Nghiên cứu phương pháp thu hồi và làm khô sinh khối vi tảo nannochloropsis oculata làm nguyên liệu sản xuất thực phẩm chức năng

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà NộiVIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu phương pháp thu hồi và làm khô sinh khối vi tảo N

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

Nghiên cứu phương pháp thu hồi và làm khô

sinh khối vi tảo Nannochloropsis oculata

làm nguyên liệu sản xuất thực phẩmchức năng

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN KIỀU TRINH

Hà Nội – 2016

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

Lời cảm ơn

Tr ước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Th.S Bùi Kim

Thúy -ng ười đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn

thành bài khóa lu ận này

Tôi xin chân thành c ảm ơn các cán bộ công nhân viên Trung tâm Nghiên cứu và

ki ểm tra chất lượng nông sản, thực phẩm –Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công

ngh ệ sau thu hoạch đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành

k ỳ thục tập của mình tại đây

C ũng nhận dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo Khoa Công

ngh ệ sinh học – Viện đại học Mở Hà Nội- những người đã truyền thụ cho tôi

nh ững kiến thức căn bản nhất để tôi có thể vận dụng hoàn thành bài khóa luận

này, đồng thời tự tin với những kiến thức đó vững bước trên con đường sự

nghi ệp sau này

Tôi xin c ảm ơn các bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ và góp ý kiến để tôi hoàn thiện

bì khóa lu ận

Cu ối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tôi- nơi tôi luôn

nh ận được những sự động viên âm thầm trong suốt quá trình học tập của mình

Hà N ội, ngày 20 tháng 5 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Kiều Trinh

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

Mục Lục

Lời cảm ơn i

Mục Lục iii

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục bảng biểu và hình ảnh viii

PHẦN I.MỞ ĐẦU 1

PHẦN II TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Vi tảo Nanochloropsis oculata 4

2.1.1 L ịch sử phát hiện 4

2.1.2 Phân lo ại và đặc điểm hình thái 4

2.1.2.1 Phân lo ại 4

2.1.2.2 Đặc điểm hình thái 5

2.1.3 Thành phần dinh dưỡng, vai trò và ứng dụng của tảo N Oculata 6

2.1.3.1 Giá tr ị dinh dưỡng của vi tảo 6

2.1.3.2 Thành ph ần dinh dưỡng và vai trò của vi tảo N oculata 7

2.1.3.3 Ứng dụng của vi tảo N.oculata 9

2.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi tảo Nanochloropsis oculata trên thế giới và Việt Nam 10

2.2.1 Th ế giới 10

2.2.2 Vi ệt Nam 11

2.3 Kỹ thuật thu hồi và làm khô sinh khối vi tảo Nanochloropsis oculata 15 2.3.1 K ỹ thuật thu hồi 15

2.3.1.1 Khái ni ệm điện phân 15

2.3.1.2 Nh ững ứng dụng điện phân trong sản xuất 15

2.3.1.3 Ứng dụng điện phân trong nuôi trồng và thu hoạch tảo 17

2.3.2 Các ph ương pháp làm khô 19

2.3.2.1 Gi ới thiệu về công nghệ sấy phun 19

2.3.2.2 Phân lo ại thiết bị sấy phun 23

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

2.3.2.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy phun 23

PHẦN III VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Vật liệu nghiên cứu 25

3.1.1 Đối tượng 25

3.1.2 Hóa chất và thiết bị 25

3.2. Phương pháp nghiên cứu 25

3.2.1 Ph ương pháp xác định trọng lượng khô của vi tảo 25

3.2.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu su ất kết bông tảo 26

3.2.3 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu suất kết bông tảo 26

3.2.4 Ảnh hưởngcủa tốc độ khuấy đến hiệu suất kết bông tảo 26

3.2.5 Ph ương pháp xác định năng lượng tiêu hao của quá trình điện phân 27

3.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu suất thu hồi sản phẩm 27

3.2.7 Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến hiệu suất thu hồi sản phẩm 27

3.2.8 Ảnh hưởng của tốc độ quay đầu phun đến hiệu suất thu hồi sản phẩm 27

3.2.9 Ph ương pháp xác định độ ẩm sản phẩm 28

3.2.10 Ph ương pháp tính hiệu suất thu hồi sản phẩm 28

3.2.11 Ph ương pháp xác định hàm lượng chất béo tổng số 28

3.2.12 Ph ương pháp xử lý số liệu 29

PHẦN IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

4.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất kết bông tảo 30

4.2 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu suất kết bông tảo 32

4.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất kết bông tảo 33

4.4 Năng lượng tiêu hao của quá trình điện phân 34

4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hiệu suất thu hồi sản phẩm 35 4.6 Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến hiệu suất thu hồi sản phẩm 36

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

4.7 Ảnh hưởng của tốc độ quay đầu phun sương đến hiệu suất thu hồi sản

phẩm 38

4.8 Đánh giá chất lượng sản phẩm 39

PHẦN V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

KẾT LUẬN 40

KIẾN NGHỊ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 42

TÀI LIỆU TIẾNG ANH 42

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

Danh mục chữ viết tắt

N.oculata: Nannochloropsis Oculata

EPA: Eicosapentaenoic acid

PE: Polyethylene

rDNA: Ribosomal DNA

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

Danh mục bảng biểu và hình ảnh

Bảng 2.1: Thành phần và tỷ lệ % các axit béo(so với axit béo tổng số) trong vi

tảo N.oculata ( trích Renaud, 1991) Error! Bookmark not defined

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian đến hiệu suaatskeets bông tảo 30

Khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội

Bảng 4.2 Năng lượng tiêu thụ ở mật độ dòng điện khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đầu vào Error! Bookmark not defined

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của tốc độ quay đầu phun sương Error! Bookmark not defined

Bảng 4.5 Chất lượng sản phẩm PLA sau sấý Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Vi tảo N Oculata dưới kính hiển vi Error! Bookmark not defined Hình 2.3.Thiết bị sấy phun Error! Bookmark not defined

Hình 4.1 Dung dịch tảo N.oculata trước khi điện phân Error! Bookmark not defined

Hình 4.2 Dung dịch tảo điện phân ở mật độ dòng diện 6 mA/cm2 trong 30 phút

Error! Bookmark not defined.

