木糖醇介稳区宽度与晶体生长速率测定

翁贤芬

(四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000)

木糖醇介稳区宽度与晶体生长速率测定

翁贤芬

(四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000)

用激光散射法测定纯木糖醇水溶液和含有山梨醇和葡萄糖杂质的木糖醇水溶液的结晶介稳区宽度；在介稳区内测得不同结晶温度下纯木糖醇溶液中过饱和度对晶体生长速率的影响，同时研究杂质的添加对木糖醇结晶生长速率的影响。结果表明：相同结晶温度下，生长速率随过饱和度的增大而增大；在相同结晶温度和过饱和度下，木糖醇水溶液中分别加入山梨醇和葡萄糖杂质导致生长速率下降，并随杂质含量的增大而下降，山梨醇对晶体生长的抑制作用比葡萄糖更明显。

木糖醇；结晶；介稳区；晶体生长速率

木糖醇是理想的代糖品，也是理想的能量补给剂，还具有防龋齿和延长食物保质期的作用，因此在食品领域应用广泛，同时还可以应用于医药和化工领域。由于其优质的性能和用途的多样性，市场对木糖醇的需求逐年扩大[1-5]。

木糖醇的生产多从农业废弃物如稻草、蔗渣、玉米芯等中提取木糖，然后由木糖来制取木糖醇溶液，再将木糖醇溶液蒸发浓缩，结晶出产品[6]。木糖醇的生产中，结晶是重要工序，制备得到粒度均匀、流动性好的产品，是提高企业竞争力和经济效益的有效手段。晶体的生长是以过饱和度为推动力，晶体生长速率是工业结晶过程和结晶器设计的重要基础数据之一，木糖醇晶体生长速率对木糖醇生产效率和产品品质有较大的影响，为此测定了木糖醇水溶液在一定条件下的介稳区宽度和晶体生长速率，对该产品的结晶过程和结晶器的改进有一定的指导作用。

实验测定了纯木糖醇水溶液结晶介稳区宽度，在介稳区内配制不同过饱和度下的水溶液，加入晶种结晶，测定晶体生长速率。由生物法制得的木糖醇水溶液，杂质成分复杂，对晶体的晶习如成核、介稳区、晶体生长、晶型等有极大地影响，而不同的杂质影响不同，本实验选取山梨醇和葡萄糖两种木糖醇溶液中常见杂质来讨论其对介稳区和生长速率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

木糖醇(食品级) 保定市华宝化工有限公司；山梨醇(分析纯) 成都科龙化工试剂厂；无水葡萄糖(化学纯)曹阳第二中学化工厂；无水乙醇(分析纯) 重庆川东化工有限公司化学试剂厂。

CS501电热恒温水浴(±0.1℃) 常州诺基仪器有限公司；MP5002电子天平(±0.0001g) 上海恒平科学仪器有限公司；JHS-1恒速搅拌器 杭州仪表电机有限公司；带夹套的结晶器 自制。

1.2 方法

将木糖醇溶解后重结晶，去除杂质，重结晶的木糖醇产品作为实验中木糖醇溶液配制所用，并在结晶出的产品中选取晶型完整的晶体作为实验所用晶种。

1.2.1 木糖醇溶解度与介稳区宽度的测定

采用激光散射法来检测晶体溶解和清液中首批晶核的出现[7-8]。首先，在结晶器装置中加入一定质量的去离子水和木糖醇晶体，并使木糖醇略过量，有少量的晶体悬浮，固定搅拌速率200r/min，以1℃/h的速度缓慢升温，激光光束穿过溶液，信号接收器接收并转化为数字显示。实验开始阶段，由于有未溶晶体的影响，信号接收器的读数随着系统温度的缓慢上升而渐渐增大，当读数达到最大时，记录此时体系的温度，即为预加木糖醇溶液的饱和温度。将该溶液继续升温5℃，然后以自然降温方式对溶液进行缓慢降温，当溶液中出现首批晶核，激光穿透溶液的强度受到影响，接收器的读数骤降，说明溶液中有成核出现，此时溶液温度与饱和温度之差即为以过冷度表示的介稳区宽度。

