Optimizing grass utilization : Sustainable approaches for enhanced dairy production and green biorefinery performance | Nurmen käytön optimointi : Kestävät lähestymistavat maidontuotannon tehostamiseen ja nurmibiojalostamojen suorituskyvyn parantamiseen

Competition for biomass and other resources, along with the need for climate-smart production systems, poses significant challenges to the global food supply. Grass is an important resource that can provide feed and food, while also offering various ecosystem benefits such as carbon sequestration and biodiversity, thereby supporting sustainability. Traditionally, grass has been used primarily in ruminant feeding systems, but its use could result in high enteric methane production. As a complementary approach, green biorefinery technology has emerged to valorise grass, expanding the use of grass beyond ruminant feeding to create various value-added products. Despite its promising potential, the year-round availability of grass as feedstock for green biorefineries is uncertain, and the perishability of the derived products challenges their long-term stability. This thesis explored the sustainable utilization of grass within dairy production and green biorefining, addressing challenges related to enteric methane production in ruminants and the continuous availability and stability of grass-based biomass for green biorefineries. Article I investigated the potential of high-lipid concentrates to reduce the elevated enteric methane production associated with high-forage diets. Rapeseed cake and oats with high-lipid content were used instead of rapeseed meal and barley in the concentrates (24 vs. 65 g ether extract/kg dry matter) at two dietary forage levels (50% and 70% on a dry matter basis). To address the issue of continuous availability of grass as feedstock in the green biorefinery, Article II examined the effects of various preservation methods and use of a formic acid-based additive on liquid yield and composition. Preservation methods included ensiling, freezing-and-thawing, and drying-and-rehydrating. Additionally, different types of presses were used to evaluate whether the effects of pretreatments differed when different types of presses were used. Article III assessed the biorefinery efficiency and characteristics of liquid fraction produced from primary growth and regrowth of timothy grass as fresh and ensiled (for intact grass, pulp and moderately wilted grass), as well as the effects of silage additives. The additive treatments included an untreated control, formic acid-based additive, and lactic acid bacteria inoculant. Article I showed that high-lipid concentrate was more effective in reducing methane yield in the high-forage than in the low-forage diets (7.1 vs. 4.2 g methane/kg DMI per each kilogram added ether extract), without negatively affecting feed intake or feed efficiency. A comparable methane intensity was observed between the low-forage diet supplemented with low-lipid concentrates and the high-forage diet supplemented with high-lipid concentrates. However, milk production declined in high-forage diets, possibly due to lower intake of feed, metabolizable energy and protein. A further decline in milk production was observed in the high-forage diet supplemented with the high-lipid concentrate which could be mostly associated with imbalance of substrates (greater lipogenic and less glucogenic) due to dietary modifications. Article II revealed that all preservation methods explored could potentially increase liquid yield and composition compared to fresh grass, with ensiling resulting in the highest liquid yield. It was clearly demonstrated that the separation efficiency depends on the processing technology used and effects of preservation methods was more pronounced with the less efficient processing technology. Article III showed that raw material characteristics affected green biorefinery outputs. The effect of additive treatment had varying consequences on crude protein extraction efficiency: formic acid application reduced protein solubility in the biomass, while lactic acid bacteria inoculant increased the crude protein concentration in the extracted liquid. This thesis indicates that grass-based feed and biomass utilization can be optimized through improved dairy cow feeding strategies and the advancement of innovative applications in green biorefinery processes, contributing to sustainable food production. Long-term studies are needed to validate the sustained effect of dietary lipid treatments on milk and enteric methane production. Additionally, further development of the green biorefinery is needed to enhance nutrient recovery and its feasibility on both farm and industrial scales.

