Teilprojekt 1

 

Teilprojekt 1

„On-farm Analyse von Milchinhaltsstoffen als Basis für ein verbessertes Herdenmanagement”

Problemstellung

Die Erfassung von Milchinhaltsstoffen direkt auf dem Betrieb bietet deutliche Vorteile für ein verbessertes Herdenmanagement.

 

Projektziele

  • Optimierung eines Analysegerätes, das auf Basis der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) arbeitet, für die on-farm/on-line Analyse von Milchinhaltsstoffe
  • Erstellung und Validierung von NIRS-Kalibrationen für verschiedene Milchinhaltsstoffe
  • Spezifikation geeigneter Indikatoren für ein verbessertes Herdenmanagement mit Hilfe der NIR Spektroskopie

 

Material & Methoden

  • Milchproben werden in Reflektion, Transmission und Transflektion vermessen
  • Aus den Spektren erfolgt die Kalibration und Validation geeigneter Modelle für die Bestimmung einzelne Inhaltsstoffe
  • Nach der Erstellung von Kalibrationen können diese zur NIRS-Online-Schätzung der aktuellen Milchinhaltsstoffe genutzt werden

 

Vernetzung mit anderen Teilprojekten

  • Durch die im Rahmen des KMSH parallel durchgeführten Projekte wird die erforderliche Bandbreite der analysierten Milchinhaltsstoffe wie Fett, Eiweiß, Laktose, Harnstoff und die Anzahl somatischer Zellen gewährleistet.
  • Die Milchprobenahme erfolgt in der universitätseigenen Versuchsstation Karkendamm, im Lehr- und Versuchszentrum Futterkamp (LWK Schleswig-Holstein) und in privaten landwirtschaftlichen Betrieben.

 

Ergebnisse

Erste Untersuchungen zur Genauigkeit der Milchanalyse mit einem Nahinfrarot-Diodenzeilenspektrometer im halbtechnischen Labormaßstab mit einer statischen Messmethode (off-line) zeigten hervorragende Möglichkeiten auf, die Milchinhaltsstoffe Fett und Eiweiß mit einem Bestimmtheitsmaß von > 0,9 und einem Standardfehler der Vorhersage von 0,03 % bzw. 0,07 %, jeweils für die Inhaltsstoffe Fett und Eiweiß, zu schätzen (Melfsen et al., 2011a, Melfsen et al., 2012b). Die Bestimmung des Laktosegehaltes in der Milch war mit einem zufriedenstellenden Standardfehler der Vorhersage (SEP) von 0,09 [%] sowie einem Bestimmtheitsmaß von 0,73 möglich. Die Harnstoffkonzentration und der somatische Zellgehalt in der Milch konnten im Labormaßstab nur mit einer geringen Genauigkeit bestimmt werden.

Weitere Untersuchungen zur Optimierung der Kalibrationsergebnisse wurden im Hinblick auf die Reduktion tierbedingter Einflüsse auf die Nahinfrarotspektren durchgeführt. Die durch unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen auftretenden tierindividuellen Streulichteinflüsse wurden in den Nahinfrarotspektren korrigiert, wodurch der Standardfehler der Vorhersage bei den Milchinhaltsstoffen Eiweiß [%], Laktose [%], Harnstoff [mg l-1] und der somatischen Zellzahl um bis zu 25% reduziert werden konnte (Melfsen et al., 2011b, Melfsen et al., 2012c).

Der Nutzen der off-line NIR Analytik wurde im Zusammenhang mit der Schätzung der Konzentrationen unterschiedlicher Fettsäuren (FS) in der Milch mit Hilfe der NIRS in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt 5.3 evaluiert. In diesem Zusammenhang wurden gute Vorhersageergebnisse in Bezug auf verschiedene Gruppen von Fettsäuren als Anteil in der Milch erreicht. Da die Genauigkeit der Vorhersage von Fettsäuregehalten als Anteil in der Milch von der Korrelation zwischen dem Fettanteil und mehreren Fettsäuren geprägt war, wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, die das Ziel hatten, den Fettsäuregehalt verschiedener Fettsäuren im Milchfett zu bestimmen. Diese Ergebnisse wurden in weiteren Schritten für die Charakterisierung der Anpassung frühlaktierender Kühe an hohe Leistungen in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt 5.3 genutzt (Melfsen, 2012).

