A cropping system for yacon (Smallanthus sonchifolius Poepp. Endl.) : optimizing tuber formation, yield and sugar composition under European conditions

Abstract

The demand of healthy food is constantly increasing in Germany, as well as in developed countries in general. Here "healthy" is not clearly defined but it is often associated with foods indicating a low caloric value and further health-promoting benefits such as a high proportions of dietary fiber, phenols or antioxidants. In contrast, the proportion of obese people and the number of chronic diseases such as diabetes type II and obesity are increasing. As a result, the European Commission recommended to reduce the sugar content and the caloric value of food products, especially in sweetened beverages, breakfast cereals and dairy products by 10%. In general, a distinction can be made between artificial and natural sweeteners. Natural sweeteners such as honey, agave nectar or rapadura occur naturally and do not have to be artificially produced or synthesized. Disadvantages here are the high production costs as well as the high calorie value which is similar to conventionally used sugar. Artificial sweeteners, on the other hand, which are also known as "high-intensity sweeteners", have been artificially produced or synthesized. Examples are aspartame, saccharin or sucralose. They often have a lower calorie value (except for sugar alcohols such as xylitol or sorbitol) and are more economical to produce, which makes them particularly attractive for food producers. However, artificial sweeteners are suspected of being harmful to health or even carcinogenic. As a result, the consumer acceptance of artificial sweeteners is decreasing and the demand for natural sweeteners as alternatives is increasing. A possible alternative as a natural sweetener is yacon (Smallanthus sonchifolius). Yacon is a tuberous root crop native to the Andean region. The roots store carbohydrates mainly as fructooligosaccharides (FOS). These FOS cannot be digested by the human intestinal tract, and therefore do not cause a noticeable increase of blood glucose level. In addition, high amounts of fiber, phenols and antioxidants lead to further health promoting benefits. So far, yacon has been cultivated mainly in the Andean region in smallholder structures. Therefore, there are several open questions regarding the cultivation of yacon in Europe, especially in the area of propagation, choice of genotypes and adapted nitrogen fertilization. Especially the propagation is an important factor, as it is normally done by seedlings of mother plants or single rhizome pieces, both with pre-cultivation in the greenhouse. This is expensive and leads to a price of 3.60 € for young plants. In addition, the influence of genotype and amount of nitrogen fertilization on tuber yield and sugar composition has not been investigated yet. These open questions regarding the cultivation of yacon in Europe outline the following objectives: • to evaluate differences between direct planting and pre cultivation of rhizomes in two ways with regard to yacon growth, development, tuber yield formation and cost distribution; • to investigate the yield potential of different yacon genotypes with regard to tuber yield, sugar yield and tuber composition under the given climatic conditions of Europe; • to determine the influence of different nitrogen levels on nitrogen uptake, tuber yield formation and amount of monosaccharides and polysaccharides as well as total sugar; • to investigate the environmental impact and the production costs of different yacon cultivation systems to determine the most sustainable cultivation method. To achieve the objectives, field trials were carried out a from 2016 to 2018. As a result, four scientific publications were developed, which formed the body of this thesis. Publication I focused on the differences between a propagation with pre-cultivation in the greenhouse (DSAB), rhizome pieces with pre-cultivation in the greenhouse (RP1) and a direct planting of rhizome pieces (RP2) in agronomic and economic terms. RP1 achieved the highest yield with 29.8 t ha 1 FM and differed significantly from the other treatments with 21.3 and 17.8 t ha-1 FM (DSAB and RP2, respectively). With regard to the cost per kg of produced yacon, RP1 was also convincing, which can be explained by a high tuber yield and comparatively low propagation costs. DSAB was the most expensive treatment and is therefore not recommended. Contrary to that RP2 has a high potential for mechanization and yield increases. Publication II investigated the differences between nine different genotypes with respect to tuber yield and sugar composition. The three genotypes red-shelled, brown-shelled and Morado achieved the significantly highest tuber yields with 46.6, 43.5 and 41.6 t FM ha-1. Also the sugar contents were outstanding with up to 66% of the DM in the red-shelled genotype. As a result, the sugar yields of these three genotypes were highest with 2.2, 2.0 and 1.9 t ha-1 in the same order as the tuber yields. In Publication III the influence of different amounts of nitrogen fertilizer (0, 40 and 80 kg ha-1) on tuber yield, sugar composition and nitrogen uptake of the brown- and red-shelled genotype was investigated. Both genotypes reached highest tuber yields of 50 and 67 t FM ha-1 at the highest nitrogen fertilizer amount (brown- and red-shelled, respectively). Contrary to this responded the total amounts of sugar and FOS. Both decreased with increasing amounts of nitrogen. With decreasing amounts of FOS, the proportion of FOS with higher degree of polymerization (DP) increased. With regard to the nitrogen utilization efficiency of both, tubers and the entire plant, a nitrogen amount of 40 kg N ha-1 seems to be sufficient and recommendable. Publication IV examined the ecological and economic sustainability of the cultivation of two genotypes (brown- and red-shelled), each with pre-cultivation in the greenhouse and as direct planting, with three different nitrogen fertilizer levels. The aim was to investigate the environmental impact and production costs of different yacon cultivation systems. Considering the costs, the highest fertilizer amount (80 kg N ha-1) led to the lowest production costs and also to comparatively low environmental impacts per functional unit (1 kg FOS). The red-shelled genotype performed better, both in terms of cost and environmental impact. This was mainly due to higher tuber yields. Overall, the preceding publications showed that the cultivation of yacon in Europe is possible and offers new possibilities for farmers. Embedding yacon successfully into existing cropping systems and crop rotations seems to be possible. The farmer has the opportunity to establish a promising new crop with great value potential on his farm in order to cover the increasing demand for raw materials for natural sweeteners.

