專利名稱：使用硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)在飲料中防止或減少霾的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在酒精、水果和蔬菜飲料中防止或減少霾(haze)產(chǎn)生的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及使用硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)如稻殼灰，從飲料如啤酒中除去一種或多種霾組分。
背景技術(shù)：
酒精和水果飲料中產(chǎn)生霾是長期以來的問題。從產(chǎn)品美觀和眼睛吸引力的角度來看，飲料中產(chǎn)生霾是不希望有的。此外，霾的產(chǎn)生可導致產(chǎn)品顏色以及口味的損失。對于該問題已嘗試了幾種不同的解決辦法。一種通常采用的方法是將飲料的溫度降低至20-30，使霾形成。在這種冷卻期間，霾前體以所謂的“霾”形式分離出來，然后采用已知技術(shù)如過濾分離這些霾。在許多情況下，這種冷卻處理并不完全有效，需要幾次冷卻和沉淀處理。作為冷卻加工的替代方法，已嘗試例如，通過萃取啤酒生產(chǎn)過程中所采用的麥芽，來確定生產(chǎn)特定飲料所采用的谷物中霾前體的量。這種確定的結(jié)果是，可選擇低霾前體含量的谷物來生產(chǎn)潛在低霾飲料。這種過程代價高且耗時。雖然該方法可改善霾問題，它很少能消除霾問題。
早就認識到，包裝啤酒中產(chǎn)生霾的最常見原因是蛋白質(zhì)-多酚相互作用(Compton，J.“啤酒質(zhì)量與口味方法學”(Beer quality and taste methodology).《實用啤酒釀造》(Practical Brewer)，第2版，H.M.Broderick，編.Master BrewersAssoc.Am.Madison，WI，第288-308頁，1977)。已開發(fā)了兩種基本方法來穩(wěn)定啤酒，或至少延遲霾的形成(a)減少霾-活性蛋白的濃度，或(b)減少霾-活性多酚的濃度。可通過用聚酰胺或聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)吸收，或通過精練除去霾-活性多酚?？赏ㄟ^硅膠吸收除去霾-活性蛋白，而不是在飲料中形成泡沫的泡沫-活性蛋白。認為啤酒或其它飲料的玻璃瓶上常常存在的泡沫是例如啤酒等飲料所需的品質(zhì)。出現(xiàn)硅膠對霾-活性蛋白的特異性是因為硅膠結(jié)合蛋白質(zhì)中的脯氨酸殘基；這是多酚連接以形成霾的相同位點(Siebert等，J.Am.Soc.Brew.Chem.5573-38(1997))。
在水果飲料中，主要通過使用酶來處理霾問題，酶水解通常與水果制劑中的酚組分形成霾的蛋白質(zhì)。
美國專利3,958,023公開了處理來源于一種或多種蔬菜或水果的液體，以在所述液體中降低冷霾形成趨勢的方法，所述方法包括過濾步驟和加入一種或多種冷霾控制劑，改進包括在所述過濾步驟中使用的過濾介質(zhì)中的預涂層上或預涂層后加入至少一種冷霾控制劑，以及在所述過濾步驟之前加入至少一種冷霾控制劑作為所述液體的主體料液(body feed)，所述冷霾控制劑選自鋰蒙脫石、酸活化膨潤土、酸處理的酸活化膨潤土、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯聚吡咯烷酮、天然硅酸鎂、合成金屬硅酸鹽、以及含小于14重量％MgO的酸處理的合成硅酸鎂。
美國專利4,282,261公開了從不穩(wěn)定的飲料中除去霾前體的方法，該方法包括在不含霾的條件下和室溫下，將所述飲料與由細微粒構(gòu)成的正電荷修飾的多孔介質(zhì)接觸的步驟，電荷用聚酰胺-多胺環(huán)氧氯丙烷陽離子樹脂修飾，室溫下，形成沉淀物并從所述飲料中除去所述沉淀物。
美國專利6,011,406公開了穩(wěn)定包含致霾物質(zhì)的飲料的方法。該方法包括(a)將澄清飲料與水不溶性多孔親水基質(zhì)相接觸，所述基質(zhì)可共價結(jié)合離子交換基團，能夠吸收霾形成蛋白和多酚化合物，并除去一部分但不是全部的霾形成蛋白和/或多酚化合物；和(b)從基質(zhì)回收飲料。
需要適用于在飲料中防止或減少霾產(chǎn)生的改進且花費較小的方法。這種系統(tǒng)采用低成本原料，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，并且不需要預處理樣品。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及在飲料中防止霾形成和/或減少霾的方法。儲存和/或冷卻時傾向于產(chǎn)生霾的飲料適用于本發(fā)明。這些飲料包括酒精、水果和蔬菜飲料。
本發(fā)明包括以下步驟(a)將飲料樣品過濾通過二氧化硅過濾介質(zhì)，所述二氧化硅過濾介質(zhì)的表面活性基團已與一種或多種硅烷反應，(b)使一種或多種霾形成物質(zhì)與二氧化硅過濾介質(zhì)結(jié)合，和(c)收集流過的飲料樣品。適用于本發(fā)明方法的二氧化硅過濾介質(zhì)包括稻殼灰、燕麥殼灰或硅藻土。適用于處理二氧化硅過濾介質(zhì)的硅烷通常包含可水解部分，例如烷氧基、鹵素、羥基、芳氧基、氨基、羧基、氰基、氨?；Ⅴ０被?、烷基酯、芳基酯，與二氧化硅過濾介質(zhì)上的活性基團反應。
