Khảo sát điều kiện chiết xuất và đặc tính của Alginate từ rong mơ (Sargassum microcystum) được thu hoạch ở Việt Nam

Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa điều kiện chiết xuất và đặc tính hóa alginate từ tảo nâu (Sargassum microcystum) thu hoạch tại Việt Nam. Quá trình chiết xuất được thực hiện bằng cách thay đổi pH và nhiệt độ, với điều kiện tối ưu tại pH = 11 và nhiệt độ 600C, đạt hiệu suất 44,50%. Alginate chiết xuất được đặc trưng bằng nhiễu xạ tia X (XRD) và FTIR, xác nhận cấu trúc bán kết tinh và các nhóm chức acid mannuronic và uronic. Hoạt tính kháng khuẩn của alginate đối với Escherichia coli và Staphylococcus aureus cho thấy hiệu quả ức chế rõ rệt so với đối chứng. Kết quả này khẳng định tiềm năng của Sargassum microcystum như một nguồn alginate, có ứng dụng trong khoa học thực phẩm, dược phẩm và y sinh.

Từ khoá: Alginate, Sargassum microcystum, Khảo sát chiết xuất, Hoạt động kháng khuẩn

Giới thiệu

Rong mơ (Sargassum microcystum) là một chi rong biển trôi nổi thuộc họ Sargassaceae, phân bố chủ yếu dọc theo các vùng ven biển Việt Nam, đặc biệt nổi bật với hàm lượng alginate cao và giá trị kinh tế đáng kể. Với sản lượng thu hoạch hàng năm ước tính từ 15.000 đến 35.000 tấn tảo khô, Sargassum microcystum mang lại tiềm năng lớn cho việc khai thác chiết tách alginate, góp phần phát triển kinh tế địa phương và đáp ứng nhu cầu toàn cầu [1,2].

Alginate, một polysaccharide tự nhiên, có cấu trúc copolymer tuyến tính gồm -D-mannuronic acid (M) và a-L-guluronic acid (G), liên kết với nhau qua các liên kết glycosidic 1–4. Alginate có khả năng tạo gel khi có mặt các cation đa hóa trị như Ca², với khả năng tạo cấu trúc “egg-box” từ các chuỗi poly (a-L-guluronate), giúp tăng cường quá trình tạo gel khi tỷ lệ M/G thấp [3-7].

Với tầm quan trọng về kinh tế và phạm vi ứng dụng rộng rãi, việc cải tiến phương pháp chiết tách alginate từ Sargassum là cần thiết. Các phương pháp chiết tách truyền thống như axit, kiềm và cồn đều có ưu nhược điểm riêng, với hiệu suất và chất lượng phụ thuộc vào các yếu tố như pH, nhiệt độ và thời gian chiết tách [8,9].

Do đó, nghiên cứu này nhằm đánh giá phương pháp chiết tách alginate bằng kiềm, khảo sát ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và phân tích chất lượng natri alginate chiết tách từ Sargassum microcystum, hướng tới tối ưu hóa quy trình chiết tách với hiệu suất và chất lượng cao.

Vật liệu và phương pháp

Vật liệu

Alginate được chiết xuất từ rong mơ (Sargassum microcystum) thu thập dọc theo bờ biển của tỉnh Bình Định, Việt Nam. Sau khi thu hoạch, rong tươi được rửa sạch bằng nước máy để loại bỏ tạp chất và vận chuyển đến Phòng thí nghiệm nghiên cứu nhiên liệu sinh học và sinh khối tại Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Việt Nam (HCMUT-VNU). Khi đã vào phòng thí nghiệm, rong đã làm sạch được nghiền mịn thành bột bằng máy nghiền tốc độ cao, chuẩn bị cho quá trình chiết xuất.

Hóa chất

Natri hydroxit, axit clohydric, natri cacbonat, etanol tuyệt đối và clorofom được mua từ Công ty TNHH Khoa học Xilong (Quảng Đông, Trung Quốc). Tất cả các hóa chất khác đều đạt cấp độ phân tích và được sử dụng mà không cần tinh chế thêm.

Chiết xuất alginat

12,0 gam tảo khô xay được ngâm trong 200 mL dung môi gồm nước, cloroform và etanol (1:2:4) ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ để loại bỏ lipid và sắc tố. Sau khi lọc và rửa sạch, tảo được ngâm trong dung dịch HCl 0,1 M ở 60°C trong 1 giờ để chuyển muối alginat thành axit alginic. Tiếp theo, tảo được ngâm trong dung dịch natri cacbonat (pH 8-12) ở 50-80°C trong 3 giờ để giải phóng natri alginate. Alginate sau khi lọc được kết tủa bằng etanol, tạo thành gel bảo quản ở 4°C qua đêm. Gel được rửa, tinh chế bằng etanol, sấy khô ở 80°C trong 72 giờ và nghiền thành bột mịn [10,11].

Hiệu suất chiết xuất

Hiệu suất chiết xuất alginat có thể được xác định bằng cách so sánh khối lượng ban đầu của tảo khô với khối lượng cuối cùng của alginat đã chiết xuất, tinh chế và sấy khô. Năng suất được tính theo phần trăm, sử dụng công thức:

Trong đó: Wi: khối lượng ban đầu của rong mơ; W: khối lượng cuối cùng của alginate.

