechemikalien verwendet, die bei der Herstellung zugesetzt werden, um die Oxidation in synthetischem Gummi, Kunststoffen und Kraftstoffen zu verhindern, oder als Konservierungsmittel in Lebensmitteln und Kosmetika. ⓘ

Obst und Gemüse sind zwar reich an antioxidativen Vitaminen und können Teil einer gesunden Ernährung sein, es gibt jedoch keine eindeutigen Beweise dafür, dass der Verzehr von pflanzlichen Lebensmitteln speziell wegen der darin enthaltenen antioxidativen Vitamine gesundheitliche Vorteile bringt. Bei Nahrungsergänzungsmitteln, die als Antioxidantien vermarktet werden, konnte nicht nachgewiesen werden, dass sie die Gesundheit verbessern oder Krankheiten beim Menschen verhindern. Einigen Studien zufolge haben Nahrungsergänzungsmittel mit Beta-Carotin, Vitamin A und Vitamin E keine positive Wirkung auf die Sterblichkeitsrate oder das Krebsrisiko. Außerdem verringert eine Supplementierung mit Selen oder Vitamin E nicht das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. ⓘ

Gesundheitsforschung

Zusammenhang mit der Ernährung

Freie Radikale sind hochreaktive Sauerstoffverbindungen, die im Körper gebildet werden und in verstärktem Maß durch UV-Strahlung und Schadstoffe aus der Umwelt entstehen. Ihr Vorkommen im Übermaß (oxidativer Stress) erzeugt Zellschäden und gilt nicht nur als mitverantwortlich für das Altern, sondern wird auch in Zusammenhang mit der Entstehung einer Reihe von Krankheiten gebracht. Geringe, d. h. physiologische Mengen an ROS dagegen sind als Signalmoleküle, die die Stressabwehrkapazität, Gesundheit und Lebenserwartung von Modellorganismen und des Menschen steigern, erforderlich. Einen Schutz vor den schädlichen Folgen zu hoher Mengen an freien Radikalen stellt das körpereigene Abwehrsystem dar, welches durch geringe Mengen an ROS – einer Impfung ähnlich – immer wieder aktiviert wird (siehe auch Mitohormesis). ⓘ

Außer endogen gebildeten Antioxidantien wirken im Abwehrsystem auch solche, die mit der Nahrung zugeführt werden. Eine gesunde Ernährung unter Einbeziehung von mit an antioxidativ wirksamen Stoffen reichen Lebensmitteln gilt als effektive Vorbeugung vor Herz-Kreislauferkrankungen, eine Schutzwirkung vor bestimmten Krebsarten wird als möglich erachtet. Beides jedoch wird inzwischen nicht mehr als durch aussagekräftige Studien gesichert betrachtet. ⓘ

Die Beurteilung polyphenolischer Pflanzeninhaltsstoffe dagegen ist in diesem Zusammenhang deutlich besser gesichert, und die wissenschaftliche Beweislage für die gesundheitsfördernde Wirkung bestimmter Polyphenole, besonders der im Tee, Kakao, Beeren und Rotwein vorkommenden Flavanole, hat sich in den letzten Jahren verstärkt. Dies scheint aber nicht damit in Verbindung zu stehen, dass diese Substanzen antioxidative Eigenschaften in vitro besitzen. Ein Expertengutachten geht davon aus, dass die antioxidative Kapazität, welche die Polyphenole und Flavonoide in vitro zeigen, kein Messwert für deren Wirkung im menschlichen Körper ist. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) schloss sich dieser Einschätzung weitgehend an. ⓘ

Obwohl eine bestimmte Menge an antioxidativen Vitaminen in der Ernährung für eine gute Gesundheit erforderlich ist, wird immer noch heftig darüber diskutiert, ob antioxidativ wirkende Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel eine krankheitshemmende Wirkung haben. Wenn sie tatsächlich von Nutzen sind, ist außerdem nicht bekannt, welche Antioxidantien in der Ernährung gesundheitsfördernd sind und in welchen Mengen sie über die normale Nahrungsaufnahme hinausgehen. Einige Autoren bestreiten die Hypothese, dass antioxidative Vitamine chronischen Krankheiten vorbeugen könnten, und einige erklären, dass diese Hypothese unbewiesen und falsch ist. Polyphenole, die in vitro antioxidative Eigenschaften aufweisen, haben in vivo eine unbekannte antioxidative Aktivität, da sie nach der Verdauung stark metabolisiert werden und es kaum klinische Beweise für ihre Wirksamkeit gibt. ⓘ

Wechselwirkungen

Gängige Arzneimittel (und Nahrungsergänzungsmittel) mit antioxidativen Eigenschaften können die Wirksamkeit bestimmter Krebsmedikamente und Strahlentherapien beeinträchtigen. ⓘ

Unerwünschte Wirkungen

Struktur des Metallchelators Phytinsäure ⓘ

Relativ stark reduzierende Säuren können nährstoffhemmende Wirkungen haben, indem sie sich im Magen-Darm-Trakt an Nahrungsmineralien wie Eisen und Zink binden und deren Aufnahme verhindern. Beispiele hierfür sind Oxalsäure, Gerbstoffe und Phytinsäure, die in pflanzlicher Ernährung reichlich vorhanden sind. Kalzium- und Eisenmangel sind keine Seltenheit in der Ernährung von Entwicklungsländern, in denen weniger Fleisch verzehrt wird und der Verzehr von Phytinsäure aus Bohnen und ungesäuertem Vollkornbrot hoch ist. Keimung, Einweichen oder mikrobielle Fermentation sind jedoch allesamt Haushaltsstrategien, die den Phytat- und Polyphenolgehalt von unraffiniertem Getreide reduzieren. Bei Erwachsenen, die dephytiniertes Getreide verzehren, wurde eine erhöhte Fe-, Zn- und Ca-Absorption im Vergleich zu Getreide mit nativem Phytat festgestellt. ⓘ

Lebensmittel	Vorhandene reduzierende Säure ⓘ
Kakaobohnen und Schokolade, Spinat, Rüben und Rhabarber	Oxalsäure
Vollkorngetreide, Mais, Hülsenfrüchte	Phytinsäure
Tee, Bohnen, Kohl	Gerbstoffe

Hohe Dosen einiger Antioxidantien können langfristig schädliche Auswirkungen haben. In der CARET-Studie (Beta-Carotene and Retinol Efficacy Trial) mit Lungenkrebspatienten wurde festgestellt, dass Raucher, die Nahrungsergänzungsmittel mit Beta-Carotin und Vitamin A erhielten, häufiger an Lungenkrebs erkrankten. Nachfolgende Studien bestätigten diese schädlichen Wirkungen. Diese schädlichen Wirkungen können auch bei Nichtrauchern auftreten, denn eine Meta-Analyse mit Daten von etwa 230 000 Patienten ergab, dass eine Supplementierung mit β-Carotin, Vitamin A oder Vitamin E mit einer erhöhten Sterblichkeit verbunden ist, während bei Vitamin C keine signifikante Wirkung festgestellt wurde. Da die meisten dieser Studien mit geringem Risiko entweder ältere oder kranke Menschen betrafen, gelten diese Ergebnisse möglicherweise nicht für die Allgemeinbevölkerung. Diese Meta-Analyse wurde später von denselben Autoren wiederholt und erweitert, wobei die früheren Ergebnisse bestätigt wurden. Diese beiden Veröffentlichungen stehen im Einklang mit einigen früheren Meta-Analysen, die ebenfalls darauf hinwiesen, dass die Einnahme von Vitamin E die Sterblichkeit erhöht und dass die Einnahme von Antioxidantien das Darmkrebsrisiko erhöht. Auch Beta-Carotin kann das Lungenkrebsrisiko erhöhen. Insgesamt deuten die zahlreichen klinischen Studien, die zu antioxidativen Nahrungsergänzungsmitteln durchgeführt wurden, darauf hin, dass diese Produkte entweder keine Auswirkungen auf die Gesundheit haben oder dass sie bei älteren oder gefährdeten Bevölkerungsgruppen einen geringen Anstieg der Sterblichkeit verursachen. ⓘ

