Der Zucker: Vielfalt zwischen Süße und Klima

Transkript

1 Der Zucker: Vielfalt zwischen Süße und Klima I. Einleitung Was ist Zucker? Saccharose ist Haushalts- oder Kristallzucker, der im Allgemeinen der Zucker genannt wird. Pflanzen bauen mittels Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) Zucker auf, der wiederum aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O 2 ) besteht. Für die Gewinnung des Haushaltszuckers sind vor allem Zuckerrüben und Zuckerrohr von Bedeutung. 1 2 Die Saccharose gehört wie alle andere Zuckerarten zu den Kohlenhydraten. Sie ist ein Disaccharid (Zweifachzucker): hierzu verbinden sich ein Molekül α-d- Glucose (1) und ein Molekül β-d-fructose (2) miteinander Quelle: Wikipedia Eigenschaften: Beim Erhitzen von Haushaltszucker auf 185 C schmilzt er und bildet unter Zersetzung eine braun werdende Schmelze (Karamell). Des weiteren ist Zucker ist in Wasser sehr gut löslich. Bedeutung des Zuckers Kohlenhydrate sind der Hauptenergielieferant für den Organismus. Sie sind im Gegensatz zu den Fetten relativ schnell verwertbar, da sie auch anaerob (unter Sauerstoffabschluss) Energie liefern. Der wichtigste Kohlenhydratbaustein im Energiehaushalt des Körpers ist die Glucose (auch Traubenzucker genannt). Sie enthalten keine weiteren Nährstoffe wie beispielsweise Vitamine, Mineralstoffe oder Ballaststoffe und sollten daher nur in Maßen verwendet werden. Generell werden Kohlenhydrate unterteilt in: Einfachzucker oder Monosaccharide, z.b. Fruchtzucker oder Traubenzucker. Zweifachzucker oder Disaccharide, z.b. Malz-, Milch- oder Haushaltszucker. Vielfachzucker oder Polysaccaride, z.b. pflanzliche und tierische Stärke. Wie die Aufschlüsselung zeigt, ist Kohlenhydrate nur ein anderes Wort für Zucker. Daher ist zu berücksichtigen, dass alle kohlenhydratreichen Nahrungsmitteln, wie z.b. in Brot, Nudeln Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 1

2 und Kuchen, auch viel Zucker enthalten und bewusst in der Ernährung eingesetzt werden sollten. Ferner stellt Zucker ein wichtigen Faktor bei der Konservierung von Speisen dar. Bei der Herstellung von Konfitüre, Marmelade oder Gelee wird dem Lebensmittel eine bestimmte Zuckermenge zugesetzt. Der Zucker bindet das im Nahrungsmittel frei verfügbare Wasser und schränkt so die Lebensmöglichkeit für verderbniserregende Mikroorganismen stark ein. Auch weiß man heute, dass Zucker die unabdingbare Voraussetzung ist, um Alkohol gewinnen zu können. Denn nur aus Zucker können Gärhefen den Alkohol erzeugen. Ebenso als erneuerbare Energiequelle und Kraftstoff rückt der Zucker ins Blickfeld. Brasilien deckt bereits einen großen Teil seines Kraftstoffbedarfs mit Alkohol, der aus dem Zucker des Zuckerrohrs gewonnen wird. Bei uns wird Alkohol als Kraftstoffzusatz derzeit aus Getreide oder Zuckerrüben gewonnen. II. Geschichte des Zuckers Schon 6000 v. Chr. war das Zuckerrohr in Ostasien bekannt, von wo aus es nach Indien und Persien gelangte. 600 n. Chr. entwickelten die Perser eine Methode zur Herstellung von gereinigtem Zucker. Die Araber haben von den Persern die Kunst des Zuckersiedens gelernt. In den von ihnen eroberten Gebieten führten sie den Zuckerrohranbau ein z.b. 750 n. Chr. in Spanien und 960 n. Chr. auf Sizilien. Das christliche Abendland lernte den Zucker erst 1100 n. Chr. bei den Kreuzzügen kennen. Auf dem Weg des Orienthandels über Venedig und Genua gelangte er schließlich mit anderen Gewürzen nach Europa. Aus dem Mittelmeerraum erreichte der Zuckerrohranbau im 15. Jahrhundert Madeira, die Azoren und die Kapverdischen Inseln. Auf seiner zweiten Entdeckungsreise brachte Kolumbus 1493 das Zuckerrohr in die Karibik und begründete damit für die nächsten drei Jahrhunderte das größte Welt-Zuckerzentrum. Noch bis Anfang des 19. Jahrhunderts blieb Zucker ein Privileg der Reichen. Er war teuer und durch hohe Zollabgaben belastet. Hauptabnehmer des Luxusproduktes waren die begüterten Oberschichten, in deren Küche der Zucker sehr schnell an Beliebtheit gewann. Für die große Masse der Bevölkerung blieb er unerschwinglich. Der Zucker verlor seine Exklusivität erst, als die Zuckerrübe in Konkurrenz zum Rohrzucker trat. In der Regierungszeit Friedrichs des Großen ( ) untersuchte Andreas Sigismund Marggraf, Mitglied der Königlichen Akademie der Wissenschaften in Berlin, systematisch die Inhaltsstoffe einheimischer Pflanzen auf ihren Zuckergehalt gelang es ihm in der Runkelrübe nicht nur etwas Zuckerähnliches zu finden, sondern einen wahren, vollkommenen Zucker, der dem aus Zuckerrohr gefertigten Zucker entsprach. Damit entdeckte Marggraf eine Pflanze, aus der sich in unserem Klima und auf unseren Böden Zucker erzeugen ließ. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 2

