nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm giàu astaxanthin từ nấm men xanthophyllomyces dendrorhous ứng dụng sản xuất thực phẩm chức năng

LÃ MẠNH TUÂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
CHẾ PHẨM GIÀU ASTAXANTHIN TỪ NẤM MEN
XANTHOPHYLLOMYCES DENDRORHOUS ỨNG DỤNG
SẢN XUẤT THỰC PHẨM CHỨC NĂNG

LÃ MẠNH TUÂN

2017-2019

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

---------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẾ PHẨM
GIÀU ASTAXANTHIN TỪ NẤM MEN XANTHOPHYLLOMYCES
DENDRORHOUS ỨNG DỤNG SẢN XUẤT THỰC PHẨM CHỨC NĂNG

LÃ MẠNH TUÂN
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÃ SỐ: 8420201

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: BÙI KIM THÚY

HÀ NỘI - 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Đây là công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các
cộng sự khác;
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần đã
được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép
của các đồng tác giả;
Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm./.
Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2019
Tác giả

LÃ MẠNH TUÂN

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

TS. Bùi Kim Thúy, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch
- người đã định hướng, chỉ bảo những kiến thức khoa học, tận tâm giúp đỡ và động
viên tôi vượt qua những trở ngại và khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận
văn.
Ban Lãnh đạo và Thầy cô Khoa Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Mở
Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, cơ sở vật chất và giúp tôi hoàn thành
mọi thủ tục cần thiết trong quá trình làm học tập và nghiên cứu.
Sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các cô chú, anh chị, các bạn đồng nghiệp đã
và đang làm việc tại Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ STH.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè - những người đã luôn bên cạnh,
khuyến khích và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2019
Tác giả

LÃ MẠNH TUÂN

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
PHẦN 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 4
1.1. Giới thiệu chung về astaxanthin ........................................................................... 4
1.1.1. Đặc điểm chung................................................................................................. 4
1.1.2. Cấu trúc của astaxanthin ................................................................................... 5
1.1.3. Sinh tổng hợp astaxanthin ở nấm men X. dendrorhous .................................... 6
1.1.4. Các nguồn cung cấp astaxanthin ....................................................................... 8
1.1.5. Sinh hóa học của astaxanthin .......................................................................... 12
1.1.6. Đặc tính chống ô xy hóa của astaxanthin ........................................................ 13
1.1.7. Ứng dụng của astaxanthin ............................................................................... 13

1.2. Tổng quan về nấm men Xanthophyllomyces dendrorhous ................................ 16
1.2.1. Phân loại .......................................................................................................... 16
1.2.2. Phân bố ............................................................................................................ 17
1.2.3. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa .............................................................................. 17
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy nấm men X. dendrorhous .......... 17
1.3.1. Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng .......................................................... 17
1.3.2. Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy.................................................................. 18
1.4. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng astaxanthin trên thế giới ............. 19
1.4.1. Nghiên cứu về môi trường nuôi cấy nấm men ................................................ 19
1.4.2. Các nghiên cứu về quá trình lên men .............................................................. 22
1.4.3. Các nghiên cứu về quá trình tách chiết, thu hồi astaxanthin ........................... 25
1.5. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng astaxanthin tại Việt Nam ................ 26
1.6. Kết luận tổng quan ............................................................................................. 27
PHẦN 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 28
2.1 . Nguyên vật liệu nghiên cứu .............................................................................. 28
2.1.1. Chủng vi sinh vật ............................................................................................ 28
2.1.2. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất .............................................................................. 28
2.2. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng ................................................... 29
2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm ........................................................................ 29
iii


2.2.2. Phương pháp phân tích .................................................................................... 34
2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................... 35
PHẦN 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 36
3.1. Kết quả nghiên cứu xác định môi trường nhân giống và môi trường lên men
thích hợp cho nấm men X. dendrorhous sinh trưởng, phát triển .............................. 36
3.1.1. Kết quả lựa chọn môi trường nhân giống thích hợp ...................................... 36
3.1.2. Kết quả lựa chọn môi trường lên men thích hợp ............................................ 38
3.2. Kết quả nghiên cứu xác định các điều kiện lên men thích hợp cho quá trình lên

