Aspergillus oryzae

Название рода Aspergillus происходит от латинского корня aspergillum («кропило») и таксономического суффикса -us.

Под микроскопом аспергилл напоминает кропило, разбрызгивающее святую воду (конидии).

Видовой эпитет oryzae — это латинское склонение слова orȳza (родительный падеж orȳzae), означающего «рис». Латынь заимствовала этот термин из греческого ὄρῡζα (órūza), ὄρῡζον (órūzon).

Закваска или «рисовые дрожжи», изготовленные с использованием Aspergillus oryzae, широко используются в пищевой промышленности и биотехнологиях в Азии для осахаривания, производства ферментов и органических кислот.

В Японии приготовление закваски, называемой кодзи (яп. 麹), осуществляется путём засевания богатого крахмалом субстрата чистой культурой Aspergillus, в частности Aspergillus oryzae, для:

• приготовления саке (рисового вина) и сётю (японского зернового дистиллята);
• переработки соевых бобов для производства мисо, сёю (соевого соуса) или тамари.

Сырьём для саке служит тщательно отшлифованный рис с низким содержанием амилозы, низкой температурой желатинизации и белой сердцевиной. Эти характеристики облегчают набухание, варку и проникновение мицелия A. oryzae. Этот рис, приготовленный на пару, смешивают с кодзи для гидролиза в течение двух-трёх дней.

В Китае традиционные закваски цюй представляют собой сложные культуры плесневых грибов (Aspergillus spp., Rhizopus spp., Mucor и др.), дрожжей (Saccharomyces cerevisiae и др.) и бактерий (Bacillus subtilis и др.). Плесень Aspergillus oryzae присутствует в пшеничной закваске (麦曲, màiqū) или большой закваске (大曲, dàqū), используемых для:

• запуска ферментации зерна и получения различных зерновых вин (хуанцзю, 黄酒), которые после дистилляции дают водку байцзю;
• запуска ферментации соевых бобов для приготовления соевого соуса (jiangyou, 酱油), мисо (weiceng, 味噌) и соуса тяньмяньцзян (甜面酱).

Производство знаменитого рисового вина Шаосин сочетает использование двух заквасок (или стартеров): кодзи (17 %), состоящего из пропаренной пшеницы, засеянной чистым A. oryzae, и пшеничной закваски цюй (83 %), полученной путём естественной инокуляции пшеницы^[2].

Aspergillus oryzae также используется в биотехнологических процессах для производства некоторых коммерческих ферментов^[3][4], таких как альфа-амилаза^[5], глюкоамилаза^[6], протеазы^[7], ксиланазы^[8], глутаминазы^[9], лактаза^[10], кутиназа^[11], липаза^[10][12].

Сообщается об активности типа производства антибиотика против candida albicans^[13].

Столкнувшись с проблемой выбросов парниковых газов от использования ископаемого топлива, многие исследовательские центры переориентировались на разработку биотоплива из биомассы с использованием биотехнологических процессов, вдохновлённых промышленным производством саке из рисового крахмала, разработанным Дзёкити Такамине в конце XIX века^[14]. Часть биоэтанола первого поколения получают из пшеничного или кукурузного крахмала путём ферментативного гидролиза крахмала с последующей ферментацией. Зерновая мука, смешанная с водой и альфа-амилазой, проходит через варочные аппараты, где крахмал зерна разжижается. Затем добавление глюкоамилазы вызывает превращение разжиженного крахмала в сбраживаемые сахара. Добавления дрожжей достаточно для запуска спиртового брожения, производящего этанол. Производство топливного этанола из крахмалосодержащего сырья требует коммерческих амилаз, которые в настоящее время довольно дороги. Исследования^[15] направлены на производство глюкоамилаз Aspergillus oryzae путём твердофазной ферментации на дешёвых сельскохозяйственных отходах, таких как пшеничные отруби, рисовые отруби, жом сахарного тростника и т. д.

