Nâng Cao Năng Suất Sản Xuất Astaxanthin Từ Vi Tảo Haematococcus Pluvialis Bằng Quy Trình 3 Pha

• Tác giả: Lê Phạm Thị Như Ý
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Đăng Mậu
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nâng Cao Năng Suất Sản Xuất Astaxanthin Từ Vi Tảo Haematococcus Pluvialis
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đà Nẵng

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về vi tảo Haematococcus pluvialis
• 1.2. Đặc điểm phân loại và phân bố của Haematococcus pluvialis
• 1.3. Đặc điểm hình thái và đặc điểm sinh thái học của Haematococcus pluvialis
• 1.4. Giới thiệu về khả năng tích lũy astaxanthin ở vi tảo Haematococcus pluvialis
• 1.5. Tổng quan về quy trình sản xuất astaxanthin ở vi tảo Haematococcus pluvialis
• 1.5.1. Quy trình 2 pha sản xuất astaxanthin ở vi tảo Haematococcus pluvialis
• 1.5.2. Quy trình 3 pha sản xuất astaxanthin ở vi tảo Haematococcus pluvialis
• 1.6. Tổng quan về astaxanthin
• 1.6.1. Định nghĩa về astaxanthin
• 1.6.2. Ứng dụng của astaxanthin
• 1.6.3. Thị trường tiêu thụ astaxanthin
• 1.6.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.6.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Bố trí thí nghiệm
• 2.5. Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu của vi tảo
• 2.6. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thiếu nitơ đến sự kích thích chuyển trạng thái tế bào vi tảo H.
• 3.2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thiếu nitơ đến khả năng chuyển trạng thái tế bào vi tảo H.
• 3.3. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thiếu nitơ đến hàm lượng sắc tố của vi tảo H.
• 3.4. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thiếu nitơ đến mật độ và kích thước tế bào vi tảo H.
• 3.5. Đánh giá năng suất sản xuất astaxanthin ở vi tảo H. pluvialis bằng quy trình 3 pha
• 3.6. Đánh khả năng tăng năng suất sản xuất sắc tố ở vi tảo H. pluvialis bằng quy trình 3 pha
• 3.7. Đánh giá ảnh hưởng của quy trình 3 pha đến khả năng chuyển trạng thái tế bào vi tảo H.
• 3.8. Đánh giá ảnh hưởng của quy trình 3 pha đến mật độ và kích thước tế bào vi tảo H.
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Astaxanthin từ Vi Tảo Tổng Quan và Tiềm Năng Ứng Dụng

Astaxanthin, một carotenoid xanthophyll, ngày càng được chú ý nhờ khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ. Ứng dụng của nó trải rộng từ y học, mỹ phẩm đến công nghiệp thức ăn chăn nuôi. Vi tảo Haematococcus pluvialis nổi bật như một nguồn sản xuất astaxanthin tự nhiên tiềm năng, nhờ khả năng tích lũy hàm lượng cao. Tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng này đòi hỏi những nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Astaxanthin có hoạt tính chống oxy hóa cao gấp nhiều lần so với các carotenoid khác như β-carotene, zeaxanthin, lutein, canthaxanthin và cao hơn gấp 500 lần so với α-tocopherol (Suh & cs.). Vì vậy, astaxanthin được mệnh danh là “siêu sao của chất chống oxy hóa” (Niizawa & cs.).

1.1. Astaxanthin là gì và vai trò quan trọng của nó

Astaxanthin (3,3′-dihydroxy-β-carotene-4,4′-dione) là một carotenoid xanthophyll với hoạt tính chống oxy hóa cao. Nhờ khả năng chống oxy hóa cao mà được ứng dụng rộng rãi trong y học, mỹ phẩm và ngành công nghiệp thức ăn chăn nuôi (Molino & cs.). Nó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tế bào khỏi tổn thương do các gốc tự do, góp phần vào sức khỏe tổng thể. Hiện nay, astaxanthin chủ yếu được thu nhận từ các nguồn tự nhiên bao gồm các loại thủy sản (vỏ tôm, cá hồi), nấm men đỏ, vi tảo, hoặc từ tổng hợp hoá học (J. Hiện nay, astaxanthin chủ yếu được thu nhận từ các nguồn tự nhiên bao gồm các loại thủy sản (vỏ tôm, cá hồi), nấm men đỏ, vi tảo, hoặc từ tổng hợp hoá học (J.

