Królować | Grzyby |
---|---|
Podział | Ascomycota |
Klasa | Eurotiomycetes |
Podklasa | Eurotiomycetidae |
Zamówienie | Eurotiales |
Rodzina | Trichocomaceae |
Uprzejmy | Aspergillus |
Aspergillus niger , czarny aspergillus, jest grzybem nitkowatym workowca z rzędu Eurotiales . Jest to jeden z najpospolitszych gatunków z rodzaju Aspergillus, który pojawia się jako czarna pleśń na owocach i warzywach. Niejest znanażadna forma płciowa ( teleomorf ).
Aspergillus niger jest gatunkiem o znaczeniu ekonomicznym, ponieważ jest używany w fermentacji przemysłowej do produkcji kwasu cytrynowego i glukonowego lub enzymów. W Chinach A. niger bierze udział w fermentacji produktów spożywczych, takich jak wino zbożowe czy herbata pu'er .
Ta pleśń jest wszechobecnym zanieczyszczeniem, które jest zwykle nieszkodliwe. Jednak w wyjątkowych i rzadkich okolicznościach może być toksyczny i chorobotwórczy, ponieważ jest odpowiedzialny za grzybicę płuc u ludzi i ptaków.
Aspergillus niger to bardzo pospolita pleśń, preferująca zwykle suche, ciepłe gleby. Został wyizolowany z wielu różnych podłoży, takich jak:
A. niger to gatunek kosmopolityczny, o którym donoszono na całym świecie.
Pleśń ta rośnie zarówno w pomieszczeniach (gdzie można ją pomylić ze Stachybotrys spp ), jak i przy silnym świetle, na zewnątrz. Jest to jeden z najpospolitszych gatunków glebowych. Rozwija się na rozkładającej się materii roślinnej, takiej jak komposty. Może zanieczyścić mięso i jajka lub owoce suszone na słońcu. Może również uszkodzić skórę na powierzchni i grubości.
Aspergillus niger jest gatunkiem kserofilnym, zdolnym do życia w środowisku raczej ubogim w wodę. To może kiełkować w środowisku mającym aktywność wody A wagowo = 0,77 w temperaturze 35 ° C . Dlatego często jest izolowany w suszonych owocach i orzechach. Może również żyć w bardzo wilgotnym środowisku (wilgotność względna od 90 do 100%).
A. Niger może wzrastać do pH 2 (kwasowy) z wysoką wagowo aktywności .
A. niger jest gatunkiem mezofilnych optymalnych temperatur wzrostu pomiędzy 11 i 42 ° C . Temperatura maksymalna wynosi 48 ° C , ale może ona przetrwać 60 ° C . Mikrofale nie mają wpływu na konidia.
Rozwój Aspergillus niger jest znany jedynie z rozmnażania bezpłciowego (anamorfa). Dlatego też typową postacią jest grzyb nitkowaty zawierający przegrody (włókna przegrody), haploidalne i rozgałęzione strzępki tworzące grzybnię.
Anamorfa Aspergillus niger | |
---|---|
Pod wpływem stresu z grzybni rozwijają się bezpłciowe narządy rozrodcze (lub konidiofory ). Tworzy je nitkowaty pręcik zawierający komórki konidiogenne, wytwarzające zarodniki (lub konidia ). Gatunki z rodzaju Aspergillus charakteryzują się konidioforem z nabrzmiałym końcem (lub pęcherzykiem ). Ten końcowy pęcherzyk jest kulisty (40 µm średnicy) i przenosi żyzne komórki konidiogenne (lub fialidy ) o kształcie butelki. W phialides są rozmieszczone dookoła pęcherzyka oraz zawiera sterylną komórki (lub metule ) wprowadzony bezpośrednio w pęcherzykach. Konidiofory są gładkie, szkliste lub brązowawe w górnej części, bardzo długie (1 do 3 mm ). Głowa aspergillusa jest kulista i promienista, w dojrzałym kolorze czarna. |
|
W konidia są bezpłciowe zarodniki, jednokomórkowe i jednojądrowego, kuliste luty-marzec jim średnicy, produkowane przez phialides. Są czarne lub ciemnobrązowe i ozdobione kolcami i wypustkami (kształt szkarłatny). Często są ułożone w łańcuchy i rozproszone przez wiatr. |
|
Kiełkowania zarodników odbywa się w dwóch etapach:
|
Identyfikację Aspergillus przeprowadza się poprzez hodowlę na szalce Petriego , na standardowej pożywce hodowlanej. Aspergilli można wyizolować za pomocą kluczy, stosując kolorystykę kolonii, pigmentację i kształt głowy aspergillus oraz wygląd zarodników.
