1.2. Tổng quan về chủng nấm men Rhodosporidium
1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp carotenoid của nấm men
Các yếu tố dinh dưỡng (nguồn cacbon, nitơ, vitamin,...) và vật lý (nhiệt độ, pH, oxy, ánh sáng,...) đều ảnh hưởng đến sự phát triển tế bào và biểu hiện gen carotenogenesis hay quá trình sinh tổng hợp sắc tố. Sự tác động qua lại giữa các yếu tố dinh dưỡng và vật lý dường như có sự khác biệt đối với từng chủng.
Hình 1.2. Quá trình tổng hợp beta-carotene, torulene và torularhodin từ acetyl - CoA của Rhodosporidium sp. (Landolfo S và cs 2018)
11 1.2.4.1. Nguồn cacbon
Kết quả lên men sẽ có sự thay đổi nhiều với mỗi chất nền khác nhau. Vì vậy, chọn đúng cơ chất là rất quan trọng. Điều này phụ thuộc vào cách thức tương tác giữa vi sinh vật và cơ chất. Nguồn cacbon thích hợp là rất quan trọng cho quá trình tổng hợp carotenoid trong suốt pha không tăng trưởng (Ginka I. Frengova và cs 2009). Latha và cộng sự (2005) khảo sát trên chủng Rhodotorula glutinis cho thấy nguồn cacbon khác nhau sẽ cho lượng sắc tố khác nhau. Sinh khối và sắc tố thu được cực đại khi nuôi trên môi trường sucrose so với các nguồn cacbon disaccharide khác (lactose, maltose); còn với nguồn cacbon là các đường đơn, thì môi trường chứa fructose có sản lượng sắc tố cao hơn so với glucose và galactose, trong khi sinh khối thì có phần thấp hơn glucose và thua kém hẳn so với galactose. Trên các đường đa, hiệu quả thấp hơn hẳn so với nhóm đường đơn và đường đôi.
Hơn nữa, nguồn nguyên liệu được sử dụng cũng ảnh hưởng không nhỏ đến giá thành sản phẩm đầu ra. Làm thế nào không chỉ tăng năng suất sản phẩm mà còn giảm chi phí sản xuất luôn là vấn đề được quan tâm trong mọi quy trình kỹ thuật. Trong những năm gần đây, nguyên liệu thô và phụ phẩm ngành công nghiệp nông nghiệp được đề xuất như nguồn cacbon chi phí thấp để sản xuất các sản phẩm chuyển hóa vật chất của vi sinh vật, cũng như giảm thiểu các vấn đề môi trường và năng lượng để xử lý chúng.
1.2.4.2. Nguồn nitơ
Mỗi chủng vi sinh vật không chỉ thích hợp với nguồn nitơ khác nhau mà hàm lượng nitơ sử dụng trong quá trình nuôi cấy cũng khác nhau tùy chủng và mục đích thu nhận sản phẩm, và trong mối tương quan với hàm lượng và nguồn cacbon sử dụng. Rhodosporidium và Rhodotorula đều thuộc nhóm vi sinh vật sản xuất nhiều lipid. Nghiên cứu của D.
Somashe và R. Joseph (2000) trong ảnh hưởng của tỉ lệ C/N trong quá trình chuyển đổi giữa lipid và carotenoid cho thấy hàm lượng carotenoid tích lũy trong tế bào (μg/g sinh khối khô) cao hơn nhiều ở môi trường có tỉ lệ C/N thấp (10:1) so với các môi trường có tỉ lệ C/N cao (160:1; 40:1). Một nghiên cứu khác là nuôi cấy có bổ sung Phaffia rhodozyma cũng cho thấy rằng trong suốt quá trình nuôi cấy, khi tỉ lệ C/N thấp tăng trưởng diễn ra mạnh hơn so với sự tích lũy astaxanthin. Tỉ lệ tăng trưởng giảm dần đến khi nồng độ tế bào cao. Chuyển sang tỉ lệ C/N cao, tăng trưởng của tế bào đi vào pha ổn định, lúc này sự tích lũy astaxanthin diễn ra vượt trội.
12 1.2.4.3. Yếu tố pH
PH đóng vai trò quan trọng đối với quá trình sinh tổng hợp sắc tố ở vi sinh vật. Độ pH tối ưu thường không giống nhau ở những chủng vi sinh khác nhau. Mỗi chủng vi sinh vật cố thể tồn tại được ở biên độ pH rộng, nhưng thường chỉ có một vài giá trị pH được cho là tối ưu để thu nhận sản phẩm mong muốn (Lương Đức Phẩm, 2009).
