天然木薯蚕丝脱胶工艺优化与性能分析

杨莹莹　张旻爽　田伟　祝成炎

摘要：为优化天然木薯蚕丝脱胶工艺，采用正交试验法，对影响脱胶率的工艺参数进行研究，并对比分析了不同脱胶时间处理后蚕丝的脱胶率、力学性能、白度、红外光谱曲线。结果表明，最佳工艺条件为：Na2CO3试剂5g/L、温度90 ℃、时间50 min。在最佳工艺条件下，木薯蚕丝的脱胶率随时间的延长而增加；木薯蚕丝的断裂强度和断裂伸长率随脱胶时间的增加而减小；脱胶能显著改善蚕丝的白度；脱胶后蚕丝既有β折叠结构又有α螺旋结构。

关键词：天然木薯蚕丝；正交试验；脱胶率；力学性能；白度；红外光谱曲线

中图分类号：TS145.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0047-05

Abstract：To optimize degumming technology of natural cassava silk， this paper is intended to study the process parameters influencing degumming loss rate with orthogonal method， and analyze and compare the degumming loss rate， mechanical properties， whiteness， and infrared spectroscopy curve of natural silk after being degummed for different durations. Experimental results show that the optimum process conditions are： 5 g/L Na2CO3， temperature of 90 ℃ ， duration of 50 min； under the optimum process conditions， the degumming loss rate of cassava silk rises as the duration of degumming is prolonged； the breaking strength and elongation at break of cassava silk decrease as the duration of degumming is prolonged； the whiteness of silk can be significantly improved by degumming； degummed silk is of both βfolding structure and αhelix structure.

Key words：natural cassava silk； orthogonal experiment； degumming loss rate； mechanical property； whiteness； infrared spectrum curve

天然木薯蠶又称蓖麻蚕，以木薯叶为食，在中国主要分布在广西、广东、湖南等地区[1]。木薯蚕一端有羽化孔，该处茧丝凌乱，极易造成缫丝时产生落绪，使得缫丝十分困难，因此木薯蚕茧主要作为绢纺材料[24]。木薯蚕丝主要由丝胶（约12.5%～15%）和丝素（约84%～86%）组成，此外还含有少量的灰分、蜡质、单宁等成分[2]，但过多的丝胶会影响蚕丝的光泽、手感、白度及力学性能，不利于绢纺工艺的顺利进行，需对蚕丝进行脱胶处理[5]。蚕丝常用的脱胶方法主要有酸脱胶、碱脱胶、酶脱胶和高温高压脱胶[67]等。因此，如何选择合适的脱胶方法以满足绢纺工艺对丝胶含量及力学性能等的要求十分重要。

目前国内外学者对桑蚕丝脱胶工艺的研究取得了众多成果[810]，对木薯蚕的研究主要集中在食品、保健品、护肤品及生物医学材料等领域[11]，鲜有关于木薯蚕丝脱胶的研究。本文从影响蚕丝脱胶的因素着手，选取了试剂、温度、时间、质量浓度4个因素，利用正交试验选出最佳的脱胶工艺，并在最佳工艺条件下探讨了脱胶时间对木薯蚕丝脱胶率、力学性能、白度及二次结构的影响，为木薯蚕绢纺工艺的顺利进行提供了一定的理论依据。

1实验

1.1实验材料

天然木薯蚕茧（丹东边境经济合作区宝力实业有限公司），无水碳酸钠（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司），碳酸氢钠（分析纯，杭州市高晶精细化工有限公司），中性皂（杭州东南化工有限公司），苦味酸（广州台山市众城化工有限公司），胭脂红（天津市光复精细化工研究所），氨水（杭州市高晶精细化工有限公司）。

1.2实验仪器

6020型恒温水槽（常州市人和仪器厂），DZF6050真空干燥箱（慧科电子有限公司），AL204IC型电子天平（梅特勒托利多仪器有限公司），XQ2纤维强伸度仪（莱州市电子仪器有限公司），DigiEye数慧眼测色仪（英国Verivide公司），VERTEX 70傅立叶变换红外光谱仪（PERKIN ELMER），769YP15A手动粉末压片机（天津市科器高新技术公司）。

1.3实验方法

1.3.1试样准备

剥去木薯蚕茧衣并取出里面的蚕蛹，去除蛹衬，分成36份，每份约5 g，其中18份用于木薯蚕丝脱胶工艺的优选，18份用于不同脱胶率木薯蚕丝的制备。将试样放入105 ℃的烘箱中干燥2 h后，测定每份试样的干量G1。

