MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Carotenoid là một trong những nhóm sắc tố tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống, có màu từ vàng đến đỏ, tan trong lipid và có thể được tìm thấy ở một số loài thực vật, tảo, vi khuẩn hoặc một số sinh vật quang hợp. Carotenoid được tìm thấy có khoảng 850 loại khác nhau và được phân loại thành 2 nhóm chính là carotene và xanthophyll (Maoka, 2020). Một số carotenoid là tiền chất của vitamin A, có các chức năng như kháng viêm, chống oxy hoá, hỗ trợ hệ miễn dịch, chống ung thư và ngăn chặn, hỗ trợ điều trị một số bệnh ở con người (Cardoso và cộng sự, 2017).
Carotenoid hiện đang được nghiên cứu nhờ nhiều hoạt tính sinh học quan trọng của chúng và tiềm năng cao của chúng, bao gồm chi phí nguyên liệu thấp và sử dụng lớn. Carotenoid được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như thực phẩm chức năng, dược phẩm, mỹ phẩm, y tế và thực phẩm… (Roll Zimmer và cộng sự, 2022) Ngày nay nhu cầu về việc bổ sung chất dinh dưỡng, đặc biệt là carotenoid, đang tăng lên trong thời đại con người quan tâm vào sức khoẻ và dinh dưỡng. Carotenoid tổng hợp hoá học mặc dù rất đa dạng và có chi phí sản suất thấp nhưng quá trình sản xuất tác động xấu đến môi trường, sản phẩm tổng hợp có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sức khoẻ con người. Do đó, việc tổng hợp carotenoid từ nguồn gốc thực vật và vi sinh vật dần được quan tâm.
Nguồn tổng hợp carotrnoid phổ biến nhất hiện nay là thực vật. Tuy nhiên, nhiều yếu tố tự nhiên chẳng hạn như thổ nhưỡng, khí hậu, độ ẩm, nhiệt độ và thời tiết ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng carotenoid của thực vật, cũng như một số hạn chế đáng kể (Le và cộng sự, 2022). Việc khai thác carotenoid từ vi sinh vật là hướng đi tiềm năng để khắc phục các hạn chế nói trên. Do việc nuôi cấy và thao tác dễ dàng, các vi sinh vật cung cấp một hệ thống thích hợp để sản xuất carotenoid quy mô lớn, thúc đẩy nghiên cứu nhằm tìm kiếm các nguồn mới và tối ưu hóa công nghệ lên men.
Một số vi sinh vật tổng hợp carotenoid phổ biến như Haematococcus pluvialis, Neochloris wimmeri, Brevibacterium KY-4313, Muriellopsis sp., Chlorococcum citriforme, Blakeslea trispora, Mycobacterium aurum, Trentepohlia aurea, Chlorella acidophila … là có vi sinh vật tổng hợp một số loại carotenoid như astaxanthin, canthaxathin, lutein, lycopene, β-carotene… (Borowitzka, 2010). Quá trình sản xuất carotenoid từ vi sinh vật có thể dễ dàng kiểm soát các yếu tố như môi trường nuôi cấy, thời 1 gian, nhiệt độ, pH… nhằm đồng nhất sản lượng và chất lượng của sản phẩm carotenoid thu được. Do đó, việc khai thác carotenoid từ vi sinh vật là cực kỳ quan trọng để đáp ứng nhu cầu của con người. Bên cạnh việc cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe, điều này cũng thúc đẩy sản xuất công nghiệp khai thác sử dụng tài nguyên sinh học một cách hiệu quả và có tính bền vững.
