Abstract
Pflanzen produzieren Zucker und Sauerstoff in einem Prozess namens Photosynthese, indem sie Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid verwenden. Dies ist ein wichtiger Prozess auf der Erde, da er Kohlendioxid aus der Luft entfernt und uns Nahrung liefert. Die Photosynthese findet in kleinen Kompartimenten innerhalb der Pflanzenzellen statt, den sogenannten Chloroplasten. In einem zweistufigen Prozess gewinnen Pflanzen chemische Energie aus Sonnenlicht. Die gesammelte Energie wird in einer zweiten Reaktion zur Herstellung der Zuckerglukose verwendet. Glukose wird mit Fruktose, Fruchtzucker, zu Saccharose, unserem bekannten Haushaltszucker, kombiniert. Zuckerrüben brauchen ~ 7 Monate, um zu wachsen und liefern ~ 32% der weltweiten Tafelzuckerproduktion. Während sie wachsen, müssen sie vor Unkraut und Krankheiten geschützt werden. Sobald sie ausreichend gewachsen sind, können die Zuckerrüben geerntet und in einer Zuckerfabrik zu Haushaltszucker verarbeitet werden.
Zucker wird von Pflanzen produziert
Ein Dessert nach dem Mittagessen oder Schokolade von unseren Großeltern bringt uns zum Lächeln. Dies liegt daran, dass unser Gehirn eine der Zutaten in diesen süßen Lebensmitteln verlangt. Wir sprechen über Haushaltszucker, der auch Saccharose genannt wird. Saccharose wird aus zwei einfacheren Zuckern hergestellt: Glucose und Fructose. Aber woher kommt Glukose? Im Gegensatz zu Menschen und anderen Tieren können Pflanzen Glukose durch einen als Photosynthese bekannten Prozess produzieren. Die grünen Pflanzenteile nutzen Sonnenlicht, Wasser und das Gas Kohlendioxid aus der Luft, um Glukose und Sauerstoff zu produzieren. Dabei produzieren die Pflanzen Energie und sorgen dafür, dass wir frische, sauerstoffreiche Luft atmen können. Aber wie profitieren Pflanzen selbst von der Photosynthese und der Produktion von Glukose? Glukose kann als chemischer Baustein und als Energielieferant genutzt werden. Pflanzen verwenden Glukose, um zu leben und zu wachsen. Für Pflanzen und Menschen ist Glukose wie der Treibstoff für eine Maschine.
Pflanzen produzieren Zucker in ihren Blättern, aber diese Blätter schmecken nicht süß. Das liegt daran, dass der Zucker nicht in den Blättern verbleibt. Pflanzen verwenden Zucker, um zu wachsen, und es kann auch zu den Wurzeln, Samen, Stielen oder Früchten zur Lagerung transportiert werden. Wir haben bereits gelernt, dass Zucker als einfacher Zucker, wie Glucose oder Fructose, oder als Doppelzucker, wie Saccharose, existieren kann. Es gibt aber auch Zucker, in denen Tausende von Zuckermolekülen zu einer enormen Einheit verbunden sind, wie Stärke. All diese verschiedenen Zucker sind eine Art von Nährstoffen, die Kohlenhydrate genannt werden (Tabelle 1).
- Tabelle 1 – Einige Formen von Kohlenhydraten in Pflanzen.
Viele Pflanzen speichern ihren Zucker in Form von Stärke, wie Kartoffeln. Andere speichern Zucker in Form von Fruktose oder Glukose in ihren Früchten, wie Äpfel und Orangen. Einige Pflanzen speichern hohe Konzentrationen von Saccharose. Für den Haushaltszucker, aus dem wir unsere köstlichen Süßigkeiten herstellen, werden Pflanzen mit hohem Saccharosegehalt angebaut. Weltweit sind Zuckerrüben und Zuckerrohr die Hauptkulturen, die Zucker produzieren. Zuckerrohr benötigt warme Temperaturen (25-30 ° C), um zu wachsen, daher wird diese Kultur in subtropischen und tropischen Regionen wie Brasilien und Indien angebaut. Heute sind Zuckerrüben die Hauptfrucht für die Zuckerproduktion in gemäßigten Klimazonen (15-25 ° C), insbesondere in West-, Mittel- und Osteuropa sowie in den Vereinigten Staaten, China und Japan.