Die Nachfrage nach gesunden Lebensmitteln nimmt in Deutschland, sowie generell in Industriestaaten, stetig zu. Hierbei ist „gesund“ nicht eindeutig definiert, wird aber oft mit Lebensmitteln mit einem geringem Kalorienwert sowie weiteren gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen wie zum Beispiel ein hoher Anteil an Ballaststoffen, Phenolen oder Antioxidantien assoziiert. Konträr dazu steigt der Anteil der übergewichtigen Personen und die Anzahl chronischer Erkrankungen wie Diabetes-Typ II und Adipositas stetig. Infolgedessen strebt die Europäische Kommission an, den Zuckergehalt in gesüßten Getränken, Frühstückscerealien und Molkereiprodukten um 10% zu reduzieren. Generell unterscheidet man zwischen künstlichen und natürlichen Süßungsmitteln. Natürlich vorkommende Süßungsmittel wie Honig, Agavennektar oder Rapadura müssen nicht künstlich hergestellt oder synthetisiert werden. Nachteile hierbei sind, die hohen Kosten für die Produktion, sowie der oftmals ähnlich hohe Kalorienwert wie bei herkömmlich verwendetem Zucker. Die künstlichen Süßungsmittel hingegen, welche auch als „hoch-intensive Süßungsmittel“ bezeichnet werden, sind künstlich hergestellt bzw. synthetisiert und günstiger in der Produktion. Beispiele hierfür sind Aspartame, Saccharin oder Sucralose. Jedoch stehen künstliche Süßungsmittel in Verdacht gesundheitsschädigend bis hin zu krebserregend zu sein. Infolgedessen sinkt die Akzeptanz der Verbraucher und die Nachfrage nach natürlichen Alternativen steigt. Eine mögliche Alternative als natürliches Süßungsmittel ist Yacon (Smallanthus sonchifolius). Yacon stammt aus der Andenregion und bildet essbare Speicherorgane aus. Die Kohlenhydrate werden nicht in Form von Stärke, sondern überwiegend als Fructooligosaccharide (FOS) eingelagert. Diese FOS können vom menschlichen Darm nicht verdaut werden, wodurch der Blutzuckerspiegel nicht merkbar ansteigt. Zudem enthalten Yaconknollen weitere gesundheitsfördernde Inhaltsstoffe wie Phenole und Antioxidantien und zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an Ballaststoffen aus. Bislang wird Yacon überwiegend in der Andenregion in kleinbäuerlichen Strukturen angebaut. Daher gibt es noch verschiedene offene Fragen bei der Kultivierung von Yacon in Europa, insbesondere im Bereich der Vermehrung der Jungpflanzen, der Sortenwahl, sowie der angepassten Stickstoffdüngung. Insbesondere die Vermehrung ist ein wichtiger Faktor, da die bisher übliche Vermehrung über Stecklinge zeit- und kostenintensiv ist und somit zu Jungpflanzenpreisen von 3,60 € führt. Zusätzlich ist der Einfluss von Genotyp und Höhe der Stickstoffdüngung auf Knollenertrag und Zuckerzusammensetzung noch nicht untersucht. Diese offenen Fragen in Bezug auf die Kultivierung von Yacon in Mitteleuropa wurden in der vorliegenden Dissertation bearbeitet und skizzierten folgende Zielsetzungen: • Prüfung der Unterschiede zwischen Direktpflanzung und Vorkultivierung von Rhizomen in Bezug auf Wachstum, Entwicklung, Knollenertragsbildung und Kostenverteilung; • Untersuchung des Ertragspotenzials verschiedener Genotypen in Bezug auf Zuckerertrag und -zusammensetzung unter den klimatischen Bedingungen Mitteleuropas; • Bestimmung des Einflusses verschiedener Stickstoffdüngermengen auf die Stickstoffaufnahme, den Knollenertrag, sowie die Menge an Monosacchariden, Polysacchariden und den Gesamtzucker; • Untersuchung der Umweltwirkung sowie der Produktionskosten verschiedener Yaconanbausysteme zur Ermittlung der nachhaltigsten Anbauvariante. Für