Thứ sáu, 30/09/2022 | 20:08

Thứ sáu, 30/09/2022 | 20:08

Bài báo khoa học

Cập nhật 09:03 ngày 08/08/2022

Đa dạng sinh học và khả năng ứng dụng của nấm men đen moniliella phân lập tại Việt Nam

Tóm tắt:
Moniliella một chi đặc biệt trong ngành nấm đảm (Basidiomycota) do có khả năng lên men và hoạt động trong điều kiện áp suất thẩm thấu cao. Với khả năng sinh trưởng và phát triển trên nhiều nguồn dinh dưỡng khác nhau, Moniliella spp. đã và đang được ứng dụng trong công nghệ sinh học mà điển hình là ứng dụng trong sản xuất đường erythritol, một chất tạo ngọt không calo. Trong nội dung bài báo này, những đặc điểm của nhóm nấm men Moniliella spp., mức độ đa dạng sinh học sẽ được đề cập cụ thể. Bên cạnh đó, một số thành tựu nghiên cứu ứng dụng trong công nghệ sinh học của nhóm Moniliella spp. trên thế giới và tại Việt Nam cũng được trình bày chi tiết. Giống như Saccharomyces cerevisiae, Moniliella spp. được kỳ vọng sẽ là nhóm nấm men đem lại nhiều ứng dụng mới cho công nghệ sinh học.
Từ khoá: Nấm men, Moniliella, đa dạng sinh học, erythritol.
Giới thiệu về chi Moniliella
Các chi nấm men đen chứa melanin trong thành tế bào làm cho khuẩn lạc có thể có màu vàng lục, màu ô liu đến nâu sẫm, đen. Ngoài melanin còn có carotenoid và mycosporines, những chất này giúp nấm men đen chống chịu tia cực tím. Một trong các lý do khiến hiểu biết về nấm men đen kém xa so với các nhóm khác có lẽ là do phần lớn sinh trưởng chậm và dễ bị bỏ qua trong các nghiên cứu. 
Thêm nữa, hình thái hiển vi của chúng ít đặc điểm nhận dạng, hiện tượng đa hình phổ biến gây khó khăn trong phân loại [1].
Chi Moniliella được Stolk và Dakin thiết lập vào năm 1966 cho hai loài mới, M. acetoabutens và M. tomemtosa [2]. Sau đó, hai loài Moniliella suaveolens và Moniliella mellis, được mô tả bởi Von Arx, (1972) Rao và de Hoog (1975) [3, 4]. Boekhout (1998) và de Hoog & Smith (1998) chỉ ra rằng Trichosporonoides có thể tương đồng với Moniliella [5, 6]. Rosa et al. (2008) xác nhận sự tương đồng trong trình tự 26S rRNA D1/D2 và chuyển tất cả các loài Trichosporonoides vào chi Moniliella. Phân tích đa gen của Wang et al. (2014) cho thấy Moniliella là một nhánh độc lập trong Ustilaginomycotina, tương ứng với một lớp mới Moniliellomycetes với bộ Moniliella les, họ Moniliella ceae, và chi Moniliella [8]. Về mặt di truyền, Moniliella là một chi không đồng nhất và có thể cần sửa đổi, tuy nhiên việc tìm kiếm các đơn vị phân loại trung gian là cần thiết để thực hiện điều này.
Về hình thái, Moniliella có khuẩn lạc màu hơi xám đến đen oliu, sinh sản vô tính bằng nảy chồi và bào tử đốt. 
Ngoại trừ M. fonsecae, các loài thuộc chi Moniliella mang những đặc tính rất hiềm với nấm đảm (Basidiomycetous) là khả năng chịu áp suất thẩm thấu cao và khả năng lên men. 
Thành tế bào của Moniliella gồm nhiều lớp và không chứa xylose, fucose. Vách tế bào có các cấu trúc lỗ, vách ngăn (dolispores) với các kênh hẹp [9]. Phản ứng với Diazonium blue dương tính. Tất cả các loài đồng hóa nitrat và sản sinh urease. Coenzyme Q9 là ubiquinone chính.