1.2. Tại sao Haematococcus Pluvialis là nguồn Astaxanthin lý tưởng

Mặc dù một số loài vi sinh vật như nấm men Phaffia rhodozyma có khả năng tổng hợp astaxanthin, hàm lượng astaxanthin nội bào của chúng còn thấp, hàm lượng tối đa đạt được 1%. Trong khi đó, vi tảo lục Haematococcus pluvialis có khả năng tích lũy astaxanthin lên tới trên 4% sinh khối khô (Hong & cs.). Đặc tính này làm cho H. pluvialis trở thành một nguồn sản xuất astaxanthin tự nhiên hiệu quả và kinh tế hơn. Do đó, các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình nuôi trồng H. pluvialis để khai thác tối đa tiềm năng này.

1.3. Các ứng dụng thực tiễn của Astaxanthin trong đời sống

Astaxanthin sở hữu hoạt tính chống oxy hóa bất thường, điều này giúp astaxanthin được biết đến và ứng dụng rộng rãi trong khắp các lĩnh vực như y dược, mỹ phẩm và thức ăn chăn nuôi… Do hoạt động chống oxy hóa vượt trội, astaxanthin đã được cho là có tiềm năng đặc biệt trong việc bảo vệ sinh vật chống lại một loạt các bệnh như các vấn đề về mạch máu tim, các loại ung thư khác nhau và một s...

II. Thách Thức Trong Sản Xuất Astaxanthin Từ Haematococcus Pluvialis

Việc sản xuất astaxanthin từ Haematococcus pluvialis không hề dễ dàng. Một trong những thách thức lớn nhất là việc chuyển đổi hiệu quả từ pha sinh trưởng (pha xanh) sang pha tích lũy astaxanthin (pha đỏ). Quy trình hai pha truyền thống thường gặp vấn đề về tỷ lệ tế bào chết cao do sốc môi trường, ảnh hưởng đến năng suất cuối cùng. Việc kiểm soát các yếu tố môi trường như ánh sáng, dinh dưỡng và pH là vô cùng quan trọng. Nhiều nghiên cứu đã áp dụng quy trình hai pha để sản xuất astaxanthin từ vi tảo H. Tuy nhiên, việc sử dụng quy trình hai pha gặp một số vấn đề, chẳng hạn như việc chuyển pha từ sinh trưởng (pha xanh) sang tích lũy (pha đỏ) một cách đột ngột sẽ dẫn đến một lượng lớn tế bào sẽ chết do những tế bào chưa chuyển trạng thái sang dạng bào nang, sẽ không có khả năng chống chịu được với điều kiện stress đột ngột.

2.1. Hạn chế của quy trình nuôi hai pha truyền thống

Quy trình hai pha, mặc dù đơn giản, thường dẫn đến tỷ lệ tế bào chết cao khi chuyển từ pha sinh trưởng sang pha tích lũy. Sự thay đổi đột ngột về điều kiện môi trường gây sốc cho tế bào, đặc biệt là những tế bào chưa chuyển sang trạng thái bào nang. Điều này làm giảm đáng kể năng suất astaxanthin và gây khó khăn cho việc duy trì tính ổn định của quy trình sản xuất. Chính những nguyên nhân trên đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất sản xuất Astaxanthin 1 (Li & cs.).

