DE2646385A1 - Verfahren zur anreicherung von proteinen in mais, maniok und anderen staerkehaltigen produkten durch direkte fermentation - Google Patents
Verfahren zur anreicherung von proteinen in mais, maniok und anderen staerkehaltigen produkten durch direkte fermentationInfo
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Description
- Verfahren zur Anreicherung von Proteinen in Mais,
- Maniok und anderen stärkehaltigen Produkten durch direkte Fermentation Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von Proteinen durch direkte und kontinuierliche Fermentation von Produkten, die reich an Stärke und arm an Proteinen sind.
- Diese Produkte können Getreidekörner sein, wie z.B. Weizen, Mais, Gerste, Sorghum, Hirse, Reis oder Hafer, oder Wurzeln von Maniok (Mandioka, Kassava), Kartoffelknollen, Yamswurzeln usw..
- Ziel der Erfindung ist es, diese Produkte mit Proteinen anzureichern, damit sie als ein ausgeglichenes Nahrungsmittel direkt für die menschliche und tierische Ernährung verwendet werden können.
- Insbesondere betrifft die Erfindung die Anreicherung von Proteinen in Maispulver und Maniokpulver durch direkte Fermentation unter der Wirkung von ausgewählten Stämmen von Levures Candida Tropicalis, ohne daß es notwendig ist, diese kohlenstoffhaltigenSubstrate einer vorherigen chemischen oder enzymatischen, exogenen Hydrolyse zu unterwerfen.
- In zahlreichen Veröffentlichungen sind Verfahren zur Anreicherung von Proteinen in stärkehaltigen Produkten oder Abfallprodukten, wie Mais oder Kartoffeln durch Fermentation unter der Wirkung bestimmter Hefepilze, wie CANDIDA UTILIS, TORULA, PENICILLIUM, FLUSARIUM beschrieben. Diese verschiedenen Verfahren gehen von Produkten oder Abfällen aus, die Stärke enthalten, und umfassen stets entweder eine saure Hydrolyse bei einem pH-Wert von etwa 1,8 oder eine enzymatische Hydrolyse, die hervorgerufen wird durch Amylasen oder ausgewählte Mikroorganismen welche Amylasen erzeugen, wie z.B. ASPERGILLUS NIGER, RHIZOPUS, ENDOMYCES, ENDOMYCOPSIS FIBULIGER,SACCHAROMYCES DIASTATIUS, wie die folgenden Literaturstellen beweisen: 1. E.R. KOOI and F.C. Armbruster, Production and Use of Dextrose (Gewinnung und Verwendung von Dextrose), STARCH: Chemistry and Technology, Bd. II, S. 553, Academic Press 1967 (Stärke: Chemie und Technologie, Bd. 2).
- 2. Kurl JARL, Utilisation of Waste materials by fermentation (Nutzung von Abfällen durch Fermentation).
- 71 Socker-Handlingar, Bd. 25 (1971) No. 2, S. 4-11.
- 3. Anna IKONOMOVA, Use of waste products from the Starch and Glucose Industry for the production for feed purposes (Verwendung von Abfällen der Stärke- und Glukoseindustrie in der Ernährung).
- ZKIVOTNOVUDNI NAUK 9 (7) 21 28 (1972).
- 4. F. DESCHIMPS et F. MEYER (Institut National de Recherche Chimique Applique).
- FR-PS 74 315 89, 18 September 1974.
- 5. K. JAROSZ and al. Fermentation de matieres premieres amidonnees. PRACE INSTITUT: IAB. BAD. PRZEM. SPOZ (1974) 24, 1 S. 7-16.
- Andererseits ist die Fermentation von Maniok, einem anderen stärkehaltigen Produkt, bisher diskontinuierlich durchgeführt worden, sei es mit Maniok in Form eines feuchten Feststoffs, sei es mit Maniok in Suspension, unter der Wirkung nicht von Hefen, sondern von Pilzen vom Typ RHIZOPUS, NEUROSPORA, ASPERGILLUS, MUCOR, wie die folgenden Literaturstellen beweisen: 6. W.R. STANZEN and A J. WALLBRIDGE (the SECRETARY of STATE for DEFENSE), GB-PS 1 277 002.
