Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abteilung Pflanzliche Erzeugung
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Bearbeiter: Dr. Hartmut Kolbe
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Einflussfaktoren auf Ertrag und Inhaltsstoffe der Kartoffel
III. Rohprotein
1. Zusammensetzung und Bedeutung der organischen N-Verbindungen
Da die organischen Stickstoff- oder N-Verbindungen der Kartoffeln sehr heterogen sind und sich nicht
eindeutig voneinander abgrenzen lassen, können sie nach verschiedenen Kriterien gegliedert werden.
Eine verbreitete Möglichkeit besteht darin, sie nach der Methodik ihrer chemisch-analytischen Be-
stimmung einzuteilen (Tab. 1). Man nutzt hierbei die Eigenschaft der organischen N-Verbindungen
aus, dass sie sich mit verschiedenen Lösungsmitteln extrahieren lassen. Die Summe der N-haltigen
Verbindungen beträgt im Durchschnitt 1,6 % N (bzw. x 6,25 = 10 % Rohprotein) in der Trockensub-
stanz der Knollen. Sie bestehen ungefähr zu jeweils 50 % aus Reinprotein und aus den NPN-
Verbindungen. Sowohl der Gesamtgehalt an Stickstoff als auch die N-Gehalte der extrahierten Frakti-
onen lassen sich nach Säureaufschluss mit dem seit langem bewährten KJELDAHL-Verfahren quanti-
tativ nachweisen. Die einzelnen Bausteine der N-Verbindungen - die Aminosäuren - können mit Hilfe
eines Aminosäure-Analysators bestimmt werden.
Tab. 1: Zusammensetzung, biologische Wertigkeit und Bestimmungsmethoden der organi-
schen N-Verbindungen in Kartoffelknollen (nach KAPOOR et al., 1975; ETMAN, 1982)
N-Verbindung
Zusammen-
setzung (%)
Biologische
Wertigkeit
(Eiprotein =
100)
Löslichkeit
Bestimmungsmethoden
Peptide, freie
Aminosäuren
25
Amide, Amine
25
NPN-Verbindungen 50
} 35 - 38
Alkohol / Was-
ser
Pikrinsäure-
Fällung
Hydrolyse,
Aminosäure-
Analysator
Albumin
28
82
Dest. Wasser
Globulin
10
83
Kaliumsulfat
Prolamin
2
53
Propanol
Glutelin
3
83
KOH/Methanol
Rest
7
82
Unlöslich
}TCE-Fällung
Hydrolyse,
Aminosäure-
Analysator
Reinprotein 50
80 – 83
Biuret-Verfahren
Rohprotein
100
72
(65 – 80)
Verfahren nach KJELDAHL
(N x 6,25)
Quelle: Kartoffelbau Nr. 5/1996, 176-181

Von den ca. 20 Aminosäure-Grundbausteinen der Eiweißverbindungen der Pflanzen sind in Abbildung
1 beispielhaft Aminosäuren unterschiedlicher Komplexität abgebildet. Säureamide sind durch zwei
Amino-Gruppen gekennzeichnet, sie dienen den Pflanzen auch als zwischenzeitliche N-
Speicherformen. Essentielle Aminosäuren können von den Menschen und den Tieren nicht selbst-
ständig aufgebaut werden, sie müssen daher mit der Nahrung zugeführt werden. Die schwefelhaltigen
Aminosäuren Methionin und Cystein werden in Kartoffelknollen als limitierende Aminosäuren angese-
hen, da sie im Eiweiß nur in vergleichsweise niedrigen Konzentrationen vorkommen.
Entsprechend der genetischen Kodierung werden die Aminosäuren bei der Eiweißsynthese in be-
stimmten Sequenzen aneinandergehängt. Die so entstehenden Peptide weisen eine Faltblattstruktur
oder seltener eine Spiralstruktur auf, sie werden schließlich in Form von Knäueln oder Strängen als
native Proteine in die pflanzlichen Zellen eingelagert. Auch das reine Protein oder Eiweiß der Kartof-
felknollen besteht aus genetisch eng fixierten typischen Peptid-Untereinheiten, die nach sog. e-
lektrophoretischer Trennung ähnlich einem Fingerabdruck ein bestimmtes Muster hinterlassen, das
zur Sortendiagnose verwendet werden kann.
