Production of Xylooligosaccharides from barley malt residue by microwave-assisted enzymatic hydrolysis and evaluation of their prebiotic potential

การผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์จากกากมอลต์บาร์เลย์โดยการย่อยด้วยเอนไซม์ร่วมกับไมโครเวฟและการประเมินศักยภาพการเป็นพรีไบโอติก

Name: Shah Zaib Fareed

LCSH: Xylooligosaccharides

LCSH: Prebiotics

LCSH: Barley

LCSH: Malt

LCSH: Microwaves

Abstract: Barley malt residue (BMR), an abundant by-product of the malting and brewing industries, was investigated for its potential as a sustainable raw material to produce xylooligosaccharides (XOS), recognized for their prebiotic benefits. The study employed microwave-assisted enzymatic hydrolysis to enhance the efficiency of XOS production, focusing on optimizing key process variables: microwave power (1000–1400 W), exposure time (2–6 min), and xylanase dosage (2–100 U/g substrate). Response surface methodology using a Box-Behnken design (BBD) was applied to model the relationships between these variables and the yields of XOS. The predictive models demonstrated a strong correlation with experimental data, confirming their validity. Under optimal conditions, microwave power of 1235.1 W, exposure time of 6 min, and xylanase concentration of 89.12 U/g substrate a maximum XOS yield of 208.05 mg/g substrate was obtained after 4 h of enzymatic hydrolysis. Different purification strategies were compared to improve the purity of the XOS product. Treatment with Saccharomyces cerevisiae proved superior to conventional methods such as activated carbon adsorption and ethanol precipitation, leading to its selection for further studies. The purified BMR XOS was characterized using thin-layer chromatography (TLC) and high-performance liquid chromatography (HPLC) to determine its oligosaccharide composition. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the molecular structure and sugar components of the extracted XOS. In vitro fermentation assays were performed to evaluate the prebiotic activity of BMR-XOS with selected probiotic strains, includingLactococcus lactis TISTR 1401, Levicaseibacillus brevis FS 2.1, and Lactobacillus casei TISTR 1463. The results revealed prebiotic effects comparable to those of commercial XOS, galactooligosaccharides (GOS), and inulin. BMR-XOS significantly enhanced the growth rate of L. lactis TISTR 1401, L. brevis FS 2.1, and L. casei TISTR 1463, achieving maximum specific growth rates (μmax) of 1.085, 0.891, and 0.532 h−1, respectively. These findings highlight the functional equivalence of BMR-derived XOS to established prebiotic products. This research successfully demonstrates that barley malt residue can serve as an efficient and sustainable source for XOS production. The process not only adds value to an agro-industrial residue but also supports the development of eco-friendly, health-promoting ingredients for the food and nutraceutical industries.

Abstract: กากมอลต์บาร์เลย์เป็นผลพลอยได้ที่มีปริมาณมากจากอุตสาหกรรมการทํามอลต์ และการผลิต เบียร์งานวิจัยนี้ได้ศึกษาประเมินศักยภาพในการใช้เป็นวัตถุดิบสําหรับการผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ซึงเป็นสารที่มีคุณสมบัติเป็นพรีไบโอติก โดยเทคนิคการย่อยด้วยไมโครเวฟร่วมกับเอนไซม์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ ปัจจัยที่ศึกษาได้แก กําลังของไมโครเวฟ (1000 – 1400 วัตต์) ระยะเวลาในการสัมผัสคลื่นไมโครเวฟ (2-6 นาที) และปริมาณ เอนไซม์ไซเลเนส (20 – 100 ยูนิตต่อกรัมซับซเตรต)โดยศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง และการออกแบบการทดลองแบบบ๊อกซ์-เบห์นเคน ผลการศึกษาพบว่าปัจจัยทั้ง 3 ปัจจัยมีผลต่อไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่ผลิตได้ โดยสภาวะที่เหมาะสม ได้แก่ กําลังของไมโครเวฟ 1235.1 วัตต์, ระยะเวลาในการสัมผัสคลื่นไมโครเวฟ 6 นาที และปริมาณ เอนไซม์ไซลาเนส 89.12 ยูนิตต่อกรัมซับซเตรต และหลังจากการย่อยด้วยเอนไซม์ไซลาเนสเป็นเวลา 4 ชั่วโมง ได้ผลผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์สูงสุดคือ 208.05 มิลลิกรัมต่อกรัมซับสเตรต การศึกษาการ ทําบริสุทธิ์ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ด้วยยีสต์ Saccharomyces cerevisiae การดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ และการตกตะกอนด้วยเอทานอล พบว่าการทําบริสุทธิ์ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ด้วยยีสต์ S. cerevisiae เป็นวิธีการที่ดีที่สุด การวิเคราะห์ด้วยวิธีโครมาโทกราฟีแบบบาง (Thin-Layer Chromatography) และ HPLC (High-performance Liquid Chromatography) เพื่อยืนยันองค์ประกอบและความบริสุทธิ์ของไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่ผลิตได้ นอกจากนี้ใช้เทคนิคฟูเรียร์ทรานสฟอร์มอินฟราเรดสเปคโทรสโคปี (FTIR) เพื่อยืนยันโครงสร้างโมเลกุลและส่วนประกอบของน้ำตาลของไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่ผลิตได้ การทดสอบการหมักในหลอดทดลองเพื่อประเมินศักยภาพการเป็นพรีไบโอติกของไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์จากกากมอลต์บาร์เลย์โดยใช้โพรไบโอติก Lactococcus lactis TISTR 1401, Levicaseibacillus brevis FS 2.1 และ Lactobacillus casei TISTR 1463 พบว่าไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ จากกากมอลต์บาร์เลย์สามารถกระตุ้นการเจริญของโพรไบโอติกได้ใกล้เคียงกับผลิตภัณฑ์ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ กาแลกโตโอลิโกแซ็กคาไรด์ และอินนูลินทางการค้า โดยมีค่าอัตราการเจริญจําเพาะ (μmax) ต่อพรีไบโอติก L. lactis TISTR 1401, L. brevis FS2.1 และ L. casei TISTR 1463 คือ 1.085, 0.891 และ 0.532 ต่อชั่วโมงตามลําดับการศึกษานี้ประสบความสําเร็จในการชี้ให้เห็นว่ากากมอลต์ บาร์เลย์สามารถเป็นแหล่งที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนสําหรับการผลิตไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุเหลือใช้ในอุตสาหกรรมเกษตร แต่ยังสนับสนุนการพัฒนาการผลิตส่วนประกอบอาหาร และผลิตภัณฑ์เชิงโภชนเภสัชที่ส่งเสริมสุขภาพในแบบเป็นมิตรต่อสิงแวดล้อม

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Kridsada Unban

Role: Advisor

Created: 2025

Issued: 2025-09-23

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's Degree

Descipline: Food Science and Technology

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ใช้เวลา

0.023014 วินาที