兼具增强表面活性、乳化与抗菌性能的PEG4-P非离子表面活性剂：咪唑催化简便合成及理化性能研究

《Results in Surfaces and Interfaces》：Unveiling an antimicrobial nonionic surfactant with enhanced surface activity, emulsification, and physicochemical performance

　　

研究人员合成了一种PEG（n = 4）的抗菌非离子表面活性剂（antimicrobial nonionic surfactant）。观察到显著表面活性（surface activity）并形成自组装胶束（self-assembled micelle）。采用以咪唑（imidazole）为催化剂的新型、成本有效且简便的合成路线。表现出可测量的浓度依赖性抗菌活性（concentration-dependent antimicrobial activity）。表现出84.38%的满意泡沫稳定性（foam stability）和乳化能力（emulsifying ability）。

研究背景方面，非离子表面活性剂（nonionic surfactant，在水溶液中不电离的表面活性剂）不产生离子，具有醚氧、羟基、羧基及长非极性烷基链，已占全球表面活性剂产量40%以上。生物基表面活性剂具有较低碳足迹和较快生物降解性。亲水亲油平衡值（HLB，hydrophilic-lipophilic balance）为8-18的表面活性剂可形成水包油乳液。聚乙二醇（PEG，polyethylene glycol）具有两亲性，可用于食品、药品和化妆品。棕榈酸（PA，palmitic acid，C₁₆饱和脂肪酸）是重要疏水尾。PEG-棕榈酸酯是非离子两亲物，具有生物功能应用潜力。传统非离子表面活性剂通过醇与环氧乙烷气相乙氧基化制备，但环氧乙烷易燃、有毒、易爆，反应强放热，需要严格温压控制和安全系统，资本与运行成本高；乙氧基化程度和分子量分布控制差，HLB易波动，副产物难纯化，收率较低。基于这些问题，研究人员旨在以PEG（MW～200）与PA为原料，采用咪唑催化的液相酯化，在温和条件下合成PEG₄-P，并评价其表面活性、乳化、起泡、理化性能和抗菌活性，以期获得安全、可放大、经济的生物基抗菌非离子表面活性剂。

关键技术方法简述如下：PEG（MW～200）、咪唑（99%）和棕榈酸（C₁₆:0，95%）购自Thermo Fisher Scientific。将PEG₄与PA在咪唑催化下于115 °C、245 rpm反应24 h，最后60 min真空除水；产物经水溶、过滤、水洗和真空干燥，得粘性液体，产率98%。结构表征采用ATR-FTIR、¹H/¹³C/HSQC NMR。表面张力用Wilhelmy板法，动态光散射（DLS，dynamic light scattering）和透射电子显微镜（TEM，transmission electron microscopy）分析聚集体，计算HLB并测定乳化能力，Ross-Miles法测泡沫，测定凝固点、浊点、粘度和热重分析（TGA，thermogravimetric analysis）。抗菌用两倍肉汤稀释法测最小抑菌浓度（MIC，minimum inhibitory concentration），亚培养测最小杀菌浓度（MBC，minimum bactericidal concentration）和最小杀真菌浓度（MFC，minimum fungicidal concentration），孔扩散法测抑菌圈（ZOI，zone of inhibition）；供试菌为ATCC来源的Escherichia coli、Staphylococcus aureus、Salmonella typhimurium、Bacillus cereus、Pseudomonas aeruginosa和Candida albicans。

FTIR分析：研究人员在4000-500 cm^?1范围记录傅里叶变换红外光谱（FTIR，Fourier transform infrared spectroscopy），发现1734 cm^?1处酯羰基C=O伸缩振动、1101 cm^?1处C-O伸缩振动，以及3459.34 cm^?1处PEG₄醇羟基峰，表明PEG与PA之间形成酯；2922.25和2859.59 cm^?1、1458.39和1347.99 cm^?1峰来自棕榈酸长链。

NMR分析：通过¹H、¹³C和异核单量子相干（HSQC，heteronuclear single quantum coherence）核磁共振（NMR，nuclear magnetic resonance）分析，产物出现δ 0.846、1.227、1.503、2.164、2.272、3.40-3.59、4.11 ppm等¹H信号，以及13.99、22.31-33.87、60.34、68.50、69.95、72.43、63.18、174.60 ppm等¹³C信号；HSQC相关支持产物为PEG₄-P，IUPAC名为2-[2-[2-(2-hydroxyethoxy) ethoxy] ethoxy] ethyl hexadecanoate。

