Nghiên Cứu Đặc Điểm Sinh Học Của Nấm Sợi Aspergillus Niger

Chi Aspergillus là một chi nấm sợi gồm hàng trăm loài phân bố ở các điều kiện khí hậu khác nhau trên toàn thế giới, bao gồm một số tác nhân gây bệnh cơ hội (A. terreus), sản xuất độc tố (A. parasiticus) và các loài được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp như A. oryzae, trong đó nổi bật hơn cả là A. niger. Năm 1867, lần đầu tiên A. niger được mô tả bởi nhà thực vật học người Pháp Philippe Edouard Léon van Tieghem trong bản thảo ―Physiologie des mucédiпées”. Khi đó, ông phân lập được Aspergillus sp. có bào tử tương tự như Aspergillus glaucus nhưng có màu đen trên các môi trường khác nhau, tạo ra mùi mốc và một số đặc điểm khác. Ông đã đặt tên cho loài nấm này là A. niger thuộc giới nấm, ngành Ascomycota, lớp Euascomycetes, bộ Eurotiales, họ Trichocomaceae, chi Aspergillus, nhóm Aspergillus phân nhóm Nigri hay tên gọi khác là phân nhóm Aspergillus đen [45].

Aspergillus niger phân bố rộng rãi trên toàn thế giới, nó có thể được phân lập trên tất cả các châu lục và không có sự chọn lọc nào với điều kiện môi trường, chúng sinh trưởng một cách tự nhiên trên vật chất hữu cơ [92]. Loài nấm này phát triển mạnh trong đất và rác, phân compost và nguyên liệu thực vật đang phân rã, thậm chí có thể được tìm thấy trong môi trường băng giá và môi trường biển. A. niger là vi sinh vật hiếu khí, sinh trưởng và phát triển khi có mặt oxy. Chúng có thể sinh trưởng ở các điều kiện môi trường đa dạng từ nhiệt độ đến pH. A. niger phát triển ở nhiệt độ từ 6 - 47°C, tối ưu ở khoảng 35 - 37°C. A. niger sinh trưởng rất rộng, từ 1,5 - 9,8 và tối ưu nhất là ở pH = 6 [7, 41, 57].

Sau thời kỳ tăng trưởng sinh dưỡng, A. niger tạo thành hai loại sợi nấm khí sinh. Một loại khá giống với sợi nấm sinh dưỡng và có đường kính khoảng 2 - 3 µm, loại còn lại có đường kính khoảng 6 - 7 µm. Các sợi nấm khí sinh đường kính 2 - 3 µm của được hình thành sau khi cấy bào tử trên môi trường đầy đủ khoảng 8 giờ. Mặc dù thời gian hình thành sợi nấm khí sinh dường như không phụ thuộc vào môi trường nuôi cấy nhưng mật độ của chúng trên môi trường tối thiểu thấp hơn so với môi trường đầy đủ. Sự hình thành của hệ sợi khí sinh bắt đầu ở trung tâm khuẩn lạc, di chuyển ra ngoài và dừng lại khi cách mép hệ sợi nấm vài milimet.

A. niger cũng như phần lớn các loài thuộc chi Aspergillus được biết mới chỉ có hình thức sinh sản vô tính với cấu trúc sinh bào tử khá đặc trưng [5]. Cấu trúc sinh bào tử được biệt hóa từ cuống sinh bào tử. Cuống sinh bào tử đầu tiên của A. niger hình thành sau 10 giờ và cấu trúc sinh bào tử hình thành sau 20 giờ nuôi cấy ở 30°C. Khi cuống sinh bào tử đạt đến chiều cao tối đa của nó, phần đỉnh sợi sẽ phồng lên và hình thành bọng bào tử có đường kính 10 μm. Trên các bọng bào tử này sẽ hình thành các chồi, từ đó phát triển thành thể bình. Thể bình gồm hai lớp, lớp thể bình sơ cấp hình tam giác cân ngược, lớp thể bình thứ cấp hình chai; bào tử đính xòe ra, hình cầu xù xì, màu nâu đen đến đen than, đường kính 4 - 5 µm [27].

