MỞ ĐẦU Arthrospira platensis (Tên gọi cũ là Spirulina platensis) là một loài vi khuẩn lam dạng sợi có khả năng quang hợp thải ô xy, được sử dụng phổ biến, rộng rãi nhất trên thế giới. Ở nhiều quốc gia châu Phi, nó được thu hoạch dễ dàng từ các hồ nước tự nhiên, sấy khô và sử dụng làm thực phẩm cho con người như một nguồn protein tự nhiên, quan trọng. platensis được sử dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm sức khỏe con người ở nhiều nước châu Á nói chung và ở Việt Nam nói riêng. platensis là sản phẩm tự nhiên giàu dinh dưỡng vì có chứa hàm lượng protein cao, thành phần axit amin tốt, giàu axit gama - linolenic, chất xơ, vitamin B, canxi, phốt pho, sắt, các sắc tố như beta - caroten, chất diệp lục (chlorophyll a), phycocyanin và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác [39].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng A. platensis có khả năng kháng virut, chống ung thư, chống ô xy hóa, kháng viêm, chống dị ứng, trị đái tháo đường, kháng khuẩn cũng như hạ lipid máu [39, 49]. Đặc biệt, sắc tố phycocyanin của A. platensis được tách chiết để sử dụng làm màu thực phẩm an toàn, sử dụng trong mỹ phẩm [40].
Sắc tố này còn có khả năng chống ô xy hóa cao, tăng cường miễn dịch và chống ung thư [40, 62], do đó nhiều Công ty dược phẩm có nhu cầu tách chiết hợp chất này để làm thành sản phẩm thuốc điều trị trực tiếp hoặc phối hợp với các phương pháp điều trị ung thư khác. Ở Việt Nam đã có một số công ty đã và đang nuôi trồng A. platensis ở Bình Thuận, thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Nghệ An. Hiện nay nhu cầu sử dụng sinh khối A.
platensis rất cao ở Việt Nam. Tuy nhiên, việc nuôi trồng vi khuẩn lam này ở Việt Nam hiện nay chỉ đáp ứng được khoảng 30% nhu cầu trong nước, còn lại là nhập khẩu từ nước ngoài. Ngoài ra, do chi phí nuôi trồng loài vi khuẩn lam này khá cao do giá thành môi trường nuôi (môi trường Zarrouk chứa 16,8 g/L NaHCO3), do đó giá thành sản phẩm A. platensis trên thị thường Việt Nam cao hơn so với các sản phẩm nhập từ Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản.
Vì vậy, giảm chi phí nuôi trồng A. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com platensis đang được đặt ra nhằm từng bước đáp ứng được nhu cầu trong nước về loài vi khuẩn lam này. platensis là loài vi khuẩn lam rất dễ nuôi trồng và cho năng suất cao. Tuy nhiên, việc nuôi trồng ở quy mô lớn trong các bể nuôi ngoài trời cũng rất dễ bị tạp nhiễm vi sinh vật như vi khuẩn hay các loại tảo khác (như vi tảo lục Chlorella spp.), tỉ lệ các mẻ nuôi A.
platensis bị tạp nhiễm có thể chiếm đến 30% tổng sản lượng nuôi trồng được. So với sinh khối A. platensis sạch, việc sử dụng các sinh khối A. platensis bị tạp nhiễm, sinh khối chưa đủ tiêu chuẩn làm thực phẩm chức năng, để tách chiết phycocyanin có hiệu suất thu hồi là tương đương nhau.
Chính vì vậy, sinh khối A. platensis nuôi bị tạp nhiễm hoặc chưa được đánh giá chất lượng, không được sử dụng trực tiếp, thì có thể được sử dụng để tách chiết phycocyanin có giá trị sử dụng cao hơn so với sinh khối vi khuẩn lam. Từ những lý do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: ―Sử dụng môi trường chi phí thấp để nuôi trồng Arthrospira platensis cho sản xuất phycocyanin‖ nhằm mục tiêu : - Lựa chọn được môi trường có chi phí thấp cho sinh trưởng của A. platensis BM - Tận dụng sinh khối sau thu hoạch không đảm bảo chất lượng làm thực phẩm cho người để sản xuất phycocyanin.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1. Vi khuẩn lam Arthrospira platensis 1. Giới thiệu chung về vi khuẩn lam Vi khuẩn lam (hoặc Cyanophyceae) sống trôi nổi, đôi khi chúng phát triển quá mức gây hiện tượng nở hoa, thuộc về giới vi khuẩn thực. Arthrospira platensis là một loài vi khuẩn lam Chúng là vi khuẩn Gram âm, sống phổ biến ở một số môi trường khắc nghiệt.
