彭澤冶 林海濤 黃繼偉 陳靜 寧晚娥

摘要： 桑蠶絲纖維脫膠是其被深度開發(fā)與利用的重要前提，文章通過研究不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維，探討長時間沸煮取代化學(xué)助劑輔助桑蠶絲纖維脫膠的可行性。結(jié)果顯示：清水沸煮2 h即可完成桑蠶絲纖維的脫膠，而隨著清水煮沸時間的增加，桑蠶絲纖維表現(xiàn)出從絲膠溶失逐漸轉(zhuǎn)向絲素中原纖分離的過程，且清水沸煮時間越長，原纖的分離越嚴(yán)重;而XRD、FTIR和熱分析的結(jié)果表明，桑蠶絲纖維在清水中煮沸對其結(jié)晶結(jié)構(gòu)及二級結(jié)構(gòu)組分的影響不大;但SDS-PAGE測試結(jié)果表明，清水煮沸時間越長，桑蠶絲纖維的再溶分子量卻逐漸減小。

關(guān)鍵詞： 桑蠶絲纖維;清水沸煮;桑蠶絲纖維脫膠;桑蠶絲纖維分纖;桑蠶絲纖維溶解

中圖分類號： TS143.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 10017003（2021）08001107

引用頁碼： 081103

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.08.003（篇序）

The splitting behavior and structural properties of mulberry silk fiber boiled by water

PENG Zeye1， LIN Haitao1， HUANG Jiwei1，2， CHEN Jing1， NING Wane1

（1.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China;2.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： The degumming of mulberry silk fiber is an essential prerequisite for its depth exploitation and utilization. Through the study of boiling mulberry silk in clean water for different time， this paper investigates the feasibility of assisting the degumming of mulberry silk by replacing chemical addictive with long-time boiling. The results showed that the mulberry silk could be degummed by boiling in clean water for 2 h. With the boiling time prolonged， the process from sericin dissolution of mulberry silk to fibril separation was observed， and the longer boiling time in water， the severer the fibril separation of silk fibroin fiber. The results of XRD， FTIR and thermal analysis showed that boiling of mulberry silk in clean water had slight influence on the crystallization structure and secondary structure components， while SDS-PAGE test results indicated that with the boiling time in water prolonged， the resolubilized molecular weight of mulberry silk was gradually reduced.

Key words： mulberry silk fiber; silk boiled by water; degumming of silk; splitting of silk fiber; dissolution of silk fiber

收稿日期： 20210226;

修回日期： 20210707

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（51763001，51963002）;廣西自然科學(xué)基金項目（2018GXNSFAA281280）;柳州市科技計劃項目（2019DH10602）

作者簡介： 彭澤冶（1996），男，碩士研究生，研究方向為蠶絲纖維工程及其再生材料。通信作者：黃繼偉，副教授，huangjiwei@gxust.edu.cn。

桑蠶絲纖維作為一種天然蛋白質(zhì)纖維，已被廣泛應(yīng)用于紡織、生物醫(yī)學(xué)工程、食藥品及精細(xì)化學(xué)品等領(lǐng)域[1-2]。而桑蠶絲纖維脫膠幾乎是所有領(lǐng)域應(yīng)用的前提或加工制備的首道工序，其中化學(xué)助劑輔助的高溫水沸煮是目前最普遍的桑蠶絲纖維脫膠工藝，然而，通常的化學(xué)助劑對桑蠶絲纖維的作用較為劇烈，用量或用時掌握不當(dāng)極易造成桑蠶絲纖維結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞[3]。此外，在一些不適宜添加化學(xué)助劑的應(yīng)用場合，化學(xué)助劑的添加需要更為復(fù)雜的檢驗過程[4]。另一方面，桑蠶絲原纖是認(rèn)識蠶絲纖維層級構(gòu)造結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，從桑蠶絲纖維中分離出原纖是研究桑蠶絲纖維層級構(gòu)造結(jié)構(gòu)的重要手段。王建南等[5]利用CaCl2溶液使桑蠶絲纖維分纖，丁歡[6]以超聲波輔助CaCl2溶液使桑蠶絲纖維分纖，陳宇岳等[7]則對經(jīng)分纖后的桑蠶絲纖維進(jìn)行錫鹽填埋處理以獲得增重蠶絲的效果，而張鋒[8]、劉志[9]、吳惠英等[10]分別以甲酸為溶劑溶解出了桑蠶絲纖維中的納米原纖組分，并以其為原液進(jìn)行了再生材料的制備，獲得了具有優(yōu)異力學(xué)性能的靜電/濕法紡絲纖維。然而，這些使桑蠶絲纖維分纖的方法借助了化學(xué)助劑，對桑蠶絲纖維的結(jié)構(gòu)造成了不同程度的破壞。綜上所述，本文試圖通過清水沸煮桑蠶絲纖維，研究不同時間清水沸煮對桑蠶絲纖維結(jié)構(gòu)的影響，并觀察清水沸煮桑蠶絲纖維使其分纖的過程，以探討在不使用任何化學(xué)助劑的情況下，長時間沸煮桑蠶絲纖維進(jìn)行脫膠和實現(xiàn)分纖的可行性。