Đặc trưng của natri alginate

Độ kết tinh của natri alginate được đánh giá bằng máy Bruker D2 2nd Gen Phaser (Billerica, Massachusetts, Hoa Kỳ) trong phạm vi 2è từ 10° đến 80° với bước nhảy 0,02° mỗi giây. Phân tích FTIR được thực hiện với phổ ghi lại trong phạm vi từ 4.000 đến 400 cm-1 bằng Máy quang phổ FT-IR Frontier tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.

Hoạt tính kháng khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của alginate thương mại, alginate cô lập và rong nâu đối với Escherichia coli và Staphylococcus aureus được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch. Tất cả dụng cụ và mẫu đều được hấp tiệt trùng. Vi khuẩn được nuôi trên môi trường thạch dinh dưỡng và pha loãng đến nồng độ 1,0×10# CFU/mL. 100 ìL mẫu (1 mg/mL) được thêm vào các lỗ 6 mm trên đĩa thạch, sau đó ủ ở 37°C trong 24 giờ. Kết quả được đo bằng các vùng ức chế và mỗi lần xử lý được lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy. Chloramphenicol là đối chứng dương, ethanol là đối chứng âm. 

Kết quả và bàn luận

Ảnh hưởng của các điều kiện đến hiệu suất chiết xuất natri alginat

Ảnh hưởng của pH

Hình 3 trình bày ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chiết xuất alginate. Quá trình chiết xuất kiềm giúp chuyển axit alginic không hòa tan thành natri alginate hòa tan. Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở pH = 9, hiệu suất chiết xuất thấp (18,83%) do nồng độ Na+ không đủ để chuyển đổi axit alginic. Khi pH tăng từ 10-12, hiệu suất chiết xuất tăng đáng kể, đạt cao nhất ở pH = 11 (44,5%), do nồng độ Na+ cao hơn thúc đẩy quá trình hòa tan. Tuy nhiên, ở pH = 12, hiệu suất giảm nhẹ (38,58%), có thể do khử trùng các chuỗi alginat khi nồng độ soda quá cao. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy, hiệu suất chiết xuất tối ưu đạt được ở pH kiềm vừa phải.

Hình 3. Ảnh hưởng của mức pH đến hiệu suất alginat.

Dựa trên những phát hiện này, pH = 11 được chọn để nghiên cứu sâu hơn nhằm phát triển độ kết tinh của natri alginat và tăng hiệu suất chiết xuất.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chiết xuất natri alginat, vì nó tác động đến khả năng giải phóng alginat và tính toàn vẹn cấu trúc của nó. Nhiệt độ vừa phải có thể cải thiện sản lượng bằng cách tăng khả năng hòa tan và phân hủy tế bào chứa alginat, nhưng nhiệt độ quá cao có thể gây phân hủy chuỗi alginat, làm giảm sản lượng và chất lượng. Hình 4 cho thấy ở 60°C, nhiệt độ tối ưu để chiết xuất alginat, tối đa hóa sản lượng với ít phân hủy. Các nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng nhiệt độ khoảng 60-65°C là lý tưởng, trong khi nhiệt độ trên 80°C có thể dẫn đến phân hủy và giảm năng suất. Nhiệt độ cao giúp tăng độ hòa tan và khuếch tán của alginat, nhưng khi vượt qua ngưỡng, sự phân hủy bắt đầu làm giảm hiệu quả chiết xuất.

Hình 4. Tác động của nhiệt độ đến năng suất alginat.

Do đó, điều kiện tối ưu để chiết xuất alginat, cho ra lượng cao nhất, là ở độ pH là 11 và nhiệt độ là 60°C. Alginat được chiết xuất trong những điều kiện này sẽ được nghiên cứu thêm để đánh giá đặc tính và hoạt tính kháng khuẩn của nó.

Đặc trưng của natri alginate

Hiệu suất trung bình của natri alginate trong điều kiện tối ưu (pH = 11 và nhiệt độ 60°C) đạt khoảng 44,50%, cho thấy quy trình chiết xuất hiệu quả. Những điều kiện này tạo thuận lợi cho khả năng hòa tan và ổn định của alginate, đồng thời tăng cường sự phân hủy tế bào tảo và giải phóng alginate vào dung dịch.

Hình 5 trình bày mẫu nhiễu xạ XRD đối với alginate cô lập và alginate thương mại. Kết quả cho thấy, alginate cô lập có cấu trúc vô định hình với các đỉnh nhiễu xạ tại 2è = 19° và 31°, tương ứng với mặt phẳng (110) từ glucuronate và mặt phẳng (200) từ mannuronate. Điều này chỉ ra rằng cả hai dạng natri alginate đều có cấu trúc bán tinh thể, với độ kết tinh bị ảnh hưởng bởi phương pháp chiết xuất và độ tinh khiết của alginate thu được.

Hình 5. Phân tích XRD của alginate cô lập và alginate thương mại.

