Astaxanthin trong thức ăn chăn nuôi, thức ăn thủy sản
Astaxanthin hiện được coi là caroten quan trọng thứ hai về giá trị thị trường toàn cầu, diketocarotenoid hòa tan trong mỡ màu đỏ cam. Astaxanthin là một sắc tố có giá trị nổi tiếng với hoạt tính chống oxy hóa nổi bật và với nhiều hoạt tính sinh học. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau bao gồm thức ăn, thực phẩm, dược phẩm, dinh dưỡng và mỹ phẩm. Trong nhiều năm, nó đã được sử dụng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi trong nuôi trồng thủy sản và gia cầm để tăng màu thịt của động vật thủy sinh nuôi trong trang trại và trứng của gia cầm. Với ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe và dinh dưỡng của vật nuôi, việc sử dụng astaxanthin như một chất bổ sung trong thức ăn chăn nuôi cũng đã được mở rộng cho vật nuôi. Astaxanthin tổng hợp cho đến nay là dạng astaxanthin chính được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, trước sự quan tâm gần đây về astaxanthin tự nhiên, việc thăm dò, khai thác nguồn vi sinh vật astaxanthin nhận được sự quan tâm lớn. Trong số nguồn vi sinh vật được khai thác có vi khuẩn astaxanthin (kém phát triển nhất và ít được sử dụng). Do đó, đánh giá này cân nhắc về astaxanthin từ vi khuẩn và việc sử dụng nó như một chất bổ sung trong thức ăn chăn nuôi.
GIỚI THIỆU
Giới thiệu Carotenoid là nhóm hợp chất thiết yếu phổ biến trong tự nhiên, được tìm thấy ở cả thực vật và động vật. Chúng hoạt động chủ yếu như các sắc tố trong thực vật, tảo và các sinh vật quang hợp khác. Ngoài ra, carotenoid là hợp chất quan trọng ở động vật, với vô số chức năng và hoạt động sinh học bao gồm hoạt động chống oxy hóa và tiền vitamin A (1-3). Theo đó, chúng đã nhận được sự chú ý đáng kể trên tất cả các ngành công nghiệp trong nhiều năm, đặc biệt là trong ngành thức ăn chăn nuôi và thực phẩm với vai trò là chất tạo màu cho đồ uống có màu, các sản phẩm từ sữa và thịt (4).
Khi lựa chọn một mặt hàng thực phẩm (ví dụ: thịt) trong số các lựa chọn có sẵn, màu sắc là yếu tố tiềm thức quan trọng. Ví dụ, màu đỏ của một số loài cá là một đặc điểm nổi bật giúp tăng thêm giá trị cho các sản phẩm tạo ra mang lại giá trị thị trường cao hơn cho chúng (5). Do đó, carotenoid được đưa vào thức ăn chăn nuôi để cải thiện sức khỏe vật nuôi và quan trọng nhất là chất lượng sản phẩm. Ngày nay, carotenoid được sản xuất thương mại để làm thức ăn chăn nuôi và có tổng giá trị thị trường vượt quá 1,5 tỷ USD (3, 6). Các carotenoid chính được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi bao gồm astaxanthin, β-carotene, lutein, zeaxanthin, canthaxanthin và capsanthin (6).
Đáng chú ý là xanthophyll carotenoid, astaxanthin (dẫn xuất 3,3′-dihydroxylat và 4,4′-diketolat của β-carotene), chiếm một vị trí đặc biệt trong số đó là chất chống oxy hóa mạnh nhất. Astaxanthin là một diketocarotenoid hòa tan trong lipid, màu đỏ cam được tìm thấy chủ yếu trong môi trường biển. Nó bao gồm một chuỗi polyene được kẹp giữa hai vòng β-ionone cuối cùng, mỗi vòng mang nửa 3-hydroxyl và 4-keto đặc trưng (7).
Cấu trúc độc đáo này mang lại cho nó khả năng định hướng tối ưu trong màng (8). Astaxanthin chủ yếu được tổng hợp bởi vi tảo, nấm men, vi khuẩn và một số thực vật (9). Mặc dù nói chung không được tổng hợp bởi động vật, nhưng nó được tìm thấy ở nhiều loài động vật biển khác nhau (đặc biệt là các loài cá hồi; và động vật giáp xác như tôm, cua, tôm hùm và tôm càng) và một số loài chim (như chim hồng hạc và chim cút) do sự tích tụ trực tiếp từ tảo như cũng như động vật phù du hoặc côn trùng (đã tiêu thụ nguồn sản xuất chính của astaxanthin) (10, 11).
Ở nhiều loài động vật thủy sinh này, ngoài sắc tố, astaxanthin còn có một số vai trò sinh học thiết yếu bao gồm bảo vệ chống lại quá trình oxy hóa các axit béo không bão hòa đa thiết yếu; bảo vệ chống lại tác động của tia UV; phản ứng miễn dịch; giao tiếp; hành vi sinh sản và cải thiện khả năng sinh sản (11). Do đó, do khả năng tích lũy trong các cấu trúc động vật khác nhau như da, cơ, trứng, v.v. astaxanthin được thêm vào thức ăn chăn nuôi để tạo sắc tố cho lòng đỏ trứng, da gà thịt, thịt cá và động vật giáp xác, nhằm nâng cao giá trị thương mại và sự chấp nhận chung của người tiêu dùng. (6, 10). Astaxanthin đặc biệt được biết đến với việc sử dụng trong nuôi trồng thủy sản để tạo sắc tố cho thịt cá hồi, chiếm 15-20% chi phí thức ăn (1, 12). Trên toàn cầu, nó được coi là carotenoid quan trọng thứ hai theo giá trị thị trường, với thị trường toàn cầu trị giá hơn 600 triệu USD vào năm 2018 (13, 14).
