1.1. Giới thiệu về carotenoit và β-caroten
1.2.2. Quá trình sinh tổng hợp chuyển hoá tạo glycolipit
1.2.2.1. Các cơ chế vi sinh vật sản xuất glycolipit.
Cơ chế sinh tổng hợp các chất này bao gồm cả quá trình sinh tổng hợp mới và chuyển hoá từ các chất tiền tố. Một số vi sinh vật có khả năng chuyển cacbonhydrat, n-alkan từ C10-C20 và triglyxerit (các axit béo) từ C10- C22 thành glycolipit. Nguồn cacbon có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp với một loại khác. Con đ−ờng sinh tổng hợp này bao gồm sự phân giải và tổng hợp mới các loại đ−ờng, lipit hoặc theo h−ớng kết hợp lại, kéo dài hoặc biến đổi các tiền tố. Glycolipit được tạo thành bằng hai phương pháp: tổng hợp sinh học (biosynthetic) và chuyển hoá sinh học (biotransformation). Tuy nhiên ph−ơng pháp chuyển hoá sinh học là phương pháp chính trong công nghiệp để tổng hợp glucolipit, vì
cho năng suất cao hơn ph−ơng pháp tổng hợp sinh học. Quá trình tế bào vi sinh vật sản xuất ra glucolipit có thể xảy ra trong các pha sinh tr−ởng, pha bão hoà hoặc pha nghỉ của tế bào (Lang và Wagner, 1987).
1.2.2.1.1. Ph−ơng pháp tổng hợp sinh học (Biosynthetic).
Trong cấu trúc của glucolipit có chứa một nửa là −a n−ớc và một nửa là kị n−ớc. Nửa kị n−ớc có thể là chuỗi hydroxy axit béo hoặc α-alkyl-β-hydroxy axit béo và một nửa −a
n−ớc cacbonhydrat, cacboxylic axít photphat, axit amin, chuỗi peptit hoặc alcol. Chính vì
thế đặc điểm chung của việc tổng hợp này là sinh tổng hợp cho nửa ưa nước và nửa kị n−ớc (Hommel và cs, 1994; Syldatk và cs, 1987).
Theo Syldatk và cs (1987) thì việc tổng hợp chất hoạt động bề mặt sinh học có thể tóm tắt nh− sau:
Nửa ưa nước và nửa là kị nước được tổng hợp bằng hai con đường độc lập:
- Nửa kị n−ớc phụ thuộc vào nguồn cơ chất.
- Nửa −a n−ớc phụ thuộc vào nguồn cơ chất.
- Sự tổng hợp nửa −a n−ớc và nửa kị n−ớc dựa trên cơ sở phụ thuộc lẫn nhau.
1.2.2.1.2. Ph−ơng pháp chuyển hoá sinh học (Biotransformation)
Phương pháp sinh chuyển hoá để sản xuất chất hoạt động bề mặt được phát triển trong những năm gầm đây. Nguyên tắc của ph−ơng pháp này dựa trên sự gần về cấu trúc giữa các este của đường, các chất hoạt động bề mặt thương mại (đã có trên thị trường) và chất hoạt động bề mặt sinh học.
Người ta đã tiến hành sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học bằng cách lên men vi sinh để sản xuất riêng rẽ phần ưa nước và kỵ nước. Sau đó tiến hành phản ứng ezim đặc hiệu để nối hai phần này lại với nhau. Thông thường những phản ứng này diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường.
Cách chuyển hoá đơn giản nhất là sử dụng chủng nấm men đ−ợc lựa chọn để tăng chất l−ợng dầu, để thay đổi cấu trúc thành phần axit béo (làm no hoá hoặc tạo liên kết không no). 70% vịêc sản xuất axit béo có cấu trúc nhất định được thực hiện bởi phương pháp chuyển hoá n-alkan thành α, ω-axit dionic (bằng chủng nấm men Candida tropicalis), thành arachidonic và eicosapentanoic (bằng Mortierella elongata IS-4 và M.alpina), chuyển hoá axit oleic thành recinoleic (bằng vi khuẩn đất BMD-120).
Mặc dù, liên quan đến quá trình sinh chuyển hoá chất hoạt động bề mặt sinh học nh−ng lipaza và phospholipaza quan trọng nhất vì đ−ợc thực hiện cả phản ứng đặc hiệu và không đặc hiệu. Nhiều tác giả đã nghiên cứu sản xuất dưới D-isomer của đường sacaroza, glucoza, fructoza và sorbitol este từ axit oleic, linoleic, axit strearic bằng việc sử dụng lipaza từ Candida cylindracea với hiệu suất chuyển hoá là 68%, hoặc đã sử dụng lipaza từ Candida rugosa trong bình lên men với màng hai pha liên tục, este hoá axit decanoic với D-sorbitol vơi tốc độ chuyển hoá là 6,8mmol/g/h trong 24 ngày (Montel và cs, 1985;
Yamae, 1987).
1.2.2.2. Một số quá trình sản xuất glycolipit.
Phụ thuộc vào lĩnh vực khác nhau mà chế phẩm glucolipit cần có độ tinh sạch khác nhau. Để ứng dụng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ ng−ời ta sử dụng glycolipit ở dạng thô hoặc tinh sạch ở mức trung bình, trong khi đó công nghiệp d−ợc đòi hỏi chế phẩm dạng siêu sạch. Trong 20- 30 năm gần đây, nay việc sản xuất chất hoạt động bề mặt bằng
39 ph−ơng pháp vi sinh đang đ−ợc đầu t− nghiên cứu và triển khai sản xuất. Công ty đi đầu trong lĩnh vực này là công ty Jeneil Biosurfactant Company của Hoa Kỳ. Việc nghiên cứu sản xuất glycolipit từ một vài chủng vi sinh vật sẽ đ−ợc chúng tôi lần l−ợt giới thiệu d−ới
®©y.
Bảng 1.2.3. Một số vi sinh vật sử dụng cho sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học
Stt Chủng vi sinh vật Sản phẩm
1 Pseudomonas aeruginosa Glycolipit
2 Pseudomonas.sp Glycolipit
3 Rhodocccus erythropolis Glycolipit
4 Nocardia erythropoliss Glycolipit
5 Mycobacterium Glycolipit
6 Turolopsis bombicola Glycolipit
7 T. apicola Glycolipit
8 T.pentrophilum Glycolipit
9 Ustilago zeae Glycolipit
10 U.maydis Glycolipit
11 Corynebacterium lepus axit bÐo
12 T.thioxidans Phospholipit
13 Candida antartica MELs
14 C.edax MELs
15 C.fusiformiss MELs
Sản xuất Lactonic sophozalipit từ chủng Candida bombicola:
Loài nấm men Candida bombicola ATTC22214 có khả năng chuyển hoá đ−ợc hỗn hợp cacbonhydrat trên và các hợp chất lipit (glucoza/dầu hạt cải đ−ợc ethyl hoá, glucoza/dầu canola, glucoza/axit oleic) thành sophorzalipit, hợp chất này bao gồm disacarit sophoza, lycorit và lactonic kết hợp với nhau ở C17 và C18 trong axitbéo bão hoà.
Sản l−ợng thu đ−ợc trong khoảng từ 0,6-0,7g/g nguồn cacbon (Davila và cs, 1992) Sản xuất Alkylsophozalipit từ chủng C.bombicola:
Đây chính là một kiểu sophozalipit đ−ợc sản xuất bằng nấm men. Sử dụng hỗn hợp glucoza/2-alkan từ C15-C16 đồng thời là sự gắn kết trực tiếp của r−ợu bậc hai thành disacarit đã đ−ợc nghiên cứu (Lang và Wagner, 1987)
Sản xuất Mannosylerythritol lipit từ chủng C.antartica:
Sử dụng loài nấm men C.sp-B7 và C.antarticaT34, một nhóm nghiên cứu ng−ời Nhật
đã thành công trong sản xuất MELs từ n-alkan hay dầu thực vật với hiệu suất là 27g/l từ 80ml/l dầu đậu nành. Tuy nhiên đối với tất cả các chủng này thì thành phần chủ yếu là MEL A và MEL B (Kaweshima và cs, 1983; Kitamoto và cs, 1990).
Sản xuất Trehalozalipit từ chủng Rhodococcus ethrypolis.
Việc nuôi cấy chủng R.erythropolis DSM.43215 từ n-alkan, hợp chất này bao gồm anionic trehaloza 2,2',3,4 tetra hoá 90% và của mono-trehaloza, dicorynomycoltes (10%) cho cấu trúc phân tử.
Điều kiện cho sản xuất Trehaloza cao là nguồn nitơ giới hạn, nhiệt độ, pH và nguồn cacbon thích hợp (n-C10) hiệu xuất sản xuất ra Trehalozalipit đạt đ−ợc là 0.35g glucolipit/g n-alkan. Gần đây Espully và cộng sự đã sản xuất Trehalozalipit từ chủng Rhodococcus sp. 51.T7 (Espuny và cs, 1996 ).
Sản xuất Rhamnozalipit từ chủng Pseudomonas species:
Rhamnozalipit đ−ợc tạo ra từ loài Pseudomonas khi phát triển trên glycol, sorbitol, glucoza, n-ankal hay dầu thực vật. Sử dụng n- C14,15 (nồng độ là 80g/l) thu đ−ợc sản l−ợng 13g/l với chủng Pseudomonas sp. DSM2870.
Oschner và cộng sự đã đạt đ−ợc tốc độ chuyển hoá 0.48g sản phẩm/g cơ chất với tốc
độ sản xuất là 2g/l/h. Hiện tại việc sản xuất v−ợt mức và sử dụng Rhamnozalipit là một chất sinh học có tính hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp (Itoh và cs, 1997; Oschner và cs, 1995 ).
Bên cạnh đó khi sử dụng chủng P.aeruginosa thì lại không đem lại thành công, do bản thân nó có chứa bệnh tiềm ẩn và không đ−ợc coi là an toàn đối với các thí nghiệm khoa học cũng như đối với người nghiên cứu.
Sản xuất Lipoheteropolysacarit từ Acetobacter calcoaceticus:
Lipoheteropolysacarit đ−ợc sản xuất từ chủng A.calcoaceticus ATCC 31012 (t−ơng tự nh− sản xuất Rhamnozalipit từ vi khuẩn), đây là chủng thuộc nhóm nguy hiểm thứ hai.
Năm 1970, Rosenbeg và cộng sự đã phân lập và phân tích nhũ tương sau khi cấy Bacterium trong môi tr−ờng có chứa một hàm l−ợng nhỏ nguồn cacbon. Tiếp theo Shaibtai và Wang đã tìm thấy ở dầu đậu nành hay axit béo tự do (axit oleic) có khả năng làm tăng lượng nhũ tương một cách đáng kể (Shabtai và Wang,1989).
1.2.3. Những ứng dụng của các chất sinh học hoạt động bề mặt.
Chất hoạt động bề mặt sinh học có cấu trúc đa dạng, các phân tử giám sức căng bề mặt và sức căng mặt phân giới trong dung dịch, do đó chúng có khả năng tăng cường phục hồi đất và xử lý. Chất hoạt động bề mặt sinh học có lợi thế so với chất hoạt độn bề
41 mặt được sản xuất bằng con đường hoá học là tính độc thấp và có khả năng bị vi sinh vật phân huỷ, thân thiện với môi trường và có khả năng tạo nhiều bọt, có tính đặc hiệu, nhiệt
độ, độ pH. Chất hoạt động bề mặt sinh học còn có ý nghĩa ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm, d−ợc, thực phẩm....
1.2.3.1. Khả năng xử lý dầu tràn trên biển.
Các chất sinh học hoạt động bề mặt đ−ợc dùng để phân huỷ các chất gây ô nhiễm trong môi trường. Bartha (1986) đã đánh giá rằng khoảng 0,08 đến 0,4 % trên tổng lượng dầu khai thác trên toàn thế giới đã bị tràn ra biển. Những tai nạn của các tầu chở dầu xẩy ra hàng năm đã làm tăng sự ô nhiễm của các vùng biển và các đại dương. Điển hình là vụ tầu chở dầu Amoco Cadiz chìm tại vùng biển của Anh vào năm 1978, tàu chở dầu Exxon Valdez bị đắm tại Prince William Sound vào năm 1989, và tầu Haven bị chìm ở Italy vào năm 1991. Các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra những biện pháp hiệu quả nhằm khắc phục các sự cố trên. Các chất sinh học hoạt động bề mặt đã đ−ợc áp dụng vào để nâng cao khả năng phân huỷ các chất hydrocacbon trong nước. Và nó đã mang lại hiệu quả rất tốt và là một trong những ph−ơng pháp đ−ợc áp dụng nhiều nhất trong việc phân huỷ các hydrocacbon theo ph−ơng pháp sinh học trong xử lý n−ớc thải. Rất nhiều chất sinh học hoạt động bề mặt đã đ−ợc so sánh với các chất hoá học hoạt động bề mặt khác và cho thấy khả năng tạo độ độc hại thấp hơn, tồn tại trong môi trường ngắn hơn. Chakrabarty (1985) đã tìm ra chất hoạt động bề mặt có khả năng tách dầu ra khỏi nước biển có nguồn gốc từ chủng Pseudomonas aeruginosa SB 30. T−ơng tự nh− vậy là các sản phẩm có nguồn gốc từ chủng P. aeruginosa đ−ợc nghiên cứu bởi Shafeeq và cs (1989).
1.2.3.2. Khả năng cải tạo đất.
Chất hoạt động bề mặt sinh học là những chất có khả năng thúc đẩy quá trình phân huỷ sinh học của các hydrocarbon, các chất thuốc diệt cỏ mehtolachlor, chất thơm có gốc clo (chlorinated), naphthalene, hydrocarbon đa mạch vòng thơm (PAH- polycyclic aromatic hydrocarbon), hoặc dầu nặng. Thực tế cho thấy rằng quá trình phân giải PAH chỉ thấy rõ kết quả sau 22 ngày. Nói tóm lại quá trình phân giải sinh học nhằm “ chữa bệnh cho đất” (bioremedation) là quá trình rất chậm.
Chất hoạt động bề mặt đ−ợc sinh ra bởi vi sinh vật có những đặc điểm quan tâm sau:
- Giảm sức căng bề mặt và giữa các pha.
- Có khả năng làm −ớt và thẩm thấu cao.
- Lan toả nhanh.
- Có cả tính −a n−ớc và kỵ n−ớc.
- Chất kích thích sinh tr−ởng với vi sinh vật
Nói chung có 2 cách chữa bệnh cho đất:
- Bổ sung chất dinh d−ỡng vào đất để cho vi sinh vật có sẵn trong đất chuyển hoá
hydrocarbon.
- Bổ sung chất hoạt động bề mặt sinh học.
Các chất sinh học hoạt động bề mặt đ−ợc ứng dụng vào việc xử lý các hợp chất hydrocacbon làm ô nhiễm đất. Nhiều tác giả cho biết với việc bổ sung chất sophorose lipit vào hỗn hợp chứa 10 % đất và 1,35 % các chất hydrocacbon nh− tetradecan, pentadecan, hexandecan, pristan, phenyldecan và naphthalen trong các muối thì khả năng phân huỷ
đạt đến 90 % các chất hydrocacbon trong 79 giờ. Trong khi đó nếu không có mặt của các chất hoạt động bề mặt thì sự phân huỷ là 81 % trong 114 giờ. Qua đó, thấy rằng hiệu quả
to lớn của việc ứng dụng các chất sinh học hoạt động bề mặt vào việc xử lý đất bị ô nhiÔm.
1.2.3.3. Khả năng cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại.
Các tế bào của vi sinh vật có khả năng tách kim loại ra khỏi dung dịch. Miller (1995)
đã đ−a ra hai cách có thể tách kim loại nặng ra khỏi đất với sự bổ xung chất sinh học hoạt
động bề mặt. Cách thứ nhất tạo ra những hợp chất phức kim loại có trong dung dịch và làm giảm khả năng hoạt động của pha chứa kim loại đó. Cách thứ hai tạo ra sức căng bề mặt thấp, các chất sinh học hoạt động bề mặt đ−ợc tích tụ trên bề mặt dung dịch và tạo ra sự tiếp xúc qua lại giữa chất sinh học hoạt động bề mặt và kim loại. Tan (1994) đã áp dụng thành công chất sinh học hoạt động bề mặt rhamnolipit đ−ợc sản xuất bởi chủng P.
aeruginosa ATCC 9027 loại bỏ kim loại ra khỏi đất bị ô nhiễm cadimi. Sự bổ xung 5 mM dung dịch rhamnolipit thì cadimi và các hợp chất phức của nó trong dung dịch Cd (NO3)2 0,5 mM đã tách đ−ợc 92 %.
1.2.3.4. Khả năng làm sạch dầu trong các thiết bị l−u trữ.
Chất sinh học hoạt động bề mặt đ−ợc sử dụng làm giảm tính nhớt của dầu thô, giúp cho quá trình thu hồi dầu, vận chuyển bằng đ−ờng ống đ−ợc thuận tiện hơn. Glucolipit
đ−ợc sản xuất bởi chủng vi khuẩn hình que Gram âm H13A đã giúp giảm độ nhớt của dầu thô khoảng 50 %. Hayes đã chứng minh đ−ợc chất Emulsan làm giảm độ nhớt của dầu thô
(khai thác tại Venezuela) xuống từ 200000 còn 100 cP, giúp bơm vận chuyển dầu theo
đ−ờng ống có chiều dài 26000 dặm.
1.2.3.5. Những nghiên cứu, ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và d−ợc phẩm Từ những năm 60, nhóm nghiên cứu của Bangham đã chỉ ra rằng lecithin khi gặp trong n−ớc tạo ra những phần tử. Đó là do trong n−ớc d−ới tác dụng của lực khuấy, màng lipid tr−ơng nở lôi theo một phần dung dịch với các chất hoà tan trong nó vào bên trong hạt.
Điều quan trọng ở đây là lớp màng lipit có vai trò nh− rảo cản chốnglại sự thấm, làm cho những phần tử này có tính chất nh− những tế bào biệt lập. Sau phát hiện này có hai h−ớng nghiên cứu chính là:
- Nghiên cứu cơ bản về liposomes - mô phỏng về màng.
43 - Nghiên cứu ứng dụng nhứng cấu trúc này vào nhiều khía cạnh cuộc sống.
Nghiên cứu cơ bản về liposomes - mô phỏng về màng:
Liposome là lipit 2 lớp bao xung quanh không gian chứa dịch lỏng. Tồn tại các hạt với nhiều lớp lipit nh− Multilamellar vesicles (MLV) có đến 14 lớp lipit, hoặc hạt một lớp Small unilamellar vesicles (SUV), có đ−ờng kính 25-50, có khi tới 100nm hoặc kích th−ớc tế bào. Ngoài kỹ thuật sử dụng để tạo liposomes, thành phần lipid trong liposomes rất quan trọng. Đối với một số chất có tính chất sinh học, sự có mặt mạng l−ới của một số lipit phân cực không chỉ ngăn chặn sự tích hợp tình cờ của một số liposomes mà còn làm tăng hiệu quả bẫy đ−ợc dịch các chất hoà tan trong các các hạt liposomes.
Những lipit trung tính, đặc biệt là những lipit có mạch chất béo gắn với mạch chính bằng mối liên kết ester hoặc là liên kết amide ( phospholipit, sphingolipit hoặc glycolipit) khi được tiêm vào động vật hoặc người thường là đối tượng của các enzyme lipaza. Những enzym này cắt các gốc chuỗi acyl, tạo ra những lysolipit có tính bất ổn định về lớp lipit, gây ra sự giải phóng những chất có hoạt tính sinh học. Do vậy cần tạo ra những loại hạt mới, chúng chỉ mang tên là liposome do tính chất t−ơng tụ với (photpho) lipit tự nhiên.
Loại hạt này đ−ợc tạo ra từ những phân tử l−ỡng phần (amphiphile). Một đặc điểm quan trọng của những phân tử này là khi gặp n−ớc chúng có khả năng tích hợp những cấu trúc khá ngay ngắn, có đặc điểm giống photpholipit hai lớp tự nhiên. Danh sách những chất này khá dài: ete lipit, flor lipit, những chất tổng hợp l−ỡng phần (tính chất) chuỗi kép, cũng nh− đơn chuỗi nh− N-alkylindoles, polyhydroxyl lipit, polyhedral non ionic surfactants, liposome polime hoá, cation amphiphilé, plasmologen và những cái khác. Do vậy có nhiều công thức tạo thành phần hạt, nhiều tên mới đ−ợc đặt cho chúng nh−
niosomes, ledersomes, archeosomes, etc. Những túi nhỏ tạo bởi chất bề mặt không ion (nonionic surfactant vesicles) còn gọi là niosomes ngày nay là đối t−ợng đ−ợc nghiên cứu nhiều vì là sự lựa chọn thay thế cho liposome. Rất nhiều chất hoạt động bề mặtkhông ion
đã đ−ợc tìm ra và có khả năng tạo các túi nhỏ có khả năng chứa các chất (cấu tử) không tan hoặc chất (cấu tử) có khả năng hoà tan. Những đặc điểm vật lý của các niosome tương tự với các lyposome đ−ợc tạo thành trong cùng những điều kiện nhất định. Vì lý do này đã
mở ra triển vọng sử dụng các dịch niosome trong vai trò vận chuyển thuốc và đ−a thuốc
đến đúng vị trí.
Nghiên cứu ứng dụng những cấu trúc này vào nhiều khía cạnh cuộc sống:
Trong công nghiệp thực phẩm chất hoạt động bề mặt sinh học đ−ợc sử dụng nh− chất nhũ tương hóa. Quá trình nhũ tương hóa đóng vai trò quan trọng trong việc đồng hóa các thành phần, tạo độ đặc và kết cấu của sản phẩm. Trong công nghiệp sản xuất bánh mì, chúng có tính làm nhũ t−ơng hóa những mô mỡ vỡ trong bột nhào (Vater, 1986).
Glycolipit từ Candida utilis đ−ợc sử dụng trong sản xuất n−ớc trộn salat (Shephord và cs,