Трикальцийфосфат

Трикальцийфосфат — это неорганическое соединение, кальциевая соль ортофосфорной кислоты с химической формулой Ca₃(PO₄)₂. В природе встречается в виде минералов (например, апатит, витлокит), а также является основным неорганическим компонентом костной ткани и зубов позвоночных животных и человека. Широко используется в пищевой промышленности как добавка-антислеживатель, в медицине — как источник кальция и фосфора, а также в производстве удобрений и керамики.

Химические и физические свойства

Трикальцийфосфат представляет собой белый кристаллический порошок без запаха и вкуса. Он практически нерастворим в воде (растворимость около 0,002 г/100 мл при 20 °C), но растворяется в разбавленных кислотах (например, соляной или азотной) с образованием гидрофосфатов кальция и фосфорной кислоты. Температура плавления составляет около 1670 °C, при нагревании до 1000–1100 °C разлагается с образованием оксида кальция (CaO) и фосфорного ангидрида (P₂O₅).

Существует несколько кристаллических модификаций трикальцийфосфата: α-форма (высокотемпературная, стабильна выше 1125 °C) и β-форма (низкотемпературная, стабильна до 1125 °C). β-форма является наиболее распространённой в биологических системах и промышленности. В биоминералах (костях, зубах) трикальцийфосфат часто присутствует в виде карбонат-замещённого гидроксиапатита, близкого по структуре к β-трикальцийфосфату.

Получение

Промышленные методы

Основной способ промышленного синтеза — взаимодействие фосфорной кислоты с гидроксидом кальция (гашёной известью) или карбонатом кальция (известняком) при строгом контроле pH и температуры:

• 3Ca(OH)₂ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂ + 6H₂O
• 3CaCO₃ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂ + 3CO₂ + 3H₂O

Полученный осадок отфильтровывают, промывают и сушат. Для получения высокочистого продукта (например, для медицины) используют реакцию солей кальция (хлорида или нитрата) с фосфатами щелочных металлов в водном растворе.

Природные источники

В природе трикальцийфосфат является главным компонентом фосфоритовых руд — осадочных пород, образовавшихся из остатков морских организмов. Крупнейшие месторождения фосфоритов находятся в Марокко, Китае, США, России (Хибинские месторождения на Кольском полуострове, месторождения в Ленинградской области). В костях животных содержание трикальцийфосфата достигает 60–70% от массы сухого остатка.

Применение

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности трикальцийфосфат используется как пищевая добавка E341(iii). Он выполняет функции:

• антислеживающего агента (предотвращает комкование порошкообразных продуктов — соли, сахарной пудры, сухих смесей);
• регулятора кислотности;
• источника кальция в обогащённых продуктах (молочные смеси, хлебобулочные изделия, соки).

Допустимая суточная доза (ДСП) для человека установлена на уровне 70 мг/кг массы тела (по данным Всемирной организации здравоохранения). В России добавка E341(iii) разрешена к применению в соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза «Требования к пищевым добавкам, ароматизаторам и технологическим вспомогательным средствам» (ТР ТС 029/2012).

Медицина и стоматология

Трикальцийфосфат применяется в медицине как:

• Биосовместимый материал для костной пластики — β-трикальцийфосфат (β-TCP) используется в качестве керамических имплантатов, гранул и цементов для заполнения костных дефектов. Он обладает остеокондуктивными свойствами (служит матрицей для роста новой костной ткани) и постепенно резорбируется (растворяется) в организме, замещаясь нативным костным матриксом.
• Компонент зубных паст и ополаскивателей — входит в состав реминерализующих средств для укрепления эмали и профилактики кариеса. В сочетании с фторидами образует фторапатит, более устойчивый к кислотам.
• Источник кальция и фосфора — используется в составе биологически активных добавок (БАД) и лекарственных препаратов для лечения остеопороза, рахита, а также при повышенной потребности в кальции (беременность, лактация, период роста).

Сельское хозяйство

Трикальцийфосфат является основным компонентом фосфорных удобрений (фосфоритная мука, обесфторенный фосфат). В почве он медленно растворим, поэтому его эффективность зависит от кислотности почвы: в кислых почвах (pH < 5,5) растворимость повышается, и фосфор становится доступным растениям. В нейтральных и щелочных почвах применяют более растворимые формы (суперфосфаты).

Другие области

• Производство керамики — используется как флюс (плавень) при изготовлении фарфора и фаянса, а также для получения апатитовой керамики.
• Стекольная промышленность — входит в состав оптических стёкол и эмалей.
• Ветеринария — применяется как кормовая добавка для животных (источник кальция и фосфора).
• Химическая промышленность — служит сырьём для получения фосфорной кислоты и других фосфатов.

Биологическая роль

Трикальцийфосфат является основным неорганическим компонентом костной ткани и зубов. В костях он находится в виде кристаллов гидроксиапатита (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), в состав которого входят ионы кальция, фосфата и гидроксила. Кристаллы гидроксиапатита обеспечивают прочность и жёсткость костей, а также служат депо кальция и фосфора для организма. В зубах трикальцийфосфат входит в состав эмали (до 97% по массе) и дентина (около 70%).

Обмен кальция и фосфата в организме регулируется паратгормоном, кальцитонином и витамином D. Нарушение баланса может приводить к остеопорозу (снижению минеральной плотности костей) или кальцификации мягких тканей (например, сосудов).

Безопасность и токсикология

Трикальцийфосфат считается малотоксичным соединением. При пероральном поступлении в умеренных дозах (до 2–3 г в сутки) он не оказывает вредного воздействия на организм. Избыточное потребление может вызывать гиперкальциемию (повышение уровня кальция в крови), что чревато нарушением работы почек, сердечно-сосудистой системы и отложением кальция в мягких тканях.

При вдыхании пыли трикальцийфосфата возможно раздражение дыхательных путей. В производственных условиях необходимо соблюдать меры предосторожности (использование респираторов, вентиляции). Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны в России составляет 6 мг/м³ (для аэрозолей преимущественно фиброгенного действия).

Интересные факты

• Трикальцийфосфат является одним из немногих неорганических соединений, которое организм человека способен активно резорбировать (растворять) и использовать для построения собственных тканей.
• В природе β-трикальцийфосфат обнаружен в метеоритах (например, в марсианском метеорите ALH 84001), что свидетельствует о его стабильности в космических условиях.
• В 2010-х годах разработаны биорезорбируемые керамические имплантаты на основе β-TCP, которые полностью замещаются костной тканью в течение 6–12 месяцев после имплантации.

Источники

• Химическая энциклопедия. Том 5. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 345–346.
• ГОСТ 32757-2014 «Добавки пищевые. Трикальцийфосфат. Технические условия».
• Всемирная организация здравоохранения. «Оценка некоторых пищевых добавок и загрязнителей». 73-й доклад Объединённого комитета экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам, 2010.
• Рабинович И. М. «Биоматериалы для костной пластики». — М.: Медицина, 2015. — С. 112–130.
• ТР ТС 029/2012 «Требования к пищевым добавкам, ароматизаторам и технологическим вспомогательным средствам».