Cho đến nay, tổng hợp hóa học (từ hóa dầu) vẫn là nguồn cung cấp astaxanthin chính, đặc biệt là trong ngành thức ăn chăn nuôi, cung cấp tới 95% astaxanthin có bán trên thị trường trên toàn cầu (10). Điều này phần lớn là do tổng hợp hóa học cho đến nay vẫn là quy trình sản xuất astaxanthin rẻ nhất. Tuy nhiên, nhu cầu ngày càng tăng về thực phẩm tự nhiên và phụ gia của người tiêu dùng do nhận thức ngày càng tăng về tác hại và tác hại tiềm tàng của các chất phụ gia tổng hợp hóa học cũng như các hạn chế sử dụng theo pháp luật ở một số quốc gia, đã dẫn đến sự gia tăng quan tâm và đầu tư vào tự nhiên. nguồn astaxanthin (5).
Hơn nữa, không giống như astaxanthin tổng hợp là hỗn hợp của 3 dạng đồng phân lập thể: (3S, 3ʹS), (3S, 3ʹR) và (3R, 3ʹR) theo tỷ lệ tương ứng 1:2:1, astaxanthin sinh tổng hợp có tính chọn lọc lập thể cao hơn dẫn đến sản xuất của astaxanthin tinh khiết đối quang, (3S, 3ʹS) hoặc (3R, 3ʹR), được con người mong muốn sử dụng và phần lớn được coi là có hoạt tính sinh học vượt trội (9, 15, 16). Tương đối ít bài báo đã báo cáo về cấu hình âm thanh nổi của astaxanthin vi khuẩn Trong khi nấm men X. dendrorhous nổi tiếng là nhà sản xuất tự nhiên duy nhất của (3R, 3ʹR) astaxanthin, vi tảo và vi khuẩn (ít nhất là đối với những loài được phân lập cho đến nay) chủ yếu sản xuất (3S , 3ʹS).
Mặc dù nhìn chung các đồng phân lập thể được biết là có hoạt tính sinh học khác nhau nhưng vẫn chưa có nghiên cứu chuyên sâu về sự khác biệt trong hoạt động sinh học giữa (3S, 3ʹS) và (3R, 3ʹR). Astaxanthin được biết đến rộng rãi là có độ nhạy cao với nhiệt, ánh sáng mạnh và điều kiện oxy hóa do cấu trúc phân tử không bão hòa cao (10). Do đó, việc tiếp xúc của astaxanthin với một loạt các điều kiện này trong quá trình chiết xuất từ các nguồn tự nhiên với nền phức tạp là điều không mong muốn – vì lượng sắc tố đáng kể và do đó tác dụng sinh học mong muốn sẽ bị mất. Vì lý do này và nhiều ưu điểm khác, nguồn vi sinh vật được đặc biệt quan tâm như nguồn astaxanthin tự nhiên.
Các nguồn vi sinh vật thương mại chính của astaxanthin bao gồm tảo, nấm men và vi khuẩn. Mặc dù tảo và nấm men là những sinh vật chính được sử dụng để sản xuất astaxanthin trong công nghiệp, nhưng hai loại này có thành tế bào dày hơn và do đó việc đồng nhất hóa và phá vỡ tế bào là cần thiết để tăng khả năng tiếp cận sắc tố trong đường tiêu hóa của động vật (4). Theo báo cáo của (17-19), ít sắc tố hơn được quan sát thấy khi sử dụng toàn bộ tế bào nấm men hoặc tảo.
Tuy nhiên, sự phá vỡ các tế bào chắc chắn sẽ khiến astaxanthin bị suy thoái do nhiệt, quang học và oxy hóa. Về vấn đề này, astaxanthin của vi khuẩn nổi bật là dễ dàng được hấp thụ từ toàn bộ tế bào – không cần phải phá vỡ tế bào (20). Ngoài ra, vi khuẩn còn có những ưu điểm đặc biệt nhất định của nấm men và tảo bao gồm vòng đời ngắn hơn, khả năng tương thích với các mùa và khí hậu cũng như dễ dàng mở rộng quy mô hơn (21). Bất chấp những ưu điểm này, việc sản xuất astaxanthin bằng vi khuẩn vẫn tụt hậu đáng kể so với tảo (nguồn sản xuất astaxanthin vượt trội hiện nay) và nấm men về hàm lượng astaxanthin trong sinh khối.
Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên, vi khuẩn astaxanthin hoặc các sản phẩm của nó rất khan hiếm về mặt thương mại. Trên thực tế, tại thời điểm biên soạn bài đánh giá này, chỉ có JX Nippon ANCI được phát hiện là sản xuất vi khuẩn astaxanthin (Panaferd®) với số lượng thương mại. Tuy nhiên, một số vi khuẩn đã được xác định có khả năng sản xuất astaxanthin, ví dụ: Paracoccus spp., Agrobacteria spp., Sphingomonas spp., v.v. Ngoài ra, để tối ưu hóa quá trình sản xuất vi khuẩn astaxanthin, các nhà sản xuất vi khuẩn không bản địa cũng đã được thiết kế để sản xuất astaxanthin, một số trong đó bao gồm: Methylomonas sp. (22), Corynebacteria glutamicum (23), E. coli (24). Mặc dù có rất nhiều tài liệu về astaxanthin, việc sản xuất và ứng dụng nó nhưng vẫn chưa có nhiều sự chú ý đến vi khuẩn astaxanthin. Do đó, chương này đánh giá việc sản xuất astaxanthin của vi khuẩn và việc sử dụng astaxanthin của vi khuẩn làm chất bổ sung trong thức ăn.
Các nhà sản xuất vi khuẩn bản địa của Astaxanthin
Nhu cầu ngày càng tăng nhanh của astaxanthin, đặc biệt là từ các nguồn tự nhiên đã thúc đẩy các nhà khoa học và nhà nghiên cứu tìm kiếm và phân lập các vi khuẩn mới sản xuất astaxanthin. Do đó, một số vi sinh vật mới sản xuất astaxanthin, đặc biệt là vi khuẩn, đã được phân lập đặc biệt từ môi trường biển (25).
Cho đến nay, các loại vi khuẩn khác nhau, Gram dương (ví dụ Brevundimonas spp) và Gram âm (ví dụ Paracoccus ssp.), đã được xác định là có khả năng sản xuất astaxanthin (15). Trong đó có loài Paracoccus ssp. (bao gồm: P. carotenifaciens, P. marcusii, P. haeundaensis, P. bogoriensis và các chủng khác) là một trong những nhóm vi khuẩn có triển vọng nhất để sản xuất astaxanthin thương mại (26). Vi khuẩn lam là một loại vi khuẩn khác có tiềm năng đầy hứa hẹn để sản xuất astaxanthin thương mại. Một số nhà sản xuất astaxanthin đã được phân lập từ nhóm này; Geitlerimena amphibium, Synechococcus spp., Phormidium spp., Osillatoria subbrevis và nhiều loài khác (15).
Vi khuẩn sản xuất astaxanthin nổi bật không kém thuộc chi Brevundimonas. Các chủng phân lập từ chi này cho đến nay bao gồm B. aurantiaca, B. vesicularis, B. bacteroides (15). Ngoài ra, một số vi khuẩn không phải từ biển khác bao gồm Sphingomonas astaxanificiens và Sphingomonas faeni cũng được xác định có khả năng sản xuất astaxanthin (27). Hàm lượng astaxanthin trong các vi khuẩn này rất khác nhau, tuy nhiên, ở hầu hết chúng, lượng astaxanthin rất ít để có thể mở rộng quy mô công nghiệp (Bảng 1). Tuy nhiên, các nghiên cứu về sự tổng hợp astaxanthin của vi khuẩn có ý nghĩa rất lớn đối với việc sản xuất astaxanthin vì thành công trong lĩnh vực này được dự đoán sẽ làm giảm đáng kể chi phí sản xuất astaxanthin tự nhiên.
Điều đáng chú ý là ngoài các dạng astaxanthin thông thường, một số chủng vi khuẩn phân lập cũng đã được chứng minh là tạo ra các dẫn xuất khác nhau của astaxanthin bao gồm các dẫn xuất hydroxyl hóa và glycosyl hóa (Hình 1). Hiện nay, astaxanthin dirhamnoside từ S. astaxanthinifaciens (28), astaxanthin glucoside từ A. aurantiacum (29), astaxanthin dideoxyglycoside từ Sphingomonas sp. (30), 2-Hydroxy-astaxanthin và 2,2′-Dihydroxy-astaxanthin từ Brevundimonas sp. (25, 31, 32) đều đã được báo cáo trong y văn. Mặc dù các dẫn xuất này chưa được đánh giá trong thực phẩm và thức ăn chăn nuôi nhưng chúng có thể đóng góp đáng kể vào hiệu quả tổng thể của việc sử dụng toàn bộ vi khuẩn làm nguồn cung cấp astaxanthin.
Các nhà sản xuất vi khuẩn sinh học của Astaxanthin
Mặc dù cho đến nay, một số vi khuẩn đã được xác định là nhà sản xuất astaxanthin, việc sản xuất astaxanthin thương mại từ những vi khuẩn này vẫn chưa được thiết lập – ngoại trừ P. carotinifaciens hiện đang được sử dụng để sản xuất Panaferd® của JX Nippon ANCI, Inc. (60) Điều này rất có thể là do lượng astaxanthin mà chúng tạo ra không đạt yêu cầu. Do đó, ngoài việc tìm kiếm các vi khuẩn mới có năng suất astaxanthin cao hơn, một số vi khuẩn không sản xuất astaxanthin (bao gồm Escherichia coli, Corynebacter glutamicum, v.v.) đã được thiết kế để sản xuất astaxanthin trong thương mại nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. của astaxanthin tự nhiên (15).
Nhờ những tiến bộ trong công nghệ sinh học, việc xác định và nhân bản các gen liên quan đến tổng hợp astaxanthin là một trong những kỹ thuật chính để biến đổi những vi khuẩn này và các sinh vật khác thành nhà sản xuất astaxanthin.
