Metabolit-Profiling von Buchweizen – eine Schatzsuche

Der Echte Buchweizen (Fagopyrum esculentum Moench) gehört wie Rhabarber zur Familie der Knöterichgewächse (Polygonaceae). Die einjährigen Pflanzen werden bis zu 1,5 Meter hoch und tragen wechselständige, herzpfeilförmige Blätter. Sie wachsen rasch heran und blühen bereits nach vier bis fünf Wochen. Aus den weißen bis pinkfarbige Blüten gehen braune, schwarze oder marmorierte dreikantige, vier bis sechs Millimeter lange Nüsse (Achänen) hervor. Mit ca. 100 Tagen hat der Buchweizen eine kurze Vegetationszeit und ist ideal als Zwischenfrucht oder Zweitfrucht geeignet. In Europa wird er seit dem Mittelalter angebaut, mit der Einführung der Kartoffel und der Zunahme der Getreideproduktion ging sein Anbau auch in Deutschland stark zurück. Aktuell führende Buchweizenproduzenten sind China, Russland und Kasachstan (FAOSTAT 2024).                             

Der Buchweizen ist weder mit Buche noch mit Weizen verwandt. Sein Name leitet sich von der Ähnlichkeit seiner Fruchtform und -farbe mit Bucheckern sowie der Ähnlichkeit seines Mehlkörpers mit Weizenmehl ab. Er wird, wie Amarant und Quinoa, den Pseudogetreiden zugeordnet. Die Samen weisen hohe Gehalte an Stärke, Mineralien, Vitaminen und Ballaststoffen auf. Die Stärke aus Buchweizen  ist glutenfrei und daher gut geeignet für Menschen mit Gluten-Sensitivität oder Zöliakie. Sie enthält kein Klebereiweiß wie Weizen, Roggen oder Gerste und wird daher häufig in glutenfreien Backwaren und Nudeln verwendet. Insgesamt gelten Buchweizenprodukte als ernährungsphysiologisch besonders wertvoll und gewinnen zunehmend in funktionellen Lebensmitteln und Nutrazeutika an Bedeutung. Die Nachfrage auch in Deutschland wächst.

Die vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte BIMOTEC-Initiative zielt darauf ab, den Buchweizenanbau in Deutschland zu stärken. Dafür sollen optimierte Bedingungen für die Züchtung lokaler Sorten für die Zweitfruchtkultivierung geschaffen werden. Dies steigert nicht nur die Erträge für die Landwirte, sondern fördert auch die Agrobiodiversität.

Das Projekt untersucht über die Verwendung der Körner als Nahrungsmittel hinaus die Gewinnung wertvoller Pflanzenstoffe aus den Blättern, Stängeln und Spelzen der Restbiomasse. In einem interdisziplinären Ansatz befassen sich die BIMOTEC-Partner mit verschiedenen Aspekten, um die Buchweizenproduktion und -veredelung in Deutschland voranzubringen.
Angesichts des zunehmenden Interesses an Buchweizen als wertvolle, vielseitig einsetzbare Kulturpflanze in Deutschland spielt das Fraunhofer IME am Standort Münster eine entscheidende Rolle, indem es unter anderem umfassende Metabolit-Analysen von Blattmaterial aus fünfzig Buchweizensorten aus 20 verschiedenen Ländern durchführt. Das Metabolit-Profiling und die Suche nach wertvollen Sekundärmetaboliten sind wesentliche Schritte zur Identifizierung von Verbindungen mit bedeutendem industriellem Potenzial. Das Projekt zielt durch die Entdeckung und Nutzung dieser Metaboliten darauf ab, die Wirtschaftlichkeit des Buchweizenanbaus zu verbessern. Damit sollen die Bemühungen zur Wiederetablierung dieser Kulturpflanze in Deutschland unterstützt und ihr Potenzial im Einklang mit bioökonomischen Strategien voll ausgeschöpft werden.

Erste Ergebnisse

Buchweizen besitzt ein einzigartiges Metabolitenprofil mit hohen Anteilen an Flavonoiden, Phenolsäuren und Aminosäuren sowie weiteren wertvollen sekundären Pflanzenstoffen, nicht nur in seinen Körnern, sondern auch in der verbleibenden Biomasse, darunter Blätter, Stängel und Spelzen.

Die Forschenden etablierten zunächst ein robustes Verfahren zur Probennahme und -vorbereitung (Konservierung, Homogenisierung, Extraktion), das als »All-in-one« Protokoll für mehrere Massenspektrometrie-Plattformen dient. Die Analyse der lipophilen Metabolite, wie beispielsweise Sterole oder Triterpenoide, erfolgt mittels Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (GC-MS). Während polare Substanzgemische, die Metabolite wie Phenolsäuren oder Flavonoide enthalten, mithilfe der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) aufgetrennt und mit Massenspektrometrie (MS) detektiert werden. Das Blattmaterial von 28 Genotypen wurde mit dem »All-in-one« Protokoll für das nicht zielgerichtete Metabolit-Profiling verwendet. Dabei wurden etwa 75.000 Massen von 9.000 Verbindungen/Substanzen nachgewiesen. Mithilfe von Substanzbibliotheken für die Massenspektrometrie werden die erhaltenden MS-Spektren abgeglichen: Insgesamt identifizierten die Forschenden 3.275 Substanzen in den kuratierten Datenbanken. Abbildung 1 zeigt erste Ergebnisse der LC-MS Analysen für die Flavonoid-Metabolite Kaempferol, Quercitin und Rutin. Rutin ist eines der bekanntesten Flavonoide, es besteht aus dem Flavonol Quercetin, das über das Disaccharid Rutinose (bestehend aus Rhamnose und Glucose) glykosidisch gebunden ist. In aufgereinigter Form liegt es als hellgelbes, geruchloses Pulver vor. Pflanzen schützt es vor UV-Strahlung, in der pharmakologischen Anwendung steht oft der antioxidative Effekt und die Stabilisierung von Blutgefäßen bei Erkrankungen der Beinvenen im Vordergrund. Zwischen den Genotypen zeigt sich eine hohe Variabilität in der Konzentration von Rutin und den Biosynthese-Vorläufersubstanzen Kaempferol und Quercitin. Zudem wurde Rutin aus Buchweizen-Pflanzenmaterial aufgearbeitet und für eine mikrobiolle Biokonversion an den Projektpartner übergeben.