Влияние некоторых солей на растворимость лактозы

Актуальность

Основными параметрами, влияющими на процесс кристаллизации лактозы, являются: пересыщение, температура, гидромеханические условия, а также наличие в пересыщенных растворах примесей (несахаров).

Примеси могут содержаться в исходном сырье или попадать в раствор на стадиях технологической обработки, например, при очистке молочной сыворотки реагентами.

В настоящее время для очистки молочной сыворотки эффективно применяются баро- и электромембранные методы, такие как ультра-и нанофильтрация, обратный осмос и электродиализ [1–5]. Наряду с ними широко используются химические способы: кислотный, щелочной, кислотно-щелочной, хлор-кальциевый и безреагентный [6].

Например, при щелочном или кислотно-щелочном способе в сыворотку добавляют 10%-ный раствор гидроксида натрия или 10%-ный раствор гидрокарбоната натрия. Хлор-кальциевый способ предполагает внесение 20%-ного раствора хлорида кальция. Для повышения эффективности очистки сыворотки от белков и снижения затрат авторы [7] предложили метод раскисления 10%-ным раствором гидроксида натрия до pH 6,5–7,2 с последующим добавлением 40%-ного раствора хлорида кальция в количестве 0,1–0,4 г/л. Кроме того, хлорид натрия попадает в молочную сыворотку в процессе производства сыра (при посолке). Также был разработан способ раскисления и очистки творожной сыворотки сухими реагентами: оксидом или гидроксидом кальция [8].

В результате в пересыщенный раствор лактозы могут попадать катионы натрия и кальция, а также анионы хлора и углекислоты.

В связи с этим представляет интерес исследовать влияние этих ионов на растворимость лактозы, а следовательно, на процесс кристаллизации и выход молочного сахара.

Влияние некоторых примесей на растворимость лактозы изучалось в работах [9–14]. Исследования [9] показали, что растворимость лактозы в сывороточном пермеате выше, чем в воде. В лактозо-белковых смесях растворимость также отличается от растворимости в чистой воде [10, 11]. В работе [12] изучено влияние белков и показано, что растворимость зависит от их концентрации: с увеличением содержания белков растворимость лактозы сначала возрастает, а затем стабилизируется.

Одним из объяснений повышенной растворимости лактозы может быть образование комплексов [13]. Например, лактоза образует нерастворимый комплекс с кальцием. Гидроксид бария также образует комплекс с лактозой, но он менее устойчив, чем комплекс кальций-лактоза [14]. Существенное влияние на растворимость лактозы и её кристаллизацию оказывают минеральные соли. Так, хлорид лития снижает рас- творимость и увеличивает скорость роста кристаллов, в то время как гидрофосфат калия действует противоположным образом [15].

В работе [16] определялась растворимость лактозы в присутствии некоторых солей. Было установлено, что в области низких концентраций соли снижали растворимость, однако при дальнейшем увеличении их концентрации наблюдался некоторый рост растворимости лактозы.

Таким образом, растворимость лактозы напрямую влияет на пересыщение раствора, что, в свою очередь, определяет ход процесса кристаллизации, выход и качество готового молочного сахара.

Целью работы является экспериментальное изучение растворимости лактозы и вязкости насыщенных растворов в присутствии катионов натрия и кальция и анионов хлора и углекислоты.

Методы исследования

Для определения растворимости лактозы готовили ее насыщенные растворы. Для этого в термостатируемый стакан при температуре 20 ± 0,5 °C вносили навеску лактозы и при непрерывном перемешивании постепенно добавляли из термостатируемой пипетки водный раствор соли концентрацией 0–20 %. Процесс вели до полного растворения кристаллов,котороеконтролироваливизуальнопоисчезновениютвердой фазы. Время достижения насыщения составляло 6–10 часов. Состав насыщенного раствора лактозы определяли по массовой доле сухих веществ, измеренной на рефрактометре. Растворимость, выраженную в виде моногидрата лактозы, пересчитывали на безводную форму с учетом соотношения их молекулярных масс. Вязкость насыщенных растворов измеряли с помощью вискозиметра Гепплера. Все опыты проводили в трехкратной повторности; их результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав насыщенных растворов лактозы в присутствии некоторых примесей при 200С, % масс

