CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Rong biển là những sinh vật toàn dưỡng, có khả năng hấp thụ trực tiếp chất dinh dưỡng từ nước để tổng hợp nên chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp. Các loài rong biển đã tạo nên khoảng 25% vật chất hữu cơ của trái đất. Nghiên cứu các hợp chất có hoạt tính sinh học từ rong biển có thể đi theo các hướng như các hợp chất polysaccharide, protein, lipid hay các nguyên tố vi lượng.
Trên thế giới, các kết quả công bố cho thấy rong biển chứa nhiều khoáng chất và sinh tố, nhiều carbonhydrate, protein và lipid trong đó có các acid béo không no nhiều nối đôi thiết yếu đối với cơ thể sống, chúng có giá trị lớn trong thực phẩm, y dược và mỹ phẩm [1]. Quần thể rong biển cung cấp nơi trú ẩn và môi trường sống cho các sinh vật biển khác nhau trong toàn bộ hoặc một phần vòng đời của chúng [2]. Rong biển đóng một vai trò sinh thái quan trọng trong việc cung cấp chất dinh dưỡng và năng lượng cho các sinh vật biển, cả trực tiếp hoặc gián tiếp [3]. Chúng là một nguồn dinh dưỡng tiềm năng bao gồm các chất đa và vi lượng, các protein chất lượng cao, chất xơ hòa tan, các thành phần vitamin, khoáng chất và acid béo giúp bảo vệ cơ thể con người chống lại nhiều bệnh [4].
Rong biển từ lâu đã được sử dụng làm thực phẩm ở các nước châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc bởi rong biển không chỉ ngon mà còn tốt cho sức khỏe [5]. Bên cạnh giá trị dinh dưỡng, chúng còn có các tác dụng sinh lý khác nhau đối với sức khỏe và bệnh tật nhờ sự đa dạng trong thành phần các chất chuyển hóa chính của chúng [6,7]. Các chất chuyển hóa này đã được ứng dụng cho nhiều nhu cầu sinh học và chức năng bao gồm các hoạt động kích thích miễn dịch [8,9], chống oxy hóa, kháng khuẩn và chống ung thư [10]. Trong những năm gần đây, những tiến bộ về khoa học và công nghệ đã thúc đẩy việc khai thác rong biển làm thực phẩm chức năng, dược phẩm và y học [11,12].
4 Hiện nay, có nhiều quan điểm về phân loại rong tảo biển trong đó 2 hệ thống được công nhận nhiều là hệ thống phân loại của Gollerbakh [13] và Philip Size [14]. Theo Gollerbakh, rong biển được phân chia thành 10 ngành, bao gồm: Ngành rong lam/ khuẩn lam – (Cyanophyta); Ngành tảo giáp (Pyrrophyta); Ngành tảo vàng ánh (Chrysophyta); Ngành tảo khuê (Bacillariophyta); Ngành rong nâu (Phaeophyta/Ochrophyta); Ngành rong đỏ (Rhodophyta); Ngành tảo vàng (Xanthophyta); Ngành tảo mắt (Euglenophyta); Ngành rong lục (Chlorophyta) và Ngành tảo vòng (Charophyta). Theo Philip Size, là 9 ngành, bao gồm: Cyanophyta, Rhodophyta, Chlorophyta, Chromophyta, Haptophyta, Pyrrophyta - Dinophyta, Cryptophyta, Euglenophyta, Chrarachniophyta. Tuy hai hệ thống có phân chia thành 10 và 9 ngành nhưng về cơ bản không có sự sai khác lớn.
Cơ sở phân chia thành các ngành khác nhau ngoài việc dựa vào mối quan hệ họ hàng và mức độ tiến hóa còn dựa chính vào sắc tố có trong các loài của ngành đó. Đây cũng là cơ sở đặt tên cho các ngành rong biển hiện nay. Trong các ngành kể trên, số lượng loài và trữ lượng chỉ tập trung vào 4 ngành chủ yếu là: Ngành rong lam/ khuẩn lam – (Cyanophyta); Ngành rong đỏ (Rhodophyta); Ngành rong nâu (Phaeophyta/Ochrophyta) và Ngành rong lục (Chlorophyta). Phân loại rong hiện đại có nét đặc trưng là sử dụng nhiều hệ thống khác nhau, các hệ thống phân biệt với nhau qua số phân loại, khối lượng phân loại, vị trí các nhóm rong khác nhau trong hệ thống.
