基本介紹
- 中文名：過溶解度
- 外文名：Over solubility
- 包括：初溶解度、終溶解度和過溶解度
- 影響：乳糖結晶
- 溶液：過冷溶液
- 前提：乳糖飽和溶液冷卻至飽和溫度以下
乳糖的結晶性質,乳糖結晶與溶解度的關係,初溶解度,終溶解度,過溶解度,乳糖結晶對奶粉質量的影響,
乳糖的結晶性質
乳糖是半乳糖β-1,4-糖苷鍵與葡萄糖結合的還原性二糖，稱為4-0-β-D-吡喃半乳糖-D-吡喃葡糖。還原基在葡萄糖單位上。乳糖有兩種異構體，α-乳糖和β-乳糖。工業上生產的α-乳糖通常為含水結晶體，而β-乳糖為無水結晶。α-乳糖和β-乳糖其化學結構的差別僅在於葡萄糖C1位上-OH的空間構型不同。
乳糖的水溶液在93.5℃以下結晶可得到α-乳糖水合物，在不同的溶液濃度、結晶速度和壓力下結晶體形狀可成稜錐形、金剛石形、稜柱形等。α-乳糖水合物在常溫下穩定，熔點為202℃。α-乳糖水合物在100℃減壓條件下失去結晶水變成不穩定型α-乳糖無水物，它極易吸濕，其熔點為223℃。將α-乳糖水合物與無水甲醇1:10混合，在高溫下攪拌數小時或回流加熱1小時的條件下可得到穩定型α-乳糖無水物。這種糖吸水性較差，可在相對濕度為50%的條件下仍保持穩定。無水的β-乳糖在溫度高於93.5℃時可從α-乳糖水合物的溶液中結晶出來，其熔點為252℃，其溶解度高於α-乳糖。把α-乳糖水合物與含1-5%HCl的甲醇溶液按1:10混合，在室溫下攪拌可得到針狀結晶體，組成為α型與β型之比為5:3，屬無水物混合型結晶體。乳糖在結晶時一般需要較長的時間，若使其迅速脫水乾燥可得到非結晶狀的玻璃體，這是一種無定型乳糖無水物。在噴霧乾燥的奶粉中乳糖基本上是以這種形式存在的。在非結晶乳糖中，α、β兩種異構體的組成仍按乾燥前的比例存在。這種乳糖吸水性極強，當吸水量達到8%時開始結晶，最後形成含5%水的α-乳糖水合物。
由於α型和β型乳糖的比旋光度不同，把乳糖溶解於水之後，溶液內部會發生α向β或β向α的轉化，因此旋光度也要發生變化，這種現象稱為乳糖的變旋性。在平衡態，α-乳糖占37.3%，β-乳糖占62.7%，兩者之比為α/β=1.68。
乳糖結晶與溶解度的關係
乳糖結晶作用與乳糖的溶解度的關係較大。乳糖的溶解度有三種，即初溶解度、終溶解度和過溶解度。
初溶解度
將普通乳糖α-乳糖水合物，溶於水中劇烈攪拌後，部分乳糖溶解，形成飽和溶液，這時的溶解度為初溶解度。初溶解度只是暫時的，因為溶解中α-乳糖是以一定的比例向β-乳糖轉化，結果使α-乳糖減少，於是便有更多的乳糖溶解。
終溶解度
當α-乳糖與β-乳糖達到平衡時，α型乳糖即已飽和，乳糖不再溶解，這時的溶解度稱為終溶解度。將飽和的乳糖溶液冷卻後即得過飽和溶液。假如溫度降低很多，乳糖一般並不立即形成晶核，於是溶液可在較長時間內保持過飽和狀態。
過溶解度
當飽和狀態的乳糖溶液繼續冷卻時，即可形成晶核，且使過飽和部分析出。乳糖飽和溶液冷卻至飽和溫度以下時，稱為過冷溶液，此時的溶解度稱為過溶解度。乳糖的過飽和溶液與一般物質的過飽和溶液有所不同。一般過飽和溶液很不穩定，加以攪拌或加入晶種都會破壞其過飽和狀態；但是乳糖過飽和溶液比較穩定，在水中或濃縮乳中都能形成高度的過飽和溶液。當緩慢冷卻時可以長時間不形成晶核而保持在過飽和狀態。這主要由於當溫度為50℃的過飽和乳糖溶液冷卻時即轉入亞穩定區，若不加入晶種結晶是不會析出的；繼續冷卻至20℃以下才進入不穩定區，乳糖發生自然結晶作用。而研究表明乳糖亞穩定區的範圍很廣。
乳糖結晶對奶粉質量的影響
奶粉顆粒是由非結晶乳糖和其它分子組成所構成的連續體，其中包埋了脂肪球、酪蛋白膠粒以及乳清蛋白。由於在噴霧乾燥過程中乳糖可產生結晶的時間太短，因此在奶粉中乳糖呈非結晶狀態存在。但是，如果奶粉中吸收水分達到0.4時，乳糖可產生結晶作用，從而使粘附在奶粉顆粒表面的乳糖相互形成結晶體，產生聚集團塊，結果貯藏的奶粉產生結塊。
在噴霧乾燥的奶粉中乳糖成不穩定的非結晶狀態。當奶粉在比較惡劣的環境條件下貯藏時，如相對濕度和溫度都較高，亞穩態的非結晶乳糖會轉化成為比較穩定的結晶態乳糖，該轉化過程為不可逆過程。這樣將導致奶粉的結塊，而且大大降低奶粉的復原性。
許多研究者通過等溫吸濕和掃描電鏡等手段，研究了乳製品在貯藏過程中的乳糖結晶作用與吸濕作用的關係。Warburton報導在噴霧乾燥脫脂乳中的非結晶乳糖在25℃、相對濕度為42%和52%時發生結晶作用。Saltmarch研究了噴霧乾燥乳清中乳糖從非結晶狀態轉化為結果狀態的過程。他們發現，在水分活度為0.33-0.44之間時，等溫吸濕曲線（25℃）發生“斷折”；當水分活度為0.33以下時，產品中沒有發現乳糖結晶。Lai通過電鏡和核磁共振手段研究了脫脂奶粉在20℃貯藏2周過程（水分活度在0.01-0.94範圍內）中水分含量和水分遷移情況，結果表明，由於非結晶乳糖向結晶型乳糖的轉化，等溫吸濕曲線在水分活度為0.54-0.59時發生了不連續行為，即“斷折”。一般認為β-無水乳糖在水分活度0.4時形成，而α-單水乳糖在水分活度0.6時形成。
