Production of purified short-chain Fructooligosaccharides from red onion (Allium cepa L. var. viviparum and their in vitro effect on human gut microbiota

การผลิตฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์สายโซ่สั้นบริสุทธิ์จากหอมแขก (Allium cepa L. var. viviparum) และผลระดับหลอดทดลองต่อไมโครไบโอตาในลำไส้มนุษย์

Name: Jirat Wongsanittayarak

LCSH: Onions -- Storage

LCSH: Plant Extracts

LCSH: Fructooligosaccharides

LCSH: Microbiota

LCSH: Intestine, Large

Abstract: ความแปรผันของจุลินทรีย์ในลำไส้เป็นสาเหตุหนึ่งของการเกิดโรคอ้วนและภาวะดื้อต่ออินซูลิน หลายงานวิจัยพบว่าอัตราส่วนของแบคทีเรีย Firmicutes ต่อ Bacteroidetes สูงสัมพันธ์ต่อการเกิดโรคอ้วน ในทางตรงกันข้ามสัดส่วนที่ต่ำสัมพันธ์ต่อการเกิดโรคลำไส้อักเสบเรื้อรัง (IBD) ดังนั้นการปรับปรุงสมดุลจุลินทรีย์ด้วยสารพรีไบโอติกและโพรไบโอติกจึงเป็นแนวทางหนึ่งต่อการป้องกันและรักษาโรคดังกล่าว หอมหัวใหญ่สีแดงหรือหอมแขกมีชื่อวิทยาศาสตร์ คือ Allium cepa L. var. viviparum เป็นพืชหัวที่อุดมไปด้วยสารพรีไบโอติกชนิดฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์หลากหลายโครงสร้างรวมถึงอินูลินซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก จึงเหมาะต่อการนำมาใช้เป็นสารพรีไบโอติก อย่างไรก็ตามโอลิโกแซ็กคาไรด์สายโซ่สั้น (SCFOSs) นั้นได้รับการยืนยันแล้วว่าสามารถกระตุ้นการเจริญของโพรไบโอติกได้อย่างจำเพาะเจาะจงกว่าโอลิโกแซ็กคาไรด์สายโซ่ยาวแต่กลับพบปริมาณที่ต่ำในหัวหอมใหญ่สีแดง นอกจากนี้การสะสมน้ำตาลที่ดูดซึมได้ในหัวหอมยังทำให้การประยุกต์ใช้ ฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์เป็นสารพรีไบติกเป็นไปอย่างจำกัดเพราะน้ำตาลนี้จะทำให้สมบัติของสารพรีไบโอติกลดลง งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อเตรียม SCFOSs บริสุทธิ์จากหอมหัวใหญ่สีแดงและศึกษาผลของ SCFOSs บริสุทธิ์ต่อไมโครไบโอตาในลำไส้ของมนุษย์ในระดับหลอดทดลอง เตรียมสารสกัดหอมหัวใหญ่สีแดงด้วยการคั้นน้ำออกจากหัวหอมโดยตรงใช้เครื่องสกัดแยกกาก สารสกัดที่ได้ลักษณะเป็นสารละลายสีม่วงอมชมพูและมีปริมาณวัตถุแห้ง 16.18 เปอร์เซ็นต์ คิดเป็นคาร์โบไฮเดรต 93.5 เปอร์เซ็นต์ และโปรตีน 5.1 เปอร์เซ็นต์ สารสกัดประกอบด้วย (หน่วยกรัมต่อลิตร) ฟรุกแตน 129 ± 2 ฟรุกโตส 5.9 ± 0.6 กลูโคส 14.9 ± 0.4 ซูโครส 14.9 ± 0.4 นีโอคีสโตส 15.6 ± 0.1 คีสโตส 4.4 ± 0.1 นีสโตส 11.5 ± 0.4 ฟรุกโตฟูราโนซิลนีสโตส 12.8 ± 0.2 คิดเป็น SCFOSs ที่ตรวจวัดได้เท่ากับ 44.3 กรัมต่อลิตร ออกแบบกระบวนการผลิตและทำบริสุทธิ์ SCFOSs จากสารสกัดหอมหัวใหญ่สีแดงไว้ 3 กระบวนการ คือ กระบวนการผลิตแบบสองขั้นตอน (TSP) กระบวนการผลิตแบบพร้อมกัน (SP) และกระบวนการผลิตแบบกึ่งพร้อมกัน (SSP) ขั้นตอนการผลิต SCFOSs จะใช้เอนไซม์เอนโดอินูลิเนสเพื่อเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของการสลายพันธะเบต้า-(2,1) ไกลโคไซด์ของฟรุกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์สายโซ่ยาวและอินูลิน ส่วนขั้นตอนการทำบริสุทธิ์จะใช้ยีสต์ Candida orthopsilosis FLA44.2 ที่สามารถกำจัดฟรุกโตส กลูโคส และซูโครสอย่างจำเพาะเจาะจงโดยส่งผลกระทบเชิงลบต่ำต่อ SCFOSs ที่ผลิตได้ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า SP และ SSP ใช้ระยะเวลาในการผลิตต่ำกว่า TSP นอกจากนี้ SP ยังเป็นกระบวนการที่ง่ายต่อการดำเนินการอีกด้วย สภาวะที่เหมาะสมของ SP ในระดับขวดฟลาสก์ขนาด 1 ลิตร คือ เอนไซม์เอนโดอินูลิเนส 0.4 ยูนิตต่อกรัมของฟรุกแตนทั้งหมด หัวเชื้อ C. orthopsilosis FLA44.2 จำนวน 5 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร และบ่มบนเครื่องบ่มเขย่าแบบหมุนที่กำหนดอุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส ความเร็วรอบ 120 รอบต่อนาที เป็นเวลา 60 ชั่วโมง สภาวะดังกล่าวทำให้ผลิตผลได้ (หน่วยกรัมต่อลิตร) ของนีโอคีสโตส 42 ± 3 คีสโตส 5.4 ± 0.6 นีสโตส 16.2 ± 0.4 ฟรุกโตฟูราโนซิลนีสโตส 17.3 ± 0.1 และฟรุกแตนทั้งหมด 81 ± 4 คิดเป็นเปอร์เซ็นต์การกู้คืนฟรุกแตนเท่ากับ 68.9 และ SCFOSs ที่ผลิตได้มีความบริสุทธิ์ 93.5 เปอร์เซ็นต์ วิธีการกำจัดสีด้วยตัวแลกเปลี่ยนประจุบวกและลบและการกำจัดสีด้วยคอลัมน์ผงถ่านกัมมันต์ช่วยทำให้ได้สารละลาย SCFOSs บริสุทธิ์ที่มีความใสและปราศจากกลิ่น ผลได้กลับคืนของ SCFOSs ที่ได้เท่ากับ 63.5 เปอร์เซ็นต์ ผลได้กลับคืนของฟรุกแตนทั้งหมดเท่ากับ 56.0 เปอร์เซ็นต์ และมีสัดส่วนของ SCFOSs แต่ละชนิดคล้ายสารละลายก่อนการกำจัดสีและกลิ่น