Sự thay đổi pH và nhiệt độ trong quá trình nuôi có thể là công cụ đơn giản và mạnh mẽ giúp tăng cường lượng astaxanthin trong quá trình sinh trưởng. Bởi cả pH và nhiệt độ đều ảnh hưởng lớn đến sự tích lũy astaxanthin nội bào, thành phần carotenoid, động học sinh trưởng tế bào.
1.2.4.4. Nhiệt độ
Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của nấm men mà còn ảnh hưởng tới sinh tổng hợp các sản phẩm phụ và thứ cấp.
Quá trình sinh tổng hợp sắc tố ở nấm men chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ nuôi cấy.
Bởi nhiệt độ là yếu tố quan trọng không chỉ ảnh hưởng đến năng suất tế bào mà còn ảnh hưởng đến sự hình thành sản phẩm. Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp cho sự tổng hợp sắc tố thì tùy thuộc vào từng chủng nấm men. Nhiệt độ ảnh hưởng khác nhau đến từng loại sắc tố riêng lẻ trong carotenoid tổng. Trong nghiên cứu nuôi cấy Rhodotorula glutinis 48-23T trong môi trường glucose, thấy rằng ở 25oC, các sắc tố β-carotene, torularhodin và torulene chiếm 30% carotenoid tổng. Trong khi ở 5oC β-carotene là sắc tố chính chiếm 64%, torulene và torularhodin chiếm hàm lượng nhỏ. Trong nghiên cứu sinh tổng hợp torulene và torularhodin ở chủng Phaffia rhodozyma của Polulyakh và cộng sự (1991), kết quả thu được ở 20oC astaxanthin chiếm 85%, β-carotene chiếm 10%, ở 30oC carotenoid chủng này sinh tổng hợp có torularhodin (60%), torulene (30%) và β-carotene (10%).
1.2.4.5. Ánh sáng
Ánh sáng là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình sản xuất carotenoid của vi sinh vật; nó giúp cải thiện sự hình thành carotenogenes. Các vi sinh vật cần phải ngăn mình khỏi ánh sáng để tránh gây ra thiệt hại và quá trình tạo carotenogenes là một cơ chế quang bảo vệ (Raja R và cs, 2007). Việc sản xuất carotenoid bị ảnh hưởng bởi ánh sáng trắng và nồng độ carotenoid phụ thuộc vào vi sinh vật. Ngoài ra, sản xuất carotenoid có liên quan đến sự gia tăng hoạt động của các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng
13
hợp carotenoid. Moliné và cộng sự đã nghiên cứu mối quan hệ giữa carotenoid và ergosterol và khả năng chống tia cực tím của tế bào ở các chủng R. mucilaginosa và báo cáo rằng các chủng tăng sắc tố cho thấy khả năng sống sót được nâng cao (250%). Họ cũng chỉ ra rằng sản xuất torularhodin cao hơn giúp cải thiện khả năng tồn tại của tia UV trong nấm men. Mặt khác, Yen và Zhang đã đánh giá năng suất β-caroten trong lò phản ứng theo mẻ với hai đèn LED (điốt phát quang) dẫn đến nồng độ β-caroten là 24,6 μg/g -1; trong khi không có ánh sáng, nồng độ β-caroten được tìm thấy là 14,69 μg/g -1.
1.2.4.6. Các ion và muối khoáng
Các ion và muối kim loại (Ba, Fe, Mg, Ca, Zn và Co) cũng đã được chứng minh là chất kích thích sản xuất carotenoit bởi R. glutinis (Komemushi S và cs, 1994). Buzzini và cộng sự báo cáo rằng một số nguyên tố vi lượng đã cho thấy ảnh hưởng có chọn lọc đến cấu trúc carotenoid trong R. graminis. Trong trường hợp Al3+ và Zn2+, tác dụng kích thích sản xuất β-carotene và γ-carotene được quan sát thấy, trong khi Zn2+ và Mn2+ cho thấy tác dụng ức chế sản xuất torulene và torularhodin. Hiệu quả của các nguyên tố vi lượng được đề cập là do sự hoạt hóa của các enzyme carotenogenic cụ thể.