Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số đặc trưng của chế phẩm arabinoxylan tạo ra từ cám gạo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu một số đặc trưng của chế phẩm arabinoxylan tạo ra từ cám gạo, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh

• Tác giả: Ngô Thị Huyền Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Tuấn Nghĩa
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên cứu một số đặc trưng của chế phẩm arabinoxylan tạo ra từ cám gạo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Arabinoxylan và nguồn nguyên liệu cám gạo
• 1.2. Giới thiệu chung về arabinoxylan
• 1.3. Cấu tạo của arabinoxylan
• 1.4. Chức năng sinh học của arabinoxylan
• 1.5. Nguyên liệu cám gạo chứa arabinoxylan
• 1.6. Enzyme endoxylanase và các phương pháp tách chiết arabinoxylan
• 1.6.1. Giới thiệu chung về enzyme endoxylanase
• 1.6.2. Các phương pháp tách chiết arabinoxylan
• 1.7. Các nghiên cứu định tính và định lượng arabinoxylan
• 1.8. Thủy phân arabinoxylan thành các monosaccharide
• 1.9. Phân tích định tính arabinoxylan
• 1.10. Phân tích định lượng arabinoxylan
• 1.11. Các nghiên cứu tinh sạch và xác định khối lượng phân tử của arabinoxylan
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Thủy phân arabinoxylan thành các monosaccharide
• 2.3. Phân tích định lượng arabinoxylan bằng kit D-xylose và kit Arabinan
• 2.4. Xác định hàm lượng D-xylose có trong arabinoxylan sau khi được thủy phân bằng D-xylose kit
• 2.5. Xác định hàm lượng L-arabinose có trong arabinoxylan sau khi được thủy phân bằng Arabinan kit
• 2.6. Phân tích định tính arabinoxylan bằng phương pháp sắc ký bản mỏng
• 2.7. Tinh sạch và cô đặc mẫu bằng màng lọc có kích thước lỗ xác định
• 2.8. Đánh giá tỷ lệ và kích thước của arabinoxylan bằng phương pháp sắc ký lọc gel
• 2.9. Xác định hàm lượng nitơ tổng số bằng phương pháp Kjeldahl
• 2.10. Xác định hàm lượng asen
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xây dựng quy trình định tính và định lượng arabinoxylan
• 3.2. Thủy phân arabinoxylan bằng acid và định tính, định lượng arabinoxylan
• 3.3. Thủy phân arabinoxylan bằng enzyme xylanase và định tính, định lượng arabinoxylan
• 3.4. Phân tích một số tính chất của chế phẩm arabinoxylan được tạo ra từ cám gạo
• 3.5. Xác định khối lượng phân tử của chế phẩm arabinoxylan
• 3.6. Xác định độ ẩm của chế phẩm arabinoxylan được tạo ra từ cám gạo
• 3.7. Xác định hàm lượng protein tổng số của chế phẩm arabinoxylan
• 3.8. Xác định hàm lượng asen của chế phẩm arabinoxylan
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế phẩm arabinoxylan từ cám gạo

Chế phẩm arabinoxylan từ cám gạo đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu dinh dưỡng và thực phẩm chức năng. Arabinoxylan là một polysaccharide quan trọng, có khả năng cung cấp nhiều lợi ích sức khỏe. Nghiên cứu này sẽ khám phá các đặc trưng của chế phẩm này, từ nguồn nguyên liệu đến quy trình sản xuất.

1.1. Arabinoxylan và vai trò của cám gạo trong sản xuất

Cám gạo là nguồn nguyên liệu phong phú chứa arabinoxylan. Hàm lượng arabinoxylan trong cám gạo có thể lên đến 60% tổng số polysaccharide không phải tinh bột. Việc khai thác nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn tạo ra sản phẩm dinh dưỡng chất lượng cao.

1.2. Cấu trúc và tính chất của arabinoxylan

Cấu trúc của arabinoxylan bao gồm các đơn vị đường arabinose và xylose, tạo thành chuỗi chính với các liên kết β-(1→4). Tính chất này giúp arabinoxylan có khả năng hòa tan và tạo gel, mang lại nhiều ứng dụng trong thực phẩm chức năng.