В настоящее время несколько исследовательских программ в мире направлены на использование лигноцеллюлозной части биомассы низкой стоимости (отходы сельского и лесного хозяйства), а не дорогостоящих продуктов. В природе биоразложение целлюлозы в основном осуществляется бактериями (Ruminococcus, Clostridium и др.) и грибами (Aspergillus, Schizophyllum, Penicillium, Trichoderma…). Для промышленной реализации ферментативного гидролиза целлюлозы интерес в основном был сосредоточен на Trichoderma reesei, который способен секретировать значительные концентрации целлюлаз (ферментов, расщепляющих целлюлозу). Чтобы устранить некоторые недостатки целлюлаз T. reesei, можно использовать β-глюкозидазы Aspergillus^[16]. Другие методы предусматривают клонирование гена глюкоамилазы A. oryzae или A. niger в дрожжи^[17].

Aspergillus oryzae также является основным источником нейтральных протеаз (NPI и NPII), которые проявляют высокое сродство к гидрофобным аминокислотам и, следовательно, способны устранять горечь в продуктах питания^[18]. Многие отрасли пищевой промышленности используют протеазы, например, молочная промышленность^[19] (для созревания сыров) или хлебопекарная для модификации пшеничного глютена путём ограниченного протеолиза. Фармацевтическая промышленность также использует протеазы A. oryzae в качестве средств, способствующих пищеварению.

Аминопептидаза — это фермент, катализирующий отщепление аминокислоты с аминного конца белков^[20]. Аминопептидаза A. oryzae привлекла внимание, поскольку ферментативное высвобождение аминокислот и пептидов является способом усиления вкуса ферментированных продуктов. Это также гипотензивное средство.

A. oryzae способен продуцировать глутаминазу — фермент, превращающий глутамин в глутаминовую кислоту (или глутамат), один из основных компонентов вкуса соевого соуса.

Поскольку некоторые люди плохо переносят молочный сахар (или лактозу), были разработаны программы производства молока с низким содержанием лактозы. Фермент, гидролизующий лактозу (или лактаза), может быть получен из A. oryzae, который считается безопасной плесенью.

Первым промышленным производством фермента^[11] с помощью A. oryzae стала липаза для стиральных порошков в 1988 году. В сыроделии липаза, гидролизуя жиры, способствует усилению вкуса сливок и сыров.

В конце XIX века немецкий профессор Герман Альбург, приглашённый преподавать в Медицинскую школу Токио, проанализировал закваску кодзи, используемую для производства саке. Он идентифицировал в кодзи плесень, которую назвал Eurotium oryzae Ahlburg (в 1876 году) и которая затем была переименована в 1883 году немецким микробиологом Фердинандом Юлиусом Коном в Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Полное морфологическое описание было дано только в 1895 году Вемером.

Как и все Aspergillus, A. oryzae образован сетью гиалиновых нитей (мицелием) тонкого и регулярного диаметра, септированных (разделённых перегородками) и разветвлённых^[21]. На этих нитях возникают вертикальные нити, которые не имеют перегородок и заканчиваются везикулой, на которой расположены конидиогенные клетки (образующие споры или конидии). Эти споры, образующиеся путём митотического деления, обеспечивают бесполое размножение гриба.

A. oryzae быстро развивается на классических средах (солодовый агар и агар Сабуро) при 22—25 °C. Он образует пушистые или порошкообразные колонии, сначала белого цвета, затем жёлтого и, наконец, желтовато-зелёного.

Секвенирование генома Aspergillus oryzae, некоторое время державшееся в секрете, было окончательно опубликовано в 2005 году группой японских биологов из Цукубы^[22]. Он содержит 12 074 гена, что на 7—9 миллионов оснований ДНК больше, чем у A. fumigatus и A. nidulans. Эти дополнительные гены предположительно участвуют в синтезе и транспорте многих вторичных метаболитов, не участвующих напрямую в росте и нормальном размножении^[23]. Сравнение нескольких геномов Aspergillus показало, что A. oryzae (и A. fumigatus) содержат гены полового типа.

A. oryzae продуцирует ряд вторичных метаболитов, известных своей токсичностью для человека^[24].

Циклопиазоновая кислота может быть выделена из культуры A. oryzae на твёрдой или жидкой среде. Эта кислота нарушает функцию саркоплазматического ретикулума. Допустимая суточная доза для человека составляет 700 мкг/день.

Койевая кислота продуцируется многими штаммами Aspergillus и Penicillium. Она не опасна в дозах, присутствующих в продуктах питания. Аспергилломаразмин был выделен из A. oryzae как фитотоксин. Было показано, что он оказывает ингибирующее действие на ангиотензинпревращающий фермент (АПФ). 3-нитропропионовая кислота, продуцируемая A. oryzae, является нейротоксином, приводящим к дисфункции митохондрий.

