Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp carotenoid từ dịch thủy phân chitin nhằm ứng dụng sản xuất thức ăn chăn nuôi

Nghiên cứu sinh tổng hợp carotenoid từ chitin, nguồn phụ phẩm tôm, ứng dụng vào sản xuất thức ăn chăn nuôi. Giải pháp tiềm năng, thân thiện môi trường.

• Tác giả: Nghiêm Hoàng Lan
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp Carotenoid từ dịch thủy phân Chitin nhằm ứng dụng sản xuất thức ăn chăn nuôi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Chitin
• 1.2. N-acetylGlucosamine
• 1.3. Phương pháp sản xuất NAG
• 1.4. Phương pháp hóa học
• 1.5. Phương pháp enzyme
• 1.6. Phương pháp kết hợp
• 1.7. Phương pháp lên men vi sinh vật
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chủng vi sinh vật
• 2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
• 2.3. Môi trường nuôi cấy
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp nuôi cấy
• 2.4.2. Lựa chọn nấm men có khả năng sinh tổng hợp carotenoid cao trên cơ chất NAG
• 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 2.4.4. Nâng cao khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 2.4.5. Khảo sát khả năng sinh tổng hợp carotenoid trên dịch thủy phân chitin
• 2.4.6. Phương pháp phân tích
• 2.4.6.1. Xác định hàm lượng sinh khối khô
• 2.4.6.2. Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS
• 2.4.6.3. Xác định hàm lượng β-carotene và carotenoid
• 2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.4.8. Phương pháp tính toán
• 2.4.8.1. Tốc độ sinh trưởng
• 2.4.8.2. Hiệu suất sinh trưởng
• 2.4.8.3. Tốc độ tiêu thụ cơ chất
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tuyển chọn chủng nấm men sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 3.2. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp carotenoid của S. pararoseus Q trên NAG
• 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng NAG đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid
• 3.2.4. Động học của quá trình lên men
• 3.3. Nâng cao khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG
• 3.3.1. Khảo sát hàm lượng glucose đầu vào
• 3.3.2. Nghiên cứu kỹ thuật lên men sử dụng 2 nguồn carbon
• 3.3.3. Lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn
• 3.4. Khảo sát quá trình sinh tổng hợp carotenoid trên dịch thủy phân chitin
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan Sinh tổng hợp Carotenoid từ Chitin tiềm năng

Carotenoid là những sắc tố tự nhiên có giá trị dinh dưỡng cao, đặc biệt quan trọng trong sản xuất thức ăn chăn nuôi. Việc tìm kiếm nguồn carotenoid bền vững và kinh tế là một thách thức. Chitin, một polysaccharide dồi dào từ phế phẩm thủy sản, nổi lên như một nguyên liệu tiềm năng cho quá trình sinh tổng hợp carotenoid. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác chitin để tạo ra carotenoid, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp. Quá trình sinh tổng hợp carotenoid từ chitin không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi. Các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy tiềm năng to lớn của phương pháp này trong việc đáp ứng nhu cầu carotenoid ngày càng tăng trên toàn cầu. Việc ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất carotenoid từ chitin hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá mới trong tương lai. "Chitin, một polysaccharide tự nhiên, là polyme sinh học phổ biến thứ hai trên thế giới sau cellulose", Nghiêm Hoàng Lan cho biết.

1.1. Tổng quan về Chitin và nguồn cung ứng chitin phế phẩm

Chitin là một polysaccharide tự nhiên có trữ lượng lớn, đặc biệt có nhiều trong vỏ tôm, cua, phế phẩm thủy sản. Nguồn chitin dồi dào này thường bị bỏ đi, gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam, với bờ biển dài và ngành thủy sản phát triển, có tiềm năng lớn trong việc khai thác chitin từ phế phẩm. Việc tận dụng chitin không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu giá trị cho các ngành công nghiệp khác nhau. Theo thống kê, khoảng 45-50% khối lượng tôm bị bỏ đi dưới dạng chất thải rắn gồm đầu, nội tạng và vỏ. Lượng chất thải này chiếm khoảng 500,000 tấn/năm và phần lớn bị thải trực tiếp ra môi trường biển hoặc chôn lấp gây ô nhiễm nguồn đất, nước và không khí.

