Nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng và tích lũy β carotene ở vi tảo dunaliella salina

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN THỊ THIỀM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA ÁNH SÁNG
ĐẾN SỰ SINH TRƢỞNG VÀ TÍCH LŨY β-CAROTENE
Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC THỰC NGHIỆM

Đà Nẵng – 2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN THỊ THIỀM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA ÁNH SÁNG
ĐẾN SỰ SINH TRƢỞNG VÀ TÍCH LŨY β-CAROTENE
Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA

Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
Mã số: 8420114

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC THỰC NGHIỆM

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trịnh Đăng Mậu

Đà Nẵng – 2022

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2
3. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................... 3
4. Bố cục đề tài .................................................................................................. 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VI TẢO DUNALIELLA SALINA ............................. 4
1.1.1. Hệ thống phân loại............................................................................... 4
1.1.2. Đặc điểm hình thái............................................................................... 4
1.1.3. Đặc điểm sinh thái ............................................................................... 5
1.2. Β-CAROTENE TRONG VI TẢO DUNALIELLA SALINA ................. 6
1.2.1. Đặc điểm của β-carotene ..................................................................... 6
1.2.2. Cấu trúc của β-carotene ....................................................................... 7
1.2.3. Cơ chế tích lũy carotenoid ở Dunaliella ............................................. 8
1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và tích lũy β-carotene ở vi
tảo Dunaliella salina ..................................................................................... 9
1.2.5. Vai trò của β-carotene ....................................................................... 13
1.3. ỨNG DỤNG CỦA VI TẢO DUNALIELLA SALINA TRONG ĐỜI
SỐNG ............................................................................................................. 14

1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DUNALIELLA SALINA ................ 15
1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 15
1.4.2. Nghiên cứu ở Việt Nam..................................................................... 20
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ................................................................................................... 23
2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................... 23
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 23
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 23


2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................... 23
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 23
2.3.1. Bố trí thí nghiệm ................................................................................ 23
2.3.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào ................................................. 27
2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng β-carotene ................................... 27
2.3.4. Phương pháp xác định cường độ ánh sáng ........................................ 28
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................. 28
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................... 29
3.1. ẢNH HƢỞNG CỦA PHỔ CHIẾU SÁNG ĐẾN SINH TRƢỞNG VÀ
TÍCH LŨY Β-CAROTENE Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA ........... 29
3.1.1. Ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến sinh trưởng ở vi tảo Dunaliella
salina ........................................................................................................... 29
3.1.2. Ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến tích luỹ β-carotene ở vi tảo
Dunaliella salina ......................................................................................... 33
3.2. ẢNH HƢỞNG CỦA CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐẾN SINH
TRƢỞNG VÀ TÍCH LŨY Β-CAROTENE Ở VI TẢO DUNALIELLA
SALINA .......................................................................................................... 36
3.2.1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến sinh trưởng ở vi tảo
Dunaliella salina ......................................................................................... 36
3.2.2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tích luỹ β-carotene ở vi tảo

Dunaliella salina. ........................................................................................ 39
3.3. ẢNH HƢỞNG CỦA CHU KỲ CHIẾU SÁNG ĐẾN SINH TRƢỞNG
VÀ TÍCH LŨY Β-CAROTENE Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA ..... 42
3.3.1. Ảnh hưởng của chế độ chiếu sáng đến sự sinh trưởng ở vi tảo
Dunaliella salina ......................................................................................... 42
3.3.2. Ảnh hưởng của chu kỳ chiếu sáng đến khả năng tích lũy β-carotene ở
vi tảo Dunaliella salina ............................................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 48
1. Kết luận ....................................................................................................... 48
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 50


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Cộng sự

Cs

12h sáng : 12h tối

12S:12T

18h sáng : 8h tối

18S:8T

24h sáng : 0h tối

24S:0T

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình

Tiêu đề

Trang

1.1.

Hình thái tế bào Dunaliella salina trong các điều kiện nuôi cấy
khác nhau. A) Tế bào màu xanh trong môi trường không
stress; B) Tế bào bị stress chuyển sang màu cam; C) Tế bào da
cam tích lũy β-carotene (Ramos và c.s., 2009)

5

1.2.

Cấu trúc hóa học của β-carotene

7

1.3.

Cấu trúc các đồng phân của β-carotene

8

3.1.

Tốc độ sinh trưởng trung bình của vi tảo D. salina
ở các phổ ánh sáng khác nhau.

29

3.2.

Mật độ tế bào vi tảo D. salina ở các phổ ánh sángkhác nhau.

30

3.3.

Hàm lượng caroten tích luỹ được ở các phổ ánhsáng khác
nhau.

33

3.4.

Năng suất β-carotene của vi tảo D. salina ở cácphổ ánh sáng
khác nhau.

34

3.5.

Tốc độ sinh trưởng trung bình của vi tảo D. salina
ở các cường độ ánh sáng khác nhau.

36

3.6.

Mật độ của vi tảo D. salina ở các cường độ ánhsáng khác
nhau.

