Optimization for monacolin K and pigment production by Monascus purpureus : a statistical approach

การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตโมนาโคลิน เค และรงควัตถุ จาก Monascus purpureus

Name: Sani Jirasatid

Name: ศนี จิระสถิตย์

keyword: Citrinin

Abstract: Monacolin K and pigments, produced by Monascus sp. in solid-state fermentation, have each proven to be beneficial compounds as antihypercholesterolemia and natural food coloring agent, respectively. However, citrinin, a human toxic substance was also synthesized by this fungus. In this research, solid-state fermentation of M purpureus TISTR 3541 was optimized by statistical methodology to obtain high production yield of monacolin K and pigment along with low level of citrinin. Fractional factorial design (FFD) was applied in this study to identify the significant factors. Among 13 variables, five parameters (i.e. glycerol, methionine, sodium nitrate, cultivation time and temperature) influencing monacolin K, pigment and citrinin production were identified. Central composite design (CCD) was further employed to investigate the optimum level of these five factors. The maximum production of monacolin K of 5900 mg/kg and yellow, orange and red pigment of 1700, 900 and 1200 OD units/g, respectively with the minimum citrinin concentrations of 0.26 mg/kg were obtained in the fermentation of M purpureus TISTR 3541 in the medium containing 2% (v/w) glycerol, 0.14% (w/w) methionine and 0.01% (w/w) sodium nitrate at 25 C for 16 days. After optimization, the yields of monacolin K and pigments were increased by 3and 1.3-1.5 times, respectively, while citrinin was dramatically reduced by 36 times as compared to the basal medium in solid-state fermentation. The effect of osmotic stress on growth and production of pigment, monacolin K and citrinin of M purpureus was also studied. The hyperosmotic stress was induced by addition of magnesium chloride at the concentrations of 5%, 7% and 10% (w/v) in potato dextrose agar to adjust aw of substrate within the range of 0.988-0.974. The fungus was then cultivated at 25 C for 20 days. The experimental results indicated that Monascus growth was inactivated under hyperosmotic stress. The pigment production was stimulated in 5% and 7% of magnesium chloride, while monacolin K and citrinin production were reduced under all osmotic stress treatments. At 7% of magnesium chloride, the production of yellow, orange and red pigment was increased by 1.3, 1.2 and 1.3 times, respectively. In contrast, citrinin was reduced by 1.30 times as compared to PDA medium at 20 days of cultivation. The effect of storage temperatures (4, 20, 30, 40, 50 C) and atmospheric conditions in package (vacuum, atmospheric) on degradation kinetics of monacolin K in red yeast rice powder was also investigated using multiresponse modeling approach. Storage of red yeast rice powder at 4 C under vacuum package could enhance the retention of monacolin K. Multiresponse modeling revealed degradation path of monacolin K acid form into their dehydromonacolin K and unknown product under vacuum package, while an oxidized product was also formed under atmospheric package. Monacolin K lactone form and precursor were degraded into dehydromonacolin K lactone form, while the degradation of dehydromonacolin K lactone form to unknown was more pronounced at temperature higher than 30 C. An oxidized product was also generated from monacolin K lactone form in atmospheric package. High activation energy of monacolin K degradation in acid form indicated that the degradation of monacolin K acid form to their dehydromonacolin K was more susceptible to temperature change as compared to lactone form.

