Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus

Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.Phân tích đặc điểm cấu trúc của sulfate polysaccharide (carrageenan) từ loài rong đỏ Betaphycus gelatinus.

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN

1.1.1 Giới thiệu và phân loại rong biển

Rong biển là thực vật thủy sinh bậc thấp sống ở biển, với kích thước và hình dạng đa dạng Chúng có thể là đơn bào hoặc đa bào, thường mọc trên rạn san hô, vách đá, hoặc dưới tầng nước sâu, nơi có ánh sáng mặt trời để quang hợp Rong biển đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái biển, cung cấp môi trường sống và nguồn thức ăn cho nhiều loài sinh vật, đặc biệt là trong giai đoạn cây non Ngoài ra, rong biển còn có giá trị lớn đối với con người, được sử dụng làm nguyên liệu cho ngành chế biến thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm công nghiệp như agar, carrageenan và fucoidan.

Rong biển là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng, cung cấp nhiều chất chống oxy hóa, protein, chất xơ, khoáng chất và các nguyên tố vi lượng Nó cũng chứa một lượng nhỏ omega-3, omega-6 cùng các vitamin A, B, C, E, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe.

Trên toàn cầu, các nhà khoa học đã phân loại khoảng 10.000 loài rong biển, chia thành ba nhóm chính dựa trên màu sắc, bao gồm rong đỏ với khoảng 6.500 loài, rong nâu có khoảng 1.800 loài và rong lục với khoảng 1.500 loài.

Tại Việt Nam đã xác định được khoảng 827 loài rong biển thuộc 4 ngành Trong đó, ngành rong đỏ chiếm hơn 412 loại, ngành rong lục chiếm

Trong tổng số 180 loại rong nâu, có 147 loại và 88 loại rong lam (bảng 1.1) Từ các loài này, 310 loài phân bố ở vùng ven biển các tỉnh phía Bắc, trong khi 484 loài hiện diện ở các tỉnh phía Nam, và 156 loài phân bố ở cả hai vùng.

Bảng 1.1 Tổng số taxon rong biển Việt Nam [22]

Số lượng và tỉ lệ(%)

Nguồn: Nguyen Van Tu, et al [22]

Rong biển được phân loại thành nhiều ngành khác nhau dựa trên thành phần cấu tạo, sắc tố, đặc điểm hình thái và sinh sản Tại vùng biển Việt Nam, có gần 800 loài rong biển, và các nhà khoa học Việt Nam đã thống nhất phân loại chúng vào 3 ngành chính có giá trị kinh tế cao, theo hệ thống phân loại 10 ngành của Gollerbakh năm 1977.

Rong nâu: Là loài rong thường có kích thước lớn gồm 4 chi lớn:

Sargassum, Turbinaria, Dictyota, Padina Chúng phân bố rộng, chiếm ưu thế trên các bãi triều ven biển của các vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới

Rong nâu phân bố nhiều nhất ở Nhật Bản, tiếp đến là Canada, Việt Nam, Hàn Quốc, Alaska, Ireland, Mỹ, Pháp, Ấn Độ… Trong đó, hai chi

Sargassum và Turbinaria là hai loài rong nâu quan trọng thuộc họ Sargassaceae, có giá trị kinh tế cao Trung Quốc là quốc gia dẫn đầu về sản lượng rong nâu toàn cầu, tiếp theo là Hàn Quốc, Nhật Bản, Na Uy và Chile.

Hình 1.1 Hình ảnh về một số loài rong nâu [26]

Rong lục là loại rong nhỏ tương tự như rong đỏ, bao gồm cả loài đơn bào và đa bào Trên thế giới, rong lục chủ yếu phân bố tại Philippines, tiếp theo là Hàn Quốc, Indonesia, Nhật Bản và ít hơn ở Việt Nam với các loài như Ulva reticulata, Ulva lactuca, và Caulerpa racemosa Ngoài ra, rong lục còn xuất hiện rải rác ở một số quốc gia khác.

Canada, Chile, Pháp, Israel, Italy, Malaysia, Achentina, Bangladesh…[21,

Hình 1.2 Hình ảnh về một số loài rong lục [28]

Rong đỏ, hay còn gọi là tảo đỏ, là các sinh vật quang tự dưỡng thuộc ngành Rhodophyta Chúng có kích thước nhỏ hơn rong nâu, thường dài không quá 50cm, nhưng một số loài có thể đạt chiều dài lên tới 2m.

