Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của exopolysaccharide sinh tổng hợp từ Lactobacillus fermentum

Luận án nghiên cứu cấu trúc và tính chất của exopolysaccharide từ lactobacillus fermentum, góp phần vào ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

Trường đại học

Trường Đại Học

Chuyên ngành

Công Nghệ Sinh Học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2023

191
8
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tổng quan về polysaccharide

1.2. Giới thiệu chung về polysaccharide

1.3. Ứng dụng của polysaccharide

1.4. Tổng quan về Lactobacillus fermentum

1.5. Tổng quan về exopolysaccharide từ vi khuẩn lactic

1.6. Đặc điểm phân loại và một số đặc tính lý hóa

1.7. Tính chất chức năng và ứng dụng

1.8. Tình hình nghiên cứu về exopolysaccharide từ LAB

1.9. Về điều kiện nuôi cấy thu nhận EPS

1.10. Về quá trình tách chiết và tinh chế EPS

1.11. Về đặc tính hóa lý: khối lượng phân tử, thành phần, liên kết và cấu trúc

1.12. Về tính chất công nghệ và các tác dụng về sức khỏe

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

2.3. Thiết bị và dụng cụ. Phương pháp nghiên cứu

2.4. Phương pháp xác định mật độ tế bào vi khuẩn bằng phương pháp đo mật độ quang (OD)

2.5. Phương pháp nuôi cấy thu nhận sinh khối

2.6. Phương pháp thu nhận và tách EPS

2.7. Sơ đồ tổng thể về phương pháp nghiên cứu cải thiện hiệu suất thu nhận EPS từ một số chủng Lb

2.8. Xác định hàm lượng EPS bằng phương pháp phenol-sulfuric

2.9. Xác định hàm lượng nitơ tổng số bằng phương pháp Kjeldahl

2.10. Phương pháp khảo sát một số tính chất có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

2.11. Phương pháp xác định khối lượng phân tử và đặc điểm cấu trúc của EPS

2.12. Phương pháp xử lý số liệu

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

3.1. Kết quả nghiên cứu cải thiện hiệu suất thu nhận EPS từ một số chủng Lb

3.2. Kết quả tuyển chọn một số chủng Lb. fermentum sinh tổng hợp EPS cao

3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thành phần môi trường lên quá trình sinh tổng hợp EPS từ các chủng Lb. fermentum tuyển chọn

3.4. Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến quá trình sinh tổng hợp EPS của các chủng Lb. fermentum TC13, TC16, TC21, MC3

3.5. Kết quả khảo sát điều kiện tách EPS từ dịch lên men

3.6. Khả năng hòa tan trong nước

3.7. Khảo sát khả năng giữ nước và giữ dầu

3.8. Khả năng chống oxy hóa

3.9. Kết quả phân tích khối lượng phân tử và một số đặc điểm về cấu trúc của các EPS sinh tổng hợp từ Lb

3.10. Khối lượng phân tử

3.11. Đặc điểm về cấu trúc của EPS-MC3

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về exopolysaccharide

Exopolysaccharide (EPS) là một loại polysaccharide được sản xuất bởi các vi khuẩn, đặc biệt là các vi khuẩn lactic như Lactobacillus fermentum. EPS có thể được tiết ra bên ngoài tế bào vi khuẩn, tạo thành một lớp màng bảo vệ hoặc chất nhờn trong môi trường nuôi cấy. Chúng có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cảm quan của sản phẩm thực phẩm, đồng thời cũng có nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học. EPS từ Lactobacillus không chỉ giúp tăng cường cấu trúc sản phẩm mà còn mang lại nhiều lợi ích sức khỏe như khả năng chống oxy hóa và tác dụng probiotic. Nghiên cứu về EPS từ Lactobacillus fermentum đang ngày càng được chú trọng, nhằm khai thác tiềm năng ứng dụng của chúng trong ngành thực phẩm và dược phẩm.