men sản xuất astaxanthin từ nấm men X.dendrorhous ............................................. 39
3.2.1. Kết quả nghiên cứu xác định nhiệt độ lên men thích hợp ............................... 39
3.2.2. Kết quả nghiên cứu xác định pH môi trường lên men .................................... 41
3.2.3. Kết quả nghiên cứu xác định ảnh hưởng của bổ sung cơ chất đến quá trình lên
men ............................................................................................................................ 42
3.3. Kết quả nghiên cứu xác định kỹ thuật thu hồi, tạo chế phẩm giàu astaxanthin . 44
3.3.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn dung môi tách chiết astaxanthin ...................... 45
3.3.2. Xác định nồng độ dung môi thích hợp cho quá trình tách chiết astaxanthin .. 46
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến khả năng chiết xuất astaxanthin.............. 47
3.3.4. Lựa chọn dung môi phá vỡ tế bào nấm men X. dendrorhous ......................... 48
3.3.5. Lựa chọn nồng độ axít thích hợp để phá vỡ tế bào nấm X. dendrorhous ....... 50
3.3.6. Xác định công suất sóng siêu âm thích hợp cho phá vỡ tế bào nấm men X.
dendrorhous .............................................................................................................. 51
3.3.7. Xác định thời gian đánh sóng siêu âm thích hợp để phá vỡ tế bào nấm men X.
Dendrorhous ............................................................................................................. 53
3.4. Kết quả nghiên cứu chế độ sấy chế phẩm astaxanthin ....................................... 54
3.4.1. Xác định nhiệt độ sấy phù hợp ........................................................................ 54
3.4.2. Xác định tốc độ bơm nhập liệu ...................................................................... 55
3.5. Đề xuất quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm giàu astaxanthin từ nấm men
X. dendrorhous, quy mô 50 lit/mẻ ............................................................................ 56
3.6. Phân tích, đánh giá chất lượng chế phẩm astaxanthin ....................................... 60

iv


PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 61
4.1. Kết luận .............................................................................................................. 61
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 63
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 70

v


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Nội dung

X. dendrorhous

Xanthophyllomyces dendrorhous

H. pluvialis

Haematococcus pluvialis

CFU

Colony forming unit

DMSO

Dimethyl sulfoxide

HPLC

High Performance Liquid Chromatography

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TPCN

Thực phẩm chức năng

SK

Sinh khối

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Nguồn cung cấp astaxanthin khác nhau ................................................... 11
Bảng 3.1. Khả năng sinh trưởng và sinh astaxanthin của nấm men X.dendrorhous ở
các môi trường lên men khác nhau ........................................................................... 39
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men đến sự phát triển của nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous và hàm lượng astaxanthin thu được .................... 40
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của pH môi trường lên men đến hàm lượng sinh khối và hàm
lượng astaxanthin ...................................................................................................... 41
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu suất thu hồi và chất lượng chế phẩm
astaxanthin ................................................................................................................. 55
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến hiệu suất thu hồi và chất lượng
chế phẩm astaxanthin ................................................................................................ 56
Bảng 3.6. Kết quả phân tích chỉ tiêu hóa lý của chế phẩm ....................................... 60
Bảng 3.7. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vi sinh vật của chế phẩm .................... 60
Bảng 3.8. Kết quả phân tích một số kim loại nặng của chế phẩm ............................ 60

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của Astaxanthin ............................................................. 4
Hình 1.2. Cấu trúc của Astaxanthin ............................................................................ 6
Hình 1.3. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở nấm men X. dendrorhous ............ 7
Hình 1.4. Phản ứng tổng hợp astaxanthin ................................................................... 9
Hình 1.5. Vị trí hoạt động của Astaxanthin trên màng tế bào .................................. 12
Hình 1.6. Tế bào nấm men Xanthophyllomyces dendrorhous .................................. 16
Hình 3.1. Ảnh hưởng của thành phần môi trường nuôi cấy đến khả năng phát triển
của nấm men X.dendrorhous..................................................................................... 36
Hình 3.2. Ảnh hưởng của thành phần môi trường nuôi cấy chứa dịch chiết thực vật
khác nhau đến khả năng phát triển của nấm men X.dendrorhous ............................ 37
Hình 3.3. Quá trình lên men không bổ sung glucose của nấm men X. dendrorhous....... 43
Hình 3.4. Quá trình lên men có bổ sung glucose của nấm men X. dendrorhous ............ 44
Hình 3.5. Ảnh hưởng của các loại dung môi đến khả năng trích ly astaxanthin ............. 45
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến khả năng chiết xuất astaxanthin ..... 47
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến khả năng chiết xuất astaxanthin ........ 48
Hình 3.8. Ảnh hưởng của loại dung môi đến khả năng phá vỡ tế bào nấm men X.
dendrorhous để trích ly astaxanthin .......................................................................... 49
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ axít lactic đến khả năng phá vỡ tế bào nấm men
X. dendrorhous để trích ly astaxanthin ..................................................................... 50
Hình 3.10. Ảnh hưởng của công suất sóng siêu âm đến khả năng phá vỡ tế bào nấm
men X. dendrorhous để trích ly astaxanthin ............................................................. 52
Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian đánh sóng siêu âm đến khả năng phá vỡ tế bào
nấm men X. dendrorhous để trích ly astaxanthin...................................................... 53
Hình 3.12. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm astaxanthin .................... 57

