MSHV: 62030803
ASPERGILLUS NIGER SINH
3
MSHV: 62030803
ASPERGILLUS NIGER SINH
Mã ngành: 62 42 01 07
3
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh i
u ca NCS Trn Thanh Trúc vi s
ng dn ca PGS. TS. Nguyi và TS. Nguy liu
và kt qu trình bày trong luc công b riêng l
bi tác gi khác trong bt k công trình nào .
PGS. TS.
TS.
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh ii
PGS. TS. .
, tôi xin PGS. TS.
. luôn
, cùng tôi
.
. Giám
, ã giúp
,
và các
phòng ng;
p,
này.
GS. TS. . TS.
Xin cám
ý và
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh iii
d.
03 3
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh iv
Aspergillus niger sinh pectin methylesterase
liên qu9.2012.
enzyme pectin methylesterase (P
dòng Aspergillus niger (A. niger
dòng Aspergillus niger
các khoai tây (Potato Dextrose
Agar, PDA), Czapek Dox Agar (CZ) n các
dòng
60 dòng
dòng
các dòng dòng
dòng có ,
T
1
, N
1
, So
2
và R
1
.
dòng R
1
và So
2
gene dòng T
1
, N
1
,
So
2
và R
1,
A. niger ÷
100%.
A. niger So
2
và R
1
ly trích
gian ly trích
khô i
Quá trình
% MgCl
2
và 0,15% CaCl
2
5
(mL/g)
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh v
ly trích
1 v/w (mL/g).
ly trích
.
protein
protein,
A. niger
m
mg/mL
A. niger ÷
CaCl
2
A. niger.
Từ khóa: Aspergillus niger, cải thiện cấu trúc, cơ chất giàu pectin, hoạt tính cao, lên
men bề mặt cơ chất rắn, pectin methylesterase, phân lập, tuyển chọn.
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh vi
SUMMARY
Aspergillus niger biosynthesize high activity pectin
atory of Food Technology Department, College
of Agriculture and Applied Biology, Can Tho University and other laboratories, from
11.2008 to 9.2012.
The thesis was conducted to investigate the biosynthesis process and application of pectin
methylesterase (PME, EC 3.1.1.11) in solid state fermentation (SSF) of isolated and
selected Aspergillus niger from the practical conditions of Vietnam.
Sixty species which have morphologically similar Aspergillus niger were isolated from the
peels of rich pectin fruits which have been found to be widely in Mekong delta, such as
orange, pomelo, citrus, apple and fig peels on Potato Dextrose Agar (PDA), Czapek Dox
Agar (CZ) and Malt Extract Agar (MEA). To indicate the pectinase activity of the
organisms, diameters of clear zone around colonies on pectin - agar medium were
measured. The result showed that all of sixty isolates have the ability of pectinolytic
activities, in which 14 out of the 60 isolates were able to produce a higher pectinase
activity, based on the average clear zone diameters were larger than 20 mm.
Further screening of PME production of the 14 selected isolates, the maximum PME
production was obtained by 4 isolates (T
1
, N
1
, So
2
and R
1
) which were isolated from the
peels of Ziziphus mauritiana ( Citrus lemon Citrus sinensis L.
and Citrus maxima R
two isolates of R
1
and So
2
with the proportion of 1:1, was conducted to investigate the
suitable conditions for PME biosynthesis by solid state fermentation. In addition, the
identification by sequencing of 28S rRNA gene, revealed that 4 selected isolates T
1
, N
1
,
So
2
and R
1
had 99 ÷ 100% identity to Aspergillus niger.
The optimal conditions of pectin methylesterase biosynthesis from A. niger So
2
and
R
1
in solid-state fermentation were evaluated, based on the individual factors (substrate
characteristics, nutrients, buffer solutions and incubation time) which influenced to PME
production were investigated. After that, the Response surface methodology (RSM) based
on four-variable central composite design (CCD) can be used to model the correlation of
the fermentation conditions such as inducer concentration, initial pH, incubation
temperature and moisture content of medium to PME activity. Moreover, some extraction
parameters consist of type of solvent, pH, ratio of solvent and fermented solids were
studied. In addition, the best combination of extraction temperature, contact time was also
determined.
