Tài liệu Nghiên cứu nuôi thử nghiệm spirulina trong nước khoáng mỹ an, tỉnh thừa thiên huế

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU NUÔI THỬ NGHIỆM SPIRULINA TRONG NƯỚC KHOÁNG MỸ AN, TỈNH THỪA – THIÊN HUẾ Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 60 42 02 01 Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Giang GS.TS. Đặng Đình Kim NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không trùng lặp với đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, Ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Thủy i LỜI CÁM ƠN Luận văn được tiến hành dưới sự hỗ trợ của đề tài: “Nghiên cứu tận dụng nguồn nước suối khoáng tại Thừa Thiên Huế để sản xuất Spirulina làm thực phẩm chức năng”, do GS. TS. Đặng Đình Kim, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ (HLKHCN) Việt Nam làm chủ nhiệm. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới GS. TS. Đặng Đình Kim, Viện Công nghệ môi trường và thầy TS. Nguyễn Văn Giang, giảng viên khoa Công nghệ sinh học, Học viện Nông Nghiệp (HVNN) Việt Nam đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và dạy bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Tôi chân thành cám ơn Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thừa Thiên Huế, Viện HLKHCN Việt Nam đã cấp kinh phí và tạo điều kiện để thực hiện đề tài. Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận được sự ủng hộ nhiệt tình và các ý kiến đóng góp của các anh chị, các bạn đồng nghiệp của phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện HLKHCN Việt Nam; của các thầy cô, bạn bè ở bộ môn vi sinh, khoa Công nghệ sinh học, HVNN Việt Nam. Nhân dịp này, tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin cám ơn chủ nhiệm đề tài và các thành viên tham gia tạo điều kiện giúp tôi trong quá trình thu thập số liệu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ở bên cạnh chia sẻ, động viên giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn của mình. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiên luận văn bằng sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp của quý thầy cô và các bạn để tôi có thể hoàn thiện luận văn được tốt hơn. Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, Ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Thủy ii MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................................... i Lời cám ơn ........................................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................................ ii Danh mục chữ viết tắt ....................................................................................................... v Danh mục bảng ................................................................................................................ vi Danh mục hình ................................................................................................................ vii Trích yếu luận văn ........................................................................................................... ix Thesis abstract.................................................................................................................. ix Phần 1. Mở đầu ............................................................................................................... 1 Phần 2. Tổng quan tài liệu ............................................................................................. 3 2.1. Đặc điểm sinh trưởng và phân bố của tảo Spirulina........................................... 3 2.1.1. Đặc điểm hình thái, cấu tạo và phân loại ............................................................ 3 2.1.2. Đặc điểm dinh dưỡng ......................................................................................... 5 2.1.3. Chu kỳ sinh trưởng và sinh sản ........................................................................ 12 2.1.4. Môi trường sống và phân bố ............................................................................. 13 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của tảo Spirulina................................. 