Licht, Kohlendioxid und Wasser: Die Energie- und Süßstoffquellen
Für die Photosynthese sind die grünen Pflanzenteile wichtig. Blätter sind grün, weil sie Strukturen namens Chloroplasten enthalten, die ein grünes Pigment namens Chlorophyll haben (Abbildung 1). Die Photosynthese hat zwei Hauptschritte. Im ersten Schritt scheint Sonnenlicht auf die Blätter und die Lichtenergie wird durch das Chlorophyll in den Chloroplasten gesammelt. Die gesammelte Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt und in energiespeichernden Molekülen gespeichert. Während dieses Prozesses entsteht auch Sauerstoff, der von den Pflanzen freigesetzt wird . Im zweiten Schritt der Photosynthese gelangt Kohlendioxid aus der Luft durch sehr kleine Öffnungen in die Blätter. Mit der zuvor gespeicherten chemischen Energie wandeln die Chloroplasten Kohlendioxid in Glukose um . Fructose wird auch während dieses Schrittes produziert. Glucose wird dann mit Fructose zu Saccharose kombiniert.
- Abbildung 1 – Eine vereinfachte Darstellung der Photosynthese.
- In den Chloroplasten der Blätter werden Licht, Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) in Energie und Zucker (Glucose) umgewandelt. Mit Wasser wird Sonnenlicht in den Pflanzenzellen in energiespeichernde Moleküle umgewandelt. Die Energie aus diesen Molekülen wird dann verwendet, um Glukose aus CO2 zu erzeugen.
Was ist eine Zuckerrübe?
Menschen haben immer Substanzen gefunden, um Lebensmittel zu versüßen. Aber in kühlen Klimazonen war Zucker viele Jahre lang ein Luxusprodukt. 1747 entdeckte der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Marggraf, dass Rüben den gleichen Zucker wie Zuckerrohr produzieren. Sein Schüler entwickelte ein technisches Verfahren, um den Zucker aus Rüben zu extrahieren. Die erste Zuckerfabrik wurde 1802 in Betrieb genommen. Bald wurden viele Zuckerfabriken in ganz Europa gebaut.
Die Zuckerrübenpflanze (lateinisch Beta vulgaris) hat hellgrüne Blätter in einem Rosettenmuster und eine kegelförmige, weiße, fleischige Wurzel (Abbildung 2). Die Rübenwurzel ist das Speicherorgan, das 75% Wasser, ~ 20% Zucker und Strukturkomponenten enthält, die als Fruchtfleisch bezeichnet werden.
- Abbildung 2 – Voll entwickelte Zuckerrübenanlage.
- Der unterirdische Teil ist das Speicherorgan, die Pfahlwurzel, die haarige Wurzeln hat, um Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Der oberirdische Teil besteht aus dem Laub, das zahlreiche Blätter enthält, die in einem rosettenartigen Muster angeordnet sind.
Anbau von Zuckerrüben
Der Anbau von Kulturpflanzen mag einfach aussehen, aber dies ist nicht der Fall, wenn Sie Kulturpflanzen anbauen möchten, die groß genug sind, um viele Menschen zu ernähren. Schauen wir uns an, wie Zuckerrüben angebaut werden (Abbildung 3). Unsere Reise beginnt mit dem Zuckerrübensamen. Die Samen werden ausgesät, sobald sich der Boden erwärmt hat, normalerweise im März/April. Ein Zuckerrübensamen entwickelt sich natürlich zu vielen Pflanzen. Bis in die 1970er Jahre mussten die unnötigen Pflanzen von Hand entfernt werden, damit die Rüben nicht zu voll waren, was eine anstrengende und zeitaufwändige Arbeit war. Dann hatten Pflanzenzüchter einen Durchbruch und führten Samen ein, die nur einen einzigen Sämling produzierten. Saatgutzüchter, die Zuckerrübensamen herstellen, beschichten die Samen mit Pestiziden, die die Sämlinge vor Krankheiten und Schädlingen schützen. Der überzogene Zuckerrübensamen wird die Pille genannt, und die Pillen haben häufig verschiedene Farben abhängig von dem Züchter (Abbildung 3A).
