Факторы, влияющие на кинетику кристаллизации сахарозы

На кинетику кристаллизации сахарозы оказывают влияние начальная концентрация, температура, частота перемешивания, вязкость раствора и др.
С увеличением начальной концентрации С_o, при постоянной температуре, растет пересыщение раствора. Из уравнения (18) следует, что с увеличением пересыщения критический размер зародыша уменьшается. Поэтому в концентрированных растворах центры кристаллизации образуются более легко и в большем количестве, резко увеличивая суммарную поверхность кристаллов, на которых откладываются молекулы растворенной сахарозы.

Рис. 7. Изменение концентрации растворов во времени при постоянной температуре

Влияние начальной концентрации на кинетику кристаллизации показано на рис. 7. С повышением С_o величина латентного периода резко сокращается, происходит более быстрый спад концентрации, в результате чего процесс кристаллизации заканчивается за меньший отрезок времени.

Движущей силой процесса кристаллизации является избыточное пересыщение (С_o-С_н), поэтому скорость кристаллизации будет увеличиваться пропорционально (С_o-С_н). Этот фактор необходимо использовать при получении помадных масс и регулировании их качества.

Рис. 8. Изменение концентрации раствора во времени при разных температурах

Значительное влияние на кинетику кристаллизации сахарозы оказывает температура. Если сахаро-паточный сироп уварен до постоянной концентрации С_о, а охлаждается в помадосбивальной машине при разных температурах, то кинетика кристаллизации будет выражаться следующими зависимостями С_о(τ) (рис. 8).

Рис. 9. Изменение концентрации раствора сахарозы во времени при 50°С и частоте перемешивания (в об/миy): 1 - 200; 2 - 400; 3 - 600; 4 - 800; 5 - 1000

С повышением температуры раствора число активных молекул возрастает в геометрической прогрессии, уменьшается работа образования центров новой фазы, снижается вязкость. Следовательно, скорость возникновения центров кристаллизации и их последующий рост должны возрастать. Как видно на рис. 8, с повышением температуры раствора продолжительность латентного периода сокращается, уменьшается наклон кинетических кривых С_о(τ), а процесс кристаллизации заканчивается при значительно больших равновесных концентрациях С_н.

Следовательно, чем выше температура помадного сиропа в машине при начальной концентрации С_o, тем быстрее образуются центры кристаллизации, больше скорость их роста. Увеличивается концентрация сахарозы в жидкой фазе и уменьшается содержание твердой фазы помады.
В технологии кондитерского производства перемешивание среды часто используют для интенсификации технологических процессов. С увеличением частоты перемешивания N ахарных сиропов происходит сдвиг кинетической кривой С(τ) в сторону сокращения латентного периода (рис. 9). Процесс кристаллизации заканчивается за меньший промежуток времени. Следовательно, перемешивание надо рассматривать как фактор, ускоряющий образование центров кристаллизации.

Этот вывод имеет практическое значение для получения помадных масс, так как их структура и качество во многом зависят от количества и размеров кристаллов сахарозы.
Значительное влияние на кинетику кристаллизации сахарозы оказывает вязкость растворов. Она зависит от степени пересыщения, температуры раствора, концентрации несахаров и их состава. Основными добавками в растворах сахарозы являются крахмальная патока и как ее заменитель - инвертный сироп. Помимо влияния на растворимость сахарозы составные части патоки и инвертного сиропа по-разному влияют на вязкость ее растворов, а следовательно, и на кристаллизацию сахарозы из этих растворов.
Влияние вязкости растворов на скорость образования центров новой фазы учитывается экспоненциальным членом ехр(-∆U/RT) в уравнении (26), а скорость роста кристаллов обратно пропорциональна вязкости [уравнение (30)].
Зависимость энергии активации ∆U от вязкости растворов показана в табл. 1.

Таблица 1. Значение вязкости и энергии активации для сахароглюкозных растворов при температуре 40...60°С

Состав раствора	Вязкость Па·с при Т (в ºК)					∆U, к∆ж/моль
Состав раствора	313	318	323	328	333	∆U, к∆ж/моль
Чистая сахароза, массовая доля 81,0%	-	1,67	1,20	0,80	0,55	63,69
5 г глюкозы/100 г сахарозы	3,46	2,15	1,44	0,96	0,66	71,56
10 г глюкозы/100 г сахарозы	4,20	2,50	1,67	1,14	0,76	76,97

Из табл. 1 видно, что при добавлении в раствор сахарозы небольших количеств глюкозы повышается вязкость раствора и энергия активизации вязкости. Энергию активизации необходимо связать с величиной и характером межмолекулярных сил. Величина ∆U зависит от концентрации и температуры раствора. Для растворов с разными С и Т энергию активизации вязкости можно определить по уравнению

∆U=R[dlnη/d(1/T)]. (37)

В присутствии глюкозы, мальтозы, крахмальной патоки, инвертного сиропа кинетика кристаллизации сахарозы значительно отличается от кинетики процесса в чистых растворах (рис. 10). Латентный период кристаллизации увеличивается, уменьшается наклон кривых С/С_н от τ.

При добавлении в раствор сахарозы крахмальной патоки уменьшается скорость образования и рост кристаллов. Компоненты патоки, видимо, снижают скорость обмена молекул сахарозы на границе зародыш-раствор за счет повышения энергии активизации вязкости. Возможна адсорбция молекул глюкозы или мальтозы на пиранозной части молекул сахарозы, что тормозит скорость их обмена с молекулами сахарозы, вошедшими в кристаллическую решетку зародыша, также повышается время релаксации процесса и снижается скорость образования центров кристаллизации.