制备结晶糖及由此而得的产品的新方法

专利名称：制备结晶糖及由此而得的产品的新方法
技术领域：
本发明涉及提供具有独特结构和可控晶体粒度的结晶糖的制备方法及由此而得的产品。
结晶是已知最古老的工业化学转变方法之一。根据不同的商业目的，每年都生产大量的结晶物质，如每年超过100×106吨。通过结晶制备的最常见的产物之一就是糖。
糖的结晶是一个复杂的过程。晶体的生长同时包含了在多相和多组分体系中的传热和传质过程。光是这些条件的同时存在本身就带来复杂的控制问题，再加上流体和粒子力学及热力学不稳定性，使问题更加复杂化。
由糖科学的常规知识可知，结晶是通过过饱和过程进行的。过饱和需要脱除水，采用的是冷却、蒸发和沉淀的方法。结晶糖的生产过程是一个高热耗和高能耗过程。并且在过饱和期间，糖晶体的成核作用较难控制，因此得到的晶体的大小和形状无法预期。
当制备具有小粒度晶体糖时，已有制糖过程的缺点将更加突出。在本发明中，小粒度结晶糖产品是指微晶(microcrystal)。微晶型产品的单个颗粒不大于50μm。
例如，制备小粒度晶体的一种方法包括粉碎和筛分结晶糖。粉碎是一个高能耗过程。而且粉碎会导致粉碎的糖晶体粒度分布很宽。大的晶体必须重新粉碎和筛分。并有相当多的产品以细粉形式损失掉。因此，粉碎和筛分代价昂贵且效率低下。
授予Dmitorvsky等人的USP3，981，739中公开了一种从溶液中制备结晶糖的过程1)在加入的晶种的存在下浓缩溶质，2)随后通过加热和蒸发由第一步浓缩得到的物料以进一步脱除溶剂。这是一高能耗过程，产生的结晶糖的平均粒度为325-425微米。Dmitrovsky等人的USP3，981，739中描述的方法是依靠加入晶种成并通过高热和真空蒸发进行浓缩的一个溶液过程。同样的过程也由Dmitorvsky等人在USP4，056，364中作了描述。
授予Chen等的USP4，159，210中描述了一种制备结晶枫糖产品的方法1)在加热和部分真空存在下，将枫糖糖浆浓缩到固体含量约为93-98%，2)冲击加热(impact heating)直到糖浆发生转变并结晶为止。然后将产品冷却，粉碎，并筛分到合适的粒度范围。Chen等人的USP4，159，210中所描述的过程是一个高能耗过程，它依靠搅动作用引发晶体成核，并需要随后的粉碎得到小粒度的晶体。
授予Chen等人的USP4，362，757中描述了一种结晶糖产品及其制备方法。Chen等人的USP4，362，757中描述的方法包括通过将糖浆加热到约255°F-300°F，使其浓缩到固体含量约为95-98%。为防止过早结晶，将得到的浓缩糖浆保持在温度不低于约240F。然后将由活性成分(例如，挥发性香料、酶、酸性物质如抗坏血酸，果汁浓缩物或高转化糖等物质)组成的预混合物与浓缩的糖浆混合。对混合物进行冲击加热，直到形成由具有软糖料粒度的蔗糖晶体和活性组分构成的结晶糖产品，该产品的湿含量小于2.5wt%。Chen等人的4，362，757中所描述的过程需要高热耗的浓缩和加热过程来成核。
授予Chen等人的USP4，338，350中公开了一种类似的过程，其中描述了一种制备含有食品成分的结晶糖产品的方法。该发明需要在约250°F-300°F范围内，将糖浆浓缩到固体含量约为90-98wt%。将一种食品成分(如动物胶，可可粉，果胶浓缩物等)与糖浆混合。混合物进行冲击搅动(impact beating)直到形成由具有软糖料粒度的蔗糖晶体聚集体和食品成分构成的结晶糖产品。Chen等人的4，338，350中所描述的过程需要高热耗的浓缩过程和搅动过程来引发结晶。
授予miller等的USP3，365，331，以及4，338，350和4，362，757描述的结晶糖的方法，都包括通过冲击搅动糖液引发成核作用。该方法包括输入大量能量，并且存在着与温度控制直接有关的各种问题。
其它的公开文献包括BP1，460，614和USP3，972，725(Tate & Lyle Limited)，它们描述了一种的连续方法，在该方法中，糖浆溶液进行剧变性成核后放入结晶区。剧变性成核作用通过使溶液经受剪切力的作用来完成，这可在胶体磨(colloid mill)或均化器(homogenizer)等装置中实施。该溶液放到一条运动的带上，在此必须使该材料保持较高的温度以蒸发掉水分。在BP2，070，015B和USP4，342，603中描述了一种与此相关的、用于结晶葡萄糖的方法。该方法中，过饱和的溶液经受剪切力并使其在皮带上结晶。上述用于结晶蔗糖的方法和用于结晶葡萄糖的方法都要求在高温下进行溶液处理，因此都是高能耗过程。
授予Hurst等人的USP3，197，338中描述了一种结晶葡萄糖的方法，该方法包括捏和葡萄糖溶液以引发成核，随后结晶形成固体玻璃状物，然后粉碎。在GB2，077，270B中描述了另一种葡萄糖结晶方法，其中淀粉的水解物通过蒸发浓缩，然后在冷却结晶期间同时破碎和混合。得到的产品进一步粉碎。这些方法也需要通过搅动含有葡萄糖的溶液来成核。