- 7. W.E. TREVELYAN, Trop. Sci. 16,4 (1974): The enrichment of CASSAVA with proteins by moist solid fermentation (Anreicherung von Proteinen in Maniok durch Fermantation des feuchten, festen Produkts).
- 8. A.E. READE and K.F. GREGORY. Appl. Microb. Bd. 30, N. 6 897, Dez. 1975= High temperature production of proteins enriched feed of CASSAVA by Fungi ( Hochtemperaturgewinnung von Nahrungsmitteln aus Maniok, das durch Pilze mit Proteinen angereichert ist).
- 9. K.F. GREGORY and al. FOOD TECHNOLOGY, Bd. 30, N. 3, 30.
- März 1976' Conversion of CARBOHYDRATES to PROTEINS by HIGH TEMPERATURE FUNGI (Umwandlung von Kohlehydraten in Proteine durch thermophile Pilze).
- Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von bekannten Verfahren dadurch: - Das Ausgangsmaterial ist ein Pulver oder Mehl, das reich an Stärke ist und als Suspension vorliegt, - die Fermentation verwendet anstelle von fasrigen Pilzen Hefen, von denen man weiß, daß ihr Proteingehalt höher und ihre Wachstumszeit kürzer ist, insbesondere Hefen vom Typ TROPICALIS, die sehr lebenskräftig sind, sich auf zahlreichen kohlenstoffhaltigen Substraten entwickeln'und deren Ungefährlichkeit sich in zahlreichen Lebensmitteltests erwiesen hat (Arch. Mikrobiol. 72 . 135 - 139: 1970), - die Hefe wird direkt in dem Nährmedium angewandt, welches das Pulver als homogene Suspension enthält, ohne vorherige Hydrolyse, - die Fermentation wird in einer kontinuierlichen Kultur bei kontrolliertem Verdünnungsgrad durchgeführt, welcher bei kontrollierten Temperatur- und pH-Werten die Entwicklung der Hefe und die Anreicherung des Produkts derart beeinflußt, daß die Ausbeute bei diesem Verfahren derjenigen von bekannten Fermentationen, die diskontinuierlich durchgeführt werden, überlegen ist, - die Fermentation wird nicht bis zur Erschöpfung des kohlenstoffhaltigen Substrats getrieben, sondern so durchgeführt, daß ein Gemisch aus trockenem Substratrückstand und Hefen erhalten wird, welches einen Proteingehalt von über 15% aufweist, - das gewonnene Produkt ist nach dem Trocknen ein angereichertes Mehl, welches>15% Proteine enthält und für den menschlichen oder tierischen Verzehr geeignet ist.
- Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verfahren zur Anreicherung von Proteinen in dem Pulver aus 4 wesentlichen Stufen: 1. Auswahl von Stämmen von CANDIDA TROPICALIS zur Verwendung in dem Gärbehälter.
- 2. Zerkleinerung der Maiskörner, Maniokschnitzel oder anderen stärkehaltgn Produkte und Suspendierung derselben.
- 3. Direkte und kontinuierliche Fermentation.
- 4. Abtrennung und Trocknung des Produkts, das aus der Biomasse und dem restlichen Mais, Maniok oder anderen Ausgangsmaterial besteht.
- Auswahl der Stämme Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Auswahl der für die Fermentation erforderlichen Mikroorganismenkultur, in deren Verwendung bei dem Verfahren und in deren Wiedergewinnung.
- Ausgehend von Stämmen von CANDIDA TROPICALIS (CT 101) hat man Klone aus Nährmedien isoliert, die als einzige Kohlenstoffquelle lösliche Stärke enthalten. Sie wurden unter den Nummern CT 1001 - CT 101/1 - CT 101/9 und CT 101/AR registriert.
- Außer löslicher Stärke enthält das Nährmedium Mineralsalze, Oligoelemente, Wachstumsfaktoren in Form von Hefeextrakten und eine ammoniakalische Stickstoffquelle in folgenden Mengenverhältnissen: S04Mg, 7 H20 2 g NaCl 1g WH4Cl 25 g KH2P04 70 g Lösung von Oligoelementen 100 ml (Fe - Ni - Co - Cu) Hefeextraktmit der Bezeichnung DIFCO 1 g.
