Tải bản đầy đủ

NGHIÊN cứu QUY TRÌNH sản XUẤT SINH KHỐI SPIRULINA PLATENSIS TRÊN môi TRƯỜNG nước BIỂN

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
C55H72O4N4 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 CO2 - 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

C6H12O6 + 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.


11

1.5.1 Protein
Hàm lượng protein trong Spirulina chiếm 50-70% khối lượng chất khô. Hàm
lượng protein này thấp hơn 5-10% tùy vào thời gian thu hoạch và môi trường
sống. Giá trị cao nhất thường đạt được khi thu hoạch vào buổi sáng sớm của ngày
nắng.
Hàm lượng protein trong Spirulina cao hơn bất kì một loại thực phẩm nào
khác: thịt động vật và cá tươi (15-25% khối lượng tươi), đậu nành (35% khối
lượng khô), sữa bột (35% khối lượng khô), trứng (12% khối lượng tươi), đậu
phộng (25% khối lượng khô).
Theo quan điểm chất lượng thì protein của Spirulina là hoàn hảo vì sự hiện
diện đầy đủ và cân đối của tất cả các acid amin thiết yếu và không thiết yếu.
Thành phần của các acid min này được thể hiện trong bảng 1.1.
Theo Sasson (1997), 18 giờ sau khi ăn, hơn 85% lượng protein trong Spirulina
được tiêu hóa. Giá trị NPU (net protein utilisation – lượng protein thực được sử
dụng) của Spirulina nằm trong khoảng 53-61%. Điều này được giải thích là do tế
bào Spirulina không có vách cellulose mà chỉ có vách nguyên sinh dễ phá vỡ.
Spirulina không cần giai đoạn nấu hay xử lý đặc biệt nào để làm tăng giá trị
protein của chúng. Đây cũng là ưu điểm lớn cho sự sản xuất đơn giản và giúp bảo
tồn nguyên vẹn những thành phần dinh dưỡng giá trị cao trong tế bào Spirulina.
1.5.2 Lipid
Lipid chiếm 5-7% khối lượng khô của Spirulina. Một số tác giả cho rằng
lượng lipid có thể nhiều hơn (10-11%) nếu được xác định bằng các thiết bị tốt
hơn và phương pháp chính xác. Lượng lipid này được chia thành 2 nhóm chính:
- Nhóm các lipid có thể xà phòng hóa: gồm chủ yếu monogalactosyl và
digalactosyl diglyceride (23%), sulfoquinovosyl diglyceride (5%), phosphatidyl
glycerol (25,9%), triglyceride (0,3%), các loại phospholipid (chiếm hơn 4,6%).
Phosphatidyl choline, phosphatidyl ethanolamin và phosphatidyl inositol chỉ ở
mức không đáng kể.
Các sulfolipid như sulfoquinovosyl diglyceride đang trở thành vấn đề nghiên
cứu mới hiện nay do khả năng kháng lại virus HIV nhiễm các tế bào T trợ giúp.


12

Bảng 1.1: Thành phần acid amin trong Spirulina
Acid amin

mg/10 g

Tỉ lệ so với tổng số acid amin (%)

Isoleucine

350

5,6

Leucine

540

8,7

Lysine

290

4,7

Methionine

140

2,3

Phenylalanine

280

4,5

Threonine

320

5,2

Tryptophan

90

1,5

Valine

400

6,5

Alanine

470

7,6

Arginine

430

6,9

Acid aspartic

610

9,8

Cystine

90

1,0

Acid glutamic

910

4,6

Glycine

320

5,2

Histidine

100

1,6

Proline

270

4,3

Serine

320

5,2

Tyrosine

300

4,8

Acid amin thiết yếu

Acid amin không thiết yếu

- Nhóm các lipid không xà phòng hóa được: gồm chủ yếu là paraffin, các sắc
tố, các sterol và các terpene. Các sterol đã được xác định là cholesterol và betasitosterol. Spirulina platensis có chứa một lượng nhỏ campesterol và
stigmasterol. Một số sterol này có thể liên quan đến hoạt tính kháng vi sinh vật.
Các terpen chiếm 5-10% phần không xà phòng hóa, chủ yếu là alpha và beta –
amyrine, triterpen pentacyclic.


13

1.5.3 Các acid béo
Các acid béo chiếm 60-70% khối lượng lipid. Các acid béo thiết yếu được
chia thành 2 nhóm omega-3 và omega-6.
Acid γ-linolenic (GLA) chiếm khoảng 4% trọng lượng khô của Spirulina
platensis. Do vậy Spirulina có thể được coi là nguồn cung cấp γ-linolenic tốt
nhất sau sữa mẹ và một số loại dầu thực vật của cây anh thảo, hạt nho đen và
cây gai dầu.
Sự hiện diện của γ-linolenic trong Spirulina càng trở nên quý giá vì sự hiếm
thấy loại acid béo này trong thực phẩm hàng ngày. Vai trò của γ-linolenic là khả
năng biến đổi sinh hóa của nó: acid béo này là chất tiền chất của prostaglandins,
leukotrienes và thromboxanes, là những chất trung gian trong các phản ứng
viêm và miễn dịch.
Nhiều acid béo khác cũng có mặt như acid linoleic. Đáng chú ý là hàm
lượng cao của acid palmitic, chiếm khoảng 45% tổng lượng acid béo trong
Spirulina platensis. Thành phần các acid béo trong Spirulina được thể hiện trong
bảng 1.2
Bảng 1.2: Thành phần các acid béo trong Spirulina
Acid béo

