蔗糖结晶基本原理

蔗糖结晶基本原理
	蔗糖的溶解度
	蔗糖溶液的过饱和度
	蔗糖的结晶速度

1、蔗糖的溶解度 蔗糖产品绝大部分是结晶体，是将糖液浓缩、使溶解的蔗糖结晶析出而形成。了解蔗糖的溶解度是科学地控制蔗糖结晶的基础。 蔗糖在水中的溶解度决定于温度以及并存的其他物质如还原糖、无机物等的数量。在不同温度下，纯蔗糖在纯水中的溶解度（g糖∕g水）、以及饱和蔗糖溶液的锤度如下表。 温度℃ 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 蔗糖溶解度 1.849 1.862 1.877 1.893 1.911 1.930 1.951 1.973 1.997 2.023 糖液锤度 64.90 65.06 65.24 65.43 65.64 65.87 66.11 66.37 66.63 66.92 温度℃ 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 蔗糖溶解度 2.050 2.079 2.109 2.141 2.175 2.210 2.248 2.286 2.327 2.370 糖液锤度 67.21 67.52 67.84 68.16 68.50 68.85 69.21 69.57 69.95 70.33 温度℃ 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 蔗糖溶解度 2.415 2.461 2.510 2.560 2.613 2.668 2.725 2.785 2.846 2.910 糖液锤度 70.71 71.11 71.51 71.91 72.32 72.74 73.16 73.58 74.00 74.43 温度℃ 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 蔗糖溶解度 2.977 3.046 3.118 3.193 3.270 3.350 3.434 3.520 3.609 3.702 糖液锤度 74.86 75.29 75.72 76.15 76.58 77.01 77.44 77.88 78.30 78.83 温度℃ 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 蔗糖溶解度 3.798 3.898 4.001 4.108 4.219 4.333 4.452 4.575 4.703 4.835 糖液锤度 79.16 79.58 80.00 80.42 80.84 81.25 81.66 82.06 82.46 82.86 溶液中并存还原糖时，蔗糖的溶解度显著降低（因为还原糖“占有”了部分水分子而减少了自由的水分子的数量）。在溶液中还原糖对水的比例分别为不同数值时，蔗糖在不同温度下的溶解度（g糖/g水）如下表： 转化糖：水 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 温度 40℃ 2.05 2.00 1.95 1.91 1.80 1.83 1.80 1.77 1.75 1.72 温度 45℃ 2.16 2.11 2.06 2.02 1.98 1.95 1.91 1.88 1.86 1.84 温度 50℃ 2.27 2.22 2.17 2.13 2.09 2.06 2.03 2.00 1.98 1.96 温度 55℃ 2.38 2.33 2.28 2.24 2.20 2.18 2.14 2.12 2.10 2.08 温度 60℃ 2.50 2.45 2.40 2.36 2.32 2.29 2.26 2.23 2.22 2.20 温度 65℃ 2.61 2.56 2.51 2.47 2.43 2.41 2.37 2.35 2.33 2.32 无机盐对蔗糖的溶解度也有影响。在溶液中分别存有不同数量的nacl、kcl、和cacl2（g无机盐/g水）时，蔗糖在70℃下的溶解度（g糖/g水）如下表: 无机盐：水 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 nacl 3.20 3.23 3.30 3.44 3.61 3.84 4.06 kcl 3.20 3.26 3.34 3.45 3.57 3.70 3.84 cacl2 3.20 2.95 2.86 2.86 2.95 3.08 3.27 甘蔗糖厂的不同纯度的糖液，蔗糖在不同温度下的溶解度（g糖/g水）如下表： 温度℃ 40 45 50 55 60 65 70 75 80 纯度100 2.384 2.500 2.627 2.768 2.926 3.105 3.307 3.535 3.796 95 2.338 2.432 2.559 2.708 2.871 3.049 3.247 3.476 3.754 90 2.295 2.413 2.538 2.677 2.835 3.016 3.222 3.456 3.717 85 2.287 2.419 2.544 2.678 2.833 3.015 3.226 3.466 3.728 80 2.320 2.447 2.580 2.722 2.880 3.060 3.272 3.525 3.833 75 2.388 2.506 2.655 2.817 2.986 3.170 3.389 3.675 4.073 70 2.478 2.605 2.779 2.967 3.159 3.365 3.617 3.968 4.494 65 2.581 2.746 2.949 3.168 3.400 3.664 3.998 4.500 5.250 60 2.700 2.912 3.140 3.396 3.702 4.084 4.575 5.200 6.000 糖厂的物料含有很多种复杂成分，它们对蔗糖的溶解度有不同影响。