Anthocyane

Anthocyane sind chymochrome Farbstoffe, die nur im Zellsaft von Landpflanzen, nicht aber in Tieren, Mikroorganismen oder Wasserpflanzen zu finden sind. Bei Wasserpflanzen ist der Umsatz der Photosynthese aufgrund der geringen Lichtintensität unter Wasser nicht ausreichend für die Produktion. Aber auch nicht alle Landpflanzen enthalten Anthocyane: bei den Nelkenartigen, Kakteen und Mollugogewächsen übernehmen Betalaine die Aufgabe der Anthocyane.

Anthocyane kommen nahezu in allen höheren Pflanzen, meist in den Blüten und Früchten, aber auch in den Blättern und Wurzeln vor. In den jeweiligen Pflanzenteilen sind sie vor allem in den äußeren Zellschichten wie den Epidermiszellen zu finden. Die dort gefundenen Mengen sind relativ groß: Ein Kilogramm Brombeeren enthält zum Beispiel etwa 1,15 Gramm Anthocyane, aus roten und schwarzen Hülsenfrüchten lassen sich bis zu 20 Gramm pro Kilogramm Schale gewinnen. Reich an Anthocyanen sind zum Beispiel die Açaí-Beere, Aronia, Kirschen, blaue Trauben, Heidelbeeren und Rotkohl sowie Usambaraveilchen. Weniger verbreitet sind Anthocyane zum Beispiel in Bananen, Spargel, Erbsen, Fenchel, Birnen sowie Kartoffeln. Am häufigsten kommen in der Natur die Glycoside von Pelargonidin, Cyanidin, Delphinidin sowie deren Methylether Malvidin, Peonidin und Petunidin vor. Schätzungsweise werden 2 % des gesamten Kohlenstoffs, der durch die Photosynthese in den Pflanzen fixiert wird, zu Flavonoiden und deren Derivaten wie den Anthocyanen umgesetzt. Das sind nicht weniger als 10⁹ Tonnen pro Jahr.

In den Pflanzen liegen die Anthocyane zusammen mit anderen natürlichen Farbstoffen wie den chemisch eng verwandten Flavonen, den Carotinoiden, Anthoxanthinen und Betalainen vor. Sie sind neben diesen auch für die Färbung der Blätter im Herbst verantwortlich, wenn die Photosynthese eingestellt und das Chlorophyll nicht neu gebildet wird.

Auch bei noch relativ jungen Pflanzen, bei denen die Chlorophyll- und Wachsproduktion noch nicht eingesetzt hat und die somit vor UV-Licht ungeschützt wären, werden vermehrt Anthocyane produziert. Teile oder sogar die ganze Pflanze werden mit Hilfe der Farbstoffe, die als Jugendanthocyane bezeichnet werden, eingefärbt und geschützt. Wenn die Chlorophyllproduktion beginnt, wird die Produktion der Anthocyanfarbstoffe herabgesetzt. Das Muster der Anthocyanbildung in Pflanzen ist für die Pflanzenart spezifisch, da es von den Bodenbedingungen, Licht, Wärme und Pflanzenart beziehungsweise Sorte abhängt. Dass Pflanzen nur ein Anthocyan als Farbstoff aufweisen, ist äußerst selten, kommt aber dennoch vor. Das Fehlen oder besonders starke Vorkommen eines bestimmten Anthocyans in einer Pflanze ist auf genetische Umstände zurückzuführen.

• Cyanidin-3-O-sambubiosid (Holunder)
• Cyanidin-3-O-glucosid (Holunder)
• Cyanidin-3-O-galactosid (Aronia)
• Peonidin-3-O-glucosid (schwarze Johannisbeere)
• Delphinidin-3-O-rutinosid (schwarze Johannisbeere)
• Pelargonidin-3-O-glucosid (Erdbeere)

Pflanzenhäute sind in der Regel dunkler gefärbt als das Pflanzeninnere, Ausnahmen bilden jedoch beispielsweise Blutorangen. Pflanzenhäute sind also in der Lage, sichtbares Licht zu absorbieren und Teile der Strahlungsenergie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Anthocyane haben in den Pflanzen weitere Aufgaben: Sie sollen

• in der Schale das kurzwellige UV-Licht der Sonne absorbieren und die Strahlungsenergie als Wärme an die Pflanze abgeben. So wird eine Schädigung der Proteine in der Zelle und der DNA in den Zellkernen verhindert.
• durch ihre Farbe Insekten und andere Tiere anlocken und so bei der Vermehrung der Pflanzen helfen.
• Freie Radikale im Pflanzensaft binden, die bei oxidativem Stress entstehen.

