Studien Ober Pflanzenkolloide XXVl. Die Beziehungen zwischen Phosphor und Stickstoff in der Kartoffel- und Weizenst~rke.

Von M. S a m e c . (Nach Versuchen von W. B e n i g e r . )

(Aus dem Chemischen Institut der KSnig-Alexander-Universitiit in Laibach, Jugoslawien.)

(Eingegangen am II. April 1931.)

Stlirken verschiedener Pflanzen verhalten sich, t rotzdem sie teil- weise einen ziemlich gleichen Gehalt an nichtentfernbarem Phosphor enthalten, elektrochemisch und kolloidchemisch recht verschieden. 1) Beim n52heren Studium dieser Verh~iltnisse 2) kamen wir zu der Ansicht, dab vielfach stickstoffhaltige Begleitsubstanzen die freie elektro- chcmische Bet~ttigung des Phosphors hemmen. Es sprachen Anzeichen dafiir, dab in Kleistern von WeizenstRrke aut3er einfachen salzartigen Gebilden noch andere Kombinationen zwischen dem Polysaccharid, dem phosphors~iure- und dem stickstoffhaltigen Anteil vorhanden sein mtissen. Dies schien vor allem aus dem quanti tat iven Vergleich

jener Eigenschaften zu folgen, welche Weizenst~irke nach der Vor- behandlung mit verschiedenen Enteiweiflungsrnitteln "zeigt. a)

Die Vorbehandlung der Weizenst~irke mit eiwciflRisenden Mitteln bedingt n~imlich eine ungleiche Beeinflussung des P- und N-Gehaltes. So beobachteten wit seinerzeit am Weizenamylopektin (1/2 Stunde bci 120 ~ gclOst und elektrodialysiert) Vcrh~tltnisse, wie sic Tabelle I wiedergibt.

x) M. Samec, M. Mina je f f u. N. Roniin, KoUoidchem. Beih. 19, 203 (1924).

~) M. Samec, Biochem. Zeitschr. 186, 337 (1927); M. Samec u. M. Blinc, Kolloidchem. Beih. 30, 163 (1930).

a) Vgl. Tabelle XIII in M. Samec, Biochem. Zeitschr. 186, 358 (1927).

96 KOLLOIDCHEMISCHE BE1HF:P-IP5 BAND XXXll l , HEFT 1--4

T a b e l l e I.

P h o s p h o r u n d S t i c k s t o f f im W e i z e n a m y l o p e k t i n .

Nat iv . . . . . . . .

GewasChen mit 1Proz . N H 8. . .

Gewaschen mit 5 . 10"~n K O H .

Gewaschen mit Pepsin-SalzsS.ure

P~O 5 N t)

in Prozenten der Trockensubstanz

Atom- verh~iltnis

P : N

0,108 0,058

0,094 0,041

0,073 0,021

0,116 0,028

Beschaffenheit des Amylopektins

1 : 2,8

1 : 2,2

1 : 1,5

1 : 1,2

weiff, undurchsich- rig, nicht klebrig

:weiff, etwas durch- scheinend, klebrig

durehscheinend, sehr klebrig

sehr viskos

Pepsin-Salzs~ure z. B. driickt den Stickstoffgehalt auf den halben

Wert ohne den Phosphorgehal t zu vermindern, verdtinnte Kalilauge

aber 15st e twa 25 Proz. des anfS.nglich gebundenen Phosphors und

entfernt 63 Proz. des Stickstoffs.

Es folgt schon aus diesen Zahlen, dab bei Kartoffelst~rke und bei WeizenstS~rke ein erheblicher Unterschied der Resistenz des Phosphors

bestehen muff. Noch deutlicher zeigt sich dies bei Beobachtungen, welehe

.wir bei der Fortf t ihrung der diesbeztigliehen Versuche gesammelt haben.

Zur Ent fernung von Eiweiffk6rpern aus der St~rke wurden in der

letzten Zeit namentl ich zwei Methoden empfohlen. L. M 6 s e r ~) ar- beitete mit alkoholischer Kali- oder Natronlauge, W. H. U h l a n d a)

mit Hypochlori t l6sungen mit 1 - -2 Proz. akt ivem Chlor.

