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Dairy Sci. Technol.
Volume 89, Number 3-4, May-August 2009
1st IDF/INRA International Symposium on Minerals and Dairy Products
Page(s) 257 - 267
Published online 24 March 2009
Dairy Sci. Technol. 89 (2009) 257-267
DOI: 10.1051/dst/2009006

Thermodynamic characterization of calcium-milk protein interaction by isothermal titration calorimetry

Latha-Selvi Canabady-Rochelle1, Christian Sanchez2, Michel Mellema3 and Sylvie Banon1

1  Nancy-Université, INPL, École Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires, Laboratoire des Sciences et Génie Alimentaires, 2 avenue de la forêt de Haye, 54505 Vandœuvre-Lès-Nancy, France
2  Nancy-Université, INPL, École Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires, Laboratoire de Biocatalyse et de Bioprocédés, 2 avenue de la forêt de Haye, 54505 Vandœuvre-Lès-Nancy, France
3  Food Structural Design, Unilever Research and Development Center of Vlaardingen, Olivier van Noortlaan 120, 3133 AT Vlaardingen, The Netherlands

Received 29 September 2008 - Accepted 13 January 2009 - / Published online 24 March 2009

Abstract - In milk, casein micelles are the natural vectors of calcium (Ca) and constitute an ideal vehicle for the delivery of additional Ca, through Ca-protein interactions. Isothermal titration calorimetry (ITC) is a technique of choice in the study of biomolecular interactions and especially in mineral-protein interactions. Calcium-milk protein interactions were thermodynamically characterized by titration of cow's milk protein with calcium chloride (CC) using ITC. Experiments similar to that of ITC were reproduced and analyzed with other techniques (granulometry and electrophoretic mobility measurement) to better understand the nature of interactions. Binding titration curves were fitted with the “one set of sites model” to determine the thermodynamic parameters (N, 6 mol Ca$\cdot $mol-1 of cow's milk protein; K, 1070 mol$\cdot $L-1; $\Delta H$, 1910 cal$\cdot $mol-1 of CC; and $\Delta S$, cal$\cdot $mol $^{-1}\cdot $K-1). Milk proteins bound up to 8 mg Ca$\cdot $g-1 of protein at saturation. The global thermodynamic signal obtained upon titration was endothermic. The electrophoretic mobility variations of casein micelles occurring upon CC titration were indicative of Ca-protein interactions of electrostatic nature. Hence, the usual exothermic signal involved in electrostatic interactions was completely hidden by the strong endothermic signal coming from the release of water molecules, either from the hydration shell of the Ca ions and/or dehydration of hydrophobic core of proteins. Particle size variations were indicative of casein micelle retraction upon CC titration.

Résumé - Caractérisation thermodynamique des interactions entre protéines laitières et calcium par calorimétrie de titration isotherme.
Dans le lait de vache, les micelles de caséines sont le vecteur naturel du calcium (Ca) et constituent le véhicule idéal pour délivrer le Ca supplémentaire, grâce aux interactions Ca-protéines. La calorimétrie de titration isotherme (CTI) est une technique de choix dans l'étude des interactions biomoléculaires. Les interactions Ca-protéines ont été caractérisées par CTI en titrant les protéines de lait de vache par du chlorure de calcium (CC). Des expériences similaires à celles menées en CTI ont été reproduites et analysées avec d'autres techniques (granulométrie et mesure de mobilité électrophorétique) afin de mieux comprendre la nature des interactions. Les courbes de titration ont été modélisées à l'aide d'un modèle à un seul site de fixation afin de déterminer les paramètres thermodynamiques (N, 6 mol Ca$\cdot $mol-1 de protéines de lait de vache; K, 1070 mol$\cdot $L-1; $\Delta H$, 1910 cal$\cdot $mol-1 de CC; $\Delta S$, cal$\cdot $mol $^{-1}\cdot $K-1). Les protéines de lait fixent jusqu'à 8 mg de Ca par g de protéines à saturation et le signal thermodynamique global obtenu lors de la titration est de nature endothermique. Les variations de mobilité électrophorétique des micelles de caséines se produisant lors de la titration en CC sont indicatives des interactions Ca-protéines de nature électrostatique. De ce fait, le signal exothermique induit par les interactions électrostatiques est complètement caché par un fort signal endothermique provenant du relargage de molécules d'eau, soit à partir de la coque d'hydratation des ions Ca et/ou de la déshydratation du cœur hydrophobe des protéines. La variation de taille des particules est indicative de la rétraction des micelles de caséines lors de la titration par le CC.

Key words: calcium / milk protein / interaction / isothermal titration calorimetry / nano-sizer

Mots clés : calcium / protéine laitière / interaction / calorimétrie de titration isotherme / nano-sizer

Corresponding author:

© INRA, EDP Sciences 2009

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