3 Die Schüler und Nachfolger an der Königlichen Akademie, Franz Carl Achard, wurde mit Talern belohnt als er dem Preußenkönig Friedrich Wilhelm III. eine erste Probe seines Rübenzuckers überreichen konnte. Achard kaufte von dem Geld ein Gut im schlesischen Cunern und errichtete dort 1801 die erste Rübenzuckerfabrik der Welt. Auf diese weise brach das Monopol des Zuckerrohrs. Jetzt wurde Zucker auch für die einfacheren Menschen erreichbar und ist aus der heutigen Ernährung nicht mehr wegzudenken. III. Wie kommt der Zucker in die Rübe? Alle Lebewesen auf der Erde benötigen Energie, die Sonne stellt den wichtigsten Lieferant dafür dar. Wie jede grüne Pflanze, ist die Zuckerrübe in der Lage, mit Hilfe der Sonnenenergie das Wasser des Bodens (H 2 O) und das Kohlendioxid der Luft (CO 2 ) in Zucker (C 6 H 12 O 6 ) und Sauerstoff (O 2 ) umzuwandeln. Diesen Vorgang nennt man Fotosynthese. Anschließend wird die Saccharose an die Orte der Pflanze transportiert, an denen Energie benötigt wird oder im Speicherorgan, in diesem Falle der Rübenkörper, gespeichert. Faktoren, von denen die Fotosynthese abhängt: Licht (Wachstum) Kohlendioxid (Aufnahme aus der Luft) Wasser (Aufnahme über Wurzel) Temperatur (Wachstum) fruchtbarer Boden (Aufnahme von Mineralstoffen / Ionen) Quelle: Im Inneren der Blattzellen befinden sich die Chloroplasten, die wiederum den Farbstoff Chlorophyll enthalten. Sie sind photosynthetisch aktiv - quasi die Photosynthesemaschine der Pflanzenzellen. In Ihnen wird das Sonnenlichtes absorbiert und damit die Energie aufgenommen. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 3

4 Pflanzenzelle Chloroplast Chlorophyll (im Chloroplasten) Quelle: Wikipedia Fotosynthese Der Vorgang der Fotosynthese besteht aus einer Lichtreaktion (lichtabhängig) und einer Dunkelreaktion (lichtunabhängig), die auch als Primär- bzw. Sekundärreaktion bezeichnet werden. Doch bevor wir nun näher auf die Fotosynthese eingehen, müssen im Vorwege noch zwei Begriffe erklärt werden: ATP= Adenosintriphosphat universelle Form unmittelbar verfügbarer Energie in jeder Zelle wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse kann aus Energiespeichern bei Bedarf freigesetzt werden NADPH= Nicotinsäureamid- Adenin-Dinukleotid-Phosphat Koenzym, das an zahlreichen Redoxreaktionen (Elektronenübertragung) des Stoffwechsels der Zelle beteiligt ist als Lieferant von Elektronen und Protonen Quelle: Wikipedia Quelle: Wikipedia Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 4

5 Bei der Lichtreaktion wird das aufgenommene Wasser in Protonen (elektrisch positiv geladenes Teilchen) und molekularen Sauerstoff gespalten. Für diesen Schritt ist eine hohe Aktivierungsenergie notwendig, die Energie des Sonnenlichtes wird daher benötigt. Die Protonen des Wassers können auf diesem Wege auf das Coenzym NADP (geht Interaktionen mit Enzymen ein) übertragen werden, so dass NADPH und H+ entstehen. Darüber hinaus wird die Lichtenergie genutzt, um ATP aufzubauen, das als gespeicherte Energie in der Zelle zur Verfügung steht. Anschließend werden die Produkte der Primärreaktion, ATP und NADPH, dazu genutzt in der Dunkelreaktion Kohlenhydrate herzustellen, d.h. die Bildung organischer Stoffe (hier Saccharose) ist nicht auf die Energie des Sonnenlichtes angewiesen. Dabei wird ATP verbraucht und Wasser abgespalten. Nebenbei wird auch noch Sauerstoff freigesetzt. Quelle: Dieser Vorgang erfolgt in drei Schritten und wird auch als Calvin-Zyklus bezeichnet. Die vereinfachte Fotosynthese-Gleichung lautet: Sonnenlicht 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O Blattgrün Durch Sonnenlicht entstehen im Blattgrün (Chlorophyll) aus den Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser die Endprodukte Traubenzucker und Sauerstoff (Sauerstoff ist eigentlich nur ein "Abfallprodukt" der Photosynthese; die Pflanze betreibt die Photosynthese nur, um Traubenzucker zu gewinnen). Die Faktoren, die diesen Prozess beeinflussen, sind die Konzentrationen der Ausgangsstoffe, die Qualität und Quantität des Lichtes sowie die Temperatur. Indirekt wird die Photosyntheserate auch von weiteren Faktoren beeinflusst wie z.b. dem Salzgehalt des Bodens. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 5

