Production of prebiotic xylo-oligosaccharide from corn cob usin biological technology and elucidation of heath benefit on gut microbiota

ผู้บริโภคในปัจจุบันใส่ใจสุขภาพมากขึ้น ด้วยต้องเสริมสร้างรางกายให้แข็งแรง ต้านทานมลภาวะต่างๆ เช่น PM  2.5 และเชื้อโรคกำเนิดใหม่ เช่น  Covid-19  ดังนั้นอาหารเสริมสุขภาพจึงได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารสำคัญในกลุ่มพรีไบโอติก ทั้งนี้พรีไบโอติกในกลุ่มโอลิโกแซกคาไรด์มีหลายชนิด หนึ่งในพรีไบโอติกที่พบมากที่สุดคือ Fructo-oligosaccharide (FOS) ซึ่งประกอบด้วยโอลิโกเมอร์ของน้ำตาลฟรุกโตสที่เชื่อมต่อกัน และ Galacto-oligosaccharides (GOS) เป็นพรีไบโอติกที่ได้จากแลคโตสและมีลักษณะคล้ายกับ พรีไบโอติกในนมแม่ ทั้ง FOS และ GOS ได้รับความนิยมในผลิตภัณฑ์อาหาร แต่ปริมาณการใช้เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการเป็นพรีไบโอติกต้องใช้ในปริมาณที่ค่อนข้างมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาทางเดินอาหารโดยเฉพาะอย่างยิ่งในผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับผลิตภัณฑ์พรีไบโอติก ดังนั้น xylo-oligosaccharide (XOS)  ซึ่งเป็นโอลิโกเมอร์ของน้ำตาลไซโลส เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ได้รับการยอมรับว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าโอลิโกแซกคาไรด์อื่น ๆ เนื่องจากมีฤทธิ์เป็นไบฟิโดเจนิกที่เลือกใช้ได้ในปริมาณความเข้มข้นต่ำ นอกจากนี้มีรายงานว่าพรีไบโอติกในกลุ่มโอลิโกแซกคาไรด์เหล่านี้มีฤทธิ์ยังยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียก่อโรคบางชนิด ทำให้มีประโยชน์กับการทำงานของลำไส้ ลดการแปรปรวนของระบบทางเดินอาหาร (อาการท้องผูกและอาการท้องร่วง) ลดโรคที่เกี่ยวข้องกับหัวใจ หลอดเลือดหัวใจ และมะเร็งระบบทางเดินอาหาร กระตุ้นการดูดซึมและการกักเก็บแร่ธาตุต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแมกนีเซียม แคลเซียม และเหล็ก   นอกจากนี้ยังลดความเสี่ยงในการเกิดมะเร็งลำไส้  ทั้งนี้ XOS จัดเป็นสารให้ความหวานชนิดใหม่และเป็นอาหารเชิงหน้าที่ (functional foods) นอกจากนี้ยังพบว่าการรับประทาน XOS ปริมาณ 4 กรัม ทุกวัน นาน 3 สัปดาห์ จะสามารถเพิ่มปริมาณ bifidobacteria ในลำไส้ใหญ่ได้เทียบเท่ากับการทาน fructo-oligosaccharides (ซึ่งเป็นprebiotics ที่สำคัญอีกตัวหนึ่ง) ในปริมาณ 2 เท่า และเทียบเท่าการใช้ inulin ในอีกหลายเท่า ดังนั้นการผลิต XOS จึงมีความน่าสนใจอย่างยิ่ง โดย XOS สามารถผลิตจากไซแลนที่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของผนังเซลล์พืช  ไซแลนเป็นสารตั้งต้นในการผลิต xylose และ xylitol (ซึ่งจะมีมูลค่าต่ำกว่า XOS)

