MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của nhiệm vụ Astaxanthin là một trong những chất có nhiều và quan trọng nhất trong nhóm chất carotenoid, hàm lượng astaxanthin càng cao thì giá sản phẩm carotenoid có chứa nó càng cao, sản phẩm carotenoid trên thị trường hiện nay là từ 100 – 130 tấn mỗi năm. Astaxanthin là một chất chống ôxy hóa sinh học mạnh được sử dụng nhiều trong ngành nuôi trồng thủy sản như tôm, cua, cá hồi, trứng cá, cá cảnh và sao biển (Inoue và cộng sự, 2012). Do nhu cầu astaxanthin sinh tổng hợp có nguồn gốc tự nhiên thay thế cho nguồn tổng hợp hóa học đang ngày càng tăng. Các nguồn sinh tổng hợp astaxanthin tự nhiên có thể kể đến như là tảo, nấm men và vi khuẩn đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Astaxanthin chủ yếu được thu nhận từ tảo Haematococcus pluvialis, từ nấm men Xanthophyllomyces dendrorhous, vi khuẩn Agrobacterium auraticum, ngoài ra còn được tổng hợp hóa học hoặc từ vỏ giáp xác. Trong đó, vi tảo Haematococcus pluvialis là nguồn nguyên liệu rất có tiềm năng để sản xuất astaxanthin (Ngô Đại Nghiệp và cộng sự, 2017). Hiện nay có nhiều nghiên cứu về tách chiết carotenoid trong đó có astaxanthin từ sinh khối vi tảo H. pluvialis như phương pháp dùng dung môi hữu cơ kết hợp với các phương pháp phá vỡ tế bào nang hóa đó là nghiền lạnh, xử lý acid/base, sấy phun.
Phương pháp tiên tiến hiện nay là phương pháp tách chiết bằng CO2 lỏng siêu tới hạn với đồng dung môi ethanol hoặc dầu thực vật (Krichnavaruk và cộng sự, 2008), bởi đặc tính chọn lọc được các chất hoạt chất sinh học và không lẫn các dung môi gây độc (Reyes và cộng sự, 2014). Astaxanthin là chất chống oxy hóa mạnh nhưng điều này cũng có nghĩa astaxanthin kém ổn định và dễ phân hủy. Yêu cầu của khách hàng doanh nghiệp là cần các nhà nghiên cứu hoặc đơn vị chuyển giao phải có quy trình chiết xuất đảm bảo, loại bỏ các chất xúc tác cho phản ứng oxy hóa. Quy trình chiết xuất không nhiễm dung môi hóa chất, không lẫn tạp chất có hại để có thể ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản.
Vì vậy chúng tôi đề xuất nhiệm vụ “Nghiên cứu tách chiết carotenoid chứa astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn” trong năm 2021 nhằm hỗ trợ doanh nghiệp và phù hợp với định hướng nghiên cứu 1 khoa học công nghệ của Trung tâm Ươm tạo Doanh nghiệp Nông nghiệp Công nghệ cao trong giai đoạn 2021-2025. Mục tiêu Xây dựng được quy trình tách chiết tối ưu carotenoid có chứa astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp sử dụng CO2 siêu tới hạn. Đánh giá được hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phương pháp. Đối tượng nghiên cứu Dầu chứa astaxanthin từ sinh khối tảo Haematococcus pluvialis tách chiết bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn Giới hạn nghiên cứu Do thiết kế và cấu tạo của hệ thống CO2 siêu tới hạn của Trung tâm Ươm tạo Doanh nghiệp Nông nghiệp Công nghệ cao và yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo an toàn vận hành nên nghiên cứu chỉ thực hiện khảo sát ở điều kiện áp suất ≤ 35 MPa, nhiệt độ ≤ 700C.
Nguyên liệu sinh khối tảo sử dụng trong nghiên cứu có tiêu chuẩn thấp chỉ dùng cho vật nuôi (feed grade). TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về nhóm carotenoid chứa astaxanthin 1.1 Giới thiệu chung Carotenoid là một dạng sắc tố hữu cơ có tự nhiên trong thực vật và các loài sinh vật quang hợp khác như là tảo, một vài loài nấm và một vài loài vi khuẩn. Hiện nay người ta đã tìm được 600 loại carotenoid, sắp xếp theo hai nhóm, xanthophylls và carotene. Khác với cây cỏ, con người không thể tự tổng hợp ra carotenoid mà sử dụng carotenoid từ việc ăn thực vật nhằm bảo vệ bản thân mình.
