食品技術(shù)原理

1、食品技術(shù)原理1第一節(jié) 物理與機(jī)械分離-結(jié)晶一、結(jié)晶的基本概念1、結(jié)晶定義：凡是從勻相中形成固體顆粒者，統(tǒng)稱為結(jié)晶 結(jié)晶是制備純品的有效方法，由于晶體外觀好，易于被消費(fèi)者喜愛，一般生產(chǎn)中常以結(jié)晶作為最后一步的精制操作。比如在食品配料和添加劑都是通過結(jié)晶獲得的。如葡萄糖酸，蔗糖、谷氨酸鈉等。22、結(jié)晶的過程：結(jié)晶是指從均勻相中形成固體顆粒的過程。主要有以下過程：由蒸氣轉(zhuǎn)化變成固體液體熔化物的凝固液體溶液結(jié)晶的過程本章主要討論從水溶液中結(jié)晶出所需產(chǎn)品的結(jié)晶過程。因此，結(jié)晶屬于物理分離手段。3(1)工業(yè)結(jié)晶過程從水溶液中結(jié)晶以獲得固體產(chǎn)品；從稀溶液中由水的凍結(jié)以濃縮溶質(zhì)，即冷凍濃縮；控制結(jié)晶操作以獲得

2、某些流變學(xué)特性。 本章主要討論從水溶液中結(jié)晶出所需產(chǎn)品的結(jié)晶過程，屬于物理分離手段。 4(2)食品工業(yè)中的結(jié)晶過程 從水溶液中結(jié)晶：包括兩種情況。一是結(jié)晶操作作為獲得純凈固體的一種物理分離手段。例如制造葡萄糖；另一種是結(jié)晶必須加以控制的場合，如蜂蜜中的糖分，冰淇淋中的乳糖等。稀溶液中水的凍結(jié)：這種情形主要用以濃縮溶質(zhì)，稱為冷凍濃縮?？刂平Y(jié)晶操作使制品獲得一些流變學(xué)特性，例如：人造奶油中脂肪的結(jié)晶控制等。5 二、結(jié)晶的基本原理 (一)、晶體的基本概念1、晶體：是質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）在空間有規(guī)則地排列的固體物質(zhì)。有規(guī)則的排列即為質(zhì)點(diǎn)按照空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)方式排列。2、晶胞：組成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基

3、本單位成為晶胞。6晶體的分類 晶體的對稱要素：對稱面、對稱軸、對稱中心。晶體外形對稱軸與晶系：立方晶系四方晶系斜方晶系單斜晶系三斜晶系六方晶系三方晶系 73、晶體的特點(diǎn)自限性均勻性各向異性具有一定的熔點(diǎn)對稱性 最小熱力學(xué)能和最大穩(wěn)定性84、蔗糖晶體中存在的雜質(zhì)膠體：帶負(fù)電荷的膠體物質(zhì)，能被稍帶 正電荷的蔗糖晶體所吸引，使蔗 糖色度值深。晶內(nèi)水：晶體大，含水量高，晶體小， 晶體內(nèi)含水量迅速小將0.03%。無機(jī)鹽：Ca2+、Fe3+和亞硫酸根離子 容易被蔗糖結(jié)晶體吸附入晶體之 內(nèi)。 9(二)液-固系統(tǒng)的相平衡1、溶解度：是指在一定溫度下，100g溶劑所能溶解的溶質(zhì)的最大限度(克數(shù))。溶解度與溶質(zhì)的

4、化學(xué)性質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，還與壓力及物質(zhì)顆粒的大小有關(guān)。純蔗糖溶液的溶解度為 102、蔗糖-水系統(tǒng)相平衡圖中任意點(diǎn)表示的是物系的一種狀態(tài)E點(diǎn)為最低共熔點(diǎn)AE為冰點(diǎn)曲線，BE溶解度曲線濃度低于E點(diǎn)的濃度，只是冷凍濃縮的操作，只有濃度高于E點(diǎn)的濃度，才是冷凍結(jié)晶的操作。11(三)過飽和溶液與過飽和系數(shù)1、過飽和溶液：理論上，在任意溫度下，溶液的濃度超過飽和濃度， 就有溶質(zhì)析出，但實(shí)際上，把不飽和溶液用冷卻或濃縮的方法使其略呈過飽和狀態(tài)，一般并無結(jié)晶析出而成為過飽和溶液，只有達(dá)到某種程度的過飽和狀態(tài)，才有晶體析出。過飽和溶液糖液：將飽和糖液慢慢冷卻或慢慢蒸發(fā)，當(dāng)糖液中溶解的蔗糖量超過該溫度下的溶解度

