Luận văn thạc sĩ về hiệu suất và cấu trúc của sulfate β glucan từ men bánh mì

• Tác giả: Bùi Trường Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Nhứt
• Trường học: Trường Đại học Nha Trang
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu hiệu suất và cấu trúc sulfate β glucan từ men bánh mì
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Nha Trang

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: NẤM MEN BÁNH MÌ SACCHAROMYCES CEREVISIAE
• 1.1. Giới thiệu chung về β-glucan
• 1.2. Cấu trúc và hoạt tính sulfate β-glucan
• 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 3. MỤC TIÊU LUẬN VĂN
• 4. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 4.1. Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất
• 4.1.1. Mô tả nguồn gốc nguyên liệu
• 4.1.2. Dụng cụ/thiết bị
• 4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 4.2.1. Tách chiết chuẩn bị mẫu β-glucan từ men bánh mì
• 4.2.2. Sulfate hóa men bánh mì chuẩn bị mẫu sulfate β-glucan
• 4.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng sulfate trong sulfate β-glucan
• 4.2.4. Phương pháp định lượng sulfate β-glucan
• 4.2.5. Phương pháp định lượng β-glucan trong nấm men và mẫu sản phẩm thu được từ sulfate hóa nấm men
• 4.2.6. Xác định hiệu suất sulfate hóa β-glucan từ men bánh mì
• 5. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC SẢN PHẨM
• 5.1. Xác định cấu trúc sulfate β-glucan
• 6. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 7. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 7.1. Kết quả tách chiết β-glucan và tổng hợp sulfate β-glucan từ men bánh mì
• 7.2. Xác định β-glucan từ nấm men, β-glucan luận văn, sulfate β-glucan
• 7.3. Xác định hiệu suất chuyển hóa β-glucan từ men bánh mì thành sulfate β-glucan
• 7.4. Xác định cấu trúc sản phẩm sulfate β-glucan
• 8. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC

I. Nấm men bánh mì Saccharomyces cerevisiae

Nấm men bánh mì, đặc biệt là loài Saccharomyces cerevisiae, đã được sử dụng từ lâu trong ngành công nghiệp thực phẩm. Loài nấm men này có vai trò quan trọng trong quá trình lên men, giúp tạo ra các sản phẩm như bánh mì, bia và rượu. Nấm men có hình dạng cầu hoặc hình trứng, kích thước từ 5-14 micromet. Thành phần chính của nấm men bao gồm vách tế bào, màng tế bào chất và tế bào chất. Vách tế bào chứa khoảng 30% β-glucan, một polysaccharide quan trọng có khả năng kích hoạt hệ miễn dịch. Nghiên cứu cho thấy nấm men có thể được nuôi cấy trong môi trường khác nhau để tối ưu hóa sản lượng và chất lượng sản phẩm. Việc hiểu rõ về cấu trúc và thành phần của nấm men sẽ giúp phát triển các ứng dụng trong thực phẩm chức năng và dược phẩm.

II. Giới thiệu chung về β glucan

Hợp chất β-glucan được chiết xuất từ thành tế bào nấm men bánh mì đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Lịch sử nghiên cứu về β-glucan bắt đầu từ những năm 1940, khi TS. Louis Pillemer phát hiện ra khả năng kích hoạt hệ miễn dịch của hợp chất này. β-glucan có khả năng tăng cường sức đề kháng và hỗ trợ điều trị ung thư. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng β-glucan từ nấm men bánh mì có hoạt tính sinh học mạnh mẽ nhất so với các nguồn khác. Việc khai thác và tinh chế β-glucan từ nấm men không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu dồi dào cho ngành công nghiệp thực phẩm chức năng.

III. Cấu trúc và hoạt tính sulfate β glucan

Cấu trúc của sulfate β-glucan được hình thành thông qua quá trình sulfate hóa β-glucan từ nấm men. Quá trình này không chỉ làm tăng tính hòa tan mà còn cải thiện hoạt tính sinh học của hợp chất. Sulfate β-glucan có khả năng kích thích hệ miễn dịch, giúp cơ thể chống lại các tác nhân gây bệnh. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sulfate hóa có thể làm tăng khả năng miễn dịch của β-glucan, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị. Các phương pháp phân tích như FT-IR và NMR được sử dụng để xác định cấu trúc và hàm lượng sulfate trong sản phẩm, từ đó đánh giá hiệu suất của quy trình sulfate hóa.

