На кинетику кристаллизации сахарозы оказывают влияние различные факторы: концентрация раствора, температура, частота перемешивания, вязкость и др.
Вязкость растворов сахарозы зависит от степени пересыщения, температуры, концентрации несахаров и их состава. В кондитерской промышленности в качестве основных добавок к сахарозе используют крахмальную патоку и как ее заменитель - инвертныи сахар. Последний неизбежно накапливается в том или ином количестве при нагревании растворов сахарозы, особенно в кислой среде, в результате инверсии сахарозы. Помимо влияния на растворимость сахарозы, составные части патоки и инвертного сахара по-разному влияют на вязкость ее растворов, а следовательно и на кристаллизацию сахарозы из этих растворов.
Влияние вязкости раствора на образование центров кристаллизации учитывается первым экспоненциальным членом в уравнении (2-17). Величина энергии активации ΔU связана с вязкостью раствора уравнением Френкеля
(2-29)
где ƞ - вязкость раствора;
ψ - постоянный коэффициент.
Влияние глюкозы, добавленной в растворы сахарозы при температурах 40-60°С, на изменение вязкости и энергии активации вязкости показано в табл. 9.
Таблица 9
Состав раствора | Вязкость (в Па•с) при температуре. °С | ΔU, кДж/моль | ||||
40 | 45 | 50 | 55 | 60 | ||
Чистая сахароза, С0=81,0% | - | 1,67 | 1,20 | 0,80 | 0,55 | 63,69 |
5г глюкозы/100 г сахарозы | 3,46 | 2,15 | 1,44 | 0,96 | 0,66 | 71,56 |
10г глюкозы/100 г сахарозы | 4,20 | 2,50 | 1,67 | 1,14 | 0,76 | 76,97 |
Из табл. 9 видно, что при добавлении в раствор сахарозы небольших количеств глюкозы повышается вязкость раствора и энергия активации вязкости. Хотя физический смысл ΔU при кристаллизации нельзя считать вполне выясненным, величину энергии активации естественно связывать с величиной и характером межмолекулярных сил.
По уравнению (2-29) мы должны были получить линейную зависимость 1nƞ от l/T, однако для сахарных и сахаро-глюкозных растворов она представляет собой кривую, выгнутую к оси абсцисс. С концентрацией раствора изменяется наклон кривых 1nƞ=f(l/T). Следовательно, ΔU зависит от концентрации и температуры раствора. Для растворов с разными С и Т энергию активации вязкости можно определить по уравнению
(2-30)
В присутствии глюкозы, мальтозы, крахмальной патоки, инвертного сахара кинетика кристаллизации сахара значительно отличается от кинетики процесса в чистых растворах. Латентный период кристаллизации увеличивается, кривые а(τ) растягиваются, наклон их к оси абсцисс уменьшается с повышением дозировки указанных веществ.
Установлено, что скорость образования центров кристаллизации сахарозы в присутствии 5 г мальтозы и 10 г глюкозы практически одинакова, т. е. зависит от эквимолекулярных соотношений этих компонентов.
Найдены значения всех слагаемых в уравнении (2-17): ln I = ln ψ2 - τр/τ - B/ln2 С/С∞ - ΔU/RT.
Для раствора чистой сахарозы соотношение (2-31) и сахаро-глюкозного раствора соотношение (2-32) при максимальном значении скорости I (ϴ)max и пересыщении раствора С/С∞ = 1,067:
16,63 = 54,29 - 1,63 - 8,90 - 27,14 (2-31)
16,51 = 63,08 - 5,87- 11,98 - 28,73 (2-32)
Сравнивая эти выражения, видим, что при добавлении глюкозы в раствор сахарозы меняются все кинетические параметры кристаллизации. Больше других меняется величина ψ2, затем τр/τ, B/ln2 С/С∞. Меньше всего меняется отношение ΔU/RT, значит, вязкость раствора сахарозы, увеличивающаяся в результате добавки глюкозы, не играет главной роли в уменьшении скорости возникновения центров кристаллизации. Скорость процесса уменьшается в основном за счет увеличения времени релаксации и межфазной поверхностной энергии, входящей в выражение работы образования центра новой фазы.
При добавлении в растворы сахарозы небольших количеств патоки уменьшается скорость образования и роста кристаллов. Компоненты патоки снижают скорость обмена молекул сахарозы на границе зародыш-раствор путем повышения энергии активации молекул. Возможна адсорбция глюкозы или мальтозы на пиранозной части молекул сахарозы, что тормозит скорость их обмена с молекулами сахарозы, вошедшими в кристаллическую решетку зародыша, что должно также повышать время релаксации и снижать скорость образования центров кристаллизации.