1. Giới thiệu chung Astaxanthin là một trong nhưng chất có nhiều và quan trọng nhất trong nhóm chất carotenoid, hàm lượng astaxanthin càng cao thì giá sản phẩm carotenoid có chứa nó càng cao, sản phẩm carotenoid trên thị trường hiện nay là từ 100 – 130 tấn mỗi năm. Quy mô thị trường astaxanthin toàn cầu có giá trị khoảng 645,6 triệu đô la Mỹ vào năm 2021 và dự kiến sẽ tăng lên khoảng 725,2 triệu đô la Mỹ vào năm 2028 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) khoảng 8,3% từ năm 2022 đến năm 2028 (Zion Market Research, 2022). Astaxanthin là một chất chống ôxy hóa sinh học mạnh được sử dụng nhiều trong ngành nuôi trồng thủy sản như tôm, cua, cá hồi, trứng cá, cá cảnh và sao biển (Inoue, 2012). Do nhu cầu astaxanthin sinh tổng hợp có nguồn gốc tự nhiên thay thế cho nguồn tổng hợp hóa học đang ngày càng tăng. Các nguồn sinh tổng hợp astaxanthin tự nhiên có thể kể đến như là tảo, nấm men và vi khuẩn đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Astaxanthin chủ yếu được thu nhận từ tảo Haematococcus pluvialis, từ nấm men Xanthophyllomyces dendrorhous, vi khuẩn Agrobacterium auraticum, ngoài ra còn được tổng hợp hóa học hoặc từ vỏ giáp xác. Trong đó, vi tảo Haematococcus pluvialis là nguồn nguyên liệu rất có tiềm năng để sản xuất astaxanthin (Ngô Đại Nghiệp và cs., 2017). Theo thống kê trên trang Zion Market Research (2022), thị trường astaxanthin toàn cầu dự kiến sẽ mở rộng trong giai đoạn 2022 - 2028 nhờ nhu cầu ngày càng cao từ ngành thực phẩm. Astaxanthin được sử dụng rộng rãi nhờ các lợi ích sức khỏe như chống viêm, tăng cường miễn dịch và ngăn ngừa bệnh tim mạch, dẫn đến việc tăng cường sử dụng trong thực phẩm như chất tạo màu và chống oxy hóa. Thị trường phân chia theo nguồn (tự nhiên và tổng hợp), phương pháp sản xuất (nuôi cấy vi tảo, lên men, chiết xuất, tổng hợp hóa học), sản phẩm (bột tảo khô, dầu, viên nang mềm, chất lỏng, v.v.) và ứng dụng (dược phẩm chức năng, mỹ phẩm, thức ăn chăn nuôi, thực phẩm). Phân khúc dược phẩm chức năng dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh nhất, đặc biệt do nhu cầu cao và tác dụng chống oxy hóa nổi bật của astaxanthin. Bắc Mỹ dự kiến sẽ duy trì vị trí dẫn đầu nhờ sự phát triển của ngành dược phẩm chức năng và các nhà sản xuất lớn. Trong khi đó, Châu Á Thái Bình Dương được dự đoán sẽ có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất với Ấn Độ và Trung Quốc là các thị trường triển vọng chính nhờ nhu cầu cao, chi phí R&D giảm và sự phát triển kinh tế. Hình: Một số sản phẩm chứa astaxanthin trên thị trường (Nguồn: Zion Market Research, 2022) Tảo Haematococcus pluvialis là nguồn cung cấp astaxanthin lớn nhất hiện nay cũng được sản xuất trong hệ thống PBR (Photobioreacter). Tuy nhiên việc mở rộng và khả năng ứng dụng cần được nghiên cứu thích ứng với các điều kiện cụ thể với từng loại vi tảo. Hình: Nuôi cấy vi tảo quy mô công nghiệp với hệ thống khép kín (Nguồn:Nutraingredients-USA, 2020) Hiện nay có nhiều nghiên cứu về tách chiết carotenoid trong đó có astaxanthin từ sinh khối vi tảo H. pluvialis như phương pháp dùng dung môi hưu cơ kết hợp với các phương pháp phá vỡ tế bào nang hóa đó là nghiền lạnh, xử lý acid/base, sấy phun. Phương pháp tiên tiến hiện nay là phương pháp tách chiết bằng CO2 siêu tới hạn với đồng dung môi ethanol hoặc dầu thực vật bởi đặc tính chọn lọc được các chất hoạt chất sinh học và không lẫn các dung môi gây độc (Krichnavaruk et al., 2008). Hình: Hệ thống chiết xuất CO2 siêu tới hạn tại Trung tâm Ươm tạo Doanh nghiệp Nông nghiệp Công nghệ cao (TTUT DNNN CNC) 2. Quy trình tách chiết carotenoid chứa astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn Trong năm 2021, nhóm nghiên cứu tại TTUT DNNN CNC đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tách chiết carotenoid chứa astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn” nhằm hỗ trợ doanh nghiệp và phù hợp với định hướng nghiên cứu khoa học công nghệ của Trung tâm Ươm tạo Doanh nghiệp Nông nghiệp Công nghệ cao trong giai đoạn 2021-2025. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng và hoàn thiện được quy trình tách chiết carotenoid chứa astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn với các thông số được tối ưu. Hình: Quy trình tách chiết sinh khối vi tảo H. pluvialis bằng CO2 siêu tới hạn Quy trình tách chiết được tiến hành như sau: - Xử lý nguyên liệu: Nguyên liệu sinh khối tảo có độ ẩm 5,33%, dạng bột, bảo quản ở -20⁰C, nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi tốc độ 400 vòng/phút, nghiền trong 5 phút để phá vỡ vách tế bào, thu sinh khối đã xay và bảo quản ở -20⁰C để sử dụng tiếp cho quá trình chiết. - Nạp liệu: Nguyên liệu sinh khối sau khi được nghiền nhỏ, sẽ được cho vào các bình chứa nguyên liệu chiết. Nguyên liệu được nén chặt trong ống chứa có thể tích 24L, tối đa 10kg sinh khối/ống và có lưới chặn ở hai đầu ống, tránh nguyên liệu tràn ra trong quá trình chiết - Tiến hành tách chiết: Quá trình tạo CO2 ở trạng thái siêu tới hạn được tiến hành như sau: CO2 ban đầu chứa trong bình khí nén ở thể lỏng, áp suất ban đầu là 7 MPa (25kg) được dẫn qua một bộ phận làm lạnh để tăng tỷ trọng CO2 lên. Tiếp theo CO2 lạnh được nén vào bình chiết bằng một bơm cao áp, lên đến áp suất chiết 35MPa. Tiếp theo điều chỉnh nhiệt độ trong bình chiết tới nhiệt độ chiết là 62,5⁰C tức là đã đưa CO2 vượt qua điểm tới hạn 31⁰C và 7MPa để đi vào vùng siêu tới hạn. Sử dụng van điều chỉnh lưu lượng dòng CO2 trên 300L/h bằng van điều tiết. Sau đó bơm ethanol bằng bơm cao áp qua van một chiều vào bình chiết với hàm lượng 16% (4kg) so với trọng lượng CO2. Sau khi đã thu hết dầu ở bình thu (sau 90 phút), tháo sản phẩm cùng CO2 kèm theo ở bình hứng đã làm giảm áp về 5-7MPa và nhiệt độ ổn định ở 35⁰C, do vậy CO2 từ trạng thái siêu tới hạn được chuyển thẳng về thể khí, tách hoàn toàn ra khỏi dầu. Hình: Thu nhận tinh dầu carotenoid chứa astaxanthin sau khi chiết bằng
hệ thống CO2 siêu tới hạn - Thu nhận tinh dầu: Dịch trích ly thu được sau đó cô đặc bằng thiết bị cô quay chân không (nhiệt độ 40⁰C, áp suất 150 mbar) đến trọng lượng không đổi thu được dầu tảo. Dầu tảo được lọc sạch bụi bẩn bằng giấy lọc và tách nước bằng Na2SO4 khan. Hình: Cô đặc dịch trích ly bằng thiết bị cô quay chân không - Đóng gói và bảo quản: Dầu tảo sau khi loại dung môi và tinh sạch được bảo quản trong bình thủy tinh sẫm màu, đậy kín nắp, bảo quản ở nhiệt độ 10-15⁰C tránh hư hại dầu cũng như giư cho dầu có chất lượng tốt nhất. Hình: Dầu tách chiết từ sinh khối tảo Haematococcus pluvialis Nhìn chung, tách chiết các hợp chất carotenoid, đặc biệt là astaxanthin từ sinh khối vi tảo Haematococcus pluvialis bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế: - Sử dụng phương pháp CO2 siêu tới hạn cho phép tách chiết astaxanthin với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống như chiết xuất bằng dung môi. Điều này làm giảm lượng nguyên liệu cần thiết và cải thiện hiệu quả thu hồi sản phẩm. - Phương pháp CO2 siêu tới hạn có thể giảm nhu cầu sử dụng dung môi hóa học, giúp tiết kiệm chi phí cho việc mua và xử lý dung môi. Hơn nữa, CO2 siêu tới hạn có thể được thu hồi và tái sử dụng, làm giảm chi phí vận hành. - Chiết xuất bằng CO2 siêu tới hạn thường giữ lại chất lượng và hoạt tính nguyên vẹn của carotenoid tốt hơn so với các phương pháp khác. Astaxanthin thu được có độ tinh khiết cao hơn và ít bị biến đổi hóa học, tạo ra sản phẩm có giá trị cao hơn trên thị trường. Hình: Giá bán một số sản phẩm dầu chiết từ tảo H. pluvialis chứa astaxanthin (Nguồn: alibaba.com; amazon.com) 3. Kết luận Astaxanthin là một carotenoid quan trọng và mạnh mẽ về khả năng chống ôxy hóa, đang ngày càng được ưa chuộng và có giá trị thị trường dự đoán sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm tới. Với nhu cầu ngày càng cao về astaxanthin sinh tổng hợp tự nhiên, các nguồn như tảo Haematococcus pluvialis, nấm men và vi khuẩn đang được khai thác và ứng dụng trong sản xuất. Trong khi các phương pháp tách chiết tiên tiến như sử dụng CO2 siêu tới hạn kết hợp với đồng dung môi ethanol hoặc dầu thực vật đang được áp dụng để tối ưu hóa hiệu quả thu nhận và đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm.