Shukla等人的GB2，155，934B中公开了一种从溶液中结晶蔗糖或葡萄糖的方法。Shukla等人使糖溶液经过蒸发产生过饱和糖溶液。然后使过饱和溶液在一个连续螺杆挤出机中经受剪切作用引发成核。糖浆的停留时间小于25秒(平均)，温度对于蔗糖为115-145℃(239-293°F)，而对于葡萄糖为100-135℃(215-275°F)。在糖浆经过逐渐的成核作用后，放到一个移动带上，使其在较高的温度下以一个渐变的速度继续结晶。Shukla等人的方法要求使溶液的温度保持不低于水的沸点温度。
另外，也已经开发出了与食品加工和食品成分有关的其它技术。例如，在授于Thomas E.Chivers的一系列美国专利(USP3，762，846、USP3，723，134和USP3，557，717)中描述了一种由煮过的浆料或糖浆制备棉花糖的溶液过程。将各种成分混合在一起并在第一温度(如200-205°F(93-96℃))下加热，形成浆料。在形成浆料后，在更高的温度(如340°F(171.1℃))下加热物料或使其沸腾，随后通过一个雾化喷嘴放出料。当放出时，熔融的糖中所含的大部分水分闪蒸脱除。Chivers的发明依靠将各种成分，如糖和其它各种成分先溶解在水中，然后进行广泛的加热从溶液中驱赶水分。在溶液放出后大部分已被脱除。因此，Chivers的技术具有种种缺点，这些缺点与持续高温处理及在处理期间各种组分的溶解有关。
Stork的欧洲专利申请EPA0，387，950A1中公开了另一种处理材料的方法。Stork的方法通过使含有干燥微粒物料的气体物流与液体溶液的微滴喷射流碰撞制备泡沫喷雾干燥产品。含有最终产物中的至少一种成分的液体溶液与气体混合并加热，然后以微滴喷射流形成喷出与干燥的微粒碰撞。Stork的系统适于加工低密度的产品并需要精密的设备配置，也是一个高能耗过程。
授予Shoaf的USP3，615，671中公开了一种生产食品的方法，其方法为在棉花糖纤维(或棉花糖丝)外壳内包裹干燥的微粒食品颗粒。为了强化1)纤维和颗粒的成型和2)在最小的压缩下纤维之间的相互粘结性，Shoaf在待成丝的糖混合物中使用了润湿剂，并且在成丝时控制所得丝周围气体的相对湿度。所述适用的润湿剂如下转化糖浆或玉米糖浆和多羟基醇类，如山梨醇、丙三醇和五羟基醇，如木糖醇。为了使制造者能在食品颗粒的周围包装和挤压棉花糖的纤维来包裹干燥的食品颗粒，Shoaf还涉及防止棉花糖结晶的问题。
最近，由Domino Sugar Corporation，Industrial Products提供的名为“Co-Crystallin zation”(未注明日期)的商业手册中描述了一种产品，其中微小的晶体组成聚集体，并在每一个聚集体的表面上放有第二组分。生产这种新产品的方法要求所有的初始原料必须处于液体状态。因此为了浓缩糖浆长出晶体，必须通过加热和/或抽真空的方法去除溶剂。与其它的溶液过程一样，将糖转变成微小的晶体需要能量。
对于上面所列的各种方法以及本技术领域熟知的其它方法，本质上都有通过脱水促进结晶的技术原理。过饱和、盘式干燥和由搅动或化学反应引发的成核过程都是依据消除水以形成晶体的原理。依据这一技术基础进行的结晶过程，其通常的困难是无法控制晶体的生长。
因此，提供一种区别于传统的脱水方法形成晶体的机理和提供一种低能耗生产结晶糖产品的方法，这在结晶技术领域将是一个显著的发展。
因此，本发明的一个目的就是使工艺技术人员能够不以高能耗过程即生产出一种具有预期的晶体生长情况和均匀的结晶粒度的糖产品。在说明书的另外部分将描述其它的目的以及令人惊奇的新的糖晶体技术。
本发明是一种新形式的结晶糖及其制备方法。新的结晶糖来自于独特的结晶过程，该过程包括将无定型的切变糖(amorphous shearform sugar)团块转变成新的结晶糖。这一转变过程包括首先由无定型切变团块的外层部分形成二维稳定的糖晶体骨架，随后使该团块的剩余部分转变成为基本上完整的晶体结构，并保持糖晶体骨架的横截面的尺寸。优选无定型切变糖团块(此后将进行更充分的讨论)制成长针状形状(当放大时为棒状)。每一个棒都有一个线性尺度和确定的横截面尺度，横截面在与线性尺度成直角交叉的平面中。无定型团块在每个棒的整个长度和横截面上都是连续的。因此每一棒都有一个外层部分形成棒的表面和剩余的部分，剩余的部分是每个棒主体中的无定型团块。因此新的方法和产品由从外层部分首先形成的结晶骨架和由无定型团块的剩余部分转变成为晶体形式而在其骨架上建立的完整结晶结构所组成，因此最终结构的横截面尺度基本上与初始形成的骨架尺度相同。本方法的关键是二维稳定结构的形成和保持。
通过初始确立晶体骨架和保证控制各种条件使该骨架在转变期间保持稳定来达到二维稳定性。这可以通过以下过程来完成使切变无定型糖在基本非水的气体环境中以一定的速度和一定的量与水接触，使无定型糖在团块的外层部分结晶，随后，使切变无定型糖以一定的速度和一定的量继续有控制地与水接触，并保持形成的壳稳定，同时使团块的剩余部分结晶，从而完成转变。
另一种方法包括在一个可控制相对湿度(r.h.)的基本非水的气体环境中有控制的加热无定型切变糖团块，直到无定型糖在团块的外层表面形成一个具有固定截面尺度的壳。继续以控制的量充分加热，以保持所形成的壳并使无定型糖的剩余部分转变成为晶体结构。应该注意到可以通过下述方法进行有控制地加热1)提高转变过程发生的环境的温度，2)保持温度稳定，或甚至3)使温度以一定的速度降低，使热量转移到团块中。
优选稳定的二维结构有一个单分散且为微晶结构的截面，即不大于约50μm，优选不大于约40μm，在一个最优选的实施方案中，不大于约10μm。
