Weltnahrungspflanze Weizen

Heutzutage ist Weizen das wichtigste Brotgetreide und daher nahezu jedem Mitteleuropäer wohlvertraut. Aber auch als Forschungsobjekt bietet die Weltnahrungspflanze viele interessante Ansatzpunkte.

Biologie und Ökologie

Weizen (Triticum spec.) ist wie die anderen Getreidesorten ein einjähriges Süßgras. Es wird bis zu 1,5 Meter hoch. An den Ähren befinden sich je nach Sorte keine oder nur kurze Grannen. Die Früchte oder Körner (Karyopsen) stehen in der Regel vierzeilig in der Ähre.

Weizen neigt zur Selbstbestäubung, Fremdbestäubung kommt eher selten vor. Die Wahrscheinlichkeit der Kreuzung von Weizen mit Weizenpflanzen aber auch mit anderen Getreidearten (Auskreuzung) ist unter natürlichen Bedingungen sehr gering. Weizen ist an trockene und warme Sommer angepasst, er stellt auch höhere Ansprüche an den Boden als beispielsweise Roggen, vor allem braucht er ein gutes Nährstoff-Angebot.

Weizen benötigt ein warmes, relativ trockenes Klima, bringt daher in kühleren, feuchteren Bereichen nicht so gute Erträge. Er wird vor allem im Flachland und im Mittelgebirge bis zu einer Höhe von 900 Metern angebaut. Obwohl sein Optimum bei etwa 25 Grad liegt, hat er eine relativ weite Temperaturspanne von etwa 4 Grad bis hin zu über 30 Grad, in der er gedeihen kann. Er benötigt eine Niederschlagsmenge von 250 bis 1750 mm pro Jahr. Er gedeiht auf sommerwarmen, nicht zu trockenen, lehmigen Böden am besten. Auf trockenen Sandböden bringt Weizen nur geringere Erträge. Weizen gehört zu den Intensivwurzlern, d. h. seine Wurzeln können bis zu einem Meter tief in den Boden reichen. Manche Weizensorten sind Langtagspflanzen andere Kurztagspflanzen.

Weizen und Mensch

Geschichte des Weizenanbaus

Weizen gehört zu den Getreiden, die der Mensch als erstes kultiviert hat. Das Zentrum des vermutlich vor über 10.000 Jahren begonnenen Anbaus liegt im Bereich des fruchtbaren Halbmondes (Norden der arabischen Halbinsel, Iran, Irak, Syrien, Saudi-Arabien). Der Weizen ist nach Gerste die am längsten kultivierte Getreideart.

Er kam vermutlich während der Jungsteinzeit vor etwa 7.000 Jahren nach Europa, zunächst in den Mittelmeerraum, wo er während der Antike von den Römern im großen Stil angebaut wurde. Erst im 11. Jahrhundert konnte sich Weizen auch in Mitteleuropa durchsetzen, als das Weißbrot in Mode kam.

Anbau heute

Heute ist Weizen nach Mais das zweithäufigste Getreide weltweit (2008 ca. 690 Mio. t). Die größten Produzenten von Weichweizen waren im Jahr 2008 China (112.463.296 Mio. t), Indien (78.570.200 Mio. t), die USA (68.026.400  Mio. t) und Russland (63.765.140 Mio. t). Der Weichweizen (Triticum aestivum) ist in Deutschland das am häufigsten angebaute Getreide (26 Mio. t in 2008). Hartweizen wird in Deutschland dagegen nur in geringem Umfang angebaut, im Jahr 2008 etwa 38.000 Tonnen.

Etwa 80 Prozent des Weichweizens wird in Deutschland als Winterweizen angebaut. Dieser wird bereits im Herbst ausgesät, wo er bei warmen Bodentemperaturen keimt und kurze Sprosse sowie Blätter ausbildet. Ab Dezember befindet sich der Weizen in Winterruhe, bevor er im Frühjahr die Hauptsprosse bildet und zur Blüte ansetzt. Winterweizen folgt dabei dem Lebenszyklus der Zweijährigen oder Winterannuellen, indem er als Überdauerungsorgane Wurzeln sowie am Boden anliegende Blätter ausbildet und zur Blütenbildung im Frühjahr eine Frostperiode benötigt. Er wird im Sommer geerntet.