Oxidative Herausforderung in der Biologie

Die Struktur des antioxidativen Vitamins Ascorbinsäure (Vitamin C) ⓘ

Ein Paradoxon des Stoffwechsels besteht darin, dass die überwiegende Mehrheit des komplexen Lebens auf der Erde Sauerstoff für seine Existenz benötigt, Sauerstoff jedoch ein hochreaktives Element ist, das lebende Organismen durch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies schädigt. Folglich verfügen Organismen über ein komplexes Netz von antioxidativen Stoffwechselprodukten und Enzymen, die zusammenarbeiten, um oxidative Schäden an Zellbestandteilen wie DNA, Proteinen und Lipiden zu verhindern. Im Allgemeinen verhindern die antioxidativen Systeme entweder die Bildung dieser reaktiven Spezies oder beseitigen sie, bevor sie lebenswichtige Bestandteile der Zelle schädigen können. Reaktive Sauerstoffspezies haben jedoch auch nützliche zelluläre Funktionen, z. B. als Redox-Signalgeber. Die Funktion der Antioxidantiensysteme besteht also nicht darin, Oxidantien vollständig zu entfernen, sondern sie auf einem optimalen Niveau zu halten. ⓘ

Zu den reaktiven Sauerstoffspezies, die in den Zellen entstehen, gehören Wasserstoffperoxid (H₂O₂), hypochlorige Säure (HClO) und freie Radikale wie das Hydroxylradikal (-OH) und das Superoxidanion (O₂-). Das Hydroxylradikal ist besonders instabil und reagiert schnell und unspezifisch mit den meisten biologischen Molekülen. Diese Spezies entsteht aus Wasserstoffperoxid in metallkatalysierten Redoxreaktionen wie der Fenton-Reaktion. Diese Oxidationsmittel können Zellen schädigen, indem sie chemische Kettenreaktionen wie die Lipidperoxidation in Gang setzen oder die DNA oder Proteine oxidieren. Schäden an der DNA können Mutationen und möglicherweise Krebs verursachen, wenn sie nicht durch DNA-Reparaturmechanismen rückgängig gemacht werden, während Schäden an Proteinen zur Hemmung von Enzymen, Denaturierung und zum Abbau von Proteinen führen. ⓘ

Die Verwendung von Sauerstoff als Teil des Prozesses zur Erzeugung von Stoffwechselenergie erzeugt reaktive Sauerstoffspezies. In diesem Prozess entsteht das Superoxid-Anion als Nebenprodukt mehrerer Schritte der Elektronentransportkette. Besonders wichtig ist die Reduktion des Coenzyms Q im Komplex III, da hier ein hochreaktives freies Radikal als Zwischenprodukt (Q--) gebildet wird. Dieses instabile Zwischenprodukt kann zu einem "Elektronenverlust" führen, wenn die Elektronen direkt zu Sauerstoff springen und das Superoxidanion bilden, anstatt die normale Reihe von gut kontrollierten Reaktionen der Elektronentransportkette zu durchlaufen. Peroxid entsteht auch bei der Oxidation reduzierter Flavoproteine wie Komplex I. Obwohl diese Enzyme Oxidantien produzieren können, ist die relative Bedeutung der Elektronentransportkette im Vergleich zu anderen Prozessen, die Peroxid erzeugen, unklar. In Pflanzen, Algen und Cyanobakterien werden reaktive Sauerstoffspezies auch während der Photosynthese erzeugt, insbesondere unter Bedingungen hoher Lichtintensität. Dieser Effekt wird teilweise durch die Beteiligung von Carotinoiden an der Photoinhibition und in Algen und Cyanobakterien durch große Mengen an Jodid und Selen ausgeglichen, wobei diese Antioxidantien mit übermäßig reduzierten Formen der photosynthetischen Reaktionszentren reagieren und die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies verhindern. ⓘ

Beispiele für bioaktive antioxidative Verbindungen

Antioxidantien werden in zwei große Gruppen eingeteilt, je nachdem, ob sie in Wasser (hydrophil) oder in Lipiden (lipophil) löslich sind. Im Allgemeinen reagieren wasserlösliche Antioxidantien mit Oxidantien im Zell-Cytosol und im Blutplasma, während lipidlösliche Antioxidantien die Zellmembranen vor Lipidperoxidation schützen. Diese Verbindungen können im Körper synthetisiert oder über die Nahrung aufgenommen werden. Die verschiedenen Antioxidantien sind in Körperflüssigkeiten und Geweben in sehr unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden, wobei einige wie Glutathion oder Ubichinon hauptsächlich in den Zellen vorkommen, während andere wie Harnsäure gleichmäßiger verteilt sind (siehe Tabelle unten). Einige Antioxidantien kommen nur in einigen wenigen Organismen vor, und diese Verbindungen können in Krankheitserregern wichtig sein und als Virulenzfaktoren wirken. ⓘ

Die relative Bedeutung und die Wechselwirkungen zwischen diesen verschiedenen Antioxidantien ist eine sehr komplexe Frage, wobei die verschiedenen antioxidativen Verbindungen und antioxidativen Enzymsysteme synergistische und voneinander abhängige Wirkungen haben. Die Wirkung eines Antioxidans kann daher von der ordnungsgemäßen Funktion anderer Mitglieder des Antioxidantensystems abhängen. Das Ausmaß des Schutzes, den ein Antioxidans bietet, hängt auch von seiner Konzentration, seiner Reaktivität gegenüber den jeweiligen reaktiven Sauerstoffspezies und dem Status der Antioxidantien ab, mit denen es in Wechselwirkung steht. ⓘ

Einige Verbindungen tragen zum antioxidativen Schutz bei, indem sie Übergangsmetalle chelatisieren und sie daran hindern, die Produktion freier Radikale in der Zelle zu katalysieren. Besonders wichtig ist die Fähigkeit, Eisen zu binden, was die Aufgabe von eisenbindenden Proteinen wie Transferrin und Ferritin ist. Selen und Zink werden gemeinhin als antioxidative Mineralien bezeichnet, doch haben diese chemischen Elemente selbst keine antioxidative Wirkung, sondern sind für die Aktivität antioxidativer Enzyme erforderlich. ⓘ

