Tài liệu Nghiên cứu phương pháp tinh sạch phycocyanin từ tảo spirulina và tạo sản phẩm bột phycocyanin

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TINH SẠCH PHYCOCYANIN TỪ TẢO SPIRULINA VÀ TẠO SẢN PHẨM BỘT PHYCOCYANIN Cán bộ hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S Phan Thế Duy Võ Ngọc Hân MSSV: 2072146 Lớp: Công nghệ Hóa học K33 Trƣờng Đại học Cần Thơ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Khoa Công Nghệ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -----  ----- Bộ môn Công nghệ Hóa học ----  ---- Cần Thơ, ngày 16 tháng 12 năm 2010 PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CHO SINH VIÊN NĂM HỌC: 2010 – 2011 1. Họ và tên của cán bộ hƣớng dẫn: Phan Thế Duy. 2. Tên đề tài: “Nghiên cứu phƣơng pháp tinh sạch Phycocyanin từ tảo Spirulina và tạo sản phẩm bột Phycocyanin”. 3. Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm hóa học hữu cơ – Bộ môn Công nghệ Hóa học – Khoa Công nghệ - Trƣờng Đại học Cần Thơ. 4. Số lƣợng sinh viên thực hiện: 01 sinh viên. 5. Họ và tên sinh viên: Võ Ngọc Hân Lớp: Công Nghệ Hóa Học MSSV: 2072146 Khóa: 33 6. Mục tiêu của đề tài: Tách chiết và tinh sạch Phycocyanin (chất tạo màu xanh) trong tảo Spirulina. Tạo sản phẩm bột Phycocyanin đủ tiêu chuẩn sử dụng trong thực phẩm. Tìm hiểu và chứng minh mối quan hệ giữa hàm lƣợng Phycocyanin và protein. 7. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài - Nội dung chính  Nghiên cứu phƣơng pháp chiết tách Phycocyanin đạt độ tinh sạch cao.  Tìm hiểu mối quan hệ giữa hàm lƣợng Phycocyanin và protein trong sản phẩm. - Giới hạn của đề tài Từ những công dụng nổi bậc của Phycocyanin trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong chăm sóc sức khỏe và điều trị bệnh, trên thế giới đã và đang có rất nhiều công trình nghiên cứu phƣơng pháp chiết tách và làm tinh sạch Phycocyanin từ tảo Spirulina cho sản phẩm Phycocyanin có độ tinh khiết cao đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực: thực phẩm, dƣợc phẩm, phân tích… Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian nên đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp tinh sạch Phycocyanin từ tảo Spirulina và tạo sản phẩm bột Phycocyanin” dừng lại ở ứng dụng trong thực phẩm. 8. Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HĐLV Phan Thế Duy DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG LUẬN VĂN VÀ XÉT TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN  ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN  ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm LỜI CẢM ƠN -----Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Bộ môn Công nghệ Hóa học, khoa Công Nghệ, trƣờng Đại học Cần Thơ vì đã khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi cho em cũng nhƣ tập thể lớp Công Nghệ Hóa Học K33 trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Lời biết ơn sâu sắc em xin gửi đến thầy Phan Thế Duy, cán bộ khoa học đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ cho em cùng tập thể nhóm trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Những kiến thức và kinh nghiệm quý báu của Thầy mà chúng em đƣợc tiếp thu luôn là những lời dạy ý nghĩa trong suốt quá trình làm luận văn và sẽ là hành trang cho em trên bƣớc đƣờng tƣơng lai sắp tới. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và anh chị ở phòng thí nghiệm Sinh hóa, Bộ môn Sinh lý – Sinh hóa, khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng, trƣờng Đại học Cần Thơ đã nhiệt tình giúp đỡ để đề tài luận văn của em đƣợc hoàn thành. Bên cạnh đó, trong thời gian qua nhóm cũng nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa Học. Em xin chân thành cảm ơn những lời khuyên và nhận xét chân thành của thầy cô đã góp phần quan trọng để nội dung đề tài đƣợc hoàn chỉnh. Cảm ơn tất cả các bạn lớp Công Nghệ Hóa Học K33, Đại học Cần Thơ đã cùng giúp đỡ và hỗ trợ lẫn nhau trong suốt một chặng đƣờng dài ở giảng đƣờng Đại học. Sự giúp đỡ và động viên của các bạn là động lực tinh thần để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Võ Ngọc Hân i Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm LỜI MỞ ĐẦU  Sự phát triển mạnh mẽ của nền văn minh nhân loại đã mang lại những thành tựu to lớn cho con ngƣời. Tuy nhiên, hệ quả của sự phát triển đó là sự ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng làm phát sinh các vấn nạn về sức khỏe cho cộng đồng. Con ngƣời phải đối mặt với nhiều căn bệnh hiểm nghèo do sức đề kháng ngày càng bị suy giảm trƣớc sự biến thể và xâm nhập không ngừng của các loại siêu vi, các độc chất có ở khắp mọi nơi trong môi trƣờng và luôn cả trong các sản phẩm: thực phẩm, dƣợc phẩm, chất kích thích… Bên cạnh đó, tác phong công nghiệp đã làm cho cuộc sống chúng ta trở nên tất bật với nhiều lo toan bận rộn. Áp lực công việc thƣờng gây ra các bệnh về stress, làm mất cân đối trong chế độ dinh dƣỡng dẫn đến một số bệnh lý hiểm nghèo kèm theo. Chính vì thế, giữ gìn sức khỏe là việc cần đƣợc quan tâm hơn lúc nào hết. Cùng với sự phát triển kinh tế, khi mức sống đƣợc cải thiện thì nhu cầu dinh dƣỡng của con ngƣời ngày càng tăng cao. Thực phẩm đƣợc sử dụng không những đáp ứng các yêu cầu về một vài thành phần dinh dƣỡng nào đó mà cần có cấu trúc lý tƣởng về thành phần các chất: đƣờng, đạm, béo, vitamin, khoáng chất… nhằm đạt đƣợc yêu cầu cao về sức khỏe và thẩm mỹ. Trƣớc nhu cầu đó, tảo Spirulina với hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng có giá trị cao: hàm lƣợng protein dồi dào, một số axit béo thiết yếu, giàu vitamin và khoáng chất… những hoạt chất này đều có khả năng chống oxy hóa và chống lão hóa cao. Chính vì vậy, từ khi đƣợc phát hiện tảo Spirulina đã tạo đƣợc sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Theo tổ chức y tế thế giới WHO, tảo Spirulina đƣợc xem là một nguồn dinh dƣỡng và dƣợc phẩm tiềm năng của thế kỷ 21. Spirulina không chỉ đƣợc quan tâm nhờ thành phần dinh dƣỡng dồi dào, mà quan trọng hơn là các hợp chất trong tảo còn có giá trị rất lớn trong chuẩn đoán và điều trị bệnh. Trong đó, Phycocyanin (khoảng 14 %) là thành phần đƣợc chú ý nhiều nhất bởi nó có giá trị rất lớn trong chăm sóc sức khỏe và hỗ trợ điều trị một số bệnh nan y: ung thƣ, HIV… Tuy nhiên, Phycocyanin sẽ đƣợc sử dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn khi chúng đƣợc sử dụng trực tiếp ở dạng nguyên chất. Ở Việt Nam đã và đang có nhiều công trình nghiên cứu về phƣơng pháp làm tinh sạch Phycocyanin từ tảo Spirulina. Vì thế, đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp tinh sạch Phycocyanin từ tảo Spirulina và tạo sản phẩm bột Phycocyanin” xin góp một phần vào công trình nghiên cứu chung đó để góp phần vào việc đƣa Phycocyanin đƣợc sử dụng hiệu quả hơn và nâng cao giá trị của tảo Spirulina. Võ Ngọc Hân ii Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm MỤC LỤC Phụ bìa Phiếu đề nghị đề tài Nhận xét của cán bộ hƣớng dẫn Nhận xét của cán bộ phản biện Lời cảm ơn ............................................................................................................... i Lời mở đầu ...............................................................................................................ii Mục lục ................................................................................................................... iii Danh mục các hình .................................................................................................vii Danh mục các bảng ............................................................................................... viii Danh mục các đồ thị ............................................................................................... ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Sơ lƣợc về tảo Spirulina ................................................................................1 1.1 Đặc điểm sinh học ........................................................................................1 1.2 Nguồn gốc phát triển ...................................................................................3 1.3 Thành phần hóa học của Spirulina ...........................................................4 1.4 Giá trị dinh dƣỡng của Spirulina .............................................................. 