木糖醇介穩區寬度與晶體生長速率測定

翁賢芬

(四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000)

木糖醇介穩區寬度與晶體生長速率測定

翁賢芬

(四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000)

用激光散射法測定純木糖醇水溶液和含有山梨醇和葡萄糖雜質的木糖醇水溶液的結晶介穩區寬度；在介穩區內測得不同結晶溫度下純木糖醇溶液中過飽和度對晶體生長速率的影響，同時研究雜質的添加對木糖醇結晶生長速率的影響。結果表明：相同結晶溫度下，生長速率隨過飽和度的增大而增大；在相同結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導致生長速率下降，并隨雜質含量的增大而下降，山梨醇對晶體生長的抑制作用比葡萄糖更明顯。

木糖醇；結晶；介穩區；晶體生長速率

木糖醇是理想的代糖品，也是理想的能量補給劑，還具有防齲齒和延長食物保質期的作用，因此在食品領域應用廣泛，同時還可以應用于醫藥和化工領域。由于其優質的性能和用途的多樣性，市場對木糖醇的需求逐年擴大[1-5]。

木糖醇的生產多從農業廢棄物如稻草、蔗渣、玉米芯等中提取木糖，然后由木糖來制取木糖醇溶液，再將木糖醇溶液蒸發濃縮，結晶出產品[6]。木糖醇的生產中，結晶是重要工序，制備得到粒度均勻、流動性好的產品，是提高企業競爭力和經濟效益的有效手段。晶體的生長是以過飽和度為推動力，晶體生長速率是工業結晶過程和結晶器設計的重要基礎數據之一，木糖醇晶體生長速率對木糖醇生產效率和產品品質有較大的影響，為此測定了木糖醇水溶液在一定條件下的介穩區寬度和晶體生長速率，對該產品的結晶過程和結晶器的改進有一定的指導作用。

實驗測定了純木糖醇水溶液結晶介穩區寬度，在介穩區內配制不同過飽和度下的水溶液，加入晶種結晶，測定晶體生長速率。由生物法制得的木糖醇水溶液，雜質成分復雜，對晶體的晶習如成核、介穩區、晶體生長、晶型等有極大地影響，而不同的雜質影響不同，本實驗選取山梨醇和葡萄糖兩種木糖醇溶液中常見雜質來討論其對介穩區和生長速率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

木糖醇(食品級) 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；無水葡萄糖(化學純)曹陽第二中學化工廠；無水乙醇(分析純) 重慶川東化工有限公司化學試劑廠。

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) 上海恒平科學儀器有限公司；JHS-1恒速攪拌器 杭州儀表電機有限公司；帶夾套的結晶器 自制。

1.2 方法

將木糖醇溶解后重結晶，去除雜質，重結晶的木糖醇產品作為實驗中木糖醇溶液配制所用，并在結晶出的產品中選取晶型完整的晶體作為實驗所用晶種。

1.2.1 木糖醇溶解度與介穩區寬度的測定

采用激光散射法來檢測晶體溶解和清液中首批晶核的出現[7-8]。首先，在結晶器裝置中加入一定質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，信號接收器接收并轉化為數字顯示。實驗開始階段，由于有未溶晶體的影響，信號接收器的讀數隨著系統溫度的緩慢上升而漸漸增大，當讀數達到最大時，記錄此時體系的溫度，即為預加木糖醇溶液的飽和溫度。將該溶液繼續升溫5℃，然后以自然降溫方式對溶液進行緩慢降溫，當溶液中出現首批晶核，激光穿透溶液的強度受到影響，接收器的讀數驟降，說明溶液中有成核出現，此時溶液溫度與飽和溫度之差即為以過冷度表示的介穩區寬度。

1.2.2 生長速率的測定

將結晶器中的木糖醇飽和溶液在介穩區內降溫至結晶溫度時，加入事前測過粒徑及稱質量的一粒晶種加入進飽和溶液中，使其生長一定時間后取出，用無水乙醇洗滌、干燥后稱質量，計算晶體生長速率[8-9]。晶體的線性生長速率G為：

式中：G為晶體線性生長速率/(m/s)；Ls為晶種的粒度/m；τ為生長時間/s；ms為晶種的質量/g；m為晶體的質量/g。

2 結果與分析

2.1 木糖醇溶液介穩區寬度

2.1.1 純木糖醇溶液介穩區寬度

圖1 純木糖醇水溶液結晶介穩區寬度與溶液飽和溫度的關系Fig.1 Effect of saturation temperature on metastable zone width in xylitol solution

由圖1可知，木糖醇溶液介穩區寬度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 山梨醇對溶液介穩區寬度的影響

生物法制得的木糖醇溶液中含有一定的山梨醇，為了解山梨醇對介穩區的影響，向木糖醇溶液中添加不同量的山梨醇，結果見圖2。添加了山梨醇的木糖醇溶液介穩區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 山梨醇添加量對木糖醇介穩區寬度的影響Fig.2 Effect of sorbitol addition on metastable zone width in xylitol solution

2.1.3 葡萄糖對溶液介穩區寬度的影響

圖3 葡萄糖添加量對木糖醇介穩區寬度的影響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，其含量對溶液介穩區的寬度影響見圖3。葡萄糖的加入木糖醇溶液介穩區加寬，并隨著山梨醇的加入量增加而增大。對比圖2、3可知，山梨醇和葡萄糖的添加都可增大木糖醇介穩區寬度，在工業結晶條件下溶液中的晶體更不容易析出。

2.2 木糖醇晶體生長速率

2.2.1 純水溶液中過飽和度對晶體生長速率影響

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

由表1可知，在相同的結晶溫度下，晶體生長速率隨過飽和度的升高而增大，在相同的過飽和度下，晶體生長速率隨結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晶對晶體生長有利。生長速率G與過飽和度ΔT的關系回歸方程為：

2.2.2 雜質和過飽和度對晶體生長速率的影響

測定了30℃結晶時山梨醇、葡萄糖對生長速率的影響，結果見表2。

表2 不同過飽和度和不同雜質添加量下的生長速率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晶，添加有山梨醇或葡萄糖的木糖醇水溶液中晶體生長速率都低于純木糖醇水溶液中的生長速率，并且在相同結晶條件下生長速率隨雜質含量的增大而減小，這說明山梨醇和葡萄糖這兩種雜質都不利于晶體生長，在相同的雜質含量情況下，山梨醇的抑制作用比葡萄糖更明顯。

3 結 論

3.1 木糖醇水溶液的介穩區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區寬度。

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

3.4 結晶條件相同情況下，溶液中含有雜質山梨醇或葡萄糖降低了木糖醇生長速率，其生長速率隨雜質含量的增大而減小，山梨醇對晶體生長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，研究方向為工業結晶與化學工程。E-mail：wengxf@suse.edu.cn