II. Thách thức trong nghiên cứu và sản xuất arabinoxylan

Mặc dù arabinoxylan có nhiều lợi ích, nhưng việc sản xuất chế phẩm từ cám gạo vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như quy trình tách chiết, xác định hàm lượng và tính chất của sản phẩm cần được giải quyết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.1. Quy trình tách chiết arabinoxylan từ cám gạo

Quy trình tách chiết arabinoxylan thường sử dụng các phương pháp hóa học và enzym. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

2.2. Đánh giá hàm lượng và tính chất của chế phẩm

Để đảm bảo chất lượng, cần thực hiện các phương pháp phân tích định tính và định lượng arabinoxylan. Các chỉ tiêu như khối lượng phân tử, độ ẩm và hàm lượng protein cần được xác định rõ ràng.

III. Phương pháp nghiên cứu chế phẩm arabinoxylan hiệu quả

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp hiện đại để tách chiết và phân tích arabinoxylan từ cám gạo. Các phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Phương pháp thủy phân arabinoxylan

Thủy phân arabinoxylan bằng enzyme endoxylanase là một trong những phương pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này giúp giải phóng các monosaccharide và tăng cường khả năng hấp thụ dinh dưỡng.

3.2. Phân tích định tính và định lượng arabinoxylan

Sử dụng các kỹ thuật sắc ký và phân tích hóa học để xác định hàm lượng và tính chất của arabinoxylan. Điều này giúp đảm bảo rằng sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chế phẩm arabinoxylan

Chế phẩm arabinoxylan từ cám gạo có nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm chức năng và dược phẩm. Sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện sức khỏe mà còn có thể hỗ trợ điều trị một số bệnh lý.

4.1. Lợi ích sức khỏe của arabinoxylan

Nghiên cứu cho thấy arabinoxylan có khả năng kích thích hệ miễn dịch, hỗ trợ tiêu hóa và có tác dụng chống ung thư. Những lợi ích này làm cho chế phẩm trở thành lựa chọn hấp dẫn cho người tiêu dùng.

4.2. Tiềm năng thị trường cho chế phẩm arabinoxylan

Với nhu cầu ngày càng tăng về thực phẩm chức năng, chế phẩm arabinoxylan từ cám gạo có tiềm năng lớn trong thị trường. Việc phát triển sản phẩm này có thể mang lại lợi ích kinh tế cho nông dân và doanh nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về arabinoxylan

Nghiên cứu về arabinoxylan từ cám gạo mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực thực phẩm chức năng. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm sẽ là những bước quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu arabinoxylan

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện quy trình tách chiết và phân tích arabinoxylan. Điều này sẽ giúp nâng cao giá trị dinh dưỡng và ứng dụng của sản phẩm.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu và sản xuất

Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển sản phẩm arabinoxylan từ cám gạo. Việc này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành nông nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Arabinoxylan (AX) là một polysaccharide quan trọng, cấu tạo từ hai loại đường pentose là arabinose và xylose, có khối lượng phân tử lớn, có thể lên đến hàng trăm đến hàng nghìn kDa. AX được biết đến với nhiều chức năng sinh học nổi bật như kích thích hệ miễn dịch, phòng chống ung thư và được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm chức năng trên thế giới. Tuy nhiên, các chế phẩm AX hiện có trên thị trường thường có giá thành cao và thiếu minh bạch về thành phần cũng như hàm lượng AX. Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển, có nguồn nguyên liệu dồi dào từ phụ phẩm nông nghiệp như cám gạo, là nguồn tiềm năng để chiết xuất AX với chi phí hợp lý. Cám gạo chứa khoảng 60% polysaccharide không phải tinh bột, trong đó AX chiếm phần lớn, làm cho nó trở thành nguyên liệu ưu tiên trong nghiên cứu và sản xuất AX.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng quy trình định tính, định lượng AX hiệu quả từ chế phẩm tạo ra từ cám gạo, đồng thời khảo sát một số đặc trưng vật lý và hóa học của chế phẩm này. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2010-2012 tại Việt Nam, tập trung vào việc phát triển phương pháp thủy phân AX thành các monosaccharide để phân tích định lượng, cũng như xác định khối lượng phân tử và các tính chất khác của chế phẩm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thực phẩm chức năng chứa AX với giá thành hợp lý, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng và thúc đẩy ngành công nghiệp sinh học tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Arabinoxylan là một loại hemicellulose phổ biến trong thành tế bào của các loại ngũ cốc như lúa gạo, lúa mì, đại mạch và ngô. Cấu trúc AX gồm mạch chính là các liên kết β-(1→4)-D-xylopyranosyl (β-D-Xylp) với các nhánh α-L-arabinofuranosyl (α-L-Araf) liên kết tại vị trí O2 hoặc O3 của các đơn vị xylosyl. Tỷ lệ arabinose/xylose trong AX thay đổi tùy nguồn nguyên liệu, ví dụ ở nội nhũ lúa mì là 0,5-0,71, trong khi ở cám gạo là khoảng 0,93. AX có khả năng kích thích miễn dịch mạnh mẽ, làm tăng sản xuất cytokine như TNF và interferon, đồng thời tăng hoạt động của tế bào lympho B, T và tế bào NK, giúp phòng chống ung thư và các bệnh nhiễm trùng.

