A descriptive study on the production of microbial derived protein

Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2024.

ENGLISH ABSTRACT: In recent years attention was given to the development of processing methods to increase the nutritional value of common feedstuffs. This includes extensively researched methods to produce high protein feed ingredients by fermenting waste or formulated mediums to produce single cell proteins that can partially replace feed related soybeans or fishmeal. Similar studies have also been conducted on full fat soybeans and soybean meal in an attempt to increase the nutritional value of these ingredients, as it is one of the largest contributors of high-quality protein in the global animal feed sector. However, the fermentation methods are often complex, requiring specialised equipment and specifically isolated or genetically modified microorganisms. This study aimed to present data on a simple methodological approach to produce microbial derived protein (MDP) under less complex processes and infrastructure. Similarly, this study is aimed at identifying and presenting data on the change in nutritional profiles of cultivating MDP and fermented soybeans for animal feed. During this study a preliminary trial into the effects of commercial soybean fermentation was also investigated. In the first trial, two experiments were conducted to determine the optimal fermentation temperature and duration to produce optimum MDP. During the experiments a commercial probiotic and bovine rumen liquor as inoculum was used to ferment a medium of commercial urea, molasses meal and maize (MMU). Experiment one consisted of fermentations at 25°C and 40°C over a 29- day period. During experiment two the results of experiment one was used to refine the process resulting in fermentations at 40°C for nine days. The results indicate that a MDP product with moderate protein levels was produced. Additionally, amino acid analysis indicated similar profiles to that of some monogastric animals. The second trial investigated whether a commercial inoculant could be used to add nutritional value to full fat soyabean under simple fermentation methodology. During the trial full fat soybean inoculated with a commercial probiotic was fermented for nine days at 40°C. The results indicated that crude protein levels and ash content of the fermented products were significantly (P <0.05) increased. Additionally, significant difference (P <0.05) was observed between the fatty acid profile of the unfermented and nine-day fermented products. During trial three the full fat soybean was fermented for seven days at 40°C in 1000 litre containers with a commercial inoculant. The fermented product produced significantly increased (P <0.05) values of crude protein, ash and ether extract than compared to the control. This study firstly developed a simplistic methodology to produce a MDP product containing moderate levels of crude protein proving that fresh rumen liquor can play an important role in the cultivation of single cell protein. Secondly, this study indicates that the commercial inoculant can add nutritional value to full fat soybeans if fermented under simplistic conditions. Lastly this study indicates that comparable results were achieved between commercial and in vitro soybean fermentation. However some nutritional disparities were observed suggesting that commercial soybean fermentation can be successful if the fermentation process can be refined.

AFRIKAANSE OPSOMMING: In onlangse navorsing is daar veral gefokus op die ontwikkeling van prosesseringsmetodes om die voedingswaarde van algemene voerbestanddele te verhoog. Dit sluit metodes in om hoë- proteïen voerbestandele te produseer, deur afval of geformuleerde mediums te fermenteer om enkel-sel proteïene te produseer wat voer verwante sojabone of vismeel gedeeltelik kan vervang. Soortgelyke studies is ook uitgevoer op volvet sojabone en sojaboonoliekoek in ’n poging om die voedingswaarde van hierdie bestanddele te verhoog, aangesien dit een van die grootste bydraers van hoë-kwaliteit proteïen in die diere voersektor is. Die fermentasiemetodes is egter dikwels kompleks en vereis gespesialiseerde toerusting en spesifiek geïsoleerde of geneties gemanipuleerde mikroörganismes. Hierdie studie het ten doel om data oor ’n eenvoudige metodologiese benadering tot die produksie van mikrobiese afgeleide proteïen (MDP) onder minder komplekse prosesse en infrastruktuur voor te lê. Die studie is ook daarop gemik om data oor die verandering in voedingsprofiels van die kweking van MDP en gefermenteerde sojabone vir diere-voeding te identifiseer en voor te lê. Gedurende hierdie studie is ’n voorlopige ondersoek na die effekte van kommersiële sojaboonfermentasie ook onderneem. In die eerste ondersoek is twee eksperimente uitgevoer om die optimale fermentasie- termperatuur en -duur te bepaal vir die produksie van optimale MDP. Tydens die eksperimente is ’n kommersiële probiotika en bees rumen vloeistof as inokulum gebruik om ’n medium van kommersiële ureum, melasse-meel en mielies (MMU) te fermenteer. Eksperiment een het bestaan uit fermentasies by 25°C en 40°C oor ’n periode van 29 dae. Tydens eksperiment twee is die resultate van eksperiment een gebruik om die proses te verfyn, wat gelei het tot fermentasies by 40°C vir nege dae. Die resultate dui daarop dat ’n MDP-produk met matige proteïenvlakke geproduseer is. Daarbenewens het aminosuuranalise soortgelyke profiele as sommige monogastriese diere aangetoon. Die tweede ondersoek het ondersoek ingestel of ’n kommersiële inokulum gebruik kon word om voedingswaarde by volvetsojabone te verhoog onder ‘n eenvoudige fermentasiemetodologie. Tydens die ondersoek is volvetsojaboon geïnokuleer met ’n kommersiële probiotika en vir nege dae by 40°C gefermenteer. Die resultate dui daarop dat die rou proteïenvlakke en as-inhoud van die gefermenteerde produkte beduidend (P <0.05) verhoog is. Daarbenewens is ’n beduidende verskil (P <0.05) waargeneem tussen die vetsuurprofiel van die ongefermenteerde en nege dae- gefermenteerde produkte. Tydens die derde ondersoek is volvetsojabone vir sewe dae by 40°C in 1000 liter houers met ’n kommersiële inokulum gefermenteer. Die gefermenteerde produk het groter (P <0.05) waardes van rou proteïen, asinhoud en eter ekstrak as waargeneem in die kontrole. Eerstens bied hierdie studie ’n eenvoudige prosedure om ’n MDP-produk met matige vlakke van rou proteïen te produseer, wat bewys dat vars bees rumen vloeistof ’n belangrike rol kan speel in die kweking van enkelselproteïen. Tweedens dui hierdie studie aan dat die kommersiële inokulum die vermoë het om voedingswaarde by volvetsojabone te voeg as dit onder eenvoudige toestande gefermenteer word. Laastens dui hierdie studie aan dat vergelykbare resultate tussen die kommersiële en in vitro-sojaboonfermentasie teenwoordig was, alhoewel daar enkele enkele nutrient ongelykhede waargeneem is wat daarop dui dat kommersiële sojaboonfermentasie suksesvol kan wees as die fermentasieproses verfyn kan word.

Masters