Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu quy trình sản xuất sinh khối spirulina platensis trên môi trường nước...

Tài liệu Nghiên cứu quy trình sản xuất sinh khối spirulina platensis trên môi trường nước biển

.PDF
114
43
97

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC & CNTP  ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT SINH KHỐI SPIRULINA PLATENSIS TRÊN MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN PHẠM THỊ KIM NGỌC Vũng Tàu, tháng 03 năm 2013 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Hóa học & CNTP, bộ môn Công nghệ Thực phẩm Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ trang thiết bị, máy móc, vật tư, phòng thí nghiệm giúp tôi hoàn thành đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Ngô Kế Sương, người đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Thị Minh Nguyệt, sinh viên Lê Thị Khánh và các bạn đồng nghiệp trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian nghiên cứu. Vũng Tàu, tháng 08 năm 2013 Tác giả Phạm Thị Kim Ngọc ii TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành khảo sát các tính chất hóa lý cơ bản của nguồn nước biển tại bãi biển Thủy Tiên, vùng biển tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu từ đó dùng nước biển này để làm môi trường nuôi Spirulina platensis. Tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của Spirulina platensis trên môi trường nước biển vừa khảo sát. Chúng tôi tiến hành khảo sát và tối ưu 2 nhóm yếu tố: điều kiện nuôi cấy và thành phần dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy. Kết quả như sau: - Xác định được phương trình hồi quy thể hiện ảnh hưởng của điều kiện nuôi đến khối lượng sinh khối thu được: Y1= 0,9624 + 0,0636x1 + 0,0424x2 - 0,0772x3 + 0,039x1x2 + 0,025x1x3 + 0,038x2x3 x1, x2 và x3 lần lượt là mã hóa của 3 yếu tố tỉ lệ giống cấy ban đầu, tỉ lệ giữa nước biển và nước cất sử dụng, pH môi trường - Xác định được phương trình hồi quy thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng các chất dinh dưỡng bổ sung đến khối lượng sinh khối thu được: Y2= 1,1344 + 0,0032x1 + 0,0061x2 – 0,0013x3 x1, x2 và x3 lần lượt là mã hóa của 3 yếu tố hàm lượng NaHCO3, NaNO3 và Phospho bổ sung - Các điều kiện nuôi tối ưu được xác định là: Mật độ giống cấy ban đầu: 0,35 g/l Tỉ lệ nước biển sử dụng: 29% pH môi trường: 8,5 Hàm lượng NaHCO3 bổ sung: 17 g/l Hàm lượng NaNO3 bổ sung: 3,0 g/l Hàm lượng phospho bổ sung: 70 mg/l - Đồng thời đề tài cũng tiến hành so sánh và nhận thấy sinh khối thu được khi nuôi trong điều kiện nuôi tối ưu trên môi trường nước biển có hàm lượng protein cao hơn khi nuôi trên môi trường Zarrouk. iii MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn ............................................................................................................ i Tóm tắt .................................................................................................................. ii Mục lục ................................................................................................................. iii Danh mục hình ...................................................................................................... vi Danh mục bảng........................................................................................................viii Lời mở đầu ............................................................................................................ 1 Chương 1. Tổng quan tài liệu ............................................................................ 2 1.1 Giới thiệu về Spirulina ................................................................................................ 2 1.2 Phân loại học .................................................................................................. 3 1.3 Phân bố .......................................................................................................... 4 1.4 Đặc điểm sinh học ......................................................................................... 4 1.4.1 Đặc điểm hình thái ............................................................................... 4 1.4.2 Đặc điểm cấu tạo ................................................................................. 5 1.4.3 Đặc điểm sinh sản ................................................................................ 