Теоретические основы кристаллизации молочного сахара (лактозы)

Кристаллизация лактозы в сгущенных молочных консервах может быть описана в рамках общих теоретических представлений о процессе кристаллизации. Большинством исследователей признается молекулярно-кинетическая теория кристаллизации.

Кинетика кристаллизации изучает изменение концентрации раствора во времени: С = /(т). Кривая кристаллизации в общем виде разбивается на три участка, соответствующие: 1 — индукционному (латентному) периоду, когда С остается постоянной; 2 — быстрому снижению С во времени, соответствующем длительности кристаллизации; 3 — медленному изменению концентрации в конце процесса. С первым периодом многие авторы связывают образование зародышей новой фазы, со вторым и третьим — рост кристаллов.

Индукционный период характерен для кристаллизации любых веществ и выражается следующей математической зависимостью:

где т_инд — продолжительность индукционного периода, ч; А — постоянная, зависящая от константы скорости образования зародышей и растворимости вещества; п — порядок процесса зародышеобразования; С_н — концентрация исходного раствора, %.

Диапазон продолжительности индукционного периода широк: от долей секунд до нескольких суток или месяцев, а его особенность — постоянство концентрации пересыщенного раствора во времени (возможны количественные расчеты). Его конец соответствует некоторому изначально заданному изменению концентрации раствора.

Существуют три типа зародышеобразования: 1 — гомогенное (спонтанное), 2 — первичное гетерогенное (на стенках сосуда и на поверхности частиц твердых примесей) и 3 — вторичное гетерогенное (в присутствии кристаллов того же вещества). Зародышеобразование в растворах практически всегда является гетерогенным, так как при умеренно высоких перенасыщениях скоростью гомогенного зародышеобразования можно пренебречь.

Процесс возникновения зародышей кристаллов рассматривается как диффузионный, поскольку для него необходима подвижность молекул в исходной и возникающей фазах. Зарождение центров кристаллизации определяется скоростью образования самого зародыша и интенсивностью обмена молекулами переохлажденного раствора и зародыша.

Основное условие для зародышеобразования кристаллов — пересыщение раствора. Чем оно выше, тем более мелкие кристаллы формируются в нем. Скорость образования зародышей, зависящая от величины пересыщения, может быть аппроксимирована степенной функцией:

где п — число образовавшихся зародышей; dn/dx — скорость образования зародышей, шт./(м³-с); S — пересыщение, %; К₂, р — коэффициенты.

Наряду с пересыщением на скорость кристаллизации и прежде всего на вероятность и скорость образования зародышей кристаллов положительно воздействуют перемешивание, ультразвук, магнитное поле. Эффективность перемешивания оценивают по кратности перемешивания, показывающей число перемещений единицы объема вещества в единицу времени. Характеристику перемешивания можно представить как.

где V_c — количество продукта, перемешиваемое мешалкой, м-с⁴; d — диаметр аппарата, м; h — высота аппарата, м; т — кратность перемешивания, с^-1.

На скорость зародышеобразования влияет сила поверхностного натяжения на границе «кристалл — раствор», которая зависит от многих факторов и описывается системой дифференциальных уравнений.

В процессе кристаллизации весьма существенно значение затравки как начальной базисной поверхности кристаллизации в условиях гетерогенного механизма образования зародышей. Спонтанное формирование зародышей в сложных растворах кристаллизующегося вещества, связанное с большими затратами энергии, возможно лишь при больших коэффициентах пересыщения.

Изучение второго периода кристаллизации основано на молекулярно-кинетической теории, согласно которой рост кристалла рассматривается как ряд элементарных актов присоединения к поверхности растущей грани молекулярных комплексов, образующихся в массе исходной фазы. В то же время происходит массопередача к поверхности пограничного слоя, диффузия частиц вдоль поверхности кристалла и включение их в поверхностную решетку, отвод теплоты кристаллизации и освободившейся гидратационной воды от поверхности кристалла.

Перенос молекул растворенной лактозы к поверхности растущего кристалла ускоряется перемешиванием, так как при этом уменьшается толщина диффузионного слоя. На основе молекулярной и конвективной диффузии лактоза подводится к поверхности растущего кристалла, и ее молекулы включаются в кристаллическую решетку. Рост кристаллов лактозы сопровождается снижением запаса свободной поверхностной энергии за счет адсорбции ее молекул гранями растущих кристаллов.

Результаты кристаллизации оценивают по ее однородности и массовости. Для определения однородности кристаллизации используют средний размер кристаллов по наибольшему измерению, распределение кристаллов по группам в зависимости от размеров, коэффициент однородности или коэффициент неравномерности. Число кристаллов в единице объема продукта характеризует массовость кристаллизации, которую рассчитывают по величине среднего размера кристаллов или их гранулометрическому составу.