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Bereits vor langer Zeit hat man in Proteinen, Kohlehydraten, Fetten, Vitaminen und Mineralstoffen die Hauptfaktoren jeder Ernährung von Mensch und Tier erkannt. Forschungsarbeiten, die insbesondere in den letzten Jahrzehnten durchgeführt wurden, haben neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge der genannten Faktoren in der Ernährung gebracht, und es wurde erfolgreich versucht, genaue Bedarfszahlen für die verschiedenen Lebewesen aufzustellen.
Bei Betrachtung zunächst der Physiologie monogastrischer Lebewesen lässt sich feststellen, dass Proteine (und als Aufbauelemente der Proteine die Aminosäuren, vor allem die essentiellen Aminosäuren), Kohlehydrate und Fette die drei wesentlichen Makrokomponenten der Ernährung dieser Lebewesen sind. Während Kohlehydrate und Fette als Energieträger in zwar beschränktem Masse einander ersetzen oder ergänzen können, ist es bis heute nicht gelungen, Proteine und Aminosäuren durch andere Verbindungen zu ersetzen. Es ist zwar bekannt, dass Wiederkäuer auch NichtProtein-Stickstoff (NPN) als Proteinersatz verwerten können, aber alle Versuche, ähnliches auch bei monogastrischen Tieren zu erreichen, konnten bis heute keine klaren und überzeugenden Ergebnisse erbringen.
Aus diesem Grunde beruht die Futterbasierung für monogastrische Tiere immer noch auf einer Mischung verschiedener Rohstoffe, die in ihrer Summe ein den ernährungsphysiologischen Bedürfnissen der Tiere entsprechendes Gesamtes darstellen. So werden die üblichen Futterrohstoffe in verschiedene Gruppen eingeteilt, je nach dem, ob sie Protein-, Energie- oder Rohfaserträger sind.
In der modernen Mischfutterindustrie werden beispielsweise hauptsächlich folgende Rohstoffe verwendet :
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<tb>
<tb> als <SEP> Proteinträger <SEP> : <SEP> Sojaschrot, <SEP> Fischmehl, <SEP> Tiermehle, <SEP> Hefe
<tb> als <SEP> Energieträger <SEP> : <SEP> Getreide, <SEP> Fette
<tb> als <SEP> Rohfaserträger <SEP> : <SEP> Mühlennachprodukte, <SEP> Gras- <SEP> oder <SEP> Luzernemehl
<tb>
Weltwirtschaftlich betrachtet ist festzustellen, dass unter den Proteinträgern Sojaschrot eine Schlüsselposition einnimmt, da das Angebot an Fisch- und Tiermehlen relativ beschränkt und Futterhefe zu teuer ist.
Das Problem der Eiweissversorgung vieler Länder beginnt damit, dass aus klimatologischen Gründen der Anbau von Sojabohnen nicht möglich bzw. nicht wirtschaftlich ist, und dass Alternativprodukte für die Eiweissversorgung in viel zu geringen Mengen zur Verfügung stehen.
Aus diesem Grunde bemühen sich Saatgutvermehrungsinstitutionen auf der ganzen Welt seit vielen Jahren, Sorten von Getreide auf den Markt zu bringen, welche bei guten Erträgen auch einen höheren Proteingehalt als die üblichen Sorten aufweisen. Es sind zwar gewisse Erfolge in dieser Richtung zu verzeichnen, aber allzu häufig gab es unerwünschte Nebenerscheinungen, wie z. B. schlechte Aminosäurenbilanz, grosse Empfindlichkeit der Pflanzen od. dgl.
In der DE-OS 2024869 ist ein Verfahren zur Aufbereitung von stärke- bzw. kohlehydrathaltigen Produkten unter Zusatz von Nicht-Protein-Substanzen (NPN-Substanzen) durch anaerobe Vergärung beschrieben, bei dem es nur zu einer Änderung der chemischen Form der NPN-Substanz kommt, wodurch bewirkt wird, dass diese NPN-Substanzen für Wiederkäuer nicht mehr toxisch sind. Die gemäss dieser Offenlegungsschrift erhältliche, vergorene Masse eignet sich ausschliesslich nur für die Fütterung von Wiederkäuern, da monogastrische Tiere NPN-Verbindungen nicht verwerten können.
