Den invasiva blomsterlupinens (Lupinus polyphyllus) spridning i Sverige är ett hot mot många inhemska växtarters överlevnad. Det är oklart hur den pågående globala uppvärmningen kan komma påverka artens invasionsframgångar. I det här kandidatarbetet har jag därför studerat hur blomsterlupinens tillväxt och fenologi varierar längs latitud i Europa i syfte med att avgöra om arten visar fitnesskillnader beroende på temperatur. Tjugo populationer från Trier (Tyskland) i söder till Umeå (Sverige) i norr följdes under en växtsäsong och data på blomsterlupinplantornas höjd samt blomställningarnas längd samlades in. Regressionsanalysen visade att det inte fanns något signifikant skillnad mellan latitud och ovanjordisk biomassa eller blomställningens längd. Däremot utvecklades den reproduktiva biomassan tidigare i växtsäsongen i de lägre breddgraderna i Europa jämfört med de högre. Studien ger en indikation om att ett varmare klimat kan ha en viss positiv påverkan på blomsterlupinens reproduktion och spridning. De lokala mikroklimatiska effekterna verkar dock ha en stor påverkan på dess relativa fitness, vilket betyder att vissa populationer kan gynnas mer än andra. Utbredningsområdet kan komma utökas mer norrut när stigande temperaturer och färre frostdagar gör nya områden tillgängliga för arten. / The spread of the invasive garden lupin (Lupinus polyphyllus) in Sweden threatens the survival of many native plant species. It is unclear how ongoing global warming may affect the species' invasion success. In this Bachelors essay I have therefore studied how the growth and phenology of the garden lupin varies with latitude in Europe to determine if the species shows any fitness differences depending on the temperature. Twenty garden lupin populations from Trier (Germany) in the south to Umeå (Sweden) in the north were followed during a single growing season and data on the plant’s height and the length of the inflorescences were collected. Regression analysis showed that there was no relationship between latitude and aboveground biomass or length of inflorescence. Reproductive biomass, on the other hand, developed earlier in the growing season at lower latitudes than at higher ones. The study indicates that a warmer climate may have a positive effect on the reproduction and spread of the garden lupin. Local microclimatic effects appear to have a major impact on its relative fitness though, which means that some populations may benefit more than others. The species’ range may expand further north as rising temperatures and fewer frost days make new areas available for the species.

L’alimentazione proteica risulta di fondamentale importanza per l’ottimizzazione della produttività e per il benessere degli animali di interesse zootecnico. L’identificazione di fonti vegetali alternative e/o complementari a quelle attualmente utilizzate (soia in primis) nel razionamento degli animali si rende necessaria per motivi economici, ambientali e legislativi, cercando di evitare, tuttavia, penalizzazioni sull’appetibilità della razione e sulla risposta produttiva. La ricerca condotta ha riguardato lo studio della composizione nutrizionale di semi di cece (Cicer arietinum) e lupino azzurro (Lupinus angustifolius), con approfondimenti sul contenuto di composti nutrizionalmente attivi e/o antinutrizionali, la valutazione della fermentescibilità ruminale mediante tecniche in vitro, anche alla luce di possibili interazioni genetiche (varietà e linee genetiche) e colturali (epoca e densità di semina). I risultati ottenuti hanno permesso di comprendere eventuali limiti di utilizzo di tali leguminose per l’alimentazione degli animali, in particolar modo dei ruminanti, e di attribuire le fonti di variabilità per la massimizzazione produttiva e qualitativa. / Ruminants protein nutrition is an essential item for optimizing the productivity and welfare of animals. The identification of pulses sources as alternative or complementary to those currently used (primarily soya) in the ration of ruminants is necessary for economic, environmental and legislative reasons, trying to avoid, however, penalties on palatability and productive response. The research focused on the study of the nutritional composition of seeds of chickpea (Cicer arietinum) and blue lupine (Lupinus angustifolius), with insights on the content of nutritionally active compounds and / or antinutritionals, the evaluation of the ruminal fermentability using in vitro techniques, also considering possible genetic interactions (varieties and genetic lines) and farming practices (time and density of sowing). The results of the present study suggest that these pulses could be a potentially good feedstuff contributing at the same time to the energy and protein balance of animal diet. Moreover, the presence of active compounds like tannins at levels that should not be regarded as anti-nutritional, can be useful in ruminant feeding due to the moderating activities exerted by those compounds toward the ruminal degradation of proteins.

