南農大食品科技學院韓永斌、陶陽課題組揭示聲空化效應對樹脂吸附多酚傳質過程的影響機制

課題組前期發現,超聲波可以顯著促進大孔樹脂吸附/解吸附果蔬多酚,提高多酚回收率。但是,超聲破碎作用對樹脂吸附效能的影響及相應的傳質機理未知。

近日,南京農業大學食品科技學院韓永斌、陶陽課題組在Chemical Engineering Journal發表了題為“Bridge between mass transfer behavior and properties of bubbles under two-stage ultrasound-assisted physisorption of polyphenols using macroporous resin”的研究論文。該研究將不同强度超聲波用於大孔樹脂預處理和吸附多酚過程,通過多孔吸附數值模擬和超聲空化特性的計算,探討了聲空化效應對多酚吸附傳質的影響機制。

超聲波是一種機械波,在液體媒介中傳播可以產生空化效應,進而促進食品加工熱質傳遞。課題組前期發現,超聲波可以顯著促進大孔樹脂吸附/解吸附果蔬多酚,提高多酚回收率。但是,超聲破碎作用對樹脂吸附效能的影響及相應的傳質機理未知。同時,超聲空化效應易受加工體系影響,一般用W、W/cm2、W/L等組織難以準確反映加工體系下空化特徵,不利於超聲加工過程的調控和放大。

基於上述問題,該研究首先採用高强度超聲將大孔樹脂粒徑打碎,然後採用溫和超聲(不破壞樹脂)輔助樹脂吸附葡萄多酚。研究證實,超聲對樹脂僅可產生物理性破碎,高强度超聲將大孔樹脂粒徑由592μm破碎至60.23μm時,吸附平衡時間縮短了90%以上,表明超聲破碎不影響樹脂的回收利用,破碎越嚴重,吸附反而越快。通過多孔介質吸附模型類比吸附過程,模型將多孔介質吸附過程解讀為4個步驟,包括多酚跨越固-液相界面膜、多酚在吸附劑表面非共價結合(假設瞬間達平衡)、多酚沿吸附劑內孔隙溶液(孔擴散)和固體骨架(表面擴散)向內擴散,並需耦合超聲破碎對傳質面積和距離的影響。研究發現,低强度超聲輔助吸附提高了多酚在樹脂骨架內的擴散流量比例,高强度破碎反而降低了多酚在樹脂骨架內的擴散流量比例,表明傳質距離减小可改變吸附傳質機理。衡量吸附傳質過程,需要同時考慮吸附劑內外傳質能力以及傳質距離。

課題組進一步從含多酚水溶液中空泡受力特性、溶液可壓性出發,運用空泡動力學模型得出空泡從生長到潰滅全過程的半徑、以及泡內溫度、壓力和氣體濃度變化,以此作為泡內氣體自由基反應條件;基於化學反應動力學原理構建各自由基反應模型,耦合“three-body反應”因素,得出空泡內自由基形成全過程;依據超聲溶液中H2O2累積合成速率、以及單個空泡內自由基物質的量,得出超聲空化雲中空泡數量;綜合單個空泡能量和空泡數量,課題組採用“空泡累積强度(CCP)”表徵了空化效應,進而構建了空化效應與樹脂吸附多酚行為的橋聯關係。課題組同時發現,吸附溶液中聲壓超過1.192×105Pa的閾值時,新增超聲輸出功率可提高空泡數量,但對單個空泡能量影響較小,實驗條件下超聲積累自由基濃度不超過10-5mol/L的量級,不影響多酚穩定性。

超聲吸附體系下的空化特性研究及與吸附傳質的橋聯構建

該研究為果蔬多酚高效快速靶向分離和超聲吸附設備研發奠定了理論基礎。論文的署名組織為南京農業大學,陶陽副教授為第一作者,韓永斌教授和馬來西亞諾丁漢大學Pau-Loke Show為共同通訊作者。李丹丹博士、中科院聲學所吳鵬飛副研究員、汶萊科技大學Sivakumar Manickam教授等也參與了該研究。該研究得到了國家自然科學基金面上項目的資助。

本文標題: 南農大食品科技學院韓永斌、陶陽課題組揭示聲空化效應對樹脂吸附多酚傳質過程的影響機制
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656002212986695
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