Các loài thuộc chi  Moniliella  thường gặp ở những nơi có nhiều dầu mỡ hoặc môi trường có áp suất thẩm thấu cao như phấn hoa, mật ong… Ví dụ, M. acetoabutens cho tới nay chỉ gặp trên các mẫu thực phẩm lên men chứa muối có độ chua cao như xốt hoa quả, dưa muối, M. mellis từ mật ong, M. nigrescens từ jam, marmalade hỏng, M. spathulata từ sữa trâu, M. suaveolens từ sữa, bơ, phomat, M. fonsecae phân lập từ hoa Angelonia pilosella, M. megachiliensis phân lập từ côn trùng, M. oedocephalis từ mật ong, M. pollinis  từ phấn hoa.
Từ khía cạnh công nghệ, nấm men Moniliella có nhiều ưu điểm như khả năng sinh sản nhanh trong điều kiện hiếu khí, vi hiếu khí, phát triển dạng đơn bào trong môi trường lỏng, phù hợp với công nghệ lên men chìm phổ biến hiện nay. Moniliella còn có khả năng phát triển trong điều kiện áp suất thẩm thấu cao tương đương với nồng độ glucose 60%. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong sản xuất thương mại khi cần nâng cao nồng độ cơ chất và sản phẩm. Tính ưa áp suất thẩm thấu cũng góp phần giảm tạp nhiễm trong quá trình lên men. So với các nấm men khác cũng như vi khuẩn, tế bào nấm men Moniliella có kích thước khá lớn thuận lợi cho công nghệ thu hồi sản phẩm (lọc, ly tâm). Ngoài ra, trên môi trường cơ chất rắn, Moniliella có thể phát triển ở dạng sợi và thích hợp với công nghệ sản xuất lên men bề mặt [6]. Moniliella được quan tâm nhiều tới khả năng chuyển hóa glucose thành erythritol. Erythritol là loại đường chứa 4 nguyên tử cacbon và có một số đặc tính quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm như hàm lượng calo thấp (1/10 so với sucrose), mát lạnh khi tan, độ ngọt dịu tương đương 70-80% sucrose, không gây sâu răng, và có ưu điểm hơn so với các loại đường chức năng khác như xylitol, maltitol vì không gây khó chịu cho đường tiêu hóa. 
Trên quy mô công nghiệp, erythritol được sản xuất bởi hai phương pháp khác nhau là: phương pháp Misubishi/ Nikken (phương pháp M/N) và phương pháp Cerestar (phương pháp C). Đây thực chất là quá trình lên men nhờ vi sinh vật, trong đó, phương pháp M/N sử dụng chủng nấm men Moniliella megachiliensis còn phương pháp C lại sử dụng chủng Moniliella pollilis.
Đa dạng moniliella tại Việt Nam
Moniliella được làm giàu trong môi trường dành cho vi sinh vật ưa áp suất thẩm thấu (50% glucose, 0.5% yeast extract (w/w)). Các ống được ủ ở 280C trong 10 ngày sau đó 50 μl canh trường được cấy trang liên tiếp ra 3 đĩa môi trường malt-μglucose agar và ủ tiếp ở 280C trong 10 ngày. Các khuẩn lạc đặc trưng (xám xanh cho tới đen, nảy chồi đa phía, tạo khuẩn ty thật và bào tử đốt) được làm sạch và bảo quản. Từ 994 mẫu khác nhau bao gồm: nem chua, tương, dầu ăn, dụng cụ bếp, hoa, ong ở các địa điểm khác nhau trên địa bàn khác nhau trên cả nước chúng tôi đã phân lập được 373 chủng Moniliella. Trong số 994 mẫu được phân tích Moniliella được phát hiện ở 140 mẫu (khoảng 14% chứa Moniliella). Kết quả phân nhóm bằng PCR fingerprinting kết hợp với giải trình tự 26S rDNA D1D2 cho thấy sự có mặt của 17 loài, trong đó có 6 loài đã biết. 
Như vậy có tới 11 loài Moniliella chưa từng được công bố. 
Với những loài có số lượng chủng lớn và phân bố tự nhiên rõ ràng các nghiên cứu sâu hơn về phân loại học được thực hiện, bao gồm kiểm tra đặc điểm hình thái, khả năng lên men, sử dụng các nguồn carbon và nitơ khác nhau, trình tự gen ITS, TEF1, rpb1. Tổng hợp phân tích đa dạng loài ở Việt Nam và phân bố địa lý được trình bày trong Hình 1. 
Quan hệ di truyền giữa các loài Moniliella dựa trên trình tự 26S rDNA được thể hiện trong Hình 2. Hình ảnh đại diện của một số loài phát hiện tại Việt Nam được trình bày trong Hình 3.