2.2. Ảnh hưởng của stress môi trường lên quá trình tích lũy Astaxanthin

Các yếu tố stress như cường độ ánh sáng cao, thiếu hụt dinh dưỡng, và thay đổi pH có thể kích thích tích lũy astaxanthin. Tuy nhiên, nếu mức độ stress quá cao, nó sẽ gây tổn thương tế bào và giảm sinh khối. Việc tìm ra sự cân bằng tối ưu giữa kích thích và ức chế là chìa khóa để nâng cao năng suất. Giai đoạn tích lũy astaxanthin trong H. pluvialis bắt đầu bằng cách tạo điều kiện ức chế bằng các yếu tố môi trường có thể kể đến như: cường độ ánh sáng cao kèm với thời gian chiếu sáng dài, nhiệt độ cao, thay đổi pH…(Kobayashi & cs.

2.3. Tầm quan trọng của kiểm soát các yếu tố dinh dưỡng

Dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng trong cả giai đoạn sinh trưởng và tích lũy astaxanthin. Việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng thiết yếu trong giai đoạn sinh trưởng là cần thiết để đạt được sinh khối cao. Trong giai đoạn tích lũy, việc điều chỉnh hàm lượng dinh dưỡng (ví dụ: thiếu hụt nitơ) có thể kích thích quá trình tổng hợp astaxanthin. Bên cạnh đó thì dinh dưỡng cũng là một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình sinh trưởng cũng như tích lũy của H. Khi điều kiện dinh dưỡng thiếu hụt, các tế bào sẽ chuyển sang giai đoạn bào nang (giai đoạn tích lũy astaxanthin như một cơ chế thích ứng với sự thay đổi bất lợi của môi trường.

III. Quy Trình 3 Pha Giải Pháp Nâng Cao Năng Suất Astaxanthin

Quy trình ba pha nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giải quyết các thách thức trong sản xuất astaxanthin. Bằng cách thêm một giai đoạn kích thích chuyển trạng thái tế bào, quy trình này giúp giảm thiểu tỷ lệ tế bào chết và tăng cường hiệu quả tích lũy astaxanthin. Mục đích của pha kích thích nhằm chuyển trạng thái tế bào Haematococcus pluvialis một cách nhanh chóng đồng thời đảm bảo toàn bộ tế bào chuyển về trạng thái tiền bào tử trước khi đưa vào pha tích lũy, giúp giảm thiểu tỷ lệ tế bào chết. Do đó quy trình này hứa hẹn mang lại năng suất cao hơn và ổn định hơn so với quy trình hai pha truyền thống.

3.1. Giai đoạn kích thích chuyển trạng thái tế bào

Giai đoạn kích thích có vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị tế bào cho giai đoạn tích lũy astaxanthin. Bằng cách tạo ra các điều kiện stress vừa phải (ví dụ: ánh sáng cao, thiếu hụt nitơ), giai đoạn này giúp chuyển đổi dần dần tế bào từ trạng thái sinh trưởng sang trạng thái bào nang, giảm thiểu sốc và tỷ lệ tế bào chết. Về ảnh hưởng của pha kích thích đến chuyển trạng thái, yếu tố kết hợp cường độ ánh sáng cao và thiếu nitơ thu được kết quả khả quan, kích thích chuyển trạng thái sang 42% tế bào nang, 58% tế bào tích lũy, tăng mật độ tế bào 398 ±0,19 x 103 tế bào/mL xảy ra ở giai đoạn đỏ và làm tăng đáng kể năng suất astaxanthin khi bổ sung pha kích thích vào quy trình nuôi, năng suất astaxanthin đạt 0,14 µg/mL/ngày, hàm lượng astaxanthin 2,1 pg/tế bào.