Aspergillus niger tworzy kolonie osiągające 4-5 cm średnicy w ciągu 7 dni na pożywce Czapek inkubowanej w temperaturze 25 ° C , koloru czarnego. Optymalna temperatura wzrostu wynosi między 25 a 30 ° C , ale może rozwijać się do temperatury 47-48 ° C . Kolonia jest początkowo biała i półprzezroczysta, a następnie zmienia kolor na czarny, gdy zarodnikuje. PH pożywki pozostaje niezmienione (końcowe pH 5,5).
Grzyby to organizmy heterotroficzne , które pobierają składniki odżywcze ze środowiska, ostatecznie trawią je poza komórką, a następnie spożywają je przez białka, które przenikają przez błonę plazmatyczną ( transportery błonowe ).
W swoim naturalnym środowisku szczepy A. niger wydzielają w dużych ilościach szeroką gamę enzymów niezbędnych do ekstrakcji składników odżywczych z biopolimerowych substancji organicznych. Ta zdolność jest wykorzystywana przez przemysł fermentacyjny do produkcji enzymów po konkurencyjnych cenach. Sekwencjonowanie genomu potwierdziło obecność dużej liczby transporterów zaangażowanych w transport wielu substratów.
Możliwe jest również przekierowanie głównego metabolizmu tej pleśni (składającego się z sieci tysięcy reakcji, ujawnionych przez sekwencjonowanie genomu) w celu wytworzenia kwasów organicznych. Na przykład kwas cytrynowy , powszechny metabolit normalnie wytwarzany przez metabolizm energetyczny A. niger , może być wytwarzany w dużych ilościach w warunkach braku równowagi metabolicznej. Zgodnie z matematycznym modelem metabolizmu A. niger , podwajając stężenie niektórych enzymów, uzyskujemy produkcję kwasu cytrynowego pomnożoną przez 12 w porównaniu z normalnymi warunkami.
Szlak metaboliczny, który prowadzi od sacharozy do kwasu cytrynowego (lub cytrynianu) można przedstawić schematycznie w czarnej skrzynce, którą można podzielić na pięć elementów:
1. Proces zaczyna się poza komórką grzyba. Sacharoza jest najpierw hydrolizowana do glukozy i fruktozy przez enzym inwertazę przyłączony do błony. Indukcja syntezy inwertazy jest wytwarzana przez substraty bogate w β-fruktofuranozyd, takie jak sacharoza , rafinoza i turanoza oraz inulina . I odwrotnie, obecność glukozy i fruktozy hamuje syntezę inwertazy.
2. Następnie dwie wyprodukowane heksozy (glukoza, fruktoza) są transportowane do wnętrza komórki przez białka transportujące przez błonę.
3. Glikoliza : Glukoza wchodzi na szlak metaboliczny w celu odzyskania energii jako ATP (bez konieczności podawania tlenu). Utlenianie jednego mola glukozy daje dwa mole pirogronianu.
4. Następnym krokiem jest cykl kwasu cytrynowego (lub cykl kwasu trikarboksylowego) w mitochondriach . Pirogronian przenika do mitochondriów, a następnie kilkoma drogami wchodzi w cykl kwasu cytrynowego. Pirogronian (z acetyloCoA) jest jednym z metabolitów o największej łączności, ponieważ bierze udział w 57 reakcjach.
5. Wydalanie kwasu cytrynowego z mitochondriów i cytozolu.
Sekwencjonowanie DNA pozwala na rekonstrukcję sieci metabolicznej (Sun i in., Andersen i in.) Aspergillus niger, z udziałem 2,443 reakcji Sun i wsp. I 2349 metabolitów. Niezliczone połączenia łączą produkty pośrednie glikolizy, cykl kwasu trikarboksylowego i 146 metabolitów innych szlaków metabolicznych.
Postępy w sekwencjonowaniu genetycznym i bioinformatyce umożliwiają coraz lepsze zrozumienie zawartości czarnej skrzynki bez pełnego wyjaśnienia wszystkich jej szczegółów.
