مطالعه روند تغييرات باگاس نيکشر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار
کيوان کرکودي (استاديار گروه علوم دامي، دانشکده کشاورزي دانشگاه آزاد اسلامي واحد ساوه) و مجتبي زاهدي فر (استاديار پژوهش موسسه تحقيقات علوم دامي کشور، کرج)
تاريخ دريافت: 86/5/13
تاريخ پذيرش: 86/9/15
کلمات کليدي: روند تغييرات هضم، باگاس نيشکر، عمل آوري با بخار، تجزيه پذيري، توليد گاز، همي سلولز
بيش از 60 درصد ماده خشک باگاس نيشکر داراي سلولز و همي سلولز است، ليکن تجزيه پذيري شکمبه اي آن بسيار کم است که عمدتا به دليل وجود ليگنين مي باشد زيرا از کربوهيدرات هاي ديواره سلولي، در برابر حمله ميکروب هاي شکمبه محافظت مي کند. باگاس نيشکر داراي حدود 50 درصد سلولز، 27/9 درصد همي سلولز، 9/8 درصد ليگنين و 11/3 درصد محتويات سلولي است.
يکي از روش هاي عمل آوري در بهبود ارزش غذايي مواد ليگنوسلولزي، عمل آوري با بخار آب تحت فشار است. در اين روش سوبسترا در داخل يک محفظه فشار قرار گرفته و محتويات داخل محفظه که خود داخل سبدهاي استيل هستند، به مدت معيني توسط بخار آب به صورت انفجاري حرارت داده مي شوند که در اثر اين عمل، نسبت زيادي از همي سلولز، در آب محلول شده و خصوصيات بخش ليگنين تغيير مي يابد. اثر اصلي عمل آوري با بخار آب تحت فشار افزايش مصرف خوراک و ضريب هضمي آن است. در حالي که در برخي تحقيقات اثر کمي بر هيدروليز آنزيمي و تجزيه پذيري شکمبه اي مواد ليگنوسلولزي گزارش شده است، کاسترو (Castro) و همکاران، گزارش کردند هنگامي که به گاوها باگاس نيشکر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار داده شد، کاهش pH و زمان ابقاء در شکمبه حاصل شده که به تخريب گسترده الياف طي عمل آوري مربوط مي شود. البته در اين روش توليد برخي از ترکيبات نامطلوب مانند مشتقات فوراني، اسيد فرميک و اسيد استيک اتفاق مي افتد که امکان حذف آنها از بخش جامد مواد ليگنوسلولزي از طريق شستشو وجود دارد.
عمل آوري با بخار آب تحت فشار به عنوان يک روش عمل آوري فيزيکي مطرح است، اما در واقع يک فرايند حرارتي - مکانيکي و شيميايي است که از اصول هيدروليز اسيدي تبعيت مي نمايد. مزيت عمل آوري با بخار آب در چند دليل خلاصه مي شود: هيدروليز کامل همي سلولز، دپليمريزه شدن ليگنين و توزيع دوباره آن در ديواره سلولي، تورم ديواره سلولي و افزايش جرم حجم عملکردي (Functional Specific Gravity) که منجر به استفاده بهتر پلي ساکاريدهاي مواد عمل آوري شده توسط آنزيم هاي آزاد سلولي (cell free enzymes) و آنزيمهاي ميکروبي مي شود. همچنين نشان داده شده که حدود 60 درصد همي سلولز باگاس نيشکر هيدروليز مي شود که در نتيجه سلولز، بيشتر در معرض هيدروليز آنزيمي قرار مي گيرد.
عمل آوري با بخار آب تحت فشار به عوامل متعددي مانند فشار، زمان عمل آوري و رطوبت بستگي دارد. هارتن (Horton) و همکاران، براي عمل آوري باگالس نيشکر، آن را به مدت دو دقيقه تحت فشار 20 مگاپاسکال قرار داده و به دو شکل پلت شده و پلت نشده در تغذيه گاوهاي اخته برهمن استفاده نمودند. اين محققين کاهش ضريب هضمي باگاس نيشکر عمل آوري شده به صورت پلت را گزارش کرده و هنگام به کارگيري آن بصورت پلت نشده تا سطح 15 درصد جيره، بهبود افزايش وزن روزانه را گزارش کردند. ليو (Liu) و همکاران، افزايش نرخ توليد گاز را در کاه برنج عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار 14/8 تا 18/75 اتمسفر در مدت زمان 0 تا 10 دقيقه مشاهده نمودند، اين محققين گزارش کردند که پتانسيل توليد گاز به طور معني داري افزايش نيافته ولي، کاهش قندهاي محلول با افزايش فشار بخار و زمان عمل آوري قابل توجه و معني دار بوده است.
هدف از اجراي اين تحقيق، مطالعه تاثير سطوح مختلف بخار آب تحت فشار و زمان هاي مختلف عمل آوري بر کينتيک هضم باگاس نيشکر و تعيين شرايط بهينه عمل آوري آن بوده است.
محاسبه اتلاف ماده خشک: با محاسبه مستقيم تفاوت درصد ماده خشک نمونه ها قبل و بعد از عمل آوري، درصد اتلاف ماده خشک آنها گزارش گرديد.
آناليز ترکيبات ديواره سلولي: ترکيب شيميايي تمام نمونه ها شامل؛ ديواره سلولي(NDF) و ديواره سلولي فاقد همي سلولز (ADF) با استفاده از دستگاه اتوماتيک اندازه گيري الياف (Fibertec System) و روش پيشنهادي ون سوست و لوئيس (Van Soest & Lewis) اندازه گيري شد.
