本發(fā)明涉及由GRAS物質(zhì)組成的穩(wěn)定組合物，用于微生物控制，尤其是在發(fā)酵過程中。
背景技術(shù)：
眾所周知，有機羧酸具有抗微生物特性。近期工作顯示有機羧酸與其它類型抗微生物劑如啤酒花酸之間有協(xié)同效應(yīng)。例如，美國申請2004/0175480描述若與食品級酸如乳酸、乙酸、丙酸、檸檬酸，鉀離子源和抗氧化劑聯(lián)合，啤酒花β酸作為抗微生物劑更有效。
抗微生物有機酸一般可以高濃度溶于水，但一些有機酸抗微生物劑不溶于水或在電解質(zhì)存在下鹽析。例如，已知啤酒花酸在水中的溶解度有限，現(xiàn)有技術(shù)中所述的啤酒花酸的抗微生物組合物活性低，即使采用有機溶劑如乙二醇或懸浮劑。
一種組合不同抗微生物劑的方法是將液體抗微生物劑噴到粉狀有機酸或鹽上，但所得組合物不易分散于水。盡管能將濕潤劑和/或乳化劑配制到固體組合物中，但液體產(chǎn)品有高活性含量對于處理和使用則更為方便。從可持續(xù)性的角度而言，具有高活性含量的產(chǎn)品還節(jié)省加工、運輸和保存費用。
已知表面活性劑可幫助疏水材料溶于水。表面活性劑，如美國專利5374614、7655613和7846889所述的那些，用于從水溶性和非水溶性成分形成微乳液，即熱力學穩(wěn)定的各向同性液體。這類含有機酸的微乳液組合物還描述于美國專利5294364、6251844、7030070和7642227，作為酸性清潔液體。有機酸含量低且所用表面活性劑可能禁止應(yīng)用于食品或接觸食物的物品。
需要有具備全部協(xié)同抗微生物組分的單一產(chǎn)品，采用穩(wěn)定濃縮形式，水作為溶劑。更優(yōu)選所述抗微生物產(chǎn)物在可燃性、腐蝕性、毒性和法規(guī)要求方面顧慮小。
發(fā)明詳述
本發(fā)明提供水性抗微生物組合物，包含：(i)水溶性有機酸或其鹽，(ii)水溶性有限的抗微生物劑和(iii)表面活性劑。
本發(fā)明提供無害穩(wěn)定的水性抗微生物組合物，以高活性含量，優(yōu)選大于10％，更優(yōu)選大于20％，最優(yōu)選大于30％的組合物總重量，包含水溶性有機酸和活性水溶性有限的抗微生物劑活性。所述組合物用批準用于食品和飲料的GRAS(公認安全)成分配制，且所述組合物在可燃性和腐蝕性方面歸類為非有害物質(zhì)。該組合物作為均質(zhì)液體在室溫或以下穩(wěn)定超過1個月，優(yōu)選超過3個月，最優(yōu)選超過6個月。
本發(fā)明所述組合物設(shè)計成作為抗微生物劑，優(yōu)選降低或控制發(fā)酵過程中不需要的微生物的濃度。這種類似組合物還能用于其它目的，如用于抗寄生蟲藥或用作濃縮清潔、除銹和消毒劑。所述組合物活性組分包含一種或多種有機酸或其鹽，和一種或多種水溶性有限的抗微生物劑，總活性含量(有機酸加抗微生物劑)大于5％重量，優(yōu)選大于15％，最優(yōu)選大于25％的組合物總重量。該組合物還包含一種或多種表面活性劑增溶劑。這些包括但不限于陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、兩性表面活性劑、兩性離子表面活性劑和陽離子表面活性劑。也能加入其它成分如中和劑、溶劑以增加總活性含量，而不造成組合物不穩(wěn)定。還可加入功能助劑，如螯合劑、多價螯合劑、阻蝕劑、酶、表面改性劑、染料和芳香劑。
