Nghiên cứu sự biến động về thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi ecosapentanoic (EPA) ở vi tảo biển nannochloropsis oculata nuôi trồng trong hệ thống kín ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---***--- NGUYỄN THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG VỀ THÀNH PHẦN VÀ HÀM LƯỢNG AXIT BÉO KHÔNG BÃO HÒA ĐA NỐI ĐÔI ECOSAPENTANOIC E

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-*** -

NGUYỄN THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG VỀ THÀNH PHẦN VÀ HÀM LƯỢNG AXIT BÉO KHÔNG BÃO HÒA ĐA NỐI ĐÔI ECOSAPENTANOIC

(EPA) Ở VI TẢO BIỂN NANNOCHLOROPSIS OCULATA NUÔI

TRỒNG TRONG HỆ THỐNG KÍN Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS TS

Đặng Diễm Hồng- nguyên trưởng phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã định hướng nghiên cứu, chỉ

bảo tận tình và tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn tới PGS TS Đỗ Thị Hoa Viên, Viện Công nghệ sinh học & Công nghệ Thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn quan tâm

và chỉ bảo để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Tôi xin g i ời cảm ơn ch n thành đến ThS NCS ê Thị Thơm đã chỉ bảo, giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn Tôi xin cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học đã đóng góp ý kiến, chia sẻ các kinh

nghiệm chuyên môn cho tôi trong quá trình thực nghiệm

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần kinh phí của đề tài nhánh “Nuôi trồng

đủ sinh khối một số loài vi tảo biển của miền Trung Việt Nam cho nghiên cứu các hợp chất thứ cấp” 2016 – 2017, do PGS TS Đặng Diễm Hồng làm chủ nhiệm đề tài nhánh thuộc hợp phần 7 “Nghiên cứu các hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học

từ vi tảo biển ở vùng biển Trung Bộ (vùng biển Bắc Trung Bộ đến biển Trung Trung Bộ Việt Nam)” có mã số TĐ-VAST.07 do TS Nguyễn Thị Minh Hằng Viện Hóa sinh biển làm chủ nhiệm năm 2016-2018 Chúng tôi xin cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng Điểm Công nghệ gene của Viện Công nghệ sinh học đã cho phép s dụng một số máy móc phục vụ cho nghiên cứu này

Tôi xin g i lời cảm ơn ch n thành đến các thầy cô giảng dạy tại Viện Công nghệ sinh học & Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã uôn quan t m, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Nhung

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Đ y à công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các cộng sự khác; Các số iệu và kết quả đƣợc trình bày trong bản uận án à trung thực, một phần đã đƣợc phản biện trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả Phần còn ại chƣa đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Hà Nội, ngày thàng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Nhung

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC

ỜI CẢM ƠN……… i

ỜI CAM ĐOAN……… ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… vii

DANH MỤC BẢNG……… viii

DANH MỤC HÌNH……… ix

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU……… 3

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO VÀ VI TẢO BIỂN……… 3

1.1 Khái niệm về tảo, vi tảo biển……… 3

1.2 Đặc điểm cấu tạo……… 3

1.3 Sinh sản, sinh dưỡng của tảo……… 3

1.4 Ứng dụng của vi tảo……… 3

1.4.1 S dụng vi tảo trong dinh dưỡng của động vật và con người………… 4

1.4.2 S dụng vi tảo trong ĩnh vực y học……… 5

1.4.3 S dụng vi tảo làm phân bón sinh học……… 5

1.4.4 S dụng vi tảo trong x lý nước thải……… 6

1.4.5 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo……… 7

1.4.6 Khai thác các hoạt chất từ vi tảo……… 8

1.5 Nuôi trồng tảo trong các hệ thống kín và hệ thống hở ……… 9

II KHÁI QUÁT VỀ AXIT BÉO……… 11

2.1 Axit béo……… 11

2.1.1 Khái niệm chung……… 11

2.1.2 Tính chất vật ý……… 12

2.1.3 Phân loại……… 13

2.1.4 Nguồn cung cấp axit béo……… 14

2.1.5 Giá trị sinh học của axit béo trong sinh học……… 15

2.2 Các axit béo bão hòa đa nối đôi (po yunsaturated fatty acids - PUFAs)… 17

2.2.1 Khái niệm về PUFA……… 17

Luận văn tốt nghiệp

2.2.2 Eicosapentanoic acid (EPA)……… 17

2.2.3 Vai trò của PUFAs……… 18

2.2.4 Vai trò của EPA đối với con người……… 21

2.3 Công nghệ tách chiết hỗn hợp axit béo……… 23

III Vi tảo biển Nannochloropsis oculata……… 25

3.1 Giới thiệu chung về tảo Nannochloropsis oculata……… 25

3.1.1 Vị trí phân loại của Nannochloropsis oculata……… 25

3.1.2 Đặc điểm……… 26

3.1.3 Sinh trưởng của tảo……… 27

3.2 Lịch s nghiên cứu về Nannochloropsis……… 28

3.2.1 Tình hình nghiên cứu Nannochloropsis trên thế giới……… 28

3.2.2 Tình hình nghiên cứu Nannochloropsis oculata ở Việt Nam ……… 32

CHƯƠNG II VẬT IỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 36

2.1 Vật liệu, địa điểm và thời gian nghiên cứu……… 36

2.2 Dụng cụ và hóa chất……… 36

2.3 Phương pháp……… 37

2.3.1 Nghiên cứu sinh trưởng của tảo N oculata NA trong hệ thống kín 50 L 37 2.3.2 Nghiên cứu sinh trưởng của vi tảo N oculata NA trong hệ thống nuôi hở 10L và hệ thống nuôi kín 50 ……… 40

2.3.3 Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho sinh trưởng của vi tảo N oculata NA trong các hệ thống kín 50 Lít ở điều kiện phòng thí nghiệm……… 40

2.3.4 Phương pháp ph n tích thành phần và hàm ượng dinh dưỡng, cacbohydrat, lipit tổng số và các axit béo trong sinh khối của chủng NA được nuôi trồng bằng HTNK 50 it……… 40

2.3.5 Ph n tích thành phần dinh dưỡng và kim oại nặng……… 44

2.3.6 Khảo sát sự biến động về thành phần và hàm ượng các axit béo chính của N oculata NA……… 44

2.3.7 X lý số liệu ……… 44

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO UẬN……… 46

3.1 Sinh trưởng của tảo N oculata NA trong hệ thống nuôi kín và hệ thống nuôi hở……… ……… 46

3.2 Điều kiện thích hợp cho sinh trưởng của vi tảo biển N oculata NA trong HTNK 50 ở đều kiện phòng thí nghiệm……… 48

3.2.1 Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng……… 48

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ……… 48

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ muối……… 49

3.2.4 Ảnh hưởng của pH……… 50

3.2.5 Ảnh hưởng của nồng độ CO2……… 50

3.2.6 Ảnh hưởng của mật độ tế bào ban đầu nuôi trong HTNK 50 ………… 52

3.2.7 S dụng các điều kiện thích hợp để nuôi trồng chủng N oculata NA trong HTNK 50 L……… 52

3.2.8 Thành phần axit béo trong sinh khối của chủng N oculata NA trong HTNK 50 L……… 54

3.3 Nghiên cứu sự thay đổi của hàm ượng axit béo chính của N ocualta NA ở điều kiện nuôi trồng tối ưu cho sinh trưởng và pha sinh trưởng của tảo………… 55

3.3.1 Nghiên cứu sự biến động về MĐTB và thành phần dinh dưỡng của N oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 ……… 56

3.3.2 Nghiên cứu sự biến động về thành phần và hàm ượng các axit béo của N oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 ở pha og và pha c n bằng sớm… 58

KẾT UẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 67

PHỤ LỤC……… 80

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Từ viết tắt Viết đầy đủ

6 FFA Free Fatty Acids (axit béo bão hòa tự do)

14 PUFAs Polyunsaturated Fatty Acids

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Cấu trúc hóa học của các axit béo không bão hòa tiêu biểu thuộc

Bảng 3.2 Hàm ƣợng lipit, thành phần axit béo của sinh khối vi tảo N

Bảng 3.3 Hàm ƣợng sắc tố chlorophyll và carotenid trong sinh khối chủng

N oculata NA đƣợc nuôi trồng trong HTNK 50 L theo thời gian 57 Bảng 3.4 Hàm ƣợng một số thành phần dinh dƣỡng và sắc tố của sinh khối

chủng N oculata NA đƣợc nuôi trồng trong HTNK 50 L ở pha

Bảng 3.5 Thành phần và hàm ƣợng axit béo trong sinh khối của chủng N

oculata NA đƣợc nuôi ở HTNK 50 ở pha og và pha c n bằng

Bảng 3.6 Hàm ƣợng khoáng đa và vi ƣợng có trong sinh khối của chủng

N oculata NA trong HTNK 50 đƣợc thu ở pha c n bằng sớm… 63

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH

Trang Hình 1.1 Khi đun nóng có mặt chất xúc tác thì dạng cis chuyển thành

Hình 1.2 Dạng cis-5,8,11,14,17 -eicosapentaenoic acid của EPA………… 18 Hình 1.3 Năm pha sinh trưởng của vi tảo……… 28 Hình 3.1 Sinh trưởng của chủng N oculata NA trong HTNK 50 L và

Hình 3.2 Hình thái tế bào của chủng N oculata NA được nuôi trong

Hình 3.3 Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng (A), nhiệt độ (B) lên sinh

trưởng của N oculata NA trong HTNK 50 ……… 48 Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ muối (A), môi trường pH (B) lên sinh

trưởng của N oculata NA trong HTK 50 ……… 49 Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ CO2 ên pH môi trường nuôi (A) và sinh

trưởng (B) của N oculata NA trong HTNK 50 ……… 50 Hình 3.6 Sinh trưởng của N oculata NA trong HTNK 50 L trong 16 ngày

Hình 3.7 Nuôi trồng N oculata NA trong HTK 50 L trong 16 ngày

Hình 3.8 Sinh trưởng và thành phần dinh dưỡng của chủng N oculata NA

trong HTNK 50 L sau 44 ngày nuôi cấy……… 56 Hình 3.9 Sinh trưởng của N oculata NA nuôi trồng trong 2 HTNK 50

Hình 3.10 Hình ảnh chủng N oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 L ở

pha log và pha cân bằng sớm……… 59

Hình 3.11 Hình thái tế bào của N oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 L

thu ở pha log và pha cân bằng sớm dưới kính hiển vi quang

học…

59

Luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

Trong vài năm qua, Công nghệ Sinh học ở nước ta đã có những bước tiến bộ nhanh chóng, đặc biệt công nghệ sinh học vi tảo đang ngày càng mở ra nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới Các nhà khoa học trên thế giới nói chung, các nhà khoa học nước ta nói riêng đã và đang nghiên cứu sử dụng vi tảo làm thực phẩm cho con người cũng như cho động vật nhằm tăng cường giá trị dinh dưỡng

