ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЯ
Кристаллизация лактозы: технология, оборудование и практические решения от Протемол
Кристаллизацией лактозы называется процесс перехода лактозы, содержащейся в молочном сырье, при охлаждении и пересыщении ее раствора из растворенного состояния в твердое – кристаллическое. Кристаллизацию лактозы, как самостоятельный и аппаратурно оформленный технологический этап, в молочном сырье и молочных продуктах рекомендуется осуществлять при производстве сухой молочной сыворотки и сухого ультрафильтрационного пермеата, при производстве же сгущенного молока и молочного сахара кристаллизация лактозы является необходимой операцией.
Лактоза растворяется в воде в виде истинного раствора. Благодаря своей химической природе лактоза имеет несколько изомерных форм, основными из которых являются α (альфа)- и β (бета)-, при этом в равновесном состоянии в растворе находиться примерно 40 % α- и 60% β-формы (равновесие 40-60).
Свойства α- и β- форм лактозы не одинаковы. α-форма лактозы имеет меньшую растворимость, в перенасыщенном растворе начинает кристаллизоваться раньше β-формы и образует кристаллы в виде усеченной пирамиды. α-лактоза кристаллизуется преимущественно в виде гидратной формы, так называемого альфа-монокристаллогидрата лактозы, при этом до 5% химически связанной влаги уже удерживается в структуре кристалла. Благодаря этому α-гидратная форма лактозы не впитывает влагу из воздуха - имеет низкую гигроскопичность.
β-формы лактозы кристаллизуется преимущественно в виде ангидрита, кристаллы β-ангидрита имеют форму параллелепипедов. β-лактоза обладает лучшей растворимостью, но большей гигроскопичностью по сравнению с α-лактозой.
Если насыщенный раствор лактозы подвергнуть быстрому обезвоживанию (сушке) без предварительной кристаллизации, тогда образуется сухая лактоза в аморфной, или не кристаллической, форме, содержащей и α- и β-формы в виде ангидритов в исходных пропорциях (40-60). Аморфная лактоза при высушивании плохо отдает влагу, а при нагревании и длительном температурном воздействии проявляет свойство термопластичности – начинает спекаться, что создает большие трудности, например, при сушке сыворотки, а также обладает самой высокой способностью впитывать влагу из воздуха, так как не имеет пространственной кристаллической структуры и содержит большое количество лактозы в α- и β- ангидритной формах.
Рисунок 1. Кристаллы α- и β- формы лактозы и аморфная лактоза.
Растворимость лактозы зависит от температуры и при 60 °С составляет 58,7 кг/кг воды (58,7 %-й насыщенный раствор), а при 20 °С – 19,2 кг/кг (19,2 %-й насыщенный раствор), поэтому при охлаждении насыщенных растворов лактоза начинает кристаллизоваться. При медленном охлаждении α-лактоза начинает кристаллизоваться быстрее β-лактозы за счет более низкой растворимости, поэтому в растворе нарушается равновесие (40-60) между α- и β- формами, и β-форма начинает переходить в α-форму. Таким образом, в результате медленного охлаждения можно добиться перехода β-формы в α-форму и кристаллизации лактозы в виде α-монокристаллогидрата.
Кристаллизация лактозы протекает во времени и начинается с образования центров кристаллизации и первичных кристаллов – «зародышей», затем происходят процессы роста, коагуляции и агрегации кристаллов. На более поздних этапах, например, в процессе длительного хранения сырья и готовых продуктов, может происходить перекристаллизация лактозы, когда кристаллы небольших размеров растворяются, а крупные кристаллы прирастают. На протекание кристаллизации влияют скорость охлаждения сырья, интенсивность его перемешивания и механического воздействия на него, наличие или намеренное внесение частиц твердой фазы, которые могут выступить в роли центров кристаллизации и сильно повлиять на первую фазу кристаллизации – «зародышеобразование».
Особенности кристаллизации лактозы в молочных продуктах
В молочном сырье и большинстве молочных продуктов содержание лактозы в водной фазе составляет от 3 (сливки) до 9 % (смеси для мороженого), поэтому проблем с растворимостью не возникает. Иначе дело обстоит со сгущенным молочным сырьем.
