Tổng quan nghiên cứu

Ruồi lính đen (Hermetia illucens) là một loài côn trùng có vòng đời khoảng 40-45 ngày, được nuôi phổ biến trong các hệ thống xử lý chất thải hữu cơ và sản xuất protein sinh học. Theo ước tính, thị trường côn trùng ăn được toàn cầu dự kiến vượt 522 triệu đô la vào năm 2023, trong đó ruồi lính đen chiếm khoảng 80% tổng số công ty sản xuất côn trùng tại châu Âu. Bộ xương ngoài của ruồi lính đen chứa tới 35% chitin, một polysaccharide tự nhiên có giá trị thương mại cao, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp y sinh, thực phẩm và nông nghiệp.

Nghiên cứu này tập trung vào việc chiết xuất chitin và chitosan từ các giai đoạn vòng đời khác nhau của ruồi lính đen, bao gồm ấu trùng, tiền nhộng, nhộng, ruồi chết và vỏ kén, sử dụng hai phương pháp chính là hóa học và sinh học. Mục tiêu cụ thể là đánh giá hàm lượng chitin, tối ưu hóa quy trình chiết xuất sinh học, xác định đặc tính hóa lý của chitin và chitosan thu nhận được, cũng như đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của chitosan. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 5/2022 đến tháng 10/2023.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn nguyên liệu chitin/chitosan bền vững từ ruồi lính đen, góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đồng thời, nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng chitosan trong các lĩnh vực y sinh và công nghiệp, đặc biệt là trong việc phát triển vật liệu sinh học có hoạt tính kháng khuẩn cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan: Chitin là polysaccharide được cấu tạo từ các đơn vị N-acetyl-D-glucosamine liên kết bằng liên kết β-1,4-glucosid, tồn tại chủ yếu dưới dạng α-chitin trong ruồi lính đen. Chitosan là dẫn xuất của chitin, được tạo thành qua quá trình deacetyl hóa, chứa nhiều nhóm amin, có khả năng hòa tan trong dung dịch acid loãng và mang điện tích dương, giúp tăng khả năng tương tác với các ion âm và vi sinh vật.

  • Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM): Đây là phương pháp thống kê dùng để tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm, xác định ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ enzyme, thời gian và nhiệt độ đến hiệu suất khử protein và khử khoáng trong quá trình chiết xuất chitin sinh học.

  • Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan: Dựa trên khả năng tương tác của chitosan với màng tế bào vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn Gram dương và Gram âm, giúp ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu và mẫu nghiên cứu: Ruồi lính đen được nuôi tại Khu thực nghiệm CJ Black Soldier Fly, Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Mẫu thu thập gồm ấu trùng (10-14 ngày tuổi), tiền nhộng (15-28 ngày tuổi), nhộng (29-40 ngày tuổi), ruồi chết và vỏ kén, mỗi loại khoảng 0,5-1,5 kg.

  • Phương pháp chiết xuất chitin:

    • Phương pháp hóa học: Khử protein bằng dung dịch NaOH 5%, khử khoáng bằng HCl 4%, xử lý tẩy màu và deacetyl hóa bằng NaOH 70% ở 80°C trong 8 giờ.
    • Phương pháp sinh học: Tối ưu hóa quá trình khử protein sử dụng enzyme Alcalase 2.5L và khử khoáng bằng axit lactic, áp dụng mô hình Box-Behnken trong RSM để xác định điều kiện tối ưu.

  • Phân tích đặc tính hóa lý: Sử dụng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định cấu trúc hóa học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt, đo khối lượng phân tử (MW), độ nhớt, độ deacetyl (DA) và độ hòa tan của chitosan.

  • Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán đĩa được sử dụng để kiểm tra khả năng ức chế vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis) và Gram âm (Vibrio alginolyticus) của chitosan thu nhận từ hai phương pháp.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 5/2022 đến tháng 10/2023, bao gồm các giai đoạn thu mẫu, xử lý mẫu, tối ưu hóa quy trình, phân tích đặc tính và đánh giá hoạt tính sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng chitin thu được: Phương pháp hóa học cho hàm lượng chitin dao động từ 7,18% đến 35,5%, với hàm lượng cao nhất ở vỏ kén. Phương pháp sinh học tối ưu hóa từ vỏ kén đạt hàm lượng chitin khoảng 63,2 ± 0,17%, cao hơn gần gấp đôi so với phương pháp hóa học.

  2. Đặc tính hóa lý của chitin: Phân tích FTIR và SEM cho thấy chitin thu nhận từ cả hai phương pháp đều có cấu trúc tương đồng, thuộc dạng α-chitin với độ kết tinh cao. Hình ảnh SEM thể hiện bề mặt chitin mịn và có cấu trúc sợi đặc trưng.

  3. Hiệu suất chuyển hóa chitin thành chitosan: Phương pháp hóa học cho hiệu suất thu hồi chitosan cao hơn so với phương pháp sinh học. Chitosan từ phương pháp hóa có độ deacetyl, độ nhớt và khối lượng phân tử cao hơn, trong khi chitosan từ phương pháp sinh học có đặc tính kháng khuẩn tốt hơn.

  4. Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan: Cả hai loại chitosan đều thể hiện khả năng ức chế vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Đường kính vòng vô khuẩn của chitosan sinh học lớn hơn, chứng tỏ hoạt tính kháng khuẩn vượt trội so với chitosan hóa học.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về hàm lượng chitin giữa hai phương pháp phản ánh hiệu quả tối ưu hóa của quá trình sinh học, đặc biệt là việc sử dụng enzyme Alcalase và axit lactic trong khử protein và khử khoáng. Mặc dù phương pháp hóa học cho hiệu suất thu hồi chitosan cao hơn, nhưng quá trình này sử dụng nhiều hóa chất mạnh, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử và môi trường.

