(Manihot esculenta Crantz) AND THE ROLE OF SYNTHETIC

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1 Diss. ETH No SUBSTITUTION OF CEREALS BY CASSAVA ROOT MEAL (Manihot esculenta Crantz) AND THE ROLE OF SYNTHETIC AMINO ACIDS AND AMYLOLYTIC ENZYMES IN SUCH DIETS FOR BROILER CHICKENS A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZURICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by K. SAMARASINGHE B.Sc. Agric. (Sri Lanka), M.Sc. Agric. (Sri Lanka) born February 01,1954 citizen of Sri Lanka accepted on the recommendation of Prof. Dr. C. Wenk, examiner Prof. Dr. D. Beever, co-examiner Zurich, 1992

2 1 SUMMARY The feeding value of cassava root meal (CRM) as a substitute for cereals with the addition of synthetic amino acids and amylolytic enzymes for broilers was investigated in 3 series of experiments. Each experiment was conducted for 35 days using 8-10 days old, male broiler chickens (n = 96) of ASA breed and was designed to study the growth, feed utilization efficiency, energy and protein utilization and various qualitative parameters in the carcass. (indicator method), In the first series of experiments, graded levels of CRM were incorporated in protein adequate diets, as well as in diets supplemented with standard and high levels of synthetic essential amino acids (EAA). The second series of experiments was designed to examine the possibility of reducing the crude protein (CP) content of the diet with supplemented syndietic EAA. The role of amylolytic enzymes added to amino acidfortified, low-protein diets was studied in the third series of experiments. The results revealed that high quality CRM is a good source of dietary energy for broiler chickens. However, the substitution of maize by CRM led to a protein deficiency in the diet and thus extra protein was required. With the increased level of protein sources, the inclusion of 400 g kg-1 CRM did not affect the broiler performance, but 570 g kg"1 CRM reduced the growth rate by 9 %. The total substitution of maize by CRM (570 g kg"1 diet) with the addition of synthetic EAA reduced the dietary CP level by 1.4 % units and the growui of broilers by 4 %. A significantly (7 %) or somewhat (1 %) higher growth rate was observed with 200 g kg"1 CRM due to increased feed intake (2 experiments). With isonutritious diets, the growth rate was linearly correlated to the feed intake (r = 0.96) and curvilinearly to the energy and nutrient intakes = (r 0.90 to 0.96), but not to the level of CRM in the diet Dietary CP contents lower than 165 g kg"1 drastically reduced both feed intake and growth rate, even though the diets were supplemented with synthetic EAA. Reduced feed intake appeared to be caused by a higher essential to nonessential amino acid (NEAA) ratio (lack of NEAA) or by synthetic EAA, or by a lower CP/ME ratio in lowprotein diets. If the diets contained adequate amounts of EAA, dietary CP level did not influence the feed efficiency. Supplemental amylolytic enzymes in CRM-containing, amino acid-fortified, low-protein diets increased both feed intake and growth rate up to 9.6 and 16.4 %, respectively, depending on the age of the birds and me type of the enzyme product Diets without CRM showed a lower response to enzyme supplements. A considerable advantage of added enzymes in terms of me utilization of syndietic

