Tài liệu Nghiên cứu sự biến động về thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi ecosapentanoic (epa) ở vi tảo biển nannochloropsis oculata nuôi trồng trong hệ thống kín ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------***------------------- NGUYỄN THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG VỀ THÀNH PHẦN VÀ HÀM LƯỢNG AXIT BÉO KHÔNG BÃO HÒA ĐA NỐI ĐÔI ECOSAPENTANOIC (EPA) Ở VI TẢO BIỂN NANNOCHLOROPSIS OCULATA NUÔI TRỒNG TRONG HỆ THỐNG KÍN Ở VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. ĐẶNG DIỄM HỒNG 2. PGS.TS. ĐỖ THỊ HOA VIÊN HÀ NỘI - 2017 Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Đặng Diễm Hồng- nguyên trƣởng phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã định hƣớng nghiên cứu, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn tới PGS. TS. Đỗ Thị Hoa Viên, Viện Công nghệ sinh học & Công nghệ Thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hƣớng dẫn quan tâm và chỉ bảo để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình. Tôi xin g i ời cảm ơn ch n thành đến ThS. NCS. ê Thị Thơm đã chỉ bảo, giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học đã đóng góp ý kiến, chia sẻ các kinh nghiệm chuyên môn cho tôi trong quá trình thực nghiệm. Nghiên cứu này đƣợc hỗ trợ một phần kinh phí của đề tài nhánh “Nuôi trồng đủ sinh khối một số loài vi tảo biển của miền Trung Việt Nam cho nghiên cứu các hợp chất thứ cấp” 2016 – 2017, do PGS. TS. Đặng Diễm Hồng làm chủ nhiệm đề tài nhánh thuộc hợp phần 7 “Nghiên cứu các hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học từ vi tảo biển ở vùng biển Trung Bộ (vùng biển Bắc Trung Bộ đến biển Trung Trung Bộ Việt Nam)” có mã số TĐ-VAST.07 do TS. Nguyễn Thị Minh Hằng Viện Hóa sinh biển làm chủ nhiệm năm 2016-2018. Chúng tôi xin cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng Điểm Công nghệ gene của Viện Công nghệ sinh học đã cho phép s dụng một số máy móc phục vụ cho nghiên cứu này. Tôi xin g i lời cảm ơn ch n thành đến các thầy cô giảng dạy tại Viện Công nghệ sinh học & Công nghệ Thực phẩm trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã uôn quan t m, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện, động viên tôi trong suốt thời gian học tập. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Nhung Học viên : Nguyễn Thị Nhung i Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đ y à công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các cộng sự khác; Các số iệu và kết quả đƣợc trình bày trong bản uận án à trung thực, một phần đã đƣợc phản biện trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả. Phần còn ại chƣa đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, ngày thàng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Nhung Học viên : Nguyễn Thị Nhung ii Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC ỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………. i ỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………... ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………. vii DANH MỤC BẢNG……………………………………………………………... viii DANH MỤC HÌNH……………………………………………………………… ix MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………. 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU…………………………………………. 3 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO VÀ VI TẢO BIỂN………………………….. 3 1.1. Khái niệm về tảo, vi tảo biển………………………………………………. 3 1.2. Đặc điểm cấu tạo…………………………………………………………… 3 1.3. Sinh sản, sinh dƣỡng của tảo……………………………………………….. 3 1.4. Ứng dụng của vi tảo………………………………………………………... 3 1.4.1. S dụng vi tảo trong dinh dƣỡng của động vật và con ngƣời…………. 4 1.4.2. S dụng vi tảo trong ĩnh vực y học…………………………………….. 5 1.4.3. S dụng vi tảo làm phân bón sinh học…………………………………. 5 1.4.4. S dụng vi tảo trong x lý nƣớc thải……………………………………. 6 1.4.5. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo………………………………...... 7 1.4.6. Khai thác các hoạt chất từ vi tảo………………………………………... 8 1.5. Nuôi trồng tảo trong các hệ thống kín và hệ thống hở ……………………… 9 II. KHÁI QUÁT VỀ AXIT BÉO……………………………….............................. 11 2.1. Axit béo…………………………………………………………………........ 11 2.1.1. Khái niệm chung……………………………………………………......... 11 2.1.2. Tính chất vật ý…………………………………………………………… 12 2.1.3. Phân loại………………………………………………………………...... 13 2.1.4. Nguồn cung cấp axit béo……………………………………………........ 