Tối ưu hóa môi trường lên men Saccharomyces boulardii sử dụng ma trận Plackett–Burman và phương pháp đáp ứng bề mặt – thiết kế cấu trúc có tâm

Tóm tắt

Probiotic là những vi sinh vật sống mà khi tiêu thụ vào cơ thể một lượng đầy đủ sẽ có lợi về mặt sức khỏe cho người sử dụng: hỗ trợ điều trị rối loạn tiêu hóa, tăng cường miễn dịch tự nhiên của cơ thể, phòng chống một số bệnh truyền nhiễm và ung thư. Năm 1920, Henri Boulard đã phân lập được chủng nấm men Saccharomyces boulardii có hoạt tính probiotic từ vỏ cây vải và măng cụt. Cho đến nay, S. boulardii đã khẳng định tầm quan trọng không kém so với nhóm thuốc probiotic lợi khuẩn, đặc biệt là S. boulardii có thể dùng chung với các phác đồ trị liệu kháng sinh, giúp cải thiện rối loạn tiêu hóa do mất cân bằng hệ vi sinh vật nội tại ở ruột.

Ở Việt Nam, sản xuất probiotic từ nấm men chưa được quan tâm nghiên cứu và đưa vào sản xuất. Các chế phẩm probiotic chứa nấm men S. boulardii đang lưu hành trên thị trường là ngoại nhập có giá thành cao. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa công thức môi trường lên men để xây dựng mô hình nuôi cấy nhằm thu được sản lượng sinh khối nấm men lớn có một ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng sản xuất probiotic từ S. boulardii. Một phương pháp thực hiện hiệu quả, chi phí thấp, cho phép nghiên cứu sự tương tác và đồng thời tiên đoán được giá trị tối ưu của các yếu tố - thiết kế thí nghiệm theo Plackett-Burman, đã được sử dụng để sàng lọc thành phần môi trường. Sau bước sàng lọc ban đầu, phương pháp RSM-CCD được dùng để tối ưu hóa giá trị các yếu tố đang được nghiên cứu. Nghiên cứu này đã tối ưu hóa các yếu tố lý hóa trong quá trình nuôi cấy theo thiết kế Plackett-Burman và RSM-CCD để dự đoán lượng sinh khối S. boulardii cực đại.

Nguyên liệu

Chủng Saccharomyces boulardii được phân lập và định danh tại phòng thí nghiệm Vi sinh Công nghệ Dược, ĐH. Y Dược TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu

Tối ưu hóa công thức môi trường lên men S. boulardii:

Để xác định được các yếu tố và các mức ảnh hưởng đến sinh khối của nấm men S. boulardii, 08 yếu tố được chọn là rỉ đường, glucose, NH₄NO₃, KH₂PO₄, MgSO₄.7H₂O, thiamin, calcium pantothenat và tỷ lệ giống. Thí nghiệm được thiết kế theo ma trận Plackett-Burman với 08 yếu tố trong 12 thí nghiệm để sàng lọc các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh khối nấm men S. boulardii.

Các yếu tố chính sau khi sàng lọc từ kết quả thí nghiệm Plackett-Burman được xác định giá trị tối ưu và được nghiên cứu ở 3 mức (-1, 0, +1) trong RSM-CCD 15 thí nghiệm.

Hàm đáp ứng được chọn là sinh khối của nấm men S. boulardii (g/ml). Mô hình hóa được biểu diễn bằng phương trình bậc 2: Y = b_o + b₁x₁ + b₂x₂ + b₃x₃ + b₁₁x₁² + b₂₂x₂² + b₃₃x₃² + b₁₂x₁x₂ + b₂₃x₂x₃ + b₁₃x₁x₃. Trong đó: b₁, b₂, b₃ là các hệ số bậc 1; b₁₁, b₂₂, b₃₃ là các hệ số bậc 2; b₁₂, b₂₃, b₁₃ là các hệ số tương tác của từng cặp yếu tố;  x₁, x₂, x₃, x₁₁, x₂₂, x₃₃, x₁₂, x₂₃, x₁₃ là các biến độc lập.

Số liệu được phân tích bằng chương trình Design expert 7.0.0^® của Stat-Ease Inc, USA. Từ kết quả phân tích, xác định mức tối ưu của các yếu tố cho sinh khối nấm men S. boulardii (g/ml) đạt cực đại.

Kết quả

Công cụ thiết kế thí nghiệm tối ưu đa yếu tố của Plackett-Burman và phương pháp đáp ứng bề mặt - thiết kế cấu trúc có tâm (RSM-CCD) là những công cụ mạnh trong việc sàng lọc và tối ưu hóa giá trị các yếu tố làm cho hàm đáp ứng cực đại. Việc sử dụng các công cụ này cùng với phần mềm chuyên dụng Design expert® giảm được thời gian tiêu tốn, giảm các thí nghiệm đồng thời có thể lựa chọn một trong những giải pháp tối ưu do phần mềm đề nghị.

Từ 8 yếu tố ban đầu đã sàng lọc và chọn được 3 yếu tố glucose 2 g/L, NH₄NO₃  8,8 g/L, thiamin 4 mg/L dự đoán sinh khối thu được đạt 82 g/L sinh khối ướt và 17,3 g/L sinh khối khô đạt 1,8.10⁹ CFU/1 ml dịch nuôi cấy.