CN1225124A - 稳定饮料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从饮料中同时移去多酚和蛋白质的方法,该方法使饮料与可以吸附上面两类物质的离子交换剂接触。所使用的离子交换剂的特征在于:它是离子交换基团共价地键合在其上的水不溶性多孔亲水基体。

Description

稳定饮料的方法
发明领域
本发明涉及一种稳定饮料的方法，更具体地说是通过使用离子交换剂移去形成浑浊的物质以稳定饮料的一种方法。
发明背景
通过例如风味稳定性、生物纯度和物理化学稳定性的不同参数来评价饮料的质量，其中后者为啤酒最重要的参数之一。物理化学或胶体稳定性指的是例如啤酒的瓶装饮料中发生的非生物浑浊。该浑浊主要由多酚和蛋白质造成，它们经过氢键反应生成更大的分子。据认为，尽管根据来源不同，Mw的范围可能有所不同，但是形成浑浊的蛋白质具有30-60KDa的Mw。当移去Mw约为120KDa的蛋白质时，啤酒的泡沫稳定性将降低。部分多酚族，特别是单宁和白花色素，它们被分别测定可以作为用于稳定啤酒的指示剂。为了增加啤酒的稳定性，通常使用不同试剂和方法移去部分多酚、蛋白质或两者。对于啤酒来说，正常所需的保质期为约6个月，不同的国家和/或不同类的啤酒有所不同。
饮料的稳定和澄清是两个词，它们有时可以相互替换使用，有时它们为不同的概念。从严格意义上说，澄清指的是移去所述饮料中即将发生的浑浊和微粒物质，然而稳定指的是移去潜在的形成浑浊的物质，使得浑浊的发生更困难。在本发明正文中，应该从严格意义上理解两个词。
形成浑浊的物质的数量以及它们发生浑浊的趋势依赖几个因素。参见实施例部分。例如，每种啤酒的组成是唯一的，这取决于啤酒厂对不同加工方法、啤酒花质量和大麦等的选择。这意味着通过普通被接受的试验测定作为稳定性/稳定作用的可接受的水平可以在啤酒类型和/或啤酒厂之间有所不同。因此用于稳定作用的与本发明有关的固定限制很难设定。作为一个总的准则，当试验测定形成浑浊的蛋白质和多酚的值由于使用本发明向稳定方向变化至少10％时，可以说起到了稳定作用。这意味着相似的改变或甚至更低的改变可以分别应用于测定蛋白质和多酚的试验。稳定作用的目标不在于移去所有形成浑浊的蛋白质和/或多酚，因为这可能也很容易影响具体饮料的特性。背景文献
几年前人们已经知道饮料中具有引起浑浊的物质，因此人们建议移去大量的溶液。
从饮料中移去多酚的最常用的方法是使用聚乙烯基吡咯烷酮、PVPP。在PVPP加入饮料之前，必须与水混合以形成浆。将PVPP加到贮罐中或在啤酒过滤器前面注入到啤酒流中并与其它浑浊粒子一起被过滤出去。PVPP的两个性能是有用的：一次性使用和由于粒径的不同可再次使用。
从SU1451159中已知一种用于稳定啤酒的方法，它使用离子交换吸附剂移去多酚。在该方法中，将啤酒加热到65-75℃，加入由苯乙烯和含有四级三甲胺官能基团的4％二乙烯基化合物的共聚物组成的强碱性高分子交联吸附剂(阴离子交换剂)。将该疏水吸附剂加入到啤酒中，并使其量确保移去25-30％的多酚，搅拌，静置2-3分钟，并倾析啤酒。该吸附剂具有18-19mg/g的多酚吸附能力，至少可以重复使用十次，用每体积5份的水在45-50℃下再生。
Rep.Res.Lab.Kirin Brew.Co.(1972),No.15,17-24中使用了一种阴离子交换剂用于分馏啤酒中的多酚。首先，用例如乙酸乙酯从啤酒中提取多酚，然后将该提取液进行阴离子交换色谱，目的在于将该多酚分馏成几组用于进一步的研究。这样，没有使用阴离子交换剂稳定饮料。
在欧洲，从啤酒中移去蛋白质的最常用的方法之一是通过使用二氧化硅，该二氧化硅必须与水一起制成浆。将该二氧化硅胶加入到贮罐中或在啤酒过滤器前面连续注入到啤酒流中。该二氧化硅胶与其它浑浊粒子一起被过滤出去，使用后将二氧化硅胶扔掉。