Antioxidationsmittel	Löslichkeit	Konzentration im menschlichen Serum (μM)	Konzentration im Lebergewebe (μmol/kg) ⓘ
Ascorbinsäure (Vitamin C)	Wasser	50–60	260 (Mensch)
Glutathion	Wasser	4	6.400 (Mensch)
Liponsäure	Wasser	0.1–0.7	4-5 (Ratte)
Harnsäure	Wasser	200–400	1.600 (Mensch)
Karotine	Lipid	β-Karotin: 0,5-1 Retinol (Vitamin A): 1-3	5 (Mensch, gesamte Carotinoide)
α-Tocopherol (Vitamin E)	Lipid	10–40	50 (Mensch)
Ubichinol (Coenzym Q)	Lipid	5	200 (Mensch)

Harnsäure

Harnsäure ist bei weitem das Antioxidans mit der höchsten Konzentration im menschlichen Blut. Harnsäure (UA) ist ein antioxidativ wirksames Oxypurin, das durch das Enzym Xanthinoxidase aus Xanthin hergestellt wird und ein Zwischenprodukt des Purinstoffwechsels ist. Bei fast allen Landtieren katalysiert die Urat-Oxidase die Oxidation der Harnsäure zu Allantoin weiter, aber beim Menschen und den meisten höheren Primaten ist das Urat-Oxidase-Gen nicht funktionsfähig, so dass UA nicht weiter abgebaut wird. Über die evolutionären Gründe für diesen Verlust der Umwandlung von Urat in Allantoin wird nach wie vor heftig spekuliert. Die antioxidative Wirkung der Harnsäure hat Forscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Mutation für frühe Primaten und Menschen von Vorteil war. Studien zur Höhenakklimatisierung stützen die Hypothese, dass Urat als Antioxidans wirkt, indem es den durch Höhenhypoxie verursachten oxidativen Stress abmildert. ⓘ

Harnsäure weist die höchste Konzentration aller Antioxidantien im Blut auf und macht mehr als die Hälfte der gesamten antioxidativen Kapazität des menschlichen Serums aus. Die antioxidative Wirkung der Harnsäure ist ebenfalls komplex, da sie mit einigen Oxidantien wie Superoxid nicht reagiert, aber gegen Peroxynitrit, Peroxide und hypochlorige Säure wirkt. Die Besorgnis über den Beitrag von erhöhtem UA zu Gicht muss als einer von vielen Risikofaktoren betrachtet werden. Für sich genommen beträgt das UA-bezogene Gichtrisiko bei hohen Werten (415-530 μmol/L) nur 0,5 % pro Jahr, wobei es bei UA-Übersättigungswerten (535+ μmol/L) auf 4,5 % pro Jahr ansteigt. In vielen der oben genannten Studien wurde die antioxidative Wirkung von UA im Rahmen normaler physiologischer Werte bestimmt, und in einigen wurde eine antioxidative Aktivität bei Werten von bis zu 285 μmol/L festgestellt. ⓘ

Vitamin C

Ascorbinsäure oder Vitamin C ist ein Monosaccharid-Oxidations-Reduktions-Katalysator (Redox-Katalysator), der sowohl in Tieren als auch in Pflanzen vorkommt. Da eines der Enzyme, die für die Herstellung von Ascorbinsäure benötigt werden, im Laufe der Evolution der Primaten durch Mutation verloren gegangen ist, muss der Mensch Ascorbinsäure mit der Nahrung aufnehmen; es handelt sich also um ein Nahrungsvitamin. Die meisten anderen Tiere sind in der Lage, diese Verbindung in ihrem Körper zu produzieren und benötigen sie nicht über die Nahrung. Ascorbinsäure wird für die Umwandlung von Prokollagen in Kollagen benötigt, indem Prolinreste zu Hydroxyprolin oxidiert werden. In anderen Zellen wird sie durch Reaktion mit Glutathion in ihrer reduzierten Form gehalten, was durch Proteindisulfidisomerase und Glutaredoxine katalysiert werden kann. Ascorbinsäure ist ein Redox-Katalysator, der reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid reduzieren und damit neutralisieren kann. Neben ihrer direkten antioxidativen Wirkung ist Ascorbinsäure auch ein Substrat für das Redox-Enzym Ascorbatperoxidase, das in Pflanzen eine Funktion bei der Stressresistenz hat. Ascorbinsäure ist in allen Pflanzenteilen in großen Mengen vorhanden und kann in den Chloroplasten Konzentrationen von 20 Millimol erreichen. ⓘ

Glutathion

Der Mechanismus der Lipidperoxidation durch freie Radikale ⓘ

Glutathion ist ein cysteinhaltiges Peptid, das in den meisten Formen des aeroben Lebens vorkommt. Es wird nicht mit der Nahrung aufgenommen, sondern in den Zellen aus den Aminosäuren synthetisiert, aus denen es besteht. Glutathion hat antioxidative Eigenschaften, da die Thiolgruppe in seinem Cysteinanteil ein Reduktionsmittel ist und reversibel oxidiert und reduziert werden kann. In den Zellen wird Glutathion durch das Enzym Glutathion-Reduktase in reduzierter Form gehalten und reduziert seinerseits andere Metaboliten und Enzymsysteme, wie Ascorbat im Glutathion-Ascorbat-Zyklus, Glutathion-Peroxidasen und Glutaredoxine, und reagiert direkt mit Oxidantien. Aufgrund seiner hohen Konzentration und seiner zentralen Rolle bei der Aufrechterhaltung des Redoxzustands der Zelle ist Glutathion eines der wichtigsten zellulären Antioxidantien. In einigen Organismen wird Glutathion durch andere Thiole ersetzt, z. B. durch Mycothiol bei den Actinomyceten, Bacillithiol bei einigen grampositiven Bakterien oder durch Trypanothion bei den Kinetoplastiden. ⓘ

Vitamin E

Vitamin E ist der Sammelname für eine Reihe von acht verwandten Tocopherolen und Tocotrienolen, fettlöslichen Vitaminen mit antioxidativen Eigenschaften. Von diesen wurde das α-Tocopherol am meisten untersucht, da es die höchste Bioverfügbarkeit aufweist und vom Körper bevorzugt absorbiert und verstoffwechselt wird. ⓘ

Es wird behauptet, dass die α-Tocopherolform das wichtigste lipidlösliche Antioxidans ist und dass es die Membranen vor Oxidation schützt, indem es mit den Lipidradikalen reagiert, die bei der Kettenreaktion der Lipidperoxidation entstehen. Dadurch werden die Zwischenprodukte der freien Radikale entfernt und die Fortsetzung der Vermehrungsreaktion verhindert. Bei dieser Reaktion entstehen oxidierte α-Tocopheroxyl-Radikale, die durch Reduktion mit anderen Antioxidantien wie Ascorbat, Retinol oder Ubiquinol wieder in die aktive reduzierte Form zurückgeführt werden können. Dies steht im Einklang mit Erkenntnissen, die zeigen, dass α-Tocopherol, nicht aber wasserlösliche Antioxidantien, Zellen mit einem Mangel an Glutathionperoxidase 4 (GPX4) wirksam vor dem Zelltod schützt. GPx4 ist das einzige bekannte Enzym, das Lipid-Hydroperoxide in biologischen Membranen effizient abbaut. ⓘ