Những loài mới đã được khẳng định và công bố bao gồm Moniliella byzovii, M. carnis, M. casei, M. dehoogii, M. floricola và M. sojae. Một số chủng từ các nhóm nghiên cứu quốc tế (Canada, Nhật, Bồ Đào Nha) được tiếp nhận và miêu tả, đó là hai loài mới M. macrospora và M. pyrgileucina. 
Hình thái của các chủng đặc trưng của các loài Moniliella. 
Trên môi trường dinh dưỡng, các chủng hình thành khuẩn lạc với màu sắc chuyển dần từ màu xám sang màu ô liu và màu đen, sinh sản vô tính nảy chồi.
Một số đặc tính công nghệ của moniliella spp. phân lập tại Việt Nam
Từ khía cạnh công nghệ, nấm men Moniliella có nhiều ưu điểm như khả năng sinh sản nhanh trong điều kiện hiếu khí, vi hiếu khí, phát triển dạng đơn bào trong môi trường lỏng, phù hợp với công nghệ lên men chìm phổ biến hiện nay. Moniliella còn có khả năng phát triển trong điều kiện áp suất thẩm thấu cao, điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong sản xuất thương mại khi cần nâng cao nồng độ cơ chất và sản phẩm. So với các nấm men khác cũng như vi khuẩn, tế bào nấm men Moniliella có kích thước khá lớn thuận lợi cho công nghệ thu hồi sản phẩm [6].
Quá trình sàng lọc đặc tính công nghệ cho thấy nhiểu chủng Moniliella phân lập được tại Việt Nam có khả năng sinh lipase mạnh, một trong những emzyme được ứng dụng phổ biến như trong công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp thực phẩm, y tế và dược phẩm. Một số chủng Moniliella có khả năng chuyển hóa trực tiếp dầu thầu dầu thành γ-decalactone, loại hương liệu (hương đào) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm [15].
Một trong những đặc tính công nghệ của Moniliella được quan tâm đặc biệt tại Viện Công nghiệp Thực phẩm là khả năng chuyển hóa glucose thành erythritol. Tại Việt Nam, loại đường chức năng được bổ sung vào bánh kẹo, đồ uống. Nguồn cung erythritol trong nước hiện phụ thuộc hoàn toàn vào nhập khẩu. Một số lượng lớn các chủng (98 chủng) thuộc 14 loài thuộc chi Moniliella được nuôi cấy trong bình cầu chứa 20% glucose trong 8 ngày và tích tụ erythritol được phân tích bằng HPLC.  Nồng độ erythritol trung bình của mỗi loài được trình bày trong Hình 4.
Tất cả các chủng Moniliella được thử nghiệm đều tạo ra erythritol và một lượng đáng kể glycerol. Mức độ tích tụ erythritol có tính đặc trưng cho từng loài và cao nhất ở M. megachiliensis Từ 34 chủng thuộc loài M. megachiliensis thử nghiệm, 20 chủng có thể tích tụ trên 50 g/L erythritol. 
Mức tích tụ tối đa erythritol 75,6 g/l được ghi nhận ở chủng M. megachiliensis TBY 3406.6. Khi kéo dài quá trình lên men đến 19 ngày glucose được tiêu thụ hoàn toàn, canh trường lúc này chỉ chứa erythritol và một lượng nhỏ glycerol. M. megachiliensis TBY 3406.6 như vậy là chủng có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ sản xuất erythritol.
Moniliella sojae SS4.2 phân lập từ tương Bần được xác định có khả năng sinh zymocin với phổ hoạt động chống nấm men mạnh. Điều đặc biệt, zymocin của chủng này bền nhiệt, hoạt động ở pH thấp và có phổ kháng sinh rộng, trong đó có Candida albicans, một tác nhân gây bệnh phổ biến và khó điều trị. Kích thước phân tử của zymocin SS4.2 có kích thước khoảng 14 kDa. Theo kết quả chưa công bố của chúng tôi, zymocin này tạo bởi 2 cấu tử và hoạt tính kháng sinh chỉ xuất hiện khi có sự kết hợp của cả hai cấu tử. Tính năng đặc biệt này có thể được sử dụng làm công cụ trong nghiên cứu sinh học phân tử. Zymocin của M. sojae SS4.2 đồng thời cũng hứa hẹn khả năng được ứng dụng như một chất kháng sinh chống nấm trong y học.