Enzyme endoxylanase là công cụ chính để thủy phân AX, cắt ngẫu nhiên các liên kết β-(1→4) glycoside trong mạch xylan, giải phóng các oligosaccharide và monosaccharide như xylose và arabinose. Endoxylanase được phân thành hai họ chính là họ 10 và họ 11, với đặc tính khác nhau về khối lượng phân tử và tính đặc hiệu cơ chất. Các phương pháp tách chiết AX phổ biến gồm chiết bằng nước, kiềm và enzyme, trong đó chiết bằng enzyme endoxylanase được đánh giá cao về hiệu quả và an toàn.

Các phương pháp định tính và định lượng AX dựa trên thủy phân AX thành các monosaccharide, sau đó phân tích bằng sắc ký bản mỏng (TLC), sắc ký khí (GC), sắc ký trao đổi ion (IEC-PAD) hoặc phương pháp so màu. Khối lượng phân tử của AX được xác định chủ yếu bằng sắc ký lọc gel hiệu năng cao (HPSEC) với các cột chuyên dụng như Sephadex G-100.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là chế phẩm arabinoxylan được tạo ra từ cám gạo, do nhóm nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Enzym và Protein cung cấp. Các hóa chất và enzyme như arabinoxylan từ bột mì, D-xylose Kit, Arabinan Kit, enzyme Ultraflo M, Ultraflo L, Porzyme được mua từ các hãng uy tín như Megazyme, Novozymes, Sigma.

Phương pháp thủy phân AX gồm hai cách: thủy phân bằng acid (HCl 1,3 M hoặc H2SO4 0,5 M) ở 100°C trong 3 giờ và thủy phân bằng enzyme xylanase (các chế phẩm Ultraflo M, Ultraflo L, Porzyme) trong đệm acetate 50 mM, pH 5, ở 50°C trong 24 giờ. Sau thủy phân, các monosaccharide xylose và arabinose được định lượng bằng kit Megazyme dựa trên phản ứng enzym và đo quang ở bước sóng 340 nm.

Phân tích định tính được thực hiện bằng sắc ký bản mỏng trên gel silica với hệ dung môi n-butanol: acid axetic: nước (3:1:1), hiện màu bằng dung dịch aniline phthalate ở 100°C trong 10 phút. Mẫu AX được tinh sạch và cô đặc bằng màng lọc có kích thước lỗ 10 kDa để loại bỏ các tạp chất và các phân tử nhỏ.

Khối lượng phân tử của AX được xác định bằng sắc ký lọc gel Sephadex G-100, cột kích thước 1x60 cm, sử dụng các protein chuẩn có khối lượng phân tử từ 12,4 đến 45 kDa để xây dựng đồ thị chuẩn logMw - Ve/Vo. Mẫu AX được cho qua cột, thu các phân đoạn và xác định hàm lượng xylose và arabinose để đánh giá phân bố khối lượng phân tử.

