Today’s sustainability challenges demand more than new materials - they require new ways of thinking about the resources we already have to support zero waste strategies. This thesis explores the valorization of underutilized biomasses - specifically the terrestrial crop Lupinus angustifolius (Lupin) and the marine macroalga Ulva fenestrata (Ulva) - as alternative feedstocks for bio-based materials. These two biomasses were selected for their dual functionality: both are already cultivated for food applications, yet their residual non-edible fractions remain largely unexplored. By combining structural biology, bioprocess engineering, materials science, and bioimaging, the thesis establishes a comprehensive, interdisciplinary framework for biomass characterization and conversion. Biopolymer mapping using multimodal fluorescence imaging and optotracing revealed the tissue architecture and native biopolymer distribution in Lupin residues and Ulva thalli. From Lupin, lignocellulose was extracted through mild alkaline pretreatment and defibrillated into lignin-containing microfibrillated cellulose (L-MFC). In Ulva, complex structural features, including oligo-/polyaromatic-rich layers and rhizoidal fibrillar structures, were discovered, prompting a redefinition of its tissue terminology. A decellularization-inspired approach was then developed to recover tissue scaffolds from Ulva, leveraging its naturally thin, two-cell-layered structure to remove cellular content while preserving scaffold integrity. Finally, two material design strategies were employed: a bottom-up approach for Lupin-derived L-MFC films, exploiting their nanoscale fibrillar network for structural organization, and a top-down approach for Ulva-based films, preserving the intrinsic tissue scaffold architecture. The resulting materials demonstrated structural integrity while preserving key biopolymer networks. Across the entire biomass-to-material workflow, multimodal fluorescence imaging combined with optotracing was integrated and adapted as a novel analytical tool, providing non-destructive, real-time and high-resolution information.

Dagens hållbarhetsutmaningar kräver mer än bara nya material – de kräver ett nytt sätt att tänka kring resurser vi redan har. Denna avhandling utforskar möjligheten att använda underutnyttjade biomassor – specifikt jordbruksgrödan Lupinus angustifolius (lupin) och den marina makroalgen Ulva fenestrata (Ulva) – som alternativa råvaror för biobaserade material. Dessa två biomassor valdes utifrån sin dubbla funktionalitet: båda odlas redan idag för livsmedelsändamål, medan resterande oätliga delar förblir till stor del outforskade.Genom att kombinera strukturbiologi, bioprocessteknik, materialvetenskap och avbildningsteknik etableras ett interdisciplinärt ramverk för karakterisering och omvandling av biomassa. Kartläggning och avbildning av biopolymerer med multimodal fluorescensmikroskopi och optotracing avslöjade vävnadsarkitekturen och den naturliga fördelningen av biopolymerer i olika växtdelar hos lupin och Ulva. Från lupin extraherades lignocellulosa via mild alkalisk förbehandling som sedan defibrillerades till lignininnehållande mikrofibrillerad cellulosa (L-MFC). I Ulva upptäcktes komplexa strukturer, inklusive oligo-/polyaromatiska lager och fibrillära strukturer i rhizoidzonen, vilket föranledde en omdefinition av dess vävnadsterminologi. En metod inspirerad av vävnadsdecellularisering utvecklades därefter för att isolera en cellväggsstruktur från Ulva. Cellinnehållet avlägsnades under milda betingelser för att bevara dess naturligt endast två cellager tunna struktur och integritet. Slutligen applicerades två olika strategier för materialdesign: en bottom-up-metod för att skapa filmer av lupin-baserad L-MFC, där dess fibrillära nätverk nyttjades för strukturell organisering, och en top-down-metod för Ulva-baserade filmer där den ursprungliga vävnadsarkitekturen bevarades. De resulterande materialen uppvisade god strukturell integritet samtidigt som viktiga biopolymernätverk bevarades. Multimodal fluorescensavbildning och optotracing integrerades och anpassades som ett nytt analytiskt verktyg, vilket möjliggjorde icke-förstörande, realtids- och högupplöst analys genom hela processen från biomassa till material.