Die Aufgaben und die Bedeutung der verschiedenen Formen von Vitamin E sind jedoch derzeit unklar, und es wurde sogar behauptet, dass die wichtigste Funktion von α-Tocopherol die eines Signalmoleküls ist, während dieses Molekül im antioxidativen Stoffwechsel keine bedeutende Rolle spielt. Die Funktionen der anderen Formen von Vitamin E sind noch weniger gut bekannt, obwohl γ-Tocopherol ein Nukleophil ist, das mit elektrophilen Mutagenen reagieren kann, und Tocotrienole für den Schutz der Neuronen vor Schäden wichtig sein könnten. ⓘ

Pro-oxidative Aktivitäten

Antioxidantien, die Reduktionsmittel sind, können auch als Prooxidantien wirken. Vitamin C hat beispielsweise eine antioxidative Wirkung, wenn es oxidierende Substanzen wie Wasserstoffperoxid reduziert; es reduziert jedoch auch Metallionen, die durch die Fenton-Reaktion freie Radikale erzeugen. ⓘ

2 Fe³⁺ + Ascorbat → 2 Fe²⁺ + Dehydroascorbat

2 Fe²⁺ + 2 H₂O₂ → 2 Fe³⁺ + 2 OH- + 2 OH- ⓘ

Die relative Bedeutung der antioxidativen und prooxidativen Aktivitäten von Antioxidantien ist Gegenstand aktueller Forschung, aber Vitamin C, das seine Wirkung als Vitamin durch die Oxidation von Polypeptiden entfaltet, scheint im menschlichen Körper hauptsächlich antioxidativ zu wirken. ⓘ

Enzymsysteme

${\ce {{\underset {Sauerstoff}{O2}}->{\underset {Superoxid}{*O2^{-}}}{\underset {Superoxid}{*O2^{-}}}->[{\ce {Superoxid-Dismutase}}]{\underset {Wasser}{H2O2}}->[{\ce {Peroxidasen \atop Katalase}}]{\underset {Wasser}{H2O}}}}$

Enzymatischer Weg zur Entgiftung von reaktiven Sauerstoffspezies

Wie bei den chemischen Antioxidantien werden die Zellen durch ein interagierendes Netz von antioxidativen Enzymen vor oxidativem Stress geschützt. Hier wird das durch Prozesse wie die oxidative Phosphorylierung freigesetzte Superoxid zunächst in Wasserstoffperoxid umgewandelt und dann weiter zu Wasser reduziert. Dieser Entgiftungsweg ist das Ergebnis mehrerer Enzyme, wobei Superoxiddismutasen den ersten Schritt katalysieren und anschließend Katalasen und verschiedene Peroxidasen das Wasserstoffperoxid entfernen. Wie bei den antioxidativen Metaboliten sind die Beiträge dieser Enzyme zur antioxidativen Abwehr schwer voneinander zu trennen, aber die Erzeugung von transgenen Mäusen, denen nur ein antioxidatives Enzym fehlt, kann aufschlussreich sein. ⓘ

Superoxiddismutase, Katalase und Peroxiredoxine

Superoxiddismutasen (SOD) sind eine Klasse eng verwandter Enzyme, die den Abbau des Superoxidanions in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid katalysieren. SOD-Enzyme sind in fast allen aeroben Zellen und in extrazellulären Flüssigkeiten vorhanden. Superoxiddismutase-Enzyme enthalten Metallionen-Cofaktoren, die je nach Isozym Kupfer, Zink, Mangan oder Eisen sein können. Beim Menschen befindet sich die Kupfer/Zink-SOD im Zytosol, während die Mangan-SOD im Mitochondrium vorkommt. Es gibt auch eine dritte Form von SOD in extrazellulären Flüssigkeiten, die Kupfer und Zink in ihren aktiven Stellen enthält. Das mitochondriale Isoenzym scheint das biologisch wichtigste dieser drei zu sein, da Mäuse, denen dieses Enzym fehlt, bald nach der Geburt sterben. Im Gegensatz dazu sind Mäuse, denen Kupfer/Zink-SOD (Sod1) fehlt, lebensfähig, weisen aber zahlreiche Pathologien und eine verkürzte Lebensdauer auf (siehe Artikel über Superoxid), während Mäuse ohne extrazelluläre SOD nur minimale Defekte aufweisen (empfindlich gegenüber Hyperoxie). In Pflanzen sind SOD-Isoenzyme im Zytosol und in den Mitochondrien vorhanden, wobei eine Eisen-SOD in den Chloroplasten zu finden ist, die bei Wirbeltieren und Hefe nicht vorhanden ist. ⓘ

Katalasen sind Enzyme, die die Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff katalysieren und dabei entweder einen Eisen- oder Mangan-Kofaktor verwenden. Dieses Protein ist in den meisten eukaryontischen Zellen in den Peroxisomen lokalisiert. Katalase ist ein ungewöhnliches Enzym, denn obwohl Wasserstoffperoxid sein einziges Substrat ist, folgt es einem Ping-Pong-Mechanismus. Dabei wird sein Kofaktor durch ein Molekül Wasserstoffperoxid oxidiert und anschließend regeneriert, indem der gebundene Sauerstoff auf ein zweites Substratmolekül übertragen wird. Trotz der offensichtlichen Bedeutung der Katalase für die Beseitigung von Wasserstoffperoxid treten bei Menschen mit genetisch bedingtem Katalasemangel - "Akatalasemie" - oder bei Mäusen, die gentechnisch so verändert wurden, dass ihnen die Katalase vollständig fehlt, nur wenige negative Auswirkungen auf. ⓘ

Dekamerische Struktur von AhpC, einem bakteriellen 2-Cystein-Peroxiredoxin aus Salmonella typhimurium ⓘ

Peroxiredoxine sind Peroxidasen, die die Reduktion von Wasserstoffperoxid, organischen Hydroperoxiden und Peroxynitrit katalysieren. Sie werden in drei Klassen unterteilt: typische 2-Cystein-Peroxiredoxine, atypische 2-Cystein-Peroxiredoxine und 1-Cystein-Peroxiredoxine. Diese Enzyme haben den gleichen grundlegenden katalytischen Mechanismus, bei dem ein redox-aktives Cystein (das peroxidische Cystein) im aktiven Zentrum durch das Peroxidsubstrat zu einer Sulfensäure oxidiert wird. Eine Überoxidation dieses Cysteinrestes in Peroxiredoxinen führt zur Inaktivierung dieser Enzyme, die jedoch durch die Wirkung von Sulfiredoxin rückgängig gemacht werden kann. Peroxiredoxine scheinen für den antioxidativen Stoffwechsel wichtig zu sein, da Mäuse, denen Peroxiredoxin 1 oder 2 fehlt, eine verkürzte Lebenserwartung haben und eine hämolytische Anämie entwickeln, während Pflanzen Peroxiredoxine zur Beseitigung von in den Chloroplasten gebildetem Wasserstoffperoxid einsetzen. ⓘ