Nannochloropsis oculata là một loài vi tảo biển quang tự dưỡng phân bố

rộng rãi ở các vùng biển nước ta, có chứa hàm lượng acid béo không bão hòa đa nối đôi cao, đặc biệt là EPA (eicosapentaenoic acid, C20: 5n-3) EPA có vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng của cơ thể, làm giảm xơ vữa động mạch,

và phòng tránh một số bệnh cho con người và động vật EPA được tìm thấy trong dầu cá hồi, cá thu …và một số loại vi tảo biển quang tự dưỡng và dị dưỡng Hiện

nay, N oculata được sử dụng rộng rãi làm thức ăn sống cho các đối tượng nuôi

trồng thủy sản (NTTS) ở các giai đoạn ấu trùng khác nhau, làm thực phẩm chức năng, làm nhiên liệu sinh học…và đạt được nhiều thành tựu khả quan

Với sự phát triển nhanh chóng các công nghệ nuôi mới đã đem lại hiệu quả kinh tế cao cho việc sản suất sinh khối tảo giàu dinh dưỡng làm nguyên liệu cho thực phẩm chức năng cho người và thức ăn cho đối tượng thủy sản giai đoạn ấu trùng cũng như giai đoạn phát triển Việc nuôi trồng vi tảo bằng các hệ thống kín đã khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại ở hệ thống nuôi hở nhưng một vấn

đề đặt ra là chất lượng dinh dưỡng của vi tảo nuôi trồng có bị thay đổi hay không so với nuôi hở Sử dụng hệ thống bể phản ứng quang sinh kín sẽ giúp cho tảo bùng phát nhanh, nhưng cũng rất dễ tàn; tảo bị va đập nhiều trong ống nuôi nên việc kiểm tra chất lượng của sinh khối tảo nuôi trồng trong các hệ thống nuôi hở và kín được xem là một vấn đề cấp thiết

Ngoài ra, thành phần dinh dưỡng của vi tảo nuôi trồng được nói chung và thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối có trong sinh khối tảo nói riêng đã bị thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào thành phần dinh dưỡng môi trường

Luận văn tốt nghiệp

hở hay kín) Làm sáng tỏ được vấn đề cần thiết nêu trên sẽ cung cấp những cơ sở khoa học quan trọng để khẳng định nguồn thức ăn có chất lượng cao cho nuôi trồng thủy sản, cho con người, góp phần nào đó trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm

đi từ sinh khối vi tảo giàu dinh dưỡng Chính vì vậy, việc nghiên cứu sự biến động của thành phần và hàm lượng axit béo trong sinh khối tảo nuôi trồng được ở trong

hệ thống kín là cần thiết và có ý nghĩa cả về mặt khoa học và thực tiễn ứng dụng ở Việt Nam hiện nay

Ở Việt Nam, mặc dù cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về vi tảo biển

N oculata để thu sinh khối làm thức ăn sống trong NTTS, làm thực phẩm chức

năng cho người, làm nhiên liệu sinh học nhưng nhìn chung vẫn chưa mang tính hệ thống và nhiều nơi chủng giống vẫn là các chủng giống nhập ngoại; chưa nuôi trồng trên quy mô lớn và đặc biệt là chưa có nghiên cứu về sự thay đổi hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi của chúng khi nuôi trong hệ thống nuôi kín

Vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu sự biến động về thành phần

và hàm lƣợng axit béo không bão hòa đa nối đôi eicosapentaenoic (EPA) ở vi

tảo biển Nannochloropsis oculata nuôi trồng bằng hệ thống kín ở Việt Nam”

Mục đích của đề tài nghiên cứu của chúng tôi như sau:

+/ Có được điều kiện nuôi trồng vi tảo biển Nannochloropsis oculata NA có

thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi có hoạt tính sinh học cao như EPA

Để thực hiện được các mục tiêu nghiên cứu nêu trên, một số nội dung nghiên cứu đã được tiến hành như sau:

1 Điều kiện thích hợp cho sinh trưởng của vi tảo N oculata NA trong các hệ

thống kín 50 Lít ở đều kiện phòng thí nghiệm;

2 Nghiên cứu sự thay đổi của hàm lượng axit béo chính của N ocualta NA ở

điều kiện nuôi trồng thích hợp cho sinh trưởng và pha sinh trưởng của tảo

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO VÀ VI TẢO BIỂN

1.1 Khái niệm về tảo, vi tảo biển

Tảo (Algae) là những thực vật bậc thấp, cơ thể chưa có sự phân hóa thành thân, rễ, lá ( những dấu hiệu của thực vật bậc cao) nên cơ thể chúng được gọi chung

là tảo

Vi tảo (Microalgae) là tất cả các tảo (Algae) có kích thước hiển vi Muốn quan sát chúng phải sử dụng tới kính hiển vi Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến khoảng 2/3 số lượng

1.2 Đặc điểm cấu tạo

Hầu hết tảo sống trong môi trường nước mặn, lợ, ngọt Tế bào tảo chứa chlorophyll- sắc tố quang hợp điển hình Nhìn chung, tế bào tảo có một số đặc điểm cấu trúc tương tự thực vật bậc cao như có thành tế bào, màng sinh chất, tế bào chất,

ty thể, thể golgi, nhân và roi [112]

1.3 Sinh sản, sinh dưỡng của tảo

Tảo có 3 phương thức sinh sản: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính [112]

1 Sinh sản sinh dưỡng: phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo

2 Sinh sản vô tính: hình thành các loại bào tử vô tính, như Bào tử tĩnh (Aplanospore), Bào tử động (Zoospore), Bào tử tự thân (Autosporre), Bào tử màng dầy (Akinet)

3 Sinh sản hữu tính: có Đẳng giao (homogamy), Dị giao (heterogamy) và noãn giao (oögamy)

Phương thức dinh dưỡng của tảo được chia ra thành 2 loại chính sau: quang

tự dưỡng (photoautotrophy) và dị dưỡng (heterotrophy) Dạng trung gian của hai hình thức trên là tạp dưỡng (mixotrophy)

Luận văn tốt nghiệp

1.4.1 Sử dụng vi tảo trong dinh dưỡng của động vật và con người

+/ Sử dụng vi tảo cho động vật

Vi tảo có mặt khắp nơi trên trái đất, sự phổ biến như vậy nói lên vai trò quan trọng của tảo đối với hoạt động sống trong tự nhiên Ý nghĩa vô cùng to lớn là chúng thông qua quá trình quang hợp giải phóng O2 cung cấp oxy hòa tan cho thủy vực, là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn của thủy hải sản có mặt trong thủy vực [8] Tảo là một nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng cho người và vật nuôi do chúng có

hàm lượng protein cao và giàu gluxit, lipit và vitamin như tảo lam Spirulina có đến

40- 60% protein, 25-35% gluxit, 10-15% lipit và nhiều loại vitamin nhóm B (B1, B6,

B12), vitamin C, K Các chủng Scenedesmus nuôi trồng ở quy mô lớn cũng đạt hàm lượng protein tới 50- 60%, Dunaliella chứa 50% protein, 20% carbonhydrat, 8%

lipit

Các kết quả nghiên cứu về việc thử nghiệm bổ sung sinh khối của một số vi

tảo như Chlorella, Scenedesmus, Spirulina vào khẩu phần thức ăn của gà với tỉ lệ 7,5-10 % là giải pháp có lợi cho kinh tế Ví dụ như sinh khối tảo Spirulina chiếm

5% trong thức ăn của cá mè trắng, mè hoa, trắm cỏ, rô phi đã làm tăng tỉ lệ sống và tốc độ tăng trưởng của chúng Những thí nghiệm bổ sung tảo tươi vào khẩu phần thức ăn của gà mái làm tăng tỉ lệ đẻ và hàm lượng vitamin A trong trứng [8]

+/ Sử dụng vi tảo cho con người

Vào những năm gần đây việc sử dụng vi tảo làm nguồn dinh dưỡng cho người

đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất và người tiêu dùng bởi chúng có giá trị dinh dưỡng cao và không có độc tố

Tảo lam Spirulina có chứa đồng thời các chất dinh dưỡng cần thiết nhất cho

cơ thể: axit amin thiết yếu, vitamin, chất khoáng, chất xơ, một lượng lớn các hoạt chất sinh học - là các chất chống oxi hóa như phycocyanin, chlorophyll Các chất này kết hợp với các thành phần dinh dưỡng trong tảo giúp hệ tiêu hóa của con người hoạt động tốt, hấp thu được tối đa nguồn thức ăn đưa vào cơ thể, làm cơ thể khỏe mạnh, lên cân một cách an toàn, hiệu quả, đồng thời giúp cơ thể thanh lọc tẩy độc, tăng cường hệ miễn dịch, chống lão hóa, ngăn ngừa được nhiều loại bệnh tật giúp

Luận văn tốt nghiệp

cơ thể trẻ đẹp tự nhiên

Nhưng hiện nay, việc sử dụng tảo làm nguồn thực phẩm còn gặp nhiều hạn chế vì giá thành sản xuất cao, thử nghiệm dinh dưỡng chưa đủ thuyết phục, thiếu kiểm tra chất lượng thường xuyên và thói quen sử dụng các loại thức ăn truyền thống của người tiêu dùng Trong tương lai, vi tảo hứa hẹn là nguồn thực phẩm sử dụng phổ biến cho mọi gia đình

1.4.2 Sử dụng vi tảo trong lĩnh vực y học

Nhiều loài vi tảo cũng có thể được sử dụng như nguồn dược liệu quý Sinh

khối tảo Chlorella đã được đóng viên và sử dụng như một loại thức ăn bổ dưỡng Tảo Spirulina chứa các axit amin cần thiết như lysin, threonin rất quan trọng cho trẻ em, đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ Trong tảo Spirulina có chứa nhiều loại chất

chống lão hóa như β-caroten, axit γ-linoleic, vitamine E Những chất này có khả năng loại bỏ gốc tự do thông qua tác dụng chống oxy hóa, làm chậm sự lão hóa của

tế bào, đồng thời sắt và canxi có nhiều trong tảo vừa dễ hấp thụ vừa có tác dụng phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh thường gặp ở người già như thiếu máu, xốp

xương Spirulina có thể dùng hỗ trợ trong điều trị bệnh viêm gan B, bệnh nhân bị

cholesterol máu cao và viêm da lan tỏa, bệnh tiểu đường, loét dạ dày tá tràng, suy yếu và viêm tụy, bệnh đục tinh thể và giảm thị lực, bệnh rụng tóc Tảo cũng ức chế

hoạt động của Cadida albicans, một loại nấm thường ký sinh trong đường ruột bệnh nhân AIDS Hiện nay Spirulina còn được nghiên cứu in vitro để ngăn chặn sự tấn

công của virut HIV [79]