優(yōu)選用于本發(fā)明的水溶性有機酸選自水溶性單羧酸和聚羧酸，其在分子中有2-8個碳原子，且任選地，由一個或多個羥基取代。合適的類別是烷酸、羥基烷酸、烷基聚羧酸和羥烷基聚羧酸。本文優(yōu)選涉及第一解離階段的pKa值小于約6的單羧酸和聚羧酸。這些包括例如乙酸、己二酸、苯磺酸、苯甲酸、檸檬酸、葡萄糖酸、戊二酸、羥基乙酸、乳酸、蘋果酸、甲烷磺酸、草酸、丙酸、水楊酸、琥珀酸、酒石酸，和其混合物以及其鹽。優(yōu)選的酸是檸檬酸或其鹽。出于本發(fā)明目的，啤酒花酸不是有機酸。
水溶性有機酸含量為總組合物重量的5-70％、5-60％、5-50％，優(yōu)選15-60％，最優(yōu)選25-50％。
合適的溶解度有限的抗微生物劑包括啤酒花酸或乳酸鏈球菌肽。本文所用的術(shù)語“啤酒花酸”包括啤酒花β酸、啤酒花α酸，其異構(gòu)化或衍生產(chǎn)物和其鹽。其還包括啤酒花提取物，如US 5286506所述的那些。α和β啤酒花酸的化學名稱(chemical identity)包括類葎草酮(cohumulone)、律草酮(humulone)、伴葎草酮(adhumulone)、類蛇麻酮(colupulone)、蛇麻酮(lupulone)和伴蛇麻酮(adlupulone)。這些都納入本文所用的術(shù)語“啤酒花酸”。啤酒花酸能通過從天然啤酒花提取和純化或者化學合成來制備。優(yōu)選的抗微生物劑是啤酒花酸。
疏水抗微生物組分，優(yōu)選啤酒花酸，的活性含量為總組合物重量的0.05-15％，優(yōu)選0.1-10％，最優(yōu)選0.5-5％。
用于低水溶性抗微生物組分的表面活性增溶或乳化劑包括非離子、陰離子、陽離子、兩性和兩性離子表面活性劑。美國專利7846889、7030070、6251844和5294364所述的表面活性劑通過引用納入本文。優(yōu)選的表面活性劑是批準用作食品和藥物成分或用于在可能接觸食品的物品中的那些。這些表面活性劑包括聚山梨醇酯(聚氧乙烯脫水山梨醇脂肪酸酯)如吐溫(禾大公司(Croda Inc))，磺基琥珀酸單烷基酯或磺基琥珀酸二烷基酯如Aerosol OT(氰特公司(Cytec))，烷基聚葡萄糖苷如Glucopons(巴斯夫(BASF))和硫酸烷基酯。用于本發(fā)明的優(yōu)選表面活性劑包括聚氧乙烯(20)脫水山梨醇單油酸酯和烷基聚葡萄糖苷。
所述組合物可包含一種或多種來自單一組或不同組的表面活性劑。組合物中一種或多種表面活性劑含量為總組合物重量的0.1-30％，優(yōu)選1-20％，最優(yōu)選2-15％。
還能使用有限量的有機溶劑或助表面活性劑，從而可減少表面活性劑的量。示例是脂肪醇，如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇的二醇或多元醇、丙二醇、甘油；脂肪酸或二酸如丁酸、己二酸、辛酸。優(yōu)選的助表面活性劑包括乙醇、丙二醇和己二酸。
所述組合物可包含來自單一組或不同類型的一種或多種助表面活性劑或有機溶劑。組合物中一種或多種助表面活性劑或有機溶劑含量為組合物重量的0.1-30％，優(yōu)選1-20％，最優(yōu)選2-10％。
有機酸能用堿金屬或堿土金屬氫氧化物、氫氧化銨或有機胺總體或部分中和。示例是氫氧化鈉、氫氧化鉀和氨水。中和度取決于有機酸類型和量。通常，組合物應(yīng)中和到pH高于2以減少有機酸腐蝕性，但不超過pH 4以保留可能的最高活性含量。然而，為了獲得組合物最高穩(wěn)定性，優(yōu)選中和到堿性pH。