Especially, the use of rich pectin of agricultural material in Mekong Delta (mixture of
apple pomace and pomelo peels at the ratio of 1:1 w/w) as a fermentation medium was
taken into consideration for the PME production of A. niger in this investigation. With the
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh vii
addition of 0.1% urea combined with 0.5% MgCl
2
and 0.15% CaCl
2
into media, the
highest PME obtained after 96 hours incubation at a temperature of 35.5°C, pH 4.0
(adjusted by citrate buffer), fermentation temperature and moisture content adjusted
to 57.4% and 16.5% v/w of inducer concentration (10
5
cfu/mL). In addition, citrate buffer
(pH 3.6) at 35°C and 50 min provided the best recovery in order to obtain highest value
of PME. The ratio 2:1 (v/w) of solvent and substrate was determined as an optimal
condition for concentrated enzyme extracts. Maximum production of PME (about 79.1 U/g
of substrate) was recorded under optimum conditions of SSF and extraction.
Ethanol was the appropriate precipitant for PME purification with the optimal ratio of cold
ethanol and crude enzyme 3: 1 (v/v). In this case, specific activity of PME was 10.02
U/mg
protein
, the purification factor achieved 7.98 fold and the PME recovery yield obtained
91.48%. Combined with the cross flow membrane step, the specific activity of PME
reached to 15.63 U/mg
protein
and the purification factor achieved 12.40 ± 0.89 fold in
comparison to the crude enzyme solution. The molecular weight of the enzyme was found
to be 43 kDa and K
m
was 0.6014 g/L. The activity of the enzyme was stimulated by NaCl
or CaCl
2
. In addition, the optimum temperature and pH of A. niger PME
were 38 ÷ 40°C and 5.0, respectively. Isothermal inactivation of partial purified
A. niger PME could be described by a fractional conversion model and the inactivation
rate constants increase with increasing temperatures from 50 to 70°C.
The obtained technical PME enzyme also proved the positive effects to improving of the
texture of frozen pineapples and fermented cucumbers.
Key words: Aspergillus niger, isolation, high activity, pectin methylesterase, rich pectin
substrate, screening, solid state fermentation, texture improvement.