The diploma thesis deals with the development of the market for protein crops. The literature research deals one hand with the distribution and morphology of legumes, and on second hand with the structure and chemical composition of seeds of selected species (pea, soybean and lupine). The literature research also covers the production of protein concentrates and their commercialization. The practical part is mainly engaged in the analysis of market developments of selected species of legumes in the Czech Republic, especially during the years 2000 - 2015, in comparison with the market development of the individual European states (Germany, Austria, Poland, Slovakia and France). The outcome of this diploma thesis is the ordination of statistical data available in clear graphical and tabular outputs, it does not miss time series evaluation of development of individual crops in both the Czech Republic and other selected countries.

Nach den Ergebnissen der zweiten Nationalen Verzehrsstudie sind in Deutschland bereits 66 % der Männer und 51 % der Frauen übergewichtig (BMI > 25) oder adipös (BMI > 30) [BMELV, 2008]. Bisher auf dem Markt befindliche „Light-Lebensmittel“ mit Fettaustausch- bzw. Fettersatzstoffen weisen jedoch häufig sensorische Mängel auf. Im Kooperationsprojekt „Pflanzliche Fettaustauschstoffe aus sphärischen Proteinmizellen“ (Universität Leipzig: Institut für Lebensmittelhygiene; Freising: Fraunhofer IVV) wurde ein Lupinenproteinisolat entwickelt, welches micellare Strukturen mit hydrophober Oberfläche ausbilden kann und sich aufgrund seiner fettähnlichen Eigenschaften als neuer proteinbasierter Fettaustauschstoff in Lebensmitteln eignet. Aufgrund der geringen mikrobiologischen Stabilität und einer hohen Belastung mit sporenbildenden Bakterien, z. T. Bacillus cereus, waren jedoch Maßnahmen zur Entkeimung der Rohstoffe sowie des Proteinisolats notwendig. Die Arbeit stellt diese Maßnahmen und deren Einfluss auf die mikrobiologische Beschaffenheit sowie sensorische, technofunktionelle und ausgewählte ernährungsphysiologische Eigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine physikalische Methode der Saatgutentkeimung etabliert (130 °C/60 min), welche die mikrobielle Stabilisierung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes sicherstellte, wobei die sensorische Qualität (Geschmack, Cremigkeit, Farbe) nur minimal, die ernährungsphysiologische (in-vitro-Verdaubarkeit, Maillard-Produkte, Polyphenolgehalt) jedoch nicht beeinflusst wurde. Starke Veränderungen der technofunktionellen Eigenschaften (z. B. Gelbildung, Wasserbindung, Emulgierbarkeit, Schaumbildung etc.) konnten sowohl im positiven als auch im negativen Sinne nicht beschrieben werden. Lichtmikroskopische Aufnahmen und Untersuchungen der Proteine mittels SDS-PAGE und DSC bestätigten eine nur geringfügige Beeinflussung der micellaren Struktur und Proteinzusammensetzung. Die Anwendung als Fettaustauschstoff in Lebensmitteln würde somit nicht beeinträchtigt. Der Einfluss der Saatgutbehandlung auf das Protein war wesentlich geringer als eine direkte thermische Behandlung des Proteinisolats. Im Hinblick auf den Gesamtprozess sollte eine Pasteurisierung der feuchten Proteinisolate im nichtproteinschädigenden Temperaturbereich (75 °C/5 min) dennoch durchgeführt werden, um während des Prozesses eingetragene Mikroorganismen zu inaktivieren.

Invasiva arter är ett stort hot mot den biologiska mångfalden världen över och den invasiva blomsterlupinen bidrar till minskad biodiversitet i de miljöer som den invaderar. Den är ett stort hot mot organismer i artrika infrastrukturmiljöer såsom artrika vägkanterna, vilka innehar en hög biologisk mångfald med hotade och sällsynta arter. I denna studie används GIS (Geografiskt informationssystem) för att undersöka blomsterlupinernas utbredning längsmed vägnätet i Jämtlands län. Resultatet visar att icke artrika vägkanter har en större andel vägkant med förekomst av blomsterlupiner än artrika vägkanter. Det finns ingen skillnad mellan artrika vägkanter med en bedömd högre värdeklass än artrika vägkanter med en bedömd lägre värdeklass vad gällande andelen vägkant med förekomst av blomsterlupiner. Att urskilja bakomliggande orsaker till det framkomna resultatet är problematiskt eftersom vägkanterna är heterogena miljöer som dessutom påverkas av många abiotiska och biotiska faktorer. Förekomsten av störningar snarare än biotisk resistens framhålls som tänkbar förklaring och utpekas som en inriktning för vidare forskning kring spridningen av blomsterlupiner inom vägnätet. / Invasive species are a major threat for biodiversity worldwide and the invasive Garden Lupine has shown to decrease biodiversity in the environments it invades. The invasion of Garden Lupines threatens infrastructure habitats, such as species rich road verges, which possess a high biodiversity with endangered and rare species. In this study, I used GIS (Geographic Information System) to investigate the spread of the Garden Lupine along the road network in the Swedish county of Jämtland. The result shows that non species-rich road verges have a larger proportion of road sections with occurrence of Garden Lupine than species rich road verges. A comparison between higher status species-rich road verges and lower status species rich road verges showed no difference in the proportion of the road section that contain Garden Lupine. Distinguishing the underlying causes to the result is problematic since road verges are heterogenic habitats under influence of a large variety of abiotic, biotic and anthropogenic factors. The presence of disturbances is a more likely explanation to the occurrence patterns than biotic resistance. This would also be a potential direction for further research concerning the spread of Garden Lupines along road verges.