7 1.4.4 Đặc điểm sinh hóa .............................................................................. 8 1.5 Giá trị dinh dưỡng ........................................................................................ 10 1.6 Nuôi trồng Spirulina ...................................................................................... 19 1.7 Các nghiên cứu về Spirulina đã công bố ....................................................... 25 1.8 Tổng quan về thành phần hóa học nước biển................................................. 26 Chương 2. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu .................................. 29 2.1 Nguyên vật liệu .............................................................................................. 29 2.1.1 Nguyên liệu ............................................................................................. 29 2.1.2 Hóa chất .................................................................................................. 29 2.1.3 Dụng cụ, thiết bị ..................................................................................... 30 2.2 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 31 2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu ......................................................................................... 31 2.2.2 Các phương pháp phân tích nước biển ........................................................ 32 iv 2.2.2.1 Xác định pH ........................................................................................ 32 2.2.2.2 Phương pháp xác định độ muối của nước biển ..................................... 32 2.2.2.3 Phương pháp phân tích hàm lượng HCO3- và CO32- trong nước biển .... 33 2.2.2.4 Phương pháp phân tích hàm lượng nitrat có trong nước biển ................ 33 2.2.2.5 Phương pháp phân tích hàm lượng phosphate có trong nước biển ......... 35 2.2.2.6 Phân tích hàm lượng các kim loại nặng ................................................ 36 2.2.3 Phương pháp giữ giống, nhân giống và xác định thời gian thu sinh khối ... 36 2.2.4 Phương pháp tối ưu hóa môi trường nuôi Spirulina platensis .................... 39 2.2.4.1 Tối ưu các điều kiện nuôi cấy cho quá trình nuôi cấy Spirulina platensis trên môi trường nước biển .................................................... 39 2.2.4.2 Tối ưu hàm lượng các chất dinh dưỡng cần bổ sung cho quá trình nuôi cấy Spirulina platensis trên môi trường nước biển ....................... 41 2.2.4.3 Xây dựng đường chuẩn mối liên hệ giữa hàm lượng sinh khối Spirulina platensis và OD420 ................................................................................ 43 2.2.4.4 Phương pháp xác định hàm lượng sinh khối tảo khô ........................... 44 2.2.4.5 Phương pháp xác định năng suất sinh khối ......................................... 45 2.2.5 Các phương pháp phân tích chất lượng sinh khối thu được ....................... 45 2.2.5.1 Xác định hàm lượng protein thô theo TCVN 4328:2001 .................... 45 2.2.5.2 Xác định hàm lượng lipid tổng bằng phương pháp Soxhlet ................. 47 2.2.5.3 Phương pháp phân tích hàm lượng chất vô cơ .................................... 48 2.2.5.4 Xác định hàm lượng carotene .............................................................. 49 2.2.5.5 Phương pháp xác định hàm lượng diệp lục tố ...................................... 50 2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu .......................................................................... 50 Chương 3. Kết quả - Thảo luận ......................................................................... 51 3.1 Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa lý cơ bản của nước biển ............................. 51 3.2 Kết quả quan sát hình thái Spirulina platensis dưới kính hiển vi ..................... 52 3.3 Kết quả các thí nghiệm tìm tâm cho bài toán tối ưu điều kiện nuôi cấy ............ 52 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nước biển sử dụng đến khối lượng sinh khối Spirulina platensis thu được và năng suất tạo sinh khối.......................... 52 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu đến khối v lượng sinh khối Spirulina platensis thu được và năng suất tạo sinh khối................ 55 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường đến khối lượng sinh khối Spirulina platensis thu được ................................................................................. 