Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu sự thay đổi theo tháng của hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin từ rong đỏ Betaphycus gelatinus

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Sinh học "Nghiên cứu sự thay đổi theo tháng của hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin từ rong đỏ Betaphycus gelatinus" trình bày các nội dung chính sau: Xác định hàm lượng carrageenan, hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate của carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng; Xác định sự có mặt và hoạt tính lectin từ dịch chiết rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu sự thay đổi theo tháng của hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin từ rong đỏ Betaphycus gelatinus

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Lê Trọng Nghĩa NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI THEO THÁNG CỦA HÀM LƯỢNG, CHẤT LƯỢNG CARRAGEENAN VÀ HOẠT TÍNH LECTIN TỪ RONG ĐỎ BETAPHYCUS GELATINUS LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Lê Trọng Nghĩa NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI THEO THÁNG CỦA HÀM LƯỢNG, CHẤT LƯỢNG CARRAGEENAN VÀ HOẠT TÍNH LECTIN TỪ RONG ĐỎ BETAPHYCUS GELATINUS Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Đình Hùng Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Đình Hùng và tham khảo thêm các tài liệu đã được công bố trước đó có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu nêu trong luận văn là kết quả làm việc của tôi trong suốt quá trình thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nha Trang, ngày tháng năm 2021 Tác giả Lê Trọng Nghĩa
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Lê Đình Hùng – Trưởng phòng Công nghệ Sinh học biển, Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang đã dành trọn tâm huyết, tận tình hướng dẫn, chỉ dạy tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện và hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, ban lãnh đạo và các Phòng ban thuộc Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành khóa học Thạc sĩ Sinh học thực nghiệm khóa 2019 - 2021. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo giảng dạy và các anh, chị cùng lớp cao học BIO19 đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi bổ sung, nâng cao thêm kiến thức trong suốt khóa học. Tôi xin cảm ơn các anh chị Phòng Vật liệu Hữu cơ từ Tài nguyên biển, Phòng Công nghệ Sinh học biển thuộc Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang đã tạo điều kiện và giúp đỡ những thiếu sót về kiến thức chuyên ngành trong quá trình làm thực nghiệm. Tôi chân thành cảm ơn Phòng Vật liệu Hữu cơ từ Tài nguyên biển đã cho phép tôi sử dụng đề tài cơ sở của phòng và đề tài Ninh Thuận để hỗ trợ thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin dành lời cảm ơn gia đình và bạn bè của tôi, đã luôn bên cạnh ủng hộ và động viên, hỗ trợ về mọi mặt để tôi cố gắng vươn lên, tiếp tục con đường học tập của mình. Nha Trang, ngày tháng năm 2021 Học viên Lê Trọng Nghĩa
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc chung của carrageenan ..................................................... 12 Hình 1.2. Cấu trúc của các dạng carrageenan ................................................. 13 Hình 1.3. Rong đỏ B. gelatinus ....................................................................... 27 Hình 1.4. Vòng đời B. gelatinus ..................................................................... 29 Hình 2.1. Rong đỏ B. gelatinus thu tại Ninh Thuận, Việt Nam...................... 33 Hình 2.2. Bản đồ khu vị trí thu mẫu rong (tỉ lệ 1: 25.000) ............................. 38 Hình 2.3. Sơ đồ thu và phân tích mẫu nước.................................................... 38 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình chiết carrageenan tự nhiên .................................... 40 Hình 2.5. Sơ đồ quy trình chiết lectin ............................................................. 41 Hình 2.6. Sơ đồ xác định tỉ lệ rong tươi/bột rong khô và chuẩn bị mẫu rong chiết carrageenan ............................................................................................. 42 Hình 3.1. Bột rong khô từ rong đỏ B. gelatinus .............................................. 52 Hình 3.2. Carrageenan chiết tự nhiên.............................................................. 58 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của mẫu carrageenan chiết tự nhiên từ rong B. gelatinus thu tháng 3/2021 .............................................................................. 56 Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của mẫu carrageenan chiết tự nhiên từ rong B. gelatinus thu tháng 5/2021 .............................................................................. 56 Hình 3.5. Cấu trúc của beta- và kappa-carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus . 60
