Enhancement of salinity tolerance in rice using exogenous application of pectic-oligosaccharides derived from agro-processing residues

เพคติคโอลิโกแซคคาไรด์ (pectic oligosaccharides; POS) เป็นโอลิโกเมอร์ของสารประกอบคาร์โบไฮเดรทที่ได้มาจากเพคติน POS สามารถนำไปใช้เป็นสารพรีไบโอติกในอาหารเสริมเพื่อสุขภาพเช่นเดียวกับฟรุคโตโอลิโกแซคคาไรด์และกาแลคโตโอลิโกแซคคาไรด์ (de Moura และคณะ, 2015) เพคตินเป็นโพลีแซคคาไรด์ที่มีหน่วยย่อยพื้นฐานหลักเป็นกรดกาแลคทูโรนิก ดังนั้นผลิตภัณฑ์หลักของ POS ที่ผลิตได้จึงเป็นโอลิโกกาแลคทูโรไนด์ (oligogalacturonides; OGAs) ซึ่งมีฤทธิ์ในการต้านอนุมูลอิสระ สามารถต้านการเจริญเติบโตของเชื้อแบคทีเรียก่อโรค ยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งต่างๆ (ปอด ลำไส้ใหญ่และตับ) และยังช่วยลดปริมาณไตรกลีเซอไรด์ (Huang และคณะ, 2012; Wu และคณะ, 2014) นอกจากนี้ POS สามารถนำไปใช้ในเครื่องสำอางและเวชภัณฑ์ และยังสามารถใช้ทางด้านการเกษตรเพื่อกระตุ้นภูมิคุ้มกันของพืชได้อีกด้วย โดยมีรายงานวิจัยแสดงว่า OGAs นั้นมีสมบัติเป็นอิลิซิเตอร์ (elicitor) ได้เช่นเดียวกับไคโตซาน/โอลิโกไคโตซาน คือสามารถกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของพืชโดยการไปกระตุ้นการแสดงออกของยีนหรือสารพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับการป้องกันตนเองของพืชจากการรุกรานของเชื้อโรค แมลง และความเครียดจากสิ่งไม่มีชีวิต (abiotic stress)  เช่น การเกิดแผล ความเค็มของดิน และสภาพอากาศที่ไม่เหมาะสม ซึ่งพืชสามารถต้านทานต่อความเครียดเหล่านี้ได้โดยใช้ระบบภูมิคุ้มกันที่มีมาแต่กำเนิด (innate immunity)  ซึ่งเป็นระบบภูมิคุ้มกันที่ไม่จำเพาะเจาะจง ซึ่งจะการชักนำให้พืชสร้างและสะสมสาร reactive oxygen species (ROS), phytoalexins (antimicrobial compounds) และ pathogenesis-related proteins (PR) (Camejo และคณะ, 2012) เพื่อต้านทานต่อความเครียดเหล่านี้  Randoux และคณะ (2010) พบว่าข้าวสาลีที่ได้รับการฉีดพ่นด้วย OGAs มีความต้านทานต่อโรคราแป้ง (powdery mildew) โดยสามารถลดการติดเชื้อจากรา Blumeria graminis f. sp. tritici ได้ถึง 57% และ OGAs ยังสามารถลดการติดเชื้อรา Botrytis cinereal ซึ่งเป็นสาเหตุของโรคราสีเทาในต้นองุ่นและสตอเบอรี่ (Aziz และคณะ, 2004; Osorio และคณะ, 2011)

