Anthocyane: die roten, violetten und blauen Pflanzenfarbstoffe

Vier Farben, ein Molekülgerüst

Anthocyane sind wasserlösliche Farbstoffe aus Pflanzengewebe und gehören zur Familie der Flavonoide, die die Übersichtsarbeit von Panche aus dem Jahr 2016 im Zusammenhang beschreibt [1]. Damit ist die Definition eigentlich fertig, und sie klingt harmloser, als sich der Stoff verhält. Wer im Sommer eine Brombeere zerdrückt, trägt den Farbstoff anschließend am Finger, und wer Rotkohl schneidet, findet ihn auf dem Brett. So weit reicht Küchenwissen. Interessant wird es genau dort, wo dieses Küchenwissen aufhört, denn eine feste Farbe hat das Molekül nicht. Es hat eine Farbe pro Bedingung.

Die Farbbeispiele, die in dieser Literatur nebeneinanderstehen, decken ein erstaunlich weites Feld ab. Die Brombeere wird als karmesinrot geführt, der Rotkohl als violett, die Blaubeere als blauschwarz und bestimmte Cannabissorten als purpurn [1]. Vier Pflanzen, vier deutlich verschiedene Farbeindrücke, dahinter eine gemeinsame Stoffgruppe. Man kann diese Angaben lesen wie eine kleine Tabelle: links die Pflanze, rechts der Farbton. Was in dieser Tabelle fehlt, ist jede Angabe zur Menge. Sie nennt Farben, keine Gehalte, und das ist keine Lücke, sondern der Zuschnitt der Quelle.

An dieser Stelle gehen viele Texte zu schnell weiter, weil vier Farben nach vier verschiedenen Erfindungen aussehen. Sie gehen aber auf eine Handvoll Grundstrukturen zurück, die in der Fachsprache Anthocyanidine heißen [1]. Handvoll ist dabei genau die Angabe, die dort steht. Eine exakte Zahl nennt die Quelle nicht, und sie wird hier auch nicht ergänzt. Aus wenigen Grundgerüsten entsteht ein breites Farbfeld, und das ist der eigentliche Kern des Themas: nicht viele Farbstoffe für viele Farben, sondern wenige Strukturen unter wechselnden Bedingungen.

Die Namensähnlichkeit sorgt zuverlässig für Durcheinander, deshalb lohnt ein kurzer Halt. Anthocyanidin bezeichnet das farbtragende Grundgerüst, Anthocyan die Stoffgruppe, die im Pflanzengewebe darauf aufbaut [1]. Ein Wortstamm, zwei Bezugsgrößen, und in Fachtexten stehen sie oft in derselben Zeile. Wer die beiden Begriffe auseinanderhält, liest Aufsätze zu diesem Thema deutlich gelassener, weil dann klar ist, wovon gerade die Rede ist: von der Struktur oder von dem, was daraus in der Pflanze zu finden ist.

Die Flavonoide sind kein Nebenkapitel der Pflanzenchemie. Es ist eine große, gut dokumentierte Gruppe, und die Zusammenschau von 2016 ordnet die Anthocyane genau dort ein [1]. Das ist mehr als eine Formalie in der Systematik. Es erklärt, weshalb in einer einzigen Pflanze Verbindungen stecken können, die chemisch miteinander verwandt sind und optisch nichts gemeinsam haben. Manche tragen Farbe, andere nicht. Die Verwandtschaft steckt im Bauplan und im Stoffwechselweg, nicht im Aussehen des Endprodukts.

Wasserlöslich ist die zweite Eigenschaft, die die Quelle ausdrücklich festhält [1]. Der Farbstoff sitzt also im wässrigen Teil des Gewebes. Das klingt nach einem Detail für Laborleute, hat aber eine sehr praktische Seite: Ein wässriger Auszug und ein Ölauszug greifen nicht dieselben Inhaltsstoffe ab. Wer Rotkohl kocht, sieht das Kochwasser violett werden. Ein violettes Kochwasser und ein Ölauszug sind zwei verschiedene Dinge, und Begriffe wie CO2 Extraktion gehören in das zweite Thema, nicht in dieses.

Jetzt der ungewohnte Teil, und er gehört an den Anfang statt in eine Fußnote. Alles, was weiter unten über Kationen, Anionen und Farbwechsel steht, beschreibt das Verhalten des Moleküls im Reagenzglas [1]. Also in Lösung, bei eingestelltem pH-Wert, unter Bedingungen, die jemand absichtlich hergestellt hat. Nicht in der lebenden Zelle. Nicht in der Frucht am Strauch. Diese Grenze zieht sich durch den ganzen Eintrag, und sie ist der Grund, weshalb am Ende weniger Gewissheit steht, als das Thema verspricht.