Abstract: ข้าวแดงเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักข้าวด้วยเชื้อรา Monuscus sp. ซึ่งประกอบไปด้วยสารโมนาโค ลิน เค และรงควัตถุ สามารถนำไปใช้ประโยชน์เป็นยาลดการสังเคราะห์คลอเรสเตอรอลในตับ และใช้ เป็นสีผสมอาหาร ตามลำดับ อย่างไรก็ตามเชื้อรา Monascus sp. ยังผลิตสารพิษซิตรินิน ดังนั้นงานวิจัย นี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาสภาวะที่เหมาะสมด้วยวิธีทางสถิติเพื่อปรับปรุงการผลิตโมนาโคลิน เค และรงควัตถุ และลดการผลิตซิตรินินจากเชื้อรา M. purpureus TISTR 3541 ด้วยกระบวนการหมัก แบบอาหารแข็ง โดยใช้แผนการทดลองแบบ Fractional factorial design จากการทดลองพบว่า กลีเซอ รอล เมไทโอนีน โซเดียมไนเตรท อุณหภูมิ และระยะเวลาการหมัก เป็นปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตโมนาโค ลิน เค และรงควัตถุ และลดการผลิตซิตรินินอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (p< 0.05) เมื่อศึกษา โดยใช้แผน การทดลองแบบ Central composite design พบว่าปริมาณทีเหมาะสม คือ กลี เซอรอล 20% (v/w) เมไท โนนีน 0.14% (w/w) โซเดียมไนเตรท 0.01% (w/w) ที่อุณหภูมิ 25 ํ ซ ด้วยระยะเวลาการหมักนาน 16 วัน เมื่อทดสอบ Validation ด้วยสภาวะดังกล่าว พบว่าสามารถผลิตโมนาโคลิน เค และรงควัตถุเพิ่มขึ้น 3 และ 1.3-1.5 เท่า ตามลำดับ ขณะที่วิตรินินลดลงมากถึง 36 เท่า เมื่อเปรียบเทียบการหมักก่อนการ ปรับปรุง งานวิจัยนี้ยังศึกษาผลของความเครียดออสโมติกต่อการเจริญและการผลิตรงควัตถุ โมนาโคลิน เค และ ซิตรินิน จากเชื้อรา M. purpureus TISTR 3541 โดยทดลองเลี้ยงเชื้อราภายใต้สภาวะความเครียดออส โมติก โดยเติมแมกนีเซียมคลอไรด์เข้มข้น 5% , 7% และ 10% (w/w) ในอาหารเลี้ยงเชื้อ Potato dextrose agar ซึ่งสามารถปรับค่าแอกติวิตีของน้ำในอาหารเลี้ยงเชื้อให้ลดลงอยู่ระหว่าง 0.988-0.094 จากนั้นทำ การเพาะเลี้ยงที่อุณหภูมิ 25 ํซ นาน 20 วัน พบว่าเชื้อราเจริญเติบโตลดลงภายใต้สภาวะความเครียด อย่างไรก็ตามเชื้อรามีความสามรถในการสร้างรงควัตถุเพิ่มขึ้นที่สภาวะการเติมแมกนีเซียมคลอไรด์ เข้มข้น 5% และ 7% ขณะที่สามารถผลิตโมนาโคลิน เค และซิตรินินลดลงทุกความเข้มข้น ทั้งนี้ ภายใต้สภาวะที่มีการเติมแมกนีเซียมคลอไรด์เข้มข้น 7% เมื่อเลี้ยงเชื้อนาน 20 วัน เชื้อรา Monascus สามารถผลิตรงควัตถุสีเหลือง สีส้ม และสีแดง เพื่มขึ้น 1.3, 1.2 และ 1.3 เท่า ตามลำดับ ขณะที่ปริมาณ ซิตรินินลดลง 1.3 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับการเพาะเลี้ยงด้วยอาหารเลี้ยงเชื้อ PDA นอกจากนี้งานวิจัยนี้ได้ศึกษาผลของอุณหภูมิการเก็บรักษา (4, 20, 30, 40 และ 50 ํ ซ) และสภาวะการ บรรจุ (สุญญากาศและแบบปกติ) ต่อจลนพลศาสสตร์การเสื่อมสลายของโมนาโคลิน เค ในผงข้าวแดง ด้วยวิธี Multiresponse modeling จากการทดลองพบว่า การเก็บรักษาผงข้าวแดงที่อุณหภูมิ 4 ํ ซ ภาย ใต้การบรรจุแบบสุญญากาศ สามารถรักษาปริมาณ โมนาโคลิน เค ได้สูงสุด โดย Multiresponse modeling ได้แสดงการเสื่อมสลายของโมนาโคลิน เค ในรูปกรดไปเป็นดีไฮโดรโมนาโคลิน เค ในรูป กรดและผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่ทรายแน่ชัด (Unknown product) ภายใต้การบรรจุแบบสุญญากาศ ขณะที่ ผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่ทรายแน่ชัดจากปฎิกิริยาออกซิไดร์จะเกิดขึ้นภายใต้การบรรจุแบบสภาวะปกติ นอกจากนั้นโมนาโคลิน เค ในรูปแลคโตนและสารตั้งต้นอื่น สามารถเสื่อมสลายเป็นดีไฮโดรโมนาโค ลิน เค ในรูปแลคโตน ขณะที่ดีไฮโดรโมนาโคลิน เค ในรูปแลคโตน สามารถเสื่อมสลายเป็นผลิตภัณฑ์ ที่ยังไม่ทราบแน่ชัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเก็บรักษาที่อุณหภูมิสูงกว่า 30 ํ ซ และที่สภาวะ การบรรจุแบบปกติ พบว่า โมนาโคลิน เค ในรูปแลคโตนสามารถเสื่อมสลายเป็นผลิตภัณฑ์ออกซิไดซ์ ที่ยังไม่ทราบชนิด ค่าพลังงานกระตุ้นของการเสื่อมสลายของโมนาโคลิน เค รูปกรดสูงกว่ารูปแลตโตน แสดงได้ว่าการเสื่อมสลายของโมนาโคลิน เค รูปกรดเป็นดีไฮโดรโมนาโคลิน เค รูปกรด ไวต่ออุณหภูมิ ที่เปลี่ยนแปลงมากกว่ารูปแลตโตน

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Anan Tongta

Role: Advisor

Created: 2012

Modified: 2556-04-17

Issued: 2013-04-11

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: BIT657

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Biotechnology

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	BIT657.pdf	3.11 MB	14	2022-06-07 12:10:30
2	BIT657ab.pdf	47.71 KB	4	2021-06-03 15:44:22

ใช้เวลา

0.029816 วินาที