14 2.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường ............................................................. 14 2.2.2. Ảnh hưởng của nhu cầu dinh dưỡng................................................................. 16 2.2.3. Ảnh hưởng của độ sâu bể nuôi ......................................................................... 19 2.2.4. Ảnh hưởng của CO2 .......................................................................................... 19 2.3. Tình hình sản xuất tảo spirulina ....................................................................... 20 2.3.1. Tình hình sản xuất Spirulina trên thế giới ........................................................ 20 2.3.2. Tình hình sản xuất tảo Spirulina ở Việt Nam ................................................... 24 2.4. Giá trị của nguồn nước khoáng......................................................................... 26 Phần 3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu ............................................................ 29 3.1. Thời gian và đại điểm nghiên cứu .................................................................... 29 3.1.1. Thời gian ........................................................................................................... 29 3.1.2. Địa điểm............................................................................................................ 29 3.2. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................... 29 3.2.1. Giống tảo Spirulina platensis ........................................................................... 29 iii 3.2.2. Môi trường nuôi tảo Spirulina platensis ........................................................... 30 3.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 32 3.3.1. Sơ đồ nghiên cứu .............................................................................................. 32 3.3.2. Đánh giá chất lượng nước khoáng Mỹ An ....................................................... 32 3.3.3. Xây dựng quy trình nuôi thực nghiệm thu sinh khối tảo .................................. 32 3.3.4. Nuôi và thu sinh khối tảo .................................................................................. 36 3.3.5. Đánh giá chất lượng tảo nuôi thu sinh khối trong nguồn nước khoáng ở Mỹ An, Thừa Thiên Huế .................................................................................. 41 Phần 4. Kết quả và thảo luận ....................................................................................... 42 4.1. Chất lượng nước khoáng mỹ an........................................................................ 42 4.2. Kết quả lựa chọn tảo giống ............................................................................... 44 4.3. Tốc độ tăng trưởng của tảo thí nghiệm trong quá trình nuôi thu sinh khối tại Mỹ An, Thừa Thiên Huế ............................................................................. 50 4.4. Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường tại khu nuôi sinh khối ngoài trời ở Mỹ An, Thừa – Thiên Huế tới sinh trưởng của tảo thí nghiệm .............. 51 4.5. Chất lượng tảo thu được khi nuôi thực nghiệm bằng nước khoáng Mỹ An ..... 59 Phần 5. Kết luận và kiến nghị ...................................................................................... 62 5.1. Kết luận............................................................................................................. 62 5.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 62 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 63 Phụ lục .......................................................................................................................... 66 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải ĐC Đối chứng FAO Tổ chức Nông Lương Thế giới (Food and Agricultural Organisation) LHQ Liên Hợp Quốc OD Mật độ quang QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLK Trọng lượng khô TLT Trọng lượng tươi TN Thí nghiệm Và cs. Và cộng sự WHO Tổ chức y tế thế giới v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thành phần acid amin trong Spirulina........................................................ 