CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về Spirulina sp. Tảo Spirulina hay tảo xoắn Spirulina là tên gọi do nhà tảo học Deurben (Đức) đặt vào năm 1827 dựa trên hình thái tảo Spirulina.
Do hình dạng “xoắn lò xo” với khoảng 5-7 vòng đều nhau không phân nhánh dưới kính hiển vi nên được gọi là Spirulina với tên khoa học là tảo Spirulina platensis (bắt nguồn từ chữ spire, spiral có nghĩa là “xoắn ốc”) và trước đây được coi là thuộc chi Spirulina. Spirulina thuộc vi khuẩn lam (Cyanobacteria) nên chúng thuộc sinh vật nhân sơ hay nhân nguyên thủy (Prokaryote)[22]. Cũng vào năm 1827, Turpin lần đầu tiên phân lập được tảo Spirulina từ nguồn nước tự nhiên. Năm 1960, Tiến sĩ Clement người Pháp tình cờ phát hiện loại tảo này khi đến hồ Tchad ở Trung Phi.
Nhà khoa học này không khỏi kinh ngạc khi vùng đất cằn cỗi, đói kém quanh năm nhưng những thổ dân ở đây rất cường tráng và khỏe mạnh. Khi Clement tìm hiểu về thức ăn của họ, bà phát hiện trong mùa không săn bắn, họ chỉ dùng một loại bánh màu xanh mà nguyên liệu chính là thứ họ vớt lên từ hồ. Qua phân tích, bà phát hiện ra loại bánh có tên Dihe này chính là tảo Spirulina. Năm 1963, bà đã nghiên cứu thành công việc nuôi Spirulina ở qui mô công nghiệp [32].
Năm 1973, Tổ chức Nông lương Quốc tế (FAO) và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã chính thức công nhận tảo xoắn Spirulina là nguồn dinh dưỡng và dược liệu quý, đặc biệt trong chống suy dinh dưỡng và chống lão hóa [6]. Năm 1977, Viện sinh vật học là nơi tiên phong trong việc nuôi trồng Spirulina ở Việt Nam theo mô hình ngoài trời, không mái che, có sục khí CO2 tại xí nghiệp nước suối Vĩnh Hảo (Bình Thuận). Đặc điểm sinh học của Spirulina sp. Phân loại Tảo (algae) là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và nấm men ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các chất hữu cơ từ các chất vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời [1].
3 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS. Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Tảo Spirulina thuộc [2]: Lãnh giới (domain): Bacteria Ngành (phylum): Cyanophyta Lớp (class): Cyanophyceae Bộ (ordo): Oscillatoriales Họ (familia): Oscillatoniaceae (Nostocales) Chi (genus): Spirulina Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima và Spirulina platensis. Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào Spirulina sp. Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, loài vi sinh vật đầu tiên có khả năng quang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ 3,5 tỷ năm trước [45].
Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi xoắn lò xo khoảng 5-7 vòng đều nhau không phân nhánh. Đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm, bước xoắn 60 µm, chiều dài thay đổi có thể đạt 250 µm. Nhiều trường hợp tảo Spirulina có kích thước lớn hơn (hình 1.1 Hình thái tế bào Spirulina sp. [43] 4 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS.
Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Hình 1.1 Một phần của trichome xoắn ốc của Spirulina platensis; trong đó p là độ cao và d đường kính ngoài của xoắn ốc [30] Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa cellulose mà chứa mucopolyme pectin và các loại polysaccharide khác. Màng tế bào nằm sát ngay bên dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinh chất [1]. Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu acid nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Ngoài ra, tế bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng điều 5 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS.
Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan chỉnh tỷ trọng tế bào. Nhờ có không bào chứa khí và hình dạng xoắn mà Spirulina có thể nổi lên mặt nước [3]. Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nội chất song tế bào Spirulina vẫn có ribosom và một số thể vùi như các hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin, carboxysome và hạt mesosome [1]. Đặc điểm sinh lý Tảo Spirulina có thể phân bố rộng rãi trong đất, đầm lầy, nước sạch, nước mặn, nước biển và suối nước nóng [4].
Do là một vi sinh vật quang dưỡng bắt buộc nên ngoài hàm lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho tảo là nguồn carbon và nguồn nitơ, photpho; sự sinh trưởng của Spirulina còn phụ thuộc vào các yếu tố vật lý như sau: - Yếu tố ánh sáng: là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Spirulina ít bị chi phối bởi chu kỳ sáng/tối và đạt giá trị sinh khối cao khi được chiếu sáng liên tục. Cường độ ánh sáng thích hợp khoảng: 25,000 - 30,000 lux [1]. - Yếu tố nhiệt độ: Spirulina phát triển ở nhiệt độ khá cao.
Người ta phát hiện chúng sống ở những suối nước nóng đến 690C. Chúng có khả năng phát triển ở khoảng nhiệt độ 350C - 370C ở điều kiện phòng thí nghiệm. Spirulina phát triển rất chậm dưới 250C [66]. - Yếu tố pH: Spirulina phát triển trong khoảng pH từ 8,3 – 11.
Tuy nhiên, pH của môi trường tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của tảo là từ 8,5 – 9,0. Tại khoảng pH này, nguồn carbon vô cơ được đồng hóa nhiều nhất [67]. Ở pH= 10 – 11, tảo vẫn phát triển nhưng rất chậm. Nếu pH ≤ 7: khí CO2 được đưa vào môi trường, tảo có thể sự dụng CO2 hòa tan là chủ yếu.