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu......................... 34 Bảng 2.2. Các hóa chất chính được sử dụng trong nghiên cứu ...................... 35 Bảng 3.1. Tỉ lệ rong tươi/bột rong khô ........................................................... 51 Bảng 3.2. Hàm lượng carrageenan chiết tự nhiên từ rong B. gelatinus thu từ tháng 3 đến tháng 5/2021 ................................................................................ 53 Bảng 3.3. Hàm lượng carbohydrate, 3,6-anhydrogalactose và sulfate của carrageenan chiết tự nhiên............................................................................... 54 Bảng 3.4. Kết quả phổ hồng ngoại (FT-IR) của mẫu carrageenan chiết tự nhiên với các dải hấp thụ và nhóm chức tương ứng ....................................... 57 Bảng 3.5. Hàm lượng protein của dịch chiết lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu tháng 3 đến tháng 5/2021 ................................................................................ 61 Bảng 3.6. Hoạt tính ngưng kết hồng cầu của dịch chiết lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu tháng 3 đến tháng 5/2021 .......................................................... 62 Bảng 3.7. Hàm lượng nitơ tổng của nước biển tại vị trí thu mẫu rong đỏ B. gelatinus từ tháng 3 đến tháng 5/2021 ............................................................ 63 Bảng 3.8. Hàm lượng phosphate của nước biển tại vị trí thu mẫu rong đỏ B. gelatinus từ tháng 3 đến tháng 5/2021 ............................................................ 64 Bảng 3.9. Nhiệt độ nước biển tại vị trí thu mẫu rong đỏ B. gelatinus từ tháng 3 đến tháng 5/2021 .......................................................................................... 65 Bảng 3.10. Độ mặn và pH của nước biển tại vị trí thu mẫu rong đỏ B. gelatinus từ tháng 3 đến tháng 5/2021 ............................................................ 66 Bảng 3.11. Mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường với hàm lượng carrageenan chiết tự nhiên từ rong đỏ B. gelatinus thu tháng 3 đến tháng 5/2021 .............................................................................................................. 67 Bảng 3.12. Mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường với hàm lượng protein và hoạt tính của lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu tháng 3 đến tháng 5/2021 .... 68
1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỤC LỤC ........................................................................................................ 1 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 9 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARRAGEENAN TỪ RONG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI .................................................................... 9 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu carrageenan ....................................................... 9 1.1.2. Nguồn rong đỏ để sản xuất carrageenan ......................................... 10 1.1.3. Cấu trúc và tính chất hóa lý của carrageenan ................................. 12 1.1.4. Các phương pháp chiết carrageenan ............................................... 18 1.1.5. Các phương pháp xác định tính chất hóa-lý để đánh giá chất lượng carrageenan ............................................................................................... 19 1.1.6. Các phương pháp cơ bản phân tích cấu trúc carrageenan .............. 20 1.2. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LECTIN TỪ RONG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI............................................................................... 21 1.2.1. Giới thiệu chung về tính chất của lectin từ rong biển..................... 21 1.2.2. Khả năng ứng dụng của lectin ........................................................ 22 1.3. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARRAGEENAN VÀ LECTIN TỪ RONG BIỂN TRONG NƯỚC ........................................ 23