霾形成物質(zhì)如多酚和霾-活性蛋白與硅烷處理的過濾介質(zhì)結(jié)合，在單獨一次過濾步驟中從飲料中除去。此外，本發(fā)明方法也可除去飲料中的微粒如微生物、酵母和其它碎屑。
附圖簡要說明

圖1顯示了在0.03或0.1％劑量下，未處理RHA、市售穩(wěn)定劑和硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)對啤酒霾的作用。
圖2顯示了在0.3或1％的劑量下，未處理RHA、市售穩(wěn)定劑和硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)對啤酒霾的作用。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供了防止或減少飲料中霾產(chǎn)生的方法。合成了硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)。通過將飲料與硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)接觸，一種或多種霾形成組分與硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)結(jié)合，過濾除去。此外，過濾也可除去飲料中的微粒。
儲存和/或冷卻時傾向于產(chǎn)生霾的飲料適用于本發(fā)明。這些飲料包括酒精、水果和蔬菜飲料。
酒精飲料包括由加啤酒花的麥芽汁發(fā)酵制備的飲料，例如啤酒、愛爾啤酒(ales)、熟啤酒(lagers)、烈性黑啤酒(stouts)和發(fā)泡酒(Happoshu，一種低麥芽啤酒)。酒精飲料還包括由水果發(fā)酵制備的飲料，例如葡萄酒、威士忌、高度葡萄酒產(chǎn)品(雪利酒、白蘭地和cognac)、朗姆酒、烈酒和露酒(cordials)。水果飲料包括來源于水果的飲料，例如果汁如蘋果汁、酸果蔓汁、葡萄汁、柑橘汁、桃子汁、梨汁、李子汁、杏汁和蜜桃汁。蔬菜飲料包括來源于蔬菜的飲料，例如蔬菜汁如西紅柿汁、胡蘿卜汁、芹菜汁、荷蘭芹汁、菠菜汁、冰草汁、羽衣甘藍汁、黃瓜汁、松針汁、六瓣合葉子(dropwort)汁、艾蒿汁、甜菜汁、四季蘿卜汁和竹芋汁。本發(fā)明尤其適用于降低啤酒中的霾。
飲料中的霾主要由多酚和蛋白質(zhì)所引起，蛋白質(zhì)能夠通過氫鍵與較大的分子反應。通常，霾形成蛋白的分子量在30-60kDa的范圍內(nèi)，雖然根據(jù)來源該范圍可不同。霾形成多酚包括鞣質(zhì)和白花色素(美國專利6,001,406)。為降低飲料中的霾，部分除去多酚、蛋白質(zhì)或二者是有用的。本發(fā)明提供了可同時降低多酚和蛋白質(zhì)水平的方法，而現(xiàn)有方法僅僅除去蛋白質(zhì)或多酚。
本發(fā)明方法用于除去給定飲料中已形成的霾和微粒物質(zhì)。本發(fā)明方法還用于除去潛在的霾形成物質(zhì)，例如霾形成蛋白和多酚，使得霾形成更加困難。本發(fā)明方法還用于除去霾來源的污染的微生物或降低微生物活性。
霾形成物質(zhì)的量及其產(chǎn)生霾的趨勢取決于幾個因素。例如，根據(jù)啤酒廠的方法變量的選擇、啤酒花和大麥的質(zhì)量等，每種啤酒的組成是獨特的。這就意味著不同啤酒類型和/或啤酒廠之間，采用通常接受的試驗測定的可接受水平的霾可不同。因此，對于本發(fā)明來說，難以確定霾的固定限量。作為一般準則，應用本發(fā)明的結(jié)果是，當霾形成蛋白和/或多酚(單獨或組合)降低至少10％，優(yōu)選15％，更優(yōu)選20％時，認為霾水平降低。飲料中總的蛋白質(zhì)包括所有蛋白質(zhì)，例如，所需的泡沫-活性蛋白和不需要的霾-形成蛋白。飲料中總的蛋白質(zhì)濃度可由BCA(二辛可寧酸)試驗(Smith，Anal.Biochem.150，76-85(1985))測定。BCA試驗通過定量樣品中肽鍵的量測定所有蛋白質(zhì)。在堿性條件下，肽鍵將Cu+2還原為Cu+。然后，每個Cu+螯合兩個分子的BCA，產(chǎn)生有色絡合物，其吸光度與總的蛋白質(zhì)濃度有關(guān)。BCA試驗檢測蛋白質(zhì)的范圍是125μg/ml到2000μg/ml。
泡沫活性蛋白大多為疏水蛋白質(zhì)，其濃度可通過選擇性測定疏水蛋白質(zhì)的Bradford試驗來測定(Siebert等，J.Am.Soc.Brew.Chem.5573-78(1997))。在酸性條件下，當結(jié)合蛋白質(zhì)時，CoomassieBlue G-250的吸光度從465nm位移至595nm。Coomassie染料主要結(jié)合疏水和正電荷蛋白質(zhì)，如精氨酸、組氨酸和賴氨酸。通常認為上述這些疏水和正電荷蛋白質(zhì)是形成啤酒泡沫的最大因素。Bradford試驗檢測蛋白質(zhì)的范圍是40μg/ml到250μg/ml。