- Es wurde gefunden, daß der Stamm CT 1001 sich auf löslicher Stärke in einer diskontinuierlichen Kultur mit einer Gewich:tsausbeute von 46 g Zellen (Trockengewicht) auf 100 g verwendeter Stärke entwickelt, was einer Ausbeute von 46% und einem Wachstumsgrad von 0,75 pro Stunde entspricht.
- Die optimalen Entwicklungstemperaturen liegen zwischen 30 und 390C; oberhalb von 4OOC ist ein Wachstum nicht möglich.
- Unter diesen Bedingungen stellt der Ammoniak oder das NH4-Ion die Stickstoffquelle dar. Das pH-Gebiet, welches die beste Entwicklung ermöglicht, liegt zwischen 4 und 6 und vorzugsweise zwischen 4,5 und 5,5. Die beiden Wachstumsparameter, Ausbeute und Wachstumsgrad, variieren nur wenig in Abhängigkeit von der Substratkonzentration in dem Kulturmedium, wenn die Belüftungsbedingungen vollkommen sind, und dies bis zu einer Stärkekonzentration von 8 g /1.
- Unter experimentellen Bedingungen, welche die Entwicklung auf Stärke ermöglichen, wurde gefunden, daß das Kohlenstoffmillieu nur eine sehr geringe Menge an Glucose enthält, die durch Hydrolyse der Stärke freigesetzt worden ist und etwa 1% ausmacht. Man darf hieraus schließen, daß dieser Hefestamm sich direkt auf Stärke entwickelt und nicht auf den vorher freigesetzten Hydrolyseprodukten.
- Die 3 anderen Stämme von CANDIDA TROPICALISadie mit dem Stamm CT 101 als Ausgangsmaterial ausgewählt wurden, verhalten sich wie der Stamm CT 1001.
- Im Vergleich hierzu liegt bei Glucose als einziger Kohlenstoffquelle die Wachstumsausbeute von CANDIDA TROPICALIS zwischen 50 und 55% mit einem Wachstumsgrad von 0,80 pro Stunde.
- Zerkleinerung und Suspendierung Die Maiskörner oder Maniokschnitzel oder anderen stärkehaltigen Produkte werden in einem gewöhnlichen Zerkleinerer, z.B. einem Zerhacker derart zerkleinert, daß ein Pulver oder Mehl erhalten wird, dessen Korngröße 1 mm nicht übersteigt und unter 100 Mikron liegen kann.
- Die zerkleinerten Maiskörner werden in einer 1 N Schwefelsäurelösung suspendiert. In dieser Stärke verursacht die Säure nur eine vernachlässigbar geringe Hydrolyse der in dem Maispuder enthaltenen Stärke. Der Gärbehälter wird mit der homogenisierten Suspension so beschickt, daß die Konzentration des Maispulvers zwischen 2 und 200 g pro Liter liegt.
- Die zerkleinerten Maniokschnitzel können direkt in den Gärbehälter gegeben werden, ohne vorher suspendiert worden zu sein.
- Fermentationsbeispiel Die Züchtung erfolgt in einem kontinuierlichen Gärbehälter mit einer nutzbaren Kapazität von 4 1, wobei die folgenden Parameter eingehalten werden: - Temperatur: 32 0C - Rührbewegung: Lebhaft - Belüftung: 30 V/V h (Volumen Luft pro Volumen Medium pro Stunde) - pH-Wert: eingestellt auf 5,1 durch kontinuierliche und kontrollierte Zugabe von # O NaOH - Durchsatz F am Eingang und am Ausgang des Reaktors zugleich kontrolliert und auf folgende Werte eingestellt: Im Falle von Mais 0,2 1 pro Stunde und 0,4 pro Stunde äe nach der Versuchsart. Im Falle von Maniok 1 1 pro Stunde und 1,5 1 pro Stunde.
- - Verdünnungsgrad demnach=0,05 pro Stunde bis 0,1 pro Stunde für Mais und 0,25 pro Stunde bis 0,37 pro Stunde für Maniok (nutzbares Volumen des GärbehBters: 4 1).