- Abbildung 3 – Zuckerrübenanbau.
- (A) Im Frühjahr werden Zuckerrübensamen (hier als Pillen dargestellt, bei denen es sich hauptsächlich um Samen handelt, die mit Substanzen beschichtet sind, um den Sämling vor Krankheiten und Schädlingen zu schützen) in einer Reihe ausgesät. (B, C) Junge Zuckerrübensämlinge entstehen und wachsen. (D) Wenn sich neun oder mehr Blätter entfaltet haben, bildet sich eine Pfahlwurzel und wächst unterirdisch, um den Zucker zu speichern. Während dieser „Wachstumsphase“ müssen vor allem Pilzparasiten bekämpft werden, die die Photosynthese hemmen können. E) In West- und Mitteleuropa werden die Rüben ab September geerntet. (F) Rüben werden als Stapel gelagert, der als Klemme an der Feldgrenze bezeichnet wird, bis sie zur Zuckergewinnung in eine Fabrik gebracht werden. Unten sehen Sie die Schritte des Zuckerrübenanbaus für die Zuckerproduktion und die Zeitspanne, die wirklich wichtig ist, um Zuckerrüben vor Unkraut, Insekten und Pilzparasiten zu schützen.
Wenn die Samen keimen, entstehen kleine Wurzeln und zwei Samenblätter, sogenannte Keimblätter (Abbildung 3B). Ab diesem Zeitpunkt muss die junge Zuckerrübenpflanze vor Unkraut geschützt werden, da Unkraut um Sonnenlicht und Bodennährstoffe konkurriert. Landwirte können das Unkraut mit einer Hacke kontrollieren oder Herbizide verwenden, bei denen es sich um Chemikalien handelt, die das Unkraut abtöten. Wenn der Landwirt das Unkraut nicht kontrolliert, werden die kleinen Rüben überholt und der Ernteertrag kann um bis zu 80% reduziert werden . Rüben müssen nicht nur gegen konkurrierende Unkräuter kämpfen. Sie werden auch von Insekten befallen. Rübenangreifende Insekten können in zwei Gruppen eingeteilt werden: solche, die die Pflanze direkt schädigen, und solche, die Viruserkrankungen übertragen. Die grüne Pfirsichblattlaus (Myzus persicae) kann beispielsweise ein Virus übertragen, das eine Gelbfärbung der Zuckerrübenblätter verursacht, was die Photosynthese hemmt und die Zuckerproduktion verringert.
Rüben müssen vor Pilzkrankheiten geschützt werden
Nachdem die Zuckerrübe neun oder mehr Blätter entwickelt hat, bildet sich das „Rüben“ – oder unterirdische Speicherorgan. In den Blättern produzierte Saccharose wird in der Rübe gespeichert. Je sonniger der Sommer, desto mehr Zucker kann durch Photosynthese produziert werden. Während dieser Zeit müssen die Blätter vor Pilzkrankheiten geschützt werden, da nur gesunde Blätter Photosynthese betreiben können. Die am weitesten verbreitete und zerstörerischste Krankheit der Zuckerrübenblätter wird durch einen Pilz mit dem lateinischen Namen Cercospora beticola verursacht. Zunächst sind nur kleine kreisförmige dunkle Flecken mit rötlichem Rand sichtbar, aber der Pilz produziert eine giftige Substanz, die das Blattgewebe zerstört und große Flächen oder sogar ganze Blätter abtötet. Der Pilz nutzt das abgestorbene Gewebe als Nahrungsquelle . Die Krankheit kann reduziert werden, indem Zuckerrüben nur alle 3 Jahre angebaut und in den Jahren dazwischen andere Pflanzen wie Getreide angebaut werden . Diese Technik wird Fruchtfolge genannt. Landwirte können auch neue Cercospora-tolerante Zuckerrübensorten verwenden, die die Krankheit besser vertragen . Wenn der Pilz die Zuckerrüben bereits stark befallen hat, können Fungizide, also chemische Substanzen, die Pflanzen vor Pilzbefall schützen, auf die Pflanzen gesprüht werden. Forscher untersuchen neue Technologien, um den Einsatz von Fungiziden zu reduzieren. Durch den Einsatz spezieller Kameras und Computersysteme können die Pflanzenkrankheiten beispielsweise viel früher vorhergesagt werden als mit bloßem Auge, und Landwirte können Fungizide gezielter einsetzen . Dies ist auch wichtig, um Nutztiere zu schützen, die auf Zuckerrübenfeldern einen Lebensraum haben, wie den Peewit, andere am Boden nistende Vögel, Hasen oder Kaninchen und Insekten wie Käfer wie den Marienkäfer. Die Zuckerrübe blüht jedoch nicht, wenn sie für die Zuckerproduktion angebaut wird, daher sind Zuckerrübenfelder für Honig-, Wild- oder Hummeln nicht attraktiv.