Wir fiberprfiften diese beiden Methoden und kamen tatsS~chlich

zu einer wesentlichen Erniedrigung des Stickstoffgehaltes (Tabelle II),

jedoch bei aller Mtihe nicht zu v611ig stickstoffreien St~rken. 4)

1) Stickstoffbestimmung: 1--2 g Substanz wurden mit 2 g einer Mischung von Kupfersulfat und Kaliumsulfat und 15 cm 3 konzentrierter Schwefelsiiure verbrannt, parallel damit mindestens zwei Leerproben (H 2 S 04 + Cu S O 4 + K 2 S 04 ohne Substanz) ebensolange erhitzt wie die kjeldalisierte Substanz (8-10 Stunden). Die Destillation wurde nach Preg l ausgefiihrt (Silberrohr) und die vorgelegte Siiure mit Methylrot titriert. Die bei den Blindproben erhaltenen Werte wurden beriicksichtigt. Bei geniigender Sorgfalt stimmen die Resultate auf -t-0,0002 Proz. N.

*) L. MSser, Zeitschr. ,f. Hygiene u. Infektionskrankh. 83, 113 (1917), C. 17, 1, 437.

3) W. H. Uh l a nd , F. P. 641277 C; Chem. Zentralbl. I, 313 (1929). 4) Der Grund mag vielleicht in einer Ablagerung von Ammonsalzen aus

der Laboratoriumsluft liegen. Vgl. L. M6ser , loc. cit.

SAMEC, STUDIEN 0BER PFLANZENKOLLOIDE XXVI 97

T a b e l l e II. S t i c k s t o f f g e h a l t der K a r t o f f e l - u n d n a c h v e r s c h i e d e n e r V o r b e h a n d l u n g

T r o c k e n s u b s t a n z ) .

W e i z e n s t ~ r k e k S r n e r (in P r o z e n t e n de r

URge- waschen

Mit NaOC1 gewaschen; aktives CI=

0,24 Proz. 0,4 Proz.

Kartoffel- 0,011 st~irke . . . 0,009

Weizenst~irke 0,048

0,012

Gewaschen mit

wiisseriger I alko- 5 �9 10 .3 n holischer

1,2 Proz. K O H K O H

0,004 0,007 bis bis

0,001 ~1 0,0089

- - O, 6 0,012

Die mit Natriumhypochlori t gewaschenen KSrner 1) zeigen am Kornkern kleine Risse, im Wesentlichen ist ihr Aufbau jedoch un- ver/~ndert, da sie bei mikroskopischer Betrachtung unter gekreuzten Nikols noch das typische schwarze Kreuz aufweisen.

Die St~rke hat bei dieser Behandlung eine deutlich saure Reaktion angenommen; dementsprechend sind ihre LSsungen dtinnfltissig und lassen sich elektrodialytisch nur schlecht zerlegen. Wir wuschen eine Probe dieser St/~rke mit 1/1000n K O H , bis die alkalische Reaktion bestehen blieb, entfernten die tiberschtissige Lauge durch Waschen mit Wasser (welches solange gewechselt wurde, bis das Waschwasser die Reaktion des Laboratoriumswasser angenommen hatte [P~I ----- 6]). Auch solcherart bereitete St~rke gab dtinne und relativ stark saute LSsungen (PH = 4,5 in 2 Proz.), aus welcher befriedigende Amylo- pektinabseheidungen nicht zu erzielen waren. Es scheint eine weit- gehende Umformung in 15sliehe St~trke erfolgt zu sein. Die Bildung 15slicher Stiirken durch Oxydationsmittel ist ja hinllinglich bekanntfl)

1) Die HypochloritlSsung wurde stets frisch bereitet, indem wir in ver- dflnnte Natronlauge (22 g pro Liter) etwa 4 Stunden gewaschenes Chlor ein- leiteten. Der Gehalt an aktivem C1 wurde jodometrisch ermittelt. Je 100 g Stiirke wurden mit 300 cm 3 HypochlorlSsung 17 Stunden unter hiiufigem Um- rfihren behandelt, dann mit destilliertem Wasser bei t~iglich mehrmaligem Wasserwechsel chlorfrei gewaschen (etwa 10 Tage). Die Stiirke wurde nun durch Turbinieren in destilliertem Wasser in Schwebe gehalten und die Suspension elektrodialysiert, bis das Anodenwasser keine Chlorreaktion mehr gab. Die abgepregte Stiirke wurde zuerst 6 Stunden an der Luft, dann bei 40 o im Vakuum fiber Schwefelsiiure getrocknet. Sie ist iiugerlich von gew6hn- licher Stiirke nicht zu unterscheiden. Die wiisserige Suspension reagiert gegen Methylorange sauer.

