Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Probiotic là các vi sinh vật sống mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ khi được bổ sung với số lượng đầy đủ. Trong đó, chủng vi khuẩn Lactobacillus acidophilus đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh đường ruột, hỗ trợ điều trị tiêu chảy do rotavirus, cải thiện hội chứng ruột kích thích (IBS), hỗ trợ tiêu hóa ở người không dung nạp lactose, điều hòa cholesterol và tăng cường miễn dịch.

Đối với đối tượng sử dụng đặc thù là trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ, các dạng bào chế rắn (viên nén, viên nang) không phù hợp do kích thước thực quản của trẻ nhỏ, gây khó nuốt; dạng bột và cốm dễ hút ẩm trong quá trình bảo quản. Ngược lại, dạng hỗn dịch nước truyền thống thường gặp nhược điểm lớn: vi sinh vật chuyển hóa nhanh trong nước làm giảm tỷ lệ sống sót, độ khuếch tán oxy cao gây bất lợi cho vi khuẩn kỵ khí/vi hiếu khí không sinh bào tử như L. acidophilus, đồng thời khối vi sinh vật dễ lắng chặt dưới đáy bao bì và khó phân tán đều trở lại. Dạng bào chế probiotic hỗn dịch dầu (sử dụng dầu chuỗi triglycerid trung bình - MCT) được đánh giá là giải pháp khắc phục hiệu quả nhờ khả năng bảo vệ vi sinh vật khỏi oxy và ẩm, không mùi vị, phân liều thể tích nhỏ (vài giọt hoặc mililit), thuận tiện cho trẻ nhỏ. Tuy nhiên, vi sinh vật không thể tự phân tán đồng nhất trong dầu MCT mà có xu hướng sa lắng nhanh và đóng bánh, đòi hỏi phải tối ưu hóa công thức tá dược phân tán.

Khóa luận tốt nghiệp Dược sĩ của sinh viên Bùi Thị Mai Nhung (Trường Đại học Dược Hà Nội, năm 2023), dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Ngọc Khánh tại Bộ môn Công nghệ Sinh học Dược, thực hiện đề tài nhằm giải quyết hai mục tiêu cụ thể:

  1. Xây dựng công thức chế phẩm probiotic hỗn dịch dầu đối với các nguồn nguyên liệu chứa Lactobacillus acidophilus thông qua đánh giá chỉ tiêu vật lý độ lắng và độ đồng đều phân tán của hỗn dịch.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của nguồn nguyên liệu chứa Lactobacillus acidophilus đến một số chỉ tiêu khác: khả năng sống sót của vi sinh vật và phân bố kích thước tiểu phân trong hỗn dịch.

