Characterization of new technological and nutritional properties of milk from cows of 6 breeds reared in multi-breed herds

Improved animal production, largely as a result of genetic selection, was one of the greatest achievements of the last century. The dominant dairy cattle breed, at a global level, is the Holstein-Friesian. The breed has undergone an extreme genetic selection for several decades, towards high milk yield, and incorporated by high-nutrient and milk output systems. However, the high genetic pressure on only one trait, i.e. milk yield, resulted in unfavorable impacts on the welfare of the cows (i.e., metabolic stress, lameness, mastitis, reduced fertility and longevity). Moreover, as animals tend to adapt to the environment they are selected in, it is likely that selection for increased yield may also lead to environmental sensitivity. For instance, the negative correlation between production and fitness traits in less favorable environments is indicative of a decline in adaptability in the modern dairy cows. An increased importance exists, nowadays, for farm animal welfare that is recognized by all stakeholders in the farm animal production chain. These considerations, together with the unchanged primary goal of the dairy industry for high milk quality for the consumer’s market, has lead, in some cases, in the use of crossbreeding between Holstein-Friesian and other dairy and dual-purpose breeds. In some countries, dual-purpose breeds such as the Simmental, Montbéliarde, Normande, and specialized breeds such as the Brown Swiss and Jersey are considered the breeds of choice for crossbreeding. These breeds, including the local Italian (North-east Italy) breeds of Rendena and Alpine Grey, tend to offer superior milk quality, complemented by high beefing merits. This combination can result in increased revenue from male calves and cull cow sales. Nevertheless, comparison of milk quality of these different breeds is lacking in the literature, especially due to practical difficulties in the recording system of lots of animals, that are reared in different mixed-breed farms. To alleviate this problem, the Cowplus project has been developed at the Department of Agronomy, Food, Natural resources, Animals and Environment at University of Padova. The project permitted the sampling of 1,508 cows reared in 41 multi-breed herds, located in Trentino region in the north-eastern Italian Alps. Farms were selected from a pool of 610 herds enrolled in the Italian milk recording system. Cows were recorded for body characteristics, daily milk yield and composition, renneting aptitude, and cheese-yield. In total, 6 dairy and dual-purpose breeds were used. As part of the Cowplus project, this study aimed in: 1) the quantification and characterization of the effects of high or low herd productivity (defined according to the milk net energy yielded daily by the cows); 2) quantifying the variability of the herds within herd productivity class; 3) performing a within-herd comparison between the 3 dairy and the 3 dual-purpose breeds; 4) analyzing the effects of the days in milk (DIM) and the parity of the cows, on traditional milk quality and milk renneting aptitude (Chapter 1), cheese-making ability (Chapter 2), milk mineral elements (Chapter 3), and productivity and efficiency indicators of lactating cows (Chapter 4). More precisely, the goal of the first chapter was to test the afore mentioned effects on coagulation properties, and assess the repeatability and reproducibility of traditional milk coagulation properties (MCP) and curd-firming over time (CFt) modeled and derived traits. Milk samples were collected from all the 1,508 cows and analyzed in duplicates (3,016 tests) using two lactodynamographs (Formagraph, FOSS) to obtain 240 curd-firmness (CF) measurements in 60 min (one every 15 sec) for each duplicate. Results showed that the effect of herd-date on the traditional and modeled MCP was modest while individual animal variance showed the highest incidence. The repeatability of MCP was high (> 80%) for all traits excluding those depending on the last part of the lactodynamographic curve (57 to 71%). The reproducibility, taking also into account the effect of instrument, was equal or slightly lower than repeatability. Milk samples collected in farms characterized by high level of productivity