这是一个非常有趣的问题，涉及许多学科的原理，如有机化学、热力学和食品科学。
糖，无论是蔗糖、果糖还是葡萄糖，是我们日常生活中最常见的物质，其结晶过程都非常复杂。主要原因是糖是一种多羟的结构.
Part.1结晶过程中的热力学原理
结晶过程大致分为两个步骤，第一步是形成晶核，第二步是晶核生长。
我们可以从热力学中知道，自由能下降的过程是自发的过程。因此，在一定条件下，我们可以比较晶体的自由能和溶液中溶质的自由能。
- 当溶液浓度相对较低（未达到饱和浓度）时，晶体的自由能高于溶液的自由能。因此，晶体自发地向溶液变化，即晶体不断溶解；
- 当溶液浓度相对较高（过饱和浓度）时，溶液的自由能高于晶体的自由能。因此，溶液自发地向晶体变化，即溶质晶体不断出现；
- 当它们达到平衡时（即饱和溶液时），晶体和溶液的自由度正好相等。此时，既没有晶体生成，也没有晶体溶解。
但是，这只是热力学平衡情况。实际过程并非如此简单。上述判断仅指溶液和大块的晶体(如毫米级)之间的变化。除上述自由能变化外，实际结晶过程还包括另一部分:表面能。
晶体从零开始形成一个新的表面：晶体和液相之间的界面。我们知道，所有的界面都有表面能量。因此，该表面将增加额外的自由能量。
我们知道，在过饱和的情况下，晶体的产生导致自由能量下降，这种自由能的下降与生成晶体的体积成正比，而生成新的表面则会导致自由能量的上升，这种上升与表面积成正比。
在过饱和的情况下，晶体形成的晶体颗粒在晶体生成的初始时间非常小(称为晶核），在这个时候，自由能是一个增加的过程，很容易理解，因为在体积小的时候，比表面积趋于无限大，
当晶核的体积增加到一定程度时，晶体就会成为一个自由减少的过程，这也很容易理解，由于体积较大，比表面积趋于零。
因此，晶体核的形成最初是一个反自发的过程——晶体核不会自发形成，即使偶尔产生一个小的晶体核，它也会迅速溶解。但一旦形成超过一定尺寸的晶体核，它就会自发生长，从而继续生长，进入结晶生长的快车道。
所以说，在结晶过程中，需要跨越一个“能量障碍”，必须克服自由能的增加，形成一定尺寸的晶核，然后才能继续结晶。就像山顶上被大坝拦住的水库一样，每个人都知道水流向低处。山谷中的水是最稳定的，但水库中的水必须穿过大坝才能流下，这需要一定高度的“波浪头”。如果波浪头高于大坝，它将永远向下流动。如果它不能高于大坝，水将返回水库。
但这个例子有点不合适。因为大坝总是需要不断的波浪才能翻过来，但结晶是不同的。只要形成一个晶体核，其余的就可以依靠晶体核继续生长。就好像，晶核的形成就像在大坝上打了一个洞，让所有的水都从洞里流出来。
因此，晶体往往结在墙壁、灰尘和表面缺陷上，这是因为依赖于这些表面的晶体核。在相同的尺寸下，生成的晶体表面大大降低，因此能量基础的高度大大降低。
同样，当过饱和度增加（即溶液浓度增加）时，我们可以知道临界尺寸越来越小，能量屏障越来越低，因此晶体更容易形成，如下图所示：
因此，结晶过程经历了两个步骤：晶体核的形成和晶体的生长。第一步是形成晶体核。这个过程相对困难。第二个过程是晶体依靠晶体核一步一步地生长。这个过程相对容易：
Part.2 为什么盐容易结晶？
让我们先来看看盐。盐晶体是一种典型的离子键结构。在盐晶体中，它是由一个个组成的 Na 和 Cl-整体结构排列在一起。钠离子失去一个电子，氯离子获得一个电子，分别带有正负电荷。因此，一个负离子被几个正离子所吸引，反之亦然，因此最稳定的结构（最低能量）是下图所示的规则结构。