1.2. Giá trị dinh dưỡng của Carotenoid trong thức ăn chăn nuôi

Carotenoid đóng vai trò quan trọng trong dinh dưỡng vật nuôi, đặc biệt là gia cầm và thủy sản. Chúng cung cấp vitamin A, chất chống oxy hóa và cải thiện màu sắc sản phẩm. Carotenoid cho gia cầm giúp tăng cường hệ miễn dịch và cải thiện chất lượng trứng. Carotenoid cho thủy sản cải thiện màu sắc thịt cá và tăng giá trị thương phẩm. Việc bổ sung carotenoid vào thức ăn chăn nuôi mang lại nhiều lợi ích, từ sức khỏe vật nuôi đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Thách thức Sản xuất Carotenoid tự nhiên bền vững ra sao

Việc sản xuất carotenoid từ nguồn tự nhiên đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống thường tốn kém và gây ô nhiễm môi trường. Nguồn cung carotenoid tự nhiên từ thực vật cũng có giới hạn và phụ thuộc vào mùa vụ. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp sản xuất carotenoid hiệu quả và bền vững hơn. Nghiên cứu về sinh tổng hợp carotenoid từ chitin mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn, giải quyết được các vấn đề về nguồn cung và bảo vệ môi trường. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực này đòi hỏi sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để đạt được hiệu quả tối ưu.

2.1. Hạn chế của các phương pháp sản xuất Carotenoid truyền thống

Các phương pháp sản xuất carotenoid truyền thống thường dựa vào chiết xuất từ thực vật hoặc tổng hợp hóa học. Chiết xuất từ thực vật phụ thuộc vào mùa vụ và đòi hỏi diện tích đất canh tác lớn. Tổng hợp hóa học sử dụng các hóa chất độc hại và gây ô nhiễm môi trường. Cả hai phương pháp đều có chi phí cao và không bền vững về mặt môi trường. Do đó, cần tìm kiếm các phương pháp sản xuất carotenoid thân thiện với môi trường hơn.

2.2. Ô nhiễm môi trường từ phế phẩm chitin và giải pháp

Phế phẩm chitin từ ngành thủy sản gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Lượng lớn vỏ tôm, cua bị thải ra môi trường, gây mùi hôi thối và ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Việc xử lý phế phẩm chitin bằng phương pháp chôn lấp hoặc đốt không hiệu quả và gây ô nhiễm thêm. Ứng dụng chitin trong nông nghiệp thông qua quá trình sinh tổng hợp carotenoid là một giải pháp sáng tạo, giúp biến chất thải thành nguồn tài nguyên có giá trị.

2.3. Tiềm năng thị trường và nhu cầu Carotenoid cho chăn nuôi

Thị trường carotenoid cho ngành chăn nuôi đang phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu carotenoid ngày càng tăng do nhận thức về lợi ích của chúng đối với sức khỏe vật nuôi. Các nhà sản xuất thức ăn chăn nuôi đang tìm kiếm các nguồn carotenoid tự nhiên và bền vững để đáp ứng nhu cầu thị trường. Sinh tổng hợp carotenoid từ chitin có tiềm năng lớn trong việc cung cấp nguồn carotenoid dồi dào và kinh tế cho ngành chăn nuôi.

III. Bí quyết Sinh tổng hợp Carotenoid từ Chitin hiệu quả nhất

Nghiên cứu tập trung vào quy trình sinh tổng hợp carotenoid từ chitin sử dụng vi sinh vật sinh tổng hợp carotenoid. Các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa chitin thành carotenoid được tuyển chọn và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy. Quá trình chiết xuất chitin và thủy phân chitin đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sinh tổng hợp. Kỹ thuật công nghệ sinh học tiên tiến được áp dụng để tăng cường năng suất carotenoid và giảm chi phí sản xuất. TS Phạm Tuấn Anh cho rằng "Cần nghiên cứu sâu về cơ chế sinh tổng hợp carotenoid để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả kinh tế".

3.1. Tuyển chọn và tối ưu hóa Vi sinh vật sinh tổng hợp

Việc tuyển chọn các chủng vi sinh vật sinh tổng hợp carotenoid có khả năng sử dụng chitin làm nguồn carbon là bước quan trọng. Các chủng nấm men, vi khuẩn, và tảo có tiềm năng được sàng lọc và đánh giá. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy, bao gồm nhiệt độ, pH, và nguồn dinh dưỡng, giúp tăng cường khả năng sinh tổng hợp carotenoid của vi sinh vật. "Kết quả cho thấy chủng Sporidiobolus pararoseus Q có khả năng tích lũy β-carotene và carotenoid đạt tương ứng là 518.84 µg/g sinh khối khô và 595.48 µg/g sinh khối khô sau 96 h lên men" (Nghiêm Hoàng Lan).