Abstract: Variation of gut microbiota is a cause of obesity and insulin resistance. Several research reveals that a high ratio of Firmicutes to Bacteroidetes is associated with obesity, on the other hand, a low ratio is relative to inflammatory bowel disease (IBD). Yet, improvement of gut microbiota by using prebiotics and probiotics are alternative strategies for prevention and treatment of the mentioned diseases. Red onion or Hom Kaek has a scientific name of Allium cepa L. var. viviparum is a plant that is rich in various structures of fructooligosaccharide as well as inulin as the main constituen, thus being well deserved as prebiotics. Short chain fructooligosaccharides (SCFOSs) have been accepted by their ability to more selectively stimulate growth of probiotics than longer chain fructooligosaccharides but they have been determined at low level. Moreover, the presence of absorbable sugars that are stored in the onion bulb limits application of fructooligosaccharides as prebiotics. The objectives of this research were to prepare purified SCFOSs from red onion and to study the in vitro effect of the purified SCFOSs on human gut microbiota. Red onion extract prepared by direct squeezing using a juicer machine. The red onion extract appeared as pinkish-purple in color and had a dry matter of 16.18% with carbohydrate content of 93.5%, protein content of 5.1%. The extract consisted of (g/L) fructan 129 ± 2, fructose 5.9 ± 0.6, glucose 14.9 ± 0.4, sucrose 14.9 ± 0.6, neokestose 15.6 ± 0.1, kestose 4.4 ± 0.1, nystose 11.5 ± 0.4, fructofuranosylnystose 12.8 ± 0.2 which is calculated to a total SCFOSs of 44.3 g/L. Three different strategies including two-step (TSP), simultaneous (SP), and semi-simultaneous (SSP) production process, were designed for production of purified SCFOSs. In SCFOSs production process, endo-inulinase was used to catalyze the hydrolysis of β-(2,1) glycosidic linkage of long chain fructooligosaccharides and inulin to produce SCFOSs. A yeast strain Candida orthopsilosis FLA44.2 was used for purification process as it is capable of selectively assimilating fructose, glucose, and sucrose with a minimum negative effect on the produced SCFOSs. The results revealed that the SP and SSP processes met the objective criteria in terms of time consuming. Notably, the SP process is considered a much simpler process. The optimal conditions of the SP process were as follows ; 0.4 unit of endo-inulinase/g total fructans, 5% (v/v) C. orthopsilosis FLA44.2, incubation on 120-rpm rotary shaker at 30ºC for 60 h. The condition allowed SCFOSs yield (g/L) of neokestose 42 ± 3, kestose 5.4 ± 0.6, nystose 16.2 ± 0.4, fructofuranosylnystose 17.3 ± 0.1 and total fructans 81 ± 4 with a total fructan recovery of 68.9% and the SCFOSs possessed the purity of 93.5%. Cation and anion exchange resin and activated charcoal column were employed for decolorization and deodorization of the produced SCFOSs, respectively. After these steps, the derived SCFOSs was apparently clear and odorless with the recovery yield of SCFOS of 63.5%, the recovery yield of total fructans of 56.0%, and consisting of ratio of each SCFOSs similar to the former SCFOSs solution.

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Apinun Kanpiengjai

Role: Advisor

Created: 2024

Modified: 2025-04-03

Issued: 2025-02-04

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's degree

Descipline: Biotechnology

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	652831003.pdf	3.79 MB

ใช้เวลา

0.019682 วินาที