14 2.1.5. Giá trị sinh học của axit béo trong sinh học…………………………….. 15 2.2. Các axit béo bão hòa đa nối đôi (po yunsaturated fatty acids - PUFAs)….... 17 2.2.1. Khái niệm về PUFA……………………………………………………… Học viên : Nguyễn Thị Nhung iii Khóa: 2015A 17 Luận văn tốt nghiệp 2.2.2. Eicosapentanoic acid (EPA)……………………………………………… 17 2.2.3. Vai trò của PUFAs…………………………………….............................. 18 2.2.4. Vai trò của EPA đối với con ngƣời………………………………………. 21 2.3. Công nghệ tách chiết hỗn hợp axit béo……………………………………… 23 III. Vi tảo biển Nannochloropsis oculata………………………………………….. 25 3.1. Giới thiệu chung về tảo Nannochloropsis oculata………………………....... 25 3.1.1. Vị trí phân loại của Nannochloropsis oculata……………………………. 25 3.1.2. Đặc điểm………………………………………………………………..... 26 3.1.3. Sinh trƣởng của tảo……………………………………………………..... 27 3.2. Lịch s nghiên cứu về Nannochloropsis…………………………………….. 28 3.2.1. Tình hình nghiên cứu Nannochloropsis trên thế giới……………………. 28 3.2.2. Tình hình nghiên cứu Nannochloropsis oculata ở Việt Nam …………… 32 CHƢƠNG II. VẬT IỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………… 36 2.1. Vật liệu, địa điểm và thời gian nghiên cứu………………………………….. 36 2.2. Dụng cụ và hóa chất……………………………………………………......... 36 2.3. Phƣơng pháp…………………………………………………………………. 37 2.3.1. Nghiên cứu sinh trƣởng của tảo N. oculata NA trong hệ thống kín 50 L. 37 2.3.2. Nghiên cứu sinh trƣởng của vi tảo N. oculata NA trong hệ thống nuôi hở 10L và hệ thống nuôi kín 50 …………………………………………………… 40 2.3.3. Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho sinh trƣởng của vi tảo N. oculata NA trong các hệ thống kín 50 Lít ở điều kiện phòng thí nghiệm………………... 40 2.3.4. Phƣơng pháp ph n tích thành phần và hàm ƣợng dinh dƣỡng, cacbohydrat, lipit tổng số và các axit béo trong sinh khối của chủng NA đƣợc nuôi trồng bằng HTNK 50 it……………………………………………………. 40 2.3.5. Ph n tích thành phần dinh dƣỡng và kim oại nặng…………………........ 44 2.3.6. Khảo sát sự biến động về thành phần và hàm ƣợng các axit béo chính của N. oculata NA…………………………………………………………………. 44 2.3.7. X lý số liệu ……………………………………………………………... Học viên : Nguyễn Thị Nhung iv Khóa: 2015A 44 Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO UẬN…………………………………….. 46 3.1. Sinh trƣởng của tảo N. oculata NA trong hệ thống nuôi kín và hệ thống nuôi hở……………………………………………………………..........………………. 46 3.2. Điều kiện thích hợp cho sinh trƣởng của vi tảo biển N. oculata NA trong HTNK 50 ở đều kiện phòng thí nghiệm……………………………………….. 48 3.2.1. Ảnh hƣởng của môi trƣờng dinh dƣỡng………………………………… 48 3.2.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ………………………………………………… 48 3.2.3. Ảnh hƣởng của nồng độ muối…………………………………………... 49 3.2.4. Ảnh hƣởng của pH……………………………………………………… 50 3.2.5. Ảnh hƣởng của nồng độ CO2…………………………………………… 50 3.2.6. Ảnh hƣởng của mật độ tế bào ban đầu nuôi trong HTNK 50 ………… 52 3.2.7. S dụng các điều kiện thích hợp để nuôi trồng chủng N. oculata NA trong HTNK 50 L………………………………………………………………….. 52 3.2.8. Thành phần axit béo trong sinh khối của chủng N. oculata NA trong HTNK 50 L………………………………………………………………………... 54 3.3. Nghiên cứu sự thay đổi của hàm ƣợng axit béo chính của N. ocualta NA ở điều kiện nuôi trồng tối ƣu cho sinh trƣởng và pha sinh trƣởng của tảo………… 55 3.3.1. Nghiên cứu sự biến động về MĐTB và thành phần dinh dƣỡng của N. oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 ……………………………………….. 56 3.3.2. Nghiên cứu sự biến động về thành phần và hàm ƣợng các axit béo của N. oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 ở pha og và pha c n bằng sớm…... 58 KẾT UẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..... 67 PHỤ LỤC………………………………………………………………………….. 80 Học viên : Nguyễn Thị Nhung v Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết đầy đủ STT Từ viết tắt 1 AA Axit Arachidnic 2 ALA Axit α-linolenic 3 DHA Axit Docosahexaenoic 4 DPA Axit Docosapentaenoic 5 EPA Axit Eicosapentaenoic 6 FFA Free Fatty Acids (axit béo bão hòa tự do) 7 EE 8 AOM Alginate Oligosaccharide 9 HTNH Hệ thống nuôi hở 10 HTNK Hệ thống nuôi kín 11 MĐTB Mật độ tế bào 12 NLSH Nhiên liệu sinh 13 NTTS Nuôi trồng thủy sản 14 PUFAs Polyunsaturated Fatty Acids 15 SKK 16 TB 17 TFA Total fatty Axit 18 TG Triglyceride 19 Cs Cộng sự Học viên : Nguyễn Thị Nhung Ethyl Ester Sinh khối khô Tế bào vi Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 Cấu trúc hóa học của các axit béo không bão hòa tiêu biểu thuộc nhóm ω-3, ω-6, ω-9 ……………………………………………… 13 Bảng 1.2 Phần trăm axit béo chứa trong một số loại thức ăn điển hình……. 