6 Die so entstandene Saccharose wird entweder zu den Teilen der Pflanze transportiert, in denen ein Energiebedarf vorliegt, i.d.r. sind das die Wachstumszonen. Oder sie wird direkt zum Speicherorgan befördert, im Fall der Rübe ist dies der Rübenkörper. In den Speicherzellen können aus der Saccharose andere Kohlenhydrate aufgebaut werden, beispielsweise wandelt die Kartoffel den Zucker in Stärke um. Die Zuckerrübe ist eine der wenigen Pflanzen, die die Saccharose direkt speichern kann. Quelle: IV. Aussaat, Wachstum und Ernte Die Zuckerrübe stellt hohe Anforderungen an Boden und Klima. Sie gedeiht am besten auf tiefgründigen, nährstoffreichen Böden mit guter Wasserversorgung. Warmes Klima mit langer Sonnenscheindauer fördert das Wachstum. Quelle: T. Uhrbrook Aussaat Die Aussaat erfolgt Ende März/Anfang April bei ca. 5 C Bodentemperatur mit einer Einzelkornsämaschine, nachdem der Boden zuvor ein feines und abgesetztes Saatbeet bekommen hat (der Wasseranschluss ist über das Kapilarsytem sichergestellt).die Rübensamen werden im Abstand von 20 cm in der Reihe und mit 45 oder 50 cm Abstand abgelegt. Das sind ca Saatkörner pro Hektar. Bei günstiger Witterung sprießen schon nach 2 Wochen die ersten Pflänzchen. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 6

7 Wachstum und Zuckereinlagerung: Die Blätter wachsen zuerst schneller als der Rübenkörper. Die Pflanze bildet etwa 60 weit ausladende Blätter aus mit denen sie das einfallende Sonnenlicht optimal nutzen kann. In etwa 180 Tagen Wachstum entwickeln die Rüben ein Gewicht von Gramm. Hierbei ist wichtig, dass in der Hauptwachstumszeit (Juni bis September) die Rübe genügend Wasser, Nährstoffe und Sonne bekommt. Vor der Ernte sind sonnige Tage sowie kühle Nächte wichtig, damit nicht zuviel Zucker wieder durch die Pflanze veratmet wird. Im Schnitt, kann aus 10 Zuckerrüben etwa 1 Kilogramm Zucker gewonnen werden. In ihrer relativ kurzen Lebensdauer produziert sie nicht nur Zucker, sondern mit Hilfe Ihrer zahlreichen Blätter auch jede Menge Sauerstoff. Dank der Fotosynthese, entstehen auf einem Rübenfeld pro Hektar rund 15. Mio. Liter Sauerstoff. Hiervon können ca. 60 Menschen 1 Jahr lang atmen. Ernte Im Herbst, ab Mitte September bis Mitte November, wird die Zuckerrübe geerntet. Zu diesem Zeitpunkt macht der gespeicherte Zucker ca % ihres Gewichts aus und bringt einen Ertrag von dt/ha. Die Ernte erfolgt mit hochmodernen Rübenvollerntern, die die Blätter abschneiden (sie werden entweder als Viehfutter oder auf dem Feld als Gründünger genutzt), die Rübe aus der Erde heben und in einem Sammelbunker ablegen. Quelle: T. Uhrbrook Danach werden sie am Feldrand in Rübenmieten zwischengelagert, bis die Lademaus die Zuckerrübe verlädt (reinigt von anhaftender Erde während des Verladens auf den Transport- Lkw) und zur Rübenfabrik transportiert. Die Zuckerrübenernte und Rübenverarbeitung nennt man Kampagne. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 7

8 V. Zuckergewinnung Entladung und Reinigung Mit der Rübenernte (Kampagne) im September beginnt die Zuckergewinnung. Beim Entladen entnimmt man jeder angelieferten Fuhre Proben, die auf den Zuckergehalt, Schmutzprozente, Kalium, Natrium und Amoniumstickstoff untersucht werden( Kalium, Natrium und A- moniumstickstoffe sollten einen niedrigen Gehalt haben, da sie ein wichtiger Faktor für die Zuckerausbeute sind). Nach einer gründlichen Wäsche gelangen die Zuckerrüben in die Fabrik (das Waschwasser wird in einer Abwasseraufbereitung gereinigt und danach erneut verwendet). Vorgang der Zuckergewinnung 1.Saftgewinnung Die Rüben werden zu Schnitzeln zerkleinert und im Brühtrog vorgewärmt. In 70 heißem Wasser löst sich der Zucker aus den Rübenzellen- es entsteht der braune Rohsaft. Quelle: Südzucker AG 2. Saftreinigung Anschließend wird der Rohsaft durch die Trennung von Zucker- und Nichtzuckerstoffen gereinigt. Hierzu werden die natürlichen Stoffe: Kalk und Kohlensäure zugesetzt, um die Nichtzuckerstoffe zu binden. Es bleibt ein klarer Dünnsaft mit ca. 16% Zuckergehalt zurück. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 8

