English
Dữ liệu hiện tại về các loại dầu chiết xuất từ vi tảo có giá trị dinh dưỡng và chiến lược để cải thiện sản lượng của chúng
Một số loài vi tảo có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các loại thực phẩm lành mạnh và bổ sung vào thức ăn chăn nuôi. Bài báo này mô tả dữ liệu hiện tại về các loại dầu chiết xuất từ vi tảo có giá trị dinh dưỡng, như Dunaliella salina, được nuôi để lấy sắc tố và axit béo không bão hòa đa của nó. Ảnh của Mike Dyall-Smith, Wikimedia Commons.
Việc sản xuất thương mại vi tảo đã nhận được sự quan tâm lớn với nhiều mục đích khác nhau trong suốt những thập kỷ qua. Những vi sinh vật này phần lớn đã được nghiên cứu như một nguồn nhiên liệu sinh học, các thành phần hoạt tính sinh học cho các công thức mỹ phẩm, dược mỹ phẩm, và các loại dược phẩm có giá trị cao. Vi tảo cũng thích hợp làm phân bón vì khả năng liên kết với nước và khả năng giải phóng các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng xâm nhập vào đất. Chúng hiện đang được điều tra về xử lý sinh học môi trường nước, được gọi là phycoremediation (phương pháp sử dụng thực vật để xử lý các chất độc hại/chất gây ô nhiễm trong môi trường đất/nước).
Vi tảo cũng đã được nghiên cứu vì chúng có tiềm năng trong sản xuất các loại thực phẩm lành mạnh và làm chất bổ sung vào thức ăn chăn nuôi. Sinh khối vi tảo có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho các quy trình lọc sinh học thế hệ thứ ba, có thể đoán trước được sự chuyển đổi của nó thành một loạt các sản phẩm và năng lượng có thể bán trên thị trường, giảm thiểu chi phí cũng như lượng chất thải thải ra. Cho đến nay, nhiều công ty đã áp dụng phương pháp này và có thể phát triển vi tảo ở quy mô thí điểm, sản xuất các loại hàng hóa khác nhau (chủ yếu là chất mang năng lượng, chất tạo màu và axit béo không bão hòa đa, hoặc PUFAs) từ cùng một sinh khối, cho các lĩnh vực công nghệ sinh học khác nhau.
Bài báo này – được chỉnh sửa và tóm tắt từ bài báo gốc (Santin, A. và cộng sự, 2021. Axit béo không bão hòa đa có giá trị cao từ vi tảo: Chiến lược cải thiện năng suất và khai thác tiềm năng của chúng trong nuôi trồng thủy sản. Molecules 2021, 26 (24), 7697) – Mô tả dữ liệu hiện tại về các loại dầu chiết xuất từ vi tảo có giá trị dinh dưỡng, các chiến lược hiệu quả để cải thiện sản lượng của vi tảo và những trở ngại chính liên quan đến sản xuất quy mô lớn của ngành công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi.
Axit béo không bão hòa đa
Axit béo không bão hòa đa (PUFAs) là axit béo (FAs) được phân loại thành hai nhóm chính dựa trên độ dài của của các nguyên tử cacbon: axit béo không bão hòa đa chuỗi ngắn (SC-PUFAs), với 16 hoặc 18 nguyên tử cacbon và axit béo không bão hòa đa chuỗi dài (LC-PUFAs) với hơn 18 nguyên tử cacbon.
Việc tiêu thụ PUFAs liên quan đến nhiều lợi ích khác nhau đối với sức khỏe của con người, bao gồm cải thiện trao đổi chất, điều chỉnh huyết áp và mức đường huyết, và bảo vệ chống lại nhiều bệnh tật, bao gồm một số loại ung thư. Các nghiên cứu lâm sàng và dịch tễ học đã chỉ ra rằng chế độ ăn giàu axit eicosapentaenoic (EPA) góp phần giảm thiểu nguy cơ mắc các bệnh về tim mạch. Axit docosahexaenoic (DHA) và axit arachidonic (AA) rất quan trọng trong việc tránh suy giảm sự phát triển não bộ và thiếu hụt nhận thức của trẻ sơ sinh. Ngoài ra, EPA và DHA có thể giúp giảm nguy cơ béo phì ở cả người và động vật, đồng thời ngăn ngừa các bệnh viêm mãn tính.