Eine Farbangabe ist eine Beschreibung, keine Menge. Dass eine Blaubeere blauschwarz aussieht, steht als Farbeindruck in der Literatur [1], und damit ist der Satz auch zu Ende. Wie viel Farbstoff in einer bestimmten Frucht steckt, in einer bestimmten Ernte, in einem bestimmten Blatt, ist eine Frage an ein Labor und nicht an das Auge. Der Unterschied zwischen beschreiben und beziffern läuft durch fast jedes Thema der Pflanzenanalytik, und hier ist er besonders gut zu sehen.

Aus einem Farbton lässt sich auch keine Rangfolge ableiten. Die zitierten Arbeiten führen Farben, Grundstrukturen, Stoffwechselwege und den industriellen Einsatz auf; eine Bewertung von Pflanzenmaterial nach Farbe gehört nicht zu ihrem Inhalt. Und noch eine Abgrenzung, weil in diesem Themenfeld die Suchanfragen gern durcheinanderlaufen: Anthocyane sind Pflanzenfarbstoffe, Cannabinoide sind eine andere Stoffklasse, und das cannabinoide System des Körpers, häufig als endocannabinoid system gesucht, hat eine eigene Literatur mit eigenen Fragestellungen. Berührungspunkt ist allein die Pflanze, in der beides vorkommen kann.

Die purpurne Cannabissorte in der Aufzählung ist übrigens nur das: ein Farbbeispiel in einer Reihe mit Brombeere, Rotkohl und Blaubeere [1]. Sie steht dort nicht als Sonderfall und nicht als Qualitätsmerkmal. Wer diese Zeile isoliert liest, macht daraus schnell mehr, als in ihr steht. Bleibt die Frage, wie wenige Grundgerüste so viele Töne ergeben. Ein Teil der Antwort steht in der Chemie der Lösung, in der sich das Molekül gerade befindet, und die Übersichtsarbeit von 2016 beschreibt diese Abhängigkeit als geordnete Reihe [1]. Nicht als Sprung. Als Reihe.

Der pH-Wert gibt die Form vor

Der pH-Wert hält fest, wie viele freie Protonen, also Wasserstoffionen, in einer Lösung unterwegs sind. Kleine Zahlen bedeuten sauer, 7 gilt als neutral, größere Zahlen bedeuten alkalisch. Für ein Anthocyanmolekül ist das keine Nebenbedingung, sondern die bestimmende Größe, denn die Übersichtsarbeit von 2016 sortiert seine Formen entlang steigender pH-Werte [1]. In dieser Beschreibung gibt nicht die Pflanze den Ton an, sondern die Umgebung des Moleküls. Wer den pH-Wert kennt, kennt die Form. Wer nur die Pflanze kennt, kennt sie nicht.

Chemisch passiert dabei etwas ziemlich Einfaches. Das Molekül gibt ein Proton ab oder es behält es. Jede Abgabe verändert die Ladung und damit die Struktur, und mit der Struktur ändert sich, welches Licht das Molekül aufnimmt. Der Fachausdruck für diese Abgabe ist Deprotonierung. Er klingt sperrig und meint nichts anderes als: ein Wasserstoffion verlässt das Molekül [1]. Genau dieser eine Vorgang, mehrfach hintereinander, trägt die ganze Sequenz.

Zwei weitere Wörter, dann ist das Vokabular vollständig. Ein Kation ist ein Teilchen mit positiver Ladung, ein Anion eines mit negativer Ladung. Chinoid beschreibt eine bestimmte Anordnung im Ringsystem des Moleküls. Und Carbinolform heißt eine weitere Variante, die in der beschriebenen Reihe eine eigene Rolle spielt [1]. Vier Begriffe, kein Vorwissen aus dem Chemieunterricht nötig, und damit lässt sich die Sequenz Zeile für Zeile mitlesen.

Wichtig ist eine Lesart, die in solchen Aufzählungen leicht untergeht. Wenn eine Form als vorherrschend beschrieben wird, heißt das nicht, dass die anderen verschwinden. Die Formen stehen in derselben Lösung nebeneinander, und mit dem pH-Wert verschiebt sich, welche davon den Ton angibt [1]. Deshalb steht in der Literatur eine Reihe mit Übergängen und keine Liste von Schaltzuständen. Der Unterschied klingt nach Wortklauberei. Er entscheidet aber darüber, ob man die Angaben richtig oder falsch weitererzählt.