9 Quelle: Südzucker AG 3. Safteindampfung/-dickung Der Dünnsaft wird in der Verdampfstation in mehreren Stufen eingedickt, bis ein goldbrauner Dicksaft mit ca. 67% Zuckergehalt zurückbleibt. Die Verdampfstation ist energiesparend aufgebaut. Jeder Verdampfapparat beheizt mit seinem Dampf den jeweiligen nächsten Apparat. Quelle: Südzucker AG 4. Kristallisation Der Dicksaft wird gekocht, bis sich goldgelb leuchtende Kristalle bilden, die mit einem Sirup überzogen sind. Dieser wird durch Zentrifugieren (Trennung von Feststoff und Flüssigkeit mittels der Fliehkraft) sowie Spülen mit Wasser und Dampf von den Kristallen getrennt. Durch mehrfache Wiederholung dieser Vorgänge entsteht die Raffinade: weißer Kristallzucker von höchster Reinheit und Qualität. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 9

10 Quelle: Südzucker AG Der fertige Zucker wird getrocknet, gekühlt und über Förderbänder in Zuckersilos gelagert. Aus den Silos wird der Zucker entnommen und weiterverarbeitet bzw. abgepackt. Knapp 84% des Zuckers landen in der Herstellung von Süßwaren, Getränken, Backwaren etc. der weiterverarbeitenden Industrie. Die anderen rund 16% werden zu den verschiedenen Sorten des Haushaltszuckersortiments weiterverarbeitet und abgepackt. Die Arbeitsbereiche der Zuckerfabrik im Überblick: Quelle: Südzucker AG Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 10

11 Alle anfallenden Nebenprodukte werden wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt: Die gepressten Rübenschnitzel finden ihre Verwendung als Viehfutter. Ferner ist der bei der Saftgewinnung entstehende Carbokalk ist ein ausgezeichneter Dünger. Sorten und Formen des Zuckers Quelle: Raffinade/Feinster Zucker Wie der Name schon sagt ist es die feinste Variante. Er ist schnell löslich und lässt sich spielend leicht verrühren. Feinsten Zucker verwendet man z. B. zum Schlagen von Eiweiß, für alle feinen Teige, für Süßspeisen und für kalte Getränke. Raffinade bedeutet im Übrigen, dass ein Verfahren zur Reinigung, Veredlung und/oder Trennung von Rohstoffen eingesetzt werden. Brauner Zucker Brauner Zucker auch Kandisfarin genannt, ist ein feinkörniger Spezialzucker, der aus braunem Kandissirup gewonnen wird. Seine Karamell- und Bräunungsstoffe verstärken das Aroma und verbessern die Bräunung. Hagelzucker Hagelzucker ist ein grobkörniger Zucker, dessen Körner aus einer Vielzahl von kleinen zusammengeballten Kristallen bestehen. Er wird hauptsächlich zum Bestreuen von Gebäck verwendet. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 11

12 Puderzucker Puderzucker wird durch Mahlen der Zuckerkristalle hergestellt. Dieser staubfeine Zucker wird vor allem zur Herstellung von Glasuren verwendet sowie zum Bestäuben und Dekorieren von Kuchen und Kleingebäck. Würfelzucker Zuckerkristalle werden zu kleinen Quadern gepresst und ist im Kaffee und Tee leicht löslich. Gelierzucker Gelierzucker enthält Raffinade, Pektin und Zitronensäure. Gelierzucker 1:1 wird zum Einkochen von Konfitüren und Gelees verwendet. Die Gelierzucker 2:1 und 3:1 werden für weniger süße Fruchtaufstriche genommen. Weißer Kandis Zur Herstellung von weißen Kandis werden nur die hochwertigsten Zuckerlösungen verwendet. Teekenner bevorzugen weißen Kandis zum Süßen des Tees. Zuckerhut Der Zuckerhut wird aus Raffinade in Kegelform gepresst. Heute wird er noch gelegentlich zur Zubereitung der Feuerzangenbowle verwendet. Dagegen war im 19. und 20. Jahrhundert sehr populär, konnte jedoch nur mit kleinen Werkzeugen wie Zuckerhammer oder hacke portioniert werden. VI. Gentechnik Gentechnik allg. Fast alle Lebewesen dieser Erde sind aus Zellen aufgebaut, der Mensch besteht aus ca. 100 Billionen von ihnen. In jeder dieser Zellen ist das komplette Erbgut in Form von 46 Chromosomen gespeichert, das je zur Hälfte vom Vater und von der Mutter vererbt wird. Diese 46 Chromosomen setzen sich aus der Desoxyribonukleinsäure (DNS) zusammen. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 12