اندازه گيري مقدار قند محلول در آب: مقدار قند محلول در آب نمونه ها با روش فنل - سولفوريک با برخي تغييرات و استفاده از محلول قند زايلوز (ANO.X1500)(D-Xylose, Sigma product ) به عنوان استاندارد (نگارنده) اندازه گيري شد، بدين منظور؛ به 500 ميلي گرم نمونه خشک که با آسياب چکشي داراي غربال با قطر منافذ يک ميلي متر آسياب شده بود، 100 ميلي ليتر آب دو بار تقطير افزوده به مدت دو ساعت در حمام آب داراي لرزاننده با دماي 40 درجه سانتي گراد و دور لرزش 120 مرتبه در دقيقه، قرار داده شد. سپس مخلوط حاصل توسط کروسيبل با قطر منافذ 2 ميکرون عصاره گيري شد و 0/1 ميلي ليتر از عصاره صاف شده در سه تکرار به لوله هاي آزمايش مجزا منتقل شده و به هر يک 0/4 ميلي ليتر آب دوبار تقطير، 0/5 ميلي ليتر محلول فنل 0/5 درصد (حجم / وزن) و سپس 2/5 ميلي ليتر اسيد سولفوريک غليظ (98%) به سرعت افزوده شد. پس از رسيدن دماي محلول نهايي به دماي محيط، با استفاده از دستگاه اسپکتروفنومتر جذب نوري محلول نهايي در طول موج 477 نانومتر قرائت گرديد. جهت اندازه گيري مقدار قند محلول در آب نمونه ها (مول در ليتر)، از منحني استاندارد زايلوز استفاده شد.
اندازه گيري همي سلولز: مدار همي سلولز نمونه ها از روش هيدروليز تري فلئورو اسيد استيک با انجام برخي تغييرات و استفاده از نمونه هاي فاقد قندهاي محلول (نگارنده)، اندازه گيري شد. بدين منظور، نمونه هاي فاقد قند محلول باقيمانده در کروسيبل از آزمايش قبل، به مدت 24 ساعت در آون با دماي 105 درجه سانتيگراد خشک شد. آن گاه به 5 ميلي گرم نمونه خشک، 5 ميلي ليتر محلول تري فلئورو اسيد استيک 2 مولار افزوده و به مدت يک ساعت در حمام روغن با دماي 121 درجه سانتي گراد قرار داده شد. پس از رسيدن دماي مخلوط حاصل به دماي محيط، سانتريفيوژ گرديد (15 دقيقه، با دور g3000). سپس به ازاي هر نمونه 3 بار به حجم 0/5 ميلي ليتر از عصاره بالايي برداشته و به لوله هاي آزمايش مجزا منتقل شده و به هر يک مقدار 0/5 ميلي ليتر محلول فنل 0/5 درصد (حجم /وزن) و سپس 2/5 ميلي ليتر اسيدسولفوريک غليظ (98%) به سرعت افزوده شد. پس از رسيدن دماي محلول نهايي به دماي محيط، با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر جذب نوري محلول نهايي در طول موج 477 نانومتر قرائت گرديد. جهت اندازه گيري مقدار همي سلولز نمونه ها (ميلي گرم در ليتر)، از منحني استاندارد زايلان (Xylan from Beechwood>90% Xylose residues, Sigma product(A.NO.1.07190) استفاده شد.
تعيين تجزيه پذيري (in situ technique): براي اين منظور با توجه به دستورالعمل تجزيه پذيري ارسکو و همکاران، چهار گرم نمونه خشک در داخل کيسه هاي داکروني به ابعاد 17×10 سانتي متر و قطر منافذ 50-40 ميکرون قرار داده و پس از اتصال کيسه ها به شيلنگ هاي پلاستيکي توسط حلقه هاي لاستيکي، درون شکمبه سه راس گاو اخته و بالغ تالشي (توضيح اينکه از هر نمونه در هر يک از ساعات انکوباسيون مورد مطالعه، يک تکرار در داخل شکمبه هر دام به قيد قرعه) قرار داده شد و پس از 0، 4، 8، 16، 24، 48، 72 و 96 ساعت از شکمبه خارج گرديد. سپس کيسه هاي حاوي نمونه در ماشين شوينده به مدت 60-50 دقيقه (1) با آب سرد شسته و در انتها به مدت 48 ساعت در آون با دماي 60 درجه سانتي گراد، خشک شد. سپس تفاوت وزن نمونه ها، قبل و بعد از تجزيه پذيري ثبت گرديد. پس از محاسبه درصد کاهش ماده خشک کيسه ها در ساعات مختلف انکوباسيون، داده ها با استفاده از نرم افزار FCURVE6 مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و از مدل نمايي ارسکو (Orskov) و همکاران؛ براي براش داده استفاده گرديد.
در اين مدل Pt ميزان تجزيه پذيري در t ساعت پس از شروع انکوباسيون بر حسب درصد، a عرض از مبداء حاصل از برون يابي منحني در زمان صفر، b تانژانت منحني در زمان بينهايت و c نرخ ثابت کسري منحني نمايي مي باشد. همچنين، اتلاف شستشو و درصد تجزيه پذيري موثر (نرخ عبور 2 درصد در ساعت) محاسبه و گزارش گرديد.
تعيين ميزان توليد گاز (Gas production technique): در اين تحقيق براي اندازه گيري حجم گازهاي توليدي در اثر فعاليت ميکروارگانيسم هاي شکمبه از روش پيشنهادي منک و استينگس (Manke & Steingass)، استفاده شد.
سپس توليد گاز 2، 4، 6، 8، 12، 24، 48، 72 و 96 ساعت پس از شروع انکوباسيون قرائت گرديد. داده هاي حاصله با مدل نمايي ارسکو و همکاران؛ [GP=a+b(1-e-ct)] برازش شدند. در اين معادله a, b, c ثابت هاي مدل بوده و GP حجم گاز در ساعت t بر حسب ميلي ليتر است. همچنين a+b به عنوان پتانسيل توليد گاز گزارش گرديد.