Đối tượng nghiên cứu là 3 nguồn nguyên liệu bột đông khô L. acidophilus (nguồn Đan Mạch do Brenntag Việt Nam cung cấp, nguồn công ty BG, và nguồn Viện Thực phẩm Chức năng). Phạm vi thực nghiệm tập trung vào quá trình bào chế, khảo sát độ ổn định vật lý và vi sinh trong thời gian bảo quản tối đa 60 ngày tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học Dược.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Lý thuyết sa lắng hệ phân tán dị thể (Hệ thức Stokes): Vận tốc lắng của tiểu phân rắn được xác định theo công thức $V = \frac{2r^2(d_1 - d_2)g}{9\eta}$ (trong đó $r$ là bán kính tiểu phân, $d_1$ và $d_2$ lần lượt là tỷ trọng pha phân tán và môi trường phân tán, $g$ là gia tốc trọng trường, $\eta$ là độ nhớt môi trường). Để giảm tốc độ sa lắng, nghiên cứu áp dụng nguyên lý tăng độ nhớt môi trường và kiểm soát kích thước tiểu phân.
  • Tiêu chuẩn chất lượng hỗn dịch theo Dược điển Việt Nam V: Hỗn dịch phải trở lại trạng thái phân tán đồng nhất khi lắc nhẹ trong 1–2 phút và duy trì trạng thái đó trong vài phút để đảm bảo phân liều chính xác.
  • Tá dược nghiên cứu: Dầu MCT (Medium chain triglycerides) làm môi trường phân tán; Aerosil (silicon dioxide keo vô định hình, kích thước ~15 nm, diện tích bề mặt $200\text{ m}^2/\text{g}$) đóng vai trò chất chống đóng bánh và tạo mạng lưới cấu trúc; Nhôm monostearat (Aluminium monostearate) đóng vai trò chất tăng độ nhớt và tạo gel trong môi trường dầu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tiệt khuẩn: Tiệt khuẩn nhiệt ẩm bằng nồi hấp áp lực ($121^\circ\text{C}$, 15–20 phút) cho dụng cụ và môi trường; tiệt khuẩn khô/nhiệt cho dầu MCT ($120^\circ\text{C}$, 15 phút trên bếp ôm gia nhiệt bằng Parafin); tiệt khuẩn bức xạ tia UV bước sóng 254 nm trong 20 phút cho tá dược Aerosil và buồng thao tác tủ cấy vô trùng.
  • Phương pháp bào chế hỗn dịch: Rây nguyên liệu qua rây 125 µm; hòa trộn Nhôm monostearat vào dầu MCT rồi tiệt khuẩn nhiệt; phối hợp Aerosil đã tiệt khuẩn UV; bổ sung bột đông khô L. acidophilus; khuấy từ với tốc độ 750 vòng/phút trong 15 phút và đóng lọ đáy bằng 15 ml trong điều kiện vô trùng.
  • Phương pháp xác định độ lắng: Đo tỷ lệ phần trăm giữa chiều cao lớp dịch trong suốt phía trên ($V_{\text{lớp trong suốt}}$) so với tổng chiều cao hỗn dịch ban đầu ($V_{\text{ban đầu}}$) tại các thời điểm 1 giờ, 1 tháng và 2 tháng.
  • Phương pháp đánh giá độ đồng đều phân tán: Lắc mẫu sau 2 tháng bảo quản trong 1–2 phút; ghi nhận cảm quan trạng thái phân tán trước khi lắc, ngay sau khi lắc và sau khi để yên 5 phút.
  • Phương pháp định lượng vi sinh vật sống sót (Pha loãng liên tục): Chiết tách vi khuẩn khỏi pha dầu bằng dung dịch đệm PBS chứa 4% Tween 80 kết hợp ly tâm lạnh (15.000 vòng/phút trong 2 phút, thực hiện 2 lần). Pha loãng bậc 10 liên tục, cấy chảy dòng 10 µL dịch pha loãng lên đĩa thạch MRS (de Man, Rogosa and Sharpe), ủ ở $37^\circ\text{C}$ với 5% $\text{CO}_2$ trong 48–72 giờ, đếm khuẩn lạc và quy đổi về log CFU/liều (0,25 ml) hoặc log CFU/g.
  • Phương pháp đánh giá kích thước tiểu phân (KTTP): Soi tiêu bản dưới kính hiển vi quang học gắn camera Nikon, chụp ảnh và đo kích thước tiểu phân bằng phần mềm NIS-Elements trên 10 vi trường ngẫu nhiên (~100 tiểu phân/mẫu) để tính KTTP trung bình ($\bar{X} \pm SD$) và vẽ biểu đồ phân bố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng thuật cơ sở lý thuyết về probiotic, các đặc điểm sinh học của chủng Lactobacillus acidophilus (vi khuẩn Gram dương hình que, kích thước 0,6–0,9 × 1,5–6 µm, không sinh bào tử, sinh trưởng tối ưu ở $37–42^\circ\text{C}$, pH 5,5–6,0, nhạy cảm với oxy). Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của các dạng bào chế probiotic hiện có (bột, cốm, viên nén, hỗn dịch nước) và luận giải tính ưu việt của dạng hỗn dịch dầu MCT đối với bệnh nhi. Đồng thời, chương 1 tổng hợp các nghiên cứu, bằng sáng chế quốc tế (sáng chế của G. Mogna năm 2012, C. Yang năm 2015, J. Jeude năm 2017) và các khóa luận tiền đề tại Đại học Dược Hà Nội về hệ hỗn dịch probiotic.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết thông số kỹ thuật của 3 nguồn nguyên liệu bột đông khô L. acidophilus, danh mục hóa chất đạt tiêu chuẩn tinh khiết hóa học (TKHH) hoặc tiêu chuẩn nhà sản xuất (TCNSX), cùng hệ thống trang thiết bị phân tích. Mô tả quy trình chuẩn bị môi trường thạch MRS, dung dịch đệm PBS pH 7,4, quy trình xử lý tách pha dầu bằng Tween 80 và các bước thực nghiệm chuẩn hóa để đánh giá độ lắng, độ phân tán, số lượng khuẩn lạc sống và kích thước tiểu phân.

