Влияние некоторых примесей на устойчивость пересыщенных растворов лактозы

УДК 637.12.044

А. И. гнездилова, д-р. техн. наук, проф.,

Ю. В. Виноградова, ст. преп.,

А. В. Музыкантова, соискатель ВГМХА им. Н.В. Верещагина

Влияние некоторых примесей на устойчивость пересыщенных растворов лактозы

Аннотация: В работе экспериментально осуществлено моделирование процесса кристаллизации лактозы в пересыщенных водных растворах в присутствии добавок: сухого обезжиренного молока, сухой деминерализованной молочной сыворотки и сахарозы

Точки излома на кинетических кривых свидетельствуют о двух этапах кристаллизации лактозы, каждый из которых включает периоды зародышеобразова-ния и роста кристаллов.

Установлено, что продолжительность этих этапов зависит от пересыщения, а также от природы примеси.

В производстве сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром кристаллизация является важнейшей технологическим процессом, предопределяющим качество готового продукта. Исследование кристаллизации лактозы в пересыщенных водных растворах и установление закономерностей протекания этого процесса необходимо для его оптимизации в промышленных условиях.

В настоящее время увеличиваются объемы производства сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром, выработанных из сухого молока и сухой сыворотки [1]. Известен способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром, в котором в качестве сухого молочного сырья используют смесь сухого обезжиренного молока, сухой деминерализованной молочной сыворотки и сухой пахты[2].

Поэтому целью настоящей работы явилось моделирование кристаллиза-

ции лактозы в пересыщенных водных растворах в присутствии добавок: сухого обезжиренного молока (СОМ), сухой деминерализованной молочной сыворотки (СДМС) и сахарозы. В качестве контрольного опыта служили чистые водные пересыщенные растворы лактозы.

Приготовление пересыщенных растворов с заданными коэффициентами пересыщения, равными Кп = 1,2, 1,8, 2,1, достигалось путем выпаривания избытка влаги из насыщенных растворов на роторной вакуумно-выпарной установке. Полученные растворы герметически переводились в стеклянный термоста-тируемый кристаллизатор, снабженный стеклянной мешалкой с частотой вращения п = 5 с-1. Опыты проводились при температуре t=350C , что соответствует температуре внесения затравки в промышленных условиях. Количество вносимых добавок составило: сахарозы 40 %, СДМС - 9 %, СДМС + СОМ, взятых в соотношении 1:1, - 9 %. В ходе опытов через каждые 5 мин. отбирались

пробы раствора и в них с помощью рефрактометра определялась массовая доля сухих веществ

По полученным опытным данным был рассчитан коэффициент пересыщения и затем были построены кинетически зависимости. На рисунке приведены примеры кинетических зависимостей для t=350C и начальном Кп = 1,2.

Как следует из рисунка, форма кинетических кривых имеет S-образную

форму, типичную для процесса кристаллизации. Точки излома на кривой фиксируют моменты фазовых превращений. Участок АВ характеризует процесс за-родышеобразования, так называемый индукционный период, где протекает образование и рост центров кристаллизации до критического размера. Затем на участке ВС происходит

массовая кристаллизация и в результате интенсивное падение пересы-

Время, мин

Рисунок. Влияние примесей на кинетику кристаллизации лактозы при 35°С, Кп =1,2:

1-пересыщенный водно-лактозный раствор, 2-пересыщенный водно-лактозный раствор с добавкой сахарозы и СДМС, 3- пересыщенный водно-лактозный раствор с добавкой сахарозы и смеси: СДМС + СОМ.

щения. Следует отметить, что на этом участке преобладающим является рост кристаллов, хотя не исключены процессы зародышеобразования, агрегации, перекристаллизации [3].

По полученным кинетиче-

ским кривым были определены продолжительности индукционных периодов тпС и представлены в

таблице 1.