37

3.7.

Hàm lượng β-carotene tích luỹ được ở các cườngđộ ánh sáng
khác nhau.

39

3.8.

Năng suất β-carotene của vi tảo D. salina ở cáccường độ ánh
sáng khác nhau.

40

3.9.

Tốc độ sinh trưởng trung bình của vi tảo D. salina
ở các chu kỳ chiếu sáng khác nhau.

42

3.10.

Mật độ của tảo D. salina ở các chu kỳ sáng tốikhác nhau.

43

3.11.

Hàm lượng β-carotene ở các chu kỳ chiếu sángkhác nhau.

45

3.12.

Năng suất β-carotene của vi tảo D. salina ở cácchu kỳ chiếu
sáng khác nhau.

46


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Tiêu đề bảng

Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của phổ ánh sáng
Bảng 2.2

Thông số và tần suất theo dõi ảnh hưởng của phổ ánh

sáng

Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ ánh sáng
Bảng 2.4

Thông số và tần suất theo dõi ảnh hưởng của cường độ
ánh sáng

Bảng 2.5 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của chu kỳ chiếu sáng
Bảng 2.6

Thông số và tần suất theo dõi ảnh hưởng của chu kỳ
chiếu sang

Bảng 3.1 Mật độ tế bào D. salina ở các phổ ánh sángkhác nhau

Trang
24
24
25
26
26
27
31

Bảng 3.2

Hàm lượng β-carotene và năng suất sản xuất β-carotene
của vi tảo D. salina ở các phổ ánhsáng khác nhau

34

Bảng 3.3

Mật độ tế bào D. salina ở các cường độ ánhsáng khác
nhau

38

Bảng 3.4

Hàm lượng β-carotene và năng suất sản xuất β-carotene
của vi tảo D. salina ở các cường độ ánh sáng khác nhau

41

Bảng 3.5

Mật độ tế bào D. salina ở các chu kỳ ánhsáng khác
nhau

43

Bảng 3.6

Hàm lượng β-carotene và năng suất sản xuất β-carotene
của vi tảo D. salina ở các chu kỳ ánh sáng khác nhau

46

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
β-carotene là đồng phân quan trọng của carotenoid, thuộc nhóm các sắc tố
hữu cơ tự nhiên. β-carotene có thể chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể và
được xem là tiền chất tốt nhất của vitamin A trong các loại carotenoid. Nhiều
nghiên cứu đã cho thấy rằng β-carotene là một sắc tố tự nhiên có khả năng
chống oxy hóa rất cao, kích thích tế bào miễn dịch, phối hợp với các chất chống
oxy hoá khác như vitamin C và vitamin E làm giảm các nguy cơ nhiễm trùng,
làm chậm q trình lão hóa, giảm tác hại của ánh sáng mặt trời, cũng như giảm
nguy cơ một số bệnh về tim mạch và ngăn ngừa một số bệnh ung thư (Huỳnh
Hiệp Hùng & cs., 2013). Trong những năm gần đây, khi thu nhập của người dân
đã được cải thiện và họ rất quan tâm đến việc chăm sóc sức khoẻ cho bản thân
nên sự gia tăng nhu cầu sử dụng carotenoid cho việc chăm sóc sức khỏe, mỹ
phẩm hay dược phẩm (Lamers & cs., 2008; Tsai & cs., 2012) từ các nguồn tự
nhiên là rất lớn nên đã thúc đẩy nhiều nỗ lực để cải thiện sản xuất β-carotene từ
các nguồn sinh học, do đó mở ra cơ hội phát triển các chủng vi tảo có khả năng
sản xuất hợp chất này.
Dunaliella salina được xem là nguồn sản xuất β-carotene tự nhiên tốt nhất
có giá trị kinh tế cao, chiếm tới 14% trọng lượng khô (Jin & Melis, 2003).
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng quá trình sinh trưởng và sinh tổng
hợp β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng
độ muối, điều kiện dinh dưỡng, cường độ ánh sáng hay chế độ chiếu sáng, các
phổ ánh sáng và các nguyên tố vi lượng. Để thu được β-carotene đảm bảo về
mặt chất lượng và số lượng thì các nhà khoa học tập trung nghiên cứu phát
triển cả về mật độ lẫn tăng cường tích lũy β-carotene (Mojaat & cs., 2008; Zhe
Wu & cs., 2016; Hamed & cs., 2020). Trên thế giới, việc làm tăng tích lũy βcarotene trong sinh khối của D. salina đã được nghiên cứu trên quy mơ phịng
thí nghiệm và sản xuất thương mại (Hejazi & Holwerda, 2004).