Chương 3: Thực nghiệm, kết quả và bàn luận

Trình bày toàn bộ dữ liệu thực nghiệm qua hai nhóm nội dung chính:

1. Xây dựng công thức hỗn dịch dầu cho 3 nguồn nguyên liệu

  • Nguồn nguyên liệu 1 (Đan Mạch - Brenntag Việt Nam):
    • Khảo sát nồng độ Aerosil (0% đến 3,5%) và phương pháp tiệt khuẩn: Các mẫu tiệt khuẩn riêng Aerosil bằng UV cho độ lắng thấp hơn và khả năng phân tán tốt hơn mẫu đun Aerosil trong dầu ở $120^\circ\text{C}$ (do nhiệt độ cao làm phá vỡ mạng lưới xốp 3 chiều của Aerosil, gây kết dính đóng bánh chặt). Nồng độ Aerosil từ 2,0% trở lên (M4–M7) không bị lắng sau 1 giờ, nhưng sau 2 tháng lớp lắng bị đặc quánh.
    • Khảo sát nồng độ Nhôm monostearat (0,5% đến 2,0%): Nồng độ 0,5% (M8) lắng hoàn toàn sau 1 giờ; nồng độ $\ge 1,5%$ (M10, M11) làm môi trường dầu đông đặc dạng gel khi nguội về nhiệt độ phòng, không thể phân tán bột vi khuẩn. Khoảng nồng độ phù hợp được xác định là 0,25%–1,25%.
    • Phối hợp Aerosil 2,0% và Nhôm monostearat (0,25%–1,25%): Chọn được mẫu M15 (2% Aerosil + 1% Nhôm monostearat, độ lắng sau 2 tháng là 16,26%) và M16 (2% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat, độ lắng 8,95%) đạt độ phân tán tốt. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu Đan Mạch bị biến màu, hút ẩm, vón cục nên dừng khảo sát công thức tiếp theo.
  • Nguồn nguyên liệu 2 (Công ty BG):
    • Khảo sát phối hợp Nhôm monostearat (0,75%, 1,00%, 1,25%) và Aerosil (0,25%, 0,50%, 0,75%) trên 9 mẫu (N1–N9).
    • Kết quả: Nhóm 0,75% Nhôm monostearat (N1, N4, N7) lắng nhiều (>35%) và đóng bánh dính đáy. Nhóm 1,25% Nhôm monostearat (N3, N6, N9) có độ lắng thấp nhất (<12%), lắc phân tán nhanh. Chọn công thức tối ưu N6 (0,5% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat, độ lắng 9,76%) và N9 (0,75% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat, độ lắng 9,04%).
  • Nguồn nguyên liệu 3 (Viện Thực phẩm Chức năng):
    • Khảo sát 12 mẫu (P1–P12) với Nhôm monostearat (0,75%–1,25%) và Aerosil (0,25%–1,00%).
    • Tất cả các mẫu đều không bị đóng bánh, phân tán tốt sau khi lắc 1–2 phút và giữ trạng thái phân tán sau 5 phút. Chọn được công thức P6 (0,5% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat, độ lắng 25,87%) và P9 (0,75% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat, độ lắng 19,52%).
Nguồn nguyên liệu Mã mẫu tối ưu Thành phần tá dược phân tán Độ lắng sau 1 giờ (%) Độ lắng sau 1 tháng (%) Độ lắng sau 2 tháng (%) Khả năng phân tán lại sau 2 tháng
Đan Mạch M15 2,00% Aerosil + 1,00% Nhôm monostearat 0,00 7,14 16,26 Tốt, duy trì > 5 phút
M16 2,00% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat 0,00 3,64 8,95 Tốt, duy trì > 5 phút
Công ty BG N6 0,50% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat 0,00 2,56 9,76 Tốt, không đóng bánh
N9 0,75% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat 0,00 5,40 9,04 Tốt, không đóng bánh
Viện TPCN P6 0,50% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat 0,00 7,62 25,87 Tốt, dòng chảy tốt
P9 0,75% Aerosil + 1,25% Nhôm monostearat 0,00 7,50 19,52 Tốt, dòng chảy tốt