Obwohl Kartoffeln rel. geringe Gehalte an Eiweiß aufweisen, wird es durch die hohe biologische Wer-
tigkeit geschätzt. Wenn es zusammen mit bestimmten anderen pflanzlichen Lebensmitteln verspeist
wird, kann es durch seine hohe Ergänzungswertigkeit sogar die Qualität von tierischem Eiweiß errei-
chen. Als Vergleichsmaß dient hierzu oft die Berechnung des Indexes der essentiellen Aminosäuren
(EAS-Index). Hierzu werden die Gehalte von meistens 8 essentiellen Aminosäuren im Kartoffelprotein
zu denen des Eiproteins ins Verhältnis gesetzt (Eiprotein = 100). Eine weitere Messzahl der Qualität
der organischen N-Verbindungen stellt der rel. Eiweißgehalt dar. Hierbei wird der Anteil an Reinprote-
in in Relation zum Rohprotein (= 100) gesetzt.
Auch aus Gesichtspunkten des Umweltschutzes kommt diesen Qualitätsmaßzahlen der N-haltigen
Verbindungen heute wieder eine verstärkte Aufmerksamkeit zu. Bei einem angepasst hohen Eiweiß-
gehalt und einer hohen biologischen Wertigkeit werden die mit der Nahrung von Mensch und Tier
aufgenommenen N-Verbindungen in hohem Maße verwertet, so dass schließlich die mit dem Kot
ausgeschiedenen N-Verbindungen nur noch gering sind.
Außer der günstigen ernährungsphysiologischen Bedeutung tragen bestimmte Stickstoffverbindungen
in Kartoffelknollen auch zur Geschmacks- und Aromastoffausbildung bei. Weiterhin verbessern höhe-
re Anteile an Rohprotein im Verhältnis zur Stärke die Konsistenz der Knollen beim Kochvorgang. Eini-
ge der freien Aminosäuren, wie z.B. Lysin, verbinden sich mit reduzierenden Zuckern beim Fritierpro-
zess zu unerwünschten braungefärbten Produkten. Als Nebenprodukte der Brennereien und bei der
Stärkeherstellung fallen große Mengen an N-haltigen Abfällen (Schlempe, Pülpe) an. Diese Restpro-
dukte können große Umwelt-Probleme bereiten, sie können aber auch als Düngemittel, Futtermittel
oder sogar zur industriellen Rückgewinnung von reinen Proteinen verwendet werden.
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Abb. 1: Chemischer Aufbau wichiger Aminosäuren und Amide in Kartoffelknollen (N = Stick-
stoff, C = Kohlenstoff, H = Wasserstoff, O = Sauerstoff, S = Schwefel, + = essentielle
Aminosäuren)
2. Entwicklung im Verlauf der Vegetation
Die Abbildung 2 zeigt den durchschnittlichen Verlauf einiger organischer N-Verbindungen in den Blät-
tern, Stängeln und Knollen während der Vegetation. Die höchsten Gehalte werden in den jungen
Pflanzen zu Beginn der Vegetation gefunden. Danach nehmen die Gehalte der N-Fraktionen vor allen
Dingen in den Stängeln stark ab, während die Gehalte in den Blättern, die hohe Werte an Reinprotein
aufweisen, bis zum Beginn des Absterbeprozesses zwischenzeitlich auf einem mittleren Niveau ver-
harren.
Auch in den Knollen werden im Vergleich zu den NPN-Verbindungen oft etwas höhere Werte an Rein-
protein gefunden (Abb. 2). Diese Relation bleibt im Verlauf der Vegetation im Wesentlichen erhalten.
Die Gehalte an allen N-Verbindungen fallen in den wachsenden Knollen zunächst ab und steigen am
Ende der Vegetation oft wieder etwas an, besonders die der NPN-Verbindungen.
Zur Zeit der maximalen N-Aufnahme, ungefähr 30 - 45 Tage nach dem Aufgang, werden von den
Pflanzen je Tag ca. 8 kg Stickstoff je ha aufgenommen. Davon werden täglich ca. 48 kg Rohprotein
(40 kg Reinprotein, 8 kg NPN-Verbindungen) gebildet und ca. 2 kg als Nitrat eingelagert. In der zwei-
ten Hälfte der Vegetation findet im Zuge des langsam beginnenden Absterbeprozesses in hohem
Umfang eine Remobilisierung und Umverlagerung an Inhaltsstoffen in den Kartoffelpflanzen statt. Von
den maximal aufgenommenen N-Verbindungen verbleiben z. Zt. der Ernte an Rohprotein ca. 75 % in
den Knollen und ca. 15 % im Kraut, an Reinprotein ca. 65 % in den Knollen und 20 % im Kraut und an
NPN-Verbindungen ca. 93 % in den Knollen und 6 % im Kraut. Die Reste gehen durch Blattfall und
andere Prozesse, wie z.B. durch Rückführung über die Wurzeln zurück in den Boden, verloren.