2

Võ Hồng Trung và cộng sự đã nghiên cứu kết hợp cường độ ánh sáng với
nồng độ H2O2 và nồng độ muối cho tích lũy hàm lượng carotenoid cao (Võ
Hồng Trung, Bùi Văn Lệ, 2018). Một nghiên cứu của Xu & cs (2019) cho rằng
ánh sáng đỏ có thể có giá trị công nghiệp như một nguồn sáng tiết kiệm năng
lượng để sản xuất carotenoid bởi D. salina.
Theo nghiên cứu của Xi Y & cs (2000) cho rằng sự tích lũy β-caroten có sự
khác nhau dưới các chế độ ánh sáng khác nhau, ánh sáng mạnh theo định kỳ sẽ
thuận lợi hơn cho sự tích tụ β-carotene, hơn là ánh sáng mạnh liên tục. Như
vậy cường độ ánh sáng cao và phổ ánh sáng khác nhau có vai trị quan trọng
trong việc tích lũy β-carotene ở tế bào tảo. Trong nước, các hướng nghiên cứu
về lồi này vẫn cịn hạn chế bởi các chủng giống của loài này chưa phong phú
và đa số đều tìm hiểu ảnh hưởng của nồng độ muối đối với tích lũy β-caroten ở
vi tảo D. salina.
Ngoài ra, việc khảo sát và tối ưu các yếu tố ánh sáng là một việc làm cần
thiết để lập nên một quy trình ni cấy tối ưu cho năng suất sinh khối và hàm
lượng β-carotene cao. Phổ ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ chiếu sáng
được coi là những yếu tố quan trọng trong việc kích thích khả năng tổng hợp β carotene của vi tảo. Dựa trên những cơ sở này, tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu
ảnh hưởng của ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo
Dunaliella salina”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Đánh giá được vai trò của ánh sáng trong q trình sinh trưởng và tích lũy
β-carotene của vi tảo D. salina.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Xác định được phổ chiếu sáng tối ưu cho sự sinh trưởng và tích lũy βcaroteneở vi tảo Dunaliella salina.
- Xác định được cường độ ánh sáng tối ưu cho sự sinh trưởng và tích

lũyβ-carotene ở vi tảo Dunaliella salina.


3

- Xác định được chế độ chiếu sáng tối ưu cho sự sinh trưởng và tích
lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina.
3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Cung cấp những dẫn liệu khoa học trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của
ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy β-carotene ở chủng vi tảo D. salina.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Ứng dụng vào sản xuất β-carotene ở quy mô cơng nghiệp có giá trị thương
mại cao từ chủng vi tảo D. salina.
4. Bố cục đề tài
Đề tài có bố cục 3 chương:Mở đầu
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Đối tượng, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Kết luận và kiến nghị


4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VI TẢO DUNALIELLA SALINA
1.1.1. Hệ thống phân loại
Phân loại khoa học
Ngành (phylum) Chlorophyta
Lớp (class) Chlorophyceae

Bộ (ordo) Chlamydomonadales
Họ (familia) Dunaliella Ceae
Chi (genus) Dunaliella
Lồi (species) Dunaliella salina
1.1.2. Đặc điểm hình thái
Tế bào của lồi tảo này có nhiều hình dạng khác nhau như hình elip, hình
trịn, hình quả lê… sự khác biệt về hình dạng phụ thuộc vào điều kiện dinh
dưỡng và cường độ ánh sáng (Mansour Shariati & Hadi, 2011). Kích thước
chiều dài từ 5 – 25 μm và chiều rộng 3 – 15 μm (Hosseini Tafreshi & Shariati,
2009). D. salina di chuyển bằng 2 roi, khơng có thành polysaccharide cứng mà
chỉ được bao bọc bởi lớp glycoprotein nhầy gọi là glycocalyx (Borowitzka &
Borowitzka, 1988). Tế bào có lục lạp lớn được bao bọc quanh bằng tinh bột, nó
có thể chứa một lượng lớn carotenoid là cho tế bào có màu cam mà khơng phải
màu xanh như bình thường. D. salina khơng có vách giúp tế bào có thể nhanh
chóng thay đổi thể tích tế bào để đáp ứng với những thay đổi áp suất thẩm thấu
ngoại bào (Ben-Amotz & Avron, 1990).
Dunaliella có hai tiên mao dài ngang nhau và một lục lạp hình chén. Lục
lạp này có thể đựng β-carotene, mà sinh vật này màu đỏ-cam. β-carotene che
chắn chúng khỏi tia tử ngoại mà D. salina phải phơi mình ra trong mơi trường
sống. D. salina có nhiều hình dạng, tùy vào điều kiện môi trường hiện tại của
chúng (Borowitzka, 2016).
D. salina có thể sinh sản vơ tính hay sinh sản hữu tính (bằng cách hợp nhất


5

hai giao tử thành hợp tử) dù D. salina sống sót trong nước mặn. Martinez xác
định rằng hoạt động sinh sản của D. salina giảm đáng kể trong điều kiện độ mặn
>10%. Hoạt động sinh sản hữu tính bắt đầu khi hai tiên mao của D. salina chạm
nhau dẫn đến sự hợp giao tử. Bào tử D. salina chống chịu tốt, sống sót cả trong

nước ngọt lẫn khi thiếu nước. Sau khi nở, 32 tế bào con đơn bội chui ra từ hợp
tử (Lerche W. Arch f Protistenkd. 1937).

