吳惠英

(蘇州經貿職業(yè)技術學院， 江蘇 蘇州 215009)

脫膠工藝對蠶絲溶解及再生絲素蛋白纖維性能的影響

吳惠英

(蘇州經貿職業(yè)技術學院， 江蘇 蘇州 215009)

為探究脫膠工藝與蠶絲溶解及纖維成形之間的關系，討論了脫膠溶液質量分數、脫膠次數對蠶絲脫膠率、蠶絲表面形貌、絲素溶解度以及再生絲素蛋白纖維結構及性能的影響。結果表明：蠶絲脫膠率隨Na2CO3溶液質量分數與脫膠次數的增加而增加，當Na2CO3溶液質量分數為0.1%、脫膠3次時，脫膠絲素纖維表面出現(xiàn)明顯劈裂的微原纖結構，纖維的斷裂強度下降了27.6%。絲膠的去除程度對絲素溶解及再生絲素纖維的結構有所影響，溶解時間隨Na2CO3溶液質量分數、脫膠次數的增加而減少，再生絲素蛋白纖維的力學性能隨脫膠程度的加深而降低，當Na2CO3溶液質量分數為0.05%、脫膠3次時，再生絲素蛋白纖維直徑均勻、表面光滑、結構緊密且力學性能較好。

脫膠工藝； 再生絲素蛋白纖維； 脫膠率； 蠶絲

蠶絲是目前常用的一種紡織用天然纖維，主要由絲膠和絲素組成，包覆于蠶絲表面的絲膠作為一種黏結劑將2條截面呈三角形、半結晶的絲素包裹而形成桑蠶絲。絲膠在紡織過程中對絲素起保護作用，但在用于生物組織材料中需要對其進行去除。外包于絲素表面的絲膠基本沒有力學性能，在使用過程中通常將其去除[1]，將蠶絲纖維用于生物組織材料的研發(fā)，脫膠是極其重要的一步。絲膠蛋白屬于天然水溶性球蛋白，其極性氨基酸含量高，結晶度低，易發(fā)生膨化、溶解；絲素蛋白呈直線形，結構緊密，具有較高的取向度和結晶度[2]，不溶于水，呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

在應用于生物組織材料中時，天然蠶絲需經脫膠處理得到脫膠絲素后才能被使用[3-4]，因此，絲膠去除程度對絲素在生物組織材料中的應用十分重要，脫膠不徹底，將會引起炎癥反應，但過度脫膠會對蠶絲纖維的蛋白質結構造成嚴重破壞[5-6]。因此，對脫膠工藝的探討將對蠶絲溶解及纖維再生具有十分重要的研究價值和實際意義。

本文采用常用的碳酸鈉溶液對天然蠶絲進行脫膠，討論脫膠溶液的質量分數、脫膠次數對蠶絲脫膠率、蠶絲表面形貌的影響，分析脫膠溶液的質量分數、脫膠次數對再生絲素蛋白纖維成形及結構性能的影響。通過掃描電鏡觀察不同脫膠條件下脫膠后的絲素纖維以及再生絲素蛋白纖維的表面形貌變化，探討不同脫膠脫膠對脫膠絲素纖維在溶劑中的溶解行為的影響以及所制得的再生絲素蛋白纖維力學性能的差異，從而獲得蠶絲溶解及再生絲素蛋白纖維成形的最優(yōu)化脫膠工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

纖維：桑蠶絲，浙江湖州宏成紡織有限公司。

試劑：碳酸鈉(Na2CO3，分析純，上海試劑總廠)，無水氯化鈣(CaCl2，分析純，上海試劑總廠)，98%甲酸(FA，分析純，江蘇強盛化工有限公司)。

日立S-4800場發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司；Instron3365型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠；009-300-S-D(MT-Ⅲ)型脈動無級變速器，國營寧坡海洋漁業(yè)公司漁機廠；WZS-50F2型微量泵，浙江大學醫(yī)學儀器有限公司；玻璃注射器，金壇市第二注射器廠。

1.2 天然桑蠶絲的脫膠及溶解過程

1.2.1 天然桑蠶絲的脫膠

稱取一定量的天然桑蠶絲，采用質量分數0.05%的Na2CO3溶液按1∶20的浴比沸煮30 min，以此質量分數對天然蠶絲分別脫膠2、3、4次，再使用溫度高于60 ℃的去離子水清洗，于60 ℃條件下的烘箱里進行烘干，獲得脫膠蠶絲，分別命名為S1、S2、S3。