Trong y học cổ truyền, một số tảo lớn như Kappaphycus và Eucheuma được

sử dụng để làm giảm sự phát triển của các khối u, nhọt, đau đầu Các loài Sagassum dùng để chữa bệnh bướu cổ hoặc bệnh hay ốm vặt do thiếu iốt Ulva lactuca, Ulva

reticulate là những loài phổ biến ở nhiều miền Trung và miền Nam Việt Nam được

bán phổ biến để làm thuốc gia truyền [9]

1.4.3 Sử dụng vi tảo làm phân bón sinh học

Từ lâu các tảo lớn đã được sử dụng để làm phân bón cho đất giúp tăng độ phì nhiêu ở các vùng ven biển trên khắp thế giới Dịch chiết rong tảo biển có tác dụng

Luận văn tốt nghiệp

làm tăng tính liên kết của nước và các thành phần khoáng trong đất Chúng có vai trò sản sinh ra các polymer có tác dụng lưu giữ nước, các nguyên tố khoáng, khả năng cố định nitơ cho đất hay sinh ra các chất có hoạt tính sinh học Sự cố định nitơ của vi tảo có vai trò rất quan trọng đối với sản xuất lúa ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Tảo lam cố định nitơ sống tự do hoặc cộng sinh đóng vai trò to lớn trong việc giảm thiểu phân bón cho đất, đặc biệt cho cánh đồng lúa Có thể giảm lượng phân bón hoá học cho lúa tới 15% nếu dùng tảo lam cố định đạm Trong mùa phát triển thích hợp, tảo lam có thể cố định được 20- 30 kg N2/ha Mặt khác, tảo còn kích thích sinh trưởng của lúa thông qua các hoocmôn do chúng bài tiết ra môi trường

[7] Bên cạnh đó, nhiều loài rong biển (chủ yếu là tảo nâu) như Sargassum,

Turbinaria được sử dụng làm phân bón sinh học trong trồng trọt một số loài cây và

củ như: khoai lang, hành, tỏi và ngũ cốc Trong những năm gần đây, sản xuất phân

bón từ Sargassum đã phát triển nhanh chóng ở Việt Nam

Trong bối cảnh môi trường toàn cầu đang bị đe dọa do ô nhiễm môi trường thì việc dùng tảo làm nguồn phân bón trong sản xuất nông nghiệp hữu cơ có ý nghĩa hết sức thiết thực và thân thiện với môi trường, làm giảm thiểu đáng kể nguồn phân bón hóa học được xem như là một tác nhân góp phần vào ô nhiễm môi trường

1.4.4 Sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải

Nguyên nhân làm ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước là các kim loại nặng từ nước thải công nghiệp không qua xử lý Ảnh hưởng độc hại của kim loại nặng rất lớn, ngay cả khi ở nồng độ rất thấp do chúng có độc tính cao và khả năng tích luỹ lâu dài trong cơ thể sống Nhiều nguồn nước thải từ công nghiệp sản xuất giấy, acqui, sơn, xăng dầu, chế tạo máy, mỏ, mạ, thuộc da, phim ảnh chứa kim loại nặng độc hại như Hg, Pb, Cd, Cr, Ni, Zn, Cu, As… Bên cạnh những phương pháp

xử lý nước thải truyền thống như dùng hóa chất, lắng, lọc thì hiện nay phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp thủy sinh thực vật cũng đã được áp dụng rộng rãi Sử dụng một số loại thực vật dưới nước tiêu biểu là một số loại tảo để xử

lý các loại nước thải độc hại như Spirulina, Aphanizomenon, Asterionlla,

Chlamydomonas, Ceratium…

Luận văn tốt nghiệp

So với các phương pháp xử lý nước thải truyền thống (như các quy trình xử

lý bùn và các quy trình xử lý thứ cấp khác), việc sử dụng tảo để xử lý nước thải có những ích lợi quan trọng như sau: Là phương pháp có chi phí thấp để loại bỏ các hợp chất photphat cũng như các hợp chất nitơ và các mầm bệnh Không tiêu tốn năng lượng mà lại sản xuất ra oxy cần thiết cho các vi khuẩn ưa khí Sử dụng tảo là phương pháp hiệu quả để tiêu hóa chất dinh dưỡng trong nước thải và cung cấp oxy

từ quá trình quang hợp cho các vi khuẩn ưa khí đồng thời giảm khí phát thải C02, giảm biến đổi khí hậu toàn cầu Hơn nữa, các cơ sở xử lý nước thải bằng tảo sẽ tạo

ra bùn là sinh khối tảo với hàm lượng năng lượng cao, có thể tận dụng để sản xuất phân bón hoặc nhiên liệu sinh học (NLSH) [112]

1.4.5 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo

Nguồn năng lượng mà chúng ta đang dùng chủ yếu xuất phát từ các nhiên liệu hóa thạch không tái sinh được như dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên Việc đốt cháy nhiên liệu truyền thống làm gia tăng đáng kể lượng CO2 trong sinh quyển và gây hậu quả xấu đến môi trường Một giải pháp hấp dẫn thay thế là sử dụng sinh khối tảo tạo ra thông qua quá trình quang hợp Sinh khối này có khả năng tái tạo được và

sử dụng chúng làm nguồn nhiên liệu không gây hiệu ứng tăng CO2 của khí quyển

Vi tảo có thể cung cấp một vài nguồn NLSH tái sinh khác nhau Một số loài tảo được sử dụng để sản xuất methan thông qua quá trình lên men kỵ khí như:

Scenedesmus spp và Chlorella spp.; Scenedesmus spp., Chlorella spp., Euglena

spp., Oscillatoria spp và Synechcystis sp.; Hydroctyon reticulatum, Cladopphora

glomerata và Anabaena sp Bên cạnh đó còn có những tảo được sử dụng để sản

xuất các nhiên liệu giàu năng lượng như sản xuất ethanol và dầu lửa từ glycerol như

ở Dunaliella Đa số các loài tảo sản xuất hydrocarbon, vi tảo Botryococcus braunii

là loài sản xuất hydrocarbon điển hình với hiệu suất lớn tới 85% sinh khối khô (SKK) Việc sản xuất H2 ngoài ánh sáng được thực hiện ở nhiều loài tảo lục, tảo lam, tảo mắt và tảo đỏ Tuy nhiên, các NLSH có nguồn gốc từ sinh khối vi tảo khó

có thể thay thế hoàn toàn xăng dầu hoặc khí tự nhiên, nhưng cho dù chỉ giới hạn ở mức bổ sung nguồn nhiên liệu tự nhiên thì chúng vẫn có vai trò quan trọng trong

Luận văn tốt nghiệp

việc hạn chế gây ô nhiễm môi trường [11]

1.4.6 Khai thác các hoạt chất từ vi tảo

+/ Vitamin

Nhiều vitamin hoà tan trong nước (Bl, B6, B12, Biotin, C) được khai thác chủ yếu trong dịch nuôi tảo lam, lục và silic Hàm lượng vitamin trong sinh khối tảo phụ thuộc vào kiểu gen, chu trình sinh trưởng, điều kiện nuôi trồng và các thao tác di

truyền Hiện nay, ở Đài Loan và Nhật Bản các chủng tảo Chlorella và

Porphyridium được nuôi trồng tạp dưỡng trong hệ thống kín để sản xuất vitamin

[11]

+/ Axit béo không bão hòa

Hàm lượng lipit trong sinh khối tảo dao động từ 20-40% SKK Trong một số điều kiện nhất định, tảo có thể chứa lipit tới 85% SKK Ở vi tảo, lipit là este của

glyxerol, các axit béo mạch dài C14-C22 Một số chủng tảo lam Spirulia có số

lượng axit béo không bão hòa khá cao chiếm đến 25-60% tổng số axit béo Những axit béo mạch dài không bão hòa đa nối đôi được coi là rất quan trọng gồm các axit linolenic (C18:2), linoleic (C18:3), arachidonic (C20:4), eicosapentaenoic (C20:5)

và docosahexaenoic (C22:6) Những axit béo này là thành phần rất quan trọng trong

khẩu phần ăn của người và động vật Tảo Spirulina platensis chứa tới 21% axit γ- linolenic trong tổng số axit béo, trong khi Porphyridiumcruetum lại chứa axit

arachidonic là chủ yếu (35% so với axit béo tổng số (total fatty acid – TFA)) Nhờ

có hàm lượng protein và PUFAs mà một số vi tảo biển (như Skeletonema,

Chaetoceros, Tetraselmis ) đã trở thành thức ăn sống không thể thiếu được cho ấu

trùng một số thủy đặc sản [11]

+/ Chất chống oxy hóa

Các chất chống oxy hoá có mặt trong sinh khối tảo gồm carotenoit, tocopherol, vitamin, superoxydismutase, catalaza, và glutation peroxydase Các loài

vi tảo như Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis và Porphyridium cruentum

đang là nguồn khai thác chính các chất có hoạt tính sinh học cao như: ß- caroten,

astaxanthin và superoxydismutase (SOD) [11]

Luận văn tốt nghiệp

+/ Các hợp chất carbohydrate

Vi tảo có chứa một lượng lớn carbohydrate dưới dạng các sản phẩm dự trữ (tinh bột, glycogen) hoặc các chất điều hoà thẩm thấu (glyxerol, trehalose, mannitol…) Ví dụ một số loài tảo lam có thể sản xuất trehalose, gucose, sucrose, glucosyl - glyxerol, một số vi tảo biển khác sản xuất các loại đường mannitol,

mannose Porphyridium cruentum, Prophyridium aerugineum và Chlamydomonas

mexicana sản sinh các loại polysaccharit có độ nhớt rất cao có thể sánh với

xanthane và khả năng kết đông với carrageenan

1.5 Nuôi trồng tảo trong các hệ thống kín và hệ thống hở

Các loài vi tảo giàu dinh dưỡng được sử dụng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi; làm nguyên liệu dược phẩm, mỹ phẩm…chủ yếu được nuôi trong các hệ thống bể nuôi hở (HTNH) ngoài trời như bể dài (raceways), bể nông (shallow ponds), bể nghiêng (cascade) [11]; cho nuôi quy mô lớn với dạng bể nuôi tròn hoặc dài, dịch tảo được khuấy bằng thiết bị guồng, chiều cao cột nước trong bể thường khoảng 15-50 cm Hệ thống này được thiết kế để thu nhận ánh sáng tối ưu

và có giá thành xây dựng thấp Ưu điểm của các HTNH là thiết kế đơn giản và chi phí thấp nhưng có hạn chế là quản lý bể nuôi khó khăn vì các yếu tố sinh thái hay thay đổi, nhiệt độ phụ thuộc vào thời tiết, một lượng lớn nước bị bay hơi hoặc thêm vào do mưa và dễ bị lây nhiễm vi sinh vật và tảo khác Vì vậy, nuôi trong HTNH từ lâu chỉ có hiệu quả cho một số đối tượng nuôi có pH môi trường nuôi là kiềm hoặc

có độ mặn rất cao như Spirulina, Dunaliella, Chlorella Rất khó có thể đánh giá

được phương pháp nuôi cũng như hệ thống nuôi nào là ưu việt nhất bởi vì việc lựa

Luận văn tốt nghiệp

chọn hệ thống sản xuất còn phụ thuộc nhiều vào các loài tảo đích và các sản phẩm cần khai thác HTNH thường có năng suất tối đa là 60-100 mg/L/ngày (tức là 10-25 gram/m2/ngày) Tuy nhiên, năng suất thu hoạch lại không ổn định và không thể duy trì quanh năm