所述組合物優(yōu)選配制成微乳液，即含表面活性劑的油和水的熱力學穩(wěn)定的各向同性液體混合物，優(yōu)選有助表面活性劑或溶劑。有機酸首先溶于水并中和到所需pH，然后與至少一種表面活性劑、至少一種助表面活性和至少一種水溶解性有限的抗微生物劑混合。優(yōu)選疏水抗微生物劑首先溶于至少一種表面活性劑和至少一種助表面活性或至少一種溶劑以制備預混合物，其隨后用中和的有機酸水性溶液稀釋。
優(yōu)選抗微生物組合物的所有組分被FDA批準為食品配料成分或授予GRAS(公認安全)狀態(tài)。還優(yōu)選組合物在腐蝕性和可燃性方面無害。
所述組合物提供有力的、非抗生素的抗微生物處理。該組合物能用于在水性體系中減少不需要的微生物濃度，促進所需微生物繁殖，并提高所需微生物效率。
在前述方法中，意在減少的“不需要的”微生物是與促進所需發(fā)酵過程的想要的微生物競爭營養(yǎng)物的那些。發(fā)酵中不想要或不需要的微生物包括產(chǎn)乳酸細菌(LAB)和產(chǎn)醋酸細菌，其中乳桿菌(Lactobacillus)和醋桿菌(Acetobacter)是主要代表。競爭可發(fā)酵物，不讓其進入預期發(fā)酵微生物并因而降低產(chǎn)率的任何微生物可視作不需要。在此方面，用于本方法的啤酒花酸提取物和有機酸不對所需要的、促進發(fā)酵的微生物的生長和活力造成不利影響，但確實消除或抑制干擾發(fā)酵過程的不需要微生物生長。此外，消除或抑制不需要的微生物對所需微生物生長和活力產(chǎn)生有利影響。
控制發(fā)酵過程所用水性溶液中不需要的微生物濃度的方法包括以下步驟：向水性溶液引入可發(fā)酵的碳水化合物，向所述水性溶液引入至少一種酵母，和向所述水性溶液引入組合物，所述組合物含有(a)水溶性有機酸或其鹽，(b)水溶性有限的抗微生物劑和(c)表面活性劑。
向發(fā)酵體系加入組合物以控制不需要的微生物的濃度，從而發(fā)酵體系中有機酸的量為12500ppm下至100ppm，6250下至100ppm，或4000下至100ppm，或4000下至200ppm。一般，使用至少100ppm或至少200ppm或至少300ppm有機酸。向發(fā)酵體系加入組合物，從而發(fā)酵體系中水溶性有限的抗微生物劑的量為0.5ppm-200ppm，0.5ppm-150ppm，或2-150ppm，或2-100ppm。一般，所用啤酒花酸的量是至少2ppm或至少5ppm。
實施例
實施例1
將10.82份吐溫80(聚氧乙烯(20)脫水山梨醇單油酸酯)，3.74份無水乙醇和3.15份啤酒花酸鉀鹽(30％活性酸)，以所述順序混合，產(chǎn)生均質(zhì)液體。在單獨容器中，將34.49份無水檸檬酸溶于34.49份去礦物質(zhì)水，隨后通過加入6.02份28-30％氨含量的氫氧化銨來中和冷溶液。然后，向含啤酒花酸的有機相加入所述部分中和的檸檬酸，產(chǎn)生約35％活性組合的抗微生物劑的各向同性液體。發(fā)現(xiàn)組合物在4℃穩(wěn)定而沒有檸檬酸鹽結(jié)晶，并在50℃保持均勻1個月。用所述配制物作為抗微生物劑沒有觀察到任何負面影響。
表1.檸檬酸和啤酒花酸的組合物(重量百分數(shù))
實施例2