viii

MỞ ĐẦU
Carotenoid là một nhóm chất màu quan trọng có nhiều ứng dụng trong thực
tiễn dưới dạng chất màu thực phẩm, chất bổ sung trong thức ăn chăn nuôi, và được
sử dụng nhiều trong y tế, dược phẩm và công nghệ sinh học. Một số hợp chất
carotenoid tự nhiên và tổng hợp đã được thương mại hoá trên thị trường thế giới
gồm có β-carotene, lycopene, astaxanthin, canthaxanthin, lutein và capxanthin. Mặc
dù có đến hơn 600 loại carotenoid khác nhau đã được phát hiện là được sản sinh ra
bởi vi sinh vật nhưng chỉ có 3 chất được quan tâm và sản xuất thương mại thông
qua quá trình lên men vi sinh vật là β-carotene, lycopene và astaxanthin (Bhosale,
2004). Ba hợp chất này có nhiều chức năng sinh học như tạo màu sắc đặc trưng,
kháng oxi hoá, chống lại tia tử ngoại và là chất tiền hóc môn. Trong 3 hợp chất này
thì astaxanthin là hợp chất mới được biết đến với nhiều chức năng sinh học đối với
người và động vật. Astaxanthin là một chất chống oxy hóa rất mạnh (gấp 11 lần so
với β-carotene, hơn 500 lần so với vitamin E và 6000 lần so với vitamin C), có khả
năng ngăn ngừa ung thư và tăng cường khả năng miễn dịch của con người. Nhiều
nghiên cứu của Mỹ cho thấy ngoài lợi ích kháng oxi hóa, tăng khả năng miễn dịch,
astaxanthin còn có khả năng bảo vệ nơron thần kinh, làm chậm lại tác động của tuổi
tác, bảo vệ võng mạc, chống lại sự thoái hóa điểm vàng, giúp cải thiện tuần hoàn
máu và giảm huyết áp, phục hồi thể lực… Một số nghiên cứu của Nhật cũng chứng
minh rằng astaxanthin có tác dụng tích cực đối với da như giảm nếp nhăn, tăng độ
ẩm, độ đàn hồi cho da, bảo vệ da khỏi tác hại của tia cực tím. Là một chất chống ôxi
hóa, astaxanthin đem lại những lợi ích kháng viêm cực mạnh.
Từ lâu, astaxanthin được sử dụng nhiều trong các sản phẩm thức ăn chăn nuôi
cho thủy sản và gia cầm. Nhiều sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường
trong nhiều năm qua với thị phần tương đối lớn. Hiện nay, nhiều sản phẩm thức ăn
cho cá, tôm được làm từ astaxanthin tổng hợp bởi giá thành thấp hơn rất nhiều so với
sản phẩm từ tự nhiên. Tuy nhiên, những sản phẩm thực phẩm cho người chứa
astaxanthin thì mới bắt đầu được quan tâm trong thời gian gần đây bởi những quy

1


định ngặt nghèo và yêu cầu phải khai thác từ nguồn tự nhiên. Con người không thể tự
tổng hợp được astaxanthin mà phải sử dụng nó từ dinh dưỡng hàng ngày.
Trên thế giới, astaxanthin được tìm thấy trong tự nhiên từ nhiều nguồn khác
nhau như tảo, nấm men, cá hồi, tôm, vi khuẩn và lông của một số loài chim. Hiện
nay, đã bắt đầu có một số sản phẩm thực phẩm chức năng từ astaxanthin được lưu
thông trên thị trường của Mỹ và một số nước Châu Âu. Những sản phẩm
astaxanthin này chủ yếu được chiết xuất từ tôm trắng Bắc Cực và vi tảo
Haematococcus pluvialis. Việc sản xuất astaxanthin từ hai nguồn này phụ thuộc
nhiều vào nguồn nguyên liệu tự nhiên và đòi hỏi công nghệ phức tạp nên số lượng
sản phẩm không nhiều với giá thành rất cao. Cho đến nay, nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) là loài được biết đến có khả
năng sinh astaxanthin cao. Mặc dù hàm lượng astaxanthin có trong tế bào nấm men
thấp hơn ở tế bào vi tảo nhưng lượng sinh khối của nấm men lớn hơn và khả năng
nuôi cấy nấm men đơn giản hơn so với vi tảo. Astaxanthin được sản sinh ra bởi nấm
men là loại astaxanthin tự do không bị este hóa nên dễ hấp thu mà không cần phải
thủy phân trong hệ tiêu hóa của động vật. Hơn nữa, so với astaxanthin tổng hợp và
astaxanthin được sinh ra bởi vi khuẩn thì astaxanthin do nấm men sinh ra có cấu
trúc dạng 3R và 3R’ là nguồn astaxanthin quan trọng trong tự nhiên và sở hữu
những đặc tính sinh học có lợi.
Vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu quy
trình công nghệ sản xuất chế phẩm giàu astaxanthin từ nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous ứng dụng sản xuất thực phẩm chức năng.”
Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm giàu astaxanthin từ nấm
men Xanthophyllomyces dendrorhous ứng dụng cho sản xuất thực phẩm chức năng.
Nội dung nghiên cứu

-

Xác định được môi trường nhân giống và lên men thích hợp cho nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous sinh trưởng, phát triển và có hàm lượng
astaxanthin cao
2


-

Xác định được các điều kiện lên men thích hợp cho nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous sinh trưởng, phát triển và có hàm lượng
astaxanthin cao

-

Xác định được phương pháp và thông số kĩ thuật của quy trình tách chiết và
thu hồi astaxanthin để tạo chế phẩm giàu astaxanthin ứng dụng sản xuất thực
phẩm chức năng

