khảo sát điều kiện trích ly β carotene từ chủng nấm men rhodotorula mucilaginosa

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.07 MB, 91 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

HOÀNG LAN THY

S K L 0 1 2 4 4 2

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 01/2024

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khố luận tốt nghiệp này, chúng tơi xin chân thành gửi cảm ơn đến quý thầy cô trong Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dạy và chia sẻ với chúng tôi trong thời gian thực hiện đề tài, tạo những điều kiện thuận lợi cho chúng tơi hồn thành khố luận này.

Đặc biệt, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phạm Khánh Dung là giảng viên hướng dẫn toàn bộ khóa luận đã tận tình giúp đỡ chúng tơi trong suốt q trình hình thành, nghiên cứu, hồn thành đề tài.

Đồng thời, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô ThS. Hồ Thị Thu Trang, giảng viên quản lý phịng thí nghiệm của bộ mơn đã tạo điều kiện, hỗ trợ nhóm chúng tơi trong suốt q trình thực hiện khóa luận.

Do kiến thức của bản thân còn hạn chế và thiếu kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung khóa luận khó tránh những thiếu sót. Chúng tơi rất mong nhận sự góp ý, chỉ dạy thêm từ quý thầy cô.

Cuối cùng, chúng tôi xin chúc quý thầy cô luôn thật nhiều sức khoẻ và đạt nhiều thành công trong công việc.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

1.1. Tính cấp thiết của đề tài ... 1

1.2. Mục tiêu nghiên cứu ... 1

1.3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của nghiên cứu ... 2

1.4. Nội dung nghiên cứu ... 2

1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ... 2

1.6. Bố cục bài báo cáo ... 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ... 4

2.1. Tổng quan về chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa ... 4

2.1.1. Đặc điểm về hình thái và sinh học ... 4

2.3.1. Các nghiên cứu trong nước ... 22

2.3.2. Các nghiên cứu ngoài nước ... 23

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 25

3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ... 25

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

3.3.2. Phương pháp phá vỡ tế bào và trích ly nhằm thu nhận β-carotene từ sinh khối

nấm men ... 30

3.3.3. Phương pháp quang phổ xác định hàm lượng β-carotene ... 32

3.3.4. Phương pháp phân tích ... 33

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ... 34

4.1. Ảnh hưởng của các loại acid hữu cơ đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa ... 34

4.2. Ảnh hưởng của nồng độ acid đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa ... 36

4.3. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa ... 38

4.4. Ảnh hưởng của các loại dung mơi đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 40

4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ sinh khối/ dung môi đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 42

4.6. Ảnh hưởng của số lần trích ly đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 44

4.7. Khảo sát khả năng tạo sản phẩm bột β-carotene để ứng dụng cho sản xuất ... 46

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 48

5.1. Kết luận. ... 48

5.2. Kiến nghị ... 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 49

PHỤ LỤC ... 60

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Khuẩn lạc nấm men R.mucilaginosa. ... 4

Hình 2.2: Cấu trúc của các loại carotenoid đặc trưng tổng hợp bởi R.mucilaginosa ... 5

Hình 2.3: Phân loại carotenoids. ... 12

Hình 2.4: Cấu trúc của một đơn vị Isoprene . ... 13

Hình 2.5: Cấu trúc của một số carotenoids phổ biến thuộc nhóm Carotenes ... 13

Hình 2.6: Cấu trúc của một số carotenoids phổ biến thuộc nhóm Xanthophylls ... 13

Hình 2.7: Sự khác nhau ở vị trí nối đơi giữa α-carotene và β-carotene ... 15

Hình 2.8: Các dạng đồng phân của β-carotene. ... 16

Hình 2.9: Sinh tổng hợp vitamin A từ β-carotene. ... 18

HÌnh 2.10: Sinh tổng hợp β-carotene ở nấm men ... 19

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình thu nhận β-carotene từ nấm mem R. mucilaginosa ... 27

Hình 3.2: Ni tăng sinh tế bào nấm men trong mơi trường YPD2. ... 28

Hình 3.3: Nuối cấy nấm men sinh tổng hợp β-carotene. ... 29

Hình 3.4: Môi trường nuôi cấy YPD10 sau 5 ngày. ... 29

Hình 3.5: Sinh khối khơ nấm men R. mucilaginosa thu được sau khi sấy thăng hoa... 30

Hình 3.6: Quá trình phá vỡ tế bào nấm men bằng acid và sóng siêu âm. ... 30

Hình 3.7: Q trình trích ly thu dung mơi chứa β-carotene. ... 31

Hình 3.8: Q trình đuổi dung mơi thu β-carotene dạng bột bằng bộ thổi khí làm khơ. ... 31

Hình 4.1: β-carotene thu được sau khi phá vỡ tế bào bằng các loại acid khác nhau. ... 34

Hình 4.2: Ảnh hưởng của các loại acid đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 35

Hình 4.3: β-carotene thu được sau khi phá vỡ tế bào trong các nồng độ acid khác nhau. ... 36

Hình 4.4: Ảnh hưởng của nồng độ acid đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 37

Hình 4.5: Các mẫu dung mơi sau trích ly trong thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng β-carotene. ... 38

Hình 4.6: β-carotene thu được sau khi phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm ở các mốc thời gian khác nhau. ... 39

Hình 4.7: β-carotene thu được sau khi phá vỡ tế bào trong các dung môi khác nhau. ... 40

Hình 4.8: Ảnh hưởng của các loại dung mơi đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 41

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Hình 4.9: β-carotene thu được sau khi phá vỡ tế bào trong các tỉ lệ sinh khối khô/ dung môi

khác nhau. ... 43

Hình 4.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ sinh khối khơ/dung mơi đến hàm lượng β-carotene trích ly từ chủng nấm men R. mucilaginosa. ... 43

Hình 4.11: β-carotene thu được sau 2 lần trích ly. ... 45

Hình 4.12: Hàm lượng β-carotene (μg/g tế bào khơ) thu được sau 2 lần trích ly. ... 45

Hình 4.13: Sản phẩm β-carotene sau khi đuổi dung mơi. ... 46

Hình 4.14: Mẫu trích ly ban đầu và mẫu hoàn nguyên. ... 47

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Hàm lượng carotenoid được tổng hợp từ một số loài vi sinh vật. ... 11 Bảng 2.2: Enzyme xúc tác trong các phản ứng sinh tổng hợp β-carotene ở nấm men; và các chú thích khác ... 19 Bảng 3.1: Danh sách các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu. ... 25

Bảng 3.2: Thành phần môi trường nuôi cấy sử dụng trong nghiên cứu. ... 26

Bảng 3.3: Danh sách các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu. ... 26 Bảng 3.4: Bảng thiết kế thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các loại acid hữu cơ, ... 32 Bảng 4.1: Hiệu suất thu hồi β-carotene... 47

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Carotenoids là một nhóm gồm các isoprenoid 40 carbon có khả năng hòa tan trong lipid cao, tồn tại rộng rãi trong trái cây, rau quả,... Các carotenoid có đặc điểm cấu trúc khơng bão hịa có hoạt tính chống oxy hóa mạnh từ đó giúp ngăn chặn q trình oxy hóa lipoprotein mật độ thấp và bảo vệ tế bào khỏi gốc tự do.

