Nghiên cứu đánh giá hoạt tính sinh học của nano astaxanthin

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

QUÁCH THỊ QUỲNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA
NANO ASTAXANTHIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Hà Nội – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

QUÁCH THỊ QUỲNH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA

NANO ASTAXANTHIN

Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm
Mã số : 8420114

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Hướng dẫn 1 : TS. Hoàng Thị Minh Hiền
Hướng dẫn 2 : TS. Hoàng Mai Hà

Hà Nội – 2021


LỜI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là cơng trình nghiên
cứu của tơi và nhóm tác giả. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo
trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện
trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là
trung thực nếu sai tơi hồn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng 12 năm 2021

Học viên

Quách Thị Quỳnh

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Thị Minh
Hiền, Trưởng Phịng Cơng nghệ Tảo, Viện Cơng nghệ sinh học và TS. Hồng
Mai Hà, Trưởng Phịng Vật liệu tiên tiến, Phó viện trưởng Viện Hóa học, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã định hướng và giúp đỡ tơi trong
suốt q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Hồ Thị Oanh - Phịng vật
liệu tiên tiến, Viện Hóa học đã chỉ bảo, hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tơi
trong suốt thời gian làm nghiên cứu. Ngồi ra tơi xin cảm ơn tới các cán bộ ở
phịng Cơng nghệ Tảo – Viện Công nghệ Sinh học đã tạo mọi điều kiện cho tơi
hồn thành tốt nhiệm vụ.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cơ giáo của Phịng Đào tạo – Học
Viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành
mọi thủ tục cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn.
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài Quỹ Phát triển Khoa
học và Công nghệ Quốc gia - Nafosted, Bộ Khoa học và Công nghệ:“Nghiên
cứu chế tạo và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và giảm rối loạn chuyển hóa
lipit của tổ hợp nano astaxanthin/kaempferol trên mơ hình in vitro và in vivo”
mã số 108.06-2019.314 do TS. Hoàng Thị Minh Hiền làm chủ nhiệm.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình, bạn bè –
những người luôn bên cạnh chia sẻ, động viện, ủng hộ, giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận
văn của mình.
Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2021
Tác giả luận văn

Quách Thị Quỳnh


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tên đầy đủ

BKT

Food and Drug
Administration
β - carotene oxygenase

CrtR-b

β -carotene hydroxylase

H. pluvialis

Haematoccocus pluvialis

Tên tiếng Việt

Nuclear factor kappa B

Cơ quan Quản lý Thực phẩm và
Dược phẩm Hoa Kỳ
Enzyme β - carotene oxygenase
Enzyme β -carotene
hydroxylase
Vi tảo lục Haematoccocus
pluvialis
Yếu tố nhân kappa B

RNA

Ribonucleic acid

Acid ribonucleic

DNA

Deoxyribonucleic acid

Acid deoxyribonucleic

HDL
CT

High Density Lipoprotein
Computer tomography

FDA

NF-KB

Lipoprotein tỉ trọng cao
Chụp cắt lớp vi tính
Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt
MRI
Magnetic Resonance Imaging
nhân
MLV

Multilamellar Vesicle
Liposome nhiều lớp
Liposome Large Unilamellar
LUV
Liposome loại to
Vesicle
COX-2
Cyclooxygenase-2
Enzyme cyclooxygenase-1
TNFα
Tumor Necrosis Factor-α
Yếu tố hoại tử khối u alpha
PS20
Polysorbate 20
Polysorbate 20
SC
Sodium caseinate
Natri Caseinate
GA
Gum Arabic
Gum Arabic
PDI
Polydispersity index
Chỉ số đa phân tán
PLGA
Poly axit lac-tic-co-glycolic
Poly axit lacticco glycolic
COS
Chitosan oligosaccharides
Chitosan oligosaccharides

astaxanthin non-aqueous
Nano astaxanthin không chứa
ASX-NANE
nanoemulsions
nước
ASTA @ Astaxanthin lecithin nanoAstaxanthin lecithin nanoLec NS
liposol
liposol
Fourier Transform Infared
Quang phổ chuyển đổi hồng
FTIR
Spectrometer
ngoại Fourier
High Performance Liquid
Phương pháp sắc ký lỏng hiệu
HPLC
Chromatography
năng cao
Dulbecco's Modified Eagle
Môi trường nuôi cấy tế bào
DMEM
Medium
DMEM


FBS
ORO
TEM
DLS
HepG2

HT29

Fetal bovine serum
Oil Red O
Transmission electron
microscopy
Dynamic Light Scattering

Huyết thanh thai bị
Dầu đỏ
Kính hiển vi điện tử truyền qua
phương pháp tán xạ ánh sáng
động
Các dòng tế bào gan người
Tế bào ung thư đại tràng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Nguồn cung cấp astaxanthin trong tự nhiên........................................... 10
Bảng 1.2 Ảnh hưởng của thức ăn bổ sung astaxanthin lên các đối tượng thủy
sản............................................................................................................................14
Bảng 2.1. Thành phần các mẫu nano astaxanthin.................................................. 28
Bảng 2.2. Địa điểm tiến hành nghiên cứu .............................................................. 34
Bảng 3.1 Kết quả đánh giá khả năng phân tán trong nước của astaxanthin tinh
khiết và mẫu nano astaxanthin............................................................................... 39


