CC BY
63
УДК 637.145
Влияние компонентов молочной сыворотки на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы
ГнЕзДилоВА Анна ивановна, доктор технических наук, профессор
e-mail: [email protected]
ФГБоУ ВПо Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени н.В. Верещагина
Виноградова Юлия Владимировна, кандидат технических наук, доцент
e-mail: [email protected]
ФГБоУ ВПо Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени н.В. Верещагина
МУзыКАнтоВА Анна Владимировна, соискатель
ФГБоУ ВПо Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени н.В. Верещагина
Аннотация: в работе исследована кристаллизация лактозы в пересыщенных водных растворах, представляющих собой многокомпонентные системы, состоящие из сухой деминерализованной молочной сыворотки (СДМС) и сахарозы. С целью выявления механизма влияния СДМС и сахарозы на процесс зародышеобразования была использована модель, основанная на современных представлениях химической кинетики, согласно которой частицы новой фазы образуются путем укрупнения дозародышевых ассоциатов до размеров критических зародышей. Результаты расчетов с помощью этой модели показали удовлетворительное согласование с экспериментом.
Ключевые слова: кристаллизация; лактоза; сыворотка; молочные и молокосодержащие консервы с сахаром.
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: Н20 - 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 с-1. Опыты проводились при температурах 35 и 20 °С , 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 ты и представлены в таблице 1.
Таблица 1. Экспериментальные значения продолжительности индукционных периодов х.тй, мин.
в пересыщенных водных растворах
Температура Т, К
293 308
К пер ТІПСІ К пер ТІПСІ
| 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 ттс! составляет:
=В-(т -тнУ(т-тн)~н-ехр\ М
RT
где
АЕ = Е -Е
(1)
Е - энергия взаимодействия ассоциата с молекулой кристаллизующегося вещества, Дж/моль;
Еа - энергия активации процесса роста ассоциата, Дж/моль; т, , тн - концентрация кристаллизующегося вещества в пересыщенном растворе, на границе метастабильности и в насыщенном растворе, соответственно, моль/1000 г Н20;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/мольхК;
Т - температура, К; п - порядок роста ассоциата;
В - постоянная величина.
При Т = const уравнение (1) принимает вид:
(2)
D- В ■ [т — т ) •
\ М К /
ехр
где
(3)
После логарифмирования (2) и (3) было получено:
Ь rind = h D-n- h (т -ти)
(4)
h
— h В +
AE
RT
(5)
Влияние примеси на xind было учтено через параметры: тн, т^, АЕ, п, В и D. Для расчета этих параметров применялась следующая методика. По экспериментальным данным о продолжительности индукционных периодов (табл. 1) были построены логарифмические зависимости lmind от абсолютного пересыщения Дт = (т-тн) и найдены значения InD и п при Т = const согласно уравнению (4). Затем было рассчитано ln[D/( - mj] при различных Т и в соответствии с уравнением (5) были определены В и АЕ.
Растворимость лактозы в воде была принята по данным /5/. Значения определялись путем экстраполяции кривых xind = f(m/mH) в область xind^oo /4/. Результаты расчетов параметров n, D, В и АЕ 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
О 264 244
тн,моль/1000г Н20 0,534 0,795
ти, моль/ЮООг Н20 0,809 1,084
1п[0/( ти - тн)] 6,867 6,739
В 70
ДЕ 6382
Система: вода - лактоза-СДМС - сахароза
п 2,28 2,94
О 357,4 492,5
тн,моль/ЮООг Н20 0,709 1,070
ти, моль/ЮООг Н20 0,821 1,260
1п[0/( ти - тн)] 6,610 7,862
В 47
ДЕ 10277
Полученные данные: тн, т^, В и п были использованы для расчета по уравнению (1) и представлены в таблице 3.
Таблица 3. Расчетные значения продолжительности индукционных периодов хш, мин
при кристаллизации лактозы
Температура Т, К
293 308
К ПЄО та К пео ■ па
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 пг^, и АЕ , 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.
Список литературы:
1. Патент 240734 РФ. Способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром / А. И. Гнездилова, В. Г. Куленко, А. В. Глуш-кова (Музыкантова). - Опубл. в Б.И. - 2010. - №36.
2. Гнездилова, А. И. Физико-химические основы мелассообразования и кристаллизации лактозы и сахарозы в водных растворах / А. И. Гнездилова, В. М. Перелыгин. - Воронеж: Изд. ВГУ, 2002. - 91 с.
3. Гнездилова, А. И. Развитие научных основ кристаллизации лактозы и сахарозы в многокомпонентных водных растворах: автореф. дисс. ...докт. техн. наук / А. И. Гнездилова. - М., 2000. - 46 с.
4. Хамский, Е. В. Кристаллизация в химической промышленности / Е. В. хамский. - М.: Химия, 1979. - 342 с.
5. Храмцов, А. Г. Молочный сахар / А. Г. Храмцов. - М.: Агропромиздат,1987. - 224 с.
технические науки
Effect of whey components on the process of nucleation in the crystallization of lactose
Gnezdilova A.I. Doc. of Science (Technics), Prof.,
Vinogradova Y.V. Cand. Of Science (Technics), Associate Professor,
Muzykantovа A.V. competitor
The N.V. Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy (VSDFA)
Abstract: We have studied the crystallization of lactose in supersaturated aqueous solutions, which are multi-component systems consisting of dry demineralized whey (DDW) and sucrose. To reveal the mechanism of the effect of sucrose on the DDW nucleation process the model, based on the current understanding of chemical kinetics, according to which the particles of the new phase are formed by the enlargement of pre-nucleus associates to the size of the critical nuclei has been used. This model calculation results showed a satisfactory agreement with the experiment.
Keywords: Crystallization, lactose, whey, milk and milk-canned products with sugar.