Rong đỏ phân bố nhiều ở Việt Nam, Nhật Bản, Hàn Quốc, Chile, Indonesia, Philippines tiếp đến là Thái Lan, Brazil, Pháp, Trung Quốc, Hawaii, Ấn Độ, Anh, Mỹ …

Hiện nay trên thế giới đã phân loại được gần 6500 loài rong đỏ, khoảng

800 chi, thuộc nhiều họ khác nhau Tại vùng biển Việt Nam ngành rong đỏ

Rhodophyta có khoảng 412 loài [22, 31] Từ rong biển có thể tách các polysaccharide như: carrageenan, acid alginic, agar,… Các loài rong đỏ được chia làm ba nhóm chính [22, 32, 33]:

- Nhóm rong cho Agar (Agarophyte): bao gồm các chi, các loài như: Gelidium, Graccilaria, Acanthopeltis, Gelidiella,

- Nhóm Gelans: nhóm rong này dùng để sản xuất Furcellaran, điển hình của nhóm rong này là Furcellaria

- Nhóm rong cho Carrageenan (Carrageenophyte): bao gồm các chi, các loài như: Gigartina, Eucheuma, Chondrus, Iridaea, Chondruscripus, Gigartinastella và Hypnea…

Liagora sp1 Liagora sp2 Grateloupia lithophila

Hình 1.3 Hình ảnh về một số loài rong đỏ [34]

1.1.2 Thành phần hóa học có trong rong biển

Vào năm 2005, Huỳnh Quang Năng, Bùi Minh Lí và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học và cấu trúc của carrageenan từ các loài rong biển Kappaphycus alvarezii, Kappaphycus striatum và Eucheuma denticulatum, được di nhập từ Philippines.

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số loài rong trong 3 ngành rong chính

(Tỉ lệ tính trên 100g rong tươi) [25]

Ngành rong Nâu Nâu Nâu Đỏ Đỏ Đỏ Lục

Tannin 2 - 10 0,1 0,5 - 6,0 nd nd nd Nd

Iod 0,01 - 0,1 0,3 - 1,1 0,05 0,01 - 0,1 0,0005 nd Nd nd: Không phát hiện thấy

Rong biển chứa nhiều thành phần hóa học quý giá như polysaccharide, carotenoid, protein, lipid, hợp chất phenolic, acid amin, acid béo không bão hòa, vitamin, peptide, khoáng chất, hợp chất chứa iod, laminaran và alginate Trong số đó, polysaccharide là thành phần chính, được coi là nguồn carbohydrate dồi dào và có giá trị kinh tế cao, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học cho các ứng dụng y học.

1.1.3 Sulfate polysaccharide từ rong biển

Polysaccharide là hợp chất cao phân tử được hình thành từ nhiều monosaccharide liên kết qua liên kết glycoside Chúng được chiết xuất từ thực vật và ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, như agar, pectin, lectin và carrageenan Trong những thập niên gần đây, rong biển đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, góp phần vào việc phát triển tiềm năng khai thác rong biển tại Việt Nam.

GIỚI THIỆU VỀ CÂY RONG BETAPHYCUS GELATINUS

Hình 1.4 Rong Betaphycus gelatinus ở Ninh Thuận [35]

Tên tiếng Việt: Rong hồng vân

Tên La Tinh: Fucus gelatinus Esper1800

Betaphycus gelatinus (Esper) Doty ex P.C.Silva 1996

Rong B.gelatinus được định danh theo khóa phân loại như sau:

Họ Rong kỳ lân Solieriaceae

TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN

Carrageenan là một polysaccharide tự nhiên được chiết xuất từ các loài rong biển thuộc họ Rhodophyceae, chủ yếu phát triển ở khu vực Đại Tây Dương gần Anh, Châu Âu và Bắc Mỹ.