57 3.4 Tối ưu toàn phần các yếu tố điều kiện nuôi ..................................................... 59 3.4.1 Xác định phương trình hồi quy ................................................................ 59 3.4.2 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy ................................ 61 3.4.3 Xác định điểm tối ưu .............................................................................. 62 3.4.4 Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của các điều kiện nuôi đến khối lượng sinh khối thu được ................................................................ 62 3.5 Kết quả các thí nghiệm tìm tâm cho bài toán tối ưu thành phần dinh dưỡng bổ sung .............................................................................................. 63 3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaHCO3 bổ sung ............................. 63 3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaNO3 bổ sung ............................... 65 3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Phospho bổ sung ............................. 67 3.6 Tối ưu toàn phần các yếu tố dinh dưỡng bổ sung ............................................ 69 3.6.1 Xác định phương trình hồi quy ................................................................ 69 3.6.2 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy ................................ 71 3.6.3 Xác định điểm tối ưu .............................................................................. 71 3.6.4 Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng các chất dinh dưỡng bổ sung đến lượng sinh khối thu được ........................................ 72 3.7 Làm thực nghiệm đối chứng và so sánh khi nuôi Spirulina platensis trên môi trường Zarrouk và trên môi trường nước biển trong điều kiện tối ưu ...... 72 Chương 4. Kết luận – Đề nghị ............................................................................ 77 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 80 Phụ lục vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Lát cắt thành tế bào Spirulina platensis ................................................ 6 Hình 1.2: Mô hình sắp xếp vách tế bào Spirulina platensis .................................. 6 Hình 1.3: Chu trình Calvin .................................................................................. 10 Hình 1.4: Nuôi Spirulina theo hệ thống hở ........................................................... 23 Hình 1.5: Nuôi Spirulina theo hệ thống kín ........................................................... 24 Hình 1.6: Thu hoạch Spirulina ........................................................................ 24 Hình 2.1: Giống Spirulina platensis....................................................................... 30 Hình 2.2: Sơ đồ nghiên cứu ................................................................................... 31 Hình 2.3: Mô hình nhân giống trong phòng thí nghiệm.......................................... 37 Hình 2.4. Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis khi nuôi trong thau nhựa ..................................................................................................... 38 Hình 2.5: Spirulina platensis sau 10 ngày nuôi .................................................... 38 Hình 2.6: Quy trình nuôi Spirulina platensis trong phòng thí nghiệm .................... 39 Hình 2.7: Đường chuẩn mối quan hệ OD420 và hàm lượng sinh khối khô ........... 44 Hình 3.1: Hình dạng Spirulina platensis ................................................................ 51 Hình 3.2: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các tỉ lệ nước biển sử dụng khác nhau................................................................................. 54 Hình 3.3: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các mật độ giống cấy ban đầu khác nhau ................................................................................. 56 Hình 3.4: Spirulina sau 8 ngày nuôi ở các pH khác nhau ....................................... 