В сгущенном молоке с сахаром концентрация лактозы в водной фазе составляет 44%, поэтому после охлаждения продукта ниже (35-37)°С раствор становится пересыщенным и лактоза начинает кристаллизоваться. Крупные кристаллы лактозы (более 11 мкм) ощущаются при органолептической оценке, данный порок называется «песчанистая» консистенция. Чтобы избежать появление данного порока, в сгущенном молоке с сахаром осуществляют операцию кристаллизации лактозы, целью которой является формирование как можно большего количества кристаллов небольшого размера (до 400 тысяч в 1 мм3 размером до 11 мкм). Для этого при охлаждении готового продукта при температуре начала перенасыщения раствора лактозы (35-37) °С в него вносят заранее приготовленный мелкокристаллический порошок лактозы, так называемую «затравку». Кристаллы «затравки» являются по существу центрами кристаллизации. Однако энергетически лактозе легче кристаллизоваться на уже образовавшемся зародыше, обуславливая рост кристалла, поэтому, если не вносить затравку, кристаллы получаются крупными – до 25 мкм и выше, их количество может составлять всего несколько десятков тысяч, а сгущенное молоко с сахаром при этом имеет сильно выраженную «песчанистую» консистенцию. Вносимый мелкокристаллический порошок лактозы позволяет в точке перенасыщения образовать множество центров кристаллизации, поэтому в процессе дальнейшего охлаждения образуется большое количество мелких кристаллов. Также факторами зарождения большего количества центров кристаллизации и роста кристаллов являются – перемешивание (в точке перенасыщения осуществляется в течение 40-60 минут) и скорость охлаждения. Следующее за перемешиванием быстрое охлаждение способствует сильному перенасыщению раствора, при этом замедляются процессы агрегации, коагуляции и перекристаллизации, которые лучше протекают при более высоких температурах, при медленном охлаждении.
При производстве молочного сахара кристаллизация лактозы происходит при охлаждении в специальных емкостях – кристаллизаторах очищенной сгущенной сыворотки от температуры около 60 до (10-15) °С в течение 15 – 48 часов при постоянном или периодическом перемешивании. При этом достигается максимальная степень кристаллизации лактозы и наименьшие потери лактозы с межкристаллической жидкостью – мелассой, а значит, максимальный выход готового продукта. Кристаллы лактозы достигают размеров 11-12 мм, лактоза кристаллизуется в виде α-гидратной формы и в дальнейшем хорошо обезвоживается, дробится и сушится. «Затравка» во время кристаллизации при производстве молочного сахара не вносится, так как необходимо получить как можно более крупные кристаллы.
В сгущенном молочном сырье (молочной сыворотке и ультрафильтрационном пермеате), выходящем с большинства известных вакуум-выпарных установок как циркуляционного, так и пленочного типа, при температуре (45-65) °С и концентрацией сухих веществ (46-60) %, концентрация лактозы в водной фазе может достигать 75%, поэтому при охлаждении сгущенного сырья процесс кристаллизации лактозы начинается очень активно, что приводит зачастую к седиментации (выпадению в осадок) кристаллов лактозы. По этой причине процесс кристаллизации лактозы в сгущенном молочном сырье при производстве сухих молочных продуктов имеет большое техническое и технологическое значение: оказывает влияние на энергопотребление, производительность и физический износ оборудования, качество готового сухого продукта и изменение его в процессе хранения.
Рисунок 2. Выпадение кристаллов лактозы в осадок (седиментация).
Практически установлено, что оптимальные физико-химические свойства сгущенного молочного сырья и технико-технологические параметры процесса его высушивания обеспечиваются при достижении степени кристаллизации лактозы (70±5) %, оптимальный размер кристаллов лактозы составляет от 30 до 70 мкм.
Как уже упоминалось, лактоза в готовом продукте, высушенном из сырья без осуществления кристаллизации, или при ее недостаточной степени, находится преимущественно в растворенном состоянии и после высушивания принимает так называемую аморфную форму, которую можно охарактеризовать как термопластичную и гигроскопичную. Это означает что аморфная лактоза, а значит и продукты, ее содержащие, могут спекаться под действием температуры, что создает проблемы при высушивании в виде отложений на поверхности оборудования, в результате чего ухудшается теплообмен и образуется пригар. Готовые сухие продукты содержащие большое количество аморфной лактозы легко впитывают влагу из окружающей среды, что приводит к слеживанию и комкованию частиц продукта, что негативно сказывается на его растворимости и хранимоспособности.