Thioredoxin- und Glutathion-Systeme

Das Thioredoxin-System besteht aus dem 12-kDa-Protein Thioredoxin und seinem Begleiter Thioredoxin-Reduktase. Mit Thioredoxin verwandte Proteine sind in allen sequenzierten Organismen vorhanden. Pflanzen, wie z. B. Arabidopsis thaliana, weisen eine besonders große Vielfalt an Isoformen auf. Das aktive Zentrum von Thioredoxin besteht aus zwei benachbarten Cysteinen, die Teil eines hochkonservierten CXXC-Motivs sind, das zwischen einer aktiven Dithiolform (reduziert) und einer oxidierten Disulfidform wechseln kann. In seinem aktiven Zustand wirkt Thioredoxin als effizientes Reduktionsmittel, das reaktive Sauerstoffspezies abfängt und andere Proteine in ihrem reduzierten Zustand hält. Nach der Oxidation wird das aktive Thioredoxin durch die Thioredoxin-Reduktase unter Verwendung von NADPH als Elektronendonator regeneriert. ⓘ

Das Glutathionsystem umfasst Glutathion, Glutathionreduktase, Glutathionperoxidasen und Glutathion-S-Transferasen. Dieses System findet sich bei Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. Glutathionperoxidase ist ein Enzym, das vier Selen-Kofaktoren enthält und den Abbau von Wasserstoffperoxid und organischen Hydroperoxiden katalysiert. Bei Tieren gibt es mindestens vier verschiedene Glutathionperoxidase-Isoenzyme. Glutathionperoxidase 1 kommt am häufigsten vor und ist ein sehr effizienter Fänger von Wasserstoffperoxid, während Glutathionperoxidase 4 am aktivsten bei Lipidhydroperoxiden ist. Überraschenderweise ist die Glutathionperoxidase 1 entbehrlich, denn Mäuse, denen dieses Enzym fehlt, haben eine normale Lebenserwartung, sind aber überempfindlich gegenüber induziertem oxidativem Stress. Darüber hinaus zeigen die Glutathion-S-Transferasen eine hohe Aktivität mit Lipidperoxiden. Diese Enzyme sind in der Leber besonders stark vertreten und dienen auch dem Entgiftungsstoffwechsel. ⓘ

Verwendungen in der Technik

Lebensmittelkonservierungsmittel

Antioxidantien werden als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet, um den Verderb von Lebensmitteln zu verhindern. Da Sauerstoff und Sonnenlicht die beiden Hauptfaktoren für die Oxidation von Lebensmitteln sind, werden sie im Dunkeln aufbewahrt und in Behältern versiegelt oder sogar mit Wachs ummantelt, wie bei Gurken. Da Sauerstoff jedoch auch für die Atmung der Pflanzen wichtig ist, führt die Lagerung von Pflanzenmaterial unter anaeroben Bedingungen zu unangenehmen Geschmacksnoten und unansehnlichen Farben. Daher enthält die Verpackung von frischem Obst und Gemüse eine Atmosphäre mit etwa 8 % Sauerstoff. Antioxidantien sind eine besonders wichtige Klasse von Konservierungsmitteln, da im Gegensatz zum bakteriellen oder pilzlichen Verderb Oxidationsreaktionen in gefrorenen oder gekühlten Lebensmitteln noch relativ schnell ablaufen. Zu diesen Konservierungsmitteln gehören natürliche Antioxidantien wie Ascorbinsäure (AA, E300) und Tocopherole (E306) sowie synthetische Antioxidantien wie Propylgallat (PG, E310), tertiäres Butylhydrochinon (TBHQ), butyliertes Hydroxyanisol (BHA, E320) und butyliertes Hydroxytoluol (BHT, E321). ⓘ

Die häufigsten Moleküle, die von der Oxidation angegriffen werden, sind ungesättigte Fette; die Oxidation lässt sie ranzig werden. Da oxidierte Fette oft verfärbt sind und in der Regel einen unangenehmen Geschmack haben, z. B. metallisch oder schwefelig, ist es wichtig, Oxidation in fettreichen Lebensmitteln zu vermeiden. Daher werden diese Lebensmittel nur selten durch Trocknen konserviert; stattdessen werden sie durch Räuchern, Salzen oder Fermentieren haltbar gemacht. Selbst weniger fetthaltige Lebensmittel wie Früchte werden vor dem Lufttrocknen mit schwefelhaltigen Antioxidantien besprüht. Die Oxidation wird häufig durch Metalle katalysiert, weshalb Fette wie Butter niemals in Aluminiumfolie eingewickelt oder in Metallbehältern aufbewahrt werden sollten. Einige fetthaltige Lebensmittel wie Olivenöl sind durch ihren natürlichen Gehalt an Antioxidantien teilweise vor Oxidation geschützt, bleiben aber empfindlich gegenüber Photooxidation. Antioxidative Konservierungsmittel werden auch fetthaltigen Kosmetika wie Lippenstiften und Feuchtigkeitscremes zugesetzt, um ein Ranzigwerden zu verhindern. ⓘ

Industrielle Verwendungen

Substituierte Phenole und Derivate von Phenylendiamin sind gängige Antioxidantien, die zur Verhinderung der Gummibildung in Benzin verwendet werden. ⓘ

Antioxidantien werden häufig industriellen Produkten zugesetzt. Sie werden häufig als Stabilisatoren in Kraftstoffen und Schmiermitteln verwendet, um die Oxidation zu verhindern, und in Benzin, um die Polymerisation zu verhindern, die zur Bildung von Rückständen führt, die den Motor verschmutzen. Im Jahr 2014 belief sich der weltweite Markt für natürliche und synthetische Antioxidantien auf 2,25 Milliarden US-Dollar, mit einer Wachstumsprognose auf 3,25 Milliarden US-Dollar bis 2020. ⓘ

Antioxidative Polymerstabilisatoren werden häufig eingesetzt, um den Abbau von Polymeren wie Kautschuk, Kunststoffen und Klebstoffen zu verhindern, der einen Verlust an Festigkeit und Flexibilität dieser Materialien verursacht. Polymere mit Doppelbindungen in ihren Hauptketten, wie Naturkautschuk und Polybutadien, sind besonders anfällig für Oxidation und Ozonolyse. Sie können durch Antiozonantien geschützt werden. Feste Polymerprodukte beginnen an exponierten Oberflächen zu reißen, wenn sich das Material zersetzt und die Ketten brechen. Die Art der Rissbildung variiert zwischen Sauerstoff- und Ozonangriff, wobei ersterer einen "verrückten Pflastereffekt" verursacht, während der Ozonangriff tiefere Risse erzeugt, die im rechten Winkel zur Zugspannung im Produkt ausgerichtet sind. Oxidation und UV-Zersetzung sind ebenfalls häufig miteinander verbunden, vor allem weil UV-Strahlung durch das Aufbrechen von Bindungen freie Radikale erzeugt. Die freien Radikale reagieren dann mit Sauerstoff zu Peroxy-Radikalen, die weitere Schäden verursachen, oft in einer Kettenreaktion. Andere Polymere, die für Oxidation anfällig sind, sind Polypropylen und Polyethylen. Ersteres ist aufgrund der sekundären Kohlenstoffatome, die in jeder Wiederholungseinheit vorhanden sind, empfindlicher. Der Angriff erfolgt an dieser Stelle, weil das gebildete freie Radikal stabiler ist als das an einem primären Kohlenstoffatom gebildete. Die Oxidation von Polyethylen findet in der Regel an den schwachen Gliedern der Kette statt, z. B. an den Verzweigungsstellen von Polyethylen niedriger Dichte. ⓘ

