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Doctoral Thesis
2021
"Coloring foods" - development of a suitable cultivation and harvesting system for florets of safflower (Carthamus tinctorius L.)
"Coloring foods" - development of a suitable cultivation and harvesting system for florets of safflower (Carthamus tinctorius L.)
Abstract (English)
‘Natural colorants’ usually refer to pigments that are obtained from renewable raw materials such as plants. After the invention of the first synthetic dye in the 19th century, the demand for natural colorants decreased. Studies in recent years, which for example, report on the environmentally harmful and toxic effects of artificial colorants, have led, among other things, to a ban on some synthetic colorants in the EU and to a steady increase in demand for natural colorants again.
Safflower (Carthamus tinctorius L.) is known as a colorant-providing plant because of the red (carthamin) and yellow colorants (carthamidin) contained in the florets. Carthamidin is an interesting colorant for the food industry due to its water-soluble properties. Due to the increasing demand for ‘Coloring Foods’, the already existing cultivation area of safflower, which is mainly in Turkey, India or China, will not be sufficient in the future.
There are many open questions regarding the possible cultivation of safflower in Germany or Europe. So far, there are no recommendations for the cultivation and harvesting of safflower to obtain the florets. The manual harvesting practiced in the previous cultivation areas is not an economically viable option in Europe. For the production of safflower florets there are also many uncertainties regarding the potential yield. The given challenges for the cultivation of safflower as a food colorant were dealt with in the present dissertation and resulted in the following objectives:
• to examine the effect of different cultivars, row spacing, sowing densities and harvest dates on yield parameters for safflower floret production under European conditions,
• to investigate a mechanical harvest with a combine harvester with regard to quality parameters, threshing and carthamidin yield,
• to evaluate and modify the DSSAT CROPGRO safflower model to simulate floret yield under European conditions.
For this purpose, field trials were conducted in 2017 and 2018. Based on these experiments, three scientific publications have been produced, which form the main part of this dissertation. Publication I investigated different cultivation parameters, such as two different cultivars, row spacing and sowing densities and their effect on the number of branches, capitula, floret yield, carthamidin content and yield at five different harvest dates. In this respect, it was shown that a lower sowing density of 40 plants m-² produced a higher number of branches, capitula and higher yields of florets and carthamidin. The Chinese cultivar achieved the highest carthamidin yields on the third harvest date in 2018 with 34.14 kg ha^-1. Publication II evaluated the differences of two cultivars, three threshing parameter settings at five harvest dates for their threshing yield, dry matter content, carthamidin content and yield. The highest carthamidin yields (19 kg ha^-1) were achieved on the last two harvest dates with the Chinese cultivar and the threshing parameter setting P3. Publication III focused on the modification of the plant growth model CROPGRO for safflower to simulate seed yield and the integration of a new subroutine to simulate the floret yield of two safflower cultivars in two years. It was shown that key variables, such as specific leaf area simulation, could be improved by modifying the model (RMSE: 0.82–24.14 cm^-2 g^-1 and d-index: 0.73–0.78). By analogy with a variable already integrated into the model (pod harvest index) and the introduction of new variables (PETALX, HIPIN, HIPMX), the floret yield could be simulated for the first time (RMSE: 97.24 kg ha^-1 and d-index: 0.79). Both the modification and the new approach have improved the simulation of growth as well as seed and floret yield.
The cultivation of ‘Coloring Foods’ could bring benefits to farmers. In addition to the expansion of crop rotation, the biodiversity and the currently much discussed image of agriculture could be improved. On the one hand, the present dissertation could show that the cultivation of safflower is possible in Germany or Europe. Furthermore, a suitable cultivation and harvesting system could be determined. This could help to reduce the current limitations for the production of florets in Germany and Europe, not only for safflower but also for other ‘Coloring Foods’. As a result, cultivation could be made more attractive and more economical in order to be able to meet the increasing demand in the future on a regional basis.
Abstract (German)
Unter „natürlichen Farbstoffen“ werden meist Pigmente verstanden, welche z.B. aus Pflanzen gewonnen werden. Nach der Erfindung des ersten synthetischen Farbstoffes im 19. Jahrhundert sank die Nachfrage nach natürlichen Farbstoffen. Studien der letzten Jahre, welche beispielsweise über die umweltschädlichen und toxischen Wirkungen künstlicher Farbstoffe berichten, führten unter anderem dazu, dass in der EU einige synthetische Farbstoffe verboten wurden und die Nachfrage nach natürlichen Farbstoffen wieder stetig zunimmt.
Die Pflanze Saflor (Carthamus tinctorius L.) ist aufgrund der in den Blütenfäden enthaltenen roten (Carthamin) und gelben Farbstoffe (Carthamidin) als farbstoffliefernde Pflanze bekannt. Durch die steigende Nachfrage nach „Lebensmitteln mit färbenden Eigenschaften“ wird die bereits existierende Anbaufläche von Saflor, welche hauptsächlich in der Türkei, Indien oder China ist, in Zukunft nicht ausreichen.