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu trúc của astaxanthin ............................................................................5
Hình 1.2. Vị trí vượt trội của astaxanthin trên màng tế bào .....................................6

Hình 1.3. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở H. pluvialis ...............................8
Hình 1.4. Phản ứng tổng hợp astaxanthin .................................................................9
Hình 1.5 Cấu trúc của hệ vật liệu nano đa chức năng ........................................... 18
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo nano astaxanthin .............................................................. 29
Hình 3.1. Giản đồ phân bố kích thước hạt của nano astaxanthin theo các tỷ lệ khác
nhau giữa astaxanthin và chất hoạt động bề mặt cremorphor RH40 ................... 36
Hình 3.2. Giản đồ phân bố kích thước hạt của nano astaxanthin sử dụng chất hoạt
động bề mặt cremophor RH40 và tween 80 .......................................................... 37
Hình 3.3. Ảnh TEM của các mẫu A1, A2, A3 và A4 ........................................... 38
Hình 3.4. So sánh khả năng phân tán trong nước của astaxanthin tinh khiết và
nano astaxanthin ..................................................................................................... 39
Hình 3.5. Hoạt tính chống oxi hóa của astaxanthin và nano astaxanthin sử dụng
DPPH....................................................................................................................... 40
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nano astaxanthin lên khả năng sống sót của tế bào
HT29........................................................................................................................ 41
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nano astaxanthin lên khả năng sống sót của tế bào
HepG2 ..................................................................................................................... 42
Hình 3.8. Hiệu quả hấp thu astaxanthin của tế bào HT29 ..................................... 43
Hình 3.9. Sắc ký đồ HPLC của astaxanthin được hấp thu trong tế bào được ủ với
mẫu trắng (A), astaxanthin (B) và nano astaxanthin (C) ............................. ......... 44
Hình 3.10. Khả năng sống của tế bào HepG2 được cảm ứng với H2O2 trong các
nhóm xử lý khác nhau (n = 6) ................................................................................ 45
Hình 3.11. Tác dụng của nano astaxanthin lên hàm lượng cholesterol (A) và
triglycerid (B) trong tế bào HepG2...................................................................47
Hình 3.12. Khả năng tích lũy lipit nội bào được phân tích bằng phương pháp
nhuộm Oil Red O (A) và đo mật độ quang ở bước sóng 500 nm trên máy
quang phổ Hitachi U-1100 (B)....................................... ..................................48


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4
1.1 ASTAXANTHIN ................................................................................................4
1.1.1. Giới thiệu chung ..............................................................................................4
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của astaxanthin..............................................................4
1.1.2.1 Cấu trúc của astaxanthin................................................................................4
1.1.2.2 Tính chất của astaxanthin ..............................................................................6
1.1.3. Sinh tổng hợp astaxanthin ...............................................................................7
1.1.4. Các nguồn astaxanthin.....................................................................................8
1.1.3.1 Nguồn tổng hợp hóa học ...............................................................................8
1.1.3.2 Nguồn tự nhiên ..............................................................................................9
1.1.4. Sinh khả dụng và động học dược lý của astaxanthin .................................. 11
1.1.4.1 Sinh khả dụng của Astaxanthin.................................................................. 11
1.1.4.2. Động học dược lý của astaxanthin ............................................................ 11
1.1.5. Hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin .................................................... 12
1.1.6. Ứng dụng của astaxanthin ............................................................................ 13
1.1.6.1 Astaxanthin trong nuôi trồng thủy sản ....................................................... 13
1.1.6.2 Astaxanthin đối với con người ................................................................... 15
1.2 CÔNG NGHỆ NANO VÀ NANO ASTAXANTHIN ................................... 17
1.2.1 Cấu trúc của hệ nano y sinh ......................................................................... 17
1.2.2. Các loại vật liệu nano ................................................................................... 18
1.2.3 Các chức năng y sinh của hệ ......................................................................... 19
1.2.3.1 Chức năng chuẩn đốn (phân tích đặc hiệu, ảnh MRI, ảnh quang) .......... 19
1.2.3.2 Chức năng điều trị ...................................................................................... 19
1.2.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ....................................................... 20
1.2.4.1 Phương pháp từ dưới lên ........................................................................... 20
1.2.4.2 Phương pháp từ trên xuống ........................................................................ 21