概括而言，还原糖降低蔗糖的溶解度，而无机物的影响相反，故“还原糖/灰分”比例是很重要的因素。这个比例较高的糖液，蔗糖的溶解度较低，比例较低时相反。这个比例对糖蜜的纯度有很大影响。 纯蔗糖在纯水中的溶解度（g糖/g水）通常以符号h0表示，而不纯糖液中蔗糖的溶解度通常以符号h1表示。甘蔗糖厂的不纯糖液，h1通常低于h0；而甜菜糖厂的不纯糖液，在纯度较高时h1亦低于h0，但在纯度较低时则h1常高于h0。h1对h0的比值（h1/h0）是一个很重要的数值，称为溶解度系数（亦称饱和因数），它反映了溶液中的非蔗糖份对蔗糖溶解度的影响。如果此值低于1，说明非蔗糖份降低了蔗糖的溶解度；此值偏离1越远，说明这种影响和变异越大。 甜菜糖厂的不纯糖液，在非糖份含量（g非糖份/g水）不同时的饱和因数如下表： 非糖份：水 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 40℃ 1.00 0.97 0.96 0.98 1.00 1.03 1.05 1.08 1.11 1.13 - 60℃ 1.00 0.98 0.97 0.97 0.99 1.02 1.05 1.09 1.12 1.16 1.19    80℃ 1.00 0.99 0.98 0.98 0.99 1.02 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 印尼爪哇早期测定的甘蔗糖液在非糖份含量（g非糖份∕g水）不同时的溶解度系数如下表： 非糖份：水 0 0.5 1.0 1.5 2.0 溶解度系数 1.0 0.97 0.92 0.86 0.80 甘蔗糖液的溶解度系数与它所含的还原糖对灰分的比例有密切关系，并与糖液纯度和温度有关。近期charles测定了两种糖液在不同纯度和温度下的溶解度系数，如图11-6。左图糖液的还原糖对灰分比例别为2.42，右图糖液的还原糖对灰分比例别为0.94。20世纪50年代，广东多个糖厂都曾测定过低纯度糖液的饱和因数，多数都在0.85～0.96范围内，随糖液成分而变化。            2、蔗糖溶液的过饱和度 某一含蔗糖的溶液，如果其中溶解的蔗糖量刚好等于它的溶解度，则称为饱和糖液；如果溶解的蔗糖量少于它的溶解度，则称为未饱和糖液；如果溶解的蔗糖量多于它的溶解度，则称为过饱和糖液。这些糖液中真正溶解蔗糖的数量（g糖∕g水）通常以符号h2表示。 对于纯蔗糖溶液，比例（h2∕h0）称为糖液的过饱和度。而对于不纯糖液，则过饱和度是比例（h2∕h1）。溶液的过饱和度等于1.0时为饱和溶液，高于1.0和低于1.0时则分别为过饱和溶液和未饱和溶液。 糖液的过饱和度对蔗糖的结晶有极大影响。当过饱和度高于1.0时，糖液中过量溶解的糖有从溶液中析出成为固相物质的倾向，能够析出沉积在已有的蔗糖晶体的表面上，而在过饱和度较高时能够析出成为新的微细晶体。这些变化及其速度都直接决定于过饱和度的具体数值。而煮糖结晶操作的最重要关键就是掌握和适当控制糖液的过饱和度。 由于蔗糖在不纯糖液中的溶解度h2受到温度和糖液成分的巨大影响，变化很复杂，测定也相当费时，因此很难在生产中应用。煮糖操作时对糖液过饱和度的判断和控制，过去主要是凭煮糖师的经验，后来逐渐应用各种仪器测定糖液的各种物理参数、如温度、黏度、电导值等，经过一定的转换计算，得到相应的数值作为参考依据。 在这些物理测量中，基础的方法是测定糖液的沸点上升。 蔗糖或其他物质的溶液，其沸点都高于水的沸点。升高的数值就称为沸点上升。沸点上升的数值随溶液浓度升高而增大，并与糖液的纯度有关。如果测出了某一糖液的实际沸点上升值，以及该种糖液在饱和时的沸点上升值，两者的比例即为该糖液的过饱和度： 糖液过饱和度＝该糖液的实际沸点上升∕该种糖液在饱和时的沸点上升 国外许多制糖专家都对糖液的沸点上升进行过测定，有大量的数据。但是由于影响因素很多，测定工作也很复杂，故测定结果常略有出入。表11-6示一组糖液在不同过饱和度和不同蒸汽温度下的沸点上升值。 水蒸汽温度 / ℃ 50 60 65 70 80 过饱和度0.8 3.27 4.06 4.56 5.15 6.71 过饱和度1.0 4.32 5.36 6.01 6.79 8.86 过饱和度1.2 5.39 6.68 7.48 8.44 10.98 过饱和度1.3 5.92 7.33 8.21 9.25 12.02 过饱和度1.4 6.46 7.98 8.93 10.05 13.03 在20世纪50年代，广东省制糖工业公司组织了一批制糖专家，综合了大量的研究实验数据，结合实际情况并考虑到便于应用，制成了计算糖液过饱和度的专用计算尺。