5、時(shí)，仍無蔗糖析出，這種糖液叫做過飽和糖液。122、不純糖液中蔗糖溶解度用飽和系數(shù)表示 3、過飽和系數(shù)：過飽和程度的大小用過飽和系數(shù)來表示，符號： 。 134、過飽和系數(shù)對結(jié)晶的影響當(dāng) 1，表示溶液為過飽和溶液；其中 =1.01.2 屬于介穩(wěn)區(qū)，可使已有的晶體長大，并且有新的晶核形成。加晶種、養(yǎng)晶核加一些助晶操作可控制在此介穩(wěn)區(qū)域，又稱育晶區(qū)； =1.21.3 屬于中間區(qū)，不僅已有的晶體長大，同時(shí)也能有新的晶核形成。刺激起晶常控制在此范圍，同時(shí)在該區(qū)域也常產(chǎn)生偽晶。 1.3 能自然起晶，晶核大量產(chǎn)生當(dāng) =1，表示溶液為飽和溶液；當(dāng) 114(四)晶核的理論1、成核過程在一定溫度和純度下，當(dāng)糖液濃度

6、逐漸升高以至于過飽和時(shí)，分子的運(yùn)動(dòng)范圍逐漸縮小，分子間的吸引力大于排斥力時(shí)，蔗糖分子變互相吸引，形成所謂蔗糖分子的堆積點(diǎn)，即小的結(jié)晶體，并且自糖液中析出，這種在一定濃度下蔗糖從溶液中析出的過程就叫起晶。 A + A = A2 A2+ A = A3 。 An-1+A = An nA = An 152、溶液生成晶核質(zhì)點(diǎn)的臨界濃度根據(jù)質(zhì)量作用定律，在平衡狀態(tài)時(shí)，平衡常數(shù)為式中： - 溶液生成晶核質(zhì)點(diǎn)的臨界濃度 c- 溶液相濃度。通常用 來表示，c 為過飽和濃度，cs為同溫度下飽和濃度 n -分子數(shù) K -平衡常數(shù)16平衡常數(shù)可用當(dāng)量平衡常數(shù)自由能表示，即 式中 Es - 當(dāng)量自由能 (Es =s 其

7、中 為表 面張力； s為表面積) R - 氣體常數(shù) T - 熱力學(xué)溫度當(dāng) = 增大，n增大，則 增大當(dāng) = 增大，s增大，則 增大173、臨界半徑如果把晶核質(zhì)點(diǎn)看成球形，則 。 根據(jù)吉布斯湯姆森 (Gibbs一Thomson)方程式： 即： 式中d: 蔗糖晶體密度 M：蔗糖分子量晶核半徑rrcrit，晶核才能穩(wěn)定存在，并進(jìn)一步長大。184、晶核生成速度決定于臨界濃度和溶液達(dá)到臨界濃度時(shí)單位時(shí)間內(nèi)晶核質(zhì)點(diǎn)發(fā)生的概率g 。g值一般與母液的粘度成反比，即g ，粘度愈大，晶核生成速度愈小。 19將式臨界半徑rcrit代入球表面積公式，得：式中，m代表一個(gè)分子的質(zhì)量， d代表它的密度 故 m/d表示一個(gè)

