A3.1 Inhaltsstoffe & Produktqualität [funded by LOEWE]
PI(s) for this project:
Otmar Löhnertz
Dr. Manfred Stoll
Hans Reiner Schultz
Prof. Dr. Jana Zinkernagel
Prof. Dr. Ludger Grünhage
Prof. Dr. Helmut Dietrich
Abstract:
Die globale Produktion von Gemüse und Früchten ist nach Schätzungen der FAO (2009) in den letzten 13 Jahren um ca. 65% gestiegen. Die hohe Wertschöpfung dieser Produkte und deren Klimaabhängigkeit (ohne Gewächs- bzw. Folienhausproduktion) macht den Bereich besonders anfällig im Kontext sich ändernder Klimabedingungen. Die Analyse zusammengetragener Ergebnisse der Wirkung einer erhöhten CO2-Konzentration auf Qualitäts- und physiologische Parameter (nur Feldgemüse und Früchte) zeigt, dass viele Versuche bei Früchten und Gemüse aus Nachernteexperimenten stammen und nicht repräsentativ sind. Teilweise beruhen die Ergebnisse auf Untersuchungen an wenigen Pflanzen und lassen kaum Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Verarbeitungsprodukten zu und je nach experimentellem System kann es zu komplett gegenläufigen Resultaten kommen (Bsp. Anthocyane in Trauben). Systematische Untersuchungen zur Entwicklung von Inhaltsstoffen z.B. bei weißen Rebsorten oder wichtigen Wurzelgemüse- oder Fruchtgemüsearten (außer Kartoffel und Tomate) bzw. Obst fehlen vollkommen. Dabei sind die wichtigsten zu untersuchenden Inhaltsstoffgruppen der verschiedenen Kulturen vergleichbar, unterscheiden sich jedoch in Zusammensetzung und Konzentration (Bsp. Phenole, Carotinoide). Oft ist deren Bildung an Wachstumsparameter (N-Haushalt) gekoppelt, deren Auswirkungen sich aber, z.B. bei Reben, zwischen roten und weißen Sorten unterscheiden. Bei den Brassicaceen sind Auswirkungen der Stoffgruppe der Glucosinolate auf die Rhizosphäre belegt. Die Zusammensetzung der pflanzlichen Biomasse im Grünland kann sowohl Auswirkungen auf die Futterqualität als auch auf den Biogasertrag haben. Auswirkungen kombinierter Effekte von CO2 und Temperatur sind wahrscheinlich, aber nicht belegt.
Bei vielen Kulturen wird bei erhöhter CO2-Konzentration ein verringerter Gesamtstickstoffgehalt in der Pflanze bei identischer N-Zufuhr beschrieben. Dies steht in Verbindung mit einer veränderten N-Dynamik im Boden und bei der N-Aufnahme, sowie veränderten N-Komponenten in der Pflanze, z.B. das Glutamat/Glutamin Verhältnis. Diese Veränderungen stehen in direktem Zusammenhang mit den THG-Emissionen (AP A1) und den mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre (siehe AP A2.1). Die vermuteten Modifizierungen der N-Fraktionen in der Pflanze (Gehalt an anorganischem N, Aminosäuren, Amine, Proteine) können die Effekte verringerter Gesamt-N-Gehalte noch verstärken. Eine solche Verschiebung, z.B. von freien Aminosäuren zu Proteinen, kann die Produktqualität beeinflussen. In diesem Bereich liegen keine Ergebnisse für die vorgesehenen Spezialkulturen vor.
Description:
Wissenschaftliche Ziele:
1. Analyse der kombinierten Effekte von CO2 x Wasserhaushalt auf die inhaltsstoffliche Zusammensetzung bei Feldgemüsearten (Core-Experiment II).
2. Erfassung von Ertragsdaten und analytischen Parametern sowie sensorische Untersuch¬ungen an geerntetem Gemüse und Trauben bzw. Wein. An zwei wirtschaftlich wert¬vollen Reb¬sorten (Riesling (weiß), Cabernet Sauvignon (rot)) werden zusätzlich beteiligte physiologische Pro¬zesse (Photosynthese, Transpiration) einschließlich der Frucht- und Inhaltsstoffentwicklung (Phenole (Anthocyane, Tannine), Carotinoidderivate, Thiole) untersucht. Bei Radieschen als Vertreter der Brassicaceen sollen schwefelhaltige Komponenten (Glucosinolate) bestimmt werden (mit assoziiertem Partner IGZ Großbeeren, siehe LoI).