3


PHẦN 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về astaxanthin
1.1.1. Đặc điểm chung
Astaxanthin (3,3 -dihydroxy-P,P -carotene-4,4 -dione ) là một carotenoid có
màu đỏ cam, là dẫn xuất của các hợp chất isoprenoid, chúng tạo thành các chất có
màu sắc khác nhau trong tự nhiên và có chức năng sinh học thiết yếu đối với động
vật. Astaxanthin có thể được tìm thấy trong nhiều loại thuỷ hải sản như cá hồi, cá

vền, tôm, cua, trứng cá, đôi khi astaxanthin cũng được phát hiện ở một số loài chim.
Động vật có vú không có khả năng tổng hợp astaxanthin và phải được cung cấp từ
khẩu phần ăn (Higuera-Ciapara và cộng sự., 2006).
Astaxanthin có công thức phân tử là C40H52O4. Công thức phân tử
astaxanthin tương tự như của β-carotene nhưng nó phức tạp hơn nhiều. Astaxanthin
có 13 nối đôi trong khi β-caroten chỉ có 7 nối đôi nên khả năng chống oxi hóa của
nó cũng cao hơn β-carotene.

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của Astaxanthin

Astaxanthin là hợp chất không phân cực nên rất ít tan trong nước, nó tan
trong các dung môi hữu cơ như acetone, dimethyl-sulfoxide, pyridine, cồn,
dietyester, ete, dầu mỏ, dầu thực vật…
Astaxanthin hấp thụ rất mạnh bức xạ trong vùng 470÷510 nm nên tạo màu
đỏ cam rất đẹp. Tính hấp thụ ánh sáng của astaxanthin có thể bị thay đổi khi
astaxanthin liên kết với các chất khác. Nhiệt độ nóng chảy của astaxanthin là

4


215°C÷216°C. Hệ số tắt quan E1% 1cm (nồng độ astaxanthin 1% và cruvet dày
1cm):
-

Trong dầu hướng dương ở bước sóng 487nm là 2290.

-

Trong dầu nành ở bước sóng 487nm là 2145.

-

Trong dầu phộng ở bước sóng 487nm là 2440.

Trong phân tử astaxanthin có chuỗi polyen liên kết với các nhóm keto,
hydroxyl gắn với các vòng ở đầu mạch nên astaxanthin rất nhạy với ánh sáng, nhiệt
độ cao và các tác nhân oxy hóa, axít, bazơ… Sự oxy hóa astaxanthin diễn ra nhanh
khi có sự hiện diện của sunfit, ion kim loại, độ ẩm, oxy không khí.
Astaxanthin ở dạng tự do rất dễ bị oxy hóa bởi tác nhân electrophil như oxy
phân tử. Nhưng khi astaxanthin tạo phức với protein hay ở dạng este hóa thì chúng
trở nên bền hơn. Hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin trong cơ thể được giải
thích bởi khả năng bắt giữ gốc tự do tạo thành gốc cacbon trung tâm bền vững nhờ
hiệu ứng cộng hưởng:
RCOO* + Ast

RCOO-Ast

Astaxanthin phản ứng với axít yếu làm dịch chuyển cực đại hấp thụ của phân
tử về phía bước sóng dài. Khi trung hòa bằng bazơ yếu, cấu trúc phân tử astaxanthin
lại được phục hồi, tuy nhiên khi phản ứng với axít mạnh như: HCl, H2SO4… thì có
thể xảy ra sự phân hủy chuỗi polyen của astaxanthin làm nhạt màu đỏ cam. Trong
môi trường kiềm khi có mặt của không khí, astaxanthin bị oxy hóa nhanh chóng
thành astacene có màu đỏ sẫm.

1.1.2. Cấu trúc của astaxanthin
Phân tử astaxanthin có hai carbon không đối xứng ở vị trí 3 và 3 của vòng Pionone. Astaxanthin có ba dạng cấu hình là astaxanthin tự do, monoester và diester
tùy thuộc vào sự kết hợp của 1 hoặc 2 gốc hydroxyl với các axít béo. Nhóm ester
tạo ra mối liên kết giữa astaxanthin và protein. Vì vậy, astaxanthin không thể gắn
kết với protein nếu liên kết ester không tồn tại. Do cấu trúc của astaxanthin có 2 vị
trí 3 và 3’ở dạng chiral, cho nên chúng có 3 dạng đồng phân hình học: 3R-3’R; 3R-

5


3’S và 3S-3’S (Hình 1.2). Trong đó, 3S-3’S là dạng astaxanthin có hoạt tính chống
ôxy hóa mạnh nhất, dạng 3R-3’S không có hoạt tính sinh học, dạng 3R-3’R có hoạt
tính yếu (Ambati và cs, 2014).

Hình 1.2. Cấu trúc của Astaxanthin
(Dạng tự do (A), dạng monoester (B), dạng diester (C) và các đồng phân hình học (D). R là
các chuỗi axít béo bão hòa hoặc không bão hòa)
(Nguồn: Mia và cộng sự., 2006)

1.1.3. Sinh tổng hợp astaxanthin ở nấm men X. dendrorhous
Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở nấm men X. dendrorhous được thể
hiện trong hình 1.3 dưới đây.

