CHƯƠNG 1. Đặt van đề Tao Spirulina, với thành phần dinh dưỡng phong phú và các tác dụng lợi ích đối với sức khỏe con người, đã thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học và người tiêu dùng. Tao Spirulina chiếm đến 70% protein, với chất lượng cao và axit amin cần thiết cho sự phát triển và chức năng của cơ thé. Ngoài ra, nó cũng là một nguồn vitamin quan trọng, bao gồm ÿ-carotene, vitamin B12, E và K, cùng với các khoáng chất như canxi, magiê, sắt, kali và kẽm.
Một điểm đáng chú ý khác là tao Spirulina cung cấp axit béo thiết yếu, như omega-3 và omega-6, giúp giảm cholesterol xấu, hỗ trợ sức khỏe tim mach và hệ thống miễn dịch. Đặc biệt là hợp chất phycocyanin, đây là một sắc tổ mau xanh lam đặc trưng của tảo Spirulina. Phycocyanin được coi là một chất chống oxy hóa mạnh và có khả năng chống vi khuẩn, chống viêm và chống ung thư. Nó đã được nghiên cứu cho tác dụng kháng vi khuẩn và khả năng ngăn chặn sự phát triển của tế bao ung thư.
Với tất cả những lợi ích dinh dưỡng này, tao Spirulina đã trở thành một lựa chọn phố biến cho những người muốn bổ sung chế độ ăn uống lành mạnh và cân bằng. Điều này giải thích tại sao tảo Spirulina đã thu hút sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nha khoa học nghiên cứu trong lĩnh vực này 1. Mục tiêu của đề tài: là tối ưu hóa môi trường nuôi cấy tao Spirulina bằng ma trận Plackett — Burman dé sang lọc các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy và tối ưu các yêu tố đó bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM — CCD, nhằm dam bảo rang tảo có thê phát triển tối đa và sản xuất sinh khối hiệu quả. Từ việc tối ưu hóa môi trường nuôi cấy tảo Spirulina, hy vọng sẽ đạt được mục tiêu sản xuất sinh khối hiệu quả, cho năng suất cao hơn khi nuôi cấy, cung cấp một nguồn thực phẩm giàu chất dinh dưỡng và có lợi cho sức khỏe con người.
Nội dung thực hiện: là tối ưu hóa môi trường nuôi cấy tao Spirulina. Nội dung 1: nghiên cứu cần sử dụng những dong tảo Spirulina thuần không tạp nhiễm dé tránh ảnh hưởng đến kết qua. Tảo sẽ được cấy ria trên môi trường Zarrouk đặc để làm thuần. Nội dung 2: nuôi Zarrouk lỏng các chủng nhằm chọn ra chủng phát triển tốt nhất dựa vào các yêu câu về độ xoăn, kích thước tê bào, toc độ phát triên và khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường nuôi cấy lỏng.
Sau khi chọn được chủng phù hợp với điều kiện và mục tiêu nuôi cấy, đưa tảo vảo sàng lọc và tối ưu. Nội dung 3: sang lọc bằng ma trận Plackett - Burman chọn ra ba yếu tố ảnh hưởng nhất đến quá trình nuôi cấy tảo. Nội dung 4: dùng phương pháp bề mặt — cau trúc có tâm (RSM — CCD) dé cho ra thông số tối ưu đến quá trình nuôi cấy sinh khối tao Spirulina sp. Nội dung 5: sử dụng mô hình tiên đoán được đề xuất nuôi cấy trên quy mô lớn hon (nuôi thử nghiệm Pilot) dé đánh giá mối tương quan giữa mô hình và thực tế.
Từ đó xem xét sự phù hợp của mô hình đề xuất. CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tông quan tảo Spirulina Tao Spirulina (chi Spirulina) là một loại tảo xanh lam xoắn ốc thuộc họ Oscillatoriaceae. Nó có kích thước nhỏ, thường có đường kính từ 5 đến 10 micromet (um) và chiều dai từ vài chục đến vài trăm micromet.
