Tổng quan nghiên cứu

Nấm Vân Chi (Trametes versicolor) là một loại nấm dược liệu quý giá, được sử dụng rộng rãi trong y học cổ truyền và hiện đại nhờ khả năng hỗ trợ điều trị ung thư và tăng cường hệ miễn dịch. Ước tính có khoảng 22.000 loài nấm đã được biết đến, trong đó nấm ăn được như Vân Chi chứa nhiều hợp chất sinh học có giá trị, đặc biệt là Polysaccharopeptide (PSP) và Polysaccharide Krestin (PSK). Hai hợp chất này được chiết xuất từ hệ sợi nấm và có hoạt tính sinh học mạnh mẽ, bao gồm kích thích miễn dịch, chống oxy hóa và hỗ trợ điều trị ung thư.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật lên men bổ sung vi hạt (MPEC) nhằm tăng cường tổng hợp PSP và PSK nội bào từ nấm Vân Chi trong quá trình lên men chìm. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian năm 2022 tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật lên men, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát loại và hàm lượng vi hạt phù hợp, tối ưu hóa điều kiện lên men chìm quy mô 5 lít và áp dụng lên men bán liên tục nhằm nâng cao hiệu suất tổng hợp polysaccharopeptide.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu quả sản xuất các hợp chất sinh học quý giá từ nấm Vân Chi, góp phần phát triển công nghệ sinh học trong lĩnh vực dược liệu, đồng thời mở rộng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm hỗ trợ điều trị ung thư. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học cho việc phát triển quy trình công nghiệp sản xuất PSP và PSK với năng suất cao, rút ngắn thời gian lên men và nâng cao chất lượng sản phẩm.

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:

  • Lý thuyết về sinh trưởng vi sinh vật và hình thái pellet trong lên men chìm: Hình thái pellet ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng trao đổi chất, hấp thu oxy và tổng hợp sản phẩm sinh học. Pellet nhỏ, tròn và có cấu trúc xốp được xem là hình thái tối ưu cho quá trình lên men nấm sợi.

  • Mô hình kỹ thuật lên men bổ sung vi hạt (MPEC): Vi hạt có kích thước từ 1 – 1000 µm được bổ sung vào môi trường lên men nhằm điều chỉnh hình thái pellet, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện sự khuếch tán oxy và dinh dưỡng, từ đó tăng hiệu suất tổng hợp polysaccharopeptide.

  • Khái niệm chính:

    • Polysaccharopeptide (PSP) và Polysaccharide Krestin (PSK): Các hợp chất protein-bound polysaccharide có hoạt tính sinh học cao, được chiết xuất từ hệ sợi nấm Vân Chi.
    • Lên men chìm: Phương pháp nuôi cấy nấm trong môi trường lỏng, dễ kiểm soát điều kiện và thu hồi sản phẩm.
    • Lên men bán liên tục: Kỹ thuật lên men trong đó một phần môi trường được thay thế định kỳ nhằm duy trì điều kiện tối ưu cho sinh trưởng và tổng hợp sản phẩm.
    • Hình thái pellet: Đặc điểm kích thước, độ nhám và cấu trúc của các viên nấm trong môi trường lên men.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Chủng nấm Vân Chi Trametes versicolor BRG04 được nuôi cấy tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật lên men, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định sinh khối khô, hàm lượng PSP và PSK bằng phương pháp chiết xuất nước nóng, kết tủa với cồn và muối amoni sulfat, phân tích polysaccharide bằng phương pháp Phenol-Acid Sulfuric và protein bằng phương pháp Bradford.
    • Đo kích thước và độ nhám pellet bằng phần mềm Image-J dựa trên ảnh chụp dưới kính hiển vi.
    • Xác định độ nhớt môi trường, hàm lượng đường khử và các thông số lên men khác.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Khảo sát lựa chọn loại vi hạt (Al2O3, Talc, TiO2) và hàm lượng bổ sung (1 – 30 g/L) trong môi trường lên men chìm quy mô nhỏ (bình tam giác 250 mL).
    • Thí nghiệm lên men chìm quy mô 5 lít với điều kiện tối ưu: tỉ lệ cấp giống 0.1% (w/v), pH 7, tốc độ khuấy 120 vòng/phút, tốc độ sục khí 1 lít/lít/phút, nhiệt độ 25 oC.
    • Thực hiện lên men bán liên tục trong thiết bị 10 lít với bổ sung vi hạt Talc 20 g/L, thay thế 50% thể tích môi trường khi đường còn 5 g/L, lặp lại 5 chu kỳ cấp dinh dưỡng trong 8 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của loại vi hạt đến hình thái pellet và tổng hợp PSP, PSK:

