Anmerkungen zur Verbesserung der Stärkeeigenschaften. Warum Kartoffelstärke?

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1 Folie 1 GENETISCHE OPTIMIERUNG DER KARTOFFEL ALS DOMINIERENDER STÄRKELIEFERANT DER BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DURCH ZÜCHTUNGS- ZELL- UND MOLEKULARBIOLOGIE Anmerkungen zur Verbesserung der Stärkeeigenschaften N.U. HAASE Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel Standort Detmold 1 Folie 2 Warum Kartoffelstärke? marktpolitische Bedeutung - ca. 1/3 der gesamten Erntemenge in D - lokale Bindung von Fabrikation und Landwirtschaft (Anbauverträge) Qualität der Kartoffelstärke 2 Folie 3 Kartoffelstärke 3

2 Folie 4 Qualität der Stärken Kartoffel Mais Weizen P-Gehalt (%) Rohprotein (%) Quellvermögen (x) > Viskosität sehr hoch mittel mittel 4 Folie 5 Vorteile der Kartoffelstärke Reinheit Geruch/Geschmack Stabilität der Lösungen Niedrige Verkleisterungstemp. Hohe Viskosität des Kleisters Hohe Wasserbindung Transparenz des Kleisters Klebkraft 5 Folie 6 Anwendungsfelder K-Stärke Papier/Pappe (Masseleimung Sprühen Streichen Oberflächenbehandlung) Textil (Schlichten Drucken Kleben) Lebensmittel (Süsswaren K-Erzeugnisse Milch- u. Eiprodukte Desserts Suppen Soßen) Bauindustrie (Faserplatten Putzmassen Gipskarton) Ölindustrie (Bohrspülmittel) Stärke als Nachw. Rohstoff (Folien Formkörper) 6

3 Nachstehend werden einige Aspekte zur inneren und äußeren Qualität der Kartoffelstärke angesprochen wobei insbesondere die Ergebnisse aus dem abgeschlossenen Verbundvorhaben Berücksichtigung finden. Soweit möglich werden Hinweise zu Vorhersagemodellen gegeben die mittels der Nah-Infrarot-Spektroskopie erstellt worden sind (NIRS 6500 Firma Foss Hamburg Software: WinISI V. 1.5). Im einzelnen werden angesprochen der Stärkegehalt der Amylosegehalt der Stärke die Korngrößenverteilung der Stärke der Phosphatgehalt der Stärke das Viskositätsverhalten des Stärkekleisters das koagulierbare Eiweiß als Koppelprodukt der Gesamtgehalt an Protein Die Entlohnung der Stärkekartoffeln richtet sich heute nach dem Unterwassergewicht wobei nur der Bereich zwischen 13 und 23% Stärke bezahlt wird. Kartoffelpartien mit zu niedrigem Stärkegehalt werden i.d.r. verweigert während Partien mit mehr als 23% Stärkegehalt nur mit dem Wert für 23% entlohnt werden. Folie 7 Validierung NIR_Reflektion: Stärkegehalt R² = 092 Stärke_Vorhersage (% FM) Stärke_Labor (% FM) Regression 10 Die untersuchten Kartoffelmuster hatten zu einem erheblichen Teil Stärkegehalte von über 23%. Diese Konzentrationen können mit der Nah-Infrarotspektroskopie rasch und zuverlässig vorhergesagt werden wie das Prediction-Model für den Stärkegehalt (Folie 7) zeigt.

4 Folie 8 Amylosegehalt von Stärken 0 Waxy-Mais Waxy-Reis (Waxy-Formen Kartoffel Weizen Gerste) 10 Reis Kartoffel Weizen Mais Reis u.a. 40 HA-Mais Erbse (Kartoffel Weizen Gerste) 60 HA-Mais Markerbse 70 HA-Mais (Kartoffel Weizen Gerste) 80 HA-Mais 11 Der Amylosegehalt der Handelsstärken umfasst einen sehr weiten Bereich. Bereits heute sind waxy-typen mit mimimalen Amylosekonzentration verfügbar. In den nächsten Jahren ist aber damit zu rechnen dass die jeweiligen Sortimente deutlich erweitert werden. Im europäischen Ausland befinden sich bereits Erste Sorten in der amtlichen Sortenzulassung. Folie 9 Amylosegehalt Kartoffelstärke geringe Variabilität vorhanden --> K57/93 NR 92-NR-008 Tab. 2: Einfache statistische Beschreibung des Merkmals Amylosegehalt der Stärke (%) ausgewählter Datensätze Versuch Anzahl Average Median Min Max Range Gesamt Jahr Jahr Sorten Sorten Sorten Züchter Schnelltest vorhanden (Plant Breeding 111 (1993) ) Erfolge nur mit molekularbiolog. Techniken 12 Eine ausführliche Durchmusterung zahlreicher Sorten und Stämme hat gezeigt dass im Sortiment so gut wie keine Variabilität des Merkmals Amylosegehalt vorhanden ist (Folie 9). Somit werden sich züchterische Bemühungen eher auf dem molekularbiologischen Sektor konzentrieren.