Hình 1.1. Hình thái tế bào Dunaliella salina trong các điều kiện nuôi cấy khác
nhau. A) Tế bào màu xanh trong môi trường không stress; B) Tế bào bị stress
chuyển sang màu cam; C) Tế bào da cam tích lũy β-carotene (Ramos & cs,
2009) (thước đo trên hình:10 μm).
Ở mơi trường với điều kiện ni cấy bình thường, tế bào tảo có màu
xanh nhưng vẫn có các giọt dầu chứa β-carotene làm tế bào dù có màu xanh
nhưng vẫn nhìn thấy những đốm nhỏ màu cam. Khi bị tác động bởi các yếu tố
vật lý như cường độ ánh sáng, nhiệt độ.., hay các stress môi trường như thiếu hụt
dinh dưỡng, độ mặn,... thì tế bào bắt đầu tích lũy nhiều β-carotene hơn bình
thường. Lúc này tảo vẫn cịn chuyển động được nhờ 2 roi và tế bào bắt đầu
chuyển sang màu cam nhiều hơn màu xanh. Tế bào có màu cam đậm khi tế bào
tích lũy lượng lớn β-carotene và lúc này tế bào bị mất roi, khơng chuyển động
và có hình trịn so với hình quả trứng ban đầu.
1.1.3. Đặc điểm sinh thái
Dunaliella salina là vi tảo lục, đơn bào, ưa mặn. Chúng có mặt ở các mơi


6

trường nước biển hay các cánh đồng muối trên thế khắp thế giới. Chúng hiện
diện ở đại dương lớn như Đại Tây Dương, Địa Trung Hải hay những nơi có độ
mặn cao (trên 15% muối), nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh (Jin & Melis, 2003).
Một số nơi tập trung nhiều loài Dunaliella như Biển Chết ở Israel, hồ Pink ở Úc
hay hồ muối lớn ở Utah, Mỹ (Ben-Amotz và cs, 1991).
Các nghiên cứu trước đây cho thấy chúng có thể thay đổi hình dạng và thể
tích của tế bào để thích nghi với sự thay đổi áp suất thẩm thấu ngoại bào. Nhờ
các hợp chất như glycerol giúp giữ độ ẩm cho tế bào, β-carotene giúp chống lại

cường độ ánh sáng cao nên D. salina được coi là sinh vật hiếm hoi có thể tồn tại
trong mơi trường khắc nghiệt với nồng độ muối cao (Nguyễn Thị Hải Thanh,
2014). Ngồi ra, chúng cịn chứa nhiều vitamin C và E. Các loài D. salina đã
được chứng minh là chịu được một phạm vi pH rộng (0 – 11), nhưng phạm vi
pH tốt nhất cho D. salina là 9 – 11. Ở độ pH cao, có nguy cơ cao về kết tủa và
hiện tượng keo tụ muối canxi trong sinh khối tảo, làm giảm lượng β-carotene
tích lũy (Abu-Rezq & cs., 2010). Phạm vi nhiệt độ thích hợp đối với sự phát
triển của hầu hết các vi tảo là 20 – 300C, nhưng D. salina có thể phát triển trong
phạm vi nhiệt độ từ 0 – 45oC.
1.2. Β-CAROTENE TRONG VI TẢO DUNALIELLA SALINA
1.2.1. Đặc điểm của β-carotene
Carotenoid có cấu trúc polyisoprenoid gồm 40 cacbon liên kết với nhau
bằng các liên kết đơn và liên kết đơi xen kẽ. Có đến 90% carotenoid trong thức
ăn của con người là β-carotene, α-carotene, lutein, lycopene và cryptoxanthin
(Gerster, 1997). Đồng phân quan trọng của carotenoid là β-carotene. β-carotene
có khối lượng phân tử là 536,9 g/mol, nhiệt độ nóng chảy từ 180 – 183oC. βcarotene được sinh tổng hợp từ Geranylgeranyl pyrophosphate (Lamers., 2008).
Việc tách β-carotene ra khỏi hỗn hợp các carotenoid khác dựa trên tính phân cực
của các hợp chất. β-carotene là một hợp chất không phân cực, vì vậy nó được
tách ra với một dung mơi khơng phân cực như hexan, chloroform, benzene; tan
ít trong dầu thực vật và hầu như không tan trong nước cũng như rượu. β-


7

carotene tự nhiên có màu vàng, da cam hoặc đỏ trong nhiều loại thực vật và trái
cây. Bên cạnh đó, hợp chất hữu cơ này cịn có thể được chiết xuất từ

loại tảo

như D. salina. Ngoài ra, β-carotene rất dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và nhiệt

