Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ β-GLUCAN 1. Lịch sử phát hiện Lịch sử của β-glucan bắt đầu với nghiên cứu về khả năng đặc biệt của một hợp chất thô được chiết xuất từ thành tế bào nấm men bánh mì, gọi là Zymosan vào năm 1940 của T.S Louis Pillemer và cộng sự. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những bằng chứng khoa học về khả năng kích hoạt phản ứng miễn dịch, tiêu diệt các tác nhân gây bệnh hoặc mầm bệnh bao gồm virus, vi khuẩn, nấm, kí sinh trùng và khối u của Zymosan.
Bản chất của Zymosan là phức hợp các protein, lipid và polysaccharide, tuy nhiên vào thời điểm đó Pillemer và các cộng sự của ông chưa lý giải được tại sao và bằng cách nào Zymosan có thể kích hoạt hệ thống miễn dịch từ đó tăng cường sức đề kháng bẩm sinh của cơ thể hay thành phần nào trong chế phẩm này đóng vai trò kích hoạt phản ứng miễn dịch [34].S Riggi và Di Luzio đã khám phá ra hợp chất kích hoạt phản ứng miễn dịch đặc hiệu có trong thành phần của chế phẩm Zymosan (sau khi kiểm tra hai thành phần lipid và mannoprotein) là β-glucan, một chuỗi polysaccharide tính đến thời điểm này chưa ghi nhận những tác dụng phụ hay độc tố ảnh hưởng tiêu cực đến cơ thể [37]. Kể từ bước đột phá quan trọng này, một lượng lớn các nghiên cứu khoa học đã được thực hiện để làm rõ khả năng kích hoạt miễn dịch của β-glucan cũng như tác dụng đề kháng khối u của phân tử này [3, 31]. Cấu trúc hóa học β-glucan là một polysaccarit với đơn phân là các phân tử đường β-D-glucose gắn với nhau thông qua liên kết β-glycoside. Phân tử glucose này có thể gắn với phân tử glucose khác tại các vị trí khác nhau trong cấu trúc vòng 6 cacbon.
Các chỉ số 1, 3, 6 thể hiện vị trí của nguyên tử carbon có liên kết glycoside và được đánh số bắt đầu từ vị trí nhóm Oxi thuộc vòng cacbon kế tiếp. Liên kết β-glycosidecó thể hình thành tại vị trí C1 của vòng cacbon này với C3 của vòng cacbon tiếp theo (poly (1→3)-β-D-glucan) hoặc tại vị trí C1 với C4 (poly (1→4)-β-D-glucan) hoặc tại vị trí C1 với C6 (poly (1→6)-β-D-glucan). Các chuỗiβ-D-glucan có thể liên kết với nhau 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hình thành cấu trúc hình trụ lớn chứa tới 250.000 đơn vị β-D-glucose [48] (Hình 1. Một vài kiểu liên kết trong mạch phân tử β-glucan[6] Cấu trúc hóa học của chuỗi β-glucancó thể thay đổiphụ thuộc vào nguồn gốc phân lập từ đó quyết định tính chất vật lý như trọng lượng, độ nhớt, độ hòa tan và hoạt tính sinh học.
Ví dụ trọng lượng phân tử trung bình của một số β-glucan như Lentinan - LNT (phân lập từ nấm mũ Lentinus edodes), Schizophyllan - SPG (phân lập từ nấm mũ Schizophyllum commune) và PGG (phân lập từ nấm men Saccharomyces cerevisiae) tương ứng là 500. Nguồn β-glucantrong tự nhiên Hợp chất β-glucanđược tìm thấy ở nhiều nhóm sinh vật từ nhân sơ (vi khuẩn) đến nhân thực (tảo, nấm, thực vật). Một trong những nguồn phổ biến chứa β- glucans được thu nhận từ các chủng nấm bao gồm nấm men Saccharomyces cerevisiae (nguồn chiết xuất chủ yếu là vách tế bào), nấm mũ như Grifola frondosa, Lentinus edodes, Cordyceps sinensis, Hericium erinaceus… (Xem bảng 1. Ngoài ra, β-glucans cũng được chiết xuất từ vỏ cám của các loại ngũ cốc và một số loại tảo biển như tảo Laminaria[46].