Carrageenan đã được biết đến từ lâu ở phương Tây, với những phát hiện đầu tiên của các nhà khoa học như Schimdt và Stantord vào những năm 1842-1862 về sự có mặt của carrageenan trong rong đỏ Chondrus crispus và Irish moss thuộc họ Rhodophyceae Tuy nhiên, những khám phá này còn thô sơ và chưa xác định được đầy đủ tính chất của carrageenan Đến thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ nhất, nhu cầu về gelatin cho quân đội gia tăng đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu tìm kiếm chất thay thế, và cuối cùng, carrageenan đã được phát hiện là một chất có tính chất tương tự gelatin.

Tên Carrageenan hay Carrageenan – irish moss là tên của một thị trấn ven biển Irish thuộc Carrageenan

Từ những loài rong đỏ (Rhodophyceae) người ta đã phát hiện ra nhiều loại carrageenan khác nhau, bao gồm: kappa-carrageenan, lambda- carrageenan, iota-carrageenan, beta-carrageenan…[38]

1.3.2 Phân bố và sản lượng carrageenan trên thế giới và trong nước

1.3.2.1 Phân bố và sản lượng carrageenan trên thế giới

Hằng năm, thế giới khai thác khoảng 100.000 tấn khô Carrageenophyte và sản xuất 15.000 tấn carrageenan từ các quốc gia như Trung Quốc, Indonesia, Hàn Quốc, Malaysia, Philippines, Singapore, Thái Lan, Chile (Nam Mỹ), Đan Mạch, Liên minh Châu Âu, Morocco, Nam Phi, Zanzibar (Tanzania) và Nam Nhật Bản.

Theo thống kê năm 2000, hơn 80% sản lượng carrageenan được sản xuất bởi các công ty nổi bật như FMC và CP Kelco của Mỹ, Danisco của Đan Mạch, Degussa của Đức, cùng với Ceamsa của Tây Ban Nha.

Ngành công nghiệp sản xuất carrageenan đang phát triển mạnh mẽ không chỉ ở Mỹ và Tây Âu mà còn ở nhiều quốc gia Châu Á như Trung Quốc, Nhật Bản và Philippines Tại Nhật Bản, các loại tảo như agar, alginate và carrageenan được ứng dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm và các lĩnh vực khác Nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp carrageenan bao gồm hai loài rong Eucheuma và Kappaphycus nhập khẩu từ Đông Nam Á, cùng với các nguyên liệu tự nhiên như Chondrus và Gigartina từ châu Mỹ và châu Âu Đặc biệt, tảo bẹ Nhật Bản (Saccharina japonica) chiếm gần 51% tổng sản lượng rong biển nuôi trồng, trong khi Gracilaria đứng ở vị trí thứ hai.

Undaria spp (wakame) và Porphyra spp (Tiếng Nhật) Bốn loài chính này đóng góp 92% tổng sản lượng năm 2015

Sản lượng rong biển nuôi trồng ở Trung Quốc chiếm khoảng 60% tổng lượng rong biển toàn cầu, với sự phát triển nhanh chóng từ 9,7 triệu tấn năm 2006 lên 13,9 triệu tấn năm 2015.

Bảng 1.3 Sản lượng rong biển nuôi trồng ở Trung Quốc từ 2009–2015 [39]

Trọng lượng tính bằng tấn

Thực vật thủy sinh khác

Indonesia báo cáo sản lượng từ 1,2 triệu tấn năm 2006 lên 11,3 triệu tấn năm 2015 Sản lượng rong biển, 2010–2015 ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Sản lượng rong biển ở Indonesia từ 2010–2015 [39]

Trọng lượng tính bằng tấn

Tổng sản lượng nuôi trồng

Sản xuất tự nhiên(hoang dã)

Theo thống kê từ cơ quan Philippines, trong năm 2016, xuất khẩu rong biển và carrageenan đạt gần 43.000 tấn, với giá trị khai báo hải quan lên tới 200 triệu USD.

Bảng 1.5 Xuất khẩu rong biển (carrageenan) ở Philippines từ 2013–2016

Trọng lượng tính bằng tấn; trị giá hàng nghìn USD

1.3.2.2 Phân bố và sản lượng carrageenan trong nước [40]

Hình 1.5 Bản đồ vị trí khu vực phân bố các carrageenophytes ở Việt Nam

Cho đến nay, các loài rong thuộc nhóm Carrageenophyte ở ven biển phía Nam Việt Nam đã được xác định bao gồm Eucheuma spp, Kappaphycus spp, Hypnea spp, Acanthophora spp, Gymnogongrus spp và Betaphycus spp Trong số đó, Eucheuma, Kappaphycus và Betaphycus chủ yếu phân bố ở vùng biển miền Nam.