移去蛋白质的另一被广泛使用的方法是使用鞣酸。在制备鞣酸和水的溶液后，将该鞣酸加入到贮罐中或在啤酒过滤器前面连续注入到啤酒流中。该鞣酸与其它浑浊粒子一起被过滤出去，使用后将该鞣酸扔掉。
同样，也有其它方法从含有形成浑浊的物质的饮料中移去蛋白质，例如使用蛋白水解酶或膨润土。
事实上，广泛使用二氧化硅胶和鞣酸后，并没有将它们再次利用，这使得它们成为环境污染的重要因素。
在优先权期间，瑞典专利局公布的国际检索报告引证了以下文献：
a．US-A-4100149，为了得到例如澄清的啤酒，采取了从啤酒和其它饮料中移去蛋白质。使用的吸附剂由涂敷有聚合物的无机粒子构成。该聚合物带有离子交换基团。实施例部分集中在涂敷的二氧化硅粒子上，并且不清楚得到的效果是由于该二氧化硅、聚合物涂层还是由于带电基团。
b．EP-A-166238，通过添加可能有或可能没有离子交换基团的试剂，中和果汁中抑细菌活性的多酚。
c．Hughes,Food Technology in New Zealand,10(30)(1985)建议：由于已知纤维素离子交换剂可以吸附蛋白质，可以使用它们稳定啤酒。
d．US-A-4288462建议：为了移去例如啤酒的饮料中的浑浊和形成浑浊的蛋白质，可以使用带有阴离子胶体二氧化硅的过滤元件。
e．US-A-3623955涉及从啤酒中移去某种酶。
f．US-A-3940498建议：使用酸处理过的合成硅酸镁用于从例如啤酒的饮料中同时移去不希望的蛋白质和多酚。
g．WPI登记号89-212564/29与SU1451159相同，讨论如上。其余出版物如下：
h．WPI登记号(DD-A-150078)建议：使用具有可以形成氢键、离子交换、化学吸附或螯合的基团的颗粒疏水物质从包括啤酒的饮料中移去形成浑浊的的物质。
i．WPI登记号81-15897D(GB-A-2056485)建议：使用带正电粒子用于移去引起饮料(白酒、啤酒、果汁等)中浑浊的物质。通过使用阳离子聚酰胺-聚胺表氯醇合成物处理粒子而引入电荷。当该粒子与饮料接触时，该粒子导致沉淀，后者可以通过过滤移去。
j．WPI登记号77-09751Y(=GB-A-1499849)建议：通过使用以疏水基体组成的阳离子交换剂移去饮料中的浑浊前体。
发明简述
本发明提供了一种从饮料中同时移去多酚和蛋白质的方法，该方法使饮料与可以吸附上面两类物质的离子交换剂接触。所使用的离子交换剂的特征在于：它是离子交换基团共价地键合在其上的水不溶性多孔亲水基体。
物理上，基体可以是由填充的多孔珠/粒或多孔单片或膜(连续的基体)组成的固定床形式。珠/粒的形状可以是球形或不规则形状。在两者的选择上，为了进行色谱，基体可以是不经混合(分级、稳定、膨胀)的流化床形式，或者该基体可以完全混合作为批次处理时使用。
基体可以由在其外表面和孔的表面的两个表面上都暴露有例如羟基和/或酰胺基的亲水基团的聚合网络构成，这些表面将在本发明的稳定方法中与饮料接触。尽管也考虑了全合成的聚合物，适宜的聚合物为大多数有机物和其生物源(生物聚合物)。有用的生物聚合物的例子为由用适当的离子交换基团取代和也可能交联的葡聚糖(Sephadex,PharmaciaBiotech AB,Uppsala Sweden)、琼脂糖(Sepharose,PharmaciaBiotech AB,Uppsala Sweden)、淀粉、纤维素(Sephacel,PharmaciaBiotech AB,Uppsala Sweden)等制得的多糖胶。合成聚合物的适宜例子是丙烯酸羟基烷酯或甲基丙烯酸羟基烷酯、羟烷基乙烯基醚、丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物，可任选地是N-取代等。由于上述生物聚合物和合成聚合物沿其聚合物链带有羟基和/或酰胺基，因此它们具有明显的疏水特性。同样可以使用例如包括苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的聚苯乙烯的纯疏水聚合物。后者，基体的孔表面例如使用具有适当亲水性的物质涂敷(物理吸附或交联)而被亲水化是很重要的，该物质为例如上述含有羟基的聚合物或含有羟基的低分子量化合物(SOURCETM,PharmaciaBiotech AB,Uppsala,Sweden)。
