Mikrobit väriaineteollisuuden vallankumouksessa

Ympäristömme on täynnä ainutlaatuisia väriyhdisteitä, joiden alkuperää tulee harvoin miettineeksi. Synteettiset pigmentit ovat pitkään dominoineet markkinoita tarjoten monenkirjavia sävyjä, mutta usein niiden tuotantoprosessit ja ainesosat ovat kaikkea muuta kuin ympäristöystävällisiä. Luonnon tarjoama väripaletti ei ole ainoastaan visuaalisesti houkutteleva, vaan myös potentiaalinen ratkaisu kestävän kehityksen haasteisiin. Riittävätkö luonnonmateriaalit kuitenkaan värivallankumouksen aikaansaamiseksi?

Väriaineet ovat kautta aikojen olleet olennainen osa kulttuuria, ja niitä on käytetty tuhansien vuosien ajan muun muassa maalaamiseen ja tekstiilien värjäämiseen. 2000-luvulla värien merkitys yhteiskunnassa on noussut entistäkin suuremmaksi, ja erityisesti kuluttajamarkkinat nojaavat vahvasti väreihin. Nykyaikaisen teollistumisen myötä synteettiset väriaineet ovat ottaneet vallan markkinoista, sillä niitä voidaan tuottaa kustannustehokkaasti suuria määriä. Lisäksi synteettiset väriaineet ja pigmentit ovat tasalaatuisia ja värikylläisiä.

Synteettiset väriaineet ovat kuitenkin usein petrokemian johdannaisia, eli niitä valmistetaan uusiutumattomista raaka-aineista. Lisäksi ne voivat sisältää haitallisia yhdisteitä ja raskasmetalleja, jotka ovat vahingollisia ympäristölle ja jopa terveydelle, ja ne voivat aiheuttaa esimerkiksi allergisia iho-oireita. Synteettisten väriaineiden ympäristöä ja terveyttä kuormittavan luonteen vuoksi luonnollisten ja biopohjaisten väriaineiden suosio on herättänyt kasvavaa kiinnostusta. Luonnollisten väriaineiden perustana olevat raaka-aineet ovat uusiutuvia ja useimmiten sekä ympäristölle että ihmisille turvallisempia. Luonnolliset väriaineet ovat usein myös biologisesti hajoavia, mikä tarkoittaa sitä, etteivät ne kerry ympäristöön ja aiheuta pitkäaikaisia haittoja ekosysteemeille.

Luonnon omat väriaineet

Perinteisesti käytettyjä luonnollisten väriaineiden lähteitä ovat esimerkiksi erilaiset kasvit, sienet, mineraalit ja hyönteiset. Etelä-Amerikassa eläviä kokenillikirvojen naaraita hyödynnetään karmiininpunaisen väriaineen lähteenä, jota käytetään yleisesti elintarvikkeissa ja esimerkiksi Campari-liköörissä. Punaista väriä saadaan uutettua myös kotimaisesta verihelttaseitikistä (Cortinarius semisanguineus), joka kasvaa erityisesti mäntymetsissä. Lähi-idästä löytyvästä lapis latsuli -mineraalista jalostetaan puolestaan arvokasta ultramariinipigmenttiä, jolla on voimakas sininen väri. Suomessa kasvatetusta värimorsingosta tuotettu sininen indigo on kotimainen vaihtoehto luonnollisen siniselle pigmentille.

Luonto onkin täynnä monenlaisia väriaineiden lähteitä, ja kautta aikojen väriaineita on uutettu erilaisista luonnonmateriaaleista keittämällä. Useat kotona tai puutarhassa syntyvät jäämät, esimerkiksi marjat tai sipulinkuoret, ovat potentiaalisia väriaineiden lähteitä. Kasviperäisiä sivuvirtoja hyödyntämällä luonnonväriaineet edistävät kiertotaloutta ja mahdollistavat raaka-aineen kokonaisvaltaisemman käytön.

Luonnollisia väriaineita voidaan tuottaa myös bioreaktoreissa

Vaikka luonnollisilla väriaineilla on monia etuja, niiden tuotantoon liittyy myös ongelmia. Harva värikasvi kasvaa Suomessa luonnonvaraisesti, ja niiden viljely on sidonnainen vuodenaikoihin sekä arvokkaaseen maa-alaan, josta kilpailevat myös ruokakasvit. Uudet ja innovatiiviset lähestymistavat, erityisesti mikrobiologian alalla, avaavat kuitenkin laajempia mahdollisuuksia luonnollisten väriaineiden tuotannolle.

Mikrobeja löytyy kaikista eliökunnista, ja ne ovat elämän perusta monissa ekosysteemeissä. Levät, bakteerit ja mikroskooppiset sienet ovat osoittautuneet lupaaviksi luonnollisten väriaineiden lähteiksi. Ne pystyvät syntetisoimaan erilaisia värisävyjä, ja toisin kuin useimmat perinteiset värikasvit, monet näistä mikroskooppisista eliöistä soveltuvat hyvin myös teolliseen mittakaavaan. Yksi mikrobipigmenttien olennainen etu on kontrolloidussa ja skaalautuvassa tuotannossa, mikä lieventää perinteisten biovärien kärsimiä kausittaisia ympäristöhaasteita.

