Probiotic levels, chemical composition and fermentative characteristics in solid state fermentation of paper sludge for animal feeding

Oscar Ruiz-Barrera, Yamicela Castillo-Castillo, Lisie Maite Carrillo-Chan, Jaime Salinas-Chavira, Claudio Arzola-Alvarez, Jesús López-Morones, Alberto Grado-Ahuir

Department of Biomedical Sciences, Autonomous University of Juárez City Campus, Nuevo Casas Grandes, Mexico.
Faculty of Veterinary Medicine and Zootechnology, Autonomous University of Tamaulipas, Ciudad Victoria, Mexico.
Faculty of Zootechnology and Ecology, Autonomous University of Chihuahua, Chihuahua, México.

DOI: 10.4236/abb.2013.412151                

Abstract

The sludge paper of the industry treated with probiotics in solid state fermentation (SSF) could be used as ingredient in rations for animal feeding. This study assessed the effect of four probiotic (Prozoot15^?) levels (PT) on chemical and fermentative characteristics in SSF of the paper sludge (PS) at controlled temperature (30°C) in laboratory scale. The tested treatments (T) were: T1 (0% PS), T2 (50 g/kg PS), T3 (100 g/kg PS) and T4 (150 g/kg PS), which were fermented at 0, 24, 48 and 72 h, according to a completely randomized design, in a 4 × 4 factorial arrangement with six repetitions per sampling. All treatments included (g/kg DM) 300 molasses, 15 urea, 20 ammonium sulfate, 9 calcium carbonate and 5 of vitamin and mineral premix, plus the PS which was substituted by the PT at 0, 50, 100 and 150 g/kg DM. The results showed a decrease in pH in all treatments at 24 h; however the lowest pH was at 72 h of fermentation. At 72 h of fermentation, the PT addition in T4 increased crude protein, true protein and yeast counts (P < 0.05), and decreased pH (P < 0.05). In all fermentation time, the PT addition increased ether extract, lactic acid and ammonia nitrogen (P < 0.05) and decreased dry matter, ash, NDF and ADF (P < 0.05). It was concluded that the addition of 150 g/kg of PT in SSF of paper sludge improves crude and true protein, ether extract, lactic acid, and ammonia. This treatment may have potential use in animal feeding.