exhibited delayed coagulation but greater potential curd firmness compared to milk samples collected from low productivity herds. Large differences in all MCP traits were observed among breeds, both between specialized and dual-purpose breeds, and within the two groups, even after adjusting for milk quality and yield. Milk samples from Jersey cows, both for milk quality and MCP, and also from Rendena cows (but only for coagulation time) were superior respect to milk from Holstein-Friesian cows, while intermediate results were found for the other breeds of Alpine origin. The second chapter aimed at evaluating the same effects on 508 model cheeses derived from 508 cows of 6 different breeds. For each cow 6 milk composition traits, 4 recovery traits (REC) of milk nutrients (fat, protein, solids and energy) in the curd, and 3 actual % cheese yield traits (%CY), expressing the fresh cheese, cheese solids and cheese water as percentages of the processed milk were analyzed (these traits were obtained during the experimental cheese-making process). In addition, 2 theoretical %CYs (fresh cheese and cheese solids) were calculated from the milk composition, and 2 overall cheese-making efficiencies (fresh cheese and cheese solids) were calculated as the % ratio between actual and theoretical %CYs. Daily milk yield (dMY) was also measured and estimates were made of 3 actual daily cheese yield production traits (dCY) per cow (fresh cheese, cheese solids and water retained in the cheese). Results showed that cows reared in high productivity herds yielded more milk with greater nutrient contents and more cheese per day, and had greater theoretical %CY, although to a lesser extent, actual %CY. However, they did not differ from low productivity herds in terms of REC traits (except solids), while they had a lower solid cheese-making efficiency. Individual herds within productivity classes were an intermediate source of total variation with respect to REC traits (11.3% to 17.1%), and to actual and theoretical %CY and estimates of efficiency (10.0% to 17.2%), and a major source for milk yield and dCY traits (43.1% to 46.3%). Breed within herd greatly affected all traits. Compared with the dual-purpose breeds, the 3 specialized dairy breeds (Holstein, Brown Swiss and Jersey) had, on average, a similar dMY, better milk composition, greater actual and theoretical %CY, similar fat and protein REC, and slightly lower cheese-making efficiency. Of the specialized dairy cow breeds, Holsteins produced more milk, but Brown Swiss cows produced milk with a greater nutrient content, greater nutrient REC, higher actual and theoretical %CY and a higher cheese-making efficiency, so the two large breeds had the same dCY. Small Jersey cows produced much less milk, with much more fat and protein and greater REC traits than the two large-framed breeds resulting in greater actual and theoretical %CY but similar efficiencies. Although the Jersey breed had lower dMY and dCY, the difference was much smaller for the latter. The differences among Simmental and the local Rendena and Alpine Grey were not very large. Compared with medium-framed cows of the local breeds, Simmentals had greater dMY, tended to have better milk composition, REC and %CY traits (but similar efficiencies), and also had much greater dCY. Among the local breeds, the higher dMY of Rendena was offset by the greater nutrient content of milk from the Alpine Greys, so their dCY was similar. The objective of the third chapter was to test the same previous effects on 240 milk samples from 240 cows of 6 different breeds. Fifteen minerals were determined by Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). Results revealed that the effect of herd-date was large especially on environmental minerals (from 47 to 91% of the total variance), while it ranged from 11% to 61% considering both macro- and micro-minerals. Milk samples collected in farms characterized by high level of productivity exhibited richer mineral profile compared to milk samples collected from low productivity herds. Parity influenced exclusively macro-minerals, with the exception of Ca and S, while DIM influenced almost all minerals, with few exception related to the environmental elements. Large differences were observed among breeds, both between specialized and dual-purpose breeds, even after adjusting