3.2. Ưu điểm vượt trội của quy trình 3 pha so với quy trình 2 pha

So với quy trình hai pha, quy trình ba pha mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Nó giúp giảm tỷ lệ tế bào chết, tăng cường hiệu quả tích lũy astaxanthin và cải thiện tính ổn định của quy trình sản xuất. Điều này dẫn đến năng suất astaxanthin cao hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Vì vậy, vấn đề đặt ra ở đây là việc chuyển pha từ sinh trưởng sang pha tích lũy, cần thêm một pha để kích thích chuyển trạng thái tế bào là rất cần thiết.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giai đoạn kích thích

Hiệu quả của giai đoạn kích thích phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng, nồng độ dinh dưỡng và pH. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả chuyển đổi tế bào tối đa. Các nghiên cứu đã đưa ra kết quả về việc dinh dưỡng ảnh hưởng đến việc tích lũy astaxanthin từ vi tảo H. pluvialis, ở môi trường thiếu hụt nitơ có khả năng kích thích tế bào chuyển sang giai đoạn bào nang một cách nhanh chóng.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Cường Độ Ánh Sáng và Thiếu Nitơ

Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thiếu nitơ đến sự kích thích chuyển trạng thái tế bào vi tảo Haematococcus pluvialis. Các yếu tố này được xem xét để tối ưu hóa tốc độ chuyển trạng thái tế bào sang dạng bào nang và tích lũy, nhằm giảm tỷ lệ tế bào chết và nâng cao năng suất sản xuất astaxanthin. Đây là cơ sở cho việc phát triển những nghiên cứu tiếp theo.

4.1. Tác động của cường độ ánh sáng đến chuyển trạng thái tế bào

Cường độ ánh sáng cao có thể kích thích quá trình chuyển trạng thái tế bào từ dạng sinh dưỡng sang dạng bào nang. Tuy nhiên, cường độ ánh sáng quá cao có thể gây tổn thương tế bào và giảm sinh khối. Cường độ ánh sáng cao kèm với thời gian chiếu sáng dài, nhiệt độ cao, thay đổi pH…(Kobayashi & cs.). Việc tìm ra cường độ ánh sáng tối ưu là rất quan trọng để đạt được hiệu quả chuyển đổi tế bào tối đa.

4.2. Vai trò của thiếu hụt nitơ trong quá trình tích lũy Astaxanthin

Thiếu hụt nitơ là một yếu tố quan trọng kích thích quá trình tích lũy astaxanthin. Khi tế bào thiếu nitơ, chúng sẽ chuyển sang trạng thái bào nang và bắt đầu tích lũy astaxanthin như một cơ chế bảo vệ. Các nghiên cứu đã đưa ra kết quả về việc dinh dưỡng ảnh hưởng đến việc tích lũy astaxanthin từ vi tảo H. pluvialis, ở môi trường thiếu hụt nitơ có khả năng kích thích tế bào chuyển sang giai đoạn bào nang một cách nhanh chóng.

4.3. Kết quả nghiên cứu về năng suất và hàm lượng sắc tố

Nghiên cứu đã đánh giá năng suất và hàm lượng sắc tố (chlorophyll, astaxanthin) trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa cường độ ánh sáng cao và thiếu nitơ mang lại hiệu quả tốt nhất trong việc kích thích chuyển trạng thái tế bào và tích lũy astaxanthin. Ngoài ra còn giúp giảm tỷ lệ tế bào chết. Từ khóa: Haematococcus pluvialis, chuyển trạng thái tế bào, nâng cao năng xuất astaxanthin, quy trình nuôi 3 pha.

V. Đánh Giá Năng Suất Sản Xuất Astaxanthin bằng Quy Trình 3 Pha

Quy trình ba pha được đánh giá về khả năng tăng năng suất sản xuất sắc tố ở vi tảo H. pluvialis. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chuyển trạng thái tế bào cũng được xem xét, từ đó đưa ra kết luận về hiệu quả của quy trình này trong việc nâng cao sản lượng Astaxanthin. Nghiên cứu này nhằm mục khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cường độ ánh sáng và môi trường dinh dưỡng (500 µmolphotons/m2/s, thiếu hụt nitơ, thiếu hụt dinh dưỡng để tốc độ chuyển trạng thái tế bào vi tảo H. pluvialis sang dạng tế bào nang, tích lũy.

