Aspergillus oryzae (A. oryzae) là một loại nấm vi sợi được sử dụng từ nhiều thế kỷ trong quá trình lên men các loại thực phẩm khác nhau ở nhiều quốc gia trên thế giới. Loại nấm có giá trị này cũng là một nguồn phong phú của nhiều chất chuyển hóa thứ cấp hoạt tính sinh học.
Xem nhanh
1. Tổng quan
Aspergillus oryzae (A. oryzae) là một loại nấm vi sợi được sử dụng từ nhiều thế kỷ trong quá trình lên men các loại thực phẩm khác nhau ở nhiều quốc gia trên thế giới. Loại nấm có giá trị này cũng là một nguồn phong phú của nhiều chất chuyển hóa thứ cấp hoạt tính sinh học.
Hơn nữa, A. oryzae có một hệ thống bài tiết đặc biệt cho phép nó tiết ra nồng độ protein cao vào môi trường nuôi cấy của nó, hỗ trợ việc sử dụng nó như một công cụ công nghệ sinh học trong các lĩnh vực thú y, thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp. Đánh giá này nhằm mục đích làm nổi bật tầm quan trọng của loại nấm có giá trị này trong ngành công nghiệp thực phẩm, cho thấy sự phổ biến của nó trong sản xuất các chất chuyển hóa dinh dưỡng và hoạt tính sinh học, qua đó làm phong phú thêm thực phẩm lên men từ loại nấm này.
Ngoài ra, việc sử dụng A. oryzae như một công cụ công nghệ sinh học trong lĩnh vực sản xuất enzyme cũng đã được trình bày. Hơn nữa, việc thuần hóa bộ gen chức năng cho thấy đóng góp của A. oryzae trong sản xuất chức năng của protein dược phẩm của con người. Cuối cùng, triển vọng trong tương lai, các nhà khoa học sẽ tiếp tục nghiên cứu để cho ra được nhiều lợi ích hơn nữa từ nấm A. oryzae
2. Giới thiệu
Aspergillus oryzae (A. oryzae) là một loại nấm đa bào được coi là một trong những loài quan trọng nhất được sử dụng làm công cụ công nghệ sinh học ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nó thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm để sản xuất thực phẩm lên men như miso (tương đậu nành), shoyu (nước tương), tane-koji (mạch nha gạo hạt), tương Bần (đậu nành lên men cùng gạo nếp và muối), gia vị đậu sữa đông và giấm. Nhờ khả năng sản xuất amylase và protease mạnh mẽ cho phép nó phân hủy protein và các loại tinh bột khác nhau thành đường và axit amin (Watarai et al. 2019).
Trong hơn 2 thiên niên kỷ, A. oryzae đã được tuyển dụng để sản xuất koji ở phương Đông. Ở châu Âu, A. oryzae đã được sử dụng từ đầu thế kỷ trước trong sản xuất enzyme để sản xuất bia và làm bánh (Barbesgaard et al. 1992). Trong ẩm thực Nhật Bản, koji là đậu nành và / hoặc ngũ cốc nấu chín đã được lên men với một khuôn nhất định, khuôn này sau đó được đặt tên là khuôn koji để chỉ khuôn được sử dụng để lên men koji (Gomi 2019).
A. oryzae đã được FDA coi là an toàn (GRAS) (xem báo cáo chấp thuận) và sự an toàn của nấm mốc này cũng đã được WHO chấp thuận (He et al. 2019). Bên cạnh các ứng dụng công nghiệp được biết đến, A. oryzae có nhiều hoạt động sinh học được báo cáo đề cử nó như một chế phẩm sinh học đầy hứa hẹn trong lĩnh vực thú y để sản xuất động vật (Lee et al. 2006).