与糖结晶领域的技术教导相反，根据本发明，新的糖产品通过向无定型糖中加水制备。本发明所用的无定型糖是指具有高百分含量的非结晶体的糖团块，即糖团块中非结晶体的含量大于50wt%，优选大于70wt%。本发明独特的过程包括使无定型切变糖在基本非水的气体环境中，以一定的速度和一定的量与控制量的水接触，一开始就稳定糖的二维结构。
虽然本发明主要涉及本说明书中所定义的糖，但也旨在包括处理(和由此而得的产品)无定型固体形式的溶剂可溶的能够形成晶体的化合物。对本发明的方法和产品优选的溶剂是水。
无定型糖可以通过切变处理含糖的原料来制备。根据本发明，切变过程是一个为了得到闪流(flash flow)而同时对物料进行剪切和加热的过程。切变过程包括使含糖的物料经受在离心头的高速旋转而产生的剪切。当物料经历闪流时，离心头向外抛射物料。闪流是同时采用加热和剪切而产生的结果。另一种切变过程包括充分加热含有糖载体的非溶液化的物料，以提供内部流动(internalflow)。当糖具有内部流动时，物料被喷出，然后经受破裂性的流体剪切力(disruptive fluid shear force)形成多个载体团块。也注意到其它的方法，这些方法提供了相同的加热和剪切临界条件，其中含糖的基本为固体的物料经过物理和/或化学变化从固体结构变化成实质上是无定型的固体结构。
添加剂可以包括在无定型糖中且成为最终产品的一部分。在本发明中将它称作共结晶。包括有那样添加剂时，糖的无定型性不降低，最终的晶体结构也不受影响。本发明所考虑采用的各种添加剂包括调味剂、生物作用剂、染料、香料、食品，食品成分以及其它的相容性助剂。本发明中的调味剂包括各种类型的、天然的和合成的增甜剂。
在本发明的一个优选实施方案中，切变产物可以在至少约50℃的温度下经受空气的作用。控制空气中的水含量，以便在切变糖产品表面实现局部结晶。在一个实施方案中，这一过程在一个密闭的系统中完成，在该系统中空气的初始相对湿度不大于50%，优选在5%-30%之间。
本发明的另一方面包括使用结晶调节剂(crystallization modifier)，以促进晶体骨架的形成和剩余部分的转变。在本发明的方法中所利用促进作用主要是指过程的加速。促进作用也包括对晶体结构的强度和对结果的可预期性的贡献。其它的有利方面，如小粒度产品也可通过使用结晶调节剂来达到。
结晶调节剂用于影响结晶速度，优选在制成无定型切变团块之前加入到糖中(或涂在糖上)。水本身就是一种结晶调节剂，优选以约0.5%-2.0%的量包含在无定型切变糖团块中。非糖类的亲水性有机物质(NSHM)也可以用作结晶调节剂。尽管有些NSHM是表面活性剂，但也可以使用其它的各种物质。已发现的最有效的物质的亲水亲油平衡值(HLB)为6或更大，即它们与以HLB为特征的表面活性剂相比，具有相同程度的亲水性。这样的物质包括(但并不仅限于此)HLB大于或等于6的阴离子、阳离子、两性离子表面活性剂以及天然物质。优选的NSHM是具有聚氧乙烯链的亲水物质。同时，优选的NSHM的分子量至少为200，优选至少为400。
在本发明中聚氧乙烯类和聚乙二醇类是优选的结晶调节剂。在一个实施方案中，NSHM结晶调节剂包含在原料中的量为0.1-20wt%，优选为0.1-5wt%。NSHM结晶调节剂也可涂在切变产品上。可用作结晶调节剂的表面活性剂包括(但并不仅限于此)HLB大于6的司盘(SpansTM)系列、吐温(TweensTM)系列(可从ICI Americas Inc.购得)和卵磷脂(Lecithins)系列。碳蜡(CarbowaxTM)也是本发明中非常有用的另一种结晶调节剂。
使用上述结晶调节剂，无定型糖团块的转变过程被显著地促进。气体(可以是空气)可保持在约40-70℃。这一宽的温度范围在适应世界各地的环境方面尤其有用。而且，为达到实现本发明的转变过程所要求的与水的接触，可使用相对湿度为5-90%的气体。这又是一个相当宽的范围，这归功于在切变无定型团块中使用了结晶调节剂。
借助于NSHM结晶调节剂的使用，本发明的方法和产品可以以高度的可预见性重复生产。鉴于促进本发明过程和产品的其它结晶调节剂也已被确认，所以申请人打算将其它结晶调节剂包括在本发明权利要求书范围内。
由于采用本发明，得到了一种新的晶体形式。已发现这种晶体形式适用于需要均匀结晶糖的各种产品。例如，可以制备基本上由本发明的结晶糖产品组成的一种新的软糖料。所得产品光滑可流动，并且有一种新的微观组成，不同于任何已知的软糖产品。
本发明方法的特点使得工艺技术人员能够以高度的可预见性制备特殊粒度和形状的结晶产品，也可以有效地生产小粒度的晶体而无需高能耗的粉碎和筛分过程。这一点与以前的结晶产品和方法显著不同。
由于本发明，也可以提供用于食品(如软糖，糖霜，烘制食品的馅料-尤其是馅饼馅等)中的新的油脂和类似的成分。
另外，本发明可用于制片。各种活性剂可以与产品一起混合，或通过结晶和成片而在产品本身中。制备片时可以使用赋型剂也可以不用。或者，本发明的产品可以用作制片的赋型剂。