Nếu pH ≤ 9: CO2 hòa tan sẽ chuyển sang HCO3- và CO32- CO2 H2CO3 H+ + HCO3 2H+ + CO32- Nếu pH = 10 – 11: các nguồn carbon trên lại trở về trạng thái ban đầu CO32- + H2O CO2 + 2OH- OH- được giải phóng sẽ làm tăng pH. 6 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS. Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Nếu pH quá cao tất cả HCO3- và CO32- sẽ tạo thành CO2 và OH-. Chu kỳ phát triển của tảo rất ngắn, thường xảy ra trong 24 giờ như tảo Chlorella.
Tảo lam Spirulina có hai hình thức sinh sản: - Sinh sản sinh dưỡng: thực hiện bằng cách đứt từng khúc ở chỗ có tế bào dị hình trên sợi tảo, từ đó tạo ra sợi mới (hình 1. - Sinh sản vô tính: thực hiện bằng cách tạo bào tử giống ở vi khuẩn trong điều kiện không thuận lợi.2 Sơ đồ vòng đời của tảo Spirulina [23] 1. Đặc điểm sinh hóa Tảo Spirulina chứa hàm lượng protein rất cao, cao hơn cả tảo Chlorella. Ngoài ra chúng còn chứa đầy đủ các vitamin và khoáng chất [3] (bảng 1.1 Thành phần hóa học của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô STT Thành phần % so với trọng lượng khô 1 Protein tổng 60 – 70 2 Glucid 13 – 16 3 Lipid 7–8 4 Acid nucleic 4,29 5 Diệp lục 0,76 6 Caroten 0,23 7 Tro 4–5 7 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS.
Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Bảng 1.2 Thành phần vitamin của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô[32] STT Thành phần Trọng lượng trong 100g 1 Vitamin A(100% β-carotene) 352,000 IU 2 Vitamin K 1090 mcg 3 Thiamine HCl (Vitamin B1) 0,5 mg 4 Riboflavin (Vitamin B2) 4,53 mg 5 Niacin (Vitamin B3) 14,9 mg 6 Vitamin B6 (Pyridox. HCl) 0,96 mg 7 Vitamin B12 162 mcg Bảng 1.3 Thành phần chất khoáng của tảo Spirulina so với% trọng lượng khô[32] STT Thành phần Trọng lượng trong 100g 1 Caxi 468 mg 2 Sắt 87,4 mg 3 Photpho 961 mg 4 Iod 142 mcg 5 Magie 319 mg 6 Kẽm 1,45 mg 7 Selen 25,5 mcg 8 Đồng 0,47 mg 9 Mangan 3,26 mg 10 Clo <400 mcg 11 Kali 1,660 mg 12 Natri 641 mg Tuy nhiên, hàm lượng các thành phần hóa học của tảo thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy [4]. 8 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS. Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Các acid béo bão hòa và không bão hòa cũng có mặt trong thành phần của Spirulina và chiếm tới 1,95g/100g chất khô.
Hàm lượng cholesterol nhỏ hơn khoảng 0,1mg/100g chất khô, trong khi đó hàm lượng cholesterol trong 100 g chất khô của trứng lên đến 600 mg. Điều này giải thích tại sao bột Spirulina được dùng bổ sung thức ăn cùng với protein đồng thời nó kiểm soát việc tăng trọng lượng quá mức [3]. Protein của Spirulina sp. Đặc điểm sinh hóa nổi bật của Spirulina là có hàm lượng protein rất cao, chiếm khoảng 55 – 70% trọng lượng khô của tế bào, trong khi các thực phẩm được coi là giàu chất đạm như đậu nành, thịt bò, photmat cũng chỉ có 18 – 37 % đạm.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng protein trong Spirulina hoàn toàn không có hại. Tốc độ đồng hóa protein rất cao: sau 18 giờ thì 58% protein được tiêu hóa và đồng hóa [3]. Protein của tảo Spirulina có chứa acid amin thiết yếu và acid amin không thiết yếu và tỷ lệ của các acid amin này khá cân đối. Trong số các acid amin có 4 loại không thể thay thế và có vai trò quan trọng như: lysine, methionine, phenylanalin, tryptophan.
Ngoài ra, trong thành phần protein của Spirulina còn chứa các phycobiliprotein – một loại protein tan trong nước - một loại sắc tố lam có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp của Tảo lam, Tảo đỏ [33]. Hàm lượng phycobiliprotein chiếm đến 20 – 25% trong tổng lượng protein của tế bào; bao gồm 2 loại sắc tố: C-phycocyanin và allophycocyanin [16]. Chất này có hoạt tính sinh học cao đã được nghiên cứu và thử nghiệm trong lĩnh vực Y-học. Một số bằng sáng chế liên quan đến hoạt tính sinh học có lợi của phycobiliprotein cũng đã được công bố về các ứng dụng sinh học như chống oxy hóa, chống viêm, chống virus, chống khối u, bảo vệ thần kinh và các hoạt động bảo vệ gan [15], [49].
Khả năng chống oxy hóa của Spirulina sp. Những năm gần đây, người ta đã bắt đầu nghiên cứu một số hoạt tính sinh học ở tảo Spirulina và ứng dụng của chúng. Một trong số đó, khả năng chống oxy là hoạt tính đang được chú ý nhiều nhất. 9 SVTT: Nguyễn Thị Bích Ngọc HDKH: TS.
Võ Hồng Trung Luan van Khóa luận tốt nghiệp Tổng quan Do protein của Spirulina chứa phycobiliprotein có khả năng phát huỳnh quang nên chúng được ứng dụng để đánh dấu các kháng thể đơn dòng trong việc chuẩn đoán và phát hiện một số bệnh. Điều đáng được biết thêm là phycobiliprotein trong Spirulina đã được phát hiện như là một tác nhân chống ung thư tuyến tụy ở chuột đực nhờ khả năng chống oxy hóa và chống tăng sinh tế bào [49]. Vấn đề này đang được các nhà khoa học quan tâm thí nghiệm ở các đối tượng khác.