5 Folie 10 Die Qualität der Stärke Korngrößenverteilung der Stärke Korngröße beeinflusst Abtrennbarkeit der Stärke (Feinkorn vs. Grobkorn) Verwendung granulärer Stärke in der Oberflächenvergütung verlangt Feinkornstärke Stärke als Bindemittel verlangt Mittel- bis Großkornst Kartoffelstärke Maisstärke Weizenstärke Haferstärke Durchmesser (µm) 13 Die Korngröße der Kartoffelstärke erstreckt sich über einen sehr weiten Bereich. Entsprechend vielseitig sind die Einsatzmöglichkeiten wenn es gelingt die Stärke zu fraktionieren. Andererseits ist eine Einengung des Spektrums über züchterische Maßnahmen nicht einfach da entsprechende Screening-Methoden fehlen. Deshalb wird der physikalischen Trennung über Dekanter oder Hydrozyklone der Vorrang eingeräumt. Das physiko-chemische Verhalten der Kartoffelstärke sowie deren Modifizierungskapazität wird insbesondere durch die Phosphatbelegung der Stärke beeinflusst. Wie Folie 11 zeigt können Fremdionen über die Phosphatbrücke an das Stärkemolekül binden und damit die Eigenschaftsprofile verändern. Folie 11 Ergebnisse der Analytik - Phosphorgehalt - O Starch -- O -- P -- OH + MeOH OH O - + Starch -- O -- P -- O Me + H2O OH 15

6 Folie 12 Validierung NIRS: Innere Stärkequalität - Phosphorgehalt d. Stärke P_Stärke_Vorhersage [ppm] P_Stärke_Labor [ppm] 1. Ableitung RSQ = 0556 SEP = Die Phosphatgehalte der Kartoffelstärke erstrecken sich über einen weiten Bereich. Wie Folie 12 zeigt war es möglich ein Vorhersagemodell zu generieren mit dessen Hilfe eine grobe Abschätzung des Phosphatgehaltes möglich war. Die Viskosität der verkleisterten Kartoffelstärke wurde mit dem Rapid Visco Analyzer (RVA) bestimmt. Folie 13 Validierung NIRS: Innere Stärkequalität - Viskosität des Stärkekleisters 800 Peakviskos_Stärke_Vorhersage [RVU] Ableitung RSQ = 0411 SEP = Peakviskos_Stärke_Labor [RVU] 18 Ähnlich wie bei dem vorangegangenen Merkmal war es auch bei dem Merkmal Viskosität des Stärkekleisters möglich eine grobe Vorhersage der Eigenschaftsausprägung über die Nah- Infrarot-Spektroskopie zu erstellen.

7 Folie 14 Koagulierbares Protein wertvolles Koppelprodukt (essentielle AS!) aufgrund des oft hohen Glycoalkaloidgehaltes gegenwärtig kaum Verwendung in der Human- Ernährung Technik zur Abtrennung (Säure- + Hitzekoagulation weitgehend vorhanden) Entkopplung Protein - Glycoalkaloid erforderlich Glycoalkaloide --> Pharmazeut. Industrie 19 Eine einfache und rasche Abschätzung des Proteingehaltes sowie des Gehaltes an koagulierbarem Eiweiß ist nicht einfach. Nachstehend sind erste NIR-Modelle sowie deren Überprüfung mit unbekannten Proben (Validierung) dargestellt. Folie 15 Kalibrierung NIRS: Koppelprodukt - Protein (Dumas-N) Protein_Vorhersage [% FM] Ableitung Kalibierdaten Protein_Labor [% FM] 22 Der Proteingehalt in den untersuchten Kartoffeln lag zwischen 1 und 25% i. Frischmasse. Die Validierung des entsprechenden NIR-Modells ist in Folie 16 dargestellt. Allerdings war die Anzahl der Muster sehr begrenzt. Eine abgesicherte Aussage ist somit noch nicht möglich.

8 Folie Validierung NIRS: Koppelprodukt - Protein (Dumas-N) Protein_Labor [% FM] Protein_Vorhersage [% FM] RSQ = 0740 SEP = 0124 Folie Kalibrierung NIRS: Koppelprodukt - koagulierbares Protein koag. Protein_Labor [% FM] 0 05 koag. Protein_Vorhersage [% FM] 1. Ableitung Kalibierdaten Die entsprechenden Daten für den Gehalt an koagulierbarem Eiweiß zeigten eine Häufung der Proben im Bereich zwischen 02 und 07 % i. Frischmasse. Die Effizienz der Ausbeute liegt bei der industriellen Abtrennung i.d.r. höher. Aus Vergleichsgründen wurde ein spezielles Laborverfahren durchgeführt.

9 Folie 17 Validierung NIRS: Koppelprodukt - koagulierbares Protein koag. Protein_Vorhersage [% FM] koag. Protein_Labor [% FM] 2. Ableitung RSQ = 0417 SEP = Für die Validierdaten gilt die Aussage zum Gesamtgehalt an Protein (Folie 16). Abschließend werden noch einige statistische Daten zum abgeschlossenen Forschungsvorhaben (siehe Folie 1) gegeben wobei im ersten Jahr 673 Muster im zweiten Jahr 513 Muster und im dritten Jahr 503 Muster untersucht worden sind. Folie 18 Stärkequalität: Jahreseinflüsse Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3 Mittelw. min. max. Mittelw. min. max. Mittelw. min. max. ST_Labor PHOS T_Verkleist RVA_max RVA_Diff PROT_koag PROT_ges