A study of culture conditions and drying process for probiotic inoculum production with soybean meal
โดย อาทิตยาพัณณ์ กันนิกา
ปี 2562
บทคัดย่อ
การศึกษาครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ (1) หาสภาวะที่เหมาะสมต่อการเลี้ยงโพรไบโอติก Enterococcus faecium A028 ด้วยการหมักแบบแห้ง (Solid-State Fermentation, SSF) ในกากถั่วเหลือง (Soy Bean Meal, SBM) (2) ศึกษาการเพาะเลี้ยงโพรไบโอติกด้วยการหมักแบบกะซ้ำ (3) ศึกษาสารปกป้องเซลล์โพรไบโอติกและอุณหภูมิในกระบวนการอบแห้ง และการเก็บรักษา โดยคัดเลือกปัจจัยที่สำคัญต่อการเพาะเลี้ยงด้วยแผนการทดลองแบบ Plackett-Burman Design (PBD) และ (4) ศึกษาสภาวะที่เหมาะสมด้วยวิธีการพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology) โดยวางแผนการทดลองแบบ Box-Benkhen Design (BBD) ผลการศึกษาพบว่าอัตราส่วนน้ำต่อ SBM ระยะเวลาในการเพาะเลี้ยง และความเข้มข้นกากน้ำตาล เป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการเพิ่มจำนวนเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด (Total Viable Cell Counts, TVC) สามอันดับแรก โดยมีค่า Effect contribution เท่ากับ 56.27 14.33 และ 10.46 % ตามลำดับ ปัจจัยดังกล่าวถูกคัดเลือกไปศึกษาระดับที่เหมาะสมต่อการเพิ่มค่า TVC ของแบคทีเรียใน SBM ปริมาณ 300 g พบว่าสภาวะที่เหมาะสมคือ อัตราส่วนน้ำต่อ SBM เท่ากับ 1.5:1 (v/w) และระยะเวลาในการเพาะเลี้ยงเท่ากับ 15.45 ชั่วโมง ในขณะที่ความเข้มข้นกากน้ำตาลไม่มีผลต่อการเพิ่มค่า TVC อย่างมีนัยสำคัญที่ระดับความเชื่อมั่น 95 % โดยค่า TVC เพิ่มขึ้นเท่ากับ 1.91 Log CFU/g (24.30 % ของ TVC เริ่มต้น) และมีค่า TVC สูงสุดเท่ากับ 9.77 Log CFU/g นอกจากนี้ยังพบว่าการเพาะเลี้ยง E. faecium A028 แบบ SSF ใน SBM ปริมาณ 3,000 g ไม่แตกต่างจากระดับเริ่มต้นอย่างมีนัยสำคัญ (p-value > 0.05) เมื่อศึกษาการหมักแบบกะซ้ำ พบว่า การหมักแบบ SSF ที่อัตราส่วน 90 มีความเหมาะสมในการผลิต TVC สูงสุดเท่ากับ 9.19 Log CFU/g ผลการเลียนแบบการเจริญพบว่าแบบจำลอง Logistic และแบบจำลอง Gompertz สามารถเลียนแบบการเจริญของ E. faecium A028 ในการเพาะเลี้ยงแบบ SSF และกระบวนการหมักแบบกะซ้ำได้เป็นอย่างดี (ค่า R2 อยู่ในช่วง 0.956-0.995) การวิจัยครั้งนี้ชี้ให้เห็นว่า SBM เป็นวัสดุราคาถูกที่มีประสิทธิภาพที่สามารถนำมาใช้เป็นวัตถุดิบในการเพาะเลี้ยงโพรไบโอติก E. faecium A028 แบบ SSF ได้ นอกจากนี้การศึกษาสารปกป้องเซลล์โพรไบโอติกเพื่อเพิ่มการรอดชีวิตของ E. faecium A028 ในระหว่างการอบแห้ง ผลการวิจัยพบว่ากระบวนการทำให้แห้งมีผลต่ออัตราการรอดชีวิตของ E. faecium A028 การใช้สารปกป้องเซลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมอลโตเดกซ์ทรินเป็นสารปกป้องที่ดีที่สุด สามารถรักษาความอยู่รอดของโพรไบโอติกจากความร้อนของกระบวนการอบแห้ง มีการรอดชีวิตสูงสุดเท่ากับ 83.32 % และพบว่าการรอดชีวิตของโพรไบโอติกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการอบแห้ง โดยจำนวนเซลล์ที่รอดชีวิตของ E. faecium A028 ลดลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิ 55˚C และลดลงมากที่อุณหภูมิ 75˚C นอกจากนี้ในการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ผงโพรไบโอติก พบว่าการเก็บรักษาโพรไบโอติกที่อุณหภูมิสูงแบคทีเรียจะมีอัตราการตายจำเพาะสูงขึ้น โดยมีอัตราการตายจำเพาะเมื่อเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 40 50 60 และ 70˚C เท่ากับ 0.0170 0.0249 0.0759 และ 0.4465 h-1ตามลำดับ จากการศึกษาทั้งหมดพบว่า SBM เป็นวัตถุดิบที่เหมาะสมสำหรับการผลิตโพรไบโอติกโดยไม่ต้องเสริมสารอาหาร กระบวนการ SSF ที่มีการหมักแบบกะซ้ำ สามารถเพาะเลี้ยงโพรไบโอติกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ง่าย และต้นทุนต่ำ และสารมอลโตเด็กซ์ตรินสามารถใช้ในการรักษาความอยู่รอดของ E. faecium A028 ในระหว่างกระบวนการอบแห้งได้