Một so sánh chi tiết về các nhóm protein chức năng đã được thực hiện giữa A. niger và một số loài nấm sợi khác (Hình 1.2). Kết quả cho thấy, so với các loài nấm sợi khác, A. niger chứa một lượng đáng kể các protein đặc trưng liên quan đến chuyển hóa các hợp chất cacbon, cacbohydate, lipid, axit béo, isoprenoid và chuyển hóa thứ cấp. Trong khi đó, số lượng protein đặc trưng liên quan đến vận chuyển tế bào, quá trình tiết và số phận của protein là khá ổn định giữa các loài nấm sợi khác nhau. A. niger rõ ràng có thể sử dụng bộ máy tiết protein của nó một cách rất hiệu quả và linh hoạt như một nhà máy tế bào đầy triển vọng cho ngành công nghiệp công nghệ sinh học [79].

Aspergillus niger là một trong những vi sinh vật quan trọng nhất được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học để sản xuất công nghiệp phụ gia thực phẩm, axit hữu cơ và các enzyme ngoại bào [9, 92]. A. niger sử dụng an toàn và có lịch sử lâu đời trong sản xuất enzyme và axit hữu cơ. Nhiều sản phẩm trong số này được công nhận là an toàn (GRAS) bởi Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) [92]. Sản xuất axit hữu cơ có một vị trí quan trọng trong sản xuất công nghệ sinh học của hóa chất hàng hóa – hóa chất được sản xuất với quy mô rất lớn để đáp ứng thị trường toàn cầu.

Axit citric (kí hiệu thương mại là E330) với sản lượng toàn cầu đạt tới 2 triệu tấn/năm, được sử dụng như là chất tạo hương vị và chất bảo quản trong thực phẩm và nước giải khát công nghiệp, làm giảm độ ngọt trong các sản phẩm như bánh kẹo, các loại nước ép trái cây, mứt, thạch và nhiều mặt hàng khác [90]. Trong công nghiệp dược phẩm, axit citric được sử dụng như một chất bảo quản để lưu trữ máu và trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm được sử dụng như một bộ đệm và chất chống oxy hóa [85].

Một axit hữu cơ khác cũng được sản xuất thương mại bởi A. niger là axit gluconic. Axit gluconic với sản lượng toàn cầu hằng năm ước tính khoảng 100000 tấn, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và trong gia đình. Axit gluconic được sử dụng làm chất phụ gia trong thực phẩm (kí hiệu thương mại là E574) và đặc biệt trong các chế phẩm dược phẩm rất tinh khiết. Axit gluconic được dùng như một chất tạo phức giúp làm sạch kim loại trong ngành công nghiệp sữa, làm sạch bề mặt trong chất tẩy rửa, khử kiềm trong ngành luyện kim và chống lắng đọng sắt trong ngành công nghiệp dệt và là một tác nhân tạo phức cho việc khai thác các ion như canxi, đồng và sắt.

Để phân giải phytate, cần phải có sự xúc tác của enzyme phytase. Phytase xúc tác cho phản ứng thủy phân phytate thành myo-inositol và một số gốc phosphate vô cơ. Thức ăn chăn nuôi có bổ sung phytase không những giúp cải thiện hiệu quả hấp thu lượng phospho và một số thành phần khác có sẵn trong thức ăn mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phospho gây ra. A. niger là một trong những nguồn sản xuất phytase thương mại quan trọng nhất [34].

A. niger được sử dụng làm vật chủ để sản xuất các protein ngoại lai [80]. Ví dụ, một nghiên cứu đã sử dụng A. niger để sản xuất protein kháng thể đơn dòng (mAb) có khả năng liên kết với kháng nguyên ung thư. Kết quả cho thấy A. niger có thể sản xuất mAb với hiệu suất cao và protein mAb được sản xuất có hoạt tính sinh học tương đương với mAb được sản xuất từ tế bào động vật có vú [81].