Công dụng của axit amin đối với cây trồng và sức khỏe con người

Quá trình tạo ra các loại axit amin tiêu tốn rất nhiều năng lượng do đó việc cung cấp các L-amino acid thông qua rễ hoặc lá sẽ đảm bảo cây trồng có đủ các nguyên liệu cần thiết để tạo ra

AXIT AMIN

1 Công dụng của axit amin đối với cây trồng và sức khỏe con người

1.1 Công dụng của axit amin đối với cây trồng

1.1.1 Thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp protein

Các axit amin (amino acid) là hợp phần cấu tạo nên protein và enzyme (men sinh học) Chúng là yếu tố cơ bản của tất cả các cơ thế sống và có vai trò quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào

Cây trồng có thể tự tạo ra protein ở một số giai đoạn nhất định của quá trình sinh trưởng, hoặc theo nhu cầu dinh dưỡng… Chúng chỉ có thể sản xuất protein một cách hiệu quả nếu có đủ các nguyên liệu cần thiết Quá trình tạo ra các loại axit amin tiêu tốn rất nhiều năng lượng do đó việc cung cấp các L-amino acid thông qua rễ hoặc lá sẽ đảm bảo cây trồng có đủ các nguyên liệu cần thiết để tạo ra các protein quan trọng

1.1.2 Tăng sức chống chịu của cây trồng với các điều kiện bất lợi của môi trường

Các căng thẳng về sinh học như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, hạn hán, sương giá,

sự tấn công của côn trùng, mưa đá hay bão lũ, hoặc các tác động độc hại từ việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học có tác động tiêu cực lên quá trình trao đổi chất của cây trồng làm giảm năng suất và chất lượng mùa vụ Áp dụng bổ sung axit amin trước, trong và sau khi điều kiện stress giúp cho cây trồng tăng cao hiệu quả phòng ngừa, chống chọi và hồi phục sau đó

Khi cây trồng bị stress, nó sẽ tự sản xuất axit amin chậm lại vì đây là một quy trình đòi hỏi nhiều năng lượng và chất dinh dưỡng Thay vào đó, cây trồng sẽ thủy phân (phá vỡ) các protein hiện có để đạt được các axit amin cần thiết Quá trình này đòi hỏi năng lượng ít hơn tổng hợp từ đầu Nó cũng có nghĩa là thực vật có thể “ăn thịt” bản thân trừ khi các axit amin được cung cấp như là chất bổ sung

Cây trồng tăng sản xuất Amino acid trong thời kỳ stress phi sinh học để giúp làm giảm sự tác động và đẩy nhanh thời gian hồi phục L- Proline chủ yếu ảnh hưởng đến sức mạnh của các thành tế bào, sức đề kháng trong điều kiện thời tiết xấu

1.1.3 Tăng hiệu quả quá trình quang hợp

Quang hợp là một quá trình sinh tổng hợp quan trọng nhất của cây trồng Cây trồng tổng hợp các loại đường từ carbon dioxide, nước, và năng lượng ánh sáng Các loại đường (carbohydrate) sau đó được cây sử dụng như một nguồn năng lượng cho các quá trình trao đổi chất khác Chức năng quan trọng này được điều tiết bằng các axit amin

L-Glycine và L-Glutamic acid là các chất chuyển hóa quan trọng cho sự tổng hợp diệp lục và sự hình thành mô Các amino acid này làm tăng hàm lượng của diệp lục trong cây giúp tăng hiệu quả của quá trình quang hợp

1.1.4 Là nguồn Nito hữu cơ ổn định

Nitrates (NO3-) và amonium (NH4+) là hai dạng nito phổ biến nhất được cây sử dụng Hầu hết các loại phân bón thương mại có chứa hai loại này với hàm lượng lớn Trong một thời gian dài, người ta cho rằng nitơ vô cơ (ở dạng NH4 + và NO3−) là nguồn Nito duy nhất cho cây trồng Tuy nhiên, trong hai thập kỷ qua, quan điểm đó đã thay đổi; axit amin hiện được coi là một nguồn Nito khác cho một số cây Khả năng thu nhận axit amin của thực vật đã được chứng minh trong cả điều kiện phòng thí nghiệm và đồng ruộng đối với cây trồng quan trọng trong nông nghiệp cũng như đối với một số cây rừng Người ta đã chứng minh rằng tất cả các loài thực vật được nghiên cứu đều có thể hấp thụ axit amin nguyên vẹn , nhưng với sự khác biệt đáng kể về hiệu quả Nhiều yếu tố, chẳng hạn như cạnh tranh với vi sinh vật, hoặc nồng độ axit amin trong đất ảnh hưởng đến mức

độ hấp thu axit amin từ đất (Bartosz et al., 2010).