8 1.4.1 Nguồn thực phẩm lý tƣởng ...................................................................8 1.4.2 Tăng cƣờng hoạt động và ảnh hƣởng tích cực đến hệ tiêu hóa ............8 1.4.3 Tăng cƣờng hệ miễn dịch .....................................................................8 1.4.4 Hỗ trợ hệ tim mạch và giảm cholesterol ..............................................9 1.4.5 Chống lão hóa và ngừa ung thƣ ...........................................................9 1.4.6 Tăng cƣờng khả năng làm sạch và tiêu độc cho cơ thể .......................9 1.5 Ứng dụng của tảo Spirulina ......................................................................10 1.5.1 Trong chăm sóc sức khỏe ....................................................................10 1.5.2 Trong ngành mỹ phẩm ........................................................................11 1.5.3 Đối với môi trƣờng ..............................................................................12 Võ Ngọc Hân iii Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 1.6 Những nghiên cứu về tảo Spirulina ..........................................................12 1.6.1 Khả năng chống virus .........................................................................12 1.6.2 Khả năng chống ung thƣ .....................................................................12 1.6.3 Tăng sức đề kháng cho hệ miễn dịch ..................................................13 1.6.4 Một số nghiên cứu khác ......................................................................13 2. Phycocyanin ....................................................................................................14 2.1 Sơ lƣợc về PC .............................................................................................. 14 2.2 Cấu trúc .......................................................................................................14 2.3 Ứng dụng của Phycocyanin .......................................................................15 2.3.1 Chất màu tự nhiên và thực phẩm chức năng ......................................15 2.3.2 Nguồn dƣợc phẩm đa chức năng ........................................................16 2.4 Một số nghiên cứu mới nhất cho kết quả khả quan ................................ 16 2.4.1 Tính kháng oxy hóa .............................................................................16 2.4.2 Tác động bảo vệ thần kinh của PC .....................................................17 2.4.3 Tính kháng viêm ..................................................................................17 2.4.4 Tăng cƣờng hệ thống miễn dịch ..........................................................18 2.4.5 Khả năng chống ung thƣ .....................................................................18 2.4.6 Bảo vệ tim mạch và đƣờng huyết ........................................................19 2.4.7 Chống lại kim loại nặng, chất phóng xạ và độc tố có trong thuốc .....19 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 1. Thiết bị - hóa chất ...........................................................................................20 1.1 Thiết bị ........................................................................................................20 1.2 Hóa chất ......................................................................................................20 2. Nguyên liệu ......................................................................................................20 2.1 Nguồn gốc ....................................................................................................20 2.2 Bảo quản .....................................................................................................20 2.3 Xác định độ ẩm của mẫu nguyên liệu ......................................................21 3. Địa điểm và thời gian thực hiện ..................................................................21 Võ Ngọc Hân iv Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 4. Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm ...............................................21 4.1 Phƣơng pháp chiết Phycocyanin từ tảo Spirulina ..................................21 4.1.1 Phƣơng pháp sử dụng lực cơ học .......................................................22 4.1.2 Phƣơng pháp sử dụng tác nhân sinh học (Viscozyme) .......................24 4.2 Phƣơng pháp tinh sạch Phycocyanin từ dịch chiết tảo Spirulina .........25 4.2.1 Phƣơng pháp chiết tách hệ hai pha lỏng (ATPE) ............................... 25 4.2.2 Phƣơng pháp kết tủa với (NH4)2SO4 ...................................................26 4.3 Phƣơng pháp tạo sản phẩm bột Phycocyanin .........................................28 4.3.1 Phƣơng pháp tạo bột Phycocyanin .....................................................28 4.3.2 Đánh giá cảm quan sản phẩm ............................................................. 29 4.4 Các phƣơng pháp phân tích ......................................................................29 4.4.1 Xác định nồng độ Phycocyanin, độ tinh khiết của Phycocyanin trong dịch chiết và hiệu suất đạt đƣợc ..........................................................29 4.4.2 Phân tích hàm lƣợng protein trong dịch chiết ....................................30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 1. Độ ẩm của mẫu nguyên liệu ........................................................................32 2. Khảo sát quá trình chiết Phycocyanin ......................................................32 2.1 Phƣơng pháp phá vỡ tế bào bằng lực cơ học ...........................................32 2.1.1 Khảo sát chọn dung môi tối ƣu ...........................................................32 2.1.2 Điều kiện tối ƣu cho quá trình chiết ...................................................36 2.2 Phƣơng pháp sử dụng Viscozyme ............................................................. 36 2.2.1 Khảo sát chọn nồng độ enzyme tối ƣu ................................................36 2.2.2 Khảo sát chọn thời gian tối ƣu ............................................................ 40 2.3 Khảo sát mối liên hệ giữa nồng độ Phycocyanin và protein trong dịch chiết ............................................................................................................43 3. Khảo sát quá trình tinh sạch Phycocyanin ..............................................44 3.1 Phƣơng pháp chiết tách hệ hai pha lỏng (ATPE) ...................................44 3.2 Phƣơng pháp kết tủa bằng (NH4)2SO4 ......................................................45 Võ Ngọc Hân v Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 3.2.1 Khảo sát chọn tỷ lệ muối tối ƣu ..........................................................45 3.2.2 Hiệu quả tách Phycocyanin ................................................................ 47 4. Quá trình tạo sản phẩm bột Phycocyanin ................................................48 4.1 Đánh giá hiệu quả của màng siêu lọc 30 kDa ..........................................49 4.2 Bột Phycocyanin .........................................................................................50 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận ............................................................................................................52 2. Kiến nghị .........................