8、分子體積 臨界晶核中的分子數(shù)目可用下式表示 20根據(jù)吉布斯-湯姆森方程式亦可以寫成：將上式代入速度公式，則得結(jié)晶速度為： 21 就是我們前面介紹的過飽和系數(shù)，根據(jù)上式可制得如圖10-6所表示的晶核形成速度與過飽和系數(shù)的關(guān)系。即隨著溶液過飽和系數(shù)逐漸增大，晶核臨界半徑隨之變小(由臨界半徑表達(dá)式可知)，形成穩(wěn)定晶核的機(jī)會(huì)逐漸增加，及至溶液濃度到達(dá)某一過飽和度，晶核便會(huì)自發(fā)形成，并隨過飽和系數(shù)的進(jìn)一步增大，成核速度將逐漸加快。225、成核速度與影響成核的因素 根據(jù)阿倫尼烏斯方程式，成核速度為：其中式中 N - 成核速度。即單位體積溶液， 在單位時(shí)間內(nèi)晶核數(shù)目的增多 A - 系數(shù)23對于飽和溶液， ，

9、 ，成核需要的能量為無窮大，成核速度為零。所以飽和溶液中，不能自動(dòng)成核。影響成核速度的因素 (1)溶液過飽和度的影響 24(2)溫度的影響 由式核速度隨溫度上升， 達(dá)到最大值后，溫度 再升高，成核速度反而降低 25 (3)外加晶體的影響：加入晶體能誘導(dǎo)結(jié)晶。晶種可以是同種物質(zhì)或相同晶型的物質(zhì)，有時(shí)惰性的無定形物質(zhì)也可以作為結(jié)晶中心。例如，塵埃有時(shí)也能導(dǎo)致結(jié)晶。(4)物理場和電磁波的影響：電、磁場、紫外光、超聲波等都能在一定程度上促進(jìn)成核。當(dāng)硬度較高的水用作冷卻水時(shí)，遇熱易成垢，但若加以電磁場，則可使其成核速度增大。析出晶核較多而不易成結(jié)垢。因此，可用此法來防止形成水垢而影響傳熱。266、起晶方

10、法在過飽和溶液中形成晶核的可能性有：當(dāng)足夠超過平衡狀態(tài)時(shí)，成核自然而然地發(fā)生；施以外界作用，例如投入少量溶質(zhì)固體，抽入少量冷溶液或施以聲波振蕩、機(jī)械攪拌等加以刺激，在短時(shí)間內(nèi)生成大量晶核；己存在的晶粒作為結(jié)晶中心。在生產(chǎn)上相應(yīng)地將結(jié)晶方法分成自然起晶法刺激起晶法種晶法27(1)自然起晶法這是一種古老的起晶方法。將溶液蒸發(fā)冷卻至不穩(wěn)定區(qū)域，即易變區(qū)時(shí)，晶核便形成析出。由于晶核的生成是逐步產(chǎn)生的，且受概率的影響，生成晶核的數(shù)量不容易控制，晶粒大小也很不一致。古法冰糖的生產(chǎn)即采用此法。 28(2)刺激起晶法將溶液濃縮至介穩(wěn)區(qū)(如糖液刺激起晶時(shí)，控制過飽和系數(shù)為1.11.3左右)時(shí)，突然施外加條件的影

11、響，如突然降溫、降壓、降真空；或吸入外來固體雜質(zhì)或灰塵；或機(jī)械攪拌回轉(zhuǎn)或振動(dòng)；或施加電磁場、聲波、超聲波及紫外線等，使處于不穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和溶液受到突然的刺激而析出晶體。這種方法還可以調(diào)節(jié)刺激的條件，如它的強(qiáng)度、時(shí)間等。凡含外來雜質(zhì)的刺激起晶也稱非均相成核 優(yōu)點(diǎn)：如操作條件如控制得好，該方法起晶速度快，晶粒整齊，粘晶、并晶可以減少。缺點(diǎn)：不容易控制晶粒的數(shù)目和大小，易產(chǎn)生粘晶。 29(3)種晶法也稱晶核起晶法，在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)實(shí)施。將溶液濃縮至介穩(wěn)區(qū) (如糖液濃縮至過飽和系為1.101.15左右)時(shí)，投入一定大小和數(shù)量的晶體細(xì)粉作為晶種，溶液中逾量的溶質(zhì)便在加入的晶種表面上析出，最后得到預(yù)期大小的晶

