Eine abgeerntete Paprika-Pflanze ist bis zu drei Meter groß. Aus dieser umfangreichen Biomasse lassen sich in einer Bioraffinerie Basischemikalien wie verschiedene Zucker oder Polyphenole gewinnen. Doch in einem Zwischenschritt lässt sich noch weit mehr aus der Pflanze herausholen: Wertvolle bioaktive Substanzen stehen dabei im Fokus. Unter dem Dach der Förderinitiative „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ des BMBF strebt ein Forschungsprojekt eine Kaskadennutzung der Pflanze an.
Diese weitere Nutzung ist besonders nachhaltig und ressourcenschonend, denn wie die Wissenschaftlerin Anika Wiese-Klinkenberg erklärt: „Wir haben die Pflanze für das Hauptprodukt Paprikafrucht bereits im Gewächshaus aufgezogen, sie gegen Schädlinge geschützt und ernährt“. Die Pflanzenphysiologin am Forschungszentrum Jülich entwickelt mit Kollegen der RWTH Aachen und der Universität Bonn Technologien, um zusätzlich auch die Blätter und Stängel der Pflanze zu verwerten.
Interessante Stoffe für Medizin und Kosmetik
Die Pflanzenphysiologin will dabei sogenannte sekundäre Pflanzenstoffe gewinnen. Die Wissenschaft kennt rund 100.000 dieser Sekundärmetabolite. Vielfach handelt es sich um Farb-, Duft- und Aromastoffe, aber auch Gift- und Bitterstoffe, die nur in bestimmten Organismen, Geweben oder Zellen vorkommen. Anders als Primärmetabolite sind sie nicht zwingend für das Wachstum und Überleben erforderlich. „Sie dienen der Interaktion mit der Umwelt“, erklärt Alexandra Wormit, die Projektkoordinatorin von der RWTH Aachen. Damit schützt sich die Pflanze vor den Auswirkungen von Umweltstressen, und wehrt zum Beispiel Schädlinge ab oder lockt nützliche Insekten an.
Derzeit sieht man vor allem für zwei sekundäre Pflanzenstoffe wirtschaftliches Potenzial: das Flavonoid Cynarosid und Graveobiosid A. Cynarosid, auch als Inhaltsstoff von Artischockenblättern bekannt, ist für die Kosmetik-, Lebensmittel- und pharmazeutische Industrie von Interesse. Graveobiosid A wirkt gegen einen Pflanzenschädling, die Florida-Minierfliege. „Die Forschung arbeitet an diesen Stoffen“, betont Wormit. Im Verbundprojekt TaReCa wollen die Forscherinnen und Forscher der RWTH Aachen, des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bonn die interessanten Substanzen gewinnen.
TaReCa steht für "Maßschneidern des Sekundärmetabolismus in gartenbaulicher Restbiomasse und Kaskadennutzung für eine ressourceneffiziente Produktion von wertvollen bioaktiven Substanzen“. Das Verbundvorhaben ging im November 2017 an den Start, vorerst für drei Jahre, wobei das BMBF insgesamt eine Fördersumme von mehr als 1,2 Mio. Euro bereitstellt. Eine zweite Förderphase wurde beantragt.
So ist die Wertschöpfungskette im Projekt TaReCa aufgebaut.
Salz und Kälte verstärken die Produktion
In einem ersten Schritt geht es nun darum, die Produktion der wertvollen Stoffe zu erhöhen. Man weiß, dass Stress wie etwa Trockenheit oder Schädlingsbefall bei Pflanzen mehr Sekundärmetabolite entstehen lassen. Wiese-Klinkenberg und ihr Team konnten herausfinden, dass Paprikapflanzen besonders empfindlich auf Salz und Kälte reagieren. So könnte es sich nutzen lassen, dass es im Herbst in den Gewächshäuer natürlicherweise kälter wird. Die Wissenschaftler ermittelten Bedingungen, unter denen junge Pflanzen bis zu 20-mal mehr der wertvollen Inhaltsstoffe Cynarosid und bis zu 3-mal mehr Graveobiosid A bilden. Für diese Versuche eignen sich insbesondere Gewächshäuser, in denen Paprika üblicherweise wächst. Sie gewähren konstante Bedingungen, der Anbau erfolgt in Substraten mit Nährlösung. „So können wir Ernährung und Salzgehalt schön manipulieren“, sagt die Pflanzenforscherin Wiese-Klinkenberg.
Nach den Stressbehandlungen phänotypisieren die Forscherinnen und Forscher die Pflanzen, das heißt sie ermitteln im Hochdurchsatz etwa Wachstum, Farbe und Form der Pflanzen. Mit Hilfe von Omics-Technologien analysieren sie zudem Veränderungen des Stoffwechsels. Dem TaReCa-Verbund genügt es nicht, lediglich viel an den wertvollen Substanzen in der Paprika-Pflanze entstehen zu lassen. Die Wissenschaftler entwickeln auch Verfahren für eine anschließende umweltfreundliche und wirtschaftliche Extraktion und Aufreinigung. Zudem untersuchen sie, wie das restliche Pflanzenmaterial in einer Bioraffinerie noch genutzt werden kann. „Dies könnte alles zusammen in einer Bioraffinerie stattfinden, erklärt Wormit. Im Verbund sind auch Verfahrenschemiker mit im Boot, neben vielen anderen Experten wie Pflanzenforschern, Gartenbauern oder Wirtschaftswissenschaftlern.
Neue Einkommensquelle für Gemüsebauer
Gerade die Zusammenarbeit mit einem Industriebeirat gewährleistet eine marktorientierte Erforschung und Entwicklung der Kaskadennutzung von Paprika. Gemeinsam analysieren sie auch zusätzlich identifizierte, stress-induzierte Metabolite hinsichtlich ihres Marktpotenzials. „Die Ökonomen schauen sich grundlegende Prozesse an“, sagt Wiese. „Stünden Produzenten bereit, wären dann Konsumenten bereit, 10 Cent mehr für ein Produkt zu bezahlen?“ Denn der TaReCa-Verbund hat auch den Verbraucher im Blick, ihn wolle man mitnehmen.
Profitieren könnte am Ende auch der Gemüsebauer von einem effizienten Verfahren und einer konstanten Nachfrage: Er verkauft nicht nur die Frucht, sondern auch die Zusatzstoffe. „Derzeit wird viel Restmasse in Holland kompostiert – der Landwirt muss bezahlen“, beschreibt Wiese-Klinkenberg den Nutzen. Die Wertschöpfungskette wird so erweitert, ein wirtschaftlicher Mehrwert generiert und eine wertvolle Substanz ressourcenschonend produziert – ein Beispiel für gelungene Bioökonomie. Das muss sich nicht auf die Paprika beschränken. Langfristig wolle man die neuen Verfahren und Technologien auf andere Gartenbaupflanzen, die in großen Mengen angebaut werden anwenden, so Wiese-Klinkenberg. Ihr nächster Favorit ist die Salatgurke.
Die Pflanzenforscherin untersucht auch Wildarten der Paprika: Diese besitzen noch Resistenzen und bilden andere Metabolite“. Diese Entdeckungen könnte man eines Tages in die Kulturpflanzen hinein züchten und so widerstandsfähige Sorten für eine nachhaltige und effiziente Bioökonomie züchten.
Autorin: Ulrike Roll