Wer schon einmal Rotkohl gekocht hat, kennt die Beobachtung, dass das Kochwasser nicht immer gleich aussieht. Ein Erklärungsangebot dafür steckt in der pH-Reihe. Nur beschreibt die Übersichtsarbeit von 2016 Lösungen im Labor und keine Töpfe [1], und diese Einschränkung bleibt bestehen, so alltagsnah das Beispiel auch klingt. Ein Glas Saft ist dem Reagenzglas näher als eine lebende Zelle. Näher ist trotzdem nicht dasselbe.

Und noch einmal der Rahmen, weil er so oft verloren geht: beschrieben wird das Molekül in Lösung [1]. Welche Farbe genau zu welcher Form gehört, steht in dieser Zusammenfassung nicht in Farbnamen ausbuchstabiert, mit einer einzigen Ausnahme, die unten kommt. Was dort steht, sind Strukturen, Ladungen und pH-Bereiche. Wer daraus ein vollständiges Farbschema baut, geht über die Quelle hinaus und merkt es meist nicht.

Vom Flavyliumkation zum chinoiden Anion

Im stark sauren Bereich, etwa zwischen pH 1 und pH 3, herrscht die Form vor, die Flavyliumkation heißt [1]. Positiv geladen, protoniert, in dieser Umgebung die tonangebende Variante. Solche Bedingungen stellt man im Labor mit Säure ein. In einer Küche kommen sie selten vor, und in einer Pflanzenzelle liegen sie, wie der nächste Abschnitt zeigt, ebenfalls nicht in dieser Schärfe vor.

Steigt der pH-Wert in den schwach sauren bis neutralen Bereich, etwa auf pH 4 bis 6, gibt das Kation ein Proton ab. Aus dem Flavyliumkation entstehen dabei die chinoiden Basen [1]. Parallel dazu sammelt sich eine weitere Variante an, die farblose Carbinolform [1]. Zwei Vorgänge im selben Fenster also: eine Umwandlung und eine Anhäufung. Die Quelle nennt beide nebeneinander, ohne sie gegeneinander zu verrechnen, und genau so werden sie hier auch notiert.

Die Angabe farblos ist bemerkenswert, weil sie in einer Aufzählung von Farbstoffen steht. Für sich genommen sagt sie nichts über eine Menge und nichts über den Farbeindruck einer bestimmten Lösung. Sie hält fest, dass in diesem pH-Bereich eine Variante ohne Farbe vorliegt und dass sie sich dort anreichert [1]. Mehr steht dazu nicht, und mehr lässt sich daraus nicht rechnen.

Im leicht alkalischen Bereich, etwa pH 7 bis 8, geht die Deprotonierung weiter. Aus den chinoiden Basen werden chinoide Anionen [1]. Damit endet die Reihe, wie sie 2016 aufgeschrieben ist: vom positiv geladenen Kation über die neutralen chinoiden Basen samt farbloser Begleitform bis zum negativ geladenen Anion, geordnet nach steigendem pH-Wert. Vier Stationen, ein Molekülgerüst, ein Ordnungsprinzip, das man sich merken kann.

Was diese Sequenz nicht leistet, ist eine Vorhersage für ein bestimmtes Glas Saft, einen bestimmten Kohl oder ein bestimmtes Blatt. Sie beschreibt Formen und pH-Bereiche, nicht Gehalte. Für eine Zahl braucht es eine Messung an einer konkreten Probe, und die steht in dieser Quelle nicht. Das ist keine Schwäche der Arbeit. Es ist ihr Zuschnitt, und ein Eintrag über Anthocyane sollte ihn mitschreiben.

Die Vakuole als Farbkammer

Pflanzenzellen haben ein großes inneres Fach, die Vakuole. Für dieses Thema ist sie deshalb interessant, weil ihr Inhalt sauer ist, häufig in einem Bereich von pH 3 bis 6. Gehalten wird dieser Zustand von Protonenpumpen in der Vakuolenmembran, also von Proteinen in der Hülle des Fachs, die Wasserstoffionen hineinbefördern. Ein Fach mit eigener Chemie, aktiv aufrechterhalten. Das ist eine Umgebung, keine Farbangabe.

Nun liegen zwei Datenpunkte nebeneinander, und die Versuchung, sie zusammenzurechnen, ist groß. Auf der einen Seite die Reihe der Molekülformen, geordnet nach steigendem pH-Wert und beschrieben für das Reagenzglas [1]. Auf der anderen Seite ein Zellfach, dessen pH-Bereich sich mit einem Teil dieser Reihe überschneidet. Die beiden Angaben stehen hier bewusst getrennt, denn die zitierte Übersichtsarbeit beschreibt Lösungen und nicht das Innere einer bestimmten Zelle [1].