Hệ thống nuôi kín (HTNK) đã ra đời và khắc phục được một số hạn chế của HTNH do chúng ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường Có nhiều hình thức nuôi kín nhưng tất cả đều sử dụng các buồng chứa bằng nhựa hoặc thủy tinh trong suốt (thường là các túi dạng ống), sinh khối tảo được vận chuyển liên tục trong hệ thống nuôi và tảo được chiếu sáng đều HTNK có chi phí cao hơn và cần đầu tư vốn nhiều nếu sản xuất với quy mô lớn, nhưng cho phép sản xuất một lượng lớn sinh khối tảo,

dễ dàng kiểm soát chất lượng, có mật độ cao hơn, năng suất và chất lượng tảo tốt hơn nhiều so với HTNH Ngoài ra, HTNK cho phép nuôi các loài tảo khó phát triển tốt trong HTNH Tuy nhiên, hệ thống này lại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn HTNH

do sử dụng ánh sáng nhân tạo, kỹ thuật xây dựng và duy trì hệ thống chạy cũng phức tạp hơn

Hiện nay đối với HTNK có 2 mô hình chính là: nuôi trong các túi nylon và

hệ thống bể phản ứng quang sinh (hệ thống photobioreactor -PBR) Không giống như hệ thống bể hở dài, các HTNK cho phép nuôi trồng một loài vi tảo trong một thời gian dài Các bể phản ứng quang sinh đã được sử dụng thành công để sản xuất sinh khối vi tảo với mật độ vi tảo tăng cao từ 10 đến 20 lần (thậm chí có thể lớn hơn) so với nuôi trong túi nylon

So sánh hiệu quả nuôi tảo trong 2 hệ thống này không phải dễ dàng vì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đối tượng tảo được chọn lựa để nuôi, phương pháp tính toán năng suất

Có rất nhiều dạng hệ thống kín khác nhau như hệ thống nuôi tảo được phân loại theo nguồn sáng tự nhiên, nhân tạo hoặc kết hợp cả hai Các hệ thống nuôi với nguồn sáng tự nhiên gồm: bể nuôi hở, phiến phẳng, hệ thống ống nằm ngang hoặc uốn khúc có hệ thống đẩy khí và hệ thống ống nghiêng Các hệ thống nuôi có nguồn sáng nhân tạo gồm: có sục khí (bubble column), hệ thống nuôi cuộn khí (airlift), bể

Luận văn tốt nghiệp

khuấy, ống nằm ngang, ống cuộn hình nón, và ống cuộn hình xuyến Ngoài ra, cũng

có thể phân chia HTNK theo dạng hình học và có ba dạng khác nhau như dạng hình phiến phẳng và các dạng biến thể như dạng mặt trụ hoặc khối cầu nhằm tận dụng ánh sáng và sự tuần hoàn bên trong được thực hiện nhờ dòng vận chuyển khí; hệ thống hình trụ có sục khí, một dạng biến đổi của loại hình này là hệ thống ống hình vành khuyên; và các hệ thống ống, bao gồm cả các ống xếp song song, xếp sole và ống cuộn

Tuy mỗi hệ thống nuôi đều có những ưu điểm và hạn chế song để lựa chọn

hệ thống nuôi phù hợp cho từng loài tảo cần phải kết hợp nhiều các yếu tố như chi phí lắp đặt, hiệu quả sử dụng ánh sáng, hệ thống làm mát… Hiện nay, HTNK dạng ống (tubular photobioreactor) được sử dụng phổ biến nhất do chúng có diện tích chiếu sáng bề mặt lớn, phù hợp với cách nuôi ngoài trời, giá thành rẻ và năng suất sinh khối lớn, chi phí thấp Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số hạn chế như sự chênh lệch hàm lượng O2, CO2 dọc theo chiều dài của ống

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của tảo trong HTNK như nhiệt

độ, ánh sáng, loại bơm, tốc độ dòng chảy, oxy và C02 hòa tan Các phương pháp nuôi trồng khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất cũng như chất lượng sinh khối của các loài vi tảo biển nuôi trồng được Chính vì vậy, chúng tôi đã tiến hành lựa chọn quy mô nuôi cấy, tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và theo dõi

sự sinh trưởng của tảo khi được nuôi trong các hệ thống khác nhau Do thành phần dinh dưỡng của tảo phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện nuôi trồng và trong đó, lipit là chỉ tiêu dinh dưỡng phụ thuộc mạnh nhất vào điều kiện nuôi trồng Trong thành phần lipit thì thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi điều kiện nuôi trồng

II KHÁI QUÁT VỀ AXIT BÉO

2.1 Axit béo

2.1.1 Khái niệm chung

Các axit béo trong triglyxerit của dầu mỡ thường có mạch carbon không phân nhánh, có số carbon chẵn, bắt đầu từ axit có bốn carbon đến axit béo có 38

Luận văn tốt nghiệp

carbon Số thứ tự của nguyên tử carbon củ axit béo được tính từ nguyên tử carbon của nhóm carboxyl:

H3Cω – (CH2)n – C3β– C2

α – COOH

Ký hiệu: α, β, ω, để chỉ thứ tự của nguyên tử carbon trong mạch

Về cơ bản axit béo là một mạch dài các nguyên tử carbon liên kết với nhau

và được bao quanh bởi các nguyên tử hydrogen Ở một đầu của phân tử được xác định là đầu alpha, gắn với một nhóm carboxyl (-COOH) Một đầu còn lại của mạch

là đầu cuối omega, là nhóm methyl (- CH3) Trong bản chữ cái Hy Lạp α là ký tự

đầu tiên và ω là ký tự cuối [20]

2.1.2 Tính chất vật lý

Các phân tử axit béo bão hòa có mạch thẳng, thường dễ gắn chặt với nhau Ngược lại, các phân tử axit béo không bão hòa có cấu tạo lệch, chỉ gắn với nhau lỏng lẻo và dễ bị phá vỡ bởi nhiệt độ hơn là các axit béo bão hòa Vì vậy các chất béo giàu axit béo không bão hòa có nhiệt độ tan chảy thấp hơn các chất béo giàu axit béo bão hòa (đặc biệt là các axit béo có chuỗi carbon dài hơn 12 carbon) Tóm lại, mỡ hoặc dầu được phân loại thành bão hòa, không bão hòa đơn hay không bão hòa đa nối đôi dựa trên hàm lượng cao hoặc thấp của các loại axit béo hiện diện

Chiều dài của mạch carbon trong axit béo ảnh hưởng đến độ rắn chắc của triglycerit ở nhiệt độ thường Cụ thể, các axit béo bão hòa chuỗi dài từ 12 carbon trở lên hiện diện ở những trạng thái rắn khác nhau ở nhiệt độ thường, trong khi các axit béo bão hòa chuỗi vừa từ 6 đến 10 carbon (ví dụ dầu dừa) và chuỗi ngắn dưới 6 carbon hiện diện ở dạng lỏng ở nhiệt độ thường Các triglycerit chứa các axit béo không bão hòa đa và đơn cũng tồn tại ở dạng lỏng

Vị trí nối đôi C=C trong chuỗi carbon của các axit béo không bão hòa tạo nên sự khác biệt lớn trong việc cơ thể con người chuyển hóa chúng Nếu nối đôi đầu tiên nằm cách 3 carbon so với đầu methyl (omega) của axit béo, nó được gọi là axit béo omega-3 (ω-3) Nếu nối đôi đầu tiên nằm cách đầu methyl 6 carbon, nó là axit béo omega-6 (ω-6) Theo quy ước tương tự, một axit béo omega-9 (ω-9) có nối đôi đầu tiên cách đầu methyl của axit béo 9 carbon Trong thực phẩm, axit α-linolenic

Luận văn tốt nghiệp

(ALA, 18:3 ω-3) là axit béo ω-3, axit linoleic (18:2 ω-6) là axit béo ω-6; và axit oleic có công thức chung là (18:1 ω-9) là axit béo ω-9 Một số cấu trúc hoá học của các axit béo không bão hoà thuộc nhóm ω-3, ω-6 và ω-9 được chỉ ra trên Bảng 1.1

Bảng 1.1 Cấu trúc hóa học của các axit béo không bão hòa tiêu biểu thuộc

nhóm ω-3, ω-6, ω-9 Tên axit Kí hiệu Công thức hóa học

2.1.3 Phân loại

Dựa vào số liên kết đôi đế phân loại thì có 3 loại cấu trúc Liên kết đôi được

ký hiệu là Δ (denta) Vị trí của liên kết đôi trên mạch hydrocarbon ghi ở phía trên,

góc phải

+/ Axit béo bão hòa (saturated) : axit không có nối đôi C=C trong cấu tạo của nó

Công thức cấu tạo: CnH2n

+/ Axit béo không bão hòa

Axit béo không bão hòa một nối đôi (monosaturated fatty acids): là những

axit béo có chứa một nối đôi trong cấu tạo của nó Công thức hóa học:

CH3(CH2)7CH= CH(CH2)7COOH

Axit béo không bão hòa đa nối đôi (polyunsaturated fatty acids): là những

axit béo có chứa từ hai nối đôi trở lên

Mạch carbon của axit béo no thường có dạng zíc zắc, kéo thành chuỗi dài không cong Các axit béo không no, có một liên kết đôi dạng cis thì mạch carbon bị uốn cong 30°, càng có nhiều liên kết đôi, mạch carbon càng bị uốn cong nhiều hơn

Luận văn tốt nghiệp

trọng đối với màng sinh học

Hình 1.1 Khi đun nóng có mặt chất xúc tác thì dạng cis chuyển thành

dạng trans [20]

Theo Paul Kelter và cs., (1999) [76] các nghiên cứu gần đây cho thấy các axit béo dạng trans - trong chế độ ăn có thể liên quan đến sự gia tăng nguy cơ xảy ra các cơn đau tim Các phân tử không thể chuyển từ dạng cis - sang dạng trans - hoặc ngược lại trong trường hợp bình thường Khi có sự hydrogen hóa từng phần của axit béo được thực hiện, vài nối đôi còn lại kết thúc ở dạng trans - hơn là dạng cis ban đầu Kiểu đồng phân cis - hoặc trans - là nguyên nhân dẫn đến tính chất khác nhau của các axit béo

Vị trí của các nối đôi trong chuỗi carbon của PUFAs tạo nên một sự khác biệt lớn trong việc cơ thể con người chuyển hóa chúng