ในธรรมชาติโซเดียมคลอไรด์ (sodium chloride, NaCl) เป็นปัจจัยที่สำคัญในการกำหนดปริมาณของผลผลิตทางการเกษตร เนื่องจากปริมาณ NaCl มีผลต่อการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช เช่น ในสภาวะ NaCl ความเข้มข้นสูงส่งผลให้ใบลำต้นพืชมีขนาดเล็กลง เกิดความเครียดออสโมติก (osmotic stress) และสภาวะขาดน้ำในสภาวะ NaCl มีความเข้มข้นสูง (Kim และคณะ, 2008) มีรายงานการวิจัยว่า POS สามารถกระตุ้นการเจริญของต้นพืชที่อยู่ในสภาวะเครียดจากความเค็มได้ Núñez-Vázquez และคณะ (2018) ได้ทำการทดลองเอาเมล็ดข้าวไปแช่ในสารละลาย OGAs ที่ความเข้มข้น 20 มิลลิกรัมต่อลิตร นาน 24 ชั่วโมง จากนั้นนำเมล็ดที่งอกแล้วไปเพาะต่อในอาหารเหลว Hoagland ที่มี NaCl ความเข้มข้น 100 มิลลิโมลาร์ เป็นเวลา 13 วัน พบว่าต้นข้าวที่แช่ในสารละลาย OGAs สามารถเจริญได้ดีโดยมีความยาวของรากและลำต้นสูงกว่า เอนไซม์เปอร์ออกซิเดสมีกิจกรรมเพิ่มขึ้นและโพลีนในใบลงมีความเข้มข้นลดลงเมื่อกับต้นข้าวที่เป็นชุดควบคุม เนื่องจากปัญหาดินเค็มนั้นเป็นปัญหาหนึ่งที่สำคัญที่ส่งผลต่อการเจริญรวมไปถึงปริมาณผลผลิตของข้าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคตะวันออกเฉียงเหนือที่มีพื้นที่การทํานามากที่สุดในประเทศไทย แต่ผลิตต่อไร่ต่ำอันเนื่องมาจากปัญหาของดินเค็มที่มีเกลือที่อยู่ในรูปของ NaCl  (http://www1.ldd.go.th/Lddwebsite/web_adg/download/การพัฒนาข้าวดินเค็มอย่างมีส่วนร่วม.pdf) ดังนั้น POS เป็นโอลิโกแซคคาไรด์อีกชนิดหนึ่งที่มีศักยภาพในการกระตุ้นและส่งเสริมการเจริญเติบโตของต้นข้าวที่ปลูกในสภาวะเค็มได้

เมื่อเทียบเคียงกับไคโตซาน/ไคโตโอลิโกแซคคาไรด์ซึ่งได้มีการนำมาใช้ในปุ๋ยน้ำพ่นใบทางการค้าแล้ว ไคโตโอลิโกแซคคาไรด์มีหมู่อะมิโนซึ่งจะมีประจุบวกในสภาพที่เป็นกรดเล็กน้อย การมีประจุบวกของไคโตโอลิโกแซคคาไรด์มีความสัมพันธ์กับสมบัติเชิงหน้าที่ต่างๆ ไคโตซานหรือไคโตโอลิโกแซคคาไรด์มีส่วนช่วยให้พืชมีความสามารถในการทนต่อสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม เช่น ความเค็ม ความแล้งและความเย็น (Katiyar และคณะ, 2015) เมื่อพิจารณาจากโครงสร้างของ POS ซึ่งมีหมู่คาร์บอกซิลที่มีประจุลบจำนวนมาก จึงมีความเป็นไปได้ว่า POS จะสามารถออกฤทธิ์ต่อพืชได้ในทำนองเดียวกันกับไคโตซานหรือไคโตโอลิโกแซคคาไรด์ แต่อาจผ่านกลไกที่แตกต่างกัน ด้วยสมบัติและการออกฤทธิ์ทางชีวภาพ ทำให้ POS เป็นโอลิโกแซคคาไรด์อีกชนิดหนึ่งที่กำลังเป็นที่สนใจและมีแนวโน้มที่จะสามารถพัฒนาไปเป็นผลิตภัณฑ์ทางการค้าได้ในอนาคตเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงเคมีภัณฑ์ทางการเกษตร (agrochemicals) ในการนำ POS ไปประยุกต์ใช้ทางการเกษตรเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตและผลผลิตของพืช

POS สามารถผลิตได้จากทั้งเพคตินหรือจากพืชที่มีเพคตินอยู่สูงโดยการย่อยด้วยเอนไซม์ การย่อยด้วยกรด หรือใช้ hydrothermal processing (Combo และคณะ, 2012; Du และคณะ, 2011; Martínez และคณะ, 2010) โดยในประเทศไทยมีแหล่งวัตถุดิบหลายชนิดที่มีศักยภาพสูงในการนำมาใช้เป็นวัตถุดิบเริ่มต้นในการสกัดเพคตินและผลิตเพคติคโอลิโกแซคคาไรด์ ทั้งที่เป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรและจากโรงงานอุตสาหกรรมอาหารต่างๆ เช่น เปลือกและกากผลไม้ต่างๆ จากโรงงานผลิตผลไม้กระป๋องและน้ำผลไม้ และกากวัตถุดิบทางการเกษตรจากโรงงานอาหารแปรรูป ซึ่งมีกากของเสียจากกระบวนการผลิตจำนวนมาก อีกทั้งกากเหลือทิ้งหลายชนิดยังมีศักยภาพในการนำมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการผลิต POS เนื่องจากมีปริมาณเพคตินอยู่ในปริมาณสูง เช่น เช่น เปลือกส้ม เปลือกแก้วมังกร กากฝรั่ง เปลือกเสาวรส และเปลือกทับทิม ซึ่งมีเพคตินอยู่ประมาณ 30% (G.Ashbell และ Z.G.Weinberg, 1988), 15-20% (Ismail และคณะ, 2012), 15% (Linhares และคณะ, 2007) , 13% (Oliveira และคณะ, 2016) และ 7-10% (Abid และคณะ, 2017) ตามลำดับ โดยวัสดุเหลือทิ้งเหล่านี้มีมูลค่าต่ำหรืออาจต้องมีค่าใช้จ่ายในการกำจัด หรือถ้าปล่อยปละละเลยก็อาจก่อให้เกิดปัญหาทางด้านสิ่งแวดล้อม การพัฒนาการใช้และเพิ่มมูลค่าของวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเหล่านี้จึงเป็นเป้าหมายหนึ่งของการขับเคลื่อนงานวิจัยและนวัตกรรมของประเทศทางด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขัน ในกรอบการพัฒนาผลิตภัณฑ์จากวัสดุเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมเกษตรให้มีมูลค่าเพิ่มขึ้นและมีศักยภาพเชิงพาณิขย์

