Влияние компонентов молочной сыворотки на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы

Исследование кристаллизации лактозы в пересыщенных водных растворах и установление закономерностей протекания этого процесса необходимо для управления этим процессом в промышленных условиях. Процесс кристаллизации лактозы является важнейшей технологической операцией в производстве сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром.

В настоящее время увеличиваются объемы производства сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром, с различным компонентным составом. Известен способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром, в котором в качестве сухого молочного сырья наряду с сухим обезжиренным молоком используют сухую деминерализованную молочную сыворотку /1/. Изменение компонентного состава этих продуктов может привести к изменению параметров кристаллизации.

Поэтому целью настоящей работы явилось моделирование кристаллизации лактозы в пересыщенных водных растворах, представляющих собой многокомпонентные системы, состоящие из сухой деминерализованной молочной сыворотки (СДМС) и сахарозы. В качестве контрольного опыта служили двухкомпонентные системы: Н2О - лактоза.

Приготовление пересыщенных растворов с заданными коэффициентами пересыщения достигалось путем выпаривания избытка влаги из насыщенных растворов на роторной вакуумно-выпарной установке. Полученные растворы герметически переводились в стеклянный термостатируемый кристаллизатор, снабженный стеклянной мешалкой с частотой вращения п = 5 с1. Опыты проводились при температурах 35 и 20 °C , что соответствует температуре внесения затравки и конечной температуре кристаллизации в промышленных условиях. В ходе опытов через каждые 5 мин. отбирались пробы пересыщенного раствора и в них с помощью рефрактометра определялась массовая доля сухих веществ. Количество вносимых добавок составило: сахарозы 37-43 %, СДМС 9-15 %.

По полученным опытным данным были определены продолжительности индукционных периодов Tjnd и представлены в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные значения продолжительности индукционных периодов T_ind, мин. в пересыщенных водных растворах

|                                 Температура T, К                                 |
293		308
кпе	Tjnd	кпе	Tjnd
Система: Лактоза - Вода
3,0	200	2,5	105
4,0	65	3,0	35
5,0	20	4,0	5
Система: Лактоза - Вода - СДМС - сахароза
4,5	45	3,5	40
5,5	25	4,0	30
6,0	15	4,5	20

С целью выявления механизма влияния СДМС и сахарозы на процесс заро- дышеобразования была использована разработанная нами модель, основанная на современных представлениях химической кинетики, согласно которой частицы новой фазы образуются путем укрупнения дозародышевых ассоциатов до размеров критических зародышей /2-4/. Согласно этой модели продолжительность индукционных периодов Tind составляет:

Е - энергия взаимодействия ассоциата с молекулой кристаллизующегося вещества, Дж/моль;

Еа - энергия активации процесса роста ассоциата, Дж/моль;

гл, тр , тн - концентрация кристаллизующегося вещества в пересыщенном растворе, на границе метастабильности и в насыщенном растворе, соответственно, моль/1000 г Н2О;

R. - универсальная газовая постоянная, Дж/мольхК;

Т - температура, К;

п - порядок роста ассоциата;

В - постоянная величина.

При Т = const уравнение (1) принимает вид:

где

Ч, = D-(m-mH)

D = В Лт

X ц

После логарифмирования (2) и (3) было получено:

h т = h D-ivh\m-m )

та                      X          н /

h

= h

Влияние примеси на Tjnd было учтено через параметры: тн, тр, ДЕ, п, В и D. Для расчета этих параметров применялась следующая методика. По экспериментальным данным о продолжительности индукционных периодов (табл. 1) были построены логарифмические зависимости lnTjnd от абсолютного пересыщения Дт = (m-mj и найдены значения InD и п при Т = const согласно уравнению (4). Затем было рассчитано ln[D/( mp - mJ] при различных Т и в соответствии с уравнением (5) были определены В и ДЕ.

Растворимость лактозы в воде была принята по данным /5/. Значения тр определялись путем экстраполяции кривых Tjnd = f(m/mj в область Tjnd->oo /4/. Результаты расчетов параметров n, D, В и ДЕ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения параметров в уравнениях (1 - 5)

Наименование параметра	Температура, Т, К
	293		308
Система: лактоза - вода
п	3,29	4,42
D	264	244
тн,моль/ЮООг Н2О	0,534	0,795
ти, моль/ЮООг Н2О	0,809	1,084
ln[D/( mu - mJ]	6,867	6,739
В	70
ДЕ	6382
Система: вода - лактоза-СДМС - сахароза
п	2,28	2,94
D	357,4	492,5
тн,моль/ЮООг Н2О	0,709	1,070
ти, моль/ЮООг Н2О	0,821	1,260
ln[D/( mu - mJ]	6,610	7,862
В	47
ДЕ	10277

Полученные данные: тн, т , В и п были использованы для расчета Tjnd по уравнению (1) и представлены в таблице 3.

Таблица 3. Расчетные значения продолжительности индукционных периодов T_ind, мин при кристаллизации лактозы

Температура Т, К
293		308
Кпе	Tjnd	кпе	Tjnd
Система: Лактоза - Вода
3,0	213,1	2,5	112,0
4,0	56,2	3,0	31,4
5,0	21,8	4,0	5,2
Система: Лактоза - Вода - СДМС - сахароза
4,5	44,8	3,5	52,4
5,5	25,3	4,0	27,1
6,0	19,9	4,5	15,9

Результаты расчетов показали удовлетворительное согласование с экспериментом. Среднее относительное отклонение вычисленных данных от опытных составило ±6,3 %.

Значения m , и ДЕ , представленное в таблице 2, свидетельствуют о том, что исследуемые примеси увеличивают устойчивость пересыщенных водных растворов и, таким образом, тормозят процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы.

Механизм влияния примесей на устойчивость пересыщенных растворов обу- словлен, прежде всего, увеличением вязкости раствора в присутствии сахарозы и замедлением диффузии молекул к кристаллу. Кроме того, как было установлено авторами /2, 3/, при кристаллизации лактозы в присутствии примесей, способных взаимодействовать с ассоциатами 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 далекие по свойствам от сахаров, например сывороточные белки, способны адсорбироваться растущими кристаллами лактозы, что приводит к росту энергии активации и, таким образом, к увеличению индукционного периода.

Из вышеизложенного следует, что поскольку примеси влияют на устойчивость пересыщенных растворов лактозы, то необходимо уточнение температуры усиленной кристаллизации лактозы в сгущенных молочных и молокосодержащих консервах с сахаром, выработанных из сухого молока и сухой молочной сыворотки.