Mehr CO₂ in der Luft verändert unser Brot – fallen die Laibe künftig kleiner aus?

Der steigende CO₂-Gehalt der Atmosphäre verändert ausgerechnet eines unserer wichtigsten Grundnahrungsmittel: Brot. Weizen bildet unter erhöhten Kohlendioxidkonzentrationen deutlich weniger Glutenproteine, die einen Teig elastisch machen und beim Backen aufgehen lassen. In einem Freilandversuch sank die Menge der untersuchten Glutenproteine um durchschnittlich 18,7 Prozent. Die Folge: Die daraus gebackenen Brote hatten 4,1 Prozent weniger Volumen. Gleichzeitig nahm die Menge bestimmter Weizenproteine zu, die mit Unverträglichkeiten in Verbindung gebracht werden.

Wissenschaftler unter Beteiligung des Forschungszentrums Jülich untersuchten dafür zehn Winterweizensorten auf einem Versuchsfeld in Nordrhein-Westfalen. Sie ließen die Pflanzen bei durchschnittlich 450 und 546 ppm CO₂ wachsen. Der höhere Wert entspricht einer möglichen künftigen Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre. Die im Fachjournal Food Chemistry veröffentlichte Untersuchung belegt damit unter den getesteten Bedingungen einen Zusammenhang zwischen steigendem CO₂, veränderter Proteinzusammensetzung und geringerer Backqualität.

Mehr CO₂ verändert die Backqualität von Weizen erheblich

Gluten bildet beim Kneten ein elastisches Netzwerk, das die Gase aus der Hefeaktivität im Teig festhält. Dadurch geht das Brot auf und erhält seine lockere Struktur. Besonders wichtig sind dabei zwei Gruppen von Glutenproteinen: Gliadine machen den Teig dehnbar, Glutenine verleihen ihm Festigkeit und Elastizität.

Auch andere Qualitätsmerkmale des Weizens veränderten sich unter erhöhtem CO₂. Der gesamte Proteingehalt der Körner sank um durchschnittlich 4,7 Prozent. Das sogenannte Sedimentationsvolumen verringerte sich um 11,7 Prozent. Mit diesem Labortest lässt sich abschätzen, wie gut sich Weizenmehl zum Brotbacken eignet. Je niedriger der Wert, desto ungünstiger sind in der Regel seine Backeigenschaften.

Erhöhtes CO₂ verändert einzelne Weizenproteine unterschiedlich stark

Auf dem Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn wuchsen die Pflanzen während der Saison 2022/2023 auf kleinen Versuchsflächen. Eine spezielle Freilandanlage reicherte die Luft über einem Teil der Felder mit Kohlendioxid an. Die Pflanzen erhielten dabei die für die Region übliche landwirtschaftliche Behandlung, einschließlich Düngung und Pflanzenschutz.

Nach der Ernte mahlten die Wissenschaftler das Getreide zu Mehl der Type 550. Anschließend bestimmten sie mithilfe der Massenspektrometrie die Mengen verschiedener Proteine. Dieses Verfahren kann einzelne Eiweißbestandteile anhand ihrer molekularen Eigenschaften unterscheiden. Dabei reagierten die untersuchten Glutenproteine unterschiedlich stark auf den erhöhten CO₂-Gehalt.

Besonders ausgeprägt waren die Veränderungen bei einzelnen Glutenbestandteilen:

Bestimmte niedermolekulare Glutenine: bis zu 63,6 Prozent weniger
Ein untersuchtes Alpha-Gliadin: 33,8 Prozent weniger
Ein untersuchtes hochmolekulares Glutenin: 30,5 Prozent weniger
Ein untersuchtes Gamma-Gliadin: 29,1 Prozent weniger

Andere Glutenproteine blieben weitgehend stabil oder nahmen sogar zu. Entscheidend für das Backverhalten ist daher neben der Gesamtmenge auch das Verhältnis der verschiedenen Eiweißbestandteile.

Bestimmte Weizenproteine nehmen trotz sinkendem Eiweißgehalt zu

Während viele Glutenproteine zurückgingen, entwickelten sich andere Eiweißstoffe in die entgegengesetzte Richtung. Dazu gehören die Amylase/Trypsin-Inhibitoren, kurz ATI. Ihr Anteil am gesamten Kornprotein stieg um durchschnittlich 10,6 Prozent. Diese natürlichen Proteine können Verdauungsenzyme hemmen und gehören zum pflanzlichen Abwehrsystem.

Einige ATI können außerdem das menschliche Immunsystem beeinflussen. Sie werden unter anderem im Zusammenhang mit Weizenallergien und der sogenannten Nicht-Zöliakie-Weizensensitivität untersucht. Dabei handelt es sich um Beschwerden nach dem Verzehr von Weizen, ohne dass eine Zöliakie oder klassische Weizenallergie vorliegt.