Ngoài ra, phương pháp gây đột biến đã được áp dụng để cải thiện việc sản xuất astaxanthin bởi các sinh vật biến đổi này (15, 61). Các cụm gen (Hình 2) liên quan đến quá trình tổng hợp astaxanthin cho đến nay đã được phân lập và mô tả từ một số sinh vật bao gồm nguồn astaxanthin tự nhiên phổ biến là H. pluvialis và X. dendrorhous; Paracoccus spp.; vi khuẩn lam; Brevundimonas spp.; C. zofingiensis cũng như từ thực vật (A. aestival) (15, 61, 62).
E.coli là một trong những vi khuẩn được biến đổi gen rộng rãi để sản xuất astaxanthin – có lẽ vì nó có thể được nuôi ở mật độ cao bằng các kỹ thuật lên men được thiết lập tốt (15, 24, 61). Vi khuẩn gây carotenogen, chẳng hạn như C. glutamicum (vốn tự nhiên không phải là chất sản xuất astaxanthin) cũng đã được biến đổi để sản xuất astaxanthin bằng cách sử dụng gen từ các sinh vật khác nhau (Bảng 2) (23, 63, 64). Các vi khuẩn không thông thường khác như Rhodovulum sulfidophilum, Methylomonas spp. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng làm vật chủ để sản xuất astaxanthin nhờ con đường sinh tổng hợp astaxanthin (65, 66).
Trong khi một số biến đổi này chỉ là một minh chứng về khái niệm, những biến đổi khác đã được tối ưu hóa để có năng suất cao hơn – với một số biến đổi đạt được sản lượng astaxanthin có thể so sánh với H. pluvialis và X. dendrorhous.
Hình 2. Các cụm gen tổng hợp astaxanthin từ các sinh vật khác nhau (Cụm màu đen là từ tảo; cụm màu xanh lá cây là từ vi khuẩn; cụm màu xanh lam là từ nấm (X. dendrorhous); cụm màu đỏ là Lưu ý: chữ trước “Crt” biểu thị sinh vật chứa gen. Ví dụ, SpcCrtZ và SprCrtZ chỉ ra gen CrtZ của S. paucimobileis và S. parapaucimobileis. Để biết thêm chi tiết, độc giả nên tham khảo (15) )
Astaxanthin vi khuẩn như một chất bổ sung thức ăn chăn nuôi
Trong lịch sử, chăn nuôi liên quan đến thức ăn tươi trong tự nhiên – hệ thống chăn nuôi quảng canh truyền thống. Tuy nhiên, dần dần điều này đã được thay thế gần như hoàn toàn bằng các hệ thống thâm canh và bán thâm canh do nhu cầu thương mại về các sản phẩm động vật ngày càng tăng (5, 6). Dinh dưỡng vật nuôi tối ưu là điều tối quan trọng trong các hệ thống sau và do đó ngành công nghiệp đã tìm ra cách xây dựng công thức thức ăn để cung cấp cho vật nuôi các chất dinh dưỡng cần thiết. Một trong những cách như vậy là bổ sung thức ăn với các chất phụ gia khác nhau.
Trong nhiều năm, carotenoid đã được đưa vào khẩu phần ăn của động vật để hỗ trợ tăng trưởng cũng như chất lượng sản phẩm (6). Chúng đã được sử dụng thành công trong chăn nuôi gia cầm và nuôi trồng thủy sản (hai thị trường chính của phụ gia thức ăn carotenoid) để điều chỉnh màu sắc của lòng đỏ trứng, thịt cá và động vật giáp xác.
Chúng cũng đã được sử dụng trong sắc tố da của cá cảnh (70). Một trong những carotenoid chính được sử dụng trong ngành công nghiệp thức ăn chăn nuôi là astaxanthin. Ngoài sắc tố, astaxanthin còn làm giảm quá trình peroxid hóa lipid, cải thiện khả năng sinh sản và sinh sản, chất lượng trứng nói chung cũng như tỷ lệ sống sót của động vật non (5, 20).
Theo xu hướng chung của carotenoid trong ngành thức ăn chăn nuôi, hơn 90% astaxanthin được sử dụng làm phụ gia thức ăn được tổng hợp về mặt hóa học. Cho rằng thức ăn chăn nuôi đứng đầu chuỗi thức ăn, mối lo ngại ngày càng tăng của công chúng, đặc biệt là về chất phụ gia tổng hợp hóa học, đã dẫn đến quy định pháp lý nghiêm ngặt về carotenoids được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi (71). Mặc dù trong nhiều năm qua, các nhà sản xuất astaxanthin (men tảo và vi khuẩn) phù hợp đã được xác định, nhưng hiện tại họ chỉ phục vụ một thị trường thích hợp (đặc biệt là ngành dược phẩm và dinh dưỡng) do chi phí sản xuất cao hơn so với tổng hợp hóa học (70).