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề cƣơng chi tiết Võ Ngọc Hân vi Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tảo Spirulina ............................................................................................2 Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của tảo Spirulina .................................................4 Hình 1.3 Phycocyanobilin .......................................................................................14 Hình 1.4 Cấu trúc Phycobilisome ...........................................................................15 Hình 2.1 Quy trình chiết tách Phycocyanin bằng lực cơ học..................................22 Hình 2.2 Quy trình chiết tách Phycocyanin sử dụng Viscozyme ...........................24 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình làm tinh sạch Phycocyanin từ dịch chiết tảo Spirulina theo phƣơng pháp ATPE ..................................................................................25 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình làm tinh sạch Phycocyanin từ dịch chiết tảo Spirulina theo phƣơng pháp kết tủa với (NH4)2SO4 ........................................................26 Hình 2.5 Quy trình tạo sản phẩm bột Phycocyanin ...............................................28 Hình 3.1 Bột Phycocyanin chƣa đƣợc tinh sạch .....................................................50 Hình 3.2 Bột Phycocyanin sau khi đƣợc tinh sạch ................................................51 Võ Ngọc Hân vii Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại khoa học của tảo Spirulina .......................................................2 Bảng 1.2 Thành phần dinh dƣỡng trong tảo Spirulina ............................................5 Bảng 1.3 So sánh công thức chuẩn chế phẩm sinh học và tảo Spirulina ................6 Bảng 1.4 Bảng so sánh Spirulina với các nguồn dinh dƣỡng khác ..........................7 Bảng 2.1 Giá trị pH của đệm phosphate phụ thuộc vào a ml dung dịch NaH2PO4 và b ml dung dịch Na2HPO4 .........................................................................23 Bảng 2.2 Xây dựng đƣờng chuẩn theo phƣơng pháp Folin – Lowry .....................31 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát quá trình chiết Phycocyanin với những dung môi khác nhau ..........................................................................................................33 Bảng 3.2 Điều kiện tối ƣu cho quá trình chiết .......................................................36 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát quá trình chiết Phycocyanin với những nồng độ Viscozyme khác nhau ..............................................................................37 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát quá trình chiết Phycocyanin với những thời gian khác nhau .........................................................................................................40 Bảng 3.5 Kết quả khảo sát mối liên hệ giữa Phycocyanin và protein ...................43 Bảng 3.6 Kết quả các mẫu tinh sạch Phycocyanin ................................................44 Bảng 3.7 Kết quả các mẫu tách Phycocyanin bằng (NH4)2SO4 ............................. 47 Bảng 3.8 Kết quả các mẫu xử lý với màng siêu lọc ...............................................49 Võ Ngọc Hân viii Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1 Sự thay đổi nồng độ Phycocyanin theo dung môi ................................ 34 Đồ thị 3.2 Sự thay đổi độ tinh khiết theo dung môi ...............................................34 Đồ thị 3.3 Sự thay đổi hiệu suất theo dung môi .....................................................35 Đồ thị 3.4 Sự thay đổi nồng độ Phycocyanin theo hàm lƣợng Viscozyme ...........38 Đồ thị 3.5 Sự thay đổi độ tinh khiết theo hàm lƣợng Viscozyme ..........................38 Đồ thị 3.6 Sự thay đổi hiệu suất theo hàm lƣợng Viscozyme ................................ 39 Đồ thị 3.7 Sự thay đổi nồng độ Phycocyanin theo thời gian .................................41 Đồ thị 3.8 Sự thay đổi độ tinh khiết theo thời gian ................................................41 Đồ thị 3.9 Sự thay đổi hiệu suất theo thời gian ......................................................42 Đồ thị 3.10 Quan hệ giữa nồng độ Phycocyanin và protein trong dịch chiết ........43 Đồ thị 3.11 Nồng độ Phycocyanin trƣớc và sau khi làm tinh sạch ........................44 Đồ thị 3.12 Độ tinh khiết của dịch chiết trƣớc và sau khi làm tinh sạch ...............45 Đồ thị 3.13 Sự thay đổi nồng độ và độ tinh khiết của dịch chiết theo nồng độ (NH4)2SO4 ............................................................................................ 