Hình 4.3 Dung dịch tảo điện phân ở mật độ dòng điện 9mA/cm2 trong 10 phút

Error! Bookmark not defined Hình 4.4 Hiệu suất kết bông ở pH khác nhau Error! Bookmark not defined

Hình 4.5 Hiệu suất kết bông ở tốc độ khuấy khác nhau Error! Bookmark not defined

Hình 4.6 Ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến hiệu suất thu hồi và độ ẩm

sản phẩm Error! Bookmark not defined

Hình 4.7 Sản phẩm bột tảo sau sấy 39

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 1

PHẦN I.MỞ ĐẦU

Sinh khối vi tảo là một nguồn nguyên liệu hấp dẫn cung cấp cho sản xuất nhiên liệu sinh học nhờ vào khả năng nuôi trồng lớn và trữ lượng chất béo cao Trong thời gian gần đây, một số loại sinh khối vi tảo bắt đầu được quan tâm với mục đích sản xuất ra những sản phẩm có giá trị cao như thực phẩm bổ sung, chất màu tự nhiên và chất béo không no đa mạch (Cardozo, 2007) Vi tảo chứa một lượng rất dồi dào các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể sống Ngoài những chất dinh dưỡng phổ biến, mỗi loài tảo có một thế mạnh về hàm lượng các chất dinh dưỡng Trong khi tảo Spirullina (tảo được dùng làm thực phẩm chức năng

rộng rãi hiện nay) có thành phần protein khá cao thì vi tảo Nannochloropsis

oculata lại nổi bật là nhóm vi tảo giàu hàm lượng chất béo (chiếm 18-30% trọng lượng khô) cùng một lượng đáng kể các vitamin, các sắc tố carotenoid và các

khoáng chất như Ca, Mg, K, Zn, Fe,… N.oculata chứa rất nhiều loại axit béo đa

nối đôi không bão hòa Đáng lưu ý nhất là các axit béo thuộc nhóm eicosapentaenoic (EPA) với hàm lượng chiếm đến 24,5 - 40% tổng axit béo (Renaud, 1991) EPA là chất đã được chứng minh có vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng, chống các bệnh về tim mạch, xơ vữa động mạch, giảm viêm nhiễm, kháng ung bướu (Senzaki, 1998) EPA còn là thành phần quan trọng trong nhiều loại thực phẩm và thuốc hỗ trợ phát triển trí não ở trẻ em và chống bệnh suy giảm trí nhớ ở người già

Do kích thước của loài vi tảo này nhỏ (2-4µm) và mật độ sinh khối thấp (0,5-2 g/l) nên việc thu hồi sinh khối tương đối khó khăn Hầu hết những quy trình sản xuất vi tảo hiện nay sử dụng phương pháp ly tâm để thu hồi sinh khối vi tảo Tuy nhiên, việc tiêu tốn nhiều năng lượng cho phương pháp thu hồi này là một vấn đề đáng quan tâm (Heasman, 2000) Nếu vi tảo được cô đặc từ 30 đến

50 lần bằng phương pháp kết tụ và kết lắng bằng trọng lực trước khi ly tâm thì

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 2

yêu cầu về năng lượng cho thu hồi có thể giảm đi rất nhiều (Harun, 2010) Do vậy, để sử dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học hay các sản phẩm có giá trị cao thì giá thành và hiệu quả năng lượng của quá trình cần phải được cải thiện đáng kể (Green, 2010)

Nhiều nghiên cứu đã đưa ra những giải pháp thu hồi vi tảo như là biện pháp thay thế cho kết bông và li tâm là hai biện pháp thu hồi thường dùng nhưng khá tốn năng lượng Cụ thể, Xu và cộng sự (2011) đã mô tả quy trình thu hồi nhanh hai loài vi tảo có sử dụng phân tử nano FeO và những phân tử nano này có thể cải tạo và tái sử dụng mà không làm thay đổi về hiệu suất Vandamme cùng cộng sự (2012) đã công bố phương pháp cô đặc giá thành thấp được gọi là tự kết bông trong đó kết bông xảy ra do sự kết tủa magie ở pH 11 Một số nghiên cứu

sử dụng chế phẩm kết bông vi sinh như là giải pháp thay thế cho hóa chất thường dùng (Lee và cộng sự, 2009) Một kỹ thuật thu hoạch vi tảo biển khác sử dụng phương pháp kết bông và đông tụ bằng điện phân giảm tiêu thụ điện năng (Uduman và cộng sự, 2011)

Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng kết tụ vi tảo bằng điện phân có thể là một phương pháp thay thế những phương pháp thu hồi vi tảo truyền thống khác vì nó được đánh giá là khá hiệu quả với mức tiêu thụ năng lượng thấp và không cần thiết phải bổ sung thêm bất kì một hóa chất nào nên đảm bảo chất lượng sinh khối thu được Kết tụ bằng điện phân cho phép thu hồi được trên 97%

sinh khối vi tảo biển Nannochloropsis sp và hơn 80% sinh khối vi tảo nước ngọt

Chlorella vulgaris với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn 0,06 và 1 kWh/m3tương ứng (Matos, 2013) Hay trong một nghiên cứu khác, hiệu suất thu hồi sinh

khối Chlorella vulgaris đạt 95% sau điện phân 10 phút ở mật độ dòng điện 12

mA/cm2 và mức tiêu thụ năng lượng khoảng 2 kWh/kg, trong khi đó đối với vi

tảo biển Phaeodactylum tricornutum hiệu suất đạt 80% sau 10 phút điện phân

với mật độ dòng điện là 3 mA/cm2 và mức tiêu thụ năng lượng khoảng 0,3

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 3

kWh/kg (Vandamme, 2011) Bởi vậy, điện phân có thể là công nghệ mới có nhiều triển vọng trong thu hồi sinh khối vi tảo

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, chúng tôi tiến hành khóa luận: “Nghiên

c ứu phương pháp thu hồi và làm khô sinh khối vi tảo Nanochloropsis oculata

làm nguyên li ệu sản xuất thực phẩm chức năng”

M ục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu đánh giá được khả năng thu hồi sinh khối vi tảo N.oculata

bằng phương pháp điện phân và làm khô tạo chế phẩm bằng thiết bị sấy phun

N ội dung nghiên cứu:

1 Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất kết bông tảo

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu suất kết bông tảo

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất kết bông tảo

4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí sấy đến hiệu suất thu hồi sản phẩm

5 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ bơm nhập liệu đến hiệu suất thu hồi sản phẩm

6 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay đầu phun sương đến hiệu suất thu hồi sản phẩm

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 4

PHẦN II TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. Vi tảo Nanochloropsis oculata

2.1.1 Lịch sử phát hiện

Loài tảo Nannochloropsis oculata được mô tả lần đầu bởi Droop (1955) Dựa trên những căn cứ khá đơn giản về hình thái, tác giả này đặt chúng vào chi Nannochloris, là một chi thuộc lớp tảo lục Chlorophyceae Sau đó, Antia và cộng

sự, (1975) dựa trên những nghiên cứu sâu về vi cấu trúc tế bào nhận thấy chúng

có nhiều nét tương thích với lớp Eustigmatophyceae hơn là lớp Chlorophyceae Đến năm 1981, Hibberd chính thức chuyển loài này sang chi mới là Nannochloropsis (thuộc lớp Eustigmatophyceae ) và vị trí phân loại này vẫn tồn tại đến ngày nay

2.1.2 Phân loại và đặc điểm hình thái

2.1.2.1 Phân lo ại

Dựa trên hệ thống phân loại quen thuộc hiện nay, vị trí của Nannochloropsis

oculata được sắp xếp ( theo Hoek và cộng sự , 1995) như sau:

Giới: Chromisa T.Cavalier-Smith

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 5

2.1.2.2 Đặc điểm hình thái

N oculata tồn tại ở dạng đơn bào, hình cầu hoặc hơi có dạng hình trứng, đường kính dao động trong khoảng 2-4µm (Hibberd, 1981) N oculata có thể sắc

tố quang hợp khá lớn hình trứng, chiếm một dung lượng đáng kể của tế bào

(Murakami & Hashimoto, 2009) Sắc tố quang hợp duy nhất ở N oculata là

chlorophyll a , không có sắc tố chlorophyll b hay c (Murakami & Hashimoto,

2009) Các carotenoid bao gồm carotene (11%), violaxathin (51%),

vaucheriaxanthin (26%) và các carotenoid khác (12%)

Hình 2.1: Vi tảo N Oculata dưới kính hiển vi

Tuy không có roi và không có khả năng di động (Hoff & Snell, 1999) nhưng do trọng lượng tế bào rất nhỏ, chỉ nặng 6,1 pg/tb (Lavens & Sorgeloos, 1996), nên trong môi trường nước, tế bào luôn lơ lửng, không bị chìm, kể cả khi không được sục khí hay khuấy đảo

Cũng do kích thước nhỏ nên việc phân biệt N oculata nói riêng và chi

Nannochloropsis nói chung bằng phương pháp hình thái học gặp rất nhiều khó khăn, ngay cả khi sử dụng kính hiển vi điện tử nên hiện nay, việc phân loại

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 6

thường dựa chủ yếu vào kỹ thuật di truyền, nhất là trình tự gen rbcL và gen 18S

rDNA (Fawley & Fawley, 2007)

2.1.3 Thành ph ần dinh dưỡng, vai trò và ứng dụng của tảo N Oculata

2.1.3.1 Giá tr ị dinh dưỡng của vi tảo

Như đã nói ở trên, vi tảo nói chung vốn chứa một lượng rất dồi dào các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể sống Ngoài những thành phần dinh dưỡng

cơ bản như protein, lipid, carbonhydrate là những chất chiếm tỷ trọng cao trong tổng trọng lượng khô của tảo (protein chiếm 6-52%, lipid 7-23%, carbohydrat 5-

