Tổng quan nghiên cứu

Probiotic ngày càng được quan tâm trong lĩnh vực công nghệ sinh học và thực phẩm chức năng nhờ khả năng cải thiện sức khỏe đường ruột và hệ miễn dịch. Saccharomyces boulardii, một chủng nấm men probiotic, đã được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh tiêu hóa như tiêu chảy và rối loạn đường ruột. Tuy nhiên, việc phát triển sản phẩm probiotic từ S. boulardii ở Việt Nam còn hạn chế, đặc biệt là các sản phẩm dạng viên nang synbiotic có khả năng bảo quản lâu dài và giữ được hoạt tính sinh học cao.

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu tạo ra viên nang synbiotic chứa S. boulardii bằng kỹ thuật sấy phun vi gói, sử dụng protein đậu nành tinh khiết (Soy Protein Isolate - SPI) làm chất mang và inulin làm prebiotic. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM trong năm 2015. Mục tiêu cụ thể bao gồm tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy để thu nhận sinh khối giàu hoạt tính probiotic, khảo sát các điều kiện sấy phun ảnh hưởng đến mật độ sinh khối và độ ẩm sản phẩm, cũng như đánh giá khả năng bảo quản và hoạt tính của viên nang synbiotic trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Nghiên cứu đóng góp quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất probiotic dạng viên nang synbiotic từ S. boulardii, mở ra hướng ứng dụng mới cho ngành công nghệ sinh học và thực phẩm chức năng tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ nâng cao chất lượng sản phẩm probiotic, tăng thời gian bảo quản và hiệu quả sử dụng trong điều trị và phòng ngừa các bệnh liên quan đến đường tiêu hóa.

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:

  • Khái niệm Probiotic, Prebiotic và Synbiotic: Probiotic là vi sinh vật sống có lợi cho vật chủ khi sử dụng với số lượng đủ lớn (10^6 - 10^8 tế bào/g). Prebiotic là các thành phần thực phẩm không tiêu hóa được, kích thích chọn lọc sự phát triển của vi sinh vật có lợi trong đường ruột. Synbiotic là sự kết hợp giữa probiotic và prebiotic nhằm tăng cường hiệu quả sinh học (FAO/WHO, 2001; Gibson, 2010).

  • Chất mang protein và protein đậu nành (SPI): SPI có hàm lượng protein trên 90%, hòa tan tốt trong nước, có khả năng tạo gel và nhũ hóa, được sử dụng làm chất mang trong kỹ thuật vi gói để bảo vệ tế bào probiotic trong quá trình sấy phun (Damodaran, 1997; Heidebach, 2010).

  • Kỹ thuật sấy phun vi gói: Phương pháp sấy phun tạo sản phẩm dạng bột với kích thước hạt từ 10-15 µm đến 2-3 mm, giúp bảo quản hoạt tính sinh học của probiotic, giảm độ ẩm sản phẩm, tăng thời gian bảo quản (Mujumda, 2007; Chavarri, 2012).

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Plackett-Burman và RSM-CCD: Phương pháp Plackett-Burman được sử dụng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến sinh khối, trong khi RSM-CCD giúp tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy dựa trên mô hình hàm đa thức bậc hai, xác định vùng tối ưu cho các yếu tố như nồng độ glucose, pepton và thời gian nuôi cấy (Lazic, 2004; Bezerra, 2008).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng chủng Saccharomyces boulardii được lưu trữ tại Đại học Bách Khoa TP. HCM, cùng các vi sinh vật chỉ thị E. coli ATCC 8739 và Salmonella ATCC 14028.

  • Thiết bị và vật liệu: Máy sấy phun Mini Spray Dryer B-290, thiết bị phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, protein đậu nành tinh khiết (SPI) hàm lượng protein > 90%, inulin làm prebiotic.

  • Phương pháp phân tích: Định lượng tế bào bằng phương pháp trải đĩa và đếm trực tiếp trên buồng đếm hồng cầu; xác định độ ẩm bằng phương pháp sấy khô; đánh giá hoạt tính probiotic qua khả năng sống sót trong môi trường dạ dày nhân tạo (pH 2), muối mật nhân tạo, khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh và giảm cholesterol.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01 đến tháng 12 năm 2015, gồm các giai đoạn khảo sát đặc điểm sinh trưởng, tối ưu hóa môi trường nuôi cấy bằng Plackett-Burman và RSM-CCD, khảo sát điều kiện sấy phun, tạo viên nang synbiotic và theo dõi bảo quản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa sinh khối S. boulardii: Qua thiết kế Plackett-Burman và RSM-CCD, môi trường nuôi cấy tối ưu gồm glucose 25 g/l, pepton 6 g/l, cao nấm men 3 g/l, pH 6.5, thời gian nuôi 36 giờ, đạt mật độ sinh khối tối đa 7,86 x 10^8 CFU/ml. So với điều kiện ban đầu, mật độ sinh khối tăng khoảng 25%.