مدل آماري: داده هاي بدست آمده در قالب طرح آزمايشي کاملا تصادفي با روش فاکتوريل 3×3 (سه سطح فشار و سه سطح زمان عمل آوري) براي هر نمونه در 3 تکرار بدون احتساب شاهد، توسط نرم افزار SAS آناليز واريانس شده و مقايسه ميانگين ها از طريق آزمون دانکن صورت گرفت. همچنين، براي مقايسه نمونه هاي عمل آوري شده با شاهد، داده ها در قالب طرح آزمايشي کاملا تصادفي توسط نرم افزار SAS آناليز واريانس شده و مقايسه ميانگين ها از طريق آزمون دانت صورت گرفت.
شده با بخار آب تحت فشار 14/8 تا 18/75 اتمسفر در مدت زمان 0 تا 10 دقيقه مشاهده نمودند. در آزمايش حاضر، با افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر و زمان عمل آوري از 120 تا 240 ثانيه مقدار کاهش ماده خشک از 1/26 درصد (14 اتمسفر -120 ثانيه)، به 4/55 درصد (20 اتمسفر- 240 ثانيه) افزايش يافت (جدول 1) که اين ميزان بسيار کمتر از آزمايشات فوق الذکر بود. همچنين، کاهش ماده خشک در فشار بخار 14، 17 و 20 اتمسفر به ترتيب برابر با 1/52، 2/45 و 3/60 درصد و در مدت زمان عمل آوري 120، 180 و 240 ثانيه به ترتيب برابر با 2/08، 2/46 و 3/02 درصد بود که تمام اين ميانگين ها تفاوت معني داري با هم داشتند (P<0/05). کاهش ماده خشک نشانه کاهش مواد مغذي و توليد مشتقات فوراني است، اما مي تواند به عنوان حاصل خود هيدروليز همي سلولز مطرح باشد، لذا با توجه به جدول 1 ملاحظه مي گردد که با افزايش در مقدار کاهش ماده خشک، مقدار همي سلولز کاهش يافته، به طوريکه بيشترين مقدار کاهش ماده خشک مربوط به باگاس نيشکر عمل آوري شده در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه بوده که داراي کمترين مقدار همي سلولز نيز بوده است (P<0/05).
ترکيبات شيميايي: عمل آوري باگاس نيشکر با بخار آب تحت فشار موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي (NDF) (Neutral Detergent Fiber)، ديواره سلولي فاقد همي سلولز (ADF) (Acid Detergent Fiber) و همي سلولز (Hem (Hemicellulose) و نيز افزايش معني دار مقدار قند هاي محلول در آب (WSS) (Water Soluble Sugar) در مقايسه با باگاس نيشکر عمل آوري نشده (شاهد) گرديد (P<0/05) . هر يک از اثرات اصلي فشار بخار و زمان عمل آوري نيز به طور معني داري موجب کاهش مقدار ديواره سلولي شد (نمودار 1). افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي از 77/66 به 62/53 درصد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي از 74/80 به 64/78 درصد شد (P<0/05). اثر متقابل اين دو عامل بهترين نتيجه را در باگاس نيشکر عمل آوري شده در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه داشته که به 56/60 درصد کاهش يافت (P<0/05). اما اثر فشار بخار، زمان عمل آوري و اثر متقابل آنها تاثير معني داري بر مقدار ديواره سلولي فاقد همي سلولز نداشت. اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري موجب کاهش غير معني دار ديواره سلولي فاقد همي سلولز شد و در تيمار با فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه، به کمترين مقدار خود يعني 51/67 درصد رسيد. در مقابل، عمل آوري با بخار آب تحت فشار موجب کاهش مقدار همي سلولز نمونه ها در مقايسه با شاهد شد. در اين تحقيق افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز از 21/81 به 15/17 درصد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 180 ثانيه موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز از 20/58 به 16/53 درصد شد (نمودار 1). با توجه به جدول 1 اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز گرديد(P<0/05).
در مورد ديواره سلولي فاد همي سلولز، ليو و همکاران، افزايش اين بخش را با افزايش فشار بخار و زمان عمل آوري مشاهده نمودند، ليکن در مورد ديواره سلولي و همي سلولز نتايج مشابهي را گزارش نمودند اما، نتايج تحقيقات ديگر محققين در مورد مقايسه نمونه هاي عمل آوري شده و عمل آوري نشده مشابه نتايج بدست آمده در آزمايش حاضر بود(2). رنگن کار(Rangnekar) و همکاران، تاثير بخار آب تحت فشار 4/84 تا 8/7 اتمسفر در مدت 30 و 60 دقيقه بر خواص شيميايي و قابليت هضم باگاس نيشکر، کاه برنج و کاه سورگوم را مورد مطالعه قرار دادند. اين محققين ثابت بودن مقدار ديواره سلولي فاقد همي سلولز و کاهش درصد ديواره سلولي فاقد همي سلولز و کاهش درصد ديواره سلولي را در اثر اين نوع عمل آوري گزارش نمودند. کينتيک تجزيه شکمبه اي : اتلاف شستشو (WL) (Washing Loss) ، پتانسيل تجزيه پذيري (a+b)، تجزيه پذيري 48 ساعت پس از شروع انکوباسيون و تجزيه پذيري موثر در نرخ عبور 2 درصد تمام حالات عمل آوري باگاس نيشکر در مقايسه با شاهد، به طور معني داري افزايش داشت P<0/05). در اين تحقيق افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب افزايش معني دار (P<0/05) اتلاف شستشو از 13/31 به 19/66 درصد، پتانسيل تجزيه پذيري از 61/55 به 68/56 درصد، تجزيه پذيري ساعت 48 از 48/42 به 59/47 درصد، تجزيه پذيري موثر از 42/88 به 52/84 درصد و نرخ تجزيه پذيري از 3/68 به 4/55 درصد در ساعت گرديد. همچنين افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه تاثير معني داري بر اتلاف شستشو و پتانسيل تجزيه پذيري نداشت، ولي موجب افزايش معني دار (P<0/05) تجزيه پذيري ساعت 48 از 52/03 به 59/77 درصد، تجزيه پذيري موثر از 45/36 به 53/28 درصد، و نرخ تجزيه پذيري از 3/80 به 4/57 درصد در ساعت شد. توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد اتلاف شستشو، تجزيه پذيري موثر و نرخ تجزيه پذيري به ترتيب 30/63، 58/13 و 5/27 درصد در تيمار 17 اتمسفر- 240 ثانيه و بيشترين مقدار تجزيه پذيري ساعت 48 و پتانسيل تجزيه پذيري به ترتيب 63/63 و 71/10 درصد در تيمار 20 اتمسفر - 240 ثانيه بود.