57 Hình 3.5: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các pH môi trường khác nhau ............................................................................................ 58 Hình 3.6: Spirulina platensis sau 8 ngày nuôi của thí nghiệm tối ưu các yếu tố điều kiện nuôi ....................................................................................... 60 Hình 3.7: Mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu và tỉ lệ nước biển sử dụng so với nước cất đến khối lượng sinh khối thu được ...... 63 Hình 3.8: Spirulina sau khi nuôi ở các hàm lượng NaHCO3 khác nhau .................. 64 vii Hình 3.9: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các hàm lượng NaHCO3 bổ sung khác nhau .................................................................................. 65 Hình 3.10: Spirulina sau khi nuôi ở các hàm lượng NaNO3 khác nhau .................. 66 Hình 3.11: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các hàm lượng NaNO3 bổ sung khác nhau ..................................................................................... 67 Hình 3.12: Spirulina sau khi nuôi ở các hàm lượng phospho khác nhau................. 68 Hình 3.13: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis ở các hàm lượng phospho bổ sung khác nhau ................................................................................... 69 Hình 3.14: Mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng phospho và NaNO3 bổ sung đến lượng sinh khối thu được khi lượng NaHCO3 bổ sung là 17 g/l .............. 72 Hình 3.15: Đường cong sinh trưởng của Spirulina platensis khi nuôi trên môi trường nước biển trong điều kiện tối ưu và môi trường Zarrouk ............................ 74 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần acid amin trong Spirulina ................................................. 12 Bảng 1.2: Thành phần các acid béo trong Spirulina ............................................. 13 Bảng 1.3: Hàm lượng sắc tố tự nhiên trong sinh khối Spirulina platensis ........... 15 Bảng 1.4: Hàm lượng acid nucleic trong một số thực phẩm ................................ 16 Bảng 1.5: Thành phần các vitamin trong Spirulina .............................................. 17 Bảng 1.6: Thành phần các khoáng trong Spirulina .............................................. 18 Bảng 1.7: Các nguyên tố hóa học có trong nước biển ......................................... 27 Bảng 2.1: Mức khảo sát của mật độ giống cấy ban đầu, pH môi trường, tỉ lệ giữa nước biển và nước cất sử dụng để tìm thí nghiệm tại tâm .................................... 39 Bảng 2.2: Ma trận quy hoạch thực nghiệm tối ưu 3 yếu tố .................................... 39 Bảng 2.3: Mức biến thiên của các yếu tố điều kiện nuôi cấy ............................... 41 Bảng 2.4: Mức khảo sát của hàm lượng NaHCO3, NaNO3 và Phospho bổ sung để tìm thí nghiệm tại tâm........................................................................................... 42 Bảng 2.5: Mức biến thiên của các yếu tố điều kiện nuôi cấy ............................... 42 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của lượng nước biển sử dụng tới khối lượng sinh khối ....... 53 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu tới khối lượng sinh khối thu được và năng suất sinh khối............................................ 55 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH môi trường tới khối lượng sinh khối thu được ......... 58 Bảng 3.4 Khối lượng sinh khối Spirulina platensis thu được từ thực nghiệm tối ưu điều kiện nuôi cấy ................................................................................................. 60 Bảng 3.5 Các hằng số bj tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu điều kiện nuôi cấy ................................................................................................. 61 Bảng 3.6 Các hệ số hồi quy tj tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu điều kiện nuôi cấy................................................................................................................. 61 Bảng 3.7 Các phương sai và F tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu điều kiện nuôi cấy................................................................................................................. 62 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của hàm lượng NaHCO3 bổ sung tới khối lượng sinh khối .. 