1.2.4.3 Phương pháp kết hợp .................................................................................. 22
1.2.5. Tình hình nghiên cứu về nano astaxanthin .................................................. 22
CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..... 26
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU..................................................................................... 26
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 26
2.1.2. Các dòng tế bào ............................................................................................ 26
2.1.3 Hóa chất ......................................................................................................... 26
2.1.4. Thiết bị .......................................................................................................... 27
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................. 28
2.2.1. Nghiên cứu chế tạo nano astaxanthin .......................................................... 28
2.2.2. Phương pháp xác định tính chất của nano astaxanthin................................ 29
2.2.2.1 Đánh giá hình thái và kích thước các mẫu vật liệu nano bằng kính hiển vi
điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy - TEM) ........................... 29
2.2.2.2 Nghiên cứu sự phân bố kích thước hạt của nano astaxanthin bằng phương
pháp tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) ........................... 30
2.2.3. Phương pháp đánh giá một số hoạt tính sinh học của nano astaxanthin ở
mức độ in vitro. ....................................................................................................... 30
2.2.3.1. Phương pháp xác định hoạt tính chống oxi hóa bằng DPPH ................. 30
2.2.3.2. Phương pháp ni cấy tế bào ................................................................... 30
2.2.3.3. Phương pháp đánh giá độc tính của nano astaxanthin trên dịng tế bào
HT29 và HepG2 ...................................................................................................... 31
2.2.3.4. Phương pháp xác định sự hấp thu của tế bào đối với nano astaxanthin 31
2.2.3.5. Phương pháp đánh giá tác dụng bảo vệ tế bào của nano astaxanthin
chống lại stress oxy hóa do H2O2 gây ra trong tế bào HepG2 ............................ 32
2.2.3.6. Phương pháp đánh giá tác dụng giảm lipit của nano astaxanthin trên
dòng tế bào HepG2 ................................................................................................. 32
2.2.3.7. Phương pháp nhuộm lipit bằng Oil Red O (ORO)................................... 33
2.2.3.8. Phương pháp phân tích hàm lượng lipit ................................................... 33
2.2.2.9. Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................... 34
2.2.4. Địa điểm tiến hành các thí nghiệm trong nghiên cứu.................................. 34

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 36
3.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO ASTAXANTHIN .............. 36
3.1.1 Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt tới quá trình chế tạo nano astaxanthin
............ .....................................................................................................................36
3.1.2. Hình thái của các mẫu nano astaxanthin...................................................... 38
3.1.3. Đánh giá khả năng phân tán trong nước của mẫu bột nano astaxanthin .... 39
3.2. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA NANO
ASTAXANTHIN ................................................................................................... 40
3.2.1. Hoạt tính tiêu diệt gốc tự do DPPH của astaxanthin và nano astaxanthin . 40
3.2.2. Độc tính tế bào của nano astaxanthin .......................................................... 41
3.2.3. Khả năng hấp thu của tế bào HT29 đối với nano astaxanthin .................... 42
3.2.4. Tác dụng bảo vệ tế bào HepG2 của nano astaxanthin chống lại tổn thương
bởi stress oxy hóa do H2O2 gây ra ........................................................................ 44
3.2.5. Tác dụng của nano-astaxanthin lên sự thay đổi hàm lượng lipit nội bào
trong tế bào gan HepG2 .......................................................................................... 46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 50
4.1. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 50
4.2. KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 51
PHỤ LỤC................................................................................................................ 62


1
MỞ ĐẦU
Bệnh rối loạn mỡ máu gây nên xơ vữa động mạch, dẫn đến nhiều biến
chứng nguy hiểm lên hệ tim mạch. Theo dự báo của Tổ chức Y tế Thế giới,
đây sẽ là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trong những năm tới. Tại Việt
Nam những năm gần đây, tỷ lệ người mắc các biến chứng tim mạch từ xơ vữa

động mạch ngày càng tăng cao và có xu hướng trẻ hóa. Việc phịng ngừa các
yếu tố nguy cơ gây ra xơ vữa động mạch rất quan trọng để ngăn ngừa các biến
chứng có thể xảy ra. Chính vì vậy, việc phát triển các hệ phân phối thuốc
nhằm tăng khả năng hịa tan thuốc, dẫn thuốc tới đích chính xác hơn, tập
trung thuốc tại đích có tác dụng trong thời gian dài, đồng thời an toàn khi sử
dụng là các hướng đang được tập trung nghiên cứu.
Astaxanthin - một caroteinoit có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực thực
phẩm chức năng và y sinh học. Các nghiên cứu lâm sàng và trên động vật
thực nghiệm đã chứng minh rằng astaxanthin có nhiều hoạt tính sinh học như
tiêu diệt hiệu quả các gốc tự do, kháng viêm, chống lão hóa, giảm sự hình
thành khối u, phịng ngừa bệnh tim mạch và tai biến mạch máu não, bảo vệ
gan, chống tiểu đường, bảo vệ cơ thể khỏi bức xạ tia cực tím v.v...
Astaxanthin là loại carotenoit duy nhất có thể xun qua hàng rào máu của
võng mạc và não, có tác động tích cực đến hệ thần kinh trung ương và chức
năng não.
Mặc dù có nhiều hoạt tính sinh học q nhưng astaxanthin lại được xếp
vào nhóm hoạt chất có độ tan trong nước rất thấp, do vậy sinh khả dụng bị
hạn chế. Hiện nay, công nghệ nano là một giải pháp hữu hiệu trong việc nâng
cao khả năng phân tán, cải thiện sự hấp thu, tăng cường dược tính và nâng cao
độ bền của hoạt chất. Để khắc phục những nhược điểm về độ hòa tan và độ
bền thấp, nano astaxanthin đang được nghiên cứu chế tạo. Việc nghiên cứu
đánh giá, so sánh hoạt tính của nano astaxanthin với astaxanthin nguyên chất
là một hướng nghiên cứu mới và cần thiết. Do vậy, luận văn tiến
hành: ‘‘Nghiên cứu đánh giá hoạt tính sinh học của nano astaxanthin’’.
* Mục tiêu của luận văn :
- Xác định được hình thái và sự phân bố kích thước hạt của nano
astaxanthin.
- Đánh giá được khả năng hấp thu, hoạt tính chống oxi hóa và khả năng