本发明独特地利用了物质寻求和维持低能态的自然动力，创造出了控制晶体生长的方法以及由此生产的新产品。具有天然结晶结构的物质从其熵最低态转变到无定型的熵增加状态。在无定型状态中，物质具有转变成低能态(即物质的结晶形式)的自然倾向。发明者在此利用了物质的这一自然倾向以驱动可控制的结晶。这已通过提供一个其中上非溶剂的体系来完成，在该体系中，溶剂的量可以控制，使得进行可控制的结晶成为可能。利用物质寻求能量最低态的自然倾向而得到的方法和产品的种类是无限的，而本发明的权利要求覆盖了利用上述原理的任何方法。
无意于囿于任何理论，现认为所述独特的结晶过程通过一种全新的处理方法来实现，这种全新的加工方法与糖的玻璃转变温度相关。具体地说，在方法上，可以通过加热到温度接近于无定型糖/水/结晶调节剂组合物的Tg来达到玻璃转变温度Tg。或者，可以通过湿度提供水来降低糖/水/结晶调节剂组合物的Tg到环境温度，从而使局部结晶发生，得到稳定的晶体骨架。理解这些原理显然可使工艺技术人员能够变换各种参数实现这一独特的方法和其中的产品。
为了更好地理解本发明，参考下面附图、详细描述以及各非限制性实施例。本发明的范围在详细描述后的权利要求书中进行描述。


图1A、1B和1C是本发明独特的结晶糖产品分别放大3000、2900和2490时拍摄的显微图片。
图2A、2B、2C和2D是切变无定型糖团块在放大500倍(2A和2B)和2000倍(2C和2D)时拍摄的显微图片。
图3是由本发明方法制备的添加植物油的结晶糖的显微图片，表示结构中的晶体形式。
图4是二维稳定化和随后的结晶生长之前的切变无定型糖的工艺简图。
图5是当晶体生长时二维稳定的切变产物的工艺简图。
图6是表示图1-3所示产品的沿线的截面的工艺简图。
图7描绘切变产品中结晶作用与时间和湿度的函数关系。
本发明是一种新的结晶糖，其生产方法为首先在两维稳定无定型切变糖团块，优选在该两维平面中确立的截面的尺度是单分散的。随后发生结晶生长，从而无定型团块的剩余部分在初始结晶形成的骨架中结晶，因此产生的结构的横截面的尺度与骨架截面尺度相同。
图1A-1C和图3是本发明产品的显微图。表明二维稳定了、在随后的结晶中保持了初始骨架的截面尺度的糖。图1A-1C表示由于无定型糖团块在骨架上结晶，在每一个纤维的内部产生的空间。由于结晶的糖分子与无定型的糖分子相比是有序的，因此结晶的糖占据更小的空间。从而，晶体骨架一旦形成，则随后无定型糖在骨架上的结晶将在棒的内部产生空隙或空间。
图3描绘了含有50%植物油的样品。包含的植物油用以在光学显微镜下使结晶呈暗的区域。棒的暗区表明结晶已经发生的所在，如沿着每个棒长度的外侧以及通过每个棒的内部。这一现象如何发生将在下面进行详细描述。图3是本发明的糖结晶产品放大40倍的显微图。
本发明涉及在没有使用常规的高能耗过程的情况下，糖从无定型状态到结晶状态的转变。在本发明中，无定型糖首先由糖类形成。糖类是指基于简单的结晶单糖和二糖(即基于C5和C6糖结构)的物质。糖类包括蔗糖、果糖、甘露糖、戊糖、木糖、核糖、乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖、异麦芽糖(如Palatinit型PF，由Suβungsmittel GmbH，Mangheim Germany制)、糖醇(如山梨醇、木糖醇、甘露糖醇、麦芽醇)等等。在本发明中选择的糖是蔗糖。
在本发明的技术中，使用切变糖产品来得到新的糖产品。切变糖产品基本上是无定型糖，它通过在不用溶剂的条件下使糖进行充分的加热和剪切而使结晶糖(通常为颗粒状)转变成为无定型糖而得。因此在本发明中，切变糖产品的特征在于它是从非溶液化的糖得到的产品。它是形成本发明独特结晶产品的起始物质。
在本发明的优选实施方案中，无定型切变糖团块是一些在放大时为棒状的众多纤维。图2A-2D描绘了本发明优选的切变起始物质。作为最优选的实施方案，无定型切变起始物质还包括结晶调节剂。结晶调节剂，如碳蜡系列，吐温系列，卵磷脂系列等，可以包含在用于制备切变物质的原料中，或在结晶之前涂在切变物质上。
本发明的方法是独特的，因为它使用了一种与传统的通过从溶液中浓缩和/或过饱和糖来形成结晶的技术教导直接相反的过程。事实上，本发明使用了一种需要使糖和溶剂(优选为水)进行有控制的接触的过程。水被有控制的加到无定型糖中引发且传播本发明所请求保护及公开的独特的结晶生长。
这一整体概念与以前的技术直接相反，以前的技术具体教导技术人员用加热和/或抽真空的方法驱除溶剂而减少或脱除溶剂使糖结晶。
具体地说，本发明使用例如在制备棉花糖的机器中存在的条件下加工糖所产生的切变无定型糖。在这些机器中，糖被引进一个纺丝头中，在此它经受热以及由纺丝头的离心力产生的剪切。有关纺丝物质的公开文献包括USP4，855，326、4，873，085、5，034，421、4，997，856、5，028，632。
在上面所列美国专利中的实施例中描述了使原料在纺丝头内高速旋转的同时，用加热元件加热处理原料的过程。温度的变化相当大，据信，这由纺丝头高速且有效地将原料分散至围绕纺丝头的周围而环形布置的加热元件上而引起。因此原料与加热元件之间有充分的表面接触。在原料中也可以包括添加剂，这样按本发明进行处理时将产生共结晶。