2. Khảo sát khả năng sống sót của vi sinh vật và phân bố kích thước tiểu phân

  • Khả năng sống sót của vi sinh vật sau 60 ngày:
    • Trong bột nguyên liệu đông khô bảo quản ở $0^\circ\text{C}$: Nguồn Đan Mạch giảm từ 10,57 xuống 8,01 log CFU/g; nguồn BG giảm từ 9,51 xuống 7,29 log CFU/g; nguồn Viện TPCN giảm nhẹ từ 10,67 xuống 9,97 log CFU/g.
    • Trong hỗn dịch dầu bảo quản nhiệt độ phòng: Mẫu M15 và M16 giảm còn 5,10 và 4,94 log CFU/liều; mẫu N6 và N9 giảm còn 4,10 và 4,40 log CFU/liều (không đạt nồng độ hiệu quả lâm sàng $> 10^6\text{ CFU/ml}$). Trong khi đó, mẫu P6 và P9 của Viện TPCN duy trì số lượng sống sót cao, đạt lần lượt 6,97 và 7,29 log CFU/liều (đạt yêu cầu tác dụng sinh học).
  • Phân bố kích thước tiểu phân (KTTP):
    • Mẫu M15 (Đan Mạch): KTTP trung bình $112,93 \pm 47,22\text{ }\mu\text{m}$, dải phân bố 0–260 µm, tiểu phân không đều.
    • Mẫu N9 (BG): KTTP trung bình $129,43 \pm 52,03\text{ }\mu\text{m}$, dải phân bố 0–300 µm, nhiều tiểu phân kích thước lớn.
    • Mẫu P9 (Viện TPCN): KTTP trung bình nhỏ nhất $65,61 \pm 36,72\text{ }\mu\text{m}$, dải phân bố hẹp (0–160 µm), hơn 70% tiểu phân tập trung ở khoảng 20–80 µm, tạo hệ phân tán mịn và ổn định nhất.
Chỉ tiêu đánh giá Mẫu M15 (Nguồn Đan Mạch) Mẫu N9 (Nguồn Công ty BG) Mẫu P9 (Nguồn Viện TPCN)
Mật độ ban đầu trong hỗn dịch 8,27 log CFU/liều 7,21 log CFU/liều 8,37 log CFU/liều
Mật độ sau 30 ngày 5,92 log CFU/liều 6,05 log CFU/liều 7,91 log CFU/liều
Mật độ sau 60 ngày 5,10 log CFU/liều 4,40 log CFU/liều 7,29 log CFU/liều
KTTP trung bình ($\bar{X} \pm SD$) $112,93 \pm 47,22\text{ }\mu\text{m}$ $129,43 \pm 52,03\text{ }\mu\text{m}$ $65,61 \pm 36,72\text{ }\mu\text{m}$
Khoảng kích thước tiểu phân 0 – 260 µm 0 – 300 µm 0 – 160 µm (70% từ 20–80 µm)
Đánh giá chung về chất lượng Không đạt độ ổn định vi sinh Không đạt độ ổn định vi sinh Đạt toàn diện các chỉ tiêu