ABSTRACT
The aims of this study were to : (1) optimize the growth condition of a probiotic strain Enterococcus faecium A028 with solid-state fermentation (SSF) in soybean meal (SBM), (2) study the probiotic cultivation by repeated batch fermentation, (3) study the protective agent and temperature in drying process and storage. The important cultivation variables were selected according to the Plackett–Burman Design (PBD), and (4) study the optimum state via the Response Surface Methodology by employing the Box-Benkhen Design (BBD) statistical model. The results revealed that the water to SBM ratio, incubation time, and molasses concentration were the first-three main variables affecting the increase of Total Viable Cell Counts (TVC) with the effect contribution of 56.27, 14.33, and 10.46 %, respectively. These three variables were selected to determine the optimum level of increasing bacteria TVC in 300 g of SBM. It was found that the optimal level was 1.5:1 (v/w) of water to SBM ratio and 15.45 hour of incubation time, whereas the effect of molasses concentration did not significantly affected the increase of TVC at the confidence level of 95 %. The TVC was increased to 1.91 Log CFU/g (24.30 % of initial TVC); and the maximum of TVC was 9.77 Log CFU/g. Moreover, it was revealed that cultivation of E. faecium A028 in 3,000 g of SBM by SSF was not significantly different from the initial level (p-value > 0.05). In the experiment of repeated batch fermentation, applying SFF with 90 % replacement of new materials was a suitable process to continuously produce the highest TVC of 9.19 Log CFU/g. Finally, the results of growth simulation were denoted that the Logistic model and modified Gompertz model could well imitate the growth of E. faecium A028 by SSF and the repeated batch fermentation process (R2 was in the range of 0.956-0.995). This research suggested that the SBM was an effective low-cost material that could be used for cultivating E. faecium A028 probiotic by the SSF process. In addition, the study of protectants, which enhanced the survival rate of probiotic during the drying process indicated that the drying process affected the survival rate of E. faecium A028 probiotic. Utilization of protective agents, especially maltodextrin could highly prevent the probiotic from the heat in the drying process with the maximum survival rate at 83.32 %. In the probiotic drying process, the findings indicated that the strain viability of probiotic depended on the drying temperatures. The viable cell number of E. faecium A028 slightly decreased at 55˚C and severely decreased at 75˚C. Furthermore, Probiotic powder which was stored at the high temperatures resulted in the increase of specific death rate of bacteria. The specific death rates of storage at 40, 50, 60, and 70˚C were 0.0170, 0.0249, 0.0759, and 0.4465 h-1, respectively. Overall, SBM was suitable as a raw material for producing probiotic without nutrient supplementation. The SSF with the repeated batch fermentation process was the efficient, simple and inexpensive process for producing a probiotic product of good quality. The maltodextrin could be used to maintain the survival of probiotic during the drying process.
Download: A study of culture conditions and drying process for probiotic inoculum production with soybean meal