3 2 Summary amino acids was, however, not observed. CRM did not markedly affect die energy metabolizability or protein utilization of the diet The energy metabolizability was higher (by up to 7 %) in low-protein diets compared to standard protein diets, and supplemental enzymes further increased the energy metabolizability by up to 1.1 %. Protein utilization was negatively correlated to the dietary CP level (r 0.55). = - With diets containing standard levels of nutrients and energy, the average carcass recovery rate amounted to 74 ± 1.4 %. Under the same experimental conditions, the eviscerated broiler carcass contained 355 ± 8.2 g kg"1 dry matter, of which about 46 % was CP (N x 6.25) and 45 % was fat The breast muscle contained less dry matter (256 ± 2.1 g kg"1) compared to the rest of the carcass. The muscle dry matter consisted almost entirely of CP (935 ± 3.5 g kg"1) and only traces of fat (51 ± 4.2 g kg"1). The abdomonal fat content varied from 14.8 to 19.5 g kg"1 live body weight CRM generally decreased the abdominal fat deposition and increased the lean/fat ratio of the carcass, but did not affect the intramuscular fat content. Carcass yellow pigmentation was reduced with CRM. Replacing maize with CRM removed some of polyenic fatty acids (PUFA) from the diet and reduced the carcass PUFA content. Furthermore, a significant positive correlation (r 0.82) = was observed between PUFA uptake and the PUFA deposition. The relative concentration of other fatty acid groups in the carcass fat could be altered by the changes in fatty acid intakes. The amino acid composition of the carcass, as well as of the breast muscle was not affected by the amino acid intake. The enzyme supplements and the dietary CP level did not significantly affect the carcass composition. ZUSAMMENFASSUNG In drei Versuchsserien wurde der NShrwert von Cassava (CRM), als Ersatz fur Getreide in Rationen fiir Broiler bestimmt Die Versuchsrationen wurden mit synthetischen Aminosauren und amylolytischen Enzymen ergsnzt Als Versuchstiere wurden 8-10 tagige mannliche Kiiken (n=96) der Zuchtlinie ASA eingesetzt Jeder Versuch dauerte 35 Tage. Es wurden die Parameter der Mastleistung, die Energie- und Proteinverwertung (Indikatormethode) und verschiedene qualitative Merkmale des SchlachtkOrpers erfasst In der ersten Versuchsserie wurden steigende Anteile von CRM im Austausch gegen Mais den Rationen beigemischt Die Rationen waren entweder nach Rohprotein (RP) ausgeglichen, Oder entsprechend den Bedarfsnormen und daruber hinaus mit syntheti schen essentiellen Aminosauren (EAA) ergsnzt In der zweiten Versuchsserie wurde

4 Summary 3 gepriift, wie weit bei gleichzeitiger ErgSnzung mit synthetischen EAA der Rohproteingehalt der Ration gesenkt werden kann. In der dritten Versuchsserie wurde die Wirkung einer Zulage von amylolytischen Enzymen auf Rationen mit tiefem Rohproteingehalt, die mit synthetischen EAA erganzt waren, untersucht Die Ergebnisse zeigen, dass CRM eine gute Energiequelle fiir Broiler ist. Der Ersatz von Mais durch CRM setzt jedoch voraus, dass die Ration mit Protein erganzt wurde. Ist die Proteinversorgung gewameistet, kann CRM im Austausch gegen Mais bis zu einer Menge von 400 g kg"1 Futter ohne nachteilige Auswirkung auf die Leistung der Broiler eingesetzt werden. Bei einer Menge von 570 g kg"1 wurden die Tageszunahmen um 9 % reduziert. Der vollstiindige Ersatz von Mais durch CRM (570 g kg"1 Futter), bei gleichzeitiger Zulage von synthetischen EAA fiihrte zu einer Reduktion des Rohproteingehaltes der Ration von 1.4 % und zu einer Verminderung des Wachstums von 4 %. Beim Einsatz von 200 g CRM pro kg Futter konnte aufgrund erhohter Futteraufnahme signifikant (7 %) Oder tendenzmassig (1 %) hohere Wachstumsraten beobachtet werden (2 Versuche). Bei Rationen mit gleicher Nahrstoffzusammensetzung bestand ein linearer (r = 0.96) Zusammenhang zwischen dem taglichen Zuwachs und der Futteraufnahme und ein kurvilinearer Zusammenhang zwischen dem taglichen Zuwachs und der Energie- und Nahrstoffaufnahme = (r 0.90 bis 0.96). Ein Zusammen hang zwischen Zuwachs und CRM Gehalt der Ration konnte nicht festgestellt werden. Die Futteraufnahme und das Wachstum wurden negativ beeinflusst wenn der Rohpro teingehalt der Ration geringer war als 165 g kg"1 Futter und dies, obschon die Rationen mit synthetischen EAA erganzt waren. Der Grand fiir den reduzierten Futterverzehr kann entweder beim hbheren EAA/NEAA Verhaitnis (Manko an nicht essentiellen Aminosauren (NEAA) oder bei den synthetischen EAA, oder beim tieferen RP/ME Verhaitnis in den Mischungen mit tiefem Rohproteingehalt liegen. Der Rohproteinge halt der Futtermischungen beeinflusste die Futterverwertung nicht wenn diese ausreichend mit EAA erganzt waren. Der Zusatz von amylolytischen Enzymen in rohproteinarmen CRM Mischungen, die mit EAA erganzt waren, hatte einen positiven Effekt sowohl auf die Futteraufnahme (bis 9.6 %) als auch auf das Wachstum (bis 16.4 %), wobei der Einfluss vom Alter der Broiler und vom Enzymprodukt abhangig war. Der Einfluss der Enzyme war bei Futtervarianten ohne CRM geringer. Eine verbesserte Ver wertung der synthetischen Aminosauren bedingt durch den Enzymzusatz konnte nicht beobachtet werden. Die Energie- und Proteinverwertung wurde durch CRM nicht beeinflusst Die Energieverwertung war bis zu 7 % hoher in Futtermischungen mit geringem Rohproteingehalt gegenuber denjenigen mit einem praxisiiblichen Rohproteingehalt Enzymzulagen verbesserten die Energieverwertung um 1.1 %. Die Proteinverwertung war negativ mit dem Rohproteingehalt korreliert (r -0.55). =

