초음파 유당 결정화

초음파 결정화 소개

고출력 초음파를 적용하여 결정화 공정을 유도하고 개선하는 것을 초음파 결정화라고 합니다. 초음파 결정화는 “음파를 적용하여 물질의 물리화학적 변화를 유도하는 데 기반합니다. 고출력 초음파의 일반적인 응용 분야에는 화학 반응 유도(초음파 화학)와 결정화 촉진(초음파 결정화)이 포함됩니다. 이러한 기술은 제공하는 이점으로 인해 제약, 화학 및 식품 산업을 비롯한 여러 산업의 주목을 받아 왔습니다. 초음파 기술은 경제적 타당성이 있으며 산업 공정에 비교적 쉽게 도입할 수 있습니다. 이러한 기술은 생산의 재현성과 수율을 모두 개선하는 데 사용할 수 있으며, 비열적이고 환경적으로 청정합니다”. [Martini 2013, 4]

핵생성 및 결정 성장

결정화는 과포화 용액, 용융물 또는 기체에서 고체 결정이 석출되는 형성 과정으로 정의됩니다.
결정화 공정은 핵생성과 결정 성장이라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다.
핵생성 중에는 용액에 용해된 분자들이 클러스터를 형성하기 시작하며, 이 클러스터는 운전 조건에서 안정적으로 유지될 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 이러한 안정적인 클러스터가 핵을 형성합니다. 안정적인 핵을 형성하는 데 필요한 임계 크기에 도달하면 결정 성장 단계가 시작됩니다.
결정 성장 단계에서는 더 많은 분자가 클러스터에 결합하면서 형성된 핵이 커집니다. 성장 과정은 포화도와 균일한 혼합, 온도 등의 다른 매개변수에 따라 달라집니다.
고전적 결정화 이론은 엔트로피가 변하지 않을 때 고립계가 절대적으로 안정하다는 열역학적 개념에 기반합니다.

유당에 관한 사실

유당(젖당)은 포도당과 갈락토스가 β(1→4) 글리코시드 결합으로 연결된 이당류입니다.
키랄 탄소가 존재하기 때문에 유당은 α-유당 또는 β-유당이라는 2가지 이성질체 형태로 존재할 수 있습니다. 유당은 수화된 α-유당 일수화물 결정으로 가장 흔히 발견됩니다. 다른 다형체인 무수 β-유당은 상대적으로 드물며 93.5°C를 초과하는 온도에서 결정화됩니다. α-아노머와 β-아노머는 특성이 매우 다릅니다. 이 다형체들은 비선광도(α-유당과 β-유당이 각각 +89°C 및 +35°C)와 용해도(20°C에서 α-유당과 β-유당이 각각 70 및 500g/L)로 구별할 수 있습니다. [McSweeney et al. 2009]
유당은 우유의 주요 탄수화물이며 2–8 wt%의 농도로 존재합니다. 유당은 풍미가 없고 감미도가 낮습니다. 유당은 환원당으로 작용하며 Maillard 반응과 Stecker 반응을 촉진합니다. 따라서 유당은 제빵 제품, 페이스트리 및 과자류와 같은 식품의 색과 풍미를 향상하는 데 사용됩니다.
유당은 식품 및 의약품에서 담체, 충전제, 안정제 및 정제 희석제로 기능하는 널리 사용되는 식품 첨가물입니다.
α-유당은 가장 순수한 형태로, 의약품에 사용됩니다.
유당은 풍미, 향 및 갈변 반응에서 중요한 성분입니다.
화학식: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-갈락토피라노실-(1→4)-D-글루코스
몰 질량: 342.3 g/mol
녹는점: 202.8°C
밀도: 1.53 g/cm³
분류: FODMAP
용해되는 용매: 물, 에탄올

• Deora, N.S.; Misra, N.N.; Deswal, A.; Mishra, H.N.; Cullen, P.J.; Tiwari, B.K. (2013): Ultrasound for Improved Crystallisation in Food Processing. Food Engineering Reviews 5/1, 2013. 36-44.
• Dincer, T.D.; Zisu, B.; Vallet, C.G.M.R.; Jayasena, V.; Palmer, M.; Weeks, M. (2014): Sonocrystallisation of lactose in an aqueous system. International Dairy Journal 35. 2014. 43-48.
• Zettl, M., Kreimer, M., Aigner, I., Mannschott, T., van der Wel, P., Khinast, J., Krumme, M. (2020): Runtime Maximization of Continuous Precipitation in an Ultrasonic Process Chamber. Organic Process Research & Development, 24(4), 2020. 508–519.
• Kougoulos E, Marziano I, Miller PR. (2010): Lactose particle engineering: influence of ultrasound and anti-solvent on crystal habit and particle size. J Cryst Growth 312(23):3509–20.
• Yanira I. Sánchez-García, Karen S. García-Vega, Martha Y. Leal-Ramos, Ivan Salmeron, Néstor Gutiérrez-Méndez (2018): Ultrasound-assisted crystallization of lactose in the presence of whey proteins and κ-carrageenan. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 714-722.
• Patel, S.R.; Murthy, Z.V.P. (2011): Effect of process parameters on crystal size and morphology of lactose in ultrasound-assisted crystallization. Crystal Research Technology 46/3. 2011. 243-248.