1 實 驗

1.1 材 料

桑蠶繭（廣西融安縣金鼎制絲有限責(zé)任公司），氯化鈣、乙醇均為分析純（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），Acr-Bis（30%，29︰1）、SDS十二烷基硫酸鈉溶液（10%）、APS溶液（10%）、G250考馬斯蛋白快速染色液、SDS-PAGE蛋白加樣緩沖液（5×）、Maker（相對分子質(zhì)量11～180 kDa）等SDS-PAGE電泳試劑（福州飛凈生物科技有限公司），截留量8～14 kDa透析袋（美國聯(lián)合碳化物公司）。

1.2 儀 器

高精度電子天平（奧豪斯儀器有限公司），DK-98-Ⅱ電熱恒溫水浴鍋（常州市金壇區(qū)金城富威試驗儀器廠），Discovery TGA 55熱重分析儀（美國TA儀器公司），Nicolet 5700型智能傅里葉紅外光譜儀（美國熱電Nicolet公司），XPert-Pro型全自動X射線衍射儀（荷蘭PANalytical公司），Phenom Pro X臺式掃描電鏡（復(fù)納科學(xué)儀器有限公司），Bio-Rad電泳儀（美國伯樂公司）。

1.3 方 法

1.3.1 桑蠶絲纖維的沸煮方法

1）用剪刀將桑蠶繭剪開，去除其內(nèi)的蛹及其蛻皮，獲得白凈的繭殼，再用手緩慢撕扯繭殼至蓬松狀，備用。

2）用電子天平在同環(huán)境下同時精確稱量之前準(zhǔn)備好的蓬松桑蠶絲纖維共9份，每份10 g（記為G1），其中2份用于回潮率測定（記為W1），另外7份用于清水沸煮實驗。

3）將每份桑蠶絲纖維裝入尼龍網(wǎng)袋，分別置于盛有1 500 mL煮沸水（溫度100 ℃）的不銹鋼鍋進(jìn)行沸煮，在此過程中，每隔10 min補充一次100 ℃的水，使不銹鋼鍋中始終維持有1 500 mL水。上述7份桑蠶絲纖維中，其中5份用于表征測試，沸煮時間分別為1、2、3、5 h和10 h，另外2份用于回潮率測定（記為W2），沸煮時間為5 h。

4）經(jīng)沸煮后的桑蠶絲纖維用清水反復(fù)清洗5次，晾干后稱重（記為G2）。

5）關(guān)于失重率的計算公式如下：

L/%=G1/（1+W1）-G2/（1+W2）G1/（1+W1）（1）

1.3.2 掃描電鏡觀察

將桑蠶絲纖維樣品貼于黏有導(dǎo)電膠的樣品臺上，噴金30 s，然后采用Phenom Pro X臺式掃描電鏡對樣品進(jìn)行形貌觀察，測試電壓10.0 kV。

1.3.3 X射線衍射測試

用剪刀將桑蠶絲纖維樣品剪成粉末狀，采用XPert-Pro型全自動X射線衍射儀進(jìn)行測試。其中，X射線光源為CuK α射線，電壓40 kV，電流25 mA，掃描速度10°/min，掃描范圍5°～50°。

1.3.4 紅外光譜測試

用剪刀將桑蠶絲纖維樣品剪成粉末狀，取適量加入KBr粉末中，充分?jǐn)嚢柩心ズ笾瞥蓧浩?，采用Nicolet 5700智能傅里葉紅外光譜儀（FTIR）對其進(jìn)行測試，范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描64次取平均值。

1.3.5 熱重測試

采用Discovery TGA 55熱重分析儀對剪成粉末的桑蠶絲纖維進(jìn)行熱失重分析，溫度50～500 ℃，升溫速率10 ℃/min，測試環(huán)境為氮氣氣氛，氮氣流量50 mL/min。