Vì một phần nitơ đưa vào thực vật được sử dụng để tổng hợp protein và amino axit, bằng cách cung cấp dạng sẵn sàng để sử dụng, cây trồng đòi hỏi ít hơn từ nitrates và amonium cho các hoạt động này

Nitơ hữu cơ cung cấp bởi các L-amino acid cũng có xu hướng dính chặt trong đất lâu hơn với sự rửa trôi ít hơn Vì vậy, ít phải sử dụng phân bón hơn

2

1.1.5 Làm tăng hoạt động của khí khổng

Khí khổng là cấu trúc tế bào kiểm soát cân bằng nước của cây trồng Chúng cũng được sử dụng trong quá trình thoát hơi (hô hấp ở lá), cũng như sự hấp thụ vĩ mô và vi chất dinh dưỡng Sự đóng mở của khí khổng được kiểm soát bởi các yếu tố bên ngoài (ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ muối) và bởi các yếu tố bên trong (các axit amin, kali có sẵn, vv) Khí khổng đóng trong thời gian ánh sáng và độ ẩm thấp và khi nồng độ muối và nhiệt độ cao Khi khí khổng đóng, quá trình quang hợp và thoát hơi sẽ giảm và hô hấp tăng lên Điều này làm giảm sự cân bằng trao đổi chất của thực vật và làm chậm hoặc ngừng phát triển Axit L-Glutamic hoạt động như một tác nhân thẩm thấu cho các tế bào bảo vệ, có thể làm tăng sự mở lỗ khí khổng

1.1.6 Tiền chất cho các hormon thực vật và các yếu tố tăng trưởng

L-Methionine là tiền chất của ethylene (quan trọng đối với hoa quả và hoa chín) và các yếu tố tăng trưởng khác như Espermine và Espermidine

Arginine là tiền chất của polyamine, rất quan trọng trong quá trình phân chia tế bào Phenylalanine là tiền chất cấu tạo nên nignine, tạo các chồi gốc khỏe hơn

Tryptophan là tiền tố của indol- acetic acid, các chất kích thích sinh trưởng tự nhiên

1.1.7 Thúc đẩy ra hoa và đậu quả

Amino axit được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động trao đổi chất cao điểm Việc thụ phấn và tạo thành trái cây là hai trong số những thời điểm quan trọng nhất đối với thực vật, do đó hoạt động trao đổi chất được tăng lên

L-Histidine làm chín quả

L-Proline làm tăng khả năng sinh sản của hạt phấn

L-Lysine, L-Methionine, L-Glutamic Acid là các amino acid thiết yếu cho quá trình thụ phấn, làm tăng sự nảy mầm của hạt phấn và chiều dài của ống phấn

L-Alanine, L-Valine, and L-Leucine làm tăng chất lượng quả

1.1.8 Tạp phức chelate với các nguyên tố khoáng vi lượng

Các nguyên tố vi lượng là các kim loại không thể tồn tại ở dạng ion trong môi trường nước khi mà trong đó tồn tại các anion phốt phát (từ phân lân), anion sunfua (từ H2S là kết quả của sự phân rã của sinh vật nói chung mà thực chất là protein trong tự nhiên) và

anion cácbonat (từ sự hòa tan của khí CO2 trong không khí vào nước) Các ion và anion này sẽ liên kết với nhau tạo ra kết tủa là các hợp chất không tan, lắng đọng lại trong đất và trong nước nên rễ cây sẽ không thể hút được

Axit amin có thể tạo phức chelate với các nguyên tố vi lượng như Cu, Fe… giúp cho sự hấp thụ và vận chuyển chúng dễ dàng hơn

4

Tài liệu tham khảo:

1 L-Amino Acids & Their Functions, Linked in https://www.linkedin.com/pulse/l-amino-acids-functions-caitlin-blackman [Truy cập lúc 16:20, GMT+7, 31.01.2019]

2 Bartosz Adamczyk, Aino Smolander, Veikko Kitunen và Mirosław Godlewski

(2010) Proteins as nitrogen source for plants Plant Signal Behav 2010 Jul; 5(7): 817– 819