2
giảm lipit của nano astaxanthin theo hướng sử dụng trong y sinh học và thực
phẩm chức năng.
* Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Nghiên cứu hình thái và sự phân bố kích thước hạt của
nano astaxanthin:
+ Nghiên cứu hình thái hạt của nano astaxanthin;
+ Nghiên cứu sự phân bố kích thước hạt (DLS) của nano astaxanthin.
- Nội dung 2: Nghiên cứu đánh giá một số hoạt tính sinh học của nano
astaxanthin ở mức độ in vitro.
+ Xác định hoạt tính tiêu diệt gốc tự do DPPH của astaxanthin và nano
astaxanthin;
+ Đánh giá độc tính tế bào của nano astaxanthin;
+ Xác định khả năng hấp thu của tế bào ung thư đại tràng HT29 đối với
nano astaxanthin;
+ Đánh giá tác dụng bảo vệ tế bào HepG2 của nano astaxanthin chống
lại tổn thương bởi stress oxy hóa do H2O2 gây ra;
+ Nghiên cứu khả năng giảm lipit của nano astaxanthin.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn:
Việc tạo ra những hệ dẫn truyền thuốc hướng đích, điều trị tập trung hiệu quả,
giảm lượng thuốc cần sử dụng là mục tiêu nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa
học trong và ngồi nước. Luận văn thực hiện với mục đích đánh giá hoạt tính
sinh học của nano astaxanthin. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cao. Kết quả thu được cho thấy những ưu điểm vượt trội như tăng
cường hiệu xuất hấp thu tế bào, tăng khả năng chống oxy hóa và giảm lipit
của sản phẩm nano. Như vậy, sản phẩm nano astaxanthin là nguồn dược liệu
đầy tiềm năng ứng dụng trong các ngành dược phẩm, mỹ phẩm và cơng nghệ
thực phẩm.
* Những đóng góp mới của luận văn:
1. Bột nano astaxanthin được chế tạo có khả năng phân tán tốt trong

nước, các hạt phân bố đồng đều và kích thước hạt nhỏ dưới 100 nm. Sản


3
phẩm này có tiềm năng ứng dụng làm nguồn nguyên liệu cho các công ty
dược phẩm trong nước.
2. Việc đánh giá được sự cải thiện về mức độ sinh khả dụng, khả năng
tăng cường hoạt tính chống oxy hóa và lipit của nano astaxanthin so với
astaxanthin dạng tự do góp phần nâng cao giá trị của sản phẩm nano
astaxanthin.


4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1

ASTAXANTHIN
1.1.1. Giới thiệu chung

Astaxanthin
(3,3′-dihydroxy-β,β-carotene-4,4′-dione)
là
một
xanthophyll carotenoit màu đỏ cam có trong rất nhiều loại thủy sản (cá hồi, cá
vền, tơm, cua); động vật có vú khơng có khả năng tổng hợp astaxanthin và
phải được cung cấp từ khẩu phần ăn [1]. So với các carotenoit khác,
astaxanthin có hoạt tính sinh học mạnh mặc dù nó khơng có hoạt tính tiền
Vitamin A. Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã
chấp thuận việc sử dụng astaxanthin làm chất tạo màu thực phẩm trong thức

ăn gia súc và cá. Ủy ban Châu Âu coi astaxanthin tự nhiên như một loại thuốc
nhuộm thực phẩm [2]. Haematococcus pluvialis là một loại vi tảo lục có khả
năng sản xuất một lượng lớn astaxanthin trong điều kiện căng thẳng như độ
mặn cao, thiếu nitơ, nhiệt độ cao và ánh sáng [3]. Astaxanthin được sản xuất
từ loại vi tảo này là nguồn chính cung cấp cho con người [4]. Việc tiêu thụ
astaxanthin có thể ngăn ngừa hoặc giảm nguy cơ mắc các chứng rối loạn khác
nhau ở người và động vật. Được biết đến là chất chống oxy hóa mạnh,
astaxanthin mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe như chống lão hóa, hỗ trợ sức
khỏe tim mạch, giảm viêm, đau khớp, cholesterol cao và thậm chí có tiềm
năng lớn trong ngăn ngừa và hỗ trợ điều trị ung thư [1,2]. Chính vì vậy, việc
sử dụng astaxanthin như một chất bổ sung dinh dưỡng đã và đang được phát
triển nhanh chóng trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm.
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của astaxanthin
1.1.2.1 Cấu trúc của astaxanthin
Astaxanthin có cơng thức phân tử C40H52O4 và khối lượng 596,84g/mol
là một chất có nhiều nhóm hydroxyl hơn các xanthophylls khác, giúp tăng
cường hoạt động chống oxy hóa và tăng lợi ích sức khỏe ở người và động vật.
Astaxanthin gồm hai vòng β-ionone 6 cạnh được nối với nhau bởi một chuỗi
polyene có chứa liên kết đơi liên hợp. Phân tử này có hai ngun tử cacbon
khơng đối xứng nằm ở vị trí 3 và 3’ của vịng β-ionone [1,2].
Astaxanthin có ba dạng cấu hình là astaxanthin tự do, dạng monoester
và dạng diester tùy thuộc vào sự kết hợp của 1 hoặc 2 gốc hydroxyl với các