Auf Grundlage der Ergebnisse der ersten Untersuchungen wurde auf Basis des o.g. Diodenzeilenspektrometers ein on-line Analysegerät entwickelt, um die Milchinhaltsstoffe tierindividueller Gemelke während des Melkvorganges zu erfassen. Erste Testeinsätze auf den Versuchsbetrieben Schädtbek (Max-Rubner-Institut Kiel) und Futterkamp (Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein) sowie auf einem Praxisbetrieb im nördlichen Schleswig-Holstein zeigten exzellente Möglichkeiten, die oben genannten Hauptinhaltsstoffe der Milch zu bestimmen. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse des randomisiert erstellten Kalibrations- und Validationssets für die Schätzung der untersuchten Milchinhaltsstoffe Fett [%], Eiweiß [%], Laktose [%], Harnstoff [mg l-1] sowie der logarithmierten somatischen Zellzahl (log SCC) der Messungen im Betrieb Futterkamp dargestellt.

Tabelle 1: Übersicht über die Kalibrations- und Validationsergebnisse der Messung ‘Futterkamp’

 

Kalibration (n=870)

Validation (n=290)

SEC

R²cal

SEP

R²val

Bias

RPD

Fett [%]

0.15

0.99

0.16

0.99

-0.001

11.05

Eiweiß [%]

0.04

0.99

0.05

0.98

0.002

6.36

Laktose [%]

0.05

0.95

0.05

0.95

-0.001

4.35

Harnstoff [mg l-1]

14.99

0.89

16.94

0.86

0.255

2.70

log SCC

0.14

0.90

0.17

0.87

-0.023

2.70

SEC – Standardfehler der Kalibration; SEP – Standardfehler der Vorhersage; RPD – Verhältnis von Standardabweichung des Validationssets zum Standardfehler der Vorhersage

Die ersten Validationsergebnisse der on-line Analyse von Rohmilch während des Melkvorgangs zeigten, dass mit der on-line Messung eine mindestens vergleichbare Schätzgüte erreicht wird, wie mit der off-line Messung (Melfsen et al., 2012a). Mit einem randomisiert erstellten Validationsset konnten sehr gute Ergebnisse erreicht und die fünf untersuchten Hauptinhaltsstoffe mit einem RPD von 2,7 bis 11,1 bestimmt werden. Der RPD-Wert definiert sich hierbei als das Verhältnis der Standardabweichung des Validationssets zum Standardfehler der Vorhersage (Williams, 2001). RPD-Werte über 8,0 kennzeichnen hierbei ausgezeichnete Kalibrationen. Kalibrationen mit RPD-Werten über 3,0 sind geeignet für analytische Zwecke in den meisten NIR-Anwendungen bei landwirtschaftlichen Erzeugnissen mit geringer Standardabweichung. Niedrigere RPD-Werte sind für ein „grobes Screening“ nützlich (Williams, 2001). Für die Schätzung des Fett-, Eiweiß- und Laktosegehaltes in der Milch wurde ein Bestimmtheitsmaß von > 0,9 erreicht, der Standardfehler der Vorhersage war im Vergleich zur Spannweite des Wertebereiches für alle fünf ausgewählten Inhaltsstoffe gering.