1.3.6 SDS-PAGE測試

1）對于經(jīng)不同時間沸煮的桑蠶絲纖維，分別取1 g，采用CaCl2-EtOH-H2O溶劑體系對其溶解，其中浴比為1︰50，溫度80 ℃，時間2 h;得到的桑蠶絲纖維溶解原液經(jīng)透析去鹽得到純絲素水溶液;絲素水溶液經(jīng)聚乙二醇溶液濃縮，其中聚乙二醇相對分子質(zhì)量20 000，質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，濃縮時間5 h;將得到的濃縮絲素水溶液經(jīng)離心機離心，去除不溶物，所得上清液保存于4 ℃冰箱備用。

2）關(guān)于所制備絲素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測算：取干燥載玻片稱重（記為W0），用吸管取少許絲素溶液滴入干燥載玻片上測重（記為W1），將載有絲素溶液的載玻片置于60 ℃烘箱中烘干（時間6 h），取出載玻片稱重（記為W2）。按照下式計算絲素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)由上述步驟重復(fù)5次求平均值而得。

S/%=W2-W0W1-W0×100（2）

3）制備10 mL 15%分離膠：取dd H2O 2.5 mL，30%丙烯酰胺混合液5.0 mL，1.5M Tris-HCl（pH 8.8）2.5 mL，10%SDS溶液0.1 mL，10%過硫酸銨溶液0.1 mL，0.1 mL TEMED 0004 mL，加入20 mL干凈燒杯中均勻混合;用移液槍緩慢注入準(zhǔn)備好的玻璃夾板中，并留出一定空間注濃縮膠，分離膠注入完畢后用dd H2O將未注滿的玻璃夾板注滿，等待凝膠。

4）制備2 mL 5%濃縮膠：取dd H2O 1.4 mL，30%丙烯酰胺混合液0.33 mL，1.0M Tris-HCl（pH 6.8）0.25 mL，10%SDS溶液0.02 mL，10%過硫酸銨溶液0.02 mL，0.1 mL TEMED 0002 mL，加入10 mL干凈燒杯中均勻混合;將分離膠上的封水層倒出并用吸水紙將殘余的水分吸干，用移液槍將5%的濃縮膠注入，灌滿后緩慢插入梳子，等待濃縮膠凝固。

5）將絲素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)到1%，取80 μL樣品蛋白溶液置于EP管內(nèi)，加入20 μL上樣緩沖液，混合均勻后煮沸5～10 min。

6）取出梳子，用dd H2O清洗加樣孔并用吸水紙將殘余水分吸干，將凝膠固定于電泳裝置上，加入足量的1×Tris-甘氨酸電泳緩沖液，在加樣孔中分別加入20 μL各樣品及5 μL Maker標(biāo)準(zhǔn)蛋白。

7）樣品在濃縮膠電泳時電壓調(diào)節(jié)為60 V，待溴酚藍(lán)條帶即將進(jìn)入分離膠時調(diào)節(jié)電壓為120 V，當(dāng)溴酚藍(lán)條帶電泳到凝膠底部即將跑出時停止電泳。

8）取出凝膠置于10倍體積的考馬斯亮藍(lán)R-250染色液中染色1 h，染色完畢后取出加入20倍體積的脫色液中脫色，直至條帶清晰。

2 結(jié)果與分析

2.1 失重率分析

表1為經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的失重率。

由表1可知，隨著沸煮的時間增加，桑蠶絲纖維的失重率逐漸增加。通常桑蠶絲纖維的絲膠含量為22～25%[11]，而本文中桑蠶絲纖維在清水中沸煮1 h，失重率已達(dá)22.71%，說明此時桑蠶絲纖維的脫膠已基本完成;接著清水沸煮2 h和

3 h時，桑蠶絲纖維的失重率略有增加，分析認(rèn)為此時仍為絲膠的溶失，但溶失量十分微弱，可以認(rèn)為清水沸煮2 h時，絲膠已經(jīng)完全除盡;隨后，清水沸煮5 h和10 h，桑蠶絲纖維的失重率又顯著的增加。從圖1可以看出，桑蠶絲纖維表面存在較為嚴(yán)重的分纖現(xiàn)象，說明絲膠完全脫去后桑蠶絲纖維中原纖結(jié)構(gòu)間連接帶在沸水中遭到破壞，出現(xiàn)了原纖脫落和分離，進(jìn)而造成失重率的增加。