Ernte und Gewinnung des Zuckers
Im Herbst, wenn die Pflanzen fertig sind, beginnt die Zuckerrübenernte. Die Blätter der Zuckerrüben werden entfernt und die Rüben werden von Rübenerntemaschinen, von denen viele sechs Reihen gleichzeitig ernten können, aus dem Boden gehoben (Abbildung 3E). Die Blätter bleiben als natürlicher Dünger auf dem Feld. Die Zuckerrüben werden in einem Stapel gesammelt, der als Rübenklemme bezeichnet wird (Abbildung 3F), wo sie auf die Verarbeitung warten. Die Zuckerrüben werden nach und nach geerntet und zu Fabriken transportiert, so dass die Fabriken in dieser Zeit kontinuierlich Zuckerrüben aufnehmen und verarbeiten können. In den Fabriken wird Zucker aus den Rüben mit Wasser, Kalk, Hitze und physikalischem Wissen gewonnen. Im Durchschnitt werden sechs bis sieben Zuckerrüben benötigt, um 1 kg Zucker (~ 2,2 lbs) zu produzieren, was einer Anbaufläche von etwa 1 m2 entspricht.
Heute werden nahezu alle Bestandteile der Zuckerrübenpflanzen in einem nachhaltigen, geschlossenen Kreislauf genutzt. Neben Zucker werden aus Zuckerrüben auch Futtermittel, Bioethanol und Biogas hergestellt.
Was haben wir gelernt?
In diesem Artikel haben Sie viel über Zuckerrüben gelernt: Wie sie wachsen, wie sie Zucker produzieren, mit welchen Schädlingen und Krankheiten sie konfrontiert sind und wie sie geerntet werden. Der Zuckerrübenanbau ist äußerst wichtig, da er ~ 32% der weltweiten Tafelzuckerproduktion ausmacht und die einzige Saccharose-Ernte ist, die in gemäßigten Regionen angebaut werden kann.
Glossar
Photosynthese: Der Prozess, mit dem grüne Pflanzen aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid Energie in Form von Zucker erzeugen.
Chloroplasten: Kleine Strukturen in Blättern, die die Photosynthese durchführen.
Chlorophyll: Pigmente in Chloroplasten, die die Lichtenergie des Sonnenlichts absorbieren.
Pestizide: Substanzen zum Schutz von Pflanzen vor Unkraut, Pilzpathogenen und Schädlingen.
Pille: Zuckerrübensamen, der mit einer Schicht verschiedener Substanzen überzogen ist, hauptsächlich um den Sämling vor Krankheiten und Schädlingen zu schützen.
Keimblatt: Die ersten beiden Blätter, die nach der Aussaat aus dem Samen austreten.
Rübenklemme: Haufen gesammelter und gereinigter Zuckerrüben, ohne Blätter, normalerweise am Feldrand.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
Danksagung
Die Autoren danken Maximilian Müllender für das sorgfältige Korrekturlesen des Manuskripts und die hilfreichen Kommentare.
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