5
axít béo [5]. Nhóm ester tạo ra mối liên kết giữa astaxanthin và protein. Vì
vậy, astaxanthin khơng 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 nên chúng có 3
dạng đồng phân hình học: 3R-3’R; 3R-3’S và 3S-3’S (Hình 1.1). Trong đó,
3S-3’S là dạng astaxanthin có hoạt tính chống oxy hóa mạnh nhất, hai dạng

đồng phân cịn lại có hoạt tính sinh học yếu [6].

Hình 1.1. Cấu trúc của astaxanthin
(Nguồn: Miao và cs, 2006 [5])
Astaxanthin chứa các liên kết đơi liên hợp, nhóm hydroxyl và nhóm
keto, có tính chất ưa béo tốt và ưa nước kém. Màu đỏ được tạo ra bởi các liên
kết đôi liên hợp tại trung tâm của hợp chất. Những liên kết đôi này giúp
astaxanthin hoạt động như một chất chống oxy hóa mạnh bằng cách cho
electron và phản ứng với các gốc tự do để biến chúng thành chất ổn định hơn
và chấm dứt phản ứng chuỗi gốc tự do trong nhiều sinh vật sống. Hoạt tính
chống oxy hóa của astaxanthin cịn nhờ vào khả năng bắt gốc tự do của
nguyên tử hydro ở C3 methine của vòng β-ionone. Do sự tương đương về số
lượng các liên kết hydro nội phân tử kỵ nước và liên kết hydro của nhóm
phân cực trong các phân tử phospholipit, 2 vịng β-ionone của astaxanthin có
thể quét các gốc tự do cả ở mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào. Vì vậy,
hoạt động sinh học của astaxanthin tốt hơn so với các chất chống oxy hóa
khác do nó có thể liên kết với màng tế bào từ trong ra ngoài (Hình 1.2) [7].


6

Hình 1.2. Vị trí vượt trội của astaxanthin trên màng tế bào
(Nguồn: Eiji Yamashita, 2015 [7])
1.1.2.2 Tính chất của astaxanthin
- Tính chất vật lý [8]
Tính tan: Astaxanthin là hợp chất khơng phân cực nên rất ít tan trong
nước (7.9 x 10-10 mg/L ở 25°C), trong một số dung môi hữu cơ độ tan của
astaxanthin như sau: 30 g/L trong DCM; 10 g/L trong CHCl3; 0.5 g/L trong
DMSO; 0.2 g/L trong aceton.
Điểm nóng chảy: 216 0C và điểm sơi: 774 0C.

Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc: Astaxanthin hấp thụ rất mạnh bức xạ
trong vùng 470÷510 nm nên có màu đỏ cam.
Tính hấp thu ánh sáng của astaxanthin có thể bị thay đổi khi
astaxanthin liên kết với các chất khác. Trong tôm, cua astaxanthin thường liên
kết với phân tử protein (crutacyanin) có λmax = 628 nm tạo nên màu xanh đặc
trưng của các loài thủy sản sống. Dưới tác dụng của nhiệt, liên kết bị phá hủy
và astaxanthin được giải phóng dưới dạng tự do có màu đỏ cam.
- Tính chất hóa học [8]
Trong phân tử astaxanthin có chuỗi polyen liên kết với các nhóm keto,
hydroxyl gắn với các vịng ở đầu mạch nên astaxanthin rất nhạy với ánh sáng,


8
Như vậy, BKT và CrtR-b là 2 emzyme chìa khóa quan trọng trong quá trình
sinh tổng hợp astaxanthin ở tảo H. pluvialis.

Hình 1.3. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở H. pluvialis
(Nguồn: Gimpel, 2015 [9])
1.1.4. Các nguồn astaxanthin
Có hai nguồn astaxanthin chính là nguồn astaxanthin tổng hợp hóa học
và tự nhiên.
1.1.3.1 Nguồn tổng hợp hóa 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 màu sắc của đối tượng nuôi khác nhau.


8
Như vậy, BKT và CrtR-b là 2 emzyme chìa khóa quan trọng trong quá trình
sinh tổng hợp astaxanthin ở tảo H. pluvialis.

Hình 1.3. Con đường sinh tổng hợp astaxanthin ở H. pluvialis
(Nguồn: Gimpel, 2015 [9])
1.1.4. Các nguồn astaxanthin
Có hai nguồn astaxanthin chính là nguồn astaxanthin tổng hợp hóa học
và tự nhiên.
1.1.3.1 Nguồn tổng hợp hóa 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 màu sắc của đối tượng nuôi khác nhau.