基体，具体地说在其为颗粒状时，可以含有无机物料，尽管上面建议其主要组分应为有机源，即＞50wt％(用啤酒或水饱和的)。
重要的是胶的孔隙率足够高，使得使饮料去稳定的蛋白质和多酚渗透。因此该胶应该允许形成浑浊的蛋白质和多酚渗透，因此可以允许107以下，一般为5×106Dalton以下的球形蛋白质渗透。离子交换能力的范围一般为每ml填充床0.05-0.50mmol。
离子交换基团可以是阳离子交换基团或阴离子交换基团。阴离子交换基团的例子有羧基(-COO-)、磺酸(-SO2O-)、膦酸基团等。阳离子交换基团的例子有季、叔、仲和伯胺基(-N+(R1,R2,R3))。自由价显示共价连接到基体上，并且一般通过有机间隔结构，例如纯烷烯或羟基烷烯。R1-3一般为氢原子或被一个或多个羟基取代的较低的烷基(C1-6)。在季铵基团中，具体地说，可以是所述的-N+(CH3)3，当经过间隔-CH2CHOHCH2-连接到基体上时被称为Q-基团。在实施例部分中使用SP Sepharose和CM Sepharose。在CM Sepharose中CM(羧甲基)代表-OCH2COO-，它取代羟基直接连接到基体(琼脂糖)上。SP(磺丙基)代表-(CH2)3SO3 -，它通过键-OCH2CHOHCH2O-取代基体(琼脂糖)的羟基。
本发明方法的步骤包括a．在允许去稳定蛋白质和多酚吸附的条件下，用上述离子交换剂之一将基体与饮料接触以使饮料得到稳定，b．从离子交换剂中获得饮料。一般该方法还包括可任选的第三个步骤c．即使用例如仅仅含有氢氧化钠和氯化钠和水的再生溶液接触离子交换剂而使离子交换剂得到再生。如上所述的接触可以通过使饮料通过含有上述任意形状的离子交换剂的容器(例如柱)。一般使再生溶液以与饮料相反的方向通过。该方法可以连续或分批次进行。饮料与离子交换剂接触之后，进一步的过滤步骤通常变得不是很重要。见实施例部分的比较。一般对于啤酒来说，至少在与离子交换剂接触期间，温度在啤酒冰点以上和+10℃以下，例如+5℃以下。目前大多数啤酒厂在约0℃下进行，由于实际原因，也优选在本发明方法中。同样，传统上在稳定饮料方法的领域范围内使用的其它步骤也包括在内。
最佳实施方式
在本发明方法优先权日期中已知的最佳实施方式包括上述的再生步骤。使用的离子交换剂为填充在允许饮料流过的柱中的高分子珠状(平均颗粒大小200μm)Q-型(Q-Sepharose)阴离子交换剂。Q-Sepharose允许4×106Dalton的球状蛋白质渗透，并具有每ml填充床0.18-0.25mmol的离子交换能力。温度为约0℃。也参见实施例4。发明详述
下面用一些非限定性实施例，更详细地描述本发明。这些实施例都与啤酒有关，但是可以理解为根据本发明的方法同样可以应用到含有形成浑浊的物质的其它溶液中，例如非啤酒的溶液。
实施例部分原料和方法
在这些实施例中，进行下面的分析描述啤酒的稳定性。
                          表A
    分析     测定     文献/出处
    硫酸铵沉淀 产生浑浊的蛋白质    MEBAK*,1993,P.164-165
酒精-冷却-试验(ACT) 产生浑浊的多酚和蛋白质。啤酒稳定性。    MEBAK*,1993,P.160-162
    多酚总量     多酚含量    MEBAK*,1993,P.169-170
    白花色素     白花色素含量    MEBAK*,1993,P.171-172
加速老化的试验，0/40℃     啤酒稳定性    MEBAK*,1993,P.157-158
