CHƯƠNG 1. TỔNG QU N TÀI IỆU Vi tảo là thành phần chủ yếu tạo nên năng suất sơ cấp của thủy vực và giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì sự phát triển của hệ sinh thái nước. Hàng năm, trong số 200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên trái đất, có 170 - 180 tỉ tấn do tảo tạo ra, còn lại 20 - 30 tỷ tấn là do các loài thực vật khác. Ý nghĩa lớn lao của các loài tảo là giải phóng oxy thông qua hoạt động quang hợp cung cấp cho các sinh vật sống dưới nước, khép kín chu trình vật chất trong các thuỷ vực và tăng tốc độ quay vòng của các chu trình đó.
Trong tự nhiên, vi tảo là thành phần cơ bản của chuỗi thức ăn của thuỷ vực. Với kích thước cơ thể phù hợp, giàu dinh dưỡng, d tiêu hoá ít gây ô nhi m môi trường, nhiều loại không có độc tố và có khả năng nuôi sinh khối lớn nên vi tảo đã trở thành nguồn thức ăn không thể thiếu trong các giai đoạn sinh trưởng của nhuy n thể hai mảnh vỏ, giai đoạn ấu trùng của một số loài giáp xác, các giai đoạn sinh trưởng sớm của một số loài cá hoặc để sản xuất khối lượng lớn các động vật phù du như Artemia, Luân trùng (Rotifer)…. Ngoài nguồn thức ăn truyền thống như thịt, cá, trứng, sữa, rau, quả, củ có nguồn gốc từ động vật và thực vật, tảo là một nguồn thức ăn dinh dưỡng cho người và vật nuôi. Nhiều loài vi tảo không chỉ có hàm lượng protein cao mà còn giàu gluxit, lipit, vitamin và các axit béo mạch dài không bão hòa đa nối đôi (PUFAs) có mạch cacbon trên 20 như axit arachidonic (ARA; C20:4n-6), axit eicosapentaenoic (EPA; C20:5n-3), axit docosahexaenoic (DHA; C22:6n-3) và axit docosapentaenoic (DPA; C22:5n-6) các chất có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng của người và đặc biệt trong hoạt động của não và mắt.
Ngoài ra, vi tảo có khả năng sử dụng nguồn CO2 trong khí quyển cũng như hấp thụ nguồn CO2 được thải ra từ các nhà máy thông qua quá trình quang hợp, góp phần làm giảm thiểu phát thải khí nhà kính gây ra hiện tượng ấm lên của trái đất và dẫn đến biến đổi khí hậu toàn cầu. Astaxanthin g Astaxanthin là một carotenoit, là dẫn xuất của các hợp chất isoprenoit, chúng tạo thành các chất có màu sắc khác nhau trong tự nhiên và có chức năng sinh học thiết yếu đối với động vật. Astaxanthin có thể được tìm thấy trong nhiều loại thuỷ hải sản như cá hồi, cá vền, tôm, cua, trứng cá, đôi khi astaxanthin cũng được phát hiện ở một số loài chim. Động vật có vú không có khả năng tổng hợp astaxanthin và phải được cung 5 cấp từ kh u phần ăn.'-dione là một oxycarotenoit có công thức phân tử C 40H52O4, điểm nóng chảy xấp xỉ 224 0C.
Chúng không hoà tan trong các dung dịch lỏng và hầu hết các dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, chúng có thể hoà tan trong các dung môi không phân cực như acetone, dimethyl-sulfoxide ngay ở nhiệt độ phòng. So với các loại carotenoid khác, astaxanthin d dàng được hấp thụ và tích luỹ. Có hai con đường sinh tổng hợp astaxanthin: con đường thứ nhất bắt đầu với quá trình oxi hoá 0-carotene tạo thành các chất trung gian là echinenone, canthaxanthin và adonirubin; con đường thứ hai bắt đầu bằng quá trình hydroxyl hóa 0-carotene tạo thành các chất trung gian là 0-cryptoxanthin, zeaxanthin và diadinoxanthin (hình 1.1) Phân tử astaxanthin có hai cacbon không đối xứng ở vị trí 3 và 3P` P của vòng benzene.