12、體。優(yōu)點(diǎn)：采用該法，晶粒數(shù)目和大小較容易控制，較易達(dá)到預(yù)期的要求。 種晶法除了上述投粉起晶法外，還有分割法是把已結(jié)晶好的一罐 (晶粒較小)分割成若干部分作為若干罐的晶種，以此作為下一次結(jié)晶的底料。這樣，每罐的晶種數(shù)量一定。種糊法是將粒子較小的晶體和溶液混合形成一定濃度的種糊。以種糊作晶種，晶粒數(shù)量可以控制。307、晶體的培養(yǎng)長大晶核一旦從溶液中形成后，便不斷吸收溶質(zhì)分子，并在空間按一定的晶格而排列，晶體得以成長。晶體的生長速度與粒度有關(guān) 318、影響結(jié)晶速度的因素(1)濃度：結(jié)晶速率與結(jié)晶溶液和相應(yīng)飽和溶液濃度之差 (c-c)成正比，即提高溶液的濃度可以提高結(jié)晶速度。但過高的過飽和系數(shù)將使溶液

13、的粘度上升，降低擴(kuò)散速率，反而使結(jié)晶速度下降。另外，如果過飽和度過高，晶體生長過快，容易發(fā)生晶形變化，晶體變成針狀或樹枝狀。32(2)粘度擴(kuò)散系數(shù) (式中T為熱力學(xué)溫度，為介質(zhì)粘度，為與溫度無關(guān)而與溶質(zhì)顆粒大小有關(guān)的常數(shù))，所以粘度升高結(jié)晶速率就下降。在一些工業(yè)結(jié)晶中已越來越多使用表面活性劑等助劑來降低母液的粘度，從而提高結(jié)晶速度和改善晶形。33(3)溫度：溫度上升，介質(zhì)的粘度下降，則擴(kuò)散系數(shù)提高，擴(kuò)散速度加快，因而結(jié)晶速度提高。(4) 固體（晶體)與溶液間的相對速度對結(jié)晶速度的影響：結(jié)晶過程中，固體與溶液的相對運(yùn)動(dòng)速度一般通過物料的對流循環(huán)或外加攪拌器攪拌來實(shí)現(xiàn)。 34(5)純度：也可以稱作

14、雜質(zhì)對結(jié)晶的影響。溶液中和晶體共存的物質(zhì)可能在特定晶面上有吸附作用，一旦被吸附，就降低該晶面的成長速度。其結(jié)果降低了結(jié)晶速度，且晶體也將長成異形晶體。 (6)晶粒表面：結(jié)晶速度與晶粒的表面積成正比。晶粒的表面積與晶粒的直徑的平方成正比。即隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，結(jié)晶速度逐漸加快。但當(dāng)固相的量一定時(shí)，粒度越細(xì)，它的總表面積卻越大。所以結(jié)晶小顆粒的產(chǎn)品其結(jié)晶速度更快，所需結(jié)晶時(shí)間較短。在實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)晶小顆粒的產(chǎn)品要比結(jié)晶大顆粒的產(chǎn)品容易控制，但晶粒太細(xì)，晶粒與母液的分離困難，即會(huì)影響后續(xù)分離操作。35三、食品工業(yè)中重要的結(jié)晶分離過程蔗糖結(jié)晶： 制糖工業(yè)作為現(xiàn)代化工業(yè)，其蔗糖結(jié)晶已有自己完整的理論和工藝。在制糖工業(yè)，蔗糖的結(jié)晶過程稱為煮糖。煮糖過程是分段進(jìn)行的。我國的甘蔗糖廠和甜菜糖廠最常用的是三段煮糖系統(tǒng)。所謂三段煮糖，就是將糖漿經(jīng)過三次煮煉，從而使糖漿中的糖分充分結(jié)晶出來，使最終母液-廢蜜的純度降到最低限度。在煉糖廠中，由于糖漿的純度高，煮糖的段數(shù)更多，有的采用七段煮糖系統(tǒng)。 36工藝流程以糖漿為原料所煮成的糖膏稱為一號糖膏，經(jīng)分蜜后得到的蔗糖晶體再經(jīng)干燥后即為成品白砂糖，而分離得到的糖蜜(一次母液）作為二號糖膏的原料進(jìn)行第二次煮煉，以使糖蜜中的糖分得到進(jìn)一步回收。二號糖膏分蜜時(shí)得到的糖蜜 (二次母液）再進(jìn)行第三次煮煉，煮成三號糖膏。三號