~) Vgl. die Charakteristik derselben bei M. S a m e c , Kolloidchem. Beih. g$, 155 (1929).

7

98 KOLLOIDCHEMISCHE BEIHEFTE BAND XXXlII, I-~FT 1--4

Diese , ,Re in igung" der St~irke von N-hal t igen Beglei ts toffen ist daher

ffir unseren Fall , in welchem es sich um eine mSglichst gute Absche idung

des A m y l o p e k t i n s handel t , n icht b rauchbar .

Eine bessere Arbe i t sm6gl ichke i t b ie te t die M 6 s e r s e h e Methode. 1)

Die Bewegung yon Phosphor und St ickstoff bei dieser Arbe i t sme thode

zeigt Tabel le I I I .

T a b e l l e I I I .

D e r P - u n d N - G e h a l t in d e r S t ~ t r k e n a e h M 6 s e r .

Kartoffelst~irke, n a t i v . . . . . . .

Kar tof fe l s t~rke , ge- waschen . . . . . .

Weizenst~trke, n a t i v

WeizenstArke, ge- waschen . . . . . .

Feuchtigkeit (Proz.)

19,97 0,161

3,65 0,163

13,74 0,132

5,62 0,011

P~O s N

in Prozenten der Trocken- substanz (105--115 ~

0,0113

0,0089

0,0488

0,011

Atom- verhiiltnis

P : N

1 : 0,35

1 : 0,28

1 : 1,9

1 : 5,7

Bei Kar tof fe ls t~rke ist der , ,Re in igungsef fek t" unbedeu tend ;

der Phosphorgeha l t ha t sich nicht ge~ndert , der N-Geha l t ist unwesent-

lich gesunken, das a tomare Verh~ltnis P = N ist fast gleich ge-

bl ieben (1 : 0,3).

Die Weizenst~rke hingegen v e r a r m t e an diesen beiden Elementen

bedeu tend ; sie ver lor r e l a t iv mehr Phosphor (90 Proz. des Anfangs-

phosphors) als St ickstoff (75 Proz.) und k o m m t hierdurch in scharfe

Gegent ibers te l lung zu der mit w~.sseriger 5 ' 10-~n K O H gewaschenen

~) 50 g Stiirke werden mit 100 cm 3 Wasser angeriihrt in einem Glas- zylinder auf s/4 Liter gebracht, unter Umriihren zuerst 100 cm a Alkohol (95 Proz.) und dann eine Mischung yon 50 cm 3 N-freier Natronlauge (spezi- fisches Gewicht 1,3) mit 50 cm 8 Alkohol zugefiigt. Die Stiirke quillt auf. Dann setzt man noch etwa 100 cm 3 Alkohol zu und l~iflt 3--5 Tage unter zeitweisem Umriihren stehen. Hieraut giel~t man die iiberstehende Fliissigkeit ab, bringt den Stiirkebrei auf einen Btichnertrichter, saugt die Fliissigkeit ab und w~cht fiinfmal mit 50prozentigem Alkohol aus. Dann setzt man das Auswaschen mit einer Mischung yon 20 cm 3 Salzs/iure (1,25), 50 cm ~ Wasser und 100 cm 3 Alkohol so lange fort, bis eine Probe der St/irke in Wasser geISst deutlich sauer reagiert. Alsdann wiischt man wieder mit 50prozentigem Alkohol bis zum Verschwinden der sauren Reaktion, darm mit 95prozentigem Alkohol und zuletzt mit Ather aus. Das Pr/iparat wird in reiner Luft etwa 24 S t u n d e n getrocknet, dann im Trockenschrank erst bei 50% spiiter bei 100 ~

SAME, C, STUDIEN OBER PFLANZENKOLLOIDE XXVl 99

Weizenstlirke, welche relativ viel Stickstoff (64 Proz.) und wenig Phos- phor (33 Proz.) eingebfiflt hat.