- Das Nährmedium wird, bevor es in den Gärbehälter eingegeben wird, eine Stunde bei 1100C sterilisiert.
- Das Inokulum besteht aus 1 1 Kulturmedium, welches lösliche Stärke enthält, die zuvor mitiem Stamme von CANDIDA TROPICALIS CT 1001 beimpft worden ist, der in der Mehrzahl der beschriebenen Versuche verwendet wurde, und wird 24 Stunden so inkubiert, daß es vor seiner Verwendung eine optische Dichte von 1,2 Zellkonzentrationseinheiten aufweist (bestimmt durch Nephelometrie bei 450 nm und berechnet mit Hilfe von Vergleichskurven).
- Die Maissuspension wird in ständiger, heftiger Bewegung gehalten und in den Gärbehälter unter möglichst vollkommenen Homogenitätsbedingungen eingeführt, damit ein guter Kontakt zwischen Substrat und Mikroorganismus erreicht wird und ein wirksamer Abbau des verwendeten Kohlenstoffsubstrats erzielt wird.
- Im Falle der Verwendung von Maniok wird das Maniokmehl direkt in den Gärbehälter gegeben, ohne vorher suspendiert worden zu sein.
- Abtrennung des Produkts Die Gewinnung des Produkts erfolgt durch Zentrifugieren, Trocknen bei 600C und Umwandeln in ein Pulver, an welchem die Analysen vorgenommen werden ( C, N, Stärke, Proteine).
- Beispiel für die Proteinanreicherung in Mais Die nachstehenden Beispiele für die Anreicherung in Mais sollen die Erfindung nicht begrenzen. Vier Versuchsreihen wurden durchgeführt mit Durchsätzen F von 0,2 und 0,4 1 pro Stunde. Die Ergebnisse sind in Stabile 1 zusammengefaßt.
- Tabelle 1 Beispiele Zeitpunkt Probe Trockengew. % % Entnahme gewonnene Stickstoff Prote- zurück-Biomasse ine ge -wonnene Biomasse Nummer 1 Medium enthält 2g/l Maispulver O h 5 ml 10 mg 1,4 8,8 -F:0,2 l/hr 11 h 5 ml 8,5 mg 2,7 17 F: 0,4 l/hr 16 h 5 ml 8,2 mg 3,8 23 20 h 5 ml 7,6 mg 2,7 17 Ende der 10 1 14,8 g 3,4 21 74 Zucht Nummer 2 Medium ent- Ende der hält 2 g/l Züchtung 4 1 4,76 g 3,8 24 60 Maispulver F: 0,2 l/hr Nummer 3 wie oben Ende der Züchtung 5 1 5,93 g 3,7 23 59 Nummer 4 Medium enthält 1 g/l Maispulver Ende der Züchtung 8,5 1 5,42 g 3,2 20 64 Tabelle 1 läßt erkennen, daß ein Teil des Maispulvers in tiefe umgewandelt worden ist. Der Gehalt der gewonnenen Biomasse an Proteinen wird aus dem Stickstoffgehalt berechnet, der nach der Methode von Nessler nach Mineralisierung der Zellen bestimmt wurde. Er liegt in der Größenordnung von 20%. Zum Vergleich hierzu: Der Proteingehalt von Hefen (CT 1001), die normal auf Glucose oder löslicher Stärke gezüchtet wurden, liegt bei 50 - 60% . Die Bilanz der Fermentationsergebnisse weist einen Verlust an Trockensubstanz in der Größenordnung von 20 - 40%, je nach den Versuchsbedingungen, und einen Gehalt an Proteinen aus, der von 8 - 9 % beim Ausgangsmais bis zu Werten zwischen 20 und 24% beim trockenen Endprodukt reicht.
- Bei einem Durchsatz F von 0,4 l pro Stunde entspricht die gewonnene Biomasse etwa 70 % des eingesetzten Maispulvers bei Proteingehalten zwischen 18 und 20 %. Indem man auf den Verdünnungsgrad einwirkt, kann man die Proteingehalte des Gemisches ebenso variieren wie den Rückgewinnungsgrad des Gemisches nach der Umwandlung.