วิธีการผลิตน้ำตาลไซโลโอลิโกแซกคาไรด์จากวัสดุเหลือจากทางการเกษตร เช่น เปลือกข้าวโพด ซังข้าวโพด และเปลือกข้าวบาร์เล่ย์ นิยมใช้วิธีการสกัดไซแลนจากเศษพืชก่อน ด้วยวิธีต่างๆ เช่น การสกัดไซแลนโดยใช้สารเคมีหรือการใช้ไอน้ำร้อน จากนั้นจึงย่อยไซแลนสายยาวให้ได้โอลิโกแซกคาไรด์ (ขนาด 2-10 หน่วยไซโลส) โดยการใช้กรด หรือความร้อน ทั้งนี้ในกระบวนการผลิตน้ำตาลไซโลโอลิโกแซกคาไรด์จากวัสดุทางการเกษตรที่มีไซแลนเป็นองค์ประกอบสูงด้วยวิธี hydrothermal เป็นวิธีที่สะดวกแต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีความหลากหลายจึงต้องนำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปผ่านขั้นตอนการทำบริสุทธิ์ผลิตภัณฑ์ต่อด้วยวิธีต่างๆ ซึ่งมีค่าดำเนินการสูง ปัจจุบันการผลิตน้ำตาลไซโลโอลิโกแซกคาไรด์ ในระดับอุตสาหกรรมนิยมใช้เอนไซม์ในกลุ่มไซลาโนไลติกเอนไซม์ เนื่องจากมีความจำเพาะต่อการย่อยไซแลนมากกว่า และได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า  ยิ่งไปกว่านั้นการนำชีวมวลมาเพิ่มมูลค่า ไม่เผาทำลายจึงเป็นเป้าหมายหลักของการใช้ประโยชน์จากชีวมวล ดังนั้นการเพิ่มมูลค่าของชีวมวลไปพร้อมๆ กับการลดปริมาณของเสียที่จะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่ดี กล่าวคือต้องการใช้ประโยชน์จากชีวมวลให้ได้ทุกส่วนโดยพยายามไม่ให้มีของเสียเกิดขึ้นเลย (Zero Waste)  จากข้อมูลดังกล่าวข้างต้น ทีมวิจัยในห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีเอนไซม์ คณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ที่มีความรู้ความชำนาญในด้านการศึกษาและประยุกต์ใช้เอนไซม์เพื่อนำมาใช้ผลิตสารมูลค่าสูงจากชีวมวล โดยสนใจการผลิตไซโลโอลิโกแซกคาไรด์จากซังข้าวโพด เนื่องจากที่มีปริมาณไซแลนเป็นองค์ประกอบสูง (ร้อยละ  30-36)  โดยมีความสนใจที่จะปรับปรุงวิธีการผลิตไซโลโอลิโกแซกคาไรด์ที่มีประโยชน์จากซังข้าวโพด โดยใช้วิธีการย่อยสลายแบบจำเพาะเจาะจงโดยเอนไซม์ที่ผลิตจากเชื้อแบคทีเรียที่ Bacillus firmus K-1 ผลิตเอนไซม์ไซลาโนไลติกที่มีประสิทธิภาพ และมีส่วนของ  xylan-binding domain (XBD)  จึงยึดเกาะกับไซแลนที่ไม่ละลายน้ำได้ดี ย่อยสลายไซแลนที่อยู่ด้านนอกผนังเซลล์พืชได้ดีโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการปรับสภาพ วิธีการนี้นอกจากจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตไซโลโอลิโกแซกคาไรด์จากชีวมวลให้มีศักยภาพเพียงพอที่จะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงขึ้นแล้ว ยังเป็นการใช้ประโยชน์จากชีวมวลอย่างสมบูรณ์และได้ประโยชน์สูงสุดอีกด้วย โดยหลังจากกระบวนการย่อยจะได้ผลผลิตเป็นน้ำตาลไซโลส และไซโลโอลิโกแซกคารด์ (XOS) และกากชีวมวลที่เหลือ (มีส่วนประกอบเป็นลิกนินและเฮมิเซลลูโลสอื่นๆ) ซึ่งผลผลิตดังกล่าวสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมอื่นๆ ต่อไปได้ เช่น นำน้ำตาลไซโลสและกลูโคสไปหมักเป็นกรดอินทรีย์หรือสารเชื้อเพลิง  นำกากชีวมวลไปย่อยด้วยเอนไซม์อื่นๆ เพื่อแยกน้ำตาลหรือลิกนินออกมาเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ เป็นต้น  

ดังนั้นหากสามารถผลิตไซโลโอลิโกแซกคาไรดจากซังข้าวโพดได้ด้วยกระบวนการทางชีวภาพที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมจึงเป็นแนวทางในการเพิ่มมูลค่าให้กับเศษวัสดุทางการเกษตร และการศึกษาคุณสมบัติของไซโลโอลิโกแซกคาไรด์ต่อประสิทธิภาพการส่งเสริมเชื้อมีประโยชน์ในระบบลำไส้ จะเป็นแนวทางในการผลิตสารโภชนศาสตร์ที่ดีต่อสุขภาพในอนาคต งานวิจัยนี้จะศึกษากระบวนการและสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตไซโลโอลิโกแซกคาไรด์ (XOS) จากซังข้าวโพดที่ไม่ผ่านการปรับสภาพโดยใช้เชื้อ Bacillus firmus K-1 จากนั้นจะศึกษารูปแบบและโครงสร้างของ ไซโลโอลิโกแซกคาไรด์ที่ผลิตได้ รวมทั้งศึกษาคุณสมบัติการเป็นพรีไบโอติกและประสิทธิภาพการส่งเสริมเชื้อมีประโยชน์ในระบบลำไส้ เพื่อเป็นแนวทางในการประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์เช่น เครื่องดื่ม ซินไบโอติกต่อไป