46 Đồ thị 3.14 Nồng độ Phycocyanin trƣớc và sau khi làm tinh sạch ........................47 Đồ thị 3.15 Độ tinh khiết của Phycocyanin trƣớc và sau khi làm tinh sạch ..........48 Đồ thị 3.16 Sự thay đổi nồng độ Phycocyanin qua mỗi lần lọc của các mẫu đƣợc tinh sạch bằng các phƣơng pháp khác nhau ........................................49 Đồ thị 3.17 Sự thay đổi độ tinh khiết của Phycocyanin qua mỗi lần lọc của các mẫu đƣợc tinh sạch bằng các phƣơng pháp khác nhau ............................... 50 Võ Ngọc Hân ix Chƣơng 1: TỔNG QUAN Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Sơ lƣợc về tảo Spirulina Đặc điểm sinh học [1, 2, 7] Spirulina là một loại vi tảo màu xanh, có tên khoa học là Arthrospira, mắt thƣờng không thể nhìn thấy đƣợc. Tên Spirulina do nhà tảo học ngƣời Đức Deurben đặt tên năm 1827 dựa trên cơ sở hình thái đặc trƣng của tảo là sợi xoắn ốc (spiralis). Dựa trên kết quả nghiên cứu những năm 1970 – 1980, các nhà khoa học nhận thấy tảo Spirulina có các đặc điểm giống vi khuẩn nhƣ: nhân chƣa hoàn chỉnh (tiền nhân), nhân chƣa có màng, chƣa có ty thể và lục lạp… nên đã xếp tảo Spirulina vào ngành vi khuẩn lam (Cyanobacteria) thay vì ngành tảo nhƣ trƣớc đây. Bảng 1.1 Phân loại khoa học của tảo Spirulina Phân loại khoa học Lãnh giới (domain) Bacteria Ngành (phylum) Cyanobacteria Lớp (class) Chroobacteria Bộ (ordo) Oscillatoriales Họ (familia) Phormidiaceae Chi (genus) Arthrospira Loài: Chi Spirulina có nhiều loài (hơn 35 loài) đã phát hiện. Trong đó có 2 loài đƣợc nghiên cứu đầu tiên và nhiều nhất: loài S.geitleri (S.maxima) – có nguồn gốc châu phi, loài S.platensis – có nguồn gốc Nam Mỹ. Ngoài ra còn có S.prpvilca ở Puru, S.jeejibai ở CHLB Đức, S.subsalsa ở Ukraina, S.laxissima ở Kenya, S.pacifica ở Hoa Kỳ. Võ Ngọc Hân 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN Ở Việt Nam, giống đƣợc nghiên cứu đầu tiên, lƣu giữ ở Viện Sinh vật học là S.platensis Geitler do CH Pháp cung cấp. Về cấu tạo, Spirulina có cấu tạo đa bào với gần 100 tế bào trên mỗi sợi tảo. Tế bào chƣa có nhân điển hình, tảo Spirulina chƣa có ty thể và lục lạp mà thay vào đó là các thể thyalkoid xếp thành vòng chứa các sắc tố có thể tham gia vào quá trình quang hợp: Chlorophyll, Phycocyanin, Carotenoid... Màng tế bào không có cấu tạo vách cellulose giống nhƣ các thực vật khác mà chỉ là các peptidoglycan nên dễ dàng bị đồng hóa bởi các enzyme tiêu hóa. Đây là đặc điểm giúp Spirulina dễ dàng đƣợc hấp thu vào cơ thể. Về hình dạng, Spirulina là một loài vi tảo có dạng xoắn hình lò xo với khoảng 5-7 vòng đều nhau không phân nhánh, ở hai đầu cuối của sợi thƣờng co hẹp và mút lại. Tuy nhiên, tùy thuộc vào môi trƣờng sống và thời kỳ phát triển mà hình dạng tảo có thể có một số thay đổi: tảo có hình dạng chữ C, chữ S… mật độ vòng xoắn khác nhau hoặc sợi tảo có thể duỗi thẳng. Hình 1.1 Tảo Spirulina Về kích thƣớc, tảo trƣởng thành thƣờng dài từ 250 – 1000 µm, bề ngang 6 – 8 µm, đƣờng kính vòng xoắn 35 – 50 µm, bƣớc xoắn 60 µm nhƣng tùy vào mức độ xoắn hay thẳng mà kích thƣớc này cũng có sự thay đổi. Về đặc điểm dinh dƣỡng, Spirulina là sinh vật phiêu sinh (Plankton) sống tự do (free living organism) và sống quang dƣỡng bắt buộc. Chúng không thể sống trong môi trƣờng hoàn toàn không có ánh sáng. Do đó, môi trƣờng sống của Spirulina cần phải đảm bảo các chỉ tiêu về ánh sáng, nhiệt độ, độ pH… và cần đƣợc cung cấp đầy đủ các dƣỡng chất nhƣ: cacbon, nitơ, các chất khoáng đa lƣợng cũng nhƣ vi lƣợng (photpho, canxi, kali, sắt…). Tảo sinh trƣởng tốt nhất trong môi Võ Ngọc Hân 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN trƣờng kiềm giàu bicarbonat, giàu khoáng chất ở điều kiện pH= 8,5 – 9,5. Thông qua quá trình quang hợp, Spirulina đồng hóa carbon ở dạng vô cơ. Bên cạnh đó, chúng có khả năng cố định nitơ ở các dạng: NO3-, NH3, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, (NH2)2CO… nitơ đƣợc đồng