Ngoài ra, các chỉ tiêu khác như độ ẩm, hàm lượng protein tổng số (phương pháp Kjeldahl) và hàm lượng asen cũng được xác định để đánh giá chất lượng chế phẩm AX.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả thủy phân AX bằng acid và enzyme: Thủy phân AX thương mại bằng acid HCl cho hàm lượng xylose và arabinose lần lượt là 60% và 36%, cao hơn so với thủy phân bằng H2SO4 (56% và 29,6%). Tương tự, chế phẩm AX từ cám gạo thủy phân bằng HCl có hàm lượng AX 15 mg/g mẫu, cao hơn so với 13,4 mg/g mẫu khi thủy phân bằng H2SO4. Khi sử dụng enzyme xylanase, Porzyme cho hiệu quả thủy phân tốt nhất với hàm lượng AX 14,34 mg/g mẫu, gần bằng với phương pháp acid.

2. Phân tích định tính bằng sắc ký bản mỏng: Sản phẩm thủy phân AX từ cám gạo bằng acid và enzyme đều cho thấy sự hiện diện rõ ràng của D-xylose và L-arabinose, khẳng định sự thành công của quá trình thủy phân. Mẫu thủy phân bằng H2SO4 cho sắc ký rõ nét hơn so với HCl, trong khi enzyme Porzyme cho kết quả phân tách tốt nhất trong số các enzyme thử nghiệm.

3. Khối lượng phân tử của chế phẩm AX: Qua sắc ký lọc gel Sephadex G-100, chế phẩm AX từ cám gạo phân bố thành ba đỉnh chính với khối lượng phân tử tương ứng khoảng 41 kDa, 35 kDa và 28,2 kDa. Điều này cho thấy AX trong chế phẩm có kích thước phân tử đa dạng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về AX từ ngũ cốc.

4. Chất lượng chế phẩm: Độ ẩm của chế phẩm được kiểm soát tốt, hàm lượng protein tổng số và asen nằm trong giới hạn an toàn, đảm bảo chất lượng và tính an toàn cho ứng dụng thực phẩm chức năng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả thủy phân AX bằng acid HCl vượt trội hơn so với H2SO4, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy HCl có khả năng phá vỡ liên kết glycosidic hiệu quả hơn trong điều kiện nhiệt độ và thời gian tương đương. Tuy nhiên, thủy phân bằng enzyme xylanase, đặc biệt là Porzyme, cũng đạt hiệu quả gần tương đương, đồng thời giữ được tính an toàn và thân thiện với môi trường hơn, phù hợp cho sản xuất thực phẩm chức năng.

Sắc ký bản mỏng là phương pháp đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả để định tính các monosaccharide sau thủy phân, hỗ trợ kiểm tra chất lượng mẫu trước khi tiến hành định lượng chính xác bằng kit enzym.

Khối lượng phân tử đa dạng của AX trong chế phẩm phản ánh sự phức tạp của cấu trúc AX từ cám gạo, ảnh hưởng bởi nguồn nguyên liệu và phương pháp tách chiết. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ sắc ký lọc gel minh họa các đỉnh phân tử và bảng tổng hợp khối lượng phân tử tương ứng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hàm lượng AX thu được từ cám gạo ở mức khoảng 1,3-1,5% (15 mg/g) là khá cao, chứng tỏ cám gạo là nguồn nguyên liệu tiềm năng và kinh tế để sản xuất AX phục vụ thực phẩm chức năng tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng enzyme xylanase Porzyme trong quy trình sản xuất AX: Khuyến nghị sử dụng enzyme Porzyme để thủy phân AX từ cám gạo nhằm tối ưu hiệu suất và đảm bảo an toàn sản phẩm. Thời gian thủy phân đề xuất là 24 giờ ở 50°C trong đệm acetate pH 5.

2. Phát triển quy trình định tính, định lượng AX chuẩn hóa: Áp dụng quy trình thủy phân bằng acid HCl hoặc enzyme kết hợp với phân tích bằng kit Megazyme và sắc ký bản mỏng để kiểm soát chất lượng chế phẩm AX trong sản xuất và nghiên cứu.

3. Tăng cường nghiên cứu về khối lượng phân tử và cấu trúc AX: Tiếp tục sử dụng sắc ký lọc gel và các kỹ thuật phân tích hiện đại để đánh giá ảnh hưởng của khối lượng phân tử đến hoạt tính sinh học của AX, từ đó tối ưu hóa quy trình chiết xuất.

4. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu và sản phẩm cuối cùng: Định kỳ kiểm tra độ ẩm, hàm lượng protein và asen trong chế phẩm AX để đảm bảo an toàn và phù hợp với tiêu chuẩn thực phẩm chức năng. Thời gian kiểm tra nên thực hiện hàng tháng trong quá trình sản xuất.

5. Hỗ trợ đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và nhà sản xuất về quy trình chiết xuất, phân tích và ứng dụng AX từ cám gạo nhằm thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp thực phẩm chức năng trong nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Sinh học thực nghiệm, Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc, tính chất và phương pháp phân tích arabinoxylan, hỗ trợ nghiên cứu phát triển sản phẩm sinh học.

2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm: Thông tin về quy trình chiết xuất và định lượng AX từ cám gạo giúp doanh nghiệp tối ưu hóa sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng chế phẩm AX, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

4. Người tiêu dùng quan tâm đến sức khỏe và dinh dưỡng: Hiểu rõ về lợi ích và nguồn gốc của AX giúp người tiêu dùng lựa chọn sản phẩm thực phẩm chức năng phù hợp, nâng cao nhận thức về dinh dưỡng.

Câu hỏi thường gặp

1. Arabinoxylan là gì và có tác dụng gì đối với sức khỏe?
   Arabinoxylan là polysaccharide cấu tạo từ arabinose và xylose, có khả năng kích thích hệ miễn dịch, tăng hoạt động tế bào lympho và tế bào NK, giúp phòng chống ung thư và các bệnh nhiễm trùng. Ví dụ, AX được sử dụng hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân nhiễm HIV và viêm gan.

2. Tại sao cám gạo được chọn làm nguồn nguyên liệu chiết xuất arabinoxylan?
   Cám gạo là phụ phẩm nông nghiệp phổ biến, chứa khoảng 60% polysaccharide không tinh bột, trong đó AX chiếm phần lớn. Hàm lượng protein và chất xơ cao cùng giá thành thấp làm cho cám gạo trở thành nguyên liệu kinh tế và hiệu quả để sản xuất AX.

3. Phương pháp thủy phân arabinoxylan nào hiệu quả nhất?
   Thủy phân bằng acid HCl 1,3 M ở 100°C trong 3 giờ cho hiệu suất cao nhất về lượng xylose và arabinose thu được. Tuy nhiên, thủy phân bằng enzyme xylanase Porzyme cũng đạt hiệu quả gần tương đương, đồng thời thân thiện với môi trường và an toàn hơn.

4. Làm thế nào để định tính và định lượng arabinoxylan trong chế phẩm?
   Quy trình gồm thủy phân AX thành monosaccharide bằng acid hoặc enzyme, sau đó định lượng xylose và arabinose bằng kit enzym Megazyme. Định tính được thực hiện bằng sắc ký bản mỏng trên gel silica với hệ dung môi đặc trưng và hiện màu bằng aniline phthalate.

5. Khối lượng phân tử của arabinoxylan ảnh hưởng như thế nào đến hoạt tính sinh học?
   AX có khối lượng phân tử từ 5-300 kDa thể hiện hoạt tính miễn dịch mạnh nhất. Khối lượng phân tử đa dạng trong chế phẩm ảnh hưởng đến khả năng hòa tan, hấp thu và tác dụng sinh học. Nghiên cứu khối lượng phân tử giúp tối ưu hóa sản phẩm thực phẩm chức năng.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình định tính và định lượng arabinoxylan từ chế phẩm tạo ra từ cám gạo bằng phương pháp thủy phân acid và enzyme kết hợp phân tích sắc ký bản mỏng và kit enzym.
• Thủy phân bằng acid HCl cho hiệu suất cao hơn so với H2SO4 và enzyme xylanase, trong đó enzyme Porzyme là lựa chọn enzyme thủy phân hiệu quả nhất.
• Chế phẩm arabinoxylan từ cám gạo có khối lượng phân tử đa dạng, chủ yếu trong khoảng 28-41 kDa, phù hợp với các ứng dụng thực phẩm chức năng.
• Chất lượng chế phẩm được kiểm soát tốt về độ ẩm, protein và hàm lượng asen, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
• Đề xuất áp dụng quy trình nghiên cứu vào sản xuất thực phẩm chức năng, đồng thời tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc AX đến hoạt tính sinh học và ứng dụng trong y học.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình này để phát triển sản phẩm AX từ cám gạo, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ứng dụng sinh học của AX trong các lĩnh vực y tế và dinh dưỡng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Arabinoxylan và nguồn nguyên liệu cám gạo 1. Giới thiệu chung về arabinoxylan Ở thực vật, các polysaccharide chủ yếu tồn tại ở hai dạng: tinh bột và phi tinh bột, hàm lượng của chúng thay đổi tùy theo loài, loại tế bào và giai đoạn sinh trưởng [15]. Nhóm polysaccharide phi tinh bột bao gồm cellulose, hemicellulose, pectic polysaccharide và được phân loại chủ yếu dựa vào phương pháp được sử dụng để tách chiết polysaccharide đó như khả năng hòa tan của chúng khi được chiết bằng kiềm.

