Sản xuất SL từ lên men Candida bombicola
Đây là kết quả của đề tài “Nghiên cứu lên men chủng Candida bombicola từ rỉ đường và dầu đậu nành để thu nhận Sophorolipid nhằm ứng dụng cho mỹ phẩm”, do trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM chủ trì, TS. Nguyễn Thị Bạch Huệ là chủ nhiệm, được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2019.
Chất hoạt động bề mặt là hóa chất công nghiệp, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất chất tẩy rửa, giấy, sơn, thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, nông nghiệp, dệt may, kiến trúc, xây dựng,...với tổng sản lượng trên toàn thế giới hơn 15 triệu tấn/năm và ngày càng tăng.
Hầu hết, các chất hoạt động bề mặt đều được sản xuất bằng cách tổng hợp từ dầu mỏ hoặc các hợp chất hóa học. Các chất này có khả năng phân hủy sinh học kém và mất nhiều thời gian, nên gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc sản xuất các chất hoạt động bề mặt từ dầu mỏ cũng làm cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể tái sinh này. Chính vì vậy, việc sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học, trong đó có SL, đang rất được quan tâm, nhờ đặc tính ưu việt, tiềm năng ứng dụng và giá trị kinh tế cao.
Nhóm tác giả đã nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất SL từ lên men C. bombicola và quy trình tách chiết SL cho hiệu suất cao; xác định thành phần, cấu trúc, đặc tính sinh lý, sinh hóa của SL thu nhận và chế tạo thử nghiệm sản phẩm dưỡng da (dạng kem và serum).
Cụ thể, quy trình lên men mẻ 3 lít bổ sung cơ chất (mật rỉ đường và dầu đậu nành) để sản xuất SL từ C. bombicola bằng hệ thống bioreactor 5 lít (điều kiện lên men: hàm lượng mật rỉ ban đầu là 135 g/l, hàm lượng dầu đậu nành ban đầu 4,5%, nhiệt độ là 280C, pH=6, tỷ lệ nạp giống 5%, tốc độ dòng khí 50mM O2/l/h, thời gian lên men 0-180 giờ) thu được hàm lượng SL cao nhất (54,40 g/l) tại thời điểm 156 giờ; năng suất sản suất SL cao nhất là 0,015 g SL/g sinh khối/giờ (tại thời điểm 108 giờ); tổng lượng SL tăng 1,07 lần so với lên men ở quy mô erlen.
Quy trình lên men mẻ có bổ sung cơ chất được tương tự như trên, nhưng bổ sung cơ chất tại thời điểm 108 giờ sau khi lên men (với hàm lượng cơ chất là 7 ml rỉ đường/lít môi trường và 6ml dầu đậu nành/lít môi trường), sau mỗi 12 giờ lên men. Quy trình này cho sản lượng SL cao nhất (đạt 89,2 g SL/ lít), tăng 1,64 lần so với lên men mẻ.
SL thu nhận được ở dạng lactone và dạng acid, trong đó hàm lượng SL dạng lactone chiếm khoảng 80%. Khả năng nhũ hóa của SL tương đương với sự nhũ hóa của chất hoạt động bề mặt tween 20 ở nồng độ 5-10 mg/ml. SL có khả năng tạo bọt tăng đều từ nồng độ 5-20 mg/ml (nhưng không cao hơn các nồng độ tương ứng của tween 20), bọt tạo ra mịn, đều, ổn định lâu hơn so với tween 20. Khả năng kháng vi sinh vật của SL khá tốt: kháng tốt nhất đối với Candida albicans (16,33±1,15 mm), kháng khá tốt Bacillus spizizenii (13,67±0,58 mm), kháng khá với Staphylococcus aureus (12,67±1,15 mm),… SL có khả năng chống oxy với giá trị IC50 là 6,024 mg/ml.
Quy trình tác chiết SL ở quy mô bioreactor cho thấy, điều kiện phù hợp để tách chiết SL từ dịch lên men C. bombicola là sử dụng hệ dung môi EtAc (Ethyl acetate):dịch lên men theo tỷ lệ 1:1 và PE (Petroleum ether):MeOH (Methanol):dịch lên men theo tỷ lệ 1:1:1.
Quy trình này cho hiệu suất tách chiết SL đạt 90%; tỷ lệ thu hồi dung môi EtAc đạt 91-92%, MeOH là 83-85% và PE là 44-48%. Kết quả này tương đương với tách chiết ở quy mô erlen nhưng giảm bớt được thể tích dịch môi trường ở giai đoạn đầu và giảm lượng dung môi cần sử dụng cho tách chiết SL.
Thử nghiệm chế tạo serum từ SL bước đầu cho thấy, serum được phối trộn các thành phần theo tỉ lệ hợp lí với hàm lượng SL 0,8% đạt độ ổn định về các đặc điểm hình dạng, màu sắc, mùi hương, pH, độ đồng nhất. Ở dạng kem dưỡng da, nồng độ SL 2% và α-arbutin 0,8% phù hợp để tạo ra mẫu kem dưỡng có độ bền cao, độ đồng nhất sản phẩm ổn định và khả năng ức chế enzyme tyrosinase cao.
Tiềm năng ứng dụng
Theo nhóm nghiên cứu, SL thu hút sự quan tâm ngày càng nhiều bởi độc tính thấp và khả năng phân hủy sinh học tốt hơn so với chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc từ dầu hỏa. SL thân thiện với môi trường, không gây độc hại và có những đặc tính sinh học quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như mỹ phẩm, dược phẩm, công nghiệp, nông nghiệp, xử lý môi trường,…
Tuy nhiên, để sản xuất số lượng lớn và thương mại hóa SL thành công còn phụ thuộc vào phát triển sản xuất và sử dụng các nguồn nguyên liệu có chi phí thấp. Trong đó, việc sản xuất SL bằng quá trình lên men C. bombicola từ nguồn cơ chất là mật rỉ đường và dầu đậu nành được xem là lựa chọn có nhiều ưu thế bởi tính an toàn, hiệu suất cao và giảm giá thành. Mật rỉ đường là một phụ phẩm sản xuất đường, nguồn nguyên liệu dồi dào, có sẵn ở Việt Nam (khoảng 650 ngàn tấn/năm) nhưng chưa được tận dụng một cách triệt để. Vì vậy, thành công của đề tài sẽ góp phần tận dụng được nguồn nguyên liệu giá rẻ vào sản xuất SL, giảm giá thành sản xuất.
Quy trình lên men chủng C. bombicola từ rỉ đường và dầu đậu nành để thu nhận SL ở quy mô bioreactor và quy trình tách chiết SL quy mô bioreactor là cơ sở để mở rộng sản xuất lên quy mô công nghiệp tại Việt Nam, cũng như cho phép thử nghiệm sản xuất SL từ những nguồn phế phẩm khác, giúp triển khai ứng dụng rộng rãi SL, qua đó, góp phần thay thế việc sử dụng chất hoạt động bề mặt hóa học và bảo vệ môi trường.
Vân Nguyễn (CESTI)