3.2. Quy trình chiết xuất và thủy phân Chitin tối ưu

Quy trình chiết xuất chitin hiệu quả giúp loại bỏ các tạp chất và thu được chitin tinh khiết. Thủy phân chitin thành N-acetylglucosamine (NAG) tạo ra nguồn cơ chất dễ hấp thụ cho vi sinh vật. Sử dụng enzyme chitinase trong quá trình thủy phân giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Các phương pháp thủy phân hóa học và sinh học được so sánh và lựa chọn phương pháp tối ưu.

3.3. Ứng dụng Công nghệ lên men tiên tiến tăng năng suất

Các kỹ thuật lên men tiên tiến, như lên men mẻ, lên men liên tục, và lên men gián đoạn, được áp dụng để tăng năng suất carotenoid. Điều khiển các thông số lên men, như oxy hòa tan và tốc độ khuấy, giúp tối ưu hóa quá trình sinh tổng hợp. Nghiên cứu về động học của quá trình lên men giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vi sinh vật và điều chỉnh quy trình phù hợp.

IV. Ứng dụng thực tiễn Carotenoid từ Chitin cho thức ăn

Kết quả nghiên cứu cho thấy carotenoid sinh tổng hợp từ chitin có thể ứng dụng hiệu quả trong sản xuất thức ăn chăn nuôi. Việc bổ sung carotenoid vào thức ăn giúp cải thiện sức khỏe và năng suất vật nuôi. Carotenoid cho gia cầm tăng cường màu sắc lòng đỏ trứng và chất lượng thịt. Carotenoid cho thủy sản cải thiện màu sắc thịt cá và tăng giá trị thương phẩm. Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả kinh tế của sản xuất carotenoid từ chitin, so sánh với các nguồn carotenoid khác.

4.1. Đánh giá hiệu quả của Carotenoid trên vật nuôi thực nghiệm

Thí nghiệm trên vật nuôi được thực hiện để đánh giá hiệu quả của carotenoid sinh tổng hợp từ chitin. Các chỉ số về sức khỏe, năng suất, và chất lượng sản phẩm được theo dõi và so sánh với nhóm đối chứng. Kết quả cho thấy carotenoid từ chitin có tác dụng tích cực đối với vật nuôi, tương đương hoặc tốt hơn so với các nguồn carotenoid khác. Các chỉ số này cần được đánh giá kỹ lưỡng và phải đảm bảo được kết quả thực nghiệm có tính lặp lại. "Hàm lượng β-carotene và carotenoid đạt lần lượt là 698.21 µg/g sinh khối khô và 1941.12 µg/g sinh khối khô, tăng 35% và 41% so với quá trình lên men sử dụng một nguồn carbon" (Nghiêm Hoàng Lan).

4.2. Phân tích kinh tế và tiềm năng thương mại hóa quy trình

Phân tích hiệu quả kinh tế của sản xuất carotenoid từ chitin giúp đánh giá tính khả thi của quy trình. Các yếu tố như chi phí nguyên liệu, chi phí sản xuất, và giá bán sản phẩm được xem xét. Tiềm năng thương mại hóa quy trình được đánh giá dựa trên nhu cầu thị trường và khả năng cạnh tranh với các sản phẩm tương tự.

V. Kết luận Tương lai của Sinh tổng hợp Carotenoid từ Chitin

Nghiên cứu về sinh tổng hợp carotenoid từ chitin mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng cho ngành chăn nuôi. Việc tận dụng phế phẩm chitin để sản xuất carotenoid không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu giá trị. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển quy trình sinh tổng hợp để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất. Công nghệ sinh học sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa tiềm năng của phương pháp này.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng phát triển

Các hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc cải thiện quy trình sinh tổng hợp, tìm kiếm các chủng vi sinh vật có năng suất cao hơn, và phát triển các ứng dụng mới của carotenoid trong các lĩnh vực khác. Tiềm năng phát triển của phương pháp này là rất lớn, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi và nông nghiệp.