for milk quality and yield. Milk samples from Jersey and Brown Swiss cows were superior respect to milk from Holstein-Friesian cows, both for milk quality and mineral profile, while intermediate results were found for the other breeds of Alpine origin. Moreover, the variance of individual animals was much greater than variance of individual herds within herd productivity class. The fourth chapter focused on the concepts of production, productivity and efficiency. As breed of cows and herd characteristics are the most important factors affecting milk productivity and efficiency, the aim of this chapter was to obtain independent evaluation of these factors on the data (body size and production) and milk characteristics from the 41 multi-breed herds on all 1,508 lactating cows from the 6 breeds. Nine productivity indicators and two simplified indicators of cow efficiency for cheese production, one energetic and one economic, were calculated. Results showed that breed within herd greatly affected all traits. On average the 3 dairy breeds were not much different from the 3 dual-purpose breeds, but large differences characterized both groups of cows. Jersey cows were the less productive, but, after correcting for herds effect and scaling for body size, they showed the highest efficiency among the dairy breeds. Holstein was the most productive dairy breed, but Brown Swiss cows had better milk quality and more efficient cheese-making aptitude and thus produced more cheese per day than Holsteins. Dual-purpose breeds were less variable than dairy ones, with Simmental with larger body size and production, but not productivity and efficiency respect to local Rendena and Alpine Grey breeds. If on one hand within herd comparison and correctly scaling of production traits reduced strongly herd differences in productivity, on the other hand they did not reduce very much the differences in terms of milk composition, technological properties and efficiency of cheese-making (recovery of milk nutrients in cheese), so that the differences among breeds remained strong and their importance on the overall efficiency evaluation of the breeds increased.L’aumento della produzione animale, soprattutto a causa della selezione genetica, è stato uno dei più grandi successi del secolo scorso. La razza bovina da latte dominante a livello internazionale è la Frisona. Questa razza per molti decenni ha subito una forte selezione genetica verso l'alta produzione di latte, anche attraverso sistemi di produzione intensivi. Tuttavia, l'alta pressione genetica sulla produzione di latte ha determinato impatti negativi sul benessere degli animali (es., stress metabolico, zoppia, mastite, ridotta fertilità e longevità). Inoltre, dal momento che gli animali tendono ad adattarsi all'ambiente in cui sono selezionati, è probabile che la selezione per un maggiore rendimento abbia portato anche a sensibilità ambientale. Per esempio, la correlazione negativa tra le caratteristiche di produzione e di fitness in ambienti meno favorevoli è indicativo della diminuzione della capacità di adattamento delle moderne vacche da latte. Esiste una crescente importanza, oggi, per il benessere degli animali d'allevamento che viene anche riconosciuto da tutti gli attori della catena di produzione degli animali da reddito. Queste considerazioni, insieme all'obiettivo primario del settore lattiero-caseario di alta qualità del latte, ha portato, in alcuni casi, all'utilizzo di programmi di incrocio fra Frisona e altre razze specializzate da latte e a duplice attitudine. In alcuni paesi, razze a duplice attitudine come la Pezzata Rossa, la Montbéliarde, la Normanna, e razze specializzate come la Bruna e la Jersey, sono preferite a scopo di incrocio. Queste razze, tra cui le italiane razze locali Rendena e Grigio Alpina (Nord-Est Italia), tendono ad offrire una superiore qualità del latte, accompagnata da una maggior produzione di carne, e quindi più alto valore sia dei vitelli che delle vacche a fine carriera. Tuttavia, un serio confronto di queste diverse razze è carente in letteratura, in particolare a causa di difficoltà pratiche nel campionamento di numerosi animali, che vengono allevati in diversi allevamenti a razza mista. Per ovviare a questo problema, è stato sviluppato il progetto Cowplus presso il Dipartimento di Agronomia, di Alimentazione, delle