Vì vậy, việc nghiên cứu và khai thác carotenoid từ vi sinh vật là cần thiết, có ý nghĩa và lợi ích cho con người và môi trường. Từ vấn đề trên, nhóm chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu các điều kiện trích ly carotenoid từ chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa”. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài nhằm khảo sát các điều kiện của quá trình trích ly nhằm tìm ra điều kiện tối ưu nhất theo hướng thân thiện với môi trường cho sự phát triển và sinh tổng hợp sắc tố carotenoid của chủng nấm men R. Các điều kiện khảo sát bao gồm các loại acid, nồng độ acid sử dụng và thời gian siêu âm để phá vỡ tế bào, loại dung môi sử dụng để trích ly, tỉ lệ sinh khối trên dung môi sử dụng, thời gian vortex trích ly và nhiệt độ của quá trình trích ly.
Sau đó, thực hiện khảo sát các phương pháp đuổi dung môi nhằm tạo sản phẩm carotenoid để sử dụng vào sản xuất. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Đối tượng của đề tài Hợp chất carotenoid được tổng hợp và trích ly từ chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu trích ly carotenoid từ vi sinh vật trong điều kiện phòng thí nghiệm sử dụng các loại acid và dung môi thân thiện với con người và môi trường và khả năng tạo sản phẩm carotenoid ứng dụng vào sản xuất.
Nội dung nghiên cứu Để tiến hành khảo sát những điều kiện tối ưu và thân thiện với môi trường, con người cho quá trình trích ly carotenoid sinh tổng hợp từ chủng vi sinh vật R. mucilaginosa và khả năng tạo sản phẩm carotenoid ứng dụng vào sản xuất. Chúng tôi tiến hành các nội dung nghiên cứu sau: - Khảo sát ảnh hưởng của các loại acid được sử dụng đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly. 2 - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid được sử dụng đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm phá vỡ tế bào nấm men đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly. - Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi sử dụng đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly. - Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi sử dụng trên khối lượng sinh khối khô nấm men đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly. - Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ quá trình trích ly đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian vortex đến hàm lượng carotenoid tổng sau trích ly. - Khảo sát khả năng tạo sản phẩm bột carotenoid để ứng dụng vào sản xuất bằng phương pháp thổi khí, cô quay chân không và sấy lạnh. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Đề tài nghiên cứu tập trung vào các điều kiện của quá trình ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly và khả năng thu sản phẩm carotenoid từ chủng nấm men R. mucilaginosa ATCC® 66034TM – một sắc tố tự nhiên có vai trò và ứng dụng quan trọng trong sản xuất và đời sống, sức khoẻ con người.
Mặc dù carotenoid có thể tổng hợp bằng phương pháp hoá học hoặc từ thực vật nhưng việc sản xuất carotenoid từ vi sinh vật được xem là hướng đi tiềm năng đang được thu hút. Việc khai thác carotenoid đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các hợp chất có giá trị cao từ nguồn nguyên liệu sinh học. Đề tài là có mục tiêu là thúc đẩy ngành công nghiệp chế biến thực phẩm bằng cách tạo ra các sản phẩm từ các nguyên liệu vi sinh vật có giá trị tài chính và giàu dinh dưỡng. Đồng thời, cũng là tìm ra các cách an toàn và hiệu quả để khai thác và sử dụng carotenoid trong các lĩnh vực này.
Việc nghiên cứu được các phương pháp tối ưu hóa quá trình trích ly carotenoid từ chủng nấm men R. mucilaginosa ATCC® 66034TM sẽ mang lại nhiều lợi ích cho công nghiệp thực phẩm và dinh dưỡng đồng thời đóng góp trong việc phát triển tài nguyên sinh học bền vững. Bố cục bài báo cáo Bài báo cáo của đề tài “Nghiên cứu các điều kiện trích ly carotenoid từ chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa” của nhóm chúng tôi được trình bày theo 5 chương chính: 3 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BẢN LUẬN CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan carotenoid Carotenoid là một nhóm sắc tố đa dạng gồm các polyene có màu vàng đến đỏ.