Hiện nay, β-carotene không chỉ được tổng hợp từ các nguồn tự nhiên như thực vật, tảo mà còn được tổng hợp từ vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men,... Việc khai thác carotenoids từ vi sinh vật đang ngày một được chú ý đến nhiều hơn, trờ thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Sử dụng vi sinh vật để sản xuất β-carotene có ưu điểm so với thực vật,… hơn vì tiết kiệm chi phí (ngun liệu, hố chất,…) và có thể dễ dàng mở rộng sang quy mơ cơng nghiệp hơn. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tơi thực hiện các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của điều kiện phá vỡ tế bào với acid hữu cơ kết hợp sóng siêu âm; loại dung môi tách chiết và tỉ lệ sinh khối khơ/dung mơi ảnh hưởng đến sự ly trích β-carotene từ chủng

nấm men Rhodotorula mucilaginosa, từ đó xây dựng một quy trình trích ly hiệu quả nhất,

giúp cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa nguồn lượng sản xuất β-carotene từ nấm men.

Chúng tôi đã chọn 3 loại acid hữu cơ là acid citric, acid lactic và aicd ascorbic cùng với 2 dung môi là ethanol, petroleum ether để tiến hành khảo sát với mẫu trích ly trong acetone là mẫu đối chứng. Các acid và dung mơi trên có tính thân thiện với mơi trường và đồng thời có hiệu suất trích ly carotenoid tốt nhằm giảm lượng dung môi cần sử dụng, giúp tối ưu hóa quy trình trích ly và đảm bảo sự bền vững trong việc khai thác carotenoid từ

nguồn nấm men R. mucilaginosa.

Nội dung nghiên cứu bao gồm: Khảo sát các điều kiện trích ly như: điều kiện phá vỡ tế bào với acid hữu cơ kết hợp sóng siêu âm; loại dung mơi trích ly và tỉ lệ sinh khối khô/

dung môi ảnh hưởng đến hàm lượng β-carotene thu được từ chủng nấm nem Rhodotorula

mucilaginosa ATCC® 66034™. Từ đó xác định các điều kiện tối ưu nhất theo hướng thân

thiện với môi trường đối với sự ly trích β-carotene từ chủng nấm men này.

Kết quả cho thấy q trình trích ly β-carotene từ R. mucilaginosa đạt được tối ưu với

điều kiện: phá vỡ tế bào bằng acid citric 3 M kết hợp siêu âm 30 phút; q trình trích ly hồn tồn trong ethanol 100 % với tỉ lệ sinh khối khô/ethanol là 1/50 g/mL. Hàm lượng β-carotene sau khi trích ly bằng điệu kiện trên thu được là 346.70 ± 4.23 µg/g tế bào khơ. Sản phẩm sau trích ly được xử lý sấy loại dung môi thu được β-carotene dạng bột có màu cam đỏ với hiệu suất thu hồi là 60.04 ± 2.62 %.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Vitamin A là một nhóm các chất hịa tan trong chất béo quan trọng với cơ thể, đặc biệt là thị lực, tăng trưởng, quá trình phân chia tế bào, sinh sản và hệ thống miễn dịch. Nguồn cấp vitamin A trực tiếp có trong các thực phẩm như thịt, cá, trứng, sữa và các thực phẩm có chứa hợp chất retinol, retinal và acid retinoic.

Các chất được cơ thể hấp thụ sau đó chuyển hóa thành vitamin A là các carotenoid, ví như α-carotene, β-carotene, β-cryptoxanthin,…chúng có nhiều ở các thực phẩm nguồn gốc thực vật. Thuật ngữ carotenoid dùng để chỉ một họ gồm khoảng 600 sắc tố khác nhau. Cũng như nhiều dưỡng chất thiết yếu khác, carotenoids mang lại những lợi ích cho sức khỏe, như tăng cường khả năng đề kháng, chống nhiễm khuẩn, bảo vệ tế bào trước các gốc tự do, bảo vệ da,…

Trong đó, β-carotene là loại quan trọng nhất. β-carotene có màu vàng, có nhiều trong cà rốt, bí đỏ, xoài, và các loại rau màu xanh đậm. Tuy nhiên, nguồn thực vật cung cấp carotene phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu, vị trí địa lý, mùa vụ và rất nhiều yếu tố khác.

Chính vì thế một nguồn cung cấp carotenoids khác tiềm năng hơn dần phát triển là từ vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, vi tảo,…Chúng ta có thể kiểm sốt được các yếu tố trong q trình ni cấy vi sinh vật, tách chiết như nhiệt độ, pH, thời gian, môi trường nuôi cấy, chủng giống,… để đạt được lượng carotenoids thu được hiệu quả nhất.

Vì vậy, hiện nay việc khai thác carotenoids từ vi sinh vật là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu của con người. Việc này nhằm nâng cao sức khoẻ, chất lượng cuộc sống con người, mở ra một mảng nghiên cứu cho ngành công nghệ thực phẩm nói riêng và các ngành nghiên cứu về sinh học nói chung. Do đó, đề xuất nghiên cứu và khai thác carotenoids ở vi sinh vật là một chủ đề không thể bỏ qua, mang lại lợi ích lớn cho cả con người và môi trường.

Từ những vấn đề trên, chúng tôi lựa chọn đề tài:“Khảo sát điều kiện trích ly

β-carotene từ chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa”.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát các điều kiện trích ly như: điều kiện phá vỡ tế bào với acid hữu cơ kết hợp sóng siêu âm; loại dung mơi trích ly và tỉ lệ sinh khối khô/ dung môi nhằm tìm ra những điều kiện tối ưu nhất theo hướng thân thiện với môi trường cho sự phát triển của nấm men có khả

năng sinh sắc tố β-carotene thuộc giống Rhodotorula và q trình từ trích ly đến đuổi dung

môi để thu tinh thể β-carotene .