Các tế bào của cơ thể con người chỉ có thể tạo nối đôi C=C tổng hợp axit béo

kể từ carbon thứ 9 trở đi Điều này có nghĩa là con người không thể tự tổng hợp được axit béo omega-3 và omega-6 Do đó hai loại axit béo này chỉ có thể được lấy

qua chế độ ăn uống hàng ngày [3]

2.1.4 Nguồn cung cấp axit béo

Triglycerit là lipit dự trữ có trong mỡ động vật và dầu thực vật Trong thực vật: có nhiều ở nhiều cơ quan như củ, quả, hạt Ở động vật: trong mô mỡ axit béo chiếm 70-97%; trong tủy sống 14 – 20 % khối lượng tươi (Bảng 1.2)

Luận văn tốt nghiệp

Bảng 1.2 Phần trăm axit béo chứa trong một số loại thức ăn điển hình

[3]

Nguyên liệu

Hàm lƣợng chất béo (%)

Axit béo no (%)

Axit béo không no

Ghi chú Một nối đôi

(%)

Nhiều nối đôi (%)

tương

Dầu hướng

Từ hạt hướng dương

2.1.5 Giá trị sinh học của axit béo trong sinh học

Giá trị sinh học nói chung được định nghĩa là sự đo lường hàm lượng của một thành phần nào đó đến được hệ tuần hoàn hoặc vị trí đích

Các nghiên cứu ngắn hạn về giá trị sinh học của axit béo dừng lại ở sự phục hồi (recovery) của chúng trong bạch huyết và các nghiên cứu dài hạn có điểm kết thúc là sự tích lũy của chúng trong các mô

Luận văn tốt nghiệp

Giá trị sinh học của các axit béo phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của chúng Dạng ethyl ester (EE) có gốc COOC2H5, dạng axit béo tự do (FFA) có gốc COOH, dạng triglyceride (TG) có bộ khung glycerol

Lawson và cs., (1988) [64] đã so sánh khả năng hấp thụ tương đối của EPA

và DHA khi ở dạng triglyceride, ethyl ester và axit béo tự do với liều sử dụng là 1 g EPA và 0,67 g DHA Kết quả cho thấy, khi ở dạng axit béo tự do, mức độ hấp thụ của EPA và DHA là trên 95%, khi ở dạng TG thì EPA hấp thụ ở mức 68%, DHA là 57%, khi ở dạng ethyl ester thì khả năng hấp thụ của EPA là 20% và của DHA là 21% Khi các tác giả này lặp lại nghiên cứu nhưng trong điều kiện là khẩu phần ăn

có hàm lượng chất béo cao (khoảng 40 gam chất béo) thì khả năng hấp thụ của EPA

ở dạng TG tăng lên từ 68 lên 90%, EPA và DHA ở dạng EE tăng từ 20% lên 60%

Boustani và cs., (1987) [34] đã nghiên cứu sự kết hợp của EPA vào triglyceride máu sau tiêu hóa ở 4 dạng hóa học khác nhau như là ethyl ester, axit béo tự do, arginine salt và TG Khi ở dạng EE thì EPA trong TG huyết tương có nồng độ thấp hơn khoảng 3 lần so với 3 dạng còn lại và xảy ra chậm hơn 3 giờ

Beckermann và cs., (1990) [27] cũng so sánh giá trị sinh học của EPA và DHA ở dạng TG, EE and FFA Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị sinh học của EPA/DHA là cao nhất khi ở dạng FFA trong khi đó EPA/DHA ở dạng EE chỉ bằng 40-48% so với dạng TG

Trong kết quả nghiên cứu của Davidson và cs., (2012) [40] thì ở giai đoạn tiêu hóa chất béo omega-3 thấp, FFA có giá trị sinh học cao hơn đáng kể so với omega-3 ở dạng EE ở những người quá cân Những phát hiện này của họ gợi ý lợi thế điều trị của axit béo dạng omega-3 ở dạng FFA để điều trị bệnh tăng TG máu ở các bệnh nhân cần có khẩu phần chất béo thấp

Ikeda và cs., (1993) [56] đã chứng minh sự vận chuyển bạch huyết của EPA

và DHA khác nhau phụ thuộc vào dạng TG, EE, FFA Khả năng phục hồi bạch huyết của DHA và EPA ở dạng TG cao hơn so với EE và FFA trong 6 giờ đầu tiên sau khi uống và xu hướng này vẫn tiếp tục cho đến 9 giờ Từ 9 đến 24 giờ sự phục

Luận văn tốt nghiệp

hồi của DHA và EPA dưới dạng EE và FFA là cao hơn so với TG Khả năng phục hồi của FFA từ 9 - 24 giờ sau khi uống cao hơn đáng kể so với dạng TG và EE

Hong và cs., (2003) [54] đã giải quyết được câu hỏi trong nghiên cứu so sánh của họ là liệu rằng các omega -3 có cấu trúc phân tử khác nhau thì có hoạt tính sinh học giống nhau hay không? Họ đã so sánh EPA và DHA ở dạng EE với dạng TG lên sự oxi hóa axit béo ở gan chuột Kết quả cho thấy, khẩu phần ăn chứa EPA và DHA ở dạng EE không bắt chước được hoạt tính sinh lý học như với dầu cá chứa EPA và DHA ở dạng TG đến sự oxi hóa chất béo ở gan chuột và cho thấy hoạt tính sinh lý của các omega - 3 phụ thuộc vào cấu trúc phân tử đặc trưng của chúng Theo Yang và cs., (1990) [100] thì lipase tuyến tụy thủy phân EE dầu cá chậm hơn 10 -

50 lần so với TG Tuy nhiên, khi hàm lượng chất béo trong khẩu phần ăn tăng lên thì khả năng hấp thụ của EE cũng tăng lên do các chất béo sẽ kích thích hoạt động của các enzym tuyến tụy và do đó tăng cường sự hấp thu của các omega- 3 này Ngược lại với dạng EE, các omega -3 dạng FFA có thể liên kết trực tiếp thành các micelle mà không cần phải trải qua bước phân cắt nên không phụ thuộc vào hoạt động của enzym tuyến tụy và không phụ thuộc vào hàm lượng chất béo trong khẩu phần ăn

2.2 Các axit béo bão hòa đa nối đôi (polyunsaturated fatty acids - PUFAs)

2.2.1 Khái niệm về PUFA

Axit béo không bão hoà đa nối đôi là nhóm axit béo trong phân tử có chứa từ hai liên kết đôi trở lên, chúng được phân chia thành hai nhóm chính là nhóm omega-3 (ω-3 hoặc n-3) và omega-6 (ω-6 hoặc n-6) Sự phân chia này dựa trên vị trí của liên kết đôi đầu tiên tính từ đầu methyl cuối cùng trong phân tử Trong đó axit béo omega-3 có nguồn gốc chủ yếu từ cá hồi, cá bơn, cá ngừ, cá trích, dầu hạt lanh, dầu canola Các axit béo omega-6 có nguồn gốc chủ yếu từ dầu ngô, đậu tương, với hàm lượng axit linoleic cao [1]

2.2.2 Eicosapentanoic acid (EPA)

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.2 Dạng cis-5,8,11,14,17-eicosapentaenoic acid của EPA [109]

EPA hay còn có tên khác là eicosapentaenoic acid, timnodonic acid, icosapent… Trong cấu trúc hóa học EPA là một axit béo omega-3, có chứa 20 nguyên tử carbon và 5 liên kết đôi C=C và có công thức tổng quát là C20H30O2

Trong tự nhiên EPA tồn tại ở dạng cis-5,8,11,14,17-eicosapentaenoic axit (Hình 1.2)

Trọng lượng phân tử của EPA là 302.451 g/mol EPA tồn tại ở dạng lỏng ở điều kiện chuẩn, có điểm nóng chảy là -53,5oC và bay hơi ở 439 oC, khối lượng riêng 0,943 g/cm3

2.2.3 Vai trò của PUFAs

Các PUFAs có ba vai trò sinh học chủ yếu Đầu tiên phải kể đến các PUFAs tham gia vào thành phần cấu trúc nên thành tế bào Sự có mặt của PUFAs trong màng photpholipit góp phần tạo nên tính linh động của màng, là tiền chất để tổng hợp prostaglandins, leukotrienes và thromboxanes- những chất gắn với các chất nhận kết hợp với protein đặc hiệu G và phản ứng sinh lý tín hiệu tế bào với quá trình viêm, giãn mạch, áp suất máu, đau và sốt PUFAs là thành phần quan trọng của sinh vật nhân chuẩn bậc cao Chúng liên quan đến sự linh động, tính lỏng và tính thấm có chọn lọc của màng tế bào Ngoài ra, PUFAs tham gia sự điều hoà quá trình trao đổi lipit, vận chuyển và hướng tới các mô Ví dụ các hoạt động bao gồm

sự ức chế quá trình sinh tổng hợp triacyglycerol ở gan bởi các ω-3 PUFAs Vì vậy, các PUFA và dẫn xuất các đồng phân của chúng rất quan trọng đối với mục đích dinh dưỡng học và dược học [92]

Luận văn tốt nghiệp

 Vai trò đối với con người

Trong thập niên 80, những hiểu biết của con người về PUFAs nói chung đã được mở rộng trong đó đặc biệt là PUFAs thuộc ω-3 Con người có thể tự tổng hợp

ra PUFAs từ các tiền chất không béo và PUFAs thuộc nhóm ω-7 và ω-9 Tuy nhiên, con người lại không tự tổng hợp được các PUFAs ω-3 và ω-6 do thiếu enzym delta-

12 và delta-15 desaturase (loại enzym được tìm thấy ở hầu hết các thực vật) và vì vậy chúng phải được lấy từ ngoài vào cơ thể thông qua chế độ ăn uống [35] Ngày nay, chúng ta biết rằng các PUFAs ω-3 có vai trò rất quan trọng đối với sự sinh trường và phát triển bình thường của con người [85] DHA có một vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của hệ thần kinh và khả năng nhìn của trẻ nhỏ Tổ chức y tế thế giới (WHO), Quỹ dinh dưỡng Anh quốc (BNF), hội Tiêu hoá và dinh dưỡng phi Châu Âu, hội Nghiên cứu quốc tế về axit béo và lipit đã công nhận vai trò của DHA, AA và khuyến cáo nên bổ sung PUFAs mạch dài vào sữa bột cho trẻ Hiện nay, 50% sữa bột cho trẻ ở Mỹ được bổ sung DHA và AA vào thành phần của sữa Trên thế giới toàn bộ thị trường bán sữa cho trẻ ước tính vào khoảng 10 tỷ đôla/ năm ARA và DHA được bổ sung vào sữa ở nhiều vùng trên thế giới Một số loại sữa đã được bán ngoài thị trưỡng Mỹ chứa DHA từ dầu cá và omega-3 từ trong trứng ARA từ Martek và DHA từ tảo đã được Mỹ cho phép bổ sung vào sữa bột

cho trẻ DHA có mặt trong sản phẩm DHASCO được tách từ tảo Crythecodinium

cohnii có chứa 40-50% DHA nhưng không có EPA hoặc bất cứ PUFAs mạch dài

nào khác ARA (có mặt trong sản phẩm ARASCO) được tách từ nấm Mortierella

alpina, có chứa 40-50% ARA và một lượng tối thiểu các PUFA mạch dài khác

Bảng 1.3 Khuyến nghị về tổng lượng chất béo và axit béo thiết yếu trong khẩu phần ăn (FAO/ WHO) [71]