IV. Tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu về sulfate β-glucan từ nấm men bánh mì đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Các nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng β-glucan có thể được sử dụng như một thành phần trong thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe và tăng cường miễn dịch. Tại Việt Nam, nghiên cứu về sulfate β-glucan đang được chú trọng, với nhiều dự án nhằm phát triển công nghệ sản xuất và ứng dụng trong điều trị bệnh. Việc nghiên cứu và phát triển sulfate β-glucan từ nấm men bánh mì không chỉ mang lại lợi ích cho sức khỏe cộng đồng mà còn mở ra cơ hội cho ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về sulfate β-glucan từ nấm men bánh mì đã chỉ ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm thực phẩm chức năng và dược phẩm. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất chuyển hóa β-glucan thành sulfate β-glucan là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thị trường. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện công nghệ tách chiết và sulfate hóa, đồng thời đánh giá tác động của sulfate β-glucan đối với sức khỏe con người. Điều này không chỉ giúp nâng cao giá trị của sản phẩm mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Nấm men bánh mì Saccharomyces cerevisiae là nguồn nguyên liệu giàu β-glucan, một polysaccharide có hoạt tính sinh học đa dạng, đặc biệt trong hỗ trợ điều trị ung thư. Theo ước tính, β-glucan chiếm khoảng 14,19% trọng lượng men bánh mì khô Saf-instant® đỏ, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Tuy nhiên, β-glucan nguyên thủy khó tan trong nước sinh lý, hạn chế ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong các liệu pháp tiêm truyền. Sulfate hóa β-glucan được xem là phương pháp biến đổi hóa học hiệu quả nhằm tăng độ hòa tan và hoạt tính sinh học, đặc biệt là khả năng kháng u và điều hòa miễn dịch.

Luận văn tập trung nghiên cứu qui trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì để thu nhận sulfate β-glucan bán tổng hợp, nhằm xác định hiệu suất chuyển hóa và phân tích cấu trúc sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu men bánh mì Saf-instant® đỏ tại Viện Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Nha Trang trong giai đoạn 2019-2020. Mục tiêu cụ thể là so sánh hàm lượng β-glucan trong men bánh mì và sản phẩm sulfate hóa, đồng thời phân tích cấu trúc sulfate β-glucan bằng các phương pháp phổ học hiện đại.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất nguyên liệu hỗ trợ điều trị ung thư từ nguồn sinh khối nấm men, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và ứng dụng trong ngành dược phẩm, thực phẩm chức năng. Việc tối ưu hóa qui trình sulfate hóa trực tiếp giúp giảm chi phí sản xuất, tăng hiệu quả chuyển hóa và mở rộng khả năng ứng dụng của β-glucan trong y học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc và hoạt tính sinh học của β-glucan, và lý thuyết biến đổi hóa học polysaccharide qua sulfate hóa. β-glucan là polysaccharide gồm các chuỗi glucose liên kết β-(1→3) và β-(1→6), chiếm khoảng 14,19% trong men bánh mì. Sulfate hóa là quá trình gắn nhóm sulfate (-SO3Na) vào các vị trí C2, C4, C6 của glucose, làm tăng độ hòa tan và hoạt tính sinh học, đặc biệt là kháng u, kháng virus và điều hòa miễn dịch.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

• Hiệu suất sulfate hóa: tỷ lệ chuyển hóa β-glucan thành sulfate β-glucan, được tính theo khối lượng và số mol nhóm sulfate.
• Phổ học phân tích cấu trúc: sử dụng phổ FT-IR, HSQC và CNMR để xác định sự thay đổi cấu trúc sau sulfate hóa.
• Phương pháp định lượng β-glucan: dựa trên chuẩn độ ferricyanide và phương pháp β-glucan assay kit theo tiêu chuẩn AOAC 2016.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là men bánh mì khô Saf-instant® đỏ và sản phẩm sulfate β-glucan thu được từ qui trình sulfate hóa trực tiếp. Cỡ mẫu gồm 5 gam men bánh mì cho tách chiết β-glucan và 1 kg men bánh mì cho sulfate hóa trực tiếp. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện từ lô sản phẩm thương mại.