Sommerweizen (meist Hartweizen) wird im Frühjahr ausgesät und ebenfalls im Sommer geerntet. Sein Lebenszyklus ist dabei der eines einjährigen Grases (Annuelle). Er bringt geringere Erträge, das Korn enthält aber mehr Protein. Ein sogenannter Wechselweizen ist ein Sommerweizen, der bereits Ende des Vorjahres ausgesät wird.

Anbauschritte

Winterweizen benötigt zur Entwicklung 280 bis 350 Tage, Sommerweizen 120 bis 145 Tage. Als Vorfrucht in der Fruchtfolge nimmt man meistens Blattfrüchte (Rüben, Raps oder Mais), weil dann die Übertragung von Krankheiten geringer ist und der Boden gut gelockert und mit verfügbarem Stickstoff versorgt wurde.

Die Weizenentwicklung beginnt mit der Aussaat durch eine Sämaschine, die die Samen mehrere Zentimeter tief in die Erde einbringt. Nach ein bis zwei Wochen erscheinen die ersten Blätter, die Saat keimt (läuft auf) und beginnt sich zu verzweigen (Bestockung). Am Ende des Winters erfolgt die erste Stickstoffgabe, im April die zweite und im Juni die dritte. Zu Anfang der Vegetationsperiode beginnt der Weizen, sich zu strecken (Schossung) und die Ähren zu schieben.

Bei der Reifung der Ähren unterscheidet man verschiedene Phasen:

• die Milchreife ist erreicht, wenn beim Zerdrücken des Korns eine milchige Flüssigkeit austritt, das Korn ist noch grün
• bei der Teigreife kommt eine festere Paste aus dem zerdrückten Korn
• bei der Gelbreife ist das Korn bereits hart, lässt sich aber noch zerbeißen und eindrücken
• bei der Vollreife ist das Korn voll ausgebildet und lässt sich kaum noch mit dem Fingernagel eindrücken. Es ist jetzt reif.
• bei der Totreife ist das Korn erntereif, weil der Wassergehalt soweit abgenommen hat (unter 15 Prozent), so dass es sich durch Dreschen oder maschinell mittels Mähdrescher ablösen lässt. Jetzt ist es auch lagerfähig, ohne von Schimmelpilzen befallen zu werde

Früher wurde Weizen von Hand mit der Sichel gemäht und in große Gaben zusammen gebunden, wo es weiter trocknete. Dann wurde mit dem Dreschflegel der Weizen vom Stroh getrennt und anschließend mehrfach ausgesiebt, um auch die Spelzen loszuwerden, bevor es in die Mühle kam. Heute wird das Korn maschinell vom Stängel getrennt, zurück bleibt Weizenstroh. Es wird in der Regel in große Rundballen gepresst und als Einstreu für Großviehställe (Kühe, Pferde) genutzt.

Verarbeitung des Weizenkorns

Die abgeernteten Körner werden in einer Mühle zu Mehl weiterverarbeitet. Dabei wird das Korn in einem Walzenstuhl zerkleinert und dann  gesiebt (gesichtet). Diesen gesamten Vorgang nennt man Passage. Bis das Mehl die gewünschte Konsistenz hat, werden bis zu 14 Passagen benötigt. Gleichzeitig wird der fetthaltige Keimling aus dem Mahlgut entfernt, ebenso wie bereits feingemahlene Partikel (Mehl). Wenn zwischenzeitlich kein Mehl abgezogen wird, entstehen Vollkornmehle oder -schrote (komplett mit Keimling, sogenanntes durchgemahlenes Korn). Darin unterscheidet es sich vom Weizenbackschrot, wo das Korn ebenfalls durchgemahlen wird, aber der Keimling entfernt wurde.