6 Bảng 2.2. Một số loại acid béo chính trong hai chủng Spirulina. ............................... 8 Bảng 2.3. Hàm lượng acid nucleic trong một số thực phẩm. ...................................... 9 Bảng 2.4. Hàm lượng sắc tố tự nhiên trong sinh khối S. platensis.............................. 9 Bảng 2.5. Hàm lượng vitamin trong Spirulina so với nhu cầu hàng ngày. .............. 10 Bảng 2.6. Khoáng và các nguyên tố vết trong Spirulina. .......................................... 11 Bảng 2.7. Hàm lượng các kim loại nặng trong tảo S. platensis được nuôi ở các nguồn nước khác nhau. .................................................................... 25 Bảng 2.8. Thành phần hóa học trong một số mẫu nước khoáng ở Khánh Hòa. ....... 27 Bảng 4.1. Danh sách thiết bị sử dụng. ....................................................................... 33 Bảng 4.3. Công thức thí nghiệm lựa chọn tảo giống. ................................................ 35 Bảng 4.1. Thành phần hóa học của nước khoáng. ..................................................... 42 Bảng 4.2. Tốc độ sinh trưởng của các chủng tảo giống nuôi trong phòng thí nghiệm....................................................................................................... 44 Bảng 4.3. Tốc độ tăng trưởng của tảo Spirulina trong quá trình nuôi thu sinh khối ngoài trời tại Mỹ An, Thừa Thiên Huế. ............................................ 50 Bảng 4.4. Thành phần sinh hóa của tảo Spirulina khô thu được sau khi nuôi trong các nguồn nước khoáng khác nhau. ................................................. 60 Bảng 4.5. Thành phần kim loại nặng trong tảo Spirulina khô thu được sau khi nuôi trong các nguồn nước khoáng khác nhau.......................................... 61 vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Lát cắt tế bào Spirulina platensis. ............................................................... 4 Hình 2.2. Mô hình sắp xếp vách tế bào Spirulina platensis........................................ 4 Hình 2.3. Năm pha sinh trưởng của vi tảo. ............................................................... 12 Hình 2.4. Sơ đồ vòng đời của tảo Spirulina platensis............................................... 13 Hình 2.5. Hệ thống bể dài vuốt tròn hai đầu để nuôi tảo Spirulina. ......................... 22 Hình 2.6. Hệ thống bể tròn (Cirular ponds) ở Đài Loan. .......................................... 22 Hình 3.1. Các giống tảo Spirulina platensis dùng trong nghiên cứu. ....................... 29 Hình 3.2. Vị trí lấy mẫu phân tích tại Mỹ An, Phú Vang, Thừa thiên Huế. ............. 32 Hình 3.3. Sơ đồ mặt bằng khu nuôi sinh khối tảo. .................................................... 33 Hình 3.4. Bể nuôi sinh khối tảo tại Mỹ An, Thừa Thiên Huế. .................................. 34 Hình 3.5. Bố trí thí nghiệm lựa chọn tảo giống. ....................................................... 35 Hình 3.6. Quy trình nhân giống tảo phục vụ nuôi sinh khối. .................................... 36 Hình 3.7. Nuôi tảo giống trước khi cho vào bể. ........................................................ 36 Hình 3.8. Nuôi sinh khối tảo tại Mỹ An, Thừa Thiên Huế. ...................................... 37 Hình 3.9. Thu sinh khối tảo bằng lưới lọc. ............................................................... 38 Hình 4.1. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của chủng tảo SP2 TN và SP2 ĐC. ............... 45 Hình 4.2. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của chủng tảo SP4 TN và SP4 ĐC. ............... 45 Hình 4.3. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của chủng tảo SP8 TN và SP8 ĐC. ............... 46 Hình 4.4. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của chủng tảo T38 TN và T38 ĐC. ............... 47 Hình 4.5. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của chủng tảo T48 TN và T48 ĐC. ............... 47 Hình 4.6. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của các chủng tảo nuôi ở công thức đối chứng trong phòng thí nghiệm. ................................................................. 