15 Bảng 1.3 Khuyến nghị về tổng ƣợng chất béo và axit béo thiết yếu trong khẩu phần ăn FAO/ WHO (2008)……………………………….. Bảng 3.1 Ảnh hƣởng của tốc độ sục 2%CO2 ên sinh trƣởng của N. oculata NA……………………………………………………………… Bảng 3.2 53 Hàm ƣợng sắc tố chlorophyll và carotenid trong sinh khối chủng N. oculata NA đƣợc nuôi trồng trong HTNK 50 L theo thời gian Bảng 3.4 51 Hàm ƣợng lipit, thành phần axit béo của sinh khối vi tảo N. oculata NA đƣợc nuôi trong HTNK 50 ………………………... Bảng 3.3 19 57 Hàm ƣợng một số thành phần dinh dƣỡng và sắc tố của sinh khối chủng N. oculata NA đƣợc nuôi trồng trong HTNK 50 L ở pha log và pha cân bằng sớm…………………………………………. Bảng 3.5 Thành phần và hàm ƣợng axit béo trong sinh khối của chủng N. oculata NA đƣợc nuôi ở HTNK 50 ở pha og và pha c n bằng sớm ………………………………………………………………. Bảng 3.6 61 62 Hàm ƣợng khoáng đa và vi ƣợng có trong sinh khối của chủng N. oculata NA trong HTNK 50 Học viên : Nguyễn Thị Nhung vii đƣợc thu ở pha c n bằng sớm… 63 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Khi đun nóng có mặt chất xúc tác thì dạng cis chuyển thành dạng trans………………………………………………………… 14 Hình 1.2 Dạng cis-5,8,11,14,17 -eicosapentaenoic acid của EPA………… 18 Hình 1.3 Năm pha sinh trƣởng của vi tảo………………………………… 28 Hình 3.1 Sinh trƣởng của chủng N. oculata NA trong HTNK 50 L và HTNH 10L trong 25 ngày……………………………………… Hình 3.2 Hình thái tế bào của chủng N. oculata NA đƣợc nuôi trong HTNK 50 L và HTNH 10 ……………………………………… Hình 3.3 47 Ảnh hƣởng của môi trƣờng dinh dƣỡng (A), nhiệt độ (B) lên sinh trƣởng của N. oculata NA trong HTNK 50 ……………………. Hình 3.4 46 48 Ảnh hƣởng của nồng độ muối (A), môi trƣờng pH (B) lên sinh trƣởng của N. oculata NA trong HTK 50 ……………………… 49 Hình 3.5 Ảnh hƣởng của nồng độ CO2 ên pH môi trƣờng nuôi (A) và sinh trƣởng (B) của N. oculata NA trong HTNK 50 ……………….. 50 Hình 3.6 Sinh trƣởng của N. oculata NA trong HTNK 50 L trong 16 ngày nuôi……………………………………………………………….. 53 Hình 3.7 Nuôi trồng N. oculata NA trong HTK 50 L trong 16 ngày nuôi……………………………………………………………….. 53 Hình 3.8 Sinh trƣởng và thành phần dinh dƣỡng của chủng N. oculata NA trong HTNK 50 L sau 44 ngày nuôi cấy…………………………. Hình 3.9 56 Sinh trƣởng của N. oculata NA nuôi trồng trong 2 HTNK 50 ………………………………………………………………….. 59 Hình 3.10 Hình ảnh chủng N. oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 L ở pha log và pha cân bằng sớm…………………………………….. 59 Hình 3.11 Hình thái tế bào của N. oculata NA nuôi trồng trong HTNK 50 L thu ở pha log và pha cân bằng sớm dƣới kính hiển vi quang 59 học… Học viên : Nguyễn Thị Nhung viii Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong vài năm qua, Công nghệ Sinh học ở nước ta đã có những bước tiến bộ nhanh chóng, đặc biệt công nghệ sinh học vi tảo đang ngày càng mở ra nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới. Các nhà khoa học trên thế giới nói chung, các nhà khoa học nước ta nói riêng đã và đang nghiên cứu sử dụng vi tảo làm thực phẩm cho con người cũng như cho động vật nhằm tăng cường giá trị dinh dưỡng. Nannochloropsis oculata là một loài vi tảo biển quang tự dưỡng phân bố rộng rãi ở các vùng biển nước ta, có chứa hàm lượng acid béo không bão hòa đa nối đôi cao, đặc biệt là EPA (eicosapentaenoic acid, C20: 5n-3). EPA có vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng của cơ thể, làm giảm xơ vữa động mạch, và phòng tránh một số bệnh cho con người và động vật. EPA được tìm thấy trong dầu cá hồi, cá thu …và một số loại vi tảo biển quang tự dưỡng và dị dưỡng. Hiện nay, N. oculata được sử dụng rộng rãi làm thức ăn sống cho các đối tượng nuôi trồng thủy sản (NTTS) ở các giai đoạn ấu trùng khác nhau, làm thực phẩm chức năng, làm nhiên liệu sinh học…và đạt được nhiều thành tựu khả quan. Với sự phát triển nhanh chóng các công nghệ nuôi mới đã đem lại hiệu quả kinh tế cao cho việc sản suất sinh khối tảo giàu dinh dưỡng làm nguyên liệu cho thực phẩm chức năng cho người và thức ăn cho đối tượng thủy sản giai đoạn ấu trùng cũng như giai đoạn phát triển. Việc nuôi trồng vi tảo bằng các hệ thống kín đã khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại ở hệ thống nuôi hở nhưng một vấn đề đặt ra là chất lượng dinh dưỡng của vi tảo nuôi trồng có bị thay đổi hay không so với nuôi hở. Sử dụng hệ thống bể phản ứng quang sinh kín