Fortschritte bei der Nutzung von Palmkerneinsatz für Viehfutter

Lignocellulose-Biomasse ist ein Material, das aus Pflanzen besteht. Dazu gehören Sachen wie Restteile aus der Landwirtschaft, Holzabfälle und Gartenabfälle. Diese Biomasse ist komplex und besteht hauptsächlich aus drei Komponenten: Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Ausserdem gibt's kleinere Mengen an Proteinen, Ölen und Mineralien. Lignocellulose-Biomasse ist günstig, reichlich vorhanden und umweltfreundlich. Sie hat viele Anwendungen, wie Energieerzeugung, Tierfutter, Biokraftstoffe und andere wertvolle Produkte wie Tenside und Biokunststoffe.

Allerdings ist es nicht einfach, das Beste aus lignocellulosischer Biomasse rauszuholen. Das liegt an den unterschiedlichen chemischen Strukturen ihrer Hauptbestandteile und den starken Bindungen, die sie zusammenhalten. Wegen dieser Herausforderungen ist oft ein Vorbehandlungsprozess nötig, um die Biomasse abzubauen, bevor sie effektiv genutzt werden kann. Es gibt mehrere Methoden für diese Vorbehandlung, darunter physikalische, chemische, biologische und Mischungen dieser Ansätze.

#Palmkernkuchen als Biomassequelle

Ein Beispiel für lignocellulosische Biomasse ist Palmkernkuchen (PKC). Nachdem Öl aus Ölpalmfrüchten gewonnen wurde, bleibt das übrig gebliebene Material als PKC. Während Palmkernöl zum Kochen und zur Seifenherstellung verwendet wird, dient PKC als proteinreiches Futter für Kühe. Je nachdem, wie das Öl gewonnen wird, kann PKC als Palmkernmehl (PKM) oder Palmkernexpeller (PKE) klassifiziert werden. PKM hat weniger restliches Öl und wird mit Lösungen hergestellt, während PKE, das durch mechanisches Pressen entsteht, mehr Öl enthält und einen höheren Brennwert hat. Das macht PKE zu einer attraktiveren Option für das Viehfutter.

PKC ist eine gute Alternative zu gängigem Futter wie Mais und Sojabohnenmehl. Es ist günstig, das ganze Jahr über verfügbar und konkurriert nicht mit Lebensmitteln für Menschen. Allerdings ist die Verwendung begrenzt, wenn bestimmte Tiere gefüttert werden, wie Schweine und Hühner, hauptsächlich aufgrund des hohen Fasergehalts. Die Fasern in PKC können bei nicht wiederkäuenden Tieren Probleme mit der Verdauung verursachen. Diese Fasern sind eine Mischung aus Galactomannan, Cellulose und anderen Sorten, die nicht leicht verdaulich sind. Diese geringe Verdaulichkeit bedeutet, dass PKC nur 20-25 % der Diät nicht wiederkäuender Tiere ausmachen sollte, während es bis zu 30-50 % der Diäten von Wiederkäuern wie Kühen ausmachen kann.

Um die Nutzung von PKC im Tierfutter zu verbessern, suchen Forscher nach Möglichkeiten, die Nährstoffverdaulichkeit durch Reduzierung des Fasergehalts zu erhöhen.

#Methoden zur Verbesserung der Faserverwertung

Ein Ansatz zum Abbau derFaser in PKC besteht darin, spezifische Mikroben oder Enzyme zu verwenden. Diese enzymatische Behandlung kann jedoch teuer sein, da eine grosse Menge und Vielfalt von Enzymen benötigt wird. Zudem können die Ergebnisse verschiedener Studien variieren, je nach den verwendeten Enzymtypen und den getesteten Diäten.

Mikrobielle Fermentation bietet eine kostengünstigere Lösung zur Umwandlung von wenig wertvoller lignocellulosischer Biomasse. Die Feststofffermentation (SSF), bei der Mikroorganismen auf feuchten festen Materialien ohne überschüssiges Wasser wachsen, wurde erforscht, um die Ernährung landwirtschaftlicher Nebenprodukte zu verbessern. SSF kann verschiedene landwirtschaftliche Abfallprodukte effizient nutzen und erzeugt weniger flüssigen Abfall. Die Mikroorganismen in diesem Prozess können Enzyme produzieren, die komplexe Fasern abbauen, die Verdaulichkeit verbessern und gleichzeitig das Futter schmackhafter und besser in Bezug auf Aminosäuren machen.

Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl Bakterien als auch Pilze den Proteingehalt erhöhen und gleichzeitig den Fasergehalt in PKC durch Fermentation senken können. Viele Studien haben jedoch lange Fermentationszeiten betont, was die Kosten und Kontaminationsrisiken erhöhen kann. Eine Studie zeigte beispielsweise eine signifikante Faserreduktion und Proteinsteigerung mit bestimmten Bakterien nach sieben Tagen Fermentation.

Diese Forschung konzentriert sich auf die Isolierung eines spezifischen Stamms von Bacillus Subtilis, der die Faser in PKC schnell stark reduzieren kann. Während viele Studien sich auf PKE konzentrieren, untersucht diese Studie PKM, das weniger Energie hat, aber durch den Fermentationsprozess möglicherweise mehr Vorteile bietet.