Weitere Untersuchungen befassten sich mit der Eignung der mit Hilfe der on-line Messungen erstellten Kalibrationsmodelle für die Analyse zukünftiger, betriebsfremder Milchproben. Neben den kuhindividuellen Einflüssen auf die NIR-Spektren wird die Genauigkeit der Schätzung der verschiedenen Milchinhaltsstoffe von weiteren äußeren Einflussfaktoren, unter anderem von der Fütterung beeinflusst. Robuste, universell einsetzbare Kalibrationsmodelle sollten möglichst viele dieser äußeren Einflussfaktoren bereits beinhalten. Bei der Validierung an Proben, die zeitlich unabhängig von den Proben des Kalibrationssets waren, wurden, im Vergleich zu den randomisiert erstellten Test-Sets, deutlich schlechtere Ergebnisse für die Schätzung der Gehalte an Fett, Eiweiß und Laktose in der Milch erreicht. Die Vorhersagegenauigkeit konnte jedoch signifikant verbessert werden, wenn die Kalibration basierend auf einem externen Datenset durchgeführt wurde, welches aus Spektren anderer Betriebe bestand. Dies beruhte in erster Linie auf einer hohen Variation an Fütterungseinflüssen und Einflüssen einzelner Kühe auf die Kalibrationsmodelle. Weitere Verbesserungen in der Schätzgenauigkeit konnten erreicht werden, indem zum bestehenden externen Kalibrationsset Informationen in Form von Rohmilchspektren des Betriebes hinzugefügt wurden, auf dem die neuen Messungen durchgeführt wurden (Melfsen et al., 2012d).

In abschließenden Untersuchungen wurden die spektralen Daten der on-line Analytik genutzt, um das Potential von kostengünstigeren Spektrometersystemen zu evaluieren. Zu diesem Zweck wurden sowohl die spektrale Auflösung des Detektors, als auch der Wellenlängenbereich eingegrenzt (ausgehend von einem Wellenlängenbereich von 851-1649 nm und einer Auflösung von 2 nm). Spektrometersysteme mit einem niedrigeren Wellenlängenbereich und mit einer weniger genauen Definition der Wellenlängenzugehörigkeit zeichnen sich durch geringere Kosten aus, was dem kostengünstigen Einsatz eines on-line Analysesystems an jedem Melkplatz entgegenkommt. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei dem hier verwendeten Diodenzeilenspektrometer, bei einer Reduktion des Wellenlängenbereichs und einer Reduktion der spektralen Auflösung mit keinem Verlust an bedeutenden Informationen in den Spektren zu rechnen ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass durch diese Bearbeitung keine Nachteile hinsichtlich der Genauigkeit der Bestimmung der Milchinhaltsstoffe Fett[%], Protein[%] und Laktose[%] zu erwarten sind.


Wirtschaftliche Bedeutung

Eine zeitlich hoch aufgelöste Erfassung der Milchinhaltsstoffe direkt auf dem landwirtschaftlichen Betrieb liefert dem Milcherzeuger wichtige Informationen für ein verbessertes Herdenmanagement. Je nach erfasstem Inhaltsstoff sind Aussagen zur Energiebilanz oder Eutergesundheit möglich, um dadurch zum Beispiel Stoffwechsel- bzw. Eutererkrankungen frühzeitig zu erkennen (Friggens et al., 2007; Tsenkova et al., 2009). Durch die Kenntnis der tierindividuellen Milchinhaltsstoffe lässt sich darüber hinaus eine präzise abgestimmte Fütterung durchführen, was zu physiologischen und ökonomischen Vorteilen führt (Maltz et al., 2009). Aus diesen Gründen kann die Bedeutung eines Milchanalysegerätes auf Basis der NIR-Spektroskopie, welches die Möglichkeit hat die Milchinhaltsstoffe mit einer zeitlich hohen Frequenz sowie mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen, als hoch eingeschätzt werden.


Kontakt

Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik der Christian-Albrechts-Universität, Max-Eyth-Str. 6, 24118 Kiel.