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

1.3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của nghiên cứu

Nghiên cứu trích ly hợp chất β-carotene từ nguồn nguyên liệu sinh học là chủng nấm

men Rhodotorula mucilaginosa trong điều kiện phịng thí nghiệm sử dụng các dung môi và

acid hữu cơ thân thiện với môi trường.

1.4. Nội dung nghiên cứu

Để tiến hành khảo sát những điều kiện tối ưu nhất theo hướng thân thiện với môi trường cho sự phát triển của nấm men có khả năng sinh sắc tố β-carotene. Chúng tơi tiến hành các nội dung nghiên cứu sau:

- Khảo sát sự ảnh hưởng của một số loại acid hữu cơ có khả năng phá vỡ tế bào cho q trình trích ly β-carotene sau đó;

- Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ acid đến khả năng phá vỡ tế bào cho q trình trích ly β-carotene sau đó;

- Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến khả năng phá vỡ tế bào cho q trình trích ly β-carotene sau đó;

- Khảo sát sự ảnh hưởng của một số dung môi và tỷ lệ dung môi đến hàm lượng β-carotene sau khi trích ly;

- Khảo sát khả năng trích ly lần 2 cho hiệu suất trích ly tối đa.

- Khảo sát khả năng tạo sản phẩm bột β-carotene để ứng dụng cho sản xuất.

1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu tập trung vào các điều kiện tối ưu theo hướng thân thiện với môi

trường trong q trình trích ly β-carotene từ chủng nấm men R. mucilaginosa ATCC®

66034™ – một hợp chất màu tự nhiên đóng vai trị quan trọng trong đời sống. Mặc dù đã có nhiều loại carotenoid tự nhiên và tổng hợp, nhưng carotenoid được khai thác từ vi sinh vật vẫn đang thu hút được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Việc khai thác β-carotene từ vi sinh vật đóng vai trị đáng kể trong việc thu được các hợp chất có giá trị cao từ nguồn nguyên liệu sinh học.

Đề tài này mang kỳ vọng sẽ góp phần phát triển ngành cơng nghiệp chế biến thực phẩm, tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao từ nguồn nguyên liệu vi sinh vật. Đồng thời, nó hướng đến việc tìm ra các phương pháp hiệu quả và an toàn để khai thác và sử dụng β-carotene trong lĩnh vực này. Việc khám phá những quy trình tối ưu cho trích ly

β-carotene từ chủng nấm men R. mucilaginosa ATCC® 66034™ sẽ mang lại nhiều tiềm

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

năng ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dinh dưỡng, đồng thời đóng góp vào sự phát triển bền vững của nguồn tài nguyên sinh học.

1.6. Bố cục bài báo cáo

Bài báo cáo về đề tài “Khảo sát điều kiện trích ly β-carotene từ chủng nấm men

Rhodotorula mucilaginosa” của nhóm chúng tơi được trình bày thành 5 chương, gồm:

- Chương 1: Mở đầu; - Chương 2: Tổng quan;

- Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu; - Chương 4: Kết quả và bàn kuận;

- Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1. Tổng quan về chủng nấm men Rhodotorula mucilaginosa

Nấm men Rhodotorula mucilaginosa thuộc chi Rhodotorula, họ Sporidiobolaceae, bộ

Sporidiales, lớp Pucciniomycotina, ngành Basidiomycota và giới Fungi (Jack W. Fell và

cộng sự, 2000; Mycobank, 2022). Vào năm 1928, R. mucilaginosa đã được F.C. Harison đã

phân lập thành công và đặt tên.

2.1.1. Đặc điểm về hình thái và sinh học

Hầu hết các lồi Rhodotorula tạo ra các khuẩn lạc có màu từ hồng đến san hơ nhưng

cũng có thể có màu cam đến đỏ trên thạch Sabouraud do có sự hiện diện của sắc tố carotenoid. Kích thước khuẩn lạc khoảng 2 - 3 mm, bề mặt khuẩn lạc mịn, ẩm và đôi khi nhầy, chúng khơng có khả năng sinh bào tử. Chúng có dạng tế bào hình trịn hoặc hình bầu và sợi giả hiếm khi xuất hiện (Lanzafame M. và cộng sự, 2001).

Thuật ngữ “men đỏ” được sử dụng cho những lồi có thể tạo ra một lượng sắc tố carotenoid đáng kể và lipid nội bào, làm cho khuẩn lạc của chúng có màu cam, hơi hồng

hoặc đỏ (Mannazzu và cộng sự, 2015). Rhodotorula mucilaginosa là một trong những lồi

thuộc “men đỏ”, là loại nấm men có triển vọng trong ứng dụng công nghiệp cho những năm gần đây (Li và cộng sự, 2022).

Hình 2.1: Khuẩn lạc nấm men R.mucilaginosa (Li và cộng sự, 2022).

R. mucilaginosa thuộc nhóm sinh vật nhân chuẩn hoại sinh, chúng tồn tại ở trạng thái

đơn bào và khơng có sợi nấm, có hầu hết các đặc điểm của nấm men (Li và cộng sự, 2022).

Tế bào R. mucilaginosa không chỉ giàu chất dinh dưỡng thông thường như carotenoid,

protein và polysaccharides mà còn chứa các acid amin, acid béo khơng bão hịa, vitamin E, nucleotide và astaxanthin (Gupta, 2012).

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Các loài Rhodotorula phân bố rộng rãi trong tự nhiên và có thể được phân lập từ nhiều

nguồn khác nhau bao gồm khơng khí, đất, nước biển, thực vật, các sản phẩm từ sữa và mơi trường gia đình, thậm chí có thể được tách ra khỏi khu vực bị ô nhiễm hoặc các vi sinh vật nội sinh trong đất vùng rễ của thực vật (Ahearn DG và cộng sự, 1962; Saha và Seal, 2015).

2.1.2. Ứng dụng

2.1.2.1. Sinh tổng hợp sắc tố

Các thành phần carotenoid chính được R.mucilaginosa tổng hợp thường bao gồm

β-carotene, torulene và torularhodin (Sharma và Ghoshal, 2021).

