Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu dầu sinh học omega 3 6 từ vi tảo Schizochytrium mangrovei TB17

Luận án tiến sĩ nghiên cứu dầu sinh học giàu omega 3, 6 từ vi tảo Schizochytrium mangrovei TB17, ứng dụng trong thực phẩm bảo vệ sức khỏe.

• Tác giả: Lê Thị Thơm
• Người hướng dẫn: GS. Đặng Diễm Hồng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu dầu sinh học giàu axit béo omega 3 - 6 từ chủng vi tảo biển dị dưỡng Việt Nam Schizochytrium mangrovei TB17 để làm thực phẩm bảo vệ sức khỏe cho con người
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung về axit béo, vai trò, nguồn gốc và con đường sinh tổng hợp axít béo
• 1.1.1. Giới thiệu chung về axit béo
• 1.1.2. Vai trò và ứng dụng của PUFAs
• 1.1.3. Nguồn cung cấp PUFAs
• 1.1.4. Con đường sinh tổng hợp PUFAs ở vi tảo
• 1.2. Vi tảo biển dị dưỡng, công nghệ nhân nuôi sinh khối và các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình nhân nuôi sinh khối
• 1.2.1. Vị trí phân loại và đặc điểm của chi Schizochytrium
• 1.2.2. Công nghệ nhân nuôi sinh khối vi tảo biển dị dưỡng trên thế giới
• 1.2.3. Công nghệ nhân nuôi sinh khối chi Schizochytrium trên các quy mô khác nhau và sản xuất thương mại DHA
• 1.2.4. Một số điều kiện ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và sản xuất DHA ở thraustochytrid, đặc biệt là chi Schizochytrium
• 1.3. Các phương pháp tách chiết, tinh sạch PUFAs, bảo quản dầu
• 1.3.1. Các phương pháp tách chiết dầu thô có chứa PUFAs
• 1.3.2. Các phương pháp thủy phân dầu từ dầu thô
• 1.3.3. Các phương pháp tinh sạch PUFAs, DHA, EPA, DPA
• 1.3.4. Bảo quản axit béo
• 1.4. Nghiên cứu tính an toàn và tác dụng tăng cường trí nhớ, khả năng học tập của dầu tách chiết từ Schizochutrium đối với người và động vật
• 1.5. Tình hình sản xuất và tách chiết PUFAs từ VTBDD ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chủng tảo và điều kiện nhân nuôi sinh khối
• 2.2. Động vật thí nghiệm
• 2.3. Sinh khối tảo và cặp mồi đặc hiệu
• 2.4. Địa điểm nghiên cứu
• 2.5. Hóa chất và thiết bị sử dụng
• 2.5.1. Các dụng cụ và thiết bị sử dụng
• 2.5.2. Môi trường
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.6.1. Sàng lọc và nhân nuôi sinh khối chủng tiềm năng trong các hệ thống lên men khác nhau cho tích lũy các axit béo ω 3 - 6 cao
• 2.6.2. Phương pháp tách chiết lipit và làm giàu hỗn hợp axít béo giàu ω 3 - 6
• 2.6.3. Xác định các chỉ tiêu chất lượng của dầu
• 2.6.4. Tính an toàn và tác dụng tăng cường trí nhớ, khả năng học tập của viên Algal oil omega 3 (AOO-3-6)
• 2.7. Bố trí thí nghiệm
• 2.7.1. Sàng lọc nhanh chủng/loài tiềm năng cho sản xuất sinh khối giàu axit béo ω 3 - 6
• 2.7.2. Thí nghiệm nghiên cứu đặc điểm sinh lý, sinh hóa của chủng tiềm năng
• 2.7.3. Nhân nuôi sinh khối chủng S. mangrovei TB17 trong các hệ thống lên men khác nhau (1, 5, 10, 30 và 150 Lít)
• 2.7.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện đến quá trình tách chiết dầu sinh học giàu axít béo ω 3 - 6
• 2.7.5. Nghiên cứu khả năng bảo quản của các chất chống oxy hóa lên chất lượng dầu sinh học omega-3 và omega-6
• 2.7.6. Nghiên cứu tính an toàn và tác dụng tăng cường trí nhớ, khả năng học tập của viên AOO-3-6
• 2.8. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Sàng lọc chủng/loài tiềm năng và lựa chọn điều kiện nhân nuôi sinh khối thích hợp ở các quy mô khác nhau
• 3.1.1. Sàng lọc nhanh chủng/loài tiềm năng cho sản xuất sinh khối giàu axit béo omega 3 - 6
• 3.1.2. Lựa chọn điều kiện nhân nuôi sinh khối thích hợp chủng TB17 ở quy mô bình tam giác lên sinh trưởng và tích lũy axit béo
• 3.1.3. Nhân nuôi sinh khối ở các hệ thống lên men 5 và 10 Lít
• 3.1.4. Nhân nuôi sinh khối ở hệ thống lên men 30 Lít
• 3.1.5. Nhân nuôi sinh khối ở các hệ thống lên men 150 Lít
• 3.1.6. Các phương pháp nhân nuôi khác nhau để cung cấp sinh khối giàu axít béo ω 3 – 6
• 3.1.7. Thu hoạch sinh khối chủng S.
• 3.2. Tách chiết dầu sinh học giàu axit béo ω 3 - 6 từ SKK chủng TB17
• 3.2.1. Sản xuất dầu sinh học giàu axít béo ω 3 - 6 dạng FFA
• 3.2.2. Sản xuất dầu sinh học giàu axít béo ω 3 - 6 dạng methyl este
• 3.2.3. So sánh 2 phương pháp tách chiết dầu (dạng FFA và dạng methyl ester) từ sinh khối tươi và SKK
• 3.2.4. Sản xuất và đánh giá chất lượng dầu sinh học giàu axit béo ω 3 - 6 ở quy mô 100g SKK/mẻ
• 3.3. Các điều kiện bảo quản dầu, sản xuất viên nang mềm và đánh giá tính an toàn, tác dụng tăng cường trí nhớ, khả năng học tập của viên nang mềm AOO-3-6
• 3.3.1. Ảnh hưởng của các chất chống oxy hóa đến quá trình bảo quản dầu giàu các axit béo ω 3 - 6
• 3.3.2. Nghiên cứu sản xuất viên nang mềm algal oil omega 3 - 6 từ dầu sinh học giàu axit béo ω 3 – 6
• 3.3.3. Nghiên cứu tính an toàn và tác dụng tăng cường trí nhớ, khả năng học tập của viên dầu tảo AOO-3-6
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dầu sinh học và axit béo omega 3 omega 6