Con người, cũng như các động vật có vú khác, không có khả năng hoặc có khả năng kém trong việc tổng hợp một số PUFA thiết yếu, như axit linoleic và axit α-linolenic, lần lượt là tiền chất của AA và DHA. Do đó, việc hấp thụ trực tiếp các hợp chất này từ các nguồn bên ngoài là điều cần thiết. Những nguồn này bao gồm các sinh vật sống dưới nước (cá, động vật thân mềm và giáp xác), thực phẩm có nguồn gốc động vật (thịt, sữa, trứng), nấm, vi khuẩn và các nguồn thực vật, như một số loại cây và vi tảo. Các nguồn vi sinh vật chính có thể tạo ra lipid có giá trị cao cho các mục đích dinh dưỡng, được tóm tắt trong Hình 1.
Hình 1: Các vi sinh vật sản xuất axit béo không bão hòa đa (PUFA) chính và các sản phẩm có giá trị cao.
Công nghệ vi tảo
Công nghệ vi tảo có một số ưu điểm vượt qua nhiều hạn chế liên quan đến việc nuôi các sinh vật khác và / hoặc các nguồn tự nhiên. Chúng không cần đất canh tác, do đó chúng không cạnh tranh với các loại cây nông nghiệp về không gian, và chúng có tốc độ tăng trưởng cao hơn so với các cây trồng trên cạn.
Ngoài ra, sản xuất vi tảo là một quá trình an toàn với môi trường, không cần thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu để duy trì. Sự phát triển của chúng có thể liên quan trực tiếp đến quá trình cố định CO2 và cũng có thể góp phần làm giảm các khí nhà kính khác trong khí quyển như nitơ và oxit lưu huỳnh. Sinh khối vi tảo không yêu cầu quá trình xử lý trước tốn chi phí và thời gian để chiết xuất các phân tử sinh học, nó tự áp dụng các kỹ thuật chiết xuất khác nhau, một số trong số đó giảm thiểu hoặc tránh sử dụng dung môi.
Một số sản phẩm chiết xuất từ vi tảo hiện đang được bán trên thị trường. Thành phần sinh hóa của tảo và sản lượng lipid có giá trị cao của chúng có thể được thay đổi thông qua việc điều chỉnh các điều kiện sinh trưởng và / hoặc biến đổi gen nhằm mục đích thay đổi sự trao đổi chất của tảo. Các axit béo chuỗi ngắn có độ tinh khiết và độ không bão hòa thấp, do đó không đủ cho việc sản xuất thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hay các mục đích liên quan đến dược phẩm, nhưng nó vẫn hữu ích cho sản xuất diesel sinh học. Tuy nhiên, chi phí cao của nhiên liệu sinh học vi tảo so với các nguồn hóa thạch vẫn ngăn cản việc sản xuất nhiên liệu này. Mặc dù vậy, các nhà máy công nghiệp sản xuất thực phẩm hoặc chất bổ sung thức ăn chăn nuôi vãn đang phát triển trên toàn thế giới, ngay cả khi có ít loài vi tảo được tìm thấy thị trường.
Kỹ thuật di truyền
Trong những năm gần đây, kỹ thuật di truyền và chuyển hóa đã được sử dụng để cải thiện các đặc điểm khác nhau của sinh vật, ví dụ như tăng sản xuất các phân tử sinh học có giá trị cao. Công nghệ giải trình tự với số lượng cao và kỹ thuật biến đổi gen đã góp phần rất lớn vào việc tăng cường sản xuất lipid và đặc biệt là tích tụ PUFAs, không chỉ ở vi tảo mà còn ở thực vật, nấm men và vi khuẩn.