Die ersten beiden Punkte erklären auch, warum die Anthocyane sich in den äußeren Schichten der Pflanzenteile finden: Nur hier können sie ihre Aufgabe erfüllen. Wenn Pflanzen nun starkem UV-Licht oder ionisierender Strahlung ausgesetzt werden, regt die Pflanze über chemische Botenstoffe die Anthocyanproduktion an.

Grundlegende Strukturaufklärungen auf dem Gebiet der Pflanzenfarbstoffe wurden von Richard Willstätter durchgeführt und 1915 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt.

Anthocyanidine weisen in Position 2 immer einen p-Hydroxyphenyl-Substituenten (B-Ring) sowie in Position 3 eine Hydroxygruppe auf. Als Gegenion von Benzopyrylium-Salzen fungieren in der Natur meist Carboxylate diverser wasserlöslicher Säuren, bei Laborpräparaten häufig Chlorid. Die wichtigsten natürlichen Anthocyanidine sind in 5- und 7-Position des A-Rings hydroxysubstituiert.

Bei den Glycosiden der Anthocyanidinen, den Anthocyanen (engl. anthocyanosides, anthocyanins), sind in der Regel an der Hydroxygruppe am Kohlenstoffatom C-3 Zuckermoleküle über eine O-glycosidische Bindung gebunden. Das können beispielsweise Glucose, Galactose, Arabinose, Rhamnose und Xylose in verschiedenen Saccharid-Formen sein. Durch Acylierung mit aromatischen Pflanzensäuren an diesen ergibt sich die Vielfalt der Anthocyane. Die Glycosidform verleiht den Molekülen eine erhöhte Wasserlöslichkeit, die wichtig für den Transport in den Pflanzenzellen ist, sowie eine erhöhte Stabilität.

Anthocyane sind licht- und temperaturempfindlich, bei pH-Werten unter 3 sind sie in Form ihrer Flavyliumsalze am stabilsten. Mit Tanninen reagieren Anthocyane und fallen aus wässrigen Lösungen aus. Oxidationsmittel entfärben Anthocyane, besonders empfindlich sind sie im alkalischen Bereich.

Anthocyane absorbieren Licht im sichtbaren Bereich zwischen 450 und 650 nm. Der Wellenlängenbereich wird außer von der Molekülstruktur auch vom pH-Wert des Zellsaftes bzw. der Umgebung beeinflusst und sie erscheinen daher rot, violett oder blau. Licht dieser Wellenlängen wird aus dem sichtbaren Licht herausgefiltert und der reflektierte Lichtanteil erscheint uns als eine Farbe. Das Farbspektrum reicht dabei von blau bis rot. Im sauren Milieu überwiegt die Rotfärbung, im basischen sind vor allem Blau- und Violetttöne zu finden. Farbumschläge finden auch in einigen Pflanzen statt: Die Blüten des Lungenkrauts (Pulmonaria officinalis) sind zuerst rosa, später violett gefärbt, da sich der pH-Wert im Laufe des Lebens ändert. Die Beerenhaut von Brombeeren färbt sich während des Reifens von rosa nach tiefblau, deren süßsäuerlicher Saft ist dagegen tiefrot.

Die Bildung der Anthocyane folgt der Biosynthese aller Flavonoide (siehe dazu: Biosynthese). Eine biologische Vorstufe sind die oligomeren Proanthocyanidine. Als Schlüsselenzym des Anthocyan-Syntheseweges wurde die Chalkonsynthase (CHS) identifiziert, deren Expression auf mRNA-Ebene reguliert wird. Verschiedene Außenfaktoren, Umwelteinflüsse wie Temperatur, Licht und Wasserverfügbarkeit, haben darauf Einfluss. Aber auch Pflanzenstress kann eine Rolle spielen.