*MEBAK为Mitteleuropaische BrautechnologischeAnalysenkommission的缩写。1．蛋白质灵敏性试验：1.1．硫酸铵沉淀。当向啤酒中添加饱和的硫酸铵溶液时，形成沉淀蛋白质浑浊。为了产生该浑浊，所需的硫酸铵溶液越多，啤酒就越稳定。1.2.“Esbach-试验”。用“Esbach-试剂”(苦味酸-柠檬酸溶液)沉淀高分子蛋白质。试剂的添加将产生可以光度计测定的浑浊。2．多酚2.1．多酚总量。所有的多酚，优选测定带有连位羟基的那些。这些多酚在碱性溶液中与铁离子反应，生成可以光度计测定的有色铁复合物。2.2．白花色素为酚类物质，它通过盐酸的处理转变成红色的花青色素。3．用于测定啤酒稳定性的试验3.1．酒精-冷却-试验。当冷却啤酒时，形成由于沉淀的多酚-蛋白质复合物产生的可逆浑浊。酒精的添加降低了这些复合物的溶解度，加速了其沉淀。3.2．加速老化的试验。在0℃和40℃或60℃下贮存啤酒直到可以认为2EBC单位的浑浊。该浑浊是由于多酚-蛋白复合物的沉淀引起的。
啤酒稳定性是一个复杂的特性，并依赖包括蛋白质和/或多酚含量的几个变量。酒精-冷却-试验和加速老化试验显示对稳定作用呈现出线性关系。在上面的1和2的实施例中没有显示线性关系。
对根据本发明的方法中使用的下面的离子交换剂进行测试。
                          表B
    离子交换剂 官能团   排除限(Daltons) 平均粒径(μm)
阴离子交换剂：Q SepharoseFastFlowQ Sepharose BigBeadsSOURCETM30QDEAE Sephacel 季铵_″__″_二乙氨乙基 4×106_″_≤1071×106 9020030100
阳离子交换剂：SP SepharoseFastFlowSP SepharoseBigBeadsCM SepharoseFastFlow 磺丙基_″_羧甲基 4×1064×1064×106 909090
所有的实施例都在约0℃的温度下进行，并且过滤过的啤酒没有经过任何预处理。
                    实施例1
实施例1和2中，内径为50mm的色谱柱(Pharmacia XK 50/10)用60ml的Q SepharoseBig Beads填充。然后按照以下C.I.P.(适当清洗)程序泵送几种液体通过该柱：-800ml水，10分钟-1000ml 1M的氢氧化钠，60分钟-500ml水，10分钟-500ml 2M的氯化钠，30分钟-500ml水，10分钟
每次对啤酒进行处理后也进行该程序以再生该柱。以6l/h的流速将30l的过滤过且不稳定的啤酒泵送通过该填充柱。将啤酒收集、分析，所得数据与未处理啤酒比较。结果示于下面的表Ⅰ。
                        表Ⅰ
啤酒的处理 ml NH4SO2/100ml啤酒 ACTEBC单位 多酚mg/l 白花色素mg/l 加速老化试验天，40℃
未处理过的     10     10.8  205     49     1.5
Q Sepharose     15     4.4  164     35     18
*EBC为European Brewery Convention的缩写。EBC单位指的是硫酸肼和六亚甲基四胺(formazine)的混合物。1绝对单位=9000单位Helm=15500EBC单位。
                    实施例2
以7.8l/h的流速将50l的过滤过且不稳定的啤酒泵送通过填充柱。该啤酒经收集、分析并且数据与未经处理的啤酒相比较。结果示于下面的表Ⅱ。
                     表Ⅱ
啤酒的处理 ml NH4SO2/100ml啤酒     ACTEBC单位 多酚mg/l 白花色素mg/l 加速老化试验天，40℃