sẽ giúp cho tảo bùng phát nhanh, nhưng cũng rất dễ tàn; tảo bị va đập nhiều trong ống nuôi... nên việc kiểm tra chất lượng của sinh khối tảo nuôi trồng trong các hệ thống nuôi hở và kín được xem là một vấn đề cấp thiết. Ngoài ra, thành phần dinh dưỡng của vi tảo nuôi trồng được nói chung và thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối có trong sinh khối tảo nói riêng đã bị thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào thành phần dinh dưỡng môi trường nuôi, phụ thuộc vào pha sinh trưởng của tảo cũng như kiểu nuôi trồng (hệ thống bể Học viên: Nguyễn Thị Nhung 1 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp hở hay kín). Làm sáng tỏ được vấn đề cần thiết nêu trên sẽ cung cấp những cơ sở khoa học quan trọng để khẳng định nguồn thức ăn có chất lượng cao cho nuôi trồng thủy sản, cho con người, góp phần nào đó trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm đi từ sinh khối vi tảo giàu dinh dưỡng. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sự biến động của thành phần và hàm lượng axit béo trong sinh khối tảo nuôi trồng được ở trong hệ thống kín là cần thiết và có ý nghĩa cả về mặt khoa học và thực tiễn ứng dụng ở Việt Nam hiện nay. Ở Việt Nam, mặc dù cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về vi tảo biển N. oculata để thu sinh khối làm thức ăn sống trong NTTS, làm thực phẩm chức năng cho người, làm nhiên liệu sinh học nhưng nhìn chung vẫn chưa mang tính hệ thống và nhiều nơi chủng giống vẫn là các chủng giống nhập ngoại; chưa nuôi trồng trên quy mô lớn và đặc biệt là chưa có nghiên cứu về sự thay đổi hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi của chúng khi nuôi trong hệ thống nuôi kín. Vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu sự biến động về thành phần và hàm lƣợng axit béo không bão hòa đa nối đôi eicosapentaenoic (EPA) ở vi tảo biển Nannochloropsis oculata nuôi trồng bằng hệ thống kín ở Việt Nam”. Mục đích của đề tài nghiên cứu của chúng tôi như sau: +/ Có được điều kiện nuôi trồng vi tảo biển Nannochloropsis oculata NA có thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi có hoạt tính sinh học cao như EPA. Để thực hiện được các mục tiêu nghiên cứu nêu trên, một số nội dung nghiên cứu đã được tiến hành như sau: 1. Điều kiện thích hợp cho sinh trưởng của vi tảo N. oculata NA trong các hệ thống kín 50 Lít ở đều kiện phòng thí nghiệm; 2. Nghiên cứu sự thay đổi của hàm lượng axit béo chính của N. ocualta NA ở điều kiện nuôi trồng thích hợp cho sinh trưởng và pha sinh trưởng của tảo. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Học viên: Nguyễn Thị Nhung 2 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẢO VÀ VI TẢO BIỂN 1.1. Khái niệm về tảo, vi tảo biển Tảo (Algae) là những thực vật bậc thấp, cơ thể chưa có sự phân hóa thành thân, rễ, lá ( những dấu hiệu của thực vật bậc cao) nên cơ thể chúng được gọi chung là tảo. Vi tảo (Microalgae) là tất cả các tảo (Algae) có kích thước hiển vi. Muốn quan sát chúng phải sử dụng tới kính hiển vi. Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến khoảng 2/3 số lượng. 1.2. Đặc điểm cấu tạo Hầu hết tảo sống trong môi trường nước mặn, lợ, ngọt. Tế bào tảo chứa chlorophyll- sắc tố quang hợp điển hình. Nhìn chung, tế bào tảo có một số đặc điểm cấu trúc tương tự thực vật bậc cao như có thành tế bào, màng sinh chất, tế bào chất, ty thể, thể golgi, nhân và roi [112]. 1.3. Sinh sản, sinh dƣỡng của tảo Tảo có 3 phương thức sinh sản: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính [112]. 1. Sinh sản sinh dưỡng: phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo. 2. Sinh sản vô tính: hình thành các loại bào tử vô tính, như Bào tử tĩnh (Aplanospore), Bào tử động (Zoospore), Bào tử tự thân (Autosporre), Bào tử màng dầy (Akinet) 3. Sinh sản hữu tính: có Đẳng giao (homogamy), Dị giao (heterogamy) và noãn giao (oögamy). Phương thức dinh dưỡng của tảo được chia ra thành 2 loại chính sau: quang tự dưỡng (photoautotrophy) và dị dưỡng (heterotrophy). Dạng trung gian của hai hình thức trên là tạp dưỡng (mixotrophy). 