應(yīng)用與實施例1相同的過程，用表1所列的參數(shù)(charge)以產(chǎn)生38％活性組合的活性抗微生物劑的組合物。發(fā)現(xiàn)組合物在4℃和室溫穩(wěn)定而沒有檸檬酸鹽結(jié)晶，并在50℃保持均勻37天(表1)。再次，用該配制物沒有觀察到抗微生物特性方面的任何不良反應(yīng)。
實施例3-11
3種GRAS狀態(tài)表面活性劑即吐溫80、Aerosol OT-70PG(氰特公司)和Triton BG-10(美國陶氏(Dow))或Glucopon 215UP(巴斯夫)的烷基聚葡萄糖苷，在這些實施例中根據(jù)表2所列參數(shù)配制。檸檬酸首先溶于水，隨后用氨水部分中和。表面活性劑吐溫80、Aerosol OT-70PG、Triton BG-10或Glucopon 215UP如所列加入，接著是啤酒花酸和乙醇。充分混合后，通常獲得均質(zhì)液體，保存期如表2所列。
表2.檸檬酸和啤酒花酸的組合物(重量百分數(shù))
實施例12-13
在這些實施例中，氫氧化鉀用作中和劑。遵循與實施例3-10相同的過程，用表3所列重量參數(shù)。抗微生物劑的活性含量增加到40％以上，但保存期有限。認為不穩(wěn)定由酸傾向性表面活性增溶劑導致。
實施例14-16
在這些實施例中，為了高穩(wěn)定性用氫氧化鉀中和酸，趨向堿性pH。也使用不燃性丙烯和/或己二酸的替代性助表面活性劑，如這些組合物的表4所示。遵循與實施例3-10相同的過程，用表4所列重量參數(shù)。預期所用表面活性劑無水解，在4、22和50℃老化大于6周后沒有觀察到啤酒花酸不穩(wěn)定且變色很少。
表3.檸檬酸和啤酒花酸的組合物(重量百分數(shù))
表4.檸檬酸和啤酒花酸的堿性組合物(重量百分數(shù))
實施例17-18
在這些實施例中，乙醇用作溶劑以使啤酒花酸和檸檬酸溶于水(表6)。然而，此組合物視作易燃，因為存在大量可燃性溶劑。
表6.溶于乙醇/水的啤酒花酸/檸檬酸組合物
實施例19-20
在這些實施例中，加入丙二醇以減少組合物可燃性(表7)。但丙二醇對于檸檬酸而言不是好溶劑，活性含量有限。
表7.溶于丙二醇/乙醇/水的啤酒花酸/檸檬酸組合物(重量百分數(shù))
實施例21：檸檬酸/啤酒花酸組合物的MIC測定
在以下實施例中，用于測量抗微生物活性水平的終點被稱為最低抑菌濃度或MIC。這是能實現(xiàn)完全生長抑制的一種或多種物質(zhì)最低濃度。
5毫升生長培養(yǎng)基接種有合適的測試微生物，振蕩孵育過夜。這些過夜培養(yǎng)物(ON)1:100稀釋(10mL PBS中100μl ON)。采用康寧(Corning)96孔微量滴定板并如下準備：分配252μl培養(yǎng)基到列1和140μl到列2-12。其次，28μl配制物分配到列1以實現(xiàn)1:10稀釋和待測試的最高組合物濃度。列1通過移液管上下抽吸來混合，完成整個板的2倍連續(xù)稀釋(每次轉(zhuǎn)140μl培養(yǎng)基+組合物)。列12用作無組合物的對照，因此，取出來自列11的140μl培養(yǎng)基+組合物以廢棄。最后，向各孔加入5μl細菌，產(chǎn)生～5x 105cfu/ml。96孔板用石蠟膜覆蓋、密封并在合適溫度孵育18-24小時。根據(jù)目測檢查混濁孔將孔定為陽性或陰性，濁度作為生長指示物。完全抑制生長(如清澈孔)的最低抗微生物劑濃度指定為最低抑菌濃度。
表8.MIC值