Производство афлатоксина грибом A. oryzae было предметом споров. Афлатоксины являются опасными природными канцерогенами, которые могут загрязнять семена арахиса, кукурузы, пшеницы и т. д. В настоящее время установлено, что A. oryzae не продуцирует афлатоксины, а ошибочные идентификации были связаны с неправильным определением A. oryzae и путаницей со штаммами, очень близкими в таксономическом отношении к группе A. flavus.

В то время как A. flavus и A. parasiticus являются основными продуцентами афлатоксинов, A. oryzae, не продуцирующий афлатоксин, считается безопасным или GRAS (Generally recognized as safe) по классификации FDA^[11].

• Осахаривание

Aspergillus инициирует расщепление крахмала, содержащегося в зерне, производя сахара, которые, в свою очередь, обеспечат ферментацию с помощью дрожжей или бактерий. Это осахаривание обусловлено секрецией особой амилазы, α-амилазы или такадиастазы, которая гидролизует крахмал варёного зерна за два-три дня. Затем начинается собственно спиртовое брожение под влиянием дрожжей, попадающих из воздуха.

• α-амилаза, глюкоамилаза

Крахмал образован остатками глюкозы (D-ангидроглюкопиранозы), соединёнными между собой либо связями α(1→4), либо связями α(1→6), которые являются причиной разветвлений в структуре молекулы. Он состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой полимер остатков глюкозы, соединённых гликозидными связями α(1→4), тогда как амилопектин — это разветвлённая молекула с длинными ветвями каждые 24—30 единиц глюкозы, связанными посредством связей α(1→6).

Учёные идентифицировали 71 белок, секретируемый штаммом SU16 A. oryzae, используемым для производства вина Шаосин^[2]. Многие из них являются ферментами, участвующими в гидролитическом расщеплении крахмала (α-амилазы, глюкоамилазы B и продукты их протеолиза), белков, клеточных стенок и т. д. Среди протеолитических ферментов наиболее распространены оризин, пепсин, нейтральная протеаза II и аланил-дипептидилпептидаза. Профиль секретируемых белков варьируется в зависимости от среды культивирования.

α-амилаза — это гликозидаза, которая расщепляет α-1,4-глюкозидные связи субстрата случайным образом в середине цепей. Этот гидролиз высвобождает в основном мальтозу, изомальтозу, мономеры глюкозы и остаточные декстрины. Декстрины не сбраживаются. Тогда как мальтоза и изомальтоза (состоящие из двух единиц глюкозы) и сама глюкоза являются сбраживаемыми. α-амилаза называется «щелочным протеолитическим» ферментом, так как она действует в щелочной среде как природный фермент, способствуя пищеварению. Существует мнение, что архаичное производство саке зависело от слюны (слюнной амилазы) молодых девственниц, которым поручалось пережёвывать рис, чтобы пропитать его слюной.

Глюкоамилаза (или γ-амилаза) высвобождает единицы глюкозы одну за другой, начиная с невосстанавливающего конца атакуемого полимера. Она полностью гидролизует амилопектин и амилозу до D-глюкозы. Она способна гидролизовать как связи α(1→6), так и связи α(1→4) или α(1→3). Глюкоамилазы продуцируются A. oryzae при ферментации на твёрдом субстрате, таком как поверхность пшеничных отрубей, рисовых отрубей или муки из семян хлопка и т. д. Они в основном используются в промышленном производстве глюкозного сиропа, кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы и спирта^[17].

Согласно MycoBank (18 февраля 2023):

• Aspergillus oryzae f. oryzae
• Aspergillus oryzae f. roseus Murak., 1971
• Aspergillus oryzae f. rugosus Murak., 1971

Согласно MycoBank (18 февраля 2023):

Полное правильное название (с указанием автора) этого таксона — Aspergillus oryzae (Ahlb.) Cohn, 1884.

Вид был первоначально классифицирован в роде Eurotium под базионимом Eurotium oryzae Ahlb., 1878.

Синонимы Aspergillus oryzae:

• Aspergillus oryzae (Ahlb.) Cohn, 1884
• Eurotium oryzae Ahlb., 1878