CC BY
312
УДК 637.145
К вопросу растворимости лактозы в многокомпонентной системе
ГНЕЗДИЛОВА Анна Ивановна, доктор технических наук, профессор
e-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина
КУРЕНКОВА Людмила Александровна, аспирант
e-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина
Аннотация: в работе исследовано совместное влияние сахарозы и глюкозы на растворимость лактозы. Опыты проводились при температурах 20 и 35 °С, соответствующих температурам промышленной кристаллизации лактозы. Как было установлено, растворимость лактозы увеличивается при повышении температуры и снижении содержания сахарозы и глюкозы в растворе и подчиняется прямолинейной зависимости в изученном диапазоне их концентраций.
Ключевые слова: лактоза; сахароза; глюкоза; растворимость; концентрация.
Нами разработан консервированный сгущенный молочный продукт со сбалансированным углеводным составом [1]. В качестве сахарозаменителя предложена крахмальная патока, так как она обладает более низкой калорийностью по сравнению с сахаром и позволяет управлять такими показателями качества как вязкость и срок хранения. Патока представляет собой смесь углеводов различной молекулярной массы, большая доля которых приходится на глюкозу.
В этой связи целью данного исследования является изучение влияния сахарозы и глюкозы, взятых в соотношении 1:1, на растворимость лактозы, так как изменение растворимости в присутствии глюкозы может оказать влияние на кристаллизацию лактозы и на качество продукта в конечном итоге.
В настоящее время известны работы по влиянию отдельных сахаров: сахарозы и глюкозы на растворимость лактозы [2-5]. Однако представляет интерес изучить их совместное влияние, так как в литературе эти данные отсутствуют.
Для определения растворимости были приготовлены насыщенные растворы лактозы. Методика приготовления насыщенного раствора заключается в следующем: в термостатируемый стакан при температуре опыта отвешивалось определенное количество лактозы. Затем с помощью термостатируемой пипетки, постепенно добавлялся водный раствор примеси известного состава при непрерывном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения последнего кристалла. Полнота растворения кристаллов контролировалась с помощью микроскопа. После приготовления растворы отфильтровывались под вакуумом через стеклянный фильтр №1. Термостатирование осуществлялось с помощью ультратермостата ити-
4. Опыты проводились в трехкратной повторности. Состав насыщенного раствора рассчитывался на основе данных о количестве введенного в стакан моногидрата лактозы и растворителя [2].
На начальной стадии работы нами было проведено планирование эксперимента, в ходе которого были установлены наиболее целесообразные концентрации примесей (глюкозы и сахарозы) и температуры, позволяющие наиболее полно приблизить модельный раствор к реальной системе, а также необходимое для получения достоверных результатов количество опытов.
Таким образом, были заданы концентрации примесей 0,24 кг/кгводы и 0,48 кг/ кгвоДы' чт0 соответствовало реальным растворам. Опыты проводились при температуре 35 °С, близкой к температуре массовой кристаллизации лактозы при производстве сгущенного молока с сахаром и 20 °С, что соответствует окончанию процесса кристаллизации. Средние значения экспериментальных данных по составу насыщенного раствора лактозы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Экспериментальные данные по составу насыщенного раствора лактозы
Наименование по- Концентрация примеси в растворителе, Нпр., кг/кг воды
казателя 0 0,24 0,48
Массовая доля, %: 1=20 °С
сухих веществ; 16,10 29,23 38,73
лактозы; 16,10 12,25 9,37
примесей; - 16,98 29,46
воды; 83,9 70,77 61,27
1=35 °С
сухих веществ; 22,25 34,20 42,52
лактозы; 22,25 18,41 14,94
Наименование по- Концентрация примеси в растворителе, Нпр., кг/кг воды
казателя О 0,24 0,48 I
примесей; - 15,80 27,58
Воды. 77,75 65,80 57,48
По полученным данным была установлена зависимость растворимости лактозы от количества примесей и температуры (рисунок 1).
Содержание примесей в растворителе Нп, кг/кгН20
Рисунок 1. Влияние примесей на растворимость лактозы при температурах: 1-Т=283К; 2 - Т=308К
Как следует из рисунка, на растворимость лактозы в модельной системе оказывают влияние как температура, так и количество примесей. Растворимость лактозы увеличивается при повышении температуры и уменьшении содержания примесей в растворителе и подчиняется прямолинейной зависимости в изученном диапазоне концентраций примесей.
Для математического описания растворимости лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы в пределах Нпр. от 0 до 0,5 кг/кгН20 было использовано уравнение вида:
Н = Н - а-Н , ( 1)
Л ЛО пр' 4 у
где Нл, Нло - растворимость лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы и в чистой воде соответственно, кг/кг Н20;
Нпр - содержание сахарозы и глюкозы в растворителе, кг/кг Н20; а - коэффициент.