6


Hình 1.3. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở nấm men X. dendrorhous

Gen idi mã hóa enzym xúc tác quá trình đồng phân hóa isopentenyl
pyrophospate (IPP) thành dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP). Quá trình chuyển
hóa những chất tiền thân isoprenoid thành β-carotene được xúc tác bởi 4 enzyme:
(1) enzyme GGPP synthase (được mã hóa bởi gen crtE) xúc tác thêm 3 phân tử IPP
liên tiếp vào DMAPP thành chất tiền thân C20-GGPP (Niklitschek và cộng sự,
2008); (2) enzyme phytoene synthase (mã hóa bởi gen crtYB) liên kết hai phân tử
GGPP thành phytoene; (3) enzyme phytoene desaturase (mã hóa bởi gen crtI) đưa 4
liên kết đôi vào phân tử phytoene để hình thành nên lycopene; (4) enzyme lycopene

cyclase (mã hóa bởi gen crtYB) chuyển hóa liên tục đuôi acrylic của lycopene thành
vòng β để hình thành nên γ-carotene và β-carotene (Alcaino và cộng sự 2007).
Hai enzyme khác chuyển hóa β-carotene thành astaxanthin thông qua một số
chất sinh tổng hợp trung gian gồm: enzyme ketolase kết hợp 2 nhóm 4-keto trong
phân tử β-carotene với nhau và enzyme hydroxylase ghép hai nhóm 3-hydroxy với
nhau.
Trong nấm men X. dendrorhous, cả hai hoạt động trên có thể diễn ra cùng
nhau nhờ enzyme đơn lẻ có tên là astaxanthin synthetase (CrtS) được mã hóa bởi

7


gen crtS xúc tác liên tiếp keton hóa nhóm 4-keto và hydroxy hóa nhóm 3-hydroxyl
của β-carotene. Enzyme khử cytochrom P450 được mã hóa bởi gen crtS được phát
hiện là có vai trò bổ trợ cho enzyme CrtS ở nấm men X. dendrorhous bằng cách
cung cấp những electron cần thiết cho quá trình oxy hóa cơ chất. Việc biểu hiện của
gen crtS ở chủng sinh β-carotene là Saccharomyces cerevisiae đã không sản sinh
astaxanthin nhưng biểu hiện gen tổ hợp của hai gen crtS và crtR thì lại sản sinh ra
được lượng nhỏ astaxanthin (Alcaino và cộng sự 2007).
Việc nghiên cứu sàng lọc, lựa chọn những chủng nấm men đột biến có khả
năng sản sinh astaxanthin cao và tối ưu hóa khả năng nuôi cấy nấm men có thể đạt
được mục đích làm tăng hàm lượng astaxanthin trong nấm men X. dendrorhous.

1.1.4. Các nguồn cung cấp astaxanthin
Có hai nguồn astaxanthin chính là nguồn astaxanthin tổng hợp hóa học và tự
nhiên.
1.4.1.1. Nguồn tổng hợp hoá học
Hiện nay, astaxanthin tổng hợp là nguồn cung cấp chủ yếu cho nuôi trồng
thuỷ sản. Hơn 95% astaxanthin tổng hợp trên thị trường được sử dụng làm thức ăn
bổ sung nhằm tạo ra các mầu sắc của đối tượng nuôi khác nhau.

Quá trình tổng hợp hóa học astaxanthin được sử dụng lâu đời và rộng
rãi nhất liên quan đến phản ứng Wittig của muối photphat ở vị trí C15 với
dialdehyde ở vị trí carbon C10 (Hình 1.4A). Các phương pháp khác bao gồm
hydroxyl hóa canthaxanthin (Hình 1.4B) (Berhard và cs, 1984), một quá trình trùng
hợp 3 mạch carbon có chiều dài 10, 20 và 30 nguyên tử carbon thông qua ngưng tụ
dienolether và các đồng phân của lutein được chiết xuất từ hoa cúc vạn thọ để tạo
thành zeaxanthin và sau đó chất này bị ôxy hóa để hình thành astaxanthin (Hình
1.4C) (Schloemer và Davis, 2001).