Dầu sinh học từ vi tảo, đặc biệt là từ chủng Schizochytrium mangrovei, đã trở thành một nguồn cung cấp quan trọng cho các axit béo omega 3 và omega 6. Các axit béo này đóng vai trò thiết yếu trong dinh dưỡng con người, giúp cải thiện sức khỏe tim mạch, hỗ trợ chức năng não bộ và có tác dụng chống viêm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung các axit béo này có thể giảm nguy cơ mắc các bệnh mãn tính như bệnh tim mạch và tiểu đường. Theo một nghiên cứu, việc tiêu thụ dầu sinh học giàu omega 3 có thể làm giảm mức cholesterol xấu trong cơ thể, từ đó cải thiện sức khỏe tim mạch.

1.1. Vai trò của omega 3 và omega 6 trong sức khỏe con người

Axit béo omega 3 và omega 6 là những thành phần quan trọng trong chế độ ăn uống hàng ngày. Chúng không chỉ giúp duy trì chức năng tế bào mà còn có tác dụng tích cực đến sức khỏe tâm thần. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng omega 3 có khả năng cải thiện trí nhớ và khả năng học tập, trong khi omega 6 cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các phản ứng viêm trong cơ thể. Việc bổ sung đầy đủ hai loại axit béo này từ các nguồn tự nhiên như dầu từ vi tảo có thể giúp cân bằng dinh dưỡng và nâng cao sức khỏe tổng thể.

II. Nguồn cung cấp và công nghệ sản xuất dầu sinh học từ vi tảo

Vi tảo Schizochytrium mangrovei là một trong những nguồn cung cấp dầu sinh học giàu axit béo omega 3 và omega 6. Công nghệ nuôi trồng vi tảo đã được phát triển để tối ưu hóa sản xuất sinh khối và hàm lượng lipid. Các nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện nuôi trồng như nhiệt độ, độ mặn và nguồn dinh dưỡng có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng dầu. Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong nuôi trồng và thu hoạch vi tảo không chỉ giúp tăng hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng dầu đạt tiêu chuẩn cao nhất cho sức khỏe con người.

2.1. Công nghệ tách chiết và tinh chế dầu từ vi tảo

Các phương pháp tách chiết dầu từ vi tảo bao gồm sử dụng dung môi hữu cơ, phương pháp thủy phân và các công nghệ hiện đại như siêu âm và enzym. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình thu hồi lipid, đảm bảo giữ lại các axit béo thiết yếu như DHA và EPA. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng công nghệ tách chiết tiên tiến không chỉ nâng cao hiệu suất thu hồi mà còn cải thiện chất lượng dầu, giúp sản phẩm cuối cùng an toàn và hiệu quả cho sức khỏe người tiêu dùng.