Bei Keimlingen wird etwa die Synthese des so genannten Jugendanthocyans in den Keimblättern und im Hypokotyl durch den Rot- und Blaulichtanteil im Sonnenlicht angeregt, der durch die als Photorezeptoren funktionieren Moleküle Phytochrom (Rotlicht) und Kryptochrom (Blaulicht) registriert wird. Ausgewachsene Pflanzen produzieren vor allem bei ultravioletter Belichtung, die für die Pflanze Stress bedeutet, Anthocyane in Blättern und dem Spross. Dabei stellen die Anthocyane wahrscheinlich nur die stabilen Endprodukte der Synthese dar, wichtig für den Schutz der Pflanze sind jedoch die UV-absorbierenden Vorstufen.

Auch bei der Laubfärbung im Herbst werden Anthocyane gebildet, die den Rotanteil des Herbstlaubes ausmachen. Dabei sind die Anthocyanide hier das Endprodukt des Zimtsäureweges, der durch den Abbau von Phenylalanin angestoßen wird. In Pflanzen, die durch Symbiose mit Bakterien Stickstoff fixieren, findet man diesen Stoffwechselweg nicht. Daher bleibt hier eine Herbstfärbung durch Anthocyane aus.

Grundsätzlich werden Anthocyanide in Blättern immer nur in der äußersten Schicht, der Epidermis, gebildet. In Sprossorganen bilden sich die Anthocyanide in der darunter liegenden Subepidermis und in Blattorganen vor allem nahe der Blattvenen und dem Blattrand. Zurückzuführen ist diese lokale Beschränkung auf die Existenz genetischer Transkriptionsfaktoren in diesen Bereichen, die eine Synthese der Anthocyanide als Reaktion auf bestimmte Faktoren erst ermöglichen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Kompetenzmuster.

Die Gewinnung von Anthocyan-Extrakten erfolgt zumeist aus Fruchtschalen von Früchten mit hoher Anthocyankonzentration, wie zum Beispiel Blaubeeren. Für die Isolierung von hochkonzentrierten Anthocyan-Mischungen werden Extraktion und chromatographische Methoden gekoppelt.

Die Früchte werden in einem Mixer stark homogenisiert und mit angesäuerter Ethanol-Lösung versetzt. Nach einer ersten Filtration wird der Rückstand auf gleiche Weise extrahiert. Die klare, gesammelte Lösung wird eingeengt und vier Mal je mit Ethylacetat versetzt und ausgeschüttelt. Die wässrige Lösung wird gesammelt, auf vier Grad Celcius gekühlt und auf eine Säule mit Kationen-austauschendem Polystyrolharz auf Sulfonsäurebasis (Amberlite XAD-7HP) gepackt. Die Säule wird zuerst mit demineralisiertem Wasser gespült um andere organische Reste wie Zucker zu entfernen. Für die Eluirung der Anthocyane wird wieder angesäuerte ethanolische Lösung zugegeben und die Probe eluiert. Die gesammelte, ethanolische Lösung wird mit demineralisiertem Wasser versetzt und in eine zweite Säule (Sephadex LH-20) auf Hydroxypropyl-Basis gegeben. Die Säule wird ein weiteres Mal mit angesäuerter, ethanolischer Lösung eluiert und die Fraktionen chromatographisch getrennt. Aus den Fraktionen der Säulenchromatographie können durch semi-preparative HPLC (LC-6AD) hochkonzentrierte Anthocyane gewonnen werden. Nach der Separierung durch die HPLC können die Produkte über UV-Vis-Spektroskopie analysiert werden.

In der EU sind Anthocyane als Lebensmittelzusatzstoff unter der E-Nummer E 163 ohne Höchstmengenbeschränkung (quantum satis) für Lebensmittel allgemein zugelassen. (Glycoside von Pelargonidin E 163a, Cyanidin E 163b, Peonidin E 163c, Delphinidin E 163d, Petunidin E 163e, Malvidin E 163f). Sie werden als Lebensmittelzusatzstoff zur Färbung zum Beispiel Fruchtgelees, Süßwaren, Brausen, Marmelade, Konfitüren, Obstkonserven, Backmitteln für feine Backwaren, Überzüge und Speiseeis zugesetzt. Meist werden sie sauren Produkten zugesetzt, da sie nur in diesen stabil sind. Eine Verwendung wäre bei einigen Lebensmitteln ohnehin nicht erlaubt, da eine Täuschungsgefahr bestünde, wie etwa bei Brot, verschiedenen Milchprodukten, Nudeln und Honig.

Als Farbstoffe in der Kunst werden sie wegen ihrer fehlenden Stabilität nicht benutzt.