کاسترو نيز افزايش اتلاف شستشو را پس از عمل آوري کاه گندم با افزايش فشار بخار از 98 به 134 درجه سانتي گراد و زمان عمل آوري از 40 تا 120 دقيقه گزارش داده و بيان نمود که اين افزايش همبستگي منفي مناسبي با کاهش درصد ديواره سلولي داشته است که در تحقيق حاضر، اين همبستگي 0/5572 بود.
کينتيک تخمير و توليد گاز: کل توليد گاز (GP) (Gas Production )، نرخ توليد گاز (GPR) (Gas Production Rate)، توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون (GP24) و پتانسيل توليد گاز (PGP) (Potential Gas Production) تمام حالات عمل آوري باگاس نيشکر در مقايسه با شاهد، به طور معني داري افزايش يافت (P<0/05). باتوجه به نمودار 3 افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر موجب افزايش معني دار (P<0/05) توليد گاز پس از 24 ساعت انکوباسيون، از 30/69 به 41/94 ميلي ليتر در ساعت شد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه موجب افزايش معني دار (P<0/05) توليد گاز پس از 24 ساعت انکوباسيون از 37/23 به 41/52 ميلي ليتر و نرخ توليد گاز از 3/67 به 4/41 ميلي ليتر در ساعت شد. اما اثر فشار بخار، همچنين زمان عمل آوري بر ساير فراسنجه ها معني دار نبود. با توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد کل توليد گاز و توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون به ترتيب 61/85، 44/11 ، ميلي ليتر و نرخ توليد گاز، 4/87 ميلي ليتر در ساعت مربوط به فشار 20 اتمسفر و زمان عمل آوري 240 ثانيه بود. البته ميانگين هاي اثرات متقابل مربوط به پتانسيل توليد گاز و توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون تفاوت معني داري با هم نداشتند (P<0/05). نتايج آزمايش حاضر با نتايج بدست آمده توسط کاسترو همخواني دارد. او نشان داد که افزايش دماي عمل آوري با بخار از 98 تا 134 درجه سانتيگراد و زمان عمل آوري از 40 تا 120 دقيقه بر کاه گندم، تاثير مثبت روي هيدروليز همي سلولز و افزايش توليد گاز داشت و توانست ميزان توليد گاز را در واحد زمان افزايش دهد، ليکن ميان تيمارهاي مختلف تفاوتي معني دار از لحاظ کل توليد گاز و پتانسيل توليد گاز وجود نداشت، اين در حالي بود که عمل آوري، تمام فراسنجه ها را در مقايسه با شاهد به طور معني داري بهبود داد (P<0/05). در باگاس نيشکر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار در مقايسه با شاهد، مقدار قندهاي محلول بطور معني داري افزايش يافت (P<0/05). افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر مقدار قندهاي محلول را از 10/65 به 25/14 و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه مقدار قندهاي محلول را از 13/75 به 22/42 درصد افزايش داد. با توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد مقدار قندهاي محلول 29/52 درصد (20 اتمسفر- 240 ثانيه) بود. در بررسي اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري فراسنجه هاي توليد گاز، روابط کمي با مقدار قندهاي محلول در آب (WSS) داشتند. معادلات بدست آمده که در آنها X درصد قندهاي محلول در آب بوده ارائه گرديده است:
GPR=0/0856x+2/3662 R2=0/818
GP=0/126x+57/71 R2=0/8096
GP=0/4307x+31/5 R2=0/8805
با توجه به نتايج بدست آمده، مي توان استنباط نمود که ارزش غذايي باگاس نيشکر عمل آوري شده تا حد زيادي وابسته به ميزان توليد قندهاي محلول بوده و بنابراين در نمونه هايي که ميزان همي سلولز بيشتري هيدروليز گشته، قندهاي محلول بيشتري نيز توليد شده، که در نتيجه ضريب هضمي و ارزش غذايي باگاس بيشتر خواهد بود.
شرايط بهينه عمل آوري: با توجه به نتايج فوق، عمل آوري در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه بهترين نتيجه را در بخش تجزيه پذيري (تجزيه پذيري ساعت 48، 63/63 درصد) و توليد گاز (توليد گاز در ساعت 24، 44/11 ميلي ليتر) داشت و در اين حالت، کمترين درصد ديواره سلولي و همي سلولز و بيشترين درصد قندهاي محلول (به ترتيب، 56/60، 11/89 و 29/52 درصد) به دست آمد که ظاهرا بهترين نوع عمل آوري در اين آزمايش بوده و لازم است آزمايش هاي مزرعه اي مرتبط براي تعيين تحقيقات عملکردي صورت گيرد.
