《Ultrasonics Sonochemistry》：Exploration of interfacial chemistry and physical movement in fixed-bed adsorption/desorption of anthocyanins with and without in-process ultrasonication
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本研究针对花青素纯化过程中固定床吸附/解吸效率低、机理不明确的问题，通过构建耦合超声的固定床系统，结合对流-扩散-颗粒内扩散模型，揭示了超声对花青素传质过程的影响机制。结果表明，超声虽未显著提升整体效率，但通过强化流体对流与分散作用，为优化吸附分离工艺提供了新策略。该研究为高效纯化天然活性成分提供了理论依据和技术支持。
花青素作为广泛存在于果蔬中的水溶性类黄酮化合物，因其鲜艳的色泽和多种生物活性，在食品、保健品和医药领域具有重要应用价值。然而，当前花青素的纯化技术如柱色谱、膜过滤和树脂吸附/解吸等，仍面临效率有限、成本高、环境负担重以及规模化应用难等问题。特别是固定床吸附/解吸技术虽因操作简单、实用性强而备受青睐，但其背后的物理机制尚不明确，制约了工艺的精确控制和优化。
为深入探究固定床中花青素的传质机制，南京农业大学食品科技学院的研究团队设计了一种自组装超声辅助固定床系统，以黑果腺肋花楸花青素为模型物质，系统研究了常规与超声辅助条件下吸附/解吸过程的动力学特性。研究通过建立包含轴向对流-扩散和颗粒内扩散的唯象模型，首次实现了固定床吸附与解吸过程的统一模拟，相关成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。
研究采用的关键技术方法包括：自组装超声耦合固定床装置的构建、宏观多孔树脂（XAD-7HP）的活化与填充、花青素粗提物的制备与浓度测定、Langmuir等温线模型拟合吸附/解吸平衡数据，以及基于COMSOL Multiphysics的对流-扩散-颗粒内扩散耦合模型的数值求解与验证。
3.1. 超声对固定床吸附性能的影响
通过对比不同床高（2.5 cm和4.5 cm）下的吸附动力学曲线发现，超声处理（8.44 W/cm2和18.76 W/cm2）虽加速了花青素的穿透，但降低了树脂的吸附容量。例如，在4.5 cm床高下，超声使穿透时间从152.0 min缩短至77.0 min，吸附容量从8.49 mg/g降至7.19 mg/g，表明超声促进了流体对流与分散，但削弱了花青素与树脂的结合。
3.2. 固定床解吸动力学及超声作用
解吸实验显示，在95%乙醇为洗脱剂时，超声未显著改变花青素的解吸行为。解吸曲线均呈现先快速上升后缓慢下降的趋势，最大解吸浓度出现在12 min左右。结果表明，在高极性洗脱剂中，溶剂本身已能有效破坏花青素-树脂相互作用，超声的附加增强作用有限。
3.3. 传质参数的主成分分析
主成分分析表明，超声在吸附过程中轻微提升了雷诺数（Re）、舍伍德数（Sh）等宏观传质参数，但对解吸过程的参数影响不显著。超声对固定床内流体流动及界面传质具有轻度促进作用，但受床高和树脂填充密度限制。
3.5. 吸附模型的验证与机制解析
模型较好地模拟了吸附动力学（R2> 0.990）。超声显著降低了花青素在树脂骨架内的表面扩散系数（Ds），如床高4.5 cm时，Ds从18.0×10?13m2/s降至2.4×10?13m2/s。空间分布模拟进一步证实，超声使花青素更易富集于树脂表面而非内部，抑制了颗粒内扩散。
3.5.3. 表面扩散贡献率的变化
表面扩散贡献率（SDCP%）在无超声时达58.22%–94.99%，超声使其降至10.14%–94.99%，表明超声降低了表面扩散在颗粒内传质中的主导作用，转而以孔体积扩散为主。
3.5.4. 关键参数的敏感性分析
降低流速（vz）和轴向扩散系数（Dz）、提高液固传质系数（kL）和表面扩散系数（Ds）均可促进吸附效率。Langmuir参数qm（最大吸附容量）和b（亲和常数）对吸附容量和速率均有显著正向影响。
3.6. 解吸模型的验证与机制
解吸模型成功再现了解吸动力学。超声对解吸过程中的表面扩散系数（Ds）影响微弱，进一步证实其在高极性洗脱剂中作用有限。敏感性分析显示，优化流速和扩散系数可有效提升解吸效率。
本研究系统阐明了固定床中花青素吸附/解吸的传质机制，指出对流-扩散、界面传质、颗粒内扩散及结合位点是关键控制因素。超声虽未显著提升纯化效率，但其对流体运动的调控作用为工艺优化提供了新思路。该模型框架为天然产物固定床纯化的精准设计奠定了理论基础，并为超声辅助分离技术的应用场景提供了重要参考。