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh viii
i
ii
iv
SUMMARY vi
viii
xiii
DANH SÁCH HÌNH xv
xix
xx
1
1. 1
2. 2
3. 3
4. 3
5. 4
6. 5
6
1.1 6
1.1.1 6
1.1.2 6
1.1.3 7
1.1.4 PME 8
1.2 10
1.2.1 10
1.2.2
12
1.2.3 V
13
1.3 Aspergillus niger 19
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh ix
1.3.1 A. niger 19
1.3.2 p
enzyme PME 20
1.3.3 A. niger
21
1.4 Aspergillus niger 22
1.4.1 22
1.4.2 Aspergillus niger 23
1.4.3 23
1.4.4 Aspergillus niger 24
1.4.5 Aspergillus niger 24
1.4.6 Aspergillus 25
1.5 Aspergillus niger
26
1.5.1 26
1.5.2 Aspergillus niger
27
1.6 . 27
1.6.1 27
1.6.2 29
1.6.3 30
1.7
PME 30
1.7.1 30
1.7.2 30
1.7.3 31
1.7.4 32
1.7.5 33
1.8 34
1.9 35
1.9.1 36
1.9.2 37
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh x
1.9.3 38
1.10
38
1.11
PME 39
45
2.1 45
2.1.1 45
2.1.2 45
2.2 47
2.2.1 Ch 47
2.2.2 48
2.2.3 50
2.3 52
2.3.1 52
2.3.2 A. niger
54
2.3.3
60
2.3.4 A. niger 71
2.3.5 A. niger
77
81
3.1 A.
niger 81
3.1.1 Aspergillus
giàu pectin 81
3.1.2 83
3.1.3
85
3.2 88
3.2.1 88
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xi
3.2.2 92
3.2.3 94
3.2.4
2
và R
1
96
3.3 A. niger
98
3.4
2 dòng A. niger R
1
và So
2
100
3.4.1 100
3.4.2
A. niger R
1
và So
2
102
3.4.3 A. niger 104
3.4.4
lên men SSF dòng A. niger So
2
và R
1
107
3.5
A. niger 109
3.5.1
109
3.5.2
111
3.5.3
A. niger 113
3.6
lên men SSF 120
3.6.1
PME 120
3.6.2
A. niger 122
3.6.3 124
3.6.4 126
3.7
A. niger So
2
và R
1
129
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xii
3.7.1
A. niger 129
3.7.2 A. niger 135
3.7.3 A. niger 137
3.8 A. niger So
2
và R
1
146
3.8.1 146
3.8.2 151
KT LU NGH 155
1. 155
2. 156
TÀI LI 157
DANH M 177
PHÂN TÍCH xxi
xli
lxiii
cxv
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xiii
21
Aspergillus sp. 28
49
50
66
67
82
Bng 3.2: Phân nhóm nm mc hiu vi enzyme pectinase 89
Bng 3.3: Kt qu thng kê s khác bing kính vòng phân gii pectin (D) ca các
dòng nm mc thuc hiu cao vi pectinase 90
93
PME 95
1
và So
2
97
101
102
A. niger 105
A. niger 107
A. niger 108
112
114
122
4
)
2
SO
4
130
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xiv
131
132
133
3.19khác nhau 134
A. niger 135
A. niger 141
A. niger 142
2
A. niger 143
2
148
150
152
Aspergillus và Penicillium xxiv
xxix
xxix
-phosphate xxx
Bng PL1.5: Bng tra n mui (NH
4
)
2
SO
4
bão hòa b sung trong tin trình kt ta
enzyme và protein xxxi
xxxiv
xxxix
Aspergillus niger
xli
A. niger xlv
A. niger xlvii
Bng PL2.4: A. niger xlix
lix
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xv
DANH SÁCH HÌNH
6
11
14
15
15
16
Hình 1.7: Hình thái Aspergillus sp. 23
Hìn 25
36
Hình 2.1: 47
53
54
59
-
62
- 63
A. niger 63
-
68
4
)
2
SO
4
/NaCl 73
74
3
82
3
82
83
83
2
và G
1
84
Hình 3.6: Dòng A. niger 85
2
85
2
86
2
86
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xvi
A. niger 86
2
87
2
87
2
91
2
91
91
A. niger V 91
-
93
- agarose 95
98
100
2
và dòng A. niger NBL, BR 28s
ribosomal RNA gene hay An03c0110 100
A. niger 106
A. niger 110
A. niger 111
115
116
117
117
117
117
118
118
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xvii
121
125
o
127
127
o
127
-18°C) 127
A. niger 136
A. niger 137
th b m th m biu th s ia
pH và nhi n hot tính PME t A. niger 139
A. niger 140
HA. niger 145
2
146
o
2
C, 30 phút 153
A. niger xxv
A. awamori (trái) và A. foetidus xxvi
A.
foetidus (h, CZ), A. niger (i, MEA) và A. awamori (j, CZ) xxvii
lx
lxii
lxviii
lxx
lxxii
lxxiv
1
và So
2
lxxv
1
và So
2
lxxvi
Hình PL4.1: Các thi cxv
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xviii
cxvi
Hình PL4.3 cxvi
cxvii
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xix
A. Aspergillus
B. Botrytis
bp base pair
BSA Bovine serum albumin
CBB Coomassie Brilliant Blue
cbk
CCD
cfu
CMSepharose Carboxymethyl Sepharose
CTAB Cetyltrimethylammonium bromide
CZ Czapek Dox Agar
DE Degree of esterification (m ester hóa)
DNA Deoxyribonucleic acid
E. Erwinia
EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid
EGCG Epigallocatechin gallate
GalA Galacturonic acid
HG Homogalacturonan
HMP High Methoxyl Pectin methoxyl hóa cao)
IAA Iodoacetamide
ITS Internal transcribed spacer
kDa Kilodalton
LMP methoxyl hóa thp)
LSU Large subunit
MEA Malt Extract Agar
MI Methoxyl Index (ch s methoxyl)
NCBI National Center for Biotechnology Information
NCKH
PCR Polymerase Chain Reaction
PDA Potato Dextrose Agar
PG Polygalacturonase
pI Isoelectric point
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh xx
PL Pectate lyase
PME Pectin methylesterase
PMEI Pectin methylesterase inhibitor (cht c ch pectin methylesterase)
-
RAPD Random Amplification of Polymorphic DNA
rpm rounds per minute
rRNA Ribosomal ribonucleic acid
RSM Response Surface Methodology
SDSPAGE Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis
SmF
SSF
SSU Small subunit
TSS Total soluble solid
v/v volume/volume
v/w
w/w
U/g Units per weight (gram) of substrate
U/mL Units per volume (mL) of substrate
Pectin methylesterase Aspergillus niger: PME
trình ly trích quá trình lên men SSF hay SmF dòng A. niger
PME cà chua: PME ly trích
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh 1
1.