Trẻ nhỏ (6-24 tháng) Phụ nữ mang thai và cho

con bú Tổng lượng chất

béo

Giảm dần xuống còn khoảng 35%

tổng năng lượng tiêu thụ, tùy

20-35% tổng năng lượng tiêu thụ

Luận văn tốt nghiệp

thuộc vào hoạt động- thể lực

Omega 6- PUFA

3,0- 4,5% tổng năng lượng tiêu thụ (tính riêng Linolenic acid- LA)

2- 3% tổng năng lượng tiêu thụ (tính riêng LA)

Omega 3- PUFA

0,4- 0,6% tổng năng lượng tiêu thụ (tính riêng Alpha- linolenic acid ALA)

0,5- 2% tổng năng lượng tiêu thụ (ALA + omega- 3 PUFA khác)

Các axit béo có vai trò đặc biệt quan trọng đối với việc hoàn thiện chức năng của não bộ Hơn 50% não bộ của người trưởng thành được tạo thành từ các axit béo (tính theo SKK) PUFAs chuỗi dài như DHA và AA là quan trọng nhất trong não bộ của con người Theo nghiên cứu cho thấy bộ não người trưởng thành chứa hơn 20 g DHA Việc sử dụng nhiều cá trong khẩu phần ăn dẫn đến việc giảm một cách đáng

kể hội chứng mất trí nhớ, giảm nguy cơ phát triển bệnh Alzheimer Việc sử dụng DHA và EPA một cách đầy đủ có một vai trò quan trọng trong thời kỳ mang thai và cho con bú [20]

 Vai trò đối với nuôi trồng thủy sản

Hiện nay, ngành NTTS đã đóng góp đến 25% sản lượng thuỷ hải sản trên thế giới [43] Nhu cầu về thủy, hải sản ngày càng tăng cao nhưng sản lượng đánh bắt tự nhiên đang giảm sút nhất là đối với tình hình ô nhiễm môi trường biển ngày một nghiêm trọng Điều này đã khiến cho việc mở rộng nhanh chóng nghề NTTS để cung ứng thủy hải sản cho thị trường tiêu dùng và dẫn đến nhu cầu tăng cao về việc cung cấp thức ăn trong nghề NTTS trong đó có vi tảo Vi tảo là mắt xích thức ăn đầu tiên của chuối thức ăn ngoài tự nhiên, chúng là thức ăn không thể thay thế cho giai đoạn ấu trùng và trong suốt giai đoạn trưởng thành của động vật thân mềm Đối với ấu trùng giáp xác và một số loài cá, tảo cũng là thức ăn bắt buộc ở giai đoạn sớm Vi tảo có hàm lượng dinh dưỡng cao và thỏa mãn yêu cầu về kích thước nên

có thể nâng cao tỷ lệ sống của ấu trùng, quyết định thành công trong việc sản xuất giống nhiều loài động vật biển có giá trị kinh tế cao

Luận văn tốt nghiệp

Vi tảo biển có hàm lượng dinh dưỡng cao, hàm lượng protein từ 6- 34% SKK, hàm lượng lipit từ 5- 23% SKK, hàm lượng carbohydrate từ 5- 12% SKK Giá trị dinh dưỡng lớn nhất của tảo liên quan đến thành phần và hàm lượng các axit béo không no đa nối đôi mạch dài (HUFA) không thay thế, đặc biệt hai thành phần nhóm omega- 3 là EPA và DHA [6] DHA có nguồn gốc từ vi tảo đã được cung cấp cho sự phát triền bình thường của ấu trùng giáp xác, ấu trùng cá, cá bố mẹ cũng như

đa số động vật biển có hạn chế về tổng hợp DHA [79] Ví dụ như, Atermia nauplii

và luân trùng là những đối tượng thường được sử dụng như là nguồn thức ăn cho rất nhiều ấu trùng của các loài cá biển Bởi chúng có chứa PUFAs ω-3 cần thiết cho sự phát triển của ấu trùng cá biển [63; 79; 94], đặc biệt EPA và DHA [59; 95]

Gần đây, các nghiên cứu đã chứng minh được rằng việc bổ sung DHA và thức ăn cho ấu trùng cá biển sẽ làm tăng quá trình sinh trưởng, sống sót và tăng khả năng chống chọi với các điều kiện bất lợi của ngoại cảnh, trong khi tỷ lệ DHA/EPA cũng có thể là tác nhân quan trọng trong sự hình thành sắc tố của một vài loài cá [80] Trong nuôi trồng biển, một vài loài tảo có giá trị như là nguồn thức ăn sơ cấp cho sinh trưởng của tất cả các giai đoạn sinh trưởng của loài 2 mảnh vỏ và ấu trùng

của một vài loài tôm cá [30] như Isochrysis galbana được xem như là nguồn dinh

dưỡng phù hợp nhất cho sinh trưởng nhanh của ấu trùng 2 mành vỏ, giống như chai

Mercenaria [99] bởi chúng chứa lượng lớn DHA và EPA Thiếu DHA và EPA gây

nên tỷ lệ chết cao và tốc độ sinh trưởng chậm ở ấu trùng và giai đoạn non của cá và tôm pandan [93]

Hàm lượng chất béo của luân trùng cũng thay đổi rất lớn từ 9-28% SKK Đặc

biệt khi cho luân trùng ăn bằng tảo Chlorella, hàm lượng tổng HUFA cao chiếm

khoảng 28% tổng chất béo, trong đó DHA và EPA chiếm tỉ lệ đáng kể DHA và EPA là những axit béo cần thiết cho quá trình phát triển của ấu trùng tôm, cá và ảnh hưởng đến tỉ lệ sống của chúng trong suốt quá trình ươm nuôi

2.2.4 Vai trò của EPA đối với con người

Một chế độ cân bằng, đầy đủ lượng axit béo omega-3 là cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường ở trẻ Các chuyên gia dinh dưỡng đã ban hành các

Luận văn tốt nghiệp

khuyến nghị cho lượng thích hợp của từng loại axit béo omega-3 trong khẩu phần

ăn của trẻ sơ sinh Theo đề xuất này, lượng EPA cho trẻ sơ sinh nên ít hơn 0,1% trong chế độ ăn hằng ngày

EPA tác dụng tích cực đối với bệnh tim, nó cũng có thể giảm nguy cơ phát triển bệnh EPA được tìm thấy trong dầu cá giúp giảm lượng chất béo trong máu, giảm huyết áp, đồng thời giảm cải thiện sức khỏe của động mạch và giảm xơ vữa động mạch (là nguyên nhân làm hẹp động mạch và gây ra bệnh tim) Yokoyama và cs., (2007) [102] đã nghiên cứu về phòng ngừa cả tiền phát lẫn thứ phát động mạch vành được thực hiện tại Nhật trên 18.645 người có tăng cholesterol (cholesterol toàn phần 6,5 mmol/l), trong số này 3664 người có bệnh mạch vành (những người này là đối tượng của phòng ngừa thứ phát, 14.981 người còn lại là đối tượng của phòng ngừa tiền phát) Bệnh nhân được phân ngẫu nhiên cho dùng EPA 1800 mg/ngày hoặc placebo và tất cả đều được cho dùng statin Sau 5 năm theo dõi, các nhà nghiên cứu nhận thấy tần suất các biến cố tim mạch nặng (đột tử do tim, nhồi máu

cơ tim gây chết hoặc không, đau thắt ngực không ổn định, can thiệp mạch vành và

mổ bắc cầu mạch vành) của nhóm EPA thấp hơn 19% (P= 0,011) so với nhóm

placebo EPA là một PUFA đóng vai trò như một tiền tố cho prostaglandin-3 (chất

ức chế kết tập tiểu cầu), thromboxan-3 và leukotriene-5 eicosanoids Nghiên cứu bổ sung dầu cá, trong đó có chứa EPA đã có kết quả tốt trong việc hỗ trợ điều trị ngăn ngừa các cơn đau tim hoặc đột qụy Viện Quốc gia Hoa Kỳ MedlinePlus Y tế liệt kê các điều kiện y tế mà EPA (một mình hoặc phối hợp với omega- 3 khác) được biết đến hoặc được cho là một điều trị hiệu quả [49; 74; 104]

Nhóm nghiên cứu thuộc Inserm (Pháp) do giáo sư Pascale Barberger Gateau hướng dẫn đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của một số chế độ dinh dưỡng gồm các axit béo và các chất chống oxi hóa lên sự lão hóa của não của các người già (sa sút trí tuệ, suy giảm nhận thức, xáo trộn tâm trạng) Với công cuộc nghiên cứu này, các nhà khoa học muốn tìm hiểu sự tương quan giữa nồng độ axit béo trong máu với mức độ xảy ra của các triệu chứng trầm cảm Trong nghiên cứu, mẫu máu của 1,390 người - có tuổi trung bình là 75 đã được phân tích để thiết lập đồ

Luận văn tốt nghiệp

biểu của 12 axit béo trong huyết tương của mỗi người Sau đó, các bác sĩ tâm lí đã đặt câu hỏi với từng người tham gia để xác định xem họ có tiền sử về trầm cảm hay không và mức độ nghiêm trọng của bệnh tình Qua kết quả nghiên cứu, một axit béo omega-3 đặc biệt là EPA Nồng độ axit này trong máu thấp đối với những người bị trầm cảm, trong khi đó lại cao đối với những người không bị trầm cảm Nói một cách khác, một lượng EPA cao có tương quan với một tốc độ xảy ra các triệu chứng trầm cảm thấp Hơn nữa, trong nhóm các người được trị liệu về trầm cảm thì nồng

độ EPA cao trong máu tỉ lệ nghịch với độ nghiêm trọng của các triệu chứng trầm cảm ở người già [26]

2.3 Công nghệ tách chiết hỗn hợp axit béo

Công nghệ sản xuất hỗn hợp axit béo từ dầu thực vật được ứng dụng trên thế giới chủ yếu thực hiện qua 2 công đoạn: thủy phân dầu thực vật và làm giàu hỗn hợp axit béo omega-3 Trong đó, công đoạn thủy phân dầu thực vật nhằm giải phóng các axit béo ra dạng tự do, được thực hiện theo phương pháp hóa học hoặc phương pháp enzyme