Astaxanthin có ba dạng cấu hình là astaxanthin tự do, astaxanthin monoester và astaxanthin diester (hình 1. Nhóm este tạo ra mối liên kết astaxanthin và protein. Vì vậy astaxanthin không thể gắn kết với protein nếu liên kết ester không tồn tại. Astaxanthin từ tảo bao gồm 20% diester, 75% mono-ester và 5% ở dạng tự do.
Trong khi đó astaxanthin nhân tạo chứa 100% astaxanthin dạng tự do. Astaxanthin tự do không thể liên kết với protein nên chúng chỉ có thể tạo ra màu đỏ mà không tạo ra các màu sắc khác như trắng, xanh hay đen…, thêm vào đó astaxanthin tự do cũng rất d bị chuyển hoá. Điều này giải thích tại sao astaxanthin tổng hợp có thể phân bố ở da và v y cá nhưng khi bổ sung không đúng thời gian thì sự chuyển hóa nhanh của astaxanthin làm cho da cá bị bạc trắng. Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất astaxanthin tự nhiên, việc quản lý các astaxanthin tổng hợp trở nên nghiêm ngặt hơn ở tất cả các nước trên thế giới.
Uỷ ban quản lý thuốc và thực ph m Mỹ (Food and Drug Administration – FDA) đã nghiêm cấm việc bổ sung astaxanthin tổng hợp vào các loại thực ph m và các loại thức ăn cho động vật. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin từ Haematococcus pluvialis [68] Hình 1. Cấu hình của astaxanthin [68] 7 Có hai nguồn astaxanthin chính là: nguồn astaxanthin tổng hợp hoá học và astaxanthin tự nhiên. ổ ợp ọ : Hiện nay, astaxanthin tổng hợp là nguồn cung cấp chủ yếu cho nuôi trồng thuỷ sản.
Hơn 95% astaxanthin tổng hợp trên thị trường được sử dụng làm thức ăn nhằm tạo ra các màu sắc của đối tượng nuôi khác nhau. Tuy nhiên, astaxanthin tổng hợp có giá thành rất cao và quy trình sản xuất chúng tiềm n nhiều nguy cơ gây hại. : Từ ạ p : đó là các sản ph m phụ (byproducts) từ giáp xác được sử dụng làm nguồn nguyên liệu để tách chiết sắc tố tự nhiên cho cá hồi. Tuy nhiên, chúng có hàm lượng astaxanthin tương đối thấp trong khi đó độ m, hàm lượng tro và các chất dinh dưỡng khác lại cao gây ra một số khó khăn trong việc sản xuất thức ăn cho động vật.
ấ e : Phaffia rhodozyma là một loài nấm men duy nhất được biết đến hiện nay, có khả năng tổng hợp astaxanthin. Tuy nhiên, hàm lượng astaxanthin trong chủng Phaffia rhodozyma tự nhiên là khá thấp, không thích hợp cho mục đích sản xuất thương mại. Hiện nay, bằng các kỹ thuật sinh học phân tử, đặc biệt là kỹ thuật biến đổi gen, đã tạo ra được các chủng Phaffia rhodozyma có hàm lượng astaxanthin khá lớn (chiếm từ 300 đến 2000 mg/kg sinh khối khô, tương ứng 0,03 - 0,2% SKK) để sử dụng trong công nghiệp sản xuất astaxanthin. Tuy nhiên, hàm lượng astaxanthin laị phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm sinh học của chủng, phương pháp và điều kiện nuôi [63].
T : Astaxanthin có thể được sản xuất từ các loại tảo khác nhau như Ankistrodesmus braunii, Chlorella zofingiensis và Dunaliella salina [4]. Tuy nhiên, hàm lượng astaxanthin ở các chủng tảo nêu trên tương đối thấp và không thích hợp để sản xuất ở quy mô lớn. Loại vi tảo lục Haematococcus pluvialis thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu bởi chúng có khả năng tích lũy một lượng lớn astaxanthin từ 4 đến 6% trọng lượng khô [69]. C ậ : Một số loại vi khu n như Mycobacterium lacticola, Brevibacterium sp.
