Beziehungen zwischen den genetischen Polymorphismus der Milchproteine der Labfähigkeit von Milch

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1 Research Collection Doctoral Thesis Beziehungen zwischen den genetischen Polymorphismus der Milchproteine der Labfähigkeit von Milch Author(s): Jakob, Ernst Publication Date: 1993 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss.ETH Nr Beziehungen zwischen dem genetischen Polymorphismus der Milchproteine Labfähigkeit von Milch und der ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE Zürich vorgelegt von ERNST JAKOB Dipl. Lm.-Ing. ETH geboren am 21. April 1955 von Wädenswil ZH und Hundwil AR angenommen auf Antrag von Prof. Dr. Z. Puhan, Referent PD Dr. R. Fries, Korreferent Zürich 1993

3 vn Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit umfasst eine Bestandesaufhahme der Milchproteinallele bei den verschiedenen Rinderrassen in der Schweiz sowie eine Erhebung über die Labfahigkeit der Milch in Rohmilchkäsereien. Untersuchungen an Einzelgemelken dienten der Beurteilung der Bedeutung der genetischen Vari anten des K-Caseins und des ß-Caseins für die Labgerinnung der Milch. Mittels isoelektrischer Fokussierung von Milchproben der Rassen Original Braunvieh (BV), Braunvieh x Brown Swiss (BVxBS), Reinsimmentaler (SI), Simmentaler x Red Holstein (SIxRH), Schwarzfleckvieh (SF), Montbeliarde (MB) und Eringer (ER) konnten die folgenden genetischen Milchproteinvari anten identifiziert werden: asl-cn A, B, C; as2-cn A, D; ß-Cn A1, A2, B, C; K-Cn A, B, C, E; a-la B; ß-Lg A, B, D. ß-Lg D wurde lediglich bei den autochtonen Rassen (BV, SI, ER) sowie bei BVxBS nachgewiesen, asl-cn A nur bei Braunvieh (Frequenz < 0,33 %) und as2-cn D nur bei BVxBS (0,1 %), SI (0,5 %), SIxRH (0,15 %) und MB (1,2 %). K-Cn C trat bei den Rassen BV (3,5 %), BVxBS (2,0 %), SIxRH (0,15 %) und SF (0,3%) auf, K-Cn E nur bei den Holsteinkreuzungen (SIxRH, 4,8%; SF, 5,2 %). Die Frequenz des K-Cn B betrag 43 % (BV), 55,4 % (BVxBS), 48,0 % (SI), 37,2 % (SIxRH), 22,9 % (SF), 32,9 % (MB) bzw. 38,6 % (ER). Weitere rassenspezifische Merkmale waren die relativ hohe Frequenz von asl-cn C bei BV und ER (15,2 % bzw. 17,8 %) sowie die starke Verbreitung von ß-CnB (20-30%) bei gleichzeitig niedrigen Anteilen des ß-Cn A1 (< 10 %) bei BV, BVxBS, MB und ER, wäh rend bei den Holsteinkreuzungen (SIxRH, SF) ß-Cn A1 (ca. 46 %) sehr häu fig, ß-Cn B sowie ocsl-cn C (beide < 3,3 %) dagegen sehr selten waren. Der häufigste Haplotyp beim Braunvieh war ocsj-cn B/ß-Cn A2/K-Cn B, bei allen anderen Rassen überwog der Haplotyp asl-cn B/ß-Cn A2/K-Cn A. Das Schwarzfleckvieh zeigte die geringste Vielfalt an Haplotypen indem nur 3 Haplotypen einen kumulierten Anteil von 90% ausmachten, während dieser Anteil beim Original Braunvieh erst mit 8 Haplotypen, bei den anderen Popu lation mit 6 Haplotypen erreicht wurde. Innerhalb der Fleckviehpopulation war eine Verschiebung der Allel- und Haplotypenfrequenzen von jenen der Rein simmentaler hin zu jenen des Schwarzfleckviehs festzustellen. Die Untersuchung der Gerinnungseigenschaften erfolgte mit Hilfe des Formagraphen. Die Präzision der Methode erwies sich hinsichtlich der Gerin nungszeit als gut (VK 2,6-3%), bezüglich der Gallertfestigkeitsmasse als