5 4 Summary Die durchschnittliche Schlachtausbeute betrug 74 ± 1.4 %, wenn Futter mit einem praxistiblichen Gehalt an Nahrstoffen und Energie verfiittert wurde. Der Trockensubstanzgehalt betrug im SchlachticOrper (ohne Innereien) 335 ± 8.2 g kg'1, davon waren 46 % Rohprotein (N x 6.25) und 45 % Fett Der Trockensubstanzgehalt des Brustmuskels (256 ± 2.1 g kg"1) hingegen war geringer. Der Rohprotein- und Fettgehalt in der Muskeltrockenmasse betrug 935 ± 3.5 g kg"1 bzw. 51 ± 4.2 g kg"1. Der Anteil des Abdominalfettes am Lebendgewicht variierte zwischen 1.48 % und 1.95 %. Wenn Futter mit CRM eingesetzt wurde, war der Ansatz an Abdominalfett etwas gerin ger und das Fleisch/Fett Verhaitnis besser als bei der entsprechenden Maisration. Der Gehalt an intramuskuiarem Fett hingegen wurde nicht beeinflusst. Der Einsatz von CRM verringerte die gelbe Pigmentierung des SchlachtkOrpers. Der Polyensauregehalt des Futters sowie die Einlagerung von Polyensauren (PUFA) in das SchlachtkOrperfett war geringer, wenn in den Futtermischungen Mais durch CRM ersetzt wurde. Gleichzeitig wurde der Anteil sowohl an gesattigten Fettsauren als auch an Monoensauren im SchlachtkOrper verandert. Eine signifikante positive Beziehung (r 0.82) = konnte zwi schen der Aufnahme und dem Ansatz an PUFA gefunden werden. Das Aminosauremuster des Schlachtkorpers wie auch dasjenige des Muskels wurde durch die Aminosaureaufnahme nicht beinflusst. Weder der Enzymzusatz noch der Rohproteingehalt beeinflusste die Schlachtkorperzusammensetzung. RESUME Lors de 3 series experimentales, nous avons etudie la valeur nutritionnelle de la racine de Cassava sous forme de farine (CRM), appliquee dans des regimes pour poulets de chair comme substitut de c r ales avec addition d'acides amines de synthese et d'enzymes amylolitiques. Chaque experience a ete - nsalisee durant 35 jours a l'aide de poussins males de 8 10 jours d'sge (n = 96) de source ASA dans le but d'etudier la croissance, le coefficient d'utilisation alimentaire, l'utilisation de l'energie et des protelnes (metiiode de l'indicateur), ainsi que des parametres qualitatifs varies de la carcasse. Dans la premiere seiie experimentale, nous avons applique1 diffcrents niveaux de CRM aussi bien dans des regimes a teneur protidique adequate que dans ceux supplements avec des acides amines essentiels de synthese (EAA) a des niveaux standards ou eleves. La seconde s^rie experimentale nous a permis d'examiner la possibility de r6duire le taux de matieres azotees (CP) du regimes parallelement a une supplementation en EAA de synthese. Le rdle des enzymes amylolitiques additionnds a un regime a faible teneur en matieres azotees fortifie avec des acides amines de synthese a, quant a lui, ete etudie