hóa thành protein theo phản ứng khử nhờ enzyme nitrogenase xúc tác khi có ATP. Về vận động, vận tốc di chuyển của tảo có thể đạt 5 micron/ giây. Spirulina di chuyển theo hai cách: tự xoắn do chuyển hình dạng từ xoắn sang thẳng hay ngƣợc lại, hoặc tịnh tiến trong môi trƣờng nƣớc ở độ sâu 50 cm trong tự nhiên. Sự di chuyển này đƣợc thực hiện nhờ các không bào khí nhỏ (gas vesicle) hình trụ có đƣờng kính cỡ 70 nm và đƣợc cấu trúc từ các sợi protein bện lại. Ngoài ra, các lông ở sƣờn bên (fimbria) nằm quanh cơ thể có đƣờng kính 5 – 7 nm và dài 1 – 2 micron có vai trò nhƣ tay chèo hỗ trợ cho sự vận động của tảo. Về sinh sản, Spirulina sinh sản theo phƣơng thức vô tính từ một sợi tảo mẹ trƣởng thành. Trong thời kì sinh sản, tảo Spirulina nhạt màu và ít sắc tố xanh hơn bình thƣờng. Vòng đời tảo đơn giản, tƣơng đối ngắn với chu kỳ sinh sản đƣợc lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên. Trong điều kiện tối ƣu, vòng đời tảo khoảng 1 ngày, trong điều kiện tự nhiên là khoảng 3 – 5 ngày. Nguồn gốc phát triển [7, 8] Xuất hiện trên trái đất khoảng 3,5 tỷ năm về trƣớc, tảo Spirulina là một trong những dạng quang hợp đầu tiên của sự sống trên trái đất. Đó là thể sống duy nhất mà trải qua hàng trăm triệu năm trên trái đất vẫn không hề bị biến đổi nhờ vào một thành phần sinh hóa rất độc đáo – một tập hợp đƣợc cân bằng bởi chính tự nhiên gồm các vitamin, các khoáng chất và các acid amin đƣợc bọc trong một màng protein dễ hấp thụ. Từ thời cổ xƣa, tảo Spirulina đƣợc coi là của trời phú cho hai bộ tộc – Aztec, Mexico (Châu Mỹ) và Kanembu, Tchad (Châu Phi). Năm 1960, một số nhà khoa học Pháp sau khi sang Châu Phi tìm dầu hỏa, đã bất ngờ phát hiện ra bộ tộc Kanembu rất nghèo nhƣng ở đây già, trẻ bé lớn ai cũng khỏe mạnh, cƣờng tráng. Ngƣời ta tìm hiểu thì thấy ngƣời dân ở đây thƣờng vớt một thứ tảo trong một cái hồ đem về trộn với bột làm bánh ăn. Đó là món bánh Techuilatl (sau này đƣợc truyền bá sang châu Âu). Các nhà hóa dầu đã thuật lại câu chuyện đó cho các nhà y dƣợc. Sau khi đem về nghiên cứu, các nhà y dƣợc đã khẳng định ngay giá trị của nó. Công trình đầu tiên là của một ngƣời Bỉ, thu hút sự quan tâm đặc biệt của giới khoa học. Năm 1963, giáo sƣ Clement - ngƣời Pháp đã nghiên cứu thành công việc nuôi tảo Spirulina ở quy mô công nghiệp. Đến năm 1973, tổ chức Lƣơng nông quốc tế Võ Ngọc Hân 3 Chƣơng 1: TỔNG QUAN (FAO) và tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã chính thức công nhận Spirulina là nguồn thực phẩm lý tƣởng và là giải pháp trong việc phòng và điều trị bệnh cho con ngƣời ở thế kỷ 21. Theo số liệu của WHO, tảo Spirulina có thể giúp con ngƣời phòng chống ít nhất là 70% các loại bệnh. Từ năm 1980 đến nay, tảo Spirulina đã trở nên rất thông dụng trên toàn thế giới nhƣ là nguồn thực phẩm bổ sung rất tốt để chăm sóc và tăng cƣờng sức khỏe cho con ngƣời ở mọi lứa tuổi. 1.3 Thành phần hóa học của Spirulina [3, 4, 5, 6] Cho đến nay, Spirulina đƣợc xem là nguồn dinh dƣỡng hoàn hảo nhất đƣợc tìm thấy trong tự nhiên. Nó có đủ 3 loại dƣỡng chất thiết yếu cho cơ thể: protein, lipid, gluxit và khoảng 30 vi lƣợng và vitamin cần thiết. Nó đáp ứng khá hoàn hảo công thức chuẩn về thành phần protein – khoáng vi lƣợng – vitamin trong thực phẩm do FAO và WHO công bố. Tảo Spirulina platensis có hàm lƣợng protein rất cao (đạt từ 50-70% trọng lƣợng khô), cao hơn bất cứ loại thức ăn truyền thống nào ( thịt bò 22%, thịt gà 24%, sữa bò tƣơi 3,5%, ….). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đạm trong Spirulina hoàn toàn không có hại. Đó là một trong số rất ít những loại đạm (nếu không phải là duy nhất) không tạo ra màng nhầy và acid. Và cũng khác với các thực phẩm khác, đạm trong Spirulina rất dễ hấp thụ do các acid amin hầu nhƣ ở dạng tự do. Tỷ lệ hấp thụ đạm chứa trong Spirulina là hơn 90%. Bao gồm 18 loại acid amin khác nhau với 8 acid amin thiết yếu mà cơ thể không thể tự tổng hợp đƣợc. Tảo Spirulina platensis chứa nhiều loại vitamin bao gồm : A, B1, B2, B6, B12, PP, E. Đặc biệt, với hàm lƣợng B12 trong tảo cao hơn gấp đôi trong gan bò cùng với vitamin E và sự có mặt của acid linolenic có tác dụng chống sơ vữa động mạch, bảo vệ tế bào thần kinh và gan. Hàm lƣợng cao của Beta-caroten (gấp 10 lần trong củ cà rốt) là một chất chống oxy hóa lý tƣởng có tác dụng ngăn ngừa bệnh ung thƣ, chống sự lão hóa và hiệu quả ở những ngƣời có nguy cơ cao bệnh tim mạch, phòng và chữa bệnh khô mắt ( Xerothalmin ) ở trẻ em. Tảo Spirulina platensis còn chứa nhiều nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho hoạt động bình thƣờng của hệ thần kinh, hệ tim mạch và cho quá trình tạo máu nhƣ Fe, Ge… Chính vì thế, Spirulina đƣợc xem là một món quà độc đáo mà thiên nhiên ban tặng cho con ngƣời. Protein Carbohydrates Lipids Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của tảo Spirulina Võ Ngọc Hân Minerals Moisture 4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN Bảng 1.2 Thành phần dinh dƣỡng trong tảo Spirulina (The role of Parry Organic Spirulina in Health Management October 2010) Thành phần Amino Acids Alanine Arginine Aspartic acid Cystine Glutamic acid Glycine Histidine Isoleucine Leucine Lysine Methionine Phenyl Alanine Proline Serine Threonine Tryptophane Tyrosine Valin Phytopigments Total Carotenoids Beta Carotene Xanthophylls Zeaxanthin * Chlorophyll Phycocyanin - Hàm lƣợng Thành phần Hàm lƣợng g/100g 4,0 – 5,0 3,0 – 5,0 1,5 – 3,0 0,5 – 0,75 6,0 – 9,0 2,0 – 4,0 0,5 – 1,5 3,0 – 4,0 3,0 – 5,0 3,0 – 6,0 1,0 – 6,0 2,5 – 3,5 2,0 – 3,0 3,0 – 4,5 1,5 – 3,0 1,0 – 2,0 1,0 – 3,0 1,0 – 3,5 mg/100g 400 – 650 150 – 250 250 – 470 125 – 200 1300 – 1700 15000 - 19000 - Vitamins Vitamin B1 (Thiamine) Vitamin B2 (Riboflavin) Vitamin B3 (Niacin) Vitamin B6 (Pyridoxine) Vitamin B12 (Analogue) Folic acid Inositol Vitamin K Minerals Calcium Phosphorus Magnesium Iron Sodium Potassium Zinc Copper Manganese Chromium Selenium Fatty Acids Myristic acid Palmitic acid Stearic acid Oleic acid Linoleic acid Gamma – linolenic acid mg/100g 0,15 – 0,30 4,0 – 7,0 10,0 – 25,0 0,50 – 1,50 0,10 – 0,30 0,05 – 0,30 70 – 90 0,90 – 1,05 mg/100g 60 – 110 700 – 1000 200 – 300 25 – 40 700 – 1000 1000 – 1500 1,0 – 3,0 0,2 – 0,4 1,0 – 3,0 0,1 – 0,3 0,003 – 0,010 g/100g 0,01 – 0,03 2,0 – 2,5 0,01 – 0,05 0,10 – 0,20 0,75 – 1,20 1,00 – 1,50 Ghi chú: * Theo một số kết quả phân tích từ phòng thí nghiệm, Xanthophyll toàn phần có giá trị nhƣ Zeaxanthin. Toàn bộ Xanthophylls trong Spirulina gồm: Zeaxanthin, myxoxanthophyll, echininone, hydroxy - echininone và cryptoxanthin. Võ Ngọc Hân 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN Bảng 1.3: So sánh công thức chuẩn chế phẩm sinh học và tảo Spirulina (Lê Văn Lăng, 2009) Hoạt chất STT Chế phẩm dinh dƣỡng chuẩn 5 Tảo Spirulina RDA tỷ lệ đáp (tính cho 10 g ứng (%) tảo) 6,01 – 6,02 1g/kg trọng lƣợng cơ thể 14 mg 1,4 – 1,8 mg/1000 0 200IU/00 0 60 mg/00 0,35 mg 1,2 – 1,5 mg/35 0,40 mg 1,4 – 1,7 mg/>23 1,4 mg 16 -18 mg/>9 0,08 mg 1,6 – 2,1 mg/>7,4 1* Protein (g) 2* 3 4 5 6 7 8 Vita. A (µg) Vita. D (µg) Vita. C (mg) Vita. B1(mg) Vita. B2 (mg) Vita. B3 (mg) Vita. B6 (mg) 80 0,5 6 0,14 0,16 0,18 0,2 9 Vita. B9 (µg) 20 0,01 mg 0,4 mg/2,5 10 Vita. B12 (µg) 0,1 32 mg 3 – 4 µg/1000 11 Calcium (mg) 80 0,10 mg 1g/10 12 Magiesium (mg) 30 0,04 mg 0,2g/20 13 Sắt (Fe2+) (mg) 1,4 18 mg 18 mg/100 14 Kẽm (Zn2+) (mg) 1,5 0,3 mg 10 mg/3 15 Iod (µg) 15 0 0,1 – 0,15 mg/00 16* Đồng (Cu2+) - 0,12 mg 2,5 mg/5 17* Selen - - - 18* Carbohydrate - 1,54 1300Kcal/0,5 19* Lipid (chất béo) - 0,38 200 Kcal/1,7 20* Tổng năng lƣợng (Kcal) - 2000 – 2500/ 1,68 Ghi chú Chế phẩm dinh dƣỡng chuẩn: theo Ntrient reference values of International Standardization, trong codex guidelina on nutrition labeling. R.D.A: theo U.S National Research Council – 1989 Tỷ lệ đáp ứng RDA (%) tính cho 10g tảo Spirulina (khô). 1*: FAO/WHO đã chỉ định lƣợng protein là 5 g. 2*: FAO/WHO không đƣa ra lƣợng cụ thể, tùy nhu cầu mà ngƣời thiết kế dinh dƣỡng có thể ấn định. 16* , 17*, 18*,19*,20*: Tổng năng lƣợng (Kcal) cho một ngƣời bình thƣờng tùy dân tộc cân nặng và trạng thái vận động… Võ Ngọc Hân 6