- Die Tabelle 2 gibt eine Vergleichsanalyse zwischen dem Ausgangsmais und dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angereicherten Mais.
- Tabelle 2 Zerkleinerter durch Fermentation Ausgangsmais angereicherter Mais Feuchtigkeit 10,0 fO 10,0 % Stickstoff 1,4 ffi 3,3 % Proteine 8,75 20,6 % Kohlenstoff 42,1 % 40,8 ffi Stärke 66,0 % 44,7 % Lysin 3,3 % 6,8 % Methionin 2,2 % 2,9 % Cystin 1,9 % 2,6 % Beispiel für die Anreicherung in Maniok Die nachstehenden Beispiele für die Proteinanreicherung in Maniok sollen die Erfindung nicht begrenzen. In der nachstehenden Tabelle 3 sind die Ergebnisse zusammengefaßt, die bei 2 Fermentationsversuchen bei Durchsätzen F von 1 und 1,5 1/hr, entsprechend Verdünnungsgraden D (und Wachstumsgraden) von 0,25 und 0,37 / hr, mit einer Suspension von 10 g Maniok pro Liter in den Gärbehälter erzielt worden sind.
- Tabelle 3 Beispiele Zeitpunkt Probe Trockengewicht % der Ent- d. gewonnenen Stick- Proteine rückgenabme Biomasse stoff wonnene Biomasse Nummer 1 F: 1,51/hr Ende der 10 g/l Züchtung 5 1 5,6 g 2,7 16,9 56 Mani ok 5 51 5,6 g 2,7 16,9 16,9 56 Nummer 2 F: 1 1/hr 10 g/l Ende der Maniok Züchtung 5 l 4,2 g 3 18,8 42 Wie diese Tabelle erkennen läßt, wird das Maniokpulver vollkommener umgewandelt als das Maispulver. Der Prozentsatz der rückgewonnenen Biomasse ist geringfügig kleiner bei einem Proteingehalt, der etwa 3-18 ffi übersteigt, wobei die Menge der Zelle zwischen io10 und 1011 pro Liter Kultur liegt.
- Die Tabelle 4 gibt eine Vergleichsanalyse zwischen dem Ausgangsmaniok und dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angereicherten Maniok.
- Tabelle 4 Aus gangsmaniok angereichertes Maniok Stickstoff 0,5 % 3 % Proteine 3,1 % 18 % Lysin 1,1 % 7,7 % Methionin 0,7 % 2,7 ffi Cystin 0,5 % 2 ffi Das Verfahren In der Zeichnung ist die Vorrichtung für die kontinuierliche Fermentation schematisch dargestellt.
- Die Maiskörner gelangen in den Zerkleinerer 1, um zu einem feinen Pulver zerkleinert zu werden, welches mittels der Förderschnecke 2 in den Behälter 3 gelangt, in welchem die Suspension zubereitet wird. Dieser Behälter 3 wird ebenso wie der Gärbehälter 4 über die Leitung 5 mit Wasser beschickt.
- Die Suspension wird in den Gärbehälter 4 transportiert, der mit einem kräftigen mechanischen Rührer 6 ausgerüstet ist.
- Der Gärbehälter wird aus dem Behälter 7 über die Leitung 8 mit einem mineralischen Medium beschickt. Er kann durch Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in seinem Doppelmantel gekühlt werden. Das Fermentationsprodukt wird bei 9 abgezogen, bei 10 zentrifugiert und bei 11 getrocknet. Das an Proteinen angereicherte Maismehl wird bei 12 gelagert.
- Das aus der Zentrifuge austretende Wasser wird über 13 in den Gärbehälter zurückgeleitet. Die für die Fermentation erforderliche Luft wird mittels eines Kompressors 14 und über ein Filter 15 eingeführt.
- Im Falle der Verwendung von Maniok kann der Behälter 3 für die Zubereitung der Suspension weggelassen und das Maniokpulver direkt in dem Gärbehälter eingeführt werden.
- Das Produkt Die Erfindung umfaßt auch das Produkt, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten wird, sowie seine Verwendung als Mais- oder Maniokmehl, welches an Proteinen angereichert ist und direkt in der menschlichen und tierischen Ernährung verwendet werden kann.
- Das angereicherte Maismehl enthält mehr als 15 % Proteine, genauer: Von 15 - 30 Gew.% Proteine. Dieses Mehl besteht aus einem Gemisch, welches 70 - 90 Gew.% Mais, der an Stärke verarmt und aus diesem Grunde an Proteinen angereichert ist, und 10 - 30 Ges.% Hefen enthält, welche an Proteinen angereichert sind, die aus der Fermentation der Stärke stammen.
- Desgleichen enthält das angereicherte Maniokmehl mindestens 15 % Proteine; genauer: 15 - 30 Gew.% Proteine. Dieses Mehl besteht aus einem Gemisch, welches 60 - 80 Gew.% Maniok, das an Stärke verarmt und infolgedessen an Proteinen leicht angereichert ist, und 20 - 40 Gew.% Hefen enthält, welche an Proteinen angereichert sind, die aus der Fermentation der Stärke stammen.
Claims (6)
- Patentansprüche: Verfahren zur Anreicherung von Proteinen in Produkten, die reich an Stärke sind, wie z.B. Maiskörnern oder Maniokschnitzeln, dadurch gekennzeichnet, daß man a) diese stärkehaltigen Produkte zu einem Pulver oder Mehl mit einer Korngröße unter 1 mm zerkleinert, b) dieses Mehl oder Pulver suspendiert, c) der erhaltenen Suspension Mineralsalze, eine Stickstoffquelle, Oligoelemente und Wachstumsfaktoren zusetzt, so daß man ein vollkommenes Nährmedium erhält, d) dieses Nährmedium einer direkten und kontinuierlichen Fermentation unter der Wirkung von Hefestämmen unterwirft, welche keiner chemischen oder enzymatischen Hydrolyse des Mehls bedürfen, wie z.B. die auf löslicher Stärke gezüchteten Stämme von CANDIDA TROPICALIS, wobei diese Fermentation unter heftigem Rühren und starker Belüftung bei pH-Werten zwischen 4 und 6 und einer Temperatur zwischen 30 und 39 0C durchgeführt wird, und e) die entstandene Biomasse abzentrifugiert und trocknet, wobei man ein Mehl erhält, welches an Proteinen angereichert ist und direkt verzehrt werden kann.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentation in einer Weise führt, daß ein Teil des kohlenstoffhaltigen Substrats, Mais, Manioks und anderer stärkehaltiger Produkte verdaut und schließlich ein Produkt erhalten wird, welches aus einem Gemisch aus Hefen und rückständigem Ausgangsmaterial besteht, dessen Gesamtgehalt an Proteinen über 15% beträgt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren so geführt wird, daß das Endprodukt einen Proteingehalt zwischen 15 und 30 ffi aufweist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fermentation mit einem Hefestamm CT 1001 durchgeführt wird, der durch Züchtung von CANDIDA TROPICALIS 101 auf löslicher Stärke in einem Nährmedium gewonnen worden ist,.welches Mineralsalze, Oligoelemente, Wachstumsfaktoren, eine Stickstoffquelle und einen pH-Wert zwischen 4=5 und 5,5 aufweist, welcher mittels einer wässrigen Alkalihydroxydlösung eingestellt wird, wobei die Temperatur zwischen 30 und 39OC gehalten und dieses Medium einer heftigen Rührbewegung und einer starken Belüftung unterworfen wird.
- 5. Maismehl, das nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 an Proteinen angereichert ist, mindestens 15 Ges.% Proteine enthält und aus einem Gemisch aus Hefen und an Stärke verarmtem Mais besteht.
- 6. Eaniokmehl, das nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 an Proteinen angereichert ist, mindestens 15 Gew.% Proteine enthält und aus einem Gemisch aus Hefen und an Stärke verarmtem Maniok besteht.
Applications Claiming Priority (2)
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| FR7532010A FR2328409A1 (fr) | 1975-10-20 | 1975-10-20 | Production d'aliments a haute teneur en proteines par fermentation directe de produits broyes riches en amidon |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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