Khối lượng (mg/10g)

% trong tổng số

Myristic (14:0)

1

0,2

Palmitic (16:0)

224

45,0

Palmitoleic (16:1 omega-6)

33

5,6

Heptadecanoic (17:0)

2

0,3

Stearic (18:0)

8

1,4

Oleic (18:1 omega-6)

12

2,2

Linoleic (18:2 omega-6)

97

17,9

γ-linolenic (18:3 omega-6)

135

24,9

Những acid béo khác

14

2,5


14

1.5.4 Carbohydrate
Nhìn chung, carbohydrate chiếm 15-25% khối lượng chất khô của Spirulina.
Những carbohydrate đơn giản như glucose, fructose và sucrose chỉ có mặt một
lượng rất nhỏ. Các polyol như glycerol, mannitol và sorbitol cũng được tìm thấy.
Những carbohydrate dạng polymer có thể tiêu hóa được gồm glucosamine
(1,9% lượng chất khô), rhamnosamine (9,7%) và glycogen (0,5%).
Carbohydrate trong Spirulina dễ dàng hấp thụ vào máu và chỉ cần một lượng
nhỏ insuline để chuyển hóa. Nhờ giải phóng năng lượng nhanh mà không cần
hoạt động của tuyến tụy nên Spirulina là thức ăn bổ dưỡng phù hợp cho người bị
bệnh tiểu đường.
Mesoinositol phosphate là carbohydrate chứa phosphorus nên Spirulina sẽ là
nguồn cung cấp phospho hữu cơ ưu việt. Trong sinh khối Spirulina cũng có
inositol (350-380 mg/kg khối lượng khô), hàm lượng này cao gấp 8 lần trong thịt
bò và vài trăm lần trong loại rau có mức inositol cao nhất.
Đáng chú ý là polysaccharide trong Spirulina đã được khẳng định là có tác
động kích thích cơ chế sửa chữa ADN, nhờ vậy có thể giải thích cho chức năng
bảo vệ đối với ảnh hưởng của bức xạ mặt trời của Spirulina.
1.5.5 Sắc tố
Sắc tố là yếu tố rất quan trọng giúp tổng hợp các loại hormon cần thiết để điều
khiển các hoạt động của cơ thể. Hàm lượng sắc tố trong sinh khối Spirulina
platensis rất cao, được thể hiện trong bảng 1.3.
Carotenoid là sắc tố màu vàng cam. β-carotene chiếm 80% carotenoid có
trong Spirulina, phần còn lại gồm xanthophylls, cryptoxanthin, echinenone,
zeaxanthin và lutein. 1 kg Spirulina khô chứa 700-1700 mg β-carotene và khoảng
100 mg cryptoxanthin. Hai loại này sẽ được chuyển hóa thành vitamin A trong cơ
thể người. Nhu cầu vitamin A ở người trưởng thành ít hơn 1 mg/ngày nên chỉ cần
1-2 gram Spirulina là cung cấp dư lượng vitamin đó. Không giống vitamin A, sự
tích tụ β-carotene không gây nên bất kì độc tính nào.
Hiệu quả sinh học của carotenoid trong Spirulina đã được kiểm chứng trên
chuột, gà và người. Một nghiên cứu thực hiện với 5000 trẻ em tại Ấn Độ đã cho


15

thấy chỉ với 1g Spirulina mỗi ngày đã gây hiệu quả đáng kinh ngạc đối với bệnh
thiếu vitamin A kinh niên. Sau 5 tháng, tỉ lệ trẻ em mắc bệnh thiếu vitamin A đã
giảm từ 80% xuống còn 10%. Nghiên cứu này đã khẳng định, chỉ cần một lượng
rất thấp Spirulina đã giảm bớt rất nhiều nguy cơ bị mù và tổn hại hệ thần kinh
gây nên do thiếu vitamin A ở trẻ em.
Bảng 1.3: Hàm lượng sắc tố tự nhiên trong sinh khối Spirulina platensis
Sắc tố

mg/10 g

% trong 10 g

Phycocyanin

1400

14

Chlorophyll

100

1,0

Carotenoids

37

0,37

. Carotenes

20

0,2

Beta-caroten

17

0,17

Các caroten khác

3

0,03

17

0,17

Myxoxanthophylls

7

0,07

Zeaxanthin

6

0,06

Cryptoxanthin

1

0,01

Echienone

1

0,01

Các xanthophyll khác

2

0,02

. Xanthophylls

Challem (1981) gọi chlorophyll là máu xanh vì nó giống hemoglobin, chỉ
khác là nhóm kim loại của nó là Mg thay vì là Fe trong hemoglobin. Có ý kiến
cho rằng nếu như kim loại trong chlorophyll được thay thế bằng ion sắt thì nó có
thể thay thế cho hemolgobin trong mô bào. Trong sinh khối Spirulina platensis có
khoảng 1 % chlorophyll, chiếm tỉ lệ cao nhất so với các loại thực phẩm tự nhiên
khác, chủ yếu là chlorophyll-a.
Phycocyanin là sắc tố đóng vai trò quan trọng trong sinh khối Spirulina
platensis và tồn tại dưới dạng một protein phức hợp, chiếm đến 14% khối lượng
khô. Trong phycocyanin có cả nguyên tố Fe và Mg vì vậy nó rất có ý nghĩa dinh
dưỡng ở người có nhu cầu bổ sung các loại khoáng này.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×