翁賢芬

(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

木糖醇介穩(wěn)區(qū)寬度與晶體生長(zhǎng)速率測(cè)定

翁賢芬

(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

用激光散射法測(cè)定純木糖醇水溶液和含有山梨醇和葡萄糖雜質(zhì)的木糖醇水溶液的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度；在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)測(cè)得不同結(jié)晶溫度下純木糖醇溶液中過飽和度對(duì)晶體生長(zhǎng)速率的影響，同時(shí)研究雜質(zhì)的添加對(duì)木糖醇結(jié)晶生長(zhǎng)速率的影響。結(jié)果表明：相同結(jié)晶溫度下，生長(zhǎng)速率隨過飽和度的增大而增大；在相同結(jié)晶溫度和過飽和度下，木糖醇水溶液中分別加入山梨醇和葡萄糖雜質(zhì)導(dǎo)致生長(zhǎng)速率下降，并隨雜質(zhì)含量的增大而下降，山梨醇對(duì)晶體生長(zhǎng)的抑制作用比葡萄糖更明顯。

木糖醇；結(jié)晶；介穩(wěn)區(qū)；晶體生長(zhǎng)速率

木糖醇是理想的代糖品，也是理想的能量補(bǔ)給劑，還具有防齲齒和延長(zhǎng)食物保質(zhì)期的作用，因此在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，同時(shí)還可以應(yīng)用于醫(yī)藥和化工領(lǐng)域。由于其優(yōu)質(zhì)的性能和用途的多樣性，市場(chǎng)對(duì)木糖醇的需求逐年擴(kuò)大[1-5]。

木糖醇的生產(chǎn)多從農(nóng)業(yè)廢棄物如稻草、蔗渣、玉米芯等中提取木糖，然后由木糖來(lái)制取木糖醇溶液，再將木糖醇溶液蒸發(fā)濃縮，結(jié)晶出產(chǎn)品[6]。木糖醇的生產(chǎn)中，結(jié)晶是重要工序，制備得到粒度均勻、流動(dòng)性好的產(chǎn)品，是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。晶體的生長(zhǎng)是以過飽和度為推動(dòng)力，晶體生長(zhǎng)速率是工業(yè)結(jié)晶過程和結(jié)晶器設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，木糖醇晶體生長(zhǎng)速率對(duì)木糖醇生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)有較大的影響，為此測(cè)定了木糖醇水溶液在一定條件下的介穩(wěn)區(qū)寬度和晶體生長(zhǎng)速率，對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)晶過程和結(jié)晶器的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了純木糖醇水溶液結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度，在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)配制不同過飽和度下的水溶液，加入晶種結(jié)晶，測(cè)定晶體生長(zhǎng)速率。由生物法制得的木糖醇水溶液，雜質(zhì)成分復(fù)雜，對(duì)晶體的晶習(xí)如成核、介穩(wěn)區(qū)、晶體生長(zhǎng)、晶型等有極大地影響，而不同的雜質(zhì)影響不同，本實(shí)驗(yàn)選取山梨醇和葡萄糖兩種木糖醇溶液中常見雜質(zhì)來(lái)討論其對(duì)介穩(wěn)區(qū)和生長(zhǎng)速率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

木糖醇(食品級(jí)) 保定市華寶化工有限公司；山梨醇(分析純) 成都科龍化工試劑廠；無(wú)水葡萄糖(化學(xué)純)曹陽(yáng)第二中學(xué)化工廠；無(wú)水乙醇(分析純) 重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠。

CS501電熱恒溫水浴(±0.1℃) 常州諾基儀器有限公司；MP5002電子天平(±0.0001g) 上海恒平科學(xué)儀器有限公司；JHS-1恒速攪拌器 杭州儀表電機(jī)有限公司；帶夾套的結(jié)晶器 自制。

1.2 方法

將木糖醇溶解后重結(jié)晶，去除雜質(zhì)，重結(jié)晶的木糖醇產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)中木糖醇溶液配制所用，并在結(jié)晶出的產(chǎn)品中選取晶型完整的晶體作為實(shí)驗(yàn)所用晶種。

