DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-025-00539-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40825779
تاريخ النشر: 2025-08-18
المؤلف: Shaymaa A. Ismail وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستقلبات الميكروبية في تكنولوجيا الغذاء
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة زباديًا سينبيوتيكًا جديدًا معززًا بهيدروليز الهيميسليلوز من قش الأرز (RSHH) المحبوس في PLGA، يهدف إلى توفير دعم بروبيوتيك فوري جنبًا إلى جنب مع توصيل بريبيوتيك مستدام. يحتوي RSHH، المستخرج من التحلل الإنزيمي، على 0.5 جرام/جرام من الهيميسليلوز ويتميز بثرائه في السكريات الزيلوليجوسيدية، حيث يتكون من 48.3% من السكريات المختزلة. يظهر نشاطًا مضادًا للأكسدة كبيرًا (45.59 ميكرومول تروكس/ملغ) وخصائص مضادة للسرطان، حيث تم إثبات تقليل بنسبة 61.98% في حيوية خلايا EAC عند تركيز 1000 ميكروجرام/مل. وجدت الدراسة أن RSHH يعزز نمو Lactiplantibacillus paraplantarum وBifidobacterium bifidum بشكل أكثر فعالية من الإينولين، مع اختبارات سلامة حيوية على الجرذان تشير إلى عدم وجود آثار سلبية وتحسين في ملفات الدهون.
بالإضافة إلى ذلك، تم حبس RSHH في جزيئات نانوية من PLGA بكفاءة 38.77%، وحجم 204.9 نانومتر، وإمكانات زيتا تبلغ -18.3 مللي فولت، مما يدل على شكل كروي وتوزيع موحد دون تكتل، كما تم تأكيده بواسطة المجهر الإلكتروني الناقل (TEM). أظهرت تركيبة الزبادي التي تحتوي على كل من RSHH الحر والمحجوز أداءً مثاليًا على مدى 20 يومًا. يقدم هذا النظام ثنائي التوصيل نهجًا واعدًا لتعزيز حيوية البروبيوتيك واستقرار البريبيوتيك في تطبيقات الأغذية الوظيفية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إنتاج هيدروليز الهيميسليلوز من قش الأرز (RSHH) من خلال عملية استخراج وتحلل منهجية. في البداية، تم إعداد قش الأرز عن طريق القطع، والطحن، والغسل، والتجفيف. تم استخراج جزء الهيميسليلوز باستخدام محلول 4% NaOH، تلاه معالجة حرارية عند 80 درجة مئوية وحضانة. تم تصفية المحلول، وتحمضه إلى pH 5 باستخدام 37% HCl، وتم ترسيب الهيميسليلوز باستخدام 95% إيثانول. ثم تم تنقية الرواسب وطحنها إلى مسحوق ناعم.
لإجراء التحلل، تم معالجة الهيميسليلوز مع زيلاناز مستخرج من Aspergillus terreus بنسبة إنزيم إلى ركيزة تبلغ 3.75 U/ملغ في محلول أسيتات 0.05 M (pH 5) عند 40 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. تم إنهاء التفاعل بالغليان، وتم طرد الخليط للحصول على راسب شفاف، والذي تم تجفيفه في الهواء وتخزينه عند -20 درجة مئوية. قامت الدراسة بقياس محتوى الرطوبة والرماد بطريقة الوزن، ومحتوى السكريات المختزلة الكلي باستخدام طريقة ميلر مع الزيلوز كمعيار، ومحتوى الفينولات الكلي عبر طريقة فولين-سيوكالتو مع حمض الغاليك كمعيار. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل المجموعات الوظيفية النشطة باستخدام مطيافية FTIR، وتم تحديد مكونات السكر من خلال الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) مع كاشف مؤشر الانكسار.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخراج الهيميسليلوز بنجاح من قش الأرز باستخدام محلول 4% NaOH عند 80 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، مما أسفر عن حوالي 1.6 جرام من الهيميسليلوز لكل 10 جرام من قش الأرز. خضع الهيميسليلوز المستخرج لتحلل إنزيمي باستخدام زيلاناز من *Aspergillus terreus*، محققًا عائدًا قدره 0.5 جرام من هيدروليز الهيميسليلوز من قش الأرز (RSHH) لكل جرام من الهيميسليلوز. كشفت خصائص RSHH عن محتوى رطوبة قدره 26 ± 1.4%، ومحتوى السكريات المختزلة الكلي قدره 48.3 ± 0.9%، ومحتوى الفينولات الكلي قدره 0.74 ± 0.01%، ومحتوى الرماد قدره 23.9 ± 0.1%.