Hình 2.2: Cấu trúc của các loại carotenoid đặc trưng tổng hợp bởi R.mucilaginosa (Li và cộng sự, 2022).

Tuy nhiên, các carotenoid (chủ yếu là lycopene và β-carotene) dùng cho thực phẩm hiện

nay chủ yếu được sản xuất công nghiệp bởi nấm mốc Blakeslea trispora (Shi và cộng sự, 2012; He và cộng sự, 2017). Mặc dù sản lượng carotenoid tổng hợp bởi R. mucilaginosa tương đối thấp so với B. trispora, nhưng việc sản xuất carotenoid cũng có nhiều ưu điểm hơn. Ví dụ, tốc độ tăng trưởng cụ thể của R. mucilaginosa cao và dễ dàng thu được một

lượng sinh khối tế bào đáng kể ở quy mô phịng thí nghiệm và quy mơ thí điểm (Dias Rodrigues và cộng sự, 2019; Banerjee và cộng sự, 2020).

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

2.1.2.2.Sinh tổng hợp chất béo

Sinh tổng hợp lipid diễn ra chủ yếu trong tế bào chất của tế bào nấm men, thông qua một chuỗi các quá trình enzyme chuyển đổi các cơ chất saccharide, glycerol hoặc acetyl-

CoA thành acid béo chuỗi dài. Hầu hết các acid béo được R. mucilaginosa tổng hợp là acid

oleic, acid palmitic và acid stearic (Liang và cộng sự, 2021).

Năng suất và hàm lượng lipid sinh tổng hợp từ R. mucilaginosa bị ảnh hưởng bởi nhiều

yếu tố như tỷ lệ Carbon/Nitrogen cao - yếu tố quan trọng giúp nấm men tích lũy lipid; độ pH; độ acid; thời gian nuôi cấy; nhiệt độ;… (Li và cộng sự, 2022). Hiệu suất lipid cao nhất ở tỷ lệ Carbon/Nitrogen là 65 (6.0 g/L, 46.7 %) (Liang và cộng sự, 2022). Acid béo khơng bão hịa cao nhất (63.4 %) thu được ở 15 °C với acid béo không bão hịa đơn là 31.38 % và acid béo khơng bão hòa đa là 32.02 % (Adel và cộng sự, 2021). Hàm lượng lipid tối đa là 69.5 % (trên trọng lượng tế bào khô) ở pH = 5.0 (Karatay và Donmez, 2010).

2.1.2.3.Sinh tổng hợp enzyme

Enzyme là chất xúc tác cực kỳ hiệu quả, ứng dụng của chúng có thể làm tăng đáng kể

hiệu quả và năng suất trong sản xuất quy mô công nghiệp (Hames-Schiffer, 2013).

R. mucilaginosa rất được quan tâm vì khả năng tổng hợp enzyme tự nhiên, có thể ứng

dụng trong nhiều ngành khác nhau, đặc biệt là trong sản xuất phenylalanine amoniac lyase,

endo-1,4-glucanase và lipase (Li và cộng sự, 2022).

L-phenylalanine amoniac-lyase (PAL; EC 4.3.1.24) là enzyme xúc tác quá trình khử amin L-phenylalanine thành các acid trans-cinnamic và amoniac. Loại enzyme này có mặt rộng rãi trong thực vật bậc cao và nấm men, đóng vai trò quan trọng trong chuyển hố phenylpropanoid. Nó là một con đường trao đổi chất thứ cấp hoạt động ở thực vật bậc cao và nấm men, chủ yếu liên quan đến các cơ chế bảo vệ (Koukol và Conn, 1961; Barros và Dixov, 2020). L-phenylalanine amoniac-lyase có thể được sử dụng để sản xuất chất làm ngọt không calo như aspartame (MacDonald và D'Cunha, 2007).

Endo-1,4-glucanase (EC 3.2.1.4, EGase), cellobiohydrolase, cellodextrinase và glucosi-dase xúc tác quá trình thủy phân cellulose thành cello-oligosaccharide hoặc glucose, cho phép sinh vật sử dụng cellulose làm nguồn carbon (Béguin và Aubert, 1994; Oikawa và cộng sự, 1998; Boyce và Walsh, 2007). Chuyển hóa cellobiose bằng EGase là yếu tố quan trọng giúp làm giảm sự tích lũy cellobiose và nâng cao hiệu quả của enzyme phân giải cellulose để sản xuất năng lượng sinh học (Li và cộng sự, 2022).

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

β-Lipase (triacylglycerol acyl hydrolase, EC 3.1.1.3) thuộc nhóm hydrolase, là các enzyme thủy phân triacylglycerol để giải phóng acid béo tự do và glycerol; có trong động vật, thực vật và vi sinh vật (Jensen, 1982; Ejedegba và cộng sự, 2007; Abolemonaem và cộng sự, 2011) được sử dụng phổ biến và nằm trong số các loại enzyme công nghiệp quan trọng nhất (Singh và Mukhopadhyay, 2012). Nhiều ứng dụng công nghệ sinh học của lipase đã được được mô tả trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chất tẩy rửa, dược phẩm, dầu

và mỡ (Barros và cộng sự, 2010). Các loài Rhodotorula được xem như là nguồn sản xuất lipase có nguồn gốc từ vi sinh vật, đã có báo cáo cho rằng R. mucilaginosa tạo ra lipase có

hoạt tính tối đa ở pH 4.0 và 5.0 (Li và cộng sự, 2022). Mặc dù lipase được sản xuất rộng rãi bằng nhiều loài động vật, thực vật và vi sinh vật, nhưng chỉ lipase có nguồn gốc vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn và nấm có ý nghĩa về mặt thương mại do tính ổn định, tính chọn lọc, tính đặc hiệu cơ chất rộng cũng như tính dễ dàng khai thác và tiềm năng cung cấp khơng giới hạn (Hammamchi và Cihangir, 2017). Ngồi ra chúng cịn có tính đa dạng trong hoạt tính xúc tác, năng suất cao và chi phí sản xuất thấp và ít sử dụng nguồn tài nguyên hơn nên vì vậy chúng được ưa chuộng hơn.

2.1.2.4.Kích hích tăng trưởng và bảo vệ thực vật

Chủng R. mucilaginosa JGTA-S1 là một loài nội sinh của thực vật sống ở khu vực bị ô

nhiễm kim loại nặng ở Ấn Độ, nó có thể hoạt động như một loại phân bón vi sinh vật và chế phẩm sinh học, nâng cao nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng và cung cấp nitơ, amoni nhờ khả năng cố định đạm sinh học của nó (Saha và Seal, 2015; Li và cộng sự, 2022).