Trong ngũ cốc, hàm lượng β-glucan cao nhất (tính theo trọng lượng khô, g/100g) đã được công bố ở lúa mạch từ 2 - 20 gam (khoảng 65% ở dạng tan trong nước), yến mạch từ 3 - 8 gam (82% ở dạng tan trong nước). Các loại ngũ cốc khác cũng chứa β-glucan nhưng với hàm lượng thấp hơn gồm cao lương 1,1 - 6,2 gam; lúa mạch đen 1,3-2,7gam; ngô 0,8 - 1,7 gam; lúa mạch trắng 0,3- 1,2gam, lúa mì 0,5-1,0gam, lúa mì cứng 0.6 gam và gạo 0,13 gam [1]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số dạng β-glucan được phân lập từ tự nhiên Tính Tên tan Nguồn Nhóm Nguồn phân lập thương Cấu trúc trong TLTK mại nước Grifolan Mạch phân nhánh Grifola frondosa Tan [21] (GRN) chứa liên kết β-1,3:1,6 Lentinan Mạch phân nhánh Lentinus edodes Tan [44] (LNT) chứa liên kết β-1,3:1,6 Ganoderma Mạch phân nhánh P-SG Tan [51] lucidum chứa liên kết β-1,3:1,6 Mạch phân nhánh Agaricus blazel Tan [10] chứa liên kết β-1,3:1,6 Mạch không phân Auricularia nhánh gồm các liên Tan [10] auricula-judae kết β-1,3 Nấm mũ Mạch không phân Không (Mushroom) Cordyceps sinensis nhánh gồm các liên [50] tan kết β-1,3 Mạch không phân Hericium erinaceus HEP3 nhánh gồm các liên Ít tan [18] kết β-1,3 Fries.
Schizophy Schizophyllum Mạch phân nhánh llan: Tan [14, 17] commune chứa liên kết β-1,3:1,6 sizofiran (SPG) Mạch có độ phân Sclerotinia SSG nhánh cao chứa liên Tan [16, 39] sclerotiorum kết β-1,3:1,6 WGPs Bao gồm tất các kiểu Saccharomyces Betafectin Không [24, 26, Nấm men liên kết trong cấu trúc cerevisiae (PGG) tan 28, 36] β-glucan Zymosan 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hoạt tính sinh học và ứng dụng của β-glucan Vào giữa những năm 80, T.S Joyce Czop và cộng sự thuộc Đại học Harvard đã tìm thấy vị trí cơ quan thụ thể đặc biệt cho β-glucan nằm trên bề mặt của một số tế bào macrophage. Cơ quan thụ thể này là một phức hợp protein có mặt trong toàn bộ vòng đời của macrophage. Tế bào macrophage sẽ hoạt động tương tự một tế bào bạch cầu (thực bào các kháng nguyên, mầm bệnh, mảnh vỡ tế bào…) khi được kích hoạt bởi cơ quan thụ cảm có mối liên hệ đặc biệt với một hạt β-glucan[9].Những kết quả nghiên cứu tiếp sau đó về β-glucan của các nhà khoa học từ nhiều nước trên thế giới đã chứng minh hoạt tính sinh học của β-glucan bao gồm: Củng cố hoạt động miễn dịch bẩm sinh, khả năng đề kháng khối u, tạo hiệu ứng đề kháng virus, kháng khuẩn, hỗ trợ hồi phục và chống nhiễm khuẩn vết thương hay sau phẫu thuật.Với những đặc tính này, β-glucan đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Bằng phương pháp xử lý nhiệt hoặc enzyme, β-glucan có thể được chiết xuất từ các nguồn khác nhau dưới dạng chế phẩm thô tan hoặc không tan trong nước (Bảng 1. Dạng β-glucan không tan được đánh giá có hoạt tính sinh học cao hơn dạng hòa tan và thường được dùng đường uống [48]. Các nghiên cứu liên quan đến hoạt tính sinh học của β-glucan cũng chỉ ra rằng nguồn gốc, trọng lượng phân tử và cấu trúc hóa học (mức độ phân nhánh của phân tử, độ dài polyme, cấu trúc bậc 3) ảnh hưởng đến hiệu quả điều biến miễn dịch của β-glucan[7]. Không phải β-glucan nào cũng có khả năng điều hòa miễn dịch, ví dụ như cellulose có cấu tạo monome là glucose liên kết ở vị trí 1,4-β nhưng lại không có tính chất trên, ngược lại β-glucan có nguồn gốc từ nấm mũ hay nấm men cấu tạo phân tử gồm có chuỗi 1,3-β-glucan liên kết với các nhánh 1,6-β-glucan mới được biết đến với chức năng điều hòa [16, 24].