Hiện tại có khoảng 850 carotenoid xuất hiện tự nhiên được báo cáo tính đến năm 2018 và được chia thành hai nhóm chính: xanthophyll và carotene. Carotenoid là nhóm sắc tố phân bố rộng rãi nhất trong tự nhiên và được tìm thấy trong vi khuẩn quang hợp, thực vật, tảo và một số loại nấm (Maoka, 2020). Phân loại Carotenoid được phân thành hai loại dựa vào thành phần hóa học là carotene (carotenoid không chứa oxy) hoặc xanthophyll (carotenoid chứa oxy): - Carotene: Nhóm này gồm các hydrocacbon mạch thẳng không no, không chứa phân tử oxy. Carotene hòa tan tốt trong lipid và các chất hữu cơ, nhất là các chất không phân cực như petroleum ether và hexane, không tan trong nước.
Một số loại carotene phổ biến: α- carotene, !-carotene và lycopene (Olatunde và cộng sự, 2020). - Xanthophyll: Nhóm này gồm các carotenoid có cấu trúc chứa các nguyên tử oxy trong các nhóm hydroxy, carboxylic, aldehyde, carbonyl, epoxide và furanoxide. Xanthophyll hòa tan tốt trong lipid và các chất hữu cơ, nhất là trong chất phân cực như alcohol. Một số loại xanthophyll phổ biến: lutein, neoxanthin, violaxanthin, peridinin và zeaxanthin (Olatunde và cộng sự, 2020).
Cấu trúc Carotenoid thường có một khung chính có 40 carbon được tạo thành từ tám đơn vị isoprene. Cấu trúc chung của carotenoid gồm một chuỗi polyene với 9 liên kết đôi xen kẽ với liên kết đơn (Maoka, 2020). Một số carotenoid chứa các vòng 6 carbon ở một hoặc cả hai đầu chuỗi polyene, hay chứa oxy ở các nhóm hydroxy, carbonyl, aldehyde, carboxylic, epoxide và furanoxide (Olatunde và cộng sự, 2020). Cấu trúc của các loại carotenoid thường gặp: 5 Hình 2.
Cấu trúc của các carotenoid thuộc nhóm carotene (Ellison, 2015). Cấu trúc của các carotenoid thuộc nhóm xanthophyll (Ellison, 2015). Ứng dụng của carotenoid Trong ngành công nghiệp thực phẩm, carotenoid được dùng làm chất tạo màu thực phẩm và nguồn bổ sung vitamin A. Ngoài ra, carotenoid còn giúp duy trì mùi và vitamin trong thực phẩm (Marova và cộng sự, 2012).
Carotenoid còn có thể ứng dụng theo nhiều tác dụng trong ngành dược phẩm và y tế, chẳng hạn như probiotic, syrup, kháng sinh, dùng để kiểm soát bệnh và điều hoà các phản ứng miễn dịch. Carotenoid còn được ứng dụng làm chất chỉ thị sinh học trong ngành môi 6 trường và làm các loại kem dưỡng, kem bảo vệ da trong ngành công nghiệp mỹ phẩm (Mendes-Silva và cộng sự, 2020). Tiềm năng phát triển của carotenoid trong các ngành công nghiệp Về mặt công nghiệp, carotenoid được sử dụng trong thực phẩm chức năng, dược phẩm và phụ gia trong thức ăn chăn nuôi cũng như được dùng làm phụ gia tạo màu trong thực phẩm và mỹ phẩm. Thị trường toàn cầu về carotenoid có thể được chia thành 10 sản phẩm sau: astaxanthin, capsanthin, annatto, canthaxanthin, lycopene, beta-apo-8-carotenal, zeaxanthin, lutein và beta-apo-8-carotenal-ester.
Thị trường carotenoid toàn cầu đạt tổng trị giá gần 1.2 tỷ USD vào năm 2010. Năm 2018, giá trị đó được dự đoán sẽ vượt 1.4 tỷ USD, tăng trưởng ở mức tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trong 8 năm là 2. Màu sắc, ứng dụng và chức năng sinh học của carotenoid.