Một số chiến lược có thể được sử dụng để điều chỉnh các gen liên quan đến chuyển hóa lipid và sinh tổng hợp PUFAs, nói chung là làm xáo trộn sự biểu hiện gen bằng cách biểu hiện quá mức hoặc làm im lặng các gen nội sinh; các chiến lược phổ biến là sự biểu hiện quá mức của các enzym trong con đường sinh tổng hợp, sự xáo trộn của việc điều hòa các con đường sinh tổng hợp có liên quan, ngăn chặn các con đường cạnh tranh, và trong một số trường hợp, sử dụng phương pháp chuyển gen.
Một số nhà nghiên cứu đã nhấn mạnh khả năng biểu hiện protein dị hợp (có nguồn gốc từ một sinh vật khác) ở các sinh vật khác nhau. Những nghiên cứu này đã cho phép xác định đặc điểm của một số lượng lớn các gen liên quan đến các con đường trao đổi chất khác nhau và xác định các mục tiêu để tăng sản xuất PUFAs. Về việc tăng cường con đường sinh tổng hợp axit béo, phương pháp chính là việc điều chỉnh thành phần của axit béo thông qua hoạt động của các gen liên quan đến sinh tổng hợp axit béo (Hình 2), cụ thể là tăng sự biểu hiện của một hoặc nhiều enzym.
Hình 2: Biểu diễn sơ đồ của các con đường lipid từ vi tảo. Các enzym được hiển thị trong các hình vuông với các màu sắc khác nhau, tùy thuộc vào hoạt động di truyền diễn ra: màu đỏ là gen im lặng hoặc loại bỏ, màu xanh lá cây để biểu hiện quá mức và màu xanh lam cho biểu hiện dị hợp. Tham khảo bài báo gốc để biết thêm thông tin chi tiết.
Lipid có nguồn gốc từ vi tảo
Trong bài báo này, chúng tôi nhấn mạnh tiềm năng của lipid có nguồn gốc từ vi tảo như một nguồn bền vững đối với thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Việc điều chỉnh nguồn cung cấp dinh dưỡng (phân loại và / hoặc nồng độ trong môi trường nuôi) và các thông số vật lý (nhiệt độ, ánh sáng, độ chiếu xạ) có thể nâng cao sản lượng của lipid. Điều kiện nuôi tối đa hóa sản lượng và / hoặc năng suất của các lipid có giá trị cao có thể là đặc trưng cho loài, và trong một số trường hợp, cần có các chiến lược tăng trưởng cụ thể (như hệ thống canh tác hai giai đoạn) để tối đa hóa cả sinh khối và hàm lượng lipid.
Máy phản ứng quang học bằng thủy tinh, hình ống được sử dụng để nuôi cấy vi tảo và các sinh vật quang hợp khác. Thiết bị này có thể tích là 4.000 lít và nguyên lý hoạt động của nó được phát triển vào cuối những năm 1990. Loại máy phản ứng quang học này thích hợp cho việc sản xuất quy mô các sản phẩm có giá trị cao từ vi tảo. Ảnh của IGV Biotech, Wikimedia Commons.
Hiện nay, việc sản xuất quy mô lớn lipid có nguồn gốc từ vi tảo cho các ngành công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi chủ yếu dựa vào canh tác trong các ao mở, vì chúng là giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí nhất cho sự phát triển lớn. Mặt khác, các thiết bị phản ứng quang học khép kín nên được dùng cho các sản phẩm yêu cầu mức chất lượng cao và nồng độ chất gây ô nhiễm rất thấp hoặc bằng không, như chất dinh dưỡng và dược phẩm, nhưng việc kiểm soát tình trạng nghiêm ngặt của chúng vẫn rất tốn kém. Một chiến lược thú vị được biết đến như sau, đầu tiên là sử dụng chiết xuất lipid của vi tảo để sản xuất diesel sinh học, do hàm lượng lipid cao của chúng, và sau đó xử lý phần còn lại không có lipid dưới dạng các sản phẩm giàu protein và axit béo. Cuối cùng, chúng tôi tin rằng cần nỗ lực hơn nữa để giảm chi phí vận hành thông qua các quy trình bền vững và tái chế chất dinh dưỡng là cần thiết bằng nghiên cứu sinh học.