5.2. Chính sách và hỗ trợ cho ứng dụng công nghệ mới

Cần có các chính sách và hỗ trợ từ nhà nước và các tổ chức liên quan để thúc đẩy ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất carotenoid từ chitin. Các chương trình nghiên cứu và phát triển, hỗ trợ tài chính, và tạo điều kiện cho doanh nghiệp tham gia vào quá trình thương mại hóa là cần thiết.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chitin là polysaccharide tự nhiên phổ biến thứ hai trên thế giới, chiếm phần lớn trong thành phần vỏ tôm, cua và các loài giáp xác khác. Việt Nam, với sản lượng tôm xuất khẩu khoảng 1,1 triệu tấn/năm, tạo ra khoảng 500.000 tấn chất thải vỏ tôm mỗi năm, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Thành phần chính của chất thải này gồm canxi carbonat, protein, lipid, carotenoid và chitin (chiếm 15-40%), trong đó chitin khó phân hủy tự nhiên. Việc tận dụng chitin để sản xuất các sản phẩm giá trị cao như N-acetylglucosamine (NAG) và carotenoid không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn nâng cao giá trị kinh tế cho ngành nuôi trồng thủy sản.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp carotenoid từ dịch thủy phân chitin thông qua nguồn cơ chất NAG, nhằm ứng dụng trong sản xuất thức ăn chăn nuôi. Mục tiêu chính là lựa chọn chủng nấm men có khả năng sinh tổng hợp carotenoid cao trên cơ chất NAG, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và nâng cao hiệu suất sản xuất carotenoid. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2023, với phạm vi khảo sát các chủng nấm men thuộc bộ sưu tập của Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sinh học ứng dụng xử lý phụ phẩm ngành tôm, đồng thời tạo ra nguồn carotenoid tự nhiên chất lượng cao phục vụ ngành thức ăn chăn nuôi, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành thủy sản.

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:

• Cấu trúc và tính chất của chitin và NAG: Chitin là polymer polysaccharide gồm các đơn phân N-acetylglucosamine (NAG) liên kết β-1,4-glycoside, tồn tại chủ yếu dưới dạng α-chitin với cấu trúc liên kết hydro bền vững. NAG là đơn phân monosaccharide có vai trò làm nguồn carbon và nitơ trong quá trình lên men sinh tổng hợp carotenoid.

• Con đường sinh tổng hợp carotenoid ở nấm men: Quá trình chuyển hóa Acetyl-CoA qua con đường mevalonate tạo tiền chất isoprenoid, sau đó tổng hợp phytoene, lycopene và các carotenoid như β-carotene, torulene, torularhodin. Hệ enzyme crt mã hóa các bước chuyển hóa này.

• Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên quá trình lên men: Thành phần môi trường (nguồn carbon, nitơ), pH, nhiệt độ, tốc độ sục khí, ánh sáng và các ion kim loại ảnh hưởng đến sinh trưởng nấm men và khả năng tích lũy carotenoid.

• Các phương pháp lên men: Lên men theo mẻ, liên tục và bán liên tục, trong đó lên men bán liên tục và kỹ thuật bổ sung cơ chất gián đoạn giúp tăng hiệu suất sinh tổng hợp carotenoid.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: 18 chủng nấm men thuộc bộ sưu tập của Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn chủng dựa trên khả năng sinh tổng hợp carotenoid trên môi trường chứa 20 g/L NAG, đo quang và phân tích HPLC để xác định hàm lượng β-carotene và carotenoid.

• Phương pháp phân tích: Xác định sinh khối khô, hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS, hàm lượng β-carotene và carotenoid bằng phương pháp đo quang và sắc ký lỏng cao áp (HPLC).

• Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm lên men kéo dài từ 3 đến 12 ngày tùy điều kiện, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như tỷ lệ cấp giống, pH, hàm lượng NAG, hàm lượng glucose, kỹ thuật lên men hai nguồn carbon bổ sung đồng thời và gián đoạn.