Diese Zurückhaltung ist kein Formalismus. In einer lebenden Zelle steht ein Farbstoff nicht allein in destilliertem Wasser. Was dort neben ihm liegt, wie das Fach genau eingestellt ist und wie sich das über Stunden und Tage verändert, ist eine andere Fragestellung als die einer Formenreihe im Labor. Die Reihe bleibt gültig als Chemie. Sie wird nur nicht automatisch zur Beschreibung eines Blatts.

Praktisch heißt das: Die Farbe eines Pflanzenteils lässt sich beschreiben, wie es die Beispiele von Brombeere bis Cannabis tun [1]. Aus dieser Beschreibung folgt keine Zahl. Aus dem pH-Bereich einer Vakuole folgt ebenfalls keine Zahl für einen Farbstoffgehalt. Zwei nachlesbare Angaben, eine offene Stelle dazwischen, und das ist der ehrlichste Stand, den dieses Thema derzeit hergibt.

Auffällig ist, wie viel Betrieb in dem Fach steckt. Protonenpumpen arbeiten dauerhaft, sonst hielte der saure Zustand nicht. Ein Farbstoff sitzt also nicht in einem stillen Behältnis, sondern in einer Umgebung, die aktiv eingestellt wird. Wer sich fragt, warum Pflanzenfarben nicht so beständig sind wie ein Anstrich, findet hier den Ansatzpunkt. Nicht die Antwort, aber die richtige Ecke.

Lichtempfindliche Gene am Ende der Kette

Anthocyane entstehen nicht aus dem Nichts, sondern am Ende eines Stoffwechselwegs. Die Übersichtsarbeit von 2016 nennt den Phenylpropanoidweg als gemeinsame Route, die sich auch die übrige Flavonoidfamilie teilt [1]. Ein Stoffwechselweg ist dabei eine Kette von Schritten, jeder Schritt von einem Enzym ausgeführt, jedes Enzym von einem Gen kodiert. Erst weiter hinten in dieser Kette trennen sich die Zweige, und dort entstehen die Verbindungen mit Farbe.

Interessant ist ein zweiter Datenpunkt aus derselben Arbeit: Die Gene für die späteren Enzyme des Wegs reagieren stark auf Licht [1]. Reagieren heißt hier, dass ihre Aktivität von der Lichtsituation abhängt. Damit steckt in der Genetik selbst eine Abhängigkeit von der Umgebung, und zwar an der Stelle des Wegs, die den Farbstoffen am nächsten liegt. Vorne die gemeinsame Grundroute, hinten die lichtempfindlichen Schritte.

Was diese Angabe festlegt und was nicht, lohnt eine eigene Zeile. Sie besagt, dass die Genaktivität an dieser Stelle der Kette stark auf Licht anspricht [1]. Sie liefert keine Zahl für den Farbstoffgehalt einer Pflanze, keinen Wert pro Ernte und keine Umrechnung von Lichtstunden in Farbtiefe. Beschreiben und beziffern sind auch hier zwei verschiedene Vorgänge, und die Quelle beschreibt.

Alles, was über diesen Punkt hinausgeht, steht nicht in den beiden hier zitierten Arbeiten. Temperaturen, Erntetermine, Sortenvergleiche, Zahlenreihen: dazu enthält weder die Zusammenschau von 2016 [1] noch die Bestandsaufnahme von ElSohly und Slade aus dem Jahr 2005 [2] Angaben, die man wiedergeben könnte. Deshalb endet dieser Abschnitt hier, mit einem beschriebenen Weg und einer benannten Abhängigkeit.

Der gemeinsame Weg erklärt aber noch etwas anderes, und das führt zum nächsten Punkt. Wenn Anthocyane und die übrige Flavonoidfamilie dieselbe Grundroute teilen [1], dann sind Verbindungen, die in einer Pflanze gar keine Farbe tragen, mit den Farbstoffen verwandt. Bei Hanf hat diese Verwandtschaft sogar eigene Namen bekommen. Sie stehen in einer chemischen Bestandsaufnahme von 2005 [2].

Aus Traubenschale und Rotkohl gewonnen

Anthocyane sind nicht nur ein Kapitel der Pflanzenchemie, sondern auch ein industrielles Material: Sie werden als natürliche Lebensmittelfarben eingesetzt [1]. Damit verlässt das Thema das Labor und landet in der Produktion, wo andere Fragen zählen. Nicht welche Molekülform bei welchem pH-Wert vorherrscht, sondern ob genug Material verfügbar ist und ob es sich verarbeiten lässt.