其形状如下图： 此计算尺由定尺、滑尺和游标三部分组成，中间为滑尺，可以左右移动，将真空度的箭头对准当时的实际真空度，然后将透明的游标尺中间的垂直线对准滑尺上的糖膏实际温度，该垂直线在定尺上方与糖膏母液纯度的相交点处，显示的数值即为母液的过饱和度。 这种计算尺在50年代到90年代曾很广泛地在国内糖厂使用，对煮糖实际操作和培养煮糖技术人员起到良好的作用。由于各地糖厂的糖液的成分和性质有较大出入，影响到沸点上升的数值，故在不同地区应用时需要通过“测罐”、实际测定糖液的起晶点和溶晶点来进行校正，这是其不够完善之处。 广州轻工业设计院陈仲湖于1987年用电子计算机对糖液过饱和度计算尺所依据的糖液沸点上升的400多组数据，进行了深入的分析计算，推导出了糖液过饱和度与相关物理参数的函数方程式，如下： Y  = 0.7778 - 0.00662p + 0.0001286p2 + 0.00117pt - 0.00136ptv 式中：Y－－糖液过饱和度 p－－糖膏母液纯度 t－－沸腾中的糖膏母液的温度 ℃ tv－－结晶罐内的汽压所对应的水蒸气温度 ℃。 tv－－结晶罐内的汽压所对应的水蒸气温度 ℃。 经过复核，上述计算的过饱和度很好地符合原来的过饱和度计算尺的数据，相差多数不超过0.01，可以实际应用。 3、蔗糖的结晶速度 蔗糖的结晶速度是影响糖厂生产能力的重要因素。因此，人们对蔗糖的结晶速度及其与有关因素的关系、以及如何提高结晶速度进行了大量的研究工作。 蔗糖的结晶速度通常以晶体表面积每平方米每分钟增加的蔗糖量毫克(mg/m2.min)为单位计算。它主要随糖液的过饱和度、温度、粘度、纯度（糖液的成分、杂质的种类和数量）等因素而变，主要规律如下： 1、过饱和度：在一般的过饱和度下，随过饱和度升高，结晶速度迅速增大。 2、糖液纯度：高纯度下结晶速度较快，低纯度时的结晶速度慢很多。 3、温度：高温下的结晶速度较高。 4、粘度：粘度是随糖液浓度、纯度、温度而变的，它对结晶速度的影响和它们相关。 例如在75℃下，三种不同纯度（90、79、68）和不同过饱和度糖液的结晶速度和粘度（单位为厘泊）的数值如下表： 过饱和度 纯度90 纯度79 纯度68 结晶速度 粘度 结晶速度 粘度 结晶速度 粘度 1.03 220 143 50 252 13 960 1.06 620 160 130 266 35 1100 1.09 1260 180 280 296 62 1290 1.12 1790 194 500 345 90 1500 1.15 - - 710 396 117 1760 1.18 - - 780 443 142 1990 在过饱和度较高时，虽然糖液粘度升高（特别是低纯度糖液），但结晶速度仍然显著增大。 由这些数据可以推导出蔗糖结晶速度与糖液过饱和度之间的数学关系，如下： 纯度90：  结晶速度 ＝ 67600 × (过饱和度 -1）1.67 纯度79：  结晶速度 ＝ 16600 × (过饱和度 -1）1.69 纯度68：  结晶速度 ＝ 1340 × (过饱和度 -1）1.28 这些算式说明，结晶速度是（过饱和度－1）的指数函数。这是由于糖液的过饱和是推动蔗糖结晶过程的动力。 纯糖溶液在过饱和度1.06时，结晶速度为2410。和此对比，不同纯度糖液的结晶速度的百分比为： 糖液纯度 100 90 79 68 结晶速度对比％ 100 25.6 5.4 1.45 可见，纯度对结晶速度的影响非常巨大。这主要是因为在同样的过饱和度下，低纯度糖液的粘度要大好多倍。 温度对结晶速度的影响也很大。在90℃下，不同过饱和度和三种纯度（90、78、69）的糖液的结晶速度如下表： 过饱和度 1.03 1.06 1.09 1.12 1.15 1.18 1.21 1.24 1.27 1.30 纯度90 265 750 1920 - - - - - - - 纯度78 35 95 240 435 620 755 810 - - - 纯度69 9 22 36 52 71 99 134 192 248 269 在40℃下，不同过饱和度和四种纯度的糖液的结晶速度和粘度如下表： 过饱和度 纯度90 纯度80 纯度75 纯度65 结晶速度 粘度 结晶速度 粘度 结晶速度 粘度 结晶速度 粘度 1.10 360 290 120 560 70 850 17 2000 1.12 500 320 165 645 95 965 20 2200 1.15 730 360 240 780 125 1165 25 2550 1.18 975 400 310 920 160 1390 30 2900 1.21 1170 460 365 1090 196 1630 35 3400 蔗糖在低温下的结晶速度相当低，故糖膏的助晶需要较长时间。 以上的结晶速度是指原有晶体的长大，它通常随糖液过饱和度升高而增大。但要注意，过饱和度过高时会析出新的晶体。 物料适度运动可以显著提高蔗糖的结晶速度。因为它加速了蔗糖分子的扩散和对流，促进了晶体表面液膜的更新。因此，煮糖罐有良好的对流是非常重要的。