一般，從總的蛋白質(zhì)濃度減去泡沫-活性蛋白的濃度，可計算霾-活性蛋白的濃度。飲料中泡沫-活性蛋白和霾-活性蛋白的濃度根據(jù)特定飲料而不同。啤酒中，泡沫-活性蛋白構(gòu)成約5-50％的總蛋白質(zhì)，霾-活性蛋白構(gòu)成約50-95％的總蛋白質(zhì)。例如，啤酒中，泡沫-活性蛋白約為20％的總蛋白質(zhì)，霾-活性蛋白約為80％的總蛋白質(zhì)。防止或減少飲料中霾產(chǎn)生的目標不是除去所有的蛋白質(zhì)，尤其是泡沫-活性蛋白，因為這會影響特定飲料的性質(zhì)，如風味、香味和起泡趨勢。防止和減少霾的目標是減少霾-形成蛋白或多酚的水平至少10％，優(yōu)選15％，更優(yōu)選20％。
可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種方法來測定飲料霾。例如，采用Chapon冷卻法來預測過濾的啤酒中的冷霾。降低飲料溫度固定量的時間后測定霾。霾很少增加或不增加表明良好的霾穩(wěn)定性，而急劇增加則表明穩(wěn)定性差。
采用這種方法，首先測定室溫下飲料樣品的濁度。然后，將飲料樣品在含丙二醇的水浴中冷卻至0℃。每隔一定時間如1、2、12和24小時取出等分試樣，測定濁度。從0℃水浴中取出后立即測定等分試樣的濁度。濁度表示為EBC單位(歐洲釀造協(xié)定(European Brewing Convention))。濁度從起始室溫樣品明顯增加表明物理穩(wěn)定性差，因為飲料樣品易于形成冷霾。冷卻時冷霾稍微增加表明良好的物理穩(wěn)定性。
測定飲料霾的另一種方法是強制-霾穩(wěn)定性方法。該方法測定飲料樣品經(jīng)受加熱/冷卻溫度循環(huán)后形成的霾。將飲料樣品在高溫下儲存短時間可導致類似于室溫下儲存長時間所形成的冷霾。該方法是比Chapon冷卻法更強的預測工具；雖然它更耗時。
采用強制-霾穩(wěn)定性方法，首先測定室溫下飲料樣品的濁度。然后，將樣品置于0℃水浴中，孵育24小時。24小時后測定濁度，作為“冷卻后的總霾”。然后，將樣品在50℃下孵育3天，再在0℃下孵育24小時，測定樣品的濁度。重復50℃/0℃循環(huán)，再次測定濁度。3天和6天后濁度明顯增加表示物理穩(wěn)定性差。3天和6天后濁度稍微增加表示良好的物理穩(wěn)定性。
本發(fā)明提供了采用硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)來減少霾的過濾方法。過濾指使原料流通過多孔介質(zhì)來除去微粒。通過多種機制，包括物理俘獲以及與基質(zhì)結(jié)合，微粒被俘獲在過濾介質(zhì)上。
過濾介質(zhì)也被稱為助濾劑，可以是疏松的微?；蚪Y(jié)構(gòu)化的材料。它們是微粒形式的固體材料，不溶于待過濾的液體；它們被加入液體中，或涂敷在過濾器或過濾器基質(zhì)上。使用過濾介質(zhì)的目的是加快過濾，減少過濾器表面的結(jié)垢，減少過濾層的破裂，或者在其他方面提高過濾性能。經(jīng)常根據(jù)過濾介質(zhì)的物理形式對其進行描述。一些過濾介質(zhì)是基本上離散的薄膜，它們通過將污染物保持在薄膜表面上從而進行過濾(表面過濾器)。這些過濾介質(zhì)主要通過機械應變來運作，過濾介質(zhì)的孔徑必須小于需要從液體中除去的污染物的粒度。這些過濾介質(zhì)通常具有低流速，容易很快地堵塞。
其它的過濾介質(zhì)為沉積在多孔載體或基材上的細小纖維或微粒材料的多孔餅或床的形式。被過濾的溶液必須通過細小材料的間隙中形成的孔的路徑，留下保留在過濾材料上的微粒污染物。由于過濾材料的深度，這些過濾器被稱為深度過濾器(與表面過濾器相對)。用明顯較大孔徑的過濾介質(zhì)實現(xiàn)所需的除去懸浮微粒污染物的能力很吸引人，因為這允許較高的流速。而且，濾器截留微粒的容量較高，因而降低了阻塞的趨勢。
本發(fā)明采用各種類型的硅烷處理的硅介質(zhì)濾器，以除去酒精、水果和蔬菜飲料中的霾形成物質(zhì)以及微粒。
術(shù)語“微?！敝负暧^不溶性物質(zhì)或微觀微粒。微粒常常是飲料中所不希望的；微粒還是霾的來源。宏觀微粒指人肉眼可見的微粒，包括但不限于沉淀物、包涵體和結(jié)晶。包涵體由細胞區(qū)室中不溶性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)構(gòu)成。結(jié)晶由過飽和溶液中分子以有序重復方式聚集而形成。沉淀物是隨機聚集的無定形形式。宏觀微?？梢允怯袡C或無機來源；它們可以來源于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間、鹽與蛋白質(zhì)之間、鹽與鹽之間、蛋白質(zhì)與聚合物之間等的相互作用。微觀微粒指顯微鏡下可見的微粒。微觀微粒的例子包括微生物。當飲料中微生物過度生長時也可形成宏觀微粒。適合通過本發(fā)明俘獲和從飲料中除去的微生物有革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌、酵母、霉菌、病毒等。
釀造、釀酒、果汁和其它飲料工業(yè)中的問題之一是微生物污染。熱力滅菌和基于大小的過濾是最常用的除去微生物污染的方法。熱力滅菌的主要缺點在于，其應用限于不受高溫影響的產(chǎn)品?；诖笮〉倪^濾的缺點是昂貴且耗時。此外，它不能用于所需組分與細菌相同大小的情況。本發(fā)明的優(yōu)點在于，可以單次過濾步驟除去霾形成物質(zhì)(例如霾-活性蛋白和多酚)和微粒(例如微生物)；因此，可用于在具有不同組分的多種飲料中防止或減少霾。