64 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của hàm lượng NaNO3 bổ sung tới khối lượng sinh khối .... 66 ix Bảng 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng phospho bổ sung tới khối lượng sinh khối thu được ................................................................................................................ 69 Bảng 3.11: Khối lượng sinh khối Spirulina platensis thu được từ thực nghiệm tối ưu hàm lượng các chất dinh dưỡng bổ sung ................................................................ 70 Bảng 3.12: Các hằng số bj tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu hàm lượng các chất dinh dưỡng bổ sung........................................................................................ 71 Bảng 3.13: Các hệ số hồi quy tj tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu hàm lượng các chất dinh dưỡng bổ sung ................................................................................. 71 Bảng 3.14: Các phương sai và F tính theo các số liệu thực nghiệm tối ưu điều kiện nuôi cấy................................................................................................................. 71 Bảng 3.15: Khối lượng sinh khối thu được khi nuôi đối chứng giữa môi trường nước biển trong điều kiện tối ưu và môi trường Zarrouk ........................................ 74 Bảng 3.16: Khối lượng sinh khối theo ngày nuôi khi nuôi trên môi trường nước biển trong điều kiện tối ưu và môi trường Zarrouk ....................................................... 74 Bảng 3.17: Thành phần hóa học của sinh khối Spirulina platensis khi nuôi trên môi trường nước biển trong điều kiện tối ưu và môi trường Zarrouk ............................ 75 1 MỞ ĐẦU Spirulina đã được biết đến từ rất lâu, tuy nhiên giá trị dinh dưỡng của chúng chỉ mới được phát hiện cách đây hơn 40 năm. Các nghiên cứu cho thấy rằng Spirulina là một nguồn dinh dưỡng hoàn hảo với hàm lượng protein rất cao và cân đối. Ngoài ra nó còn là nguồn cung cấp vitamin, khoáng và các chất chống oxi hóa cần thiết. Với giá trị dinh dưỡng đó, Spirulina được xem như là một thực phẩm hoàn hảo món quà quý của thiên nhiên ban tặng cho con người. Ngày nay, Spirulina được chọn là thực phẩm chức năng lý tưởng cho con người. Những nghiên cứu gần đây còn cho thấy dịch chiết từ sinh khối Spirulina có khả năng ức chế tăng trưởng của một số loài virus gây bệnh hiểm nghèo ở người. Với nguồn nuôi tự nhiên, trên thế giới tập trung vào những nơi ao hồ tự nhiên có độ kiềm cao hoặc bổ sung muối khoáng vào môi trường nhân tạo để nuôi trồng, sản xuất sinh khối Spirulina, do vậy không thể đáp ứng đủ nhu cầu. Việt Nam với đặc điểm địa lý có bờ biển dài, nước biển có độ pH kiềm cùng với thành phần khoáng sẳn có nên có thể sử dụng để nuôi trồng Spirulina với mục tiêu là giảm đầu tư nguyên liệu hóa chất đầu vào, nhờ đó sẽ giảm được chi phí. Với ý tưởng đó, tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu quy trình sản xuất sinh khối Spirulina platensis trên môi trường nước biển.  Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Xác định các chỉ tiêu hóa lý cơ bản của nước biển. - Tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường nuôi Spirulina platensis trên nước biển tại vùng biển tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. - Đánh giá chất lượng sinh khối Spirulina platensis thu được. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về Spirulina [5, 13, 7, 16, 19] Spirulina là vi sinh vật cổ đã từng xuất hiện từ cách đây khoảng 3,5 tỷ năm. Chúng có lịch sử lâu đời hơn tảo nhân thật hoặc thực vật bậc cao tới hơn 1 tỷ năm. Với sự phát triển của khoa học công nghệ và cuộc cách mạng xanh, Bernal Díaz del Castillo, một thành viên của nhóm Hernán Cortez, đã nuôi trồng thành công loài Spirulina maxima ở hồ Texcoco, thu sản phẩm khô và bán cho người sử dụng ở chợ Tenochtitlán (nay thuộc thành phố Mexico). Dân bản địa đã đặt tên cho sản phẩm này là Tecuitlalt. Vào năm 1827, dựa trên hình thái đặc trưng nhất là dạng sợi xoắn ốc với khoảng 5 - 7 vòng đều nhau không phân nhánh, nhà tảo học người Đức - Deurben đã đặt ra tên gọi Spirulina (gốc từ Latin và Anh ngữ “Spiral” có nghĩa là “xoắn”). Năm 1940, một