2.2 形貌變化

圖1為桑蠶絲纖維經(jīng)不同時間清水沸煮前后的SEM圖。其中，圖1（a）為未經(jīng)清水沸煮的桑蠶絲纖維，可以清楚地辨析出絲膠包覆絲素的皮心結(jié)構(gòu);圖1（b）為清水沸煮1 h的桑蠶絲纖維，可以看出桑蠶絲纖維外圍的絲膠已基本除盡，但仍有少許的絲膠顆粒;圖1（c）為清水沸煮2 h的桑蠶絲纖維，可以看出桑蠶絲纖維表面的絲膠顆粒已經(jīng)完全去除，桑蠶絲纖維表面的縱向溝壑清晰可辨;圖1（d）為清水沸煮3 h的桑蠶絲纖維，可以看出已有大塊絲端顯露于桑蠶絲纖維表面，但這種現(xiàn)象并不普遍;圖1（e）為清水沸煮5 h的桑蠶絲纖維，可以看出絲端顯露的越來越清晰，且出現(xiàn)了更加微細(xì)的原纖狀絲端;圖1（f）為清水沸煮10 h的桑蠶絲纖維，可以看出絲端不止是顯露于桑蠶絲纖維表面，甚至已經(jīng)開始出現(xiàn)大規(guī)模的脫落和潰散。因此，可以認(rèn)為隨著煮沸時間的增加，桑蠶絲纖維出現(xiàn)越來越明顯的分纖行為。

圖2為桑蠶絲纖維在清水中沸煮10 h后不同放大倍數(shù)的SEM圖。由圖2可知，桑蠶絲纖維經(jīng)清水沸煮10 h后，從桑蠶絲纖維基體中顯露的原纖是普遍存在的，且尺寸較小的原纖緊貼著桑蠶絲纖維基體，而大尺寸原纖則伸出基體。由此可以猜測，在清水沸煮中，一些小尺寸的原纖已溶于水中，留在桑蠶絲纖維基體上的只剩下較大尺寸尚未分解掉的原纖，而那些緊貼在桑蠶絲纖維基體上的小尺寸原纖因有桑蠶絲纖維基體的牽扯尚留在桑蠶絲纖維上。

2.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

圖3為經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的XRD測試結(jié)果。

由圖3可以看出，經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)顯著的變化，在9.2°、20.7°和24.7°附近存在較強的衍射峰，而在40.8°和44.6°附近存在微弱的衍射峰，其中9.2°、20.7°和40.8°處的衍射峰屬于Silk Ⅱ結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而24.7°和44.6°處的衍射峰屬于Silk Ⅰ結(jié)晶結(jié)構(gòu)[12]。由圖3（b）～（f）可以看出，經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的XRD圖譜可在9.6°、18.1°、20.7°、24.3°、29.0°、38.4°、41.4°和45.3°附近分出衍射峰，其中分峰9.6°、20.7°、24.3°、41.4°和45.3°與原XRD圖譜基本對應(yīng)，而新分峰18.1°、29.0°和38.4°均隸屬屬于Silk Ⅰ結(jié)晶結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，根據(jù)擬合分峰面積計算桑蠶絲纖維的結(jié)晶度，計算方法見下式，計算結(jié)果如表2所示。

Xc/%=1-SaS×100（3）

式中：Sa為無定形擬合峰的面積，S為所有擬合峰的面積之和。

由表2可以看出，隨著沸煮時間的增加，桑蠶絲纖維的結(jié)晶度不僅沒有下降，反而存在上升的趨勢。分析認(rèn)為，桑蠶絲纖維在長時間清水沸煮過程中存在無定形區(qū)潰散脫落，而結(jié)晶區(qū)的脫落相對較小。結(jié)合式（3）可知，兩者因素的綜合使得桑蠶絲纖維的相對結(jié)晶度提高。

2.4 紅外光譜分析

圖4為經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的FTIR測試結(jié)果。

由圖4可以看出，經(jīng)不同時間清水煮沸桑蠶絲纖維的紅外光譜相似，沒有峰位偏移。在1 655 cm-1和615 cm-1處的吸收峰分別歸屬于酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅴ帶，屬于α螺旋結(jié)構(gòu);在1 514、1 229、698 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰值分別屬于酰胺Ⅱ帶、酰胺Ⅲ帶和酰胺Ⅴ帶，屬于β折疊結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步探究絲素蛋白分子構(gòu)象的變化，針對酰胺Ⅰ帶（1 700～1 600 cm-1）進(jìn)行分峰擬合[13]，各樣品的二級結(jié)構(gòu)含量變化結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，隨著煮沸時間的增加桑蠶絲纖維的α螺旋結(jié)構(gòu)、β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量逐漸減小，β折疊結(jié)構(gòu)含量逐漸增加。這一結(jié)果與XRD分析結(jié)果一致，分析認(rèn)為與桑蠶絲纖維的結(jié)晶區(qū)穩(wěn)定性較高導(dǎo)致其在煮沸過程中損失較少有關(guān)。