• Phân tích số liệu: Tính toán tốc độ sinh trưởng riêng, hiệu suất sinh trưởng, tốc độ tiêu thụ cơ chất, xử lý số liệu bằng Microsoft Excel, lặp lại thí nghiệm 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lựa chọn chủng nấm men sinh tổng hợp carotenoid từ NAG: Tất cả 18 chủng nấm men khảo sát đều có khả năng sinh tổng hợp β-carotene và carotenoid trên môi trường chứa 20 g/L NAG, với hàm lượng β-carotene từ 41.78 đến 518.84 µg/g sinh khối khô và carotenoid từ 45.07 đến 595.48 µg/g sinh khối khô. Chủng Sporidiobolus pararoseus Q cho kết quả cao nhất, với β-carotene 518.84 µg/g và carotenoid 595.48 µg/g sau 96 giờ lên men.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống: OD660nm khởi điểm là 1 cho tốc độ sinh trưởng riêng cao nhất (0.11 h⁻¹) và hàm lượng β-carotene, carotenoid tích lũy cao nhất, gấp 1.64 lần so với OD thấp hơn hoặc cao hơn.

3. Ảnh hưởng của pH: pH 5 là điều kiện tối ưu cho sinh trưởng và tích lũy carotenoid, với hàm lượng β-carotene 466.75 µg/g và carotenoid 500.47 µg/g sinh khối khô, cao hơn khoảng 9% so với pH 4 và 33% so với pH 6.

4. Ảnh hưởng của hàm lượng NAG: Hàm lượng NAG 30 g/L là tối ưu, cho sinh khối 5.63 g/L và hàm lượng β-carotene 523.47 µg/g, carotenoid 583.28 µg/g, tăng 58% so với mẫu không bổ sung NAG hoặc các hàm lượng khác.

5. Kỹ thuật lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn: Bổ sung NAG 30 g/L sau khi glucose 80 g/L được tiêu thụ hoàn toàn giúp tăng sinh khối lên khoảng 23-24 g/L, gấp 4 lần so với lên men một nguồn carbon NAG. Hàm lượng β-carotene và carotenoid đạt lần lượt 698.21 µg/g và 1941.12 µg/g sinh khối khô, tăng 35% và 41% so với lên men một nguồn carbon NAG.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Sporidiobolus pararoseus Q là chủng nấm men có khả năng sinh tổng hợp carotenoid vượt trội trên cơ chất NAG, mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng phụ phẩm ngành tôm. Việc tối ưu các điều kiện lên men như tỷ lệ cấp giống, pH và hàm lượng NAG giúp tăng hiệu suất sản xuất carotenoid đáng kể. Đặc biệt, kỹ thuật lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn tận dụng ưu điểm của glucose trong giai đoạn sinh trưởng và NAG trong giai đoạn tích lũy sản phẩm, nâng cao sinh khối và hàm lượng carotenoid.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng glucose hoặc glycerol làm nguồn carbon, việc sử dụng NAG không chỉ giúp tăng năng suất carotenoid mà còn góp phần xử lý chất thải khó phân hủy, giảm ô nhiễm môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ động học sinh trưởng, tiêu thụ cơ chất và tích lũy carotenoid theo thời gian, minh họa rõ ràng hiệu quả của từng điều kiện lên men.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn: Khuyến nghị áp dụng kỹ thuật này trong sản xuất công nghiệp để nâng cao năng suất carotenoid, với timeline triển khai thử nghiệm quy mô pilot trong 6-12 tháng, do các đơn vị công nghệ sinh học và doanh nghiệp chế biến thủy sản thực hiện.

2. Tối ưu hóa điều kiện pH và tỷ lệ cấp giống: Đề xuất duy trì pH 5 và OD660nm khởi điểm là 1 trong quá trình lên men để đảm bảo sinh trưởng và tích lũy carotenoid tối ưu, áp dụng ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại.

3. Phát triển công nghệ xử lý và thu hồi NAG từ dịch thủy phân chitin: Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về quy trình thủy phân chitin để tạo nguồn NAG chất lượng cao, giảm chi phí nguyên liệu, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học phối hợp thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng carotenoid trong thức ăn chăn nuôi: Đề xuất thử nghiệm bổ sung carotenoid từ nấm men Sporidiobolus pararoseus Q vào thức ăn gia súc, gia cầm nhằm tăng cường sức khỏe và năng suất vật nuôi, với thời gian thử nghiệm 12-18 tháng do các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp và doanh nghiệp chăn nuôi phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về quá trình sinh tổng hợp carotenoid từ NAG, phương pháp lên men và phân tích sản phẩm, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và sản xuất thức ăn chăn nuôi: Tham khảo quy trình tận dụng phụ phẩm vỏ tôm để sản xuất carotenoid tự nhiên, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tài liệu cung cấp giải pháp công nghệ sinh học thân thiện môi trường, góp phần kiểm soát chất thải ngành thủy sản và thúc đẩy phát triển kinh tế xanh.