Enzymatyczna aktywność pleśni była tradycyjnie wykorzystywana w Azji Wschodniej do fermentacji zbóż, soi lub liści herbaty w celu uzyskania odpowiednio wina zbożowego , sosu sojowego i pu-erh .
Od czasów starożytnych Chińczycy produkowali wino zbożowe huangjiu (黄酒), zaszczepiając gotowaną na parze proso lub kleiste ziarna ryżu fermentem qu曲, zdolnym do jednoczesnego scukrzania i fermentacji alkoholowej . To właśnie tą techniką, wprowadzoną w Japonii, produkuje się również sake . Obecnie wiadomo z połowy XX th wieku, enzymy , które (lub koji japońsku) składa się z koktajlem pleśni ( Aspergillus oryzae , A. niger , itp Rhizopus . Spp itp Mucor . Spp Penicillium, itd.), Drożdże ( Saccharomyces cerevisiae , Pichia itp.) I bakterie ( Bacillus subtilis, Acetobacter, Lactobacillus itp.). Pleśnie wytwarzają obficie amylazy, które hydrolizują skrobię zbóż w cukry proste (które następnie mogą być fermentowane do alkoholu przez drożdże).
Herbata Pu'er jest obecnie produkowana jako zielona herbata, co oznacza, że liście są lekko prażone, zwijane i suszone na słońcu. Następnie umieszcza się je w stosie, aby przejść fermentację w wilgotnym środowisku. Najczęstszym mikroorganizmem wśród producentów pu'er i odgrywającym główną rolę w fermentacji jest A. niger .
Już w 1917 roku amerykański chemik J. Currie wykazał, że niektóre szczepy A. niger mogą wydalać duże ilości kwasu cytrynowego, pod warunkiem, że były uprawiane na pożywce bardzo bogatej w cukier, z dodatkiem soli mineralnych i początkowego pH 2,5-3,5. Badania te stały się podstawą przemysłowej produkcji kwasu cytrynowego, którą rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych w 1923 roku, a następnie kontynuowano w latach trzydziestych w Anglii, Niemczech i Związku Radzieckim.
Obecnie A. niger jest używany do produkcji kwasów organicznych, enzymów i białek heterologicznych . Jest to mikroorganizm z wyboru ze względu na jego stabilność genetyczną, wysokie plony, zdolność do fermentacji różnych niedrogich substratów i brak wytwarzanych niepożądanych metabolitów.
Głównymi metabolitami Aspergillus niger o dużej wartości ekonomicznej dla przemysłu spożywczego jest produkcja kwasów organicznych i enzymów.
Produkcja kwasów organicznychW wyniku „tlenowego” fermentacyjnego metabolizmu Aspergillus niger wytwarza się kwas cytrynowy , glukonowy, szczawiowy i fumarowy.
Kwas cytrynowy jest głównym składnikiem napojów . Przemysł spożywczy używa go jako zakwaszacza i przeciwutleniacza do wzmacniania smaku i konserwowania soków owocowych, lodów i dżemów. Wykazuje działanie bakteriobójcze i bakteriostatyczne przeciwko Listeria monocytogenes , patogenowi przenoszonemu przez żywność. Jego aktywność przeciwutleniająca znajduje również zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym. Jest dopuszczony w Europie (pod etykietą E330) jako dodatek do żywności .
Obecnie kwas cytrynowy produkowany jest w fermentorze (bioreaktorze) z substratem bogatym w węglowodany zaszczepionym przez A. niger . Technika ta zapewnia masową produkcję kwasu cytrynowego po cenie znacznie niższej niż w przypadku starego procesu ekstrakcji cytryn. Około 99% światowej produkcji kwasu cytrynowego odbywa się w drodze fermentacji mikrobiologicznej w kulturach powierzchniowych lub zanurzeniowych, a ostatnio w wyniku fermentacji w pożywce stałej .
Na gromadzenie się kwasu cytrynowego duży wpływ ma skład pożywki fermentacyjnej. Niektóre składniki odżywcze muszą występować w nadmiarze (cukier, protony i tlen), inne w ograniczonych ilościach (azot, fosforany). Stężenie cukru w roztworze wynosi zwykle od 15 do 25 % .
