Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng các axit béo không no omega-6, 7, 9 ngày càng tăng do vai trò quan trọng của chúng trong bảo vệ sức khỏe con người, việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu mới và hiệu quả để chiết xuất các axit béo này trở thành một thách thức lớn. Theo ước tính, các axit béo không no đóng góp tích cực trong việc giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch, cải thiện chức năng tiêu hóa, duy trì độ ẩm cho da và tóc, cũng như hỗ trợ điều trị các bệnh mãn tính như đái tháo đường. Trong đó, omega-7 là dạng axit béo hiếm gặp trong tự nhiên, chủ yếu được chiết xuất từ cây hắc mai biển và dầu macadamia, khiến việc phát triển nguồn nguyên liệu thay thế có ý nghĩa thiết thực.

Vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) là nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng có khả năng tổng hợp các axit béo không no với hàm lượng cao, đặc biệt là omega-7 (axit vaccenic) chiếm tới 60% tổng axit béo (TFA). Sinh khối VKTQH có hàm lượng lipid chiếm khoảng 20-40% sinh khối khô (SKK), thấp hơn so với vi tảo nhưng có ưu điểm về công nghệ nuôi trồng đơn giản và không đòi hỏi môi trường nghiêm ngặt. Nghiên cứu này tập trung tối ưu hóa điều kiện tách chiết và làm giàu axit béo không no omega-6, 7, 9 từ sinh khối VKTQH nhằm xây dựng quy trình công nghệ hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khỏe và dược phẩm.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ gen, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn 2017-2020, sử dụng sinh khối hỗn hợp hai chủng VKTQH Rhodovulum sulfidophilum HPB.6 và Rhodobacter sphaeroides VTN.2. Mục tiêu cụ thể là xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng tách chiết axit béo tổng số (TFA) và làm giàu axit béo không no omega-6, 7, 9 bằng phương pháp tạo phức với urê, đồng thời đánh giá chất lượng dầu sinh học thu được. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng sinh khối vi khuẩn tía quang hợp trong công nghiệp chế biến thực phẩm và dược phẩm, đồng thời mở rộng nguồn nguyên liệu axit béo không no có lợi cho sức khỏe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lipid và axit béo không no (MUFAs và PUFAs): Lipid là hợp chất hữu cơ quan trọng trong tế bào sống, gồm các axit béo bão hòa (SFA) và không bão hòa (UFA). MUFAs có một nối đôi, PUFAs có nhiều nối đôi, trong đó omega-6, 7, 9 là các dạng axit béo không no có vị trí nối đôi đặc trưng trên chuỗi cacbon. Các axit béo này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc màng tế bào, điều hòa trao đổi lipid và tổng hợp các phân tử sinh học có hoạt tính.

  • Vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH): Là nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng, có khả năng tổng hợp axit béo không no với hàm lượng cao, đặc biệt omega-7 (axit vaccenic). VKTQH có thể sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí, sử dụng con đường tổng hợp axit béo hiếu khí và kỵ khí, với các enzyme chủ chốt như FabH, FabG, FabA, FabZ, FabI tham gia vào quá trình kéo dài và tạo nối đôi cho chuỗi axit béo.

  • Phương pháp tách chiết và làm giàu axit béo: Phương pháp chuyển vị ester trực tiếp sử dụng dung môi hữu cơ và chất xúc tác axit (HCl) để tách chiết TFA từ sinh khối. Phương pháp làm giàu axit béo không no omega-6, 7, 9 sử dụng tạo phức với urê, dựa trên khả năng urê kết tinh với axit béo bão hòa, tách biệt các axit béo không no trong hỗn hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: sinh khối khô (SKK), axit béo tổng số (TFA), monounsaturated fatty acid (MUFA), polyunsaturated fatty acid (PUFA), optical density (OD), hiệu suất tách chiết, tạo phức urê.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sinh khối hỗn hợp hai chủng VKTQH Rhodovulum sulfidophilum HPB.6 và Rhodobacter sphaeroides VTN.2 được nuôi trong bể quang sinh thể tích 1m³ với môi trường bán tổng hợp. Sau 192 giờ nuôi cấy, sinh khối được thu bằng chitosan, sấy khô và xay mịn để sử dụng làm nguyên liệu tách chiết.

  • Phương pháp phân tích: Tách chiết TFA bằng phương pháp chuyển vị ester trực tiếp sử dụng dung môi methanol, dichloromethane và chất xúc tác HCl. Các thông số tối ưu được khảo sát gồm nhiệt độ (60-85°C), chất xúc tác (HCl, H2SO4, NaOH, KOH), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (1:6 đến 1:12 w/v), thời gian phản ứng (2-5 giờ), và chế độ khuấy trộn (tĩnh, gián đoạn, liên tục).

    Làm giàu axit béo omega-6, 7, 9 bằng phương pháp tạo phức với urê, khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ TFA:urê, tỷ lệ TFA:urê:methanol và nhiệt độ kết tinh (4°C, 17°C, 25°C).