R. mucilaginosa CAM4 có thể được sử dụng làm phân bón sinh học để sản xuất cây

trồng một cách lành mạnh và an toàn hơn. Tuy nhiên, việc ứng dụng R. mucilaginosa trong

nơng nghiệp vẫn cịn tương đối hiếm (Li và cộng sự, 2022).

R. mucilaginosa được sử dụng làm tác nhân kiểm soát sinh học chống bệnh thối thân ở

cây tiêu đen (Li và cộng sự, 2022).

Nghiên cứu trước đây đã tiến hành khảo sát tác dụng của R. mucilaginosa đối với hoạt tính đối kháng của nó đối với hai bệnh nấm sau thu hoạch trên dâu tây là Rhizopus stolonifer và Botrytis cinerea, gây bệnh thối rễ Rhizopus và nấm mốc xám. Các phát hiện cho thấy hoạt

động kiểm soát sinh học của nấm men được nâng cấp đáng kể khi nuôi cấy trong mơi trường có chứa chitosan vì nó nâng cao khả năng cạnh tranh dinh dưỡng và tạo ra các enzyme bảo vệ chống lại mầm bệnh nấm mốc của nấm men (Zhang và cộng sự, 2014).

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

2.1.2.5.Chất xử lý môi trường

Đối với xử lý nước thải, xử lý sinh học đã được chú ý đến nhờ quá trình xử lý chất thải tự nhiên bằng biến đổi sinh học (Singh và Pra-sad, 2014; Gavrilescu và cộng sự, 2015). Việc áp dụng các vi sinh vật có khả năng phân hủy kim loại nặng làm tác nhân xử lý sinh học để phục hồi sinh thái là một lựa chọn khả thi (Sun và cộng sự, 2020).

Việc xử lý ô nhiễm môi trường có thể được thúc đẩy tích cực bởi các vi sinh vật có mơi trường phát triển địi hỏi khiêm tốn và có khả năng chuyển hóa các chất gây ô nhiễm độc hại thành các chất không độc hại và ổn định, có thể đạt được mục đích phân hủy chất ô nhiễm và đáp ứng các nhu cầu phân hủy chất gây ô nhiễm (Zafar và cộng sự, 2007; Gavrilescu và

cộng sự, 2015). Việc ứng dụng R. mucilaginosa để giải độc kim loại nặng là một lựa chọn

tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường để xử lý các hệ sinh thái bị ô nhiễm.

2.1.2.6.Exopolysaccharides

Exopolysaccharides là những hợp chất polymer tự nhiên, exopolysaccharides từ chủng nấm men này ngày càng được phát triển và sử dụng nhiều hơn, chúng đã thể hiện các đặc tính trong chống oxy hóa, điều hịa miễn dịch, chống bức xạ, chống viêm, chống ung thư và chống mệt mỏi trong các nghiên cứu trước đây (Castro và cộng sự, 2014; Huang và cộng sự, 2017; Li và cộng sự, 2020).

2.1.3. Các caroteniod đặc trưng tổng hợp bởi chủng nấm men R. mucilaginosa

R. mucilaginosa có khả năng sinh tổng hợp các carotenoid đặc trưng, chẳng hạn như

β-carotene, torulene và torularhodin với nhiều tỷ lệ khác nhau và sản sinh β-carotene chiếm phần lớn (Simpson và cộng sự, 1964; Perrier và cộng sự, 1995).

2.1.3.1.β-carotene

β-carotene (C40H56, β) là một carotenoid hòa tan trong chất béo với hai nhóm retinyl và 11 liên kết đôi liên hợp. Cấu trúc phân tử này mang lại cho β-carotene khả năng chống oxy hóa tương đối mạnh (Watkins và Pogson, 2020; Burton và cộng sự, 2021). Mặc dù có hơn 500 loại carotenoid được biết đến, nhưng ß-carotene đặc biệt hơn ở chỗ mỗi phân tử có khả năng tạo thành hai phân tử retinol (vitamin A). Các carotenoid khác cũng có thể đóng vai trò là tiền chất của vitamin A, nhưng ở động vật có vú, chúng khơng thể tạo thành nhiều hơn một phân tử vitamin A. Do đó, trong số khoảng 50 carotenoid có hoạt tính tiền vitamin A, ß-carotene là carotenoid có hoạt tính sinh học tiền vitamin A lớn nhất (Godman, 1984).

β-carotene mang lại nhiều lợi ích về mặt sức khoẻ như cải thiện thị lực, tăng cường hệ thống miễn dịch và chức năng nhận thức, cũng như ngăn ngừa bệnh tim mạch vành và ung

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

thư (Jivan và cộng sự, 2022); ứng dụng trong thực phẩm (Burton và cộng sự, 2021; Hambly và cộng sự, 2021), phụ gia thực phẩm (Barbosa và cộng sự, 2021), mỹ phẩm (Borja- Martínez và cộng sự, 2020) và phụ gia thức ăn chăn nuôi (Mudronova và cộng sự, 2018). Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong thực phẩm, dược phẩm và thực phẩm chức năng cịn hạn chế do tính nhạy cảm với ánh sáng, nhiệt độ và oxy, cùng với khả năng hòa tan trong nước thấp, làm giảm khả năng hấp thụ của nó trong cơ thể (Xiao-Min Li và cộng sự, 2020).

2.2. Tổng quan về β-carotene

2.2.1. Tổng quan về carotenoids

Carotenoids là họ sắc tố hữu cơ tự nhiên đóng vai trị quan trọng trong đời sống được tìm thấy trong thực vật, tảo, nấm mốc, nấm men, vi khuẩn và một số cơ thể sinh vật quang hợp. Carotenoids được xem là dưỡng chất màu bởi có nhiều đặc tính tương tự như vitamin tạo ra màu vàng, da cam, đỏ có cả trong giới thực vật và động vật. Trong các thực vật, carotenoids được tìm thấy ở trong các lá cùng với chlorophyll trong hoa, quả và rau. Trong cơ thể động vật, carotenoids được hịa tan trong mỡ hoặc hóa hợp protein ở pha nước. Con người không thể tự tổng hợp carotenoid một cách tự nhiên, và do đó phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng từ chế độ ăn uống. Hiện có khoảng 850 carotenoids xuất hiện tự nhiên đã được báo cáo cho đến năm 2018 và chúng được chia thành 2 nhóm chính là xanthophyll và carotene (Maoka, 2020).