本發(fā)明的特征在于，在過濾過程中采用經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)，通過過濾同時將可溶性物質(zhì)結(jié)合到二氧化硅過濾介質(zhì)上和從溶液中俘獲微粒。本發(fā)明不需要預過濾步驟?？扇苄增残纬晌镔|(zhì)通過各種機制如親水、疏水、親和和/或靜電相互作用與硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)結(jié)合。本發(fā)明中使用的二氧化硅過濾介質(zhì)具有適用硅烷處理的表面和適用于工業(yè)過濾應用的結(jié)構(gòu)特征。二氧化硅過濾介質(zhì)的例子包括但不限于稻殼灰、燕麥殼灰、硅藻土、珍珠巖、滑石和粘土。
稻殼灰是稻谷農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品。每粒稻谷都被外殼所保護，這些外殼占收獲的作物毛重的17-24重量％。稻殼由71-87％(重量/重量)的纖維素之類的有機材料和13-29％(重量/重量)的無機材料組成。無機部分中很大的一部分，87-97％(重量/重量)是二氧化硅(SiO2)。目前，不能食用的稻殼被用作燃料、肥料的原料和用于絕緣用途。當?shù)練と紵龝r，會生成結(jié)構(gòu)化的二氧化硅材料副產(chǎn)物(經(jīng)常大于90％)。與其它疏松的二氧化硅過濾介質(zhì)相比，稻殼灰(RHA)具有更大的表面積和更多的孔-通道結(jié)構(gòu)。這些特征使得RHA成為本發(fā)明優(yōu)選的經(jīng)過處理的過濾器基材。
硅藻土是沉積的二氧化硅沉積物，由變成化石的硅藻骨骼所構(gòu)成，硅藻是一種在海洋或新鮮水環(huán)境中蓄積的單細胞藻類植物。蜂窩式二氧化硅結(jié)構(gòu)賦予硅藻土有用的特征，如吸收容量和表面積、化學穩(wěn)定性和低堆積密度。硅藻土包含90％的SiO2以及Al、Fe、Ca和Mg的氧化物。
珍珠巖是天然來源含硅火山巖的總稱，熱處理可膨脹?？芍圃熘亓啃〉?磅/立方英尺(32kg/m3)的膨脹的珍珠巖。由于珍珠巖是天然玻璃形式，將其歸類為化學惰性，pH值約為7。珍珠巖由二氧化硅、鋁、氧化鉀、氧化鈉、鐵、氧化鈣和氧化鎂構(gòu)成。研磨后，珍珠巖具有適用于從液體過濾粗制微觀微粒的多孔結(jié)構(gòu)，適用于深度過濾。
滑石是天然含水硅酸鎂，3MgO·4SiO2·H2O。粘土是水合硅酸鋁，Al2O3·SiO2·xH2O。上述二氧化硅過濾介質(zhì)基材的混合物也可用于實現(xiàn)最佳過濾和成本效能。稻殼灰或硅藻土在表面硅烷處理之前任選地經(jīng)歷各種純化和/或瀝濾步驟。
通過將預定量的官能化硅烷結(jié)合到表面來處理二氧化硅過濾介質(zhì)。經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)例如通過靜電、親水、疏水、親和相互作用和/或物理包埋，以俘獲組分。通過靜電相互作用，帶電二氧化硅過濾介質(zhì)結(jié)合樣品中具有相反電荷的物質(zhì)。通過親水相互作用，具有強親水性的二氧化硅過濾介質(zhì)部分通過范德華相互作用吸引物質(zhì)的極性基團。通過疏水相互作用，包含長烴鏈的二氧化硅過濾介質(zhì)部分吸引物質(zhì)的非極性基團。
與未處理的二氧化硅過濾介質(zhì)相比，優(yōu)選硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)具有類似或提高的流速。已知，硅膠結(jié)合霾-活性蛋白質(zhì)而不是多酚。硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)不僅結(jié)合霾-活性蛋白而且結(jié)合多酚。因此，本發(fā)明適用于減少多種飲料中的霾，無論霾是由霾-活性蛋白還是由多酚引起的。
二氧化硅過濾介質(zhì)的形式可以是適于應用的任何形式，例如球形、纖維、纖絲、片、平板、盤、塊、薄膜或其它。它們可制成筒、盤、板、膜、編織材料、濾網(wǎng)等。例如，啤酒廠中整批過濾常常采用板框壓濾機(Lea和Piggott，《發(fā)酵飲料的生產(chǎn)》(Fermented Beverage Production)，第2版，第368-373頁)。未處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的比表面積優(yōu)選大于1m2/g；更優(yōu)選大于10m2/g。優(yōu)選具有較大表面積的二氧化硅過濾介質(zhì)，因為其允許更多表面處理。此外，大孔介質(zhì)可改善過濾速率。然而，較大孔徑的材料具有相對較小的表面積。大表面積與大孔徑的平衡產(chǎn)生有效的表面過濾和過濾速率。可通過諸如NMR(核磁共振和其它技術(shù))、SEM(掃描電子顯微鏡)、BET(布-埃-特三氏方程式)表面積測定技術(shù)等來評價這些基材的表面特征，用燃燒技術(shù)確定碳-氫-氮含量，這些都是本領(lǐng)域所公知的。