9
Q 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) [12]. Các phương pháp khác bao
gồm hydroxyl hóa canthaxanthin (Hình 1.4B) [13], một q trình trùng hợp 3
mạch carbon có chiều dài 10, 20, 30 nguyên tử carbon thông qua ngưng tụ
dienolether [14] và các đồng phân của lutein được chiết xuất từ hoa cúc vạn
thọ để tạo thành zeaxanthin và sau đó chất này bị oxy hóa để hình thành
astaxanthin (Hình 1.4C) [15].

Hình 1.4. Phản ứng tổng hợp astaxanthin
(Phản ứng Wittig (A); Hydroxyl hóa canthaxanthin (B); Oxy hóa zeaxanthin (C))

(Nguồn: Nguyen Khoa Dang, 2013 [13])
1.1.3.2 Nguồn tự nhiên
Trong tự nhiên, astaxanthin được tìm thấy chủ yếu trong tảo, nấm men,
các loài cá hồi, tơm, cua và một số lồi vi sinh vật khác (Bảng 1.1). Ngồi
nguồn tổng hợp hóa học, astaxanthin sản xuất cho thương mại hiện nay chủ

yếu thu nhận từ nấm men đỏ Phaffia rhodozyma, vi tảo lục H. pluvialis, trong
đó vi tảo lục H. pluvialis là một trong những nguồn thu nhận astaxanthin tốt
nhất trong tự nhiên [16]. Tôm, cua và cá hồi là nguồn cung cấp astaxanthin tự
nhiên tốt nhất cho con người thông qua chế độ ăn hợp lý. Trung bình một
người có thể ăn 165 gam cá hồi mỗi ngày để có được 3,6 mg astaxanthin, đây


11
1.1.4. Sinh khả dụng và động học dược lý của astaxanthin
1.1.4.1 Sinh khả dụng của Astaxanthin
Dầu ăn có thể tăng cường sự hấp thu của astaxanthin. Astaxanthin kết
hợp với dầu cá có tác dụng hạ lipit/giảm cholesterol máu và tăng hoạt tính
thực bào của các bạch cầu trung tính hoạt hóa khi so sánh với astaxanthin và
dầu cá riêng lẻ [18]. Astaxanthin đặc biệt vượt trội so với dầu cá về khả năng
cải thiện phản ứng miễn dịch, giảm nguy cơ mắc các bệnh truyền nhiễm và
bảo vệ thành mạch. Hoạt động tăng sinh của các tế bào lympho T và B giảm,
theo sau đó là giảm mức độ tạo thành O2, H2O2 và NO, đồng thời tăng các
enzym chống oxy hóa superoxide dismutase, catalase và glutathione
peroxidase và giải phóng canxi trong dịch bào sau khi dùng astaxanthin với
dầu cá. Sinh khả dụng và hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin được tăng
cường trong huyết tương chuột và mô gan sau khi sử dụng sinh khối
Haematococcus trong dầu ô liu [19].
Astaxanthin là một hợp chất hòa tan trong chất béo, do đó khả năng hấp
thu chất này sẽ được tăng lên khi kết hợp với các loại dầu. Astaxanthin đã
được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến chức năng miễn dịch trong
một số thử nghiệm in vitro và in vivo [19]. Các hợp chất ưa mỡ như
astaxanthin thường được biến đổi chuyển hóa trước khi chúng được bài tiết ra
ngồi và các chất chuyển hóa của astaxanthin đã được phát hiện trong các mô
khác nhau của chuột [20]. Sinh khả dụng của astaxanthin trong huyết tương
người đã được xác nhận với liều duy nhất 100 mg [21]. Tuy nhiên chỉ có 6%

astaxanthin xuất hiện ở trong máu người tình nguyện. Bên cạnh đó, các nghiên
cứu trên tế bào ruột Caco-2 cho thấy chỉ có 14-27% astaxanthin được hấp thu
vào trong ruột [22].
1.1.4.2 Động học dược lý của astaxanthin
Carotenoit được hấp thụ vào cơ thể giống như lipit và được vận chuyển
qua hệ thống bạch huyết vào gan. Sự hấp thụ của carotenoit phụ thuộc vào các
thành phần chế độ ăn uống kèm theo. Chế độ ăn nhiều cholesterol có thể làm
tăng hấp thu carotenoit trong khi chế độ ăn ít chất béo làm giảm hấp thu.
Astaxanthin trộn với axit mật sau khi uống vào và tạo thành các mixen trong
ruột. Các mixen cùng astaxanthin được hấp thụ một phần bởi các tế bào niêm
mạc. Tế bào niêm mạc ruột kết hợp astaxanthin vào chylomicra và được tiêu