độ cao. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ vai trị và ích lợi của β-carotene trên hệ
miễn dịch, ngăn ngừa nhiều loại ung thư, giảm tác hại của ánh nắng mặt trời và
giúp tiêu diệt các gốc tự do trong cơ thể nhờ khả năng chống oxy hóa mạnh.
Trong tự nhiên, β-carotene là tiền chất của vitamin A và khi vào cơ thể nó sẽ
chuyển hóa thành vitamin A. Q trình β-carotene chuyển hóa thành vitamin A
được kiểm sốt nên khơng tạo thành lượng dư vitamin A gây độc cho cơ thể.
1.2.2. Cấu trúc của β-carotene

Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của β-carotene (Rodriguez-Amaya, 2001).
β-carotene là một phân tử cân đối được cấu tạo do 1 chuỗi prolene và 2
vòng β-ionone ở 2 đầu, khi thuỷ phân cho 2 phân tử vitamin A. Chuỗi liên kết
dài sẽ tạo ra màu cam cho β-carotene.Trong tự nhiên, β-carotene tồn tại 2 dạng
đồng phân là cis và trans, trong khi tổng hợp bằng hóa học chỉ tạo ra được dạng
trans. D. salina chứa β-carotene tự nhiên tốt nhất với các đồng phân 9-cis(chiếm
41%), all-trans (42%), 15-cis (10%) và các đồng phân khác (7%). Loài vi tảo
này được xem là nguồn sản xuất β-carotene tự nhiên tốt nhất do chứa tỉ lệ cao
đồng phân 9-cis-β-carotene, được chứng minh là có hoạt tính chống oxy hóa tốt
hơn nhiều so với đồng phân all-trans-β-carotene (Rodriguez-Amaya, 2001).


8

Hình 1.3. Cấu trúc các đồng phân của β-carotene.
(Rodriguez- Amaya vàcs., 2001)
1.2.3. Cơ chế tích lũy carotenoid ở Dunaliella
Carotenoid là isoprenoid được tổng hợp bởi tất cả sinh vật quang hợp, một
số nấm và vi khuẩn không quang hợp (Cordero & cs., 2011). Hơn 750
carotenoids đã được xác định cấu trúc.
Ở các sinh vật quang hợp, carotenoid gắn với các protein màng thylakoid
nơi mà chúng tham gia vào hấp thụ ánh sáng và bảo vệ cho bộ máy quang hợp

chống lại những tổn thương quang oxy hóa (Cordero & cs., 2011).
Carotenoid là các sắc tố da cam, vàng hoặc đỏ được tổng hợp bởi tất cả các
quá trình quang hợp sinh vật thu ánh sáng và bảo vệ quang, và ổn định sắc tốprotein phức hấp thụ ánh sáng và trung tâm phản ứng quang hợp trong màng
thylakoid (Auldridge, 2006).
Quá trình sinh tổng hợp carotenoid trong các sinh vật quang hợp được thực
hiệnqua hai giai đoạn:
+ Sinh tổng hợp tiền chất isoprenoid (IPP).
+ Sinh tổng hợp carotenoids từ tiền chất IPP.
Carotenoid được tổng hợp đầu tiên là các tiền chất C5-terpenoid; isopentyl
diphosphate (IPP), hợp chất này sau đó chuyển thành geranyl diphosphate
(C20). Hai phân tử này kết hợp với nhau tạo thành phytoene sau đó tiếp tục khử


9

hydro tạo thành phytofluene, zeta-carotene và neurosporence để cho ra
lycopene. Tiếp theo đó là sự tạo vịng, sự khử hydro và sự oxy hóa để tạo ra các
carotenoid riêng biệt thường gặp trong tự nhiên, tuy nhiên có một số ít các hợp
chất được biết có sự chuyển hóa cấu trúc cuối cùng dẫn đến hình thành hàng
trăm các carotenoid khác nhau.
Một lượng lớn các chất biến dưỡng thứ cấp như isoprenoid hay terpenoid
gồmmột vài hợp chất có giá trị sinh học và kinh tế như carotenoid. Ở các sinh
vật quang hợp, isoprenoid được tổng hợp từ isopentyl diphosphate (IPP) và
dimethylallyl diphosphate (DMAPP) từ con đường mevalonate trong tế bào chất
(MVA) hoặc con đường 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate (MEP) trong lục
lạp (con đường khơng MVA hoặc 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate [DXP]). Ở
tảo lục chỉ có con đường MEP trong lục lạp cung cấp các tiền chất cho sinh tổng
hợp tất cả isoprenoid (Võ Hồng Trung, 2017).
1.2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sinh trƣởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo
Dunaliella salina