3. Identifizierung einer möglichen Veränderung der physiologischen N-Effizienz (Ertrag/N-Aufnahme aus Dünger) und der Aufnahme-Effizienz (N-Aufnahme/Düngermenge) der untersuchten Kulturen mittels Quantifizierung der Nitratdynamik im Boden (in Kooperation mit A2.1) und der Nitratreduktaseaktivität im Pflanzenmaterial sowie der Bildung und Verteilung von Aminosäuren in ausgewählten Kulturen (Core Experiment II). Dabei wird ein Hauptaugenmerk auf N-Transport- und Speicherformen und die Glutamat- und Glutaminbildung gelegt. Durch regelmäßige Zeiternten werden der Verlauf und die Verteilung der anorganischen (NO3-, NH4+) und organischen N-Verbindungen (Aminosäuren) in einzelnen Pflanzenteilen untersucht.
4. Quantifizierung der Elementgehalte (insb. C und N) in der Grünlandbiomasse und der Entzüge durch Mahd (Core-Experiment I) sowie Analyse futterbaulicher Kenngrößen und Ableitung des Biogasertragspotenzials (assoziiertes Projekt mit Prof. Dr. Harald Laser, FB Agrarwirtschaft, Fachhochschule Südwestfalen, Soest, siehe LoI im Anhang).
Arbeitsplan:
Im Core-Experiment II werden neben den auf die Physiologie und Phänologie bezogenen Messungen in AP A3.2 (z.B. Messungen der Anzahl von Organen und deren Größenentwicklung als Basis der Modellierung bei Feldgemüse) zur Ernte verschiedene analytische Parameter erfasst (siehe unten). Zusätzlich werden sensorische Daten mit einem trainierten Sensorik-Panel erhoben.
Im Reben-Experiment wird der Feldversuch 3-fach wiederholt, mit 29 Pflanzen von jeder Sorte jeweils in den aktiven und passiven Ringen. Die vegetative Entwicklung wird durch Erfassung der Trieblängen und Blattfläche dokumentiert (AP A3.2). Zu verschiedenen Phasen der vegetativen und generativen Entwicklung werden Photosynthese- und Transpirationsraten gemessen. Bei entsprechender Stammdicke der Reben werden ab dem 2. Jahr Saftflusssensoren installiert (Granier-System), um die Ganzpflanzentranspiration kontinuierlich zu erfassen.
Ab einsetzender Reifephase der Trauben wird die Chlorophyllfluoreszenz mittels Multiplex-Sensors (Multiplex® 3; FORCE-A, Orsay, Frankreich) zur in situ Korrelation mit Anthocyanen und Tanninen erfasst, sowie die wichtigsten Inhaltsstoffe (Glucose, Fructose, Weinsäure und Apfelsäure und hefeverfügbarer N-Gehalt (5 Termine)) bestimmt. Neben der summarischen Erfassung der Gehalte an hefeverwertbarem N in den Trauben werden der Verlauf, der Transport und die Verteilung der N-Gehalte in einzelnen Pflanzenteilen betrachtet (Aminosäuren und Nitratreduktaseaktivität analog zum Gemüse).
Durch die Messung der 13C Isotopensignatur kann das eingesetzte CO2 verfolgt und zusammen mit den Signaturen von 15N, 18O, 2H können die relevanten Veränderungen im Stickstoff- und Wasserhaushalt quantifiziert und beschrieben werden (siehe auch AP A1). Um die Prozesskette vollständig abzubilden, sollen ca. 50 kg Trauben in Kleingebinden (10-15 Liter) vergoren werden.
Die Inhaltsstoffanalysen der hergestellten Feldgemüse und Früchte werden überwiegend nach der Methodensammlung der Internationalen Fruchtsaftunion IFU oder nach den amtlichen §64-Methoden des LFGB durchgeführt. Organische Säuren (z.B. Oxalsäure in Spinat), Mineralstoffe und Spurenelemente sowie Sekundärmetabolite des Feldgemüses und der Früchte sowie Gesamtphenole, Flavonoide (incl. Anthocyane), Phenolcarbonsäurederivate, Tannine, Carotinoide und Bestimmung der antioxidativen Kapazität werden mit in der HSGM etablierten spektros¬kopisch-chromatographischen Methoden untersucht.
Für Feldgemüse müssen noch Extraktionsverfahren modifiziert oder neu entwickelt werden. Es sind auch Reifegrads- und Lagerungsversuche vorgesehen, um die Veränderung der primären und sekundären Inhaltsstoffe sowie die sensorischen Veränderungen zu erfassen. Entsprechende Erfahrungen bei Frucht- und Gemüsesäften liegen vor.
Der Einfluss steigender CO2-Konzentration und Lufttemperatur auf futterbauliche Kenngrößen des Grünlandschnitts wird mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) untersucht, der Biogasertrag mittels Schätzformeln nach Baserga und Weißbach berechnet. Die Quantifizierung der C- und N- Gehalte der Biomasse mittels CN-Analyzer und der Erträge ergänzen die Untersuchungen.
Die vertiefenden Arbeiten zum N-Haushalt werden in einem geplanten assoziierten HLUG-Projekt bearbeitet (siehe LoI HLUG).