Kilpailu biomassasta ja muista resursseista sekä ilmastoviisaiden tuotantojärjestelmien tarve haastavat maailmanlaajuisen ruokaturvan. Nurmella on ruokajärjestelmässä monia rooleja: se tuottaa rehua ja ruokaa, ja sen ekosysteemihyödyt kuten hiilensidonta ja luonnon monimuotoisuuden tukeminen edistävät kestävyyttä. Perinteisesti nurmea on käytetty lähinnä märehtijöiden ruokinnassa, mutta sen fermentaatio märehtijöiden ruoansulatuskanavassa tuottaa metaania. Nurmibiojalostamo tarjoaa vaihtoehtoisen nurmen hyödyntämismuodon, jossa nurmesta prosessoidaan eri teknologioita käyttäen monenlaisia lisäarvotuotteita. Tuore nurmi ja siitä saadut tuotteet ovat nopeasti pilaantuvia, joten säilöntä on merkittävä haaste myös biojalostamoiden toiminnassa. Tämän väitöskirjan aiheena on nurmen kestävä hyödyntäminen maidontuotannossa ja nurmibiojalostamoissa ja se käsittelee märehtijöiden metaanituotantoon sekä biomassan jatkuvaan saatavuuteen ja säilyvyyteen liittyviä haasteita. Artikkelissa I tarkasteltiin runsaasti rasvaa sisältävien väkirehukomponenttien kykyä vähentää karkearehuvaltaisen ruokinnan aiheuttamaa metaanintuottoa. Rypsipuristetta ja kauraa sisältävää väkirehua verrattiin rypsirouheeseen ja ohraan perustuvaan väkirehuun (24 vs. 65 g raakarasvaa/kg kuiva-ainetta) kahdella karkearehutasolla (50 % ja 70 % rehuannoksen kuiva-aineesta). Artikkelissa II käsiteltiin nurmibiojalostamon jatkuvan raaka-aineen saatavuuden haasteita selvittämällä eri säilöntämenetelmien ja muurahaishappopohjaisen säilöntäaineen vaikutusta nesteen saantoon ja koostumukseen. Säilöntämenetelminä käytettiin pakastusta, kuivausta ja valmistusta säilörehuksi ja niitä verrattiin tuoreeseen ruohoon. Erilaisia nestekiintojae-erotusteknologioita käytettiin selvittämään, miten esikäsittelyjen vaikutukset eroavat käytetyn teknologian vaihdellessa. Artikkelissa III määritettiin nestesaanto ja nestefraktion ominaisuudet timotein ensimmäisessä ja toisessa sadossa tuoreena ja säilöttynä. Nurmi säilöttiin sellaisenaan tai nesteen erotuksen jälkeen joko ilman säilöntäainetta tai käyttäen muurahaishappopohjaista säilöntäainetta tai maitohappobakteeriymppiä. Rasvapitoisemman väkirehun käyttö vähensi metaanintuotantoa tehokkaammin, kun karkearehun osuus ruokinnassa oli suurempi (7.1 vs. 4.2 g metaania/kg kuiva-aineen saanti lisättyä raakarasvakiloa kohden), eikä rasvalisä vaikuttanut haitallisesti rehunsyöntiin tai rehuhyötysuhteeseen (Artikkeli 1). Ruokinta, joka sisälsi vähemmän karkearehua ja väkirehun rasvapitoisuus oli pienempi, tuotti saman metaanintuotantotason kuin ruokinta, joka sisälsi enemmän karkearehua ja väkirehun rasvapitoisuus oli suurempi. Maidontuotanto kuitenkin pieneni karkearehun osuuden kasvaessa koska rehujen syönti ja energian sekä valkuaisen saanti pienenivät. Maidontuotanto laski entisestään, kun karkearehuvaltaiseen ruokintaan lisättiin rasvapitoisia rehuja, mikä liittynee ravintoaineiden saannin epätasapainoon (enemmän lipogeenisiä ja vähemmän glukogeenisiä substraatteja). Artikkelin II perusteella kaikki tutkittavat säilöntämenetelmät paransivat nestesaantoa tuoreeseen ruohoon verrattuna ja säilörehu tuotti suurimman nestesaannon. Erot säilöntämenetelmien välillä olivat selvempiä, kun käytettiin vähemmän tehokasta puristusteknologiaa. Artikkeli III osoitti, että raaka-aineen ominaisuudet vaikuttavat nurmibiojalostamon lopputuotteisiin. Säilöntäainekäsittelyjen vaikutukset raakavalkuaissaantoon vaihtelivat: muurahaishappo vähensi raakavalkuaisen liukoisuutta ja erittymistä nestejakeeseen, mutta maitohappobakteeriymppi nosti nestejakeen raakavalkuaispitoisuutta. Väitöskirja osoittaa, että nurmen käyttöä rehuna ja biomassana voidaan optimoida parantamalla lehmien ruokintastrategioita ja kehittämällä innovatiivisia nurmibiojalostamoteknologioita, mikä edistää kestävää ruoan tuotantoa. Rasvalisän pysyvien vaikutusten selvittämiseksi maidon- ja metaanintuotantoon tarvittaisiin pitkäaikaisia kokeita. Nurmibiojalostamopuolella eri fraktioiden erotustehokkuutta pitäisi parantaa kilpailukykyisten maatila- ja teollisen mittakaavan prosessien toteuttamiseksi.

ei saavutettava