1.2.1 木糖醇溶解度與介穩(wěn)區(qū)寬度的測(cè)定

采用激光散射法來(lái)檢測(cè)晶體溶解和清液中首批晶核的出現(xiàn)[7-8]。首先，在結(jié)晶器裝置中加入一定質(zhì)量的去離子水和木糖醇晶體，并使木糖醇略過量，有少量的晶體懸浮，固定攪拌速率200r/min，以1℃/h的速度緩慢升溫，激光光束穿過溶液，信號(hào)接收器接收并轉(zhuǎn)化為數(shù)字顯示。實(shí)驗(yàn)開始階段，由于有未溶晶體的影響，信號(hào)接收器的讀數(shù)隨著系統(tǒng)溫度的緩慢上升而漸漸增大，當(dāng)讀數(shù)達(dá)到最大時(shí)，記錄此時(shí)體系的溫度，即為預(yù)加木糖醇溶液的飽和溫度。將該溶液繼續(xù)升溫5℃，然后以自然降溫方式對(duì)溶液進(jìn)行緩慢降溫，當(dāng)溶液中出現(xiàn)首批晶核，激光穿透溶液的強(qiáng)度受到影響，接收器的讀數(shù)驟降，說明溶液中有成核出現(xiàn)，此時(shí)溶液溫度與飽和溫度之差即為以過冷度表示的介穩(wěn)區(qū)寬度。

1.2.2 生長(zhǎng)速率的測(cè)定

將結(jié)晶器中的木糖醇飽和溶液在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)降溫至結(jié)晶溫度時(shí)，加入事前測(cè)過粒徑及稱質(zhì)量的一粒晶種加入進(jìn)飽和溶液中，使其生長(zhǎng)一定時(shí)間后取出，用無(wú)水乙醇洗滌、干燥后稱質(zhì)量，計(jì)算晶體生長(zhǎng)速率[8-9]。晶體的線性生長(zhǎng)速率G為：

式中：G為晶體線性生長(zhǎng)速率/(m/s)；Ls為晶種的粒度/m；τ為生長(zhǎng)時(shí)間/s；ms為晶種的質(zhì)量/g；m為晶體的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖醇溶液介穩(wěn)區(qū)寬度

2.1.1 純木糖醇溶液介穩(wěn)區(qū)寬度

圖1 純木糖醇水溶液結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)寬度與溶液飽和溫度的關(guān)系Fig.1 Effect of saturation temperature on metastable zone width in xylitol solution

由圖1可知，木糖醇溶液介穩(wěn)區(qū)寬度ΔT隨飽和溶液溫度的升高而下降，其回歸方程為：

ΔT=0.0021T2－0.3943T+25.029(R2=0.9953)。

2.1.2 山梨醇對(duì)溶液介穩(wěn)區(qū)寬度的影響

生物法制得的木糖醇溶液中含有一定的山梨醇，為了解山梨醇對(duì)介穩(wěn)區(qū)的影響，向木糖醇溶液中添加不同量的山梨醇，結(jié)果見圖2。添加了山梨醇的木糖醇溶液介穩(wěn)區(qū)隨飽和溫度的升高而降低，并隨著山梨醇的加入量增加而增大。

圖2 山梨醇添加量對(duì)木糖醇介穩(wěn)區(qū)寬度的影響Fig.2 Effect of sorbitol addition on metastable zone width in xylitol solution

2.1.3 葡萄糖對(duì)溶液介穩(wěn)區(qū)寬度的影響

圖3 葡萄糖添加量對(duì)木糖醇介穩(wěn)區(qū)寬度的影響Fig.3 Effect of glucose addition on metastable zone width in xylitol solution

葡萄糖也是木糖醇溶液中常見雜質(zhì)，其含量對(duì)溶液介穩(wěn)區(qū)的寬度影響見圖3。葡萄糖的加入木糖醇溶液介穩(wěn)區(qū)加寬，并隨著山梨醇的加入量增加而增大。對(duì)比圖2、3可知，山梨醇和葡萄糖的添加都可增大木糖醇介穩(wěn)區(qū)寬度，在工業(yè)結(jié)晶條件下溶液中的晶體更不容易析出。