Значения коэффициента а и Нло в уравнении (1) представлено в табл. 2.
Таблица 2. Значение коэффициента а в уравнении (1)
Коэффициент Т=293К Т=308
а 0,0810 0,0625
Нло 0,192 0,286
Коэффициент а в зависимости от температуры был аппроксимирован уравнением:
а = А ■ ехр(-Е/Я-Т) , (2)
где А - постоянная;
Е -энергия активации процесса, Дж/моль;
Я - газовая постоянная, Дж/(моль К);
Т - температура, К.
В результате расчетов было получено уравнение:
а =0,00807 ■ ехр( 5270/1*-Т). (3)
Снижение растворимости лактозы в присутствии сахарозы и глюкозы может быть объяснено гидратационными явлениями [6-10]. Согласно существующим в настоящее время представлениям [9] часть молекул воды, присутствующих в насыщенном растворе, находится в гидратированном состоянии. Другая часть, так называемая свободная вода, располагается между гидратированными молекулами лактозы в межмолекулярном объеме (ММО). Соотношение между гидратированной и свободной частью молекул воды находится в динамическом равновесии и зависит от температуры и примесей.
Согласно этой точке зрения снижение растворимости лактозы в присутствии сахарозы может быть объяснено тем, что сахароза, имея соизмеримый с лактозой радиус гидратированных молекул (4,9-10 10м и 4,6-10 10м соответственно) [10], увеличивает ММО. Это приводит к переходу части гидратной воды оболочек лактозы в ММО и способствует снижению растворимости последней. Об этом свидетельствует отрицательное значение Е= - 5270 Дж/моль. Аналогичен механизм действия глюкозы на растворимость лактозы.
Выводы:
1. На растворимость лактозы в модельной системе оказывают влияние как температура, так и количество примесей.
2. Увеличение температуры способствует повышению растворимости лактозы, в то время как глюкоза и сахароза снижают ее. Установленная закономерность подчиняется прямолинейной зависимости в диапазоне изученной концентрации примесей Нпр = 0 - 0,5 кг/кгводы.
Список литературы:
1. Гнездилова, А. И. Способ производства сгущенного молочного продукта с сахаром: Заявка на изобретение № 2012101578/10. от 30.03.2012 / А. И. Гнездилова, В. Г. Куленко, Ю. В. Виноградова, Л. А. Куренкова, О. С. Бур-дейная.
2. 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.
3. Полянский, К. К. Кристаллизация лактозы: физико-химические основы / К. К. Полянский, А. Г. Шестов. - Воронеж : Изд. ВГУ, 1995. - 184 с.
4. 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.
5. Шевчук, В. Б. Исследование процесса массовой кристаллизации лактозы в сгущенных молочных консервах с сахаром: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук/ В. Б. Шевчук. - М., 2003. - 18 с.
6. Мищук, Р. Ц. Физико-химическое взаимодействие в системе сахароза - вода / Р. Ц. Мищук// Сахарная промышленность. - 1994. - № 3. - 22-25.
7. Ахумов, Е. И. Гидратация сахарозы в растворах / Е. И. Ахумов // Журнал прикладной химии. - 1975. - № 2. - С. 458-463.
8. Бобровник, Л. Д. Гидратация и фазовое превращение сахарозы // Л. Д. Бо-бровник, И. С. Гулый, В. М. Климович // Сахарная промышленность. - 1992.
- № 6. - С. 10-11.
9. Даишев, М. И. К теории растворов сахарозы / М. И. Даишев, Л.М. Даишева, Н. В. Орлова // Известия ВУЗов, Пищевая технология. - 1974. - № 2. - С. 40-44.
10. Орлова, Н. В. Оптическая плотность концентрированных сахарных растворов / Н. В. Орлова, М. И. Даишев // Известие ВУЗов, Пищевая технология.
- 1974. - № 5. - С. 157-158.
технические науки
To a question of solubility of lactose in multycomponents system
Gnesdilova A.I. Doc. of Science (Technics), Prof.,
Kurenkova L.A. post-graduate student
the N.V. Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy (VSDFA)
Abstract: In the article the joint influence of sucrose and glucose on lactose solubility is investigated. Analyses have been carried out at 20° and 35° С, corresponding to temperatures of the industrial lactose crystallization. As it has been established, the lactose solubility increases in temperature increase and decrease in the sucrose and glucose content in solution, and submits to the rectilinear dependence in the studied range of their concentration.
Keywords: Lactose; sucrose; glucose; solubility; concentration.
