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Koffein in Citrus
Citrus
Wer hätte gedacht, dass Tee oder Likör, zubereitet aus Orangenblüten und von Millionen als Einschlafhilfe geschlürft, Coffein enthält? Auch Honig, von fleissigen Bienen aus dem Nektar von Citrusblüten veredelt, ist mit Coffein versetzt. Ja noch mehr, die Echtheit dieser Naturprodukte wird durch die Anwesenheit von Coffein und Theophyllin sozusagen zertifiziert. Die Anhäufung dieser Purin-Alkaloide beschränkt sich auf die männlichen Blütenorgane, Staubblätter, aller Citrus-Arten. Im Pollen der Staubbeutel der Grapefruit beispielsweise erreicht die Konzentration jene der Kaffeebohne. Da die alkaloidhaltigen Staubblätter gewichtsmässig nur einen kleinen Anteil am Gesamtgewicht der Blüte haben, ist die Menge an Coffein einer Tasse Orangenblütentee zirka 1000mal geringer als jene einer Tasse Kaffee. Wer weiss, vielleicht verbirgt sich das Schlaf bringende Sandmännchen des Orangenblütentees hinter der homöopathischen Dosis an Coffein?
Die Zitruspflanzen gehören zur Familie der Rutaceen (Rautengewächse), stammen sehr wahrscheinlich aus dem Fernen Osten und umfassen ein halbes Dutzend Gattungen (s. unten). Sie erfreuen uns mit ihrem Duft der Blätter und Blüten, ihren süssen oder bitteren Früchten und ihrer Erscheinung, die sie in unseren Breitengraden zu beliebten Topfpflanzen in den Orangerien des 18. Jahrhunderts werden liess. Ihre heutige Bedeutung in der Aroma- und Parfümindustrie sowie in der Heilkunde ist kaum abzuschätzen.

Die Entdeckungseschichte von 'Citruscoffein' begann damit, dass der Amerikaner Ivan Stewart vom Citrus-Forschungszentrum in Florida vor mehr als 20 Jahren gezielt nach pflanzlichen Wuchshormonen, den so genannten Cytokininen, in Pflanzen-Extrakten fahndete, wobei er 'als Nebenprodukt' Coffein in frischen Blättern (6µg/g) und frischen Blüten (19-62 µg/g) verschiedener Citrus-Arten entdeckte (Stewart 1985). Bei seiner Suche setzte er 40 Kilogramm (!) Pflanzenmaterial ein. Die Forschergruppe um Stewart hatte über 20 Jahre vorher in Citrus auch die Alkaloide Octopamin und Synephrin entdeckt (Stewart und Wheaton, 1964; Stewart et al. 1964), die heute, meist in Kombination mit viel Coffein, als Schlankheitsmittel angepriesen werden (herbalgram). Es vergingen fast 10 Jahre, bis seine Resultate bestätigt wurden: Eine Gruppe von Forschern aus dem Piemont (Trova et al., 1994) analysierte Honig verschiedener Herkunft und fand zwischen 0.6 und 10 µg/g, je nachdem, ob dieser teilweise (multifloral) oder ausschliesslich (unifloral) von Orangenblüten stammte. In getrockneten Orangenblüten aus dem Handel für die Zubereitung von Tee fanden sie bis zu 166 µg/g Coffein, was ganz den Werten Stewarts (dort auf das Frischgewicht bezogen) entspricht, dessen Arbeit sie offenbar nicht kannten. Mehrere italienische Publikationen aus verschiedenen Labors beschäftigten sich in der Folge mit der Honiganalyse und der Frage, ob anhand des Coffeingehaltes zwischen Zitronen- und Orangenblütenhonig unterschieden werden könne, was auf Grund der grossen Schwankungen verneint werden musste (Defilippi et al. 1995; Vacca und Fenu, 1996; Vacca et al. 1997).