In eine andere Richtung geht ein Futterzusatz für monogastrische Tiere, der in der AT-PS Nr. 346165 beschrieben ist. Mit Hilfe speziell "in vitro" adaptierter Pansenbakterien wurde hier mit gewissen Erfolgen versucht, monogastrische Tiere in die Lage zu versetzen, doch bestimmte Mengen an NPN-Substanzen als Proteinersatz zu verwerten.
Dabei ist allerdings immer der Umstand gegeben, dass jede biologische Substanz, welche Tieren über das Futter verabreicht wird, zunächst ein hostiles Milieu (nämlich insbesondere Magen der Monogastria) passieren muss und für die Eiweisssynthese nur im Dünndarm zur Wirkung kommen kann, und wenn man weiter bedenkt, dass die aufgenommene Nahrung in sehr kurzer Zeit den Dünndarmtrakt passiert, ist festzustellen, dass auch eine optimal adaptierte Mikroflora nur relativ kleine Mengen Harnstoff in Eiweissverbindungen wird umsetzen können.
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Die gegenständliche Erfindung geht von neuen Überlegungen aus, die im folgenden kurz zu- sammengefasst seien :
1. Prinzipiell ist eine Proteinsynthese nur dann möglich, wenn alle dafür notwendigen Ele- mente, nämlich C, N, 0, H und S, vorhanden sind.
2. Es ist bekannt, dass die Pansenflora von Wiederkäuern in der Lage ist, aus NPN-Sub- stanzen (Bakterien-) Eiweiss zu synthetisieren.
3. Für die Eiweisssynthese durch Bakterien ist es notwendig, dass chemische Energie in Form von ATP zur Verfügung steht.
4. Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Substanzen, z. B. Harnstoff, Ammoniak, Hydrazin und Ammoniumsalze, Hydrazinsalze od. dgl. sind solche NPN-Verbindungen.
Als mögliche Form einer (Bakterien-) Eiweisssynthese erscheint erfindungsgemäss eine Fermen- tation, die ungefähr nach folgenden Charakteristiken abläuft : a) Harnstoff, Ammoniak und/oder andere NPN-Verbindungen werden von Mikroorganismen zu- nächst gespalten und insbesondere in Ammoniak (mit leicht verfügbarem Stickstoff) umge- setzt ; der Stickstoff des letzteren wird, wenn die übrigen oben angegebenen Elemente der Proteine und ATP vorhanden sind, für die Vermehrung der Biomasse und damit der (Bakterien-) Eiweisssynthese verwendet. b) Die Elemente C, 0, H sowie das ATP werden durch den gleichzeitig einsetzenden Abbau- prozess von Stärke geliefert und der für die Synthese der schwefelhaltigen Aminosäuren notwendige Schwefel z.
B. durch Sulfate. c) Es wäre günstig, die beiden unter a) und b) beschriebenen Prozesse parallel ablaufen lassen zu können, ohne dass sie einander stören.
In einer grossen Zahl praktischer Versuche wurde beobachtet, dass es prinzipiell möglich ist, ein gleichzeitiges Ablaufen der genannten Prozesse zu erreichen. Dies gelingt am besten dann, wenn in keinem Moment zu grosse Mengen an freiem Ammoniak in der Masse vorhanden sind und wenn anderseits durch eine zu rasch ablaufende Milchsäuregärung der PH-Wert der Vergärungsmasse nicht vorzeitig unter einen PH-Wert von 5, insbesondere von 6, abfällt, da die NPN-verwertenden Mikroorganismen insbesondere in einem Milieu aktiv sind, das in der Nähe des Neutral-Bereichs oder darüber liegt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Rohprotein- und Aminosäuregehalte von Futtermitteln, wobei stärkehältige bzw. kohlehydratreiche Substanzen bzw. Produkte, wie beispielsweise Mais oder Getreide, unter Zusatz von Nichtproteinsubstanzen (NPN-Substanzen), wie beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff, anaerob vergoren werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die genannten Substanzen bzw. Produkte mit einer Kultur von"in vito"vermehrten Pansenmikroorganismen, vorzugsweise in Kombination mit einer zusätzlichen Kultur von ammoniakresistenten Milchsäurebakterien, unter Zusatz mindestens einer Nicht-Protein-Stickstoff (NPN)-Substanz im pH-Bereich zwischen 5, 0 und 11 vergoren werden.