Je nach Ausmahlungsgrad (Grad der Ausbeute aus 100 kg Getreide) wird das Mehl dunkler und mineralstoffreicher, die Type gibt dabei den Mineralstoffgehalt an (z. B. Type 405 = 405 mg Mineralstoffe auf 100 g Mehl. Vollkornmehl hat keine Typenbezeichnung). Es werden folgende Typen unterschieden:

• Type 405 – Auszugsmehl (aus dem Korninneren), weißes Haushaltsmehl für feine Backwaren, Ausmahlungsgrad bis 40  Prozent
• Type 550 – Auszugsmehl, Haushaltsmehl für Brötchen, Kuchen, etwas höherer Mineralstoffgehalt als 450er Mehl, Ausmahlungsgrad bis 60 Prozent
• Type 812 – Vollmehl, für helle Mischbrote, Körnerbrötchen, Ausmahlungsgrad bis 73 Prozent
• Type 1050 – Hintermehl (es fehlt das backfähige Mehl aus dem Korninneren) für Mischbrote, Ausmahlungsgrad bis 80 Prozent
• Type 1600 – für dunkle Mischbrote, Ausmahlungsgrad bis 80 Prozent
• Type 1700 – Weizenbackschrot, höchster Mineralstoffgehalt, Ausmahlungsgrad 98 Prozent.

Produkte aus Weizen

Aus Weichweizen werden vor allem helle Brote (Weißbrot) hergestellt sowie Backwaren (Kuchen, Kekse). Bei Weichweizen werden verschiedene Qualitätsstufen unterschieden:

• E-Weizen (Eliteweizen)
• A-Weizen (Qualitätsweizen)
• B-Weizen (Brotweizen)
• C-Weizen (sonstiger Weizen)

Die Qualität wird unter anderem über den Proteingehalt und die sogenannte Volumenausbeute (standardisierter Backversuch) festgelegt. Hartweizen wird vor allem zur Herstellung von Nudeln verwendet.

Des weiteren wird aus Weizen Weiß- oder Weizenbier hergestellt, wobei mindestens die Hälfte des Malzes aus Weizen hergestellt worden sein muss. Weizenkleie ist ein Abfallprodukt aus der Mühle (Mühlennachprodukt) und wird oft in der Tierfütterung eingesetzt. Auch in der Vollwerternährung wird es verwendet, da hier viele Ballaststoffe konzentriert sind, ebenso wie viele Mineralstoffe aus der Schale. Allerdings können hier auch Schadstoffe angereichert sein. Bei Verzehr von Kleie muss viel getrunken werden, da es sonst zu Verstopfungen kommen kann.

Weizenarten

Alle heute angebauten Weizenarten sind Kulturarten, d. h. sie sind durch Züchtung entstanden. Die Vorfahren des Weizens heißen Emmer (Triticum dicoccum) und Einkorn (Triticum monococcum), durch Einkreuzung von Wildgrasarten entstanden vor etwa 10.000 Jahren die ersten Weizensorten. Vorher bauten die Menschen bereits Gerste an, sowie Einkorn, das aber aufgrund seiner schmalen Ähre (das Korn steht hier einzeilig), wenig ergiebig war.

Daher züchtete man schon früh ein Getreide, das mehrzeilige Ähren aufwies und somit eine reichere Ernte brachte. Allen Weizenarten gemein ist, dass sie eine stabile Ährchengabel (Rhachis) besitzen, die verhindert, dass die Körner aus der Ähre ausbrechen und sich selbst verbreiten. So kann die Ähre als Ganzes geerntet werden, ohne dass Korn verloren geht. Lediglich die Wildformen von Emmer und Einkorn können sich auf diese Weise weiterverbreiten.

Mehr zu Züchtungsarbeiten am Weizen finden Sie hier.