Nach den Ergebnissen der zweiten Nationalen Verzehrsstudie sind in Deutschland bereits 66 % der Männer und 51 % der Frauen übergewichtig (BMI > 25) oder adipös (BMI > 30) [BMELV, 2008]. Bisher auf dem Markt befindliche „Light-Lebensmittel“ mit Fettaustausch- bzw. Fettersatzstoffen weisen jedoch häufig sensorische Mängel auf. Im Kooperationsprojekt „Pflanzliche Fettaustauschstoffe aus sphärischen Proteinmizellen“ (Universität Leipzig: Institut für Lebensmittelhygiene; Freising: Fraunhofer IVV) wurde ein Lupinenproteinisolat entwickelt, welches micellare Strukturen mit hydrophober Oberfläche ausbilden kann und sich aufgrund seiner fettähnlichen Eigenschaften als neuer proteinbasierter Fettaustauschstoff in Lebensmitteln eignet. Aufgrund der geringen mikrobiologischen Stabilität und einer hohen Belastung mit sporenbildenden Bakterien, z. T. Bacillus cereus, waren jedoch Maßnahmen zur Entkeimung der Rohstoffe sowie des Proteinisolats notwendig. Die Arbeit stellt diese Maßnahmen und deren Einfluss auf die mikrobiologische Beschaffenheit sowie sensorische, technofunktionelle und ausgewählte ernährungsphysiologische Eigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine physikalische Methode der Saatgutentkeimung etabliert (130 °C/60 min), welche die mikrobielle Stabilisierung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes sicherstellte, wobei die sensorische Qualität (Geschmack, Cremigkeit, Farbe) nur minimal, die ernährungsphysiologische (in-vitro-Verdaubarkeit, Maillard-Produkte, Polyphenolgehalt) jedoch nicht beeinflusst wurde. Starke Veränderungen der technofunktionellen Eigenschaften (z. B. Gelbildung, Wasserbindung, Emulgierbarkeit, Schaumbildung etc.) konnten sowohl im positiven als auch im negativen Sinne nicht beschrieben werden. Lichtmikroskopische Aufnahmen und Untersuchungen der Proteine mittels SDS-PAGE und DSC bestätigten eine nur geringfügige Beeinflussung der micellaren Struktur und Proteinzusammensetzung. Die Anwendung als Fettaustauschstoff in Lebensmitteln würde somit nicht beeinträchtigt. Der Einfluss der Saatgutbehandlung auf das Protein war wesentlich geringer als eine direkte thermische Behandlung des Proteinisolats. Im Hinblick auf den Gesamtprozess sollte eine Pasteurisierung der feuchten Proteinisolate im nichtproteinschädigenden Temperaturbereich (75 °C/5 min) dennoch durchgeführt werden, um während des Prozesses eingetragene Mikroorganismen zu inaktivieren.:1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Stand des Wissens 4 2.1 Die Lupine 4 2.1.1 Anbau und Verbreitung 4 2.1.2 Einsatz von Lupinenprodukten und -proteinen in der Humanernährung 5 2.1.3 Inhaltsstoffe und deren Verteilung 5 2.1.4 Lupinenproteine 10 2.1.4.1 Einteilung und Struktur der Lupinenproteine 10 2.1.4.2 Lupinenproteine und Allergenität 12 2.1.5 Eigenschaften der verschiedenen Lupinenproteinfraktionen 13 2.1.5.1 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 13 2.1.5.2 Funktionelle Eigenschaften 15 2.1.5.3 Modifikation der Proteinstruktur 15 2.1.5.4 Herstellung verschiedener Lupinenproteinpräparate 16 2.1.5.5 Micellare Proteine 17 2.2 Möglichkeiten der Fettreduktion in Lebensmitteln 18 2.2.1 Fettaustauschstoffe 18 2.2.1.1 Fettaustauschstoffe auf Proteinbasis (Mikropartikulierte Proteine) 18 2.2.1.2 Fettaustauschstoffe auf Kohlenhydratbasis 19 2.2.1.3 Quellstoffe 19 2.2.2 Fettersatzstoffe 19 2.2.2.1 Spezielle Triglyceride 20 2.2.2.2 Kohlenhydratpolyester 20 2.2.2.3 Retrofette 20 2.3 Herstellung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes 20 2.4 Saatgutbehandlung 21 2.4.1 Methoden der Lebensmittelkonservierung 22 2.5 Proteinfunktionalität 25 2.5.1 Definition und Zusammenhang zu Proteinen 25 2.5.2 Ausgewählte funktionelle Eigenschaften 26 2.5.2.1 Wasserbindevermögen 26 2.5.2.2 Ölbindevermögen 26 2.5.2.3 Löslichkeit 27 2.5.2.4 Emulgiervermögen 27 2.5.2.5 Schaumbildungsvermögen 28 2.5.2.6 Gelbildungsvermögen 29 2.5.2.7 Oberflächenhydrophobität 30 2.5.2.8 Bedeutung für die Lebensmittelentwicklung 30 3 Material und Methoden 32 3.1 Material 32 3.1.1 Saatgut 32 3.1.2 Geräte, Chemikalien, Verbrauchsmaterial, Software 32 3.1.3 Pufferlösungen 39 3.1.4 Herstellung Bradford-Reagenz, 5-fach 39 3.1.5 Auswahl der Vergleichssubstanzen 39 3.2 Methoden 40 3.2.1 Herstellung der Proteinisolate 40 3.2.2 Mikrobiologische Analysen 41 3.2.3 Bestimmung der Trockenmasse 41 3.2.4 Bestimmung des Proteingehalts 42 3.2.5 Thermische Behandlungsmethoden im Prozess 42 3.2.5.1 UHT-Erhitzung des Extraktes 42 3.2.5.2 Pasteurisierung des Isolats 44 3.2.6 Saatgutentkeimung 44 3.2.6.1 UVC-Bestrahlung 44 3.2.6.2 Trockene Erhitzung 45 3.2.6.3 Autoklavieren 46 3.2.7 Sensorische Untersuchungen 46 3.2.8 Proteinfunktionalität 47 3.2.8.1 Ölbindevermögen 47 3.2.8.2 Wasserbindevermögen 47 3.2.8.3 Gelbildungsvermögen 47 3.2.8.4 Emulgiereigenschaften 47 3.2.8.5 Schaumbildungsvermögen 48 3.2.8.6 Proteinlöslichkeit 48 3.2.8.7 Oberflächenhydrophobität 49 3.2.9 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 50 3.2.9.1 in-vitro-Verdaubarkeit 50 3.2.9.2 Maillard-Produkte 50 3.2.9.3 Nachweis reduzierender Zucker .50 3.2.9.4 Nachweis von Glykoproteinen 50 3.2.9.5 Polyphenolgehalt der Lupinenflocken und Proteinisolate 51 3.2.10 Proteincharakterisierung 51 3.2.10.1 Lichtmikroskopie 51 3.2.10.2 Dynamische Differenzkalorimetrie 51 3.2.10.3 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese 52 4 Ergebnisse und Diskussion 54 4.1 Thermische Behandlungsmethoden im Prozess 54 4.1.1 UHT-Erhitzung des Extraktes: Einfluss auf Mikrobiologie und Proteinausbeute 54 4.1.2 Pasteurisierungsversuche: Einfluss auf Mikrobiologie und Proteinqualität 55 4.2 Saatgutentkeimung - Mikrobiologie und Proteinausbeute 56 4.2.1 Versuchsreihe I 56 4.2.2 Versuchsreihe II 61 4.3 Sensorische Untersuchungen 63 4.3.1 Verkostungen 64 4.3.2 Farbmessung der Proteinisolate und Flocken 65 4.4 Proteinfunktionalität 69 4.4.1 Wasser- und Ölbindevermögen 69 4.4.2 Gelbildungsvermögen 72 4.4.3 Emulgiereigenschaften 74 4.4.4 Schaumbildungsvermögen 78 4.4.5 Proteinlöslichkeit 81 4.4.6 Oberflächenhydrophobität 83 4.5 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 86 4.5.1 Maillard-Produkte 86 4.5.2 Nachweis reduzierender Zucker 87 4.5.3 Nachweis von Glykoproteinen 87 4.5.4 Verdaubarkeit 88 4.5.5 Polyphenolgehalte 89 4.6 Proteincharakterisierung 91 4.6.1 Lichtmikroskopie 91 4.6.2 Dynamische Differenzkalorimetrie 95 4.6.3 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese 98 5 Zusammenfassung 105 Anhang 109