ผลงานวิจัย การดัดแปรแป้งมันสำปะหลังให้มีประจุบวกเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในการเก็บเกี่ยวสาหร่ายขนาดเล็ก

การดัดแปรแป้งมันสำปะหลังให้มีประจุบวกเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในการเก็บเกี่ยวสาหร่ายขนาดเล็ก

Modification of cationic cassava starch and its application for microalgal harvesting

โดย รองศาสตราจารย์ ดร. สุเปญญา จิตตพันธ์ สาขาวิชาเทคโนโลยีชีวภาพ

บทคัดย่อ (ภาษาไทย)

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาศักยภาพในการใช้แป้งมันสำปะหลังประจุบวกและคอมโพสิตของแป้งมันสำปะหลังประจุบวกในการเก็บเกี่ยวเซลล์สาหร่ายจากอาหารเพาะเลี้ยง โดยใช้แป้งประจุบวกที่ใช้ในการทดลองนี้ได้มาจากการดัดแปรแป้งมันสำปะหลังในห้องปฏิบัติการด้วยการทาปฏิกิริยากับ glycidyl trimethyl ammonium chloride (GTMAC) ต่อหน่วย anhydroglucose (AGU) ในอัตราส่วนโมลที่แตกต่างกัน และแป้งมันสำปะหลังประจุบวกที่มีจำหน่ายทั่วไปในท้องตลาด รวมทั้งสังเคราะห์คอมโพสิตของแป้งมันสำปะหลังประจุบวกกับอนุภาคแม่เหล็ก ตรวจสอบลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแป้งมันสำประหลังประจุบวกและคอมโพสิตทุกชนิดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด วิเคราะห์ค่าศักย์ซีตาโดยใช้ Zetasizer Nano-ZS พร้อมทั้งตรวจสอบประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวของแป้งมันสำปะหลังประจุบวกและและคอมโพสิต โดยทดลองเก็บเกี่ยวสาหร่าย Chlorella sp. ความเข้มข้น 1 กรัมต่อลิตร จากอาหาร BG-11 ที่ pH 9 ผลการศึกษาพบว่าเมื่ออัตราส่วน GTMAC: AGU สูงขึ้นจะทำให้แป้งมันสาปะหลังดัดแปรมีประจุบวกเพิ่มสูงขึ้น เม็ดแป้งมันสำปะหลังมีลักษะส่วนใหญ่เป็นทรงกลมและเป็นเหลี่ยมบ้างเล็กน้อย และเมื่อแป้งมันสำปะหลังมีประจุบวกเพิ่มสูงขึ้น เม็ดแป้งซึ่งมีลักษณะเหลี่ยมเพิ่มและชัดขึ้นและมักรวมกันเป็นกลุ่ม จะมีการเชื่อมต่อกันจนไม่เห็นลักษณะเป็นทรงชัดเจน แป้งมันสำปะหลังที่มีประจุบวกสูงขึ้นจะมีมีค่า Zeta potential เป็นบวกเพิ่มขึ้น แป้งมันสำปะหลังประจุบวกที่จำหน่ายในท้องตลาดที่มีประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวสูงสุดคือ แป้งมันสำปะหลังประจุบวกที่มีระดับการแทนที่เท่ากับ 0.040 โดยมีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวสาหร่ายได้สูงสุดเท่ากับร้อยละ 92.86 0.46 แต่คอมโพสิตของแป้งมันสำปะหลังที่มีการแทนที่ประจุบวกเท่ากับ 0.040 นี้กับอนุภาคแม่เหล็กมีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวลดลงเหลือเท่ากับร้อยละ 56.65 0.30 คอมโพสิตของแป้งมันสำปะหลังที่มีการแทนที่ประจุบวกเท่ากับ 0.091 มีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวสูงสุดเท่ากับร้อยละ 90.18 0.32 091 เมื่อเปรียบเทียบความสามารถในการเก็บเกี่ยว (recovery capacity) พบว่าคอมโพสิตของแป้งมันสำปะหลังที่มีการแทนที่ประจุบวกเท่ากับ 0.91 มีความสามารถในการเก็บเกี่ยวเท่ากับ 3.83  0.01 กรัมสาหร่ายแห้งต่อกรัมคอมโพสิต และแป้งมันสำปะหลังที่มีการแทนที่เท่ากับ 0.040 มีประสิทธิและมีความสามารถในการเก็บเกี่ยวเท่ากับ 2.56  0.03 กรัมสาหร่ายแห้งต่อกรัมแป้ง ถึงแม้คอมโพสิตจะมีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวเซลล์สาหร่ายสูงกว่า แต่ชีวมวลที่เก็บเกี่ยวได้มีแม่เหล็กปนเปื้อนซึ่งไม่เหมาะสมในการนำไปใช้ประโยชน์ในการบริโภค รวมทั้งอาจก่อให้เกิดความยุ่งยากใน downstream process ได้ ฉะนั้นการเลือกใช้แป้งมันสำปะหลังที่มีการแทนที่ประจุบวกเท่ากับ 0.040 ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดทดแทนการใช้คอมโพสิต ถึงแม้ประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวต่ำกว่า แต่ชีวมวลที่เก็บเกี่ยวได้ไม่มีการปนเปื้อนจากแม่เหล็ก ซึ่งสามารถนำไปประโยชน์ได้ทั้งในงานอุตสาหกรรมและทางการแพทย์ งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าแป้งมันสำปะหลังประจุบวกเชิงพาณิชย์สามารถใช้เป็น flocculants เพื่อแยกเซลล์สาหร่ายออกจากอาหารเลี้ยงเชื้อได้อย่างไรก็ตามยังคงจำเป็นจะต้องมีการการพัฒนาแป้งประจุบวกให้มีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวสาหร่ายเพิ่มมากขึ้นต่อไป