未处理过的     7     10.2  201     54     1.2
 Q Sepharose     11     8  188     45     8
从表Ⅰ和Ⅱ看出，经Q Sepharose处理过的啤酒比未经处理的啤酒含有的多酚和白花色素少。蛋白质敏感的硫酸铵沉淀显示出处理过的啤酒中蛋白质减少了。而且，酒精-冷却-试验和老化试验的结果显示出经Q Sepharose处理过的啤酒的胶体稳定性明显好于相应的未经处理的啤酒。
              实施例3：不同离子交换剂的比较
在该实施例中，对于每个离子交换剂，用3ml的离子交换剂填充内径为10mm的柱，用100ml的缓冲液(4.5％v/v的乙醇，用柠檬酸将pH调整到4.5)冲洗并平衡。泵送500ml的过滤过且不稳定的啤酒通过每个填充柱。
使用二氧化硅胶(来自德国Degussa的FK700)用于比较目的。
收集经这样处理过的啤酒，经分析，数据分别示于表Ⅲ和Ⅳ。
                   表Ⅲ
    试样 添加15ml的NH2SO2/100ml后的浑浊(EBC)(EBC单位)
    未经处理的啤酒     10
    二氧化硅胶     1.1
 Q SepharoseFast Flow     4.2
 Q SepharoseBig Beads     4.8
 SP SepharoseFast Flow     6
 SP S epharoseBig Beads     6
    CM SepharoseFast Flow     10
从表中看出，与未经处理的啤酒相比，除二氧化硅胶外，QSepharose导致啤酒中引起浑浊的蛋白质的减少最多。SP Sepharose也具有相同的稳定效果，然而CM Sepharose根本没有作用。
                    表Ⅳ
    试样     添加15ml的NH4SO2/100ml后的浑浊 酒精-冷却试验(EBC单位)
未经处理的     10.0     25.0
二氧化硅胶     1.7     4.8
 SOURCETM30Q     4.2     18
 DEAE Sephacel     4.7     5.6
 Q SepharoseBig Beads     4.7     4.5
 Q SepharoseFast Flow     5.2     3.0
SOURCETM30Q似乎具有最好的蛋白吸附特性，但是该产品的酒精-冷却试验结果差。Q SepharoseBig Beads和DEAE Sephacel具有相近的稳定特性，酒精-冷却试验的良好结果说明通过附加的吸附多酚，处理过的啤酒具有良好的稳定性。与DEAE Sephacel相比，QSepharose具有更高的化学稳定性，这对于发酵工业中的清洗和卫生处理来说是很重要的优点。
从稳定啤酒的特性、渗透性和化学稳定性方面考虑，根据本发明的优选离子交换剂是Q Sepharose Big Beads。
实施例4：大规模稳定啤酒
在实际条件下在啤酒厂进行该实施例。在这种啤酒厂中，通常使用15g的PVPP/hl和30g的二氧化硅胶/hl稳定啤酒。
在实施例4中，使用9l的Q Sepharose Big Beads填充内径为30cm的色谱柱(Pharmacia BPG 300)。在填充柱中Q Sepharose的床高13cm。然后泵送几种液体通过柱(C.I.P.程序)：-200l水，10分钟-30l的2M氯化钠，20分钟-40l水，15分钟-30l的1M氢氧化钠，120分钟-40l水，15分钟-30l的1M氯化钠，20分钟-40l水，15分钟啤酒每次处理后，也进行该程序。
以10hl/h的流速泵送145hl过滤过的不稳定的啤酒通过填充柱。收集该啤酒并进行分析。数据与未经处理的啤酒进行比较，并与正常生产中按照通常形式(15g的PVPP/hl和30g的二氧化硅胶/hl)稳定的啤酒进行比较。结果示于下面的表Ⅴ。