2 1.3.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu carrageenan từ rong biển trong nước........................................................................................................... 23 1.3.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu lectin từ rong biển trong nước. ................................................................................................................... 24 1.4. TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ TĂNG TRƯỞNG, HÀM LƯỢNG, CHẤT LƯỢNG CARRAGEENAN VÀ HOẠT TÍNH CỦA LECTIN TỪ RONG ĐỎ CARRAGEENOPHYTE ............................................................................. 25 1.4.1. Yếu tố nhiệt độ nước biển ............................................................... 25 1.4.2. Yếu tố nitơ tổng của nước biển ....................................................... 25 1.4.3. Yếu tố phosphate của nước biển ..................................................... 26 1.4.4. Yếu tố độ mặn của nước biển ......................................................... 26 1.5. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU RONG ĐỎ B. GELATINUS TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC ................................ 26 1.5.1. Vị trí phân loại rong đỏ B. gelatinus............................................... 26 1.5.2. Phân bố rong đỏ B. gelatinus .......................................................... 27 1.5.3. Đặc điểm sinh trưởng...................................................................... 28 1.5.4. Đặc điểm sinh sản ........................................................................... 28 1.5.5. Mô tả carrageenan và lectin từ rong đỏ B. gelatinus ...................... 29 1.5.6. Khả năng sử dụng carrageenan và lectin từ rong đỏ B. gelatinus .. 30 1.5.7. Lý do và mục đích chọn nghiên cứu đối tượng rong đỏ B. gelatinus ................................................................................................................... 31 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 33 2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU .................................................................. 33 2.1.1. Vật liệu nghiên cứu ......................................................................... 33 2.1.2. Thiết bị và hóa chất ......................................................................... 34
3 2.2. PHƯƠNG PHÁP THU MẪU ............................................................... 37 2.2.1. Thu mẫu rong .................................................................................. 37 2.2.2. Thu mẫu nước ................................................................................. 38 2.3. PHƯƠNG PHÁP CHIẾT ...................................................................... 39 2.3.1. Phương pháp chiết carrageenan tự nhiên ........................................ 39 2.3.2. Phương pháp chiết lectin ................................................................ 40 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀ CHẤT LƯỢNG CARRAGEENAN ............................................................ 42 2.4.1. Xác định tỉ lệ rong tươi/bột rong khô ............................................. 42 2.4.2. Xác định hàm lượng carrageenan ................................................... 43 2.4.3. Xác định hàm lượng carbohydrate trong carrageenan .................... 43 2.4.4. Xác định hàm lượng 3,6-anhydrogalactose trong carrageenan ...... 43 2.4.5. Xác định hàm lượng sulfate trong carrageenan .............................. 44 2.4.6. Xác định các nhóm chức của carrageenan bằng phổ hồng ngoại ... 45 2.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG PROTEIN VÀ HOẠT TÍNH CỦA DỊCH CHIẾT LECTIN ............................................................ 46 2.5.1. Xác định hàm lượng protein ........................................................... 46 2.5.2. Xác định hoạt tính ngưng kết hồng cầu .......................................... 47 2.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG .......... 48 2.6.1 Phương pháp xác định nitơ tổng ...................................................... 48 2.6.2. Phương pháp xác định phosphate ................................................... 49 2.6.3. Phương pháp xác định độ mặn và pH của nước biển ..................... 49 2.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀ ĐÁNH GIÁ MỐI TƯƠNG QUAN .......................................................................................................... 49 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 51