8


Hình 1.4. Phản ứng tổng hợp astaxanthin
(Phản ứng Wittig (A); Hydroxyl hóa canthaxanthin (B); Ô xy hóa zeaxanthin (C)
(Nguồn: />1.1.4.2. Nguồn tự nhiên
a) Từ các loại giáp xác
Trong các loài giáp xác thủy sản, astaxanthin chủ yếu được tập trung ở phần
vỏ ngoài, chiếm từ 58 đến 87% carotenoid tổng số. Hàm lượng astaxanthin có trong
vỏ tôm, cua thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loài, từ 10 đến 140 mg/kg khối lượng
tươi và tồn tại ở dạng 3S - 3’S. Chính vì vậy, vỏ tôm, cua chính là một nguồn
astaxanthin đáng kể trong tự nhiên. Tuy vậy, hàm lượng astaxanthin trong các
nguyên liệu này tương đối thấp. Trong khi đó, độ ẩm, hàm lượng tro và các chất
dinh dưỡng khác trong vỏ tôm, cua lại rất cao đã gây ra một số khó khăn trong việc
sản xuất đảm bảo ổn định chất lượng thức ăn cho động vật nuôi trồng (HigueraCiapara và cộng sự, 2006).
b) Nấm men
Xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) là một loài nấm men
duy nhất được biết đến hiện nay có khả năng tổng hợp astaxanthin lên tới 0,5% sinh
khối khô. Một lợi thế của chủng này là có khả năng sinh trưởng nhanh và đạt mật độ
tế bào cao trong quá trình lên men. Tích lũy astaxanthin ở nấm men thông qua con
đường mevalonate (Schmidt và cộng sự, 2011). Tuy nhiên, hàm lượng astaxanthin

tổng hợp được phụ thuộc nhiều vào đặc điểm sinh học của chủng, phương pháp và
điều kiện nuôi cấy. Ngoài ra, do Ph. rhodozyma có cấu tạo vách tế bào cứng, khó
tiêu hóa đối với các động vật nên trong quá trình sản xuất các chế phẩm sinh học

9


chứa astaxanthin từ loài nấm men này cần phải phá hủy thành tế bào bằng các
phương pháp cơ học hay xử lý bằng enzyme khác nhau.
c) Tảo
Astaxanthin có

thể được sản xuất từ các loại tảo khác nhau

như

Ankistrodesmus branuii, Chlorella zofingiensis, Dunaliella salina, Euglena rubida,
Chlorococcum. Tuy nhiên, hàm lượng astaxanthin ở các chủng tảo nêu trên tương
đối thấp và không thích hợp để sản xuất ở quy mô lớn. Trong khi đó, vi tảo lục H.
pluvialis đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và sản xuất
ứng dụng vì chúng có khả năng tích luỹ một lượng lớn astaxanthin (7000 - 55000
µg/g tế bào, tương ứng 0,7 - 5,5% sinh khối khô). Astaxanthin từ tảo
Haematococcus chứa 5% dạng tự do và 95% dạng được ester hóa (75% monoester
và 20% diester).
d) Các vi sinh vật khác
Một số loại vi khuẩn như Mycobacterium lacticola, Brevibacterium sp. và
một số chủng nấm thuộc chi Peniophora cũng có khả năng tích luỹ astaxanthin.
Hàm lượng carotenoid của những vi sinh vật này rất thấp đồng thời chúng cũng sinh
trưởng rất chậm.
Cá hồi cũng là một nguồn cung cấp astaxanthin tự

nhiên.

Hàm

lượng

astaxanthin trong cá hồi hoang dã Oncorhynchus dao động trong khoảng 26 - 38
mg/kg thịt cá. Hàm lượng astaxanthin trong cá hồi Đại Tây Dương nuôi là 6 - 8
mg/kg thịt cá. Với 165 g thịt

cá hồi có thể cung cấp đến 3,6 mg astaxanthin cho

khẩu phần ăn hàng ngày (Ambati và cs, 2014).
Các nguồn cung cấp astaxanthin và hàm lượng astaxanthin ở các cơ thể khác
nhau được trình bày ở bảng 1.1.

10


Bảng 1.1. Nguồn cung cấp astaxanthin khác nhau

Hàm lượng astaxanthin
(% SKK)

Nguồn cung cấp
Chlorophyceae
Haematococcus pluvialis NIES - 144
Haematococcus pluvialis (K-0084)
Haematococcus pluvialis (Local isolation)

Haematococcus pluvialis (AQSE002)
Haematococcus pluvialis (K-0084)
Chlorococcum
Chlorella zofingiensis
Neochloris wimmeri
Ulvophyceae
Enteromorpha intestinalis
Ulva lactuca
Florideophyceae

7,7
3,8
3,6
3,4
3,7
0,2
0,001
0,6
0,02
0,01

Catenella repens
Alphaproteobacteria

0,02

Agrobacterium aurantiacum
Paracoccus carotinifaciens
Tremellomycetes
Xanthophyllomyces dendrorhous

Labyrinthulomycetes

0,01
2,2
0,02-0,5

Thraustochytrium sp
Malacostraca

0,2

Pandalus borealis

0,12
(Nguồn: Ambati và cs, 2014)

So với astaxanthin tự nhiên từ nấm men hoặc vi tảo lục H. pluvialis,
astaxanthin tổng hợp hóa học có chi phí nguyên vật liệu; năng lượng rẻ nhất (40 và
26 USD/kg astaxanthin). Chính vì vậy, giá thành sản xuất astaxanthin là thấp nhất
so với 2 nguồn còn lại. Tuy nhiên, astaxanthin tổng hợp nhân tạo chứa hỗn hợp của
3 dạng đồng phân 3S-3’S; 3R- 3’S và 3R-3’R tương ứng với tỉ lệ là 1:2:1. Như vậy,
chỉ có 25% astaxanthin tổng hợp nhân tạo có hoạt tính và hữu dụng. Với sự hiện
diện của các dạng đồng phân hình học khác trong khẩu phần thức ăn sẽ dẫn đến sự
cạnh tranh cơ chất trong quá trình chuyển hóa astaxanthin trong cơ thể động vật
11


nuôi. Như vậy, khả năng hấp thụ astaxanthin tổng hợp thấp hơn rất nhiều so với
astaxanthin có nguồn gốc tự nhiên.
Astaxanthin trong các sản phẩm tự nhiên ở dạng ester hóa nên nó ổn

