EFFECT OF MAlZE SUBSTITUTION BY DIFFERENT CASSAVA QUALITIES AND THE ROLE OF AMYLOLYTIC ENZYMES IN SUCH DIETS FOR BROILER. CmCKENS

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1 Diss. ETH NO EFFECT OF MAlZE SUBSTITUTION BY DIFFERENT CASSAVA QUALITIES AND THE ROLE OF AMYLOLYTIC ENZYMES IN SUCH DIETS FOR BROILER CmCKENS A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZURICH for the degree of Doctor of Technical Seiences presented by HOCINE HELLAL Dipl. Ing.-Agr. ETH born February 26, 1967 citizen ofalgeria accepted on the recommendation of Prof. Dr. C. Wenk:, examiner Prof. Dr. H.P. Pfirter, co-examiner Zurich, 1998

2 SUMMARY Cassava is a eommon erop grown in tropie areas but for feeding broiler ehiekens it is not widely used as feedstuff in the tropics. However, in industrialized eountries cassava has been used for many years in great amounts as a feedstuff for various species of farm animals. This thesis has the aim to study the effeets of substitution of maize by cassava root meal of different qualities and to investigate the effect of enzyme supplementation to diets rich in cassava root meal on the performance of broiler chickens, metabolie parameters and body composition. Cassava used in this study was purchased from Sri Lanka (harvested at 10 months: CRMlO) or from the Ivory Coast (harvested at 20 months: CRM20). Cassava root meal (CRM) was prepared following the traditional processing methods using peeled (CRMP) or unpeeled (CRMU) roots. The chemical analysis showed good qualities of the different CRM-types. Differences were between CRMP and CRMU independent of the origin respectively harvest time. Only traces of cyanogenic glycosides were detected when the roots were unpeeled. The incorporation of cassava root meal replacing maize in the proportion 1:1 led to a decrease in crude protein and crude fat and an increase in crude fiber and ash content in test diets. In the first series of experiments, the effects of substitution of maize by 0, 15, 30, and 45 % of the different cassava meals on broiler performances were studied. Four 42 day experiments were carried out on the basis of cassava origin (Sri Lanka / Ivory Coast) or of processing (Peeled / Unpeeled) respectively using 84 male Ross birds each. A fifth experiment with 70 birds was conducted to study the effeet of substitution of 45 % maize by the four CRM types. In the second series of experiments the four CRM-types were incorporated each by 45 % at expense of maize and supplemented with Amylase. Four 39 day experiments were conducted. Substitution of maize by increasing CRM (exeept of CRMPlO) in the diet led to decrease in feed intake (1-12 %) and weight gain (4-19 %) and consequently in final body weight of the birds. Overall, the diminution of feed intake was particularly pronounced in birds which received CRMU. It seems that cyanogenic glycosides, high - 1 -

3 Summary ash and fiber contents of CRMU are responsible for this observation. The feed conversion ratio was increased significantly with the incorporation of CRM in the diet for broiler chickens. In general the different CRM-types increased the energy metabolizability of the diets (1-6 %) and nitrogen utilization (1-15 %), probably due to the low feed intake and low nutrient density. Peeling cassava roots induced higher metabolizability of energy and N-utilization than CRMU. CRMlO showed higher metabolizability of energy and N-utilization than CRM20. The different diets had no influence on carcass recovery. The average carcass recovery amounted to 68 ± 0.7 %. Heart, abdominal fat and total fat weight per loog of carcass weight increased with CRMP, while it decreased significantly with the incorporation of CRMU in the diets. CRM carcasses showed in general a lower fat weight when compared to the control, Probably, the diminution of fat deposition was due to the low feed intake and to growth retardation. Liver weight of birds increased with all CRM (from 2.1 to 3.2 g/loog carcass weight) and CRMlO showed higher liver weight than CRM20. The differences observed in organ weights are difficult to explain. Many factors like fat deposition, ash metabolism and cyanogenic glycosides can be responsible for those changes. Dry matter, ash, fat and gross energy contents of carcasses of birds fed CRMPlO were slightly higher as compared to the control diet. On the contrary, the utilization of CRMUlO induced an increase of protein and ash content and areduction of fat and gross energy content. CRMP20 and CRMU20 led to an increase in protein content and a decrease in ash content as compared to the control, Generally cassava root mealled to an increase in carcass protein content as compared to maize. The daily nutrient deposition of carcasses was higher with CRMP as compared to CRMU. However, protein, fat and energy deposition were not significantly different. Generally CRM led to a lower nutrient deposition when compared to control. The substitution of maize by cassava resulted in pale carcasses. The enzyme supplementation led to an increase in feed intake (0.5 % - 10 %) and in weight gain (2 % - 10 %). Diets containing cassava root meal from Sri Lanka showed better performances with the enzyme addition than cassava root meal from Ivory cost and control diet. The interaction of enzyme addition and peeling is not clear since Allzyme AF showed better results with CRMPlO than CRMUlO, however, a contrary effect was observed in - 2-