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Abb. 2: Entwicklung der Trockenmasse (Blattgelbanteil = schraffiert) im Vergleich zu den
Gehalten an organischen N-Verbindungen von Kartoffelblättern, -stängeln und
-knollen im Verlauf der Vegetation
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3. Einfluss des Wetters
Auf die verschiedenen organischen N-Verbindungen in den Kartoffelpflanzen üben die vorherrschen-
den Wetterbedingungen einen beachtenswerten Einfluss aus. Steigende Tagesmittel-Temperaturen
(Mai - August) führen in der Regel zu einer Anhebung der Gehalte an Rohprotein und an NPN-
Verbindungen in den Kartoffelknollen (Abb. 3). Extrem hohe Temperaturen können sich dagegen zu-
nehmend depressiv auf die Nährstoffaufnahme und Bildung von Rohprotein auswirken, so dass die
Gehalte an Rohprotein nicht mehr zunehmen. Dagegen werden die Gehalte an Reinprotein und die
Qualität der N-Verbindungen durch steigende Temperaturen herabgesetzt. Ein Anstieg der monatli-
chen Sonnenscheindauer (Mai - August) führt indessen zu einer leichten Abnahme an Rohprotein und
an NPN-Verbindungen, während die Werte an Reinprotein und die Eiweißqualität etwas ansteigen
(Abb. 3).
Eine wesentliche Ursache für die Veränderung der Gehalte an Rohprotein ist die witterungsbedingt
unterschiedliche Einlagerungskapazität an Stärke. Dadurch verhalten sich die Werte an Trockensub-
stanz und Stärke reziprok zu den Gehalten an Rohprotein. Die höchsten Gehalte an Rohprotein und
an NPN-Verbindungen werden daher bei rel. hohen Temperaturen und niedrigen Einstrahlungswerten
erzielt, also genau bei den Wetterbedingungen, die zu rel. niedrigen Stärkegehalten in den Kartoffel-
knollen führen. Außerdem werden bei diesen Wetterkonstellationen rel. niedrige Werte an Reinprotein
und an Eiweißqualität in den Knollen vorgefunden (Abb. 3).
Steigende Niederschläge von ca. 30 - 100 mm je Monat (April - September) können die N-
Verbindungen in den Kartoffeln über spezifische Änderungen in der Verfügbarkeit an Nährstoffen im
Boden beeinflussen. Dies ist stark abhängig von der Bodenart. Im Durchschnitt kann davon ausge-
gangen werden, dass z.B. auf Lößböden die N-Verfügbarkeit ab Niederschlagswerten von über 50
mm je Monat langsam abzunehmen beginnt, weil die steigende Wassersättigung dann zu einer zu-
nehmenden Verlagerung und Auswaschung des Stickstoffs im Boden führt. Hierdurch können sowohl
die N-Versorgung der Kartoffelbestände als auch die Gehalte an Rohprotein in den Kartoffeln z.T.
stark abnehmen (Abb. 4). Dies hat dann Auswirkungen auf die Knollenerträge und die Zusammenset-
zung der N-Verbindungen der Kartoffelknollen, die einer entsprechend differenzierten N-Ernährung
vergleichbar sind.
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Abb. 3: Einfluss von Temperatur
(T.) und Sonnenschein-
dauer (S.) auf die Gehalte
an organischen N-
Verbindungen von Kar-
toffelknollen
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Abb. 4: Einfluss steigender
Niederschläge (N.) und
Temperaturen (T.) auf
die Gehalte an Rohpro-
tein in Kartoffelknollen
4. Einfluss der Nährstoffversorgung
Infolge steigender N-Ernährung der Kartoffelbestände ist sowohl mit einem Anstieg der N-Gehalte als
auch mit einer spezifischen Veränderung der Zusammensetzung der organischen N-Verbindungen in
den Knollen zu rechnen (Abb. 5). Zunächst kann festgestellt werden, dass ansteigende N-Gehalte
z. B. von ca. 1,3 % auf 2,0 % (Praxisbereich) infolge einer entsprechenden Anhebung der N-
Versorgung umgerechnet zu einer Zunahme der Gehalte an Rohprotein von 8,1 % auf 12,5 % führen
würde. Bis zu diesen Rohproteinwerten ist in der Regel auch ein Anstieg sowohl der Knollenerträge
als auch der geernteten Rohproteinmenge zu verzeichnen. Bei extrem hoher N-Ernährung und ent-
sprechend weiter ansteigenden Gehalten an Rohprotein fallen die Knollenerträge dann wieder ab.