48 Hình 4.7. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của các chủng tảo nuôi ở công thức thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. ............................................................... 49 Hình 4.8. Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của tảo trong quá trình nuôi thu sinh khối ngoài trời. .......................................................................................... 50 Hình 4.9. Biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng của tảo tại khu nuôi sinh khối ngoài trời trong tháng 7. .................................................... 51 Hình 4.10. Biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng của tảo tại khu nuôi sinh khối ngoài trời trong tháng 8. .................................................... 52 vii Hình 4.11. Biểu đồ sự thay đổi pH và tốc độ sinh trưởng của tảo trong quá trình nuôi sinh khối ngoài trời. .......................................................................... 53 Hình 4.12. Biểu đồ biểu diễn tác động của quang hợp và hô hấp lên pH và dạng ion cacbon vô cơ trong nước. .................................................................... 54 Hình 4.13. Biểu đồ sự thay đổi [HCO3-] trong quá trình nuôi sinh khối ngoài trời. .......... 55 Hình 4.14. Biểu đồ sự tương quan giữa [HCO3-] và pH trong môi trường dinh dưỡng ở khu sinh khối ngoài trời. ............................................................ 55 Hình 4.15. Biểu đồ sự thay đổi [CO32-] trong quá trình nuôi sinh khối ngoài trời. ............ 56 Hình 4.16. Biểu đồ sự tương quan giữa [CO32-] và pH trong môi trường dinh dưỡng ở khu sinh khối ngoài trời. ............................................................ 57 Hình 4.17. Biểu đồ sự thay đổi hàm lượng N_NO3- trong quá trình nuôi sinh khối. .......... 58 Hình 4.18. Biểu đồ sự thay đổi hàm lượng P_PO43- trong quá trình nuôi sinh khối. .......... 58 viii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Nguyễn Thị Thu Thủy Tên luận văn: “Nghiên cứu nuôi thử nghiệm Spirulina trong nước khoáng Mỹ An, tỉnh Thừa Thiên Huế”. Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 60 42 02 01 Tên cơ sở đào tạo: Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài luận văn là tận dụng những khoáng chất tự nhiên quí giá sẵn có trong nguồn nước khoáng Mỹ An trong nuôi sinh khối tảo Spirulina platensis ở Thừa - Thiên Huế và xây dựng được mô hình nuôi tảo Spirulina platensis để giảm lượng hóa chất sử dụng, tiết kiệm được chi phí sản xuất; tảo thu được đạt năng suất và chất lượng cao, tạo được nguồn nguyên liệu chế biến các sản phẩm thực phẩm chức năng chăm sóc sức khỏe cho con người. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Vật liệu: Chủng giống tảo Spirulia platensis; nước khoáng Mỹ An, Thừa Thiên Huế. Phương pháp nghên cứu: Lựa chọn tảo giống dựa trên tốc độ sinh trưởng của tảo bằng phương pháp đo mật độ quang học (Optical Density/OD) tại bước sóng 445nm bằng máy quang phổ UV-2450 Shimatzu (Nhật Bản). Đo nhiệt độ tại nơi nuôi sinh khối bằng nhiệt kế thủy tinh; đo pH môi trường nuôi bằng máy pH meter. Xác định hàm lượng HCO3-, CO32- bằng phương pháp chuẩn độ axit 0.1N HCl. Xác định hàm lượng P_PO43- sử dụng phương pháp Acid ascorbic và hàm lượng N_NO3- sử dụng phương pháp Salycilate (Standard methods, 1998). Xác định tốc độ sinh trưởng đặc trưng của tảo theo Lê Thị Bích Ngọc (2010). Phương pháp xác định trọng lượng khô của sinh khối dựa theo Richmond et al. (1986). Mẫu nước khoáng Mỹ An, Thừa Thiên – Huế và tảo thu được khi nuôi thu sinh khối thực nghiệm được gửi đi phân tích chất lượng. Kết quả chính và kết luận Nguồn nước khoáng Mỹ An là môi trường tốt để sử dụng nuôi tảo Spirulina, tiết kiệm chi phí sản xuất do giảm bớt được lượng hóa chất sử dụng, đặc biệt là lượng muối NaHCO3. Từ 5 chủng tảo giống (SP2, SP4, SP8, T38, T48) chọn được chủng SP8 để nuôi tại khu nuôi thu sinh khối ở Mỹ An, Thừa Thiên – Huế. Tảo Spirulina platensis có khả năng thích nghi và sinh trưởng tốt ở môi trường nước khoáng Mỹ An. Chất