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

2.2.1.1. Lịch sử phát triển của carotenoids

Nghiên cứu sớm nhất về carotenoids là vào những năm đầu của thế kỷ 19: carotenoid được tìm thấy trong bột ớt (1817), nghệ tây (1818), điều (1825), cà rốt (1831) và lá rụng mùa thu (1837). Thêm nhiều phát hiện về carotenoids đã được đặt tên trong suốt những năm 1800 dù cấu trúc của chúng vẫn chưa được biết đến, trong đó năm 1827 thì Berzelius đã gọi sắc tố có màu vàng trong lá cây là xanthophylls. Năm 1906, Zwet đã thành công trong việc tách carotene, xanthophyll và diệp lục từ lá xanh bằng sắc ký cột. Sau đó, nhờ kinh nghiệm mà Willstatter và Mieg đã thiết lập được công thức của β-carotene (C40H56) vào năm 1907. Và cấu trúc này đã được giải thích, làm sáng tỏ bởi Karrer và Kuhn vào những năm 1930. Hơn nữa, họ còn phát hiện ra rằng β-carotene là tiền chất của vitamin A. Họ đã giành được giải thưởng Nobel về hóa học cho cơng trình này. Sau đó, cấu trúc của lutein, zeaxanthin và astaxanthin đã được nhóm của họ cơng bố. Những nghiên cứu về cấu trúc này dựa trên sự phân hủy oxy hóa của carotenoid bằng KMnO4 và các cấu trúc được phân tích bằng phân tích nguyên tố (Maoka, 2020). Mạch polyisopren ở nhiều sắc tố tận cùng bằng vòng ionon, một vài dạng thì mạch mở ra. Sự có mặt của nhóm vòng thơm trong cấu trúc carotenoids đã được xác định vào năm 1959.

Vào thập niên 1950, nhóm Zechmeister đã nghiên cứu q trình đồng phân hóa E/Z (cis–trans) của carotenoid (Maoka, 2020). Thời gian sau đó carotenoids đã được sinh tổng hợp để sử dụng như một chất màu thực phẩm. Năm 1954, Roche đã bắt đầu sản xuất thương mại carotenoids. Trong những năm 1970-1980, có rất nhiều những nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác định sự phù hợp của β-carotene sử dụng trong thực phẩm và hoạt động của nó trong cơ thể người. Và những năm đầu thập niên 80, β-carotene được đề nghị có thể hữu ích trong việc phịng chống ung thư và nó là một chất chống oxy hóa.

Kể từ khi Kuhn và Karrer làm sáng tỏ cấu trúc đầu tiên của β-carotene vào năm 1928–1930, khoảng 750 carotenoid xuất hiện tự nhiên đã được báo cáo cho đến năm 2004; khoảng 100 loại carotenoid tự nhiên đã được báo cáo từ năm 2004 đến 2018.

2.2.1.2. Nguồn cung cấp carotenoids

Các hợp chất carotenoids được tiếp tục tìm thấy và thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau. Chúng có thể được thu nhận từ nguồn tổng hợp hóa học (chiếm 70 – 80%) và nguồn tự nhiên (chỉ chiếm 20 – 30%).

Ở thực vật, carotenoid có nhiều trong các loại trái cây, rau quả. Tiêu biểu như trong cà rốt hàm lượng β-caroten đạt xấp xỉ 87 μg/g; quả gấc có chứa hàm lượng β-caroten khoảng

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

101.00 ± 38 μg/g và hàm lượng lycopene đạt khoảng 380.00 ± 71 μg/g; trong quả cà chua, hàm lượng β-carotene là 62.00 μg/g và hàm lượng lycopene đạt 114.40 μg/g (Aoki và cộng sự, 2002; Mụler, 1997).

Ở động vật, carotenoid góp phần tạo nên màu sắc rực rỡ được quan sát thấy trong bộ lông, da, vảy hoặc lông của nhiều loài động vật như ở các loài chim hay cá,... Đặc biệt là nhóm carotene có nhiều trong gan cá, nhất là gan cá thu và ở gan các loài động vật như gà, vịt, heo,... và ở một số lồi khác như cá, trứng, cơn trùng, gia cầm,... (Gross, 2012).

Các loại carotenoids còn được sản xuất bởi một số loài vi sinh vật, các loài này phổ biến từ vi tảo đến nấm men, nấm mốc hay vi khuẩn được thể hiện trong bảng 2.1 dưới đây:

Bảng 2.1: Hàm lượng carotenoid được tổng hợp từ một số loài vi sinh vật.

Rhodotorula graminis β-carotene 2.17 mg/L Buzzini và cộng sự, 2005

Phaffia rhodozyma Astaxanthin 4.7 mg/g Johnson & Carlos, 2011; Rodríguez-Sáiz, 2010.

Blakeslea trispora β-carotene 139 mg/L Wöstemeyer, 2005;

Choudhari & Singhal, 2008 Vi tảo

Haematococcus

pluvialis Astaxanthin 5% w/w dry Niizawa và cộng sự, 2021. Dunaliella salina β-carotene 12% w/w dry Masojídek & Torzillo,

2008.

Dunaliella bardawil β-carotene 51.750 mg/L Mogedas và cộng sự, 2009

2.2.1.3. Phân loại carotenoids

Carotenoids được chia làm 2 nhóm sắc tố chính là nhóm Carotenes – gồm các hợp chất hydrocacbon carotenoid (khơng chứa oxy) và nhóm Xanthophylls (chứa oxy):

Nhóm Carotenes: là mạch hydrocacbon không no; trong cấu tạo phân tử không chứa oxy; không tan trong nước nhưng có khả năng tan trong lipid và các dung mơi hữu cơ. Carotene có trong các loại rau quả như cà rốt, ớt chuông, gấc, quả mơ, bí ngơ, bắp cải, rau

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

spinach,... Đặc biệt trong quá trình sinh tổng hợp của Blakeslea trispora, R. mucilaginosa và R. glutinis sinh khối tạo thành chứa rất nhiều carotene. Một số carotene phổ biến như:

lycopene, β-carotene, ngồi ra cịn có α-carotene, γ-carotene,…(Gross, 2012).

