CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Tổng quan vi tảo Arthrospira platensis (Spirulina platensis) 1.1 Nguồn gốc Spirulina sp. phát triển trong các hồ cận nhiệt đới, kiềm, pH cao và hàm lượng carbonat/bicarbonat cao. Nhiệt độ sinh trưởng của A. platensis tương đối rộng, từ 20–40℃, nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng của Spirulina khoảng 35℃.
platensis là sinh vật không có lục lạp, sắc tố của tảo đóng vai trò tự hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời chủ yếu là chlorophyll, phycocyanin và các carotenoid [8]. Việc phân lập đầu tiên được ghi nhận vào năm 1827 bởi Turpin [9]. Các nghiên cứu của Stizenberger so sánh về các dạng vách ngăn tế bào của chi Spirulina sp. và các dạng vách ngăn của chi Arthrospira vào năm 1892.
Sau đó, nó được thống nhất lại các thành viên của hai chi dưới tên gọi Spirulina [10]. Trong năm 1989, những vi sinh vật này được phân loại thành hai chi, theo một gợi ý của Gomont vào năm 1892 [11]. Phân loại này hiện được chấp nhận [12, 13]. Stanier và Van Neil [14] kết hợp tảo lục lam vào giới prokaryote và đặt tên cho những vi sinh vật này là cyanobacteria và điều này đã được chấp nhận và xuất bản lần đầu tiên vào năm 1974 tại the Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology [15].
Trong các hệ thống nuôi công nghiệp, Arthrospira được nuôi trong các ao cạn, nuôi hỗn hợp trên hệ thống băng chuyền hoặc các hệ thống photobioreactor hình ống kín. Môi trường tăng trưởng chứa các muối vô cơ với nồng độ bicarbonat cao, giữ giá trị pH trong khoảng từ 9 đến 10. Vi khuẩn lam này là sinh vật nhân sơ, có khả năng quang hợp và được nuôi trồng nhiều nhất. Sinh khối của nó được sử dụng rộng rãi, ứng dụng trong thực phẩm, thức ăn bổ sung và là nguồn cung cấp hợp chất tự nhiên tốt.
Tổng sản lượng sinh khối hàng năm được ước tính vào khoảng 12.000 tấn, hơn 50% trong số đó là ở Trung Quốc và khu vực Châu Á-Thái Bình Dương.1 Tảo Arthrospira platensis dưới kính hiển vi nền sáng với độ phóng đại 40X. Thanh tỷ lệ chiều dài tương ứng 250 μm. platenis quan sát dưới kính hiển vi nền sáng. Thanh tỷ lệ chiều dài tương ứng 20 μm.1 Bảng phân loại khoa học tảo Arthrospira platensis.
4 Phân loại khoa học Tên khoa học Arthrospira platensis Giới (domain) Bacteria Ngành (phylum) Cyanobacteria Lớp (class) Cyanophyceae Bộ (odor) Osillatoriales Họ (familia) Microcoleaceae Chi (genus) Arthrospira Loài (species) A.2 Đặc điểm hình thái của Arthrospira platensis Arthrospira sp. được nhận dạng và đặt tên theo đặc điểm hình thái xoắn đặc trưng của chi. Tảo xoắn với các đặc điểm hình thái vi thể và đại thể của tảo được nghiên cứu và ghi nhận trong các công bố trước đây [17]. Arthrospira platensis là vi khuẩn lam dạng sợi có thể nhận biết bằng các đặc điểm hình thái đặc trưng của chi như sự sắp xếp của các trichome–sợi tóc–hình trụ đa bào theo cấu trúc xoắn mở bên trái và dọc theo toàn bộ chiều dài của tảo (Hình 1.
Quan sát dưới kính hiển, cấu trúc sợi không dị bào có màu xanh lam–lục, gồm các tế bào sinh dưỡng trải qua trình phân hạch nhị phân trong đơn bào, dễ dàng nhìn thấy xuyên thành tế bào. Sự trôi nổi tự do của các sợi đơn (filament) và khả năng vận động của tảo trong môi trường như quá trình lướt. Các trichome, được bao bọc trong lớp vỏ mỏng, hiển thị nhiều hơn hoặc ít hơn các co thắt rõ ràng hơn ở xuyên tường và có đỉnh giảm nhẹ hoặc hoàn toàn không suy giảm. Tế bào đỉnh có thể tròn rộng hoặc nhọn và có thể có capitate (thể mũ) và calyptrate (thể đài).