A. oryzae đóng góp tích cực trong việc ảnh hưởng đến hệ vi sinh đường ruột bằng cách hoạt động như một chất nền thuận lợi cho sự phát triển của nhiều vi khuẩn có lợi bên trong ruột như các loài lactobacilli khác nhau sau đó đối kháng với vi khuẩn có hại như E. coli và Salmonella do khả năng của nhiều lactobacilli sản xuất vi khuẩn (peptide kháng khuẩn) (Kim et al. 2003). Hơn nữa, các enzyme mạnh do A. oryzae sản xuất ảnh hưởng đến quá trình tiêu hóa và hoạt động amylolytic và phân giải protein tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu hóa chất khô và do đó đơn giản hóa việc nhận chất dinh dưỡng.
Trong một nghiên cứu gần đây, việc kết hợp A. oryzae với bột hạt chà là đã giúp cải thiện sự phát triển, hoạt động tiêu hóa và khả năng miễn dịch của cá rô phi sông Nile (Dawood et al. 2020). Tương tự, việc bổ sung A. oryzae ở mức 0,1% vào chế độ ăn uống đã dẫn đến việc giảm đáng kể nồng độ cholesterol trong huyết thanh của gà thịt trong 5 tuần (Kim et al. 2003) là kết quả của việc sản xuất 3-hydroxy-3 methylglutaryl-coenzyme A chịu trách nhiệm ức chế sinh tổng hợp cholesterol (Hajjaj et al. 2005).
Đóng góp của A. oryzae đã mở rộng sang việc sản xuất protein dị thể, nhờ vào bộ máy bài tiết của A. oryzae cho phép nó tiết ra nồng độ protein cao vào môi trường nuôi cấy (Machida, 2002). Neoculin là một trong những protein hetero-oligomeric điều chỉnh vị giác quan trọng được sản xuất bởi A. oryzae (Nakajima et al. 2006). Hơn nữa, lysozyme của con người và các kháng thể tái tổ hợp (như adalimumab) cũng được A. oryzae sản xuất để giảm chi phí sản xuất của chúng (Huỳnh và cộng sự 2020).
Do các ứng dụng công nghiệp khác nhau cũng như khả năng sản xuất protein nồng độ cao vào môi trường nuôi, A. oryzae đã liên tục thu hút sự chú ý của các nhà khoa học như một công cụ công nghệ sinh học mạnh mẽ có đóng góp mạnh mẽ trong các lĩnh vực công nghiệp, thực phẩm, thú y và dược phẩm. Trong đánh giá này, các chất chuyển hóa thứ cấp được sản xuất bởi A. oryzae, và việc sử dụng nó như một công cụ công nghệ sinh học để sản xuất enzyme đã được trình bày. Hơn nữa, thuần hóa, bộ gen chức năng và sử dụng A. oryzae để sản xuất chức năng protein dược phẩm của con người đã được làm nổi bật. Cuối cùng, triển vọng trong tương lai về việc nhận được nhiều lợi ích hơn từ việc sử dụng A. oryzae đã được thảo luận.
3. Hình thái học và phân loại A. oryzae
A. oryzae thuộc nhóm Aspergillus flavus-oryzae và loài của nó có thể được phân biệt theo hình dạng bào tử của chúng (Moubasher 1993; Elkhateeb 2005). A. oryzae thuộc Lớp: Eurotiomycetes; Đặt hàng: Eurotiales; Họ: Trichocomaceae. Điều quan trọng cần đề cập là các kỹ thuật nhận dạng phân tử và di truyền thường không phân biệt được giữa hai loại nấm, A. oryzae và A. flavus, và cuối cùng các đặc điểm hình thái và vi mô là các kỹ thuật kết luận được sử dụng để xác định A. oryzae
Xem thêm về: Đặc điểm hình thái và sinh học của A. oryzae
A. oryzae có khả năng phát triển trên nhiều môi trường nuôi cấy bao gồm, thạch dextrose khoai tây mà trên đó sự phát triển nhanh chóng với các khuẩn lạc nặng, thạch của Czapek trên đó các khuẩn lạc sau 7 ngày ở 25 ° C đạt được đường kính 7–8 cm với rìa màu vàng nhạt chuyển sang màu xanh lá cây màu vàng tương tự như sự tăng trưởng thu được trên môi trường thạch chiết xuất mạch nha.