23 %), tảo cũng chứa rất nhiều loại vitamin, đáng lưu ý là vitamin C (chiếm từ

1-16 mg/g trọng lượng khô), vitamin B2 (20-40 µg/g trọng lượng khô) (Brown et

al., 1997) Vi tảo cũng chứa một hàm lượng lớn các axit amin và các chất có tác dụng thiết yếu cho cơ thể sống như các các axít béo không no thuộc nhóm omega 3 (n-3HUFA), nhất là nhóm eicosahexaenoic (22:5n-3, EPA), arachidonic (20:4n-6, AA), docosapentaenoic (22:6n-3, DHA) và docopentaenoic (DPA C22:

5n-6) (Brown et al., 1997) Thành phần axit amin khá tương đồng giữa các loài

tảo nên sự khác biệt về hàm lượng protein tạo nên sự khác nhau về giá trị dinh dưỡng của vi tảo (Brown 1991) Tất cả các loài vi tảo đều có hàm lượng axit ascobic và axit riboflavin cao, lần lượt là 1-16mg/g và 20-40mg/g trọng lượng khô Đây đều là những chất hoặc là thiết yếu cho cơ thể động vật hoặc là có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng của cơ thể Do có thành phần dinh dưỡng toàn diện và hàm lượng dinh dưỡng cao nên các loài vi tảo thường được sử dụng làm thức ăn cho động vật thủy sản, một số được làm thực phẩm chức năng, bổ sung các chất thiết yếu cho cơ thể sống

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 7

2.1.3.2 Thành ph ần dinh dưỡng và vai trò của vi tảo N oculata

Ngoài những chất dinh dưỡng phổ biến, mỗi loài tảo có một thế mạnh về

hàm lượng các chất dinh dưỡng Trong khi tảo Spirullina (tảo được dùng làm

thực phẩm chức năng rộng rãi hiện nay) có thành phần protein khá cao (khoảng

35% so với 50-60% ở) thì N oculata lại nổi bật là nhóm tảo giàu hàm lượng chất

béo (chiếm 18-30% trọng lượng khô), cùng một lượng đáng kể các vitamin, các sắc tố carotenoid và các khoáng chất như Ca, Mg, K, Zn, Fe

Đặc biệt N oculata chứa rất nhiều loại axít béo đa nối đôi không bão hòa (PUFA) (xem bảng 2) Đáng lưu ý nhất là các axít béo thuộc nhóm

eicosapentaenoic - EPA (20:5n-3, EPA), với hàm lượng chiếm đến 24,5 - 40 %

tổng axít béo EPA là chất đã được chứng minh có vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề khángvà phòng tránh bệnh cho người và động vật EPA giúp

chống suy nhược cơ thể (Babcock et al., 2000), ngăn chặn tình trạng máu nhiễm

mỡ, chống các bệnh về tim mạch, xơ vữa động mạch, làm giảm viêm nhiễm (Gill

& Valivety, 1997), giảm chứng khối huyết (Hostmark et al., 1988) EPA là thành

phần quan trọng trong nhiều loại thực phẩm và thuốc hỗ trợ phát triển trí não ở trẻ em và chống bệnh suy giảm trí nhớ ở người già Và đặc biệt, theo nhiều tác

giả, chẳng hạn Senzaki et al (1998), Bonaa et al (1992), EPA giúp kháng

ungbướuvà được quan tâm như là yếu tố hỗ trợ phòng ngừa và điều trị ung thư

Chi tảo Nanochloropsis còn được biết đến có chứa một hàm lượng lớn các sắc tố carotenoid(β-carotene) (Liau et al., 2010) Carotenoids đã được chứng minh có

vai trò rất quan trọng đối với sức khỏe con người Ngoài tác dụng chống oxy hóa, chống viêm, chúngcòn giúp ngăn ngừa, trì hoãn sự phát triển của ung thư

Theo Vílchez et al (2011), việc bổ sung carotenoid vào chế độ ăn có thể giảm

nguy cơ ung thư ruột kết và làm giảm số lượng khối u trong gan người Gần đây loài tảo này được quan tâm nhiều hơn với giá trịlàm thực phẩm chức năng

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 8

Bảng 2.1: Thành phần và tỷ lệ % các axit béo (so với axit béo tổng số) trong

vi tảo N oculata ( trích Renaud, 1991)

Hàm lượng min (%)

Hàm lượng max (%)

Hàm lượng min (%)

Hàm lượng max (%)

Các axit béo

Theo Antia et al., (1975), thành phần carotenoid của tảo N oculata gồm

55-58%violaxanthin, 25-32% vaucheriaxanthin, 3-10% carotene, 0-1% neoxanthin, 4-5% keto- carotenoids,còn lại là 3-4% các carotenoid khác

N oculata có hàm lượng Vitamin E(α-tocopherol) cao hơn nhiều lần so

với các loài tảo vốn được sử dụng làm nguồn cung vitamin E như Euglena

gracilis, Dunaliella salina và Tetraselmis suecica (Vismara et al., 2003)

Tocopherols là hỗn hợp có khả năng hòa tan trong chất béo, có khảnăng chống ô

xy hóa, có vai trò quan trọng trong các phản ứng vận chuyển điện tử và ổn định

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 9

màngtế bào liên quan đến thẩm thấu màng tế bào và các chất lỏng

(Carballo-Cárdenas et al., 2003) Trong cơ thể, α-tocopherol giúp ngăn chặn các bệnh lý

gây ra do ánh sáng đối với mắt và da (Chiu & Kimball, 2003), ngăn chặn rối loạn

thoái hóa, các bệnh tim mạch và ung thư (Gómez-Coronadoet al., 2004) Do tế bào động vật không thể tự tổng hợp được các chất này (Carballo-Cárdenas et

al.,2003) nên phải thu nhận từ các nguồn sinh vật quang sinh

Ngoài những chất được xem là nguồn dinh dưỡng thiết yếu,

Nannochloropsis còn có thành phần đa dạng các chất khoáng, các muối thiết yếu

cho cơ thể con người Nghiên cứu của Rebolloso-Fuentes et al (2001) cho thấy

hàm lượng chất khoáng có trong 100 g tảo khô là Ca (972mg), K (533 mg), Na (659 mg), Mg (316 mg), Zn (103 mg), Fe (136 mg), Mn (3.4 mg), Cu (35.0mg),

