Cheese-making efficiency affected by protein source in concentrate feed for dairy cows and their αS1-κ-casein genotypes

Abstract

Evaluation of cheese-making efficiency is important for the dairy industry for profitability and sustainability reasons. Milk with a beneficial composition that favours good coagulation properties and a higher cheese yield while maintaining cheese quality is therefore of interest.

The dairy industry in Norway aims to increase the proportion of nationally produced feed ingredients for dairy cows. To achieve this, novel protein sources are needed. Forest covers almost 40 % of Norway, and it is possible to produce a protein rich yeast ingredient from spruce wood using technology such as enzymatic hydrolysis and subsequent fermentation of the resulting sugars. However, the impact of yeast microbial protein used in concentrate feed to dairy cows on cheese-making properties, yield and cheese quality is unknown and therefore investigated in a feeding study that resulted in two papers: Paper 1 (Cheese-making efficiency) and Paper 2 (Cheese ripening and quality). Norwegian Red dairy cows (n=48) in early/mid lactation were divided in three groups and fed a diet consisting of grass silage and concentrate. The yeast Cyberlindnera Jadinii was tested as a protein source in concentrate feed for dairy cows and compared to barley and soybean meal. The concentrates with added soybean meal or yeast contained a higher protein content. In Paper 1, individual milk samples were collected five times during the experiment and a Gouda-type cheese was made from pooled milk from each of the three groups. Milk from cows fed barley-based concentrate contained a lower content of casein and phosphorous, used longer time for renneting and gave a lower cheese yield compared to concentrate with added soybean meal and yeast. Overall, soybean meal and yeast used as a protein source in concentrate feed showed similar cheese-making properties, but for individual milk samples, yeast concentrate showed better coagulation properties. In Paper 2, the cheese ripening and quality of the cheeses were evaluated. Cheeses made from milk from cows fed concentrate with soybean meal had a higher content of DL-pyroglutamic acid and free amino acids than the other cheeses, indicating a faster ripening. There were no differences in microbiota between the cheeses, and few differences in sensory properties. This feeding experiment showed that it is possible to substitute soybean meal with yeast without compromising cheese-making properties and quality of Norwegian Gouda-type cheese. Milk protein genetic variants affect the protein/casein composition in milk which again affects cheese-making efficiency.

One of the goals for the dairy industry is to optimize the utilization of milk as a raw material for dairy products. One possible strategy is to manipulate the milk composition through breeding, such as obtaining a milk composition tailored to the production of cheese. This can result in a higher cheese yield, reduced manufacturing time and thereby lower energy consumption. Most studies about genetic protein variants have measured coagulation properties at a laboratory scale and have focused on genetic variants of single caseins. However, in Paper 3, the effect of composite genotypes of αS1-κ-casein (BBAA, BBBB and BCAA) on the coagulation properties and yield during cheese-making and the quality after ripening of a Havarti-type cheese was investigated. Milk with αS1-κ-casein BCAA obtained a shorter renneting time, while milk with αS1-κ-casein BBAA obtained the highest cheese yield. Different protein profiles in cheese were found between the genotypes. After ripening, cheese with αS1-κ-casein BBBB obtained more free amino acids compared to αS1-κ-casein BCAA. Sensory differences were observed, where cheese with αS1-κ-casein BCAA had a higher intensity of sweetness and lower intensity of hardness compared to cheeses with αS1-κ-casein BBBB and BBAA. Cheeses with αS1-κ-casein BBAA had a higher intensity of sunlight flavour compared to the cheeses with αS1-κ-casein BCAA and it obtained a lower intensity of juiciness compared to αS1-κ-casein BBBB cheeses.

Based on the two experiments presented, both protein source in concentrate feed to dairy cows and the milk protein genetic variants affects cheese-making efficiency and are means that could be used to make the dairy industry more efficient and sustainable.