Bevorzugt wird eine Kultur von vorzugsweise frisch geschlachteten Wiederkäuern entnommenen und auf einem rohfaserreichen Substrat, vorzugsweise in Kombination mit einer ammoniakresistenten Kultur von Milchsäurebakterien, in vitro gezüchteten Mikroorganismen eingesetzt.
Das erfindungsgemässe Verfahren unterscheidet sich vom Verfahren gemäss DE-OS 2024869 dadurch, dass in vitro vermehrte Pansenmikroorganismen und vorteilhaft zusätzlich spezifisch gezüchtete Milchsäurebakterien eingesetzt werden, dass eine echte Synthese von Bakterieneiweiss aus NPN erfolgt, wobei NPN grösstenteils in Bakterieneiweiss umgewandelt wird, dass nach beendeter Vergärung die Aminosäuregehalte der erhaltenen Masse wesentlich höher liegen als vor der Gärung-z. B. hat ein Analysenzeugnis der Landwirtschaftlich chemischen Bundes-Versuchsanstalt in Wien eine Steigerung von 74% Rohprotein ergeben-und schliesslich, dass die erhaltene vergorene Masse zur Verfütterung an monogastrische Tiere geeignet ist.
Hingegen werden beim Verfahren gemäss DE-OS 2024869 keine gesondert zugesetzten Mikroorganismenkulturen verwendet, insbesondere keine zugesetzten Pansenmikroorganismen, gegebenenfalls in Kombination mit ammoniakresistenten Milchsäurekulturen, es ist dort nicht möglich, ein aus Aminosäuren aufgebautes Protein bzw. Eiweiss zu synthetisieren. NPN wird in seiner chemischen Form so geändert, dass die Substanzen für Wiederkäuer nicht mehr toxisch sind, das Verfahren
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führt zu keinerlei Vergrösserung des Protein- bzw. Aminosäuregehaltes der Masse, und schliesslich kann die vergorene Masse ausschliesslich nur für die Wiederkäuer-Fütterung verwendet werden, da monogastrische Tiere auch die erwähnten, in ihrer chemischen Form etwas geänderten NPN-Verbindungen überhaupt nicht verwerten können.
Das erfindungsgemässe Verfahren bedeutet in einer Zeit, in welcher Protein-Nahrung für Tier und Mensch immer knapper wird, indem es aus synthetischen Stickstofflieferanten grosse Mengen Rohproteine zu erzeugen imstande ist, einen bedeutenden Fortschritt.
Vorteilhaft wird der PH-Wert während des Hauptverlaufes der Gärung auf Werten von 5 bis 6, 8 gehalten.
Es sei hier betont, dass bedingt durch örtliche und zeitliche Schwankungen in der Produktion von Ammoniak der PH-Wert Werte bis zu 11 erreichen kann.
Günstigerweise wird der Gärverlauf so geführt, dass in einer ersten Vergärungsphase NPN zunächst zu Ammoniak abgebaut und anschliessend als N-Donator für eine Bakterieneiweiss-Synthese verwendet wird, wobei gleichzeitig Milchsäuregärung einsetzt und in einer zweiten Phase die Milchsäuregärung den Gärungsablauf dominiert, so dass die erfindungsgemäss vergorene Masse am Ende der Vergärung einen PH-Wert zwischen 4 und 6, vorzugsweise zwischen 4 und 5, aufweist.