 

 

 

Publikationen, Poster, Präsentationen und Vorträge

Publikationen

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2011a): Analyse von Milchinhaltsstoffen auf Basis der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). S. 27-32 in 3. Tänikoner Melktechniktagung. Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Tänikon, Ettenhausen, CH

 

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2011b): Einfluss des Tierindividuums auf die Genauigkeit der chemometrischen Analyse von Milchinhaltsstoffen auf Basis der NIR Spektroskopie. S. 127-134 in 10. Tagung: Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft, e.V. (KTBL), Darmstadt, Kiel

 

Melfsen, A., E. Hartung, and A. Häußermann (2012a): Accuracy of in-line milk composition analysis with diffuse reflectance near infrared spectroscopy. J. Dairy Sci. 95(11):12

 

Melfsen, A., E. Hartung, and A. Häußermann (2012b): Accuracy of milk composition analysis with near infrared spectroscopy in diffuse reflection mode. Biosystems Engineering 112(3):210-217

 

Melfsen, A., E. Hartung, and A. Häußermann (2012c): Potential of individual cow scatter correction for an improved accuracy of NIR milk composition analysis. Journal of Near Infrared Spectroscopy 20(4):6

 

Melfsen, A., E. Hartung, and A. Häußermann (2012d): Robustness of near-infrared calibration models for the prediction of milk constituents during the milking process. Journal of Dairy Research 2012 in print

 

Melfsen, A., A. Häußermann, and E. Hartung (2012e): Accuracy and potential of in-line NIR milk composition analysis. In 63rd Annual Meeting EAAP 2012. European Federation of Animal Science, Bratislava, Slovakia

 

Melfsen, A. (2012): Development, optimization and evaluation of a device for on-farm milk composition analysis with near-infrared spectroscopy. Dissertationsschrift, Institut für landwirtschaftliche Verfahrenstechnik. Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel

 

Präsentationen

Melfsen, A. (2011a): Analyse von Milchinhaltsstoffen auf Basis der NIR Spektroskopie. Vortrag anlässlich der 3. Tänikoner Melktechniktagung: Optimierte Milchgewinnung, Tänikon, Schweiz, 23.03.2011

 

Melfsen, A. (2011b): Einfluss des Tierindividuums auf die Genauigkeit der chemometrischen Analyse von Milchinhaltsstoffen auf Basis der NIR Spektroskopie. Vortrag anlässlich der 10. Tagung: Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung, Kiel, 28.09.2011

 

Melfsen, A. (2012): Accuracy and potential of in-line NIR milk composition analysis. In 63rd Annual Meeting EAAP 2012. European Federation of Animal Science, Bratislava, Slovakia, 29.08.2012

 

Poster

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2010): On-farm Analyse von Milchinhaltsstoffen als Basis für ein verbessertes Herdenmanagement. Poster anlässlich der Hochschultagung der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät der Universität Kiel, 29.01.2010

 

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2010): On-farm Analyse von Milchinhaltsstoffen als Basis für ein verbessertes Herdenmanagement. Poster anlässlich der Messe Eurotier, Hannover, 18.11.2010

 

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2012a): On-farm milk composition analysis with near-infrared spectroscopy. Poster anlässlich der Messe Analytica, München, 17.04.2012

 

Melfsen, A., A. Häußermann und E. Hartung (2012b): On-farm milk composition analysis with near-infrared spectroscopy. Poster anlässlich der Messe Eurotier, Hannover, 13.11.2012

 


Literatur

Friggens, N. C., C. Ridder, and P. Lovendahl (2007): On the use of milk composition measures to predict the energy balance of dairy cows. J. Dairy Sci. 90(12):5453-5467


Maltz, E., A. Antler, I. Halachmi, and Z. Schmilovitch (2009): Precision concentrate rationing to the dairy cow using on-line daily milk composition sensor, milk yield and body weight. Pages 17-23 in Precision Livestock Farming ’09. Lokhorst, C. and P.W.G. Groot Koerkamp, eds. Wageningen Academic Publishers, The Netherlands


Tsenkova, R., H. Meilina, S. Kuroki, and D. H. Burns (2009): Near infrared spectroscopy using short wavelengths and leave-one-cow-out cross-validation for quantification of somatic cells in milk. J. of near Infrared Spectroscopy 17, 6, 345 (2009)