Natürliche Produkte: Ein biobasierter Ansatz zur Milderung der Post-Mortem-Melanose in der Aquakultur von Garnelen

Die Entwicklung der Aquakultur ist von entscheidender Bedeutung, um den wachsenden Bedarf an aquatischen Proteinen zu decken, der durch die wachsende Weltbevölkerung und die gestiegene Marktnachfrage entsteht. Die kolumbianische Aquakultur spielt dabei eine wichtige Rolle. Nach Angaben des kolumbianischen Verbands der Aquakulturproduzenten (Fedeacua) gibt es in Kolumbien etwa 36.000 Erzeuger, die zusammen jährlich 204.000 Tonnen Garnelen und Fisch produzieren. Der Sektor verzeichnete im Jahr 2022 ein starkes Wachstum: Die kolumbianischen Aquakulturexporte überstiegen 200.000 Tonnen, was einer beeindruckenden Wachstumsrate von 193 % seit 2015 entspricht. Wie die Nationale Aquakultur- und Fischereibehörde (AUNAP) am Welttag der Aquakultur feststellte, bietet die Branche zudem eine beträchtliche Anzahl von Arbeitsplätzen in Kolumbien, nämlich 57.756 direkte und 173.269 indirekte Arbeitsplätze.

Garnelenzüchter stehen vor großen Herausforderungen, die ihre Lieferketten sehr anfällig machen.Ein Hauptproblem, das die weltweite Garnelenindustrie, einschließlich der Märkte in Kolumbien und Deutschland, betrifft, ist die postmortale Melanose3.

Die Bildung von Melanin ist ein biochemischer Prozess, bei dem Monophenole enzymatisch in o-Diphenole umgewandelt werden, die anschließend zu o-Chinonen oxidiert werden, die schließlich, wenn sie der Luft ausgesetzt werden, zu einem schwarzen Pigment, dem Melanin, oxidiert werden.Die Polyphenoloxidase (PPO) ist weithin als das wichtigste Enzym anerkannt, das den enzymatischen Schwärzungsprozess in Gang setzt.Normalerweise werden Sulfite wie Natriummetabisulfit (E223) in hohen Konzentrationen (zwischen 1,5 und 3 g/L) verwendet, um dieser enzymatischen Wirkung entgegenzuwirken, aber es ist bekannt, dass diese Mittel allergische Reaktionen auslösen können. 

Eine zweite chemische Verbindung, die gegen Melanose eingesetzt wird, ist 4-Hexylresorcin (E586). Im Gegensatz zu den Sulfiten ist E586 ein spezifischer PPO-Inhibitor und wird in deutlich niedrigeren Konzentrationen von 50 mg/L eingesetzt. Das Fehlen einer natürlichen Alternative, die in der Lage ist, die Melanose oder das Schwarzfleckensyndrom bei ganzen Garnelen zu hemmen, stellt eine erhebliche Bedrohung für den Marktwert und die Reichweite der Endprodukte dar, was insbesondere den Bio-Sektor betrifft. 

Ziel des Projekts ist es, Naturstoffe aus Pilzen und Pflanzen auf ihr Potenzial zur Verhinderung von Melanose bei Garnelen zu untersuchen und die Polyphenoloxidase (PPO) von Garnelen zu charakterisieren, um die molekulare Interaktion der natürlichen Inhibitoren mit der PPO zu untersuchen und so tiefere Einblicke für die Entwicklung wirksamer Strategien zur Melanosehemmung zu gewinnen.

Das Projekt stützt sich auf die Fraunhofer-Stammsammlung, um neue oder bereits bekannte Naturstoffe aus Pilzen zu identifizieren. Für die Anwendungstests auf Garnelen sind größere Mengen an Naturstoffen erforderlich, was die Entwicklung optimierter Fermentationsprozesse (Upstream Processing (USP)) und Isolierungsstrategien (Downstream Processing (DSP)) für jede Zielverbindung erfordert. Zunächst wird eine Versuchsplanung (Design of Experiments, DOE) in kleinem Maßstab durchgeführt, um optimierte Medien und Bedingungen zu ermitteln, die zu erhöhten Titern der Zielverbindungen in der Fermentationsbrühe der Produzentenpilze führen. Anschließend werden die Prozessparameter in parallelisierten 2-L-Bioreaktoren optimiert, um schließlich das Scale-up in einem 30-L-Bioreaktor anzuleiten, in dem die Verbindung in den erforderlichen Mengen produziert wird.