適用于二氧化硅過濾介質(zhì)表面處理的硅烷可以是任何類型的有機硅烷、離子或非離子。合適的硅烷的通式為(R1)xSi(R2)3-xR3，其中，R1典型地是可水解部分(例如，烷氧基、鹵素、羥基、芳氧基、氨基、酰胺、甲基丙烯酸酯、巰基、羰基、尿烷、吡咯、羧基、氰基、氨?；⒒蝓０被?、烷基酯或芳基酯)，它與二氧化硅過濾介質(zhì)上的活性基團反應；優(yōu)選的可水解部分是烷氧基，例如甲氧基或乙氧基；1≤X≤3，過濾顆粒與硅烷之間可形成一個以上硅氧烷鍵；R2可以是處理過程中不與過濾表面反應的任何含碳部分，例如，取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基或芳基烷芳基；R3可以是任何含有機基團的部分，表面反應完成后它保持與硅原子化學結(jié)合，優(yōu)選在過濾期間它可與感興趣組分相互作用；例如，R3是氫、烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基、芳基烷芳基、烷氧基、鹵素、羥基、芳氧基、氨基、酰胺、甲基丙烯酸酯、巰基、羰基、尿烷、吡咯、烷基酯、芳基酯、羧基、磺酸酯、氰基、氨?；Ⅴ０被?、環(huán)氧、膦酸酯、異硫脲(isothiouronium)、硫脲、烷基氨基、季銨、三烷基銨、烷基環(huán)氧、烷基脲、烷基咪唑或烷基異硫脲；其中，所述烷基、烯基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基和雜環(huán)基的氫任選地被鹵素、羥基、氨基、羧基或氰基取代。
一個或多個硅烷可與含羥基多孔二氧化硅過濾介質(zhì)的表面共價結(jié)合。二氧化硅過濾介質(zhì)的表面積限制了硅烷結(jié)合的量。
用于處理本發(fā)明二氧化硅的硅烷優(yōu)選具有一個或多個選自下組的部分烷氧基、季銨、芳基、環(huán)氧、氨基、脲、甲基丙烯酸酯、咪唑、羧基、羰基、異氰基、異硫(isothiorium)、醚、膦酸酯、磺酸酯、尿烷、脲基、硫氫基、羧酸酯、酰胺、羰基、吡咯和離子。具有烷氧基部分的硅烷的例子有單、二、或三烷氧基硅烷，例如正十八烷基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷和苯基三乙氧基硅烷。
具有季銨部分的硅烷的例子有3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基十八烷基二甲基氯化銨、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三甲基氯化銨、或3-(N-苯乙烯基甲基-2-氨基乙基氨基)-丙基三甲氧基硅烷鹽酸鹽。具有芳基部分的硅烷的例子有3-(三甲氧基甲硅烷基)-2-(對，間-氯甲基)-苯乙烷、2-羥基-4-(3-三乙氧基甲硅烷基丙氧基)-二苯酮、((氯甲基)苯乙基)三甲氧基硅烷和苯基二甲基乙氧基硅烷。具有環(huán)氧部分的硅烷的例子有3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷和2-(3，4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷。具有氨基部分硅烷的例子有3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基甲硅烷基丙基二亞乙基三胺、2-(三甲氧基甲硅烷基乙基)吡啶、N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)吡咯、三甲氧基甲硅烷基丙基聚乙烯亞胺、二-(2-羥乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅烷和二(2-羥乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅烷。
具有脲部分的硅烷的例子有N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)脲和N-1-苯乙基-N’-三乙氧基甲硅烷基丙基脲。具有甲基丙烯酸酯部分的硅烷的例子有3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯。具有硫氫基部分的硅烷的例子有3-巰基丙基三乙氧基硅烷。具有咪唑部分的硅烷的例子有N-[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]咪唑和N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-4，5-二氫咪唑。離子性硅烷的例子有3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基-乙二胺三醋酸三鈉鹽；和3-(三羥基甲硅烷基)丙基甲基膦酸酯鈉鹽(phosphonate sodium salt)。具有羰基部分的硅烷的例子有3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基琥珀酸酐。具有異氰基部分的硅烷的例子有三(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)異氰尿酸酯和3-異氰氧基丙基三乙氧基硅烷。具有醚部分的硅烷的例子有二[(3-甲基二甲氧基甲硅烷基)丙基]-聚環(huán)氧丙烷和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷。
