Разработка рационального режима охлаждения в производстве молочного сахара

Введение: Кристаллизация лактозы является ключевым этапом производства молочного сахара, определяющим выход и качество продукта. Процесс реализуется при охлаждении кристаллизата и сопровождается значительными потерями лактозы (70–75 % общих потерь). На практике режимы охлаждения подбираются эмпирически и не опираются на количественные зависимости, описывающие кинетику кристаллизации и изменение пересыщения, что приводит к повышенным потерям и неоднородности кристаллов.

Цель: Разработать теоретически обоснованный режим охлаждения кристаллизата на основе математической модели скорости охлаждения, учитывающей кинетику кристаллизации лактозы и зависимость её растворимости от температуры, и экспериментально верифицировать предложенный режим в полупромышленных условиях.

Материалы и методы: Объектом исследования был процесс кристаллизации лактозы в сгущённом ультрафильтрате подсырной сыворотки с массовой долей сухих веществ 55–60 %. Анализировали кристаллизат, кристаллы и межкристальный раствор (меласса). Массовую долю сухих веществ определяли рефрактометром RL-3, содержание лактозы — поляриметрически по ГОСТ Р 54667. Средний размер кристаллов и гранулометрический состав оценивали микроскопическим методом по ГОСТ 33567; опыты проводили в трёхкратной повторности. Теоретическая часть включала аналитический вывод уравнения скорости охлаждения на основе кинетики кристаллизации и математического моделирования.

Результаты:  Установлено, что технологические параметры кристаллизата при охлаждении должны быть согласованы с условиями роста кристаллов и исключать образование новых центров, что достигается при соответствии скорости охлаждения скорости кристаллизации пересыщенного раствора. Получено уравнение для скорости охлаждения, учитывающее скорость кристаллизации лактозы, массовую долю сухих веществ и кристаллов, коэффициенты насыщения и пересыщения, и на его основе разработан режим поэтапного снижения скорости и температуры. Его применение позволило увеличить средний размер кристаллов до 275,5 мкм (на 39 % выше контроля), коэффициент однородности — до 0,79 (на 11,3 % выше), снизить потери лактозы в мелассе на 7,5 % и повысить выход кристаллов до 41,3 % (на 8 % выше контроля). Режим апробирован в экспериментальном цехе АО «Учебно-опытный молочный завод Вологодской ГМХА».

Выводы: Полученные результаты создают основу для научно обоснованного выбора температурно-временных параметров кристаллизации при масштабировании процесса до промышленных условий.

1. Гнездилова, А. И. (2019). Технологические аспекты мелассообразования при кристаллизации лактозы. Молочнохозяйственный вестник, 4(36), 155-164.

2. Гнездилова, А. И., & Виноградова, Ю.В. (2009). Двухступенчатый режим охлаждения консервированных молочных и молокосодержащих продуктов с сахаром. Хранение и переработка сельхозсырья, (5),70–71.

3. Гнездилова, А. И., Шохалов, В. А, Виноградова, Ю. В., & Шохалова, В. Н. (2023). Теоретические и практические аспекты процесса кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара. Молочнохозяйственный вестник, (2), 128–140. https://doi.org/10.52231/2225-4269_2023_2_128

4. Володин, Д. Н., Топалов, В. К., Куликова, И.К., Семченко, А.А., Евдокимов, И.А., & Хазов, Д.С. (2025). Современные направления глубокой переработки молочной сыворотки. Сыроделие и маслоделие, (2), 4–6.

5. Полянский, К. К., & Шестов, А. Г. (1995). Кристаллизация лактозы: физико-химические основы. Воронеж: Изд.ВГУ.

6. Решетова, Р. С., & Баранов, О. М. (2023). Влияние несахаров сахарной свёклы на технологию и выход сахара. Сахар, (8), 30–36. https://doi.org/10.24412/2413-5518-2023-8-30-36

7. Грибкова, В.А., Семенов, Е.В., & Славянский, А. А. (2024). Инновационные разработки в области переработки растительного сырья: в сахарном и крахмалопаточном производствах. М : Русайнс.

8. Фиалкова, Е. А., Кузин, А. А., Славоросова, Е. В., Шевчук, В. Б., & Шохалов, В. А. (2024). Интенсификация процесса кристаллизации лактозы из сгущенного нф-концентрата творожной сыворотки. Хранение и переработка сельхозсырья, 32(3), 104-118. https://doi.org/10.36107/spfp.2024.3.549

9. Фиалкова, Е. А., Виноградова, Ю. В., & Баронов, В. И. (2024). К вопросу о механизме роста кристаллов лактозы из пересыщенных водных растворов. Кристаллография, 69(4), 720–729. https://doi.org/10.31857/S0023476124040191

10. Храмцов А. Г., Борисенко А. А., Евдокимов И. А., Борисенко А. А., Брацихин А. А., & Борисенко Л. А. (2021). Эволюция переработки молочной сыворотки: прошлое, настоящее, будущее (Часть 1). Современная наука и инновации, (2), 129-139. https://doi.org/10.37493/2307-910X.2021.2.12

11. Червецов, В. В., & Гнездилова, А. И. (2011). Интенсификация процессов кристлализации при производстве молочных продуктов. М.: Типография Россельхозакадемии.

