Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IMEGarnelen gehören weltweit zu den beliebtesten und hochwertigsten Lebensmitteln aus der Aquakultur. Doch nach der Ernte verfärbt sich ihr Panzer oft schnell schwarz. Diese sogenannten Schwarzflecken sind für Menschen harmlos, wirken aber unappetitlich. Die Folge: Tonnenweise landen hochwertige Lebensmittel im Müll. Um diesen Verlust zu stoppen, werden oft chemische Mittel eingesetzt, die jedoch nicht mit den ökologischen Produktionsprinzipien im Einklang stehen. Unsere Forschung sucht daher nach natürlichen Lösungen, um die Haltbarkeit der Garnelen zu erhalten und Lebensmittelabfälle nachhaltig zu vermeiden.
Natürliche Wirkstoffe zur Vermeidung der Schwarzfärbung (Melanose) bei Bio-Garnelen
Unbehandelte White Tiger Shrimps
Unbehandelte Black Tiger Shrimps
Ökologische Garnelen: Nachhaltig, aber empfindlich
Die ökologische Zucht von Garnelen schont Umwelt und Tier. Im Gegensatz zur konventionellen Haltung wachsen die Tiere in deutlich geringeren Besatzdichten auf. Das reduziert Stress und schützt sensible Ökosysteme wie Mangrovenwälder, die oft als natürliche Filter und Nahrungsquelle dienen. Zudem ist der Einsatz von Antibiotika und chemischen Zusätzen stark reglementiert bzw. tabu. Doch genau hier liegt die Schwierigkeit: Nach dem Fang fehlt ein effektiver Schutz gegen die natürlich auftretenden schwarzen Flecken auf den Tieren (post-mortem Melanose).
In der herkömmlichen Industrie verhindern die chemischen Mittel Natriummetabisulfit (E223) und 4-Hexylresorcin (E586) diese unschöne Verfärbung. In der Bio-Produktion sind diese Stoffe jedoch unerwünscht und so entstehen bereits nach kurzer Zeit dunkle Flecken auf dem Panzer. Obwohl die Garnelen frisch und genießbar bleiben, lehnt der Handel die Ware ab.
Doch warum verfärben sich Garnelen überhaupt schwarz?
Die Antwort liegt in zwei Proteinen: der Tyrosinase und dem Hämocyanin. Die Tyrosinase ist Teil des angeborenen Immunsystems der Garnelen und hilft bei der Wundheilung. Sobald das Tier jedoch stirbt und Luft an den Körper gelangt, startet die Tyrosinase eine Kettenreaktion: Sie wandelt farblose Bausteine im Körper der Garnele in dunkle Farbpigmente um – ähnlich wie sich angeschnittenes Obst an der Luft braun verfärbt. Unterstützt wird dieser Prozess durch das Hämocyanin. In lebenden Garnelen übernimmt dieser Stoff die Rolle, die das Hämoglobin in unserem Blut spielt: Er transportiert Sauerstoff. Das Problem: Im Nacherntestadiumkann sich Hämocyanin unter bestimmten Bedingungen ebenfalls wie eine Tyrosinase verhalten und die Bildung der schwarzen Flecken zusätzlich beschleunigen.
Unsere Forschung zielt darauf ab, diese enzymatische Aktivität mit natürlichen Wirkstoffen gezielt zu bremsen.
Behandelte White Tiger Shrimps
Behandelte Black Tiger Shrimps
Von der Computersimulation zum Anwendungstest
Um die passenden Wirkstoffe in der riesigen Vielfalt der Natur zu finden, nutzten wir im Rahmen unseres MbioShrimp-Projektes moderne Chemoinformatik. Anstatt Tausende Proben mühsam im Labor zu testen, simulierten wir die Suche zunächst am Computer. In digitalen Modellen prüften wir vorab, welche Moleküle in die Bindungstaschen der Enzyme passen und damit das Potential bergen diese zu blockieren.
Die vielversprechendsten Kandidaten aus dieser Simulation untersuchten wir anschließend im Labor auf ihre tatsächliche inhibitorische Wirkung. In kinetischen Messungen analysierten wir präzise, wie schnell und fest ein Wirkstoff das Enzym blockiert. Nachdem wir die wirksamsten Substanzen identifiziert hatten, folgte der Schritt in die Praxis. Dazu untersuchten wir die Effektivität zur vollständigen Unterdrückung der Melanose in Aquakulturbetrieben mittels realitätsnahen Lagerungsexperimenten an der Weißfußgarnele und der Black Tiger Garnele. Diese beiden Arten sind die wirtschaftlich relevantesten Spezies und machen weltweit zusammen über 85 % des Marktes aus.
Die Ergebnisse bestätigten unsere Vorhersagen: Die natürlichen Wirkstoffe verhinderten die Verfärbung über den gesamten Lagerzeitraum zuverlässig. Diese vielversprechenden Vorarbeiten sind der Ausgangspunkt für die nun anstehende Weiterentwicklung in Richtung Marktreife.
Zusammenarbeit als Innovationsmotor: Ein präzises Profil für den Markterfolg
Gemeinsam mit Partnern aus der Garnelenindustrie haben wir ein klares Anforderungsprofil definiert, um unsere Forschungsergebnisse in ein marktreifes Produkt zu überführen. Eine praxistaugliche Lösung muss nicht nur wirksam, sondern vor allem wirtschaftlich und sicher sein. Unsere bisherigen Untersuchungen bestätigen dieses Potenzial: Der Wirkstoff ist gesundheitlich unbedenklich und hinterlässt kaum Rückstände auf dem essbaren Teil der Garnele. Auch die sensorische Qualität scheint erhalten – Geschmack, Geruch und Aussehen verändern sich nicht.
Für den Einsatz in der Industrie haben wir das Verfahren so optimiert, dass es sich nahtlos in bestehende Prozesse integrieren lässt. Wie bei etablierten Methoden werden die Garnelen einfach in eine wässrige Lösung getaucht. Dabei achten wir besonders darauf, dass die Wirkstoffe auch in Salz- und Brackwasser funktionieren. Dies ist entscheidend für die weltweit bedeutendsten Produktionsgebiete in Afrika, Südostasien und Lateinamerika.
Mit angestrebten Kosten von wenigen Cent pro Kilogramm Garnelen arbeiten wir an einer wirtschaftlich tragfähigen Lösung.
Die Mehrkosten der Behandlung sollen sich am Ende doppelt auszahlen: durch eine deutlich höhere Wertigkeit der Garnelen und einer größeren Akzeptanz bei den Konsumenten für natürliche, chemiefreie Produkte.
Erst die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit unseren Partnern von Naturland, der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, des Fraunhofer CBPs und der Damm Aquakultur GmbH macht diesen Erfolg möglich. Gemeinsam bündeln wir die notwendige Expertise aus angewandter Naturstoffforschung, Biologie, Zertifizierung und industrieller Praxis. Dazu danken wir dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), dem Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Forschung, Kunst und Kultur (HMWK) sowie dem DAAD und COLFUTURO für die finanzielle Unterstützung unseres Projektteams.