Tảo Spirulina được tìm thấy trên toàn cầu và có nguồn gốc từ nhiều môi trường sông khác nhau, bao gồm cả môi trường nước ngọt và nước mặn. Tảo Spirulina đã thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu và ngành công nghiệp vì nó là một nguồn tài nguyên tự nhiên giàu protein và chất dinh dưỡng quan trọng. Nó có khả năng tự chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp, đồng thời sản xuất ra oxy. Điều này giúp tao Spirulina có khả năng sinh trưởng nhanh chóng trong điều kiện ánh sáng đủ.
Tao Spirulina là một nguồn dinh đưỡng phong phú, chứa một lượng lớn protein đến 70% khối lượng khô (Hu và ctv, 2021). Các loại axit amin thiết yếu, vitamin (như vitamin B12, B-carotene), khoáng chất như sắt, canxi, selen, magie, đồng. các acid béo không no, và các chất chống oxy hóa. Tao Spirulina cũng cung cấp các carbohydrate phức, chất xơ và enzym.
So với các sản phẩm khác, tao Spirulina được coi là một nguồn dinh dưỡng giàu protein, vitamin và khoáng chất. Điều này làm cho tảo trở thành một thực phẩm chất lượng cao và có lợi cho sức khỏe. Nghiên cứu ngoài nước Hiện nay, môi trường Zarrouk đặc biệt là Zarrouk 1966 (Zarrouk, 1966) va Zarrouk 2008 (Belay, 2008) đã trở thành môi trường phổ biến được sử dụng trong qua trình nuôi cấy tảo Spirulina. Các nghiên cứu về nuôi cấy tảo Spirulina đã chỉ ra rõ ràng rằng môi trường đóng vai trò quan trọng trong quá trình sống và sinh trưởng của tảo.
Điều này đặc biệt quan trọng vì thông qua việc tìm hiểu các yêu tố ảnh hưởng, cả trực tiếp và gián tiếp đối với tao Spirulina, ching ta có thé xác định và duy trì môi trường tối ưu nhất dé tăng cường sự phát triển của loài tao Spirulina sp. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc xác định những yếu tố môi trường có ảnh hưởng trực tiếp đến tảo Spirulina như nồng độ ánh sáng, pH, nhiệt độ, độ mặn, và cung cấp chất dinh dưỡng. Bên cạnh đó, các yêu tô gián tiép như sự tương tác với vi sinh vật khác, chat độc hai và ô nhiễm cũng được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cách chúng ảnh hưởng đến tảo Spirulina. Tao Spirulina phát triển tốt ở môi trường có pH kiềm hoặc kiềm nhẹ, thường trong khoảng là 8,5 — 10,5 (Tarko và ctv, 2012).
Môi trường có tác động trực tiếp đến tính thấm của tế bào và tác động gián tiếp đến quá trình hấp thụ muối vô cơ trong vi tảo. Các chất kiềm có thể được sử dụng dé điều chỉnh và 6n định lại pH trong trường hợp nó giảm xuống mức không mong muốn. Việc duy trì môi trường pH ồn định và phù hợp là một yếu tố quan trọng trong quá trình nuôi cấy tao Spirulina, giúp tăng cường hiệu suất sản xuất và đảm bảo điều kiện thuận lợi cho vi tảo phát triển trong quá trình nuôi cay. Đề duy trì pH trong khoảng này, các chất kiềm thường được sử dụng 1a bicarbonate.
Nguồn chất này có thé là NaHCO; hoặc KHCOs. Trong hau hết các nghiên cứu về nuôi tao Spirulina đa số đều sử dụng NaHCO3, NaHCO; được sử dụng dé cung cấp cacbon và duy trì pH kiềm. Tuy nhiên, trong quá trình nuôi cấy tảo Spirulina ở quy mô công nghiệp, NaHCO; thường chiếm phan lớn trong chi phí nuôi trồng tao. Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm cách thay thế chất này bằng những chất khác có giá thành rẻ hơn nhưng vẫn đảm bảo duy trì pH trong môi trường nuôi cấy.