水分子也是电性的。水分子是一个氧原子和两个氢原子，按键角104.5°组合的“角落”结构。由于氧原子具有很强的吸引电子的能力，因此在水分子中，氧原子附近的位置为负电，氢原子附近的部分为正电。这就是所谓的“极性”。
因此，当水分子和氯化钠晶体在一起时，它们会参与离子之间的电相互作用。当水中盐浓度较低时，正离子和负离子会分别吸引水分子中的正电荷点和负电荷点，从而在溶液中形成相对稳定的结构。
但是，毕竟水分子极性产生的电效应远低于离子之间的相互作用。当盐浓度高时，钠离子和氯离子更容易相互吸引。盐是一种非常容易结晶的物质，基于钠离子和氯离子的简单结构，以及强大的电磁相互作用。这些离子很容易相互吸引，被称为分子簇 —— 当分子簇足够大时，它就会跨越能量基础，因此结晶会大规模自发开始。这就是为什么当我们加热盐水并达到过饱和状态时，很容易形成结晶。
Part.3为什么糖浆稳定(结晶为什么困难)
糖是不同的。糖的一个共同特征，总结一句话，“全身长满了羟基”。例如，最简单的葡萄糖，我们通常看到它的结构是这样的（当然，这是一种简化的表达方法）：
事实上，葡萄糖的空间结构比这种简单的绘画方法更复杂。它不是一个平面环形结构，而是更像这样（动画来自网络[1]）：
另一方面，羟基是由氢原子和氧原子组成的基团（-OH ），很容易知道，这个基团具有与水相似的极性 —— 氧原子附近为负电，氢原子附近为正电。事实上，我们可以将水分子视为羟基连接氢原子。所以，每一个羟基都会给分子带来一些额外的极性。然后，总的来说，葡萄糖是一个相对复杂的空间结构和不均匀的电荷分布分子。例如，红色表示负电荷，蓝色表示正电荷，图片来自吉斯卡 Research Group[2]）：
因此，当葡萄糖分子相互结合时，它们之间的相互作用就会复杂得多。
分子上有许多带正电的点，而其他点则带负电。当正电位和负电位相互吸引时，很容易形成一些不稳定的组合，称为“氢键”。氢键的强度远低于盐离子键，但高于一般离子键分子间力。在晶体中，每个分子的正电位置总是最有可能接近其他分子的负电位置，这样它们之间的吸引力就更大，组合就更牢固。这就要求分子之间的相对位置排列得当。如果位置和方向不好，不仅不会形成最稳定的结构，而且很容易导致分子之间相同电荷的位置相互接近，相互排斥。换句话说，这些正负电荷分布在分子上的位置就像榫榫和插孔。只有当两个分子的相对位置和分子的取向得到很好的协调，每个正负电荷的点正好对着榫卯，才能真正形成稳定的组合。(来自网络的图片[3])：
例如，下图就是一个典型的例子α-D葡萄糖的晶体结构[4]，虚线是分子之间形成的氢键。我们可以看到，一个葡萄糖分子的不同位置的基团和周围的几个分子形成了12个氢键。从图像上讲，一个分子有12个榫卯，与周围的分子完全配合。这比盐的结晶要困难得多。
最困难的一步仍然是晶核的形成。几个葡萄糖分子需要从无到有地面相互“插接”，并“堆积”成足够大的分子簇，然后才能有。这个过程只能通过热运动偶尔形成，分子不断碰撞。然而，这需要分子的位置和方向恰到好处。一旦形成稳定的晶核，其他葡萄糖分子就可以一个接一个地“插入”，晶体就会继续生长。更难的是，整个过程都是在水中完成的，而水分子是行走的羟基。这些羟基与葡萄糖分子上的羟基相结合，严重干扰了葡萄糖分子的结合。例如，如果一个水分子连接到葡萄糖分子上的一个极性点，它就不能再与其他葡萄糖分子结合 —— 就像榫头上沾着异物，插不进插孔。这么多水分子不断占据葡萄糖分子的极性点，不断分离。