Ở vi sinh vật quang hợp, cường độ ánh sáng có ảnh hưởng quan trọng đến
quá trình trao đổi chất của tế bào và mức độ phát triển của vi tảo. Carotenoids và
chlorophylls là hai hợp chất sắc tố chính trong hầu hết các lồi vi tảo. Sự phổ
biến của chất diệp lục sẽ tạo ra quang phổ màu xanh lá cây, và vượt qua
carotenoid sẽ tạo ra màu đỏ. Một nghiên cứu chỉ ra rằng sự tích tụ của βcarotene bảo vệ tế bào chống lại các tác động có hại của việc hấp thụ cường độ
cao của quang phổ ánh sáng vùng xanh lam (Prieto & cs., 2011). Nhiều nghiên
cứu cho thấy cường độ ánh sáng không chỉ ảnh hưởng đến hàm lượng mà còn
ảnh hưởng đến chất lượng của β-carotene. Tỉ lệ đồng phân 9-cis/all-trans và
mức β-carotene phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà tế bào vi tảo gặp phải
trong quá trình tăng sinh (Gómez & González., 2005). Giảm cường độ ánh sáng
có thể làm tăng tỉ lệ đồng phân 9- cis/all-trans ở các loài D. salina khác nhau và
cường độ ánh sáng 10 klux mang lại kết quả tốt nhất trong việc tạo ra tỉ lệ βcarotene cao nhất (Abu-Rezq & cs., 2010).


10

Sự ức chế ánh sáng được tạo ra khi cường độ ánh sáng tới lớn hơn cường
độ ánh sáng cần để quang hợp bão hịa. Dunaliella tích lũy lượng lớn β-carotene
giúp tế bào vượt qua điều kiện ức chế ánh sáng và ức chế hoạt tính quang hơ hấp
cao dưới điều kiện ánh sáng xanh, trung bình dưới điều kiện ánh sáng trắng và
không tồn tại dưới điều kiện ánh sáng đỏ. Khi tiếp xúc với ánh sáng xanh cường
độ cao trình tự các sự kiện xảy ra như sau: quang hô hấp, quang phân hủy
carotenoid theo thứ tự 9-cis-β-carotene, all-trans-β-carotene, diệp lục tố và cuối
cùng là sự phá hủy tế bào (Ben‐Amotz & cs., 1989). Sự tích lũy các β-carotene
(tỷ lệ đồng phân 9-cis/all-trans) phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà tế bào
Dunaliella tiếp xúc trong một chu kỳ phân chia (Lers & cs., 1990). Tỷ lệ này cao
ở cường độ ánh sáng thấp (20 - 50 µmol photon/m2/s) hơn ở cường độ ánh sáng
cao (200 - 1250 µmol photon/m2/s) (Orset, 2000). Sự tích lũy của β- carotene và
tỷ lệ đồng phân của nó phụ thuộc nhiều vào cường độ ánh sáng và chất lượng
ánh sáng được sử dụng (Shaish & cs., 1992).

Ngồi các bước sóng nhìn thấy, bức xạ tia cực tím (UV) cũng ảnh hưởng
đến sự tích lũy β-carotene. Ánh sáng nhìn thấy gồm 9% tia UV gần (UV-A và
UV-B: 290 - 400 nm) tại bề mặt trái đất, trong đó UV-B được hấp thụ bởi
ozon ở tầng bình lưu cịn lại các tia UV-A chiếu đến trái đất. Quang hợp ở nhiều
loài thực vật phù du bị ức chế bởi các bức xạ UV tự nhiên, đặc biệt UV-A đã
được nghiên cứu. Khi bức xạ UV-A kết hợp với PPFD cao tỷ lệ carotenoid và
diệp lục tố trên protein tăng lên 80 – 310 % ( Jahnke, 1999). Trong điều kiện
tiếp xúc với UV-A trong 84 giờ kích thích sự gia tăng hàm lượng carotenoid
tổng, trong đó lutein và zeaxanthin tăng gấp 3 – 5 lần. Bức xạ UV-A có lợi thế là
ứng dụng dễ dàng nhưng trong các nuôi cấy hệ thống mở việc kiểm sốt nó sẽ
trở nên khó khăn (Senger & cs, 1993) .
Trong một nghiên cứu đã xác định sự tăng trưởng và tích lũy carotene của
lồi khác như Haematococcus pluvialis có bị ảnh hưởng bởi các phổ ánh sáng
khác nhau. Kết quả đã thể hiện rằng ở cùng một cường độ ánh sáng 2 klux,
cùng nhiệt độ sinh trưởng 25˚C chỉ khác nhau về phổ ánh sáng. Theo như kết


11

quả nghiên cứu phổ ánh sáng xanh kết hợp đỏ là phổ ánh sáng mà tảo đạt
ngưỡng tối ưu về mật độ tế bào và tốc độ sinh trưởng cụ thể là đạt ngưỡng 3,7 x
105 tế bào/L (Nguyễn Thị Trang & cs, 2018). Nhiều tác giả cho rằng S. platensis
đạt được sinh khối lớn nhất khi được nuôi dưới ánh sáng màu đỏ, thời gian duy
trì quần thể là một tuần. Võ Hồng Trung & cs, (2017) cũng cho rằng sự tăng
trưởng của Spirulina sp ở điều kiện ánh sáng đỏ cao hơn so với ánh sáng xanh
dương và trắng.
Trong nuôi trồng tảo công nghiệp, các điều kiện chiếu sáng như ánh sáng
liên tục hoặc chu kỳ sáng tối, độ dài của chu kỳ quang kỳ và cường độ ánh sáng
ảnh hưởng đến cả sự phát triển của vi tảo và thành phần sinh khối (Wahidin &
cs., 2013). Chiếu sáng liên tục trong hệ thống phản ứng quang sinh thường được