Evaluering av ystingseffektiviteten er viktig for meieriindustrien både av økonomiske grunner, men også med tanke på bærekraftig produksjon. Det er av interesse at melka har en gunstig sammensetning som bidrar til å forbedre melkas koaguleringsegenskaper og gir økt utbytte, samtidig som ostekvaliteten opprettholdes. Meieriindustrien i Norge har som mål å øke andelen norskproduserte fôrråvarer i fôr til melkekyr. For å kunne oppnå dette, så trengs det nye og innovative proteinkilder. Skogen dekker omtrent 40 % av landarealet til Norge, og det er mulig å produsere proteinrik gjær fra grantrær ved bruk av enzymatisk hydrolyse av cellulose fra grantrær etterfulgt av fermentering av sukkere fra denne hydrolysen. Hvilken effekt en slik proteinkilde i kraftfôr til melkekyr har på ysteegenskaper, utbytte og ostekvalitet er ukjent. Derfor ble dette undersøkt i et fôrforsøk som resulterte i to artikler: Artikkel 1 (Ystingseffektivitet) og Artikkel 2 (Ostemodning og kvalitet). Melkekyr av rasen Norsk rødt fe (n=48) som var tidlig eller midt i laktasjon ble fordelt i tre grupper og ble gitt en diett bestående av surfôr og kraftfôr. Gjæren Cyberlindnera Jadinii ble benyttet som proteinkilde i kraftfôr og sammenliknet med bygg og soyamel benyttet som proteinkilde i kraftfôr. Kraftfôret med gjær og soyamel hadde et høyere innhold av protein. Artikkel 1 omhandler produksjon av Gouda-type ost produsert av melk fra de tre gruppene samt individuelle melkeprøver som ble samlet inn fem ganger i løpet av forsøket. Melk fra kyr som ble fôret med bygg som proteinkilde hadde et lavere innhold av kasein og fosfor, hadde en lengre løpningstid og gav et lavere utbytte sammenliknet med melk fra kyr som ble fôret med kraftfôr med gjær og soyamel. Stort sett gav gjær og soyamel i kraftfôr like ysteegenskaper, men gjær gav bedre koaguleringsegenskaper i de individuelle melkeprøvene. Artikkel 2 omhandler modning og kvalitet av ostene. Ostene produsert av melk fra kyr fôret med soyamel-kraftfôr hadde en høyere konsentrasjon av DL-pyroglutaminsyre og frie aminosyrer sammenliknet med de andre ostene, dette indikerer en raskere modning. Det var ingen forskjell i mikrobiota mellom ostene og det var små forskjeller i sensoriske egenskaper. Dette fôrforsøket viste at det er mulig å erstatte soyamel med gjær uten at det går ut over ysteegenskaper og kvalitet på norsk Gouda-type ost. De genetiske proteinvariantene i melk påvirker sammensetningen av protein/kasein i melk, som igjen påvirker ystingseffektivitet. Et av målene til meieriindustrien er å optimalisere bruken av melk som råvare ved produksjon av meieriprodukter. En mulig strategi er å manipulere melkas sammensetning gjennom avl, slik at man får en sammensetning som er bedre tilpasset osteproduksjon. Dette kan resultere i økt utbytte, redusert produksjonstid og dermed et lavere energiforbruk. De fleste studier som omhandler genetiske proteinvarianter har målt koaguleringsegenskaper i labskala og har fokusert på genetiske varianter av enkelt-kaseiner. I Artikkel 3 ble det undersøkt hvilken effekt genetisk sammensetning av αS1-κ-kasein (BBAA, BBBB and BCAA) har på koaguleringsegenskaper og utbytte, samt kvalitet og modning av en Havarti-type ost. Melk med αS1-κ-kasein BCAA hadde kortest løpningstid, mens melk med αS1-κ-kasein BBAA gav høyest utbytte. Ulik proteinsammensetning i osten ble funnet mellom de ulike genotypene. Etter modning, hadde ost med αS1-κ-kasein BBBB en høyere konsentrasjon av frie aminosyrer sammenliknet med αS1-κ-kasein BCAA. Sensoriske forskjeller ble observert mellom ostene, ost med αS1-κ-kasein BCAA hadde en høyere intensitet av søtsmak og lavere intensitet av hardhet sammenliknet med ost med αS1-κ-kasein BBBB and BBAA. Ost med αS1-κ-kasein BBAA hadde en høyere intensitet av solsmak sammenliknet med ost med αS1-κ-kasein BCAA og hadde en lavere intensitet av saftighet sammenliknet med ost med αS1-κ-kasein BBBB. Begge forsøkene viser at både proteinkilde i kraftfôr til melkekyr og genetiske proteinvarianter påvirker effektivitet under osteproduksjon og er tiltak som kan benyttes for å gjøre meieriindustrien mer effektiv og bærekraftig.