Tuy nhiên, astaxanthin tự nhiên đang được khai thác làm phụ gia thức ăn chăn nuôi, với việc sử dụng nó ngày càng tăng. Để tránh quá trình chiết xuất phức tạp cũng như mất hiệu lực, việc sử dụng toàn bộ tế bào (sinh khối) có chứa astaxanthin đã thu hút sự chú ý như một giải pháp thay thế khả thi cho việc bổ sung astaxanthin trong chế độ ăn của động vật. Về vấn đề này, các tế bào vi khuẩn có ưu thế hơn vì có thành tế bào mỏng hơn. Mặc dù vậy, so với tảo và nấm men, astaxanthin vi khuẩn chỉ được sử dụng rất ít trong thức ăn chăn nuôi ở tất cả các lĩnh vực bao gồm gia cầm và nuôi trồng thủy sản.
Astaxanthin vi khuẩn ở gia cầm
Gà đã trở thành một trong những loài động vật được thuần hóa nhiều nhất, được nuôi để lấy thịt và trứng (4). Lòng đỏ trứng và thịt gia cầm có sắc tố đồng đều và tốt từ lâu đã được chứng minh là có sức khỏe tốt. Ở nhiều quốc gia, màu vàng tươi hoặc vàng cam của lòng đỏ trứng cũng như thịt và da của gà thịt được người tiêu dùng coi là dấu hiệu của sự tươi ngon và khỏe mạnh và do đó đã trở thành một chỉ số chất lượng (6).
Mặc dù vậy, sở thích và khả năng chấp nhận của người tiêu dùng liên quan đến màu sắc khác nhau tùy thuộc vào vị trí địa lý (ví dụ: trong khi người tiêu dùng ở Đức, Tây Ban Nha và Bỉ thích lòng đỏ trứng của họ có màu cam hơn, thì người tiêu dùng ở Ireland, Thụy Điển và Nam Anh lại muốn nó có màu nhạt hơn) (72). Thành phần và nồng độ của carotenoid trong thức ăn là một trong số các yếu tố ảnh hưởng đến sắc tố của gia cầm và các sản phẩm của nó (6).
Nói chung, sắc tố ở gia cầm được cho là do sự tích tụ của xanthophylls cụ thể (71). Do khả năng hấp thụ thấp (do tính phân cực thấp) cũng như khả năng chuyển đổi thành vitamin A, β-caroten và các caroten khác (ví dụ: carotene) đóng góp rất ít vào sắc tố của gia cầm (72, 73). Do đó, xanthophyll đã thu được lợi ích kinh tế trong việc tạo màu cho da gà thịt và đặc biệt là lòng đỏ trứng với xanthophyll chính được sử dụng trong gia cầm hiện đại là lutein, zeaxanthin và canthaxanthin (71).
Do sự vận chuyển caroten từ gia cầm sang người trong thịt và trứng, ngoài thực tế là astaxanthin là một siêu caroten, việc sử dụng astaxanthin (đặc biệt là từ các nguồn tự nhiên) trong chăn nuôi gia cầm đang dần được đánh giá cao. Astaxanthin được báo cáo là tạo ra lòng đỏ trứng hơi hồng khi sử dụng một mình, điều mà hầu hết người tiêu dùng ở EU không mong muốn (71).
Tuy nhiên, khi được sử dụng kết hợp với các xanthophyll khác, nó được cho là làm tăng sắc tố gấp 30 lần so với lutein (72). Theo nhu cầu ngày càng tăng của các sản phẩm tự nhiên hơn, một số nguồn astaxanthin tự nhiên bao gồm cả vi khuẩn đã được đánh giá trong chăn nuôi gia cầm. Cho gà đẻ ăn sinh khối P. marcussi có chứa astaxanthin, ở dạng đông khô hoặc tế bào sống, dẫn đến sản lượng trứng tăng đáng kể. Ngoài ra, đã quan sát thấy sự gia tăng đáng kể các thông số chất lượng trứng bao gồm trọng lượng trứng tổng thể, trọng lượng lòng đỏ và màu sắc lòng đỏ.
Tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể nào được ghi nhận về trọng lượng cơ thể của gà mái (4). Ngoài ra, công thức thức ăn có tế bào vi khuẩn Paracoccus (với hàm lượng 2% astaxanthin theo DCW) làm tăng rõ rệt màu đỏ của trứng gà so với công thức thức ăn có ớt bột làm nguồn tạo màu (74). Ngoài sắc tố của lòng đỏ trứng, việc bổ sung vào chế độ ăn cơ bản với 0,15% bột khô giàu astaxanthin của P. carotinifaciens làm tăng đáng kể màu đỏ của thịt gà thịt, đặc biệt là cơ ức và chân (75). Không giống như sinh khối P. rhodozyma (76) Ngoài ra, sinh khối P. carotinifaciens còn làm tăng độ vàng của thịt gà thịt. Nó cũng dẫn đến sự gia tăng hàm lượng caroten trong thịt bằng cách tích lũy caroten có nguồn gốc từ P. carotinifaciens (ví dụ: astaxanthin, adonixanthin và canthaxanthin) cũng như tăng sự lắng đọng của các caroten khác có trong chế độ ăn cơ bản (ví dụ: zeaxanthin và lutein).
Malondialdehyd, MDA, (một dấu ấn sinh học của stress oxy hóa và peroxid hóa lipid) đã giảm đáng kể trong chế độ ăn bổ sung sinh khối giàu astaxanthin (75). Gà được biết là rất dễ bị stress nhiệt (một tình trạng xảy ra ở nhiệt độ môi trường xung quanh trên vùng nhiệt trung tính). Stress nhiệt là mối quan tâm lớn trong chăn nuôi gia cầm vì nó ảnh hưởng xấu đến năng suất tăng trưởng, trọng lượng cơ thể, đặc điểm thân thịt như sắc tố (77).
