表面活性素在生物界面上的多功能行为：腐蚀抑制、抗氧化活性及胶体性质

时间：2026年2月5日

来源：Colloids and Surfaces B: Biointerfaces

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本研究首次探讨表面活性剂surfactin在中性环境下对碳钢的腐蚀抑制作用，通过物理化学性质分析、电化学测试及量子化学计算，证实其能显著降低腐蚀电流密度（至0.45 μA·cm⁻²），形成保护膜，并通过电子供体机制有效抑制腐蚀反应。

尤利娅·米利亚尔（Yuliia Miliar）、玛格丽塔·斯基巴（Margarita Skiba）、德西丝·阿尔特马耶尔-瓦兹（Deisi Altmajer-Vaz）、奥莱娜·奇希雷内茨（Olena Chyhyrynets）、格奥尔基·瓦西里耶夫（Georgii Vasyliev）、维多利亚·沃罗博约娃（Victoria Vorobyova）

乌克兰国立技术大学“伊戈尔·西科尔斯基基辅理工学院”化学技术系，基辅03056，乌克兰

摘要

本研究首次探讨了表面活性剂（surfactin）在中性介质中对碳钢的防腐作用。详细研究了其物理化学和胶体化学性质，包括表面张力、电导率以及临界胶束浓度（CMC）。通过使用DPPH自由基的循环伏安法评估了表面活性剂的抗氧化活性，证实了其抗氧化潜力。电化学研究表明，表面活性剂在电极反应前能够清除DPPH•自由基，从而降低峰值电流（I_pc1从0.207 mA/cm²降至0.198 mA/cm²，I_pa2从0.071 mA/cm²降至0.015 mA/cm²），进一步证明了其抗氧化活性和防腐潜力。量子化学分析显示，表面活性剂的HOMO能量为−10.49 eV，LUMO能量为0.72 eV，HOMO-LUMO能隙ΔE为11.21 eV，具有较高的全局硬度（η = 5.61 eV），并且对铁具有正电子转移能力（ΔN = 0.19），表明其主要的电子捐赠行为，支持其防腐潜力。通过重量法和电化学方法评估了其防腐性能。极化曲线显示，在含有1 g/L表面活性剂的3% NaCl溶液中浸泡72小时后，腐蚀电流密度（i_corr）显著降低至0.45 μA·cm⁻²。表面活性剂作为混合型抑制剂，有效抑制了腐蚀过程中的阳极和阴极反应。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征证实钢表面形成了保护膜，这归因于表面活性剂分子的吸附。扫描电子显微镜（SEM）/能量色散X射线光谱（EDS）分析进一步揭示了形态变化，并确认了保护层的存在。这些结果表明，表面活性剂在中性环境中作为绿色且有效的碳钢防腐剂具有良好前景。

引言

在腐蚀性空气和水环境中确保设备的可靠运行对工业过程至关重要。尽管传统的防腐剂效果显著，但往往存在毒理学风险、环境污染和高成本问题，因此人们开始寻找环保替代品，例如从食品加工副产品或废弃物中提取的微生物表面活性剂[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。表面活性剂因其两亲结构而成为有前景的防腐剂，它们能够吸附在金属表面形成保护膜，限制氧气和腐蚀性物质的侵入[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。其有效性取决于分子结构、电荷和膜稳定性，而微生物生产方式提高了可持续性、成本效益，并符合绿色化学原则[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
表面活性剂是一种由枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）产生的环状脂肽，是一种可生物降解且低影响的防腐剂。其两亲结构使其能够稳定吸附在金属表面，疏水尾部与金属相互作用，而亲水头部提供空间保护，防止腐蚀性物质侵入[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。虽然表面活性剂对微生物腐蚀的抑制作用已被证实，但其在冷却系统、管道和其他工业应用中常见的中性和盐水环境中的性能仍需进一步研究。
历史上，关于防腐剂的研究主要集中在酸性介质（如HCl、H₂SO₄）[6]、[7]、[8]、[9]、[17]，因为这些介质在金属酸洗和油井刺激等工业过程中广泛应用，腐蚀速度快，因此防腐剂的开发尤为迫切。在中性介质[2]中，金属表面通常覆盖有氧化层或氢氧化物层，改变了吸附机制。此外，在盐水（NaCl）等溶液中，防腐剂的效率严重依赖于临界胶束浓度（CMC）以及在活性较低的表面部位形成稳定膜的能力，这需要更复杂的实验方法。
表面活性剂在酸性、碱性和中性环境中的有效性也有所不同，这与其离子化状态和与金属表面的相互作用有关[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在酸性介质[6]、[7]、[17]中，官能团的质子化增强了吸附和抑制作用；而在碱性条件下，脱质子化会降低表面亲和力和膜稳定性。在中性环境中，吸附主要受疏水相互作用和空间效应驱动，导致抑制效果低于酸性或碱性条件[2]。
本研究首次进行了量子化学计算，以预测表面活性剂的吸附能力及其相应的防腐性能，为表面活性剂作为防腐剂的评估提供了理论基础。此外，这也是首次研究表面活性剂在中性水环境中对碳钢腐蚀的抑制效果。通过多种方法评估了表面活性剂的抗氧化活性，通常发现其与能够进行电子交换的反应性官能团的存在有关，这是其在金属表面吸附的关键因素。理解表面活性剂的胶体行为对于优化其自组装、吸附和胶束化过程至关重要，这些过程直接影响其作为绿色防腐剂的效能。这些发现不仅有助于腐蚀科学的发展，也为生物界面领域提供了新的见解，在该领域中，环保表面活性剂在开发可持续表面保护策略中发挥着重要作用。

材料

所使用的碳钢化学成分如下：C 0.160%、Si 0.080%、Mn 0.210%、P 0.015%、S 0.012%，其余为Fe。碳钢样品尺寸为1.0 cm × 1.0 cm × 0.8 cm，用于电化学测试。碳钢在腐蚀介质中的暴露表面积为1.0 cm²。选用的腐蚀介质有两种水溶液：3% NaCl溶液和含有213.0 mg/dm³ Na₂SO₄、138.0 mg/dm³ NaHCO₃及333.0 mg/dm³其他成分的模型水盐溶液。