1.3.1. Phân loại và đặc điểm sinh học nấm sợi A. niger
Năm 1867 nấm sợi A. niger lần đầu tiên đƣợc phân lập bởi nhà thực vật học người Pháp Philippe Edouard Léon van Tieghem. A. niger thuộc phân nhóm Nigri (còn gọi là phân nhóm Aspergillus đen) của chi Aspergillus, họ Trichocomaceae.
Đây là loài điển hình và phổ biến nhất của chi Aspergillus phân bố rộng khắp các vùng địa lý trên thế giới [30]. Nấm phát triển nhanh, chịu nhiệt, chịu lạnh tốt nên có thể bắt gặp ở bất cứ nơi đâu, từ trong đất, nước, không khí, mảnh vụn thực vật, hoa quả thối rữa đến cả trên tường nhà [93]. Dưới kính hiển vi có thể quan sát thấy sợi nấm trong suốt, cú vỏch ngăn, phõn nhỏnh liờn tục, đường kớnh hệ sợi 2,5 - 8àm.
Cuống sinh bào tử dài 300 - 400àm, đường kớnh 40 - 70àm, khụng màu, một đầu gắn với bọng hình cầu có màu sẫm hơn. Bọng cầu đƣợc bao phủ bởi thể bình sơ cấp có màu trong suốt tới nâu, có vách ngăn. Trên tầng thể bình sơ cấp là thể bình thứ cấp, đớnh bào tử hỡnh cầu cú gai nhọn với đường kớnh 3,5 - 5àm. Sợi nấm mới phỏt triển có màu trắng, sau đó đƣợc bao phủ bởi bào tử có màu nâu hoặc đen tạo nên màu sắc đặc trƣng [23, 67]. Hình thái khuẩn lạc và cuống sinh bào tử của nấm sợi A.
niger đƣợc mô tả chi tiết trong Hình 1.3.
11
Hình 1.3. Hình thái khuẩn lạc và cấu trúc hiển vi của nấm A. niger [45, 53]
(A) Hình thái khuẩn lạc trên đĩa môi trường Czapek-Dox, (B) Rìa ngoài khuẩn lạc, (C) Trung tâm khuẩn lạc, (D) Hình thái hiển vi của cuống sinh bào tử.
(E) Bào tử của nấm sợi A. niger
Nấm sợi A. niger sinh trưởng tối ưu ở nhiệt độ từ 28oC - 37oC, nhưng nó có khả năng chịu lạnh xuống tới 6oC và sống sót ở nhiệt độ lên đến 47oC. Trong khoảng nhiệt độ tối ƣu, các bào tử của A. niger dễ dàng nảy mầm và phát triển mạnh. Ở 30oC, bào tử trương nở, kết hợp với các vật liệu thành tế bào trên toàn bộ bề mặt tập trung về một cực để hình thành nên đỉnh sợi nấm. Sợi nấm tăng sinh ở đỉnh sợi, phát triển chiều dài rồi phân nhánh tạo ra các sợi nhỏ hơn. Các sợi nhỏ lại tiếp tục phân nhánh để tạo nên mạng hệ sợi lan trên khắp bề mặt cơ chất. Ở điều kiện bất lợi (> 40oC) các bào tử không nảy mầm mà trương nở tích nước, đồng thời tập trung các vật liệu thành tế bào trên khắp bề mặt tạo nên một lớp thành vững
12
chắc để bảo vệ bào tử khỏi điều kiện bất lợi bên ngoài. Khi gặp điều kiện thuận lợi, bào tử này sẽ nảy chồi và trực tiếp phát triển thành hệ sợi nấm. Đặc điểm này giúp cho bào tử của A. niger được bảo vệ lâu dài dưới điều kiện khắc nghiệt [23].
Ngoài khả năng chịu lạnh, chịu nóng tốt, A. niger còn có giới hạn pH rất rộng từ 1,5 - 9,8. Điều này cho phép chúng sinh trưởng tốt ở cả môi trường có độ axit thấp dưới mức chuẩn của nhiều loài. pH tối ưu cho loài nấm này phát triển là khoảng 4 - 6,5. Độ ẩm tối thiểu cần thiết cho sinh trưởng của A. niger là 23%. Nấm mốc A. niger không cần ánh sáng cho sự sinh trưởng và phát triển [23].