حددت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) قممًا مميزة تتوافق مع المجموعات الوظيفية الموجودة في RSHH، مما يدل على خصائصه الهيكلية. كما حددت الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) سابقًا السكريات الزيلوليجوسيدية، مثل الزيلوبيوز (240.68 ملغ/جرام) والزيلوتريوز (17.79 ملغ/جرام)، كمنتجات رئيسية، بالإضافة إلى السكريات الأحادية بما في ذلك الزيلوز (146.73 ملغ/جرام)، والأرابينوز (54.95 ملغ/جرام)، والجلوكوز (36.43 ملغ/جرام). تؤكد هذه النتائج التحويل الفعال لهيميسليلوز قش الأرز إلى هيدروليز ذو قيمة، والذي له تطبيقات واعدة في تركيبات البريبيوتيك والأغذية الوظيفية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم النشاط الحيوي لهيدروليز الهيميسليلوز من قش الأرز (RSHH)، مع التركيز على خصائصه المضادة للأكسدة، والمضادة للسرطان، والبريبيوتيك. وُجد أن نشاط RSHH المضاد للأكسدة يبلغ 45.59 ± 0.75 ميكرومول تروكس مكافئ (TE)/ملغ، وهو ما يقارب الزيلوبيوز (49.42 ± 1.44 ميكرومول TE/ملغ)، بينما لم يظهر الزيلوتريوز أي نشاط. أظهر RSHH تثبيطًا يعتمد على التركيز لحيوية خلايا EAC، محققًا أقصى تقليل قدره 61.98 ± 0.59% عند 1000 ميكروجرام/مل. علاوة على ذلك، عزز RSHH بشكل كبير نمو سلالات البروبيوتيك المفيدة مقارنة بالبريبيوتيك التقليدية مثل الإينولين، دون تعزيز نمو البكتيريا المسببة للأمراض، مما يدل على نشاطه الانتقائي كبريبيوتيك.
أظهر تقييم السلامة الحيوية في الجرذان عدم وجود آثار سلبية على وزن الجسم أو صحة الأعضاء، حيث قام RSHH بتحسين ملف الدهون من خلال زيادة كوليسترول HDL وتقليل مستويات الكرياتينين واليوريا في الدم. كشفت خصائص جزيئات PLGA المحملة بـ RSHH عن كفاءة حبس قدرها 38.77% وحجم جزيئات يبلغ 204.9 ± 35.77 نانومتر، مما يدل على إمكانية التوصيل المستهدف في الأغذية الوظيفية. استكشفت الدراسة أيضًا صياغة زبادي سينبيوتيك، حيث دعم RSHH الحر في البداية أعداد البروبيوتيك الأعلى، لكن استنفاده السريع أثناء التخزين أبرز الحاجة إلى دمج الأشكال الحرة والمحجوزة لتحقيق الوظائف المثلى. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن RSHH هو مركب حيوي واعد له تطبيقات محتملة في تطوير الأغذية الوظيفية، لا سيما في تعزيز صحة الأمعاء. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين كفاءة الحبس والتحقق من الفوائد الصحية لـ RSHH في الجسم الحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-025-00539-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40825779
Publication Date: 2025-08-18
Author(s): Shaymaa A. Ismail et al.
Primary Topic: Microbial Metabolites in Food Biotechnology
Overview
This study introduces a novel synbiotic yogurt enhanced with free and PLGA-entrapped rice straw hemicellulose hydrolyzate (RSHH), aimed at providing immediate probiotic support alongside sustained prebiotic delivery. The RSHH, derived from enzymatic hydrolysis, contains 0.5 g/g hemicellulose and is rich in xylooligosaccharides, comprising 48.3% reducing sugars. It exhibits significant antioxidant activity (45.59 µmol Trolox/mg) and anticancer properties, evidenced by a 61.98% reduction in EAC cell viability at a concentration of 1000 µg/mL. The study found that RSHH promotes the growth of Lactiplantibacillus paraplantarum and Bifidobacterium bifidum more effectively than inulin, with biosafety tests on rats indicating no adverse effects and improved lipid profiles.