Kết luận
Đa dạng sinh học của nấm men Moniliella và sự xuất hiện số lượng lớn loài mới chưa công bố cho thấy Việt Nam có nguồn gen vi sinh vật rất đa dạng và hầu như chưa được khai phá. Rất nhiều chủng phân lập được mang những đặc tính công nghệ hữu ích như khả năng sinh kháng sinh (zymocin), sinh enzyme lypase, chuyển hóa dầu thầu dầu thành hương đào, chuyển hóa glucose thành đường chức năng erythritol. Nghiên cứu đa dạng sinh học vi sinh vật tại Việt Nam do vậy không chỉ có ý nghĩa về khoa học mà còn tạo nền tảng cho các nghiên cứu phát triển công nghệ.
Tài liệu tham khảo
1. De Hoog G.S. (1999). Ecology and evolution of black yeasts and their relatives. Stud Mycol,43, 1–208. 
2. DAKIN A.C.S.A.J.C. (1966).  Moniliella , a new genus of Moniliales. Bot Gaz, 399–409. 
3. Von Arx J.A. (1972). On Endomyces, Endomycopsis and related yeast-like fungi. Antonie Van Leeuwenhoek, 38(1), 289–309. 
4. Rao V. và de Hoog G.S. (1975). Some notes on Torula. Persoonia-Molecular Phylogeny Evol Fungi, 8(2), 199–206. 
5. Boekhout T. (1998). Diagnostic descriptions and key to presently accepted heterobasidiomycetous genera. The Yeasts. Elsevier, 627–634. 
6. Kurtzman C.P., Fell J.W., và Boekhout T. (2011), The Yeasts, a Taxonomic Study, . 
7. Rosa C.A., Jindamorakot S., Limtong S. và cộng sự. (2009). Synonymy of the yeast genera  Moniliella  and Trichosporonoides and proposal of  Moniliella  fonsecae sp. nov. and five new species combinations. Int J Syst Evol Microbiol, 59(2), 425–429. 
8. Wang Q., Theelen B., Groenewald M. và cộng sự. (2014). two new classes in Ustilaginomycotina. Ingentaconnect, 33, 41–47. 
9. Lachance M.-A., Starmer W.T., Rosa C.A. và cộng sự. (2001). Biogeography of the yeasts of ephemeral flowers and their insects. FEMS Yeast Res, 1(1), 1–8. 
10. Thanh V.N. và Hien D.D. (2018).  Moniliella  floricola sp . nov ., a species of black yeast isolated from flowers. 1–6. 
11. Martinez A.T. (1979). Physiological characteristics of Moniliella, Trichosporonoides and Hyalodendron. The Black Yeasts,  Moniliella  and Allied Genera, 58–68.
12. Thanh V.N., Hien D.D., và Thom T.T. (2018).  Moniliella  byzovii sp . nov ., a chlamydospore- forming black yeast isolated from flowers. (2013), 1192–1196. 
13. Rosato P. và Kunz B. (2004). Adding value to vegetable waste : Oil press cakes as substrates for microbial decalactone production *. 106, 207–217. 
14. Mikolasch A., Berzhanova R., Omirbekova A. và cộng sự. (2021).  Moniliella  spathulata, an oil-degrading yeast, which promotes growth of barley in oil-polluted soil. Appl Microbiol Biotechnol, 105(1), 401–415. 
15. Do, T. T. L., Vu, N. T., Phan‐Thi, H., Cao‐Hoang, L., Ta, T. M. N., Waché, Y., & Nguyen, T. H. T. (2014). Traditional fermented sausage ‘N em chua’as a source of yeast biocatalysts efficient for the production of the aroma compound γ‐decalactone. International Journal of Food Science & Technology, 49(4), 1099-1105. 
16. Thoa, V. K., Khanh, N. T. M., Hien, D. D., Manh, L. D., & Thanh, V. N. (2015). Screening of  Moniliella  yeast with high-level production of erythritol. In Proceedings of International Scientific-Practical Conference.
Nguyễn Bảo Châu, Đinh Đức Hiền, Vũ Nguyên Thành
Trung Tâm Vi sinh vật Công nghiệp, Viện Công nghiệp Thực phẩm
(Nguồn: Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Số 48 - Tháng 7/2022)
Tổng số lượt truy cập :
  • 5
  • 8
  • 7
  • 5
  • 8
  • 4
  • 8
lên đầu trang