lượng tảo Spirulina platensis nuôi tại Mỹ An, Thừa Thiên – Huế đáp ứng được yêu cầu chất lượng để sản xuất thực phẩm chức năng. ix THESIS ABSTRACT Master candidate: Nguyen Thi Thu Thuy Thesis title: “ Study on experimental cultivation of Spirulina in mineral water in My An, Thua Thien Hue province. ” Major: Biotechnology Code: 60 42 02 01 Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research Objectives The objectives of this thesis is in order to make use of minerals in mineral water in My An, Thua Thien Hue province for Spirulia platensis cultivation and to establish biomass cultivation model of this algal species in Hue to reduce the amount of chemicals and decrease production expenses, to produce high quality algae, to make a sustainable raw materials for processing functional foods for human health. Materials and Methods Materials: Algae Spirulia platensis and mineral water collecting in My An, Thua Thien Hue. Methods: The research method which is chosen is that using the optical density measurement by OD445nm in Spectrophotometer UV-2450 Shimatzu (Japan). Measuring the temperature in place where biomass of algae are cultivated by using glass thermometer and measuring pH by using pH meter. Determining the content of HCO3-, CO32- by using 0.1N HCl. Using Acid ascorbic method to determine the content of P_PO43-, and the content of N_NO3- by using Slyciltae method (Standard methods, 1998). According to Le Thi Bich Ngoc (2010), determining the typical growth rate of algae. The method of determining dry weight of biomass is based on Richmond et al (1986). The mineral water samples from MyAn, Thua Thien Hue and the algae collected during experimental were sent to quality analysis. Main results and conclusions Mineral water in My An is a good medium to cultivate Spirulina alage and their biomass product, saving production expenses because of reducing the amount of chemical compounds, especially NaHCO3. Strain SP8 is chosen from 5 strains of algae (SP2, SP4, SP8, T38, T48) to cultivate in My An, Thua Thien-Hue based on growth rate and biomass production. Spirulina platensis algae is capable of adaptation and growth well in mineral water in My An. Quality of Spirulina platensis biomass that was cultivated in My An, Thua Thien Hue meets the need of quality in order to produce functional food. x PHẦN 1. MỞ ĐẦU Spirulina platensis là một loại vi tảo (hay còn gọi là vi khuẩn lam) có dạng xoắn, màu xanh lam, các tế bào liên kết thành tập đoàn dạng sợi, có giá trị dinh dưỡng cao: Protein chiếm đến 67%, cao gấp 2 - 3 lần thịt bò và thịt gà; lipid – 11.5%; carbonhydrate – 15.3%; xơ – 0.1%, axit nucleic 4.2% trọng lượng khô và có nhiều loại axit béo không bão hoà đa nối đôi, các nguyên tố đa và vi lượng khác nhau (Đặng Đình Kim, 2002). Protein trong tảo Spirulina gồm 18 loại acid amin, trong đó các loại axit amin thiết yếu như Leucin, Isoleucin, Valin, Lysin, Methionin và Tryptophan đều có mặt với tỷ lệ vượt trội so với chuẩn của tổ chức lương thực quốc tế (FAO) quy định; hệ số tiêu hóa và acid gama linolenic (tiền thân của chất prostaglandin) rất cao có tác dụng cùng với vitamin E chống xơ vữa động mạch, điều hòa huyết áp, bảo vệ gan và các tế bào thần kinh; là những nhân tố rất quan trọng cho trẻ, đặt biệt là trẻ thiếu sữa mẹ… Ngày nay, Spirulina đang là đối tượng được tập trung nghiên cứu rất mạnh vì chúng được xem như là một sản phẩm chiến lược mang lại giá trị kinh tế cao của nhiều nước trên thế giới. Do có những tác dụng to lớn đối với sức khỏe con người như vậy nên từ lâu, tổ chức lương thực và y tế thế giới (FAO & WHO) đã xem Spirulina như là nguồn thực phẩm chức năng bổ dưỡng lý tưởng trong thế kỷ 21 (Wang and Zhao, 2005). Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã phát triển nuôi công nghiệp loài tảo này với mục đích tạo thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi trong đó có động vật thủy sản. Spirulina platensis không sử dụng CO2 tự do mà chủ yếu sử dụng ở dạng HCO3- hoặc CO32-. Ở Việt Nam nguồn nước khoáng thiên nhiên của nhiều tỉnh thành được đánh giá có thành phần khoáng tốt, có thể sử dụng cho mục đích chữa bệnh, tăng cường sức khoẻ cho con người. Theo nguồn của Đại học Y dược Huế, nguồn nước khoáng nóng tại Mỹ An (thôn Mỹ An, xã Phú Dương, huyện Phú Vang, Huế) là loại nước sulfur hyđro – fluor, nóng vừa, khoáng hoá vừa với độ khoáng hóa khoảng 3000mg/l. Đặc biệt nồng độ ion HCO3- đạt hơn 1000mg/l rất tốt cho việc nuôi Spirulina. Sử dụng nguồn nước khoáng để nuôi sinh khối tảo trên quy mô lớn giúp giảm hàm lượng hóa chất sử dụng trong quá trình nuôi, giảm được chi phí sản xuất tảo, và dẫn đến giảm giá thành các sản phẩm sản xuất từ tảo. 1 Vì vậy đề tài “Nghiên cứu nuôi thử nghiệm Spirulina trong nước khoáng Mỹ An, tỉnh Thừa – Thiên Huế” được thực hiện với mong muốn tận dụng được những khoáng chất tự nhiên quí giá sẵn có trong nguồn nước khoáng Mỹ An nhằm xây dựng được mô hình nuôi sinh khối tảo Spirulina platensis ở Thừa - Thiên Huế để giảm lượng hóa chất sử dụng, tiết kiệm được chi phí sản xuất; tảo thu được đạt năng suất và chất lượng cao, tạo được nguồn nguyên liệu chế biến các sản phẩm thực phẩm chức năng chăm sóc sức khỏe cho con người. 2 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. ĐẶC ĐIỂM SINH TRƯỞNG VÀ PHÂN BỐ CỦA TẢO SPIRULINA 2.1.1. Đặc điểm hình thái, cấu tạo và phân loại * Hình thái Tên “Spirulina” xuất phát từ tiếng Latinh “helix” hoặc “spiral” biểu hiện hình dạng xoắn của nó. Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi, sống cộng sinh, các tế bào được phân biệt bởi vách ngăn, dạng sợi xoắn hình lò xo không phân nhánh, số vòng xoắn lớn nhất là 6 - 8 vòng đều nhau. Đường kính xoắn khoảng 35 50m, bước xoắn là 60m, chiều dài sợi tảo có thể đạt 250m. Nhiều trường hợp Spirulina có kích thước lớn hơn. Các vách ngang chia sợi Spirulina thành nhiều tế bào riêng rẽ liên kết với nhau bằng cầu liên bào. Sợi tảo Spirulina có khả năng chuyển động và tự vận động theo kiểu trượt quanh trục của sợi (Hoàng Thị Thanh Loan, 2010). * Cấu tạo Tế bào Spirulina có cấu trúc giống với sinh vật Prokaryote thiếu các hạt liên kết với màng thuộc gram âm, thành tế bào nhiều lớp và được bao bọc bởi màng polysaccharide nhầy. Thành tế bào Spirulina không chứa celulose mà hệ tiêu hóa con người không phân cắt được. Spirulina có tỷ lệ chuyển hóa quang hợp khoảng 10% so với chỉ 3% của các thực vật sống trên cạn như đậu nành. Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân chỉ là vùng giàu axit nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa cellulose mà chứa mucopolyme, pectin và các loại polysacharid khác. Màng tế bào nằm sát ngay dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm. Spirulina không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinh chất. Màng thylakoid bao quanh các hạt polyphosphat có đường kính 0.5 - 1μ thường nằm ở trung tâm tế bào. Sắc tố quang hợp chính là phycocyanin, bên cạnh đó còn có chlorophyll a. Ngoài ra, tế bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng điều chỉnh tỉ trọng tế bào. Không bào khí có vai trò rất quan trọng trong việc làm cho Spirulina nổi lên mặt nước. Tế bào Spirulina không có ty thể và mạng lưới nội chất, tuy nhiên tế bào vẫn có ribosome với hệ số lắng 70S và một số thể vùi như hạt polyphotphat, 3 glycogen, phycocyanin, cacboxysome và hạt mesosome (Đặng Đình Kim, 1999). Thành tế bào dưới kính hiển vi điện tử hiện lên gồm 4 lớp: từ lớp L1 đến lớp L4 (L1, L2, L3, L4). L1 và L3 chứa vật liệu dạng sợi. L2 là một peptidoglycan giống như ở tế bào vi khuẩn. L4 được sắp xếp chạy theo chiều dọc của trục sợi Spirulina (Nguyễn Thị Hoa, 2009). Hình 2.1. Lát cắt tế bào Spirulina platensis. Nguồn: Nguyễn Thị Hoa (2009) Hình 2.1 cũng cho thấy một vách ngăn đang hình thành, vách ngăn này gồm ba lớp: L2 kẹp giữa hai L1, có thể hình dung như hình 2.2. Hình 2.2. Mô hình sắp xếp vách tế bào Spirulina platensis. Nguồn: Phan Văn Dân (2009) Lớp L1 và L3 có chức năng vận chuyển điện tử, hai lớp L2 và L4 tập trung các điện tử đó. Độ dày của mỗi lớp từ 10 - 15nm, nên độ dày của toàn bộ thành tế bào là khoảng 40 - 60nm. Các lớp L1, L3, L4 có độ dày bằng nhau, lớp L2 lớn hơn (Phan Văn Dân, 2009). * Phân