1.4. Ứng dụng của vi tảo Học viên: Nguyễn Thị Nhung 3 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp 1.4.1. Sử dụng vi tảo trong dinh dƣỡng của động vật và con ngƣời +/ Sử dụng vi tảo cho động vật Vi tảo có mặt khắp nơi trên trái đất, sự phổ biến như vậy nói lên vai trò quan trọng của tảo đối với hoạt động sống trong tự nhiên. Ý nghĩa vô cùng to lớn là chúng thông qua quá trình quang hợp giải phóng O2 cung cấp oxy hòa tan cho thủy vực, là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn của thủy hải sản có mặt trong thủy vực [8]. Tảo là một nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng cho người và vật nuôi do chúng có hàm lượng protein cao và giàu gluxit, lipit và vitamin như tảo lam Spirulina có đến 40- 60% protein, 25-35% gluxit, 10-15% lipit và nhiều loại vitamin nhóm B (B1, B6, B12), vitamin C, K. Các chủng Scenedesmus nuôi trồng ở quy mô lớn cũng đạt hàm lượng protein tới 50- 60%, Dunaliella chứa 50% protein, 20% carbonhydrat, 8% lipit. Các kết quả nghiên cứu về việc thử nghiệm bổ sung sinh khối của một số vi tảo như Chlorella, Scenedesmus, Spirulina vào khẩu phần thức ăn của gà với tỉ lệ 7,5-10 % là giải pháp có lợi cho kinh tế. Ví dụ như sinh khối tảo Spirulina chiếm 5% trong thức ăn của cá mè trắng, mè hoa, trắm cỏ, rô phi đã làm tăng tỉ lệ sống và tốc độ tăng trưởng của chúng. Những thí nghiệm bổ sung tảo tươi vào khẩu phần thức ăn của gà mái làm tăng tỉ lệ đẻ và hàm lượng vitamin A trong trứng [8]. +/ Sử dụng vi tảo cho con người Vào những năm gần đây việc sử dụng vi tảo làm nguồn dinh dưỡng cho người đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất và người tiêu dùng bởi chúng có giá trị dinh dưỡng cao và không có độc tố. Tảo lam Spirulina có chứa đồng thời các chất dinh dưỡng cần thiết nhất cho cơ thể: axit amin thiết yếu, vitamin, chất khoáng, chất xơ, một lượng lớn các hoạt chất sinh học - là các chất chống oxi hóa như phycocyanin, chlorophyll... Các chất này kết hợp với các thành phần dinh dưỡng trong tảo giúp hệ tiêu hóa của con người hoạt động tốt, hấp thu được tối đa nguồn thức ăn đưa vào cơ thể, làm cơ thể khỏe mạnh, lên cân một cách an toàn, hiệu quả, đồng thời giúp cơ thể thanh lọc tẩy độc, tăng cường hệ miễn dịch, chống lão hóa, ngăn ngừa được nhiều loại bệnh tật giúp Học viên: Nguyễn Thị Nhung 4 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp cơ thể trẻ đẹp tự nhiên. Nhưng hiện nay, việc sử dụng tảo làm nguồn thực phẩm còn gặp nhiều hạn chế vì giá thành sản xuất cao, thử nghiệm dinh dưỡng chưa đủ thuyết phục, thiếu kiểm tra chất lượng thường xuyên và thói quen sử dụng các loại thức ăn truyền thống của người tiêu dùng. Trong tương lai, vi tảo hứa hẹn là nguồn thực phẩm sử dụng phổ biến cho mọi gia đình. 1.4.2. Sử dụng vi tảo trong lĩnh vực y học Nhiều loài vi tảo cũng có thể được sử dụng như nguồn dược liệu quý. Sinh khối tảo Chlorella đã được đóng viên và sử dụng như một loại thức ăn bổ dưỡng. Tảo Spirulina chứa các axit amin cần thiết như lysin, threonin... rất quan trọng cho trẻ em, đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ. Trong tảo Spirulina có chứa nhiều loại chất chống lão hóa như β-caroten, axit γ-linoleic, vitamine E... Những chất này có khả năng loại bỏ gốc tự do thông qua tác dụng chống oxy hóa, làm chậm sự lão hóa của tế bào, đồng thời sắt và canxi có nhiều trong tảo vừa dễ hấp thụ vừa có tác dụng phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh thường gặp ở người già như thiếu máu, xốp xương. Spirulina có thể dùng hỗ trợ trong điều trị bệnh viêm gan B, bệnh nhân bị cholesterol máu cao và viêm da lan tỏa, bệnh tiểu đường, loét dạ dày tá tràng, suy yếu và viêm tụy, bệnh đục tinh thể và giảm thị lực, bệnh rụng tóc. Tảo cũng ức chế hoạt động của Cadida albicans, một loại nấm thường ký sinh trong đường ruột bệnh nhân AIDS. Hiện nay Spirulina còn được nghiên cứu in vitro để ngăn chặn sự tấn công của virut HIV [79]. Trong y học cổ truyền, một số tảo lớn như Kappaphycus và Eucheuma được sử dụng để làm giảm sự phát triển của các khối u, nhọt, đau đầu. Các loài Sagassum dùng để chữa bệnh bướu cổ hoặc bệnh hay ốm vặt do thiếu iốt. Ulva lactuca, Ulva reticulate là những loài phổ biến ở nhiều miền Trung và miền Nam Việt Nam được bán phổ biến để làm thuốc gia truyền [9]. 