4 VIII befriedigend (VK 4,5-9 %) Magermilch gab eme bessere Reproduzierbarkeit als Vollmilch Der Wert AR (Amplitude des Formagramms Zeitpunkt 2*R nach Einlaben) wurde als das besserer Kntenum zur Beurteilung der Gallerte befunden als k20, A20, oder A30, da AR weitgehend unabhängig vom R-Wert und vom ph der Milch, d h von den Testbedingungen, ist Em durchschnittli che Milch weist emen AR-Wert um 33 mm auf Für die umfassende Beurtei lung der Labfahigkeit der Milch wurde em anhand des R- und AR-Wertes berechneter Labgermnungs-Index vorgeschlagen Die Labfahigkeit der Milch von 389 Kasereiheferanten war signifikant von der Rasse abhangig Die besten Gennnungseigenschaften zeigte die Braunviehmilch Die Milch der Fleckvieh- und besonders jene der Schwarzfleckviehbestande ergab längere Gennnungszeiten und weichere Gallerten Die Zusammensetzung und die Gennnungseigenschaften der Milch waren deutlich von den genetischen Vananten der Milchproteine abhangig über den A-Vananten hatte sowohl ß-Lg B als Gegen auch K-Cn B bei allen drei Rassen (BVxBS, SIxRH und SF) emen positiven Einfluss auf die Caseinzahl Die Milch K-Cn AB bzw BB wies gegenüber dem Typ K-CnAA emen wesentlich höheren K-Caseinanteil am Gesamtcasein sowie eme tendenziell höhere Ca2+-Aktivität auf ß-Cn B hatte gegenüber ß-Cn Ax (A1 oder A2) emen positiven Einfluss auf den ß-Casemgehalt des Casems und, wegen tiefe rer ph-werte m von Gegenwart ß-Cn B, auch emen positiven Einfluss auf die Ca2+-Aktivitat Die ph-korngierte Magermilch K-Cn AB und BB (nur BVxBS) gerann im Durchschnitt um ca 9 % bzw 11,5 % schneller und ergab rund 25 % bzw 34 % festere Gallerten (AR-Wert) als die Milch K-Cn AA/AE Die Milch K-CnAE zeigte ähnliche Eigenschaften wie die Milch K-Casein AA, die Milch K-Cn AC gerann wesendich langsamer als der Typ K-Cn AA, ergab aber normale Gallerten Die Gegenwart von ß-Cn B wirkte sich m stark ver kürzten Gennnungszeiten (ca 15 % für ß-Cn A*B bzw 29 % für ß-CnBB gegenüber ß-Cn AXAX) aus, zeigte aber kernen deutlichen Effekt beim AR- Wert Die Milch ß-Cn BB/k-Oi BB gerann m 50 % der Zeit einer Milch ß-Cn AXAX/K-Cn AA Regressionsanalysen zeigten eme vom K-Cn-Phanotyp abhangige Beziehung zwischen Gallertfestigkeit und Caseingehalt der Milch Milch des Typs ß-Cn AxAx/k-Gi AA ergab selbst bei normalem Caseingehalt nur eme knapp befriedigende Gallertfestigkeit

5 IX Untersuchungen zur Hydrolyse isolierter K-Caseine durch Chymosin ergaben keine wesentlichen Unterschiede im Substratverhalten von K-Cn A und B. Hingegen wurde K-Cn C, wahrscheinlich wegen der Aminosäuresubstitution nahe der chymosinempfindlichen Bindung, wesentlich langsamer gespalten als die anderen Varianten. Das einzigartige Verhalten von K-Cn C wurde als Ursache der langsamen Gerinnung der Milch K-Cn AC erachtet. Aus diesen Erkenntnissen wurde geschlossen, dass die Unterschiede zwischen K-Cn A und B bezüglich der Milchgerinnung v.a. durch den Einfluss der Allele auf die Zusammensetzung des Caseins bedingt sind. Die rassenspezifischen Unterschiede im Gerinnungsverhalten der Milch wur den vor dem Hintergrund der unterschiedlichen Allelfrequenzen für ß-Cn B und K-Cn B und dem verschiedenen Caseingehalt der Milch interpretiert. wurde gefolgert, dass in der Milchviehzucht dem Caseingehalt der Milch, aber auch der Frequenz von K-Cn B Beachtung geschenkt werden muss, um eine genügende Labfähigkeit der Käsereimilch zu erhalten. Es