loại Mang nhiều tên gọi khác nhau như Spirulina, Arthrospira và là một chủ đề 4 được thảo luận nhiều từ trước đến nay, nhất là khi cái tên “tảo” được nhắc đến lần đầu tiên. Năm 1852, việc phân loại học đầu tiên được viết bởi Stizenberger. Ông đưa ra tên chi mới là Arthrospira dựa vào cấu trúc chứa vách ngăn, đa bào, dạng xoắn. Gomont đã khẳng định những nghiên cứu của Stizenberger vào năm 1892, đồng thời Gomont bổ sung thêm loài không có vách ngăn là Spirulina và loài có vách ngăn là Arthrospira. Như vậy, tên được công nhận là Arthrospira, nhưng trong những hoạt động khảo sát và nghiên cứu Arthrospira được gọi là Spirulina, do đó tên Spirulina được sử dụng phổ biến cho đến nay thay cho tên Arthrospira. Theo Nguyễn Hữu Thước (1988), loài Spirulina (Arthrospira) platensis thuộc: Chi : Spirulina (Arthrospira) Họ : Oscillatoriceae Bộ : Oscillatoriales Lớp : Cyanophyceae Ngành : Cyanophyta Spirulina chủ yếu có hai loài Spirulina platensis và Spirulina maxima, trong đó Spirulina platensis là phổ biến hơn cả. 2.1.2. Đặc điểm dinh dưỡng Sự hiểu biết toàn diện về đặc điểm 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. Trong khi mối quan tâm đối với nhiều loài vi sinh vật khác đang ngày càng giảm bớt vì vấn đề khả năng tiêu hóa, hàm lượng các loại acid. Spirulina dường như trở thành một giải pháp tốt nhất cho sản xuất nguồn thực phẩm có chất lượng cao. Spirulina được nhắc đến nhiều do có thể sống trong điều kiện nuôi có độ mặn và pH cao, nên bảo đảm vệ sinh trong nuôi cấy, vì có rất ít những vi sinh vật khác có khả năng sống sót trong điều kiện như vậy (Phan Văn Dân, 2009). 2.1.2.1. Protein Hàm lượng protein trong Spirulina dao động từ 50 - 70% trọng lượng khô. Hàm lượng protein này thấp hơn từ 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. Spirulina có hàm lượng protein cao hơn bất kỳ một loại thực phẩm 5 nào khác, nhiều hơn thịt động vật và cá tươi (15 – 25% TLT), đậu nành (35% TLK), sữa bột (35% TLK), trứng (12% TLT), đậu phộng (25% TLK), lúa gạo (8 – 14% TLK), sữa (3% TLT). Theo quan điểm chất lượng thì protein từ tảo Spirulina là hoàn hảo, vì sự hiện diện đầy đủ acid amin thiết yếu và không thiết yếu, chiếm khoảng 47% tổng lượng protein. Protein của tảo Spirulina là nguồn protein ít béo, ít calorie và đặc biệt không cholesterol. 2.1.2.2. Acid amin Bảng 2.1. Thành phần acid amin trong Spirulina. Tính cho 10 gram (mg) Tỷ lệ so với tổng acid amin (%) Isoleucine Leucine Lysine Methionine Phenylalanine Threonine Tryptophan Valine 350 540 290 140 280 320 90 400 5.6 8.7 4.7 2.3 4.5 5.2 1.5 6.5 Acid amin không thiết yếu Alanine Arginine Acid aspartic Cystine Acid glutamic Glycine Histidine Proline Serine Tyrosine 470 430 610 60 910 320 100 270 320 300 7.6 6.9 9.8 1.0 4.6 5.2 1.6 4.3 5.2 4.8 Tổng acid amin 6200 100 Acid amin thiết yếu Nguồn: Jacques Falquet (2008) Thành phần acid amin trong Spirulina rất cân đối, gồm đủ lượng acid amin thiết yếu và không thiết yếu. 6 Acid amin thiết yếu là thành phần mà cơ thể con người không tự tổng hợp được mà phải cung cấp từ thực phẩm qua đường tiêu hóa. Trong tự nhiên, hầu như không có nguồn nguyên liệu động, thực vật nào chứa đủ toàn bộ 18 loại acid amin này và cũng ở tình trạng tương tự đối với các sản phẩm tổng hợp thương mại. Theo bảng 2.1, chỉ có acid amin methionine và cysteine có mặt ở mức thấp. Mặc dù vậy, chúng vẫn chiếm hơn 80% mức lý tưởng mà tổ chức Nông Lương Thế giới (Food and Agricultural Organisation /FAO) của LHQ đã công bố, cao hơn đậu hạt, trái cây. Với 100% nhu cầu acid amin mỗi ngày chỉ cần dùng 36g Spirulina. Thành phần acid amin của Spirulina sản xuất ở Việt Nam tương đương nước ngoài. 2.1.2.3. Lipid Hàm lượng lipid khoảng 5 – 7% trọng lượng khô Spirulina. Lượng lipid tổng này được chia thành hai phần: có thể xà pḥòng hóa (83%) và không xà pḥòng hóa (17%, chứa chủ yếu là paraffin, các sắc tố, các sterol). Với hàm lượng lipid thấp. Spirulina trở thành một sản phẩm protein phù hợp cho nhiều đối tượng. 