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Längere Saatgut-Haltbarkeit durch Wasserpotential

Längere Saatgut-Haltbarkeit durch Wasserpotential

Verlängerung der Haltbarkeit von Saatgut durch Kontrolle des Wasserpotentials

Drei Umweltfaktoren sind von grundlegender Bedeutung für die langfristige Lagerung von Saatgut: Wasser, Temperatur und Sauerstoff. In Bezug auf ihre Reaktion auf Wasser werden Samen in zwei Gruppen eingeteilt: orthodox und „recalcitrant“ (Roberts, 1973). Orthodoxe Samen können ohne Beschädigung bei einem niedrigen Wassergehalt getrocknet werden. Sogenannte „Recalcitrant-Seeds“ müssen feucht gelagert werden, da die Samen sonst an Trockenmortalität leiden, wenn sie ein kritisches Feuchtigkeitsniveau erreichen.

Wasserpotential vs. Wassergehalt

Zwei Messgrößen sind notwendig, um den Zustand des Wassers in Samen vollständig zu beschreiben. Das sind auf der einen Seite die Menge an Wasser im Samen und auf der anderen Seite der Energiestatus des Wassers.

Die Menge an Wasser im Saatgut ist dabei der Wassergehalt – also die Menge des Wassers, die durch einen bestimmten Trocknungsvorgang verloren geht, geteilt durch die nasse oder trockene Masse des Samens. Dieses Verhältnis wird manchmal mit 100 multipliziert, um den Wassergehalt in Prozent auszudrücken. Der Energiestatus kann in Bezug auf die Wasseraktivität oder das Wasserpotential der Samen ausgedrückt werden. Für praktische Zwecke kann die Wasseraktivität der relativen Feuchtigkeit der Luft gleichgesetzt werden, die in punkto Feuchtigkeit und Temperatur im Gleichgewicht mit den Samen ist.
Das Wasserpotential ist die potentielle Energie pro Volumeneinheit Wasser in den Samen. Es ist gleich der Arbeit, die pro Volumeneinheit Wasser benötigt wird, um ein infinitesimales Wasservolumen aus dem Saatgut zu bewegen. Andere Begriffe, die auf das Wasserpotential angewendet werden, sind das chemische Potential oder teilweise auch die spezifische Gibbs’sche freie Energie des Wassers.

Bei einer Probe mit einer bestimmten Temperatur kann der Zusammenhang zwischen Wasserpotential mit der Wasseraktivität durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Formle 1

Hierbei ist R die universelle Gaskonstante ist, T die Temperatur in Kelvin  und Mw die molekulare Masse von Wasser.

Die Wasseraktivität in 5 Minuten messen

Wasseraktivität und Wasserpotential werden durch Äquilibrieren einer Saatprobe in einer versiegelten Kammer und durch Messen der relativen Feuchtigkeit des Kopfraumes bestimmt. Die Wasseraktivität ist gleich der relativen Feuchtigkeit – korrigiert für jede Temperaturdifferenz zwischen dem Sensor und der Probe. Das Wasserpotential wird mit Gleichung 1 berechnet. Für die Messungen eignet sich das Serie 4TE Wasseraktivitäts-Messgerät der METER Group hervorragend. Es äquilibriert etwa 5 Gramm Material in einer Probenkammer und bestimmt die Wasseraktivität mit einem gekühlten Taupunktspiegel-Sensor, der eine höchstmögliche Genauigkeit sicherstellt. Die Probentemperatur wird mit einem Infrarot-Thermometer gemessen und zur Korrektur der Messwerte für Temperaturunterschiede verwendet. In nur 5 Minuten ist diese Messung fertig und Sie haben Ihr Ergebnis

Isotherme unterscheiden sich

Wenn sich der Wassergehalt der Samen ändert, ändert sich auch ihre Wasseraktivität. Für eine bestimmte Samenprobe, mit einer feststehenden Benetzung, gibt es eine spezielle Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasseraktivität, die sogenannten Isotherme (Roberts und Ellis, 1989). Hat man die Isotherme für eine bestimmte Probe, spielt es keine Rolle mehr, ob der Wassergehalt oder die Wasseraktivität gemessen wird, da die Isotherme es erlauben, auf die jeweils andere Größe zu schließen. Ist keine Isotherme vorhanden, muss man bestimmen, welche der beiden Variablen für den Prozess wichtiger ist und diese messen. Jede Isotherme ist einzigartig und es gibt keine Umwandlungen von einer in die andere.

Tabelle 1 zeigt Daten für Raps (ein öliges Saatgut) und Weizen (ein nicht-öliges Saatgut). Wie man sehen kann, hat Raps gegenüber Weizen einen viel niedrigeren Wassergehalt bei allen Wasseraktivitäten gezeigt. Die Tabelle zeigt auch die entsprechenden Wasserpotentiale. Offensichtlich unterscheiden sich Isotherme erheblich von Art zu Art. Sie können sich sogar auch erheblich von Saatgutsorte zu Saatgutsorte unterscheiden – je nach Umgebung, in der das Saatgut produziert wurde, und je nach Temperatur der Isotherm-Messung. Roberts (1972) hat umfangreiche Tabellen über die Wasseraktivität und den Wassergehalt der Samen veröffentlicht.