  2. Ảnh hưởng nhiệt độ đầu vào sấy phun: Ở nhiệt độ 100°C, áp suất 3 bar, mật độ sinh khối chế phẩm đạt 1,32 x 10^8 CFU/g với độ ẩm 6,12%. Nhiệt độ cao hơn (110°C, 120°C) làm giảm mật độ sinh khối lần lượt 15% và 30%, đồng thời tăng độ ẩm sản phẩm.

  3. Ảnh hưởng nồng độ SPI và inulin: Nồng độ SPI 6% và inulin 1% là điều kiện tối ưu cho sản phẩm synbiotic, giữ được mật độ sinh khối cao và độ ẩm phù hợp. Mật độ sinh khối giảm dưới 10% khi tăng inulin lên 3%, cho thấy nồng độ prebiotic cần được kiểm soát để không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

  4. Khả năng bảo quản và hoạt tính probiotic: Viên nang synbiotic bảo quản được 85,54% mật độ sinh khối sau 8 tuần ở nhiệt độ phòng, trong khi tế bào tự do chỉ còn 32% sau 60 phút trong môi trường dạ dày nhân tạo. Sản phẩm synbiotic bảo vệ sinh khối tốt hơn 78% so với tế bào tự do trong điều kiện pH thấp.

Thảo luận kết quả

Kết quả tối ưu hóa môi trường nuôi cấy phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy sự kết hợp giữa glucose và pepton đóng vai trò quan trọng trong việc tăng sinh khối S. boulardii. Nhiệt độ sấy phun là yếu tố quyết định đến khả năng sống sót của tế bào, nhiệt độ 100°C được xác định là tối ưu để cân bằng giữa hiệu quả sấy và bảo toàn hoạt tính probiotic.

Việc sử dụng SPI làm chất mang thay thế cho các protein sữa truyền thống đã chứng minh hiệu quả bảo vệ tế bào trong quá trình sấy phun nhờ khả năng tạo gel và liên kết màng tế bào, phù hợp với các nghiên cứu về protein thực vật trong vi gói. Inulin với vai trò prebiotic không chỉ hỗ trợ phát triển vi sinh vật trong ruột mà còn góp phần tạo cấu trúc synbiotic ổn định.

Khả năng bảo quản lâu dài của viên nang synbiotic cho thấy tiềm năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, đáp ứng nhu cầu thị trường về sản phẩm probiotic tiện lợi, hiệu quả và an toàn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mật độ sinh khối theo thời gian bảo quản và bảng so sánh khả năng sống sót trong môi trường dạ dày nhân tạo giữa tế bào tự do và chế phẩm synbiotic.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình nuôi cấy tối ưu: Khuyến nghị sử dụng môi trường YPD với glucose 25 g/l, pepton 6 g/l, cao nấm men 3 g/l, pH 6.5 và thời gian nuôi 36 giờ để thu nhận sinh khối S. boulardii đạt hiệu quả cao. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn sản xuất quy mô pilot; Chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất probiotic.

  2. Kiểm soát điều kiện sấy phun: Nhiệt độ đầu vào sấy phun nên duy trì ở 100°C, áp suất 3 bar để bảo toàn hoạt tính probiotic và giảm thiểu tổn thương tế bào. Thời gian áp dụng: trong toàn bộ quá trình sản xuất; Chủ thể: kỹ thuật viên vận hành máy sấy phun.

  3. Sử dụng protein đậu nành làm chất mang: Khuyến khích sử dụng SPI với nồng độ 6% kết hợp inulin 1% để tạo sản phẩm synbiotic có chất lượng cao, ổn định và thời gian bảo quản lâu. Thời gian áp dụng: trong nghiên cứu phát triển sản phẩm và sản xuất; Chủ thể: nhà nghiên cứu và bộ phận phát triển sản phẩm.