  • Phân tích thành phần axit béo: Sử dụng sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC-MS) với cột HP-5MS, khí mang helium, theo tiêu chuẩn ISO FDIS 5590:1998.

  • Đánh giá chất lượng dầu: Xác định chỉ số axit, chỉ số iot, hàm lượng urê, kim loại nặng và chỉ tiêu vi sinh vật theo các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

  • Xử lý thống kê: Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần, kết quả biểu diễn dưới dạng trung bình ± độ lệch chuẩn (TB ± SD). Phân tích ANOVA với mức ý nghĩa α=0,05 sử dụng phần mềm SAS 9.1.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2020, bao gồm các bước nuôi cấy sinh khối, tối ưu hóa điều kiện tách chiết, làm giàu axit béo và đánh giá chất lượng sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng sinh khối và lipid của VKTQH: Sau 8 ngày nuôi cấy trong bể quang sinh thể tích 1m³, sinh khối đạt 2,42 ± 0,29 g/L, hàm lượng lipid chiếm 20,34 ± 1,25% SKK. Thành phần axit béo không no omega-3, 6, 7, 9 chiếm 56,28% so với TFA, trong đó omega-3 chiếm 8,48%, omega-6 4,10%, omega-7 18,32% và omega-9 25,38%.

  2. Tối ưu điều kiện tách chiết TFA: Nhiệt độ phản ứng 80-85°C cho hiệu suất tách chiết cao nhất 20,3 ± 1,07% SKK, tuy nhiên do nguy cơ cháy nổ và bay hơi dung môi, nhiệt độ 70-75°C được chọn làm điều kiện tối ưu với hiệu suất 19,6 ± 1,12% SKK. Chất xúc tác HCl cho hiệu suất tách chiết cao nhất 19,7 ± 0,59% SKK, vượt trội so với H2SO4 (16,4 ± 0,6%) và các chất xúc tác bazơ (NaOH, KOH) chỉ đạt dưới 3%. Tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1:10 (w/v) tối ưu, cho hiệu suất 19,7 ± 0,25% SKK, cao hơn đáng kể so với tỷ lệ 1:6 (11,8 ± 1,61%). Thời gian phản ứng 3 giờ là tối ưu, hiệu suất đạt 19,7 ± 0,25%, thời gian ngắn hơn hoặc dài hơn đều làm giảm hiệu suất. Khuấy trộn liên tục giúp tăng hiệu suất tách chiết lên 20%, so với khuấy gián đoạn hoặc không khuấy.

  3. Tối ưu điều kiện làm giàu axit béo omega-6, 7, 9 bằng tạo phức urê: Tỷ lệ TFA:urê 1:3 (w/w) và tỷ lệ TFA:urê:methanol 1:3:20 (w/w/v) ở nhiệt độ kết tinh 4°C cho hiệu suất tách MUFAs và PUFAs cao nhất, đạt trên 80%. Tăng số lần tạo phức urê lên 2 lần giúp tăng hiệu suất thu hồi axit béo không no lên 90%. Nhiệt độ kết tinh cao hơn (17°C, 25°C) làm giảm hiệu suất tách chiết do giảm khả năng kết tinh của phức urê với axit béo bão hòa.

  4. Chất lượng dầu sinh học thu được: Dầu giàu omega-6, 7, 9 có chỉ số axit thấp (<1 mg KOH/g), chỉ số iot phù hợp với dầu không no, hàm lượng urê và kim loại nặng nằm trong giới hạn an toàn. Kiểm tra vi sinh vật cho thấy tổng số vi khuẩn hiếu khí và các vi sinh vật gây hại như E. coli, Salmonella đều không phát hiện hoặc dưới ngưỡng cho phép.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tách chiết TFA từ sinh khối VKTQH đạt khoảng 20% SKK, thấp hơn so với một số nghiên cứu trên vi tảo (khoảng 40-45%) do hàm lượng lipid trong VKTQH thấp hơn. Tuy nhiên, ưu điểm của VKTQH là công nghệ nuôi trồng đơn giản, không đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn. Việc sử dụng HCl làm chất xúc tác giúp tăng hiệu suất tách chiết do khả năng xúc tác phản ứng ester hóa mạnh và ổn định trong điều kiện nhiệt độ 70-75°C.

Phương pháp tạo phức urê được chứng minh là hiệu quả trong việc làm giàu axit béo không no omega-6, 7, 9, đặc biệt là omega-7 hiếm có. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trên dầu cá và dầu thực vật, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp này trong công nghiệp. Việc kiểm soát nhiệt độ kết tinh và tỷ lệ urê là yếu tố then chốt để đạt hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tách chiết TFA theo nhiệt độ, chất xúc tác, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi và thời gian phản ứng; bảng thành phần axit béo trước và sau khi làm giàu; bảng chỉ tiêu chất lượng dầu sinh học. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy nghiên cứu đã đạt được kết quả khả quan, mở ra hướng phát triển nguồn nguyên liệu axit béo không no từ vi khuẩn tía quang hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tách chiết và làm giàu axit béo omega-6, 7, 9 từ VKTQH trong công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng nhiệt độ phản ứng 70-75°C, chất xúc tác HCl, tỷ lệ sinh khối/dung môi 1:10 (w/v), thời gian 3 giờ và khuấy trộn liên tục để tối ưu hiệu suất tách chiết TFA. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất dầu sinh học, thời gian áp dụng: 1-2 năm.