Szacuje się, że około 80% światowej produkcji kwasu cytrynowego uzyskuje się przez zanurzenie kultury A. niger w pożywce zawierającej glukozę lub sacharozę - głównie syrop z melasy buraczanej lub trzciny cukrowej pochodzącej z przemysłu cukrowniczego. Fermentację najczęściej prowadzi się w bioreaktorach z nieciągłym zasilaniem, zwanym wsadowym.
Najstarszą technologią jest „fermentacja powierzchniowa”. Pleśń tworzy grzybniową matę na powierzchni pożywki. Fermentacja powoduje silne wydzielanie ciepła, które musi zostać usunięte przez silny system napowietrzania. Ten proces nie jest już stosowany, z wyjątkiem małych i średnich przedsiębiorstw.
W ostatnich latach Coraz większym zainteresowaniem cieszy się produkcja kwasu cytrynowego trzecią techniką fermentacji. Jest to fermentacja na stałym podłożu, która jest interesująca ze względu na niskie zapotrzebowanie na energię i niewielki zrzut ścieków. Technologię tę można by zastosować do przetwarzania wytłoków jabłkowych, odpadów ananasowych, przemysłowych odpadów ziemniaczanych i wielu pozostałości rolno-przemysłowych. Technologia została po raz pierwszy opracowana w Japonii, aby zapewnić środki do ulepszania pozostałości rolno-przemysłowych. A. niger formy hoduje się na stałym podłożu, w niskiej aktywności wody środowiska .
Glukonowy jest naturalnym składnikiem soku owocowego, który jest powszechnie stosowany w lekach, żywności, detergentów, tekstyliów, skóry itd. Jest dopuszczony w Europie pod etykietą E574 jako dodatek do żywności . Jest wytwarzany z glukozy w wyniku reakcji odwodornienia katalizowanej przez oksydazę glukozową . Utlenianie do C 1 grupa aldehydowa glukozy daje grupę karboksylową kwasu. Chociaż konwersję można przeprowadzić w procesie czysto chemicznym, najczęściej przeprowadza się ją przez zanurzoną fermentację Aspergillus niger . W ten sposób prawie 100% glukozy jest przekształcane w kwas glukonowy . W tej fermentacji A. niger uczestniczy jedynie w produkcji enzymów niezbędnych do przemiany glukozy w kwas glukonowy, takich jak oksydaza glukozowa , katalaza , laktonaza i mutarotaza . Gen kodujący oksydazę glukozową z A. niger został sklonowany i jego amplifikacja powoduje dwu- do trzykrotny wzrost jego aktywności.
Aspergillus niger jest wydajnym producentem kwasu szczawiowego dzięki acetylohydrolazie szczawiooctanu (OAH), enzymowi zależnemu od Mn 2+ . Jak widać na schemacie w poprzedniej sekcji, enzym ten katalizuje reakcję
szczawiooctan + H 2 O→ szczawian + octanAle octan nigdy nie gromadzi się w pożywce. Wydaje się, że zewnętrznym parametrem kontrolującym produkcję kwasu szczawiowego jest pH .
Produkcja enzymówOd tysiącleci pleśnie Aspergillus były używane w Azji w różnych rzemieślniczych procesach naturalnej fermentacji żywności, nie znając dokładnie ich dokładnej funkcji. W następstwie prac Pasteura i Emila Hansena nad rolą mikroorganizmów w fermentacji ustalono, że jednym z czynników sprawczych tych procesów były enzymy wytwarzane przez grzyby strzępkowe, takie jak Aspergillus .
Na koniec XIX p wieku Herman Ahlburg identyfikuje koji formy (nadać później Aspergillus oryzae ) i Jōkichi Takamine pojedyncze enzymu wytwarzanego przez tego grzyba. Była to amylaza, którą nazwano na jego cześć takadiastase . Takamine jako pierwsza w latach 1891-1894 zdała sobie sprawę, że enzymy te mogą być produkowane w dużych ilościach dzięki hodowli Aspergillus oryzae na otrębach pszennych. W 1914 roku opracował bioreaktory płytowe , a następnie bioreaktory bębnowe, do przemysłowego wytwarzania amylazy tą metodą.