1.2 Công dụng của amino acid với sức khỏe con người

Các acid amin tham dự vào nhiều quá trình chuyển hóa trong cơ thể như tổng hợp các chất dẫn truyền thần kinh, đổi mới các sợi cơ bắp do vậy nhu cầu cho cơ thể bao giờ cũng chỉ đáp ứng đủ, thừa hoặc thiếu đều gây nên bất lợi cho cơ thể

Việc cung cấp đầy đủ các acid amin cần thiết cho cơ thể hàng ngày sẽ góp phần cải thiện đáng kể các trường hợp như suy dinh dưỡng, suy nhược, mệt mỏi, thời kỳ đang chữa trị bệnh hay sau khỏi cần hồi phục sức nhanh, hay người bệnh bị suy gan, thời kỳ mang thai, cho con bú, người già yếu, người lao động nặng, các vận động viên

Công dụng của một số loại amino acid tiêu biểu:

Acid glutamic: Giữ vai trò quan trọng trong chuyển hóa tế bào thần kinh và vỏ não

Do vậy trong các trường hợp như suy nhược chức năng thần kinh, trẻ em chậm phát triển

cơ thể hoặc trí óc, rối loạn chức năng gan, hôn mê gan, thường được sử dụng lọai acid amin này

Methionin: Đây là một acid amin trong cấu tạo phân tử chứa lưu hùynh có tác dụng bảo vệ đặc hiệu cho tế bào gan Còn là yếu tố hướng mỡ (lipotrope), tác nhân methyl hóa

và sulfur hóa, ngoài ra còn có tác dụng chống nhiễm độc Methionin còn được sử dụng như một yếu tố ngăn ngừa sự thoái hóa mỡ của các tế bào gan

Arginine: là acid amin tham gia vào chu trình tạo ra ure tại gan (đó là chức năng giải độc ammoniac của gan) nên có tác dụng điều hòa nồng độ ammoniac ở máu bị tăng trong một số người mắc bệnh gan, đồng thời thúc đẩy quá trình tổng hợp của cơ thể, trị các rối loạn chức năng gan

Lysin: lysin đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cơ, giữ xương chắc khỏe,

hỗ trợ phục hồi sau chấn thương hoặc phẫu thuật, điều hòa hormon, kháng thể và enzyme

Nó cũng có thể có tác dụng chống virus

Histidine: tạo điều kiện cho sự phát triển, tạo ra các tế bào máu và sửa chữa mô Nó cũng giúp duy trì lớp bảo vệ đặc biệt trên các tế bào thần kinh, được gọi là vỏ myelin Cơ thể chuyển hóa histidine thành histamine, rất quan trọng cho khả năng miễn dịch, sức khỏe sinh sản và tiêu hóa

Threonin: Là axit amin cần thiết cho da và răng, là thành phần của lớp men răng, collagen và elastin Nó giúp hỗ trợ chuyển hóa chất béo và có thể có lợi cho những người mắc chứng khó tiêu, lo lắng và trầm cảm nhẹ

Valine: Valine rất cần thiết cho sự tập trung tinh thần, phối hợp cơ bắp và bình tĩnh cảm xúc Mọi người có thể sử dụng bổ sung valine để tăng trưởng cơ bắp, sửa chữa mô và năng lượng Thiếu hụt Valine có thể gây thiếu ngủ và giảm chức năng tinh thần

Tài liệu tham khảo:

Vai trò của acid amin với sức khỏe, báo Sức khỏe và Đời sống

https://suckhoedoisong.vn/vai-tro-cua-acid-amin-voi-suc-khoe-n25931.html

What to know about essential amino acids

https://www.medicalnewstoday.com/articles/324229.php

6

2 Axit amin đóng góp vai trò gì trong việc nuôi dưỡng hoặc phá hủy hệ sinh thái dưới mặt đất?

Hệ sinh thái đất có thể được định nghĩa là một hệ thống hỗ trợ sự sống phụ thuộc lẫn nhau bao gồm không khí, nước, khoáng chất, chất hữu cơ, các vi sinh vật , tất cả đều hoạt động cùng nhau và tương tác chặt chẽ