Wo in der Blüte hockt das Coffein? Sekundärstoffe wie Coffein sind in einer Pflanze nicht zufällig verteilt, sondern wegen ihrer biologischen Aufgabe in ganz bestimmten Geweben oder Organen lokalisiert, wo sie hochdosiert in Wechselwirkung mit der Umwelt treten können. Deshalb konnte für den Fall Citrusblüte/Coffein angenommen werden, dass eine ganz spezifische 'Zuweisung' vorliegen muss, d.h. dass Coffein nicht in allen Blütenteilen eingelagert wird. Unsere Studien an der Universität Zürich (Kretschmar und Baumann, 1999; Stutz, 2001) ergaben in der Tat, dass Coffein zu 99 % in den männlichen Blütenorganen und dort vor allem in den Staubbeuteln angesiedelt ist. Die höchste Konzentration an Purin-Alkaloiden wurde daher in den Pollen und den Wänden der Staubbeutel gefunden, und zwar liegt sie für beide untersuchten Arten, Grapefruit und Pampelmuse, auf das Trockengewicht bezogen bei ca 12'000 µg/g also 12 mg/g, wobei 15 bezw. 25 % auf Theophyllin entfallen. Zum Vergleich: Die Bohne des Arabica-Kaffees enthält etwa 12 mg/g Coffein und nur Spuren von Theophyllin. Schliesslich muss erwähnt werden, dass auch der Citrus-Nektar Purin-Alkaloide enthält: Die höchsten Werte für Coffein (94 µg/ml) bezw. Theophyllin (10 µg/ml) fanden wir in der Grapefruit. Es handelte sich um wenige Einzelmessungen. Eine gründliche Untersuchung an vielen Nektarproben, bei denen eine Kontamination mit Pollen möglichst vermieden wurde , ergab Coffeinwerte von durchschnittlich 5 (Zitrone) bis gegen 20 µg/ml (Limette). Bemerkenswert ist, dass in keinem Fall Theophyllin, hingegen 3-Methylxanthin, Paraxanthin und Theobromin gut detektiert werden konnten. Es scheint, dass Theophyllin ein Marker für Verunreinigungen mit Pollen ist (Stutz, 2001).

Analog dem Blütencoffein könnte die Frage nach der Lokalisation des Blattcoffeins gestellt werden. Auch hier ist die Konzentration auf das ganze Blatt bezogen sehr gering, d.h. wenige µg pro g Frischgewicht. Leider steht die Beantwortung noch aus. Denkbar wäre eine hochkonzentrierte Einlagerung in der dünnen Wachsschicht, welche die Blätter überzieht und als Grenze zum Aussen nicht nur ein mechanisches sondern auch phytochemisches Bollwerk darstellt.

Ein zweiter Weg zum Coffein. Ivan Stewart wusste aus seinen Studien zudem, dass Coffein erst kurz vor der Anthese (=Öffnung der Blüte) gebildet wird. Diesen Aspekt haben wir in Zürich u.a. an der Zitronen- und Limettenblüte überprüft und dabei festgestellt, dass in den Staubbeuteln die Konzentration von Coffein nach dem Öffnen am höchsten ist, während der Verlauf von Theophyllin darauf hinwies, dass es sich um den direkten Vorläufer handeln könnte. Fütterung von markiertem Theophyllin bestätigten die Annahme: In Citrus existiert ein bis anhin unbekannter Syntheseweg für Coffein, der über Theophyllin führt! Dieser wurde mit Methyltransferase-Assays aus jungen Staubblättern der Zitronenblüte bestätigt. Nebst Theophyllin fungieren 1-Methyl- und 3-Methylxanthin als Methylakzeptoren (Stutz, 2001).