表面活性：在表面张力与CMC部分，Wilhelmy板法测定显示PEG₄-P降低水表面张力，25、45、65 °C下临界胶束浓度（CMC，critical micelle concentration）约为0.0634、0.0576和0.0534 mM，γ_cmc为41.54、39.42和37.55 mN m^?1，π_cmc为30.26、32.38和34.25 mN m^?1，Γ_max为1.79、1.73和1.69×10^?10 mol cm^?2，A_min为0.928、0.963和0.985 nm² molecule^?1，表明其低浓度即可形成胶束并具有良好表面活性。热力学特性：由Gibbs方程计算得ΔG_mic和ΔG_ads均为负值，25-65 °C下分别约-33.92至-38.95 kJ mol^?1和-34.09至-39.15 kJ mol^?1，说明胶束化和吸附自发；ΔH_mic、ΔH_ads为正，ΔS_mic、ΔS_ads为正，表明过程吸热且由熵驱动，吸附与胶束化倾向相当。

DLS和TEM分析：0.1% w/v水溶液中，DLS显示主要流体动力学直径约17.6 nm，多分散指数低于0.2；TEM显示主要为球形纳米聚集体。研究表明PEG₄-P在水介质中可自组装，但聚集数和浓度依赖未测定。

HLB与乳化能力分析：计算得HLB为8.2，呈中间亲水亲油性。乳化实验显示，椰子油中乳液稳定性最长，可达1440 min；石蜡油仅0.67 min；橄榄油和大豆油中等。椰子油HLB为8，接近PEG₄-P的HLB，故稳定性好；石蜡油HLB为10，差异较大，稳定性差。

起泡性能分析：Ross-Miles法测得0.25%溶液泡沫能力为60.38%，泡沫稳定性为84.38%，100 min后泡沫体积无显著变化，表明其具有良好起泡和稳泡潜力。

凝固温度和浊点分析：PEG₄-P在约20 °C变为粘稠并固化；浊点为25 °C，说明水溶液在室温以上变浑浊，可能限制需高温热稳定性的应用，但温度响应相分离在需要受控相分离的应用中有用。

粘度：产物为粘性液体，粘度158.6 mPa s，随剪切速率增加而降低，表现为剪切变稀非牛顿行为，可能与暂态聚集体在剪切下重排或取向有关。

热性能分析：TGA显示表面活性剂至200 °C仍较稳定；221.33 °C失重8.62%；334.96 °C约60%失重，主要归因于PEG主链断裂和酯键裂解；最大85.59%失重，568.24 °C残留约0.136%，表明在惰性环境中几乎完全热解。

抗菌性能分析：采用浓度依赖肉汤稀释实验，PEG₄-P对革兰阳性菌、革兰阴性菌和受试酵母均有抗菌作用，MIC、MBC/MFC随微生物不同而异；溶剂对照无可见抑制。孔扩散法显示对Staphylococcus aureus抑菌圈约25±0.04 mm，对Bacillus cereus、Pseudomonas aeruginosa、Candida albicans分别约18.0±0.02、20.0±0.04、14.0±0.05 mm，对Escherichia coli和Salmonella typhimurium分别约14±0.02和16±0.05 mm。其两亲结构中的C₁₆疏水链和PEG亲水段可能参与微生物膜相互作用，导致浓度依赖性抗菌反应。

讨论部分总体表明，PEG₄-P通过咪唑催化一步液相酯化成功制备，并在表面活性、热力学、自组装、乳化、起泡、理化性能和抗菌方面得到系统评价。研究结论翻译如下：研究人员证明了由PEG₄和PA有效合成和表征了PEG₄-P非离子表面活性剂。PEG₄-P成功降低水表面张力，并在25、45和65 °C表现出良好表面活性，其CMC与许多商业表面活性剂相当。热力学分析进一步阐明其胶束化和表面活性。以咪唑为催化剂的一步合成提供简便方法。PEG₄-P对受试微生物表现出可量化抗菌活性，提示其用于需要表面活性和抗菌特性的应用潜力。TEM显示球形纳米聚集体，DLS显示主要流体动力学直径为17.6 nm。该表面活性剂在低浓度下具有良好起泡和泡沫稳定特性，并在测试条件下对椰子油具有长期乳液稳定性。此外，测量了浊点、观察到的凝固温度、粘度和热降解行为。总体而言，结果表明PEG₄-P具有良好表面活性、起泡、乳化和抗菌能力；然而，仍需进一步研究毒性、安全性、生物降解性和制剂稳定性，以确定其实际应用。