Ob Weizen mit höheren ATI-Konzentrationen tatsächlich häufiger oder stärkere Beschwerden auslöst, ist ungeklärt. Entsprechende Untersuchungen zur Immunreaktion gehörten nicht zu den Versuchen. Die gesundheitliche Bedeutung der veränderten Proteinmengen lässt sich deshalb bislang nicht beurteilen.

Auch bei bestimmten Glutenbestandteilen, die für Menschen mit Zöliakie relevant sind, veränderte sich die Konzentration. Bei acht von zehn untersuchten Peptiden mit entsprechenden Erkennungsstellen des Immunsystems sank die Menge signifikant. Ein geringerer Gehalt dieser Bestandteile macht Weizen jedoch keineswegs für Zöliakiepatienten verträglich. Bereits kleine Glutenmengen können bei Betroffenen eine Immunreaktion auslösen.

Manche Weizensorten reagieren überraschend widerstandsfähig

Wie stark der steigende CO₂-Gehalt die Eiweißzusammensetzung verändert, hängt erheblich von der Weizensorte ab. Bei neun der zehn Sorten sank der gesamte Proteingehalt um 1,9 bis 10,3 Prozent. Die Sorte Hyvega bildete dagegen unter erhöhtem CO₂ sogar 2,7 Prozent mehr Kornprotein.

Bei den für die Backqualität untersuchten Glutenproteinen erwiesen sich fünf Sorten als vergleichsweise widerstandsfähig: Apostel, Foxx, Hyvega, Informer und KWS Emerick. Deutlich empfindlicher reagierten Asory, Campesino, LG Initial, Moschus und RGT Reform. Bei ihnen veränderte sich mindestens die Hälfte der untersuchten Proteinbestandteile innerhalb dieser Gruppe statistisch signifikant.

Für die Züchtung neuer Weizensorten sind solche Unterschiede von besonderem Interesse. Die Kombination aus stabilen Backeigenschaften und geringen Mengen potenziell immunologisch aktiver Proteine könnte künftig wichtiger werden. Allerdings reagierten die Sorten nicht bei allen Proteinarten gleich. Ein günstiges Ergebnis bei den Glutenproteinen bedeutete nicht automatisch eine günstige Entwicklung bei den ATI.

Klimawandel könnte die Qualität von Weizen zusätzlich verändern

Der Freilandversuch fand an einem einzigen Standort und während einer Vegetationsperiode statt. Zudem nutzten die Wissenschaftler einen Versuchsring mit erhöhter CO₂-Konzentration und einen weiteren als Kontrolle. Obwohl jede Sorte auf drei getrennten Parzellen pro Behandlung wuchs, waren die CO₂-Behandlungen selbst nicht unabhängig mehrfach angelegt.

Damit lassen sich Einflüsse der jeweiligen Versuchsflächen nicht vollständig von der CO₂-Wirkung trennen. Die Ergebnisse müssen deshalb unter weiteren Anbaubedingungen überprüft werden.

Auch steigende Temperaturen, Trockenperioden und die Stickstoffversorgung beeinflussen den Proteingehalt des Getreides. Unter tatsächlichen Klimabedingungen wirken mehrere dieser Faktoren gleichzeitig. Ihre kombinierten Auswirkungen auf die Backqualität sind bislang nur unzureichend geklärt.

Bei den meisten untersuchten Proteinen war der Einfluss der Weizensorte größer als der Einfluss der CO₂-Behandlung. Eine gezielte Sortenauswahl könnte daher helfen, die Qualität des Getreides unter veränderten Klimabedingungen zu erhalten. Welche Sorten langfristig besonders geeignet sind, müssen weitere Anbauversuche über mehrere Jahre und an unterschiedlichen Standorten klären.

Kurz zusammengefasst:

Mehr CO₂ verschlechtert die Backqualität von Weizen: Im Freilandversuch sank die Menge untersuchter Glutenproteine um 18,7 Prozent, das Brotvolumen um 4,1 Prozent.
Die Zusammensetzung des Weizens verändert sich: Während wichtige Glutenproteine abnahmen, stiegen bestimmte ATI-Proteine um 5,7 Prozent; gesundheitliche Folgen sind nicht nachgewiesen.
Die Weizensorte entscheidet mit: Einige Sorten reagierten deutlich empfindlicher auf erhöhte CO₂-Werte als andere, weshalb gezielte Züchtung die Backqualität künftig schützen könnte.

Übrigens: Der Klimawandel verändert nicht nur die Backqualität von Weizen, sondern kann auch den Nährstoffgehalt unserer Lebensmittel senken. Dabei spielt ein gestörter Stickstoffkreislauf im Boden eine wichtige Rolle. Mehr dazu in unserem Artikel.