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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) 283 - 299
Published online 24 March 2009
Dairy Sci. Technol. 89 (2009) 283-299
DOI: 10.1051/dst/2009008

Calcium-binding capacity of organic and inorganic ortho- and polyphosphates

Esther De Kort1, Marcel Minor1, Thom Snoeren1, Toon Van Hooijdonk2 and Erik Van Der Linden3

1  Processing and New Technologies, Danone Research – Centre for Specialized Nutrition, Bosrandweg 20, 6704 PH Wageningen, The Netherlands
2  Dairy Science and Technology Group, Department of Agrotechnology and Food Sciences, Wageningen University, Bomenweg 2, 6703 HD Wageningen, The Netherlands
3  Food Physics Group, Department of Agrotechnology and Food Sciences, Wageningen University, Bomenweg 2, 6703 HD Wageningen, The Netherlands

Received 29 September 2008 - Accepted 3rd February 2009 - / Published online 24 March 2009

Abstract - The aim of this research was to determine the calcium-binding capacity of inorganic and organic ortho- and polyphosphates. This calcium-binding capacity can be used to influence the stability of, for example, casein micelles in dairy systems. Four phosphates were selected: disodium uridine monophosphate (Na2UMP, organic orthophosphate), disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4, inorganic orthophosphate), sodium phytate (SP, organic polyphosphate), and sodium hexametaphosphate (SHMP, inorganic polyphosphate). Concentrations of up to 100 mmol$\cdot$L-1 phosphate were added to a 50 mmol$\cdot$L-1 CaCl2 solution. The samples were prepared at pH 8.0 and were analyzed before and after sterilization for calcium-ion activity, conductivity, pH, sediment, and turbidity. Both SHMP and SP are strong chelators, as calcium ions bind to these phosphates in the ratio of 3:1 and 6:1, respectively. Calcium ions also strongly bind to Na2HPO4, but in a ratio of 3:2 with insoluble Ca3(PO4)2 complexes as result. The equilibrium position of Na2UMP is not strong towards the chelated complex, and significant levels of free calcium and free phosphate can exist. An equilibrium constant of $0.29 \pm 0.08$ L$\cdot$mol-1 was determined for calcium uridine monophosphate (CaUMP) complexes. Both calculation of the equilibrium constant and analysis on the CaUMP precipitate confirmed a reactivity of 1:1 between calcium and Na2UMP. The CaUMP complexes are well soluble at ambient temperature, and insoluble complexes appear after sterilization, because the solubility of CaUMP decreases during heating. Finally, we concluded that the structure of phosphate molecules determines their calcium-binding capacity rather than organic or inorganic origin of phosphates.

Résumé - Capacité de liaison du calcium des orthophosphates et polyphosphates organiques et inorganiques.
Le but de cette recherche était de déterminer la capacité de liaison du calcium des orthophosphates et polyphosphates inorganiques et organiques. Cette capacité de liaison du calcium peut être utilisée pour influencer la stabilité des micelles de caséine dans les systèmes laitiers. Quatre phosphates ont été sélectionnés : l'uridine monophosphate disodique (Na2UMP, orthophosphate organique), l'hydrogenophosphate disodique (Na2HPO4, orthophosphate inorganique), le phytate de sodium (SP, polyphosphate organique) et l'hexametaphosphate de sodium (SHMP, polyphosphate inorganique). Des concentrations de phosphate allant jusqu'à 100 mmol$\cdot$L-1 ont été ajoutées à une solution contenant 50 mmol$\cdot$L-1 de calcium. Les échantillons préparés à pH 8,0 ont été analysés avant et après stérilisation pour l'activité de l'ion calcium, la conductivité, le pH, le sédiment et la turbidité. SHMP et SP sont tous les deux des chélateurs forts, puisque les ions calcium sont liés à ces phosphates dans un ratio 3:1 et 6:1 respectivement. Les ions calcium sont aussi fortement liés au Na2HPO4, mais dans un ratio de 3:2, résultant dans la formation de complexes insolubles de Ca3(PO4)2. Le Na2UMP n'est pas aussi fortement complexé et des taux significatifs de calcium libre et de phosphate libre peuvent exister. Une constante d'équilibre de $0,29 \pm 0,08$ L$\cdot$mol-1 a été déterminée pour les complexes d'uridine monophosphate de calcium (CaUMP). Le calcul de la constante d'équilibre et l'analyse du précipité deCaUMPont confirmé l'un et l'autre une réactivité de 1:1 entre le calcium et le Na2UMP. Les complexes CaUMP sont bien solubles à température ambiante mais des complexes insolubles apparaissent après stérilisation parce que la solubilité du CaUMP diminue au cours du chauffage. Finalement, nous pouvons conclure que la structure des molécules de phosphate détermine leur aptitude à lier le calcium plus que l'origine organique ou inorganique des phosphates.

Key words: orthophosphate / polyphosphate / organic phosphate / inorganic phosphate / calcium

Mots clés : orthophosphate / polyphosphate / phosphate organique / phosphate inorganique / calcium

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© INRA, EDP Sciences 2009