                      表Ⅴ
啤酒的处理 ml NH4SO2/100ml啤酒     ACTEBC单位 白花色素mg/l 加速老化试验天，40℃
未处理过的     11     15.1     65     1.4
Q Sepharose     13     11.2     48     7.8
正常(15gPVPP/hl)(30g二氧化硅/hl)     19     10.9     52     8
从表中看出，用Q Sepharose处理过的啤酒比未经处理过的啤酒具有较少的白花色素。蛋白质敏感的硫酸铵沉淀显示出在处理过的啤酒中蛋白质减少了。酒精-冷却试验和老化试验结果显示出用QSepharose处理过的啤酒胶体稳定性远远好于未经处理的啤酒。与正常用于稳定啤酒的处理相比，Q Sepharose吸附的蛋白质稍少，但是吸附的白花色素多。用酒精-冷却试验和老化试验描述的稳定效果显示出相似的结果。这意味着用Q Sepharose处理过的啤酒与用PVPP和二氧化硅稳定的啤酒具有相同的胶体稳定性，但是用Q Sepharose稳定具有以下优点：1．Q Sepharose组合了蛋白吸附材料和多酚吸附材料的效果。因此仅仅需要一种物料和一个步骤，而不是两物料和步骤，来进行组合饮料稳定。2．Q Sepharose可重复使用，但是不存在可重复使用的蛋白吸附物料和可重复使用的复合蛋白和多酚吸附物料。3．由于Q Sepharose可重复使用170多次，这使得比一次性使用的物料更少的环境污染。4．使用Q Sepharose稳定饮料易于操作，并可使之自动化。5．稳定步骤与饮料的过滤分开。这使得简单和组合饮料的稳定不依赖目前的和将来的过滤系统。6．与例如用于稳定饮料的酶相比，Q Sepharose不可溶。
下表Ⅵ中给出了通常使用的kieselguhr过滤器的流速的比较。
                      表Ⅵ
具体流速，hl/m2过滤器面积。h
kieselguhr过滤器 1-2
Q Sepharose填充柱 141
从表中看出，使用Q Sepharose填充的柱允许非常高的流速。

Claims (12)

1．一种稳定含有形成浑浊的物质的饮料的方法，包括以下步骤：
a)将饮料与离子交换基团共价键合到其上的水不溶性多孔亲水基体接触；
b)从基体中回收饮料；并可任选地，
c)再生基体。
2．根据权利要求1的方法，其中基体为由填充多孔珠/粒组成的固定床、多孔单片或膜。
3．根据权利要求1或2的方法，其中基体包括在其表面上暴露有亲水基团，优选羟基的聚合网络。
4．根据权利要求3的方法，其中基体由亲水聚合物制成，优选选自多糖、丙烯酸羟基烷酯或甲基丙烯酸羟基烷酯的聚合物、羟烷基乙烯基醚的聚合物和可任选地N-取代的丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物。
5．根据上面权利要求任一项的方法，其中基体允许107Daltons以下的球形蛋白渗透。
6．根据上面权利要求任一项的方法，其中离子交换基团为阴离子交换基团。
7．根据权利要求6的方法，其中阴离子交换基团为季铵基团，具体地说是Q-基团。
8．根据权利要求6或7的方法，其中基体由通过-OCH2CHOHCH2O-将Q基团键合在其上的琼脂糖组成。
9．根据权利要求1-5任一项的方法，其中离子交换基团为阳离子交换基团。
10．根据上面权利要求任一项的方法，其中该方法在10℃以下，优选在5℃以下，并优选在啤酒的冰点之上进行啤酒的稳定。
11．根据上面权利要求任一项的方法，其中该方法连续进行。
12．一种离子交换基团共价键合于其上的水不溶性多孔亲水基体在稳定啤酒中的用途。
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