báo cáo khoa học của nhà thực vật học người Pháp - Dangeard về một loại nguyên liệu là “Dihé” được người Kanembu sống gần hồ Tchad sử dụng làm thức ăn. Tuy nhiên, bài báo này không được chú ý đến. Vào năm 1960, tiến sĩ Clement - người Pháp, tình cờ phát hiện loài này khi đến hồ Tchad ở Trung Phi. Khi Clement tìm hiểu về thức ăn của những thổ dân, 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 “Dihé” chính là sinh khối Spirulina. Năm 1967, Spirulina được đánh giá là “wonderful furture food soure” tại hội nghị quốc tế về ứng dụng vi sinh vật. Những phân tích ban đầu cho thấy protein chiếm 60-70% trọng lượng khô của Spirulina, protein này có hàm lượng acid amin thiết yếu cân đối. Từ những kết quả trên, nhiều kế hoạch nghiên cứu cho mục đích công nghiệp đã được thực hiện. 3 Cũng thời gian trên, Institut francais du pétrole thực hiện một luận án nghiên cứu cụ thể và có hệ thống về loài tảo tươi xuất hiện trong bể bốc hơi của cơ sở sản xuất sodium bicarbonat thuộc công ty Sosa-texcoco Ltd, công việc nghiên cứu này được thực hiện bởi Zarrouk. Những kết quả nghiên cứu đạt được là cơ sở cho đánh giá ban đầu về nuôi Spirulina ở quy mô lớn. Kể từ năm 1970, những nghiên cứu về dinh dưỡng của Spirulina đã tăng lên nhanh chóng. Spirulina đã được biết đến và sử dụng rộng rãi như một thành phần bổ sung trong chế độ ăn uống ở một số nước. Tại Hoa Kỳ, NASA đã chọn nó như nguồn thực phẩm cần thiết cho các phi hành gia trong không gian. Năm 1973, FAO và WHO đã chính thức công nhận Spirulina là nguồn dinh dưỡng và dược liệu quý, đặc biệt trong chống suy dinh dưỡng và chống lão hóa. Cho đến nay, rất nhiều nước trên thế giới sản xuất và sử dụng sinh khối Spirulina làm thực phẩm cho người. Nhiều tổ chức sức khỏe, tổ chức xã hội ở nhiều nước trên thế giới công nhận Spirulina là thức ăn bổ dưỡng và là thực phẩm của tương lai. 1.2 Phân loại học [24, 4, 6, 23, 18] Năm 1852, việc phân loại học đầu tiên được thực hiện bởi Stizenberger. Ông đưa ra tên loài mới là Arthrospira dựa vào cấu trúc vách ngăn, đa bào, dạng xoắn. Năm 1892, Gomont một lần nữa khẳng định lại những nghiên cứu của Stizenberger, đồng thời bổ sung thêm loài không có vách ngăn là Spirulina. Nhưng trong các hoạt động nghiên cứu, Arthrospira thường được gọi là Spirulina, do đó tên gọi Spirulina được sử dụng phổ biến cho đến nay. Năm 1962, Spirulina chính thức được xếp vào giới prokaryote. Chúng có cấu trúc nhân nhưng chưa có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân, không có lưới nội sinh chất, ty thể, thể golgi, lạp thể và chúng tự dưỡng nhờ có diệp lục tố a, b và các sắc tố phụ. Spirulina thuộc loại vi khuẩn đa bào, trong đó có khoảng 36 loài con người có thể sử dụng được và hai loài quan trọng nhất là S. maxima hay S. geitleri có nguồn gốc từ Châu Phi và S. Platensis có nguồn gốc từ Nam Mỹ. Ở Việt Nam, giống được nghiên cứu đầu tiên, lưu giữ ở Viện sinh vật học là S. platensis do Pháp cung cấp. 4 Loài Spirulina platensis thuộc: Ngành: Cyanophyta Lớp: Cyanophyceae Bộ: Oscillatoriales Họ: Oscillatoriaceae Giống: Spirulina 1.3 Phân bố [5, 13] Spirulina được tìm thấy ở đất, đầm lầy, ao, hồ, sông, biển. Chúng sống đơn độc hay kết thành đám trên mặt nước. Môi trường có độ kiềm cao rất thích hợp cho việc sản xuất Spirulina, nhất là những nơi nhiều ánh sáng mặt trời, vùng cao so với mực nước biển và có khí hậu nhiệt đới. Ngoài ra, chúng có thể sống ở môi trường độc hại như nước thải hay nước ô nhiễm. Chúng sinh sống trong môi trường có độ mặn và kiềm khá cao do đó các loài vi sinh vật khác khó có thể sống chung. Do đặc tính của chúng là sinh vật quang hợp vì thế chúng sống thích hợp ở những nơi có nhiều ánh sáng và nhiệt độ khá cao. Về địa lý, Spirulina được tìm thấy ở phạm vi rất rộng: châu Phi (Ethiopia, Kenya, Nam Phi, Ai Cập), châu Mỹ (Hoa Kỳ, Peru, Mehico), châu Á (Ấn Độ, Việt Nam), châu Âu (Nga, Ukraina, Hungary). Từng vùng lại có những loài, giống Spirulina khác nhau, hoặc một loài như Spirulina platensis lại được tìm thấy ở nhiều nước có khi rất xa nhau. Sự phân bố này có thể do chọn lọc tự nhiên, do con người chủ động di thực nuôi trồng, cũng có thể do được di thực theo một số loài chim di trú mà loài hồng lạc (Phoenicoraiasmiror) thường ăn Spirulina ở châu Mỹ là ví dụ điển hình. 1.4 Đặc điểm sinh học 1.4.1 Đặc điểm hình thái [23, 