Risorse naturali, Animali e Ambiente presso l'Università di Padova. Il progetto ha permesso il campionamento di 1508 bovine allevate in 41 aziende multi-razza, situate in provincia di Trento, nelle Alpi italiane nord-orientali. Le aziende sono state selezionate da un pool di 610 allevamenti iscritti al sistema di controlli funzionali del latte. Gli animali sono stati campionati per la morfologia, la produzione giornaliera e la composizione del latte, l'attitudine alla coagulazione e alla caseificazione. In totale, sono state utilizzate 6 razze: 3 specializzate da latte e 3 a duplice attitudine. Nell'ambito del progetto Cowplus, gli obiettivi di questa tesi di dottorato sono stati: 1) la quantificazione e la caratterizzazione degli effetti di alta o bassa produttività dell’azienda (definite in base all’energia netta di lattazione prodotta giornalmente dalle vacche); 2) quantificare la variabilità delle aziende entro classe di produttività aziendale; 3) confrontare, a parità di azienda, le 3 razze specializzate con le 3 razze a duplice attitudine; 4) analizzare gli effetti dei giorni di lattazione (DIM) e dell’ordine di parto delle bovine, sulla qualità e l’attitudine alla coagulazione (Capitolo 1), l’efficienza di caseificazione (Capitolo 2), e il profilo minerale del latte (Capitolo 3), e sugli indicatori di produttività di efficienza degli animali (Capitolo 4). Più precisamente, l'obiettivo del primo capitolo è stato quello di verificare gli effetti sopracitati sulle proprietà di coagulazione del latte tradizionali e modellizzate, e di valutarne la ripetibilità e la riproducibilità. I 1,508 campioni di latte sono stati analizzati in doppio (3,016 analisi) utilizzando due lattodinamografi (Formagraph, FOSS) per ottenere 240 misurazioni di consistenza del coagulo in 60 minuti (una ogni 15 secondi) e per ogni ripetuta. I risultati hanno mostrato un contenuto effetto dell’azienda sui parametri tradizionali e modellizzati, mentre la varianza del singolo animale ha mostrato una più alta incidenza. La ripetibilità delle MCP tradizionali è risultata elevata (> 80%) per tutti i caratteri, esclusi quelli legati alla fase finale della curva lattodinamografica (dal 57 al 71%). La riproducibilità, anche tenendo conto dell'effetto dello strumento, è risultata uguale o leggermente inferiore alla ripetibilità. I campioni di latte raccolti nelle aziende caratterizzate da un elevato livello produttivo hanno presentato una coagulazione più ritardata, ma un potenziale maggiore di consistenza del coagulo rispetto ai campioni di latte provenienti da allevamenti a bassa produttività. Grandi differenze sono state osservate tra le razze in merito all’attitudine alla coagulazione del latte, sia tra le specializzate da latte e a duplice attitudine, sia entro i due gruppi, anche dopo aver corretto per la qualità e la produzione giornaliera di latte. I campioni di latte di Jersey, sia per la composizione che per l’attitudine alla coagulazione del latte, e anche di Rendena (ma solo per il tempo di coagulazione) sono stati superiori rispetto al latte di Frisona, mentre risultati intermedi sono stati trovati per le altre razze di origine alpina. Il secondo capitolo è stato diretto a valutare gli stessi effetti su 508 caseificazioni individuali delle 6 razze. Per ogni bovina sono stati ottenuti: 6 parametri di composizione del latte, 4 caratteri di recupero dei nutrienti dal latte (REC - grasso, proteina, solidi ed energia) nella cagliata, e 3 caratteri di resa reale in % (%CY), che esprime il formaggio fresco, la sostanza secca e l’acqua ritenuta nel formaggio, come percentuali del latte trasformato (ottenuti tramite una procedura individuale di micro-caseificazione). Inoltre sono state calcolate 2 rese teoriche (%Th-CY) (resa in sostanza secca e a fresco) dalla composizione del latte, e 2 efficienze (%Ef-CY) di caseificazione calcolate come rapporto in % tra resa reale e teorica. Inoltre, è stata misurata la produzione giornaliera di latte (dMY) oltre alle stime individuali di resa giornaliera in formaggio (dCY), sostanza secca e acqua del formaggio. I risultati hanno mostrato che gli animali allevati in aziende ad alta produttività hanno prodotto un latte più ricco in nutrienti e reso più formaggio al giorno (%CY e dCY). Tuttavia, nessuna differenza è stata rilevata fra aziende ad alto e basso livello produttivo in