5.1. Tác động của quy trình 3 pha đến cấu trúc quần thể vi tảo

Quy trình ba pha có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc quần thể vi tảo. Nó giúp chuyển đổi phần lớn tế bào sang trạng thái bào nang, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích lũy astaxanthin. Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa cường độ ánh sáng cao và thiếu nitơ thu được kết quả khả quan, kích thích chuyển trạng thái sang 42% tế bào nang, 58% tế bào tích lũy, tăng mật độ tế bào 398 ±0,19 x 103 tế bào/mL xảy ra ở giai đoạn đỏ và làm tăng đáng kể năng suất astaxanthin khi bổ sung pha kích thích vào quy trình nuôi, năng suất astaxanthin đạt 0,14 µg/mL/ngày, hàm lượng astaxanthin 2,1 pg/tế bào.

5.2. Ảnh hưởng đến mật độ và kích thước tế bào vi tảo

Quy trình ba pha có thể ảnh hưởng đến mật độ và kích thước tế bào vi tảo. Trong giai đoạn kích thích, tế bào có thể tăng kích thước khi chuyển sang trạng thái bào nang. Mật độ tế bào có thể giảm do sự chết của một số tế bào không chuyển đổi. Vì vậy, vấn đề đặt ra ở đây là việc chuyển pha từ sinh trưởng sang pha tích lũy, cần thêm một pha để kích thích chuyển trạng thái tế bào là rất cần thiết.

5.3. Đánh giá chi tiết về năng suất và hàm lượng Astaxanthin

Nghiên cứu đưa ra đánh giá chi tiết về năng suất và hàm lượng astaxanthin đạt được trong quy trình ba pha. Các kết quả này được so sánh với các quy trình sản xuất truyền thống để đánh giá hiệu quả của quy trình mới. Đánh giá được quy trình nuôi ba pha (sinh trưởng - kích thích - tích lũy) đến năng suất sản xuất astaxanthin từ vi tảo Haematococcus pluvialis.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Tương Lai cho Sản Xuất Astaxanthin

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của quy trình ba pha trong việc nâng cao năng suất sản xuất astaxanthin từ vi tảo Haematococcus pluvialis. Việc tối ưu hóa các yếu tố trong giai đoạn kích thích có thể giúp đạt được năng suất cao hơn và ổn định hơn. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện quy trình nuôi và tìm kiếm các phương pháp kích thích chuyển trạng thái tế bào hiệu quả hơn. Từ đó làm cơ sở cho việc phát triển những nghiên cứu tiếp theo.

6.1. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính và ý nghĩa của chúng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng quy trình ba pha có thể giúp giảm tỷ lệ tế bào chết và tăng cường hiệu quả tích lũy astaxanthin. Sự kết hợp giữa cường độ ánh sáng cao và thiếu nitơ là một phương pháp kích thích hiệu quả. Việc áp dụng quy trình này có thể giúp nâng cao năng suất sản xuất astaxanthin và giảm chi phí sản xuất.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa quy trình

Các hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố trong giai đoạn kích thích, tìm kiếm các phương pháp kích thích chuyển trạng thái tế bào hiệu quả hơn và phát triển các hệ thống nuôi trồng tiên tiến. Các yếu tố này được xem xét để tối ưu hóa tốc độ chuyển trạng thái tế bào sang dạng bào nang và tích lũy, nhằm giảm tỷ lệ tế bào chết và nâng cao năng suất sản xuất astaxanthin.

6.3. Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng thương mại của Astaxanthin

Astaxanthin có tiềm năng thương mại rất lớn nhờ các ứng dụng rộng rãi trong y học, mỹ phẩm và thức ăn chăn nuôi. Việc sản xuất astaxanthin từ vi tảo Haematococcus pluvialis có thể mang lại lợi nhuận cao và góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp sinh học. Ngoài ra, việc thực hiện nghiên cứu với mục đích khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chuyển trạng thái và tích lũy nhằm nâng cao năng suất sản xuất astaxanthin ở vi tảo H. pluvialis là cần thiết.