Etwas Chemotaxonomie. Es bleibt noch die Frage, inwiefern das Vorkommen von Coffein und verwandten Verbindungen chemotaxonomisch von Bedeutung ist. Die Zitruspflanzen (=Citrinae = citrus clade; Guerra et al., 2000; Samuel et al. 2001) setzen sich aus den Gattungen Citrus, Poncirus, Fortunella, Clymenia, Eremo- und Microcitrus zusammen. Bis anhin wurde innerhalb des citrus clade Coffein in den Gattungen Citrus und Poncirus nachgewiesen. Die andern Gattungen wurden diesbezüglich noch nicht untersucht, hingegen berichteten 1994 Lin und Wu über das Vorkommen von Coffein in frischen Blüten von Murraya paniculata. Diese gehört zusammen mit den oben erwähnten und weiteren Gattungen zu den Citreae (true citrus plants) und sind u.a. durch die Absenz von Carbazol-Alkaloiden charakterisiert. Ob sich wohl Carabazol- und Purin-Alkaloide gegenseitig ausschliessen? Es scheint, dass innerhalb der Rutaceen die 'Bereitschaft', Purin-Alkaloide zu synthetisieren, verbreitet ist: So hat die Gruppe von Waterman 1994 ein 1,3-Diprenyl-, 7-methylxanthin in den Blättern von Bosistoa floydii gefunden (Auzi et al.). Da dieses neuartige Purin-Alkaloid sehr lipophil ist, darf spekuliert werden, dass es, wie bereits für Coffein in Zitrusblättern getan wurde, im Blattwachs gelöst ist.

Zukunftsmusik. Vielleicht gelingt es eines Tages, entweder durch Selektion Mutanten zu finden, die Coffein im Fruchtknoten und der späteren Frucht bilden, oder durch gezieltes genetic engineering die Coffeinsynthese dort zu aktivieren, was der Welt den natürlich coffeinhaltigen Orangensaft bescheren würde, der mit dem morgendlichen Kaffee oder Coke in Konkurrenz treten könnte.

Honigbienen und Coffein demnächst auf dieser page!

Ivan Stewart, Florida
Literatur

Auzi AA, Gray AI, Hartley TG, Waigh RD, Waterman PG (1994) A xanthine alkaloid from leaves of Bosistoa floydii. Phytochemistry 36/2: 535-536

Defilippi A, Piancone G, Tibaldi, GP (1995) La qualità dei mieli. Metodica HPLC per la determinazione della caffeina nei mieli d'arancio. Industrie Alimentari 34: 68

Guerra M, dos Santos KGB, e Silva AEB, Ehrendorfer F (2000) Heterochromatin banding patterns in Rutaceae-Aurantioideae - A case of parallel chromosomal evolution. Amer. J. Bot. 87/5: 735-747

Kretschmar JA, Baumann TW (1999) Caffeine in Citrus flowers. Phytochemistry 52/1: 19-23

Lin JK, Wu TS (1994) Constituents of flowers of Murraya paniculata. Journal of the Chinese Chemical Society 41/2: 213-216

Samuel R, Ehrendorfer F, Chase MW, Greger H (2001) Phylogenetic analyses of Aurantioideae (Rutaceae) based on non-coding plastid DNA sequences and phytochemical features, Plant Biology 3/1: 77-87

Stewart I (1985) Identification of caffeine in Citrus flowers and leaves. J. Agric. Food Chem. 33/6: 1183-1185

Stewart I, Newhall WF, Edwards GJ (1964) Isolation and identification of L–synephrine in leaves and fruit of Citrus. J. Biol. Chem. 239/3: 930-932

Stewart I, Wheaton TA (1964) l-octopamine in Citrus – Isolation and identification. Science 145/362: 60-61

Stutz M (2001) Purinalkaloide in Blüten. Zeitliche und räumliche Allokation. Aspekte der Biosynthese. Diplomarbeit Universität Zürich, Institut für Pflanzenbiologie (Proff. TW Baumann & B Keller), 38 S.

Trova C, Cossa G, Gandolfo G (1994) Indagine sulla presenza di caffeina nel miele. Industrie Alimentari 33, 403-405

Vacca V, Fenu P (1996) Indagine sul contenuto di caffeina in alcuni mieli sardi del commercio. Industrie Alimentari 35: 368-370/374

Vacca V, Agabbio M, Fenu P (1997) La cafeina nei fiori del genere Citrus. Relazioni con la presenza dell'alcaloide riscontrata nei mieli di agrumi. Industrie Alimentari 36: 611-613

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