Keywords

Fermentation; Paper Sludge; Yeast; Chemical Composition

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

References

[1]	Murrieta, A.J. (1996) Caracterización del valor nutritivo de subproductos de la elaboración de papel. Programa especial de investigación. Facultad de Zootecnia y Ecología, Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua.
[2]	Díaz, A.I., Vilches, P. and Salas, O. (2000) Aprovechamiento de residuos, lodos papeleros para barras hidráulicas. Facultad de ingeniería Química, País Vasco.
[3]	Mennickent, S. and Green, K. (2009) Los probióticos y su utilidad terapéutica. Ciencia Ahora, 24, 31-38.
[4]	Elías, A., Lezcano, O. and Herrera, F.R. (2001) Algunos indicadores bromatológicos y productos finales de la fermentación de cuatro tipos de saccharina inoculados con vitafert. Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 35, 153-158.
[5]	Cruz, G.D. (2008) Niveles de Inclusión de residuos de panadería en la fermentación en estado sólido del bagazo de manzana. Tesis de Licenciatura, Facultad de Zootecnia y Ecología, Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua.
[6]	Shim, Y.H., Shinde, P.L., Choi, J.Y., Kim, J.S., Seo, D.K., Pak, J.I., Chae, B.J. and Kwon, I.K. (2010) Evaluation of multi-microbial probiotics produced by submerged liquid and solid substrate fermentation methods in broilers. AsianAustralasian Journal of Animal Science, 23, 521-529.
[7]	Madrid, J., Martínez-Teruel, A., Hernández, F. and Megías, M.D. (1999) A comparative study on the determination of lactic acid in silage juice by colorimetric, high-performance liquid chromatography and enzymatic methods. Journal of the Science of Food and Agriculture, 79, 1722-1726. http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1097-0010(199909)79:12<1722::AID-JSFA427>3.0.CO;2-S
[8]	Rodríguez, Z., Elías, A., Bocourt, R. and Nuñez, O. (2001) Efectos de los niveles de nitrógeno ureico en la síntesis proteica durante la fermentación de mezclas de caña (Saccharum officinarum) y boniato (Ipomea batata Lam.). Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 35, 29-36.
[9]	Broderick, G.A. and Kang, H.J. (1980) Automated simultaneous determination of ammonia and amino acids in ruminal fluid and in vitro media. Journal Dairy Science, 63, 64-75. http://dx.doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(80)82888-8
[10]	A.O.A.C. (1995) Official method of analysis. 16th Edition, Association of Official Analytical Chemists, Washington DC.
[11]	ANKOM (2005) Methods for determining acid detergent fiber. Automated fiber analysis. ANKOM technology. http://www.ankom.com/
[12]	ANKOM (2005) Methods for determining neutral detergent fiber. Automated fiber analysis. ANKOM technology. http://www.ankom.com/
[13]	SAS (2002) SAS/Stat user’s guide. SAS Institute Inc., Cary.
[14]	Ruíz, C.J., Ruíz, M., Ruíz, G. and Torres, V. (2002) Effect of Inclusion of ammonium sulfate on the elaboration of rustic saccharina. Cuban Journal of Agricultural Science, 36, 147-152.
[15]	Chiang, G., Lu, W.Q., Piao, X.S., Hu, J.K., Gong, L.M. and Thacker, P.A. (2010) Effects of feeding solid-state fermented rapeseed meal on performance, nutrient digestibility, intestinal ecology and intestinal morphology of broiler chickens. Asian-Australasian Journal of Animal Science, 23, 263-271.
[16]	Carrasco, E., Elías, A., Martin, P., Valiño, E. and Febles, I. (1997) Tiempo de fermentación de la caña de azúcar con excreta vacuna. Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 31, 45-48.
[17]	Elías, A., Lezcano, O., Lezcano, P., Cordero, J. and Quintana, L. (1990) Reseña descriptiva sobre el desarrollo de una tecnología de enriquecimiento proteico de la caña de azúcar mediante fermentación en estado sólido (Saccharina). Revista Cubana Ciencia de Agrícola, 24, 3-12.
[18]	Rodríguez, Z., Bocourt, R., Elías, A. and Madera, M. (2001) Dinámica de fermentación de mezclas de caña (Saccharum officinarum) y boniato (Ipomea batata). Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 35, 147-151.
[19]	FEDNA (2003) Subproductos de cereales. Tablas FEDNA de composición y valor nutritivo de alimentos para la fabricación de piensos compuestos. Segunda Edición, Fundación Española para el Desarrollo de la Nutrición Animal. http://www.etsia.upm.es/fedna/mainpageok.htm.
[20]	Pérez, Q.L.M. (1996) Fermentación en estado sólido del mijo perla (Pennisetum americanum) por Rhizopus oligosporus para la obtención de un producto rico en proteína. Tesis de Maestría, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey.
[21]	Acuña, V.S. (2004) Producción de aceite y grasa por fermentación. http://www.revistaciencias.com/publicaciones/EpZZEuZkFkAWIRtUkS.p.p/
[22]	Valiño, E., Elías, A., Torres, V. and Albelo, N. (2002) Study of the microbial content fresh sugarcane bagasse as substrate for animal feeding by solid state fermentation. Cuban Journal of Agricultural Science, 36, 359-364.
[23]	Márquez, A.T., Mendoza, G.D., González, S.S., Buntinx, S.E. and Loera, O. (2007) Actividad fibrolitica de enzimas producidas por Tramete ssp. EUM1, Pleurotusostreatus IE8 y Aspergillus niger AD96.4 en fermentación solida (Reporte). Interciencia. http://www.highbeam.com .
[24]	Fazaeli, H., Aziz, A., Jelan, Z.A. and Mirhadi, S.A. (2003) Effect of fungal treatment on the chemical composition, in vitro digestibility and in sacco degradability of wheat straw. Proceedings British Society of Animal Science, 6, 845-852.