Weizen und Gesundheit

Inhaltsstoffe

Ein Weichweizenkorn besteht im durchschnitt zu etwa 70 Prozent aus Kohlenhydraten, zu 12 Prozent aus Eiweißen, zu 12 Prozent aus Wasser, zu 2 Prozent aus Fetten, zu 2 Prozent aus Mineralstoffen und zu etwa 2 Prozent aus Ballaststoffen.

Er enthält vor allem Kalium (380 mg/100 g), Magnesium (95 mg/100 g) und Phosphor (340 mg/100 g), einen hohen Anteil an B-Vitaminen sowie sehr viel Vitamin E (bis 1,4 mg/100 g). Weizenkeimöl ist daher ein wertvoller Vitamin-E-Lieferant.

Reines Weizenmehl (Type 450) hat aufgrund des geringen Anteils an Mineral- und Ballaststoffen einen deutlich geringeren Nährwert als Mehl von anderen Getreidesorten, es liefert fast nur noch Kohlenhydrate.

Einer der bekanntesten Inhaltsstoffe von Weizen ist das Gluten oder Klebereiweiß. Es besteht aus einem Gemisch von Proteinen, die vor allem beim Brot backen eine wichtige Bedeutung haben. Der Kleber sorgt dafür, dass der Teig das entstehende Kohlendioxid hält, damit der Teig aufgehen kann. Außerdem ist der Kleber dafür verantwortlich, dass das fertige Brot seine Form behält, denn er stellt in trockener Form das sogenannte Klebergerüst dar. Allerdings bewirkt Gluten bei manchen Menschen auch eine Überempfindlichkeit (sogenannte Zöliakie).

Weizen und Cadmium

Weizen ist außerdem dafür bekannt, dass er das Schwermetall Cadmium aus kontaminierten Böden aufnimmt und speichert. Kanadische Untersuchungen an Durum-Weizen haben eine natürliche Mutante entdeckt, bei der die Cadmium-Aufnahme bis zu 50 Prozent geringer war und dieses einfach dominante Gen erfolgreich in  Weizensorten eingebaut.

Weizen und Hitzestress

Unter länger andauerndem Hitzestress wird weniger des in den Weizenkörnern eingelagerten Proteins zu Stärke umgewandelt, weil die Reifezeit aufgrund der Hitze verkürzt ist. Die Folge ist ein höherer Proteinanteil bei der (in der Regel schlechteren) Ernte, der sich positiv auf die Backeigenschaften auswirkt. Dieses Phänomen wird in wärmeren Ländern häufiger beobachtet und kann auch in Deutschland in besonders heißen Sommern (2003, 2006 oder 2010) auftreten.

Gifte im Weizen

Mutterkorn (Claviceps purpurata) ist ein u. a. auf Weizen wachsender Pilz, der die Ernte verunreinigen kann. Er enthält giftige Alkaloide, die unter anderem Halluzinationen auslösen (Wirkstoff für LSD) und auch als Abtreibungsmittel benutzt wurden. Mutterkorn hat als Ernteschädling keinen großen Stellenwert, kann aber bei Verzehr schwere Vergiftungen zur Folge haben. Getreide wird daher generell durch Siebe oder Auslese ’gereinigt’.

Eine weitere Vergiftung durch Weizen kann durch Verunkrautung mit dem sogenannten Taumellolch (Lolium temulentum) auftreten. Taumellolch ist dem Weizen sehr ähnlich, bei Ernte und Verarbeitung geraten seine Körner mit in das Mahlgut. Seine Giftigkeit beruht auf dem Befall mit dem Pilz Neotyphodium coenophialum. Der Verzehr verursacht Schwindel und Sehstörungen. Heute ist der Taumellolch  nur noch sehr selten und wird durch Herbizide und Getreidereinigung zuverlässig entfernt.

Mykotoxine können ebenfalls durch Fusarien in den Weizen gelangen (siehe Pilzbefall).