最近，题为“Process For making shearform Maxtrix”的美国申请965，804(1992年8月23日提交)描述了另一种制备切变基体的方法，该方法使非溶液化的原料充分加热引起内部流动，当具有内部流动时喷射出原料物流，然后使它经受破裂性的流体剪切力作用，从而使它分离成为具有转变的形态的分离的部分或团块。得到的产品是无定型的。该物质中也可含有其它的成分，这样当它用于本发明的过程时，将发生共结晶。
然后，上面所产出的含有或不含有添加剂的无定型切变产品与基本非水的气体环境(如空气)以及控制量的溶剂(如水)接触。在基本非水的环境中使切变糖产品与水接触的目的是使糖在不发生切变无定型糖结构的崩解的情况下结晶。一旦外层的部分结晶形成结构的壳或骨架，则无定型团块剩余的部分就可进行结晶(优选以较快的速度)得到充分结晶的糖结构。
优选切变无定型糖的温度保持在接近或略低于它的玻璃转变温度。据信随着水进入糖团块，玻璃转化温度降低，导致局部结晶发生以形成外壳或骨架。骨架提供了结构的坚固性，从而在结构的剩余部分结晶期间其截面尺度保持不变。如果溶剂(如水)对结晶位暴露得太快，则结构本身降解并倾向于自行崩解，从而产生饱和糖晶体的微粒。
本发明者发现通过控制结晶发生的环境能够在两维尺度上稳定通常为纤维形式(在放大时为棒)的切变产品。所谓两维是指产物结构之内的两维。因此，参考图5，在非水气体环境中与湿气有控制的接触能在X和Y方向上稳定切变产品。这种稳定化沿着棒R的整个长度发生。
通过在基本非水的气体环境中连续有控制的结晶，无定型团块的转变持续进行，直到它转变成基本上完全结晶的结构。转变了的棒可以弯曲或有一个轻微的螺旋型构型，但是它保持了与晶体骨架相同的截面尺度。
由于棒R的结构被二维稳定化，所以结晶导致糖团块中存在的分子占据较小的空间。无定型糖含有的自由体积空间是无定型糖分子之间的空间。结果，无定型糖表现为如图4的连续的团块。当糖结晶时，自由体积空间被消除且固体糖结构占据更小的空间。
因此在棒R内的糖团块朝棒的外表面收缩。见图5。此时本发明典型的结晶形成有点不连续的通道。图4描述了产品的纵向截面图。在棒的有些部分，通道是中断的或不连续的。这些不连续部分表示为内部截面D。
此外，本发明还包括提供高度可控制的结晶形成的概念。产生的具有如此高度特殊性粒度的晶体在此称作“单分散的”。然而本发明的单分散方面与二维稳定化有关。在图4、5和6中，尺度L指晶体直径。它是通过晶体的截面平面P中最大的直线距离。在此所述“单分散的”是指至少约60wt%，优选至少约80wt%，最优选至少约90wt%的晶体直径在平均晶体直径的60%之内。
在另一个进一步的实施方案中，晶体被二维单分散稳定化，其中至少60%晶体的直径在平均晶体直径的50%之内，在最优选的实施方案中，在平均晶体直径的40%之内。
当无定型糖含有结晶调节剂(如0.1-5%的聚氧乙烯、聚乙二醇或碳蜡)时，为实现独特的结晶过程及由此而得的产品，在蔗糖的情况下，在温度为约35℃到约60℃，优选为40℃到55℃时，提供相对湿度至少为约5%，优选为约10%-70%的环境而得到水。
本发明高度优选的实施方案包括NSHM结晶调节剂的使用。结晶调节剂可以在无定型切变产品的制备期间加入或在结晶之前涂在切变产品上。发现通过添加NSHM结晶调节剂，骨架结晶所需要的时间可以从几天(最多达约30天)减少到约3分钟。
结晶调节剂，如非糖类亲水有机物质(NSHM)，据信与无定型糖竞争水。这一现象在切变团块的局部区域降低了糖的玻璃转变温度。结果局部的结晶形成外层壳或骨架。该骨架提供了一个坚固的外部骨架，依靠着它剩余的无定型糖团块发生转变。显然，结晶调节剂在无定型糖的分子排列中产生自由体积空间，结果促进了结晶骨架形成和结构上整体转化的本发明过程。
通过使用NSHM，本发明的结晶时间从几天减少到几个小时或几分钟。这一促进本发明的独特结晶生长的能力，据信能显著促进本发明的商业应用。本发明包括能够促进本发明的晶体生长的所有结晶调节剂的使用。
本发明的另一方面是共结晶。任何相容的添加剂都可以包含在本发明的晶体结构之内，从而使最终产品含有这些添加剂。这些添加剂可以选自调味剂、生物作用剂、染料、香料、食品、食品成分以及其它的相容性助剂。相容意味着添加剂可以包含在无定型糖之中而不破坏其无定型性，也可以包含在结晶产品中而不破坏其结构。
非限制性的生物作用剂可列举如下止咳素类、抗组织胺类、止充血剂类、生物碱类、矿物填充剂、轻泻剂类、维生素类、抗酸剂、离子交换树脂类、抗胆固醇剂类、抗脂肪剂类、抗心律不剂药类、退烧药类、止痛药、食欲抑制剂类、祛痰剂类、抗忧郁剂类、抗溃疡剂类、消炎药类、扩冠药物、扩脑血管药类、周围血管扩张剂类抗感染药类、physcho-tropics、抗狂躁病药类、兴奋剂类、胃肠药类、镇静剂类、抗腹泻剂类、抗心绞痛药类、血管扩张剂类、抗高血压药类、血管收缩剂类、周期性偏头痛药类、抗菌素类、止痛药类、抗精神病药、抗肿瘤药类、抗凝剂类、抗血栓药类、催眠药类、止吐药类、抗晕药类、抗痉挛药类、神经与肌肉药类、高、低血糖药类、甲状腺剂和抗甲状腺制剂类、利尿剂、抗痉挛剂类、子宫松弛剂、矿物和营养性添加剂类、减肥药类合成代谢药类、促红细胞生成类药物、平喘药类、抑咳药、粘多糖类、抗尿毒症药物和上述各药物的各种混合物。