脫膠質量分數的影響：分別選用0.01%、0.05%、0.1%的Na2CO3溶液按1∶20的浴比沸煮30 min，按上述溶液質量分數脫膠3次，再使用溫度高于60 ℃的去離子水清洗，于60 ℃條件下的烘箱里進行烘干，獲得脫膠蠶絲，分別命名為SI、SII、SIII。

1.2.2 脫膠絲素的溶解

將上述不同脫膠條件下獲得的脫膠絲素在常溫條件下溶于質量配比為m(CaCl2)∶m(FA)=5∶95的混合溶液中，溶解近3 h后得到質量分數為15.0%的再生絲素蛋白溶液，備用。

1.2.3 纖維成形

將溶解后獲得的再生絲素蛋白溶液用自制的濕法紡絲裝置制備再生絲素蛋白纖維[7]，以去離子水為凝固浴，控制紡絲的速率達到5 mL/h，調節(jié)纖維卷繞的速率為10 r/min，后牽伸2倍，室溫條件下進行紡絲及后牽伸。

1.3 纖維性能測試

1.3.1 脫膠率測定

以烘干稱重法表征纖維的脫膠率，將脫膠前后的樣品放入溫度為(65±2)℃的烘箱中烘至質量變化在允許范圍內，之后取出置于干燥器中冷卻，室溫下放置12 h后稱量，得到相應的干態(tài)質量，計算脫膠率：

式中：W0為桑蠶絲脫膠前干態(tài)質量，g；W1為桑蠶絲脫膠后干態(tài)質量，g。

1.3.2 絲素溶解度測定

絲素溶解過程設定為25 ℃溶解條件下在相同溶解時間1 h內絲素的溶解情況。取脫膠后的絲素若干，稱取溶解前后絲素干態(tài)質量，溶解率為

式中：S0為溶解前絲素干態(tài)質量，g；S1為溶解后剩余絲素干態(tài)質量，g。

1.3.3 纖維形貌觀察

室溫下，在試樣測試面噴金后，采用日本日立S-4800型場發(fā)射掃描電鏡觀察纖維的表面形貌。

1.3.4 纖維力學測試

室溫下，在試樣測試面噴金后，采用Instron3365型萬能材料試驗機測試脫膠后蠶絲及再生絲素蛋白纖維的力學性能，設定測試夾距為10 mm，拉伸速率10 mm/min，初始張力0.2 cN，強力與伸長的精度分別為0.01 cN和0.01 mm，測試溫度25 ℃，相對濕度為(50±5)%，每類樣品測試根數為20根。

2 結果與分析

2.1 脫膠對蠶絲脫膠率的影響

絲膠以鱗狀粒片不規(guī)則地附著于絲素的外圍，約占繭層質量的25%，并含有少量蠟質、碳水化合物、色素和無機成分。絲膠是以無規(guī)卷曲結構為主，含有少部分的β-折疊構象，α-螺旋構象基本沒有[8]，處于內層的絲膠含β-折疊構象的比例較高，如果當外界條件發(fā)生變化時，外層絲膠中的無規(guī)卷曲向β-折疊構象會發(fā)生不可逆轉化。蠶絲的絲膠包覆于絲素之外，并有4層包覆層，由于絲膠蛋白包覆層的水溶性由外到內依次減弱，結晶度依次變大，因而外層的絲膠最易去除。

圖1 不同脫膠條件下脫膠絲素的表面形貌Fig.1 Morphology of degummed silk by different degummed way

為達到天然蠶絲脫膠的目的，可采用多種方式，如：酸、堿、皂、高溫高壓及酶處理等，但脫膠工藝不當會直接影響脫膠絲素的性能，進而影響絲素進一步的再生加工。本文選擇相對溫和的Na2CO3溶液對蠶絲進行沸煮脫膠處理，旨在對天然蠶絲脫膠的同時盡可能降低對絲素的損傷。絲膠的最外層的包覆層首先受到堿液的作用，在堿性溶液中吸收堿而發(fā)生溶脹，溶解或水解成可溶性的氨基酸鹽，外層絲膠逐漸被去除，隨著脫膠過程的持續(xù)，內層的絲膠也逐漸被去除。當脫膠2次(S1)、采用質量分數為0.01%(SII)Na2CO3溶液處理后，蠶絲的脫膠率較低；當脫膠3次、采用質量分數為0.05% Na2CO3溶液處理后，蠶絲的脫膠率為25.6%(S2、SII)，隨著脫膠次數的增多，脫膠率逐漸增加，脫膠3次后，脫膠率變化小于1%，結合脫膠后的絲素表面形貌，可以判斷絲膠幾乎被脫凈；SIII方式獲得的蠶絲脫膠率達到了28.4%，結合脫膠后的絲素表面形貌，該條件下絲素纖維受到了比較嚴重的損傷，這說明脫膠次數以及Na2CO3溶液質量分數對蠶絲的脫膠過程有較大的影響，結果見表1所示。