Таблица 1 - Продолжительность индукционных периодов ттС, мин. в пересыщенных растворах лактозы при t=350C

Наименование рас- Коэффициент пересыщения, Кп

твора 1,8 \2л\

Чистый водный раствор лактозы 15 4 2

Водный раствор лактозы с добавлением сахарозы и СДМС 50 10 5

Водный раствор лактозы с добавлением сахарозы и СОМ + СДМС 35 7 4

Как следует из таблицы, продолжительность индукционных периодов ты, зависит прежде всего от коэффициента пересыщения Кп. Взаимосвязь между этими параметрами была представлена согласно [4] уравнением: = к - г ^ К , (1) где к - константа скорости процесса зародышеобразования;

z - порядок процесса зародышео-бразования.

По данным таблицы 1 были определены значения к и z в уравнении (1) и представлены в таблице 2. Затем было определено значение предельного коэффициента пересыщения Кппред и проведена оценка устойчивости пересыщенных растворов.

Величина К пред, как известно, соответствует переходу раствора из ме-тастабильного в лабильное состояние,

Таблица 2 - Значения к и z в уравнении

Значение коэффициентов

Наименование раствора к г Предельное пересыщение Кп

Чистый водный раствор лактозы 1,50 3,75 2,54

Водный раствор лактозы с добавлением сахарозы и СДМС 2,05 4,19 3,09

Водный раствор лактозы с добавлением сахарозы, СОМ и СДМС 1, 88 3,98 2,95

т. е. границе метастабильности. В этом состоянии в пересыщенном происходит самопроизвольное зародышеобразова-ние и продолжительность индукционных периодов предельно мала. Согласно [4] Кппред соответствует тпС =1 мин. Уравнение (1) в этом случае имеет вид:

к

К'1баа _ юz .

Значение Кппред, представленное в таблице 2, свидетельствует о том, что исследуемые примеси увеличивают устойчивость пересыщенных водных растворов и, таким образом, тормозят процесс кристаллизации лактозы. Механизм влияния примесей на устойчивость пересыщенных растворов обусловлен, прежде всего, увеличением вязкости раствора и замедлением диффузии молекул к кристаллу. Кроме того, как было установлено авторами [3], при кристаллизации лактозы в присутствии примесей, способных взаимодействовать с ассоциа-тами кристаллизующегося вещества, примесь снижает вероятность присоединения молекул лактозы к ассоциату и тормозит его рост до размеров критического зародыша. Это характерно для такой примеси как сахароза. Примеси да-

лекие по свойствам от сахаров (белок, вость пересыщенных растворов лакто-минеральные соли) затрудняют присо- зы, то необходимо уточнение температу-единение молекул кристаллизующегося ры усиленной кристаллизации лактозы в вещества к ассоциату и, таким образом, сгущенных молочных и молокосодержа-увеличивают индукционный период. щих консервах с сахаром, выработанных

Из вышеизложенного следует, что из сухого молока и сухой сыворотки. поскольку примеси влияют на устойчи-

Список литературы:

1. Галстян, А. Г. Тенденции в производстве рекомбинированных молочных консервов / А. Г. Галастян, В. В. Павлова // Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2002. - № 2-3. - С. 32-33.

2. Патент 240734 РФ. Способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром / А. И. Гнездилова, В. Г. Куленко, А.В. Глуш-кова. - Опубл. в Б.И. - 2010. - № 36.

3. 3. Гнездилова, А. И. Физико-химические основы мелассообразования и кристаллизации лактозы и сахарозы в водных растворах / А. И. Гнездилова, В. М. Перелыгин. - Воронеж : изд. ВГУ, 2002. - с. 91.

4. 4. Хамский, Е. В. Кристаллизация в химической промышленности / Е. В. Хамский. - М. : Химия, 1979. - 342 с.

A.I. Gnezdilova, Doctor of Science (Technics), Professor

Y.V. Vinogradova, Senior Lecturer

A.V. Muzykantova, Applicant

The influence of some admixtures on the stability of oversaturated lactose solutions

Abstract: In the work the modeling of lactose crystallization process in oversaturated solutions in the presence of the following additives: dry skim milk, dry demineralized milk serum and sucrose has been carried out.

The points of fracture on kinetic curves testify two stages of lactose crystallizatrion, each of which includes the periods of germ formation and crystalls' growth.

It has been stated that the duration of these stages depends upon oversaturation as well as upon the nature of admixtures.