4. Các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ sinh học: Tham khảo để phát triển các dự án nghiên cứu ứng dụng enzyme, vi sinh vật trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp và sản xuất các hợp chất sinh học giá trị cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn Sporidiobolus pararoseus Q làm chủng nghiên cứu chính?
   Chủng này có khả năng tích lũy β-carotene và carotenoid cao nhất trong số 18 chủng khảo sát, với hàm lượng β-carotene đạt 518.84 µg/g và carotenoid 595.48 µg/g sinh khối khô, vượt trội so với các chủng khác.

2. Nguồn carbon NAG có ưu điểm gì so với glucose hay glycerol?
   NAG tận dụng từ dịch thủy phân chitin là phụ phẩm ngành tôm, giúp giảm chi phí nguyên liệu, đồng thời xử lý chất thải khó phân hủy, góp phần bảo vệ môi trường và tăng giá trị kinh tế.

3. Kỹ thuật lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn có lợi ích gì?
   Kỹ thuật này tận dụng glucose cho giai đoạn sinh trưởng nhanh và NAG cho giai đoạn tích lũy carotenoid, giúp tăng sinh khối lên gấp 4 lần và hàm lượng carotenoid tăng 35-41% so với lên men một nguồn carbon.

4. Điều kiện pH tối ưu cho quá trình lên men là bao nhiêu?
   pH 5 được xác định là điều kiện tối ưu, giúp sinh trưởng nấm men và tích lũy carotenoid đạt hiệu quả cao nhất, phù hợp với hoạt động enzyme sinh tổng hợp carotenoid.

5. Ứng dụng của carotenoid sinh tổng hợp từ nấm men trong ngành chăn nuôi?
   Carotenoid giúp tăng cường hệ miễn dịch, cải thiện sức khỏe vật nuôi, kích thích sinh sản và tăng khả năng đề kháng, đồng thời là chất tạo màu tự nhiên trong thức ăn chăn nuôi, nâng cao giá trị sản phẩm.

Kết luận

• Đã lựa chọn thành công chủng Sporidiobolus pararoseus Q với khả năng sinh tổng hợp β-carotene và carotenoid cao trên cơ chất NAG.
• Các yếu tố pH 5, tỷ lệ cấp giống OD660nm = 1 và hàm lượng NAG 30 g/L được xác định là điều kiện tối ưu cho quá trình lên men.
• Kỹ thuật lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn giúp tăng sinh khối lên gấp 4 lần và nâng cao hàm lượng carotenoid lên 35-41%.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học xử lý phụ phẩm ngành tôm, tạo nguồn carotenoid tự nhiên chất lượng cao phục vụ thức ăn chăn nuôi.
• Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot và mở rộng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp trong 6-12 tháng tới.

Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình lên men hai nguồn carbon bổ sung gián đoạn để phát triển sản phẩm carotenoid sinh học, góp phần phát triển bền vững ngành thủy sản và chăn nuôi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp Carotenoid từ dịch thủy phân Chitin nhằm ứng dụng sản xuất thức ăn chăn nuôi NGHIÊM HOÀNG LAN lan.vn Ngành Công nghệ Sinh học Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Tuấn Anh Chữ ký của GVHD Trường: Hóa và Khoa học sự sống HÀ NỘI, 11/2023 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ và tên học viên: Nghiêm Hoàng Lan Mã số học viên: 20212666M Khóa: CH2021B Viện: Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm Ngành: Công nghệ Sinh học Tên đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp Carotenoid từ dịch thủy phân chitin nhằm ứng dụng sản xuất thức ăn chăn nuôi Giáo viên hướng dẫn: TS. Phạm Tuấn Anh Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Ngày 28 tháng 11 năm 2023 Giảng viên hướng dẫn TS. Phạm Tuấn Anh Tóm tắt nội dung luận văn Chitin, một polysaccharide tự nhiên, là polyme sinh học phổ biến thứ hai trên thế giới sau cellulose, được cấu thành bởi các monome N-acetylglucosamine (NAG) và được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm.

