Технологические аспекты мелассообразования при кристаллизации лактозы

Актуальность. Выход кристаллической лактозы в производстве молочного сахара зависит не только от пересыщения, температурных и гидромеханических режимов, но обусловлен также предельным обессахариванием мелассы, связанным с наличием в ней примесей, так называемых несахаров. Примеси, как известно, являясь мелассообразователями, связывают сахар, препятствуют его кристаллизации и увеличивают потери сахара с мелассой.

В области свеклосахарного производства вопросы мелассообразования достаточно глубоко изучены. Согласно исследованиям [1] несахара по их влиянию на растворимость сахарозы могут быть разделены на четыре группы: несахара, не влияющие ни на воду, ни на сахарозу; несахара, связывающие воду; несахара, связывающие сахарозу; несахара, связывающие воду и сахарозу.

В соответствии с современными представлениями о мелассообразовании часть сахарозы, присутствующей в растворе, связана с водой, а другая часть ‒ с не-сахарами. При этом часть воды удерживается несахарами и неспособна растворять сахарозу. В целом, как было установлено, растворимость сахарозы зависит от соотношения несахар : вода. Небольшие количества несахара снижают растворимость сахарозы, а при больших концентрациях ее растворимость значительно повышается. Уменьшение растворимости сахарозы в области низких соотношений несахар : вода обусловлено гидратированием ионов солей или молекул неэлектролитов, имеющих полярные группы. Повышение растворимости сахарозы в области высоких концентрации объясняется рядом исследователей химическим взаимодействием сахарозы и несахара.

Некоторые несахара только повышают растворимость сахарозы, что характерно для солей калия и формиата натрия. Другая группа веществ оказывает на сахарозу лишь высаливающее действие. К таким веществам относятся углеводы: глюкоза, фруктоза и соли, имеющие сильногидратированные ионы: хлорид и сульфат магния, ацетат кальция, сульфат натрия. Аналогичное действие оказывают бетаин и раффиноза.

Вопрос о мелассообразовании очень сложен и до конца не разрешен. Гипотеза о решающем значении химического соединения сахара с несахаром хотя и остается пока господствующей, но не всегда объясняет причины мелассообразования. Например, противоречие между сравнительно высокой мелассообразующей способностью калия и отсутствием комплексообразования для большинства его солей с сахарозой остается не разрешенным до настоящего времени. Соли кальция, наоборот, являются слабыми мелассообразователями. Однако, как известно [2-4], эти соли образуют химическое соединение с сахарозой.

Компромиссное решение данного вопроса было предложено в исследованиях М.И. Даишева [5], в которых, на основе факта независимости коэффициента насыщения от температуры, отрицается возможность комплексообразования в области производственных концентраций несахаров.

Особенностью растворимости лактозы является обратимая реакция (мутарота-ция). Лактоза может существовать в виде α- и β-аномеров, которые в водном растворе легко превращаются друг в друга через таутомерную форму.

Скорость мутаротации в присутствии гидролизующих солей, кислот и особенно щелочей значительно больше, чем в чистой воде. С другой стороны, мутарота-ция замедляется негидролизующимися солями и тяжелой водой [6]. Сахароза при концентрациях ниже 40% практически не влияет на скорость мутаротации, а при более высоких концентрациях замедляет процесс.

Растворимость лактозы зависит также от рН раствора, что связано со скоростью мутаротации. Максимум растворимости приходится на рН 4-5 [7].

Кроме вышеуказанных параметров на растворимость лактозы влияют примеси, присутствующие в таких технических системах как молоко, меласса, сыворотка.

Влияние отдельных примесей на растворимость лактозы исследовано в работах К.К. Полянского, Я.С. Зайковского, Л.С. Берман и др. [7-9].

Примеси, способные образовывать растворимые соединения с лактозой, повышают растворимость последней. К этой группе относится большинство солей, присутствующих в молочных продуктах.

Однако, по мнению авторов [10], изменение растворимости связано с влиянием примесей на структуру воды. Ионы лития, кальция, хлора, брома и йода разрушают ее структуру и таким образом повышают растворимость лактозы.