Bổ sung bột P. carotinifaciens cải thiện rõ rệt tình trạng giảm sắc tố do nhiệt gây ra. Tuy nhiên, việc bổ sung không cải thiện trọng lượng cơ thể hoặc lượng thức ăn ăn vào đã giảm do stress nhiệt (75). Toyomizu et al. (78) khi đánh giá tác dụng của tảo xoắn trong chế độ ăn đối với sắc tố thịt gà thịt đã quan sát thấy rằng giá trị màu đỏ của thịt tăng lên khi bổ sung tảo xoắn.
Vào thời điểm đó, các tác giả đã không đưa ra kết luận chắc chắn về nguyên nhân làm tăng màu đỏ của thịt gà thịt trong nhóm bổ sung. Hiện tại, đã có báo cáo rằng tảo xoắn tạo ra astaxanthin như một phần của caroten (51, 52). Do đó, sự gia tăng giá trị màu đỏ của thịt gà thịt theo quan sát của (78) có thể là do astaxanthin. Tuy nhiên, việc sử dụng astaxanthin vi khuẩn trong chăn nuôi gia cầm thương mại vẫn còn hạn chế.
Astaxanthin vi khuẩn trong nuôi trồng thủy sản
Astaxanthin là một trong những carotenoid biển phong phú nhất. Hầu hết các loài cá biển và cá nước ngọt cũng như các sinh vật sống dưới nước khác, như động vật giáp xác, đều có màu đỏ hồng tươi nhờ astaxanthin (71).
Trong tự nhiên, carotenoid (ví dụ astaxanthin) trong động vật giáp xác chủ yếu là từ tảo trong khi ở cá, từ sinh vật phù du hoặc các loài cá khác có động vật giáp xác trong đường tiêu hóa của chúng (6). Màu sắc của thịt cá hoặc bộ xương ngoài của động vật giáp xác là một thông số chất lượng quan trọng ảnh hưởng đến sự lựa chọn của khách hàng và cuối cùng là giá trị thị trường của cá và động vật giáp xác (71). Những động vật thủy sinh này thường không có khả năng tổng hợp astaxanthin de novo (10).
Do đó, để đáp ứng nhu cầu của khách hàng về sắc tố thịt và bộ xương ngoài của cá hoặc động vật giáp xác, chế độ ăn trong nuôi trồng thủy sản thâm canh được bổ sung astaxanthin và các oxycarotenoid khác (6). Sự tiến bộ không ngừng của ngành nuôi trồng thủy sản đã tạo ra nhu cầu lớn về astaxanthin làm chất màu (10). Đây là nơi tiêu thụ astaxanthin lâu đời nhất và có lẽ là lớn nhất (theo khối lượng) (đặc biệt là astaxanthin tổng hợp).
Mặc dù chủ yếu được sử dụng làm sắc tố trong nuôi trồng thủy sản, astaxanthin mang lại lợi ích bổ sung cho động vật biển nuôi nhờ các hoạt động sinh học rộng lớn của nó. Ở cá hồi, nó đã được báo cáo là cải thiện khả năng miễn dịch và khả năng chống lại bệnh do vi khuẩn và nấm trong khi ở động vật giáp xác, nó làm tăng đáng kể tỷ lệ sống sót (6). Hiện nay, một số nguồn astaxanthin tự nhiên được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản công nghiệp, trong số các nguồn khai thác bao gồm tảo, nấm men, chất thải tôm và tế bào vi khuẩn (ít được sử dụng nhất).
Astaxanthin của tảo và nấm men đã được phát triển tốt trong công nghiệp, tuy nhiên, việc sử dụng chúng như một chất thay thế cho astaxanthin tổng hợp đã được chứng minh là không thành công một phần do tính chất tương đối đắt tiền. Do đó, astaxanthin vi khuẩn đang được xem xét như một nguồn thay thế khác nhưng việc phát triển nguồn astaxanthin này vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu lớn với những thành công khác nhau. Bổ sung P. marcusii (tế bào sống) làm tăng đáng kể tốc độ tăng trưởng của Apostichopus japonicus (hải sâm).
Nó cũng cải thiện phản ứng miễn dịch của hải sâm, được ghi nhận là hoạt động thực bào của tế bào coelomocytes cao hơn cũng như tăng hoạt động superoxide dismutase và lysozyme của coelomocytes (79). Một nghiên cứu trước đó cũng báo cáo rằng việc bổ sung tế bào sống của P. marcusii đã cải thiện đáng kể hiệu suất tăng trưởng và phản ứng miễn dịch của A. japonicus non (80). Ngoài ra, bột khô của P. carotinifaciens (Panaferd-AX®) phụ thuộc vào liều lượng đã làm tăng lượng xanthophylls màu vàng trong cơ, đầu và mai của Penaeus japonicus khi được thêm vào chế độ ăn của chúng (81).