Amino acids đóng vai trò là nguồn thức ăn quan trọng cho hàng tỷ vi sinh vật trong đất Carbon được tìm thấy trong các axit amin là một trong những nguồn năng lượng chính cho các vi khuẩn đất nhỏ bé này, chúng chuyển hóa carbon để tiếp tục xây dựng quần thể của chúng Có hàng ngàn loài vi khuẩn có lợi khác nhau đóng góp cho sức khỏe của đất và đời sống thực vật bằng cách xây dựng cấu trúc đất, phân hủy rơm rạ, ngăn chặn các bệnh thực vật và đất khác nhau, và cung cấp lượng carbon dioxide quan trọng mà thực vật có thể sử dụng trong quá trình quang hợp Vì vòng đời của các vi khuẩn này rất ngắn (trung bình khoảng 20 phút), chúng cũng chết với tốc độ nhanh, giải phóng các hợp chất hữu cơ quan trọng trở lại vào đất có thể được sử dụng để nuôi dưỡng Mối quan hệ cho và nhận tinh tế giữa các vi khuẩn, đất và đời sống thực vật phụ thuộc vào các axit amin để phát triển mạnh, do đó, lý do là đất có lượng axit amin cao nhất cuối cùng sẽ cung cấp mức dinh dưỡng cao nhất cho cây trồng

Áp dụng axit amin vào đất sẽ làm tăng hoạt động và quần thể vi sinh vật, điều chỉnh

sự cân bằng của vi khuẩn trong đất Cân bằng và hoạt động của vi sinh vật cao trong đất

sẽ cải thiện quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ trong đất, do đó làm tăng độ phì nhiêu của đất Chu trình dinh dưỡng sẽ diễn ra tốt đẹp và sự sẵn có của các chất dinh dưỡng cho cây trồng trở nên nhiều hơn Sự cân bằng của vi sinh vật đất là một chìa khóa để cải thiện chất lượng của đất

Axit amin giúp điều hòa đất, cải thiện cấu trúc đất, tăng khả năng trao đổi ion của đất; tăng cường khả năng chống căng thẳng cho đất, đặc biệt là giảm lượng muối cao trong đất kiềm; tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng và tăng hàm lượng mùn trong đất; ngăn chặn đất khỏi ô nhiễm các ion kim loại nặng cũng như các vấn đề gây hại khác

Tài liệu tham khảo:

The Importance of Amino Acids, Nature safe https://naturesafeknowledgecenter.com/the-importance-of-amino-acids [Truy cập lúc 8:40, GMT+7, 01.04.2019]

3 Các công nghệ chiết xuất axit amin trên thế giới hiện nay? Các nguồn nguyên liệu giàu axit amin ?

3.1 Các công nghệ chiết xuất axit amin

Các phương pháp thường dùng để sản xuất amino acids bao gồm: Chiết xuất từ dịch thủy phân protein của động, thực vật; phương pháp tổng hợp hóa học và phương pháp lên men Trong đó thủy phân protein là cách đơn giản nhất để thu nhận các axit amin bằng cách bẻ gãy các cầu nối peptide Thủy phân tạo ra các chuỗi axit amin hoặc các axit amin đơn (đây là dạng được thực vật sử dụng hiệu quả nhất) Qúa trình thủy phân tốt nhất là quá trình có thể thu nhận được nhiều axit amin tự do và các chuỗi oligopeptide ngắn và ít các chuỗi polypeptide dài

Chiết xuất từ dịch thủy phân protein là phương pháp có chi phí thấp và quy trình sản xuất đơn giản, thích hợp cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn chỉ một số loại amino acids như L-Cysteine, L-Leucine and L-Tyrosine Phương pháp này khai thác sự khác biệt trong tính chất hóa lý (như ái lực hóa học và độ pH) của các amino acids để phân tách chúng Tùy theo loại axit amin quan tâm mà quá trình chiết xuất khác nhau có thể được phát triển Phương pháp hóa học (dùng axit hoặc kiềm) và phương pháp sinh học (enzyme) là các phương pháp phổ biến nhất thường được sử dụng để thủy phân protein Mục đích của quá trình thủy phân là để giải phóng và thu axit amin mà không làm suy giảm đặc tính của chúng Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân protein là nhiệt độ, thời gian, chất thủy phân và phụ gia Những yếu tố này ảnh hưởng chất lượng và năng suất của quá trình

thủy phân (Ghaly et al, 2013)