表1 不同脫膠條件下蠶絲的脫膠率

2.2 脫膠對絲素表面形貌及力學性能的影響

圖1(a)～(c)示出不同脫膠次數后絲素表面形貌。圖1(d)～(f)示出經不同質量分數Na2CO3溶液脫膠后的絲素表面形貌。

脫膠2次后，絲素表面基本光滑，絲素的斷裂強度幾乎沒有發(fā)生變化，只下降了0.8%；脫膠3次后，絲素表面光滑，外觀平整，其斷裂強度下降8.9%；第4次脫膠完成后，絲素的表面有許多縱向凹槽[9]，其斷裂強度下降11.3%。當Na2CO3溶液質量分數為0.1%時，絲素纖維發(fā)生明顯的裂解，纖維主體仍保持但纖維表面出現(xiàn)了劈裂的微原纖結構，絲素的斷裂強度下降了27.6%，堿性較強時，水分子與絲素蛋白發(fā)生反應導致蛋白質分子肽鏈水解[10]，絲素的力學性能有所下降，結果見表2所示。這說明在絲膠被脫凈的情況下，Na2CO3溶液質量分數的增加會使絲素纖維受到比較嚴重的損傷。

表2 不同脫膠條件下脫膠絲素的力學性能

2.3 脫膠對絲素溶解性的影響

脫膠后的絲素仍不溶于水，但可溶于強酸、強堿和部分中性鹽溶液[11]，但這些溶劑在絲素溶解過程中對其破壞性較強，本文采用的溶劑體系對絲素的溶解行為有別于傳統(tǒng)溶解方法，水化作用使羧基極易在纖維表面吸附，絲素分子鏈間的范德華力、分子間氫鍵被削弱，絲素分子內、分子間氫鍵作用被破壞，實現(xiàn)絲素在納米原纖水平的溶解，這與傳統(tǒng)溶解絲素的方法有所差別。此外，鹽離子與絲素分子中的極性氨基酸殘基形成絡合物[12]，纖維內部的晶區(qū)結構被破壞。

脫膠過程是絲素溶解的首要環(huán)節(jié)，也會對其溶解行為產生一定的影響。本文將不同脫膠條件下的絲素在相同溶解條件溶解發(fā)現(xiàn)，溶解35 min后，Na2CO3溶液質量分數為0.1%、脫膠3次后的絲素(SIII)已完全溶解，而此時Na2CO3溶液質量分數為0.01%、脫膠2次后的絲素(SI)此時才溶解了53.8%，相對(S1)的溶解度低，說明脫膠時Na2CO3溶液質量分數比脫膠次數對絲素溶解的影響大，蠶絲在脫膠過程中的脫膠率越大，絲膠去除的越徹底，絲素越容易在溶劑中發(fā)生溶解，所需的溶解時間越短，結果見表3所示。

表3 不同脫膠條件下絲素的溶解度

2.4 再生絲素蛋白纖維的成形過程

纖維的濕法紡絲過程，主要過程是紡絲溶液經噴絲頭擠出，在凝固浴中冷卻固化，溶劑和凝固劑發(fā)生雙擴散現(xiàn)象，當擴散系數和凝固固化速率達到相對平衡，最終形成了結構相對穩(wěn)定的纖維[13]。

文中的再生絲素蛋白溶液是采用CaCl2/FA溶劑體系溶解絲素得到的具有納米原纖水平的再生絲素蛋白溶液[14]，以具有納米原纖結構的紡絲液、水作為凝固浴進行纖維的成形制備，再生絲素蛋白溶液中的蛋白質大分子重新分布排列，并與溶劑相互作用發(fā)生脫水、凝聚及靜電聚集等過程[15]，溶液經過噴絲頭時分子間距離進一步靠近，在親疏水性作用下分子鏈伸展通過氫鍵作用相互連接。紡絲液進入凝固浴中呈凝膠狀[16]，有效降低了溶劑向凝固浴的擴散速度，進一步的剪切、拉伸作用后[17]，纖維結構更加均勻、致密化程度更高。

本文基于紡絲液中納米原纖結構的保留進行紡絲，在制得的再生絲素蛋白纖維表面也可觀察到原纖結構，基于天然納米原纖是蠶絲優(yōu)異理化性質的關鍵因素，本文采用的方法有望獲得力學性能更高的再生絲素纖維。同時，這也是一種在常溫條件下以水為非溶劑致相分離、促進凝膠化過程，從而形成纖維的綠色紡絲工藝。