Gesundheitliche Aspekte

Besonders problematisch ist Weizen in Bezug auf seinen Glutengehalt, der bei empfindlichen Menschen die sogenannte Zöliakie hervorrufen kann. Dabei handelt es sich um eine Unverträglichkeit von bestimmten Bestandteilen des Glutens, die eine chronische Erkrankung der Dünndarmschleimhaut bewirken. Diese kann bis heute nicht ursächlich behandelt werden, der Patient muss das Gluten (das auch in anderen Getreidesorten vorkommt) vermeiden. Unbehandelt steht Zöliakie im verdacht Lymphome und Darmkrebs auszulösen. Zöliakie ist oftmals erblich bedingt.

Verschiedene Bestandteile des Weizens können auch andere allergische Reaktionen hervorrufen. Beobachtet wurden Asthma, Bronchitis, Ekzem, Kopfschmerz, Juckreiz, Müdigkeit. Auch hier sollte auf Weizen verzichtet werden.

Die sehr kaliumreiche Weizenasche wird als Pflegemittel für unreine Haut verwendet. Weizenkeimöl ist ein wichtiger Vitamin-E-Lieferant.

Mehr zu "Krankheiten und Schädlinge" der Weizenpflanze finden Sie hier.

Weizen-Forschung

Weizen ist neben Reis und Mais die wichtigste Ertragspflanze der Welt. Daher gibt es bei ihr auch eine große Anzahl an Forschungsvorhaben zur Verbesserung verschiedener Faktoren wie Anpassung an Umweltbedingungen, Ertragssteigerung, Resistenz gegen Krankheiten und Erhöhung von gewünschten Inhaltsstoffen.

Die wichtigsten Zuchtziele sind:

Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge

Pilzresistenz

der Befall mit Mehltau, Fusarien und Brandpilzen im Vordergrund. Dazu werden z. B. Gene für spezifische Antikörper übertragen, die an die Zellwände des Pilzes andocken und sie auflösen (Fraunhofer-Institut) oder es wird ein Gerste-Gen in den Weizen eingebaut, das erhöhte Resistenz gegenüber Mehltau bewirken soll. Forschungen hierzu werden in der Schweiz u. a. an der ETH Zürich (Brandpilze) durchgeführt.

Unkrautbekämpfung

Bei der Herbizidtoleranz werden Pflanzen gezüchtet, die ein bestimmtes Herbizid ertragen (tolerieren), so dass dieses Herbizid bei Anwendung die unerwüschten Wildkräuter beseitigt, die Nutzpflanze aber davon unberührt bleibt. Herbizidtoleranz besteht also aus zwei Komponenten, den Pflanzen mit eingebauten Resistenzen und dem dazugehörigen Herbizid. Beispiel: ’RoundupReady-Weizen’ der US-Firma Monsanto, der gegen den Wirkstoff Glyphosat (’Roundup’) resistent ist.

Inhaltsstoffe

Weizen wird auch in Bezug auf Inhaltsstoffe intensiv erforscht und verbessert. Ziele sind dabei u.a.:

• die Erhöhung des Gluteninanteils zur Verbesserung der Backeingenschaften. Ein Einbau von Genen der Ackerbohne und Gerste erhöhen den Proteinanteil in den Weizensamen, indem Aminosäuren und Zucker (Bauteile von Proteinen) von anderen Pflanzenteilen in die Samen umgelagert werden, wo sie zu Proteinen zusammengesetzt werden und somit den Gesamtanteil der gewünschten Proteine erhöhen (IPK Gatersleben).
• die Erhöhung von wasserlöslichen Ballaststoffen wie Amylose und Beta-Glucane
• die Verbesserung der Hitzestabilität des Proteins Phytase, das unter anderem komplexgebundene Mineralstoffe (Eisen, Zink, Magnesium, Kalzium) in Backwaren freisetzt und somit für den menschlichen Körper verfügbar macht. Gleichzeitig fördert sie die Enzymaktivität von Amylasen und Proteasen (wichtig für das Brotbacken und Bierbrauen), indem sie die blockierende (inhibitierende) Wirkung der Phytinsäure durch Abbau aufhebt. In der Tierfütterung (vor allem bei Schweinen) bewirkt die Zufütterung von Phytase ebenfalls den verbesserten Abbau von in Pflanzen enthaltener Phytinsäure. Dadurch wird das in der Phytinsäure gebundene Phosphat für die Tiere verfügbar gemacht. Gleichzeitig verschwindet der in der Gülle vorhandene Phosphorüberschuss, wodurch einer der extrem wasserbelastenden und somit umweltschädigenden Faktoren der Gülle eingedämmt wird.
• ebenfalls für die Tierfütterung wird der Gehalt an Lysin gentechnisch erhöht, um den Futtermittelwert zu steigern. Lysin ist eine essentielle Aminosäure, die auch für den menschlichen Körper unverzichtbar ist.