4 Summary cassava purchased from the Ivory Coast (CRM20). The diets without cassava root meal showed less response to enzyme supplementation as the diets with CRM. The improvement shown by enzyme supplementation can be principally attributed to the increased feed intake. Other contributory factors like quality of cassava meal, starch and of type of enzyme could be implicated. Water consumption and consequently the water content in the excrements of broiler chickens increased with the introduction of cassava meal in the diet, especially with birds fed with CRMP. Enzyme supplementation reduced water intake and increased the dry matter content of excrements. The results of this study show that quality of cassava meal is of wide variability. Maturity of roots, country of origin and processing methods such as peeling have to be taken into consideration when assessing quality. CRMPlO was of good quality and could be incorporated beyond 45 % of maize in the broiler diets without deleterious effects on birds performance. On the contrary, the substitution of maize by CRMUlO or CRMP20 and CRMU20 should not exceed 15 %. Appropriate enzyme supplementation to cassava diets can be of great interest for the improvement of nutritive value of cassava meal. In addition, the reduction of the nutrient excretion and the increase of the dry matter of excrements can be very beneficial for both the animal health and the environment. In spite of some negative effects of CRM in broiler diets, for example an impaired litter consistency, this study showed that CRM of good quality (harvested at 10 months and peeled) can substitute maize up to 45 %

5 ZUSAMMENFASSUNG Der Anbau von stärkereieher Cassava ist in den Tropen weit verbreitet. Trotzdem ist in diesen Regionen traditionellerweise Getreide, d.h. vor allem Mais der wichtigste energieliefernde Bestandteil in der Geflügelfütterung. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel den Effekt, einer stufenweisen Maissubstitution durch Cassava verschiedener Qualität (1. Versuchsserie) und den Effekt einer Enzymsupplementierung cassavareicher Rationen (2. Versuchsserie) auf die Leistung von Mastküken zu untersuchen. Das verwendete Cassavamehl (CRM), das aus Sri Lanka sowie von der Elfenbeinküste stammte, wurde mit 10 (CRMlO), bzw. 20 Monaten (CRM20) geerntet und auf traditionelle Weise entweder aus geschälten (CRMP) oder aus ungeschälten Wurzeln (CRMU) verarbeitet. Die chemische Analyse zeigte, dass die verschiedenen CRM-Typen insgesamt eine gute Qualität aufwiesen. Unterschiede gab es zwischen CRMP und CRMU unabhängig von der Herkunft bzw. des Alters. Das Mehl aus geschälten Wurzeln enthielt zudem geringere Mengen an Blausäure. Der Einsatz von CRM führte zur einer Abnahme des Protein- und Fettgehaltes sowie zu einer Erhöhung des Rohfaser- und Aschegehaltes in den Versuchsrationen. In der ersten Versuchsserie wurden den Rationen unterschiedlich hohe Anteile CRM im Austausch gegen Mais (0, 15, 30 bzw. 45 %) beigemischt. Es wurden beide Herkünfte (Sri Lanka / Elfenbeinküste) und Verarbeitungstypen (geschält / ungeschält) in vier aufeinanderfolgenden Versuchen mit je 84 männlichen Mastküken der Zuchtlinie Ross geprüft. In einem fünften Versuch mit 70 Küken wurden die 4 CRM-Typen gleichzeitig und mit je einem einheitlichen Anteil von 45 % in der Ration getestet. In der zweiten Versuchsserie wurden die 4 CRM-Typen den Rationen zu je 45 % beigemischt und mit Amylase supplementiert. Die Mastperiode dieser wiederum aus 4 Versuchen bestehenden Serie betrug 39 Tage. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Ausnahme von CRMPlO, ein steigender Anteil von -4-