2.2 木糖醇晶體生長(zhǎng)速率

2.2.1 純水溶液中過飽和度對(duì)晶體生長(zhǎng)速率影響

表1 不同結(jié)晶溫度和過飽和度下木糖醇的生長(zhǎng)速率Table1 Effect of crystallization temperature and super saturation on crystal growth rate 10-6m/s

由表1可知，在相同的結(jié)晶溫度下，晶體生長(zhǎng)速率隨過飽和度的升高而增大，在相同的過飽和度下，晶體生長(zhǎng)速率隨結(jié)晶溫度的升高而減小。說明木糖醇在較高過飽和度及較低溫度下結(jié)晶對(duì)晶體生長(zhǎng)有利。生長(zhǎng)速率G與過飽和度ΔT的關(guān)系回歸方程為：

2.2.2 雜質(zhì)和過飽和度對(duì)晶體生長(zhǎng)速率的影響

測(cè)定了30℃結(jié)晶時(shí)山梨醇、葡萄糖對(duì)生長(zhǎng)速率的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同過飽和度和不同雜質(zhì)添加量下的生長(zhǎng)速率Table2 Effect of super saturation and impurities addition on crystal growth rate 10-6m/s

由表2可知，相同溫度和過飽和度下結(jié)晶，添加有山梨醇或葡萄糖的木糖醇水溶液中晶體生長(zhǎng)速率都低于純木糖醇水溶液中的生長(zhǎng)速率，并且在相同結(jié)晶條件下生長(zhǎng)速率隨雜質(zhì)含量的增大而減小，這說明山梨醇和葡萄糖這兩種雜質(zhì)都不利于晶體生長(zhǎng)，在相同的雜質(zhì)含量情況下，山梨醇的抑制作用比葡萄糖更明顯。

3 結(jié) 論

3.1 木糖醇水溶液的介穩(wěn)區(qū)寬度隨飽和溶液溫度升高而下降，其回歸方程為：ΔT=0.0021T2－0.3943T+25.029(R2=0.9953)。

3.2 山梨醇和葡萄糖的添加都可增加木糖醇介穩(wěn)區(qū)寬度。

3.3 在相同結(jié)晶溫度下，木糖醇水溶液中晶體生長(zhǎng)速率G隨過飽和度ΔT的增大而增大，在相同過飽和度下，生長(zhǎng)速率隨結(jié)晶溫度升高而減小。其回歸方程為：20℃結(jié)晶：G=0.0538ΔT－0.1366ΔT+1.3016(R2=0.9941)；30℃結(jié)晶：G=0.0071ΔT+0.1121ΔT+0.2538(R2=0.991)；40℃結(jié)晶：G=－0.0074ΔT+0.2674ΔT－0.1434(R2=0.987)。

3.4 結(jié)晶條件相同情況下，溶液中含有雜質(zhì)山梨醇或葡萄糖降低了木糖醇生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)速率隨雜質(zhì)含量的增大而減小，山梨醇對(duì)晶體生長(zhǎng)的抑制作用大于葡萄糖。

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Determination of Crystallization Metastable Zone Width and Crystal Growth Rate of Xylitol

WENG Xian-fen
(College of Materials and Chemical Engineering, Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000, China)

The crystallization metastable zone width of pure xylitol solution and xylitol solution containing sorbitol or glucose was determined by laser light scattering method. The effects of super saturation and additives on crystal growth rate at different crystallization temperatures were studied. The results showed that crystal growth rate decreased with the increase of super saturation; the presence of sorbitol and glucose as undesired substances led to slower growth rate. Sorbitol had more obvious inhibitory effect on crystal growth as compared to glucose.

xrlitol；crystallization；metastable zone；crystal growth rate

Q946.49

A

1002-6630(2011)03-0033-03

2010-03-17

翁賢芬(1973—)，女，講師，碩士，研究方向?yàn)楣I(yè)結(jié)晶與化學(xué)工程。E-mail：wengxf@suse.edu.cn