Кристаллизованная лактоза, благодаря своим свойствам, уже содержит связанную влагу, кристаллы не спекаются при сушке, поэтому кристаллизованная лактоза легче высушивается с наименьшими затратами тепла, кристаллическая фаза придает сухим продуктам рассыпчатую консистенцию, кристаллы не впитывают влагу из окружающей среды, благодаря чему долгое время продукты при хранении не слеживаются и сохраняют высокую растворимость, кроме того, за счет удержания связанной влаги в некоторой степени повышается выход готового сухого продукта.
Размер кристаллов лактозы, как и в целом размер частиц готового сухого продукта, влияет на его выход и свойство растворимости. Мелкая фракция кристаллов менее 30 мкм после высушивания подвержена уносу с отработанным воздухом, что увеличивает производственные потери. Имея невысокую массу, частицы размером до 30 мкм обладают невысокой погружаемостью в растворитель, а значит, находясь в продукте, заметно снижают его общую растворимость и способность к восстановлению. Тем временем слишком крупные кристаллы лактозы свыше 70 мкм обуславливают повышенную вязкость сгущенного молочного сырья, что физически затрудняет его перекачивание, распыление и высушивание, а кристаллы свыше 100 мкм создают заметную абразивность, что приводит к физическому износу технологического оборудования: клапанов, насосов и распылительных дисков.
Способы кристаллизации и их характеристика
Технологически процесс кристаллизации лактозы в сгущенном молочном сырье осуществляется в две основные стадии. Охлаждение до температуры (31-37) °С осуществляется сразу после выхода сгущенного сырья с вакуум-выпарной установки. Для этого могут использоваться теплообменники различной конструкции, вакуумные охладители с распыливающими устройствами или охлаждение может быть осуществлено непосредственно в емкости для кристаллизации. Скорость охлаждения на данном этапе не оказывает существенного влияния на процесс кристаллизации, так как целью этапа является достижение точки пересыщения раствора лактозы и начала первой стадии кристаллизации – образования центров кристаллизации и «зародышей» кристаллов.
После достижения температуры охлаждения в конце первого этапа в сгущенное молочное сырье в некоторых способах кристаллизации вносится мелкокристаллический порошок лактозы, называемый «затравкой». Мелкие кристаллы лактозы выступают в качестве «зародышей» кристаллов, тем самым обуславливая образование большего количества однородных кристаллов необходимого размера. Известны способы, когда «затравка» вносится в сгущенное сырье в виде суспензии мелкокристаллической лактозы в растительном масле. Так же известны способы дробного внесения «затравки», когда определенная часть вносится после охлаждения сгущенного сырья до заданной температуры первого этапа, а оставшаяся часть после охлаждения до конечной температуры второго этапа.
Недостатками способов с внесением мелкокристаллического порошка лактозы или его суспензии являются необходимость дополнительных затрат непосредственно на его приобретение и приобретение растительных жиров соответствующего качества, дополнительные затраты ручного труда и электроэнергии на необходимое прокаливание порошка в сушильных шкафах, подготовку суспензии и внесение; или приобретение и обслуживание специальных диспергирующих и дозирующих устройств. Недостатками данных способов могут так же являться неравномерность распределения «затравки» по объему сгущенного сырья и высокая вероятность повторного микробиологического обсеменения сырья при контакте с человеком и окружающей средой.
Известны способы кристаллизации без внесения в сгущенное молочное сырье «затравки», однако это приводит к неравномерному росту кристаллов, образованию крупных кристаллов размером от 100 до 300 мкм, что повышает абразивность сгущенного молочного сырья и вызывает физический износ оборудования, в первую очередь клапанов, насосов и дорогостоящих распылительных дисков.
Скорость и конечная температура охлаждения на втором этапе важны для достижения требуемой степени кристаллизации растворенной лактозы и получения однородной структуры кристаллов лактозы требуемого оптимального размера. Обычно скорость охлаждения составляет (1,5-3) °С, при этом время охлаждения до конечной температуры (15-24) °С устанавливается в диапазоне от 4 до 10 часов, а в некоторых случаях, в зависимости от свойств сгущенного молочного сырья и получаемых готовых продуктов, от 12 часов и более. Во время второго этапа сгущенное молочное сырье, имеющее достаточно высокую вязкость и плотность, подвергается постоянному или периодическому перемешиванию для исключения возможной седиментации (выпадению в осадок) кристаллов лактозы.