13 Hierbei sind zwei DNS-Einzelstränge schraubenartig aneinandergelagert, und zwar in entgegengesetzter Richtung. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der beiden Stränge immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind gepaart. Es paaren sich immer Adenin und Thymin, die dabei zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, oder Cytosin mit Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNS und ist bis zu 1000 Basen lang. Quelle: wikipedia Die Basen bilden also quasi ein sehr langes Wort z.b. ATGAAGTTTCAGCGTCCATGG und codieren so die genetische Information für die Synthese von Proteinen. Dieses Prinzip der Informationscodierung ist bei den Zellen aller Lebewesen einschließlich des Menschen gleich und wird deswegen universeller Code genannt. Der Begriff Gentechnik beschreibt ein Verfahren, bei dem fremde Gene gezielt in einen Gen- Bestand einer Zelle oder eines Organismus eingebracht werden. Nach erfolgreicher Anwendung kommt eine neue, gewollte Genkombination zustande, die der Zelle bzw. dem Organismus neue Fähigkeiten verleiht. Gentechnik bei Pflanzen Schon vor Jahren hat der Mensch begonnen, aus Wildformen Kulturpflanzen zu züchten, um sie seinen Bedürfnissen anzupassen. So sollen die Pflanzen zum Beispiel höhere Erträge liefern, qualitativ besser werden (z.b. gesünder und nährstoffreicher) sowie gegen Krankheiten und Schädlinge geschützt sein. Der entscheidende Schritt bei der gentechnischen Veränderung einer Pflanze ist die Gen- Übertragung: das Einschleusen eines neuen Gens in eine Pflanzenzelle. Oft verwendet man hierfür das Agrobacterium tumefaciens, einem bodenbürtigen Bakterium, das ein spezielles Plasmid (tumor-indizierendes Plasmid) in das pflanzliche Genom integriert, wenn es in den fremden Gen-Bestand eindringt. Plasmide sind kleine, in der Regel ringförmige, doppelsträngige DNS-Moleküle, die in Bakterien vorkommen können, aber nicht zum Bakterien- Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 13

14 chromosom zählen. Auf diesem Weg werden bei Pflanzen die Bildung von Wurzelhalsgallen ausgelöst. Quelle: gensuisse.ch Dieses Phänomen macht man sich in der Gentechnik zunutze, indem das Ti-Plasmid, das die Tumorbildung auslöst, stillgelegt und durch ein anderes Plasmid mit Fremdgenen, mit der gewünschten Eigenschaft ersetzt wird. Quelle: gensuisse.ch Anschließend wird die Bakterienzelle in die Wirtspflanze eingebracht, wo sich das Plasmid in die DNA der Pflanzenzelle integriert. Aus dieser einzelnen Zelle wird im Anschluss eine komplette neue Pflanze gezogen, in deren Zellen jeweils das fremde Gen enthalten ist und auch weitervererbt werden kann. Virusresistente Rübe Die Wurzelbärtigkeit (Rhizomania) ist eine gefürchtete Krankheit der Zuckerrübe und wird durch das gleichnamige Rhizomania-Virus verursacht. Die erkrankte Rübe bleibt klein, ihre Leitungsbahnen verholzen und die Blätter welken trotz ausreichender Bodenfeuchte. Darüber hinaus erzeugt sie wenig bis gar keinen Zucker, so dass Ertragseinbußen bis zu 50% drohen. Die Gentechnik ermöglicht es eine Zuckerrübe herzustellen, die gegen den Rhizomania-Virius resistent ist. Hierbei bedient man sich wieder des Agrobacteriums tumefaciens: Quelle: Zunächst wird aus der Zuckerrübe ein Rhizomania-Vrius isoliert und man schneidet aus der Virus-DNA den Abschnitt heraus, der die kodierte Bauanleitung für die Hülle des Virus trägt (=Hüllprotein-Gen). Dieses Hüllprotein-Gen wird in das Agrobacterium tumefaciens eingeschleust und daraufhin werden die Zuckerrübenzellen mit dem Bakterium infiziert. Da das Bakterium den Bauplan für den Virus trägt, geht die Zuckerrübe davon aus, dass es sich um den vollwertigen Rhizomania-Virus handelt und reagiert mit einem Schutzmechanismus, damit nicht noch mehr Viren eindringen können: die Pflanze entwickelt eine Resistenz. Diese Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 14

15 Zuckerrübenzelle wird auf einem Nährboden ausgebracht, aus der sich dann ein Keim entwickelt. Die daraus wachsende Zuckerrübe liefert wiederum Samen, die die Virus-Resistenz in sich tragen und von Generation zu Generation weitervererbt wird. Herbizidresistente Zuckerrübe Neben dem Virusbefall stellt auch das Unkraut ein Problem für die Landwirtschaft dar. Die Zuckerrübe ist im Vergleich weniger konkurrenzfähig gegenüber Unkräutern. Die Unkräuter werden der Nutzpflanze in dem Sinne gefährlich, dass sie ihr wichtige Nährstoffe, Wasser, Licht sowie Platz zum Wachsen nehmen. Weiterhin erhöht sich auch der Arbeitsaufwand bei der Ernte, da die Rübe erst von dem Unkraut gereinigt werden muss. Um den Ertragseinbußen entgegenzuwirken, werden in der Landwirtschaft Unkrautvernichtungsmittel (Herbizide) eingesetzt. Ein vielverwendetes Herbizid in Verbindung mit Zuckerrüben ist das Roundup, dessen Wirkstoff (Glyphosat) für fast alle Pflanzenarten toxisch ist. Glyphosat hemmt das Enzym EPSPS, wodurch lebenswichtige Aminosäuren durch die Pflanze nicht hergestellt werden können. Gelangt es auf die Pflanze, stellt sie ihr Wachstum ein und stirbt ab. Da Roundup nicht selektiv wirkt, kann es demnach nicht unterscheiden, ob es sich um ein Unkraut oder eine Rübe handelt. Daher ist es notwendig die Nutzpflanze gegen das Herbizid zu immunisieren. Konkret bedeutet das, dass in Gebieten in denen Roundup als Herbizid direkt im Bestand eingesetzt wird, auch roundup-resistente Zuckerrüben angebaut werden müssen. Die genetische Veränderung beruht in der Toleranz der Rübe gegen den Wirkstoff Glyphosat des Roundup. Das Agrobacterium sp. besitzt ein Gen, welches das Enzym EPSPS von Natur aus herstellt, genauer gesagt CP4-EPSPS, und ist somit gegen das Glyphosat resistent ist. Analog zum Verfahren bei den virusresistenten Rüben, wird auch in diesem Falle das tumor-induzierende Gen des Agrobacterium tumefaciens entfernt und durch das Gen, welches das Enzym CP4-EPSPS herstellt, ersetzt. Die Zuckerrübenzellen werden nun wieder mit dem Bakterium infiziert. Die neue Zuckerrübe ist in der Lage das CP4-EPSPS zu produzieren und bildet somit eine Resistenz gegen das Glyphosat aus. Folglich kann diese Rübe ohne Probleme mit Roundup behandelt werden, die Unkräuter daneben gehen zugrunde. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 15