termini di recupero di nutrienti nella cagliata (ad eccezione della sostanza secca), mentre l’efficienza in sostanza secca della cagliata è stata inferiore. La singola azienda, a parità di livello produttivo, è risultata una fonte di variazione intermedia sui recuperi (dal 11.3% al 17.1%), sulle rese reali e teoriche e sulle stime di efficienza (dal 10.0% al 17.2%), e una delle principali fonti per la produzione giornaliera di latte (dMY), così come per le dCYs (dal 43.1% al 46.3%). La razza, a parità di ambiente, ha fortemente influenzato tutti caratteri analizzati. Rispetto alle razze a duplice attitudine, le 3 razze da latte (Frisona, Bruna e Jersey) hanno avuto, in media, una migliore composizione del latte, una maggiore resa reale e teorica, simile recupero di grasso e proteina nella cagliata, e una leggermente inferiore efficienza casearia. Delle razze specializzate, la Frisona ha prodotto più latte, ma la Bruna ha prodotto il latte con un maggior contenuto di nutrienti, un maggiore recupero di questi nella cagliata, una più alta resa reale e teorica e una migliore efficienza casearia, così che la produzione giornaliera in formaggio è stata simile. Le più piccole Jersey hanno prodotto molto meno latte però con molto più grasso e proteina, e % più alta del recupero di nutrienti rispetto alle due razze grandi, presentando così una maggiore resa reale e teorica, anche se simile efficienza casearia. Anche se la razza Jersey ha mostrato inferiore produzione giornaliera di latte e formaggio, la differenza è stata molto più lieve per la seconda. Le differenze tra Pezzata Rossa e le due locali Rendena e Grigio Alpina non state molto grandi. Rispetto alle due, la Pezzata Rossa ha avuto una maggiore produzione di latte con una migliore composizione, oltre ad avere maggior REC e caratteri legati alla resa (ma efficienze simili). Entro le razze locali, la più alta produzione giornaliera di latte della Rendena è stata compensata dal maggior contenuto di nutrienti del latte di Grigio Alpina, quindi la loro produzione giornaliera di formaggio è stata simile. L'obiettivo del terzo capitolo è stato quello di testare gli effetti sopracitati su 240 campioni di latte da 240 vacche appartenenti alle diverse 6 razze. Quindici minerali sono stati determinati utilizzando lo spettrometro di emissione al plasma (ICP-OES). I risultati hanno rivelato che l'effetto dell’azienda ha avuto un’influenza maggiore specialmente su minerali ambientali (dal 47 al 91% della varianza totale), mentre ha variato dall’11% al 61% sui macro e micro-minerali. I campioni di latte raccolti nelle aziende caratterizzate da un elevato livello di produttività hanno presentato un più ricco profilo minerale rispetto ai campioni di latte provenienti dagli allevamenti a bassa produttività. L’ordine di parto ha influenzato esclusivamente i macro-minerali, con l'eccezione di Ca e S, mentre i DIM hanno influenzato tutti i minerali, con poche eccezioni relative ai micro-ambientali. Sono state osservate notevoli differenze tra le razze, sia tra le specializzate che a duplice attitudine, anche correggendo il modello statistico per la qualità e la produzione di latte. Le razze Jersey e Bruna hanno presentato una migliore qualità del latte, sia in termini di composizione chimica che in profilo minerale, rispetto alle vacche di razza Frisona. Risultati intermedi sono stati trovati per le altre razze di origine alpina. Sulla base di questo studio gli effetti della razza sui macro-minerali e alcuni degli essenziali micro-minerali sono molto più importanti rispetto agli effetti della produttività aziendale, dell’ordine di parto e giorni di lattazione. Il quarto capitolo si è focalizzato sui concetti di produzione, produttività ed efficienza. Dal momento che la razza e l’azienda sono i fattori che più influenzano la produttività e l'efficienza del latte, lo scopo di questo capitolo è stato quello di ottenere una valutazione indipendente di questi due fattori sui dati raccolti sugli animali (dimensioni del corpo e produzione) e le caratteristiche del latte, dalle 41 aziende miste e su tutte le 1,508 vacche in lattazione appartenenti alle 6 diverse razze. Sono stati calcolati a questo scopo nove indicatori di produttività e due indicatori semplificati di efficienza della vacca per la produzione di formaggio, uno energetico e uno economico. I risultati hann