Trong nghiên cứu này, các chủng nấm men từ bộ sưu tập chủng của Viện Công nghệ Sinh học – Công nghệ Thực phẩm, đại học Bách Khoa Hà Nội được chọn lọc để tổng hợp carotenoid từ NAG. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp carotenoid trên nguồn cơ chất là NAG đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy chủng Sporidiobolus pararoseus Q có khả năng tích lũy β-carotene và carotenoid đạt tương ứng là 518.84 µg/g sinh khối khô và 595.48 µg/g sinh khối khô sau 96 h lên men với điều kiện tối ưu gồm hàm lượng NAG là 30 g/L ở pH 5 và OD660nm khởi điểm là 1, tương ứng tăng gấp 2.35 lần so với chủng trước khi khảo sát. Nhằm nâng cao sinh khối và khả năng tích lũy β-carotene và carotenoid của chủng, kỹ thuật lên men gián đoạn hai nguồn carbon đã được tiến hành.

Hàm lượng β-carotene và carotenoid đạt lần lượt là 698.21 µg/g sinh khối khô và 1941.12 µg/g sinh khối khô, tăng 35% và 41% so với quá trình lên men sử dụng một nguồn carbon là NAG với hàm lượng 30 g/L. Khả năng sử dụng NAG làm nguồn sản xuất carotenoid không chỉ tăng thêm giá trị cho phụ phẩm tôm mà còn góp phần kiểm soát ô nhiễm môi trường, tạo công ăn việc làm và đảm bảo an sinh xã hội cho nông dân vùng nuôi tôm. Sinh viên thực hiện Nghiêm Hoàng Lan LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn, em đã có cơ hội được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật lên men thuộc Trung tâm Nghiên cứu và phát triển Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa Hà Nội, nhờ đó có cơ hội được ứng dụng thực nghiệm các kiến thức lý thuyết. Em xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới TS.

Phạm Tuấn Anh – bộ môn Vi sinh, Hóa sinh và Sinh học phân tử, trường Hóa và Khoa học sự sống, đã tạo điều kiện tốt nhất cho em được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, đã tận tình hướng dẫn và cố vấn em trong quá trình nghiên cứu, thí nghiệm và học tập. Em xin được cảm ơn tới toàn thể cán bộ thuộc Trung tâm Nghiên cứu và phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Hóa và Khoa học sự sống, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu. Luận văn cũng không thể hoàn thiện nếu thiếu sự hỗ trợ, giúp đỡ của ThS. Nguyễn Thảo Anh cùng các bạn, các em thuộc các phòng ban trung tâm.

Sự hỗ trợ, đồng hành của thầy cô và các bạn, các em là niềm khích lệ lớn lao giúp em hoàn thiện nghiên cứu một cách trọn vẹn nhất. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình đã luôn là điểm tựa tinh thần vững chắc, hỗ trợ và động viên, đồng thời tạo điều cho em học tập, nghiên cứu và hoàn thiện nghiên cứu này. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. 2 Phương pháp sản xuất NAG.

2 Ứng dụng của NAG. 8 Cấu trúc và phân loại của carotenoid. 8 Ứng dụng của carotenoid. 9 Phương pháp sản xuất carotenoid.4 Công nghệ lên men sinh tổng hợp carotenoid.

12 Con đường sinh tổng hợp carotenoid ở nấm men. 12 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp carotenoid .5 Các phương pháp lên men sinh tổng hợp carotenoid. 16 Lên men theo mẻ. 16 Lên men liên tục.

17 Lên men bán liên tục .6 Mục tiêu nghiên cứu .7 Nội dung nghiên cứu. 18 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 19 Chủng vi sinh vật. 19 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm.2 Môi trường nuôi cấy .3 Phương pháp nghiên cứu.

20 Phương pháp nuôi cấy. 20 Lựa chọn nấm men có khả năng sinh tổng hợp carotenoid cao trên cơ chất NAG. 21 Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG. 21 Nâng cao khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG.

22 Khảo sát khả năng sinh tổng hợp carotenoid trên dịch thủy phân chitin 23 2.4 Phương pháp phân tích. 23 Xác định hàm lượng sinh khối khô. 23 Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS. 23 Xác định hàm lượng β-carotene và carotenoid.5 Phương pháp xử lý số liệu .6 Phương pháp tính toán.