1.4.3. Sử dụng vi tảo làm phân bón sinh học Từ lâu các tảo lớn đã được sử dụng để làm phân bón cho đất giúp tăng độ phì nhiêu ở các vùng ven biển trên khắp thế giới. Dịch chiết rong tảo biển có tác dụng Học viên: Nguyễn Thị Nhung 5 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp làm tăng tính liên kết của nước và các thành phần khoáng trong đất. Chúng có vai trò sản sinh ra các polymer có tác dụng lưu giữ nước, các nguyên tố khoáng, khả năng cố định nitơ cho đất hay sinh ra các chất có hoạt tính sinh học. Sự cố định nitơ của vi tảo có vai trò rất quan trọng đối với sản xuất lúa ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Tảo lam cố định nitơ sống tự do hoặc cộng sinh đóng vai trò to lớn trong việc giảm thiểu phân bón cho đất, đặc biệt cho cánh đồng lúa. Có thể giảm lượng phân bón hoá học cho lúa tới 15% nếu dùng tảo lam cố định đạm. Trong mùa phát triển thích hợp, tảo lam có thể cố định được 20- 30 kg N2/ha. Mặt khác, tảo còn kích thích sinh trưởng của lúa thông qua các hoocmôn do chúng bài tiết ra môi trường [7]. Bên cạnh đó, nhiều loài rong biển (chủ yếu là tảo nâu) như Sargassum, Turbinaria được sử dụng làm phân bón sinh học trong trồng trọt một số loài cây và củ như: khoai lang, hành, tỏi và ngũ cốc. Trong những năm gần đây, sản xuất phân bón từ Sargassum đã phát triển nhanh chóng ở Việt Nam. Trong bối cảnh môi trường toàn cầu đang bị đe dọa do ô nhiễm môi trường thì việc dùng tảo làm nguồn phân bón trong sản xuất nông nghiệp hữu cơ có ý nghĩa hết sức thiết thực và thân thiện với môi trường, làm giảm thiểu đáng kể nguồn phân bón hóa học được xem như là một tác nhân góp phần vào ô nhiễm môi trường. 1.4.4. Sử dụng vi tảo trong xử lý nƣớc thải Nguyên nhân làm ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước là các kim loại nặng từ nước thải công nghiệp không qua xử lý. Ảnh hưởng độc hại của kim loại nặng rất lớn, ngay cả khi ở nồng độ rất thấp do chúng có độc tính cao và khả năng tích luỹ lâu dài trong cơ thể sống. Nhiều nguồn nước thải từ công nghiệp sản xuất giấy, acqui, sơn, xăng dầu, chế tạo máy, mỏ, mạ, thuộc da, phim ảnh...chứa kim loại nặng độc hại như Hg, Pb, Cd, Cr, Ni, Zn, Cu, As… Bên cạnh những phương pháp xử lý nước thải truyền thống như dùng hóa chất, lắng, lọc... thì hiện nay phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp thủy sinh thực vật cũng đã được áp dụng rộng rãi. Sử dụng một số loại thực vật dưới nước tiêu biểu là một số loại tảo để xử lý các loại nước thải độc hại như Spirulina, Aphanizomenon, Asterionlla, Chlamydomonas, Ceratium…. Học viên: Nguyễn Thị Nhung 6 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp So với các phương pháp xử lý nước thải truyền thống (như các quy trình xử lý bùn và các quy trình xử lý thứ cấp khác), việc sử dụng tảo để xử lý nước thải có những ích lợi quan trọng như sau: Là phương pháp có chi phí thấp để loại bỏ các hợp chất photphat cũng như các hợp chất nitơ và các mầm bệnh. Không tiêu tốn năng lượng mà lại sản xuất ra oxy cần thiết cho các vi khuẩn ưa khí. Sử dụng tảo là phương pháp hiệu quả để tiêu hóa chất dinh dưỡng trong nước thải và cung cấp oxy từ quá trình quang hợp cho các vi khuẩn ưa khí đồng thời giảm khí phát thải C02, giảm biến đổi khí hậu toàn cầu. Hơn nữa, các cơ sở xử lý nước thải bằng tảo sẽ tạo ra bùn là sinh khối tảo với hàm lượng năng lượng cao, có thể tận dụng để sản xuất phân bón hoặc nhiên liệu sinh học (NLSH) [112]. 1.4.5. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo Nguồn năng lượng mà chúng ta đang dùng chủ yếu xuất phát từ các nhiên liệu hóa thạch không tái sinh được như dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên. Việc đốt cháy nhiên liệu truyền thống làm gia tăng đáng kể lượng CO2 trong sinh quyển và gây hậu quả xấu đến môi trường. Một giải pháp hấp dẫn thay thế là sử dụng sinh khối tảo tạo ra thông qua quá trình quang hợp. Sinh khối này có khả năng tái tạo được và sử dụng chúng làm nguồn nhiên liệu không gây hiệu ứng tăng CO2 của khí quyển. Vi tảo có thể cung cấp một vài nguồn NLSH tái sinh khác nhau. Một số loài tảo được sử dụng để sản xuất methan thông qua quá trình lên men kỵ khí như: Scenedesmus spp. và Chlorella spp.; Scenedesmus spp., Chlorella spp., Euglena spp., Oscillatoria spp. và Synechcystis sp.; Hydroctyon reticulatum, Cladopphora glomerata và Anabaena sp... Bên cạnh đó còn có những tảo được sử dụng để sản xuất các nhiên liệu giàu năng lượng như sản xuất ethanol và dầu lửa từ glycerol như ở Dunaliella. Đa số các loài tảo sản xuất hydrocarbon, vi tảo Botryococcus braunii là loài sản xuất hydrocarbon điển hình với hiệu suất lớn tới 85% sinh khối khô (SKK). Việc sản xuất H2 ngoài ánh sáng được thực hiện ở nhiều loài tảo lục, tảo lam, tảo mắt và tảo đỏ. Tuy nhiên, các NLSH có nguồn gốc từ sinh khối vi tảo khó có thể thay thế hoàn toàn xăng dầu hoặc khí tự nhiên, nhưng cho dù chỉ giới hạn ở mức bổ sung nguồn nhiên liệu tự nhiên thì chúng vẫn có vai trò quan trọng trong Học viên: Nguyễn Thị Nhung 7 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp việc hạn chế gây ô nhiễm môi trường [11]. 