จากผลการวิจัยของกลุ่มวิจัยเทคโนโลยีคาร์โบไฮเดรต มจธ. ได้ศึกษาเกี่ยวกับการสกัดเพคตินและการผลิต POS จากเปลือกส้มโอ โดยได้ทำการผลิตเพคตินจากเปลือกส้มโอโดยการสกัดด้วยกรดและด่าง ได้ผลผลิตเพคตินในช่วง 20-30% (กรัมต่อกรัมเปลือกส้มโอ) (Wandee และคณะ, 2019)  และศึกษากระบวนการผลิตเพคติคโอลิโกแซคคาไรด์โดยการย่อยสลาย (oxidative degradation) ด้วยไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่สุดท้ายจะสลายตัวไปเป็นออกซิเจนและน้ำ ร่วมกับการใช้เตาไมโครเวฟ ผลผลิตของ POS ที่ได้ในระดับห้องปฏิบัติการอยู่ในช่วง 46-57%  (Wandee และคณะ, 2021) ต่อมาทางกลุ่มวิจัยได้มีการศึกษาเกี่ยวกับการนํา POS ไปประยุกต์ใช้ทางการเกษตรเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช ซึ่งพบว่า POS จากเปลือกส้มโอสามารถช่วยลดเวลาในการงอกของเมล็ดข้าวลงได้ประมาณ 17-19% นอกจากนี้ยังสามารถส่งเสริมการเจริญของต้นกล้าข้าวได้ โดยเมล็ดข้าวที่งอกโดยการแช่ในสารละลาย POS จะเจริญไปเป็นต้นกล้าข้าวที่มีความยาวราก และต้นเพิ่มขึ้น 638.6% และ 48.4% ตามลำดับ เมื่อเทียบกับการงอกโดยการแช่น้ำ นอกจากนี้ยังพบว่า POS ขนาดใหญ่ (มีโมเลกุลขนาด DP>5 เท่ากับ 60.5% และ 91.7%) ยังสามารถช่วยเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์อะไมเลส และเอนไซม์แคทาเลสในต้นกล้าข้าวได้ รวมไปถึงสามารถลดระดับการสะสมของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งเป็นพิษต่อพืชถ้ามีการสะสมในระดับที่สูงได้อีกด้วย (Udchumpisai และคณะ, 2022) อย่างไรก็ตามในปัจจุบันยังไม่มีการแปรรูปส้มโอเชิงพาณิชย์ในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นการยากที่จะนำเปลือกส้มโอมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการผลิตเนื่องจากมีปริมาณไม่เพียงพอสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์

ดังนั้นคณะผู้วิจัยจึงมีแนวคิดที่จะศึกษาประสิทธิภาพของการใช้ POS จากแหล่งวัสดุเหลือทิ้งอื่นๆ ได้แก่ เปลือกส้ม เปลือกขนุนอ่อน และเปลือกมันฝรั่ง ที่มีปริมาณเหลือทิ้งจำนวนมากจากโรงงานแปรรูปอาหาร โดยจะใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่ของกลุ่มวิจัยเทคโนโลยีคาร์โบไฮเดรตในการผลิต POS จากแหล่งวัสดุเหลือทิ้งต่างๆ โดยจะผลิต POS ให้มีขนาดโมเลกุล DP>5 อยู่ในสัดส่วนประมาณ 40-60% ซึ่งขนาดที่สามารถละลายได้ง่ายและเป็นขนาดที่เหมาะในการเป็นตัวกระตุ้นให้พืชภูมิคุ้มกัน และทำการศึกษาความสามารถของ POS ที่ผลิตได้ในการเป็นสารเสริมการเจริญของต้นข้าวที่เพาะภายใต้สภาวะความเครียดจากความเค็มในรูปของ NaCl เปรียบเทียบกับ POS จากเปลือกส้มโอ