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định được quy trình xử lý nhiệt và phối hợp tá dược: Aerosil bắt buộc phải tiệt khuẩn riêng bằng tia UV (254 nm, 20 phút), không tiệt khuẩn chung trong dầu ở $120^\circ\text{C}$ để tránh biến tính làm đóng bánh hệ phân tán.
  • Xác định được tỷ lệ phối hợp tá dược tối ưu giữa Nhôm monostearat (1,25%) và Aerosil (0,50%–0,75%) trong nền dầu MCT, giúp hỗn dịch đạt độ ổn định vật lý cao, độ lắng dưới 20% sau 2 tháng và tái phân tán đồng nhất khi lắc trong 1–2 phút.
  • Chứng minh nguồn nguyên liệu bột đông khô ảnh hưởng quyết định đến chất lượng chế phẩm: Nguồn bột L. acidophilus từ Viện Thực phẩm Chức năng cho kết quả vượt trội với kích thước tiểu phân trung bình nhỏ nhất ($65,61 \pm 36,72\text{ }\mu\text{m}$), tỷ lệ sống sót của vi khuẩn sau 60 ngày đạt $7,29\text{ log CFU/liều}$ (tương đương $> 10^7\text{ CFU/liều}$), đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn hiệu quả lâm sàng.

Đề xuất và giải pháp kỹ thuật

  • Khuyến nghị lựa chọn nguồn nguyên liệu vi sinh vật ban đầu phải có độ ổn định thể chất cao (không vón cục, không hút ẩm, lọt qua rây 125 µm) và mật độ vi sinh vật sống ban đầu phải đạt từ $10^{10}\text{ CFU/g}$ trở lên.
  • Thiết lập quy trình định lượng vi sinh trong hỗn dịch dầu thông qua kỹ thuật rửa và ly tâm tách dầu bằng dung dịch PBS kết hợp 4% Tween 80.

Đóng góp học thuật

  • Kế thừa và phát triển chuỗi nghiên cứu về probiotic dạng lỏng tại Trường Đại học Dược Hà Nội; làm sáng tỏ vai trò hiệp đồng của hệ tá dược Aerosil – Nhôm monostearat trong môi trường dầu MCT nhằm khắc phục hiện tượng lắng cứng và chết tế bào của vi khuẩn không sinh bào tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ 10 ml); thời gian theo dõi độ ổn định giới hạn trong 60 ngày; chưa khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khác trong môi trường dầu như chỉ số peroxide, sự hiện diện của chất chống oxy hóa hay tương tác bao bì chuyên dụng.
  • Hướng mở rộng:
    • Khảo sát độ ổn định dài hạn (6 tháng đến 12 tháng) ở các điều kiện bảo quản khác nhau ($2–8^\circ\text{C}$ và nhiệt độ phòng).
    • Nghiên cứu bổ sung các chất chống oxy hóa tự nhiên phù hợp trong pha dầu để kéo dài tuổi thọ của vi khuẩn.
    • Nâng cấp quy mô bào chế và hoàn thiện quy trình đóng gói phân liều dạng nhỏ giọt cho trẻ sơ sinh.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học Dược, Bào chế học và Công nghệ Dược phẩm đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ phân tán dầu hoặc chế phẩm vi sinh.
  • Phần nội dung giá trị: Quy trình xử lý mẫu dầu bằng PBS - Tween 80 để định lượng vi sinh vật sống sót; phương pháp luận thiết kế thí nghiệm khảo sát tỷ lệ phối hợp tá dược tạo khung gel và chống đóng bánh cho hỗn dịch không nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao Aerosil không được tiệt khuẩn chung với dầu MCT ở nhiệt độ cao?