định hơn trong việc ngăn ngừa quá trình ôxy hóa (Schmidt và cộng sự, 2011). Chỉ
có astaxanthin được tổng hợp từ tảo và nấm men mới được sử dụng cho con người,
trong khi đó dạng tổng hợp nhân tạo được sử dụng chủ yếu cho thức ăn gia. Do vậy,
khai thác astaxanthin từ nguồn tự nhiên, đặc biệt là từ tảo H. pluvialis vẫn đang
được quan tâm và có nhiều cơ hội để phát triển ngày càng mạnh.

1.1.5. Sinh hóa học của astaxanthin
Astaxanthin có chứa liên kết đôi xen kẽ, nhóm hydroxyl và nhóm keto. Nó
có hai tính chất ưa mỡ và ưa nước. Màu đỏ được tạo ra do sự liên kết đôi liên tiếp
tại trung tâm của hợp chất. Hoạt động sinh học của astaxanthin tốt hơn so với các
chất chống ôxy hóa khác (-carotene, vitamin C) bởi vì nó có thể liên kết với màng
lipít kép của tế bào từ bên trong đến bên ngoài (Hình 1.5). Vì vậy, tế bào được bảo
vệ toàn diện hơn (Ambati và cs, 2014).

Hình 1.5. Vị trí hoạt động của Astaxanthin trên màng tế bào

(Nguồn: Ambati và cộng sự, 2014)

12


1.1.6. Đặc tính chống ô xy hóa của astaxanthin
Astaxanthin có vai trò là chất chống ôxy hoá mạnh. Sự trao đổi chất bình
thường ở sinh vật hiếu khí tạo ra các gốc tự do như hydroxyl, peroxide và phân tử
ôxy có hoạt tính (reactive oxygen species - ROS) cần thiết để duy trì sự sống. Tuy
nhiên, khi hàm lượng các chất này quá cao sẽ gây nguy hiểm bởi chúng có thể ôxy
hoá với các thành phần của tế bào như protein, lipit, carbohydrate và ADN in vivo.
Để kiểm soát và làm giảm quá trình này, cơ thể con người sản sinh ra các chất
chống ôxy hoá như super oxide dismutase (SOD), catalase, peroxidase,... Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp, những hợp chất này lại không đủ để bảo vệ cơ thể

chống lại stress ôxy hoá.
Các nghiên cứu cho thấy, astaxanthin có hoạt tính chống ôxy hoá cao gấp 10
lần so với các carotenoid khác như Zeaxanthin, lutein, canthaxanthin, ß-carotene và
cao hơn 100 lần so với a - tocopherol. Vì vậy, astaxanthin được gọi là một “supper
vitamin E”. Astaxanthin thực hiện các hoạt động chống ôxy hóa bằng cách loại bỏ
các gốc tự do (chúng phản ứng với các gốc này để tạo ra các hợp chất không độc
khác) hoặc dập tắt các phản ứng ôxy hoá. Đặc tính này của astaxanthin có thể do sự
tương tác vật lý và hóa học của astaxanthin với các màng tế bào (Ambati và cs,
2014).

1.1.7. Ứng dụng của astaxanthin
Chất màu tự nhiên astaxanthin với hoạt tính chống ôxy hóa cao đã được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực như làm thức ăn bổ sung cho người, thuốc điều trị trong y
học, thức ăn bổ sung cho chăn nuôi.

1.1.7.1. Astaxanthin trong nuôi trồng thuỷ sản (NTTS)
a) Trong nuôi cá hồi
Màu sắc của cá hồi và các loại giáp xác được xem là một chỉ tiêu về chất
lượng. Màu đỏ của những sinh vật này bắt nguồn từ màu sắc của các carotenoid
được chúng thu nhận từ thức ăn. Loại carotenoid chiếm ưu thế trong hầu hết các
loài giáp xác và cá hồi là astaxanthin. Mặc dù trên thực tế, astaxanthin được sử
13


dụng rộng rãi với mục đích duy nhất là tạo màu cho các động vật trong NTTS, tuy
nhiên astaxanthin còn có nhiều vai trò quan trọng khác như thúc đẩy sự thành thục,
tăng tỷ lệ thụ tinh và tỷ lệ sống sót của trứng, cải thiện sự phát triển của phôi.
Một nghiên cứu gần đây ở Na Uy đã chứng minh rằng cá hồi Đại Tây
Dương ở giai đoạn còn non sẽ phát triển tốt khi được cung cấp đầy đủ astaxanthin
trong khẩu phần ăn. Astaxanthin được xem như một loại dinh dưỡng thiết yếu với