2.5 脫膠對再生絲素纖維結構性能的影響

采用不同脫膠工藝制得的再生絲素溶液進行紡絲，獲得的再生絲素纖維經過2倍牽伸后的表面形貌有著明顯差異，如圖2所示。圖2(a)～(c)為不同脫膠次數后絲素溶解再生形成的再生絲素纖維。當蠶絲脫膠2次時，蠶絲表面仍有少量殘留絲膠，殘留絲膠對絲素溶解有一定的影響，再生絲素蛋白纖維表面為扁平狀(S1)；當蠶絲脫膠3次時，再生絲素溶液紡絲成形經進一步的剪切、拉伸作用后，獲得的再生絲素纖維直徑均勻，表面光滑(S2、SII)，結構緊密，纖維成形性好，并表現(xiàn)出良好的可牽伸性，牽伸2倍后纖維斷裂強度達到(9.5± 1.7)cN/dtex，斷裂伸長率達到(31.2 ± 5.2)%；當蠶絲脫膠4次時，再生絲素纖維縱向出現(xiàn)明顯的溝槽(S3)。圖2(d)～(f)為經不同質量分數Na2CO3溶液脫膠后絲素溶解再生形成的再生絲素纖維，當用質量分數為0.1%的Na2CO3溶液脫膠后，絲素纖維被部分破壞，形成的再生絲素纖維內部結構不均勻，纖維表面粗糙，在后道的牽伸過程較困難，經過牽伸作用后也很難形成有序結構(SIII)，所形成的纖維的力學性能也不理想，斷裂強度只有(6.2 ±2.8) cN/dtex，結果見表4所示。

圖2 不同脫膠條件下再生絲素纖維的表面形貌Fig.2 Morphology of regenerated silk fibroin fiber by different degummed way

表4 不同脫膠條件下再生絲素纖維的力學性能

3 結 論

經上述分析研究可知，脫膠工藝的不同對蠶絲溶解及再生絲素纖維的結構性能有較大影響。Na2CO3溶液質量分數、脫膠次數增加，蠶絲表面的絲素去除的越徹底，脫膠絲素纖維表面劈裂的微原纖結構越明顯，隨之脫膠絲素纖維的斷裂強度下降越多，當Na2CO3溶液質量分數為0.1%、脫膠3次時，纖維的斷裂強度下降了27.6%。此外，絲素溶解再生過程中，絲素溶解時間會隨Na2CO3溶液質量分數、脫膠次數的增加而減少，脫膠工藝對纖維的成形及結構有一定的影響，當Na2CO3溶液質量分數為0.1%、脫膠3次時，絲素纖維被部分破壞，形成的再生絲素蛋白纖維內部結構不均勻，纖維表面粗糙。實驗得到制備再生絲素纖維的最優(yōu)脫膠工藝為Na2CO3溶液質量分數0.05%、脫膠3次，所形成的纖維直徑均勻、表面光滑、結構緊密且力學性能好。

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Influence of degumming process on the silk dissolution and properties of regenerated silk fibroin fibers

WU Huiying

(SuzhouInstituteofTrade&Commerce,Suzhou,Jiangsu215009,China)

In order to study the relationship between the degumming process and silk dissolution and fiber formation, the influence of the concentration of degumming solution and degumming times on degumming rate, silk surface morphology and fibroin solubility and the structure and properties of regenerated silk fibroin fiber were investigated. The results indicat that the degumming rate increase with the increase of the concentration of degumming solution and degumming times. When the concentration of Na2CO3is 0.1% and degumming is performed for 3 times, fibrils obviously appear on the surface of degummed silk fiber, with the breaking strength decreasing by 27.6%. The degree of removal of sericin has an impact on the dissolution process and the structure of regenerated silk fibroin. The dissolving time decreases with the increase of the concentration of degumming solution and degumming times. When the concentration of Na2CO3is 0.05% and degumming is performed for 3 times, the obtained regenerated silk fibroin fiber has smooth surface, compact structure and good mechanical properties.

degumming process; regenerated silk fibroin fiber; degumming rate; silk

10.13475/j.fzxb.20161001806

2016-10-11

2017-05-15

2014年度江蘇省應用基礎研究計劃項目(BK20141207)；2016年蘇州市科技計劃重點產業(yè)技術創(chuàng)新項目(SYG201604)

吳惠英(1980—)，女，講師，博士。主要從事絲蛋白生物材料的應用研究。E-mail：why_1220@sina.com。

TS 141.8

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