Một lợi thế bổ sung của hệ thống phản ứng quang học trong nhà so với ao mở ngoài trời là các quy định nghiêm ngặt về sinh vật biến đổi gen, bao gồm cả vi tảo. Kỹ thuật di truyền vi tảo đã góp phần cải thiện các đặc điểm sinh hóa cụ thể của một số loài và nuôi cấy các chủng vi tảo này thay vì các loại hoang dã được chứng minh là có hiệu quả kinh tế hơn. Vì sự xâm nhập ngẫu nhiên của vi tảo biến đổi gen trong môi trường có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng, có thể so sánh với những hậu quả do một số loài nhập khẩu gây ra, qui định của pháp luật không cho phép nuôi trồng ngoài trời những sinh vật đó ở hầu hết các quốc gia. Ngược lại, vi tảo biến đổi gen có thể được nuôi cấy an toàn trong các hệ thống trong nhà, đảm bảo ngăn cách vô trùng giữa môi trường bên trong và bên ngoài.
Quan điểm
Việc sản xuất PUFAs từ vi tảo có nhiều tiềm năng và cơ hội để phát triển lớn hơn nữa, tuy nhiên cần giải quyết một số thách thức liên quan đến các vấn đề về kỹ thuật, khả năng tiếp cận vốn, đào tạo theo quy định, học thuật và công nghiệp (với sự hợp tác giữa tất cả), và giảm chi phí sản xuất sinh khối.
Mặc dù việc sản xuất vi tảo ở quy mô thương mại đang nhanh chóng được cải thiện, nhưng chi phí sản xuất sinh khối vi tảo vẫn chưa thể cạnh tranh được. Những lý do chính đằng sau chi phí sản xuất lớn liên quan đến hàm lượng tương đối nhỏ của PUFAs trong sinh khối vi tảo, có thể phụ thuộc vào sự phát triển của tế bào và vào phương pháp chiết xuất.
Vi tảo là nguồn bền vững và an toàn nhất với môi trường được khai thác để sản xuất PUFAs cho con người, cũng như để làm thức ăn cho động vật trên cạn và dưới nước. Tuy nhiên, thế giới vẫn chưa khai thác hết tiềm năng của nó, do các nguồn PUFA khác vẫn có lợi thế hơn về mặt kinh tế, với các phương pháp sản xuất và chiết xuất đã được tối ưu hóa và cho năng suất cao. Do đó, trong thập kỷ tới, các nghiên cứu về công nghệ sinh học vi tảo nên tập trung vào việc tìm kiếm các chiến lược mới để giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng sản lượng lipid. Các thách thức có thể được giải quyết để làm cho sản xuất vi tảo được khả thi ở quy mô công nghiệp, như tối ưu hóa các điều kiện tăng trưởng, phương pháp xử lý đầu nguồn để tăng năng suất PUFAs và lựa chọn giữa các phương pháp xử lý hạ nguồn khác nhau để giảm chi phí sản xuất.
Theo Thạc sĩ Anna Santin, Tiến sĩ Monia Teresa Russo, Tiến sĩ Maria Immacolata Ferrante, Tiến sĩ Sergio Balzano, Tiến sĩ Ida Orefice và Tiến sĩ Angela Sardo.
Biên dịch: Huyền Thoại – Công ty TNHH PPTS Bình Minh
“Tôm Giống Gia Hóa – Chìa Khóa Thành Công”
Xem thêm:
- Các Quy Trình Sản Xuất Nâng Cao Chất Lượng Tôm Giống
- Nuôi Tôm Trong Hệ Thống Biofloc Với Các Nguồn Carbon Khác Nhau
- Nghiên Cứu Lại Giá Trị Của Các Trang Trại Nuôi Tôm Ở Bangladesh