2.5 熱性能分析

圖5為經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的熱分析結(jié)果。

由圖5可以看出，不同時間清水煮沸桑蠶絲纖維的熱性能差異不大，均呈現(xiàn)出3階段變化趨勢。第一階段位于50～250 ℃，質(zhì)量損失約為3%～6%，主要為桑蠶絲纖維中所含水分的散失[14];第二階段位于250～360 ℃，質(zhì)量損失趨勢急劇下降，主要來源于桑蠶絲纖維的熱分解，質(zhì)量損失約為50%，質(zhì)量損失最大速率出現(xiàn)在320℃左右;第三階段位于360～500 ℃，因為此時桑蠶絲纖維降解接近完畢，熱分解速率下降，隨著溫度的增加桑蠶絲纖維質(zhì)量變化不大。桑蠶絲纖維的熱性能與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)相關(guān)，結(jié)晶區(qū)的分子排列緊密，分子間作用力強，使其具備比非結(jié)晶區(qū)更好的熱穩(wěn)定性[15]，故通常絲蛋白材料的結(jié)晶度越大其熱穩(wěn)定性越好。而上述熱分析結(jié)果表明，不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維對其熱性能沒有影響，這進(jìn)一步驗證了清水沸煮對桑蠶絲纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有顯著影響。

2.6 分子量分析

圖6為經(jīng)不同時間清水沸煮桑蠶絲纖維的SDS-PAGE圖，其中a～e分別為清水沸煮1、2、3、5、10 h，M為相對分子質(zhì)量11～180 kDa的Maker標(biāo)準(zhǔn)蛋白。

由圖6可知，經(jīng)不同時間清水煮沸桑蠶絲纖維的SDS-PAGE的結(jié)果存在差異。通常認(rèn)為蠶絲蛋白由相對分子量為390 kDa的重鏈和相對分子量為25 kDa的輕鏈組成，兩者通過二硫鍵的形式連接在一起[16]，其中重鏈貫穿絲素蛋白結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，而輕鏈存在于絲素蛋白的非結(jié)晶區(qū);結(jié)晶區(qū)分子排列緊密、分子間作用力強，結(jié)晶區(qū)分子排列疏松、分子間空隙較大，水、離子等容易進(jìn)入，所以絲素的劣化一般先從非結(jié)晶區(qū)開始[16-17]。圖6中樣品a、b在相對分子量為25 kDa處有條帶出現(xiàn)，而樣品c、d、e在相對分子量為25 kDa沒有出現(xiàn)條帶，這說明隨著清水沸煮時間的增加，桑蠶絲纖維的再溶相對分子質(zhì)量降低。分析認(rèn)為，雖然清水沸煮未破壞桑蠶絲纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但對無定形區(qū)中的分子鏈存在影響，從而導(dǎo)致分子鏈的斷裂。

3 結(jié) 論

通過清水沸煮桑蠶絲纖維，研究了不同時間清水沸煮對桑蠶絲纖維結(jié)構(gòu)的影響，并觀察其在不同清水沸煮時間中的分纖過程，借助XRD、FTIR、熱分析和SDS-PAGE技術(shù)對桑蠶絲纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)含量、熱學(xué)性能及相對分子質(zhì)量進(jìn)行了表征和分析，得到如下主要結(jié)論。

1）桑蠶絲纖維在清水中煮沸1 h后纖維表面殘留少量絲膠;在清水中煮沸2 h后蠶絲基本上完成脫膠;在清水中煮沸3 h后桑蠶絲纖維出現(xiàn)分纖現(xiàn)象;在清水中煮沸5 h后纖維出現(xiàn)大量的分纖;在清水中煮沸10 h后桑蠶絲纖維分纖程度更大，普遍出現(xiàn)大原纖分解成微小原纖現(xiàn)象。

2）桑蠶絲纖維在清水中的煮沸時間長短對其結(jié)晶結(jié)構(gòu)及二級結(jié)構(gòu)組成影響不大。

3）桑蠶絲纖維在清水中煮沸2 h內(nèi)分子量的變化不大，煮沸時間在3 h時絲素蛋白的分子量出現(xiàn)明顯的減少;并且隨著煮沸時間的增加絲素蛋白的分子量越來越小。

上述結(jié)果表明，采用長時間清水沸煮桑蠶絲纖維可實現(xiàn)脫盡絲膠的目的，而延長清水沸煮時間還可以在不借助任何化學(xué)助劑的前提下實現(xiàn)桑蠶絲纖維原纖的分離，為認(rèn)識和研究桑蠶絲纖維的層級構(gòu)造結(jié)構(gòu)提供了新的手段。

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