Đặc tính hóa lý tương đồng của chitin từ hai phương pháp khẳng định tính ổn định của cấu trúc α-chitin trong ruồi lính đen, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về chitin côn trùng. Độ deacetyl và khối lượng phân tử cao của chitosan hóa học giúp tăng độ nhớt và khả năng tạo màng, trong khi chitosan sinh học với đặc tính kháng khuẩn tốt hơn có thể do cấu trúc phân tử nhỏ hơn và độ hòa tan cao hơn.

Kết quả hoạt tính kháng khuẩn phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy chitosan là vật liệu tiềm năng trong ứng dụng y sinh và bảo quản thực phẩm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng chitin, hiệu suất thu hồi chitosan và đường kính vòng vô khuẩn để minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hai phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình chiết xuất sinh học: Khuyến khích áp dụng phương pháp sinh học với enzyme Alcalase và axit lactic để chiết xuất chitin từ vỏ kén ruồi lính đen, nhằm tăng hiệu suất và giảm tác động môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  2. Phát triển sản phẩm chitosan kháng khuẩn: Tận dụng đặc tính kháng khuẩn vượt trội của chitosan sinh học để phát triển các sản phẩm y sinh như băng gạc, vật liệu phủ bảo quản thực phẩm. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: công ty dược phẩm và công nghiệp thực phẩm.

  3. Mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp: Thử nghiệm quy trình chiết xuất chitin và chitosan ở quy mô pilot nhằm đánh giá tính khả thi và chi phí sản xuất, đồng thời tối ưu hóa các bước xử lý. Thời gian: 18-24 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật chiết xuất chitin/chitosan cho các đơn vị sản xuất và nghiên cứu, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ sinh học trong ngành công nghiệp sinh học. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tối ưu trong chiết xuất chitin/chitosan từ nguồn nguyên liệu mới, phục vụ cho các đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và dược phẩm: Thông tin về quy trình chiết xuất và đặc tính sản phẩm giúp phát triển các sản phẩm chitosan ứng dụng trong y sinh và bảo quản thực phẩm.

  3. Ngành công nghiệp nuôi trồng và xử lý chất thải hữu cơ: Nghiên cứu mở ra hướng sử dụng phụ phẩm từ nuôi ruồi lính đen làm nguyên liệu giá trị, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách phát triển kinh tế tuần hoàn, thúc đẩy công nghệ sinh học thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chitin và chitosan khác nhau như thế nào?
    Chitin là polysaccharide tự nhiên cấu tạo từ N-acetyl-D-glucosamine, trong khi chitosan là dẫn xuất của chitin được tạo ra bằng quá trình deacetyl hóa, chứa nhiều nhóm amin hơn, có khả năng hòa tan trong dung dịch acid loãng và mang điện tích dương, giúp tăng tính ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.

  2. Tại sao chọn ruồi lính đen làm nguồn nguyên liệu chiết xuất chitin?
    Ruồi lính đen có vòng đời ngắn, dễ nuôi, khả năng xử lý chất thải hữu cơ cao và chứa hàm lượng chitin lên đến 35% trong bộ xương ngoài, tạo nguồn nguyên liệu bền vững và thân thiện môi trường so với các nguồn truyền thống như vỏ tôm, cua.

  3. Ưu điểm của phương pháp chiết xuất sinh học so với hóa học là gì?
    Phương pháp sinh học sử dụng enzyme và axit hữu cơ giúp giảm sử dụng hóa chất độc hại, bảo tồn cấu trúc phân tử chitin/chitosan, tăng hiệu suất chiết xuất và giảm tác động môi trường, mặc dù thời gian xử lý có thể dài hơn.

  4. Chitosan có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Chitosan được ứng dụng rộng rãi trong y học (băng gạc, thuốc bôi), công nghiệp thực phẩm (bao bì bảo quản), nông nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học), xử lý nước thải và mỹ phẩm nhờ đặc tính kháng khuẩn, khả năng tạo màng và tương hợp sinh học.

  5. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của chitosan?
    Hoạt tính kháng khuẩn được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán đĩa, đo đường kính vòng vô khuẩn trên môi trường thạch đối với các vi khuẩn Gram dương và Gram âm, từ đó xác định khả năng ức chế sự phát triển vi sinh vật của chitosan.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc chiết xuất chitin và chitosan từ các giai đoạn vòng đời của ruồi lính đen bằng hai phương pháp hóa học và sinh học, với hàm lượng chitin cao nhất đạt khoảng 63,2% từ phương pháp sinh học.
  • Chitin thu nhận thuộc dạng α-chitin, có cấu trúc hóa học và đặc tính vật lý tương đồng giữa hai phương pháp.
  • Chitosan từ phương pháp sinh học có hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn, trong khi phương pháp hóa học cho hiệu suất thu hồi cao hơn.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng phát triển nguồn nguyên liệu chitin/chitosan bền vững từ ruồi lính đen, góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và ứng dụng trong y sinh.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, phát triển sản phẩm ứng dụng và chuyển giao công nghệ trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên quan áp dụng quy trình chiết xuất sinh học để phát triển sản phẩm chitosan chất lượng cao, đồng thời thúc đẩy hợp tác nghiên cứu đa ngành nhằm khai thác tối đa tiềm năng của ruồi lính đen.