3] Trong các hồ tự nhiên hay nhân tạo có Spirulina sinh sống thì với mắt thường có thể nhận thấy nước có màu xanh lục hay xanh lam. Hình dạng của Spirulina chỉ thấy rõ khi quan sát dưới kính hiển vi. Đó là những sợi có màu xanh, xoắn kiểu lò xo, với các vòng xoắn khá đều nhau, số 5 vòng xoắn lớn nhất là 6 đến 8 vòng. Đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm, bước xoắn 60 µm, chiều dài thay đổi có thể đạt 250 µm. Spirulina là m ộ t loài trong họ Phormidiaceae, nghĩa là chúng có khả năng di chuyển tiến về phía trước hoặc phía sau. Di chuyển này được thực hiện bởi các lông ở sườn bên cơ thể chính là các sợi có đường kính 5-7 nm và dài 1-2 µm nằm quanh cơ thể. Các lông này hoạt động như tay chèo giúp cho chúng chuyển động. Tùy điều kiện môi trường mà hình dạng Spirulina có thể xoắn kiểu chữ C, S... Sợi Spirulina không phân nhánh, không có bao và không có dị bào. Các dạng này có chiều dài rất thay đổi, ngay trong một dạng, chiều dài mỗi sợi cũng khác nhau. Dạng xoắn thường giữ được trong phòng nghiên cứu, sang môi trường nuôi đại trà, nó thường biến thành dạng thẳng. 1.4.2 Đặc điểm cấu tạo 1.4.2.1 Thành tế bào [16] Bên ngoài Spirulina được bao bởi thành tế bào, không có màng nhầy như những loài vi khuẩn khác. Thành tế bào Spirulina dưới kính hiển vi điện tử có cấu tạo gồm 4 lớp (hình 1.1) từ lớp L-I đến L-IV. Lớp L-I và L-III chứa vật liệu dạng sợi. Lớp L-II chứa peptidoglycan, chất này giữa cho thành tế bào cứng chắc. Lớp L-IV được sắp xếp chạy theo chiều dọc của trục sợi Spirulina. Hình 1.1 cũng cho thấy một vách ngăn đang hình thành, vách ngăn này gồm lớp L-II kẹp giữa hai lớp L-I, có thể hình dung như hình 1.2. Lớp L-I và L-III có chức năng vận chuyển điện tử. Độ dày của mỗi lớp từ 1015 nm, độ dày của toàn bộ thành khoảng 60 nm. Ba lớp L-II, L-III và L-IV có độ dày bằng nhau, L-I có độ dày lớn hơn. Cấu trúc 4 lớp theo chiều dọc thành tế bào và vách ngăn có 3 lớp rất phù hợp với những nghiên cứu của Jost (1965), Halfen và Castenholz (1971) ở họ Oscillatoriceae. 6 Hình 1.1: Lát cắt thành tế bào Spirulina platensis Hình 1.2: Mô hình sắp xếp vách tế bào Spirulina platensis 1.4.2.2 Chất nguyên sinh [24, 4] Chất nguyên sinh được phân biệt thành hai phần: - Phần ngoài tập trung các phiến mỏng quang hợp (lamen), ribosome và các thể hạt. Các bào nang có cấu trúc từ các sợi nhỏ và bao quanh là một lớp sợi khác bảo vệ cho chúng. - Phần trong chứa chất nhân (nucleoprotein). 7 Ranh giới giữa hai phần không rõ ràng chỉ nhận ra khi dùng phẩm Feulgen nhuộm trung bào chất chứa chất nhân. Các chất màu phân bố trên các lamen ở phần ngoài nên phần này có màu. Spirulina không có lục lạp và được thay thế bằng các thylakoid phân bố đều trong toàn bộ tế bào. Trong Spirulina có chứa chlorophyll, carotene, phycocyanin và phycobilisome. Đây là những chất tạo nên sắc tố xanh của Spirulina, các chất này được dẫn vào trong hệ thống thylakoid hoặc hệ thống quang hợp. Mặc dù không có ty thể nhưng Spirulina có hạt cyanophysin là nơi xảy ra quá trình hô hấp của tế bào. Spirulina chứa nhiều tổ chức ngoại vi kết hợp với thylakoid, chúng là các hạt cyanophycin, hạt polyglucan, hạt lipid và các hạt polyphosphate. Carboxysome có chứa thành phần chính là enzyme ribulose 1,5-diphosphate carboxylase cho phép cố định CO2 trong hệ thống quang hợp để tạo ra các hạt dự trữ. Các hạt polyglucan, glycogen hoặc α-granule là các polymer glucose. Các hạt lipid, β–granule hoặc hạt osmophile cấu tạo bằng các poly–β– hydroxybutyrate, chỉ tìm thấy ở trong các tế bào prokaryote, chúng được coi như là những chất dự trữ năng lượng. Chất dự trữ của tế bào là glycogen, volutin, không có tinh bột. Ngoài ra, Spirulina có khả năng tạo ra các không bào chứa khí (gas vehicle) có đường kính khoảng 70 nm, được cấu tạo từ protein. Các không bào này có chức năng giống như bóng khí của loài cá, giúp cho Spirulina có thể nổi lên để nhận ánh sáng thực hiện quá trình quang hợp. 1.4.3 Đặc điểm sinh sản [4] Spirulina sinh sản theo hình thức tảo đoạn. Tảo đoạn là những đoạn tảo được hình thành từ cơ thể mẹ, có kích thước khác nhau, từ 2, 3 tế bào đến nhiều hơn, có khả năng chuyển động tích cực nhờ trượt trên giá thể do tiết ra chất nhầy. Spirulina đứt ra nhiều đoạn ngắn, cử động được (trượt), rời cơ thể mẹ và mọc thành sợi khác. Nhờ cử động trượt mà