8

3.1.1 Thủy phân protein bằng axit

Thủy phân bằng axit là quá trình được sử dụng phổ biến nhất cho thủy phân protein Quá trình này rất khó kiểm soát, nhưng vẫn là phương pháp ưu tiên để thủy phân protein Thủy phân axit thường được thực hiện bằng axit clohydric và trong một số trường hợp với axit sulfuric Điều kiện thủy phân tùy thuộc từng loại protein

Ví dụ, axit thông thường để thủy phân protein từ cá là HCl 6M trong vòng 20-24 giờ

ở 110oC trong điều kiện chân không Trong những điều kiện thủy phân này, Aspargine và Glutamine bị thủy phân hoàn toàn tương ứng thành axit aspartic và axit glutamic Tryptophan bị phá hủy hoàn toàn và Cystein không thể xác định trực tiếp được từ mẫu thủy phân Tyrosine, Serine và Threonine bị thủy phân một phần

Nhược điểm của phương pháp này là gây ô nhiễm môi trường; dùng axit đặc rất độc hại cho sức khỏe con người; một số axit amin không bền, bị phá hủy, chuyển dạng trong môi trường axit

3.1.2 Thủy phân protein bằng kiềm

Qúa trình thủy phân protein có thể được thực hiện bằng cách sử dụng NaOH, KOH hoặc Ba(OH)2, nồng độ 4-8 N, nhiệt độ 100 – 110oC, thời gian 24 đến 36 giờ Xử lý bằng kiềm là phương pháp đặc biệt được sử dụng để sản xuất Tryptophan Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là các axit amin Serine, Threonine, Arginine và Cysteine bị phá hủy trong quá trình thủy phân và các axit amin khác bị racemic hóa Sản phẩm thủy phân là hỗn hợp racemic D, L-aminoacid, làm giảm giá trị dinh dưỡng

3.1.3 Thủy phân protein bằng enzyme

Có thể thực hiện thủy phân protein bằng các enzyme thích hợp như alcalase,

pronase, collagenase, pepsin, papain, protamex, bromelain, chymotrypsin và trypsin Ưu điểm chính của phương pháp thủy phân protein bằng enzyme là nó cho phép định lượng Aspargine và Glutamine và các dư lượng nhạy cảm khác mà thường bị phá hủy bằng cách thủy phân bằng axit hoặc kiềm và không gây ra hiện tượng racemic hóa; điều kiện thủy phân đơn giản, không gây ô nhiễm môi trường như khi dùng hóa chất

Thủy phân bằng enzyme đảm bảo tất cả axit amin thu nhận được đều ở dạng L-amino acid là dạng mà cây trồng có thể sử dụng hiệu quả Do đó, phương pháp này thích hợp để sản xuất axit amin dùng trong thực phẩm và nông nghiệp

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân gồm: tính đặc hiệu của enzyme, nhiệt

độ, độ pH, thời gian thủy phân…

3.2 Các nguồn nguyên liệu giàu axit amin

Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật: Phế phẩm từ nhà máy giết mổ, phế phẩm từ

cá, lông, da động vật…

Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật: các loại thực vật giàu protein như đậu tương, ngô, lúa mỳ …

Tài liệu tham khảo:

1 D'Este, Martina; Alvarado-Morales, Merlin; Angelidaki, Irini, 2018 Amino acids

production focusing on fermentation technologies Biotechnology Advances

2 Ghaly AE*, Ramakrishnan VV, Brooks MS, Budge SM and Dave D, 2013 Fish Processing Wastes as a Potential Source of Proteins, Amino Acids and Oils: A Critical

Review J Microb Biochem Technol 2013, 5:4

4 Các ứng dụng của axit amin trên thế giới hiện nay

4.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Axit amin được sử dụng một mình hoặc kết hợp, như chất tăng cường hương vị Bột ngọt (Monosodium glutamate) là loại thường được sử dụng nhất trong ngành thực phẩm Glycine và alanine cũng tăng cường hương vị cho thức ăn Tryptophan, kết hợp với histidine, hoạt động như một chất chống oxy hóa để bảo quản sữa bột Cysteine được sử dụng để bảo quản nước trái cây

Aspartame, một dipeptide (aspartyl-phenylalanine methyl ester) được sản xuất bởi

sự kết hợp của axit aspartic và phenylalanine, ngọt hơn sucrose khoảng 200 lần Nó được

sử dụng như một chất làm ngọt nhân tạo có hàm lượng calo thấp trong ngành công nghiệp nước giải khát

10