Genetic and nongenetic variation of milk processing characteristics in Irish and Italian dairy cattle

Milk processing characteristics describe the aptitude of milk to be transformed into different dairy products. Milk intended for cheese production should coagulate early in order to generate a strong curd; cheesemaking is favored by low milk pH, small casein micelle, and high content of minerals such as Ca, P, and Mg. Small casein micelle, high milk pH, and low inorganic Ca2+ favor the stability of milk protein to heat treatments, which is a fundamental characteristic for the production of dried milk. The quantification of such milk quality traits is important at the dairy industry level in order to define more precisely the best use of milk prior to processing. The overall objectives of the present thesis were: i) to develop mid-infrared spectroscopy (MIRS) prediction models for a fast and on-line measurement of milk processing characteristics; ii) to study the effect of stage of lactation, parity, breed, heterosis and recombination loss on a large number of predicted processing phenotypes; and iii) to estimate (co)variance components of milk technological aspects in order to potentially breed for improved milk processability. The effectiveness of MIRS as a fast and cost-effective technique to predict rennet coagulation time, curd-firming time, curd firmness at 30 and 60 min after rennet addition (milk coagulation properties), heat coagulation time, casein micelle size, pH and minerals (Ca, K, Mg, Na, and P) was evaluated. The proportion of variance explained by the prediction models in external validation ranged from 13% (casein micelle size) to about 70% (minerals, with the exception of Na, and pH). Factors associated with the phenotypic variation of MIRS-predicted milk coagulation properties, heat coagulation time, casein micelle size, and pH, and minerals was evaluated on large spectral datasets. Milk coagulation properties were more favorable (i.e., short rennet coagulation time and strong curd firmness) for cheese manufacturing in early lactation, concurrent with the lowest values of both pH and casein micelle size, and the greatest milk mineral content; milk was more stable to heat in mid-lactation. Milk yielded by primiparae was more adapted for both cheese and milk powder production. Jersey cows, on average, yielded milk more suitable for cheese rather than milk powder production. Simmental cows produced milk with the greatest content of Ca and Na, and milk of Holstein-Friesian had the lowest P content. Genetic parameters for milk processing characteristics were studied. Heritability estimates ranged from 0.16 (heat coagulation time) to 0.54 (Ca). Within-trait genetic correlations were weaker than 0.40 only at the peripheries of the lactation. On average, more than 80% of the additive genetic variation in each trait was associated with the height of the lactation profile for all traits. Milk processing traits were generally antagonistically correlated with milk production suggesting that emphasis should be placed to milk processability to halt any deterioration.Le qualità tecnologiche del latte descrivono l’attitudine di questa materia prima ad essere trasformata in prodotti lattiero-caseari. Il latte destinato alla produzione di formaggio dovrebbe coagulare in tempi relativamente brevi e generare un coagulo consistente; in quest’ambito la coagulazione del latte è favorita da valori bassi di pH ed alta acidità titolabile, micelle caseiniche piccole e alto contenuto di minerali come Ca, P e Mg. Micelle caseiniche piccole, valori di pH alti e un basso contenuto di Ca2+ favoriscono la stabilità del latte a trattamenti termici, una caratteristica fondamentale per la produzione di latte in polvere. La determinazione delle caratteristiche tecnologiche del latte è un aspetto rilevante nell’industria lattiero-casearia al fine di definire in maniera più efficiente la destinazione e l’utilizzo dello stesso durante la trasformazione. Gli obiettivi generali della presente tesi sono: i) sviluppare modelli di predizione utilizzando la spettroscopia nel medio-infrarosso (MIRS) per la determinazione routinaria di caratteri tecnologici del latte; ii) studiare l’effetto di stadio di lattazione, ordine di parto, razza, eterosi e ricombinazione su un elevato numero di fenotipi predetti; iii) stimare le componenti di (co)varianza degli aspetti tecnologici del latte al fine di verificare la possibilità di migliorarli geneticamente. È stata valutata l’efficacia del MIRS quale tecnica rapida e relativamente economica per predire il tempo di coagulazione, il tempo di rassodamento e la consistenza del coagulo a 30 e 60 minuti dall’aggiunta del caglio (proprietà coagulative del latte), la stabilità al calore, la dimensione delle micelle caseiniche, il pH e i minerali (Ca, K, Mg, Na e P). La proporzione di varianza spiegata dai modelli di predizione in validazione esterna varia dal 13% per la dimensione delle micelle caseiniche a circa il 70% per i minerali (con l’eccezione di Na e pH). I fattori associati alla variazione fenotipica delle predizioni MIRS delle proprietà coagulative del latte, della stabilità al calore, della dimensione delle micelle caseiniche, del pH e del contenuto di minerali sono stati valutati utilizzando dataset di spettri di popolazione. Le proprietà coagulative del latte sono più favorevoli (breve tempo di coagulazione e elevata consistenza del coagulo) per la produzione di formaggio all’inizio della lattazione, contestualmente a valori bassi di pH e della dimensione delle micelle caseiniche, e ad alte concentrazioni di minerali; la stabilità risulta più elevata a metà lattazione. Il latte prodotto da bovine primipare è maggiormente adatto alla produzione sia di formaggio sia di latte in polvere. Soggetti di razza Pezzata Rossa producono un latte con i più alti contenuti di Ca e Na, mentre il latte di Frisona ha i valori più bassi di P. Infine, sono stati determinati i parametri genetici per i caratteri tecnologici menzionati in precedenza. Le stime di ereditabilità variano da 0.16 (stabilità al calore) a 0.54 (Ca). Le correlazioni genetiche entro carattere sono inferiori a 0.40 solamente ad inizio e fine lattazione. In media, più dell’80% della varianza genetico-additiva risulta associata con l’altezza del profilo di lattazione di tutti i caratteri studiati. In generale, i caratteri tecnologici del latte sono correlati antagonisticamente con la produzione di latte. Alla luce dei risultati si ritiene opportuna una concreta applicazione di tali caratteri negli attuali programmi di miglioramento genetico