Ni (0.22 mg), and Co (<0.1 mg)

Các nghiên cứu thử nghiệm trên chuột cho thấy, thức ăn bổ sung vi tảo

Nannochloropsis không có độc tính và không ảnh hưởng đến sinh trưởng, trọng

lượng các cơ quan hay các thông số huyết học (Andres, 1992)

Với tất cả những ưu điểm nổi bật trên, vi tảo Nannochloropsis đãđược đề

xuất sử dụng làm thực phẩm dinh dưỡng bổ sung cho người như một loại thực

phẩm có lợi cho sức khỏe (Vismara et al., 2003)

2.1.3.3 Ứng dụng của vi tảo N.oculata

Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều ứng dụng của vi tảo N.oculata như:

- Làm thực phẩm chức năng giàu Omega-3

- Dùng trong xử lý vết dầu loang

- Dùng trong sản xuất nhiên liệu sinh học bảo vệ môi trường

- Làm chất phòng và hỗ trợ điều trị ung thư

- Làm chất giải độc, hỗ trợ tuần hoàn máu

- Làm chất tăng cường sinh lực, đẹp da, chống lão hóa

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 10

2.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi tảo Nanochloropsis oculata trên thế giới và Việt Nam

2.2.1 Th ế giới

Khoảng 1/3 sinh khối thực vật trên thế giới là sinh khối tảo Trong tổng số khoảng 25.000 loài vi tảo hiên nay có khoảng 50 loài được nghiên cứu tỉ mỉ về mặt sinh hoá, sinh lý và sinh thái học (Đặng Đình Kim, 2002) Hiện nay, có trên

40 loài tảo khác nhau được phân lập ở các nước trên thế giới, đang được nuôi để làm các chủng tảo thuần khiết trong các hệ thống thâm canh (Lavens & Sorgeloo S, 1996)

Ở Nhật bản, nuôi N oculata làm thức ăn cho trùng bánh xe rất phổ biến

Ở Úc các loài tảo đơn bào như Tetraselmis sp, Palova lutheri… được nuôi phổ biến làm thức ăn cho động vật thân mềm

Ban đầu Nanochloropis oculata được sử dụng rộng rãi để nuôi luân trùng

ở nhiều nước trên thế giới và đã được đề xuất như một nguồn sản xuất thương mại cho các sản phẩm dùng trong chế độ ăn uống bổ sung axit béo omega-3 ( theo nghiên cứu của Sukenik và cộng sự năm 1989) Vi tảo biển

Nannochloropsis oculata cũng được biết đến với khả năng tích lũy chất béo, chủ yếu ở dạng chất béo trung tính làm cho chúng trở thành một loài hấp dẫn trong lĩnh vực sản xuất dầu diesel sinh học tái tạo Năng suất lipid có thể được tăng lên bằng các giảm hàm lượng nitơ của các tế bào khiến chúng dần dần giảm tốc độ sao chép của tế bào nhờ đó giúp tích lũy chất béo (lên đến 70% trọng lượng khô) Thông qua những giá trị dinh dưỡng ưu việt như đã nêu ở trên, những năm gần đây loại tảo này lại trở thành đối tượng nghiên cứu cho các đề tài liên quan đến thực phẩm chức năng, dược phẩm và đặc biệt với ưu thế về hàm lượng lipid

có thể lên đến 70% (chất khô) thông qua việc điều chỉnh thành phần Nitơ trong

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 11

tảo mà N.oculata đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong việc sản

xuất năng lượng sinh học có khả năng tái tạo được Đây là một trong những nghiên cứu vô cùng có ý nghĩa đối với loài người

2.2.2 Vi ệt Nam

Vi tảo biển được nghiên cứu ở Việt Nam từ khá lâu Tuy nhiên, lĩnh vực nuôi sinh khối mới chỉ tập trung vào mục đích làm thức ăn nuôi ấu trùng của động vật thủy sản Từ năm 1991, Đỗ Văn Khương và Lê Viễn Chí đã phân lập

và nuôi giữ được hai loài tảo Skeletonema costatum và Chaetoceros sp Các

nghiên cứu này đã tập trung đánh giá ảnh hưởng một số yếu tố sinh thái như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, độ mặn và dinh dưỡng lên sinh trưởng và phát triển quần thể của hai loài tảo này (Lê Viễn Chí 1998) Trong khi đó, một số nhóm tảo

khác như Chaetoceros, Chlorella sp., Platymonas sp., N oculata, Chaetoceros

muelleri , Isochrysis galbana, Pavlova… cũng được sử dụng nhiều trong nuôi

trồng thủy sản Chúng là những loài thường được sử dụng làm thức ăn cho ấu

trùng và động vật hai mảnh vỏ Những năm gần đây, do N oculata được sử dụng

rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản, chúng đã lôi kéo được sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong nước

