Ziel der Entwicklung

Logo: MALDI-TOF Massenspektren von je einer Weizensorte aus den vier verschiedenen Qualitätsgruppen (von oben nach unten: E - Emerick, C - Sverre, B - Talent, A - Reform) © Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei in Berlin (VLB) e.V.
MALDI-TOF Massenspektren von je einer Weizensorte aus den vier verschiedenen Qualitätsgruppen (von oben nach unten: E - Emerick, C - Sverre, B - Talent, A - Reform) © Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei in Berlin (VLB) e.V.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Etablierung und Validierung eines kostengünstigen und zuverlässigen Hochdurchsatz-Messverfahrens auf Basis der MALDI-TOF-MS zur Bestimmung der Backqualität von Weizen-Genotypen in der Routineanalytik. Ein reproduzierbares und multivariates Vorhersagemodell der Backeigenschaften auf Basis der generierten Massenspektren sollte dabei eine schnelle und einfache Zuordnung der Weizensorten in Qualitätsgruppen ermöglichen und somit eine echte Alternative zu bisher angewandten Verfahren zur Beurteilung der Proteinqualität mittels der vom Handling recht aufwendigen Gelelektrophorese darstellen. Man unterscheidet bei den Qualitätsgruppen zwischen Eliteweizen (E-Gruppe), Qualitäts- oder Aufmischweizen (A-Gruppe), Brotweizen (B-Gruppe) sowie sonstigem Weizen (C-Gruppe) (Bundessortenamt, 2017).

Vorteile und Lösungen

Elementare Bestandteile der Methodenentwicklung stellten die Etablierung eines reproduzierbaren Extraktionsverfahrens sowie einer geeigneten Messmethode dar. Beide Arbeitsschritte beeinflussen wesentlich die Qualität der generierten Massenspektren und entscheiden somit über die Güte des späteren Vorhersagemodells. Eine wichtige Voraussetzung für eine spätere Bestimmung der Qualitätsgruppen von Weizensorten ist, dass die relevanten Proteinfraktionen während des Extraktionsprozesses in ausreichender Menge und Qualität aus der Pflanzenmatrix herausgelöst werden, ohne jedoch in größerem Umfang Matrixbestandteile zu extrahieren, welche die anschließende MALDI-TOF-MS-Messung stören könnten. Des Weiteren ist durch eine gezielte Optimierung der Messparameter sicherzustellen, dass mit hoher Wiederholbarkeit spezifische Peakprofile der Extrakte generiert werden können, welche ausreichend charakteristische Merkmale aufweisen, um eine Unterscheidung der Qualitätsgruppen zu ermöglichen. Anhand des SIMCA-Verfahrens wurde im Rahmen eines Pilotprojekts unter Verwendung eines Datensatzes ausgewählter Referenzproben ein vorläufiges Vorhersagemodell entwickelt, welches eine grobe Klassifizierung der vier relevanten Qualitätsgruppen erlaubte. Aufgrund der hohen Ähnlichkeit der generierten Massenprofile zeigte das Modell jedoch eine starke Überlappung der einzelnen Gruppen, wodurch eine sichere Prognose unbekannter Weizenproben erschwert würde. Die gewonnenen Forschungserkenntnisse können aber als Grundlage für die Weiterentwicklung zu kommerziell verwertbaren Methoden genutzt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Weizen machte mit einer Erntemenge von zirka 24,5 Mio. Tonnen im Jahr 2017 mehr als die Hälfte der deutschen Getreideernte aus und ist somit die wichtigste Getreideart in Deutschland (Erntebericht 2017). Weichweizen (Triticum aestivum) stellt dabei die wirtschaftlich bedeutendste Weizenart dar und wird unter anderem zur Herstellung von Brot, Backwaren und Malz eingesetzt.
An Sorten zur Verwendung als Backweizen werden spezielle Anforderungen hinsichtlich der Qualitätseigenschaften gestellt, um unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit sowohl in der Mühle als auch im Backprozess eine optimale technologische Verarbeitung zur Erzielung hoher Gebäckqualitäten zu gewährleisten. Die Qualitätsbewertung erfolgt im Allgemeinen anhand ausgewählter analytischer Parameter zur indirekten oder direkten Bestimmung der Backeigenschaften und stellt einen relevanten Faktor für den späteren Marktpreis der jeweiligen Sorte dar. In Deutschland werden Weichweizensorten auf Basis dieser Ergebnisse in vier verschiedene Backqualitätsgruppen eingestuft. Die Zuordnung zu den jeweiligen Gruppen ist Bestandteil der Wertprüfung durch das Bundessortenamt zur Zulassung neuer Weizensorten.
Erste Informationen über die Backqualität einzelner Genotypen werden in der Pflanzenzüchtung aber bereits in einem frühen Zuchtstadium zur Auswahl geeigneter Weizensorten benötigt. Somit ist eine schnelle und einfache Methode zur Beurteilung der Proteinqualität von besonderer Bedeutung. Eine große Gruppe von Pflanzenzüchtern gehört zu den Kunden des Antragstellers. Somit würde eine, auf Basis der in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse, fertig entwickelte, kostengünstige und zuverlässige Hochdurchsatz- Analytikdienstleistung zur Bestimmung der Backqualität von Weizen-Genotypen das analytische Portfolio des Antragstellers in sinnvoller Weise ergänzen.