Die Begründung, die dafür in der Literatur steht, umfasst drei Punkte [1]. Der Farbstoff ist wasserlöslich, er stammt aus Pflanzen, und er ist in großen Mengen verfügbar. Drei nüchterne Kriterien, keine davon spektakulär, alle drei zusammen aber der Grund, weshalb diese Stoffgruppe für die Farbgebung von Lebensmitteln überhaupt in Betracht kommt. Verfügbarkeit ist in solchen Fragen oft die härteste Bedingung.

Genannt werden zwei Mengenquellen: Traubenschale und Rotkohl [1]. Beides Material, das in großem Umfang anfällt, beides kein Nischenprodukt. Damit schließt sich der Kreis zu den Farbbeispielen vom Anfang, denn der Rotkohl steht in derselben Quelle sowohl als violettes Beispiel als auch als Rohstoff [1]. Eine Pflanze, zwei Rollen, eine Literaturstelle.

Für die Frage nach purpurnem Pflanzenmaterial folgt daraus wenig. Dass Traubenschale und Rotkohl als Mengenquellen dienen, sagt nichts darüber, wie viel Farbstoff in einer anderen Pflanze steckt. Auch die industrielle Bedeutung ist keine Aussage über einen Gehalt. Sie ist eine Aussage über Beschaffung und Verarbeitung, und sie bleibt in diesem Rahmen.

Cibdol arbeitet seit 2014 mit Cannabinoiden, und daraus ist eine schlichte Arbeitsregel geworden: beschreiben, was gemessen wurde, benennen, was nicht gemessen wurde, und die Analyse das Reden übernehmen lassen. Auf dieses Thema übertragen heißt das: Farbangaben sind Beschreibungen aus der Literatur [1], keine Kennzahlen einer Charge. Wer nach CBG Öl oder nach einem CBD Vollspektrum Öl sucht, sucht nach Cannabinoidwerten aus einer Analyse, und die stehen in einem eigenen Unterlagenblock, getrennt von jeder Farbnotiz.

Das ist der unspektakuläre, aber belastbare Teil der Sache. Ein Prüfbericht führt auf, was ein Labor an einer bestimmten Probe bestimmt hat. Anthocyane gehören nicht zu diesen Größen. Wer sie beziffern möchte, braucht eine eigene Methode, eine eigene Probe und eine eigene Fragestellung, und dieser Eintrag liefert dafür die Begriffe, nicht die Zahlen.

Cannflavin A und B im Hanf

Die chemische Bestandsaufnahme von ElSohly und Slade aus dem Jahr 2005 führt zwei Flavonoide auf, die den Namen der Pflanze im eigenen Namen tragen: Cannflavin A und Cannflavin B [2]. Der Name ist also kein Zufall, sondern Herkunftsangabe. Und die Begründung dafür steht gleich daneben: Es sind hanfeigene Flavonoide, für keine andere Art wurde eine Produktion gezeigt [2].

Dieser Satz verdient eine genaue Lesart. Für keine andere Art gezeigt heißt: Der veröffentlichte Bestand nennt keine zweite Pflanze, bei der diese beiden Verbindungen nachgewiesen wurden [2]. Es ist eine Aussage über den Stand der Dokumentation, nicht über eine chemische Unmöglichkeit. Solche Aussagen können sich mit weiteren Untersuchungen fortschreiben, und dann würde sich die Zeile ändern, nicht das Molekül.

Mit den Anthocyanen verbindet die beiden Cannflavine die Familie. Beide gehören in die Flavonoidgruppe, die die Übersichtsarbeit von 2016 im Zusammenhang beschreibt [1], und deren gemeinsame Grundroute dort der Phenylpropanoidweg ist [1]. Was sie unterscheidet, ist die Frage, die man an sie stellt. Bei den Anthocyanen geht es um Farbe, Form und pH-Wert. Bei den Cannflavinen um einen Eintrag in einer Substanzliste zur Hanfpflanze [2].

Damit stehen drei Ebenen sauber getrennt: die Farbnotizen von Brombeere bis Cannabis [1], die Formenreihe des Moleküls in Lösung [1] und die Bestandsliste hanfeigener Verbindungen von 2005 [2]. Jede Ebene hat ihre eigene Quelle, ihren eigenen Umfang und ihre eigene Grenze. Zusammenrechnen lassen sie sich nicht, nebeneinanderlesen sehr gut.

Auf dem Prüfbericht einer Charge stehen Cannabinoidwerte. Anthocyane stehen dort nicht, Cannflavine ebenfalls nicht, und ein Farbeindruck lässt sich nicht in eine Zeile eines Analysenberichts übersetzen. Was nachlesbar ist, bleibt nachlesbar. Was offen ist, bleibt hier offen benannt.