Chiều rộng của các tế bào trichome, bao gồm cả thể trụ ngắn hơn các tế bào tự do, giá trị giao động 6–12 μm (có thể đạt 16 μm). Cao độ xoắn được xác định bằng phương trình: H=2πrcotα Trong đó r là bán kính của bề mặt xoắn và α là góc tạo bởi đường xoắn với đường sinh trụ hay chính là độ dóc của đường cong xoắn. Bước xoắn có thể giao động từ 12–75 μm trong loài A. maxima, đồng thời đường kính xoắn giao động từ 30–70 μm [18].3 Ảnh hiển vi của Spirulina sp.
Thanh tỷ lệ chiều dài tương ứng 20 µm. Độ xoắn của tảo bị tác động các yếu tố môi trường, chủ yếu là nhiệt độ, vật lý và hóa học, thay đổi cấu trúc hình học xoắn của tảo–cấu trúc xoắn trụ (helix) biến đổi thành cấu trúc xoắn đồng tâm (spiral shape) (Hình 1.4), thậm chí dạng thẳng [19, 20]. Việc biến đổi trong hình học của tảo có thể gặp trong cả tự nhiên. Chú ý hơn trong việc thay đổi hình học của độ xoắn, tại bất kì trạng thái hình học nào thì đều có thể trở lại trạng thái xoắn trụ đặc trưng của chi, điều này được kết luận như dạng thích nghi với môi trường sống và là cơ chế bảo vệ của loài [19].
Song, trên thực tế việc biến đổi trong hình thái của Spirulina chuyển sang dạng thẳng, cả hai dạng tự nhiên hoặc nhân tạo (tia UV, bức xạ, chất hóa học, v.), không thể phục hồi về dạng nguyên thủy đối với các tế bào biến đổi.5 (A) Sợi xoắn trụ của A. platensis và (B) Sợi thẳng của A. Thanh tỷ lệ chiều dài tương ứng 300 µm [19].3 Siêu cấu trúc Tổ chức nhân sơ với các sợi của vùng DNA, hệ thống quang hợp, thành tế bào phân tầng pluri, dạng viên (capsule), ribosome và bao hàm rất nhiều thứ [9]. Thành tế bào được cấu tạo từ bốn lớp được đánh số LI, L II, L III và L IV [9, 21].
Các lớp này đều rất mỏng, ngoài trừ lớp LII được cấu tạo từ peptidoglycan, chất này giữ cho thành tế bào được cứng chắc. Lớp LI chứa β-1,2-glucan là thành phần con người khó tiêu hóa được, lớp L II chứa protein và lipopolysaccharides là nguồn dinh dưỡng ưa thích cho con người dễ dàng sử dụng tảo Spirulina như thực phẩm [22]. Vách tế bào được chia thành bốn lớp, vách ngăn là chia thành ba lớp. Thanh tỷ lệ chiều dài tương ứng 500 nm.
Lớp ngoài cùng L IV được sắp xếp đều nhau, song song với trục chính. Lớp này được xem như thành tế bào của vi khuẩn gram âm. Lớp L III được tạo thành từ những sợi protein bao quanh cơ thể. Lớp L II chứa peptidoglycan, được xếp gấp lại hướng vào trong của sợi tế bào Spirulina.
Lớp L I nằm sát vào lớp L II. Vách tế bào được ví như cái đĩa mỏng, bao lấy phần bên trong cơ thể và được cấu tạo chủ yếu bằng pepetidolycan nên nhạy cảm với lysozyme và dễ dàng được tiêu hóa trong ống tiêu hóa của người và động vật. Nhưng khi phân tích các hoạt chất muốn chiết xuất thì nhất thiết phải phá vỡ được lớp màng tế bào này. 8 Tế bào hình trụ, liên kết thành chuỗi và ở giữa các tế bào có vách ngăn (vách ngăn ở đầu sợi dày hơn).