16 Genehmigungsverfahren für die Freisetzung von Pflanzen Quelle: Die Herstellung, Freisetzung (Freilandversuch zu Forschungszwecken) sowie das Inverkehrbringen gentechnisch veränderter Organismen wird in Deutschland durch das Gentechnikgesetz geregelt. Zuständig für die Genehmigung von Freilandversuchen mit gentechnisch veränderten Pflanzen ist das Robert- Koch-Institut in Berlin. Ebenso eingebunden sind das Umweltbundesamt und die Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft, die den Freisetzungsantrags prüfen. Weitere Fachbehörden sind die Zentrale Kommission für Biologische Sicherheit, die zuständige Landesbehörde Gefährdungen der Umwelt sowie die EU-Kommission und die EU-Mitgliedstaaten. VII. Bioethanol Der Kraftstoff aus der Zuckerrübe Fossile Brennstoffe wie Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl, sind vor Jahrmillionen durch die Zersetzung abgestorbener Pflanzen und Tiere unter dem Druck darüber liegender Gesteinsschichten entstanden. Die Nutzung von Fossilen Brennstoffen ist jedoch durch ihre Energiereserven begrenzt. Daher müssen Überlegungen angestellt werden wie diese Brennstoffe sinnvoll ersetzt werden können, um den Energiebedarf für die Zukunft zu decken. Hierfür bietet die Landwirtschaft vielseitige Möglichkeiten für erneuerbare Energien an. Eine davon ist die Zuckerrübe. Sie liefert Bioethanol- getreu dem Motto: Energy-farming ("Energie wächst auf dem Feld"). Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 16

17 Die Bundesrepublik Deutschland hat sich im Kyoto-Protokoll (Protokoll zum Klimaschutz) verpflichtet, die Emissionen aus Treibhausgasen bis 2012, im Vergleich zu 1990, um 21% zu reduzieren (siehe Abbildung). Dieses Ziel soll unter anderem mit der Verwendung von alternativen Brennstoffen wie Bioethanol umgesetzt werden. Damit der Absatz von Biokraftstoffen auch sichergestellt wird, wurde 2007 in Deutschland ein Beimischungszwang für Treibstoffe festgelegt. Quelle: KWS Saat AG Was genau ist Bioethanol? Bioethanol ist aus landwirtschaftlich angebauten Pflanzen hergestellter Alkohol (synonyme: Ethanol, Spiritus, Weingeist). Es kann grundsätzlich aus allen Rohstoffen hergestellt werden die Zucker oder Stärke enthalten. In Europa wird Bioethanol hauptsächlich aus Rübenzucker oder Getreidestärke gewonnen. Industrielle Herstellung von Bioethanol In der Zuckerfabrik können zuckerhaltige Säfte in unterschiedlichen Prozessschritten zur Ethanol-Produktion abgezogen werden. Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von Dicksaft oder auch Melasse. Wichtig ist, dass alle Rüben, egal ob sie zur Zucker- oder zur Ethanol-Produktion bestimmt sind, einen Groß- Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 17

18 teil des Produktionsprozesses der Zuckerfabrik durchlaufen müssen. Der Zucker aus Rohoder Dicksaft, stellt eine ideale Nahrungsgrundlage für die Hefen dar, die den Zucker zu Alkohol vergären. Quelle: KWS Saat AG Zunächst wird der Dicksaft (oder der Rohsaft) aus der Zuckerfabrik mit Bierhefen versetzt. Diese können durch die alkoholische Vergärung den Zucker der Rübe direkt in Alkohol umwandeln. In der sich anschließenden Destillation, wird der Alkohol von der restlichen Flüssigkeit getrennt. Abschließenden wird der Alkohol mit Hilfe der Rektifikation (Verfahren zum Auftrennen eines Vielstoffgemisches) und Dehydrierung (Abspaltung von Wasserstoff aus organischen Molekülen) auf einen Prozentsatz von nahezu 100% aufkonzentriert. Alkohol-Gehalte in den einzelnen Prozessschritten: Fermentation: Vol. % Alc. (technische Bioreaktion, bei der Materialien mit Hilfe von Bakterien-, Pilz- oder Zellkulturen oder Enzymen umgesetzt werden) Destillation: Vol. % Alc. (thermisches Trennverfahren, um ein flüssiges Gemisch verschiedener Stoffe zu trennen; z.b. Brennen von Alkoholen) Rektifikation: > 96 Vol. % Alc. (s.o.) Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 18