Phạm Thị Lam Hồng (1999) nghiên cứu một số thông số của quá trình nuôi như độ mặn, ánh sáng và tỷ lệ thu hoạch lên một số đặc điểm sinh học,

thành phần sinh hóa của loài vi tảo N oculata trong điều kiện phòng thí nghiệm Tác giả này đã chỉ ra rằng N oculata có thể phát triển ở độ mặn10 – 35 ppt

nhưng phát triển tốt nhất ở 30 – 32 ppt Nghiên cứu cũng đã ứng dụng các kỹ thuật đểnuôi bán liên tục loài tảo này, cung cấp tảo cho sản xuất động vật phù du phục vụ quy trình ươngcác loại ấu trùng động vật biển

Trần Văn Tựa (2002) nghiên cứu điều kiện thích hợp cho sinh trưởng của

N oculata để nhân nhanh trong điều kiện phòng thí nghiệm Theo đó, tác giả đã

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 12

nhân nhanh vi tảo này trong điều kiện phòng thí nghiệm và đạt mật độ từ 50-150 triệu/ml

Đặng Diễm Hồng (2008) đã thử nghiệm thành công các mô hình nuôi

N.oculata ở các điều kiện khác nhau, từ điều kiện nuôi trong nhà với thể tích 1-5 lít đến túi nilon với thể tích 50-60 lít và nuôi bể composit 1-2m2 để phục vụ sinh

sản nhân tạo ngao Bến Tre Meretrix lyrata Tất cả các lô thí nghiệm đều sử dụng

môi trường nuôi Walne 30% Kết quả cho thấy, ở môi hình nuôi 1-5 lít trong

nhà, mật độ cực đại đạt được của N oculata là 30 triệu tế bào/ml và thời gian đạt

mật độ cực đại là 4 ngày Ở mô hình nuôi túi nilon 50-60 lít mật độ cực đại đạt được là 24,8 triệu tế bào/ml với thời gian mật độ đạt cực đại là 3 ngày Ở mô hình bể composite, mật độ cực đại đạt được là 20 triệu tế bào/ml với thời gian mật độ đạt cực đại là 2 ngày

Chu Chí Thiết và Martins Kumar (2008) đã sử dụng vi tảo N oculata kết hợp với hai loài tảokhác là Isochrysis galbana, Chaetoceros sp để làm thức ăn cho ấu trùng ngao (Meretrix lyrata Sowerby, 1851) trong quá trình sản xuất

giống Tỷ lệ cho ấu trùng ngao ăn được duy trì với mật độ 100.000 tế bào/ml hỗn hợp của cả ba loài tảo trên Sau 8 đến 10 ngày cho ăn tảo, ấu trùng sẽ chuyển sang giai đoạn sống đáy đạt hiệu suất cao

Bùi Bá Trung và cs (2009), đã tiến hành một nghiên cứu khá bài bản tìm hiểu ảnh hưởng của mật độ nuôi ban đầu và tỷ lệ thu hoạch lên sinh trưởng của

tảo N oculata Theo đó, tảo được nuôi trong hệ thống ống dẫn trong suốt, nước

chảy liên tục Hệ thống nuôi bao gồm 10 ống thủy tinh được lắp đặt ngoài trời và

có một hệ thống làm mát đi kèm để đảm bảo nhiệt độ trong suốt quá trình nuôi luôn ở mức độ thích hợp Nghiên cứu đã xác định được mật độ ban đầu thích hợp

nhất cho nuôi sinh khối N oculata là 8x106 tb/mL Tác giả đã nuôi tảo N

oculata đạt mật độ cực đại là 61,07x106 tb/mL - mật cao kỷ lục so với các hệ

thống nuôi N oculata khác ở Việt Nam hiện nay, như túi nilon và bể compozít

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 13

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tỉ lệ thu hoạch 10% thể tích nuôi là phù hợp nhất

Cái Ngọc Bảo Anh và cộng sự (2009), đã nghiên cứu điều chỉnh nồng độ

và thay đổi một số muối nitơ trong môi trường f/2 để đánh giá sinh trưởng quần

thể tảo N oculata Kết quả cho thấy, hàm lượng nitơ giảm (1/2 lần) kéo theo mật

độ tảo ở đầu pha cân bằng giảm đáng kể Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng nitơ (1,5-2 lần) hầu như không làm thay đổi mật độ tảo khi thu hoạch Hơn nữa, trong điều kiện nuôi cấy ở Việt Nam, hoàn toàn có thể sử dụng (NH4)2SO4 để thay thế NaNO3 trong môi trường f/2 mà không làm sai khác mật độ tảo so với điều kiện tiêu chuẩn ban đầu

Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản II ( năm 2010) đã triển khai đề tài

“Nghiên cứu công nghệ nuôi thâm canh và thu sinh khối tảo Isochrysis galbana

và Nannochloropsis oculata” với mục tiêu sản xuất vi tảo N oculata mật độ cao

làm thức ăn trong nuôi trồng thủy sản Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn chưa có một công bố nào về kết quả đạt được của đề tài

Viện Nghiên cứu Hải sản là cơ quan đầu tiên ở Việt Nam thử nghiệm nuôi

tảo N.oculata theo định hướng làm thực phẩm chức năng Nhận được đề nghị

của Viện Thực phẩm chức năng và Công ty TNHH Dược Quốc tế IMC về việc

phối hợp nghiên cứu quy trình nuôi tảo N.oculata theo định hướng làm thực

phẩm chức năng, đầu năm 2011, bằng nguồn kinh phí tự có, Viện Nghiên cứu

Hải sản đã tiến hành thử nghiệm nghiên cứu quy trình nuôi sinh khối tảo N

Oculata mật độ cao, giá thành thấp, theo định hướng làm thực phẩm chức năng Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm 5 mô hình nuôi khác nhau là (1) bể hở bằng xi măng sục khí, (2) bể hở bằng compozít sục khí, (3) túi PE kín đường kính 40cm, dung tích 50-60 lít sục khí, (4) hệ thống ống nhựa làm bằng túi PE đường kính