本发明特别适用于为吸入剂提供一个新的输送系统。吸入剂必须是由能被患者迅速吸收的微小颗粒形成。因此由于糖在体温下迅速溶解，故而与本发明独特的微细的高度均匀的产品共结晶的吸入剂可以以能被身体迅速吸收的微细颗粒的形式很容易送入。本发明的另一个方面，切变糖可以被充分压紧形成多孔的压紧团块。然后该基体经过有控制的加热和水的作用使糖二维稳定化形成结晶基体。该基体然后可以用饱和的糖水溶液处理，在基体内的晶体结构上沉积更多的糖，为该基体结构进一步增加牢固性。优选过饱和溶液为酒精/水糖溶液，并且优选水含量小于5%。通过这一方法，可以制备能迅速溶解的薄片产品。也可以在用饱和糖溶液处理步骤前或后将各种生物作用剂、调味剂、味觉掩盖成分(taste masking ingredients)等沉积在基体内。
实施例在下面的实施例中，切变无定型初始原料的制备是通过在一个类似于制备棉花糖的设备中对颗粒状的蔗糖(或在实施例中指明的其它物质)“纺丝”而得。
实施例1首先进行实验以确定切变产品中的湿度对导致的结晶的影响。制备两个样品，都由约100克颗粒状蔗糖和约10克自来水组成。物质静置12小时，然后在类似制棉花糖的设备中纺丝。分析产生的无定型基体确定该切变产品中水的百分含量。在样品A中，含水量为1.36%，在样品B中，含水量为0.91%。
样品A和B分别装入32oz的玻璃容器中并密封。每个容器中的环境空气的相对湿度约为40%。密封的容器保持在63℃30天。在每一种情况下，随着温度提高到63℃，含湿量保持不变。在每一个样品中，其结晶过程为首先形成晶体骨架，随后将团块中剩余的部分转变成为晶体，但骨架的截面尺度保持不变。各样品表现出如图3所示的结晶。
结晶的结果如图5所示。因此，在结晶开始时含有1.36%水的切变产品，25天后接近于全部结晶。而含有0.91%水的产品在25天后只有50%的结晶。显然样品A含有足够的水，使其以较快的速度完成结晶。
然而，对两种情况下结晶产品的分析表明随着结晶在第三维上继续进行，形成了高度均匀，单分散性的二维稳定的结晶产品。产品的平均截面尺度为约10μm。依据这些实施例制备的产品在软糖料的制备中是非常有用的。
表面活性剂实施例在这些实施例中，进行各种实验以确定作为结晶调节剂的表面活性剂对本发明的过程和产品的影响。在这些实施例中所用的切变产品是在制棉花糖型机器上制备的，在此原料在约160℃于3600rpm的转速下纺丝。
司盘80TM/吐温80TM-HLB8.0第一个实施例，用99%的蔗糖和由65%司盘80TM和35%吐温80TM混合而成的表面活性剂组成的组合物制备。表面活性剂的HLB为8.0。该组合物被纺丝，得到的切变产品是紧密的并有一点蓬松。结晶在几个小时内即开始发生，且在12-24小时之间完成。产品结晶具有本发明的特殊的结构。
司盘80TM/吐温80TM-HLB10.0第二个表面活性剂实施例用46.7%司盘80TM和53.3%吐温80TM的混合物进行，表面活性剂混合物的HLB为10.0。原料由99%的蔗糖和1%的表面活性剂混合物组成。
该混合物被纺丝并经过与前面的表面活性剂实施例相同的条件。得到的絮状物非常软且含有束状物。该产品暴露在温度约21℃、相对温度约40%的空气中。在几个小时内结晶开始发生，在24小时内结晶很好地完成。再一次显示了使用上述比例表面活性剂对结晶的显著的促进作用。
司盘80TM/吐温80TM-HLB12.0第三个表面活性剂实施例中，原料包括99%的蔗糖和1%的表面活性剂混合物，该表面活性剂混合剂由28%司盘80TM和72%吐温80TM组成。其HLB为12.0。
该组合物用与前面的实施例同样的方法处理，得到非常软的絮状物。
在24小时内完成了非常好的结晶。
吐温80TM-HLB15.0第四个表面活性剂实施例用99%的颗粒蔗糖和1%的吐温80TM组成的组合物制备。该组合物用与前面的实施例同样的方法处理，得到非常好的絮状物。并且在几个小时内结晶。同前，在24小时内结晶完成。
对比表面活性剂实施例司盘80TM-HLB4.3在对比表面活性剂实施例中，99%的颗粒蔗糖和1%的司盘80TM(HLB为4.3)组成的组合物被纺丝。该组合物被混合直到混合得非常均匀，然后在纺丝头中处理。
纺丝后的产品表现为非常软的、束状的絮状物，颜色很浅。暴露到相对湿度40%的气体环境中几个小时后，絮装物开始瓦解。在24小内整个团块上硬化成为圆盘形硬块。因此当表面活性剂的HLB小于6.0，即为4.3时，将不能提供本发明的完美的结晶结构。
因此，概括起来可以看出，在本发明的方法中表面活性剂的使用能够促进结晶。这能显著促进本本发明的商业应用。
商业实施例为了说明本发明的商业价值，用碳蜡(CarbowaxTM)作结晶调节剂制备无定型切变物质样品。碳蜡包含在颗粒状的蔗糖中，提供纺制切变物质原料。为了减少未纺制球形式的杂质，切变物质从纺丝过程立即取出并引入滚轧机中。产品被立即送入热的湿空气中，以此使结晶以本说明书所述的形式发生，即首先形成骨架，随后无定型团块的剩余部分转化，且结晶的骨架无崩解。令人惊奇的是转变在仅3分钟内发生。
这是本发明在商业中使用的一个卓越的结果。本发明独特的结晶产品的工业化生产具有非常多的用途。
因此，在描述了据信是本发明的优选的实施方案后，本专业技术人员会认识到在不违背本发明正确的精神实质的前提下可对本发明作其它进一步的改进，所有这类其它实施方案都打算包括在本发明的权利要求书范围内。
权利要求
