南京农业大学食品科技学院韩永斌、陶阳课题组揭示声空化效应对树脂吸附多酚传质过程的影响机制

　　近日，南京农业大学食品科技学院韩永斌、陶阳课题组在Chemical Engineering Journal发表了题为“Bridge between mass transfer behavior and properties of bubbles under two-stage ultrasound-assisted physisorption of polyphenols using macroporous resin”的研究论文。该研究将不同强度超声波用于大孔树脂预处理和吸附多酚过程，通过多孔吸附数值仿真和超声空化特性的计算，探讨了声空化效应对多酚吸附传质的影响机制。

 

　　超声波是一种机械波，在液体媒介中传播可以产生空化效应，进而促进食品加工热质传递。课题组前期发现，超声波可以显著促进大孔树脂吸附/解吸附果蔬多酚，提高多酚回收率。但是，超声破碎作用对树脂吸附性能的影响及相应的传质机理未知。同时，超声空化效应易受加工体系影响，一般用W、W/cm2、W/L等单位难以准确反映加工体系下空化特征，不利于超声加工过程的调控和放大。

 

　　基于上述问题，该研究首先采用高强度超声将大孔树脂粒径打碎，然后采用温和超声（不破坏树脂）辅助树脂吸附葡萄多酚。研究证实，超声对树脂仅可产生物理性破碎，高强度超声将大孔树脂粒径由592μm破碎至60.23μm时，吸附平衡时间缩短了90%以上，表明超声破碎不影响树脂的回收利用，破碎越严重，吸附反而越快。通过多孔介质吸附模型模拟吸附过程，模型将多孔介质吸附过程解读为4个步骤，包括多酚跨越固-液相界面膜、多酚在吸附剂表面非共价结合（假设瞬间达平衡）、多酚沿吸附剂内孔隙溶液（孔扩散）和固体骨架（表面扩散）向内扩散，并需耦合超声破碎对传质面积和距离的影响。研究发现，低强度超声辅助吸附提高了多酚在树脂骨架内的扩散流量比例，高强度破碎反而降低了多酚在树脂骨架内的扩散流量比例，表明传质距离减小可改变吸附传质机理。衡量吸附传质过程，需要同时考虑吸附剂内外传质能力以及传质距离。

 

　　课题组进一步从含多酚水溶液中空泡受力特性、溶液可压性出发，运用空泡动力学模型得出空泡从生长到溃灭全过程的半径、以及泡内温度、压力和气体浓度变化，以此作为泡内气体自由基反应条件；基于化学反应动力学原理构建各自由基反应模型，耦合“three-body反应”因素，得出空泡内自由基形成全过程；依据超声溶液中H2O2累积合成速率、以及单个空泡内自由基物质的量，得出超声空化云中空泡数量；综合单个空泡能量和空泡数量，课题组采用“空泡累积强度（CCP）”表征了空化效应，进而构建了空化效应与树脂吸附多酚行为的桥联关系。课题组同时发现，吸附溶液中声压超过1.192 × 105Pa的阈值时，增加超声输出功率可提高空泡数量，但对单个空泡能量影响较小，实验条件下超声积累自由基浓度不超过10-5 mol/L的量级，不影响多酚稳定性。

 

　　该研究为果蔬多酚高效快速靶向分离和超声吸附设备研发奠定了理论基础。论文的署名单位为南京农业大学，陶阳副教授为第一作者，韩永斌教授和马来西亚诺丁汉大学Pau-Loke Show为共同通讯作者。李丹丹博士、中科院声学所吴鹏飞副研究员、文莱科技大学Sivakumar Manickam教授等也参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助。