ng dng enzyme trong ch bin thc phm và nhi
mt trong nhng v mang tính cp thic tin. Hin nay, các
nc phát tri ng các ch phm enzyme trong sn xu to ra
nhng sn phm ct và cht lng cao vi giá thành h (Saurel, 2003;
Suutarinenn và Autio, 2004; Ngô Tin Hin, 2001). Vit Nam là nc giàu tim
nông sn, nhu cu các loi enzyme phc v trong ch bin thc phm là
rt ln. Tuy nhiên, Vit Nam hoàn toà ng sn xut ch phm
enzyme, hc ta vn phi nhp ngoi mt khi lng ln nhng loi
ng Th Thu và Nguyn Th Xuân Sâm, 2009b).
Pectinase là nhóm enzyme xúc tác cho s thy phân các polymer pectin -
c ng dng rng rãi trong công nghip thc ph lý cht thi và
nhic khác. Vit Nam, ch phc s dng khá ph
bic nhiu nhà khoa hc quan tâm nghiên cu (et al.,
1978; Phí Quyt Tin, 1999; Hunh Ngc Oanh và Trn Ngc Hùng, 2008). Tuy
i vc ci thic tính cu trúc t bào rau qu - mt hn ch ln
v cht ng ca sn phm sau ch bin, vic s dng hn hp ch phm
pectinase không mang li hiu qu tích cectin methylesterase
(PME, EC 3.1.1.11) mt enzyme thu t quan
trng (Van Buren, 1979).
PME c quan tâm s dng và phát trin nhiu quc gia (Saurel, 2003;
Suutarinenn và Autio, 2004) vi các mn ch s phá hy cu trúc
ca t bào thc vu sut ly trích c qu y nhanh quá trình
sy rau qu (Van Buren, 1979; Sajjaanantakul và Pitifer, 1991
PME
ng thi vn có s nhm ln trong hiu
bit v PME và pectinase. Chính vì th, vic nghiên cu có h thng s thu nhn
PME và kh ng dng thc tin ca enzyme này tu kin hin ti ca
Vit Nam là v cn thit, c và thc tin cao.
Bên cnh PME t thc vt, ngun giàu PME c s dng nhiu nht trong
các ch phm pectinase thng mi là các PME t vi sinh vt (Solis Pereira et
al.
et al., 1997, trích dn bi Patil và Dayanand, 2006). Mc dù vy,
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh 2
không phi tt c nm mc u có kh nhau và ngay c
nhng dòng cùng mt gió kh h tng hp enzyme vi
hot tính ng (Nguy
tng hp các dòng Aspergillus
A. niger nói riêng
ng hp
thu nhn PME
không nhng gây bt li
u king có n kh ng và tng hp enzyme
(Bhalla và Chatanta, 2000) tuyn chn dòng A. niger có kh
sinh tng hp PME hoi nhiu thi gian và công sc nghiên c
PME
methoxyl hóa cao (Sajjaanantakul và Pitifer, 1991; Bhalla và
Chatanta, 2000 các ngun ph ph
d cm ng cho quá trình lên men sinh tng hp PME
, 2005; Pilnik và Voragen, 1993).
Vi nhng m mà PME mang li cho công nghip thc phm và vai trò quan
trng ca khâu tuyn chn dòng A. niger trong công nghip sn xut enzyme,
nghitng hp PME
và tuyn chn dòng A. niger c hiu vi PME n vic nghiên cu
u kin lên men sinh tng hp enzyme phù hp, ng dng hiu qu
trong c ci thin cu trúc rau qu.
2.
i.
Nghiên cu sinh tng hp và ng dng PME t quá trình lên men b mt
ng rn dòng A. niger c hiu c phân lp và tuyn chn t các
loi v qu giàu pectin ng bng sông Cu Long.
ii.
(1) dòng A. niger
vs
PME.
(2) dòng A. niger
PME
2008 - 2012
Chuyên ngành Vi sinh 3
(3) PME,
này.
(4)
iii.
Nghiên cc thc hin vi 4 ni dung chính:
các dòng A. niger
PME .
rên môi
PME A. niger .
PME
men A. niger .
PME
p .
3.
i.
Các dòng A. niger PME
Dòng dòng A. niger hoa
n Lomonosov -
MGU) và (ii) dòng A. niger
ST
PME
ii.
Các dòng A. niger
sPME.
P
e PME
4.
A. niger, bao