+/ Thủy phân dầu bằng phương pháp hóa học: Dầu thực vật được xà phòng

hóa với dung dịch kiềm có sử dụng ống sinh hàn ngược trên thiết bị khuấy có gia nhiệt trong khoảng thời gian thích hợp Thêm dung dịch muối vào hỗn hợp xà phòng hóa và các chất không xà phòng hóa được tách ra khỏi hỗn hợp bằng cách lọc hoặc ly tâm hoặc bằng cách chiết với dung môi n-hexan Sau đó, các axit béo được tách ra từ phần xà phòng được axit hóa bằng dung môi n-hexan Lớp dung môi n-

hexan có chứa các FFA được làm khô bằng muối Na2SO4, thu hồi dung môi bằng cô

quay chân không [19]

+/ Thủy phân dầu bằng phương pháp enzyme: Thêm enzyme lipase cố định

đã được trộn đều trong dung dịch đệm photphat được bổ sung vào dầu thực vật Sau

24 giờ thủy phân, hỗn hợp dịch được lọc tách enzyme và chuyển đến phễu chiết và trích ly triệt để bằng n-hexan Thu hồi dung môi bằng cô quay Phần tách ra được

bảo quản cho đến khi tiến hành tinh chế hỗn hợp axit béo [38]

Luận văn tốt nghiệp

Thực tế sản xuất cho thấy thủy phân dầu thực vật bằng phương pháp hóa học (xà phòng hóa) phù hợp và thường được dùng nhiều hơn vì nó đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp hơn nhiều so với sử dụng enzyme mà hiệu suất thủy phân vẫn đạt

yêu cầu [62]

Để sản phẩm omega-3 và omega-6 có độ tinh khiết cao, cần tiến hành làm giàu hỗn hợp các axit béo Hiện nay, nhiều phương pháp khác nhau có thể áp dụng

ở công đoạn làm giàu như: tách phân đoạn bằng ly tâm phân tử, kết tinh phân đoạn

ở nhiệt độ thấp, chưng cất phân đoạn chân không và tạo phức với urea Trong đó, phương pháp kết tinh phân đoạn ở nhiệt độ thấp và tạo phức với urea được sử dụng

nhiều nhất [83]

Phương pháp kết tinh phân đoạn ở nhiệt độ thấp: dựa vào sự khác biệt về

điểm đông đặc (kết tinh) của các axit béo khi hòa tan trong dung môi phù hợp Điểm nóng chảy của các axit béo thay đổi đáng kể tùy thuộc vào dạng và mức độ không bão hòa và vì vậy, hỗn hợp của các axit béo bão hòa và không bão hòa có thể phân tách được Ở nhiệt độ thấp, các PUFAs mạch dài có điểm nóng chảy cao hơn

do đó sẽ kết tinh và PUFA duy trì ở dạng lỏng Phương pháp này thích hợp cho việc tách các axit béo no ra khỏi hỗn hợp axit béo không no nhưng lại không tách được triệt để các axit béo no cũng như không thể tách được axit béo không no một nối đôi (như axit oleic) ra khỏi hỗn hợp axit béo omega-3 và omega-6 Do vậy, độ tinh sạch của sản phẩm thường chỉ đạt 60-70% và không cao

Phương pháp tạo phức với urea: dựa trên khả năng đặc biệt của urea khi tạo

phức với các axit béo no và axit béo không no một nối đôi (điều này không xảy ra đối với các PUFAs) Bengen và cs., (1940) [28] đã phát hiện ra khả năng tạo phức kết tinh của urea với các hợp chất hydrocarbon mạch thẳng trong dung môi ethanol hoặc methanol, được xem như là cuộc cách mạng trong công nghiệp hóa dầu và mỡ,

và rất hiệu quả trong việc làm tinh sạch các PUFAs từ dầu mỡ Nhóm tác giả nêu trên đã chứng minh được urea khi có mặt cồn hoặc methanol tạo tinh thể với các hợp chất mạch thẳng nhưng không tạo tinh thể với các hợp chất có mạch nhánh hoặc mạch vòng Hiện tượng này sau đó đã được khái quát hóa với các hợp chất

Luận văn tốt nghiệp

hydrocarbon, các axit béo, ester, các rượu, aldehit và xeton Kết quả nghiên cứu của Bengen và cs., đã được ứng dụng rất thành công tại các công ty hóa dầu nhằm phân

tách các hydratcarbon mạch thẳng và mạch vòng [67]

Với việc kết hợp 2 phương pháp làm lạnh và tạo phức với urê, Mendes và cs., (2007) đã thành công trong việc cô đặc và tinh sạch DHA ở loài tảo dị dưỡng

hai roi Crypthecodinium cohnii với tỷ lệ tối ưu ure/axit béo là 3,5; nhiệt độ kết tinh

4°C và 8°C và phân đoạn DHA thu được chiếm tới 99,2 % so với TFA Grima và cs., (1995) cũng sử dụng phương pháp tạo phức ure để cô đặc PUFAs từ sinh khối

vi tảo biển Isochyrysis galbana, với tỷ lệ ure/axit béo là 4 ở 4°C Sự phân tách phân

đoạn EPA và DHA sau đó bởi HPLC với độ tinh sạch tương ứng là 96,0% và 94,9% Tuy nhiên, có thể thấy rằng bước tinh sạch bằng HPLC không dễ dàng thực hiện trên một quy mô lớn

Senanayake và cs., (2000) [82] cũng đã sử dụng kỹ thuật tạo phức với urea để

thu DHA từ sinh khối vi tảo Crypthecodinium cohnii Thành phần axit béo có trong

dầu tảo gồm 22:6, 14:0 và 18:1 Với quá trình tạo phức với urea, các axit béo 14:0, 16:0 và 18:1 đã bị loại hầu như hoàn toàn trong khi đó DHA đã được làm giàu từ 47,4 đến 97,1% với hiệu suất của quá trình là 32,5% theo lượng dầu tảo gốc Hiệu quả thu hồi DHA cao hơn và 66,5% DHA tổng số có mặt trong dầu tảo gốc đã được

phát hiện nhờ quá trình làm giàu DHA tiếp theo quá trình tạo phức hợp urea Tảo C

cohnii có chứa khoảng 40% DHA (wt/wt) Dầu tảo này có chứa 95% TG ở dạng các

FFA hoặc các alkyl ester đơn giản Hầu hết các sản phẩm dầu tảo đều ở dạng TAG [51]

III Vi tảo biển Nannochloropsis oculata

3.1 Giới thiệu chung về tảo Nannochloropsis oculata

3.1.1 Vị trí phân loại của Nannochloropsis oculata

Nannocloropsis oculata được Droop phát hiện vào năm 1955 ở các hồ nước

lợ giữa những rặng đá Sau đó, Droop đã xếp loài tảo này vào chi Nannocloropsis

Nhưng năm 1975, Antia đã phát hiện ra những điểm không tương thích với sự phân loại của Droop dựa trên thành phần các hợp chất lục lạp và cấu trúc tế bào trong chi

Luận văn tốt nghiệp

Nannocloropsis, qua đó N coccoides được xếp vào lớp Chlorophyceae trong khi N oculata được xếp vào Eustigmtophyceae Vì thế, Nannocloropsis là một chi mới bao

gồm các loài rất nhỏ thuộc lớp Eustigmtophyceae, trong đó phổ biến nhất là loài

Nannochloropsis oculata là loài tảo đơn bào, tự nổi trong môi trường lỏng,

không tạo giao tử chuyển động để sinh sản hữu tính Tế bào có dạng hình cầu và

hình trứng với đường kính khoảng 2- 4 μm Nannochloropsis oculata có thành tế

bào mỏng, trong suốt, hình dạng không xác định mang một lớp đơn các sắc tố diệp

lục màu vàng xanh - sắc tố đặc trưng của nhóm Eustigmatophyceae Ngoài ra, tế

bào không có lớp màng nhầy bên ngoài [52]

 Đặc điểm sinh lý

Nannochloropsi oculata thuộc vào thể đơn bội, sinh sản vô tính theo kiểu

phân đôi Là loài vi tảo sống tối ưu trong môi trường nước mặn, tuy nhiên đôi khi cũng hiện diện trong môi trường nước ngọt hay nước lợ và sự thay đổi về hình thái

là không đáng kể [42] Nannochloropsis oculata có khả năng sống trong dải nhiệt

độ khá rộng Thích nghi tốt trong điều kiện môi trường có nhiệt độ thấp, thậm chí là gần 0oC Điều kiện sinh trưởng tốt nhất ở khoảng 21o

C, mức độ chiếu sáng 52 μmol photon/m2.s, pH 8,4 [92, 42]

 Đặc điểm sinh hóa

Loài Nannochloropsis được nhận dạng dựa vào hai đặc điểm: Đặc điểm thứ

nhất đó là không chứa hợp chất chlorophyll b, đây là đặc điểm chung của lớp

Luận văn tốt nghiệp

Eustimatophyceae [97] Cách nhận dạng thứ hai chính là dựa vào thành phần các sắc tố xanthophyll [92]

Nhìn chung, tế bào tảo Nannochloropsis sp., có các thành phần sau:

Các sắc tố bao gồm hai nhóm chính là chlorophyll a và carotenoid Các hợp chất carotenoid chủ yếu là xanthophyll như violaxanthin và vaucheraxanthin Ngoài

ra còn có sự hiện diện các sắc tố khác với hàm lượng rất ít như zeaxanthin và anteraxanthin [24, 61] Trong thể sắc tố có nhiều bản sắc tố, mỗi bản sắc tố gồm 3 phiến sắc tố xếp song song, không có đai nối giữa các sắc tố Sắc tố quang hợp duy

nhất tìm thấy ở tảo N oculata là chlorophyl a, không thấy sắc tố quang hợp

chlorophyl b và c Đây có thể coi là một đặc trưng sinh hóa chủ yếu để phân loại tảo

Nannochloropsis nói riêng và ngành Eustigmataphyta nói chung Các carotenoid

khác bao gồm carotene 11%, violaxathin 51%, vaucherixathin 26% và các carotenoid khác chiếm 12%

3.1.3 Sinh trưởng của tảo

Sinh trưởng của tảo nuôi trồng trong điều kiện vô trùng được đặc trưng bởi 5 pha được thể hiện ở Hình 1.3 [78]

- Pha chậm hoặc cảm ứng (1): Tảo sinh trưởng chậm, mật độ tế bào (MĐTB) tăng ít

do phải thích nghi dần với môi trường sống mới

- Pha sinh trưởng theo hàm số mũ (2): Ở pha này MĐTB tăng nhanh

- Pha giảm tốc độ sinh trưởng (3): Sự phân chia TB sẽ chậm lại khi các chất dinh dưỡng, ánh sáng, độ pH, CO2 hoặc các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sự sinh trưởng

- Pha ổn định (4): MĐTB tương đối ổn định, không thay đổi do các yếu tố hạn chế

và tốc độ sinh trưởng ở trạng thái cân bằng

- Pha tàn lụi (5): Chất lượng môi trường trở nên xấu đi, các chất dinh dưỡng suy kiệt tới mức không thể duy trì được sinh trưởng MĐTB giảm mạnh