Mục tiêu của những nghiên cứu nay là giảm nồng độ NaHCO; trong quá trình nuôi cay ma vẫn duy trì hiệu qua sinh trưởng của tảo. Tuy nhiên, việc giảm quá nhiều nồng độ NaHCO; có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh trưởng của tảo. Việc giảm nồng độ xuống 4 g/L sẽ dẫn đến giảm đáng ké sinh khối, chất điệp lục và hàm lượng protein (Raoof, 2006). Duy trì độ pH trên 9,5 sẽ giúp môi trường tránh nhiễm ban bởi các loại tảo khác.
Độ pH có thé được điều chỉnh bằng cách cung cấp không khí với 1 — 2 % khí CO? vào môi trường. Trong công nghiệp, nhu cầu cacbon thường được cung cấp bằng khí CO, sau khi cung cấp ban dau là 0,2 M NaHCO; (Stunda va ctv 2020). Cung cấp khí CO2 có thé là giải pháp khá hữu ích vì đa số đó là khí thải từ các nhà máy hay đốt nguyên liệu. Sử dụng nguồn khí thai này vừa giúp tảo phát triển tốt vừa có thé giảm được nguồn khí thải ô nhiễm môi trường (Cui và ctv, 2019).
Ngoài ra, các chất dinh dưỡng cũng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của tao. Nitơ là một trong những nguyên tố cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển, sinh sản và các hoạt động sinh lý khác của tao Spirulina. Nguồn nito và nồng độ cũng ảnh hưởng đến sự trao đôi và tích lũy năng lượng trong quá trình sinh trưởng tao Spirulina. Khi giảm nồng độ nito trong môi trường nuôi cấy, điều này có thé gây ra những thay đổi đáng kể trong thành phan tế bao của tao.
Thay đôi này tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích tụ các thành phần lipid trong tảo và đồng thời giảm hàm lượng protein trong quá trình sinh trưởng. Việc giảm nồng độ nitơ có thé anh hưởng trực tiếp đến quá trình tổng hợp protein của tảo, khiến việc sản xuất các hợp chất lipid trở nên ưu tiên hơn (Uslu va ctv, 2011). Theo Abou và ctv (2014), sử dụng nitrat lam nguồn nitơ có thể làm tăng hiệu suất sinh khối của tao Spirulina. Nitrat được cho là tốt hon các nguồn nitơ khác như ammoni sunfat và urea.
Bhattacharya và Shivaprakash (2005) đã ghi lại môi trường Zarrouk có chứa 0,25 g/L NaNO; làm nguồn nito là phát triển tao Spirulina tốt nhất. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu vẫn theo hướng sử dung ure dé thay thế NaNO; dé đánh giá tác động của ure đến tao và cơ chế hoạt động của nó. Vì ure là nguồn nito rẻ tiền va dé kiếm hơn các nguồn nitơ khác nên ure được nghiên cứu nhiều để cung cấp nitơ trong quá trình nuôi cấy. Tuy nhiên ure được cho là có tác động tiêu cực cho quá trình sinh trưởng của tảo vì tạo ra môi trường axit, trong khi tảo chỉ phát triển ở môi trường pH kiềm.
Chính vì những bất cập trong việc sử dụng nguồn nito này, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào cơ chế hoạt động và cách thức phân giải của ure, từ đó đưa ra những phương pháp sử dụng ure hiệu quả, giúp hạn chế việc ngộ độc ure ở nồng độ cao và thúc đây quá trình tăng trưởng của tảo mà không ảnh hưởng xấu trong quá trình nuôi cấy. Nghiên cứu của Danesi và ctv (2002) đã khảo sát ảnh hưởng của việc thay nitrat bằng urê đến sinh trưởng và tạo diệp lục của tao Spirulina platensis. Việc thay thé NaNO; hoặc KNO: bằng uré trong Zarrouk cải tién đã được báo cáo là làm tăng sinh khối tảo khi bố sung lượng nhỏ theo từng đợt trong quá trình nuôi cấy. Nghiên cứu phát hiện ra rằng 10 mM uré trong môi trường là độc hại cho tảo.
Tuy nhiên, urê nhanh chóng được chuyển thành amoniac và một phần amoniac bị bay hơi vào khí quyền.