1.1. Cấu trúc exopolysaccharide

Cấu trúc của EPS từ Lactobacillus fermentum có thể phân loại thành hai nhóm chính: homopolysaccharide (HoPS) và heteropolysaccharide (HePS). HoPS được cấu tạo từ một loại monosaccharide duy nhất, trong khi HePS bao gồm nhiều loại monosaccharide khác nhau. Sự đa dạng trong cấu trúc này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của EPS mà còn quyết định khả năng ứng dụng của chúng trong thực phẩm và y học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thành phần monosaccharide và vị trí liên kết trong cấu trúc EPS có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy và loại chủng vi khuẩn. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất EPS nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

II. Tính chất exopolysaccharide

Tính chất của EPS từ Lactobacillus fermentum rất đa dạng và có nhiều ứng dụng thực tiễn. EPS có khả năng tạo gel, tăng độ nhớt và ổn định nhũ tương, điều này rất quan trọng trong công nghệ thực phẩm. Ngoài ra, EPS còn có khả năng giữ nước và giữ dầu, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm thực phẩm. Các nghiên cứu cũng cho thấy EPS có hoạt tính sinh học mạnh mẽ, bao gồm khả năng chống oxy hóa và tác dụng probiotic, giúp cải thiện sức khỏe đường ruột. Những tính chất này làm cho EPS trở thành một thành phần lý tưởng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng và dược phẩm.

2.1. Tính chất hóa học

Tính chất hóa học của EPS từ Lactobacillus fermentum bao gồm khả năng hòa tan trong nước, độ pH ổn định và khả năng tương tác với các thành phần khác trong thực phẩm. EPS có thể tạo thành các liên kết hydrogen với nước, giúp tăng cường độ hòa tan và tính ổn định của sản phẩm. Hơn nữa, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng EPS có thể tương tác với các protein và lipid, tạo ra các cấu trúc phức tạp có lợi cho sức khỏe. Những tính chất này không chỉ làm tăng giá trị cảm quan của sản phẩm mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của EPS trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

III. Ứng dụng exopolysaccharide

EPS từ Lactobacillus fermentum có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Trong ngành thực phẩm, EPS được sử dụng như một chất tạo gel, chất ổn định và chất nhũ hóa, giúp cải thiện cấu trúc và độ nhớt của sản phẩm. Trong dược phẩm, EPS có thể được sử dụng như một chất mang thuốc, giúp tăng cường hiệu quả điều trị. Ngoài ra, EPS còn có tiềm năng trong việc phát triển các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, nhờ vào các hoạt tính sinh học của chúng. Việc nghiên cứu và phát triển EPS từ Lactobacillus fermentum không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm trong nhiều lĩnh vực.

3.1. Ứng dụng trong thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, EPS từ Lactobacillus fermentum được sử dụng rộng rãi như một chất phụ gia thực phẩm. Chúng giúp cải thiện độ nhớt, tạo gel và ổn định nhũ tương, từ đó nâng cao chất lượng và giá trị cảm quan của sản phẩm. EPS cũng có khả năng giữ nước, giúp sản phẩm không bị khô và duy trì độ tươi ngon. Hơn nữa, với các hoạt tính sinh học như khả năng chống oxy hóa và tác dụng probiotic, EPS từ Lactobacillus fermentum đang trở thành một thành phần quan trọng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về sức khỏe và dinh dưỡng.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, khuynh hướng ứng dụng polymer tự nhiên trong nhiều lĩnh vực tăng lên đã dẫn đến sự phát triển nghiên cứu thu nhận exopolysaccharide (EPS) từ vi khuẩn. Nhiều vi khuẩn có thể tổng hợp các polysaccharide (PS) ngoại bào và tiết chúng ra bên ngoài môi trường [115]. Các PS tách chiết được có sự đa dạng về cấu trúc và các tính chất chức năng. Chính vì vậy, nguồn EPS này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm cũng như mỹ phẩm.

Chúng là những tác nhân làm đặc, ổn định kết cấu, nhũ hóa, tạo gel,. Hơn nữa, gần đây, những hoạt tính sinh học khác nhau liên quan đến EPS như khả năng chống oxy hóa, chống ung thư, làm giảm cholesterol, hoạt động probiotic cũng được nghiên cứu phổ biến [88], [125], [139] … Mặc dù có rất nhiều đóng góp quan trọng trong công nghiệp và trong y học nhưng EPS từ vi khuẩn vẫn tồn tại một nhược điểm là năng suất thu nhận thấp. Đây là lý do chính khiến khả năng thương mại hóa của EPS từ vi khuẩn nói chung và từ vi khuẩn lactic (LAB-Lactic acid bacteria) nói riêng còn khá hạn chế. Từ khi LAB được "công nhận là vi sinh vật an toàn” (GRAS-Generally Recognized As Safe), việc cải thiện quá trình thu nhận, tách chiết EPS được coi là một phương pháp hữu ích để sản xuất EPS đáp ứng phương diện ứng dụng trong thực phẩm [59].