6 Zusammenfassung CRM in der Ration im Austausch gegen Mais zu einer Reduktion des Futterverzehrs (1-12 %) sowie des Tageszuwachses (4-19 %) führte. CRMU reduzierte den Futterverzehr stärker als CRMP. Dieser Effekt dürfte auf den Blausäureanteil und den hohen Asche- und Rohfasergehalt von CRMU zurückzuführen sein. Die Futterverwertung wurde mit zunehmendem Anteil von CRM in der Ration schlechter. Im allgemeinen erhöhten alle CRM-Typen, speziell aber die geschälten die Energieverwertung (1-6 %) und die N-Verwertung (1-15 %) der Ration. Dies ist wahrscheinlich auf den niedrigeren Futterverzehr und auf die niedrigere Nährstoffdichte zurückzuführen. CRM20 zeigte eine höhere Umsetzbarkeit der Energie und N-Verwertung als CRMlO. Die verschiedenen Futterrationen hatten keinen Einfluss auf die durchschnittliche Schlachtkörperausbeute, die 68 ± 0.7 % betrug. Das Gewicht des Herzmuskels und des Abdominalfettes bezogen auf das Schlachtkörpergewicht erhöhte sich mit zunehmendem CRMP Anteil in der Ration, nahm aber mit zunehmendem CRMU Anteil ab. Tiere der CRM Varianten wiesen im allgemeinen einen niedrigeren Anteil an Fett auf als die Kontrolle. Mit zunehmender Substitution von Mais durch Cassava erhöhte sich das Lebergewicht von 2.1 auf 3.2 g/100g Schlachtkörpergewicht. CRMI0 führte zu einem höheren Lebergewicht im Vergleich zu CRM20. Für die Unterschiede im Gewicht der Organe könnten möglicherweise Faktoren wie Fettansatz, Metabolismus der Mineralstoffe und der Blausäure verantwortlich sein. Die Ursache des reduzierten Fettansatzes war wahrscheinlich der niedrigere Futterverzehr und der geringere Tageszuwachs. Der Gehalt an Trockensubstanz, Asche, Fett und Bruttoenergie in den Schlachtkörpern der mit CRMPI0 gefütterten Broilern war im Vergleich zur Kontrolle leicht erhöht. Die Verwendung von CRMUlO induzierte im Gegensatz zu CRMPlO eine Erhöhung des Protein- und Aschegehaltes und eine Abnahme des Fett- und Energiegehaltes in den Schlachtkörpern. CRMP20 und CRMU20 bedingten eine Zunahme des Protein- und eine Abnahme des Aschegehaltes im Vergleich zur Kontrolle. Im allgemeinen erhöhte Cassavamehl den Proteingehalt der Schlachtkörper im Vergleich zum Kontrollfutter. Der tägliche Ansatz von Nährstoffen in den Schlachtkörpern war höher mit CRMP im Vergleich zum CRMU. Protein-, Fett- und Energieansatz waren dennoch nicht signifikant verändert. CRM induzierte im allgemeinen eine Abnahme des - 5 -