NaHCО3	NaCl	CaCl2	Лактоза	Вода	Вязкость, μ·103 Па.с
-	-	-	16,1	83,90	1,71
1,70	-	-	14,70	83,60	1,72
3,40	-	-	14,55	82,05	1,80
6,70	-	-	15,72	77,58	1,90
14,71	-	-	17,28	68,01	2,98
-	-	2,50	14,67	82,83	1,74
-	-	5,03	12,68	82,29	1,97
-	-	9,20	12,79	78,01	2,32
-	-	19,68	15,50	64,82	4,32
-	1,34	-	15,32	83,34	1,71
-	2,65	-	15,30	82,05	1,85
-	5,24	-	16,00	78,76	1,90
-	12,30	-	16,88	70,82	2,36

Для оценки растворимости лактозы по экспериментальным данным (таблица 1) был рассчитан коэффициент насыщения. Коэффициент насыщения, как известно, учитывает влияние различных примесей на растворимость лактозы и рассчитывается как отношение:

где н . - растворимость лактозы в данном растворителе, кг/кг воды;

H - растворимость лактозы в воде при той же температуре, кг/кг воды.

Коэффициент насыщения Кн и его зависимость от концентрации добавок в растворителе (Нс) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние некоторых солей на коэффициент насыщения К_н : 1 – NaHCО₃; 2 – CaCl₂; 3 – NaCl.

Согласно рисунку 1, с ростом концентрации солей в растворителе коэффициент насыщения сначала уменьшается, а затем возрастает. Первоначальное снижение растворимости связано с гидратацией ионов электролитов. Как указано в [16], гидратационная способность катионов усиливается в ряду Na ⁺ → Ca² ⁺ , причем соли кальция обладают наибольшим водоотнимающим эффектом. Последующее повышение растворимости при дальнейшем увеличении концентрации солей, вероятно, объясняется процессами комплексообразования и ассоциацией ионов с формированием общих гидратных оболочек [16, 17]. Эти процессы высвобождают часть молекул воды, которые затем участвуют в растворении лактозы.

Установленные закономерности по изменению коэффициента насыщения Кн были описаны с помощью уравнения:

K_H = 1 — а_гН_с + a₂Hc — a₃Hj ,

где Нс. – содержание соли в растворителе, кг/кг Н2О;

а 1 ,а 2, а 3 – коэффициенты.

Значения коэффициентов а 1 ,а 2 ,а 3 в уравнении (2) представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значение коэффициентов в уравнении (2)

Коэффициент	NaHCО3	NaCl	CaCl2
а1	1,0931	0,6653	5,604
а2	20,273	12,951	44,774
а3	36,339	4,4513	78,363

С использованием коэффициентов из уравнения (2) был рассчитан коэффициент насыщения. Расчётные значения удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, демонстрируя среднее относительное отклонение ±3,66%.

Вязкость оказывает значительное влияние на процесс кристаллизации и, особенно на стадию зарождения новой фазы. Результаты экспериментальных данных по вязкости (таблица 1) были представлены графически на рисунке 2.

Рисунок 2 – Влияние некоторых солей на вязкость насыщенных растворов лактозы μ :

1 – NaHCО3; 2 – CaCl2; 3 – NaCl.

Исследование вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии солей также выявило две характерные области (рисунок 2). В первой области, при низких концентрациях солей (Нс), вязкость растет незначительно. Во второй области с ростом концентрации наблюдается более интенсивное увеличение вязкости. При этом вязкость насыщенного раствора лактозы с хлоридом кальция хлорида кальция (CaCl₂) возрастает в наибольшей степени.

Экспериментальные данные по вязкости μ насыщенных растворов были аппроксимированы с помощью уравнения:

ц = 1,71 ■ Ю"³ ■ ехр (С-Н_с\

где μ – динамический коэффициент вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии добавок, Па<;

Н с - содержание соли в растворителе, кг/кг Н 2 О;

С– коэффициент.

Значения коэффициента С в уравнении (3) представлены в таблице 3.

Таблица 3-Значения коэффициента к в уравнении (3)

Добавка	NaHCО3	NaCl	CaCl2
Коэффициент С	2,65	1,88	3,16

По уравнению (2) были рассчитаны значения вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии солей, среднее относительное отклонение расчетных значений от экспериментальных составило ±3,73 %.

Выводы

• 1 .Соли кальция обладают меньшей растворяющей способностью по сравнению с солями натрия.

• 2 .В небольших количествах (менее 5%) соли кальция способны снижать растворимость лактозы и интенсифицировать процесс кристаллизации.

• 3    Анион хлора является более сильным мелассообразователем по сравнению с анионом углекислоты.

• 4 . Установленные закономерности следует учитывать в промышленном производстве молочного сахара.