Mikrobipigmenttejä voidaan tuottaa kontrolloiduissa ympäristöissä, bioreaktoreissa (kuva 1). Näissä järjestelmissä kasvatusolosuhteita, esimerkiksi lämpötilaa, pH:ta ja ravinteiden saatavuutta, voidaan hallita pigmenttituotannon edistämiseksi. Lisäksi mikrobien tuotantoa voidaan manipuloida saannon parantamiseksi, uusien sävyjen luomiseksi ja jopa sellaisten funktionaalisten pigmenttien formuloimiseksi, joilla on esimerkiksi antioksidanttisia tai antimikrobisia ominaisuuksia.

Mikroskooppisen pienet organismit luonnollisten väriaineiden lähteinä

Mikroskooppiset sienet ovat osa monimuotoista sienikuntaa, joka kattaa niin silmälle näkymättömät yksisoluiset hiivat kuin isommat itiöemiä tuottavat kantasienetkin. Mikroskooppiset homeet ja hiivat ovat olleet ihmiskunnan hyötykäytössä tuhansia vuosia, esimerkiksi leivonnassa, juomien valmistuksessa ja lääketieteessä. Ne ovat myös biotekniikan alalla yleisesti käytettyjä organismeja, sillä ne pystyvät lisääntymään nopeasti, tuottamaan suuria määriä biomassaa ja syntetisoimaan erilaisia arvoyhdisteitä, mukaan lukien pigmenttejä. Mikroskooppisten sienten tuottamat pigmentit voivat olla sekä värikylläisiä että kestäviä. Lisäksi sienillä voidaan tuottaa sellaisia värejä, joita on vaikeaa tai jopa mahdotonta tuottaa perinteisistä luonnollisten väriaineiden raaka-aineista.

Monascus purpureus on home, joka tuottaa monascuspigmenttejä, joiden väri vaihtelee keltaisesta punaiseen ja purppuraan. M. purpureusta on perinteisesti käytetty Aasiassa riisin fermentointiin, mikä tuottaa riisiin punaisen värin. Punariisinä tunnettua elintarviketta markkinoidaan ravintolisänä, ja sillä on kolesterolia alentavia vaikutuksia. Pensselihomeet, esimerkiksi Penicillium roqueforti, ovat puolestaan tunnettuja roolistaan roquefort- ja gorgonzolajuustojen valmistuksessa. Homeen tuottamat mykotoksiinit eli homemyrkyt ovat voimakkaita sinisiä pigmenttejä. Vaikka näitä mykotoksiineja ei yleensä käytetä suoraan väriaineina, ne ovat hyviä esimerkkejä siitä, kuinka mikrosienet voivat tuottaa voimakkaita eri värejä.

Mikroskooppisten sienten lisäksi myös mikrolevät tuottavat uniikkeja pigmenttejä, erityisesti fykobiliproteiineja, klorofyllejä sekä karotenoideja. Spirulina-mikrolevä on luonnollinen fykosyaniin lähde, joka on kauniin ja voimakkaan sininen pigmentti. Fykosyaniini-sinistä käytetään luonnollisena väriaineena muun muassa elintarvikkeissa ja kosmetiikassa. Lehtivihreänä tunnettu klorofylli taas on vihreä pigmentti, jonka suurimmat pitoisuudet löytyvät viherlevistä. Haematococcus pluvialis ja Dunaliella salina ovat mikrolevälajeja, jotka tuottavat karotenoidipigmenttejä eli oranssin ja punaisen eri sävyjä. Mikrolevälajeja on tuhansia, ja jokaisella lajilla on omat erityispiirteensä ja -pigmenttinsä.

Yhteistyöllä kohti ympäristöystävällisempiä ratkaisuja

Mikrobipigmenttien laajamittainen tuotanto vaatii kuitenkin vielä lisätutkimusta. Tuotantoprotokollan parantaminen, pigmenttien tasalaatuisuuden, stabiiliuden ja turvallisuuden varmistaminen sekä kustannustehokkaiden prosessien luominen ovat edellytyksiä kaupallisen mittakaavan tuotannolle. On myös tärkeää huomioida, että vaikka mikrobipigmenttien potentiaali on suuri, ne eivät riitä ainoaksi ratkaisuksi kestävän väriaineteollisuuden murroksessa.

Monimuotoiset lähestymistavat, mukaan lukien kasviperäisten raaka-aineiden ja muiden uusiutuvien resurssien hyödyntäminen, voivat yhdessä mikrobien kanssa muodostaa kestävän väripaletin tulevaisuuden tarpeisiin. Teknologian ja innovaatioiden kehittyessä etsimme tapoja, joilla voimme yhdistää sekä luonnollisten että synteettisten pigmenttien parhaat puolet luoden sekä ekologisia että kustannustehokkaita väriaineita. Tämä vaatii yhteistyötä eri toimijoiden – tutkijoiden, teollisuuden ja kuluttajien – välillä. Yhteistyö onkin avainasemassa siirtyessämme kohti ympäristöystävällisempiä ratkaisuja, joiden avulla voimme saavuttaa todellisen värivallankumouksen.