1.形成新的结晶糖产品的方法，包括由切变无定型糖团块的外层部分形成二维稳定的糖晶体骨架，和将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的结晶结构，该结构基本上保持了所述糖晶体骨架的截面尺度。
2.根据权利要求1的方法，其中所述形成包括使所述切变无定型糖团块在基本非水的气体环境中以一定的速度和一定的具有控制地与水接触，使无定型糖在所述团块的外表面结晶，形成具有所述截面尺度的壳。
3.根据权利要求2的方法，其中所述转变包括使具有在其上形成的所述壳的所述切变无定型糖团块在所述环境中以一定的速度和一定的量继续有控制地与水接触，保持所述的壳稳定并使所述团块的所述剩余部分结晶形成所述晶体结构。
4.根据权利要求2的方法，其中当所述无定型糖团块与所述水接触时所述气体是空气，且空气保持在至少约50℃。
5.根据权利要求2的方法，其中所述接触通过采用控制量的含有相对湿度不大于约50%的所述气体完成。
6.根据权利要求5的方法，其中所述相对湿度为约5%-50%。
7.根据权利要求1的方法，其中所述形成包括在含有控制量的水的基本非水的气体环境中对所述切变糖团块有控制的加热，直到在所述团块外层表面上的无定型糖形成具有所属截面尺度的壳。
8.根据权利要求7的方法，其中所述转变包括在所述环境中以一定的速度和一定的量继续对具有在其上形成的所述壳的所述切变糖团块有控制地加热，保持所述壳稳定并使所述团块的所述剩余部分结晶形成所述晶体结构。
9.根据权利要求7的方法，其中所述气体是空气，其初始相对湿度不小于约50%。
10.据权利要求7的方法，其中所述加热为在所述环境中，在恒定湿度的条件下，通过将温度升高到约50-65℃完成。
11.根据权利要求1的方法，其中所述形成包括在非水气体环境中有控制地暴露于热和溶剂，以调整所述切变糖团块的玻璃转变点至环境温度。
12.根据权利要求1的方法，其中所有的二维稳定的晶体骨架都有一个单分散的截面尺度。
13.根据权利要求12的方法，其中所述单分散的稳定结构是微晶。
14.根据权利要求13的方法，其中所述微晶结构的尺寸不大于50μm。
15.根据权利要求14的方法，其中所述尺寸不大于10μm。
16.根据权利要求1的方法，其中所述切变无定型糖团块是通过使糖原料在纺丝头中经受高速纺丝制备的，在纺丝头中所述原料经受充分加热和剪切产生闪流，并在纺丝期间放出所述无定型糖团块。
17.根据权利要求1的方法，其中切变无定型糖团块以下述方式制备充分加热非溶液化的糖载体以提供内部流动条件，并使所述糖载体经受破裂性流体剪切力以形成所述多个切变团块。
18.根据权利要求1的方法，其中所述切变无定型糖团块进一步包括添加剂，借此所述添加剂在所述晶体结构中共结晶。
19.根据权利要求18的方法，其中所述添加剂是能够混入所述无定型糖团块而不降低所述糖团块的无定型性和不破坏所述晶体结构的物质。
20.根据权利要求18的方法，其中所述添加剂选自调味剂、生物作用剂、染料、香料、食品、食品成分和其它的相容性助剂。
21.根据权利要求1的方法，进一步包括在所述切变无定型糖团块中加入结晶调节剂，从而促进所述形成和所述转变。
22.根据权利要求21的方法，其中所述结晶调节剂选自溶剂、自由体积空间剂(free-volume space agent)及它们的混合物。
23.根据权利要求22的方法，其中所述结晶调节剂是以约0.25wt%至约3.0wt%的量加入所述切变无定型团块中的糖溶剂。
24.根据权利要求22的方法，其中所述调节剂是选自各种表面活性剂或它们的混合物的自由体积空间剂，它们的HLB至少为6.0。
25.根据权利要求1的方法，进一步包括在通过所述转变而在所述新结晶糖产品中产生的空间中负载非溶剂液体。
26.根据权利要求25的方法，其中所述非溶剂液体是含油的液体。
27.根据权利要求26的方法，其中所述含油的液体选自各种植物油、各种动物油、各种调味剂油、各种含药物的油、含油树脂及它们的混合物。
28.根据权利要求25的方法，其中所述负载包括通过所述液体在所述空间中的毛细作用，将液体转移进所述空间。
29.一种新的糖产品，包括以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构。
30.根据权利要求29的新的糖产品，其中所有所述产品都是二维单分散的。
31.根据权利要求29的新的糖产品，其中所述切变无定型糖进一步包括添加剂，借此所述添加剂在所述结晶产品中被共结晶。
32.根据权利要求31的新的糖产品，其中所述添加剂选自调味剂、生物作用剂、染料、香料、食品、食品成分和其它的相容性助剂。
33.根据权利要求29的新的糖产品，其中所述单分散的稳定结构是微晶。
34.根据权利要求29的新的糖产品，其中所述无定型切变产品基本上是棒状，所述两维处于所述棒的截面平面内，所述一维沿着所述棒的线性轴(linear axis)延伸。
35.根据权利要求34的新的糖产品，其中单分散的结构上稳定的截面不大于50μm。
36.根据权利要求35的新的糖产品，其中所述截面不大于10μm。
37.根据权利要求34的新的糖产品，其中在所述一维上的线性结晶提供了一个中空的棒。
38.根据权利要求35的新的糖产品，其中所述棒在结晶后断裂成为微晶段。