Merkwfirdigerweise ist das kolloide Verhalten der Kartoffelstiirke durch die M0ser-WAsche wesentlich veriindert worden: die fast klare hochviskose klebrige L6sung ist in eine milchige undurchsichtige wenig viskose und nicht klebrige Flfissigkeit fibergegangen, welche bei der Elektrodialyse rund drei Viertel der gel6sten Substanz als ein milchiges Gel abscheidet. Diese Ver~nderung, welche der Bildung gewisser past~ser Derivate der Kartoffelstgrke in Parallele zu stellen ist, soll bei anderer Gelegenheit aufgekl~irt werden.

Die Weizenstgrkel6sungen sind dutch die M6ser-Behandlung im groBen und ganzen nicht gelindert worden.

Wir elektrodialysierten welter die 2prozentigen L6sungen der beiden St~rkearten (1/2 Stunde bei 19,0 o bereitet) bis zur konstanten Leitfghigkeit der gut durchgemischten F|fissigkeit, lieBen die Amylo- pektinphase absitzen und untersucnten sie n~iher.

Die Solfraktionen beider St~irkearten entsprechen im allgemeinen den sonstigen Beobachtungen; sie zeigen die bekannte schwache Opa- leszenz und geben die reinblaue, bei JodfiberschuB in grfin fibergehende Jodfarbe. Die Eigenschaften der Amylopektinfraktionen sind aus Tabelle IV ersichtlich.

Es f~llt hier die groBe kolloidchemische Veriinderung des Kar- toffelamylopektins auf, welches nach der M6ser-Behandlung nicht sehr z~ihe ist und vor allem milchig triib geworden ist. Seine relative Reibung ist in lprozentiger L6sung t / t 1 = 2,29, w~ihrend sic beim Amylopektin aus unvorbehandelter St~irke fiber 14 betriigt. Im Gehalt an Phosphor und im elektrochemischen Verhalten sind jedoch keine wesentlichen Differenzen zu verzeichnen, nur der Stickstoff- wert ist gesunken. Auf 1 Grammatom Phosphor kommt fast genau 1 Grammion potentiometrisch aktiver Wasserstoff, so dab die Entfer- nung gewisser kleiner N-Mengen h6chstens eine kleine Steigerung der Azidit~t der L6sung bedingt hat.

Die WeizenstXrke hingegen hat, wie erw~ihnt, durch die M6ser- WXsche den Hauptteil ihres Phosphors verloren; und so ist ihr Amylo- pektin ffir die Untersuchung der Frage des Angleichens der Weizen- st~rke an die Kartoffelst~irke nicht geeignet. Der Phosphorgehalt ist etwa so gering geworden, wie wir ihn in den Stiirken der Tapiocagruppe festgestellt haben. Auch das Verh~iltnis H : P ~ 0,44 bewegt sich in denselben Grenzen. Trotzdem aber die Weizenst~irke 91 Proz. des

7*

1 0 0 KOLLOIDCHEMISCHE BIEIHEFrE BAND X X X I I I , I-IEPT 1--4

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N 4.1

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SAMEC, STUDIEN OBER PFLANZENKOLLOIDE XXVI 101

Anfangsphosphors verloren hat, ist ihr Amylopek t in etwas saurer als das Amylopek t in nicht gewaschener St~irke. 1)

Merkwfirdigerweise wlrkt bei der Weizenst~irke nach M 6 s e r der in derselben verbleibende Stickstoff t ro tz eines groi3en a tomaren Uber- schusses nicht neutral is ierend auf die Phosphors~iurefl)

Das Verhal ten der Weizenst~irkel6sung ist demnach durch das Gegeneinanderspielen einer P-hal t igen und einer N-halt igen Atom- gruppe bes t immt . Durch Waschen nait w~isseriger 5 .10 -~n K O H ent- fernt man, wie erwXhnt, vorwiegend den N-halt igen Anteil, so dab ein P-reiches Stiirkepr~iparat resultiert .