tảo đoạn lan truyền rất xa. Cơ quan làm gãy và làm rời tảo đoạn ấy là: 8 - Gian bào (disjoncteur): một hay hai tế bào gần nhau hóa nhầy, tế bào bên cạnh nhờ vậy tách ra dễ dàng, phát triển thành cơ thể mới. - Hoại bào (nescridie): tế bào trở nên vàng và vách ngăn của chúng lõm xuống. Tế bào ấy dần dần tan đi và giúp cơ thể tách thành 2 đoạn rời nhau. Theo Boussiba (1989) các đoạn tảo con, sau khi tách rời nhau, trượt khỏi cơ thể mẹ bắt đầu gia tăng bởi sự phân chia tế bào. Qua quá trình này, các sợi kéo dài tới mức trưởng thành và có dạng xoắn kiểu mẫu. Vòng đời của Spirulina đơn giản, chúng phát triển trong điều kiện tối ưu thì 1 ngày còn trong điều kiện tự nhiên thì từ 3 đến 5 ngày. 1.4.4 Đặc điểm sinh hóa [4] Spirulina thuộc nhóm vi khuẩn lam, có khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp là chất diệp lục a. Quá trình quang hợp của Spirulina là quá trình phosphoryl hóa quang hợp phi tuần hoàn có giải phóng oxi như ở cây xanh. 1.4.4.1 Quá trình oxi hóa sinh học sinh năng lượng Quá trình oxi hóa sinh học gồm 3 giai đoạn: mất, chuyển và tiếp nhận hidro. Các phản ứng phosphoryl hóa xảy ra trong quá trình này giúp tạo ra ATP, nguồn năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống.  Các sắc tố tham gia vào quá trình oxi hóa sinh học Quá trình phosphoryl được bắt đầu với sự hấp thu ánh sáng nhờ vào sự hiện diện của các sắt tố có mặt: chlorophyll, phycocyanin và carotenoid. Số lượng sắc tố sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp thu ánh sáng. Trong số đó chlorophyll đóng vai trò chủ yếu. Chlorophyll tồn tại chủ yếu ở dạng chlorophyll a có công thức phân tử C55 H72 O4N4 Mg.  Nơi xảy ra quá trình oxi hóa sinh học Quá trình oxi hóa sinh học sinh năng lượng của vi khuẩn lam được xảy ra ở thykaloid. Chúng có số lượng rất nhiều, dạng bản xếp song song hay có dạng uốn khúc nằm gần màng tế bào chất. Trên màng của thykaloid có chứa các chlorophyll-a, beta-caroten và các thành phần có liên quan đến chuỗi chuyển 9 điện tử trong quang hợp. Trên mặt ngoài của thykaloid có chứa phycobilixom (một cấu trúc protein có dạng đĩa cấu tạo với 75% phycocyanin, 12% phycoeritrin, 13% allophycocyanin). Sự hiện diện của phycobilixom và sự vắng mặt của chlorophyll-b là đặc trưng của vi khuẩn lam.  Cơ chế Phosphoryl hóa quang hợp xảy ra trong điều kiện có oxi và có 2 hệ thống quang hợp. Hệ thống quang hợp I có chứa chlorophyll a sử dụng tia sáng có bước sóng ngắn, hệ thống II có chứa chlorophyll b sử dụng được tia sáng có bước sóng dài. Hệ thống quang hợp I sinh NADPH2 và ATP, hệ thống II sinh oxi và ATP. 1.4.4.2 Quá trình cố định CO 2 - sinh tổng hợp các chất Năng lượng thu được từ các quá trình oxi hóa sinh học chủ yếu được dùng để cố định CO2. Ở vi khuẩn lam, quá trình này chủ yếu thực hiện theo chu trình Calvin. Có thể chia chu trình Calvin thành 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1: phản ứng carboxyl hóa. 3 phân tử ribulose-1,5-biphosphate cố định 3 phân tử CO2 tạo 6 phân tử glycerate-3-phosphate nhờ enzyme phosphorribulokinase. - Giai đoạn 2: phản ứng khử. Sau phản ứng carboxyl hóa lập tức xảy ra phản ứng khử nhóm carboxyl trên glycerate-3-phosphate thành nhóm aldehyde. - Giai đoạn 3: tái sinh thể nhận CO2. Trong chu trình Calvin, ngoài việc hình thành phân tử glucose từ glyceraldehyde-3-phosphate thông qua con đường EMP còn có việc hình thành 3 phân tử ribulose-1,5-biphosphate để tiếp tục lặp lại quá trình. Như vậy, để sản sinh 1 phân tử glucose theo chu trình Calvin có thể có công thức chung như sau: 6CO2 + 12NADP(P)H2 + 18ATP C6H12 O6 + 12NADP + 18ADP + 18P ν 10 Hình 1.3: Chu trình Calvin 1.5 Giá trị dinh dưỡng [23, 18] Sự hiểu biết về giá trị dinh dưỡng của Spirulina trở nên quan trọng hơn vì quy trình sản xuất loài vi sinh vật này thực sự thích hợp với điều kiện khí hậu và kinh tế của những vùng thiếu hụt dinh dưỡng phổ biến. Những nghiên cứu cho thấy Spirulina là nguồn dinh dưỡng hoàn hảo cho con người với đặc điểm nổi bật là hàm lượng protein rất cao, cung cấp đầy đủ các acid amin thiết yếu, hàm lượng β–carotene cao hơn gấp nhiều lần so với các thực phẩm khác. Spirulina là nguồn thức ăn tốt nhất chứa acid gamma linolenic (GLA), giàu vitamin B, khoáng chất, nguyên tố vi lượng, chlorophyl và các enzyme.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan