К вопросу растворимости лактозы в многокомпонентной системе

Нами разработан консервированный сгущенный молочный продукт со сбалансированным углеводным составом [1]. В качестве сахарозаменителя предложена крахмальная патока, так как она обладает более низкой калорийностью по сравнению с сахаром и позволяет управлять такими показателями качества как вязкость и срок хранения. Патока представляет собой смесь углеводов различной молекулярной массы, большая доля которых приходится на глюкозу.

В этой связи целью данного исследования является изучение влияния сахарозы и глюкозы, взятых в соотношении 1:1, на растворимость лактозы, так как изменение растворимости в присутствии глюкозы может оказать влияние на кристаллизацию лактозы и на качество продукта в конечном итоге.

В настоящее время известны работы по влиянию отдельных сахаров: сахарозы и глюкозы на растворимость лактозы [2-5]. Однако представляет интерес изучить их совместное влияние, так как в литературе эти данные отсутствуют.

Для определения растворимости были приготовлены насыщенные растворы лактозы. Методика приготовления насыщенного раствора заключается в следующем: в термостатируемый стакан при температуре опыта отвешивалось определенное количество лактозы. Затем с помощью термостатируемой пипетки, постепенно добавлялся водный раствор примеси известного состава при непрерывном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения последнего кристалла. Полнота растворения кристаллов контролировалась с помощью микроскопа. После приготовления растворы отфильтровывались под вакуумом через стеклянный фильтр №1. Термостатирование осуществлялось с помощью ультратермостата UTU-4. Опыты проводились в трехкратной повторности. Состав насыщенного раствора рассчитывался на основе данных о количестве введенного в стакан моногидрата лактозы и растворителя [2].

На начальной стадии работы нами было проведено планирование эксперимента, в ходе которого были установлены наиболее целесообразные концентрации примесей (глюкозы и сахарозы) и температуры, позволяющие наиболее полно приблизить модельный раствор к реальной системе, а также необходимое для получения достоверных результатов количество опытов.

Таким образом, были заданы концентрации примесей 0,24 кг/кгводы и 0,48 кг/ кгводы, чт0 соответствовало реальным растворам. Опыты проводились при температуре 35 °C, близкой к температуре массовой кристаллизации лактозы при производстве сгущенного молока с сахаром и 20 °C, что соответствует окончанию процесса кристаллизации. Средние значения экспериментальных данных по составу насыщенного раствора лактозы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные по составу насыщенного раствора лактозы

Наименование показателя	Концентрация примеси в растворителе, Нпр., кг/кг воды       |
	О	0,24	0,48
Массовая доля, %:	t=20 °C
сухих веществ;	16,10	29,23	38,73
лактозы;	16,10	12,25	9,37
примесей;	-	16,98	29,46
воды;	83,9	70,77	61,27
	t=35 °C
сухих веществ;	22,25	34,20	42,52
лактозы;	22,25	18,41	14,94

Наименование показателя	Концентрация примеси в растворителе, Нпр., кг/кг воды       |
	0	0,24	0,48                   I
примесей;	-	15,80	27,58
Воды.	77,75	65,80	57,48

По полученным данным была установлена зависимость растворимости лактозы от количества примесей и температуры (рисунок 1).

Содержание примесей в растворителе Нп, кг/кгН2О

Рисунок 1. Влияние примесей на растворимость лактозы при температурах: 1-Т=283К; 2 - Т=308К

Как следует из рисунка, на растворимость лактозы в модельной системе оказывают влияние как температура, так и количество примесей. Растворимость лактозы увеличивается при повышении температуры и уменьшении содержания примесей в растворителе и подчиняется прямолинейной зависимости в изученном диапазоне концентраций примесей.

Для математического описания растворимости лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы в пределах Нпр. от 0 до 0,5 кг/кгН2О было использовано уравнение вида:

Н_л = Н_ло - а-Н_пр,                              ( 1)

где Нл, Нло - растворимость лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы и в чистой воде соответственно, кг/кг Н2О;

Нпр - содержание сахарозы и глюкозы в растворителе, кг/кг Н2О;

о - коэффициент.

Значения коэффициента о и Нло в уравнении (1) представлено в табл. 2.

Таблица 2. Значение коэффициента а в уравнении (1)

Коэффициент____________	Т=293 К ________________	Т=308

Коэффициент а в зависимости от температуры был аппроксимирован уравнением:

а = А ■ ехр(- E/R-T) ,                             (2)

где А - постоянная;

Е -энергия активации процесса, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/(моль К);

Т - температура, К.

В результате расчетов было получено уравнение:

о =0,00807 ■ ехр( 5270/R-T).                        (3)

Снижение растворимости лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы может быть объяснено гидратационными явлениями [6-10]. Согласно существующим в настоящее время представлениям [9] часть молекул воды, присутствующих в насыщенном растворе, находится в гидратированном состоянии. Другая часть, так называемая свободная вода, располагается между гидратированными молекулами лактозы в межмолекулярном объеме (ММО). Соотношение между гидратированной и свободной частью молекул воды находится в динамическом равновесии и зависит от температуры и примесей.

Согласно этой точке зрения снижение растворимости лактозы в присутствии сахарозы может быть объяснено тем, что сахароза, имея соизмеримый с лактозой радиус гидратированных молекул (4,9-1010м и 4,6-1010м соответственно) [10], увеличивает ММО. Это приводит к переходу части гидратной воды оболочек лактозы в ММО и способствует снижению растворимости последней. Об этом свидетельствует отрицательное значение Е= - 5270 Дж/моль. Аналогичен механизм действия глюкозы на растворимость лактозы.

Выводы:

• 1.    На растворимость лактозы в модельной системе оказывают влияние как температура, так и количество примесей.

• 2.    Увеличение температуры способствует повышению растворимости лактозы, в то время как глюкоза и сахароза снижают ее. Установленная закономерность подчиняется прямолинейной зависимости в диапазоне изученной концентрации примесей Н_пр = 0 - 0,5 кг/кг_воды.