Nhìn chung, A. oryzae có sự phát triển tối ưu, ở nhiệt độ 32–36 °C (± 1 °C) và nó không thể phát triển trên 44 °C, trong phạm vi pH từ 5,0 đến 6,0 và nó có thể nảy mầm ở pH từ 2,0 đến 8,0. A. oryzae có thể phát triển trong bột ngô với hàm lượng nước khoảng 16% (Moubasher 1993).
Dưới kính hiển vi, A. oryzae phổ biến hình dạng túi hình cầu với các chuỗi hình nón thon dài, trông giống như các sợi trắng mịn trên chất nền bị ức chế bởi A. oryzae (Moubasher 1993). A. oryzae conidiophores dài, phát sinh từ chất nền, tường thô, đầu hình conidial lớn, tỏa ra (Hình dưới) với hình cầu đến hình cầu conidia.
A. oryzae đã được phân lập từ đất và các loại thực vật khác nhau như gạo, đậu rộng, hướng dương, đậu tương và lúa mì (Elkhateeb 2005).
4. Các chất chuyển hóa thứ cấp có nguồn gốc từ A. oryzae và các hoạt tính sinh học của chúng
Bên cạnh bộ máy bài tiết mạnh mẽ, A. oryzae là một nguồn hào phóng của các chất chuyển hóa thứ cấp khác nhau (Hình bên dưới). Các chất chuyển hóa đó thuộc các nhóm hóa học khác nhau như terpenoids, coumarin, oxylipin và axit béo (Son et al. 2018).
Điều quan trọng cần đề cập là việc tiết các chất chuyển hóa thứ cấp trong A. oryzae (như trong trường hợp của nhiều vi sinh vật khác) bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện canh tác khác nhau. Nhiều chất chuyển hóa do A. oryzae tiết ra có các hoạt tính sinh học được báo cáo khác nhau như chống ung thư, độc tính tế bào, kháng khuẩn, hạ huyết áp và các hoạt động kháng vi-rút (Bảng 2).
Các dẫn xuất isocoumarin được tạo ra bởi A. oryzae nuôi cấy rắn thực hiện các hoạt động chống ung thư vừa phải chống lại nhiều dòng tế bào ung thư ở người (Zhou et al. 2016); các gliotoxin heterotetracyclic, aspirochlorine, gây ra các hoạt động kháng khuẩn và kháng nấm (Chankhamjon et al. 2015); axit aspergillic thể hiện các hoạt động hạ huyết áp và kháng nấm (Nishimura et al. 1991); axit polyamino, aspergillomarasmine A là một chất ức chế nhanh chóng và mạnh mẽ enzyme NDM-1 và một metallo-β-lactamase có liên quan đến lâm sàng khác và VIM-2. Aspergillomarasmine A đã góp phần khôi phục hoàn toàn tác dụng của meropenem chống lại nhiều loài Enterobacteriaceae, Pseudomonas và Acinetobacter (King et al. 2014).
Mặt khác, aspergillomarasmine B có tác dụng chống ung thư (He et al. 2019). Điều thú vị là một chủng A. oryzae đã được tạo ra thành công để sản xuất penicillin và chủng thu được cho thấy biểu hiện của VeA gấp hơn 100 lần, điều này rất quan trọng đối với việc sản xuất penicillin (Marui et al. 2010). Asperfuran là một dẫn xuất dihydrobenzofuran có tác dụng kháng nấm và chống ung thư (Pfefferle et al. 1990).
