前言
在健康消费需求持续升级的当下，益生菌凭借调节肠道菌群、提升宿主免疫力等核心价值，已成为食品、乳制品、生物医药等领域的关键原料。然而，其浓缩工艺长期面临着 “效率与活性难以兼顾” 的行业痛点。作为全球过滤技术专家，颇尔特别发布《陶瓷膜过滤应用于益生菌浓缩工艺可行性研究》主题论文。
上周，我们介绍了试验材料与方法，为探索益生菌浓缩工艺升级提供了基础框架。本周，我们将继续介绍其他实验方法并聚焦核心技术细节与试验成果，滑动屏幕查看论文精华内容吧！
1. 材料与方法
1.3 方法
1.3.4 稀释平板法活菌计数测定菌体回收率
准确称取待测样品10 g，放入装有90 mL无菌水并放有小玻璃珠的250 mL三角瓶中，用手或置摇床上振荡20 min，使微生物细胞分散，静置30 s，即成10-1稀释液；再用1 mL无菌吸管，吸取10-1稀释液l mL，移入装有9 mL无菌水的试管中，吹吸3次，让菌液混合均匀，即成10-2稀释液；再换一支无菌吸管吸取10-2稀释液1 mL，移入装有9 mL无菌水的试管中，也吹吸三次，即成l0-3稀释液；以此类推，连续稀释，制成10-4、 10-5、10-6、10-7、10-8、10-9等一系列稀释菌液。益生菌原液采用10-6、10-7和10-8三种稀释梯度；浓缩后发酵液采用10-7、10-8和10-9三种稀释梯度。
将 MRS 培养基熔化后趁热倒入无菌平板中，待凝固后编号，然后用无菌吸管吸取0.1 mL菌液对号接种在不同稀释度编号的琼脂平板上（每个编号设三个重复）。再用无菌刮铲将菌液在平板上涂抹均匀，每个稀释度用一个灭菌刮铲，更换稀释度时需将刮铲灼烧灭菌。在由低浓度向高浓度涂抹时，也可以不更换刮铲。将涂抹好的平板平放于桌上30 min，使菌液渗透入培养基内，然后将平板倒转，保温培养，至长出菌落后即可计数。
1.3.5 实验方法
采用恒流过滤模式，实验过程维持切向流速不变，设定为4.0± 0.2 m/s。在实验开始不断加入益生菌发酵液，添加结束后，开始浓缩，直至系统压力无法保持时结束实验。
陶瓷膜 CIP 清洗流程：RO 水冲洗循环3次 → 4.0%氢氧化钠溶液+1000 ppm 次氯酸钠溶液， 60℃~70℃上下游同时循环30 min → RO 水冲洗循环2次 → 4.0%氢氧化钠溶液+1000 ppm次氯酸钠溶液， 60℃~70℃上下游同时循环 30 min → RO 水冲洗3次 → 1.0%硝酸溶液，60℃上下游同时循环30 min → RO水冲洗至中性。实验后的陶瓷膜柱进行 CIP 清洗，膜柱净水通量恢复率均为91%以上。
1.3.6 TMP（跨膜压力）计算方法
TMP=（陶瓷膜进口压力 P1 +陶瓷膜回流端压力 P2）/2-陶瓷膜滤出端压力 P3
*由于陶瓷膜滤出端压力 P3 在实验中为常开状态，故记为0
1.3.7 平均通量计算方法
平均通量=滤出液重量（kg）/陶瓷膜膜面积（m2）/运行时间（hr）
1.3.8 浓度倍数计算方法
浓缩倍速=发酵液总加入重量（kg）/运行结束时系统内发酵液的重量（kg）
*系统死体积记为6 kg
1.4 颇尔 Membralox GP 陶瓷膜工作原理
颇尔 Membralox GP 陶瓷膜采用高纯度 α-Al2O3 经过多次高温烧结而成，结构强度高（最大静态爆破压力达到100 bar）。陶瓷膜错流过滤被广泛应用于高粘度(≤200 cP）、高固形物 (≥1%（w/w））流体的澄清和浓缩。这主要受益于陶瓷膜采用较高的切向流速，通常设定为3 m/s～5 m/s，最高可以达到 10 m/s。在高切向流速下，陶瓷膜管内流体可以达到完全湍流状态，有效减少膜管内表面的浓差极化。但在实际过程中，有很多高固体悬浮物含量的流体（如牛奶） 在完全湍流状态下，陶瓷膜膜管进口端也极易产生浓差极化，进口端压力很快上升，当压力达到使用限值后需立即停机清洗，生产效率低。
颇尔 Membralox GP 膜采用特有的梯度渗透工艺，保证整支陶瓷膜管在生产过程中，达到均匀的渗透率。均匀的渗透率可以大大降低滤膜表面特别是进口端产生浓差极化的速率，有效延长过滤时间。颇尔 Membralox GP 陶瓷膜梯度渗透特点详见图1。
2. 实验结果及分析
2.1 不同益生菌单级浓缩实验结果
采用 PALL Membralox GP 陶瓷膜对7种不同类型的益生菌进行单级浓缩。结果提示，总固体悬浮物含量最高可以达到 54%，平均通量最大可达到129 kg/m2/hr。但同时发现，对于某些特殊种类的益生菌品种（比如产多糖菌种，离心机的实际回收率低于50%），采用陶瓷膜浓缩时，也体现出平均通量低的特性；但经过陶瓷膜浓缩后的益生菌发酵液均保留在系统的上游，不会随着过滤的过程而损失，故回收率远高于传统离心机的回收率水平（离心机回收率约90%）。详细过滤参数见表1。
2.2 乳双歧杆菌二级浓缩实验结果
单级浓缩中，部分益生菌发酵液的浓缩无法达到冻干生产的最低固体悬浮物含量要求。所以二次浓缩对于部分益生菌发酵液是必要的步骤。相较于离心机，陶瓷膜系统浓缩比受限于回流侧（过滤上游）的总体积。相较于单级浓缩，二级浓缩可以有效缩小回流侧（过滤上游）的总体积，从而在单极浓缩的基础上，再次提高单极浓缩液浓缩数倍。实验中，乳双歧杆菌在经过二级浓缩后，固体悬浮物含量最大达到80%以上；且益生菌回收率也达到99%以上。详细过滤参数见表2。
3. 结语
采用颇尔 Membralox GP 陶瓷膜，二级过滤浓缩过滤乳双歧杆菌发酵液替代传统的离心机离心工艺流程。浓缩后发酵液固体悬浮物含量达到80%（w/w），菌体回收率达到99%。单极及二级浓缩分离平均通量分别达到129和43 kg/m2/hr。浓缩后发酵液批次调配后冷冻干燥，终产品均匀度优于离心机工艺产品，这主要收益于陶瓷膜工艺中，浓缩液为整批次收集（离心机为分批分时段收集，存在批次差异），产品均一度高。
本实验以一种全新视角，开创性的引入1.4 μm GP 陶瓷膜应用于传统益生菌浓缩分离，工艺对操作人员及环境更加友好，为益生菌传统浓缩分离工艺的升级开拓了新的思路和视野。
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