III. Tác dụng của dầu sinh học đối với sức khỏe con người

Dầu sinh học từ vi tảo không chỉ cung cấp các axit béo thiết yếu mà còn có tác dụng tích cực đến sức khỏe con người. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiêu thụ dầu sinh học giàu omega 3 có thể giúp cải thiện chức năng não bộ, tăng cường trí nhớ và khả năng học tập. Ngoài ra, dầu này còn có tác dụng chống viêm, giúp giảm nguy cơ mắc các bệnh mãn tính như bệnh tim mạch và tiểu đường. Việc bổ sung dầu sinh học vào chế độ ăn uống hàng ngày có thể mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe tổng thể.

3.1. Nghiên cứu về tác dụng của dầu sinh học đối với sức khỏe tim mạch

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng axit béo omega 3 có khả năng làm giảm mức cholesterol xấu và triglyceride trong máu, từ đó giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Việc tiêu thụ dầu sinh học từ vi tảo có thể giúp cải thiện sức khỏe tim mạch một cách hiệu quả. Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những người tiêu thụ dầu sinh học thường xuyên có nguy cơ mắc bệnh tim mạch thấp hơn so với những người không sử dụng. Điều này cho thấy rằng dầu sinh học từ vi tảo không chỉ là nguồn dinh dưỡng mà còn là một biện pháp phòng ngừa bệnh tật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung về axit béo, vai trò, nguồn gốc và con đường sinh tổng hợp axít béo Các axít béo ω 3 - 6 có nhiều chức năng sinh học như: cải thiện hiệu quả bệnh tim mạch; giảm nguy cơ loạn nhịp tim (có thể dẫn tới đột tử); có hiệu quả rõ rệt trong điều trị suy nhược; giảm nguy cơ hình thành khối u tuyến tiền liệt (có thể dẫn đến đau tim và đột quỵ); làm chậm tốc độ tăng trưởng của mảng xơ vữa động mạch; cải thiện chức năng nội mô; hạ huyết áp (nhẹ) và giảm phản ứng viêm. Chính những đặc điểm trên mà các axít béo ω 3 - 6 ngày càng được ứng dụng trong thực phẩm bảo vệ sức khỏe cho con người. Do vậy, những đặc điểm chính về axít béo ω 3 - 6 sẽ được trình bày khái quát dưới đây.

Giới thiệu chung về axit béo Axít béo có công thức tổng quát: CH3-(CH2)n-COOH. PUFAs là các axít béo mạch dài (18 - 22 nguyên tử cacbon) có chứa hai hoặc nhiều hơn các liên kết đôi. Mạch hydrocarbon có 2 đầu: một đầu là nhóm methyl và một đầu là nhóm cacboxyl. Chúng được phân loại theo vị trí của liên kết đôi đầu tiên tính từ gốc methyl hay gốc cacboxyl.

Để chỉ vị trí nối đôi đầu tiên trên mạch cacbon được tính từ đầu methyl người ta có thể sử dụng ký hiệu “n” hoặc “ω”. Các liên kết đôi trong PUFAs cũng có thể được tính từ gốc carboxyl và được ký hiệu “Δ”. Những nhóm ω-3, ω-6 hay ω-9 PUFAs có liên kết đôi đầu tiên tương ứng tại vị trí cacbon số 3, 6 hay 9 tính từ gốc methyl [1]. Mạch cacbon của axít béo no thường có dạng zíc zắc, kéo thành chuỗi dài không cong.

Các axít béo không no, có một liên kết đôi dạng cis thì mạch cacbon bị uốn cong 30°, càng có nhiều liên kết đôi, mạch cacbon càng bị uốn cong nhiều hơn. Có giả thiết cho rằng mạch cacbon của axít béo không no dạng cis có ý nghĩa quan trọng đối với màng sinh học. Theo nghiên cứu của Kelter và cộng sự (1999) [2] cho thấy các phân tử không thể chuyển từ dạng cis- sang dạng trans- hoặc ngược lại trong trường hợp bình thường. Kiểu đồng phân cis- hoặc trans- là nguyên nhân dẫn đến tính chất khác nhau của các axít béo.

Vị trí của các nối đôi trong chuỗi cacbon của PUFAs tạo nên một sự khác biệt lớn trong việc cơ thể con người chuyển hóa chúng. Các tế bào của cơ thể con người chỉ có thể tạo nối đôi C = C tổng hợp axít béo kể từ cacbon thứ 9 trở đi. Điều này có nghĩa là con người không thể tự tổng hợp được axít béo ω - 3 và ω - 6. Do đó hai loại axít béo này chỉ có thể được lấy qua chế độ ăn uống hàng ngày [3].