7 Zusammenfassung Nährstoffansatzes im Vergleich zur Kontrolle. Im Vergleich zu CRMlO, bewirkte CRM20 einen niedrigeren Nährstoffansatz. Die Maissubstitution durch Cassava führte zu einer helleren Schlachtkörperfarbe. Die Enzymsupplementierung induzierte eine Erhöhung des Futterverzehrs ( %) und des Tageszuwachses (2-10 %) der Broiler. Bei Rationen mit Cassavamehl aus Sri Lanka (CRMlO) führte die Enzymsupplementierung zu einer besseren Mastleistung der Tiere. Der Enzymeinfluss und der Schäleffekt zeigten eine signifikante Interaktion. Während bei Cassava aus Sri Lanka die geschälte Variante (CRMPlO) mit Enzymzusatz bessere Resultate lieferte, war es bei Cassava von der Elfenbeinküste die ungeschälte Variante (CRMU20). Bei den Rationen ohne Cassavamehl zeigte die Enzymsupplementierung eine geringere Wirkung. Die Verbesserung der Broilerleistungen durch die Enzymzulage kann zum Teil auf eine Zunahme des Futterverzehrs zurückgeführt werden. Andere Einflussfaktoren sind möglicherweise die Cassavamehlqualität, Stärke gehalt und -qualität und die Enzymtypen. Der Wasserverbrauch der Tiere und folglich auch der Wassergehalt der Exkremente nahm mit steigendem Anteil von Cassavamehl in der Ration zu, insbesondere bei den Mastküken, die mit CRMP gefüttert wurden. Die Enzymsupplementierung bewirkte eine leichte Reduktion des Wasserverbrauchs und erhöhte den Trockensubstanzgehalt in den Exkrementen. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen, dass Unterschiede in der Cassavamehlqualität bedingt durch Erntezeitpunkt, Herkunft oder Verarbeitungsmethoden, wie Schälen oder Nichtschälen der Cassavawurzeln, zu unterschiedlichen Mastleistungen bei Broilern führen und daher zu berücksichtigen sind. CRMPlO war von guter Qualität, und auch bei einer Maissubstitution von 45 % in der Broilerration konnte keine negative Wirkung auf die Mastleistung festgestellt werden. Im Gegensatz dazu, waren bei CRMUlO, CRMP20 und CRMU20 bereits ab einer Einsatzmenge von 15 % die Leistungen der Tiere eingeschränkt. Der nutritive Wert von Cassavarationen kann durch Enzymzulagen verbessert werden. Dies führt zu positiven Effekten für die Leistungen der Tiere und eine Zunahme der Trockensubstanz in den Exkrementen sowie zu eine Reduktion der Nährstoffausscheidungen. Trotz einiger negativer Wirkungen, wie zum Beispiel der Reduktion der Trockensubstanz der - 6 -

8 Zusammenfassung Exkremente, konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass in der Geflügelfütterung CRM guter Qualität (10 Monate alt und geschält) Mais bis zu 45 % ersetzen kann. -7-

9 RESUME Le manioc est une racine tropicale tres utilisee dans les pays industrialises. Dans les pays tropicaux cependant les poulets de chair sont communement engraisses avec du mais. Cette these s'est donc attachee ä etudier 1'effet de la substitution du mais par des farines de manioc de qualites variees et l'effet de l'ajout d' enzymes amylolitiques dans les regimes riches en manioc sur les performances, les parametres metaboliques et la composition chimique des carcasses des poulets de chair. Le manioc (CRM) utilise pour cette etude provenait soit du Sri Lanka (recolte apres 10 mois de culture: CRMlO) soit de la Cöte d'ivoire (recolte apres 20 mois: CRM20). Les raeines de manioc, avant d'etre moulues ont ete preparees suivant deux techniques traditionnelles avec epluchage (CRMP) ou non (CRMU). L'analyse chimique a revele la bonne qualite de ces differentes farines avec cependant de legeres traces d'aeide cyanhydrique dans les farines provenant de racines non epluchees. L'incorporation de manioc a conduit globalement ä un appauvrissement en proteine et en graisse et ä un enrichissement en fibres et mineraux des regimes alimentaires utilises, Lors de la premiere serie experimentale, 1'effet de la substitution du mais ä 15, 30 et 45 % par differentes farines de manioc sur les performances zootechniques des poulets de chair a ete etudie. Dans cette serie, quatre experiences sur la base de l'origine du manioc (Sri Lanka / Cöte d'ivoire) ainsi que de la technique de transformation (epluche / non epluche) ont ete menees, chacune sur 84 poussins de souehe Ross, eleves durant 42 jours. Une cinquieme experience avec 70 poussins a permis de contröler sous les meme conditions l'effet de la substitution ä 45 % du mais par les quatre types de manioc. Dans la seconde serie experimentale, des enzymes amylolitiques (Allzyme AF) ont ete ajoutes ä des regimes riches en manioc (45 %) et quatre experiences ont ete realisees sur une duree de 39 jours. La substitution du mais par CRM ä 1'exception du CRMPlO a induit une reduction de!'ingestion (l - 12 %), et du gain de poids (4-19 %), et par consequent du poids final des animaux. Globalement, la diminution de 1'ingestion alimentaire est particulierement importante - 8 -