/س
تاريخ دريافت: 86/5/13
تاريخ پذيرش: 86/9/15
چکيده
کلمات کليدي: روند تغييرات هضم، باگاس نيشکر، عمل آوري با بخار، تجزيه پذيري، توليد گاز، همي سلولز
مقدمه
بيش از 60 درصد ماده خشک باگاس نيشکر داراي سلولز و همي سلولز است، ليکن تجزيه پذيري شکمبه اي آن بسيار کم است که عمدتا به دليل وجود ليگنين مي باشد زيرا از کربوهيدرات هاي ديواره سلولي، در برابر حمله ميکروب هاي شکمبه محافظت مي کند. باگاس نيشکر داراي حدود 50 درصد سلولز، 27/9 درصد همي سلولز، 9/8 درصد ليگنين و 11/3 درصد محتويات سلولي است.
يکي از روش هاي عمل آوري در بهبود ارزش غذايي مواد ليگنوسلولزي، عمل آوري با بخار آب تحت فشار است. در اين روش سوبسترا در داخل يک محفظه فشار قرار گرفته و محتويات داخل محفظه که خود داخل سبدهاي استيل هستند، به مدت معيني توسط بخار آب به صورت انفجاري حرارت داده مي شوند که در اثر اين عمل، نسبت زيادي از همي سلولز، در آب محلول شده و خصوصيات بخش ليگنين تغيير مي يابد. اثر اصلي عمل آوري با بخار آب تحت فشار افزايش مصرف خوراک و ضريب هضمي آن است. در حالي که در برخي تحقيقات اثر کمي بر هيدروليز آنزيمي و تجزيه پذيري شکمبه اي مواد ليگنوسلولزي گزارش شده است، کاسترو (Castro) و همکاران، گزارش کردند هنگامي که به گاوها باگاس نيشکر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار داده شد، کاهش pH و زمان ابقاء در شکمبه حاصل شده که به تخريب گسترده الياف طي عمل آوري مربوط مي شود. البته در اين روش توليد برخي از ترکيبات نامطلوب مانند مشتقات فوراني، اسيد فرميک و اسيد استيک اتفاق مي افتد که امکان حذف آنها از بخش جامد مواد ليگنوسلولزي از طريق شستشو وجود دارد.
عمل آوري با بخار آب تحت فشار به عنوان يک روش عمل آوري فيزيکي مطرح است، اما در واقع يک فرايند حرارتي - مکانيکي و شيميايي است که از اصول هيدروليز اسيدي تبعيت مي نمايد. مزيت عمل آوري با بخار آب در چند دليل خلاصه مي شود: هيدروليز کامل همي سلولز، دپليمريزه شدن ليگنين و توزيع دوباره آن در ديواره سلولي، تورم ديواره سلولي و افزايش جرم حجم عملکردي (Functional Specific Gravity) که منجر به استفاده بهتر پلي ساکاريدهاي مواد عمل آوري شده توسط آنزيم هاي آزاد سلولي (cell free enzymes) و آنزيمهاي ميکروبي مي شود. همچنين نشان داده شده که حدود 60 درصد همي سلولز باگاس نيشکر هيدروليز مي شود که در نتيجه سلولز، بيشتر در معرض هيدروليز آنزيمي قرار مي گيرد.
عمل آوري با بخار آب تحت فشار به عوامل متعددي مانند فشار، زمان عمل آوري و رطوبت بستگي دارد. هارتن (Horton) و همکاران، براي عمل آوري باگالس نيشکر، آن را به مدت دو دقيقه تحت فشار 20 مگاپاسکال قرار داده و به دو شکل پلت شده و پلت نشده در تغذيه گاوهاي اخته برهمن استفاده نمودند. اين محققين کاهش ضريب هضمي باگاس نيشکر عمل آوري شده به صورت پلت را گزارش کرده و هنگام به کارگيري آن بصورت پلت نشده تا سطح 15 درصد جيره، بهبود افزايش وزن روزانه را گزارش کردند. ليو (Liu) و همکاران، افزايش نرخ توليد گاز را در کاه برنج عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار 14/8 تا 18/75 اتمسفر در مدت زمان 0 تا 10 دقيقه مشاهده نمودند، اين محققين گزارش کردند که پتانسيل توليد گاز به طور معني داري افزايش نيافته ولي، کاهش قندهاي محلول با افزايش فشار بخار و زمان عمل آوري قابل توجه و معني دار بوده است.
هدف از اجراي اين تحقيق، مطالعه تاثير سطوح مختلف بخار آب تحت فشار و زمان هاي مختلف عمل آوري بر کينتيک هضم باگاس نيشکر و تعيين شرايط بهينه عمل آوري آن بوده است.
مواد و روش ها
محاسبه اتلاف ماده خشک: با محاسبه مستقيم تفاوت درصد ماده خشک نمونه ها قبل و بعد از عمل آوري، درصد اتلاف ماده خشک آنها گزارش گرديد.
آناليز ترکيبات ديواره سلولي: ترکيب شيميايي تمام نمونه ها شامل؛ ديواره سلولي(NDF) و ديواره سلولي فاقد همي سلولز (ADF) با استفاده از دستگاه اتوماتيک اندازه گيري الياف (Fibertec System) و روش پيشنهادي ون سوست و لوئيس (Van Soest & Lewis) اندازه گيري شد.