sử dụng để tối đa hóa sản lượng sinh khối tuy nhiên, năng lượng ánh sáng dư
thừa không thể chuyển đổi thành năng lượng hóa học sẽ gây ra tổn thương ức
chế quang hợp đối với bộ máy quang hợp của tảo và ức chế sự phát triển của tế
bào tảo (Baroli & Melis, 1998; Mulders & cs, 2014). Do đó, việc cung cấp các
khoảng thời gian sáng và tối thích hợp có thể là điều cần thiết cho cả sự sinh
trưởng của D. salina và sản lượng β-carotene đạt mục tiêu thương mại.
Sự tích lũy β-carotene ở vi tảo D. salina cịn phụ thuộc vào các điều kiện
mơi trường nuôi khác nhau như:
Độ mặn là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh

khối và sản sinh β-

carotene. Mối tương quan nghịch giữa sinh khối và hàm lượng β-carotene bằng
việc tăng giảm độ mặn trong môi trường nuôi cấy đã được đề cập (Pourkarimi &
cs., 2020). Để tích lũy β-carotene cần độ mặn cao, nhiệt độ cao và cường độ
chiếu sáng mạnh, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở độ mặn trên 27% NaCl D.
salina có thể tích lũy được lượng carotenoid lên tới trên 14% trọng lượng khơ
(Nguyễn Thi Hải Thanh và Ngơ Đăng Nghĩa, 2014).
Ngồi ra thành phần và lượng chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến cả sinh
trưởng và tích lũy β-carotene. Hàm lượng các đa lượng yêu cầu bắt buộc đối
vớisinh trưởng của tảo như nguồn nitơ, cacbon, photpho hay sulfur ảnh hưởng


12

rất nhiều đến tích lũy β-carotene. Nhiều nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của
nitơ đến tích lũy là mạnh nhất. Cạn kiệt nitơ cho hàm lượng β-carotene được
tích lũy cao nhưng lại làm hạn chế sinh trưởng của D. salina thậm chí cịn gây
chết tế bào (Bonnefond & cs., 2017).
pH của môi trường nuôi cấy là một trong những yếu tố mơi trường có ý

nghĩa ảnh hưởng đến q trình ni cấy vi tảo. Các lồi D. salina đã được chứng
minh là chịu được một phạm vi pH rộng (0 – 11), nhưng phạm vi pH tốt nhất
cho D. salina là 9 – 11. Ở độ pH cao, có nguy cơ cao về kết tủa và hiện tượng
keo tụ muối canxi trong sinh khối tảo, làm giảm lượng β-carotene tích lũy (AbuRezq & cs., 2010).
Sự phát triển và thành phần của các hợp chất quý giá do nhiều loài vi tảo
tạo ra đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Yếu tố này kích thích các thành phần nội
bào khác nhau bằng cách ảnh hưởng đến chức năng của các enzyme nội bào.
Phạm vi nhiệt độ thích hợp đối với sự phát triển của hầu hết các vi tảo là 20
– 300C, nhưng D. salina có thể phát triển trong phạm vi nhiệt độ từ 0 – 45oC.
Càng tăng nhiệt độ cũng làm tăng tích lũy hàm lượng β-carotene ở vi tảo D.
salina. Bên cạnh đó, Ben-Amotz nghiên cứu và cho thấy khi giảm nhiệt độ từ
30oC xuống cịn 10oC thì tỉ lệ các đồng phân quan trọng 9-cis và all-trans tăng
lên gấp 4 lần (từ 0,5 đến 2) (Ben-Amotz, 1996).
Các yếu tố vi lượng cũng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và tích
luỹ β-carotene. Sắt (Fe) là một trong những yếu tố vi lượng thiết yếu đóng vai
trị quan trọng trong các thành phần sinh hóa của tế bào do đặc tính oxy hóa khử
của nó và gắn liền con đường quang hợp, nhóm hoạt động trong phân tử
porphyrin và enzyme; thành phần của cytochromes và một số protein; là đồng
yếu tố cho một số phản ứng enzyme, phản ứng với oxy và nitơ (cố định N2,
hấp thu N, hệ thống quang), cytochrome oxidase, hơ hấp và dịng điện tử tuần
hoàn xung quanh PSI, phản ứng Mehler (sản xuất superoxide).
Đồng là các đồng yếu tố (cofactor) quan trọng của enzyme và có vai trị
quan trọng như chất truyền điện tử (Posudin & cs., 2010). Đồng được biết là có


13

vai trò trong chuỗi vận chuyển electron quang hợp của vi tảo sử dụng
plastocyanin metallo-protein (Hill & cs., 1996; Katoh & cs., 1961), trong hoạt
động PSI (Bishop, 1964) và chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp (Maldonado & cs.,