Vi khuẩn lam là một nhóm lớn và đa dạng về hình thái [9], có thể phát triển mạnh trong tất cả các loại nước; một số loài phát triển mạnh trong nước ngọt; số khác phát triển mạnh trong nước lợ hoặc nước biển. Môi trường sống và các yêu cầu sinh thái của vi khuẩn lam rất đa dạng, phụ thuộc vào chi và thậm chí phụ thuộc cả vào chủng. Ví dụ, Arthrospira platensis sinh trưởng ở pH 9,0 - 10,0 và sinh trưởng tốt ở 11,5 nhưng không phát triển ở pH 7,0, trong khi Anabaena sp. sinh trưởng tối ưu ở pH 7,4 - 8,4 và giảm năng suất đáng kể khi pH cao hơn 9 [24].
Vonshak và Tomaselli (2003) phân lập một số chủng Arthrospira, trong đó có một số chủng có nhiệt độ tối ưu là 24 - 28°C, một số khác 40 - 42°C [81]. Do đó, để sản xuất sinh khối vi khuẩn lam, cần thiết phải lựa chọn được các điều kiện môi trường nuôi cấy tối ưu cho chủng đó sinh trưởng và phát triển. Ví dụ, công bố của tác giả Seshadri và Thomas (1979) đã cho thấy việc nuôi trồng một loài Arthrospira phân lập ở địa phương trong môi trường Zarrouk có bổ sung nước thải biogas có năng suất cao hơn so với không bổ sung nước thải biogas (đạt 12,39 g/m2 ngày so với 10,88 g/m2 d, tương ứng) [68]. Một số chi vi khuẩn lam có dạng sợi như Anabaena, Anabaenopsis, Aphanizomenon, Nadularia, Oscilatoria, Arthrospira, Spirulina, Phormidium, Nostoc, Nostochpsis, và Scytonema.
Trong các chi nêu trên, Arthrospira sp. được nghiên cứu nhiều nhất từ trước đến nay do tầm quan trọng của nó trong công nghiệp sản xuất thực phẩm và một số chất chuyển hóa. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Lịch sử phát hiện và môi trường sống của Arthrospira platensis 1.
Lịch sử phát hiện Arthrospira là vi khuẩn lam quang hợp - sinh vật nguyên thủy có nguồn gốc khoảng 3,5 tỷ năm trước, có khả năng sử dụng CO2 hòa tan trong nước biển làm nguồn cacbon để tạo ra sản phẩm của chúng, sinh trưởng mạnh mẽ trong điều kiện ánh nắng mặt trời có cường độ mạnh, nhiệt độ cao và môi trường có tính kiềm cao. Trong thế kỷ thứ mười sáu, khi quân xâm lược người Tây Ban Nha chinh phục Mexico, họ phát hiện ra rằng người Aztec sống trong Thung lũng của Mexico tại thủ đô Tenochtitlan đã thu thập một "món ăn mới" từ hồ [63]. Phóng viên thời sự Tây Ban Nha mô tả ngư dân sử dụng lưới mịn thu "Techuitlatl" màu lam này từ các vùng đầm phá và làm bánh màu lam. Techuitlatl được đề cập bởi nhà tự nhiên học cho đến cuối thế kỷ 16, nhưng sau đó không đề cập nữa, có lẽ do sự mất mát của hồ khi phát triển đô thị và nông nghiệp.
Ngày nay, chỉ còn hồ Texcoco vẫn còn Arthrospira. Năm 1940, một nhà vật lý người Pháp Dangeard công bố một báo cáo về việc tiêu thụ dihé bởi người Kanembu gần hồ Chad [83]. Dangeard cũng lưu ý những loại sinh vật giống như thế sinh sống ở một số hồ trong thung lũng Rift ở Đông Phi, là thức ăn chính của các loài hồng hạc sống xung quanh các hồ này. Hơn 20 năm sau, Arthrospira được tái phát hiện.