Parallel zu den ansteigenden N-Gehalten ist ein immer kleiner werdender Anstieg der Gehalte an
Reinprotein zu erkennen (Abb. 5). Gleichzeitig nehmen aber die Konzentrationen an NPN-
Verbindungen überproportional zu. Durch diese typische entgegengesetzte Veränderung dieser bei-
den organischen N-Fraktionen ist daher infolge ansteigender N-Gehalte mit einer ausgeprägten Ab-
nahme des rel. Eiweißgehaltes zu rechnen.
Erfahrungsgemäß werden die höchsten Werte in der Eiweißqualität dann ermittelt, wenn der Quotient
aus Knollenertrag und Rohproteingehalten am größten ist. Dies ist in der Regel schon bei rel. niedri-
ger Stickstoffversorgung der Fall. Mit steigender N-Ernährung kommen abnehmende Werte in der
Eiweißqualität dadurch zustande, dass sich die Anteile an hochwertigen N-Verbindungen bzw. an
essentiellen Aminosäuren in der Fraktion der NPN-Verbindungen verringern. Gleichzeitig werden die
Anteile an NPN-Verbindungen im Verhältnis zu denen des Reinproteins deutlich erhöht. Dabei gibt es
innerhalb des Reinproteins kaum Verschiebungen in der chemischen Zusammensetzung, so dass
dessen hohe biologische Wertigkeit weitgehend konstant bleibt.
Eine steigende P-Versorgung (Praxisbereich: 0,2 - 0,4 % P) und eine entsprechende K-Versorgung
(1,5 - 2,8 % K) führen zwar gleichfalls zu typischen Veränderungen in der Zusammensetzung der N-
Komponenten, doch sind die Auswirkungen verglichen mit einer steigenden N-Versorgung nicht be-
sonders groß (Abb. 5).
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Abb. 5: Einfluss steigender NPK-Versorgung von Kartoffelknollen auf die Gehalte an Reinpro-
tein, NPN-Verbindungen und an rel. Eiweißanteilen (Rohprotein = 100)
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5. Lagerung
Die Gehalte an Rohprotein können sich im Verlauf der Lagerhaltung deutlich verändern. Einerseits
trägt z. B. eine hohe negative Wasserbilanz zu einer Anhebung dieser N-Verbindungen in den Knollen
bei. Andererseits steigen die Gehalte an Rohprotein auch dadurch langsam an, weil die Gehalte an
Stärke abnehmen, die zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse veratmet wird.
Dagegen ist der Einfluss der Lagerung auf die Zusammensetzung der organischen N-Verbindungen
zunächst nicht stark ausgeprägt. Dies trifft besonders für den Reinproteinanteil zu. Erst nach längerer
Lagerung, im Zuge verstärkter Keimung oder besonders nach dem Auspflanzen der Knollen, kommt
es zu Umschichtungen und zur Mobilisierung der N-Reserven für den Aufbau der neuen Pflanze. Die
Fraktion des Reinproteins nimmt dann ab, die der NPN-Verbindungen inkl. Transportformen des Stick-
stoffs nehmen stark zu.
6. Schlussfolgerungen
In diesem Artikel sind die Auswirkungen der Vegetationszeit, der Witterung und der Nährstoffversor-
gung auf die Gehalte an organisch gebundenen N-Verbindungen in Kartoffeln beschrieben worden.
Zur Gewichtung der untersuchten Einflussgrößen kann folgendes gesagt werden. Von der Witterung
sind es vor allen Dingen die Temperatur und die Niederschläge, durch die die Gehalte und die Zu-
sammensetzung des Rohproteins beeinflusst werden können. Hierbei ist zu bedenken, dass sowohl
die Niederschläge als auch eine Beregnung der Kulturen über den Weg einer unterschiedlichen Was-
serversorgung und Nährstoffverfügbarkeit des Bodens Einfluss ausüben.