اندازه گيري مقدار قند محلول در آب: مقدار قند محلول در آب نمونه ها با روش فنل - سولفوريک با برخي تغييرات و استفاده از محلول قند زايلوز (ANO.X1500)(D-Xylose, Sigma product ) به عنوان استاندارد (نگارنده) اندازه گيري شد، بدين منظور؛ به 500 ميلي گرم نمونه خشک که با آسياب چکشي داراي غربال با قطر منافذ يک ميلي متر آسياب شده بود، 100 ميلي ليتر آب دو بار تقطير افزوده به مدت دو ساعت در حمام آب داراي لرزاننده با دماي 40 درجه سانتي گراد و دور لرزش 120 مرتبه در دقيقه، قرار داده شد. سپس مخلوط حاصل توسط کروسيبل با قطر منافذ 2 ميکرون عصاره گيري شد و 0/1 ميلي ليتر از عصاره صاف شده در سه تکرار به لوله هاي آزمايش مجزا منتقل شده و به هر يک 0/4 ميلي ليتر آب دوبار تقطير، 0/5 ميلي ليتر محلول فنل 0/5 درصد (حجم / وزن) و سپس 2/5 ميلي ليتر اسيد سولفوريک غليظ (98%) به سرعت افزوده شد. پس از رسيدن دماي محلول نهايي به دماي محيط، با استفاده از دستگاه اسپکتروفنومتر جذب نوري محلول نهايي در طول موج 477 نانومتر قرائت گرديد. جهت اندازه گيري مقدار قند محلول در آب نمونه ها (مول در ليتر)، از منحني استاندارد زايلوز استفاده شد.
اندازه گيري همي سلولز: مدار همي سلولز نمونه ها از روش هيدروليز تري فلئورو اسيد استيک با انجام برخي تغييرات و استفاده از نمونه هاي فاقد قندهاي محلول (نگارنده)، اندازه گيري شد. بدين منظور، نمونه هاي فاقد قند محلول باقيمانده در کروسيبل از آزمايش قبل، به مدت 24 ساعت در آون با دماي 105 درجه سانتيگراد خشک شد. آن گاه به 5 ميلي گرم نمونه خشک، 5 ميلي ليتر محلول تري فلئورو اسيد استيک 2 مولار افزوده و به مدت يک ساعت در حمام روغن با دماي 121 درجه سانتي گراد قرار داده شد. پس از رسيدن دماي مخلوط حاصل به دماي محيط، سانتريفيوژ گرديد (15 دقيقه، با دور g3000). سپس به ازاي هر نمونه 3 بار به حجم 0/5 ميلي ليتر از عصاره بالايي برداشته و به لوله هاي آزمايش مجزا منتقل شده و به هر يک مقدار 0/5 ميلي ليتر محلول فنل 0/5 درصد (حجم /وزن) و سپس 2/5 ميلي ليتر اسيدسولفوريک غليظ (98%) به سرعت افزوده شد. پس از رسيدن دماي محلول نهايي به دماي محيط، با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر جذب نوري محلول نهايي در طول موج 477 نانومتر قرائت گرديد. جهت اندازه گيري مقدار همي سلولز نمونه ها (ميلي گرم در ليتر)، از منحني استاندارد زايلان (Xylan from Beechwood>90% Xylose residues, Sigma product(A.NO.1.07190) استفاده شد.
تعيين تجزيه پذيري (in situ technique): براي اين منظور با توجه به دستورالعمل تجزيه پذيري ارسکو و همکاران، چهار گرم نمونه خشک در داخل کيسه هاي داکروني به ابعاد 17×10 سانتي متر و قطر منافذ 50-40 ميکرون قرار داده و پس از اتصال کيسه ها به شيلنگ هاي پلاستيکي توسط حلقه هاي لاستيکي، درون شکمبه سه راس گاو اخته و بالغ تالشي (توضيح اينکه از هر نمونه در هر يک از ساعات انکوباسيون مورد مطالعه، يک تکرار در داخل شکمبه هر دام به قيد قرعه) قرار داده شد و پس از 0، 4، 8، 16، 24، 48، 72 و 96 ساعت از شکمبه خارج گرديد. سپس کيسه هاي حاوي نمونه در ماشين شوينده به مدت 60-50 دقيقه (1) با آب سرد شسته و در انتها به مدت 48 ساعت در آون با دماي 60 درجه سانتي گراد، خشک شد. سپس تفاوت وزن نمونه ها، قبل و بعد از تجزيه پذيري ثبت گرديد. پس از محاسبه درصد کاهش ماده خشک کيسه ها در ساعات مختلف انکوباسيون، داده ها با استفاده از نرم افزار FCURVE6 مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و از مدل نمايي ارسکو (Orskov) و همکاران؛ براي براش داده استفاده گرديد.
در اين مدل Pt ميزان تجزيه پذيري در t ساعت پس از شروع انکوباسيون بر حسب درصد، a عرض از مبداء حاصل از برون يابي منحني در زمان صفر، b تانژانت منحني در زمان بينهايت و c نرخ ثابت کسري منحني نمايي مي باشد. همچنين، اتلاف شستشو و درصد تجزيه پذيري موثر (نرخ عبور 2 درصد در ساعت) محاسبه و گزارش گرديد.
تعيين ميزان توليد گاز (Gas production technique): در اين تحقيق براي اندازه گيري حجم گازهاي توليدي در اثر فعاليت ميکروارگانيسم هاي شکمبه از روش پيشنهادي منک و استينگس (Manke & Steingass)، استفاده شد.
سپس توليد گاز 2، 4، 6، 8، 12، 24، 48، 72 و 96 ساعت پس از شروع انکوباسيون قرائت گرديد. داده هاي حاصله با مدل نمايي ارسکو و همکاران؛ [GP=a+b(1-e-ct)] برازش شدند. در اين معادله a, b, c ثابت هاي مدل بوده و GP حجم گاز در ساعت t بر حسب ميلي ليتر است. همچنين a+b به عنوان پتانسيل توليد گاز گزارش گرديد.
مدل آماري: داده هاي بدست آمده در قالب طرح آزمايشي کاملا تصادفي با روش فاکتوريل 3×3 (سه سطح فشار و سه سطح زمان عمل آوري) براي هر نمونه در 3 تکرار بدون احتساب شاهد، توسط نرم افزار SAS آناليز واريانس شده و مقايسه ميانگين ها از طريق آزمون دانکن صورت گرفت. همچنين، براي مقايسه نمونه هاي عمل آوري شده با شاهد، داده ها در قالب طرح آزمايشي کاملا تصادفي توسط نرم افزار SAS آناليز واريانس شده و مقايسه ميانگين ها از طريق آزمون دانت صورت گرفت.