Für den möglichen Anbau von Saflor in Deutschland bzw. Europa ergeben sich viele offene Fragen. Bisher fehlen Empfehlungen für den Anbau und die Ernte von Saflor zur Gewinnung der Blütenfäden. Die in den bisherigen Anbaugebieten praktizierte manuelle Ernte stellt in Europa keine wirtschaftlich rentable Option dar. Für die Produktion von Saflor-Blütenfäden gibt es auch viele Unsicherheiten hinsichtlich des potenziellen Ertrages. Die gegebenen Herausforderungen für den Anbau von Saflor als Lebensmittelfarbstoff wurden in der vorliegenden Dissertation bearbeitet und ergaben folgende Zielsetzungen:
• Untersuchung des Einflusses verschiedener Sorten, Reihenabstände, Bestandesdichten und Erntetermine auf die Ertragsparameter für die Produktion von Saflorblütenfäden unter europäischen Bedingungen,
• Untersuchung der mechanischen Ernte mithilfe eines Mähdreschers hinsichtlich Qualitätsparametern, Drusch- und Carthamidin-Ertrages,
• Evaluierung und Modifizierung des DSSAT CROPGRO Saflormodells, um den Blütenertrag unter europäischen Bedingungen zu simulieren.
Dafür wurden in den Jahren 2017 und 2018 Feldversuche durchgeführt. Basierend darauf sind drei wissenschaftliche Publikationen entstanden, die den Hauptteil dieser Dissertation bilden. Publikation I untersuchte verschiedene Anbauparameter, wie zwei verschiedene Sorten, Reihenweiten und Bestandesdichten und deren Auswirkung auf die Anzahl der Verzweigungen, Blütenköpfchen, Blütenfädenertrag, Carthamidingehalt und -ertrag bei fünf verschiedenen Ernteterminen. Diesbezüglich zeigte sich, dass eine geringere Bestandesdichte von 40 Pflanzen m-² eine höhere Anzahl an Verzweigungen, Blütenköpfchen und höhere Erträge von Blütenfäden und Carthamidin erzielte. Die chinesische Sorte erreichte die höchsten Carthamidinerträge am dritten Erntetermin im Jahr 2018 mit 34.14 kg ha^-1. Publikation II evaluierte die Unterschiede von zwei Sorten, drei Druscheinstellungen an fünf Ernteterminen auf deren Druschertrag, Trockensubstanzgehalt und deren Gehalt sowie Ertrag an Carthamidin. Mit der Druscheinstellung P3 wurden an den letzten beiden Ernteterminen mit der chinesischen Sorte die höchsten Carthamidinerträge erzielt (19 kg ha^-1). Publikation III befasste sich mit der Modifikation des Pflanzenwachstumsmodells CROPGRO für Saflor zur Simulation des Samenertrages und der Integration eines neuen Algorithmus zur Simulation des Blütenfädenertrags von zwei Saflorsorten in zwei Jahren. Es zeigte sich, dass entscheidende Variablen, wie z.B. die Simulation der spezifischen Blattfläche, durch die Modifikation des Modells verbessert werden konnten (RMSE: 0,82–24,14 cm^-2 g^-1 and d-index: 0.73–0,78). Durch die Analogie zu einer bereits in das Modell integrierten Variable (pod harvest index) und der Einführung neuer Variablen (PETALX, HIPIN, HIPMX), konnte der Blütenfädenertrag erstmals simuliert werden (RMSE: 97,24 kg ha^-1 and d-index: 0,79). Sowohl durch die Modifikation als auch durch den neuen Ansatz, konnte die Simulation des Wachstums sowie des Samen- und Blütenfädenertrags verbessert werden.
Der Anbau von "Lebensmitteln mit färbenden Eigenschaften" könnte für Landwirte Vorteile bringen. Neben der Erweiterung der Fruchtfolge können die Biodiversität und das derzeit stark diskutierte Image der Landwirtschaft verbessert werden. Die vorliegende Dissertation konnte einerseits zeigen, dass der Anbau von Saflor in Deutschland bzw. Europa möglich ist. Darüber hinaus konnte ein geeignetes Anbau- als auch Erntesystem ermittelt werden. Dies könnte dazu beitragen, dass die bisherigen Limitierungen, welche für die Gewinnung von Blütenfäden in Deutschland bzw. Europa herrschen, nicht nur für Saflor sondern auch für andere „Lebensmittel mit färbenden Eigenschaften“ reduziert werden. Infolgedessen könnte der Anbau attraktiver und wirtschaftlicher gestaltet werden, um die steigende Nachfrage in Zukunft regional decken zu können.
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Notes
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2021-02-23
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
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Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Steberl2021,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6592},
author = {Steberl, Kathrin},
title = {"Coloring foods" - development of a suitable cultivation and harvesting system for florets of safflower (Carthamus tinctorius L.)},
year = {2021},
school = {Universität Hohenheim},
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