具有磺酸酯部分的硅烷的例子有2-(4-氯代磺?；交?-乙基三氯硅烷。具有異硫脲部分的硅烷的例子有三甲氧基甲硅烷基丙基異硫脲氯化物。具有酰胺部分的硅烷的例子有三乙氧基甲硅烷基丙基乙基-氨基甲酸酯、N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-葡糖酰胺、N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-4-羥基丁酰胺。具有尿烷部分的硅烷的例子有N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷和O-(炔丙氧基)-N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)尿烷。
也可用一種以上硅烷處理二氧化硅過濾介質(zhì)，例如，N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三甲基氯化銨和二(2-羥乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅烷；3-氨基丙基三甲氧基硅烷和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；3-三氫甲硅烷基丙基甲基膦酸酯鈉鹽(phosphonate，sodium salt)和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-Cl，三甲基氯化銨和(3-環(huán)氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷；3-三氫甲硅烷基丙基甲基膦酸酯鈉鹽和二-(2-羥乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅烷；3-(N-苯乙烯基甲基-2-氨基乙基氨基)-丙基三甲氧基硅烷鹽酸鹽和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；2-(三甲氧基甲硅烷基乙基)吡啶和N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-葡糖酰胺；N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-Cl，三甲基氯化銨和N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-葡糖酰胺；N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-Cl，三甲基氯化銨和2-羥基-4-(3-三乙氧基甲硅烷基丙氧基)-二苯酮；3-巰基丙基三乙氧基硅烷和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基琥珀酸酐和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；三甲氧基甲硅烷基丙基-乙二胺三醋酸三鈉鹽和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；2-(4-氯代磺酰基苯基)-乙基三氯硅烷和N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-聚環(huán)氧乙烷尿烷；以及2-(4-氯代磺酰基苯基)-乙基三氯硅烷和二-(2-羥乙基)-3-氨基丙基三乙氧基硅烷。
硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)具有選自下組的通式顆粒-O-Si(R1)x(R2)3-xR3， ，和 其中，R1、R2、R3和x如上所述，只要不超過四個基團直接連接于硅原子(Si)；R5、R6、R8獨立地是氫、取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基、醚、酯或芳基烷芳基；R4、R7、R9是能夠形成兩個共價連接的取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基或芳基烷芳基。
通過下面的一般反應方案，用硅烷處理具有表面硅醇的二氧化硅過濾介質(zhì)顆粒-OH+(R1)xSi(R2)3-xR3→顆粒-O-Si(R1)x-n(R2)3-xR3+nR1H其中，顆粒-OH是具有表面反應位點的過濾顆粒。例如，R1是硅烷的甲氧基(CH3O-)或乙氧基(CH3CH2O-)易離去基團，它與顆粒表面的反應性羥基，或與未結(jié)合在表面上的其它反應性水解硅烷分子相互作用。1≤x≤3；n是反應的R1基團的數(shù)目，n≤x。
無水條件下，過量反應性硅烷的延時反應只能反應多孔材料上25-50％的總活性位點，這是因為固定化殘基之間的空間位阻抑制了進一步反應，通往深埋的顆粒-OH基團也限制了進一步反應。在本發(fā)明中，這種空間上可到達的位點將稱為“飽和覆蓋度(saturation coverage)”，“飽和覆蓋度”取決于特定殘基的空間需要。注意，該定義適用于具有一個或多個易離去基團的反應性硅烷。在無水條件下，硅烷形成單層，不能形成不確定飽和的多層。然而，在水性條件下，具有多官能化硅烷的表面上可構(gòu)建多層。