12
hóa bởi lipoprotein lipase sau khi giải phóng vào bạch huyết trong vịng tuần
hồn hệ thống và chylomicron dư thừa nhanh chóng được gan và các mơ khác
loại bỏ. Astaxanthin được đồng hóa với lipoprotein và được vận chuyển vào
các mơ [23]. Trong số các carotenoit có nguồn gốc tự nhiên, astaxanthin được
coi là một trong những loại carotenoit tốt nhất có thể bảo vệ tế bào, lipit và
màng lipoprotein chống lại tác hại oxy hóa.
1.1.5. Hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin
Astaxanthin là một chất chống oxy hóa và hoạt tính chống oxy hóa của
nó đã được chứng minh cao gấp 1000 lần so với vitamin E, 200 lần so với
polyphenol từ trà, 60 lần so với coenzyme Q10, 20 lần so với lycopene, 17 lần
so với hạt nho, 10 lần so với các carotenoit khác như zeaxanthin, lutein,
canthaxanthin, β-carotene và cao hơn 100 lần so với α-tocopherol [24]. Vì
vậy, astaxanthin thường được gọi là một “siêu vitamin E”. Nhiều cơng trình
cơng bố đã cho thấy astaxanthin có thể giúp ngăn ngừa một số bệnh ung thư
như ung thư bàng quang, gan, vịm họng và kết tràng. Astaxanthin có tác dụng
trong việc bảo vệ võng mạc khỏi bị oxy hóa, cải thiện những tổn thương võng

mạc, bảo vệ các tế bào tiếp nhận ánh sáng khỏi bị thối hóa. Hơn nữa, chúng
có vai trị rất hữu hiệu trong việc giúp phòng ngừa và chữa trị những tổn
thương tế bào thần kinh như bệnh Alzheimer, Parkinson và những tổn thương
tủy sống [25]. Astaxanthin có khả năng ngăn ngừa sự oxy hóa lipoprotein có
tỷ trọng thấp, cung cấp 1,8; 3,6; 14,4 và 21,6 mg astaxanthin/ngày trong 2
tuần liên tiếp, ngăn ngừa bệnh xơ cứng động mạch, chứng tắc nghẽn động
mạch vành trên người tình nguyện [17]. Theo Hussein và cộng sự (2007),
chuột được uống astaxanthin với liều 50mg/kg/ngày có tác dụng tăng
cholesterol tốt (HDL-C, high density lipoprotein - cholesterol), giảm
triglyceride và các axit béo có hại [26]. Nghiên cứu khác trên chuột bị bệnh
tim mạch cũng cho thấy, chuột được điều trị bằng dịch chiết tảo lục giàu
astaxanthin có tác dụng giảm hàm lượng triglyceride huyết thanh [27].
Nghiên cứu tương tự trên chuột béo phì của Jia và cộng sự (2016) chỉ ra rằng
bổ sung astaxanthin có tác dụng giảm nồng độ cholesterol máu và triglyceride
trong cả gan và máu [28]. Hơn nữa, một đặc điểm đặc biệt quan trọng là
astaxanthin khơng có hoạt tính của một tiền vitamin A với người và động vật
có vú; vì vậy, sự tích lũy quá nhiều astaxanthin không gây ra nguy cơ ngộ độc
[29]. Kết quả thực nghiệm trên cả chuột đực và cái đã cho thấy khơng có một


13
tác dụng nguy hại nào khi sử dụng liều astaxanthin 12 mg/kg trọng lượng cơ
thể/ngày trong vòng 14 ngày. Đối với người, liều dùng an tồn có thể đạt đến
14,4 mg astaxanthin/kg/ngày trong vòng 2 tuần.
1.1.6. Ứng dụng của astaxanthin
Hiện nay, sản xuất astaxanthin từ các nguồn tự nhiên đã trở thành một
trong những hoạt động thành công nhất trong lĩnh vực công nghệ sinh học.
Nhu cầu sử dụng astaxanthin trong các lĩnh vực thực phẩm, thức ăn chăn
nuôi, dinh dưỡng và dược phẩm là rất lớn. Điều này đã thúc đẩy những nỗ lực
lớn để cải thiện sản xuất astaxanthin từ các nguồn sinh học thay vì tổng hợp.

1.1.6.1 Astaxanthin trong nuôi trồng thủy sản
Astaxanthin giúp tạo màu cho vỏ, các cơ quan bên trong của các loài
giáp xác. Màu sắc của lịng đỏ trứng, thịt cá hoặc tơm phụ thuộc vào sự bổ
sung astaxanthin trong khẩu phần ăn, giúp tạo ra sản phẩm cuối cùng có màu
sắc hấp dẫn. Đối với các lồi tơm như tơm thẻ, tơm sú thì màu sắc cơ thể sẽ
quyết định giá trị của chúng nhưng động vật giáp xác lại không thể tự tổng
hợp được astaxanthin; do đó, trong q trình ni cần phải bổ sung một lượng
astaxanthin hợp lý vào thức ăn nhằm tạo màu sắc ưa thích cho người tiêu
dùng.
Ứng dụng quan trọng nhất của việc sử dụng astaxanthin trong công
thức thức ăn cho động vật thủy sản là tăng sắc tố cho thịt cá, màu của cá và
giáp xác, tăng sản lượng và chất lượng chăn ni [32]. Ngồi ra, astaxanthin
hoạt động như một hormone sinh sản, qua đó kích thích hoạt động của tinh
trùng, giúp tăng khả năng thụ tinh, kích thích sự phát triển của cơ quan sinh
dục và thành thục của động vật thủy sản. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng
astaxanthin được sử dụng như một thực phẩm bổ sung trong công thức thức
ăn của động vật thủy sản và đóng vai trị quan trọng trong chuyển hóa tế bào
tăng cường q trình trao đổi chất qua đó giúp vật ni hấp thu chất dinh
dưỡng tốt hơn, thúc đẩy tăng sản lượng, kích thích tăng trưởng đồng thời tăng
cường hệ miễn dịch, tăng khả năng chống chịu stress và kháng bệnh qua đó
tăng tỷ lệ sống, tăng năng suất trong nuôi trồng thủy sản [33, 34, 35, 36]. Lợi
ích của việc bổ sung nguồn astaxanthin vào thức ăn đối với màu sắc, sự tăng
trưởng, tỷ lệ sống, hệ miễn dịch và sinh sản của một số loài thủy sản được thể
hiện ở bảng 1.2.