4 3.1. TỈ LỆ RONG TƯƠI/BỘT RONG KHÔ TỪ RONG ĐỎ B. GELATINUS................................................................................................. 51 3.2. HÀM LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CARRAGEENAN CHIẾT TỰ NHIÊN TỪ RONG ĐỎ B. GELATINUS .. 52 3.2.1. Hàm lượng của carrageenan chiết tự nhiên .................................... 52 3.2.2. Hàm lượng carbohydrate, 3,6-anhydrogalactose và sulfate của carrageenan chiết tự nhiên ........................................................................ 54 3.4. CÁC NHÓM CHỨC ĐẶC TRƯNG TỪ RONG ĐỎ B. GELATINUS 56 3.4.1. So sánh các nhóm chức đặc trưng của carrageenan chiết tự nhiên (mẫu thu tháng 3 và tháng 5/2021) ........................................................... 56 3.4.2. Đánh giá sơ bộ cấu trúc của hỗn hợp carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus .................................................................................................... 60 3.5. HÀM LƯỢNG PROTEIN VÀ HOẠT TÍNH NGƯNG KẾT HỒNG CẦU CỦA DỊCH CHIẾT LECTIN TỪ RONG ĐỎ B. GELATINUS ........ 61 3.5.1. Hàm lượng protein của dịch chiết lectin ......................................... 61 3.5.2. Hoạt tính ngưng kết hồng cầu của dịch chiết lectin ....................... 62 3.6. CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG Ở VỊ TRÍ THU MẪU ........................ 63 3.6.1. Hàm lượng nitơ tổng ....................................................................... 63 3.6.2. Hàm lượng phosphate ..................................................................... 64 3.6.3. Nhiệt độ........................................................................................... 65 3.6.4. Độ mặn và pH ................................................................................. 66 3.7. ĐÁNH GIÁ MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẶC TRƯNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN HÀM LƯỢNG, CHẤT LƯỢNG CỦA CARRAGEENAN CHIẾT TỰ NHIÊN VÀ HÀM LƯỢNG PROTEIN, HOẠT TÍNH NGƯNG KẾT HỒNG CẦU CỦA DỊCH CHIẾT LECTIN TỪ RONG ĐỎ B. GELATINUS .................................................................. 67
5 3.7.1. Đánh giá mối quan hệ của nitơ và nhiệt độ ảnh hưởng đến hàm lượng và chất lượng của carrageenan chiết tự nhiên ................................ 67 3.7.2. Đánh giá mối quan hệ của nitơ và nhiệt độ ảnh hưởng đến hàm lượng protein và hoạt tính ngưng kết hồng cầu của dịch chiết lectin ....... 68 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 69 4.1. KẾT LUẬN ........................................................................................... 69 4.2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 70 PHỤ LỤC
6 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Rong đỏ, carrageenophyte, là những loài rong thực phẩm quan trọng về mặt kinh tế và được trồng rộng rãi hoặc thu hoạch tự nhiên ở Việt Nam, được biết đến là nguồn để thu nhận carrageenan và các chất có hoạt tính sinh học như lectin. Hàm lượng và chất lượng của carrageenan và lectin ở rong đỏ cũng thay đổi theo mùa, do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tác động đến quá trình phát triển của rong, vì vậy việc nghiên cứu sự thay đổi của hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin theo mùa ở rong đỏ là cần thiết để đề ra kế hoạch nuôi trồng và khai thác hợp lý. Rong đỏ Betaphycus gelatinus là loài rong có giá trị cao, được thị trường trong nước ưa chuộng, là nguồn nguyên liệu phong phú để nghiên cứu carrageenan và các hợp chất mới từ rong này cho định hướng sử dụng. Ở Việt Nam, loài rong này chỉ được khai thác tự nhiên, vùng phân bố của chúng ngày càng thu hẹp và đứng trước nguy cơ tuyệt chủng do tình trạng khai thác quá mức. Tại tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, rong đỏ B. gelatinus được khai thác tự nhiên từ tháng 3 đến tháng 5 hàng năm theo kinh nghiệm của người dân để làm nguyên liệu cho ngành thực phẩm. Tuy nhiên hiện tại chưa có nhiều thông tin đánh giá về hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin của loài rong B. gelatinus thu hoạch trong giai đoạn này như thế nào để làm cơ sở khoa học cho thu hoạch. Trên cơ sở đó, tôi tiến hành nghiên cứu sự thay đổi của hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch từ tháng 3 đến tháng 5/2021 ở tỉnh Ninh Thuận để làm cơ sở khoa học định hướng cho quá trình thu hoạch loài rong kinh tế này. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu sự thay đổi về hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin theo tháng từ rong đỏ B. gelatinus thu nhận ở Ninh Thuận, Việt Nam, từ đó đưa ra được thời điểm thu hoạch tối ưu cho loài rong này.