Gemäss einer bevorzugten Variante, bei der sich eine genaue Beobachtung des PH-Verlaufes weitgehend erübrigt, ist vorgesehen, dass der PH-Wert im Reaktionsmilieu durch Zugabe eines Puf-
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rung NaHCO, CaCO, und/oder Dicalciumphosphat eingesetzt.
Durch die Pufferung wird neben der Erleichterung der PH-Kontrolle insbesondere eine zu starke Veränderung des PH-Wertes in der kritischen Anfangszeit des erfindungsgemässen Prozesses vermieden. Vorteil der genannten Puffer ist insbesondere der, dass die in ihnen enthaltenen Elemente allesamt für die Tierernährung nützlich sind.
Als NPN-Substanz werden vorteilhaft Ammoniak oder Harnstoff, deren Salze und/oder Hydrazin, (Bi)-Guanidin, Biuret, Triuret und/oder deren Salze, insbesondere deren Phosphate, Carbonate, Sulfate und/oder Nitrate, eingesetzt.
Bevorzugt werden Harnstoff und Ammoniak bzw. deren Salze, die vorteilhaft in wässeriger Lösung vorliegen, eingesetzt.
Besonders günstige Ergebnisse erbringt das erfindungsgemässe Verfahren, wenn die Reaktionsmischung vor der Vergärung durch Zugabe von Wasser auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 30 bis 50 Gew.-%, insbesondere von 35 bis 45 Gew.-%, gebracht wird.
Es kann aber je nach Umständen auch bei wesentlich höheren Wassergehalten gearbeitet werden.
Die Temperaturen bei der Vergärung werden vorteilhaft im Bereich von 18 bis 50 C, vorzugsweise von 20 bis 40 C, insbesondere von 20 bis 30 C, gehalten.
Üblicherweise, und dies aus ökonomischen Gründen, wird bei der gerade herrschenden Umwelttemperatur vergoren. Der Gärungsablauf hat exergonischen Charakter, es ist also während der Vergärung der kohlehydratreichen Rohstoffe keine Zuführung von Wärmeenergie von aussen notwendig, da die Fermentationsmasse sich von selbst erwärmt, wobei Temperaturen bis zu 50 C in der Fermentationsmasse erreicht werden können. Häufig liegt die Temperatur während des Haupt-
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moniak, beträgt vorteilhaft von 1, 5 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 2 bis 4 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Menge der Trockensubstanz des zu vergärenden kohlehydratreichen Substrates.
Die Biomasse der Kultur von in vitro vermehrten Pansenorganismen wird vorteilhaft in Mengen von 0, 3 bis 2, 0 Gew.-%, insbesondere von 0, 5 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Menge der Trockensubstanz des zu vergärenden kohlehydratreichen Substrates, eingesetzt.
Die vorteilhafterweise zusätzlich zu bzw. in Mischung mit den in vitro vermehrten Pansenmikroorganismen eingesetzten ammoniakresistenten Milchsäurebakterien werden bevorzugt in Mengen von 0, 2 bis 1, 5 Gew.-%, insbesondere von 0, 3 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Menge der Trockensubstanz des zu vergärenden kohlehydratreichen Substrates, eingesetzt.
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Im folgenden wird nun der Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorstufen an Hand einer konkreten Ausführungsform erläutert :
1. In einer"in vitroll-Vergärung werden in mehreren Stufen unter Beigabe jeweils geringer
Mengen von Ammoniak Milchsäurekulturen so vermehrt, dass zum Schluss eine Menge von etwa 10 kg eines Konzentrates von Milchsäurebakterien erhalten wird, welche die Eigen- schaft haben, ein vorzugsweise leicht ammoniakales Milieu ohne Schaden zu überleben.
Dieses Produkt sei als Produkt "A" bezeichnet.