Ein weiterer Forschungszweig ist die Erhöhung von bestimmten Inhaltsstoffen zur Rohstoffproduktion, u.a.:

• Zum Beispiel wird Weizen mit erhöhtem Amylopektingehalt (Stärkeform) gezüchtet, der für industrielle Produkte verwendet wird.
• Eine Verringerung des Ligningehaltes soll die Verwertbarkeit für die Bioethanolproduktion verbessern.
• In der experimentellen Phase ist das Molecular Pharming bei Weizen: Hier sollen spezielle Wirkstoffe durch den Weizen produziert werden.

Umweltbedingungen/Stresstoleranz

Forschungen zur Anpassung an veränderte Umweltbedingungen im Zuge des Klimawandels beziehen sich vor allem auf erhöhte Toleranz bei Trockenheit und Wassermangel sowie Anbau auf versalzten Böden und auf Ertragssteigerung bei gleichbleibender oder verringerter Nährstoffzuführung (low-input-farming). Insbesondere könnten so in Zukunft Flächen genutzt werden, die jetzt wegen Wassermangels oder Versalzung für Ackerbau nicht geeignet sind. Das würde zu größeren Anbauflächen vor allem in ärmeren Ländern führen und auch den Flächenverbrauch verringern, dem im Moment vor allem Regenwälder und andere schützenswerte Flächen zum Opfer fallen.

Um die Mechanismen der Stresstoleranz zu verstehen, wird seit Jahren vor allem in den USA und in Australien intensiv Forschung betrieben. Inzwischen hat man herausgefunden, dass an der Stresstoleranz mehrere Gene beteiligt sind und es ist Forschern gelungen, diese Gene erfolgreich in Weizen einzubauen. Bei ersten Freilandversuchen konnten bereits trotz Trockenheit  höhere Erträge verzeichnet werden.

Ertragssteigerung

Geforscht wird hier (z. B. am IPK Gatersleben) an der Erzeugung von Hochertragssorten, in der Regel Hybridweizensorten (Kreuzungen zwischen verschiedenen Weizensorten). Um Hybridweizen zu erhalten, muss bei einem der einhäusigen Partner (besitzen männliche und weibliche Blüten auf einer Pflanze) der männliche Teil sterilisiert werden, damit eine Selbstbestäubung ausbleibt und der Hybrideffekt (hohe Erträge, gesteigerte Vitalität, Robustheit gegenüber Krankheiten) gewährleistet ist. Hier wird versucht, über gentechnische Veränderungen in der männlichen Samenanlage (Tapetum) die Produktion von fertilen Pollen des einen Partners zu unterbinden.

Dazu werden zwei komplementäre Genfragmente  ins Genom eingeschleust und in zwei homologe Chromosomen an die selben Plätze eingebaut. Bei der Kreuzung beider Sorten werden die verantwortlichen Gene getrennt, so dass die F1-Generation wieder fertil ist. Durch dieses Verfahren wird die bisher übliche chemische Steilisation (über giftige Gametozide, also Mittel, die Keimzellen abtöten) unnötig.