В большинстве случаев для второго этапа процесса кристаллизации используются технически и конструктивно сложные емкостные аппараты – кристаллизаторы, имеющие теплоизоляцию с кожухом, теплообменные рубашки, мешалки сложной геометрии и повышенной мощности, что является существенным недостатком данного способа, кроме этого, необходимость проведения кристаллизации в течение довольно длительного времени обуславливает низкую оборачиваемость данных аппаратов в течение производственного цикла, а значит, необходимость наличия их на производстве в достаточном для обеспечения требуемого объема переработки молочного сырья и производительности другого оборудования линии количестве.
Известен способ кристаллизации в вакуумных охладителях, недостатком которого является толстостенная конструкция данных аппаратов, дорогие системы вакуумирования, с помощью вакуумных насосов или паровых эжекторов, являющихся еще и крайне требовательными в потреблении технических сред и эксплуатации.
Известны способы проведения кристаллизации в пластинчатых теплообменных аппаратах, а также в аппаратах с подачей и осуществлением движения сырья с помощью шнека, однако скорость и время охлаждения в таких аппаратах не удовлетворяют теоретическим и практическим данным по процессу кристаллизации молочного сахара, что говорит о том, что требуемая степень кристаллизации и размеры кристаллов лактозы в аппаратах данного типа на момент окончания процесса не достигается (Червецов В.В., Гнездилова А.И. Интенсификация процессов кристаллизации при производстве молочных продуктов. М.: Типография Россельхозакадемии, 2011, - 196 с.).
В работах Кирсанова В.В., Бредихина А.С., Бредихина С.А., Червецова В.В., Гнездиловой А.И. исследуются процессы кристаллизации лактозы в сгущенном молоке с сахаром и сгущенной молочной сыворотке. В «Интенсификации процессов кристаллизации при производстве молочных продуктов» (Червецов В.В., Гнездилова А.И.) предложен поточный метод кристаллизации лактозы на двухступенчатом скребковом охладителе пластинчатого типа с дестабилизатором (дисковым обработником) для интенсивного механического воздействия и перемешивания между первой и второй ступенями охлаждения. Здесь же, перед интенсивным перемешиванием обработником, осуществляется и дозирование «затравки» в виде уже прошедшей кристаллизацию сыворотки в количества 5% от объема. Отмечается что поточная кристаллизация обеспечивает однородный размер образующихся кристаллов, максимально возможный переход лактозы в кристаллическое состояние, что обеспечивает поточность технологии производства сухой сыворотки, повышает качество готового продукта.
В работах Бредихина С.А. показано, что кристаллизация лактозы в двухступенчатом пластинчатом скребковом аппарате достаточно эффективно идет и без внесения «затравки», что обусловлено образованием большого количества центров кристаллизации в результате интенсивного механического воздействия дестабилизатором между стадиями охлаждения.
Компания «Протемол» предлагает оборудование, реализующее способ кристаллизации лактозы, заключающийся в быстром охлаждении молочного сырья после сгущения на вакуум-выпарной установке, на пластинчатом скребковом охладителе ниже температуры перенасыщения раствора лактозы, при этом между двумя стадиями охлаждения на сырье оказывается интенсивное воздействие в дестабилизаторе, высокоскоростная мешалка которого создает кавитации в проходящем через него сырье. Кавитации являются фактором формирования большого количества центров кристаллизации и так называемых «зародышей», что в конечном итоге приводит к формированию большого количества однородных по размерам кристаллов.
Проведенные компанией исследования показали, что при данном способе кристаллизации лактозы процесс формирования достаточного количества кристаллической фазы завершается уже в течение двух-трех часов при перемешивании в обычной емкости. Это позволяет сократить длительность технологического цикла, повысить оборачиваемость промежуточных емкостей – кристаллизаторов, снизить абразивное действие кристаллической фазы на технологическое оборудования, улучшить условия сушки и повысить энергоэффективность процесса, обеспечить высокие растворимость хранимоспособность и микробиологические показатели готового сухого продукта. Результаты данных опытов, выводы и предложения специалистов компании «Протемол» рассмотрим в следующей статье, в №3, 2026.
Компания «Протемол» осуществляет производство, монтаж и пуск в эксплуатацию вакуум-выпарных и сушильных установок, участков поточной и емкостной кристаллизации лактозы самого современного дизайна. На ряд технических и технологических решений в сфере сгущения, кристаллизации и сушки молочного сырья компания владеет патентами РФ № 2803546, № 2814720, №2848313 и № 229677.