Additionally, RSHH was encapsulated in PLGA nanoparticles with an efficiency of 38.77%, a size of 204.9 nm, and a zeta potential of -18.3 mV, demonstrating spherical morphology and uniform distribution without aggregation, as confirmed by transmission electron microscopy (TEM). The yogurt formulation containing both free and entrapped RSHH exhibited optimal performance over a 20-day period. This dual-delivery system presents a promising approach to enhance probiotic viability and prebiotic stability in functional food applications.
Methods
In this study, bioactive rice straw hemicellulose hydrolyzate (RSHH) was produced through a systematic extraction and hydrolysis process. Initially, rice straw was prepared by cutting, grinding, washing, and drying. The hemicellulose fraction was extracted using a 4% NaOH solution, followed by thermal treatment at 80 °C and incubation. The solution was filtered, acidified to pH 5 with 37% HCl, and hemicellulose was precipitated using 95% ethanol. The precipitate was then purified and ground into a fine powder.
For hydrolysis, the hemicellulose was treated with xylanase derived from Aspergillus terreus at an enzyme-to-substrate ratio of 3.75 U/mg in a 0.05 M acetate buffer (pH 5) at 40 °C for 4 hours. The reaction was terminated by boiling, and the mixture was centrifuged to obtain a clear supernatant, which was air-dried and stored at -20 °C. The study measured the moisture and ash content gravimetrically, total reducing sugars using the Miller method with xylose as a standard, and total phenolic content via the Folin-Ciocalteu method with gallic acid as a standard. Additionally, the active functional groups were analyzed using FTIR spectroscopy, and sugar components were quantified through high-performance liquid chromatography (HPLC) with a refractive index detector.
Results
In this study, hemicellulose was successfully extracted from rice straw using a 4% NaOH solution at 80 °C for 1 hour, yielding approximately 1.6 g of hemicellulose per 10 g of rice straw. The extracted hemicellulose underwent enzymatic hydrolysis with xylanase from *Aspergillus terreus*, achieving a yield of 0.5 g of rice straw hemicellulose hydrolyzate (RSHH) per gram of hemicellulose. Characterization of the RSHH revealed a moisture content of 26 ± 1.4%, total reducing sugar content of 48.3 ± 0.9%, total phenolic content of 0.74 ± 0.01%, and an ash content of 23.9 ± 0.1%.
Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy identified characteristic peaks corresponding to functional groups present in the RSHH, indicating its structural properties. High-performance liquid chromatography (HPLC) analysis previously identified xylooligosaccharides, such as xylobiose (240.68 mg/g) and xylotriose (17.79 mg/g), as the primary products, along with monosaccharides including xylose (146.73 mg/g), arabinose (54.95 mg/g), and glucose (36.43 mg/g). These findings underscore the effective conversion of rice straw hemicellulose into a valuable hydrolyzate, which has promising applications in prebiotic formulations and functional foods.
Discussion
In this study, the bioactivity of rice straw hemicellulose hydrolysate (RSHH) was evaluated, focusing on its antioxidant, anticancer, and prebiotic properties. The antioxidant activity of RSHH was found to be 45.59 ± 0.75 µmole Trolox Equivalent (TE)/mg, comparable to xylobiose (49.42 ± 1.44 µmole TE/mg), while xylotriose showed no activity. RSHH demonstrated a concentration-dependent inhibition of EAC cell viability, achieving a maximum reduction of 61.98 ± 0.59% at 1000 µg/mL. Furthermore, RSHH significantly enhanced the growth of beneficial probiotic strains compared to traditional prebiotics like inulin, while not promoting the growth of pathogenic bacteria, indicating its selective prebiotic activity.
The in vivo biosafety assessment in rats showed no adverse effects on body weight or organ health, with RSHH improving the lipid profile by increasing HDL cholesterol and reducing blood creatinine and urea levels. Characterization of RSHH-loaded PLGA nanoparticles revealed an entrapment efficiency of 38.77% and a particle size of 204.9 ± 35.77 nm, indicating potential for targeted delivery in functional foods. The study also explored the formulation of a synbiotic yogurt, where free RSHH initially supported higher probiotic counts, but its rapid depletion during storage highlighted the need for combining free and encapsulated forms for optimal functionality. Overall, the findings suggest that RSHH is a promising bioactive compound with potential applications in functional food development, particularly in enhancing gut health. Future research should focus on optimizing encapsulation efficiency and further validating the health benefits of RSHH in vivo.