  2. Sử dụng phương pháp tạo phức urê để làm giàu axit béo không no: Tỷ lệ TFA:urê 1:3 (w/w), TFA:urê:methanol 1:3:20 (w/w/v), nhiệt độ kết tinh 4°C, thực hiện tạo phức 2 lần để nâng cao hiệu suất thu hồi. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy chế biến dầu, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  3. Phát triển công nghệ nuôi cấy VKTQH quy mô lớn: Tăng cường nghiên cứu và đầu tư vào công nghệ nuôi cấy bể quang sinh thể tích lớn, đảm bảo sinh khối có chất lượng ổn định, hàm lượng lipid cao. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ sinh học, thời gian: 2-3 năm.

  4. Kiểm soát chất lượng sản phẩm dầu sinh học: Thiết lập quy trình kiểm tra chỉ số axit, chỉ số iot, hàm lượng urê, kim loại nặng và vi sinh vật để đảm bảo an toàn thực phẩm và dược phẩm. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý chất lượng, doanh nghiệp sản xuất, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, sinh học thực nghiệm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tối ưu hóa quy trình tách chiết và làm giàu axit béo không no từ vi khuẩn tía quang hợp, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dầu sinh học và thực phẩm chức năng: Tham khảo quy trình công nghệ hiệu quả, tiết kiệm chi phí để ứng dụng sản xuất dầu giàu omega-6, 7, 9 phục vụ thị trường thực phẩm bảo vệ sức khỏe.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng dầu sinh học từ vi sinh vật, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

  4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ sinh học: Là cơ sở khoa học để phát triển công nghệ nuôi cấy vi khuẩn tía quang hợp quy mô lớn, mở rộng nguồn nguyên liệu axit béo không no thay thế dầu cá và dầu thực vật truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn vi khuẩn tía quang hợp làm nguồn nguyên liệu tách chiết axit béo?
    Vi khuẩn tía quang hợp có khả năng tổng hợp axit béo không no, đặc biệt omega-7 với hàm lượng cao (18-25% so với TFA), đồng thời công nghệ nuôi trồng đơn giản, không đòi hỏi môi trường nghiêm ngặt, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn và bền vững.

  2. Phương pháp chuyển vị ester trực tiếp có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp này đơn giản, tiết kiệm thời gian và dung môi, cho hiệu suất tách chiết cao hơn do phản ứng ester hóa và chuyển đổi axit béo diễn ra đồng thời trong cùng một bước, giảm chi phí sản xuất.

  3. Tại sao sử dụng urê để làm giàu axit béo không no?
    Urê tạo phức với axit béo bão hòa, kết tinh và tách ra khỏi hỗn hợp, giúp làm giàu các axit béo không no (omega-6, 7, 9) trong pha lỏng. Phương pháp này hiệu quả, chi phí thấp và dễ áp dụng quy mô lớn.

  4. Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất tách chiết?
    Nhiệt độ cao làm tăng khả năng trương nở nguyên liệu và tốc độ phản ứng, nâng cao hiệu suất tách chiết. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao (trên 85°C) có thể gây biến đổi hóa học không mong muốn và nguy cơ an toàn, nên nhiệt độ 70-75°C được chọn tối ưu.

  5. Chất lượng dầu sinh học thu được có đảm bảo an toàn không?
    Dầu thu được có chỉ số axit thấp, chỉ số iot phù hợp, hàm lượng urê và kim loại nặng nằm trong giới hạn cho phép, không phát hiện vi sinh vật gây hại, đảm bảo an toàn cho sử dụng trong thực phẩm và dược phẩm.

Kết luận

  • Đã xác định được điều kiện tối ưu tách chiết axit béo tổng số từ sinh khối VKTQH với nhiệt độ 70-75°C, chất xúc tác HCl, tỷ lệ sinh khối/dung môi 1:10 (w/v), thời gian 3 giờ và khuấy trộn liên tục, đạt hiệu suất tách chiết khoảng 20% SKK.
  • Phương pháp tạo phức urê với tỷ lệ TFA:urê 1:3 và TFA:urê:methanol 1:3:20 ở nhiệt độ 4°C cho hiệu suất làm giàu axit béo không no omega-6, 7, 9 trên 80%, có thể nâng cao hơn khi tạo phức 2 lần.
  • Dầu sinh học thu được có chất lượng cao, an toàn về mặt hóa lý và vi sinh, phù hợp ứng dụng trong thực phẩm bảo vệ sức khỏe và dược phẩm.