Obecnie Aspergillus niger jest uprawiany w bioreaktorach do komercyjnej produkcji wielu enzymów stosowanych w piekarnictwie , winiarstwie, browarnictwie. Ta pleśń wydziela około dwudziestu różnych enzymów. W przypadku produkcji przemysłowej konieczne jest przeprowadzenie wielu badań eksperymentalnych w celu doboru szczepu produkcyjnego i określenia optymalnych parametrów fizykochemicznych (temperatura, pH, natlenienie pożywki itp.) Dla danego podłoża (skład pożywki w węglu, azocie, fosforanie i sole mineralne). Pod koniec produkcji enzymy są na ogół ekstrahowane z pożywki przez selektywne wirowanie i wytrącanie; oddzielone komórki grzybów mogą być ponownie wykorzystane jako nawóz.
Oksydaza glukozy , A katalazy i hydrolazy (celulazy, ksylanazy, pektynazy) są główne enzymy stosowane w produkcji piwa i napojów. Oksydaza glukozowa (EC 1.1.3.4) jest enzymem (katalizującym utlenianie glukozy) używanym w celu poprawy stabilności i trwałości składników. Jest stosowany w połączeniu z katalazą (która rozkłada nadtlenek wodoru do wody) jako środek konserwujący w soku pomarańczowym, piwie i winie. Oksydaza glukozowa jest również polepszaczem pieczenia; dodany do ciasta zwiększa jego konsystencję i zmniejsza kleistość. A. niger jest ważnym źródłem tych różnych enzymatycznych dodatków do żywności.
Kodeks żywnościowy FAO wskazuje w swojej liście preparatów pochodzenia drobnoustrojowego, że Aspergillus niger jest źródłem następujących dodatków do żywności : α-amylazy, α-galaktozydazy, arabino-furanozydazy, β-glukanazy, katalazy, celobiozy, endo-beta-glukonazy , egzo-α-glukozydaza, gluko-amylaza, oksydaza glukozy, hemicelulaza, inulaza, inwertaza, laktaza, lipaza, maltaza, pektynaza, pektyna esteraza, poligalakturonaza, proteaza, tanaza, ksylanaza
A. niger odgrywa ważną rolę w biodegradacji najbardziej toksycznych chemikaliów, takich jak heksadekan, oczyszczaniu zrzutów melasy z buraków i margaryn oraz biokonwersji osadów ściekowych
Produkcja białek heterologicznychOd lat 90. XX wieku w wielu badaniach analizowano możliwość wytwarzania białek przez grzyby strzępkowe, które nie mają natywnego genu kodującego. Postęp w inżynierii genetycznej umożliwia obecnie wprowadzenie genu obcego dla gatunku kodującego tak zwane białko heterologiczne , takiego jak chymozyna, fitaza i proteaza aspartylowa.
W 1988 roku duńska firma Novozymes A / S jako pierwsza wprowadziła na rynek lipazę wytwarzaną przez genetycznie zmodyfikowany szczep Aspergillus oryzae . Heterologiczne enzymy grzybowe są używane głównie w przemyśle detergentów. W 2004 roku tylko kilka zostało dopuszczonych do przemysłu spożywczego. Wśród heterologów wytwarzanych przez A. niger można wymienić : arabinofuranozydazę, katalazę, glukoamylazę, oksydazę glukozową i ksylazę. Główną trudnością towarzyszących wytwarzaniu białek heterologicznych jest niska wydajność: w ten sposób fermentacji A. niger wytwarza zaledwie kilku miligramów na litr z białek heterologicznych ( 1,0 mg / l, na lizozym ), podczas gdy można produkować kilkudziesięciu gramów na litr. jego homologiczne enzymy.
Degradacja Nylonu 6Wykazano, że A. niger jest zdolny do degradacji nylonu 6 (en) .
Niektóre szczepy A. Niger może powodować ochratoksynę A . W niektórych przypadkach, zwłaszcza u pacjentów z obniżoną odpornością , A. niger może powodować inwazyjne zapalenie ucha zewnętrznego, którego następstwa mogą się wahać od trwałej utraty słuchu do śmierci pacjenta.
U roślin: Przechowywane cebule są podatne na gnicie korony spowodowane przez Botrytis i czarną pleśń wywoływaną przez A. niger . Ta ostatnia, która często wiąże się z zasinieniem, atakuje również cebulki szalotki lub czosnku . Bardzo szczególna Welwitschia mirabilis , wyjątkowa roślina endemiczna dla pustyni Namib , jest świadkiem rosnącej liczby roślin zakażonych A. niger var phoenicis , co może wpływać na jej zdolności reprodukcyjne i zagrażać jej..