По аналогии с исследованиями в области свеклосахарного производства было установлено, что растворимость лактозы зависит не только от природы несахара, но и его концентрации [11-14].

Для количественной оценки потерь сахара в мелассе используется такой нормативный параметр как нормальная чистота (доброкачественность) мелассы, позволяющий контролировать эти потери [15-18].

В производстве молочного сахара нормативный показатель обессахаривания мелассы определен чисто эмпирически и установлен путем обобщения практических результатов работы заводов [19]. Этот показатель не позволяет установить, насколько полно проведена кристаллизация лактозы.

Возможность научно обоснованного нормирования параметров меласс молочного производства впервые показана в работах [15-18], однако практического применения это направление исследований не получило. Разработанная авторами [12] номограмма по вязкости меласс в настоящее время не использована для оперативного контроля потерь лактозы в мелассах. Связано это прежде всего с недостаточно полным исследованием факторов, определяющих формирование мелассы.

В этой связи возрастает актуальность дальнейших исследований по изучению влияния основных мелассообразователей на растворимость лактозы и вязкость насыщенных растворов. В частности не достаточно полно изучено мелассообразующее действие белков, которые являются основным компонентом молочной сыворотки.

Исследование мелассообразования позволяет нормировать потери кристаллизующегося вещества (сахарозы, лактозы) в мелассе.

Поскольку белок является составной частью молочной сыворотки, то целесообразно было исследовать его влияние на растворимость лактозы. В результате было выявлено, что казеин практически не влияет на растворимость лактозы [2022]. В работе [23] было установлено, что высокомолекулярная фракция белка (казеин), имея средний диаметр мицелл 80,4 нм, способна адсорбировать молекулы кристаллизующегося вещества (лактозы) радиусом 0,46 нм и интенсифицировать процессы образования и роста зародышей кристаллов. Однако сывороточный белок повышает растворимость лактозы и замедляет процесс зародышеобразования при ее кристаллизации [24-25].

В литературе примеси, повышающие растворимость лактозы, называют положительными мелассообразователми, другие, снижающие растворимость, ‒ отрицательными. Например, к первым относятся катионы натрия, калия, а также анионы хлора и др. Ко вторым относятся аммиачные соли и нитраты. Известно использование отрицательных мелассообразователей для снижения потерь сахарозы и лактозы в производстве[26].

Для количественной оценки мелассообразования используются мелассовые коэффициенты: общий и специфический [4].

Общий мелассовый коэффициент характеризует количество сахара, которое связывается 1 кг несахара и переходит в мелассу. Рассчитывается этот коэффициент по уравнению:

где Дб – доброкачественность насыщенного раствора мелассы,%. Доброкачественность ‒ это отношение:

где Л, СВ ‒ массовая доля лактозы и сухих веществ в насыщенном растворе соответственно, %.

Общий мелассовый коэффициент характеризует сумму мелассовых коэффициентов отдельных несахаров в соответствии с их долей в обшей массе несахаров, а также учитывает растворяющее действие воды, как мелассообразователя. Для учета мелассообразующего действия только несахаров применяется специфический мелассовый коэффициент:

Ц=т

Н(т+1)-(100-СБ)

,

СБ

где H – растворимость лактозы в воде, кг/кг воды.

Специфические мелассовые коэффициенты могут иметь как положительное, так и отрицательное значение, что свидетельствует о их растворяющем или высаливающем действии.

Таким образом, содержание лактозы в мелассе и нормативные ее потери могут быть определены только с учетом оценки мелассообразующего действия не-сахаров. На разных предприятиях и в разные периоды года эти величины, как показали наши исследования, различны [11-14]. Однако в настоящее время нормирование потерь в производстве осуществляется без учета специфики компонен-того состава несахаров сырья (сыворотки).

Целью данной работы является обоснование нового подхода к определению нормативных потерь в мелассах при производстве молочного сахара.

Методы исследования. Были приготовлены насыщенные растворы лактозы. Для этого модельный кристаллизат, состоящий из мелассы и 40% кристаллов лактозы (молочного сахара), термостатировался и периодически перемешивался в течение двух суток при заданной температуре и, таким образом, межкристальный раствор доводился до насыщенного состояния. Температура термостатирования была обусловлена конечной температурой охлаждения кристаллизата и составила 10-20 ºС [19]. После завершения кристаллизации межкристальный раствор (меласса) отделялся на центрифуге и анализировался на содержание массовой доли сухих веществ и лактозы. Массовая доля сухих веществ определялась рефрактометрическим, а содержание лактозы поляриметрическим методом.

Для проведения исследований поляриметрическим методом проводилась предварительная очистка растворов от белка, минеральных солей, молочной кислоты и других компонентов. Методика заключалась в следующем. 33 г исследуемого раствора растворяют в стакане вместимостью 250 см3 и количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 см3. Затем добавляют 3 мл раствора уксусно-кислого цинка и 3 мл железистосинеродистого калия. После добавления реактивов содержимое колбы осторожно перемешивают во избежание образования пузырьков. Затем объем доводят до метки дистиллированной водой при температуре 20±2°С, вновь перемешивают и спустя 20±2 минуты фильтруют через сухой складчатый фильтр. Фильтрат поляризуют в поляриметрической трубке длиной 200 мм. Отсчет показаний поляриметра проводят не менее 5 раз, и из полученных результатов берут среднеарифметическое значение. В работе использовался поляриметр Atago AP-300 (Япония).

Доброкачественность рассчитывалась по формуле (2).

Результаты анализов приведены в таблице 1 .

Таблица 1 – Технологические параметры насыщенных меласс

Наименование показателей Температура 10 ºС Температура 15 ºС Температура 20 ºС

Массовая доля сухих веществ, %	42,2	45,3	47,0
Массовая доля лактозы, %	16,2	19,7	21,2
Доброкачественность,%	38,4	43,5	45,1

По формулам (1) и (3) и данным таблицы 1 были рассчитаны значения мелассовых коэффициентов ( таблица 2 ).

Таблица 2 – Значения мелассовых коэффициентов

Наименование             Температура 10 ºС Температура 15 ºС Температура 20 ºС

Общий мелассовый коэффициент	0,623	0,770	0,821
Растворимость в воде, Н, кг/кг	0,1507	0,1710	0,1919
Специфический мелассовый коэффициент	0,287	0,405	0,427
Разница между общим и специфическим мелассовым коэффициентом	0,336	0,385	0,394

Разница между общим и специфическим мелассовыми коэффициентами характеризует растворяющее действие воды. Как показали результаты расчетов, все мелассовые коэффициенты имеют положительное значение, что свидетельствует о том, что все несахара мелассы являются положительными мелассообразователя-ми, блокируют лактозу и препятствуют кристаллизации.

Мелассовые коэффициенты зависят от конечной температуры охлаждения кристаллизата и возрастают при ее увеличении. Минимальные потери лактозы в мелассе имеют место при 10ºС, следовательно, необходимо проводить глубокое охлаждение кристаллизата до этой температуры.

Соотношение общего и специфического мелассовых коэффициентов указывает на то, что основным мелассообразователем является вода, и ее мелассообразующее действие возрастает при увеличении температуры.

Полученные значения мелассовых коэффициентов следует использовать для расчета выхода мелассы. Например, в исходной очищенной молочной сыворотке массовая доля сухих веществ составляет СВ=6,6%, массовая доля лактозы Л=5,1%, несахара Нсх=1,4%. По данным таблицы 2 мелассовый коэффициент при 15ºС составляет m=0,77. Потери лактозы в мелассе составят: 1,4×0,77=1,078%. При содержании лактозы в мелассе Л=19,7% (см. табл. 1) выход мелассы равен 1,078×100/19,7=5,47%. Аналогичные расчеты, проведенные при 10 ºС, показывают, что выход мелассы составляет 5,38%, что несколько ниже, чем при 15 ºС.

Выводы

• 1.    Исследована мелассообразующая способность в пересыщенных растворах лактозы. Установлено, что все несахара мелассы являются положительными ме-лассообразователями, блокируют лактозу и препятствуют ее кристаллизации.

• 2.    Предложено полученные значения мелассовых коэффициентов использовать для расчета выхода мелассы.

• 3.    Потери лактозы в мелассе зависят от конечной температуры охлаждения кристаллизата и возрастают при ее увеличении.