7 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính của lectin từ rong đỏ B. gelatinus. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Hàm lượng và chất lượng carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng. - Hoạt tính sinh học của lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Xác định hàm lượng carrageenan, hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate của carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng. - Xác định sự có mặt và hoạt tính lectin từ dịch chiết rong đỏ B. gelatinus thu hoạch theo tháng. - Xác định các yếu tố môi trường nhiệt độ, độ mặn, hàm lượng nitơ tổng và phosphate của mẫu nước thu theo tháng ở vị trí thu mẫu rong B. gelatinus. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 5.1. Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp bổ sung số liệu khoa học về sự thay đổi hàm lượng, chất lượng carrageenan và hoạt tính lectin từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch tự nhiên từ tháng 3 đến tháng 5 ở Việt Nam. 5.2. Tính thực tiễn của đề tài Các kết quả đạt được từ đề tài không chỉ đánh giá hàm lượng và chất lượng carrageenan từ rong đỏ B. gelatinus thu hoạch tự nhiên từ tháng 3 đến tháng 5 nhằm hướng đến khuyến khích người dân thu hoạch rong ở giai đoạn
8 nào để đạt được hàm lượng và chất lượng cao, mà còn tạo cơ sở khoa học cho việc nuôi trồng và phát triển loài rong này cho các mục đích sử dụng khác nhau trong thực phẩm hoặc y học.
9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARRAGEENAN TỪ RONG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu carrageenan Carrageenan là tên chung cho một nhóm các polysaccharide sulfate thu được bằng cách chiết rong đỏ, carrageenophyte. Cấu trúc của carrageenan bao gồm các dimer D-galactose và 3,6-anhydrogalactose tham gia vào một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-3 và α-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-4 [1]. Carrageenan được sử dụng như một chất keo, chất ổn định và cũng là chất thay thế chất béo trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong các sản phẩm sữa. Các loài rong biển khác nhau chiết xuất ra các loại carrageenan khác nhau. Các loài rong có chứa carrageenam xuất hiện hầu hết các vùng biển, những vùng biển nhiệt đới thường được chọn để nuôi trồng các loài rong có carrageenan vì chúng sinh sản nhanh nhất ở các vùng biển ấm như ở Philippines, Indonesia, Ấn Độ, Brazil, nam Trung Quốc và các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới khác. Từ những năm 1930, quá trình tách chiết carrageenan nguyên chất đã được tiến hành ở Mỹ. Sau thế chiến thứ hai, sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm dẫn đến nên nhu cầu về carrageenan trên thế giới ngày càng tăng lên. Vào những năm 1950, những nghiên cứu về carrageenan đã cho thấy rằng sự khác nhau về các phân đoạn của carrageenan là kết quả của nhiều loại carrageenan khác nhau và cũng trong thời gian này người ta đã xác định được cấu trúc phân tử của carrageenan. Đến ngày nay thì người ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản xuất carrageenan. Những nghiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép chúng có thể trồng trên quy mô lớn và nhờ đó đáp ứng đươc nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp sản xuất carrageenan.
10 Ngành công nghiệp carrageenan đóng một vai trò quan trọng cho kinh tế của nhiều hộ gia đình trên toàn thế giới. Trồng rong biển để sản xuất các sản phẩm như carrageenan đã trở thành sinh kế ưa thích của nhiều nông dân, đặc biệt là ở vùng khí hậu nhiệt đới vì trồng rong biển cần ít vốn và thiết bị, mất ít thời gian hơn các sản phẩm khác. Nông dân có thể duy trì nguồn rong biển của riêng họ, một mặt hàng có lợi nhuận ổn định ở các cộng đồng ven biển ở các nước đang phát triển. 1.1.2. Nguồn rong đỏ để sản xuất carrageenan Các loài rong đỏ Kappaphycus alvarezii, Kappaphycus striatus và Eucheuma denticulatum là nguồn nguyên liệu chính cho công nghiệp sản xuất carrageenan hiện nay. Chúng chỉ được nuôi trồng thành công từ những năm 1970, trước đó người ta sử dụng loài Chondrus crispus là nguyên liệu chính để sản xuất carrageenan, tuy nhiên sản lượng loài này bị giới hạn do thu hoạch ngoài tự nhiên đến cạn kiệt mà việc nuôi trồng trong bể lại quá đắt đỏ. Việc nuôi trồng 2 loài rong đỏ K. alvarezii và K. striatus ở vùng nước ấm bắt nguồn từ Philippines, hiện nay đã mở rộng sang các nước vùng Đông Nam Á khác bao gồm Indonesia, Malaysia, Việt Nam và vùng lân cận Ấn Độ, Châu Phi, các đảo Thái Bình Dương. Riêng ở Việt Nam, năm 1993, Phân viện Vật liệu Nha Trang (nay là Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công Nghệ Nha Trang) đã hợp tác di nhập giống rong sụn K. alvarezii, tiến hành nghiên cứu nhân giống và thử nghiệm nuôi trồng ở vùng biển Khánh Hòa, Ninh Thuận. Từ đó đến nay nghề nuôi trồng rong sụn phát triển mạnh ở các tỉnh Khánh Hòa, Phú Yên, Ninh Thuận, Bình Định, Kiên Giang, trở thành một nghề mới, góp phần tạo công ăn việc làm cho hàng ngàn lao động [2]. Rong đỏ tươi thường có màu đỏ hoặc màu xanh đỏ nâu do trong rong có hai loại sắc tố là phycobilin (bao gồm phycocyanine có màu xanh tím, phycocythine có màu đỏ) và chlorophyll. Rong carrageenophyte thuộc loài đơn trụ chia thành 2 phần gồm phần lõi và phần da:
11 - Phần lõi: gồm một tế bào trung trụ chạy dọc thân từ gốc đến ngọn. Xung quanh có từ 3 – 4 hàng tế bào vây trụ có kích thước lớn, hình tròn hay hình đa giác, trong suốt, vách mỏng chứa các chất dinh dưỡng (carrageenan). - Phần da: gồm nhiều tế bào nhỏ sắp xếp khít nhau, hình tròn hay hình bầu dục, không trong suốt, chứa đầy sắc tố. Ngoài cùng là lớp vỏ keo chứa cellulose, chiếm khoảng 4 % trọng lượng rong khô, đóng vai trò bảo vệ các lớp bên trong [3]. Ngày nay, sản xuất công nghiệp carrageenan không còn giới hạn vào chiết tách từ C. crispus, mà rất nhiều loài rong đỏ thuộc ngành Rhodophyta đã được sử dụng. Những loài này gọi chung là carrageenophyte. Qua nhiều nghiên cứu, đã có hàng chục loài rong biển được khai thác tự nhiên hay nuôi trồng để sản xuất carrageenan. Tóm lại, carrageenan là một sản phẩm tự nhiên được chiết xuất từ nguyên liệu là rong đỏ thuộc họ Rhodophyceae, chủ yếu thuộc chi Chondrus, Eucheuma, Gigartina và Iridaea. Mặc dù carrageenan được giới thiệu ở quy mô công nghiệp vào những năm 1930, nhưng chúng lần đầu tiên được sử dụng ở Trung Quốc vào khoảng năm 600 trước Công nguyên (nơi Gigartina được sử dụng) và ở Ireland vào khoảng năm 400 sau Công nguyên [4, 5]. Tính đến năm 2019, doanh số toàn cầu của carrageenan ước tính khoảng 741,9 triệu đô la [6]. Trong đó, các sản phẩm từ kappa-carrageenan chiếm đến khoảng 70% [6]. Các nguồn rong được sử dụng phổ biến nhất là Eucheuma cottonii (K. alvarezii, K. striatus) và Eucheuma spinosum (E. denticulatum) đã cung cấp khoảng ba phần tư sản lượng rong chế biến carrageenan thế giới. Chúng phát triển từ mặt biển đến độ sâu khoảng 2 m. Rong đỏ thường được trồng trên các dây nylon căng giữa phao tre, và nó được thu hoạch sau ba tháng hoặc lâu hơn, khi mỗi cây nặng khoảng 1 kg. Giống E. cottonii đã được phân loại lại thành K. cottonii bởi Maxwell Doty (1988), qua đó giới thiệu chi Kappaphycus, trên cơ sở các loại phycocolloids được sản xuất (cụ thể là kappa-carrageenan).