Kraftstoffadditiv	Bestandteile	Anwendungen ⓘ
AO-22	N,N'-Di-2-butyl-1,4-phenylendiamin	Turbinenöle, Transformatorenöle, Hydraulikflüssigkeiten, Wachse und Fette
AO-24	N,N'-Di-2-butyl-1,4-phenylendiamin	Niedrigtemperatur-Öle
AO-29	2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol	Turbinenöle, Transformatorenöle, Hydraulikflüssigkeiten, Wachse, Fette und Benzine
AO-30	2,4-Dimethyl-6-tert-butylphenol	Düsentreibstoffe und Benzine, einschließlich Flugbenzine
AO-31	2,4-Dimethyl-6-tert-butylphenol	Düsentreibstoffe und Benzine, einschließlich Flugbenzine
AO-32	2,4-Dimethyl-6-tert.-butylphenol und 2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol	Düsentreibstoffe und Benzine, einschließlich Flugbenzine
AO-37	2,6-Di-tert-butylphenol	Düsentreibstoffe und Benzine, weitgehend für Flugkraftstoffe zugelassen

Gehalte in Lebensmitteln

Obst und Gemüse sind gute Quellen für die antioxidativen Vitamine C und E. ⓘ

Antioxidative Vitamine sind in Gemüse, Obst, Eiern, Hülsenfrüchten und Nüssen enthalten. Die Vitamine A, C und E können durch lange Lagerung oder langes Kochen zerstört werden. Die Auswirkungen des Kochens und der Lebensmittelverarbeitung sind komplex, da diese Prozesse auch die Bioverfügbarkeit von Antioxidantien erhöhen können, wie z. B. einige Carotinoide in Gemüse. Verarbeitete Lebensmittel enthalten weniger antioxidative Vitamine als frische und ungekochte Lebensmittel, da die Lebensmittel bei der Zubereitung Hitze und Sauerstoff ausgesetzt sind. ⓘ

Antioxidative Vitamine	Lebensmittel mit einem hohen Gehalt an antioxidativen Vitaminen ⓘ
Vitamin C (Ascorbinsäure)	Frisches oder gefrorenes Obst und Gemüse
Vitamin E (Tocopherole, Tocotrienole)	Pflanzliche Öle, Nüsse und Samen
Carotinoide (Carotine als Provitamin A)	Obst, Gemüse und Eier

Andere Antioxidantien werden nicht über die Nahrung aufgenommen, sondern vom Körper selbst hergestellt. Ubichinol (Coenzym Q) wird beispielsweise nur schlecht aus dem Darm aufgenommen und wird über den Mevalonatweg hergestellt. Ein weiteres Beispiel ist Glutathion, das aus Aminosäuren hergestellt wird. Da jegliches Glutathion im Darm zu freiem Cystein, Glycin und Glutaminsäure abgebaut wird, bevor es absorbiert wird, hat selbst eine hohe orale Zufuhr kaum Auswirkungen auf die Glutathionkonzentration im Körper. Obwohl große Mengen schwefelhaltiger Aminosäuren wie Acetylcystein die Glutathionkonzentration erhöhen können, gibt es keinen Beweis dafür, dass der Verzehr großer Mengen dieser Glutathionvorstufen für gesunde Erwachsene von Vorteil ist. ⓘ

Messung und Ungültigkeitserklärung des ORAC

Die Messung des Polyphenol- und Carotinoidgehalts in Lebensmitteln ist kein einfaches Verfahren, da Antioxidantien insgesamt eine vielfältige Gruppe von Verbindungen mit unterschiedlicher Reaktivität gegenüber verschiedenen reaktiven Sauerstoffspezies sind. Bei lebensmittelwissenschaftlichen In-vitro-Analysen war die Sauerstoff-Radikal-Absorptionskapazität (ORAC) einst ein Industriestandard für die Schätzung der antioxidativen Wirkung von ganzen Lebensmitteln, Säften und Lebensmittelzusatzstoffen, vor allem aufgrund des Vorhandenseins von Polyphenolen. Frühere Messungen und Bewertungen durch das Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten wurden 2012 als biologisch irrelevant für die menschliche Gesundheit zurückgezogen, da es keine physiologischen Beweise für die antioxidative Wirkung von Polyphenolen in vivo gibt. Folglich wird die ORAC-Methode, die nur auf In-vitro-Experimenten beruht, seit 2010 nicht mehr als relevant für die menschliche Ernährung oder Biologie angesehen. ⓘ

Zu den alternativen In-vitro-Messungen des antioxidativen Gehalts von Lebensmitteln, die ebenfalls auf dem Vorhandensein von Polyphenolen beruhen, gehören das Folin-Ciocalteu-Reagenz und der Trolox-Äquivalenttest zur Bestimmung der antioxidativen Kapazität. ⓘ

Geschichte

Als Teil ihrer Anpassung an das Leben im Meer begannen Landpflanzen, nicht-marine Antioxidantien wie Ascorbinsäure (Vitamin C), Polyphenole und Tocopherole zu produzieren. Die Evolution der Bedecktsamer vor 50 bis 200 Millionen Jahren führte zur Entwicklung zahlreicher antioxidativer Pigmente - insbesondere während der Jurazeit - als chemischer Schutz gegen reaktive Sauerstoffspezies, die als Nebenprodukte der Photosynthese entstehen. Ursprünglich bezog sich der Begriff Antioxidans speziell auf eine Chemikalie, die den Verbrauch von Sauerstoff verhindert. Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert konzentrierten sich umfangreiche Studien auf die Verwendung von Antioxidantien in wichtigen industriellen Prozessen wie der Verhinderung von Metallkorrosion, der Vulkanisierung von Gummi und der Polymerisation von Kraftstoffen bei der Verschmutzung von Verbrennungsmotoren. ⓘ

Frühe Forschungen über die Rolle von Antioxidantien in der Biologie konzentrierten sich auf ihren Einsatz bei der Verhinderung der Oxidation ungesättigter Fette, die die Ursache für Ranzigkeit ist. Die antioxidative Aktivität konnte einfach gemessen werden, indem man das Fett in einen geschlossenen Behälter mit Sauerstoff gab und die Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauchs maß. Die Identifizierung der Vitamine C und E als Antioxidantien revolutionierte jedoch das Fachgebiet und führte zur Erkenntnis der Bedeutung von Antioxidantien in der Biochemie lebender Organismen. Die möglichen Wirkungsmechanismen von Antioxidantien wurden zum ersten Mal erforscht, als man erkannte, dass eine Substanz mit antioxidativer Wirkung wahrscheinlich eine Substanz ist, die selbst leicht oxidiert wird. Die Erforschung der Frage, wie Vitamin E den Prozess der Lipidperoxidation verhindert, führte zur Identifizierung von Antioxidantien als Reduktionsmittel, die oxidative Reaktionen verhindern, indem sie häufig reaktive Sauerstoffspezies abfangen, bevor sie Zellen schädigen können. ⓘ