Abstract

This research aimed to study the potential of using cationic cassava starch and its composite as an agent to harvest algal cells from culture medium. The cationic cassava starches were obtained from laboratory by the interaction of a different molar ratio of glycidyl trimethyl ammonium chloride (GTMAC) and anhydroglucose unit (AGU) on native cassava starch and from industrial sector (a commercial cationic cassava starch). A composite of cationic cassava starch and magnetic particles was synthesized. All starches were morphologically observed under scanning electron microscope (SEM). Zeta potential of all agents was analyzed by using Zetasizer Nano-ZS. An efficiency of modified- and commercial- cationic cassava starches and its composite was examined by separation Chlorella vulgaris 1 g wet cell L-1 from BG-11 medium at pH 9. The results showed that the higher ratio of GTMAC:AGU was interacted, the higher degree of substitution (DS) value of modified cassava starch was observed. SEM micrographs of native cassava starch showed the presence of round and polygonal in shape, whereas increasing in DS value of cationic starch showed clumped granules and polyhedral granules apparently and become amorphous structure. Increasing in DS value of cationic starch resulted in degree of positive charge increase. The maximum harvesting efficiency of 92.86 0.46 % was achieved when added commercial cassava starch with DS 0.040 at 1.0 g L-1 into the algal solution. A composite of DS 0.040 commercial starch with magnetic particle showed lower efficacy percentage than 56.65 0.30 %. The maximum harvesting efficiency of composite at 90.18 0.32 was recorded from composite of cationic starch with DS 0.91. According to recovery capacity, the composite of composite of cationic starch with DS 0.91 showed 3.83  0.01 g DCW g composite-1, while cationic starch with DS 0.040 achived 2.56  0.03 g DCW g starch-1. Although the high recovery capacity was achieved from the composite, the final biomass contaminatd with magnetic particles is unsuitable for food and feed and also leads to complicate in downstream processing. Therefore, commercial cassava starch is an optional agent as flocculant to separate algal cells from culture medium. The algal biomass obatained from using commercial cationic starch can be used in wide range of biotechnological aspects includind industry and phamaceuticals. However, improvement of cationic starch with high harvesting efficiency should be further studied.