Tuy nhiên, một số độc tố nấm mốc cũng đã được báo cáo từ A. oryzae, chẳng hạn như axit kojic có các ứng dụng khác nhau trong mỹ phẩm như chất làm trắng, có hoạt tính kháng khuẩn và chống tyrosinase mạnh, và cũng được báo cáo là có khả năng gây ung thư (Burnett et al. 2010; Saeedi và cộng sự 2019). Ngoài ra, axit tetrameric indol, axit cyclopiazonic và axit β-nitropropionic cũng được báo cáo là chất chuyển hóa từ A. oryzae (Blumenthal, 2004). Thao tác di truyền được sử dụng để loại bỏ cụm gen tổng hợp sinh học của axit cyclopiazonic để tránh sinh tổng hợp của nó trong các quá trình công nghệ sinh học.
5. Một công nghệ sinh học từ Aspergillus oryzae để sản xuất enzyme quy mô công nghiệp
Gần đây, có một phạm vi chính để sử dụng các nguồn lực thấp và an toàn để sản xuất các sản phẩm phụ có giá trị. Việc sử dụng enzyme từ nguồn gốc vi sinh vật trong các ứng dụng công nghiệp được ưu tiên hơn các enzyme được sản xuất bằng phương pháp thông thường do nhiều lý do, chẳng hạn như tính khả thi về kinh tế, độc tính thấp và thân thiện với môi trường, nhu cầu năng lượng thấp, hiệu quả tốt hơn và sản phẩm chất lượng tốt hơn (Gurung et al. 2013). Hơn nữa, năng lực của vi khuẩn được nuôi cấy trên chất nền rắn cung cấp khả năng chuyển đổi các sản phẩm phụ nông nghiệp thành nguyên liệu có giá trị giúp cả nông nghiệp bền vững và bảo tồn môi trường.
Nói chung, các enzyme vi sinh vật có nguồn gốc nấm thuận lợi hơn do chế độ phát triển hyphal của nấm và khả năng chịu đựng tốt đối với hoạt động của nước thấp (0,5 sắt0,6 aw) và điều kiện thẩm thấu cao (Raimbault 1998; Raveendran và cộng sự 2018). Sản xuất enzyme được tiến hành bằng cách lên men trạng thái rắn (SSF) hoặc lên men chìm (SmF) (Subramaniyam và Vimala 2012).
Vì A. oryzae có trạng thái GRAS (Reichelt 1983), nó được sử dụng một cách an toàn như một nguồn của nhiều enzyme công nghiệp (Bảng dưới). Liang et al. (2009) và Chancharoonpong et al. (2012) đã báo cáo một lượng lớn enzyme thủy phân trong koji đậu nành được cấy A. oryzae bao gồm amylase, protease trung tính, protease kiềm, metallopeptidase và glutaminase.
6. Kết luận và triển vọng tương lai
Do các ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp thực phẩm, thú y và dược phẩm, A. oryzae được coi là một công cụ công nghệ sinh học mạnh mẽ rất được quan tâm. Những tiến bộ gần đây trong các kỹ thuật như giải trình tự thế hệ tiếp theo đã cải thiện nghiên cứu về bộ gen chức năng của loại nấm có giá trị này, rất hữu ích cho việc tăng cường di truyền của các chủng lên men A. oryzae.
Sự kết hợp của biến đổi qua trung gian protoplast cùng với sự biến đổi qua trung gian Agrobacterium sẽ góp phần tăng cường quá trình chuyển đổi. Khám phá các chiến lược mới và tối ưu hóa các chiến lược hiện tại được sử dụng cho bộ gen chức năng của A. oryzae sẽ hữu ích để nhận được lợi ích tối đa từ A. oryzae để được sử dụng trong sản xuất công nghiệp.
Cuối cùng, việc cập nhật và phát triển các trang web hiện tại và tạo các trang web truy cập mở mới mang tài liệu gần đây về A. oryzae có tầm quan trọng rất lớn. Những công cụ như vậy có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên cứu làm việc và cập nhật cho họ dữ liệu có sẵn gần đây liên quan đến khuôn koji quan trọng về mặt công nghiệp này.