  4. Phát triển sản phẩm viên nang synbiotic: Tạo viên nang synbiotic tiện lợi, dễ sử dụng, bảo quản được trên 8 tuần ở nhiệt độ phòng, đáp ứng nhu cầu thị trường thực phẩm chức năng và dược phẩm probiotic. Thời gian thực hiện: giai đoạn thương mại hóa; Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất và phân phối.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ sinh học và thực phẩm chức năng: Nghiên cứu về probiotic, kỹ thuật vi gói, sấy phun và phát triển sản phẩm synbiotic có thể ứng dụng các kết quả tối ưu hóa môi trường nuôi cấy và quy trình sấy phun.

  2. Doanh nghiệp sản xuất probiotic và thực phẩm chức năng: Áp dụng quy trình sản xuất viên nang synbiotic từ S. boulardii với chất mang protein đậu nành để nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng thời gian bảo quản và mở rộng thị trường.

  3. Chuyên gia y tế và dinh dưỡng: Hiểu rõ về đặc tính probiotic của S. boulardii, khả năng bảo vệ tế bào trong môi trường dạ dày và tác dụng hỗ trợ điều trị các bệnh tiêu hóa, từ đó tư vấn sử dụng sản phẩm hiệu quả.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế thực nghiệm Plackett-Burman và RSM-CCD, kỹ thuật sấy phun vi gói và ứng dụng protein thực vật trong sản xuất probiotic.

Câu hỏi thường gặp

  1. Saccharomyces boulardii là gì và có lợi ích gì?
    S. boulardii là một chủng nấm men probiotic có khả năng cải thiện sức khỏe đường ruột, điều trị tiêu chảy và hỗ trợ cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột. Nghiên cứu cho thấy nó có khả năng sống sót trong môi trường dạ dày và muối mật, đồng thời ức chế vi khuẩn gây bệnh.

  2. Tại sao sử dụng protein đậu nành làm chất mang trong sấy phun?
    Protein đậu nành (SPI) có hàm lượng protein cao, khả năng hòa tan và tạo gel tốt, giúp bảo vệ tế bào probiotic khỏi tổn thương nhiệt trong quá trình sấy phun, đồng thời tạo sản phẩm có độ ẩm thấp, ổn định và dễ bảo quản.

  3. Phương pháp Plackett-Burman và RSM-CCD được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plackett-Burman được dùng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng chính đến sinh khối, còn RSM-CCD giúp tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy dựa trên mô hình toán học, từ đó xác định điều kiện sản xuất hiệu quả nhất.

  4. Viên nang synbiotic có thể bảo quản được bao lâu?
    Theo kết quả nghiên cứu, viên nang synbiotic bảo quản được trên 85% mật độ sinh khối sau 8 tuần ở nhiệt độ phòng, cho thấy khả năng bảo quản lâu dài và giữ được hoạt tính probiotic.

  5. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính probiotic của sản phẩm?
    Hoạt tính probiotic được đánh giá qua khả năng sống sót trong môi trường dạ dày nhân tạo (pH 2), môi trường muối mật, khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh như E. coli và Salmonella, cũng như khả năng giảm cholesterol trong môi trường nuôi cấy.

Kết luận

  • Tối ưu hóa môi trường nuôi cấy S. boulardii đạt mật độ sinh khối 7,86 x 10^8 CFU/ml với glucose 25 g/l, pepton 6 g/l, thời gian 36 giờ.
  • Nhiệt độ sấy phun 100°C, áp suất 3 bar, nồng độ SPI 6% và inulin 1% là điều kiện tối ưu cho sản phẩm synbiotic có mật độ sinh khối cao và độ ẩm phù hợp.
  • Viên nang synbiotic bảo quản được 85,54% mật độ sinh khối sau 8 tuần ở nhiệt độ phòng, vượt trội so với tế bào tự do.
  • Sản phẩm synbiotic có khả năng bảo vệ sinh khối trong môi trường dạ dày nhân tạo lên đến 78%, tăng hiệu quả sử dụng probiotic.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển sản phẩm probiotic công nghiệp từ S. boulardii với chất mang protein thực vật, đáp ứng nhu cầu thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

Next steps: Triển khai sản xuất quy mô pilot, mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong thực phẩm chức năng và dược phẩm, đồng thời khảo sát hiệu quả lâm sàng của sản phẩm viên nang synbiotic.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực probiotic nên áp dụng quy trình và công nghệ được đề xuất để phát triển sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường trong và ngoài nước.