#Isolierung und Screening von B. subtilis

Die Forschung begann mit der Isolation des Bacillus subtilis Stammes aus dem Exokarp der Palmfrucht, einem Teil der Palmfrucht. Dazu spülten die Forscher die Palmfrüchte, mischten das Waschmittel mit sterilisiertem PKM und liessen die Mischung zwei Wochen inkubieren. Danach übertrugen sie die Bakterien auf spezielle Agarplatten, um einzelne Kolonien zu identifizieren. Die vielversprechendsten Stämme wurden auf ihre Fähigkeit getestet, Enzyme zu produzieren, die Mannan, einen Hauptbestandteil von PKC, abbauen.

Der B. subtilis Stamm mit den besten Ergebnissen wurde als Stamm F6 identifiziert. Dieser Stamm produzierte nicht nur eine gute Menge Mannanase, sondern zeigte auch eine schnelle Reaktion, als er auf PKM gewachsen wurde.

#Feststofffermentation von PKM

In den Fermentationsexperimenten wurde PKM sterilisiert und dann mit dem Stamm F6 inokuliert. Die Fermentation erfolgte durch Inkubation von PKM bei 37 °C für bis zu 24 Stunden. Nach der Fermentation analysierten die Forscher die enzymatische Aktivität und den Fasergehalt von PKM.

Die Studie stellte fest, dass bereits nach sechs Stunden Fermentation signifikante Mannanase-Aktivität vorhanden war. Der Fasergehalt (gemessen als neutrale Detergenzienfaser, oder NDF) fiel nach nur einer Nacht Fermentation von 78,4 % auf 60,9 %. Diese Abnahme der Faser ist entscheidend, um die Verdaulichkeit von PKM beim Einsatz als Tierfutter zu verbessern.

#Analyse der enzymatischen Aktivität

Die Mannanase-Aktivität wurde mit einer Methode gemessen, die bestimmt, wie viel reduzierender Zucker während des Abbaus von PKM freigesetzt wird. Die Ergebnisse zeigten, dass B. subtilis F6 sehr effektiv darin war, Mannanase zu produzieren, was half, den Fasergehalt im PKM zu reduzieren.

Um weiter zu forschen, schauten die Forscher sich die Gene an, die vom B. subtilis Stamm während der Fermentation exprimiert wurden. Sie fanden eine signifikante Hochregulation von Genen, die mit der Mannanase-Produktion in Verbindung stehen, was auf eine robuste Reaktion zum Abbau der Faser in PKM hinweist.

#Genetische und Proteinanalysen

In der Studie wurde das genetische Material von B. subtilis F6 extrahiert, um mehr über seine Enzyme zu erfahren. Bei der Analyse der Genexpression fanden die Forscher heraus, dass bestimmte Enzyme, die mit dem Abbau von Mannan in Verbindung stehen, während der Fermentation in höheren Mengen produziert wurden. Dazu gehörten zwei wichtige Enzyme: GmuG und EglS, die entscheidende Rollen beim Abbau von Mannan und Cellulose spielen.

B. subtilis F6 wurde dann genetisch so verändert, dass er diese Enzyme produzieren kann. Die Forscher konnten erfolgreich die GmuG- und EglS-Proteine in E. coli exprimieren, um gereinigte Proben für weitere Tests zu erhalten.

#Hydrolyse von PKM mit rekombinanten Proteinen

Die gereinigten rekombinanten Enzyme wurden dann an PKM getestet, um ihre Effektivität zu überprüfen. Die Studie mass, wie gut diese Enzyme über die Zeit reduzierte Zucker aus PKM freisetzen konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass das Enzym GmuG besonders effektiv war, was auf seine zentrale Rolle beim Abbau von PKC-Fasern hinweist.

Interessanterweise schien das Endoglucanase-Enzym EglS nicht signifikant zum Abbau von PKM beizutragen, was verdeutlichte, dass GmuG das Hauptenzym im Prozess war.

#Biochemische Eigenschaften des Enzyms

Die Studie erkundete auch die biochemischen Eigenschaften von GmuG, einschliesslich seiner optimalen Bedingungen für die Aktivität, wie Temperatur und pH-Wert. Es wurde festgestellt, dass das Enzym bei Temperaturen zwischen 50-55 °C am besten arbeitet. Ausserdem zeigte es Aktivität bei unterschiedlichen pH-Werten, was auf Vielseitigkeit hinweist.

Die Substratspezifitätstests bestätigten, dass GmuG hauptsächlich auf Mannan-Substrate wirkt, mit kaum oder keiner Aktivität auf Cellulose oder anderen Kohlenhydraten, was seine Rolle beim Abbau der Hauptbestandteile von PKC bestätigt.

#Fazit

Zusammenfassend haben die Forscher erfolgreich einen hoch-mannanase-produzierenden Stamm von Bacillus subtilis aus dem Exokarp der Palmfrucht isoliert, der effektiv Palmkernmehl fermentieren kann, um den Fasergehalt zu reduzieren. Dieser Prozess kann die Verdaulichkeit von PKM verbessern und es zu einer wertvolleren Futteroption für Nutztiere machen.

Das identifizierte Enzym GmuG war zentral für diesen Prozess und zeigte eine starke Aktivität beim Abbau von Mannan. Zukünftige Arbeiten könnten sich darauf konzentrieren, dieses Bakterium weiter zu optimieren und seinen Einsatz in anderen landwirtschaftlichen Nebenprodukten zu erforschen.

Diese Forschung legt den Grundstein für die Verbesserung der Nutzung von lignocellulosischer Biomasse und macht sie zu einer praktischen Lösung zur Schaffung von effektivem und nahrhaftem Tierfutter.