Ngay cả các mức phân loại cao nhất là giới, ngành và lớp của phân loại, người ta cũng không thể đi đến một ý kiến thống nhất, vì vậy, các khác biệt còn lớn hơn nữa khi xét đến phân loại ở các bậc thấp hơn. 5 Enteromorpha compressa Ulva fasciata (ngành rong lục) ( ngành rong lục) Hypnea pannosa Dictyopteris bartayresiana (ngành rong đỏ) ( ngành rong nâu) Hình 1. Một số loài rong biển 1. Rong lục Rong lục (Chlorophyta) thuộc giới Plantae, chúng là những sinh vật quang tự dưỡng với nhiều hình thái và kích thước khác nhau.
Ban đầu, Chlorophyta dùng để chỉ một bộ phận trong giới thực vật bao gồm tất cả các loài rong và tảo lục. Sau đó, các loài sống chủ yếu trong nước biển được phân 6 loại là rong lục (tức là thuộc ngành Chlorophyta), trong khi các loài phát triển mạnh chủ yếu ở nước ngọt được phân loại là tảo lục (tức là thuộc ngành Charophyta). Cơ sở dữ liệu AlgaeBase về rong đã liệt kê khoảng 4.500 loài Chlorophyta, bao gồm 550 loài thuộc họ Trebouxiophyceae, 2.500 loài thuộc họ Chlorophyceae, 800 loài thuộc họ Bryopsidophyceae, 50 loài thuộc họ Dasycladophyceae, 400 loài thuộc họ Siphoncladophyceae, và 250 loài thuộc họ Ulvophyceae [15]. Các loài rong lục (Chlorophyta) có số lượng loài và khu vực phân bố hẹp hơn so với các loài thuộc ngành rong nâu (Phaeophyta) và rong đỏ (Rhodophyta).
Sắc tố của những loài này thay đổi từ màu xanh lục nhạt đến đậm nhờ các thành phần diệp lục chlorophyl a và b. Loài rong lục có quan hệ họ hàng rất gần với các loài thực vật trên cạn, thể hiện ở một số đặc tính cấu trúc hóa học tác động đến sự phát triển của các loại kháng sinh mới có triển vọng trong tương lai [16]. Rong lục dễ bị tổn thương bởi các loại tác nhân sinh học và vật lý khác nhau. Vì vậy, để phản ứng với những tác nhân này, rong lục tạo ra các loại chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học khác nhau để bảo vệ rong khỏi các tác nhân sinh học và vật lý gây hại [17].
Những loài rong lục ăn được chứa nhiều chất dinh dưỡng, chẳng hạn như vitamin, carbonhydrate, acid amin thiết yếu [18], acid béo không bão hòa đa nối đôi [19] và khoáng chất. Các loài rong này đã thu hút rất nhiều sự chú ý do giá trị dinh dưỡng cũng như hoạt tính sinh học của chúng. Các hoạt tính này bao gồm tác dụng chống oxy hóa [20], kháng khuẩn [21] và chống ung thư [22]. Vì vậy, nó được nghiên cứu và sử dụng trong đời sống hàng ngày ở nhiều nơi trên thế giới và nhiều nhất tại Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippines và một số nước khác ở Đông Nam Á [23].
Lipid Lipid là hợp chất hữu cơ đa chức (chứa nhiều nhóm chức giống nhau) gồm những chất như dầu ăn, mỡ. Chúng có độ nhớt cao, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ như ether, chlorophorm, benzene, rượu. Giống như các carbohydrate, các lipid được tạo nên từ C, H và O nhưng chúng có thể chứa các nguyên tố khác như P và N. Chúng khác với 7 carbohydrate ở chỗ chứa O với tỉ lệ ít hơn.