Cellulose là polymer được cấu tạo bởi các đơn vị đường glucose, nối với nhau bởi liên kết β-(1→4) glycoside, gồm các chất không hòa tan được trong kiềm và là nhóm hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong tự nhiên. Nhóm hemicellulose bao gồm các hợp chất như xylan, arabinoxylan, β-glucan, galactan, xyloglucan… có khả năng hòa tan trong kiềm. Các pectin bao gồm các gốc acid polygalacturonic có thể là thành phần cấu tạo của arabinan, galactan và arabinogalactan [15]. Cả cellulose và hemicellulose đều có vai trò như các vật liệu để cấu trúc nên thành tế bào thực vật, trong khi thành phần cellulose tạo độ cứng rắn thì hemicellose tạo nên sự dẻo dai cho cấu trúc thành tế bào nhờ các liên kết dọc với các vi sợi cellulose [10].

Các monosaccharide thường có trong thành tế bào ngũ cốc bao gồm các hexose như D- glucose, D-galactose, D-mannose; các đường pentose như L-arabinose, D-xylose và các đường acid như acid D-galacturonic, acid D-glucuronic và các dạng eter 4-O- methyl của chúng [15]. Các xylan là những hemicellulose phổ biến nhất trong tự nhiên và là polysaccharide phi tinh bột có nhiều thứ hai trong cơ thể thực vật chỉ sau cellulose. Các xylan có thể được phân chia thành 3 nhóm [41]: Khóa 2010 - 2012 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang  Nhóm Glucurono - arabinoxylan có mặt ở các phần gỗ mềm, mô đang hóa gỗ của các cây thân thảo và cây hàng năm.  Nhóm Arabinoxylan ở hạt các cây ngũ cốc.

 Nhóm Glucuronoxylan ở các phần gỗ cứng. Trong đó, các hợp chất AX ở các cây ngũ cốc thường được tách chiết, tinh sạch và phân tích thử nghiệm hoạt tính sinh học với mục tiêu sản xuất thực phẩm chức năng dùng cho con người. Các cây ngũ cốc là các cây thân thảo thuộc họ Hòa thảo (Poaceae) thường được trồng lấy hạt làm thức ăn cho người và gia súc. Các cây ngũ cốc chính như ngô (Zea mays L.), lúa gạo (Oryza sativa), lúa mì (Triticum spp), đại mạch (Hordeum vulgare)… được trồng rộng rãi khắp thế giới.

Trong đó ngô, lúa mì và lúa gạo chiếm 87% sản lượng các loại hạt được gieo trồng và chiếm 43% lượng thức ăn năm 2003 [68]. Hàm lượng của AX trong hạt ngũ cốc tương đối nhỏ, chiếm từ 1,2% tổng chất khô ở lúa gạo (Oryza sativa) đến khoảng 8,5% ở lúa mạch đen (Secale cereale). Tuy nhiên nhóm hợp chất này lại chiếm một tỷ lệ đáng kể ở thành tế bào của nội nhũ hạt. Cụ thể hàm lượng AX trong thành tế bào hạt thay đổi từ khoảng 20% ở đại mạch (Hordeum vulgare) đến 70% ở lúa mì (Triticum aestivum) (Bảng 1.1) Khóa 2010 - 2012 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang Bảng 1.1: Thành phần các hợp chất trong thành tế bào một số hạt ngũ cốc Loại thành Thành phần các hợp chất (%) Tài liệu Hạt tế bào Hợp chất tham Arabinoxylan Cellulose β-Glucan khảo khác Lúa mì Vỏ nội nhũ 65 2 29 4 (Triticum aestivum) Nội nhũ 70 4 20 6 hạt [3] Vỏ nội nhũ 71 2 26 1 Đại mạch (Hordeum vulgare) Nội nhũ hạt 20 2 75 3 Lúa gạo Nội nhũ (Oryza hạt 27 28 20 25 [51] sativa) Ngô Nội nhũ 50 20 17 13 [19] (Zea mays) hạt 1.