نتايج و بحث
شده با بخار آب تحت فشار 14/8 تا 18/75 اتمسفر در مدت زمان 0 تا 10 دقيقه مشاهده نمودند. در آزمايش حاضر، با افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر و زمان عمل آوري از 120 تا 240 ثانيه مقدار کاهش ماده خشک از 1/26 درصد (14 اتمسفر -120 ثانيه)، به 4/55 درصد (20 اتمسفر- 240 ثانيه) افزايش يافت (جدول 1) که اين ميزان بسيار کمتر از آزمايشات فوق الذکر بود. همچنين، کاهش ماده خشک در فشار بخار 14، 17 و 20 اتمسفر به ترتيب برابر با 1/52، 2/45 و 3/60 درصد و در مدت زمان عمل آوري 120، 180 و 240 ثانيه به ترتيب برابر با 2/08، 2/46 و 3/02 درصد بود که تمام اين ميانگين ها تفاوت معني داري با هم داشتند (P<0/05). کاهش ماده خشک نشانه کاهش مواد مغذي و توليد مشتقات فوراني است، اما مي تواند به عنوان حاصل خود هيدروليز همي سلولز مطرح باشد، لذا با توجه به جدول 1 ملاحظه مي گردد که با افزايش در مقدار کاهش ماده خشک، مقدار همي سلولز کاهش يافته، به طوريکه بيشترين مقدار کاهش ماده خشک مربوط به باگاس نيشکر عمل آوري شده در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه بوده که داراي کمترين مقدار همي سلولز نيز بوده است (P<0/05).
ترکيبات شيميايي: عمل آوري باگاس نيشکر با بخار آب تحت فشار موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي (NDF) (Neutral Detergent Fiber)، ديواره سلولي فاقد همي سلولز (ADF) (Acid Detergent Fiber) و همي سلولز (Hem (Hemicellulose) و نيز افزايش معني دار مقدار قند هاي محلول در آب (WSS) (Water Soluble Sugar) در مقايسه با باگاس نيشکر عمل آوري نشده (شاهد) گرديد (P<0/05) . هر يک از اثرات اصلي فشار بخار و زمان عمل آوري نيز به طور معني داري موجب کاهش مقدار ديواره سلولي شد (نمودار 1). افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي از 77/66 به 62/53 درصد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه موجب کاهش معني دار مقدار ديواره سلولي از 74/80 به 64/78 درصد شد (P<0/05). اثر متقابل اين دو عامل بهترين نتيجه را در باگاس نيشکر عمل آوري شده در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه داشته که به 56/60 درصد کاهش يافت (P<0/05). اما اثر فشار بخار، زمان عمل آوري و اثر متقابل آنها تاثير معني داري بر مقدار ديواره سلولي فاقد همي سلولز نداشت. اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري موجب کاهش غير معني دار ديواره سلولي فاقد همي سلولز شد و در تيمار با فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه، به کمترين مقدار خود يعني 51/67 درصد رسيد. در مقابل، عمل آوري با بخار آب تحت فشار موجب کاهش مقدار همي سلولز نمونه ها در مقايسه با شاهد شد. در اين تحقيق افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز از 21/81 به 15/17 درصد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 180 ثانيه موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز از 20/58 به 16/53 درصد شد (نمودار 1). با توجه به جدول 1 اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري موجب کاهش معني دار مقدار همي سلولز گرديد(P<0/05).
.jpg "مطالعه روند تغييرات باگاس نيکشر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار")
.jpg "مطالعه روند تغييرات باگاس نيکشر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار")
در مورد ديواره سلولي فاد همي سلولز، ليو و همکاران، افزايش اين بخش را با افزايش فشار بخار و زمان عمل آوري مشاهده نمودند، ليکن در مورد ديواره سلولي و همي سلولز نتايج مشابهي را گزارش نمودند اما، نتايج تحقيقات ديگر محققين در مورد مقايسه نمونه هاي عمل آوري شده و عمل آوري نشده مشابه نتايج بدست آمده در آزمايش حاضر بود(2). رنگن کار(Rangnekar) و همکاران، تاثير بخار آب تحت فشار 4/84 تا 8/7 اتمسفر در مدت 30 و 60 دقيقه بر خواص شيميايي و قابليت هضم باگاس نيشکر، کاه برنج و کاه سورگوم را مورد مطالعه قرار دادند. اين محققين ثابت بودن مقدار ديواره سلولي فاقد همي سلولز و کاهش درصد ديواره سلولي فاقد همي سلولز و کاهش درصد ديواره سلولي را در اثر اين نوع عمل آوري گزارش نمودند. کينتيک تجزيه شکمبه اي : اتلاف شستشو (WL) (Washing Loss) ، پتانسيل تجزيه پذيري (a+b)، تجزيه پذيري 48 ساعت پس از شروع انکوباسيون و تجزيه پذيري موثر در نرخ عبور 2 درصد تمام حالات عمل آوري باگاس نيشکر در مقايسه با شاهد، به طور معني داري افزايش داشت P<0/05). در اين تحقيق افزايش فشار بخار از 14 به 20 اتمسفر موجب افزايش معني دار (P<0/05) اتلاف شستشو از 13/31 به 19/66 درصد، پتانسيل تجزيه پذيري از 61/55 به 68/56 درصد، تجزيه پذيري ساعت 48 از 48/42 به 59/47 درصد، تجزيه پذيري موثر از 42/88 به 52/84 درصد و نرخ تجزيه پذيري از 3/68 به 4/55 درصد در ساعت گرديد. همچنين افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه تاثير معني داري بر اتلاف شستشو و پتانسيل تجزيه پذيري نداشت، ولي موجب افزايش معني دار (P<0/05) تجزيه پذيري ساعت 48 از 52/03 به 59/77 درصد، تجزيه پذيري موثر از 45/36 به 53/28 درصد، و نرخ تجزيه پذيري از 3/80 به 4/57 درصد در ساعت شد. توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد اتلاف شستشو، تجزيه پذيري موثر و نرخ تجزيه پذيري به ترتيب 30/63، 58/13 و 5/27 درصد در تيمار 17 اتمسفر- 240 ثانيه و بيشترين مقدار تجزيه پذيري ساعت 48 و پتانسيل تجزيه پذيري به ترتيب 63/63 و 71/10 درصد در تيمار 20 اتمسفر - 240 ثانيه بود.
