ผลของการปรับสภาพด้วยด่างและการลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดในแกลบ ฟาง และกากรำข้าวสกัดน้ำมันต่อการผลิตไซโลไบโอสด้วยเอนไซม์ไซแลนเนสทางการค้า (THE EFFECT OF ALKALI PRETREATMENT AND ACID DEBRANCHING ON RICE HUSK, RICE STRAW, AND DEFATTED RICE BRAN FOR XYLOBIOSES)

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของการปรับสภาพด้วยด่างและการลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดต่ออัตราส่วนน้ำตาลอะราบิโนสต่อไซโลส (A/X) ของอะราบิโนไซแลน (AX) ในฟางข้าว แกลบ และกากรำข้าวสกัดน้ำมัน เพื่อเตรียมสำหรับการผลิตไซโลไบโอส และ/หรือ อะราบิโนไซโลโอลิโกแซคคาไรด์ด้วยเอนไซม์ไซแลนเนสทางการค้า โดยเริ่มจากนำวัสดุชีวมวลแต่ละชนิดทำการปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มข้น 2% และนำไปลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดฟอร์มิก พบว่าน้ำหนักมวลของแกลบ ฟางข้าว และกากรำข้าวสกัดน้ำมันหลังการปรับสภาพด้วยด่างเท่ากับ 68.7, 44.8 และ 24.3% ในขณะที่ปริมาณน้ำตาลทั้งหมดเพิ่มขึ้นจาก 19.9 เป็น 28.0%, 21.7 เป็น 26.4% และ 11.3 เป็น 20.0% เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุชีวมวลที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ ตามลำดับ และเมื่อทำการลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดฟอร์มิก พบว่าปริมาณน้ำตาลทั้งหมดในวัสดุชีวมวลเพิ่มขึ้นเป็น 4% นอกจากนี้การปรับสภาพด้วยด่างสามารถลดอัตราส่วน A/X ในกากรำข้าวสกัดน้ำมัน แกลบ และฟางข้าว จาก 1.08 เป็น 0.82, 0.14 ถึง 0.13 และ 0.22 เป็น 0.22 ในขณะที่ปริมาณ AX เพิ่มขึ้นจาก 5.8 เป็น 14.3%, 11.5 เป็น 18.6% และ 11.0 เป็น 18.3% ตามลำดับ ซึ่งการปรับสภาพด้วยด่างและการลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดส่งผลทำให้อัตราส่วน A/X ในกากรำข้าวสกัดน้ำมันลดลงจาก 1.08 เป็น 0.63 หลังจากกระบวนการดังกล่าว วัสดุชีวมวลถูกนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตไซโลไบโอสด้วยเอนไซม์เอนโดไซแลนเนสทางการค้าชนิด Pentopan Mono BG และ Pentopan 500 BG ที่ระดับความเข้มข้น 132.5 U และ 26.5 U ต่อหนึ่งกรัมของสารตั้งต้น ตามลำดับ ในโซเดียมฟอสเฟตบัฟเฟอร์ (พีเอช 6.0) ที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 4 ชั่วโมง โดยเขย่าอย่างต่อเนื่องที่ความเร็ว 150 รอบต่อนาที จากผลการศึกษาพบว่า สารชีวมวลที่มีอัตราส่วน A/X สูงจะถูกย่อยได้น้อยกว่าสารชีวมวลที่มีอัตราส่วน A/X ต่ำ นอกจากนี้ยังพบอีกว่าเอนไซม์ Pentopan 500 BG แสดงประสิทธิภาพการย่อยได้ดีกว่า Pentopan Mono BG ถึงแม้ว่าผลของโครมาโตรกราฟฟีแสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการย่อยด้วยเอนไซม์ไซแลนเนสทั้งสองชนิดมีชนิดของน้ำตาลที่เหมือนกัน ได้แก่ น้ำตาลไซโลส น้ำตาลอะราบิโนส น้ำตาลไซโลไบโอส และน้ำตาลที่เป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม Pentopan 500 BG ได้แสดงการผลิตน้ำตาลไซโลสและอะราบิโนสที่โดดเด่นกว่า Pentopan Mono BG จากการศึกษาครั้งนี้จึงสามารถกล่าวได้ว่า ฟางข้าวและแกลบสามารถใช้การปรับสภาพด้วยด่างเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอต่อการเตรียมสำหรับการผลิตไซโลไบโอส ในขณะที่กากรำข้าวสกัดน้ำมันจำเป็นต้องใช้การปรับสภาพด้วยด่างร่วมกับการลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรดคำสำคัญ: วัสดุชีวมวล  การปรับสภาพด้วยด่าง  การลดความเป็นโซ่กิ่งด้วยกรด  เอนโดไซแลนเนส  ไซโลไบโอสThe use of alkali pretreatment and acid debranching to optimize the arabinose/xylose ratio of arabinoxylan from rice straw (RS), rice husk (RH), and defatted rice bran (DRB) as preparation for production of xylobiose and/or arabino-xylooligosacharides using commercial xylanases were investigated. Firstly, each biomass was treated with alkali pretreatment with 2% NaOH and acid debranching with formic acid. The yields of RH, RS, and DRB after alkali pretreatment appeared to be 68.7, 44.8, and 24.3% while the total sugar contents were increased from 19.9 to 28.0%, 21.7 to 26.4%, and 11.3 to 20.0%, compared to untreated biomass, respectively. The total sugar content of acid debranched biomass was also increased up to 4%. In addition, the alkali pretreatment slightly decreased arabinose/xylose ratio (A/X) of DRB, RH, and RS from 1.08 to 0.82, 0.14 to 0.13 and 0.22 to 0.22. At the same time, arabinoxylan contents were increased from 5.8 to 14.3%, 11.5 to 18.6% and 11.0 to 18.3%, respectively. Superior to alkali pretreatment, the following acid debranching dramatically decreased A/X ratio of DRB from 1.08 to 0.63. After mentioned processes, xylobiose was separately produced by using Pentopan Mono BG and Pentopan 500 BG at 132.5 U and 26.5 U/g of substrate, respectively. The hydrolysis was performed in sodium phosphate buffer (pH 6.0) at 50°C for 4 h with continuously shaking at 150 rpm. The results showed that the biomass with higher A/X ratio was lesser hydrolysed. Pentopan 500 BG exhibited greater hydrolysis effect than that of Pentopan Mono BG. However, the Thin layer chromatography and Ion chromatography results confirmed that the hydrolysates from both xylanases had the similar sugar patterns showing xylose, arabinose, xylobiose, and the components with a higher degree of polymerization. However, Pentopan 500 BG remarkably produced monosaccharides mainly xylose and arabinose. The alkali pretreatment singly was enough while from DRB, the acid debranching should be combined following the pretreatment process. Keywords: Biomass, Alkali Pretreatment, Acid Debranching, Endoxylanase, Xylobiose