Nhiều chủng LAB được biết đến là nguồn sản xuất EPS – với những tác động liên quan đến việc cải thiện cấu trúc của các sản phẩm lên men như sữa chua, phomat,. Bên cạnh đó, nhờ những đặc điểm đa dạng trong cấu trúc cũng như sự an toàn đối với sức khỏe con người mà EPS sinh tổng hợp từ vi khuẩn lactic (LAB) được quan tâm nhiều hơn so với EPS từ các loài khác. Nhiều nghiên cứu đã kết luận rằng, thành phần monosaccharide, vị trí liên kết trong cấu trúc và những tính chất có tiềm năng ứng dụng của các EPS sinh tổng hợp bởi các chủng thuộc LAB khác nhau phụ thuộc vào loại chủng, điều kiện nuôi cấy và thành phần môi trường [74], [102], [104], [126],…. Như vậy, sự đa dạng trong cấu trúc của các loài vi khuẩn khác nhau có thể liên quan đến nguồn phân lập vi khuẩn, thành phần các chất dinh dưỡng trong quá trình 1 lên men cũng như điều kiện nuôi cấy và thu nhận.

Sự đa dạng này sẽ tạo nên những ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt tính sinh học cũng như những tính chất chức năng trong công nghệ thực phẩm. Chính vì vậy, để nâng cao hiệu quả thu nhận EPS và đặc biệt là cung cấp một số thông tin chi tiết hơn về các đặc tính cấu trúc của các EPS sinh tổng hợp từ một trong các chủng LAB nói chung và một số chủng Lactobacillus fermentum nói riêng, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thu nhận, khảo sát cấu trúc và tính chất của exopolysaccharide sinh tổng hợp từ Lactobacillus fermentum”. Với đề tài trong luận án này, chúng tôi sẽ xác định được: 1) Điều kiện thu nhận EPS từ một số chủng Lb. fermentum hiệu quả nhất; 2) Một số tính chất có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ thực phẩm; 3) Một số thông tin về phân tử lượng, thành phần đường, mối liên kết của một số EPS mới được tách chiết từ các chủng vi khuẩn nghiên cứu.

Với những đặc tính mới được phát hiện, chúng có thể là tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng trong y dược, trong thực phẩm thay thế cho các hợp chất được tổng hợp hóa học. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về polysaccharide 1. Giới thiệu chung về polysaccharide Polysaccharide (PS) là polyme thiên nhiên thuộc nhóm carbohydrate và thường được coi là các polyme sinh học đa năng với các chức năng được biết đến như là nguồn năng lượng dự trữ (tinh bột, glycogen); tạo nên cấu trúc vững chắc cho thực vật hoặc động vật (cellulose, chitin); chất bảo vệ (exopolysaccharide của vi sinh vật),.

Trong chuỗi PS, các monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycoside. Sự khác nhau giữa các PS thường liên quan đến các monosaccharide cấu tạo nên chúng. Các PS chỉ chứa một loại monosaccharide được gọi là homopolysaccharide hoặc homoglycan. Các PS chứa nhiều hơn một loại monosaccharide được gọi là heteropolysaccharide hoặc heteroglycan.

Các monosaccharide có cấu trúc dị vòng được cấu tạo bởi các nguyên tử oxy, hydro, carbon. Sự phân loại các monosaccharide dựa vào số lượng nguyên tử carbon dạng vòng 7, 6, 5 cạnh hoặc dạng mạch hở. Các PS thường được tạo nên bởi các đơn vị lặp lại, bao gồm một hoặc nhiều monosaccharide và phổ biến nhất trong tự nhiên thường có cấu trúc vòng 6 cạnh (pyranose). Các monosaccharide này có cấu trúc dạng α và β.