Durch eine spezifisch ausgerichtete Düngung können Einflüsse unterschiedlicher Niederschläge aus-
geglichen werden. Besonders in Gebieten mit hohen Frühsommerniederschlägen sollte daher die N-
Düngung zu Kartoffeln aufgeteilt werden, damit das Risiko von N-Verlusten durch Verlagerung und
Auswaschung verringert wird. Auch eine Düngung in organischer Form mit Stallmist oder der Einsatz
von Nitrifikationshemmern sind hierbei günstig zu bewerten.
Von den Düngerarten hat natürlich die Stickstoffdüngung die größte Wirkung auf die Zunahme sowohl
der Gehalte als auch der geernteten Menge an Rohprotein, die Werte der Proteinqualität nehmen
dagegen ab. P- und K-Düngung haben demgegenüber einen vergleichsweise geringen Einfluss. Zur
Erzielung hoher Gehalte an Reinprotein sollte besonders auf eine gute K-Versorgung geachtet wer-
den.
Maßzahlen der Eiweißqualität, wie z.B. die biologische Wertigkeit oder der rel. Eiweißgehalt beginnen
schon nach rel. geringer N-Düngung abzusinken, so dass bei voller Ausschöpfung des Ertragspoten-
tials bis hin zum Ertragsmaximum im Allgemeinen immer mit einer rel. niedrigen Eiweißwertigkeit zu
rechnen ist. Das liegt daran, weil nach hoher N-Düngung der im Vergleich zur Ertragsentwicklung im
Überfluss aufgenommene Stickstoff vom pflanzlichen Stoffwechsel verarbeitet werden muss. Einer-
seits kann das in Form des Nitrats geschehen, das dann direkt von den Pflanzen gespeichert wird.
Andererseits kann der in Form des Ammoniums vorliegende Stickstoff nicht direkt gespeichert wer-
den, weil diese N-Form in den pflanzlichen Zellen toxisch wirkt. Diese N-Form muss vom pflanzlichen
Stoffwechsel erst sozusagen entgiftet werden. Eine "Entsorgung" geschieht vornehmlich durch Bil-
dung und Einlagerung von leicht zu synthetisierenden Aminosäuren und Säureamiden. Diese N-
Verbindungen sind aber gleichzeitig durch eine rel. geringe biologische Wertigkeit gekennzeichnet.
Lediglich bei extensiven Landbewirtschaftungsformen, wie z.B. dem ökologischen Landbau, ist der
Input besonders an stickstoffhaltigen Düngemitteln (inkl. N-Nachlieferung durch den Boden und Le-
guminosenanbau) z.T. deutlich reduziert. Dadurch befindet sich die Ertragserwartung noch auf einem
rel. steilen Bereich oder dem sog. linearen Bereich der Ertragskurve. Hierdurch wird dann zwar nur
ein mittleres Ertragsniveau erreicht, dies hat aber den Vorteil, dass die Kartoffelkulturen z.B. die witte-
rungsbedingten Unterschiede in der jährlichen N-Mineralisation besser ausnutzen und in Ertrag um-
setzen können. Die Kartoffelproduktion ökologisch wirtschaftender Betriebe ist daher in der Regel
nicht nur durch eine günstige N-Ausnutzung und eine geringe Umweltgefährdung, sondern auch
durch höhere Werte in der Proteinqualität in den geernteten Kartoffelknollen charakterisiert. Lediglich
bei Auftreten von starkem Insekten- oder Krankeitsbefall können diese Vorteile wieder zunichte ge-
macht werden.
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Eine weitere Möglichkeit des Landwirts den Gehalt und die Qualität des Proteins zu beeinflussen, ist
die Sortenwahl. Untersuchungen haben ergeben, dass besonders das Eiweiß als ein typisches Sor-
tenmerkmal anzusehen ist. Daher ist sowohl eine Einteilung der Kartoffelsorten nach ihrer Düngebe-
dürftigkeit als auch nach ihren Gehalten an Rohprotein sinnvoll. So könnten z.B. Wirtschaftssorten mit
hohen Stärkegehalten und rel. niedrigem N-Speichervermögen bei der Stärkegewinnung geringere
Probleme bezüglich der Entsorgung des N-haltigen Abfalls bereiten.
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