    • Talc có kích thước nhỏ nhất (6.21 µm) tạo pellet tròn, mịn, ít sợi tự do, cấu trúc lõi xốp.
    • Al2O3 tạo pellet tròn nhưng có nhiều sợi tự do và lõi xốp nhất.
    • TiO2 tạo pellet dạng hình sao với nhiều sợi tự do và lõi đặc, kích thước pellet lớn nhất (1.57 mm).
    • Hàm lượng PSP và PSK cao nhất ở mẫu bổ sung Talc, lần lượt đạt 33.1 mg/g skk và 12.76 mg/g skk, tăng 1.59 lần và 1.1 lần so với mẫu đối chứng.
    • TiO2 làm giảm hàm lượng PSP còn 87% và PSK giảm 1.4 lần so với mẫu đối chứng.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng Talc đến hình thái pellet và sinh tổng hợp polysaccharopeptide:

    • Đường kính pellet giảm từ 1.2 mm (không bổ sung) xuống còn khoảng 0.5 mm khi bổ sung 20 g/L Talc.
    • Độ nhám pellet giảm, pellet trở nên đồng đều, tròn và mịn hơn khi tăng hàm lượng Talc.
    • Hàm lượng PSP và PSK đạt tối đa ở 20 g/L Talc, lần lượt 49.8 mg/g skk và 24.7 mg/g skk, tăng 1.59 lần so với mẫu không bổ sung vi hạt.

  3. Kết quả lên men chìm quy mô 5 lít:

    • Thời gian lên men rút ngắn còn 3 ngày.
    • Hàm lượng PSP đạt 49.32 mg/g skk, PSK đạt 9 mg/g skk.
    • Tốc độ khuấy 120 vòng/phút và sục khí 1 lít/lít/phút là điều kiện tối ưu cho sinh trưởng và tổng hợp IPS.

  4. Lên men bán liên tục bổ sung Talc 20 g/L:

    • Thí nghiệm kéo dài 8 ngày với 5 chu kỳ cấp dinh dưỡng.
    • Hàm lượng PSP đạt tối đa 53.27 mg/g skk, PSK đạt 31.02 mg/g skk tại chu kỳ cấp dinh dưỡng thứ 2.
    • Tăng 1.3 lần so với lên men theo mẻ, cho thấy hiệu quả vượt trội của kỹ thuật lên men bán liên tục kết hợp MPEC.

Thảo luận kết quả

Việc bổ sung vi hạt Talc với kích thước nhỏ và bề mặt sắc cạnh đã tạo điều kiện vật lý thuận lợi cho sự hình thành pellet có kích thước nhỏ, bề mặt mịn và cấu trúc lõi xốp. Điều này giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa sợi nấm với oxy và cơ chất, cải thiện khả năng khuếch tán và hấp thu dinh dưỡng, từ đó thúc đẩy sinh trưởng và tổng hợp PSP, PSK. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của vi hạt Talc trong lên men nấm sợi như Grifola frondosa và Monascus purpureus.

Ngược lại, vi hạt TiO2 với đặc tính oxy hóa mạnh và kích thước lớn đã gây tác động tiêu cực đến hình thái pellet và giảm hiệu suất tổng hợp polysaccharopeptide, có thể do tác động kháng khuẩn và ức chế sinh trưởng nấm. Al2O3 tuy có tác động tích cực đến hình thái pellet nhưng không cải thiện đáng kể hàm lượng PSP và giảm PSK, có thể do sự giải phóng ion Al3+ không thuận lợi cho quá trình tổng hợp protein-bound polysaccharide.

Lên men bán liên tục kết hợp bổ sung Talc đã chứng minh khả năng duy trì điều kiện lên men ổn định, giảm thời gian lên men và tăng hàm lượng PSP, PSK so với lên men theo mẻ. Việc thay thế một phần môi trường khi đường còn thấp giúp duy trì nguồn dinh dưỡng và loại bỏ sản phẩm ức chế, đồng thời kiểm soát tốt hình thái pellet và điều kiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước pellet, biểu đồ so sánh hàm lượng PSP, PSK giữa các mẫu và bảng động học sinh trưởng, giúp minh họa rõ ràng tác động của vi hạt và điều kiện lên men đến hiệu quả sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng kỹ thuật MPEC với vi hạt Talc ở hàm lượng 20 g/L trong quy trình lên men chìm nấm Vân Chi nhằm tối ưu hóa hình thái pellet, tăng hàm lượng PSP và PSK. Thời gian thực hiện: ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất dược liệu và thực phẩm chức năng.