Carotenoid giúp chống lại các tác nhân oxy hóa từ bên ngoài. Thiên nhiên có đến khoảng 600 loại carotenoid khác nhau, trong đó có 50 loại carotenoid hiện diện trong thực phẩm. Thế nhưng trong máu của người có khoảng 15 loại được tìm thấy và chúng đang được chứng minh là đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con người. Carotenoid không phải là tên riêng của một chất nào mà là tên của một nhóm các hợp chất có công thức cấu tạo tương tự nhau và tác dụng bảo vệ cơ thể cũng tương tự nhau.
Carotenoid khá quen thuộc với chúng ta là bêta-caroten hay còn gọi là tiền chất của vitamin A. Trong mấy năm gần đây người ta còn nói nhiều đến các carotenoid khác như β-carotene, lycopen, lutein, astaxanthin, cathaxanthin và zeaxanthin. Carotenoid được biết đến như là chất chống oxy hóa mạnh có nguồn gốc tự nhiên giúp ngăn cản các tế bào bình thường chuyển thành các tế bào gây ung thư, làm chậm lại sự phát triển của khối u, ngăn cản sự tạo thành các chất gây ung thư. Ngoài ra, carotenoid còn đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa và điều trị các bệnh như tim mạch, viêm thấp khớp, chứng loạn dưỡng cơ, bệnh đục thủy tinh thể và một số rối loạn về thần kinh.
Vi tảo là các loài sinh vật nhân sơ hoặc nhân thực có khả năng quang hợp và tồn tại ở hầu hết các hệ sinh thái trên trái đất. Được phát hiện lần đầu tiên tại Trung Quốc, hiện nay ước tính có hơn 50.000 loài vi tảo đã được xác định trên sinh giới, trong đó chỉ có 60% các loài được nghiên cứu và phân tích. Đáng chú ý, hầu hết các loài vi tảo sinh trưởng chủ yếu theo cơ chế quang tự dưỡng và/hoặc dị dưỡng (Roomiani, 2016). 3 Vi tảo chưa được phân loại một cách rõ ràng do chúng thuộc nhiều phân lớp thực vật và vi sinh vật khác nhau.
Hiện tại việc phân loại có thể dựa trên sự khác nhau về sắc tố, sản phẩm lưu trữ, màng quang hợp hoặc một số đặc điểm hình thái khác. Một cách tương đối, vi tảo có thể được xếp vào 11 ngành, bao gồm Cyanophyta, Prochlorophyta (thuộc nhóm nhân sơ), Glaucophyta, Rhodophyta, Heterokontophyta, Haptophyta, Cryptophyta, Dinophyta, Euglenophyta, Chlorarachniophyta, Chlorophyta (thuộc nhóm nhân thực). Trong đó được quan tâm nhiều là các ngành Glaucophyta (một ngành hiếm và thường tồn tại ở môi trường nước ngọt), Rhodophyta (hay còn gọi là tảo đỏ), Heterokontophyta (ứng dụng nhiều trong nuôi trồng thủy sản) và Chlorophyta (Krichnavarus và cộng sự, 2008; K. Heimann và cộng sự, 2015; Roomiani và cộng sự, 2016).
Đến nay, nhiều loài vi tảo đã được phân lập thành công và sử dụng rộng rãi trong đời sống. Phải kể đến đầu tiên là tảo Spirulina - một chi thuộc ngành Glaucophyta. Tảo Spirulina có màu xanh lục với sắc tố chính là phycocyanin. Vi tảo thuộc chi Spirulina có thành phần dinh dưỡng rất cao (protein ~70% trọng lượng khô, carotenoid ~ 4.000 mg/kg, acid béo không bão hòa như omega-3, omega-6, γ-linolenic acid, giàu vitamin và các khoáng chất [11], vì vậy, Spirulina được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, nuôi trồng thủy sản, thú y và chăn nuôi (K.
Heimann và cộng sự, 2015; Bule và cộng sự, 2018). Tiếp theo, Chlorella là một chi thuộc ngành Chlorophyta (tảo lục) đơn bào. Các loài thuộc chi này có tiềm năng lớn trong sản xuất nhiên liệu sinh học, mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng và xử lý môi trường (Saavedra và cộng sự, 2018). Hai đại diện khác thuộc ngành tảo lục cũng nhận được nhiều sự quan tâm là Dunaliella và Haematococcus.