Trong thực nghiệm tại mục 3.1, khi tiệt khuẩn Aerosil chung với dầu MCT ở $120^\circ\text{C}$ trong 15 phút, nhiệt độ cao đã làm biến đổi tính chất bề mặt của silica keo, phá hủy khả năng tạo khung mạng lưới không gian ba chiều xốp nhẹ. Hậu quả là sau 2 tháng bảo quản, tất cả các mẫu tiệt khuẩn chung (từ M1* đến M4*) đều bị sa lắng kết tụ, đóng bánh dính chặt ở đáy ống nghiệm và không thể phân tán đều trở lại ngay cả khi lắc mạnh.

2. Nồng độ Nhôm monostearat vượt quá 1,5% ảnh hưởng như thế nào đến quá trình bào chế?

Khi sử dụng Nhôm monostearat với tỷ lệ từ 1,5% trở lên (mẫu M10 và M11), hỗn hợp dầu MCT và Nhôm monostearat sau khi đun tiệt khuẩn và để nguội về nhiệt độ phòng sẽ bị đông đặc lại thành khối gel cứng. Thể chất này cản trở việc phân tán bột vi sinh vật đông khô vào môi trường dầu, dẫn đến hiện tượng vi khuẩn bị vón cục và sa lắng không thể đảo ngược.

3. Nguyên nhân khiến các mẫu từ nguồn nguyên liệu Đan Mạch và BG không đạt chỉ tiêu sống sót sau 60 ngày?

Khảo sát tại Bảng 3.8 cho thấy ngay cả khi bảo quản khô lạnh ở $0^\circ\text{C}$, mật độ vi khuẩn sống trong bột đông khô của nguồn Đan Mạch đã giảm mạnh từ 10,57 xuống 8,01 log CFU/g và nguồn BG giảm từ 9,51 xuống 7,29 log CFU/g. Tỷ lệ suy giảm nội tại của nguyên liệu ban đầu cao, kết hợp với kích thước tiểu phân thô lớn (trung bình $> 110\text{ }\mu\text{m}$), khiến số lượng vi sinh vật sống trong hỗn dịch dầu sau 60 ngày giảm xuống dưới $10^6\text{ CFU/liều}$, không đạt ngưỡng hiệu quả lâm sàng.

4. Công thức nào được xác định là tối ưu nhất cho nguồn nguyên liệu Viện Thực phẩm Chức năng?

Công thức P9 (chứa 0,75% Aerosil và 1,25% Nhôm monostearat trong dầu MCT) là công thức tối ưu nhất. Mẫu P9 đạt độ lắng thấp (19,52% sau 2 tháng), khả năng tái phân tán đồng nhất tốt, kích thước tiểu phân trung bình nhỏ nhất ($65,61 \pm 36,72\text{ }\mu\text{m}$ với 70% hạt nằm trong khoảng 20–80 µm) và duy trì mật độ vi khuẩn sống đạt $7,29\text{ log CFU/liều}$ sau 60 ngày.

Kết luận

Khóa luận đã hoàn thành việc xây dựng và tối ưu hóa công thức chế phẩm probiotic dạng hỗn dịch dầu chứa vi khuẩn Lactobacillus acidophilus trên nền dầu MCT kết hợp hệ tá dược Aerosil và Nhôm monostearat. Kết quả thực nghiệm khẳng định nguồn nguyên liệu bột đông khô từ Viện Thực phẩm Chức năng đáp ứng xuất sắc các tiêu chuẩn về độ ổn định vật lý, kích thước tiểu phân mịn đồng đều và duy trì tỷ lệ sống sót cao của vi khuẩn sau 2 tháng bảo quản. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, định hình phương pháp luận bào chế dạng thuốc nhỏ giọt tiện dụng cho đối tượng trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ.