Nghiên cứu công nghệ sản xuất Prodigiosin từ vi khuẩn tái tổ hợp ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Hiện nay, các sản phẩm, chế phẩm có nguồn gốc tự nhiên được ứng dụng trong điều trị, chẩn đoán, phòng bệnh và nâng cao sức khỏe cho con người có nhu cầu ngày ngày càng tăng. Điều này đã chứng minh bằng việc trên thế giới có nhiều nghiên cứu và có hàng loạt các sản phẩm có các hoạt tính sinh học có giá trị như các chất chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm, tăng cường miễn dịch và chất chống ung thư... được sản xuất. Việc khai thác các sản phẩm tự nhiên có thể thu nhận, tách tinh chế từ nhiều nguồn khác nhau như từ thực vật, động vật và vi sinh vật. Trong các nguồn này, nguồn thu nhận từ vi khuẩn coi như là nguồn quan trọng và có nhiều ưu điểm, nhất là trong cung cấp các vật liệu trong ngành dược phẩm. Trong số các hoạt chất sinh học có mầu sắc từ tự nhiên, một trong những hợp chất có hoạt tính sinh học có mầu sắc được biết đến đó là prodigiosin - sắc tố mầu đỏ (PG).

Prodigiosin được biết đến là một chất chuyển hóa alkaloid thứ cấp có công thức hóa học là C20H25N3O (5((3-methoxy-5-pyrrol-2-ylidene-pyrrol-2-ylidene)-metyl)-2- methyl-3-pentyl-1H-pyrrole), có cấu trúc hóa học tripyrrole độc đáo, khối lượng khoảng 323.4 Da. Prodigiosins có sắc tố màu đỏ tự nhiên, thường được tổng hợp bởi vi khuẩn Serratia sp, Pseudomonas sp, Streptomyces sp và vi khuẩn Vibrio sp...

Các sắc tố từ vi sinh vật được cho là các hợp chất an toàn khi sử dụng. Trong số các hợp chất từ vi sinh vật, prodigiosin đã được nghiên cứu ứng dụng như một hoạt chất sinh học có hiệu quả chống lại tác nhân bất lợi như tảo gây hại trong môi trường biển tự nhiên, có thể thay thế cho màu của polyolefine, prodigiosin từ chủng Serratia marcescens 9986 đã được sử dụng làm thuốc nhuộm cho polylefin (polyethylene, ultratene). Suryawanshi và các cộng sự cũng đã chứng minh prodigiosin có khả năng 2 làm tăng các yếu tố chống nắng (SPF) khi sử dụng làm thành phần bổ sung trong các sản phẩm kem chống nắng. Shahla Namazkar và cộng sự (2013) đã nghiên cứu và sử dụng prodigiosin làm chất màu thực phẩm và đã được ứng dụng thành công cho sản phẩm sữa chua, sữa và đồ uống có ga.

Prodigiosins được sinh tổng hợp từ nhiều loài khác nhau, nhưng các nghiên cứu chủ yếu là từ S. marcescens, vì sản xuất PG từ S. marcescens dễ dàng nuôi cấy và cho sản lượng cao... Những năm gần đây cũng đã có một số nghiên cứu tách dòng và biểu hiện trên E. coli, Pseudomonas putida gen mã hóa sinh tổng hợp prodigiosin từ S. marcescens, các chủng vi khuẩn này được sử dụng làm vật chủ là những chủng đã được nghiên cứu trong nhiều phòng thí nghiệm cũng như sản xuất quy mô công nghiệp. Trong đó P. putida là vi khuẩn được phân lập từ đất, là vi khuẩn Gram âm được biết đến như một trong những vật chủ phù hợp với những lợi thế, như có nhiều công cụ cho các thao tác di truyền và biểu hiện gen, có nhiều hệ thống promoter cảm ứng.

Ở Việt Nam cũng có một vài nghiên cứu về Prodigiosin từ vi khuẩn Serratia marcescens. Tuy nhiên nghiên cứu về prodigiosin từ vi khuẩn tái tổ hợp và ứng dụng sản xuất thực phẩm chức năng chưa thấy công bố nào. Chính vì vậy để có nguồn prodigiosin ổn định và dễ kiểm soát được chủng giống, nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì Học viện Quân y cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Thiếu tá TS. Đỗ Minh Trung thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất Prodigiosin từ vi khuẩn tái tổ hợp ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm”. Với mục tiêu: Có được quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất prodigiosin từ vi khuẩn ở qui mô 50-100 lít/mẻ; Ứng dụng chế phẩm Prodigiosin vào sản xuất viên nang thực phẩm chức năng, nước uống dinh dưỡng có chứa prodigiosin hỗ trợ điều trị bệnh ung thư, kháng khuẩn, kháng nấm và tăng khả năng miễn dịch.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã nghiên cứu tạo được chủng vi khuẩn tái tổ hợp sinh tổng hợp prodigiosin:

- Từ 14 chủng Serratia sp tuyển chọn định danh được 3 chủng vi khuẩn gốc có khả năng sinh tổng hợp PG cao là Serratia marcescens Q1 (72,8±0,1 mg/L), Serratia marcescens Q2 (63,4±0,12 mg/L), Serratia marcescens Q3 (72,3±0,13 mg/L).

- Từ 3 chủng gốc đã tách dòng biểu hiện và tạo được 02 chủng vi khuẩn tái tổ hợp mang gen mã hoá sinh tổng hợp prodigiosin: đã tách dòng, biểu hiện gen pigC, pigI trong E. coli; Tách dòng, biểu hiện gen pigC, pigI trong Serratia sp. HVQY.

- Chủng vi khuẩn tái tổ hợp Serratia sp. HVQY mang cấu trúc gen Lac promoter - pigI tái tổ hợp tạo được có khả năng tổng hợp prodigiosin đã được đăng ký bảo hộ độc quyền sáng chế (Quyết định số 20040/QĐ-SHTT ngày 18/3/2019 về việc chấp nhận đơn hợp lệ).

Đã nghiên cứu được công nghệ sản xuất chế phẩm prodigiosin từ vi khuẩn qui mô phòng thí nghiệm:

- Hoạt hóa chủng giống Serratia sp. HVQY tái tổ hợp trong môi trường NA

- Nhân giống cấp I nuôi cấy sang bình tam giác, môi trường NA, nuôi cấy ở 28 độ C, 200 vòng/phút, 24 giờ.

- Nhân giống cấp II trên thiết bị lên men 5 lít và 20 lít: Tiếp giống 3 giống cấp 1 vào thiết bị lên men 5 lít chứa 2 lít môi trường nhân giống 2% bột vừng ở 28 độ C, 250 vòng/phút, 0,75 vvm trong 24 giờ.

Giống từ thiết bị lên men 5 lít được chuyển sang thiết bị lên men 20 lít chứa 10 lít môi trường nhân giống, giữ nguyên điều kiện nuôi cấy trong 24 giờ tiếp theo.

Giống sau khi đã nuôi cấy trong thiết bị lên men 20 lít được soi kiểm tra mức độ đồng đều của tế bào và khẳng định mẫu là thuần khiết để tiến hành chuyển sang lên men trên thiết bị lên men 50-100 lít hoặc lên men rắn.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17260/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Theo: NASATI