20 cm, nước chảy liên hoàn và (5) bể kín hình trụ trong suốt sục khí, đường kính 60cm, cao 1,6m Kết quả đã cho thấy mô hình tốt nhất là mô hình bể kín hình trụ

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 14

trong suốt, với mật độ tối đa đạt tới 42 triệu tb/ml Đây là mật độ cao nhất từng đạt được ở Việt Nam bằng cách nuôi bằng hoàn toàn tự nhiên, tức là không sử dụng ánh sáng nhân tạo, không sử dụng biện pháp ổn nhiệt Điều quan trọng là

về mặt quy mô thì mô hình này đã tiến rất gần đến quy mô có thể sản xuất được thực phẩm chức năng Với dung tích 200 lít/bể, vốn được cấu tạo rất đơn giản, rất dễ nâng lên thành quy mô hàng trăm bể, với tổng dung tích khoảng vài chục

m3, cho phép sản xuất ở quy mô vài kg tảo khô/mẻ, với giá thành vừa phải Kết

quả này mở ra triển vọng rất lớn nuôi tảo N oculata mật độ cao làm thực phẩm

chức năng với giá thành thấp Tuy nhiên, mô hình chưa được khẳng định khả năng ổn định quanh năm, nhất là khi đối diện với nhiệt độ quá thấp về mùa đông

và quá cao về mùa hè Mô hình này cần tiếp tục nghiên cứu, phát triển để đạt sự hoàn thiện và ổn định về mật độ tảo Mặt khác, tuy đã có chủ ý đảm bảo các yếu

tố về an toàn vệ sinh thực phẩm nhưng sản phẩm chưa trải qua các sát hạch nghiêm ngặt về hàm lượng dinh dưỡng, hàm lượng các hoạt chất sinh học và đảm bảo các tiêu chí về an toàn vệ sinh thực phẩm và các tiêu chuẩn đối với thực

phẩm chức năng

Tóm lại, hiện nay ở Việt Nam các nghiên cứu mới chỉ khai thác sinh khối

tảo N oculata trong lĩnh vực sản xuất giống hải sản Những nghiên cứu mang

tính ứng dụng tảo này làm thực phẩm chức năng cho người còn rất mới mẻ, dù

đã chứng minh được tiềm năng hiện hữu của hướng phát triển sản phẩm này nhưng hầu chưa cho ra kết quả cụ thể Với những ưu điểm về thành phần và hàm

lượng các chất dinh dưỡng, tảo N oculata hứa hẹn sẽ là đối tượng tiềm năng trong lĩnh vực sản xuất thực phẩm chức năng cho người

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 15

2.3 Kỹ thuật thu hồi và làm khô sinh khối vi tảo Nanochloropsis oculata

2.3.1 K ỹ thuật thu hồi

2.3.1.1 Khái ni ệm điện phân

Điện phân là quá trình thực hiện phản ứng oxi hóa khử dưới tác dụng năng lượng của dòng điện một chiều chạy qua dung dịch điện ly hay chất điện ly ở trạng thái nóng chảy Điện cực dương (anot) là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, là nơi hút các điện tử về Điện cực âm (catot) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi phát ra các điện tử

2.3.1.2 Nh ững ứng dụng điện phân trong sản xuất

Điện phân đã được ứng dụng nhiều trong sản xuất từ lâu như xử lý nước thải, sản xuất các hợp chất vô cơ, hữu cơ, tinh kuyện kim loại,…

• Xử lý nước thải

Sử dụng các quá trình ôxi hóa anot và khử của catot để làm nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải Phương pháp này có sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học nhưng lại tiêu hao năng lượng tương đối lớn Phương pháp này có thể được tiến hành gián đoạn hay liên tục Các quá trình đã được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất xyanua, ancolsulfoxyanua, các amin, aldehyde, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm azo, sulfit,… Trong quá trình ôxy hóa, các chất trong nước bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và H2O tạo thành các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách ra bằng phương pháp khác Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tính chất điện phân như graphit, macnetit (Fe3O4), PbO2,… Catot được làm bằng molipden, hợp kim của

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 16

vonfram với sắt hoặc niken; từ than chì, thép không gỉ và các kim loại khác được phủ lớp molipden, vonfram hay hợp chất của chúng

• Sản xuất các chất vô cơ, hữu cơ

Sử dụng phương pháp điện phân nóng chảy để điều chế các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Ba, Al,… Hay sử dụng phương pháp điện phân dung dịch để điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu như Fe, Cu, Ag,…

Ngoài ra, tổng hợp các chất hữu cơ cũng là lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã có rất nhiều công trình công bố

• Tinh luyện kim loại

Sử dụng phương pháp điện phân để tinh luyện một số kim loại như Cu,

Pb, Zn, Fe, Ag, Au,…

• Tách và phân tích các chất trong hỗn hợp

Phương pháp điện phân là một trong những phương pháp được dùng trong phân tích và có tầm quan trọng nhất định bởi cho kết quả chính xác, thời gian phân tích không quá dài và có khả năng khống chế cho phép tách đơn giản nhiều ion cùng có mặt