Tuy nhiên, việc bổ sung Paracoccus sp. sinh khối vào khẩu phần ăn của Cá tráp Biển Đỏ không làm tăng tốc độ tăng trưởng nhưng làm tăng rõ rệt nồng độ astaxanthin cũng như tổng số carotenoids trong da (82). Tương tự, trong một nghiên cứu trước đó, không có sự khác biệt đáng kể nào được quan sát thấy về tốc độ tăng trưởng cụ thể của Cá tráp biển đỏ được nuôi bằng astaxanthin tổng hợp, sinh khối P. rhodozyma hoặc Paracoccus sp. sinh khối. Nhóm được nuôi bằng khẩu phần chứa Paracoccus sp. tuy nhiên, sinh khối lại ghi nhận hàm lượng astaxanthin và carotenoid tổng số cao nhất trong da, sự khác biệt đặc biệt rõ rệt khi so sánh với nhóm được nuôi bằng chế độ ăn bổ sung astaxanthin tổng hợp. Theo đó, da của nhóm được nuôi bằng astaxanthin tự nhiên (từ P. rhodozyma và Paracoccus sp.) được báo cáo là có màu đỏ hơn, mặc dù các tác giả không chỉ ra loại nào trong hai loại này mang lại sắc tố da tốt hơn cho cá tráp biển đỏ – có lẽ là Paracoccus sp. nhóm được bổ sung vì astaxanthin và tổng hàm lượng caroten trong da cao nhất đã được quan sát thấy ở nhóm này (83).
Ở cá cảnh, người ta quan sát thấy P. carotinifaciens (Panaferd-AX®) làm tăng màu đỏ của vây hậu môn và vùng lưng trước của Puntius titteya. Các tác giả khá quan tâm đến tác dụng của astaxanthin đối với hành vi của cá, đã báo cáo rằng việc bổ sung Panaferd-AX® làm giảm sự tương tác mạnh mẽ của P. titteya đực với hình ảnh phản chiếu. Ngoài ra, có báo cáo rằng trong điều kiện quang phổ ánh sáng bị chặn tia cực tím, con đực dành nhiều thời gian hơn với con cái được nuôi bằng chế độ ăn bổ sung P. carotinifaciens (chứa 20ppm astaxanthin). Việc bổ sung P. carotinifaciens (40 ppm astaxanthin) cũng làm tăng thời gian con đực dành cho con cái dưới ánh sáng quang phổ đầy đủ, nhưng không nhiều như những con được nuôi bằng astaxanthin tổng hợp (84).
Theo báo cáo của hội đồng EU được thành lập để đánh giá tính an toàn và hiệu quả của Panaferd-AX® (bột giàu astaxanthin của P. carotinifaciens), cá hồi Coho được nuôi bằng chế độ ăn tăng cường Panaferd-AX® cũng ghi nhận trọng lượng cao hơn một chút. hàm lượng astaxanthin trong thịt cao hơn so với nhóm astaxanthin tổng hợp trong một nghiên cứu sơ bộ. Tuy nhiên, trong một thử nghiệm quy mô lớn, sự lắng đọng astaxanthin trong da cao hơn rõ rệt ở nhóm được nuôi bằng astaxanthin tổng hợp. Ngoài ra, khi đánh giá màu sắc của thịt (thông qua quạt màu), không có sự khác biệt đáng kể giữa hai nguồn astaxanthin. Ở cùng mức nồng độ astaxanthin, không thấy sự khác biệt đáng kể về giá trị màu đỏ. Kết quả tương tự cũng được báo cáo khi nghiên cứu được thực hiện trên cá hồi, mặc dù sự tích tụ astaxanthin trong da và thịt thấp hơn nhiều (60).
Trong một nghiên cứu riêng biệt với cá hồi Đại Tây Dương, không quan sát thấy sự khác biệt rõ rệt nào về tốc độ tăng trưởng cụ thể của cá được nuôi bằng astaxanthin tổng hợp (Carophyll® pink) và astaxanthin vi khuẩn (Panaferd-AX®). Mặc dù tổng lượng caroten trong thức ăn có astaxanthin vi khuẩn gần gấp đôi so với astaxanthin tổng hợp, không có sự khác biệt lớn như vậy được quan sát thấy trong tổng lượng caroten của phi lê, với nhóm có astaxanthin vi khuẩn cao nhất. Xét về sự lắng đọng astaxanthin trong thịt, astaxanthin tổng hợp dẫn đến hàm lượng astaxanthin trong thịt cao hơn đáng kể, mặc dù hàm lượng astaxanthin trong mỗi loại thức ăn là tương tự nhau ở cả hai nhóm. Giá trị màu đỏ tương tự nhau ở cả hai nhóm (85).
Các nguồn astaxanthin vi khuẩn nhỏ khác, như vi khuẩn lam Spirulina, cũng đã được khai thác trong nuôi trồng thủy sản để tác động đến: sự tăng trưởng, khả năng miễn dịch, thành phần gần đúng và sắc tố của cá hồi (86-89), hiệu suất tăng trưởng và tổng hàm lượng caroten của Barilius bentelisis (90) như cũng như sắc tố của cá cảnh (91). Mặc dù trong mỗi nghiên cứu này không tập trung vào astaxanthin vì nó không phải là một trong những carotenoid chính trong Spirulina. Tuy nhiên, người ta đã chứng minh rằng astaxanthin làm tăng đáng kể sự lắng đọng của các caroten khác trong thịt và da của động vật thủy sinh (75), do đó, vai trò của astaxanthin đối với tác dụng tổng thể của tảo Spirulina trong các thí nghiệm này (mặc dù không được các tác giả đánh giá) nhìn quá mức.