10g Spirulina chỉ cho 36 kcal và 1.3mg cholesterol, một lượng protein trứng tương đương chứa 300mg cholesterol và 80 kcal năng lượng. Spirulina hoàn toàn thích hợp với phụ nữ có thai và những người béo phì. Thành phần không xà phòng hóa như sau: Sterol đã xác định được là cholesterol và beta - sitosterol. S. platensis chứa lượng nhỏ campesterol và stigmasterol. Một số sterol này có thể liên quan đến hoạt tính kháng vi sinh vật của Spirulina. Các terpene chiếm 5 - 10% phần không xà phòng hóa, chủ yếu là alpha - và beta - amyrine, triterpene pentacyclic. 2.1.2.4. Các acid béo Các acid béo chiếm 60 – 70% lipid. Nhu cầu acid béo thiết yếu từ 1- 2% đối với người trưởng thành và khoảng 3% với trẻ em. Như đã biết, lượng chất béo thiết yếu đưa vào cơ thể có tác động lên hệ miễn dịch, bao gồm cả miễn dịch thể dịch và tế bào. Acid béo thiết yếu được chia làm hai nhóm omega-3 và omega-6. Acid γ - linolenic (GLA) chiếm khoảng 10 - 20% (1 - 2% trọng lượng khô) trong S. maxima so với 40% (khoảng 4% trọng lượng khô) trong S. platensis. Do vậy, Spirulina có thể được coi là một nguồn cung cấp γ - linolenic tốt nhất, sau sữa mẹ và một số loại dầu thực vật của cây anh thảo, hạt nho đen, cây gai dầu (Jacques Falquet, 2008). 7 Bảng 2.2. Một số loại acid béo chính trong hai chủng Spirulina. Acid béo Spirulina platensis (% tổng acid béo) Spirulina maxima (% tổng acid béo) 25.8 3.8 1.7 16.6 12 40.1 Vết 63 2 1 4 9 13 Vết Palmitic (16:0) Palmitoleic (16:1 omega-6 Stearic (18:0) Oleic (18:1 omega-6) Linoleic (18:2 omega-6) Gamma-linolenic (18:3 omega-6) Alpha-linolenic (18:3 omega-3) Nguồn: Jacques Falquet (2008) 2.1.2.5. Hydrocarbua no Các hydrocarbua no - mạch dài ở mức khá cao, từ 0.1 – 0.3% Spirulina khô. 2/3 những hydrocarbua này là n - heptandecane, phần còn lại là các hydrocarbua no mạch thẳng (C15, C16, C18) giảm dần theo thứ tự, và một số hydrocarbua no phân nhánh chưa được xác định. 2.1.2.6. Carbohydrate 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 rất phù hợp cho những người bị bệnh tiểu đường. Nhìn chung, carbohydrate chiếm 15 - 25% trọng lượng khô Spirulina. Những carbohydrate đơn giản như glucose, fructose và sucrose chỉ có mặt ở lượng rất nhỏ. Các polyol như glycerol, mannitol và sorbitol cũng được tìm thấy trong Spirulina. Đáng chú ý là polysaccharide trong Spirulina đã được khẳng định là có tác động kích thích cơ chế sửa chữa DNA, nhờ vậy có thể giải thích cho chức năng bảo vệ đối với ảnh hưởng của bức xạ mặt trời của Spirulina. 2.1.2.7. Acid nucleic Hàm lượng acid nucleic (ADN và ARN) có ý nghĩa dinh dưỡng quan trọng do sự thoái hóa thành phần cấu tạo nên chúng (các purine adenine và guanine) tạo ra sản phẩm là acid uric. Khi acid uric tích tụ cao trong máu có thể gây bệnh sỏi thận và gút (gout). Lượng acid nucleic tối đa cho người trưởng thành khoảng 8 4 g/ngày. Cũng cần chú ý rằng, với cùng lượng purine trong thành phần, nhưng ARN tạo ra 15 lượng acid uric gấp 3 lần ADN và mức độ tăng acid uric còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tuổi, giới tính, độ béo phì. Trong Spirulina lượng acid nucleic từ 4 - 6% trọng lượng khô. Tỉ lệ ADN/ARN là 1/4 hoặc 1/3. Hàm lượng acid nucleic trong Spirulina nói chung thấp hơn so với sinh vật đơn bào. Bảng 2.3. Hàm lượng acid nucleic trong một số thực phẩm. Tổng lượng acid nucleic Loại thực phẩm (% trọng lượng khô) Spirulina 4-6 Nấm men 23 Thịt bò 1.5 Gan bò 2.2 Nguồn: Jacques Falquet (2008) Với hàm lượng như bảng 2.3 thì khi sử dụng Spirulina ở mức độ khuyên dùng (10g khô một ngày tương đương 0.4 – 0.6g acid nucleic) lượng acid nucleic ăn vào còn rất thấp so với mức cho phép. 2.1.2.8. 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 S. platensis rất cao, đặc biệt là carotenoid, chlorophyll, phycocyanin. Bảng 2.4. Hàm lượng sắc tố tự nhiên trong sinh khối S. platensis. Tên sắc tố Hàm lượng/10g sinh khối khô Tỉ lệ trong 10g (%) Phycocyanin (blue) 1500 - 2000 mg 15 – 20 Chlorophyll (green) 115 mg 1.15 Carotenoid (orange) 37 mg 0.37 β-caroten 14 mg 0.14 Nguồn: Hoàng Nghĩa Sơn (2000) Carotenoit là sắc tố màu vàng cam, trong tảo Spirulina platensis nó ở dạng β – caroten, xanthophylls, cryptoxanthin, echinenone, zeaxanthin và lutein. Carotenoit chiếm khoảng 0.37% sinh khối khô. 9