可通過基本上“濕法”或基本上“干法”進行二氧化硅過濾介質(zhì)的表面硅烷處理?；旧蠞穹òㄔ谌軇?有機溶劑或水)中使硅烷反應到二氧化硅過濾介質(zhì)上，任選地使用熱。熱或溶劑不是反應所必需；但是，熱和溶劑可改善反應速率和均勻表面覆蓋度。基本上干法包括通過將硅烷與二氧化硅過濾介質(zhì)直接混合，然后加熱，在氣相或高度攪拌的液相中將硅烷反應到二氧化硅過濾介質(zhì)上。
用硅烷處理二氧化硅過濾介質(zhì)的優(yōu)選方法是將反應性硅烷逐漸加入到快速攪拌的溶劑中，使其與多孔二氧化硅過濾介質(zhì)直接接觸。另一種優(yōu)選方法是將反應性硅烷蒸汽與二氧化硅過濾介質(zhì)接觸并反應，在氣相中進行處理。例如，將多孔材料置于真空反應器中，真空干燥。然后，將快速反應性硅烷以蒸汽的形式進入真空室，與多孔材料接觸；接觸一定時間后，減壓除去反應副產(chǎn)物。然后，釋放真空，從室中取出多孔材料。
實際處理過程在1分鐘到24小時的時間范圍內(nèi)進行。通常，在本發(fā)明中，處理優(yōu)選在約30分鐘到6小時內(nèi)進行，以確保均勻處理助濾材料的表面。處理在0-400℃的溫度范圍內(nèi)進行。處理優(yōu)選在室溫(22-28℃)到200℃的溫度下進行。
本發(fā)明中使用的反應性硅烷的量取決于待反應的表面羥基的數(shù)目，以及硅烷的分子量。通常，由于潛在副反應的存在，使用相當于可達到的表面羥基的化學計量加上一些過量的反應性硅烷來處理表面羥基。若需要較厚的外表面處理，則使用更多的反應性硅烷。通常，使用0-10(優(yōu)選)、0-20或1-50倍過量。然而，有時也使用1-500倍過量；在顆粒上進行更多處理。
具有可水解基團的硅烷與顆粒表面的顆粒-OH基團發(fā)生縮合，使得有機基團共價偶聯(lián)于基材。例如，硅烷的烷氧基與顆粒表面的顆粒-OH發(fā)生化學反應。表面-硅烷相互作用快速且有效。例如，當使用具有季銨部分的硅烷時，質(zhì)子化正電荷硅烷與顆粒的去質(zhì)子化基團發(fā)生靜電吸引，有效地促進快速和有效的反應。
優(yōu)選硅烷-反應后的二氧化硅過濾介質(zhì)具有可與感興趣組分發(fā)生反應的官能化部分。官能化部分選自季銨、環(huán)氧、氨基、脲、甲基丙烯酸酯、咪唑、磺酸酯和本領(lǐng)域已知與生物分子反應的其它有機部分。此外，采用公知的方法，官能化部分可進一步反應，形成新的官能團，用于其它相互作用。制備具有官能化季銨或磺酸酯基團的硅烷-反應的顆粒過濾介質(zhì)的一般方案如下所述。
可一步法制備具有官能化季銨基團的硅烷-反應的顆粒過濾介質(zhì)。任選地，也可采用兩步或三步法。例如，在兩步法的第一步中，采用前述方法，使顆粒表面與氨基-官能化硅烷(R1)xSi(R2)3-xR4N(R5)2反應。下一步，使仲胺容易地與縮水甘油基三甲基氯化銨的環(huán)氧化物基團反應，這可方便地引入季銨官能團(見方案1)。
方案1兩步法合成季銨官能化助濾劑。
可以兩步法制備具有磺酸酯基團的硅烷-反應后的二氧化硅過濾介質(zhì)。第一步，采用前述方法，使顆粒表面與環(huán)氧-官能化硅烷反應。第二步，使環(huán)氧官能團容易地與硫酸氫鈉反應，產(chǎn)生磺酸酯-官能化二氧化硅過濾介質(zhì)(見方案2)。焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)水解形成硫酸氫鈉(NaHSO3)。
方案2合成磺酸酯-官能化二氧化硅過濾介質(zhì)
在分離應用中使用硅烷處理的顆粒，通過靜電、和/或疏水、和/或親水相互作用機制來俘獲可溶性物質(zhì)，同時除去微粒。經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的優(yōu)點在于，在單一步驟中聯(lián)用過濾和固相萃取而簡化了分離過程。經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的所需品質(zhì)是具有與未處理的二氧化硅過濾介質(zhì)類似的流速或提高的流速(過濾性質(zhì))，以及在一次操作中通過吸附俘獲可溶性物質(zhì)的能力。
在本發(fā)明的一個實施方式中，特定帶電荷的基團共價結(jié)合于二氧化硅顆粒表面，以靜電方式俘獲物質(zhì)。帶相反電荷的物質(zhì)結(jié)合于處理的多孔表面。除靜電吸引以外，還利用疏水或親水配體，通過疏水或親水相互作用來改善二氧化硅過濾介質(zhì)的結(jié)合和/或釋放特征。
采用本領(lǐng)域已知的方法如Micrometrics分析儀，通過測定表面積、孔體積和孔徑來表征經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)。例如，可通過BET技術(shù)表征表面積。通過Barrett-Joyner-Halenda分析計算孔體積和孔直徑。通過NMR譜確定具體官能團和分子結(jié)構(gòu)。通過燃燒技術(shù)確定碳-氫-氮含量；由該分析信息，可計算顆粒表面的處理水平。