[25]	Sun, X., Zhang, R. and Zhang, Y. (2004) Production of lignocellulolytic enzymes by Trametes gallica and detection of polysaccharide hydrolase and lactase activities in polyacrylamida gels. Journal of Basic Microbiology, 44, 220-231. http://dx.doi.org/10.1002/jobm.200310376
[26]	Ibarra, A., García, Y., Valiño, E., Dustet, J., Albelo, N. and Carrasco, T. (2002) Influence of aeration on the bioconversion of sugarcane bagasse by Trichoderma viride M5-2 in a static bioreactor of solid fermentation. Cuban Journal of Agricultural Science, 36, 152-158.
[27]	Joshi, V.K. and Sandhu, D.K. (1996) Preparation and evaluation of an animal feed byproduct produced by solid-state fermentation of apple pomace. Bioresource Technology, 56, 251-255. http://dx.doi.org/10.1016/0960-8524(96)00040-5
[28]	Ortiz, G., Miranda, J.L., Cerrillo, M.A., Reyes, A.J., Torres, E.F. and Cruz, O.S. (2007) Effect of solid substrate fermentation on the nutritional quality of agro-industrial residues. Intercencia, 32, 339-343.
[29]	Villas-Boas, S.G., Esposito, E. and De Mendonca, M.M. (2003) Bioconversion of apple pomace into a nutritionally enriched substrate by Candida utilis and Pleurotus ostreatus. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 19, 461-467. http://dx.doi.org/10.1023/A:1025105506004
[30]	Ramos, J., Elías, A. and Herrera, F. (2005) Efecto de cuatro fuentes energéticas en la fermentación en estado sólido (FES) de la caña de azúcar. Memorias del I Congreso Internacional de Producción Animal, La Habana, 298-302.
[31]	Pandey, A., Soccol, C.R., Rodríguez-León, J.A. and Nigam, P. (2001) Solid-state fermentation in Biotechnology. Fundamentals and Applications. Asiatech Publishers, Inc., New Delhi.
[32]	Berradre, M., Mejías, M., Ferrer, J., Chandler, C., Páez, G., Mármol, Z., Ramones, E. and Fernández, V. (2009) Fermentación en estado sólido del desecho generado en la industria vinícola. Revista Facultad de Agronomía, 26, 398-422.
[33]	Becerra, A., Rodríguez, C., Jiménez, J., Ruiz, O., Elías, A. and Ramírez, A. (2008) Urea y maíz en la fermentación aeróbica de bagazo de manzana para la producción de proteína. Tecnociencia Chihuahua, 2, 7-14.
[34]	Van-Winsen, R.L., Urlings, B.A.P., Lipman, L.J.A., Snijders, J.M.A., Keuzenkamp, D., Verheijden, J.H.M. and Van-Knapen, F. (2001) Effect of fermented feed on the microbial population of the gastrointestinal tracts of pigs. Applied and Environmental Microbiology, 67, 3071-3076. http://dx.doi.org/10.1128/AEM.67.7.3071-3076.2001
[35]	Canibe, N., Virtane, E. and Jensen, B.B. (2006) Microbial and nutritional characteristics of pig liquid feed during fermentation. Animal Feed Science and Technology, 134, 108-123. http://dx.doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2006.05.005
[36]	Canibe, N., Miettinen, H. and Jensen, B.B. (2008) Effect of adding Lactobacillus plantarum or a formic acid containing product to fermented liquid feed on gastrointestinal ecology and growth performance of piglets. Livestock Science, 144, 251-262. http://dx.doi.org/10.1016/j.livsci.2007.05.002
[37]	Morgan, F. (2003) La pulpa de café enriquecida. Un aporte al desarrollo sostenible en la zona montañosa de Guantánamo. Ph.D. Tesis, Instituto de Ciencia Animal, La Habana.
[38]	Bertran, E., Sort, X., Soliva, M. and Trillas, I. (2004) Composting winery waste: Sludges and grapes stalks. Bioresource Technology, 95, 203-208. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2003.07.012
[39]	Rodríguez, Z. (2005) Uso del boniato (Ipomea batata. Lam) en la fermentación en estado sólido de la caña de azúcar (Saccharum officinarum). Ph.D. Tesis, Instituto de Ciencia Animal, La Habana.
[40]	Castillo, Y. (2009) Fermentación in vitro para obtener la levadura Candida norvogensis en mezclas de alfalfa con bagazo de manzana fermentado y sus efectos sobre la actividad microbiana ruminal. Ph.D. Tesis, Facultad de Zootecnia y Ecología, Universidad Autónoma de Chihuahua.
[41]	Angulo, C. (2008) Niveles de inclusión de bagazo de manzana en fermentación en estado sólido en lodos de papel. Programa Especial de Investigación, Facultad de Zootecnia y Ecología, Universidad Autónoma de Chihuahua.
[42]	Chundakkadu, K. (2005) Solid state fermentation systems—An overview. Critical Reviews Biotechnology, 25, 1-30. http://dx.doi.org/10.1080/07388550590925383
[43]	Flores, N.M. (2000) Elaboración de cultivos microbianos a partir de pasta de coco y su utilización en dietas para borregos en engorda. Tesis de Maestría, Universidad de Colima, Colima.
[44]	Rodríguez, H.E. (2009) Producción y evaluación de alimentos fermentados a partir de bagazo y desecho de manzana y su efecto sobre el desarrollo ruminal y parámetros sanguíneos. Ph.D. Tesis, Facultad de Zootecnia y Ecología, Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua.
[45]	Calderón, J.O., Elías, A. and Valdivie, M. (2005) Dinámica de la fermentación en estado sólido de las camas de cascarilla de café en inicio de ponedoras inoculadas con vitafert. Revista Electrónica de Veterinaria, (REDVET), VI. http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n050505/050521.pdf
[46]	Díaz, D., Rodríguez, C., Mancillas, P., Angulo, C., Salvador, F., Ruiz, O., Rubio, H.O., Mena, S. and Elías, A. (2011) Desarrollo de un inóculo con diferentes sustratos mediante fermentación sólida sumergida. Revista Electrónica de Veterinaria (REDVET), 12, 1-10.
[47]	Hu, J., Lu, W., Wang, C., Zhu, R. and Qiao, J. (2008) Characteristics of solid-state fermented feed and its effects on performance and nutrient digestibility in growing-finishing pigs. Asian-Australasian Journal of Animal Science, 21, 1635-1641.