Melanin aus Tintenfischtinte ist als nachhaltige Biomasseressource vielversprechend

Die negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt werden jedes Jahr deutlicher. Vom Klimawandel und Mikroplastik bis hin zur Gefährdung und Ausrottung unzähliger Arten ist es offensichtlich, dass wir neue Wege finden müssen, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Glücklicherweise arbeiten viele Forschungsgruppen in bedeutenden Bereichen wie Chemie und Materialwissenschaften unermüdlich an der Entwicklung von Lösungen, die uns einer zirkulären und nachhaltigen Wirtschaft näher bringen.

Ein Bereich, der in dieser Hinsicht viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist das Upcycling von Biomasse. Dabei handelt es sich um die Umwandlung von natürlich vorkommenden organischen Materialien in wertvolle Produkte wie Biokraftstoffe und Biokunststoffe. Während sich viele wissenschaftliche Studien auf pflanzliche Biomasse wie Zellulosefasern konzentrierten, ist das Potenzial von Melanin als Biomasseressource noch wenig erforscht. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass der Abbau von Melanin – einem komplexen, aber allgegenwärtigen Biopolymer – noch weiter erforscht werden muss.

In einer aktuellen Studie veröffentlicht In ACS Nachhaltige Chemie und Technikein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Michinari Kohri von der Graduate School of Engineering der Chiba University, Japan, machte sich daran, diese Wissenslücke zu schließen. Unter Verwendung von sowohl künstlich als auch natürlich gewonnenem Melanin führten sie eine detaillierte Analyse der Zersetzung von Melanin durch und zeigten dessen Upcycling-Potenzial auf.

Ihr Papier, das am 19. April 2024 online verfügbar gemacht wurde, wurde gemeinsam von Herrn Takumi Morita und Prof. Keiki Kishikawa von der Graduate School of Engineering der Chiba University, Prof. Toshihiko Matsuura vom Laboratory of Biotechnology and Bioengineering der Hokkaido University of Education und Prof. Hironori Izawa von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Miyazaki verfasst.

Zunächst synthetisierten die Forscher künstliches Melanin aus Polydopamin und erhielten so ein Polymer, das dem natürlichen Melanin strukturell sehr ähnlich ist. Mit pulverförmigen Proben als Modellsubstanz führten sie eine Reihe von Zersetzungstests unter verschiedenen Bedingungen durch, gefolgt von einer Reihe analytischer Experimente an den resultierenden Zersetzungsprodukten.

Anschließend wiederholten sie viele dieser Tests mit natürlichem Melanin, das sie aus den Tintenbeuteln von Tintenfischen extrahierten. „Aus Ressourcensicht ist das in den Tintenbeuteln von Tintenfischen und Kalmaren konzentrierte Melanin leicht gewinnbares natürliches Melanin. Der Fang von Kalmaren und Kraken hat jährlich zugenommen und lag in den letzten Jahren bei rund drei Millionen Tonnen“, erklärt Dr. Kohri.

Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass sowohl künstliches als auch natürliches Melanin in Pyrrolderivate zerlegt wurde, die Carbonsäuren enthalten. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass Melanin aus anderen erneuerbaren und leicht zugänglichen Quellen, wie Insektenexoskeletten, Tierhaaren oder Melanin produzierenden Mikroorganismen, ebenso nützlich als chemischer Vorläufer sein könnte.

Schließlich stellten die Forscher aus den Abbauprodukten von künstlichem und natürlichem Melanin als Rohstoffe verschiedene Polymerfilme und -partikel her. Diese Experimente dienen als Demonstration des ungenutzten Potenzials von Melanin beim Upcycling von Biomasse.

„Da Melanin in der Natur reichlich vorhanden ist und letztendlich durch Mikroorganismen abgebaut wird, sind Polymermaterialien, die unter Verwendung von Melaninzersetzungsprodukten hergestellt werden, wahrscheinlich auch biologisch abbaubar“, betont Dr. Kohri.

„Biologisch abbaubare Polymere können entsorgt werden, ohne die Umwelt zu schädigen. Daher könnte der vorgeschlagene Ansatz zur Herstellung von Polymeren aus Melanin-Zersetzungsprodukten zur Entwicklung nachhaltiger Materialien führen.“

Insgesamt könnten die Erkenntnisse dieser Studie den Weg für eine weitverbreitete Einführung des Melanin-Upcyclings ebnen, was uns letztlich dabei helfen könnte, die Umwelt zu schützen.

„Genauso wie die Forschung zur Zellulose-Biomasse Fortschritte gemacht hat, weil Zellulose aus einer Vielzahl wenig genutzter Pflanzen gewonnen werden kann, hoffen wir, dass unsere Bemühungen die Verwendung von Melanin als Biomasse-Ressource fördern“, schließt Dr. Kohri.