hàm lượng cần thiết tối thiểu là 5,1 mg/kg. Tuy nhiên, nếu hàm lượng astaxanthin
trong khẩu phần ăn đạt 13,7 mg/kg thì hàm lượng lipít trong thịt cá sẽ tăng lên 20%
và sự phát triển của cơ thể sẽ đầy đủ hơn so với mức 5,3 mg/kg astaxanthin (Lorenz
và Cysewski, 2000).
b) Trong nuôi cá cảnh
Cá cảnh không tự tổng hợp được carotenoid mà lấy từ nguồn thức ăn như vi
tảo, san hô hoặc con mồi có chứa loại chất màu này. Khi bổ sung astaxanthin vào
chế độ ăn, cá sẽ chuyển hóa astaxanthin có trong thức ăn thành tuaxanthin và tích
lũy chúng trong da và làm cho cá có màu sắc rực rỡ. Cá có khả năng hấp thụ các
loại carotenoid tốt theo thứ tự như sau: zeaxanthin (không phổ biến) > astaxanthin >
lutein (có nhiều trong các loại thực vật như ngô...).
Như vậy, việc sử dụng astaxanthin trong NTTS không chỉ quan trọng khi
đứng trên phương diện tạo sắc tố mà astaxanthin còn được xem như là một chất
dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và sinh sản đầy đủ của các loài thuỷ hải sản
có giá trị thương mại.

1.1.7.2. Astaxanthin làm thức ăn bổ sung cho con người
Astaxanthin có tác dụng trong việc bảo vệ võng mạc khỏi bị ôxy hóa, cải
thiện những tổn thương võng mạc, bảo vệ các tế bào tiếp nhận ánh sáng khỏi thoái
hóa, chống lại sự thoái hóa điểm vàng do tuổi tác - nguyên nhân gây mù loà
(Palozza và cộng sự, 2009). Chúng giúp bảo vệ nơ ron thần kinh và có thể làm
chậm lại tác động của tuổi tác (giảm các triệu chứng như giảm trí nhớ, suy giảm
chức năng thần kinh). Con người sử dụng astaxanthin thường xuyên sẽ giảm đáng

14


kể sự tích tụ hydroperoxide phospholipid, một hợp chất được chứng minh là đã
được tích tụ nhiều ở những người bị bệnh mất trí nhớ, hay quên ở người lớn tuổi.
Do đó, nó có thể chống lại bệnh Alzheimer. Ngoài ra, astaxanthin giúp cải thiện

tuần hoàn máu và giảm huyết áp. Nó rất có lợi cho màng tim, có tác động tốt lên
máu, tăng lượng HDL (high density lipoprotein - cholesterol, cholesterol có lợi) và
giảm triglycerides (Iwamoto và cs, 2001). Do có khả năng bắt giữ các gốc tự do
được hình thành trong quá trình quang hoá nên astaxanthin có tác dụng tích cực đối
với da như giảm nếp nhăn, tăng độ ẩm, độ đàn hồi,...
Astaxanthin có thể bảo vệ da khỏi tác hại của tia cực tím bằng cách vô hiệu
hóa hoặc phá hủy các gốc tự do được hình thành do tia cực tím và ngăn chặn những
tác hại như cháy nắng hoặc viêm da. Chúng còn có chức năng bảo vệ chống tác hại
của tia tử ngoại (Rao và cộng sự, 2013). Một đặc điểm đặc biệt quan trọng của
astaxanthin là chúng không có hoạt tính của một tiền vitamin A. Vì vậy, trong các
cơ thể đã không xảy ra nguy cơ ngộ độc cấp tính do có sự tích lũy quá nhiều
astaxanthin. Kết quả thực nghiệm trên chuột đã cho thấy không có một tác dụng
nguy hại nào khi sử dụng liều astaxanthin 400 mg/kg trong 41 ngày (Nishikawa và
cs, 2005).
Astaxanthin tách chiết từ tảo, nấm men đã được chứng minh là an toàn,
không có tác dụng phụ và được sử dụng rộng rãi như là một thực phẩm chức năng.
Đối với người, liều dùng an toàn có thể đạt đến 14,4 mg astaxanthin/ngày trong
vòng 2 tuần (Miki và cs, 1998).

1.1.7.3. Ứng dụng astaxanthin trong nuôi gia cầm
Astaxanthin đã được dùng làm phụ gia trong chế biến thức ăn nuôi gia súc,
gia cầm, làm tăng màu vàng cam cho lòng đỏ trứng, tăng tỷ lệ nở con, giảm khả
năng nhiễm khuẩn Salmonella (Lorenz & Cysewski, 2000). Khi bổ sung astaxanthin
vào thức ăn của gà đã cho thấy màu sắc của lòng đỏ trứng gà được tăng cường, tăng
khả năng sinh sản ở gà mái, tăng hiệu quả sử dụng thức ăn và giảm tỷ lệ tử vong
(Lignell & Inborr, 2000).

15