Nhóm Xanthophylls: gồm các dẫn xuất carotene với nhóm chức có chứa oxy (như hydroxy, keto, epoxy, methoxy, các nhóm acid carboxylic), phổ biến nhất trong xanthophylls là nhóm hydroxyl (-OH) và nhóm keto (-C=O). Xanthophylls có màu sắc đa dạng, thường là màu vàng, cam, đỏ và nâu. Xanthophylls được tìm thấy rộng rãi trong thực vật và một số vi khuẩn. Một số xanthophylls phổ biến bao gồm lutein, zeaxanthin, violaxanthin, và neoxanthin (Gross, 2012).

Hình 2.3: Phân loại carotenoids (Olatunde và cộng sự, 2020). 2.2.1.4. Cấu trúc của carotenoids

Carotenoid là các hợp chất tetratecpen (C40H56) được hình thành bởi sự kết hợp của 8 đơn vị isoprene (Ludwiczuk và cộng sự, 2017). Carotenoid có cấu trúc là một mạch thẳng, 8 đơn vị 5-carbon isoprenoit liên kết nhau, và đối xứng qua trung tâm, có sự xen kẻ giữa các nối đôi và nối đơn. Một số carotenoid trong cấu trúc có chứa các vịng sáu cạnh, hoặc chứa thêm oxy như các gốc rượu, aldehyde, ketone, carboxylic, epoxy. Từ cấu trúc cơ bản này, hầu hết các carotenoid khác có thể được tạo ra thơng qua q trình hydrogenation, cyclization, oxidation hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của những quá trình này (Gross, 2012).

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Hình 2.4: Cấu trúc của một đơn vị Isoprene (Szmytkowski, C và cộng sự, 2016).

Hình 2.5: Cấu trúc của một số carotenoids phổ biến thuộc nhóm Carotenes (Butnariu, 2016).

Hình 2.6: Cấu trúc của một số carotenoids phổ biến thuộc nhóm Xanthophylls (Butnariu, 2016).

Bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, người ta đã xác định được vị trí nhóm CH3 và -CH2- trong phân tử. Nhóm –CH3 có quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân khác biệt với nhóm –CH2- được quyết định bởi sprin và prin của các proton trong hệ thống liên kết đôi xen kẽ. Phương pháp này đã cho phép xác định được cấu trúc của các nhóm tận cùng ở các carotenoid.

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

-2.2.1.5. Tính chất của carotenoids

Carotenoids thường kết tinh ở dạng tinh thể. Tinh thể carotenoids có nhiều dạng khác nhau và kích thước của chúng cũng rất khác nhau: dạng hình kim dài (lycopen, 𝛿-carotene), hình khối lăng trụ đa diện (𝛼-carotene), dạng hình thoi (β-carotene), kết tinh vơ định hình (𝛾-carotene).

Nhiệt độ nóng chảy cao: carotenoids nóng chảy ở khoảng 130 – 220oC.

Carotenoids rất nhạy cảm với acid và chất chống oxy hóa, tuy nhiên thì chúng bền vững với kiềm.

Tính tan: Độ hịa tan thay đổi theo từng loại dung môi. Carotenoids là những chất béo

và do đó chúng tan trong các chất béo khác và trong các dung môi như aceton, ethanol, diethylether và chloroform,... (Gross, 2012).

Tính hấp thụ ánh sáng: Hầu hết các carotenoids được hấp thụ trong vùng nhìn thấy của

quang phổ, phần còn lại được truyền hoặc phản xạ ra ngồi làm cho chúng có màu sắc đặc trưng (màu càng đậm khi hệ thống dây nối càng dài) (Gross, 2012). Chuỗi polyene liên hợp đặc trưng cho màu thấy được của carotenoids. Dựa vào quang phổ hấp thụ của nó, người ta thấy khả năng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào nối đôi liên hợp, phụ thuộc vào nhóm C9, mạch thẳng hay mạch vịng, cũng như nhóm chức gắn trên vịng. Ngồi ra, dung mơi khác nhau có thể tạo ra các phổ hấp thụ khác nhau cho cùng một carotenoid. Mỗi carotenoid có một phổ hấp thụ ánh sáng UV-Vis đặc trưng với các đỉnh hấp thụ và bước sóng hấp thụ lớn nhất (𝜆max) riêng biệt. Chính vì vậy, phổ hấp thụ ánh sáng của mỗi loại carotenoid cho phép xác định và phân biệt chúng trong các hỗn hợp (Rodriguze và cộng sự, 2004). Khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh, chỉ cần 1 gam cũng có thể thấy bằng mắt thường.

Đặc tính sinh học: Khả năng ái lực cao với oxy là một trong những đặc tính quan trọng

của carotenoid. Điều này có nghĩa là carotenoid có khả năng tương tác mạnh với phân tử oxy và thường được sử dụng như chất chống oxi hóa. Ngồi ra, Cấu trúc polyene trong carotenoid cho phép chúng tương tác với phân tử oxy đơn bội, như các gốc tự do và các phân tử khác chứa liên kết đôi C=O (Krinsky, 2001) . Trong q trình này, carotenoid có thể cung cấp điện tử cho các phân tử oxy không ổn định, ngăn chặn q trình oxy hóa tổn hại đối với tế bào và cơ quan. Khả năng trên chính nhờ do cấu trúc carotenoid là hệ thống nối đôi liên hợp, xen kẽ nối đơn, nối đôi tạo chuỗi polyene. Tuy nhiên, chính cấu trúc đặc biệt này cũng làm cho carotenoid khơng bền với các điều kiện bên ngồi. Một số tác nhân ảnh hưởng đến độ bền màu của carotenoid như ánh sáng, nhiệt độ, phản ứng oxy hóa khử, tác dụng với ion

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

kim loại,… (Gross, 2012). Các tác nhân trên có thể tác động lên cấu trúc của phân tử carotenoid gây phá hủy cấu trúc polyene của chúng hoặc chuyển đổi thành các dạng đồng phân khác. Điều này dẫn đến các phân tử carotenoid bị mất màu. Các carotenoid tự do tạo màu kem, vàng, cam, hồng, đỏ tùy theo loại hợp chất, nguồn nguyên liệu, điều kiện nuôi trồng, thời tiết,... dạng caroteneoprotein tạo dãy màu từ xanh lá, tím, xanh dương và đen. Khi đun sôi sẽ chuyển sang màu đỏ cam do protein bị biến tính, phức hợp với carotenoid bị phá hủy, màu carotenoid trở lại bình thường.