Trung Việt Nam, nằm trong nhóm nguyên liệu chính và phổ biến cho công nghiệp chế biến carrageenan của các nước trên thế giới

Carrageenan là một loại sulfate galactan có cấu trúc mạch thẳng, hòa tan trong nước Nó được hình thành từ sự luân phiên giữa các đơn vị D-galactose (DG) và 3,6-anhydro-D-galactose (DA) thông qua các liên kết α-1,4 và β-1,3-galactopyranosyl.

42] Phụ thuộc vào số lượng, vị trí của nhóm sulfate và sự có mặt của vòng 3,6-anhydro của gốc galactose mà carrageenan được phân làm 03 họ chính sau:

• Họ Kappa carrageenan bao gồm kappa (κ) và iota () carrageenan

• Họ Beta carrageenan bao gồm beta (β) và omega (ω) carrageenan

• Họ Lambda carrageenan bao gồm theta () và pi () carrageenan

Các phân tích bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cho thấy mỗi loại carrageenan, bao gồm mu (à), kappa, nu (ν), iota, xi (ξ), gamma (γ) và theta, đều có những cấu trúc chỉ thị đặc trưng Một số cấu trúc này được minh họa trong hình 1.7, trong đó γ-carrageenan có công thức R=H(G-D6S).

0 β-carrageenan R=H(G-DA) Ψ-carrageenan(G6S-D6S) ω-carrageenan (G6S-DA) μ-carrageenan R=H(G4S-D6S) ν-carrageenan R=SO 3 - (G4S-D2S,6S) κ-carrageenan R=H(G4S-DA) ᶥ -carrageenan R=SO 3 - (G4S-DA2S) λ-carrageenan R=SO 3 - (G2S-D2S,6S) θ-carrageenan R=SO 3 - (G2S-DA2S) δ-carrageenan R=SO 3 - (G,6S) α-carrageenan R=SO 3 - (G-DA2S) ξ-carrageenan R=H(G2S-D2S)

Hình 1.6 Cấu trúc hóa học của các dạng carrageenan [43]

Mạch polysaccharide của carrageenan có cấu trúc xoắn kép, với mỗi vòng xoắn được hình thành từ các gốc disaccharide Cấu trúc bậc 3 của carrageenan được ổn định nhờ các liên kết hydro giữa oxy ở C6 của gốc galactose trong mạch này và gốc tương tự ở mạch khác Trong dung dịch, các xoắn kép có khả năng liên hợp với nhau, tạo thành cấu trúc bậc 4 Carrageenan có công thức cấu tạo đơn giản gắn với các ion Ca2+, K+, Na+ như: R=(OSO3)2Ca, R-OSO3Na, hoặc R-OSO3K, trong đó R là gốc polysaccharide.

Sự hiện diện của các cation như K+, Ca2+ và Na+ kích thích sự hình thành các dimer xoắn ốc, tạo ra mạng lưới ba chiều ổn định Quá trình này diễn ra thông qua các tương tác giữa các phân tử trong chuỗi xoắn carrageenan, nhờ vào sự liên kết với các nhóm sulfate.

Hình 1.7 Cơ chế tạo gel của κ-carrageenan khi có mặt các ion kali [46]

1.3.4 Tính chất hóa lý của carrageenan

Hydrocolloid chứa α-D-1,3 và β-D-1,4 galactose với hàm lượng sulfate lên đến 40% tổng khối lượng, tích điện âm, kết hợp với ammonium, potassium, calcium, magnesium và sodium

Khả năng hòa tan λ-carrageenan hòa tan trong nước lạnh và nước nóng, κ- carrageenan hòa tan trong nước nóng, κ-carrageenan bị kết tủa trong dung dịch potassium

Hình thành gel λ-carrageenan không hình thành gel, chỉ hình thành cấu trúc xoắn Ion calcium hình thành gel với ι-carrageenan Ion potassium hình thành gel với κ-carrageenan

Liên kết glycoside được chuyển hóa thông qua quá trình thủy phân ở pH thấp (pH