Qui trình nghiên cứu gồm hai bước:

1. Tách chiết β-glucan từ men bánh mì bằng chất lỏng ion [BMIM]Cl ở 80°C trong 15 phút, thu được β-glucan tinh sạch làm mẫu đối chứng.
2. Sulfate hóa trực tiếp men bánh mì bằng hỗn hợp Na2S2O7 và DMSO ở 80°C trong 2 giờ, sau đó xử lý trung hòa, lọc và tinh chế bằng ethanol và lọc rây phân tử 100-150 kDa để thu sulfate β-glucan.

Phân tích hàm lượng β-glucan và sulfate β-glucan được thực hiện bằng phương pháp chuẩn độ ferricyanide và cetylpyridinium chloride (CPC). Cấu trúc sản phẩm được xác định qua phổ FT-IR, HSQC và CNMR. Dữ liệu được xử lý thống kê trên Excel, trình bày dưới dạng Mean ± SE.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hàm lượng β-glucan trong men bánh mì và sản phẩm sulfate hóa:

   • Hàm lượng β-glucan trong men bánh mì là 14,19%.
   • Hàm lượng β-glucan tinh sạch tách chiết đạt 96,68%.
   • Hàm lượng β-glucan trong sản phẩm sulfate β-glucan là 81,27%.
     Sự giảm nhẹ hàm lượng β-glucan trong sản phẩm sulfate hóa phản ánh quá trình biến đổi hóa học và tách lọc trong qui trình.

2. Hiệu suất chuyển hóa sulfate hóa:

   • Hiệu suất sulfate hóa tính theo khối lượng đạt khoảng 81%.
   • Hiệu suất tính theo số mol nhóm sulfate cũng tương đương, cho thấy quá trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì đạt hiệu quả cao.

3. Phân tích cấu trúc sản phẩm sulfate β-glucan:

   • Phổ FT-IR của sulfate β-glucan xuất hiện các đỉnh đặc trưng tại 1248 cm⁻¹ và 810 cm⁻¹, chứng tỏ sự gắn nhóm sulfate.
   • Phổ HSQC và CNMR cho thấy sự dịch chuyển tín hiệu carbon tại vị trí C2, C4, C6 về trường thấp, xác nhận nhóm sulfate đã thay thế nhóm hydroxyl.
   • So sánh phổ với β-glucan chuẩn cho thấy sự khác biệt rõ ràng, khẳng định thành công quá trình sulfate hóa.

4. Tính chất vật lý và hóa học:

   • Sản phẩm sulfate β-glucan có độ hòa tan trong nước cao hơn đáng kể so với β-glucan nguyên thủy.
   • Khối lượng phân tử của sulfate β-glucan được kiểm soát trong khoảng 100-150 kDa, phù hợp với hoạt tính sinh học mong muốn.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất sulfate hóa trực tiếp men bánh mì đạt khoảng 81% là kết quả vượt trội so với các phương pháp sulfate hóa truyền thống, thường chỉ đạt 37-50%. Nguyên nhân chính là việc sử dụng dung môi DMSO an toàn và sodium pyrosulfate làm tác nhân sulfate hóa, kết hợp với điều kiện phản ứng tối ưu (80°C, 2 giờ) giúp tăng hiệu quả chuyển hóa. Việc tách chiết β-glucan bằng chất lỏng ion [BMIM]Cl cũng giúp thu được mẫu đối chứng tinh khiết, làm cơ sở so sánh chính xác.

Phổ FT-IR và phổ NMR cho thấy sự thay đổi cấu trúc rõ ràng, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về sulfate β-glucan từ Saccharomyces cerevisiae. Sự dịch chuyển tín hiệu carbon về trường thấp tại các vị trí C2, C4, C6 là dấu hiệu đặc trưng của quá trình sulfate hóa, đồng thời tăng độ hòa tan và hoạt tính sinh học.

Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu của các tác giả quốc tế, đồng thời khắc phục được nhược điểm của các phương pháp sulfate hóa trước đây như sử dụng hóa chất độc hại, quy trình phức tạp và hiệu suất thấp. Việc phát triển qui trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì giúp giảm chi phí, tăng tính khả thi sản xuất quy mô công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng β-glucan và sulfate β-glucan, bảng hiệu suất sulfate hóa, cùng phổ FT-IR và phổ HSQC minh họa sự thay đổi cấu trúc rõ nét.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất quy mô công nghiệp sulfate β-glucan: Áp dụng qui trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì với điều kiện 80°C, 2 giờ, sử dụng Na2S2O7 và DMSO, nhằm đạt hiệu suất chuyển hóa trên 80%. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các doanh nghiệp dược phẩm và thực phẩm chức năng chủ trì.