diese Zielsetzung wurden in den Jahren 2016 – 2018 Feldversuche durchgeführt. Resultierend aus den Feldversuchen entstanden vier wissenschaftliche Publikationen, die den Hauptteil dieser Dissertation darstellen. Publikation I arbeitete die Unterschiede zwischen einer Stecklingsvermehrung mit Vorkultivierung im Gewächshaus (DSAB), Rhizomstücke mit Vorkultivierung im Gewächshaus (RP1) sowie einer Direktpflanzung von Rhizomstücken (RP2) unter agronomischen und ökonomischen Aspekten heraus. RP1 erzielte mit 29,8 t ha 1 FM den höchsten Ertrag und unterschied sich deutlich von den anderen Varianten mit 21,3 und 17,8 t ha 1 FM (DSAB und RP2, entsprechend). In Bezug auf die Kosten pro produziertem kg Yacon konnte ebenfalls RP1 überzeugen, was durch einen hohen Knollenertrag und vergleichsweise geringe Vermehrungskosten zu erklären ist. DSAB war mit Abstand die kostenintensivste Variante und ist aufgrund dessen nicht zu empfehlen. Im Gegensatz dazu hat RP2 ein hohes Steigerungspotential durch mögliche Mechanisierung und weitere Ertragssteigerungen. Publikation II untersuchte die Unterschiede zwischen neun verschiedenen Genotypen hinsichtlich Knollenertrag und Zuckerzusammensetzung. Die drei Genotypen rot-schalig, braun-schalig und Morado erzielten mit 46,6, 43,5 und 41,6 t FM ha-1 die signifikant höchsten Knollenerträge. Auch der Zuckergehalt war mit bis zu 66% der TM im rot-schaligen Genotype herausragend. Resultierend daraus waren auch die Zuckererträge dieser drei Genotypen in gleicher Reihenfolge wie die Knollenerträge mit 2,2, 2,0 und 1,9 t ha-1 am höchsten. Im Rahmen von Publikation III wurde der Einfluss von unterschiedlichen Stickstoffdüngermengen (0, 40 und 80 kg ha-1) auf Knollenertrag, Zuckerzusammensetzung und Stickstoffaufnahme des braun- und rotschaligen Genotyp untersucht. Den höchsten Knollenertrag von 50 und 67 t FM ha-1 erzielten beide Genotypen bei der höchsten Stickstoffdüngermenge (braun- und rotschalig, entsprechend). Konträr dazu verhielten sich die Gesamtzuckermenge und der Anteil an FOS. Beides nahm mit zunehmender Stickstoffmenge ab. Mit abnehmender Menge FOS stieg der Anteil an FOS mit höheren Polymerisierungsgrad (DP) an. Unter Berücksichtigung der Stickstoffnutzungseffizienz, sowohl der Knollen und als auch der gesamten Pflanze, scheint eine Düngung von 40 kg N ha-1 ausreichend. Publikation IV untersuchte die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit des Anbaus zweier Genotypen (braun- und rotschalig), jeweils mit Vorkultivierung im Gewächshaus und als Direktpflanzung, mit drei verschiedenen Stickstoffdüngerstufen. Ziel war es, die Umweltwirkung und Produktionskosten verschiedener praxisnaher Yaconanbausysteme zu untersuchen. Unter Betrachtung der Kosten führte die höchste Düngevariante (80 kg N ha-1) zu den niedrigsten Produktionskosten und auch zu vergleichsweise geringen Umweltwirkungen pro funktioneller Einheit (1 kg FOS). Der rotschalige Genotyp schnitt sowohl bei den Kosten als auch der Umweltwirkung besser ab. Dies war vor allem durch die höheren Knollenerträge bedingt. Insgesamt konnte die vorliegende Dissertation darstellen, dass ein Anbau von Yacon in Europa in der Praxis sowie eine Einbettung in bestehende Anbausysteme möglich ist. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit bietet sich für den Landwirt die Möglichkeit eine vielversprechende neue Kultur mit großem Wertschöpfungspotential auf seinem Betrieb zu etablieren, um damit den steigenden Bedarf nach Rohstoffen für natürliche Süßungsmittel zu decken.