Trong đó, chi Haematococcus bao gồm 8 loài khác nhau, được biết đến nhiều nhất là vi tảo đơn bào nước ngọt (Haematococcus pluvialis) với khả năng tích lũy chất chống oxy hóa astaxanthin. Trong chi Dunaliella, vi tảo Dunaliella salina là nguồn cung cấp β-carotene tự nhiên tốt nhất hiện nay và được nuôi trồng quy mô công nghiệp trên khắp thế giới (A. Hosseini Tafreshi và M. Astaxanthin có vai trò là chất chống oxy hóa mạnh, còn được gọi là một “siêu vitamin E”.
Astaxanthin thương mại được sử dụng để ngăn chặn nhiễm khuẩn, viêm, bệnh tim mạch, ung thư, cải thiện chức năng não, làm tăng độ dày da, chống lão hóa. Trong 4 thực tiễn, astaxanthin có nhiều ứng dụng. Vi tảo là loài thực vật phù du có kích thước nhỏ đến mức khi quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi, sinh trưởng bằng quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc cả hai cách.000 loài vi tảo đã được xác định. Trên thực tế, nhiều loài vi tảo đã được nuôi trồng để tạo nguồn thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, phân bón hữu cơ hay chiết xuất những chất có giá trị cao như các sắc tố tự nhiên, chất chống oxy hóa, protein, lipid, vitamin và vi khoáng để sử dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm bổ sung.
Đến nay, nhiều loài vi tảo đã được phân lập thành công và sử dụng rộng rãi trong đời sống. Phải kể đến đầu tiên là tảo Spirulina - một chi thuộc ngành Glaucophyta. Tảo Spirulina có màu xanh lục với sắc tố chính là phycocyanin. Vi tảo thuộc chi Spirulina có thành phần dinh dưỡng rất cao (protein khoảng 70% trọng lượng khô, carotenoid khoảng 4.000 mg/kg, acid béo không bão hòa như omega-3, omega-6, γ- linolenic acid, giàu vitamin và các khoáng chất (Ambati và cộng sự, 2018), vì vậy, Spirulina được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, nuôi trồng thủy sản, thú y và chăn nuôi (Roomiani, 2016; Ambati và cộng sự, 2018).
Tiếp theo, Chlorella là một chi thuộc ngành Chlorophyta (tảo lục) đơn bào. Các loài thuộc chi này có tiềm năng lớn trong sản xuất nhiên liệu sinh học, mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng và xử lý môi trường ( R. Saavedra và cộng sự, 2018). Hai đại diện khác thuộc ngành tảo lục cũng nhận được nhiều sự quan tâm Dunaliella và Haematococcus.
Trong đó, chi Haematococcus bao gồm 8 loài khác nhau, được biết đến nhiều nhất là vi tảo đơn bào nước ngọt (Haematococcus pluvialis) với khả năng tích lũy chất chống oxy hóa astaxanthin. Trong chi Dunaliella, vi tảo Dunaliella salina là nguồn cung cấp β-carotene tự nhiên tốt nhất hiện nay và được nuôi trồng quy mô công nghiệp trên khắp thế giới (A. Hosseini Tafreshi và M.2 Nuôi cấy tảo Haematococcus pluvialis thu sinh khối Trước đây, giá thành sản xuất vi tảo rất cao, khoảng 5-20 USD/kg sinh khối khô, nên khó có thể sử dụng nguồn Haematococcus pluvialis để sản xuất astaxanthin cho mục đích thương mại. Hiện nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - công nghệ, kỹ thuật trong nuôi trồng vi tảo nên giá thành sản xuất Haematococcus pluvialis đã giảm đáng kể, 5 làm cho loại vi tảo này thực sự trở thành một trong những nguồn astaxanthin tự nhiên quan trọng, có tiềm năng thương mại lớn.
Với công nghệ nuôi cấy cố định trên hệ thống quang sinh học màng đôi, vi tảo Haematococcus pluvialis được nuôi cố định trên hệ thống 2 lớp màng, dinh dưỡng cung cấp cho tảo được cung cấp liên tục nhờ hiện tượng thẩm thấu.