 

 

Water ActivityWater Potential (MPa)Rape Water Content (g/g)Wheat Water Content (g/g)
0.10-3140.0310.060
0.20-2190.0390.080
0.30-1640.0450.093
0.40-1250.0520.106
0.50-94.40.0600.120
0.60-69.60.0690.132
0.70-48.60.0800.147
0.80-30.40.0930.163
0.90-14.30.1210.215
Table 1. Water activity, water potential (Equation 1), and water contents of rape (Brassica napus) and wheat (Triticum vulgare). Water content data are from Roberts (1972).

Auf der anderen Seite zeigen Roberts und Ellis (1989), dass die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Haltbarkeit linear und innerhalb einer Art ähnlich ist. Dies ist natürlich zu erwarten, denn die Wasseraktivität bestimmt die Verfügbarkeit des Wassers für chemische und physikalische Prozesse. Die Beschreibung des Saatgut-Wasserstatus mit der Wasseraktivität hat daher einen enormen Vorteil gegenüber der Verwendung des Wassergehalts. Spezifische Tests einzelner Saatgutpartien sind nicht notwendig, zudem wird die allgemeine und einfache (lineare) Beziehung zwischen Haltbarkeit und dem Saatgut-Wasserstatus hergestellt.

Wasseraktivität für maximale Haltbarkeit.

Roberts und Ellis (1989) zeigen, dass die Lebensfähigkeit von orthodoxem Saatgut mit zunehmendem Wasserpotential zwischen Wasserpotentialen von -350 MPa und -14 MPa abnimmt. Diese Werte entsprechen etwa den Wasseraktivitäten von 0,1 und 0,9 (10% und 90% rF). Unter -350 MPa (0,077 aw) gibt es mit abnehmender Feuchtigkeit wenig Einfluss auf die Haltbarkeit. Das deutet darauf hin, dass diese untere Grenze einem Wassergehalt von 2 bis 6% entspricht. Eine einfache und schnelle Wasseraktivitätsmessung liefert also die benötigten Informationen, um zu wissen, ob Samen bei optimaler Feuchtigkeit für eine Lagerung geeignet ist. Es bedarf jedoch einer aufwendigen Forschung und Messung um herauszufinden, welcher Wassergehalt am besten ist.

Komplikationen aus Samenschichten

Der Wassergehalt eignet sich noch weniger zur Bestimmung der Saatfeuchtigkeit, wenn die Samen beschichtet sind. Saatgut und Hülsen können die gleiche Wasseraktivität haben, aber sehr unterschiedliche Wassergehalte. Die Masse der Hülse ist oft ein Vielfaches der Masse des eingeschlossenen Saatguts, und die Isotherme für das Beschichtungsmaterial sind völlig anders als die des Saatguts. Die Wasseraktivität ist die treibende Kraft für die Feuchtigkeitsmigration. Sind Samen also beschichtet, bestimmt die Wasseraktivität des Samen-Beschichtungs-Gleichgewichts am besten die Langlebigkeit.

Wenn zum Beispiel das Saatgut und die Beschichtung eine Wasseraktivität von 0,10 aufweisen, kann der Wassergehalt des Samens 0,06 g/g betragen, während der Wassergehalt der Beschichtung 0,02 g/g ist. Da die Beschichtungsmasse so viel größer ist als die Saatmasse, würde der Gesamtwassergehalt nahe bei 0,02 g/g liegen. Wenn die Spezifikation für eine sichere Saatgutlagerung einen Wassergehalt des Saatguts bei unter 0,06 g/g erfordert und das beschichtete Saatgut nur auf 0,06 g/g getrocknet wurde, ist die Wasseraktivität für eine sichere Lagerung deutlich zu hoch.

Die Messung des Wassergehalts eines beschichteten Saatguts ist nahezu nutzlos, wenn man wissen will, ob ein bestimmter Saattrocknungsvorgang für diese Art ideal ist. Wird andererseits eine Wasseraktivität unter 0,1 für eine sichere Lagerung gefordert, werden die Samen und ihre Beschichtungen einfach auf diese Wasseraktivität getrocknet und gelagert. Die Wasseraktivität im Saatgut und die Beschichtung ist gleich und lässt sich bei beiden ohne Vorbehandlung leicht messen.

Wasseraktivität: der schlauere Weg, um Feuchtigkeit zu messen.

Die Feuchtigkeit des Saatgutes kann in Form von Wassergehalt oder Wasseraktivität (Wasserpotential) beschrieben werden. Aus historischen Gründen wird die Wasseraktivität nicht häufig verwendet, hat jedoch mehrere Vorteile für die Festlegung von Bedingungen im Zusammenhang mit der Langlebigkeit der Samen. der wichtigste Vorteil ist, dass es einen direkten und unmissverständlichen Zusammenhang mit der Haltbarkeit gibt und kritische Punkte für verschiedene Arten ähnlich sind. Kritische Punkte sind auch bei beschichteten und unbeschichteten Samen ähnlich – nur den Wassergehalt zu kennen reicht also lange nicht. Wasseraktivitätsmessungen mit der Serie 4TE der METER Group sind dabei schneller, einfacher und informativer als reine Wassergehaltsmessungen.

Referenzen:

Roberts, E.H. 1972. Viability of Seeds. Chapman and Hall, London

Roberts, E.H. 1973. Predicting the storage life of seeds. Seed Science and Technology 1:499-514

Roberts, E.H. and R.H. Ellis. 1989. Water and seed survival. Annals of Botany 63:39-52.

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