2. Es werden 10 kg Panseninhalt eines frisch geschlachteten Rindes mit 50 kg eines rohfaser- reichen Substrates, z. B. Malzkeimen (Nebenprodukt der Malzerzeugung), unter Zugabe von 0, 5 kg Harnstoff und 0, 3 kg Ammoniumsulfat sowie 1 kg des unter 1. beschriebenen
Produkts A vermischt. So viel Wasser wird hinzugefügt, bis in der Masse ein Feuchtig- keitsgehalt von etwa 45% erreicht wird, und diese Masse wird in einen Behälter gegeben, der vorteilhaft hermetisch verschlossen und in einem Raum bei 40 C stehengelassen wird.
In dieser Weise wird die beschriebene Masse während mindestens 48 h, vorteilhaft bis
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(Anmerkung : Der PH-Wert der Masse ist sehr oft nach 72 h bereits auf einen PH von etwa
5 abgesunken, und die Masse ist stabil, solange keine Luft hinzukommt.) Soll diese Masse stabilisiert werden, so wird sie schonend-bei einer Temperatur von nicht mehr als 500c - getrocknet.
3. Es werden 1000 kg Mais (oder ein anderes Getreide) vermahlen, und daraus wird folgende
Mischung hergestellt :
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<tb>
<tb> 1000 <SEP> kg <SEP> Mais <SEP> (Getreide)
<tb> 10 <SEP> kg <SEP> Calciumcarbonat <SEP> (Futterkalk)
<tb> 15 <SEP> kg <SEP> Dicalciumphosphat
<tb> 3 <SEP> kg <SEP> Natriumbicarbonat
<tb> 30 <SEP> kg <SEP> Harnstoff
<tb> 5 <SEP> kg <SEP> Ammoniumsulfat
<tb> 10 <SEP> kg <SEP> Produkt <SEP> "B" <SEP> (Herstellung <SEP> wie <SEP> unter <SEP> 2. <SEP> beschrieben)
<tb> 5 <SEP> kg <SEP> Produkt <SEP> "A" <SEP> (Herstellung <SEP> wie <SEP> unter <SEP> 1. <SEP> beschrieben)
<tb>
Es wird so viel Wasser zugegeben, bis ein Feuchtigkeitsgehalt von 35 bis 45% erreicht ist.
Die Masse wird in einen Gärfuttersilo eingebracht, der gut abgedeckt ist. Es setzt eine Gärung ein, die ohne weiteres Zutun abläuft, u. zw. vorteilhaft in folgender Form :
Während der ersten etwa drei Tage, gegebenenfalls auch etwas länger, laufen zwei biologische Vorgänge parallel ab : Die Pansenbakterien setzen den Harnstoff zu Ammoniak und C02 um; gleichzeitig vermehren sich die Pansenmikroorganismen, welche den Stickstoff aus dem Ammoniak zusammen mit den aus der Glykolyse freiwerdenden Elementen C, 0 und H sowie ATP für die Vermehrung der Biomasse verwenden. Die zwei parallel ablaufenden biochemischen Vorgänge sind also die Spaltung der NPN-Substanz, z. B.
Harnstoff durch Pansenbakterien und Vermehrung derselben einerseits und Milchsäuregärung anderseits. Öffnet man den Silo während der ersten drei Tage, so wird man eine relativ starke Ammoniakkonzentration merken.
Nach Ablauf der etwa drei Tage ist der Abbau des Harnstoffes dann praktisch abgeschlossen, und die Milchsäuregärung setzt sich weiter fort. Die Folge davon ist am Ende des Prozesses nach sieben bis fünfzehn Tagen ein Absinken des PH-Wertes bis auf Werte von etwa 4. Damit ist die Gärung abgeschlossen. Der anfänglich festgestellte Ammoniak ist nicht mehr vorhanden. In einem konkreten Fall wurde dieses Stadium nach etwa fünfzehn Tagen erreicht. Die Untersuchung der vergorenen Masse ergab :
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<tb>
<tb> Rohprotein <SEP> : <SEP> 17, <SEP> 2% <SEP> in <SEP> Trockensubstanz
<tb> Harnstoff <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 05% <SEP> in <SEP> Trockensubstanz
<tb> Lysin <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 75% <SEP> in <SEP> Trockensubstanz
<tb>
Diese Analyse beweist deutlich, dass der Harnstoff bis auf kleine Spuren tatsächlich zu Eiweiss umgesetzt worden ist.