19 Absolutierung >99,7 Vol. % Alc. (absolute Reinigung eines Lösungsmittels auf 100 % Gehalt) Quelle: FNR 2003 Als Nebenprodukt der Ethanolgewinnung fällt Vinasse an. Hierbei handelt es sich um den entzuckerten Dicksaft, dem Ethanol entzogen wurde. Dieser wird anschließend in der Tierernährung zur Optimierung von Mischfuttern eingesetzt. Weiterhin ist auch der Einsatz als KaliDünger möglich, da es reich an Kalium und organisch gebundenen Stickstoff ist. Es können somit alle Ressourcen der Zuckerrübe voll genutzt werden. In Deutschland gibt es seit 2007 in Klein Wanzleben/Nähe Magdeburg ein Werk, das speziell zur Ethanolgewinnung in Betrieb genommen wurde ( Erwartungen an die Verwendung von Bioethanol: -Klimaschutz Kyoto-Protokoll = CO2-Reduktion (Verkehrswesen verursacht höchste CO2-Emission) -Versorgungssicherheit mehr (Energie)Unabhängigkeit von Öl- und Ergasimporten Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 19

20 -Einkommensalternativen für heimische Wirtschaft Arbeitsplätze im ländlichen Raum Entlastung der Agrarmärkte Alternativeinkommen für Landwirte (aber Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmittelproduktion) Umweltvorteile auf einen Blick Bioethanol ist inzwischen eine wichtige Größe in der Energieversorgung der USA, Südamerika (Zuckerrohr) und der Europäischen Union (Zuckerrüben) und damit in den größten Wirtschaftszonen der Welt. Voraussichtlich werden die großen Automobilhersteller immer weiter kompatible Motoren mit Klimagedanken entwickeln. Schon jetzt gibt es Flex-Fuel-Autos, die mit E-85, einem Treibstoff mit 85% Anteil Bioethanol, fahren können. Quelle: Institut für Weltwirtschaft, Kiel 2006 Das Ersetzen von Benzin durch Bioethanol, kann die Emissionen von Gasen reduzieren, die zum sogenannten Treibhauseffekt beitragen. Die Hauptursache des vom Menschen verursachten Treibhauseffekt liegt in der Freisetzung von Kohlendioxid (CO2). Die CO2Bilanz kann sich, im Vergleich zum Benzinbetrieb, um bis zu 80% verbessern. Als Zahlenbeispiel dargestellt bedeutet das, dass die Beimischung von 5% Bioethanol zum Benzin, den CO2-Ausstoß unterm Strich um rund 4,5% reduziert kann( Zuvor wurde CO2 bereits durch die angebauten Pflanzen gebunden. Aus einem Hektar Zuckerrüben können rund 4,7 Tonnen Bioethanol produziert werden. Das ist die Menge, mit der ein Flex-Fuel-Auto rund Kilometer fahren kann, also mehr als zweimal um die Welt! Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 20

21 In Deutschland wird nur Bioethanol aus nachhaltiger Erzeugung verwendet, d.h. dass ausschließlich ökologisch unbedenkliche und sozial verträgliche Produktionsverfahren zum Einsatz kommen. Verwendung des Bioethanols 1. Verwendung als Additiv ETBE Die synthetisch hergestellte Verbindung ETBE (Ethyl-Teritär-Butyl-Ether) verbessert die Klopffestigkeit von Brennstoffen. Eine gute Klopffestigkeit fördert gleichmäßig rundes und ruhiges Laufen der Motoren, sowie die optimale Verbrennung des Kraftstoffes. Ferner ersetzt es das bisher verwendete MTBE (Methyl-Tertiär-Butyl-Ether), dessen mögliche Wirkung auf die Umwelt und die Gesundheit zum Handeln anregte. ETBE besteht zu 45% aus Ethanol und ist als Additiv (Zusatzstoff, der Produkten in geringen Mengen zugesetzt wird, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessernbis zu 10% in Ottokraftstoffen enthalten. 2. Direkte Beimischung zu Ottokraftstoffen Ethanol kann fossilen Brennstoffen in unterschiedlichen Anteilen von 5% (E 5, d.h. direkte Beimischung, welches von den aktuellen Ottomotoren ohne Umrüstung verbrannt werden kann) bis 85% (E 85) beigemischt werden. Flex-Fuel-Motoren können sowohl mit E-8 als auch mit normalem Benzin fahren. Die Technik ist heute schon verfügbar und findet in Brasilien sowie Schweden weite Verbreitung. Derzeit gängig ist eine Beimischung von 5% (E-5). In Zukunft sind sogar E-10 Beimischung denkbar- die deutsche Automobilindustrie hat sich dafür ausgesprochen. Auch die langfristigen Perspektiven für Ethanol sind hervorragend. Für Brennstoffzellen, den Energieaggregaten der Zukunft, kann Ethanol als Wasserstoffträger und damit als Brennzellen-Treibstoff dienen. Bei einem Blick in die Zukunft, wird Bioethanol, als Kraftstoffversorgung der großen automobilen Länder, vermutlich nicht mehr wegzudenken sein! Was bedeutet Zucker für unsere Zukunft, Umwelt und unser Klima? Das absehbare Ende der Erdölvorräte verändert in geradezu atemberaubendem Tempo die Strategien der Energiegewinnung. Die Frage, welchen Stellenwert aus Pflanzen gewonnener Treibstoff in der neuen Energiepolitik spielen kann und soll, ist eine der umstrittensten Fragen, auch innerhalb der Umweltbewegung. Viele sehen in den Agrotreibstoffen eine Chance für Landwirtschaft und Klimastrategien. Allem voran hat der Zucker, ein Produkt das in Form Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 21