Hoạt 5 tính sinh học của các axít béo phụ thuộc vào các dạng cấu trúc hóa học đặc trưng của chúng. Axít béo có một số dạng cấu trúc chính như ethyl este (EE), axít béo tự do (free fatty acid - FFA) và triacylglycerols (TAGs). Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các axít béo dạng EE có hoạt tính sinh học thấp hơn so với dạng FFA và TAG [4]. Sự hấp thụ EPA ở dạng triglycerid là 90% trong khi ở dạng ethyl ester chỉ là 60% [5].

Có hai nhóm axít béo không thay thế quan trọng là ω - 3 và ω - 6. Các axít béo ω - 3 quan trọng nhất là: ALA (C18:3), EPA, DHA, DPA. Các axít béo ω - 6 chính là: axit linoleic (LA; C18:2 ω-6), gama linoleic (GLA - C18:3), eicosadienoic, dihomo-gamma-linoleic (DGLA), ARA (C20:4), DPA [6]. Axít docosahexaenoic (DHA) DHA có công thức phân tử C22H32O2, là một axít béo ω - 3 không bão hòa đa nối đôi.

Nó có 22 nguyên tử cacbon trong chuỗi hydrocarbon, có 6 liên kết đôi ở các vị trí cacbon số 4, 7, 10, 13, 16 và 19, có công thức tổng quát là: CH3(CH2CH = CH)6(CH2)2COOH và được kí hiệu là C22:6 ω-3 [7]. DHA có thể được chuyển thành docosanoids. Các liên kết đôi (- C = C -) có cấu hình cis (- C/C = C\C -) để hoạt động sinh lý. Cấu trúc không bão hòa đa nối đôi (= CH - CH2 - CH =) xoay quanh là các liên kết đơn (C - C) liền kề.

Do đó, nó làm tăng khả năng liên kết hơn so với phân tử không có liên kết đôi nào. Điều này làm tăng tính linh hoạt của phân tử rất nhiều [8]. Trọng lượng phân tử của DHA là 328,6 g/mol. Ở điều kiện chuẩn, DHA tồn tại dạng lỏng, không tan trong nước, tan trong dung môi không phân cực.

Cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của DHA được trình bày trên Hình 1. Cấu trúc hóa học (A) và cấu trúc không gian (B) của DHA [7] 1. Axít eicosapentaenoic (EPA) EPA có công thức phân tử C20H30O2, là một axít béo ω-3 không bão hòa đa nối đôi. Nó có 20 nguyên tử cacbon trong chuỗi hydrocarbon, có 5 liên kết đôi ở các vị trí cacbon số 5, 8, 11, 14 và 17, có công thức tổng quát là: CH3(CH=CH=CH)5 (CH2)3COOH và ký hiệu là C20:5 ω-3.

Trọng lượng phân tử của EPA là 302,451 g/mol. EPA tồn tại dạng lỏng ở điều kiện chuẩn, bay hơi ở 439oC, khối lượng riêng 6 0,943g/cm3. Cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của EPA được trình bày trên Hình 1. Cấu trúc hóa học (A) và cấu trúc không gian (B) của EPA [9] 1.

Axít docosapentaenoic (DPA) DPA có công thức phân tử C22H34O2. Trọng lượng phân tử của DPA là 330,5 g/mol. DPA là một axít béo không bão hòa đa nối đôi. Nó có 22 nguyên tử cacbon trong chuỗi hydrocarbon, có 5 liên kết đôi.

DPA có hai dạng đồng phân: all - cis - 4,7,10,13,16 - docosapentaenoic axít và all - cis - 7,10,13,16,19 - docosapentaenoic axít (Hình 1. Chúng thường được gọi là ω-6 DPA và ω-3 DPA, tương ứng; chỉ vị trí của liên kết đôi là 6 hoặc 3 nguyên tử cacbon gần nhất với cacbon ở đầu methyl của phân tử. Động vật có vú, kể cả con người, không thể tổng hợp được hai axít béo này và do đó phải thu nhận qua con đường thức ăn để duy trì sức khỏe bình thường. Cấu trúc hóa học của ω - 6 DPA và ω - 3 DPA được trình bày trên Hình 1.