Astaxanthin vi khuẩn trong chăn nuôi
Nông nghiệp Carotenoid là một nhóm hợp chất rất quan trọng, không chỉ ở thực vật (nơi chúng được tổng hợp chủ yếu) mà còn ở động vật. Nghiên cứu mở rộng đã chứng minh nhiều vai trò sinh học quan trọng khác nhau của carotenoids ở động vật, từ vai trò là thành viên không thể thiếu của màng tế bào đến cải thiện sức khỏe chung của động vật (1-3). Tuy nhiên, có vẻ như người ta không chú ý nhiều đến carotenoid trong chăn nuôi công nghiệp (ví dụ: Bò, cừu, dê, lợn, v.v.). Cho đến nay, chỉ có một số nghiên cứu đánh giá việc bổ sung astaxanthin vào chế độ ăn uống ở vật nuôi như gia súc, dê cừu và những thứ tương tự. Ở trâu, việc bổ sung astaxanthin được báo cáo là làm tăng năng suất sữa đồng thời cải thiện các tác động bất lợi của stress nhiệt (92). Tương tự như vậy, nó được chứng minh là có tác dụng ngăn ngừa stress nhiệt ở gia súc. Giống như ở gia cầm, stress nhiệt là một yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất trong chăn nuôi gia súc – ảnh hưởng xấu đến hiệu suất tăng trưởng cũng như sản xuất sữa và thịt (93). Ngoài ra, việc bổ sung astaxanthin ở cừu con đang bú sữa đã được báo cáo là làm giảm sự tích tụ hydroxytoluene trong thịt thành phẩm và làm tăng nhẹ màu đỏ của thịt và mỡ (94). Tuy nhiên, tại thời điểm biên soạn bài báo này, không tìm thấy bằng chứng nào về việc sử dụng vi khuẩn astaxanthin trong chăn nuôi.
Phần kết luận
Nhu cầu của người tiêu dùng đối với các sản phẩm động vật có sắc tố tốt và được tăng cường vi chất là động lực thúc đẩy việc sử dụng ngày càng nhiều các carotenoid như astaxanthin trong ngành thức ăn chăn nuôi. Astaxanthin là một xanthophyll quan trọng đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong một số ngành công nghiệp, đặc biệt là chất tạo màu trong ngành thức ăn chăn nuôi và thực phẩm. Nó chịu trách nhiệm tạo ra màu đỏ hồng tươi sáng và hấp dẫn của hầu hết các loài động vật thủy sinh. Nó là một thành phần thiết yếu về mặt kinh tế và công nghiệp của thức ăn gia cầm và nuôi trồng thủy sản để tạo sắc tố cho lòng đỏ trứng, thịt hoặc da hoặc gia cầm và cá. Ngoài ra, nó còn mang lại nhiều lợi ích cho vật nuôi bao gồm cải thiện năng suất sinh trưởng, khả năng sống sót, sinh lý sinh sản, khả năng chịu đựng căng thẳng, khả năng kháng bệnh và khả năng miễn dịch nói chung. Trong vài thập kỷ đã có một sự thay đổi mạnh mẽ trong ngành công nghiệp thực phẩm được thúc đẩy bởi sở thích của người tiêu dùng đối với các sản phẩm hữu cơ và tự nhiên hơn. Để đáp ứng xu hướng ngày càng phát triển, nhiều nguồn tự nhiên khác nhau đã được đánh giá và khai thác làm chất thay thế cho astaxanthin tổng hợp. Trong đó astaxanthin vi khuẩn ít được phát triển và sử dụng nhất. Hiện tại các chiến lược như kỹ thuật di truyền và trao đổi chất cùng với các công nghệ lên men cải tiến đang được sử dụng để tăng sản lượng astaxanthin của vi khuẩn. Astaxanthin vi khuẩn, về mặt sắc tố và các lợi ích khác, đã đứng vững một cách thuyết phục trước astaxanthin tổng hợp, loại được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Tuy nhiên, để astaxanthin vi khuẩn có thể cạnh tranh kinh tế với astaxanthin tổng hợp trên thị trường toàn cầu thì mức giá cao hiện nay của nó cũng như các nguồn vi sinh vật khác phải giảm. Vì vậy, cần tiếp tục nghiên cứu về vi khuẩn astaxanthin: xác định hoặc phát triển vi khuẩn siêu sản xuất cũng như phát triển quy trình sản xuất astaxanthin bền vững và tiết kiệm.
Nguồn tham khảo: Astaxanthin from bacteria as a feed supplement for animals
Osman N. Kanwugua, Ambati Ranga Raob, Gokare A. Ravishankarc, Tatiana V. Glukharevaa,
Elena G. Kovalevaa*,
1Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Mira street 19,
620002 Ekaterinburg, Russia
bCentre of Excellence, Department of Biotechnology, Vignan’s Foundation for Science,
Technology and Research (Deemed to be University), Vadlamudi, Guntur, Andhra Pradesh, Indi
cC.D. Sagar Centre for Life Sciences, Dayananda Sagar College of Engineering, Dayananda
Sagar Institutions, Bangalore, Karnataka, India