葡萄糖分子之间很难形成完美的配合。这种水分子与葡萄糖分子之间，葡萄糖分子之间的氢键，就是当糖水浓度较高时，粘性很高原因。同时，在高粘度糖水中，糖分子的运动和转向非常困难，进一步加剧了晶体核形成的难度。因此，糖浆结晶是一件非常困难的事情。因此，当糖水的浓度从稀释到浓度时，它们之间的相对位置和方向不容易形成最好的协调方式，通常只能形成部分组合，因此分子的排列非常不规则，组合非常不紧密。此外，这种结构将与大量的水分子混合，因为水分子也很容易与氢键结合。这就是为什么有这么多不同的糖“固体”形式，如软糖、麦芽糖和硬糖。当含水量低的糖浆急剧冷却时，葡萄糖分子在排列太晚时会粗心地结合在一起，形成不规则的排列方式，这就是为什么玻璃态。比如冰糖葫芦的糖衣。
从80%左右的水含量开始，随着浓度的增加，糖浆会逐渐从高粘度流体变成固体 —— 与其像结晶一样，不如有明显的饱和浓度和液固平衡过程。这个过程包括糖浆-拔丝-软球-硬球-硬球-软碎片-硬碎片(制糖行业的英文名称是 Thread、soft ball、firm ball、hard ball、soft crak、 hard crak，可能不允许翻译)。
糖浆的结晶也不是不可能形成的。但是，它需要更仔细地处理。
Part.4 如何使糖浆结晶
首先，让我们来看看糖水。相图[5](这是蔗糖的相图，而不是葡萄糖，但原理相似)：
左边的图是热力学平衡的图，也就是说，经过仔细处理，形成了最稳定的热力学平衡形式。右边是我们日常生活中常见的糖水形式。我们可以看到，在热力学平衡下，当糖水达到一定浓度时，确实会出现固液平衡区(黄色区域) —— 也就是说，“正常”的结晶过程。但事实上，由于之前的各种原因，该区域不容易结晶，而是形成相对稳定的结晶过饱和状态 —— 也就是说，它“应该”结晶，但不能结晶。然后，它会进入玻璃状态。从头到尾都没有晶体。那么，如何使糖浆结晶呢？首先，我们需要手动添加晶体核心。换句话说，我们把晶体颗粒放入糖浆中——我们称之为“晶种”，同时，它提供了大量的表面缺陷，使晶体核更容易形成。这绕过了结晶过程中最困难的一步。其次，我们不应该不耐烦，保持糖浆的温度，让它慢慢“生长” —— 也就是说，让葡萄糖分子有足够的时间根据“榫卯”的位置“插入”葡萄糖分子。按照传统工艺，我们可以在棉线上涂抹白砂糖，然后将棉线挂入过饱和糖浆中，静置一到两周。抹去的白砂糖是晶种，棉线提供了很多表面缺陷。这样，两周后，我们在棉线上得到了一串晶体 —— 也就是冰糖。(图片来自网上[6])
Part.5 如何使糖浆不结晶？
糖浆的稳定性使其在食品领域非常有用。大多数时候，我们关心的不是为什么糖浆不结晶，而是我们试图保持糖浆的稳定性，让它长期保持过饱和。
在食品技术方面，有很多方法。最常见的方法有两种，一种是在糖浆中加入少量的糖浆。玉米糖浆，另一种是在煮糖浆时加入少量酸性物质，如柠檬酸。
原则上，这两种方法实际上是相互关联的。就是在蔗糖中加入一些其他的糖。
例如，玉米糖浆中间有许多麦芽糖和其他寡糖。当在糖浆中加入柠檬酸时，酸会将蔗糖的一部分分解成葡萄糖和果糖。
糖浆中有许多不同的糖。由于这些糖的性质非常接近，它们很容易在彼此之间形成氢键。然而，不同的糖的极性点分布非常不同。相互干扰后，蔗糖很难“插入”彼此。你可以想象，如果一小部分似是而非的零件混合在一堆本可以互相插入家具的榫卯零件中，会发生什么？我们很容易想象这件家具现在很难插入。即使在蔗糖中加入少量其他糖，也能极大地抑制结晶。