Wirkungsmechanismus

Nach Art des chemischen Wirkmechanismus werden Antioxidantien in Radikalfänger und Reduktionsmittel unterschieden. Im weiteren Sinne werden auch Antioxidations-Synergisten zu den Antioxidantien gerechnet. ⓘ

Radikalfänger

Bei Oxidationsreaktionen zwischen organischen Verbindungen treten vielfach kettenartige Radikalübertragungen auf. Hier werden Stoffe mit sterisch gehinderten Phenolgruppen wirksam, die im Ablauf dieser Übertragungen reaktionsträge stabile Radikale bilden, die nicht weiter reagieren, wodurch es zum Abbruch der Reaktionskaskade kommt (Radikalfänger). Zu ihnen zählen natürliche Stoffe wie die Tocopherole und synthetische wie Butylhydroxyanisol (BHA), Butylhydroxytoluol (BHT) und die Gallate. Sie sind wirksam in lipophiler Umgebung. ⓘ

Reduktionsmittel

Reduktionsmittel haben ein sehr niedriges Redox-Potential – ihre Schutzwirkung kommt dadurch zustande, dass sie eher oxidiert werden als die zu schützende Substanz. Vertreter sind etwa Ascorbinsäure (−0,04 V bei pH 7 und 25 °C), Salze der Schwefligen Säure (+0,12 V bei pH 7 und 25 °C) und bestimmte organische schwefelhaltige Verbindungen (z. B. Glutathion, Cystein, Thiomilchsäure), die vorwiegend in hydrophilen Matrices wirksam sind. ⓘ

Antioxidationssynergisten

Synergisten unterstützen die Wirkung von Antioxidantien, beispielsweise, indem sie verbrauchte Antioxidantien wieder regenerieren. Durch Komplexierung von Metallspuren (Natrium-EDTA) oder Schaffung eines oxidationshemmenden pH-Wertes können Synergisten die antioxidative Wirkung eines Radikalfängers oder Reduktionsmittels verstärken. ⓘ

Vorkommen

Synthetische Antioxidantien

Zu den künstlichen Antioxidationsmitteln zählen die Gallate, Butylhydroxyanisol (BHA) und Butylhydroxytoluol (BHT). Durch eine synthetische Veresterung der Vitamine Ascorbinsäure und Tocopherol wird deren Löslichkeit verändert, um das Einsatzgebiet zu erweitern und verarbeitungstechnische Eigenschaften zu verbessern (Ascorbylpalmitat, Ascorbylstearat, Tocopherolacetat). ⓘ

Ernährung

Häufigste Lebensmittelquellen

Nach einer US-amerikanischen Untersuchung aus dem Jahr 2005 stammt der mit Abstand größte Teil der mit der täglichen Nahrung zugeführten physiologischen Antioxidantien in den USA aus dem Genussmittel Kaffee, was allerdings weniger daran liege, dass Kaffee außergewöhnlich große Mengen an Antioxidantien enthalte, als vielmehr an der Tatsache, dass die US-Amerikaner zu wenig Obst und Gemüse zu sich nähmen, dafür aber umso mehr Kaffee konsumierten. ⓘ

Quellen für die Antioxidantienzufuhr: Top 10
(durchschnittl. Aufnahme eines US-Amerikaners in mg/Tag) ⓘ

Rang	Quelle	mg/Tag	Rang	Quelle	mg/Tag
01	Kaffee	1.299	06	Rotwein	44
02	Tee	294	07	Bier	42
03	Bananen	76	08	Äpfel	39
04	Trockenbohnen	72	09	Tomaten	32
05	Mais	48	10	Kartoffeln	28

Die antioxidative Kapazität eines Lebensmittels und somit die Fähigkeit zum Abfangen von Sauerstoffradikalen wird mit dessen ORAC-Wert angegeben. ⓘ

Nahrungsergänzung

Antioxidativ wirksame Substanzen werden in einer Reihe von Nahrungsergänzungsmitteln als „Anti-Aging“-Präparate und zur Krankheitsprävention (z. B. vor Krebs) auf dem Markt angeboten. Die enthaltenen antioxidativen Substanzen kommen auch natürlicherweise in der Nahrung vor, außerdem werden sie vielen Lebensmitteln zugesetzt, sodass in der Regel kein Mangel besteht. Es fehlen belastbare wissenschaftliche Nachweise, dass die Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln – in denen antioxidativ wirksame Substanzen meist isoliert und nicht im Verbund mit natürlichen Begleitstoffen enthalten sind – gesundheitlich vorteilhaft ist. Im Gegenteil kann die Supplementierung der Antioxidantien beta-Carotin, Vitamin A, sowie Vitamin E beim gesunden Menschen eine gesteigerte Entstehung von Krebs und eine Verringerung der Lebenserwartung bewirken, während Vitamin C als Supplement bzgl. Krebs und Lebenserwartung wirkungslos ist. Bei gesunden Sportlern wurde in einer 2009 veröffentlichten Studie ein kontraproduktiver Einfluss von Vitamin C und E auf den Trainingseffekt und die Vorbeugung von Diabetes gemessen, da diese Antioxidantien den Anstieg von Radikalen im Körper unterdrücken, sodass er sich weniger gut an die Belastung anpasste. ⓘ

Auch bei bestimmten pathologischen Zuständen soll sich eine antioxidative Nahrungsergänzung nachteilig auswirken: bei Krebspatienten wurden Wechselwirkungen mit antineoplastischen Behandlungsmethoden (Chemotherapie, Strahlentherapie) oder andere schädliche Auswirkungen beschrieben. ⓘ

Bezogen auf Antioxidantien in Form vom Supplementen wird auf die finanziellen Interessen der Hersteller verwiesen: „Die Vorstellung von Oxidation und Altern wird von Leuten am Leben gehalten, die damit Geld verdienen.“ ⓘ

Seit 2013 gilt die Vorstellung als überholt, man könne das komplexe Netzwerk von antioxidativen Systemen im menschlichen Körper durch Flutung mit einer einzelnen per Supplement zugeführten Substanz verbessern. ⓘ

Totale antioxidative Kapazität

Die Bestimmung der totalen antioxidativen Kapazität (total antioxidant capacity, TAC) in Körperflüssigkeiten liefert einen pauschalen Eindruck über die relative antioxidative Aktivität einer biologischen Probe. Es stehen verschiedene Möglichkeiten für die Bestimmung der antioxidativen Kapazität in Körperflüssigkeiten zur Verfügung. Das Grundprinzip all dieser Methoden ist gleich. Die in der biologischen Probe enthaltenen Antioxidantien schützen ein Substrat vor dem durch ein Radikal induzierten oxidativen Angriff. Die Zeitspanne und das Ausmaß, mit der die Probe diese Oxidation verhindert, kann bestimmt werden und wird meist mit Trolox (wasserlösliches Vitamin-E-Derivat) oder Vitamin C als Standard verglichen. Je länger es dauert, ein Substrat zu oxidieren, desto höher ist die antioxidative Kapazität. Durch verschiedene Extraktionen kann man die antioxidative Kapazität lipidlöslicher und wasserlöslicher Substanzen untersuchen. Oft angewandte Tests sind TRAP (Total Peroxyl Radical-trapping Antioxidant Parameter), ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity), TEAC (Trolox Equivalent Antioxidative Capacity), FRAP (Ferric Ion Reducing Antioxidant Power) und PLC (Photochemilumineszenz). ⓘ