và một số chủng nấm thuộc chi Peniophora cũng có khả năng tích luỹ astaxanthin. Hàm lượng carotenoid của những vi sinh vật này rất thấp đồng thời chúng cũng sinh trưởng rất chậm.1: Nguồn cung cấp astaxanthin khác nhau Nguồn staxanthin (pg/g t bào) Astaxanthin (%) Vi khu n: Brevibacterium 30 Mycobacterium 30 Nấm men: Phaffia rhodozyma 200 - 300 0,02 - 0,03 Tảo: Chlamydomonas <50 Haematococcus 7000 - 55000 0,2 - 2 B ng 1. Nguồn cung cấp astaxanthin tự nhiên Nguồn astaxanthin tự nhiên Hàm ượng astaxanthin (ppm) Cá hồi ≈5 Sinh vật phù du ≈ 60 Nhuy n thể ≈ 120 Tôm vùng cực bắc ≈ 1200 Nấm men Phaffia ≈ 8000 Haematococcus pluvialis ≈ 40 000 Astaxanthin là một chất chống oxy hóa Các gốc tự do (OH, các gốc peroxyl) và các dạng oxi có khả năng phản ứng cao được sản sinh trong cơ thể trong quá trình trao đổi chất. Bất lợi về sinh lý, ô nhi m môi trường, khói thuốc, phơi nhi m với các chất hoá học hoặc tia UV có thể là nguyên nhân chính thúc đ y sản sinh ra những chất nêu trên.
Các gốc tự do có thể phá huỷ cấu trúc của phân tử DNA, protein và màng lipit. Các chất chống oxy hóa như carotenoid có thể giúp ngăn chặn một số bệnh ở người [104]. Carotenoid có khả năng hấp thụ năng lượng kích thích của vỏ oxygen vào chuỗi carotenoit, dẫn đến sự phá huỷ của phân tử carotenoid nhưng lại ngăn chặn được sự phá huỷ của các phân tử và các mô khác [17, 97]. Chúng cũng có thể ngăn chặn sự hình thành chuỗi phản ứng của các gốc tự do bắt đầu bằng sự phá huỷ của các axit béo không bão hoà đa nối đôi và dẫn đến phá huỷ màng lipit.
Astaxanthin có tác dụng bảo vệ phospholipid 9 màng và các lipit khác [98, 102]. Hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin được chứng minh trong rất nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố. Trong một số trường hợp, astaxanthin có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn nhiều lần so với vitamin E và beta - carotene [81, 110]. Tính chất chống oxy hóa của astaxanthin được cho là có vai trò chìa khóa trong việc bảo vệ chống lại sự quang oxy hóa (do tia UV gây ra), kháng viêm, chống ung thư, ngăn chặn sự nhi m Helicobacter pylori, các bệnh liên quan đến tuổi hoặc thúc đ y các phản ứng mi n dịch, chức năng gan và bảo vệ tim, mắt, các khớp và tuyến tiền liệt.
Astaxanthin là một photoprotection Sự tiếp xúc của lipit và các mô với ánh sáng, đặc biệt là với UV có thể dẫn đến sự sản sinh ra các gốc tự do và dẫn đến sự phá hủy chúng. Astaxanthin có khả năng ngăn chặn quá trình quang oxi hoá các lipit bởi tia UV với hiệu quả cao hơn so với beta-carotene và lutein [100, 104]. Astaxanthin và sức khoẻ của mắt Cấu trúc của astaxanthin rất giống với cấu trúc của lutein và zeaxanthin nhưng nó có hoạt tính chống oxi hoá mạnh hơn. Astaxanthin không được tìm thấy trong mắt [123].
Tuy nhiên, một nghiên cứu trên động vật đã chứng tỏ rằng astaxanthin có khả năng vượt qua hàng rào máu não và đến võng mạc của các động vật có vú [100]. Các quang thụ thể trên võng mạc của chuột được ăn astaxanthin ít bị phá huỷ bởi tia UV hơn và phục hồi nhanh hơn so với những chuột không ăn astaxanthin. Astaxanthin và lợi ích đối với da Astaxanthin được cho là có tác dụng bảo vệ da khỏi sự quang oxi hoá bởi tia UV và có thể làm giảm nguy cơ ung thư da [18, 43, 108]. Astaxanthin và tính chất kháng viêm Astaxanthin có tác dụng chống lại các triệu chứng viêm gây ra bởi Helicobacter pylori.
Astaxanthin làm giảm các triệu chứng viêm dạ dày và cũng liên quan đến những thay đổi của phản ứng viêm [15].