10 Resume chez les animaux ayant recu CRMU et elle serait due au deficit proteique, aux traces d'acide cyanhydrique et ä la haute teneur en matiere minerale et fibres brutes de ces regimes. L'indice de consommation augmente significativement avec l'introduction de manioc dans l'alimentation des poulets. En generalies differentes farines de manioc ont augmente la metabolisabillte de I'energie (de 1 ä 6 %) et l'utilisation azotee (de 1 ä 15 %), probablement ä cause de la faible ingestion alimentaire et de la faible densite en nutriments des regimes avec les differentes farines de manioc. L'epluchage a induit de haute metabolisabillte d' energie et d'utilisation azotee, La substitution avec CRMlO a montre une plus forte metabolisabilite de I'energie et de l'utilisation azotee que CRM20. L'alimentation n'a aucune influence sur le rendement moyen des carcasses ä l'abattage. Le rendement moyen etait en moyenne de 68 ± 0.7 %. Le poids du cceur, de la graisse abdominale et de la graisse totale en fonction du poids de carcasse augmentent avec l'incorporation de CRMP et diminuent significativement avec la part de CRMU dans le regime alimentaire. Les carcasses des animaux ayant recu CRM contenaient en general moins de gras que les carcasses contröle, Par ailleurs, le poids du foie des animaux augmente apres une alimentation contenant le manioc des deux types (de 2.1 a3.2 g / 100g de carcasse). Si la diminution dans le depöt en graisses peut etre due ä la faible ingestion alimentaire et au retard de croissance, les differences observees dans le poids des organes restent difficiles ä expliquer. Plusieurs facteurs tels que le depöt en graisse, metabolisme des mineraux et cyanures peuvent eventuellement en ötre responsable. La teneur en matiere seche, matiere minerale et matiere grasse des poulets nourris aux CRMPlO est legerement superieure au contröle, Par ailleurs l'utilisation de CRMUlO a entraine une augmentation du taux de proreines et de mineraux ainsi qu'une diminution de la matiere grasse et de I' energie brute. CRMP20 et CRMU20 ont conduit ä une augmentation du contenu en proteine des carcasses et une diminution du contenu en mineraux par rapport au contröle. En general CRM a induit une augmentation du contenu proteique des carcasses par rapport au contröle, La depöt joumalier en nutriment etait plus elevee avec CRMP qu'avec CRMU. Cependant la depöt en proteines, matiere grasse et energie n'etait pas statistiquement significative. Compare au contröle, CRM a induit en general une diminution du depöt en nutriments des carcasses. -9-

11 Resume L' apport d' enzyme a provoque une augmentation de l'ingestion (0.5 % - 10 %) et du taux de croissance jusqu'ä 2 % - 10 % des poulets. Les regimes comportant du manioc du Sri Lanka ont conduit ä de meilleures performances des poulets avec une supplementation enzymatique. L'influence du facteur epluchage n'est pas c1air puisque l'enzyme A1lzyme AF a realise de meilleurs resultats pour CRMPlO que pour CRMUlO, mais l'effet contraire a ete observe pour CRM20. Les regimes sans farine de manioc ont presente une reponse moindre ä la supplementation enzymatique. L'amelioration apportee par la supplementation enzymatique peut ötre principalement attribuee ä l' augmentation de l'ingestion alimentaire. Cette derniere depend de la qualite de la farine de manioc soit de l'amidon ou du type de l'enzyme. La consommation d' eau, et par consequent la teneur en eau des excrements des poulets, a augmente avec l'introduction de farine de manioc, surtout pour les farines issues de manioc epluche. L'enzyme a reduit la consommation d'eau et a augmente la teneur en matiere seche des excrements, Les resultats de cette etude montrent que la farine de manioc est d'une grande variabillte dans sa qualite et que l' äge ä la recolte, le pays de provenance ainsi que Ia methode de transformation tel que I'epluchage ou non des racines de manioc sont ä prendre en consideration. CRMP provenant du Sri Lanka et recoltee a 10 mois etait de tres bonne qualite et pouvait etre incorporee au delä de 45 % ä la place du mais dans les regimes pour poulets de chair sans affecter les performances des animaux. Par contre la substitution du mais par CRMUI0, CRMP20 et CRMU20 ne devait pas depasser les 15 %. L'apport enzymatique approprie aux regimes ä base de manioc pourrait etre d'un grand interöt pour I'amelioration de la valeur nutritive de la farine de manioc. D'autre part la reduction de l' excretion des nutriments et l' augmentation de la matiere seche des excrements serait pour l' animal et l' environnement tres benefique. Malgre quelques effets negatifs, comme la diminution de la matiere seche des excrements, il pouvait etre montre dans cette etude que CRM de bonne qualite (recolte ä 10 mois et epluche) pouvait substituer le mais jusqu'ä 45 %