Wir behandel ten nun dieses P roduk t mit Wasser unter Druck (120~ Xhnlich wie wir wiederholt eine Frakt ionierung der Stiirke- subs tanz durchgeffihrt haben. 3) Den Vergleich zweier so erhal tener Amylopek t in f rak t ionen gibt Tabelle V.

T a b e l l e V.

W e i z e n s t i i r k e .

Leit- H-I onen- f igkeit,, i

,..proz. in 1 proz. ~ L o s u n g LSsung

Amylopektin I nativ . 1,12.10"510,32.10 .5 Amylopektin l aus mit

sKt OrHe g?w?sche?e: 66.10 -5 19.10 .5

AmKYlooPHektin III aus mit

St~rke gew?sche?e~ ] 0'97"10"5 0,28"10 "5

P N

Grammatome in 1 Liter lproz. LSsun~

6,1.10 .5 37,2.10 -5

0,0.10 "5 14,9.10 "5

3,9.10 "5 14,6.10 "5

Atomares Verhiiltnis

-e _ _ N

0 , 7 - ? 1 2,3

1,9 ! 1 1,5

0,07 ! 1 3,7

Ganz analog wie bei Kar toffe ls t~rke finden wir auch im vor- liegenden Falle be im Druckkochen ein Abgeben des Phosphors aus der

*) Diese Unterschiede im Gehalte an aktiven H-Ionen sind sehr scharf. Wit verweisen in diesem Zusammenhange auf die Untersuchungen des ,,Sol III" yon KartoffelstS.rke, bei welchem eine gS.nzliche Maskierung tier kleinen noch vorhandenen P-Reste beobachtet worden ist. M. S a m e c u. M. Bl inc , Kolloidchem. Belh. 80, 163 (1930).

2) Vgl. Ful~note 1 S. 96. s) Ein 2prozentiger Kleister wurde 112 Stunde bei 120 o erhitzt, aus der

L6sung der Amylopektinanteil (I) abgeschieden, dieser auf 2 Proz. Trocken- gehalt verdiinnt, 1 Stunde auf 120 o erhitzt, elektrodialysiert, das jetzt abge- schiedene Gel (II) wieder in 2prozentiger L6sung 1 Stunde auf 1200 erhitzt und nun das Amylopektin (III) elektrodialyfisch abgeschieden.

1 0 ~ KOLLOIDCI--IEMISCHE BEIHEFTE BAND XXXlll, HEFT 1---4

Stlirkesubstanz. Alle Eigenschaften, welche wit mit dem Phosphor- gehalte kausal verkntipfen, schwiichen sich hierbei stark ab: die elek- trische Leitflihigkeit der L6sung und der Gehalt an potentiometrisch aktiven H-Ionen sinken, das VerMtltnis H : P geh~ auf 0,07 zurfick. Am Stickstoffgehalt iindert das Druckkochen nichts, und es erreicht im Amylopektin III der Quotient P : N wieder den hohen Wert 1 : 3,7.

Zusammenfassung. Die hier geschilderten Versuche zeigen neuerdings die verschiedene

Stellung des Phosphors in der Kartoffelst~irke und in der Weizenst~irke, und unsere Ansichs dab ein phosphor- und stickstoffha|tiger K6rper (Phytovitellin) durch Vermittlung der phosphorhaltigen .Gruppe mit dem Polysaceharid kombiniert ist, erhielt eine weitere Stfitze. Die Bindung des Phosphors in der Weizenst~rke ist |ockerer als in der Kartoffelst~irke, so dab man den Hauptteil desselben saint der Haupt- menge des Stickstoffes entfernen kann. Durch schonendere Behandlung gelingt es jedoch, vorwiegend den stickstoffhaltigen Anteil abzuspalten; der Phosphor wird hierdurch elektrochemisch aktiv und das Ver, halten der Weizenst~irke kartoffelstgrke~ihnlich. Aus dieser kartoffel- st~rke~ihnlichen Form der Weizenst~irke spaltet Wasser in der Hitze auch den phosphorhaltigen AnteiI ab, und die kartoffelstlirkelihnliche Weizen- stiirke ist hierdurch wieder zum Weizentypus zurfickgekehrt.