39.根据权利要求29的新的糖产品，其中所述形成包括使所述切变无定型糖在非水流体环境中，以一定的速度和一定的量有控制地与水接触，给出所述的骨架，并且其中所述转变包括随后促进逐渐结晶形成所述结构。
40.根据权利要求29的新的糖产品，其中所述形成包括在具有控制的相对湿度的基本非水的气体环境中有控制地加热所述切变糖团块，直到在所述团块外表面上的无定型糖形成具有所属二维稳定性的壳，并且其中所述转变包括随后促进逐渐结晶形成所述结构。
41.根据权利要求29的新的糖产品，进一步包括在通过所述转变在所述新结晶糖产品中产生的空间中载有的非溶剂液体。
42.根据权利要求41的新的糖产品，其中所述非溶剂液体是含油的液体。
43.根据权利要求42的新的糖产品，其中所述含油的液体选自各种植物油、各种动物油、各种调味剂油、各种含药物的油、含油树脂及其它们的混合物。
44.新的软糖料产品，包括以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构。
45.制造软糖料产品的方法，包括将以下述方式生产的二维稳定的结晶糖与水混合ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构。
46.用于烘制食用产品的可食用组合物，包括以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构;以及至少一种选自树胶、润湿剂、脂肪、调味剂及其混合物的其它成分。
47.用于烘制食用产品的可食用组合物，包括A)以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构;和B)至少一种选自树胶、润湿剂、脂肪、调味剂及其混合物的其它成分。
48.烘制食品，包括A)烘制的部分;和B)一种组合物，包括Ⅰ)以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构;和Ⅱ)至少一种选自树胶、润湿剂、脂肪、调味剂及其混合物的其它成分。
49.形成新的结晶的糖产品的方法，包括在切变无定型团块中混入结晶调节剂，由所述切变无定型糖团块的外层部分形成二维稳定的糖晶体骨架，和将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构，基本保持所述糖晶体骨架的截面尺度。
50.根据权利要求49的方法，其中所述形成包括使所述切变无定型糖团块在基本非水的气体环境中以一定的速度和一定的量有控制地与水接触，使无定型糖在所述团块的外层表面结晶，形成具有所述截面尺度的壳。
51.根据权利要求50的方法，其中所述气体保持在约40-70℃之间。
52.根据权利要求50的方法，其中所述接触通过使用控制量的相对温度为约5%-90%的所述气体完成。
53.根据权利要求50的方法，其中所述结晶调节剂选自溶剂、自由体积空间剂及它们的混合物。
54.根据权利要求53的方法，其中所述自由体积空间剂选自各种表面活性剂及其混合物，它们的HLB至少为6.0。
55.新的糖产品，包括以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)在切变无定型团块中混入结晶调节剂，ⅱ)由所述切变无定型糖团块的外层部分形成二维稳定的糖晶体骨架，和ⅲ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构。
56.根据权利要求55的新的糖产品，其中所述形成包括使所述切变无定型糖团块在基本非水流体环境中以一定的速度和一定的量有控制地与水接触，提供所述的骨架，且其中所述转变包括随后促进逐渐结晶，形成所述结构。
57.根据权利要求56的新的糖产品，其中所述流体是温度保持在约40℃-70℃之间的气体。
58.根据权利要求56的新的糖产品，其中所述接触通过使用控制量的相对湿度为约5%-90%之间的气体作为流体完成。
59.根据权利要求55的新的糖产品，其中所述结晶调节剂选自溶剂、自由体积空间剂及它们的混合物。
60.根据权利要求59的新的糖产品，其中所述自由体积空间剂选自各种表面活性剂及其混合物，它们的HLB至少为6.0。
61.能在哺乳动物嘴中迅速溶解的圆片产品，包括以下述方式生产的二维稳定的结晶糖ⅰ)由无定型切变糖团块的外层部分形成糖晶体骨架，和ⅱ)随后将所述团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构。
全文摘要
本发明是一种新的结晶糖产品及其制备方法，包括由无定型切变糖团块的外层部分形成二维稳定的糖晶体骨架，及随后将该团块的剩余部分转变成为基本完整的晶体结构，该结构保持糖晶体骨架的截面尺度。本发明还包括在提供共结晶产品期间，共结晶一种添加剂，尤其是生物作用剂。结晶产品的结构也可在由无定型团块转变成晶体结构期间在结构中产生的空间中通过毛细作用载有非溶剂液体。
文档编号A61K9/70GK1104256SQ9411707
公开日1995年6月28日 申请日期1994年10月6日 优先权日1993年10月7日
发明者R·C·富伊兹, G·E·巴蒂斯特, G·L·迈耶斯 申请人:富伊兹技术有限公司