1.4.6. Khai thác các hoạt chất từ vi tảo +/ Vitamin Nhiều vitamin hoà tan trong nước (Bl, B6, B12, Biotin, C) được khai thác chủ yếu trong dịch nuôi tảo lam, lục và silic. Hàm lượng vitamin trong sinh khối tảo phụ thuộc vào kiểu gen, chu trình sinh trưởng, điều kiện nuôi trồng và các thao tác di truyền. Hiện nay, ở Đài Loan và Nhật Bản các chủng tảo Chlorella và Porphyridium được nuôi trồng tạp dưỡng trong hệ thống kín để sản xuất vitamin [11]. +/ Axit béo không bão hòa Hàm lượng lipit trong sinh khối tảo dao động từ 20-40% SKK. Trong một số điều kiện nhất định, tảo có thể chứa lipit tới 85% SKK. Ở vi tảo, lipit là este của glyxerol, các axit béo mạch dài C14-C22. Một số chủng tảo lam Spirulia có số lượng axit béo không bão hòa khá cao chiếm đến 25-60% tổng số axit béo. Những axit béo mạch dài không bão hòa đa nối đôi được coi là rất quan trọng gồm các axit linolenic (C18:2), linoleic (C18:3), arachidonic (C20:4), eicosapentaenoic (C20:5) và docosahexaenoic (C22:6). Những axit béo này là thành phần rất quan trọng trong khẩu phần ăn của người và động vật. Tảo Spirulina platensis chứa tới 21% axit γlinolenic trong tổng số axit béo, trong khi Porphyridiumcruetum lại chứa axit arachidonic là chủ yếu (35% so với axit béo tổng số (total fatty acid – TFA)). Nhờ có hàm lượng protein và PUFAs mà một số vi tảo biển (như Skeletonema, Chaetoceros, Tetraselmis...) đã trở thành thức ăn sống không thể thiếu được cho ấu trùng một số thủy đặc sản [11]. +/ Chất chống oxy hóa Các chất chống oxy hoá có mặt trong sinh khối tảo gồm carotenoit, tocopherol, vitamin, superoxydismutase, catalaza, và glutation peroxydase. Các loài vi tảo như Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis và Porphyridium cruentum đang là nguồn khai thác chính các chất có hoạt tính sinh học cao như: ß- caroten, astaxanthin và superoxydismutase (SOD) [11]. Học viên: Nguyễn Thị Nhung 8 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp +/ Các hợp chất carbohydrate Vi tảo có chứa một lượng lớn carbohydrate dưới dạng các sản phẩm dự trữ (tinh bột, glycogen) hoặc các chất điều hoà thẩm thấu (glyxerol, trehalose, mannitol…). Ví dụ một số loài tảo lam có thể sản xuất trehalose, gucose, sucrose, glucosyl - glyxerol, một số vi tảo biển khác sản xuất các loại đường mannitol, mannose. Porphyridium cruentum, Prophyridium aerugineum và Chlamydomonas mexicana sản sinh các loại polysaccharit có độ nhớt rất cao có thể sánh với xanthane và khả năng kết đông với carrageenan. +/ Sắc tố Vi tảo có chứa nhiều loại sắc tố như chlorophyll (a, b, c1 và c2), phycobiliprotein và carotenoit. Người ta sử dụng khả năng huỳnh quang của các sắc tố này để đánh dấu kháng thể đơn dòng trong nghiên cứu miễn dịch và là một hướng rất có triển vọng ứng dụng nghiên cứu khoa học cơ bản và điều trị chữa bệnh. Mặt khác, phycocyanin và β- carotene có tác dụng nâng cao sức đề kháng với bệnh ung thư và khai thác như những chất màu thực phẩm. 1.5. Nuôi trồng tảo trong các hệ thống kín và hệ thống hở Các loài vi tảo giàu dinh dưỡng được sử dụng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi; làm nguyên liệu dược phẩm, mỹ phẩm…chủ yếu được nuôi trong các hệ thống bể nuôi hở (HTNH) ngoài trời như bể dài (raceways), bể nông (shallow ponds), bể nghiêng (cascade) [11]; cho nuôi quy mô lớn với dạng bể nuôi tròn hoặc dài, dịch tảo được khuấy bằng thiết bị guồng, chiều cao cột nước trong bể thường khoảng 15-50 cm. Hệ thống này được thiết kế để thu nhận ánh sáng tối ưu và có giá thành xây dựng thấp. Ưu điểm của các HTNH là thiết kế đơn giản và chi phí thấp nhưng có hạn chế là quản lý bể nuôi khó khăn vì các yếu tố sinh thái hay thay đổi, nhiệt độ phụ thuộc vào thời tiết, một lượng lớn nước bị bay hơi hoặc thêm vào do mưa và dễ bị lây nhiễm vi sinh vật và tảo khác. Vì vậy, nuôi trong HTNH từ lâu chỉ có hiệu quả cho một số đối tượng nuôi có pH môi trường nuôi là kiềm hoặc có độ mặn rất cao như Spirulina, Dunaliella, Chlorella...Rất khó có thể đánh giá được phương pháp nuôi cũng như hệ thống nuôi nào là ưu việt nhất bởi vì việc lựa Học viên: Nguyễn Thị Nhung 9 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp chọn hệ thống sản xuất còn phụ thuộc nhiều vào các loài tảo đích và các sản phẩm cần khai thác. HTNH thường có năng suất tối đa là 60-100 mg/L/ngày (tức là 10-25 gram/m2/ngày). Tuy nhiên, năng suất thu hoạch lại không ổn định và không thể duy trì quanh năm. Hệ thống nuôi kín (HTNK) đã ra đời và khắc phục được một số hạn chế của HTNH do chúng ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường. Có nhiều hình thức nuôi kín nhưng tất cả đều sử dụng các buồng chứa bằng nhựa hoặc thủy tinh trong suốt (thường là các túi dạng ống), sinh khối tảo được vận chuyển liên tục trong hệ thống nuôi và tảo được chiếu sáng đều. HTNK có chi phí cao hơn và cần đầu tư vốn nhiều nếu sản xuất với quy mô lớn, nhưng cho phép sản xuất một lượng lớn sinh khối tảo, dễ dàng kiểm soát chất lượng, có mật độ cao hơn, năng suất và chất lượng tảo tốt hơn nhiều so với HTNH. Ngoài ra, HTNK cho phép nuôi các loài tảo khó phát triển tốt trong HTNH. Tuy nhiên, hệ thống này lại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn HTNH do sử dụng ánh sáng nhân tạo, kỹ thuật xây dựng và duy trì hệ thống chạy cũng phức tạp hơn. Hiện nay đối với HTNK có 2 mô hình chính là: nuôi trong các túi nylon và hệ thống bể phản ứng quang sinh (hệ thống photobioreactor -PBR). Không giống như hệ thống bể hở dài, các HTNK cho phép nuôi trồng một loài vi tảo trong một thời gian dài. Các bể phản ứng quang sinh đã được sử dụng thành công để sản xuất sinh khối vi tảo với mật độ vi tảo tăng cao từ 10 đến 20 lần (thậm chí có thể lớn hơn) so với nuôi trong túi nylon. So sánh hiệu quả nuôi tảo trong 2 hệ thống này không phải dễ dàng vì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đối tượng tảo được chọn lựa để nuôi, phương pháp tính toán năng suất. Có rất nhiều dạng hệ thống kín khác nhau như hệ thống nuôi tảo được phân loại theo nguồn sáng tự nhiên, nhân tạo hoặc kết hợp cả hai. Các hệ thống nuôi với nguồn sáng tự nhiên gồm: bể nuôi hở, phiến phẳng, hệ thống ống nằm ngang hoặc uốn khúc có hệ thống đẩy khí và hệ thống ống nghiêng. Các hệ thống nuôi có nguồn sáng nhân tạo gồm: có sục khí (bubble column), hệ thống nuôi cuộn khí (airlift), bể Học viên: Nguyễn Thị Nhung 10 Khóa: 2015A Luận văn tốt nghiệp khuấy, ống nằm ngang, ống cuộn hình nón, và ống cuộn hình xuyến. Ngoài ra, cũng có thể phân chia HTNK theo dạng hình học và có ba dạng khác nhau như dạng hình phiến phẳng và các dạng biến thể như dạng mặt trụ hoặc khối cầu nhằm tận dụng ánh sáng và sự tuần hoàn bên trong được thực hiện nhờ dòng vận chuyển khí; hệ thống hình trụ có sục khí, một dạng biến đổi của loại hình này là hệ thống ống hình vành khuyên; và các hệ thống ống, bao gồm cả các ống xếp song song, xếp sole và ống cuộn. Tuy mỗi hệ thống nuôi đều có những ưu điểm và hạn chế song để lựa chọn hệ thống nuôi phù hợp cho từng loài tảo cần phải kết hợp nhiều các yếu tố như chi phí lắp đặt, hiệu quả sử dụng ánh sáng, hệ thống làm mát… Hiện nay, HTNK dạng ống (tubular photobioreactor) được sử dụng phổ biến nhất do chúng có diện tích chiếu sáng bề mặt lớn, phù hợp với cách nuôi ngoài trời, giá thành rẻ và năng suất sinh khối lớn, chi phí thấp. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số hạn chế như sự chênh lệch hàm lượng O2, CO2 dọc theo chiều dài của ống. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của tảo trong HTNK như nhiệt độ, ánh sáng, loại bơm, tốc độ dòng chảy, oxy và C02 hòa tan... Các phương pháp nuôi trồng khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất cũng như chất lượng sinh khối của các loài vi tảo biển nuôi trồng được... Chính vì vậy, chúng tôi đã tiến hành lựa chọn quy mô nuôi cấy, tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và theo dõi sự sinh trưởng của tảo khi được nuôi trong các hệ thống khác nhau. Do thành phần dinh dưỡng của tảo phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện nuôi trồng và trong đó, lipit là chỉ tiêu dinh dưỡng phụ thuộc mạnh nhất vào điều kiện nuôi trồng. Trong thành phần lipit thì thành phần và hàm lượng axit béo không bão hòa đa nối đôi cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi điều kiện nuôi trồng. II. KHÁI QUÁT VỀ AXIT BÉO 2.1. Axit béo 2.1.1. Khái niệm chung Các axit béo trong triglyxerit của dầu mỡ thường có mạch carbon không phân nhánh, có số carbon chẵn, bắt đầu từ axit có bốn carbon đến axit béo có 38 Học viên: Nguyễn Thị Nhung 11 Khóa: 2015A