Nutzpflanzen. Vorlesung Bickel SoSe 2008 Teil 1: Inhaltsstoffe aus Algen

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1 Nutzpflanzen Vorlesung Bickel SoSe 2008 Teil 1: Inhaltsstoffe aus Algen

2 Die Vorlesung gehört zum Modul Mikroskopische Analyse von Nahrungs- und Genussmitteln (Schuster) und befasst sich mit den folgenden Lehrinhalten: 1. Phycokolloide aus Rot- und Braunalgen 2. Senfölglycoside in Brassicaceen 3. Inulin liefernde Pflanzen 4. Farbstoffe aus Pflanzen 5. Etherische Öle aus Gewürz- und Arzneipflanzen 6. Kautschuk und andere Isoprenoide 7. Genussmittelpflanzen (Coffein) 8. Chemische Fallen: Alliaceae 9. Cyanogene Glycoside 10. Alkaloide und Herzglycoside Berücksichtigt werden: Einordnung in das Pflanzenreich, spezielle Botanik der angesprochenen Pflanzen, Züchtung, Pflanzenkultur und Biotechnologie, Biosynthese, Biochemie und Gewinnung der Inhaltsstoffe, Anwendungen, Toxikologie und Pharmakologie, Geschichte der Nutzpflanzen Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 2

3 Kommerzielle Nutzung von Algen Algen als Nahrungsmittel (Japan, China, Korea) Sushi Nori Kombu Wakame Algen als Düngemittel und Tierfutter Algen als Lieferanten für Phycokolloide (Hydrokolloide) Agarophyten Carraghenophyten Alginsäureliefeanten Historische Nutzung von Algen Nahrungsmittel Iodgewinnung Pottasche und Soda f. Glasindustrie 3

4 Thallophyten = Lagerpflanzen (Algen, Pilze, Flechten) Rotalgen bilden Fadenthalli oder Flechtthalli: Bei höher organisiertem Aussehen sind die Fäden verwachsen und verklebt, es gibt keine echten Gewebe, sondern Scheingewebe (Pseudoparenchym). Thallus, Thalli Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 4

5 Organisationstypen der Rotalgen z. B. bei Furcellaria fastigiata, Die äußere Zellschicht schließt sich zu einer festen Rinde zusammen Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 5

6 Gewebethalli Marine Braunalgen besitzen Gewebethalli: Es ist differenziert in Rinden-, Mark- und Abschlussgewebe. Braunalgen sind meist in Phylloid, Cauloid und Rhizoid aufgegliedert. Rhizoide wachsen am Substrat fest Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 6

7 Algen als Nahrungsmittel Porphyra tenera, P. haitanensis, P. yezoensis (Bangiophyceae, Rhodophyta) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 7

8 Heteromorpher Generationswechsel mit zwei Phasen: Sporophyt: Conchocelis-Phase (2n) Gametophyt: Porphyra-Phase (n) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 8

9 Heteromorpher Generationswechsel von Porphyra (nach Esser) Oogametogamie (monözisch) 1 Meio-Aplanosporen 2 Gametophyt (Porphyraphase, n) 3 Mito-Aplanosporen 4 Antheridien 5 Oogonien 6 Spermatien 7 Oogametogamie 8 Zygoten 9 Karposporen 10 Conchocelisphase (Sporophyt, 2n) 11 Mito-Aplanosporen 1 Meio-Aplanosporen oberer Teil der Thalli männlich, unterer weiblich Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 9

10 Porphyra-Züchtung: Netze Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 10

11 Porphyra-Züchtung: Ernte Verpackung Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 11

12 Japanische Algenprodukte Rotalgen: Sushi: Mit Porphyrablättern umhüllte Reisrollen Nori (chin. Zicai): getrocknete und zerkleinerte Porphyrablätter (für Chips, Reisgebäck, Sushi) Braunalgen: Kombu, Haidai: Gemüse, aus Laminaria angustata und L. japonica (Phaeophycea) Wakame: Suppeneinlagen aus Undaria pinnatifida Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 12

13 Sushi Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 13

14 Braunalgen Laminaria japonica, L. angustata, Undaria pinnatifida Alaria esculenta (Laminariales, Heterokontophyta) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 14

15 Alaria und Undaria Alaria und Undaria erkennt man an den Mittelrippen. Sie tragen im unteren Bereich Sporophylle und eine Haftkralle am Fußende. Aus dem meristematischen Teil zwischen Sporophyllen und Phylloid entsteht das neue Blatt Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 15

16 Alaria Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 16

17 Phycokolloide (Hydrokolloide) Agar-Agar aus Rotalgen (E 406) Carrageenane aus Rotalgen (E 407) Alginate aus Braunalgen (E 400) Ein Phycokolloid liegt in den Algen als amorpher Zellwandbestandteil vor, darin eingebettet liegen Fibrillen aus Cellulose oder Xylose und Mannose-Ketten Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 17

18 Phycokolloidliefernde Algen Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 18

19 Agarophyten: Gigartinales, Florideophyceae, Rhodophyta Gracilaria gracilis Gracilaria Gelidium Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 19

20 Gewinnung von Agar 1. Algen + H 2 O ph 5-6, 130, Druck 2. Filtration des wässrigen Extrakts 3. Ausfrieren (Durch Abkühlung werden Stoffe aus einem flüssigen Gemisch abgetrennt. Dadurch scheiden sich einzelne Bestandteile in fester Form ab) 4. Gallertigen Rückstand bleichen und trocknen 5. Agarstreifen oder Flocken mahlen Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 20