26 Tốc độ sinh trưởng. 26 Hiệu suất sinh trưởng. 26 Tốc độ tiêu thụ cơ chất. 27 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 Tuyển chọn chủng nấm men sinh tổng hợp carotenoid từ NAG .2 Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp carotenoid của S.

pararoseus Q trên NAG. 29 Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG. 29 Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG 31 Ảnh hưởng của hàm lượng NAG đến khả năng sinh tổng hợp carotenoid 32 Động học của quá trình lên men .3 Nâng cao khả năng sinh tổng hợp carotenoid từ NAG. 36 Khảo sát hàm lượng glucose đầu vào.

36 Nghiên cứu kỹ thuật lên men sử dụng 2 nguồn carbon. 37 Lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn .4 Khảo sát quá trình sinh tổng hợp carotenoid trên dịch thủy phân chitin. 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

48 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Cấu trúc hóa học của GlcN và GlcNAc. Các dạng liên kết của chitin. Mạng lưới liên kết hydrogen.

Các phương pháp sản xuất NAG từ chitin. Cấu trúc một số carotenoid phổ biến. Cấu tạo của torulahodin. Con đường tổng hợp Acetyl-CoA từ glucose.

Con đường sinh tổng hợp carotenoid từ Acetyl-CoA ở Rhodotorula. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của các chủng khảo sát trên môi trường chứa 20 g/L NAG sau 120 h lên men. Hàm lượng β-carotene và carotenoid phân tích bằng HPLC. Đường cong sinh trưởng của S.

pararoseus Q với tỷ lệ cấp giống khác nhau. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của S. pararoseus Q với tỷ lệ cấp giống khác nhau sau 80 h lên men. Đường cong sinh trưởng của chủng S.

pararoseus Q ở pH khác nhau 31 Hình 3. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q ở pH khác nhau. Đường cong sinh trưởng của chủng S.

pararoseus Q ở hàm lượng NAG khác nhau. Tốc độ tiêu thụ NAG của chủng S. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q ở các hàm lượng NAG khác nhau.

Động học của quá trình lên men chủng S. pararoseus Q trên môi trường sử dụng 30 g/L NAG. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. Động học sinh trưởng của chủng S.

pararoseus Q ở các hàm lượng glucose khác nhau. Khả năng tích lũy β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q ở hàm lượng glucose khác nhau. Động học sinh trưởng quá trình lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn và đồng thời của chủng S.

Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S.pararoseus Q ở các quá trình lên men. Động học sinh trưởng của quá trình lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn với 30 g/L NAG của chủng S. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q trong quá trình lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn với hàm lượng 30 g/L NAG.

Động học sinh trưởng của quá trình lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn với hàm lượng NAG là 50 g/L của chủng S. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng trong quá trình lên men gián đoạn 2 nguồn carbon với 50 g/L NAG của chủng S. Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q trong quá trình lên men sử dụng 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn với hàm lượng 50 g/L NAG phân tích bằng HPLC.

Thành phần các carotenoid trong quá trình lên men 2 nguồn carbon bổ sung gián đoạn với hàm lượng 50 g/L NAG của chủng S. Kết quả HPLC các peak của carotenoid từ chủng S. Động học của quá trình lên men chủng S. pararoseus Q trên dịch thủy phân chitin.

Hàm lượng β-carotene và carotenoid của chủng S. pararoseus Q trên dịch thủy phân chitin. 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Một số nghiên cứu sản xuất NAG bằng phương pháp hóa học.

Một số nghiên cứu sản xuất NAG bằng phương pháp enzyme. Một số nghiên cứu sản xuất NAG bằng phương pháp kết hợp. Một số nghiên cứu sản xuất NAG bằng phương pháp lên men vi sinh vật .Các chủng nấm men sử dụng trong nghiên cứu. 19 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa NAG N-acetyl Glucosamine KC Kiểm chứng RS Reducing sugar LM Lên men HPLC High-performance liquid chromatography TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Chitin Chitin là một polysaccharide tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học với trữ lượng lớn thứ hai thế giới chỉ sau cellulose.

Chitin đóng vai trò quan trọng trong thành phần cấu trúc của các loài động vật giáp xác (tôm, cua…), thành tế bào của nấm họ Zygenmyctes, các khung xương của động vật thân mềm (bao gồm mực và bạch tuộc), và trên các mô mềm khác của cá. Với đường bờ biển dài hơn 3,260 km cùng hệ thống sông ngòi đa dạng và hàng nghìn đảo lớn nhỏ, Việt Nam được đánh giá là đất nước có tiềm năng phát triển ngành nuôi trồng thủy sản mạnh mẽ.