Die Forschung hat Klarheit in die seit langem bestehende Frage gebracht, wie sich Stärkekörner in den Samen von Triticeae-Pflanzen (Weizen, Gerste und Roggen) bilden, und so vielfältige potenzielle Vorteile für zahlreiche Industriezweige und die menschliche Gesundheit erschlossen.
Stärke in Weizen, Mais, Reis und Kartoffeln ist ein wichtiger energieliefernder Bestandteil unserer Ernährung und ein wichtiger Bestandteil in vielen industriellen Anwendungen, vom Brauen und Backen bis zur Herstellung von Papier, Leim, Textilien und Baumaterialien.
Stärkekörner verschiedener Kulturpflanzen variieren stark in Größe und Form. Weizenstärke (und die Stärke anderer Triticeae) weist eindeutig zwei verschiedene Arten von Körnchen auf: große Körnchen vom A-Typ und kleinere Körnchen vom B-Typ.
Das Verhältnis von A- und B-Typ-Granulat kann die Qualität von Lebensmitteln auf Weizenbasis wie Brot und Nudeln beeinflussen. Die beiden Granulattypen stellen auch ein Problem für die stärkeverarbeitende Industrie dar, da viele der kleineren Granulatkörnchen vom B-Typ beim Mahlprozess verloren gehen und daher verschwendet werden. Darüber hinaus können zu viele B-Stärkekörnchen in der Gerste zu einem trüben oder trüben Aussehen des Bieres führen, da sie während des Brauprozesses nicht verdaut und herausgefiltert werden.
Neue Forschungsergebnisse veröffentlicht in Die Pflanzenzelle In der Zeitschrift Dr. David Seung vom John Innes Center ist ein Durchbruch bei der Lösung dieses Problems gelungen.
Das Team nutzte genomische und experimentelle Techniken, um zu zeigen, dass A- und B-Typ-Granula durch zwei unterschiedliche Mechanismen gebildet werden.
Durch die Identifizierung eines Enzyms, das an der Initiierung von B-Typ-Granulat beteiligt ist, und durch die anschließende Entfernung dieses Proteins mithilfe herkömmlicher Pflanzenzüchtungstechniken konnten sie Weizen mit wenig oder gar keinem B-Granulat produzieren – ohne Einbußen bei der Pflanzenentwicklung und ohne Reduzierung der Gesamtstärke Inhalt.
In Ergänzung zu früheren Studien dieser Gruppe, die Aufschluss über die Form und Bildung von A-Typ-Körnchen gegeben haben, hat die Entdeckung erhebliche Auswirkungen, sagt der Erstautor der Studie, Dr. Nitin Uttam Kamble:
„Wir haben herausgefunden, dass das allgegenwärtige Enzym (PHS1) für die Bildung von B-Typ-Körnchen in Weizen entscheidend ist. Dies ist ein wissenschaftlicher Durchbruch, da jahrzehntelange Forschung zu diesem Enzym keine klare Rolle für PHS1 in Pflanzen finden konnte zeigt, dass sich die A- und B-Typ-Körner von Weizen über unterschiedliche biochemische Mechanismen bilden. Dieses Wissen können wir nun nutzen, um Variationen in der Stärke für verschiedene Lebensmittel- und Industrieanwendungen zu schaffen.“
Dr. David Seung, Gruppenleiter am John Innes Center, fügte hinzu: „Die Industrie mag im Allgemeinen keine Heterogenität; sie möchte etwas Schönes und Gleichmäßiges, das sich reibungslos verarbeiten lässt, und diese unterschiedlichen Arten von Stärkekörnchen im Weizen zu haben, war schon immer eine Herausforderung.“
„Wenn wir also das Enzym entdecken, das für die Bildung der kleineren Granulatpopulation verantwortlich ist, und unsere Züchtungsplattform nutzen können, um die Anzahl der B-Typ-Granulat zu reduzieren, wird dies hoffentlich für viele Industrieanwender von großem Interesse sein.“
„Zusammen mit unserer bisherigen Arbeit verfügen wir nun über eine Reihe verschiedener, neuartiger Weizenstärken, die sich in der Granulatmorphologie unterscheiden und unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. Wir laden nun Unternehmen ein, mit uns zusammenzuarbeiten, um die potenziellen Vorteile dieser Stärken zu untersuchen.“ , wie zum Beispiel beim Mahlen, Nudel- und Brotbacken.“
Stärke ist das wichtigste Nahrungskohlenhydrat in Lebensmitteln auf der ganzen Welt und besteht aus winzigen halbkristallinen Körnchen, die aus einfachen Zuckerketten bestehen. Bei Getreide bilden sich Stärkekörner im Endospermteil des Samens.
Als Rohstoff wird Stärke in Tapeten, Textilien, Baumaterialien, Pharmazeutika, Klebstoffen und Verdickungsmitteln verwendet.
Weizen und seine Verwandten machen mehr als ein Drittel der in der europäischen Industrie verwendeten Stärke aus. Kartoffel- und Maisstärke haben eine andere Zusammensetzung und Kornmorphologie als die Stärke der Triticeae.
Im Laufe der Jahre hat die Industrie den Aufwand für Wiederverwertungsmethoden aufgewendet, um das Problem von Mischungen aus großen A-Typ- und kleinen B-Typ-Granulatkörnern zu lösen, einschließlich der Verwendung mehrerer Filtrationen, um bei der Verarbeitung verloren gegangene Granulatkörner aufzufangen. Durch den Wegfall dieser Verarbeitungsschritte werden die Kosten gesenkt und die Produktleistung verbessert.
Zukünftige Forschungsschwerpunkte werden sein, wie sich die Größe der Körnchen auf die Verdaulichkeit der Stärke, die Kochqualität, den Nährwert und den Einfluss von Nahrungsstärke auf die menschliche Gesundheit auswirkt.
In der Industrie verwendete Stärke wird häufig mithilfe physikalischer und chemischer Methoden modifiziert, um die für die jeweilige Endanwendung erforderlichen spezifischen Eigenschaften zu erreichen. Durch die Möglichkeit, Stärke in Pflanzen zu modifizieren, können diese kostspieligen und oft umweltschädlichen Modifizierungsprozesse vermieden werden.
Zusätzlich zu den industriellen Vorteilen eröffnet die Klarheit darüber, wie Stärkekörner unterschiedlich initiiert werden, Türen zu einem besseren Verständnis der Rolle, die Stärke für die menschliche Ernährung und Gesundheit spielt.
Die Studie „Die Initiierung von B-Typ-Stärkekörnern im Weizenendosperm erfordert die plastidiale a-Glucan-Phosphorylase PHS1“ erscheint in Die Pflanzenzelle.
Mehr Informationen:
Nitin Uttam Kamble et al.: Die Initiierung von B-Typ-Stärkekörnchen im Weizenendosperm erfordert die plastidiale α-Glucan-Phosphorylase PHS1. Die Pflanzenzelle (2023). DOI: 10.1093/plcell/koad217