21 Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 21

22 Struktur des Agars Agar besteht aus den Bausteinen D-Galactose und 3,6-Anhydro-L-Galactose, Diese sind alternierend α-1,3 und β-1,4 verknüpft. Robert Koch hat den Agar 1880 als Nährboden für die Mikrobiologie eingeführt Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 22

23 Strukturformel Agar: 3,6-Anhydrogalactose D-Galactose Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 23

24 Phycokolloidliefernde Algen Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 24

25 Carrageenophyten: Chondrus crispus, Florideophyceae, Rhodophyta Knorpeltang (engl. irish moss, ir. carragheen) Eucheuma spp., Gigartina spp, Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 25

26 Chondrus crispus Dichotome Verzweigung Zweig mit tetrasporangialen Sori Haftscheibe In den Tetrasporangien erfolgt die Meiose, Sporophyt und Gametophyt sind gleich. Chondrus hat einen isomorphen, diplohaplonten Generationswechsel Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 26

27 Kalt-gemäßigte Zone (amphiatlantisch) Vorkommen von Chondrus crispus Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 27

28 Carrageenane = sulfatierte Galaktane Besteht aus: D-Galaktose und 3,6-Anhydro-D- Galaktose Beide können mit Sulfat verestert sein. MG: Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 28

29 Carrageenane: Löslichkeit Abhängig vom Kation! κ, ι: K- u. Ca- Salze sind bei löslich λ: alle Na-Salze in Kaltwasser löslich Gelbildung durch spiralförmig ausgebildete Bereiche von zwei Polymerfäden bilden Helices Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 29

30 Gewinnung: (heißwasserlöslich und unlöslich in Alkohol) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 30

31 Gewinnung 2: Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 31

32 Verwendung Appreturmittel (Textilindustrie) Zusätze zu Kakao und Milch (schwache Gelbildung, 0,02% reichen aus!) Stabilisator für Bierschaum, Eiscrem, Milchprodukte Schlankheitsgetränke Zahnpasta, Pharma-Produkte C. Kann Magengeschwüre hervorrufen. Es setzt die Resorption wichtiger Spurenelemente herab Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 32

33 Braunalgen (Heterokontophyta): Alginsäurelieferanten Ascophyllum nodosum (oben) und Fucus serratus (rechts), Fucales Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 33

34 Braunalgen (Heterokontophyta) A Laminaria japonica B L. hyperborea C Nereocystis luetkeana D Lessonia flavicans E Macrocystis pyrifera Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 34

35 Braunalgen (Heterokontophyta) Laminaria hyperborea (Großbritannien) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 35

36 Braunalgen (Heterokontophyta) Laminaria hyperborea (Großbritannien) Hapteren (Haftkrallen) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 36

37 Generationswechsel von Laminaria 1 Meio-Planosporen (beweglich) 2 männl. Gametophyt 3 weibl. Gametophyt 4 Antheridien 5 Oogonium 6 Spermatozoiden 7 Eizelle 8 Aplanozygote 9, 10 Sporophyt 11 Meiosporangien 1 Meio-Planosporen Diözischer, heteromorper Generationswechsel Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 37

38 Lockstoff (Pheromon) Weitere Signalsubstanzen: Lamoxiren ist ein weibliches Pheromon. Es bewirkt die Freisetzung der Spermatozoiden aus dem Antheridium Abkömmlinge ungesättigter Fettsäuren (z.b. Linolensäure) Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 38

39 Alginate Mannuronsäure-Blöcke wechseln mit Guluronsäure- Blöcken ab, dazwischen auch gemischte Blöcke. Modell der Gelbildung: Das Eggbox-Modell Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 39

40 Alginatgewinnung Extraktion mit Alkali und Reinigung des Extrakts: Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 40

41 Alginatgewinnung 2 Nach Fällung mit Hilfe von Ca-Ionen oder mit Säure erhält man reines Algin; nach nochmaliger Behandlung mit Alkali gewinnt man das wasserlösliche Alginat: Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 41

42 Laminaria-Kulturen 2002: 10 Mio Tonnen! China besitzt die weltweit größte Laminariakultur Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 42

43 Braunalgen- (Kelp-) Kulturen Zoosporen Nebel- oder Sprühverfahren: Die Sporophyten werden mit Wasser besprüht oder eingenebelt Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 43

44 Braunalgen- (Kelp-) Kulturen Im Herbst werden die Netze mit den Pflänzchen in Meerwasser überführt Laminaria wächst in der kaltgemäßigten Zone, sie verträgt nicht mehr als 20 C. Die Netze müssen im Sommer in Kühlhäusern gelagert werden Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 44

45 Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 45

46 Algen als Düngemittel Lithothamnium coralloides, Phymatholithon calcarium (Corallinales, Rhodophyta; Krustenkalkalgen) Maerl an der Bretagne-Küste Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 46

47 Historisches 17. Jhdt.: Produktion von Pottasche und Soda für die Seifenund Glasindustrie aus Blasentangen (Laminariales, Fucales) bis 1810 Soda nach dem LeBlanc-Verfahren hergestellt wurde. Ab 1811 Algenernte zur Jodgewinnung (Courtois) bis 20. Jhdt.: Chile-Salpeter zur Jodgewinnung Ab 20. Jhdt: Gewinnung von Phycokolloiden bis heute Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 47

48 Riesentang - Nereocystis Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 48

49 Riesentang - Macrocystis Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 49

50 Riesentang (Kelp) Ernte Vorlesung Nutzpflanzen Bickel 50