1.3.2. Đặc điểm di truyền của nấm sợi A. niger
Kích thước hệ gen của các chủng A. niger dao động trong khoảng 33,9 đến 38,5 Mb với khoảng 13000 gen, trong đó 6000 - 8000 gen hoạt động [24]. Năm 2007, trình tự hệ gen của A. niger chủng CBS 513.88 đã đƣợc công bố. Theo đó, kích thước hệ gen của CBS 513.88 là 33,9 Mb, với 14165 khung đọc mở trong đó có 55% gen tham gia mã hóa cho các sản phẩm protein. Trong số 14165 khung đọc mở có 3002 trình tự mã hóa cho các sản phẩm liên quan đến chuyển hóa. Dữ liệu này cho thấy A. niger là một nhà máy đầy tiềm năng cho các ngành công nghiệp sinh học [82].
1.3.3. Vai trò của nấm sợi A. niger
Nấm sợi A. niger giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là công nghệ lên men [23]. Nó đƣợc đánh giá là vi sinh vật tiềm năng trong sản xuất amylase. Amylase là một enzyme phổ biến chiếm 25 - 35% lƣợng enzyme thương mại trên thị trường được sử dụng cho quá trình thủy phân tinh bột trong sản xuất bánh mì, bia và trong việc loại bỏ keo từ vải. Có nhiều nguồn cung cấp enzyme này nhƣ động vật, thực vật và vi sinh vật nhƣng amylase có nguồn gốc từ nấm được ưa chuộng hơn cả do có khả năng hoạt động ở môi trường pH thấp. Ngoài ra, A. niger còn có khả năng sản xuất invertase xúc tác sự thủy phân của sucrose tạo thành glucose và fructose, pectinase được ứng dụng trong tiền xử lý các loại nước ép trái cây để loại bỏ cặn cũng nhƣ làm giảm vẩn đục trong rƣợu vang, α-
13
galactosidase chống đầy hơi khó tiêu có trong thành phần thuốc dạ dày. Các enzyme protease có nguồn gốc từ nấm A. niger đƣợc sử dụng để sản xuất các phụ gia Clarity-FERM sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất bia để giảm hàm lƣợng gluten lúa mạch, sử dụng trong rã đông thịt và giảm độ đàn hồi của các protein gluten trong bánh mì [84]. Cellulase sản xuất bởi A. niger đƣợc sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc, công nghiệp sản xuất dung môi hữu cơ, sản xuất chất tẩy rửa, công nghiệp giấy và bột giấy, đặc biệt trong công nghệ xử lý rác thải sản xuất phân bón vi sinh [6]. Một enzyme khác có vai trò quan trọng trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi được sản xuất thương mại bởi nấm mốc A. niger là enzyme phytase. Phytase xúc tác cho phản ứng thủy phân axit phytic (phytate) ở dạng khó tiêu có mặt trong ngũ cốc và hạt chứa dầu thành dạng photpho vô cơ có thể sử dụng đƣợc. Bổ sung phytase vào thức ăn chăn nuôi có thể giúp vật nuôi dạ dày đơn dễ dàng hấp thụ phospho đồng thời làm giảm sự bài tiết phytate qua phân, từ đó hạn chế được ô nhiễm môi trường. Phytase còn giúp giải phóng canxi và các nguyên tố vi lƣợng khác, giảm lƣợng phospho vô cơ sử dụng; do đó giảm chi phí thức ăn cho vật nuôi [1, 102].
Ngoài khả năng tiết ra một phổ rộng các loại enzyme công nghiệp, A. niger còn đƣợc coi là một nhà máy tế bào chuyên sản xuất các loại axit hữu cơ. A. niger lần đầu tiên trở thành sinh vật sản xuất axit citric năm 1919. Axit citric là chất phụ gia giúp tăng hương vị, giảm độ ngọt của các sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát. Sắt citrate được sử dụng làm chất bảo quản máu trong công nghiệp dƣợc phẩm. Ngoài ra, axit citric còn đƣợc dùng trong thuốc tẩy, thuộc da, mạ điện và nhiều ứng dụng khác. Axit citric đƣợc sản xuất quy mô công nghiệp chủ yếu nhờ sự lên men của các loài Aspergillus đặc biệt là A. niger và A. wentiti do chúng tạo ra lƣợng lớn axit citric và rất ít tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn. Năm 2000, sản lƣợng axit citric toàn cầu đạt 900000 tấn. Đến năm 2007, sản lƣợng axit citric toàn cầu ƣớc đạt 1,6 triệu tấn và đƣợc sản xuất chủ yếu bởi A.
niger. Một axit hữu cơ khác cũng được sản xuất thương mại bởi nấm A. niger là axit
14
gluconic. Sản lƣợng axit gluconic ƣớc tính toàn cầu hằng năm từ 50000 đến 100000 tấn, đƣợc sử dụng nhƣ một phụ gia thực phẩm [14, 88].