Cùng với các protein, các acid nucleic và carbohydrate, lipid thuộc vào số các phân tử của mọi tế bào. Thuật ngữ lipid được dùng ở đây là để chỉ các dẫn xuất của các acid béo mạch dài, được gọi là các acid mỡ [12]. Trong tự nhiên, những hợp chất thuộc về lớp chất lipid tồn tại rất đa dạng như: các hydrocarbon bậc cao, các ancol, các aldehyde, các acid béo và các sản phẩm thứ cấp của chúng như glyceride, sáp, phospholipid, glycolipid, sulfolipid. Lipid có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau, tuy nhiên cấu tạo lipid thường có chung một nguyên tắc là trong thành phần phân tử lipid bao gồm hai phần: một phần là các đuôi mạch hydrocarbon kị nước; phần kia là tổ hợp nhóm các chất ưa nước (gọi là đầu phân cực).
Hai phần của phân tử lipid được liên kết với nhau bởi mắt xích liên kết ở giữa và phân tử lipid tồn tại như một liên kết tổ hợp của hai phần, trong đó những phần tử kị nước tham gia cấu tạo nên pha không phân cực và những phân tử ưa nước tham gia cấu tạo nên pha phân cực (hình 1. Cấu tạo phân tử lipid Cấu trúc tổ hợp liên kết của phân tử lipid phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc tự nhiên của các cấu tử tham gia vào thành phần của nó. Thường người ta dùng nguồn gốc tự nhiên của mắt xích liên kết, giữa phần phân cực và phần không phân cực để làm cơ sở phân loại lớp chất lipid [24]. Theo đó, lipid có hai dạng glycerin và sphingozin.
Trong thực tế đa phần dầu mỡ tồn tại dưới dạng este của glycerin (1) với các acid béo (gọi là glyceride), khi mà cả ba nhóm hydroxyl (OH) của glyxcerol đều được este hóa thì gọi là triglyceride 8 hoặc là triacylglycerol (2). Do đó, dầu mỡ cũng có tên là lipid trung tính và có công thức cấu tạo như sau: 1 1 CH OH CH2 OCOR1 2 2 2 R2OCO C H HO C H 3 CH2 OCOR3 3 CH OH 2 Glycerol (1) Triglyceride (2) Hình 1. Cấu tạo lipid trên cơ sở glycerol Nhóm chất lipid khác cũng phân bố rộng rãi trong lớp màng tế bào, đặc biệt là ở não, đó là các sphingolipid, chúng được cấu tạo trên cơ sở liên kết nhóm amin của sphingozin (3) với các axít béo. Các sphingolipid đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn tín hiệu và nhận biết tế bào, chúng có tác động đặc biệt vào mô thần kinh.
Các hợp chất nhận được qua biến đổi được gọi chung là ceramide (4) và có công thức cấu tạo mô tả ở hình 1. CH2OH H C NH2 H C OH HO CH CH CH CH NH (CH2)12 HO CH 2 O CH3 Sphingozine (3) Ceramide (4) Hình 1. Cấu tạo lipid trên cơ sở sphingozine 1. Các lớp chất lipid Các lớp chất lipid chính bao gồm hydrocarbon, sáp, mono-, di-, tri- glyceride, acid béo tự do, sterol và lipid phân cực.
Trong lớp lipid phân cực có glycolipid và phospholipid. Đây là các thành phần màng tế bào của tất cả các loài sinh vật. Chúng có vai trò ổn định màng tế bào và tạo điều kiện thuận lợi cho sự nhận biết các tế bào lạ, điều này vô cùng quan trọng trong đáp ứng 9 miễn dịch của cơ thể. Ngoài ra, chúng còn là cầu nối cho các tế bào liên kết với nhau để hình thành các mô, cơ quan trong cơ thể sinh vật.
Tìm hiểu các lớp chất lipid là việc làm cần thiết trong quá trình phân tích thành phần lipid giúp cho ta có được bức tranh tổng thể để trước khi đi vào tìm hiểu cụ thể từng phần riêng biệt của lipid sinh vật biển nói chung và rong biển nói riêng. Mỗi lớp chất lipid có một phương pháp nhận dạng và phân tích đặc hiệu riêng như: các acid béo thông thường có thể phân tích bằng sắc ký khí (GC) còn các acid béo đặc hiệu như acid cyclic, epoxy, hydroxy thì phải dùng sắc ký khí khối phổ (GC-MS) cùng với một số phản ứng hóa học riêng biệt mới có thể nhận dạng được.