کاسترو نيز افزايش اتلاف شستشو را پس از عمل آوري کاه گندم با افزايش فشار بخار از 98 به 134 درجه سانتي گراد و زمان عمل آوري از 40 تا 120 دقيقه گزارش داده و بيان نمود که اين افزايش همبستگي منفي مناسبي با کاهش درصد ديواره سلولي داشته است که در تحقيق حاضر، اين همبستگي 0/5572 بود.
کينتيک تخمير و توليد گاز: کل توليد گاز (GP) (Gas Production )، نرخ توليد گاز (GPR) (Gas Production Rate)، توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون (GP24) و پتانسيل توليد گاز (PGP) (Potential Gas Production) تمام حالات عمل آوري باگاس نيشکر در مقايسه با شاهد، به طور معني داري افزايش يافت (P<0/05). باتوجه به نمودار 3 افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر موجب افزايش معني دار (P<0/05) توليد گاز پس از 24 ساعت انکوباسيون، از 30/69 به 41/94 ميلي ليتر در ساعت شد و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه موجب افزايش معني دار (P<0/05) توليد گاز پس از 24 ساعت انکوباسيون از 37/23 به 41/52 ميلي ليتر و نرخ توليد گاز از 3/67 به 4/41 ميلي ليتر در ساعت شد. اما اثر فشار بخار، همچنين زمان عمل آوري بر ساير فراسنجه ها معني دار نبود. با توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد کل توليد گاز و توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون به ترتيب 61/85، 44/11 ، ميلي ليتر و نرخ توليد گاز، 4/87 ميلي ليتر در ساعت مربوط به فشار 20 اتمسفر و زمان عمل آوري 240 ثانيه بود. البته ميانگين هاي اثرات متقابل مربوط به پتانسيل توليد گاز و توليد گاز 24 ساعت پس از شروع انکوباسيون تفاوت معني داري با هم نداشتند (P<0/05). نتايج آزمايش حاضر با نتايج بدست آمده توسط کاسترو همخواني دارد. او نشان داد که افزايش دماي عمل آوري با بخار از 98 تا 134 درجه سانتيگراد و زمان عمل آوري از 40 تا 120 دقيقه بر کاه گندم، تاثير مثبت روي هيدروليز همي سلولز و افزايش توليد گاز داشت و توانست ميزان توليد گاز را در واحد زمان افزايش دهد، ليکن ميان تيمارهاي مختلف تفاوتي معني دار از لحاظ کل توليد گاز و پتانسيل توليد گاز وجود نداشت، اين در حالي بود که عمل آوري، تمام فراسنجه ها را در مقايسه با شاهد به طور معني داري بهبود داد (P<0/05). در باگاس نيشکر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار در مقايسه با شاهد، مقدار قندهاي محلول بطور معني داري افزايش يافت (P<0/05). افزايش فشار بخار از 14 تا 20 اتمسفر مقدار قندهاي محلول را از 10/65 به 25/14 و افزايش زمان عمل آوري از 120 به 240 ثانيه مقدار قندهاي محلول را از 13/75 به 22/42 درصد افزايش داد. با توجه به جدول 2 بهترين اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري در مورد مقدار قندهاي محلول 29/52 درصد (20 اتمسفر- 240 ثانيه) بود. در بررسي اثر متقابل فشار بخار و زمان عمل آوري فراسنجه هاي توليد گاز، روابط کمي با مقدار قندهاي محلول در آب (WSS) داشتند. معادلات بدست آمده که در آنها X درصد قندهاي محلول در آب بوده ارائه گرديده است:
GPR=0/0856x+2/3662 R2=0/818
GP=0/126x+57/71 R2=0/8096
GP=0/4307x+31/5 R2=0/8805
با توجه به نتايج بدست آمده، مي توان استنباط نمود که ارزش غذايي باگاس نيشکر عمل آوري شده تا حد زيادي وابسته به ميزان توليد قندهاي محلول بوده و بنابراين در نمونه هايي که ميزان همي سلولز بيشتري هيدروليز گشته، قندهاي محلول بيشتري نيز توليد شده، که در نتيجه ضريب هضمي و ارزش غذايي باگاس بيشتر خواهد بود.
شرايط بهينه عمل آوري: با توجه به نتايج فوق، عمل آوري در فشار 20 اتمسفر به مدت 240 ثانيه بهترين نتيجه را در بخش تجزيه پذيري (تجزيه پذيري ساعت 48، 63/63 درصد) و توليد گاز (توليد گاز در ساعت 24، 44/11 ميلي ليتر) داشت و در اين حالت، کمترين درصد ديواره سلولي و همي سلولز و بيشترين درصد قندهاي محلول (به ترتيب، 56/60، 11/89 و 29/52 درصد) به دست آمد که ظاهرا بهترين نوع عمل آوري در اين آزمايش بوده و لازم است آزمايش هاي مزرعه اي مرتبط براي تعيين تحقيقات عملکردي صورت گيرد.
.jpg "مطالعه روند تغييرات باگاس نيکشر عمل آوري شده با بخار آب تحت فشار")
/س