• Đúc điện

Đúc điện thực chất là kết tủa điện phân kim loại để chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng như khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử,…

• Gia công điện phân qua ống hình

Gia công điện phân qua ống hình là phương pháp gia công điện phân trong

đó sử dụng dung dịch điện phân axít Phương pháp này được phát triển và hoàn thiện bởi General Electric Aircraft Engine Group để gia công lỗ có tỷ lệ giữa chiều sâu và đường kính lớn Loại lỗ này khó hoặc không thể gia công bằng khoan thông thường cũng không gia công điện hóa thông thường vì phương pháp điện hóa thông thường tạo ra chất kết tủa không tan làm ngăn cản quá trình gia

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 17

công Để giải quyết khó khăn đó, phương pháp gia công điện phân qua ống hình

sử dụng chất điện phân axít do đó hòa tan kim loại thành dung dịch thay cho việc tạo ra chất kết tủa

• Mạ điện

Mạ điện dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, để trang trí bề mặt, tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt

• Khoan điện hóa

Khoan điện hóa có khả năng khoan các lỗ rất nhỏ bằng cách sử dụng các dòng điện có áp kế cao và dung dịch điện phân axít Dụng cụ như là một đầu thủy tinh có điện cực bên trong Người ta có thể sử dụng một ống thủy tinh có nhiều nhánh để gia công cùng một lúc 50 lỗ Công nghệ này được phát triển để khoan các lỗ làm mát trong các tua bin của động cơ phản lực

2.3.1.3 Ứng dụng điện phân trong nuôi trồng và thu hoạch tảo

Vi tảo đang ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba bởi nó không gây nên những tác động xấu như những nguồn nhiên liệu sinh học thứ nhất và thứ hai (Brennan và Owende, 2010) Tuy nhiên, hiện nay việc sản xuất những sản phẩm vi tảo (diesel sinh học) lại quá đắt

đỏ và nhiên liệu sinh học vi tảo chỉ có thể cạnh tranh về mặt kinh tế với những sản phẩm có giá trị cao như những sản phẩm bổ sung vào thực phẩm chẳng hạn như chất màu tự nhiên và chất béo không no đa mạch (Greenwell và cộng sự, 2010) Bởi vậy, việc giảm giá thành cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ

vi tảo là rất cần thiết đặc biệt là khâu thu hoạch hay tách nước, đây là khâu tiêu tốn nhiều năng lượng nhất Việc giảm giá thành này sẽ cho phép sử dụng kinh tế nhiên liệu sinh học từ vi tảo cho nhiều ứng dụng khác nhau như sản xuất nhiên liệu và xử lý nước thải (Greenwell và cộng sự, 2010)

Nguyễn Kiều Trinh - 1203 Page 18

Nghiên cứu gần đây đưa ra kỹ thuật cải tiến trong việc đông tụ và kết bông bằng phương pháp điện phân (Kim và cộng sự, 2012) Kỹ thuật này trao đổi hướng của dòng điện (trao đổi điện cực- PE) cho quá trình nuôi trồng và thu hoạch vi tảo liên tục Cụ thể hơn là PE tạo ra hai pha khác nhau sử dụng một cặp điện cực, một cực hòa tan còn cực kia không hòa tan trong quá trình thu hồi tảo

Ví dụ như, trong pha đầu tiên (P1) bông tảo được hình thành do sự mất ổn định của tảo tích điện âm bởi ion kim loại giải phóng từ điện cực hòa tan, còn pha thứ hai (P2) tiếp theo thì quá trình tạo ra ion kim loại bị giới hạn và những bong bóng tạo ra ở cả hai cực sẽ làm cho bông tảo nổi lên trên mặt Kỹ thuật mới này tuy có hiệu quả và ý nghĩa về mặt kinh tế nhưng vẫn cần phải nghiên cứu tối ưu hóa sâu hơn trước khi ứng dụng rộng rãi để sản xuất thương mại

Tuy nhiên, một số phản ứng điện hóa có thể xảy ra trong quá trình thu hồi tảo bằng phương pháp điện phân bởi những tác động xấu đến khả năng sống sót

và hồi phục của tế bào tảo Chẳng hạn, nhôm (Al) đặc biệt khi bị oxi hóa có thể ảnh hưởng đến hoạt động quang sinh của tảo và làm giảm hiệu suất tạo bông của tảo thông qua tái ổn định bởi quá trình kết tủa nhanh và nhiều của hydroxit nhôm Al(OH)3 Hiện tượng này được xem như là kết bông nhanh và hầu như diễn ra ở pha đầu tiên của quá trình trao đổi cực (Perreault và cộng sự, 2009) Hơn nữa, một số loài có phản ứng ngược lại với clo có thể được tạo ra (chủ yếu trong pha hai của trao đổi cực) có thể gây phá hủy tế bào, đặc biệt là sử dụng phương pháp điện phân để thu hoạch tảo nước biển (Chen và cộng sự, 2011) Những vấn đề này cần phải được xem xét bởi nó ảnh hưởng một phần đến quá trình nhân nuôi

và thu hoạch tảo Tuy nhiên, những ảnh hưởng này còn phụ thuộc vào loại điện cực và thời gian trao đổi điện tử

Kết tụ bằng điện phân cho phép thu hồi được trên 97% sinh khối vi tảo

biển Nannochloropsis sp và hơn 80% sinh khối vi tảo nước ngọt Chlorella