Es hat also eine Proteinsynthese und damit Proteinvermehrung stattgefunden, wobei besonders zu bemerken ist, dass insbesondere auch die Lysinbilanz der Masse wesentlich verbessert wurde. Die Analyse der Masse vor Beginn der Gärung zeigte etwa folgende Werte : Rohprotein (ohne Harnstoff) etwa 9%, Lysin etwa 0, 20%.
Wenn man berücksichtigt, dass in den modernen Fütterungsempfehlungen für die Schweinemast, um ein Beispiel zu nennen, ein Rohproteingehalt von etwa 16% und ein Lysingehalt von etwa 0, 70% als ausreichend angesehen wird, so zeigt der obige Versuch deutlich, dass es das erfindungsgemässe Verfahren möglich macht, nur durch die Vergärung von Getreide - ohne irgend einen Proteinzusatz-ein perfekt ausgeglichenes Schweinefutter zu erzeugen. Besonders interessante Aspekte ergeben sich z.
B. in der Vergärung von Nassmais : Da Mais in vielen Ländern mit einem Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 30% geerntet wird, ist es nach dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, Mais nicht nur ohne Trocknung zu konservieren, sondern erfindungsgemäss so zu vergären, dass die Rohprotein- und Aminosäurengehalte wesentlich verbessert werden. Nach einschlägigen Berechnungen können bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens die Futterkosten für Schweine um 20 bis 40% vermindert werden, ganz abgesehen von erheblichen Deviseneinsparungen für Importe von Eiweissfuttermitteln, wie sie von vielen Ländern durchgeführt werden müssen.
Zur Durchführung der erfindungsgemässen Vergärung ist noch ergänzend zu bemerken : Die Zubereitung von Produkt "A" ist erfindungsgemäss relativ einfach. Prinzipiell ist es jedoch möglich, auch eine in irgendeiner andern Form zubereitete, jedoch ammoniakresistente Milchsäurebakterienkultur zu verwenden bzw. unter gewissen Bedingungen darauf zu verzichten. Die für die
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hohe Konzentration an Pansenmikroorganismen anzustreben ist. Durch eine laufend kontrollierte Produktion ist es möglich, das Produkt "B" durch Verwendung des fertigen Produkts als Inokulum für neue Kulturen kontinuierlich, d. h. ohne Hinzufügung von neuem Panseninhalt, zu produzieren und das Endprodukt jeweils mittels schonender Trocknung haltbar zu machen.
Bevorzugter Gegenstand der Erfindung ist somit insbesondere auch ein Verfahren zur kontinuierlichen Vermehrung von Pansenmikroorganismen für den Einsatz im oben beschriebenen erfindungsgemässen Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der von vorzugsweise frisch geschlachteten Wiederkäuern entnommene Panseninhalt mit einem rohfaserreichen Substrat und vorzugsweise mit einer ammoniakresistenten Kultur von Milchsäurebakterien und NPN-Substanzen vermengt und unter anaeroben Verhältnissen bei einer Temperatur von 30 bis 45 C mindestens 48 h, insbesondere mindestens 72 h, lang bebrütet wird, wobei in der ersten Phase eine starke Vermehrung der Pansenmikroorganismen stattfindet und in der anschliessenden Phase eine Milchsäuregärung einsetzt, die die Aktivität der Pansenmikroorganismen nicht zerstört, sondern nur vorübergehend abstoppt,
um diese bei Wiederherstellung eines im Bereich von 5 bis 11, insbesondere von 5 bis 6, 8, liegenden PH-Wertes erneut zur Entfaltung zu bringen.
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