Trong đó, dạng β-D-glucopyranose là phổ biến nhất. β-D-glucopyranose có thể chuyển đổi lẫn nhau tạo nên dạng cấu hình ghế (Hình 1. Ngoài ra, vòng 5 cạnh (furanose) cũng được coi là thành phần có vai trò quan trọng về mặt sinh học (Hình 1.1b) do chúng có mặt trong acid nucleic và một số PS từ vi sinh vật. Cấu trúc dạng vòng 6 cạnh -pyranose (a) của glucose và 5 cạnh -furanose (a) (b) (b) của fructose [29] 3 Trong những năm gần đây, nhiều loại PS mới có vai trò quan trọng trong y học và thương mại đã được thu nhận từ quá trình lên men vi sinh vật.

Các PS này có thể được sinh tổng hợp từ các loài vi sinh vật gây bệnh hoặc không gây bệnh. Trong đó, các PS được tổng hợp từ các loài vi sinh vật không gây bệnh đã được khai thác vì chúng có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và trong công nghệ sinh học với những tính chất độc đáo và mới lạ như tạo gel, khả năng tự phân hủy sinh học, tính bám dính sinh học,. Một số PS phổ biến đã được thu nhận từ vi sinh vật có thể kể đến như (i) xanthan, gellan, dextran, alternan, curdlan, exopolysaccharide (EPS) của vi khuẩn lactic (LAB), levan, alginate (từ vi khuẩn); (ii) pullulan, scleroglucan, schizophyllan và lentinan (từ nấm); và (iii) BYG (Beer’ yeast glucan) - các glucan thương mại từ nấm men bia [67]. Ứng dụng của polysaccharide Với nguồn nguyên liệu thu nhận phổ biến, chi phí thu nhận thấp đã góp phần giúp các hợp chất PS có thêm nhiều phạm vi ứng dụng hơn trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm,… Trong công nghệ thực phẩm: Các PS được sử dụng như những chất phụ gia được bổ sung vào quá trình chế biến thực phẩm với vai trò giúp hoàn thiện cấu trúc thực phẩm từ đó làm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm: tạo gel, làm tăng độ nhớt, từ đó tạo nên sự ổn định của nhũ tương hoặc giúp ngăn chặn hiện tượng tách nước trong một số sản phẩm có bản chất cấu trúc gel đặc biệt là sữa chua [67].

Trong dược phẩm: PS được coi là những vật liệu sinh học phổ biến. Chúng đang đóng góp vai trò quan trọng cho quá trình phát triển sản phẩm mới trong dược phẩm và những ứng dụng y tế như các chất kết dính đơn giản hoặc là phương tiện phân phối thuốc tinh vi [67], [114]. Trong công nghệ sinh học và phòng thí nghiệm: Nhờ các đặc tính tạo màng film, tạo gel cùng khả năng gắn các ion đã giúp cho các PS được sử dụng như là các công cụ vô giá trong công nghệ sinh học và trong công tác nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Chẳng hạn như, việc sử dụng agar tạo cho các khuẩn lạc của vi khuẩn phát triển; sử dụng các PS hòa tan, không hòa tan và dẫn xuất của chúng giúp cố định protein, cố định enzyme và tế bào động vật hoặc sử dụng như dextran hoặc pullulan làm chất 4 chuẩn trong kỹ thuật phân tách các phân tử bằng phương pháp sắc ký như sắc ký khối phổ (mass spectrometry (MS)), sắc ký lỏng hiệu năng cao (High-performance liquid chromatography (HPLC)) [67], [114].

Nhìn chung, nhờ vào những tính chất chức năng công nghệ như khả năng tạo gel, tạo độ nhớt, làm bền nhũ tương cũng như khả năng tự phân giải nên các hợp chất PS càng ngày càng được quan tâm nghiên cứu khai thác bởi các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới [10], [19], [39], [136]. Một trong những nguồn cung cấp các hợp chất PS đang được quan tâm nhiều nhất là LAB đặc biệt là các PS được chúng tiết ra ngoài môi trường và được gọi là EPS. Tổng quan về Lactobacillus fermentum Lactobacillus fermentum là một loài vi khuẩn Gram dương thuộc chi Lactobacillus (Lb.), các vi khuẩn này thường được tìm thấy trong các sản phẩm lên men từ động vật và thực vật. Chúng là những vi khuẩn ưa ấm, có nhu cầu dinh dưỡng phức tạp, lên men dị hình chặt chẽ, có thể lên men các đường như glucose (glc), fructose (fruc), maltose, sucrose, lactose.

Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, chúng chịu các tác động không nhỏ bởi các yếu tố vật lý (pH, nhiệt độ, thời gian, …), các yếu tố hóa học (nguồn carbon (C) nguồn nitrogen (N),…). fermentum có thể tạo thành các khuẩn lạc màu trắng xám với đường kính khoảng 1µm. Hình dạng khuẩn lạc của chủng này có thể lồi lõm hoặc hơi lồi, bề mặt nhẵn (Hình 1. Đặc điểm nổi bật của khuẩn lạc Lb.

fermentum là có cấu trúc vòng tròn đồng tâm ở trung tâm khi được quan sát dưới kính hiển vi (Hình 1. Hầu hết các tế bào vi khuẩn được sắp xếp dưới dạng đơn lẻ hoặc theo cặp; chúng không có khả năng sinh bào tử và không di động [143]. Hình dạng khuẩn lạc Lb. fermentum [143] 5 Từ lâu, Lb.

fermentum đã được sử dụng như là giống khởi đầu cho quá trình lên men trong nhiều sản phẩm thực phẩm và đồ uống. Bên cạnh đó, cũng giống như các loài thuộc LAB khác, trong quá trình lên men carbohydrate, ngoài sản phẩm chính là acid lactic, Lb. fermentum còn tạo ra các hợp chất tạo hương (diacetyl/acetoin) và đặc biệt là các PS ngoại bào (EPS) [59]. Chúng là những hợp chất có giá trị thương mại lớn với các tính chất hóa lý có lợi như khả năng tạo gel, tạo kết cấu, tạo độ đặc trong thực phẩm cùng những tác động có lợi liên quan đến sức khỏe như có tiềm năng probiotic, làm giảm cholesterol, kích thích miễn dịch, chống ung thư [81], [89], [132].

Kể từ các chủng vi khuẩn lactic (LAB-Lactic Acid Bacteria) được Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA- Food and Drug Administration) công nhận là vi khuẩn an toàn cho sức khỏe con người, sự quan tâm về EPS từ LAB nói chung đặc biệt là từ các loài Lb. fermentum nói riêng nhằm thay thế cho các PS từ thực vật ngày càng tăng trong xu hướng sản xuất, lưu thông các sản phẩm có tính chất tự nhiên và an toàn.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài luận án "Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của exopolysaccharide sinh tổng hợp từ Lactobacillus fermentum" của tác giả Trần Thị Ái Luyến, thuộc Trường Đại Học, năm 2023, tập trung vào việc khảo sát cấu trúc và tính chất của exopolysaccharide được sản xuất từ vi khuẩn Lactobacillus fermentum. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc tính sinh học của exopolysaccharide mà còn mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng chúng trong công nghệ sinh học và thực phẩm. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách mà các polysaccharide này có thể được sử dụng để cải thiện sức khỏe con người và phát triển các sản phẩm mới.

Nếu bạn quan tâm đến các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực y tế và công nghệ sinh học, bạn có thể tham khảo thêm bài viết Giá trị bộ câu hỏi GERDQ trong chẩn đoán và điều trị bệnh trào ngược dạ dày tại Bệnh viện Quân y 91, nơi nghiên cứu về các phương pháp chẩn đoán và điều trị trong y học. Bên cạnh đó, bài viết Phân Tích Thực Trạng Tồn Trữ Vaccine Tại Trung Tâm Kiểm Soát Bệnh Tật TP.HCM Năm 2022 cũng sẽ cung cấp cái nhìn về quản lý và bảo quản vaccine, một vấn đề quan trọng trong y tế công cộng. Cuối cùng, bài viết Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu khả năng ức chế vi khuẩn Xanthomonas sp gây bệnh loét trên cây chanh sẽ giúp bạn hiểu thêm về ứng dụng của công nghệ sinh học trong nông nghiệp. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá thêm nhiều khía cạnh thú vị trong lĩnh vực này.