Im Jahre 2010 wurde in den USA die totale antioxidative Kapazität durch Ernährung und Nahrungsergänzungsmittel bei Erwachsenen untersucht. Dabei wurden Datenbanken des US-Department für Landwirtschaft, Daten zu Nahrungsergänzungsmitteln und zum Lebensmittelverzehr von 4391 US-Erwachsenen im Alter ab 19 Jahren ausgewertet. Um die Daten zur Aufnahme von einzelnen antioxidativen Verbindungen zu TAC-Werten zu konvertieren, wurde die Messung des Vitamin-C-Äquivalent (VCE) von 43 antioxidativen Nährstoffen zuvor angewendet. Die tägliche TAC lag durchschnittlich bei 503,3 mg VCE/Tag, davon ca. 75 Prozent aufgenommen durch die Nahrung und 25 Prozent durch Nahrungsergänzungsmittel. ⓘ

Nichtinvasive Messung von Antioxidantien am Menschen

Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gilt als Goldstandard zur Bestimmung von Antioxidantien. Die Analyse erfordert entweder Blutproben oder die Entnahme von Hautbiopsien. Zur Analyse kurzfristiger Änderungen eignet sie sich deshalb nur bedingt. Aus diesem Grund wurden Verfahren entwickelt, mit denen Antioxidantien nichtinvasiv durch direkte Messung an spezifischen Hautarealen bestimmt werden. Gemessen werden Carotinoide als bester biologischer Marker für den Konsum von Obst und Gemüse. ⓘ

Ein in diesem Zusammenhang wichtiges Verfahren ist die Resonanz-Raman-Spektroskopie. Prinzipiell erfordert sie schmalbandige Lichtquellen (meist Laser) zur Beleuchtung. Das aus der Haut zurückgestreute Licht wird über ein dispersives Element (meist ein Optisches Gitter) in seine spektralen Anteile zerlegt. Während die Messung in der Vergangenheit mit Laborgeräten erfolgte, sind inzwischen auch Tischgeräte verfügbar. ⓘ

Ein weiteres Verfahren, mit dem Antioxidantien erfolgreich am Menschen gemessen wurden, ist die Reflexionsspektroskopie. Im Unterschied zur Resonanz-Raman-Spektroskopie kommen zur Beleuchtung der Haut breitbandige Lichtquellen oder LEDs zum Einsatz. Der apparative Aufwand ist insgesamt geringer, sodass Antioxidantien-Scanner auch als Handgeräte realisiert werden können, die in ihrem Messergebnis jedoch sehr gut mit den Ergebnissen der Resonanz-Raman-Spektroskopie korrelieren. ⓘ

Technische Verwendung

In der Industrie werden Antioxidantien als Zusatzstoffe (Additive) benötigt, um die oxidative Degradation von Kunststoffen, Elastomeren und Klebstoffen zu verhindern. Sie dienen außerdem als Stabilisatoren in Treib- und Schmierstoffen. In Kosmetika auf Fettbasis, etwa Lippenstiften und Feuchtigkeitscremes, verhindern sie Ranzigkeit. In Lebensmitteln wirken sie Farb- und Geschmacksveränderungen entgegen und verhindern ebenfalls das Ranzigwerden von Fetten. ⓘ

Obwohl diese Additive nur in sehr geringen Dosen benötigt werden, typischerweise weniger als 0,5 Prozent, beeinflussen ihr Typ, die Menge und Reinheit drastisch die physikalischen Parameter, Verarbeitung, Lebensdauer und oft auch Wirtschaftlichkeit der Endprodukte. Ohne Zugabe von Antioxidantien würden viele Kunststoffe nur kurz überleben. Die meisten würden sogar überhaupt nicht existieren, da viele Plastikartikel nicht ohne irreversible Schäden fabriziert werden könnten. Das Gleiche gilt auch für viele andere organische Materialien. ⓘ

Kunst-, Kraft- und Schmierstoffe

Es kommen hauptsächlich sterisch gehinderte Amine (hindered amine stabilisers, HAS) aus der Gruppe der Arylamine zum Einsatz und sterisch gehinderte Phenolabkömmlinge, die sich strukturell oft vom Butylhydroxytoluol ableiten (Handelsnamen Irganox, Ethanox, Isonox und andere). ⓘ

Futtermittel

E-Nummer	Antioxidans	Zugelassene Verwendung (Beispiele) ⓘ
E324	Ethoxyquin	Futtermittel, insbesondere Fischmehl

Lebensmittel, Kosmetika, Arzneimittel

Zulässige Antioxidantien sind in Deutschland in der Zusatzstoff-Zulassungsverordnung und der Kosmetik-Verordnung geregelt. Es kommen sowohl natürliche als auch synthetische Antioxidantien zum Einsatz. ⓘ

Beispiele für antioxidative Lebensmittelzusatzstoffe sind in der Tabelle angegeben. ⓘ

E-Nummer	Antioxidans	Zugelassene Verwendung (Beispiele) ⓘ
E220–E228	Schwefeldioxid und Salze der Schwefligen Säure	Trockenfrüchte, Wein
E300–E302, E304	Ascorbinsäure (Vitamin C), ihre Salze und Fettsäureester	Fruchtsäfte, Konfitüren, Trockenmilchprodukte, Öle und Fette, Obst- und Gemüsekonserven, Backwaren, frische Teigwaren, Fleisch- und Fischerzeugnisse
E306–E309	Tocopherol und seine Ester	pflanzliche Fette und Öle
E315, E316	Isoascorbinsäure und Natriumsalz	Fleisch- und Fischerzeugnisse
E310–E312	Gallate	Bratöl und -fett, Schmalz, Kuchenmischungen, Knabbererzeugnisse, verarbeitete Nüsse, Trockensuppen, Soßen etc.
E319	tert-Butylhydrochinon (TBHQ)
E320	Butylhydroxyanisol (BHA)
E321	Butylhydroxytoluol (BHT)
E392	Rosmarinextrakt (wirksame Inhaltsstoffe insbesondere Carnosol und Carnosolsäure)	Fette, Öle, Backwaren, Knabbererzeugnisse, Fleisch- und Fischerzeugnisse, Saucen etc.
E586	4-Hexylresorcin	frische und tiefgefrorene Krebstiere

Als Lebensmittelzusatz aufgrund lebertoxischer Wirkungen seit 1968 nicht mehr erlaubt ist die Nordihydroguajaretsäure, ein höchst wirksames Antioxidans zur Haltbarmachung von Fetten und Ölen, das aber weiterhin in kosmetischen Präparaten zulässig ist. ⓘ

Lebensmitteltechnisch und pharmazeutisch gebräuchliche Antioxidationssynergisten sind unter anderem Citronensäure und ihre Salze (E330–E333), Weinsäure und ihre Salze (E334–E337), Phosphorsäure und ihre Salze (E338–E343) und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) und ihre Salze (Calciumdinatrium-EDTA, E385). ⓘ