Ứng dụng trong thực phẩm β-glucancó nguồn gốc tự nhiên, có dung tích giữ nước cao, không tạo gel, đặc biệt không bị phân hủy bởi enzyme tiêu hóa ở người do đó thích hợp như nguồn chất xơ thực phẩm, hỗ trợ tích cực quá trình tiêu hóa, làm giảm cholesterol huyết thanh, giảm nguy cơ ung thư ruột. Các nhà khoa học đã sử dụng chuột đồng (có cấu 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trúc lipoprotein giống người) để kiểm chứng lợi ích của β-glucankhi sử dụng làm phụ gia thực phẩm. Chuột được nuôi bằng thức ăn có hàm lượng cholesterol cao (0,2% cholesterol và 10% dầu dừa), sau 7 tuần hàm lượng cholesterol trong máu dao động từ 267-279 mg/dl. Sáu tuần tiếp theo, chuột thí nghiệm tiếp tục được nuôi với thức ăn có bổ sung 5% cám yến mạch, cám lúa mì hoặc glucan chiết xuất từ nấm men.
Kết quả nhận thấy lượng cholesterol giảm đáng kể[5]. Kết quả nghiên cứu này chứng minh β-glucanlà nguồn phụ gia có giá trị trong công nghiệp thực phẩm. Ứng dụng trong dược, mỹ phẩm Những năm 40, tiến sỹ Pillemer Louis đã công nhận hiệu ứng kháng khối u của thành tế bào nấm men S.cerevisia, chúng được gọi là Zymosan và được bán rất lâu ở Mỹ như thuốc chống khối u của hãng Sigma Chemicals[35]. Sau đó, hàng loạt công trình nghiên cứu về tác dụng kích thích miễn dịch tự nhiêncủa β-glucantrên các động vật khác nhau như tôm, cá, gà, thỏ… đã được công bố.
Bốncơ chế miễn dịch chính của β-glucanbao gồm: - Tạo ra các bạch cầu để phá hủy nguồn bệnh. - Huy động tế bào bạch cầu đến vị trí tổn thương. - Khả năng thực bào hay tiêu diệt tế bào lạ. - Tạo ra các chất trung gian hoạt hóa oxy và các nhân tố khác tiêu diệt vật thể lạ Β-glucan còn có khả năng cảm ứng hoạt tính của tế bào Langerhans (một loại đại thực bào chuyên hóa nằm trên da).
Khi bôi β-glucan lên da sẽ làm se lỗ chân lông, giảm số lượng, độ sâu và chiều dài nếp nhăn, cảm ứng tổng hợp collagen và elastin, giảm kích ứng, mẩn đỏ và khô da do đó được sử dụng trong công thức của các sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với da như kem dưỡng da, thuốc mỡ [43]. β-glucandạng uống có hiệu ứng cao trong chống nhiễm bệnh than, được Vetvicka V. và cộng sự chứng minh trên chuột. Những kết quả bước đầu cho thấy dạng β-1,3-glucan giúp tăng đáng kể lượng động vật sống sót và kéo dài thời gian sống của những động vật bị nhiễm bệnh ở liều gây chết [49].
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Việc sử dụng β-glucan cũng là mối quan tâm đặc biệt đối với bệnh nhân ung thư phải điều trị bằng hóa chất hoặc chiếu xạ vì nó có khả năng tăng nhanh sự phục hồi máu khi bị chiếu xạ ở liều gây chết và dưới mức gây chêt, giúp kích thích sự phục hồi tủy xương sau hóa trị liệu và ngăn cản cảm biết chứng nhiễm bệnh trong quá trình điều trị[19]. Ứng dụng trong nuôi trồng thủy hải sản Với hoạt tính sinh học giúp tăng cường hệ thống miễn dịch của vật chủ, β- glucan được bổ sung vào nguồn thức ăn giúp tăng cường sức đề kháng, cải thiện năng suất cho nhiều giống thủy hải sản. Một nghiên cứu trên giống tôm sú lớn (Penaeus monodon) khi được bổ sung 5 gam glucan/kg thức ăn hàng ngày ở giai đoạn tôm non, sau 5 tuần tiến hành lây nhiễm nguồn virus gây bệnh. Bảy tuần sau khi lây nhiễm, lượng tôm trong lô đối chứng chết 80%, lô thí nghiệm lượng tôm chết giảm xuống 50% [13].