Báo cáo của Jean Léonard, một nhà thực vật học, và cũng là thành viên của đoàn thám hiểm Pháp - Bỉ đến Châu Phi, đã mô tả một loại bánh màu lam bán tại chợ thức ăn của Fort Lamy, Chad [41]. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy loại bánh này có tên địa phương dihé, chứa vi khuẩn lam được xác định là Arthrospira (khi đó được gọi là Spirulina) được tiêu thụ bởi bộ tộc Kanembu sống dọc theo các hồ kiềm tính ở Chad và Niger. Tại cùng thời gian mà Leonard phát hiện Arthrospira ở châu Phi, thì Công ty Sosa Texcoco đã yêu cầu Viện nghiên cứu Français du Pétrole nghiên cứu về việc nở hoa của vi khuẩn lam đã xảy ra ở các ao bay hơi của cơ sở sản xuất natri bicacbonat trong một hồ nước gần thành phố Mexico. Do vậy, các kết quả nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống và chi tiết về đặc điểm sinh lý, sinh hóa cũng như sinh 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trưởng của Arthrospira được thu nhận.
Các nghiên cứu thu được nêu trên là một phần nội dung nghiên cứu trong luận án Tiến sĩ của Zarrouk năm 1966, làm cơ sở cho việc xây dựng nhà máy sản xuất Arthrospira quy mô lớn đầu tiên [84]. Cho nên, từ một cơ sở sản xuất sản phẩm bán tự nhiên những năm đầu 1970, sản xuất hàng năm từ 100 đến 400 tấn thì 25 năm sau, vi khuẩn lam Arthrospira đã được nuôi trồng đại trà trên thế giới với tổng sản lượng trên 1000 tấn mỗi năm [79]. Arthrospira tiếp tục được đẩy mạnh nghiên cứu và sản xuất ngày càng tăng đã cho thấy nhận thức về giá trị dinh dưỡng của nó ngày càng tăng. Arthrospira platensis và Arthrospira maxima là hai loài nổi bật trong chi Arthrospira được tập chung nghiên cứu nhiều nhất.
Môi trường sống tự nhiên A. platensis được tìm thấy trong đất, đầm lầy, nước ngọt, nước lợ, nước biển và suối nước nóng. Nước mặn (có độ mặn với hàm lượng NaCl có nồng độ > 30 g/l), kiềm tính với pH cao (8,5 - 11,0) rất thích hợp cho sự sinh trưởng của A. platensis, đặc biệt là nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao ở vùng khí hậu nhiệt đới.
platensis phát triển mạnh trong các hồ kiềm tính, nơi mà vi sinh vật khác rất khó hoặc không thể tồn tại. Các hồ Arthrospira lớn nhất nằm ở Trung Phi quanh các Hồ Chad và Niger, và ở Đông Phi dọc theo thung lũng Great Rift, nơi pH đạt giá trị gần 11 và natri cacbonat phong phú [22], trong các hồ này hầu như chỉ có loài vi khuẩn lam thuộc chi Arthrospira tồn tại. Ở các vùng nước ngọt bình thường không có pH kiềm, vẫn có thể phân lập được A. platensis, nhưng trong môi trường này, số lượng chúng không nhiều, không phải loài ưu thế.
Tại Việt Nam, A. platensis có thể phân lập tại các hồ nước ngọt như hồ Ba Mẫu, vùng nước lợ, vùng nước mặn. Phân loại học, đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của vi khuẩn lam Arthrospira platensis 1.1 Phân loại học Theo hệ thống phân loại vi khuẩn Bergey (Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology), Castenholz (1989) đã xếp A. platensis vào Giới Bacteria, Ngành Cyanophyta, Lớp Cyanophyceae, Bộ Oscillatoriales, Họ Oscillatoriaceae, Chi 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Arthrospira, Loài Arthrospira (Spirulina) platensis [17].
Năm 1932, do có hình thái dạng xoắn ốc, Geitler đã xếp Arthrospira platensis vào chi Spirulina.