本發(fā)明中使用的硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)一般(但不限于)具有選自下組的通式顆粒-O-Si(R1)x(R2)3-xR3， ，和 其中，R1是烷氧基、鹵素、羥基、芳氧基、氨基、羧基、氰基、氨?；?、或酰氨基、烷基酯或芳基酯；R2獨立地是取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基或芳基烷芳基；R3是氫、烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基、芳基烷芳基、烷氧基、鹵素、羥基、芳氧基、氨基、烷基酯、芳基酯、羧基、磺酸酯、氰基、氨?；?、酰氨基、環(huán)氧、膦酸酯、異硫脲、硫脲、烷基氨基、季銨、三烷基銨、烷基環(huán)氧、烷基脲、烷基咪唑或烷基異硫脲；其中，所述烷基、烯基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基和雜環(huán)基的氫任選地被鹵素、羥基、氨基、羧基或氰基取代；R5、R6和R8獨立地是氫、取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基或芳基烷芳基；R4、R7、R9是能夠形成兩個共價連接的取代或未取代的烷基、烯基、烷芳基、烷基環(huán)烷基、芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、雜芳基、雜環(huán)基、環(huán)烷基芳基、環(huán)烯基芳基、烷基環(huán)烷基芳基、烷基環(huán)烯基芳基或芳基烷芳基基團；其中，所述顆粒是稻殼灰、燕麥殼灰、硅藻土、珍珠巖、滑石或粘土。
本發(fā)明方法中硅烷-反應后的二氧化硅過濾介質(zhì)優(yōu)選具有官能化部分，其可與感興趣的組分反應。官能化部分選自烷氧基、季銨、環(huán)氧、氨基、脲、甲基丙烯酸酯、咪唑、磺酸酯、羧基、氰基、硫氫基、羰基、異硫、膦酸酯、以及已知與生物分子反應的其它有機部分。
進行或不進行預過濾除去微粒，將飲料樣品施加于硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點是無需進行預過濾步驟。此外，在過濾步驟之前進行或不進行飲料與過濾介質(zhì)的預先混合，將飲料樣品施加于硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)。在一個實施方式中，通過任何機械混合方式(例如攪動、攪拌、渦旋等)將樣品與經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)混合一段時間，以使組分充分結(jié)合于經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的表面。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，合適的結(jié)合時間取決于介質(zhì)的孔的性質(zhì)、蛋白質(zhì)或多酚的性質(zhì)、飲料的粘度、以及其它已知的動力學原理。通常，結(jié)合發(fā)生的時間約為幾分鐘到幾小時，甚至可持續(xù)長達1-3天。組分與經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)結(jié)合后，將混合物施加于過濾裝置，然后樣品濾過過濾介質(zhì)。
在另一個實施方式中，不進行樣品與過濾介質(zhì)的預先混合，將飲料樣品直接濾過含硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的過濾元件。經(jīng)過處理的二氧化硅過濾介質(zhì)俘獲微粒并結(jié)合某些可溶性組分如蛋白質(zhì)和多酚，同時使未結(jié)合可溶性組分如泡沫-活性蛋白流過。收集濾過的飲料樣品。
本發(fā)明的一個應用是使用硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)來除去飲料中的微生物。微生物污染是釀造業(yè)、釀酒業(yè)、果汁業(yè)和其它飲料工業(yè)中的常見問題。申請者發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)具有抗微生物活性。細菌與硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)接觸后，總的活細菌計數(shù)顯著降低。硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)還可俘獲微生物。因此，過濾步驟可進一步除去產(chǎn)品中的微生物污染。
下面的實施例進一步說明本發(fā)明。這些實施例僅僅是為了闡明本發(fā)明，而不能解釋為限制性的。實施例1-5描述了二氧化硅過濾介質(zhì)的表面處理。實施例6-13描述了硅烷處理的二氧化硅過濾介質(zhì)的抗微生物活性以及過濾結(jié)果。
實施例14-19描述了用硅烷處理的介質(zhì)來處理啤酒。
在美國專利申請
發(fā)明者N·M·福切哈默, B·弗里科斯戴爾, K·海斯, C·科勒, T·H·萊恩, A·里維斯 申請人:吉恩康國際股份有限公司, 道康寧公司