  2. Triển khai lên men bán liên tục kết hợp bổ sung vi hạt Talc để duy trì điều kiện lên men ổn định, rút ngắn thời gian lên men và nâng cao năng suất polysaccharopeptide. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để tối ưu quy trình. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

  3. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các loại vi hạt khác và điều kiện lên men (pH, tốc độ khuấy, sục khí) nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ, tăng tính linh hoạt và hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Phát triển sản phẩm thương mại chứa PSP và PSK chiết xuất từ hệ sợi nấm Vân Chi với công nghệ MPEC, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế. Thời gian thực hiện: 1-3 năm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp dược phẩm và thực phẩm chức năng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Vi sinh vật học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật lên men, ảnh hưởng của vi hạt đến hình thái nấm và tổng hợp polysaccharopeptide, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dược liệu và thực phẩm chức năng: Tham khảo quy trình công nghệ lên men chìm và bán liên tục kết hợp MPEC để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm chiết xuất từ nấm Vân Chi.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm y học cổ truyền và dược phẩm: Nắm bắt cơ sở khoa học về hoạt tính sinh học của PSP, PSK và công nghệ sản xuất tiên tiến, từ đó ứng dụng vào phát triển sản phẩm hỗ trợ điều trị ung thư và tăng cường miễn dịch.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực công nghệ sinh học và dược liệu: Cung cấp dữ liệu khoa học và công nghệ mới, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn, quy định và chính sách phát triển ngành nấm dược liệu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật MPEC là gì và tại sao lại quan trọng trong lên men nấm Vân Chi?
    MPEC là kỹ thuật bổ sung vi hạt vào môi trường lên men nhằm điều chỉnh hình thái pellet nấm, giúp tăng diện tích tiếp xúc oxy và dinh dưỡng. Điều này cải thiện sinh trưởng và tổng hợp polysaccharopeptide, nâng cao hiệu suất sản xuất.

  2. Tại sao Talc được lựa chọn làm vi hạt bổ sung thay vì Al2O3 hay TiO2?
    Talc có kích thước nhỏ, bề mặt sắc cạnh giúp tạo pellet nhỏ, mịn và xốp, tăng khả năng khuếch tán oxy và dinh dưỡng. Trong khi đó, TiO2 có tác động oxy hóa mạnh gây ức chế sinh trưởng, còn Al2O3 không cải thiện đáng kể hàm lượng polysaccharopeptide.

  3. Lên men bán liên tục có ưu điểm gì so với lên men theo mẻ?
    Lên men bán liên tục duy trì điều kiện lên men ổn định bằng cách thay thế một phần môi trường, giúp giảm thời gian lên men, tăng năng suất sản phẩm và kiểm soát tốt hơn các thông số như pH, oxy và hình thái pellet.

  4. Hàm lượng PSP và PSK đạt được trong nghiên cứu có ý nghĩa như thế nào?
    Hàm lượng PSP đạt 53.27 mg/g skk và PSK đạt 31.02 mg/g skk trong lên men bán liên tục là mức cao, tăng đáng kể so với phương pháp truyền thống, cho thấy hiệu quả của kỹ thuật MPEC và tiềm năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

  5. Có thể áp dụng kỹ thuật này cho các loại nấm dược liệu khác không?
    Có, kỹ thuật MPEC đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công với nhiều loại nấm sợi như Ganoderma, Grifola và Monascus. Việc điều chỉnh loại và hàm lượng vi hạt phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hình thái và năng suất sản phẩm cho từng loại nấm.

Kết luận

  • Kỹ thuật lên men bổ sung vi hạt Talc đã thành công trong việc điều chỉnh hình thái pellet nấm Vân Chi, tạo pellet nhỏ, mịn và xốp, tăng khả năng tổng hợp PSP và PSK.
  • Hàm lượng polysaccharopeptide nội bào đạt tối đa 53.27 mg/g skk (PSP) và 31.02 mg/g skk (PSK) trong lên men bán liên tục với bổ sung Talc 20 g/L, tăng 1.3 lần so với lên men theo mẻ.
  • Thời gian lên men chìm quy mô 5 lít được rút ngắn còn 3 ngày với điều kiện tối ưu, nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sinh học ứng dụng trong sản xuất dược liệu từ nấm Vân Chi, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và sức khỏe cộng đồng.
  • Đề xuất triển khai áp dụng kỹ thuật MPEC và lên men bán liên tục trong quy trình công nghiệp, đồng thời nghiên cứu mở rộng với các loại vi hạt và điều kiện lên men khác.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển sản phẩm thương mại chứa PSP và PSK chiết xuất từ nấm Vân Chi theo công nghệ mới.