6 Summary 5 lors de la troisieme serie experimentale. Les resultats ont nlveie que des CRM de haute qualite etaient une bonne source d'energie pour les poulets, bien que la substitution du mais par des CRM conduise a une deficience proteique de la ration et done que des proteines externes doivent y gtre incorporees. L'augmentation des sources protidiques et une inclusion de 400 g kg"1 de CRM n'ont pas affecte les performances des poulets. En revanche, une incorporation de 570 g kg"1 de CRM a reduit le niveau de croissance de 9 %. Une substitution complete du mai's par CRM (570 g kg"1 regime) avec adjonction d'eaa de synthese a reduit le taux proteique de 1.4 % et la croissance de 4 %. Une incorporation de 200 g kg"1 CRM a induit une augmentation significative (7 %) ou legere (1 %) du niveau de croissance, due a un accroissement de I'ingestion alimentaire. Dans les regimes iso-energetiques, le niveau de croissance etait correie de manifere lineaire a I'ingestion alimentaire (r 0.96), = curvilineaire par rapport a I'ingestion e'nerge'tique et des nutriments = (r 0.90 a 0.96). II n'etait pas correie par rapport au niveau de CRM du regime. Une teneur en matieres azotees inferieure a 165 g kg"1 a reduit I'ingestion alimentaire et la croissance de maniere importante, meme si les regimes etaient suppiementes avec des EAA de synthfise. Une reduction de I'ingestion alimentaire semble 6tre causee, soit par une relation desequilibree entre acides amines essentiels et non essentiels (NEAA) (manque de NEAA), soit par des EAA synthetiques, ou par une relation CP/ME plus faible dans des regimes a faible teneur protidique. Au cas oil les regimes contiennent des quatites adequates de EAA, le niveau de CP n'influence pas l'indice de consommation. Des enzymes amylolitiques suppiementaires dans les regimes CRM fortifies en acides amines et de faible teneur protidique ont concourru a une augmentation de I'ingestion alimentaire et du taux de croissance jusqu'a 9.6 et 16.4 % respectivement Cet effet depend de l'sge des animaux et du type de produit enzymatique. Les regimes sans CRM ont pnisente une reponse moindre a une supplementation enzymatique. Neanmois, nous n'avons pas pu observer d'avantage considerable en terme d'utilisation des acides amines de synthese qui serait du aux enzymes ajoutes. CRM n'a pas affecte de fa?on marquee la metabolisation de l'energie ou l'utilisation proteique des regimes. La metabolisation de l'energie etait superieure (environ jusqu'a 7%) dans les regimes a faible teneur proteique compares a ceux a teneur proteique standard. Les enzymes suppiementaires ont induit une metabolisation de l'energie plus eievees de 1.1 %. L'utilisation proteique etait coneiee negativement au niveau de CP de la ration (r = -0.55). Avec des regimes ayant des niveaux standard de nutriment et d'energie, le niveau de recouvrement moyen de la carcasse s'est eieve a 74 ± 1.4 %. Sous des conditions

7 6 Summary experimentales equivalentes, la carcasse de poulets evisceree contenait 355 ± 8.2 g kg"1 de matifere seche, dont 46 % CP (N x 6.25) et 45 % de graisse. Compares au reste de la carcasse, les muscles pectoraux contenaient mois de matiere seche (256 ± 2.1 g kg-1). La repartition de la matiere seche du muscle consistait pratiquement en de la CP (935 ± 3.5 g kg"1) et quelques traces de graisse (51 ± 4.2 g kg-1). La teneur en graisse abdominale variait de 14.8 a 19.5 g kg"1 de poids vif. CRM diminue en general la deposition de graisse abdominale et augmente le rapport viande maigre/graisse de la carcasse, mais n'affecte en rien la teneur en graisse intramusculaire. La pigmentation jaunatre de la carcasse etait reduite avec du CRM. Une substitution du mai's par CRM a retranche certain acides gras polyinsatures (PUFA) du regime et reduit la teneur en PUFA de la carcasse. De plus, une correlation positive et significative (r 0.82) = a ete observee entre I'ingestion et la deposition en PUFA. Un changement dans I'ingestion d'acides gras peut alterer la concentration relative des autres groupes d'acides gras dans la carcasse. La composition en acides amines de la carcasse et des muscles pectoraux n'a pas ete influencee par I'ingestion d'acides amines. La supplementation en enzymes et le niveau de CP du regime n'ont pas affecte la composition de la carcasse de maniere significative.

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