Hình 6 trình bày phổ FTIR của alginate cô lập, cho thấy, các đặc điểm chức năng quan trọng. Phổ FTIR của natri alginat cô lập có các đỉnh đặc trưng: 885 cm-1 (axit mannuronic), 947 cm-1 (axit uronic), và 3383 cm-1 (nhóm hydroxyl -OH). Các đỉnh khác bao gồm 2947 cm-1 (CH2), 1635 cm-1 (C=O), 1415 cm-1 (COO đối xứng), và 1034 cm-1 (C-O). Các kết quả này chứng minh rằng alginate cô lập giữ các đặc tính chức năng giống như natri alginat tinh khiết.

Hình 6. Phổ FT-IR của alginat cô lập.

Hoạt tính kháng khuẩn

Hình 7 minh họa hoạt tính kháng khuẩn của alginate cô lập, alginate thương mại và rong mơ đối với Escherichia coli và Staphylococcus aureus bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch. Kết quả cho thấy alginate cô lập có khả năng ức chế sự phát triển của cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương, trong khi rong mơ và alginate thương mại không có hoặc ít có tác dụng ức chế. Điều này có thể do sự phân hủy hoặc mất các hợp chất hoạt tính sinh học trong quá trình chế biến thương mại. Các nghiên cứu trước đây cho thấy, các thành phần như polysaccharides và polyphenol trong tảo nâu vẫn còn nguyên vẹn trong alginate cô lập, nhưng có thể bị giảm đi trong alginate thương mại. Các kết quả này chứng minh alginate cô lập là một tác nhân kháng khuẩn mạnh, có tiềm năng trong bảo quản và đóng gói thực phẩm để cải thiện an toàn thực phẩm.

Hình 7. Hoạt tính kháng khuẩn của alginate cô lập, alginate thương mại và tảo nâu.

Escherichia coli                 Staphylococcus aureus

 

Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc khảo sát điều kiện chiết xuất alginate từ Sargassum microcystum, đạt được sản lượng natri alginate đáng kể trong các thông số pH và nhiệt độ lý tưởng. Đặc tính của alginate chiết xuất cho thấy sự tương đồng với natri alginate thương mại. Đặc biệt, hoạt tính kháng khuẩn của alginate cô lập đối với Escherichia coli và Staphylococcus aureus nhấn mạnh tiềm năng sử dụng trong bảo quản thực phẩm và y sinh. Những kết quả này khẳng định Sargassum microcystum là nguồn alginate bền vững, với ứng dụng tiềm năng trong các ngành công nghiệp và phát triển các sản phẩm tự nhiên. Nghiên cứu mở ra hướng đi cho các ứng dụng alginate trong công nghệ thực phẩm, bao bì và các lĩnh vực sức khỏe, góp phần thúc đẩy các giải pháp sáng tạo, bền vững.

Tuyên bố về tính khả dụng của dữ liệu

Tất cả các dữ liệu hỗ trợ cho kết quả nghiên cứu này đều được bao gồm trong bài báo (và các tệp bổ sung, nếu có).

Tuyên bố xung đột lợi ích

Các tác giả tuyên bố không có bất kỳ xung đột lợi ích nào có thể ảnh hưởng đến nghiên cứu.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Văn phòng Chương trình Nghiên cứu Quốc tế (OISP), Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM trong khuôn khổ đề tài mã số SVOISP-2024-KTHH-15. Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

Tài liệu tham khảo

1.     Van Tu, N. (2020). Diversity of the genus Sargassum (Fucales: Sargassaceae) in Tho Chu Archipelago, Kien Giang Province. Academia Journal of Biology, 42(2), 123–130;

2. Van Tu, N., & Thao, T. T. P. (2021). Diversity and distribution of the brown macroalgae (Phaeophyceae Kjellman, 1891) in Cham Islands, Quang Nam Province, Vietnam. Academia Journal of Biology, 43(3), 37–45;

3. Hernandez-Carmona, G., Freile-Pelegrin, Y., & Hernandez Garibay, E. (2013). Conventional and alternative technologies for the extraction of algal polysaccharides. In H. Dominguez (Ed.), Functional ingredients from algae for foods and nutraceuticals (pp. 475–516). Woodhead Publishing;

4. Fertah, M., Belfkira, A., Dahmane, E. M., Taourirte, M., & Brouillette, F. (2017). Extraction and characterization of sodium alginate from Moroccan Laminaria digitata brown seaweed. Arabian Journal of Chemistry, 10(S), S3707–S3714;

5. Abka-Khajouei, R., Tounsi, L., Shahabi, N., Patel, A. K., Abdelkafi, S., & Michaud, P. (2022). Structures, properties, and applications of alginates. Marine Drugs, 20(6), 364.

NGUYỄN NGÔ KỲ DUYÊN^1,2, ĐINH THỊ NGỌC NINH^1,2, NGUYỄN ĐÌNH QUÂN^1,2*
1 Phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học & Biomass, Khoa Kỹ thuật Hoá học
Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh
2 Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 22 (Kỳ 2 tháng 11) năm 2024