6 XI Summary Relationships between genetic polymorphisms of milk proteins and the rennetability of milk. This study is an investigation of the milk protein alleles occurring in various cattle breeds in Switzerland as well as an evaluation of the rennetability of milk in raw milk cheese factories. Investigations on Single milkings have been carried out in order to assess the importance of the genetic variants of K-Cn and ß-Cn for the rennetability of milk. Milk samples frorn Original Braunvieh (BV), Braunvieh x Brown Swiss (BVxBS), Pure-bred Simmental (SI), Simmental x Red Holstein (SIxRH), Black Pied (BP), Montbeharde (MB) and Eringer (ER) cattle were phenotyped using IEF. The following genetic variants were identified: ccsrcn A, B, C; as2- CnA, D; ß-CnA1, A2, B, C; K-CnA, B, C, E; a-la B; ß-Lg A, B, D. ß-Lg D was detected only in the autochthonous breeds (BV, SI, ER) and in BVxBS, asl-cn A only in the brown cattle populations (frequency < 0.33 %) and as2-cnd only in BVxBS (0.1 %), SI (0.5 %), SIxRH (0.15 %) and MB (1.2 %). K-CnC occurred in BV (3.5 %), BVxBS (2.0 %), SIxRH (0.15 %) and BP (0.3%), K-Cn E only within the Holstein cross-breeds (SIxRH, 4.8 %; BP, 5.2 %). The frequency of K-CnB was 43 % (BV), 55.4 % (BVxBS), 48.0 % (SI), 37.2 % (SIxRH), 22.9 % (BP), 32.9 % (MB) and 38.6 % (ER) respectively. Relatively high frequencies of ocsi-cn C were typical for BV and ER (15.2 % and 17.8 % resp.). Moreover, a relatively high frequency of ß-Cn B (20-30 %) along with a low frequency of ß-Cn A1 (< 16 %) was typi cal for BV, BVxBS, MB and ER, while in the Holstein cross-breeds (SIxRH, BP), ß-CnA1 (ca. 46%) was high and ß-CnB as well as asl-cnc (both < 3.3 %) were rare. The most frequent haplotype in the brown cattle populations (BV, BVxBS) was asl-cn B/ß-Cn A2/K-Cn B, in all other breeds the combination asl-cn B/ß-Cn A2/K-Cn A was dominant. BP cattle showed the least variability regarding the more frequent haplotypes as only 3 haplotypes added up to a cumulative frequency of 90 %, whereas this proportion was made up by 8 haplotypes in BV, and by 6 haplotypes in the other populations. Within the Simmental breed (SI and SIxRH) a change of allele and haplotype frequencies from those of SI to those of BP was noticed.

7 xn The rennetmg properties of milk were mvesügated usmg the Formagraph The precision of the method was good regarding coagulation üme R (CV %) and saüsfactory regarding the measures for curd firmness (CV %) The repeatability was better with skim milk than with whole milk The value AR (amphtude of the Fonnagramm at hme 2*R after rennet addition) was considered to be a better cntenon for assessmg curd firmness than k20, A20 or A30, because it is much less influenced by rennetmg time, ph of milk, i e by test conditions Milk of normal rennetability is showing an AR value of about 33 mm For overall judgement of the rennetmg properties of milk a rennetcoagulation-index calculated from the coagulation time and AR was suggested The rennetability of milk from 389 farms supplying milk for cheese manufacture was sigmficantiy mfluenced by the cattle breed Milk from Brown cattle exhibited the best rennetability Milk from SIxRH and especially that from BP herds showed longer rennetmg time and softer curd Composition and rennetmg properties of milk were sigmficantiy influenced by the genetic vanants of milk protems In companson with the A vanant, both ß-Lg B and K-Cn B positively mfluenced the relative casein number m all breeds compared (BVxBS, SIxRH and SF) For K-Cn AB and BB milk the K-casem content of total casem was higher than for K-Cn AA milk Likewise, Ca2+ activity tended to be higher for milk containing K-Cn B Compared with ß-Cn Ax (A1 or A2), ß-Cn B exhibited a positive effect on the relative amount of ß-Cn and, due to lower ph of ß-Cn B containing nulk, also a positive influence on the Ca2+-activity The K-Cn AB and BB (BVxBS only) milk (skimmed and corrected to ph 6 65) coagulated about 9 % and 11 5 % faster and gave about 25 % and 34 % firmer curd (Ar) than K-Cn AA/AE milk, respectively The rennetmg properties of K-Cn AE and K-Cn AA milk were sumlar K-Cn AC milk coagulated considerably slower then K-Cn AA type milk but yielded normal curd The presence of ß-CnB markedly reduced coagulation time (about 15 % for ß-Cn A^B and 29 % for ß-CnBB compared to ß-Cn AXA") did, however, not clearly affect AR Coagulation time of ß-Cn BB/K-Cn BB milk was 50% shorter than that of ß-Cn AXAX/K-Cn AA milk Regression analysis showed that the relation between curd firmness and casem content of milk depends on the K-Cn phenotype ß-Cn AxAx/k-Qi AA milk hardly yielded a saüsfactory curd firmness even at normal casem contents

8 XHI Kinetik studies of the hydrolysis by chymosin of isolated K-Cn A, B and C did not reveal substantial differences in the Substrate properties between K-Cn A and B. K-Cn C, however, was split much slower than the other variants, probably due to the amino acid Substitution near the chymosin sensitive site. The unique behaviour of K-Cn C is thought to be the reason for the retarded coagulation of K-Cn AC milk. The effect of K-Cn A and B on the renneting properties of milk was considered to be manly due to the effect of these alleles on the composition of tlie casein micelles. The breed differences in the renneting behaviour of milk are considered to be a result of the variations in the frequency of ß-Cn B and K-Cn B as well as the differences in the casein content of milk. It was concluded that in dairy cattle breeding attention should be paid to the casein content of milk as well as to the frequency K-Cn B in Order to maintain a good rennetability of the cheese milk.