2.2.2. Tổng quan về hợp chất β-carotene

β-carotene là một hợp chất isoprenoid thuộc nhóm carotene và là một sắc tố hòa tan trong chất béo được tìm thấy trong thực vật (Khachik và cộng sự, 1995) và vi sinh vật (EFSA, 2012) với cơng thức hóa học C40H56 (là một hydratcacbon chưa bão hịa; gồm 18 ngun tử C hình thành một hệ thống các liên kết đơn, đơi xen kẽ; có 4 nhóm CH3 mạch nhánh) và trọng lượng phân tử là 536.88 g/mol. β-carotene là một phân tử cân đối được cấu tạo do 1 chuỗi polylene và 2 vòng β-ionone ở 2 đầu, khi thuỷ phân cho 2 phân tử vitamin A. α-carotene có cấu trúc rất giống β-carotene, chỉ khác nhau ở vị trí nối đơi. Vì có 2 vịng β-ionone ở 2 đầu nên β-carotene có hoạt tính provitamin A mạnh nhất. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ tập trung vào β-carotene, chỉ một chút về 𝛼-carotene.

Hình 2.7: Sự khác nhau ở vị trí nối đôi giữa α-carotene và β-carotene (Maoka, 2020).

Trong cấu trúc hóa học của hợp chất β-carotene có 11 liên kết đôi xen kẽ với các liên kết đơn tạo thành chromophore làm cho β-carotene có màu đỏ hoặc cam. β-carotene tồn tại ở dạng tinh thể rắn (crystalline) trong các nguồn tự nhiên như các loại thực vật và trái cây.

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Khi xuất hiện ở dạng tinh thể, β-caroten có thể có màu đỏ đến nâu đỏ. Ngoài ra, β- caroten cũng tồn tại ở dạng tự do trong chất béo, và khi ở dạng này, nó thường có màu cam nhạt hoặc màu cam đỏ nhạt (Gul và cộng sự, 2015).

β-carotene tự nhiên gồm 2 dạng đồng phân. Phần lớn β-carotene tự nhiên tồn tại dưới dạng đồng phân all-trans, tuy nhiên thì một số lượng nhất định của β-carotene dạng cis cũng có mặt trong thực phẩm (Ma và cộng sự, 2008). Các đồng phân này đều có cơng thức phân tử giống nhau nhưng cách sắp xếp của chúng trong không gian ba chiều lại khác nhau. Các đồng phân như vậy thường có những đặc tính sinh hóa rất khác biệt. Hợp chất 9-cis beta-carotene là thành phần chống oxy hóa chủ yếu của β-carotene. Trong khi đó, loại β-carotene tổng hợp chỉ chứa loại đồng phần all-trans beta carotene có tính khơng ổn định, có khả năng chống oxy hóa rất thấp, khi tiếp xúc với oxy, ánh sáng và nhiệt độ cao ngay lập tức trải qua các q trình oxy hóa, chuyển đổi đồng phân thành dạng đồng phân cis.

Hình 2.8: Các dạng đồng phân của β-carotene (Chen và cộng sự, 2012).

β-carotene là carotenoid thuộc nhóm carotene, vì vậy chúng sẽ mang những tính chất chung của các carotenoid và của nhóm carotene.

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

2.2.2.1. Các phương pháp tách chiết β-carotene

Quá trình tách chiết β-carotene từ các loại trái cây, rau củ giàu carotenoid thường được thực hiện bằng cột sắc ký (Jing và cộng sự, 2012). Việc tách β-caroten dựa trên độ phân cực của hợp chất. Vì β-carotene có tính khơng phân cực, nó được tách bằng dung mơi không phân cực như hexane (Mercadante và cộng sự, 1999). Hầu hết các nhà nghiên cứu sử dụng hexane để chiết xuất và đo OD tại 450-460 nm (Kim & Gerber, 1988; Zhou và cộng sự, 1994). Đối với tảo, q trình chiết xuất β-caroten có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một lượng lớn dầu ăn và thực hiện q trình đồng hóa ở áp suất cao, giúp tăng cường hiệu suất chiết xuất β-caroten từ tảo. Các phương pháp chiết xuất khác cũng đã được sử dụng như chiết xuất CO2 siêu tới hạn (MacıasSánchez và cộng sự, 2005), chiết xuất bằng chất lỏng có áp suất (Herrero và cộng sự, 2006) và chiết xuất dung môi với các dung môi như hexan, aceton và ethanol (Gul và cộng sự, 2015).

Đối với vi sinh vật: Quá trình sản xuất carotenoid của vi sinh vật diễn ra trong tế bào, vì vậy để thu hồi carotenoid từ vi sinh vật, các tế bào cần được phá vỡ tạo điều kiện cho dung môi xâm nhập và hòa tan carotenoid. Hầu hết các phương pháp chiết xuất truyền thống đã sử dụng các quy trình dựa trên dung môi hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic solvent, VOC) làm chất hịa tan. Bên cạnh đó, trong vài năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các kỹ thuật thay thế mới và hiệu quả, đặc biệt là: (a) thay thế dung môi hữu cơ dễ bay hơi bằng các dung môi xanh hơn, sinh học tương thích và ít độc hơn, như chất lỏng siêu tới hạn, dung môi sinh học hoặc chất lỏng ion (Yara-Varón và cộng sự, 2017) và (b) giảm lượng dung mơi cần thiết thơng qua việc kết hợp q trình chiết xuất hóa học với các quy trình vật lý mới (như chiết xuất có sự của vi sóng và siêu âm) hoặc quy trình xúc tác sinh học (như chiết xuất có sự của enzyme).

2.2.2.2. Sinh tổng hợp vitamin A

Có thể nói β-carotene là tiền thân quan trọng nhất của vitamin A, chúng tuy khơng có đặc tính của vitamin A nhưng β-carotene có thể dễ dàng chuyển thành vitamin A. β-carotene là một phân tử cân đối được cấu tạo do 1 chuỗi polylene và 2 vòng β-ionone ở 2 đầu, khi thuỷ phân cho 2 phân tử vitamin A hay vitamin A (retinol) là 1/2 phân tử β-carotene. β-carotene được chuyển hóa thành vitamin A khi cơ thể cần. Vitamin A khi bị thừa thải sẽ bị đào thải ra ngồi, cịn β-carotene được dự trữ trong gan đến lúc cần thiết.

</div>