Titel der Doktorarbeit:

Fusarium infection of bread wheat and subsequent mycotoxin contamination of milling products: Impact on quality parameters and composition of flour

Fusarium-Befall an Brotweizen und Kontamination der Mahlprodukte mit Mykotoxinen: Auswirkungen auf Qualitätsparameter und die Zusammensetzung des Mehls

Abstract (ENG)

Fusarium head blight (FHB) of wheat is a worldwide occurring disease reducing both grain yield and wheat quality. Grain quality is primarily degraded because of mycotoxins produced by several Fusarium spp. So far, comparatively few studies focused on the impact of FHB on technological quality traits of wheat most using rather less practical samples. With the objective to gain naturally infected samples, a field experiment was conducted in 2007-2009 at two locations with two bread wheat cultivars differing widely in their susceptibility against FHB. They were grown after pre-crop winter wheat, maize, and sugar beet using minimum tillage. Three different fungicides, strobilurin, chlorthalonil, and triazole, were applied during shooting. Whole grain flour (WGF), flour Type 550, and bran were milled from cleaned wheat and investigated for Fusarium graminearum DNA (FgDNA) and Fusarium culmorum DNA (FcDNA) as well as mycotoxin content (deoxynivalenol (DON) and derivates, zearalenone (ZEA), nivalenol and derivates). FgDNA made up the major proportion of total Fusarium DNA (FgDNA + FcDNA), DON was the most frequently detected and quantitatively most important mycotoxin in all milling products. The occurrence and quantity of FgDNA and DON was significantly influenced by all experimental factors considered, particularly year. FgDNA content was highest in bran, followed by WGF and flour Type 550. On the contrary, DON content was equally high in bran and flour Type 550 and lowest in WGF, most likely due to tempering prior milling. FgDNA and DON generally correlated strongly with visual disease as well as with/among each other. About 30 parameters assessed the properties of flour, gluten, dough, and bread as well as the composition of flour, with particular focus on gluten proteins. With means of analysis of covariance with DON as covariate and subsequent linear regression the effect of Fusarium infection on quality traits and flour composition was investigated. A significant relationship between protein content of flour Type 550, sedimentation value, falling number, dough softening, baking volume, total gluten, total glutenin, HMW-GS, gluten composition (gliadin/glutenin, LMW/HMW), protease activity, and DON was found. The direction and strength of effects is discussed as well as the practical relevance for processing. In general, a clear effect of Fusarium infection on wheat quality could only be demonstrated within few flour samples highly exceeding EU maximum levels for DON. Consequently, these flours were not relevant for further processing and human consumption. Quantitative changes in wheat quality caused by fungal infection were overall insignificant for wheat processing. Based on our observations, the impact of Fusarium infection on technological wheat quality and flour composition seems insignificant in samples that contain less DON than demanded by EU.

Abstract (GER)

Fusarium head blight (FHB) an Weizen ist eine weltweit verbreitete Pilzkrankheit, die zu Ertragsverlusten und zu einer verminderten Kornqualität führt. Die Qualität des Weizens wird vor allem durch Mykotoxine beeinträchtigt, die von verschiedenen Fusarium spp. produziert werden. Bisher hat sich eine vergleichsweise geringe Anzahl an Studien mit der Auswirkung von FHB auf verarbeitungstechnische Parameter von Brotweizen beschäftigt. Eine reduzierte Backqualität wurde dort v.a. in weniger praxisrelevanten Proben gezeigt. Daher wurde ein Feldversuch über die Jahre 2007-2009 an zwei Standorten angelegt, in dem zwei Winterweizensorten der Qualitätsklasse B nach den Vorfrüchten Weizen, Mais, Zuckerrübe und reduzierter Bodenbearbeitung angebaut wurden. Beide Sorten unterschieden sich stark in ihrer Anfälligkeit gegenüber Ährenfusarium. Drei Fungizide der Wirkstoffklassen Strobilurin, Chlorthalonil und Triazol wurden während des Schossens appliziert. Aus dem gereinigten Ernteproben wurden jeweils ein Vollkornmehl (VK), ein Mehl der Type 550 und Kleie gewonnen. In den Mahlprodukten wurden der DNA-Gehalt von Fusarium graminearum (FgDNA) und Fusarium culmorum (FcDNA) sowie die Mykotoxingehalte (Deoxynivalenol (DON) und Derivate, Zearalenone (ZEA), Nivalenol und Derivate) bestimmt. Die FgDNA machte den Hauptanteil der gesamten Fusarium-DNA (FgDNA + FcDNA) aus. DON war das am häufigsten festgestellte und mengenmäßig bedeutendste Mykotoxin in allen Mahlprodukten. Das Vorkommen und die Menge von FgDNA und DON wurden signifikant durch alle berücksichtigten Versuchsfaktoren, insbesondere durch das Versuchsjahr, beeinflusst. Der FgDNA-Gehalt war in der Kleie am höchsten, gefolgt von VK und Mehl Type 550. Im Gegensatz dazu war der DON-Gehalt in Kleie und Mehl Type 550 etwa gleich hoch und signifikant höher als im VK, was möglicherweise auf das Netzen des Weizens vor der Vermahlung zurückzuführen ist. FgDNA und DON zeigten i.d.R. sowohl einen starken linearen Zusammenhang mit Befallsparametern aus dem Feld als auch mit- bzw. untereinander. 30 verschiedene Parameter wurden bestimmt, um die Eigenschaften der Mehle, des Glutens, der Teige und der Gebäcke zu charakterisieren und die Inhaltsstoffe der Mehle zu bestimmen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf den Gluten-Proteinen. Mittels Kovarianzanalyse (Kovariable: DON-Gehalt) und anschließender linearer Regression wurde der Einfluss des Fusarium-Befalls auf Qualitätsparameter und Mehlzusammensetzung untersucht. Es wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Proteingehalt der Mehl Type 550, dem Sedimentationswert, der Fallzahl, der Teigerweichung, dem Backvolumen, Gesamtgluten, HMW-GS, der Glutenzusammensetzung (Gliadin/Glutenin-, LMW/HMW-Verhältnis), der Proteaseaktivität und dem DON-Gehalt ermittelt. Die Richtung und die Stärke des Effektes sowie die praktische Relevanz der Veränderungen für die Verarbeitung des Weizens werden diskutiert. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich ein deutlicher Einfluss von Fusarium-Befalls v.a. in Proben zeigte, deren DON-Gehalte die maximalen Höchstmengen der EU für DON bei weitem überschritten. Diese Mehle waren daher ungeeignet für die weitere Verarbeitung und den menschlichen Verzehr. Die festgestellten quantitativen Veränderungen in den Qualitätsparametern waren im Wesentlichen ohne praktische Bedeutung. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Studie lässt sich ableiten, dass die Auswirkungen von Fusarium-Befall auf verarbeitungstechnische Parameter und die Mehlzusammensetzung des Weizens vernachlässigbar gering sind in Mehlen, deren DON-Gehalt innerhalb der gesetzlichen Vorgaben der EU liegen.