14
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của thức ăn bổ sung astaxanthin lên các đối tượng thủy sản
(Nguồn: Hồ Sơn Lâm, 2017 [37])
Đối tượng

Hàm lượng
astaxanthin (mg/kg)

Hiệu quả

Tôm thương phẩm

100

Tăng tỷ lệ sống

Cá vàng

36-37

Cải thiện màu sắc da, tăng
tỷ lệ sống

Tôm sú

50

Cải thiện màu sắc vỏ

Cá hồi Đại Tây Dương

Trên 80

Tăng tỷ lệ tăng trưởng, tỷ

lệ sống

Cá hồi Đại Tây Dương
chưa trưởng thành

190

Tăng khả năng tích trữ
vitamin A

Tơm sú

80

Tăng tỷ lệ tăng trưởng, tỷ
lệ sống

Cá hồi Đại Tây Dương

100

Cải thiện màu sắc cơ thịt

Tôm thẻ chân trắng

125-150

Cá khoang cổ đỏ

200

Cải thiện màu sắc da

Tôm thẻ chân trắng

200

Tăng tỷ lệ tăng trưởng, tỷ
lệ sống

Cá dĩa

300

Cải thiện màu sắc da

Cá hồi vân

8

Tăng khả năng sinh sản, tỷ
lệ sinh nở

Cá Astronotus ocellatus

200

Tăng khả năng miễn dịch

150

Tăng sức đề kháng

35-75

Cải thiện màu sắc da

Tôm Macrobrachium

Tăng khả năng
chống oxy hóa

nipponense
Cá đù vàng


15
1.1.6.2 Astaxanthin đối với con người
Astaxanthin có vai trị sinh học đặc biệt quan trọng đối với sức khỏe
con người.
- Khả năng chống oxy hóa
Astaxanthin là một nguồn tuyệt vời hơn bất kỳ chất chống oxy hóa nào
để chống lại các gốc tự do. Nó được liên kết với một số hợp chất khác để cải
thiện lưu lượng máu và giảm stress oxy hóa ở những người hút thuốc và thừa
cân.
Theo các nghiên cứu trước đây, astaxanthin được chứng minh có khả
năng bảo vệ các mơ cơ thể khỏi q trình oxy hóa và tổn thương do tia cực
tím thơng qua sự ức chế kích hoạt NF-KB [38,39]. Astaxanthin cũng ngăn
ngừa ung thư hình thành bằng cách bảo vệ DNA cơ thể khỏi tổn thương oxy hóa
cực tím.

- Ngăn ngừa và hỗ trợ điều trị ung thư
Do đặc tính chống oxy hóa mạnh mẽ, đã có rất nhiều nghiên cứu về
astaxanthin trong điều trị các bệnh ung thư khác nhau. Astaxanthin ngăn chặn
khối u lây lan bằng cách giảm sản xuất khối u và ngăn chặn sự nhân lên của tế
bào nhanh chóng bằng cách ngăn chặn ung thư chu kỳ sinh sản tế bào và tăng
cường apoptosis [38,40,41]. Tuy nhiên, vì astaxanthin tinh khiết có chi phí
cao nên cịn hạn chế sử dụng trong các nghiên cứu và điều trị ung thư.
- Astaxanthin cải thiện sức khỏe làn da
Astaxanthin có thể bảo vệ da khỏi tác hại của tia cực tím bằng cách vơ
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 cịn có chức năng
bảo vệ chống tác hại của tia tử ngoại [42]. Chính vì vậy, astaxanthin hoạt
động như một loại kem chống nắng bên trong vì nó làm giảm viêm, và giảm
tổn thương tia cực tím cho các tế bào da.
Một nghiên cứu của Kumi Tominaga và cộng sự (2012) được thực hiện
ở 38 phụ nữ khỏe mạnh đã uống bổ sung 6mg astaxanthin/ngày và 2ml
astaxanthin/ngày dùng tại chỗ. Kết quả cho thấy, astaxanthin có nguồn gốc từ
H. pluvialis đã cải thiện tình trạng da ở tất cả các lớp biểu bì, lớp trung bì và
lớp hạ bì [43].