Vì vậy, sợi tế bào Spirulina là dạng cơ thể đa bào có hơn 100 tế bào. Kích thước tế bào riêng rẻ khoảng 5 μm, rộng khoảng 2 μm, tế bào chưa có nhân điển hình, vùng nhân không rõ ràng.1 Sinh trưởng Arthrospira platensis trải qua các giai đoạn (pha) gồm giai đoạn thích nghi (pha lag), giai đoạn hàm mũ (pha logarit), giai đoạn ổn định (pha cân bằng), giai đoạn suy vong (pha suy vong).2 Sinh sản Sinh sản theo phương thức sinh sản vô tính (phân chia từ một sợi trưởng thành). Có ba giai đoạn cơ bản trong sinh sản bắt đầu với giai đoạn phân mảnh trichome, quá trình phát triển và trưởng thành của tế bào hormogonia, và sự kéo dài trichome. Sau đó, trichome trưởng thành được phân chia thành dạng sợi hoặc hormogonia.
Từ một sợi tảo mẹ, các necridia hình thành các đai lõm ở hai mặt và phân tách rời tạo ra các hormogonia. Trong sự phát triển, phần đầu dần dần tiêu giảm, 2 đầu hormogonia trở nên tròn nhưng vách tế bào vẫn có chiều dài không đổi. Các hormogonia phát triển theo chiều dài và có dạng xoắn hình thành một chu kì sinh sản của tảo [22].7 Vòng đời của Spirulina. Phương thức sinh sản của Spirulina với vòng đời đơn giản và tương đối ngắn.
Trong điều kiện tối ưu trong phòng thí nghiệm, vòng đời của tảo trong khoảng 1 ngày. Ở điều kiện thuận lợi hơn, vòng đời sẽ kéo dài 3–5 ngày.4 Giá trị chất dinh dưỡng của Arthrospira platensis 1.1 Thành phần dinh dưỡng tổng hợp Tảo xoắn ứng dụng được vào thực phẩm như là một thực phẩm, thực phẩm chức năng, v. Không chỉ vì chúng dễ sinh trưởng, phát triển mà còn dựa vào giá trị dinh dưỡng đối với sinh vật [23]. Hàm lượng protein cao, acid amin không thể thiếu, vitamin, betacaroten, chất khoáng, acid béo thiết yếu, polysaccharide, glycolipid, v.
Các giá trị dinh dưỡng tổng hợp được ghi nhận trong Bảng 1. Bảng thông tin dinh dưỡng của Spirulina dạng khô (thành phần trong 100 g) [29]. Tảo được xem là một thực phẩm chức năng, được định nghĩa là các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên. Arthrospira platensis có chứa hàm lượng vitamin B các loại và nhiều khoáng chất bao gồm canxi, sắt, magie, mangan, kali và kẽm [30].
Một nguồn bổ sung acid béo, acid gamma-linelenic (GLA), 10 g tảo khô chứa hơn 100 mg GLA [26, 31]. Chất đạm chứa trong Spirulina tới 70% protein trọng lượng khô gấp mười lần so với đậu nành đậu và gấp ba lần so với protein thịt bò [32]. Là nguồn cung cấp đầy đủ các acid amin thiết yếu [24]. Trong nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra lượng glycolipid và sulpholipid chứa phần trăm cao trong tổng lipid có trong tế bào [28].
Chất béo có trong A. platensis chiếm 5–10% trọng lượng khô của nó. platensis là các lipid thiết yếu, nên chúng được coi là một nguồn axit gamma-linolenic, linoleic và oleic tốt. Axit gamma-linolenic đang được nghiên cứu như là một tác nhân chống ung thư có khả năng ngăn chặn sự phát triển của khối u.
Thêm vào đó, lượng lớn vitamin B12 khả dụng có trong tảo Spirulina bổ sung dinh dưỡng trong chế độ ăn uống của những người ăn chay [27]. platensis còn là một nguồn β-carotene tốt, chứa khoảng 700–1700 mg/kg, khi cơ thể hấp thụ sẽ được chuyển hóa thành vitamin A [29]. Khả năng hấp thu chất dinh dưỡng một cách dễ dàng từ tảo là điều quan trọng nhất đối với việc chúng ta lựa chọn chúng như một thực phẩm chức năng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất dinh dưỡng của tảo được cơ thể hấp thu dễ dàng và giúp duy trì sức khỏe ở mức ổn định, điều này được chứng minh đặc biệt đúng với các khoáng chất như kẽm, sắt và vitamin [33].
Hàm lượng sắt đặc biệt cao, khoảng 580–180 mg/kg và nhiều hơn đáng kể so với các loại ngũ cốc thường được xem là nguồn cung cấp sắt tốt là 150–250 mg/kg [34].