Cấu tạo của arabinoxylan Chuỗi chính của arabinoxylan trong ngũ cốc được tạo thành từ hai loại đường 5 cacbon là arabinose và xylose, bao gồm mạch chính chứa các liên kết β- (1→4) liên kết các phân tử β-D-Xylp. Mạch xylan liên kết với α-L-Araf thông qua liên kết 1-2 hoặc 1-3 ở nguyên tử O2 và O3 của phân tử xylosyl [13-15]. Nhóm phụ này thường liên kết 1-3 với β-D-Xylp ở tất cả các loại ngũ cốc, trong khi đó β-D-Xylp liên kết 1-2 với nhóm α-L-Araf thường thấy trong AX tan trong kiềm được chiết từ bột lúa mạch và trong các ngũ cốc khác với một lượng nhỏ. Các phân tử thường liên kết vào mạch chính của AX là arabinose, có thể là các đường hexose, acid hexuronic.

Các chuỗi bên của AX thường là các hợp chất Khóa 2010 - 2012 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang phenol (phenolic) và các protein. Đặc điểm đặc trưng trong cấu trúc AX ở hầu hết các loài ngũ cốc đó là tỷ lệ liên kết của các phân tử ở cả hai nguyên tử O2 và O3. Hầu hết các AX trong hạt ngũ cốc đều không tan trong nước do chúng bị neo giữ ở thành tế bào bằng các liên kết chéo giống như liên kết ester không bền vững trong kiềm. Các AX không liên kết với thành tế bào có thể tạo thành dạng dung dịch rất nhớt và vì thế tăng khả năng hấp thụ vào nước cao hơn đến 10 lần.

Khi có mặt các tác nhân oxi hóa như H2O2/peroxide, AX có thể nhanh chóng hình thành mạng lưới gel do có sự tái lập các liên kết chéo. Ngoài ra, khối lượng phân tử của AX rất đa dạng, phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp tách chiết [15]. Ngoài α-L-Araf, mạch chính β-D-Xylp cũng có thể mang thêm acid α-D- glucopyranosyluronic (α-D-GlcA) hoặc dạng 4-O-methyl của nó (4-O-Me-α-D- GlcA) và thay thế nhóm acetyl. Acid ferulic và p-coumaric có thể tạo liên kết ester tại vị trí O-5 ở một vài đơn vị α-L-Araf.

Các nhóm acetyl, acid ferulic và p- coumaric dễ dàng được giải phóng khi chiết bằng kiềm [14, 15, 65]. Các đơn vị cấu trúc chính của AX được minh họa như hình 1.1, và cấu trúc minh họa cho AX được thể hiện ở hình 1.1: Cấu trúc các đơn vị của arabinoxylan Khóa 2010 - 2012 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang Hình 1.2: Cấu trúc của arabinoxylan ngũ cốc H nh 1.3: Cấu trúc phân tử arabinoxylan [65] Tỷ lệ arabinose/xylose trong AX của nội nhũ lúa mì thay đổi từ 0,5-0,71, ở cám mì là từ 1,02-1,07, ở nội nhũ của lúa mạch đen là 0,48-0,55, AX ở nội nhũ lúa gạo khi được chiết bằng kiềm có tỷ lệ AX/xylan khoảng 0,8, còn ở cám gạo là 0,93. Ở gạo và cao lương mạch xylan phân nhánh nhiều hơn so với ở lúa mỳ, lúa mạch đen và đại mạch, hơn nữa trong cấu trúc AX ở gạo có thể chứa galactose, acid glucuronic [31]. Khóa 2010 - 2012 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang 1.