12. Шохалов, В. А., Гнездилова, А. И., & Шохалова, В. Н. (2024). Совершенствование процесса кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара. Молочная промышленность, (2), 48-52. https://doi.org/ 10.21603/1019-8946-2024-2-7

13. Шохалов, В. А., Гнездилова А. И., & Шохалова В. Н. (2025). Скорость кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара. Ползуновский вестник, (3), 39-44. https://doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2025.03.006

14. Ang, X., Truong, T., & Bhandari, B. (2017). Effect of carbonation of supersaturated lactose solution on crystallisation behaviour of alpha-lactose monohydrate. Food Biophysics, 12(2), 52–59. https://doi.org/10.1007/s11483-016-9462-3

15. Agrawal, S. G., Paterson, A. T., Jones, J. R., Mcleod, J. S., Bronlund, J., & Bajpai, H. (2017). Secondary nucleation studies on alpha lactose monohydrate under stirred conditions, International Dairy Journal, (66), 61–67. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2016.11.004

16. Bhargava, A., & Jelen, P. (1996). Lactose solubility and crystal growth as affected by mineral impurities. Journal of Food Science, 61, 180–184. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1996.tb14754.x

17. Chandrapala, J., Gauthier, C., & Vasiljevic, T. (2017). Behaviour of lactose with the presence of lactic acid and Ca as affected by pH. Journal of Dairy Research, 84(4), 484-487. https://doi.org/10.1017/S0022029917000553

18. Goulart, D. B. (2021). Principles of lactose crystallization and rheology of milk protein concentrate. Research, Society and Development, 10(15), 1–21. http://dx.doi.org/10.33448/rsd-v10i15.23028

19. Goulart, D. B., & Hartel, R. W. (2017). Lactose crystallization in milk protein concentrate and its effects on Rheology. Journal of Food Engineering, 212, 97-107. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.05.012

20. GaЁnzle, M. G., Haase, G., & Jelen, P. (2008). Lactose: Crystallization, hydrolysis and value-added derivatives. International Dairy Journal, 18, 685– 694. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2008.03.003

21. Haque, M. K., & Roos, Y. H. (2004). Water sorption and plasticization behavior of spray-dried lactose/protein mixtures. Journal of Food Science, 69, 384–391. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2004.tb17863.x

22. Halfwerk, R., Verdonk, L., Yntema, D., Spronsen, J. V., & Van der Pad, A. (2023). Scaling up continuous eutectic freeze crystallization of lactose from whey permeate: A pilot plant study at sub-zero temperatures. Food Research International, 168, 112764. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2023.112764.

23. Heffels S. K., Jong E. J., & Sinke D. J. (1987). Growth rate of small sucrose crystals at 700C. Zuckerind, 112(6), 511-518.

24. Holsinger, V. H. (1988). Lactose. In N. P. Wong, R. Jenness, M. Keeney, & E. H. Marth (Eds.), Fundamentals of dairy chemistry (3rd ed., pp. 279–342). New York: Springer New York, NY.

25. Miao, S., & Roos, Y. H. (2006). Crystallization kinetics and X-ray diffraction of crystals formed in amorphous lactose, trehalose, and lactose/trehalose mixtures. Journal of Food Science, 70, 350–358. http://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2005.tb09976.x

26. Nasirpour, A., Scher, J., Lindner, M., & Desobry, S. (2006). Modeling of lactose crystallization and colour changes in model infant foods. Journal of Dairy Science, 89, 2365–2373. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(06)72309-8.

27. Paterson, A. H. J. (2017). Lactose processing: From fundamental understanding to industrial application. International Dairy Journal, 67, 80-90. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2016.07.018

28. Schoen, H. M. (1961). Crystallization is a two-step process-nucleation and growth. Industrial & Engineering Chemistry, 53, 607-611. https://doi.org/10.1021/ie50620a018

29. Smykov, I., Gnezdilova, A., Vinogradova, Y., Muzykantova, A., & Lyamina, A. (2019). Cooling curve in production sweetened concentrated milk supplemented with whey: Influence on the size and microstructure of lactose crystals. Journal Food Science and Technology International, 25(6), 1-11. https://doi.org/10.1177/1082013219830494

30. Wong, N. P. (1988) Fundamentals of dairy chemistry (3rd. ed.). NewYork: Van Nostrand Reinhold Company.