12 1.1.3. Cấu trúc và tính chất hóa lý của carrageenan 1.1.3.1. Cấu trúc hóa học chung của carrageenan Carrageenan có cấu trúc chung gồm D-galactose và 3,6- anhydrogalactose tham gia vào một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-3 và α-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-4 (Hình 1.1). Hình 1.1. Cấu trúc chung của carrageenan [7] Carrageenan có thể phân thành các loại như sau: mu, kappa, nu, iota, lambda, theta, beta và xi. Các loại carrageenan này chỉ khác nhau ở mức độ sulfate hoá, vị trí sulfate hoá, mức độ dehydrate hoá của chuỗi polysaccharide, các loại carrageenan được mô tả trong Hình 1.2.
13 Hình 1.2. Cấu trúc của các dạng carrageenan [8]
14 Carrageenan chiết tự nhiên từ các loài rong khác nhau có thể là hỗn hợp khác nhau của các loại carrageenan đã nêu ở trên. Người ta phân chia carrageenan ra hai nhóm chính: nhóm 1 chứa các loại mu, nu, kappa, iota, beta và các dẫn xuất của chúng. Các carrageenan thuộc nhóm này tạo gel với ion K+ hoặc có thể xử lý kiềm để có tính chất tạo gel, chúng có đặc điểm là gốc đường có liên kết 1,3 hoặc không có nhóm sulfate hoá ở vị trí C4. Nhóm thứ 2 là lambda, xi, theta và các dẫn xuất của chúng. Các carrageenan ở nhóm này không có khả năng tạo gel ngay cả trước và sau khi xử lý kiềm. Đặc trưng của cấu trúc ở nhóm này là cả hai loại gốc đường liên kết 1,4 và 1,3 đều có nhóm sulfate ở ví trí C2. Ngoài ra, thành phần của carrageenan gồm có HOSO3-, Ca2+ và 3,6-anhydro D-Galactose. Dạng tồn tại của carrageenan trong rong đỏ gắn với Ca2+, K+, Na+ như: R=(OSO3)2Ca hoặc R-OSO3Na, ROSO3K (R là gốc polysaccharide). Hàm lượng sulfate cũng ảnh hưởng đến sức đông của carrageenan [9]. Hiện nay carrageenan có 3 loại phổ biến là: kappa-carrageenan, lambda-carrageenan, iota-carrageenan, trong đó kappa-carrageenan chiếm thị phần lớn nhất (70 %). Sự khác nhau của các loại carrageenan trên ở vị trí và số lượng nhóm ester sulfate đính vào chuỗi polysaccharide, do đó mỗi loại có tính chất vật lý và hoá học đặc trưng khác nhau [9]. Hai thành phần hóa học ảnh hưởng lớn đến chất lượng của carrageenan là hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate: - Hàm lượng 3,6-anhydrogalactose trong thành phần carrageenan ảnh hưởng đến độ bền gel, hàm lượng 3,6-anhydrogalactose càng cao thì độ bền gel càng lớn và ngược lại. - Hàm lượng sulfate ảnh hưởng đến độ nhớt của carrageenan, hàm lượng sulfate càng cao thì độ nhớt càng lớn và ngược lại. Trong công nghiệp, người ta thiết kế quy trình chiết xuất nhằm đạt được carrageenan có hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate theo nhu cầu về độ bền gel và độ nhớt tương ứng.