1.2.2 生长速率的测定

将结晶器中的木糖醇饱和溶液在介稳区内降温至结晶温度时，加入事前测过粒径及称质量的一粒晶种加入进饱和溶液中，使其生长一定时间后取出，用无水乙醇洗涤、干燥后称质量，计算晶体生长速率[8-9]。晶体的线性生长速率G为：

式中：G为晶体线性生长速率/(m/s)；Ls为晶种的粒度/m；τ为生长时间/s；ms为晶种的质量/g；m为晶体的质量/g。

2 结果与分析

2.1 木糖醇溶液介稳区宽度

2.1.1 纯木糖醇溶液介稳区宽度

图1 纯木糖醇水溶液结晶介稳区宽度与溶液饱和温度的关系Fig.1 Effect of saturation temperature on metastable zone width in xylitol solution

由图1可知，木糖醇溶液介稳区宽度ΔT随饱和溶液温度的升高而下降，其回归方程为：

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

2.1.2 山梨醇对溶液介稳区宽度的影响

生物法制得的木糖醇溶液中含有一定的山梨醇，为了解山梨醇对介稳区的影响，向木糖醇溶液中添加不同量的山梨醇，结果见图2。添加了山梨醇的木糖醇溶液介稳区随饱和温度的升高而降低，并随着山梨醇的加入量增加而增大。

图2 山梨醇添加量对木糖醇介稳区宽度的影响Fig.2 Effect of sorbitol addition on metastable zone width in xylitol solution

2.1.3 葡萄糖对溶液介稳区宽度的影响

图3 葡萄糖添加量对木糖醇介稳区宽度的影响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见杂质，其含量对溶液介稳区的宽度影响见图3。葡萄糖的加入木糖醇溶液介稳区加宽，并随着山梨醇的加入量增加而增大。对比图2、3可知，山梨醇和葡萄糖的添加都可增大木糖醇介稳区宽度，在工业结晶条件下溶液中的晶体更不容易析出。

2.2 木糖醇晶体生长速率

2.2.1 纯水溶液中过饱和度对晶体生长速率影响

表1 不同结晶温度和过饱和度下木糖醇的生长速率Table1 Effect of crystallization temperature and super saturation on crystal growth rate 10-6m/s

由表1可知，在相同的结晶温度下，晶体生长速率随过饱和度的升高而增大，在相同的过饱和度下，晶体生长速率随结晶温度的升高而减小。说明木糖醇在较高过饱和度及较低温度下结晶对晶体生长有利。生长速率G与过饱和度ΔT的关系回归方程为：

2.2.2 杂质和过饱和度对晶体生长速率的影响

测定了30℃结晶时山梨醇、葡萄糖对生长速率的影响，结果见表2。

表2 不同过饱和度和不同杂质添加量下的生长速率Table2 Effect of super saturation and impurities addition on crystal growth rate 10-6m/s

由表2可知，相同温度和过饱和度下结晶，添加有山梨醇或葡萄糖的木糖醇水溶液中晶体生长速率都低于纯木糖醇水溶液中的生长速率，并且在相同结晶条件下生长速率随杂质含量的增大而减小，这说明山梨醇和葡萄糖这两种杂质都不利于晶体生长，在相同的杂质含量情况下，山梨醇的抑制作用比葡萄糖更明显。

3 结 论

3.1 木糖醇水溶液的介稳区宽度随饱和溶液温度升高而下降，其回归方程为：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稳区宽度。

3.3 在相同结晶温度下，木糖醇水溶液中晶体生长速率G随过饱和度ΔT的增大而增大，在相同过饱和度下，生长速率随结晶温度升高而减小。其回归方程为：20℃结晶：G=0.0538ΔT－0.1366ΔT+1.3016(R2=0.9941)；30℃结晶：G=0.0071ΔT+0.1121ΔT+0.2538(R2=0.991)；40℃结晶：G=－0.0074ΔT+0.2674ΔT－0.1434(R2=0.987)。

3.4 结晶条件相同情况下，溶液中含有杂质山梨醇或葡萄糖降低了木糖醇生长速率，其生长速率随杂质含量的增大而减小，山梨醇对晶体生长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

翁贤芬(1973—)，女，讲师，硕士，研究方向为工业结晶与化学工程。E-mail：wengxf@suse.edu.cn