Vai trò và ứng dụng của PUFAs Hiện nay, PUFAs như ALA, EPA và DHA đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất bởi chúng có ảnh hưởng tích cực đến sức khỏe con người và động vật. Đặc biệt là DHA rất đa dạng về chức năng cũng đã được chứng minh bởi Hashimoto và cộng sự (2017) [11]. Vai trò của PUFAs đối với sức khoẻ con người PUFAs có một số vai trò sinh học chủ yếu: PUFAs tham gia vào sự điều hòa quá trình trao đổi lipit, vận chuyển và hướng tới các mô. Ví dụ, các hoạt động bao gồm sự ức chế quá trình sinh tổng hợp triacylglycerol (TAG) ở gan bởi  - 3 PUFAs.

Bên cạnh đó, PUFAs còn tham gia vào thành phần cấu trúc nên thành tế bào. Sự có mặt của chúng trong thành phần phospholipit góp phần tạo nên tính linh động của màng. Điều này góp phần quan trọng trong việc điều chỉnh hoạt động của các protein màng. PUFAs là thành phần quan trọng cấu tạo nên tế bào não, đặc biệt đối với trẻ nhỏ từ 0 - 2 tuổi.

Axít béo này cũng có ảnh hưởng quan trọng theo hướng tích cực đến hoạt động của hệ thống thần kinh trung ương, cần thiết cho sự phát triển chức năng não bộ và thị giác ở trẻ nhỏ, não bộ không thể duy trì hoạt động nếu như không có những axít béo quan trọng này [12]. Để duy trì màng tế bào, chức năng não và truyền các xung thần kinh, các axít béo ω 3 - 6 cũng tham gia vào việc chuyển oxy trong quá trình tổng hợp hemoglobin và phân chia tế bào [13]. PUFAs góp phần cải thiện hiệu quả bệnh tim mạch: giảm nguy cơ loạn nhịp tim; có hiệu quả rõ rệt trong điều trị suy nhược; giảm nguy cơ hình thành khối u tuyến tiền liệt; làm chậm tốc độ tăng trưởng của mảng xơ vữa động mạch; cải thiện chức năng nội mô; hạ huyết áp (nhẹ) và giảm phản ứng viêm [12]. So với các cơ quan khác hàm lượng DHA trong não và mắt cao hơn.

DHA đặc biệt tập trung vào chất xám của não và võng mạc. Trong não, DHA có liên quan đến tín hiệu thần kinh, trong khi ở mắt nó có liên quan đến chất lượng thị lực. DHA được tích lũy trong não và mắt vào giai đoạn phôi thai sớm và cuối thai kỳ. Hàm lượng DHA thấp làm giảm sự phát triển nhận thức và chức năng thị giác [7].

Axít béo ω - 3 cũng đã được điều tra tính hiệu quả trong rất nhiều các nghiên cứu về sức khỏe con người bao gồm các loại ung thư khác nhau như: đại tràng, vú, và tuyến tiền liệt. Nhiều kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy việc sử dụng các axít béo ω - 3 để cải thiện tình trạng bệnh tiểu đường thai kỳ, có lợi trong việc điều hòa chức năng trao đổi chất của mẹ và thai nhi [14]. Trong chế độ ăn chứa LA (ω - 6) và ALA (ω - 3) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hàm lượng PUFAs ω 3 - 6 của tế bào nội mô. Việc chuyển ALA thành EPA và DHA phụ thuộc vào một số yếu tố di truyền, chế độ ăn uống (tỷ lệ LA và ALA), giới tính và các enzyme desaturase và elongases [15].

Các axit béo ω - 6 như linoleic và DPA có tác dụng chống viêm dây thần kinh trong cơ thể người ở các mô hình về bệnh Alzheimer. Trong đó, axit linoleic ω - 6 có trong khẩu phần ăn sẽ làm tăng chất chuyển hóa DPA ω - 6 trong não và có tác dụng thúc đẩy quá trình 8 chống viêm dây thần kinh dẫn đến làm giảm bệnh Alzheimer [16]. Ngoài ra, DPA ω - 6 đã được chứng minh có tác dụng chống viêm, giảm phù nề và tăng cường tác dụng khi kết hợp với DHA [17], giảm co thắt mạch máu và kết tụ tiểu cầu [15]. Vai trò của PUFAs đối với nuôi trồng thủy sản (NTTS) PUFAs như axít EPA, ARA và DHA cũng là thành phần rất quan trọng bởi nó cần thiết cho sự phát triển và biến thái của ấu trùng.

Tuy nhiên, cần chú ý là tỷ lệ giữa DHA, EPA và ARA có thể còn quan trọng hơn rất nhiều so với hàm lượng của chúng. Các loài vi tảo có hàm lượng dinh dưỡng rất cao, đặc biệt là các axít béo [18].