2. Nghiên cứu mở rộng hoạt tính sinh học của sulfate β-glucan: Thực hiện các thử nghiệm in vitro và in vivo về kháng u, kháng virus, và điều hòa miễn dịch để đánh giá tiềm năng ứng dụng trong y học. Thời gian 12-18 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng và dược liệu từ sulfate β-glucan: Thiết kế công thức, thử nghiệm ổn định và an toàn sản phẩm, hướng tới thị trường trong nước và xuất khẩu. Thời gian 18-24 tháng, do các công ty dược phẩm và thực phẩm chức năng thực hiện.

4. Tối ưu hóa quy trình sulfate hóa và tách chiết: Nghiên cứu thay thế dung môi DMSO bằng các dung môi thân thiện môi trường hơn, đồng thời cải tiến thiết bị lọc rây phân tử để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí. Thời gian 12 tháng, do các trung tâm công nghệ và viện nghiên cứu đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Hóa học và Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về qui trình sulfate hóa polysaccharide, phương pháp phân tích cấu trúc hiện đại, giúp phát triển nghiên cứu sâu hơn về polysaccharide sinh học.

2. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Thông tin về qui trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì giúp doanh nghiệp áp dụng công nghệ mới, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu và sản xuất.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Dược học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích định lượng và cấu trúc polysaccharide, cũng như ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.

4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển ngành công nghiệp sinh học, thúc đẩy ứng dụng các sản phẩm sinh học trong y tế và dinh dưỡng.

Câu hỏi thường gặp

1. Sulfate hóa β-glucan có tác dụng gì trong điều trị ung thư?
   Sulfate hóa làm tăng độ hòa tan và hoạt tính sinh học của β-glucan, giúp kích hoạt hệ miễn dịch, ức chế sự phát triển tế bào ung thư và ngăn ngừa di căn. Ví dụ, sulfate β-glucan đã được chứng minh có tác dụng kháng u trên tế bào ung thư biểu mô dạ dày và vú.

2. Phương pháp sulfate hóa trực tiếp men bánh mì có ưu điểm gì?
   Phương pháp này rút ngắn quy trình, giảm chi phí do không cần tách chiết β-glucan trước khi sulfate hóa, đồng thời đạt hiệu suất chuyển hóa cao (~81%), sử dụng dung môi ít độc hại như DMSO, phù hợp sản xuất công nghiệp.

3. Làm thế nào để xác định hàm lượng sulfate trong sản phẩm?
   Hàm lượng sulfate được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với cetylpyridinium chloride (CPC), phương pháp duy nhất chuẩn độ định lượng nhóm sulfate trong polysaccharide, cho kết quả chính xác và tin cậy.

4. Sản phẩm sulfate β-glucan có an toàn khi sử dụng không?
   Sulfate β-glucan được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, sử dụng dung môi và hóa chất an toàn, không chứa tạp chất độc hại. Các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy không có tác dụng phụ nghiêm trọng khi sử dụng trong y học.

5. Có thể ứng dụng sulfate β-glucan trong lĩnh vực nào ngoài y học?
   Ngoài y học, sulfate β-glucan còn được ứng dụng trong thực phẩm chức năng, mỹ phẩm, và ngành công nghiệp dược liệu nhờ các hoạt tính chống oxy hóa, chống viêm, giảm cholesterol và tăng cường miễn dịch.

Kết luận

• Đã phát triển thành công qui trình sulfate hóa trực tiếp men bánh mì để thu nhận sulfate β-glucan với hiệu suất chuyển hóa khoảng 81%.
• Phân tích cấu trúc bằng phổ FT-IR, HSQC và CNMR xác nhận sự gắn nhóm sulfate vào vị trí C2, C4, C6 của β-glucan.
• Sản phẩm sulfate β-glucan có độ hòa tan cao và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y học và công nghiệp dược phẩm.
• Qui trình sử dụng dung môi DMSO và sodium pyrosulfate an toàn, phù hợp sản xuất quy mô công nghiệp.
• Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng hoạt tính sinh học và phát triển sản phẩm ứng dụng trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời tiến hành các thử nghiệm lâm sàng để đánh giá hiệu quả và an toàn của sulfate β-glucan trong hỗ trợ điều trị ung thư.