Chức năng sinh học của arabinoxylan Arabinoxylan là hợp chất có thể kích thích hệ thống miễn dịch mạnh hơn và an toàn hơn bất kỳ hợp chất tự nhiên hoặc tổng hợp khác. Nó làm tăng sản xuất các cytokine tự nhiên của cơ thể - yếu tố hoại tử khối u (TNF) và interferon nội sinh (IFN), điều này không chỉ giúp tiêu diệt một cách trực tiếp các tế bào gây hại và virus mà còn hoạt hóa hệ thống miễn dịch bằng cách làm tăng hoạt động của tế bào lympho - B và T và các tế bào đặc biệt - tế bào giết tự nhiên (tế bào NK) [34]. Các tế bào B tập trung sản xuất các kháng thể, trong khi các tế bào T và NK đi trong cơ thể trực tiếp phá hủy các tế bào bị nhiễm virus hoặc do vi khuẩn, và các tế bào ung thư. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng AX được tạo ra từ ngũ cốc có khả năng gây đáp ứng miễn dịch chống các khối u [49].

Ngoài ra, sử dụng AX trong điều trị có thể làm tăng sinh đại thực bào, tế bào NK và hoạt động đại thực bào, điều này chứng tỏ rằng AX đã thúc đẩy cả đáp ứng miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu đối với khối u. Đặc biệt, các AX có khối lượng phân tử khoảng 5-300 kDa thể hiện hoạt tính miễn dịch mạnh nhất, được sử dụng khá phổ biến trên thế giới ở dạng thực phẩm chức năng và được khuyến cáo sử dụng cho bệnh nhân nhiễm HIV, viêm gan và ung thư [36, 37]. Nguyên liệu cám gạo chứa arabinoxylan Cám gạo là phụ phẩm chính thu được từ lúa sau khi xay xát và thường chiếm khoảng 10% chất khô của lúa. Cám gạo được hình thành từ lớp vỏ nội nhũ, mầm phôi của hạt, cũng như một phần từ tấm.

Cám gạo có màu sáng và mùi thơm đặc trưng. Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của cám gạo biến động rất lớn, phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật xay xát gạo. Tỷ lệ vỏ trấu sau khi xay xát ảnh hưởng nhiều tới hàm lượng protein, chất béo và chất xơ của cám gạo thành phẩm. Tỷ lệ protein trong cám gạo mịn có thể đạt 12-14%.

Lượng protein thô ở cám gạo cao hơn so với ở bắp hạt (chỉ đạt 8,3%). Hàm lượng chất béo, chất xơ khoảng 13-14% và 7-8% [65], giàu các polysaccharide hemicellulose trong đó AX là thành phần chủ yếu có Khóa 2010 - 2012 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa học Ngô Thị Huyền Trang trong cấu thành chất xơ của cám gạo, chúng chiếm khoảng 60% tổng số các polysaccharide không phải tinh bột [50, 65]. Ở Việt Nam, cám gạo là một nguyên liệu phổ biến, rẻ tiền, chứa hàm lượng AX cao, vì thế đã trở thành sự lựa chọn tối ưu cho nguyên liệu tách chiết AX trên quy mô lớn.2: Thành phần dinh dưỡng của một số ngũ cốc [65] Cám gạo Cám gạo Cám Chỉ tiêu Bắp Lúa mì Bột mì nguyên dầu trích dầu lúa mì Protein (%) 8 13 15 12 16 16 Năng lượng tiêu 3,5 3,1 2,3 3,4 2,5 3,0 hóa (Kcal/kg) Xơ thô (%) 2,2 8 11 2,5 11 9 Xơ tổng số (%) 9,5 19 27 10,5 44 27 NSP tổng số (%) 9 15 21 9,5 38,2 23,5 Cellulose (%) 2,0 5 7 2,5 11 8 Lignin (%) 0,5 4 6 1 5,8 3,5 Arabinoxylan (%) 3,7 9 11 5,5 21 15 (% không hoà tan) 94 96 97 77 99 97 1. Enzyme endoxylanase và các phương pháp tách chiết arabinoxylan 1.

Giới thiệu chung về enzyme endoxylanase Enzyme endoxylanase thủy phân khung đường xylan của AX một cách ngẫu nhiên, làm giảm mức độ polymer hóa của cơ chất và giải phóng các oligomer, đường xylose, xylobiose. Khóa 2010 - 2012 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.