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.3 Năm pha sinh trưởng của vi tảo [112]

3.2 Lịch sử nghiên cứu về Nannochloropsis

3.2.1 Tình hình nghiên cứu Nannochloropsis trên thế giới

Vi tảo Nannochloropsis thường được nuôi sinh khối bằng các hệ thống nuôi

trong túi ni lông, trong ao, bể dài [65, 66] hoặc nuôi trong các HTNK [33] Mặc dù mỗi hệ thống đều có những điểm mạnh và hạn chế khác nhau nhưng chúng vẫn được kết hợp sử dụng tùy theo mục đích sử dụng Hiện nay, sinh khối tảo

Nannochlorapsis ngoài việc sử dụng cho các đối tượng ấu trùng trong NTTS nó còn

được được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất thực phẩm chức năng, để tách chiết các chất có hoạt tính sinh học như EPA và sản xuất NLSH Vì vậy, việc cung cấp sinh khối tảo đảm bảo chất lượng, giàu dinh dưỡng, năng suất ổn định và giá thành thấp là thách thức được đặt ra

Với hệ thống ao dài nuôi hở (raceway ponds) là ao cạn sâu từ 10 đến 50 cm,

hệ thống nuôi này không tốn kém để xây dựng như hệ thống nuôi kín (HTNK), tiêu tốn ít năng lượng, sử dụng hệ thống khuấy giúp lưu thông và đảo trộn môi trường nuôi Tuy nhiên, khi nuôi bằng hệ thống này tốn diện tích đất, hiệu quả của việc sử dụng ánh sáng thấp, hiệu quả sử dụng CO2 ít do hàm lượng CO2 trong không khí thấp, nhiệt độ dao động giữa thời gian trong một ngày, theo mùa là khác nhau Ngoài ra, khi nuôi trồng trong hệ thống này thì năng suất bị ảnh hưởng lớn của

Luận văn tốt nghiệp

nhiễm tạp các loại tảo khác và động vật nguyên sinh [36, 58] Việc sử dụng kháng sinh hoặc chlorin B không khắc phục được những vấn đề nêu trên [86] Trái lại, HTNK có ưu điểm là có thể khép kín môi trường nuôi, điều khiển được các yếu tố môi trường (ánh sáng, nhiệt độ và hàm lượng CO2), giảm tạp nhiễm của các vi sinh vật khác Mặc dù giá thành lắp đặt hệ thống đắt xong năng suất sản xuất sinh khối tảo, mật độ tế bào ở HTNK cao gấp 13 và 30 lần so với các ao nuôi hở (Chisti, 2007) Diện tích nuôi trồng bằng bể hở cao nhất là diện tích 440.000 m2 (Spolaore

và cs., 2006) Mức sản xuất sinh khối cao nhất ở bể hở đạt đến khoảng 24 g SKK/m2/ngày và đặc biệt 100 g SKK/m2/ngày đã thu được trong các HTNK 300 L đơn giản [75] trong điều kiện bão hòa ánh sáng

Theo Marudhupandi và cs., (2016) [69] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (Response surface methodology- RSM) để tăng cường sinh khối và

lipit trong Nannochloropsis salina Kết quả sơ bộ cho thấy, khi nuôi dị dưỡng (heterotrophically) N salina với những nguồn carbon và nitơ mang lại sinh khối cao

hơn (0,91 ± 0,0035 g/L) và hàm lượng lipit (37,1 ± 0,49 mg/L) so với việc nuôi trồng bằng phương pháp quang tự dưỡng (0,21 ± 0,009 g/L và 22,16 ± 0,27 mg/L) Các thành phần môi trường được tối ưu cho việc nuôi trồng dị dưỡng bao gồm glucose (7,959 g/L), sodium acetate (1,46 g/L), peptone (7,6 g/L) và sodium thiosulphate (1,05 g/L) và đã thu được kết quả là 1,85 g/L sinh khối và tổng hàm lượng lipit là 48,6 mg/L

Zittelli và cs., (2000) [106] sử dụng HTNK dạng tấm phẳng (modular flat panel photobioreactor) mỗi lần nuôi 20,5 L và tấm nuôi có diện tích bề mặt 3,4 m2

được chiếu sáng với cường độ ánh sáng (CĐAS) đạt 230 μmol photon/m2/s ở cả hai mặt, cho năng suất 1,45 g SKK/L/ngày, cao gấp 30 lần so với năng suất nuôi

Nannochloropsis trong bể sợi thủy tinh 200 L sử dụng ánh sáng nhân tạo Zou và

cs., (2000) [107] sử dụng HTNK dạng tấm (flate phate photobioreactor) có đường dẫn ánh sáng 1,4 cm với CĐAS 1000-3000 μmol photon/m2/s, cho năng suất đạt 2,9g SKK/L/ngày

Luận văn tốt nghiệp

Nannochloropsis sp., đã được nuôi sinh khối ngoài trời bằng HTNK dạng

tấm kính mỏng (glass plates) và dạng hình ống đặt theo kiểu phương chân trời – nằm ngang (horizontal tubular), Zittelli và cs., (1999) [105] ở Florence, Ý đã sử

dụng HTNK dạng ống ngoài trời để nuôi sinh khối Nannochloropsis sp., đạt mật độ

cao, hoạt động từ tháng 3 đến tháng 9 trong năm, cho năng suất 0,6g SKK/L/ngày, sản lượng EPA đạt 32 mg/L/ngày Zhang và cs., (2001) [103] đã sử dụng HTNK dạng tấm có dung tích 500-1000 L, hoạt động quanh năm, cho MĐTB đạt 5-6 x

103/TB/mL hoặc năng suất 0,21 và 0,27 gram SKK/L/ngày vào mùa đông và mùa

hè, tương ứng

Ngày nay, Trái đất đang đối mặt với vấn đề thay đổi khí hậu, các hiệu ứng nóng lên trên toàn cầu do con người tác động mạnh vào sự cân bằng giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và tia bức xạ của mặt trời Sự thay đổi nồng độ của các khí nhà kính trong vòng 100 năm lại đây (CO2 tăng 20%, CH4 tăng 90%) đã làm tăng nhiệt

độ lên 20

C Vì vậy, việc giảm phát thải khí (CO2 hóa thạch, nitơ và lưu huỳnh oxit)

là điều cần thiết Gouveia và cs., (2009) [46] đã sàng lọc giữa các loài tảo

(Chlorella vulgaris, Spirulina maxima, Nannochloropsis sp., Neochloris

oleabundans, Scenedesmus obliquus và Dunaliella tertiolecta) để chọn ra loại vi tảo

tốt nhất về số lượng cũng như chất lượng để sản xuất NLSH Kết quả cho thấy

Neochloris oleabundans (vi tảo nước ngọt) và Nannochloropsis sp (vi tảo biển)

được chứng minh là phù hợp, do hàm lượng dầu cao (29,0 và 28,7%, tương ứng)

Cả hai loài vi tảo, khi trồng trong tình trạng thiếu đạm đã có một sự gia tăng lớn (~ 50%) hàm lượng dầu

Nitơ là một yếu tố cần thiết cho sự phát triển của tảo Trong một tế bào, nitơ

có liên quan trong việc tổng hợp các axit amin, axit nucleic, diệp lục và các hợp

chất hữu cơ có chứa nitơ khác [45] Trong một nghiên cứu đã sử dụng 30 chủng tảo khác nhau đã được sàng lọc đã có được chủng Nannochloropsis có hàm lượng lipit

là 60% ở điều kiện thiếu nitơ, tăng 30% so với điều kiện phát triển bình thường Chủng này đã được lựa chọn cho các thí nghiệm nuôi trên quy mô lớn có sử dụng một hệ thống phản ứng quang sinh học với ánh sáng mặt trời tự nhiên đạt năng suất

Luận văn tốt nghiệp

lipit tăng đến 204 mg/L/ngày trong điều kiện cạn kiệt nitơ, gần gấp đôi so với 117 mg/L/ngày trong điều kiện dinh dưỡng đầy đủ [81] Dựa trên những kết quả này, một quy trình canh tác đã được đưa ra gồm hai giai đoạn với một giai đoạn đầy đủ chất dinh dưỡng để tăng nhanh số lượng tế bào trước khi chuyển sang một giai đoạn đói đạm để tăng hàm lượng lipit lên đến 90 kg/ha/ngày khi nuôi trồng ngoài trời

Vi tảo biển N oculata được coi là một nguồn tiềm năng, đầy hứa hẹn cho

ứng dụng công nghiệp vì nó có khả năng tích lũy hàm lượng cao các PUFAs đặc biệt là EPA và carotenoid được sử dụng trong việc sản xuất thực phẩm chức năng, NLSH, NTTS và các ngành công nghiệp dinh dưỡng khác [91]

Một loài Nannochloropsis phân lập từ nước ven biển của Singapore đã được

điều tra dưới ánh sáng bước sóng khác nhau (đỏ, xanh lá cây, xanh dương và trắng)

và cường độ để xác định các điều kiện tối ưu cho năng suất sinh khối và sản xuất lipit Sản lượng axit béo tối đa đạt được cho cả quang hợp dưới điều kiện chiếu ánh sáng mặt trời (Phototrophic) và mixotrophic (sử dụng cả ánh sáng mặt trời và năng lượng từ nguồn carbon) là 55,15 và 111,96 mg/L, tương ứng đặc biệt khi chiếu ánh sáng màu xanh (470 nm) Năng suất sinh khối của tảo cũng đạt cực đại dưới ánh

sáng màu xanh cho cả hai lần nuôi [45] Trong một nghiên cứu khác của Das và cs.,

(2011), UV-A (320-400 nm) đã được bổ sung thêm vào phổ quang hợp với ánh sáng

hoạt động (PAR, 400-700 nm) khi nuôi trồng Nannochloropsis để nghiên cứu tác

động của tia UV-A lên tăng trưởng và tích lũy lipit Kết quả cho thấy ảnh hưởng của bức xạ UV-A có thể dẫn đến sự gia tăng tốc độ tăng trưởng được duy trì bằng việc tăng tốc độ dẫn truyền ánh sáng có tác dụng kích thích các phân tử có giá trị tích lũy trong tảo qua cả việc tăng quá trình dẫn truyền ánh sáng và phản ứng chống oxy hóa trong để duy trì tăng trưởng của tế bào [44] Nồng độ CO2 cũng có ảnh hưởng đến

sự phát triển của tảo và hàm lượng lipit Theo Chiu và cs., (2009) [34] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ CO2 vào sản xuất sinh khối và tích tụ lipit Kết quả cho thấy khi sục 2% CO2 thì hàm lượng lipit của N oculata tăng từ 30,8% đến 50,4%

Yokose và cs., (2009) [101] đã nghiên cứu hiệu quả của hỗn hợp alginate

oligosaccharide (AOM) lên việc tăng cường sự phát triển của N oculata Tác dụng