2006).
Mangan là một trong những vi chất cần thiết cho các loài sinh vật. Thiếu
hụt mangan sẽ ảnh hưởng đến lục lạp vì nó ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp
điện tử cần thiết cho q trình quang hợp. Mangan cịn vận chuyển electron
trong PSII, duy trì cấu trúc màng lục lạp, phản ứng phân hủy và những phản ứng
liên quan đến halogen (Cheniae & Martin, 1969; Teichler-Zallen, 1969).
Kẽm tham gia cấu tạo nên các enzyme, cấu trúc ribosome, sao chép và
trùng lặp acid nucleic, hydrate hóa và khử nước CO2, thủy phân các
estephotphat. Bên cạnh đó, các nguyên tố như cobalt hay kẽm tham gia vào các
quá trình trao đổi chất bên trong tế bào, cobalt là thành phần cấu tạo nên vitamin
B12 (Scott & cs., 1993), phản ứng chuyển C và H với glycol và ribose.
1.2.5. Vai trò của β-carotene
Các β-carotene được biết đến với khả năng chống oxy hóa cao. Do đó, vai
trị của carotenoid nổi bật nhất chính là khả năng chống lão hóa. Trong cơ thể
chúng ta luôn tồn tại các peroxide và superoxide. Chúng cùng với oxy đơn bội
và các gốc hydroxyl được biết đến là các gốc tự do gây ra q trình lão hóa của
cơ thể thông qua việc tác động đến lipid, protein và gây tổn thương ADN. Chính
q trình lão hóa này sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe như các bệnh
về tim mạch hoặc ung thư,...β-carotene có khả năng chống oxy hóa cao, giúp làn
da ln khỏe mạnh, tươi trẻ (Đặng Diễm Hồng & cs, 1998).
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng carotenoids chiết xuất từ vi tảo biển (βcarotene, lutein, alpha-carotene, zeaxanthin, fucoxanthin, lycopene và
neoxanthin) có thể có tác dụng tức thì đối với sự khơng tăng sinh của tế bào ung
thư (Orset & Young, 1999).
Raja cũng đã chỉ ra rằng β-carotene được chiết xuất từ D. salina làm giảm
mức cholesterol và lactate dehydrogenase. Vì thế, sử dụng rộng rãi nguồn có giá


14

trị này trong các sản phẩm thuốc chữa bệnh cho con người được mong đợi trong

tương lai gần (Raja & cs., 2007).
β-carotene giúp bảo vệ con người và động vật đã chống lại sự lão hóa thơng
qua hoạt động chống oxy hóa của nó (Dar vin & cs, 2011). Ngồi ra, β-carotene
là một nguồn chính vitamin A, khơng thể thiếu cho các chức năng của võng
mạc và ảnh hưởng đến nhiều loại mô bằng cách điều chỉnh biểu hiện gen (Von
Lining & cs, 2005).
β-Carotene là một carotenoid chính trong da và được làm giàu trong mô
này khi được bổ sung (Alaluf & cs., 2002). Các nghiên cứu can thiệp trên người
cho thấy tác dụng bảo vệ chống tia cực tím trung bình của β-carotene trên da
(Kưpcke & cs, 2008; Sies & cs, 2004). Trong hầu hết các nghiên cứu này, việc
hấp thụ nhiều β-carotene đã cải thiện một phần tình trạng cháy nắng hoặc ban đỏ
do tia cực tím (erythema solare), phản ứng chính của da sau khi tiếp xúc với tia
cực tím.
1.3. ỨNG DỤNG CỦA VI TẢO DUNALIELLA SALINA TRONG ĐỜI
SỐNG
Vi tảo Dunaliella salina là một cấu thành quan trọng của sinh vật phù du
(plankton), đóng vai trị trong việc duy trì và phát triển hệ sinh thái dưới nước
(Nguyễn Thị Thanh Hải, 2014). Tảo Dunaliella salina là thức ăn tươi sống đặc
biệt quan trọng cho sự phát triển ấu trùng của hầu hết các lồi tơm, cá, ốc và cho
các động vật phù du; tính ưu việt của vi tảo là không gây ô nhiễm môi trường,
cung cấp đầy đủ các vitamin, chất khoáng, vi lượng, đặc biệt là chúng chứa rất
nhiều loại axit béo không no. Chúng có giá trị dinh dưỡng rất cao và phạm vi
ứng dụng rộng rãi (Sena & cs.,1995).
Trên thế giới, mơ hình làm giàu β-carotene trong sinh khối của D. salina đã
được nghiên cứu trên quy mơ phịng thí nghiệm và sản xuất thương mại (Xi Y &
cs, 2000).
Viên nén được làm từ tảo D. salina có hàm lượng đạm, lipid, carbohydrate
tương đối cao, lại giàu β-carotene, do đó có tác dụng tăng cường sức khỏe, giúp