22 von Zuckerrüben und Zuckerrohr in vielen Regionen der Erde (z.b. in Asien, Australien, Brasilien und Europa) angebaut wird, einen immer höheren Stellenwert in der Gewinnung von Biobrennstoffen bekommen: Bioethanol als Alternative für fossile Brennstoffe. Neben der gesetzlich geregelte Beimischung von Bioethanol in Benzin, fördert die Entwicklung der Flex-Fuel-Motoren, die in beliebiger Mischung mit Benzin und Alkohol betankt werden können, seit 2003 den Anbau von Zuckerrüben und Zuckerrohr. Während in Europa der Anbau von Zuckerrüben, auch für die Ethanolgewinnung, über Lieferkontingente geregelt ist und daher beschränkt, wird sie in Brasilien als neue Möglichkeit gesehen, die Abhängigkeit von Ölimporten zu verringern. Doch um den hohen Treibstoffbedarf zu decken werden größere Anbauflächen benötigt. In Brasilien wurden daher die Anbauflächen für Zuckerrohr auf 6 Mio. Hektar erhöht. Das erscheint als eine riesige Fläche, ist aber im Vergleich zu anderen landwirtschaftlichen Anbauflächen (Soja 22 Mio. Hektar, 34 Mio. Hektar gehen in andere landwirtschaftliche Produkte) eher gering. Der größte Flächenverbrauch geht in die Weidewirtschaft für die Viehhaltung mit etwa 200 Mio. Hektar. Für die Forscher des Interdisziplinären Instituts für Energieplanung (NIPE) der Universität von Caminas, ist eine Ausweitung der Zuckerproduktion auf 30 Mio. Hektar bis 2025 möglich und realistisch. Ausgehend von der heutigen Produktivität und der Tatsache, dass die Hälfte der Zuckerrohrproduktion zu Alkohol verarbeitet wird, ergäbe dies eine Produktion von 100 Mrd. Liter Ethanol pro Jahr. Die Menge ließe sich durch Produktionssteigerungen leicht erhöhen. Damit hätte Brasilien das Potenzial, 10% des weltweit verbrauchten Benzins durch Alkohol zu ersetzen. Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 22

23 Quellenverzeichnis: Literatur: Was ist Was: Landwirtschaft Lehrmittelverlag Wilhelm Hagemann GmbH: Medienpaket Unser Zucker ; Düsseldorf, 2004 Kinderleicht Wissen Verlag: Zucker- aus der Rübe in die Tüte; Regensburg, 2004 KWS Saat AG: Infopaket Zuckerrübe aid: Zucker, Sirupe, Honig, Zuckeraustauschstoffe und Süßstoffe; Bonn, 2007 Internet: Zentrum der Gesundheit: Zucker- Auswirkungen auf den Körper; Planet Wissen: Zucker- Rat & Tat; Wikipedia: Zucker; Wirtschaftliche Vereinigung Zucker: von der Rübe zum Zucker; Heinrich Böll Stiftung: Mit Agrotreibstoffen aus Brasilien gegen den Klimawandel?; CropEnergies AG: Bioethanol; Zucker Museum Berlin: Ausstellungen; Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft: Gentechnisch verändert?; Landwirtschaft/Gentechnik/Faltblatt_3AGentechnischveraendert_3F,templateId=raw,property=publica tionfile.pdf/faltblatt:gentechnischveraendert?.pdf Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft: Gentechnik: Was genau ist das?; Landwirtschaft/Gentechnik/Gentechnik Wasgenauistdas.html nnn=true Thomas Manni Hauske: Gentechnisch veränderte Grundnahrungsmittel; Gen Suisse: Gentechnik- Grundlagen, Anwendung, Diskussion Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung: Grüne Gentechnik Trans Gen: Gv-Zuckerrüben mit Herbizidresistenz; Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 23

24 Genetic-Diner: Zuckerrübe; Zentrale für Unterrichtsmedien: Gentechnologie; Ernst Georg Beck: Photosynthese; Ulrich Helmich: Zellbiologie; Treeland.de: Photosynthese - Wie aus Luft, Wasser und Licht Biomasse wird; Projekt Schulklassen auf dem Bauernhof Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein 24