1.3.2正交试验设计

采用L9（34）正交表[5]进行试验设计，选取脱胶温度、试剂、质量浓度与时间4种因素，每种因素各选取3种水平，共9种实验组合配置，因素水平如表1所示。按照正交表设置实验方案，并将蚕茧进行脱胶，浴比为1∶100，煮后的蚕丝用40 ℃左右的去离子水反复洗涤，于105 ℃的烘箱中干燥2 h后，称得烘干后试样的干重G2，检验脱胶程度。根据式（1）计算木薯蚕丝的脱胶率。

1.3.3不同脱胶率木薯蚕丝的制备

采用优选的脱胶工艺进行脱胶实验，浴比为1∶100，脱胶时间分别为0、20、35、60、75、90、120、150、180 min，每组实验重复2次，并对不同脱胶时间处理后的蚕丝，按上述1.3.2中的方法进行洗涤、烘干、计算脱胶率。

1.3.4木薯蚕丝的强力测试

在标准大气条件下（温度20 ℃，相对湿度65%），使用XQ2纤维强伸度仪，测试20根不同脱胶时间的木薯蚕丝的断裂强力、断裂伸长率。测试条件：拉伸速度200 mm/min，隔距20 mm，預加张力0.05 cN/dtex。

1.3.5木薯蚕茧白度的测定

按照GB/T 17644—2008《纺织纤维白度色度试验方法》，利用DigiEye数慧眼测色仪测定不同脱胶时间的木薯蚕丝的颜色值（明度L*、绿/红a*、黄/蓝b*、饱和度C*、色相角h），仪器采用D65光源，利用式（2）计算白度，每个试样测3次。

W=100-[（100-L*）2+a*2+b*2]12（2）

式中：W为白度，%；在L*a*b*指标体系中a*、b*表示白度偏色方向：a*正值表示偏红，a*负值表示偏绿，b*正值表示偏黄，b*负值表示偏蓝。

1.3.6傅立叶红外光谱（FTIR）分析

分别取适量不同脱胶时间的木薯蚕丝，用纤维切片器制成粉末，将样品与溴化钾粉末混合后制成溴化钾压片，在VERTEX 70傅立叶变换红外光谱仪上进行测试，得到不同脱胶时间木薯蚕丝的红外吸收光谱图。

2结果与分析

2.1正交试验结果分析

正交试验所得结果如表2所示。表中k1、k2、k3分别为在各因素水平下木薯蚕丝脱胶率的平均值，r为极差值。

从表2可以看出，实验选取的4种因素的极差值是不同的，对脱胶率的影响为：A试剂>B温度>D质量浓度>C时间。

2.1.1试剂对脱胶率的影响

试剂对脱胶率的极差值为8.8，在4种因素中最大，因此试剂对脱胶率的影响最大。实验所配Na2CO3的pH值为10～11，NaHCO3的pH值为7～8，中性皂碱性很弱。在几种脱胶方法中，试剂为Na2CO3的脱胶率最高，其次为NaHCO3，中性皂的脱胶率最低，说明脱胶效果与溶液的pH值有关，随着pH值的增加，木薯蚕丝脱胶率逐渐增大，脱胶效果好，因此试剂应选为Na2CO3。

2.1.2温度对脱胶率的影响

温度对脱胶率的极差值为1.99。随着温度的增加，丝胶分解增多，茧丝的脱胶率增加，在温度相对较低时，脱胶率随温度的升高增加缓慢，但在85 ℃到90 ℃时，脱胶率急剧增加，90 ℃时，脱胶率最高，温度应选为90 ℃。

2.1.3质量浓度对脱胶率的影响

丝胶具有两性性质，且丝胶蛋白偏酸性，溶液质量浓度越高，碱性越大，丝胶在碱性溶液中膨润水解成可溶性的氨基酸盐。由表2可知，试剂质量浓度在4、5、6 g/L水平下脱胶率的平均值依次为4.93、5.71、5.29，随着试剂质量浓度的增加，木薯茧丝的脱胶率先升后降，浓度的极差值为0.78，对脱胶率的影响较小，在质量浓度为5 g/L时脱胶率最高，因此质量浓度应选为5 g/L。

2.1.4时间对脱胶率的影响

对脱胶率来讲，时间的极差值为0.62，在4种因素中对脱胶率的影响最小，说明本正交试验所设计的时间因素对脱胶效果的影响较小，3种时间水平下脱胶率的平均值在5.0%～5.7%之间，相差不大，因此脱胶时间可选为50 min。

2.2脱胶时间对脱胶率的影响

蚕丝表面丝胶的含量影响织物的手感及印染加工，但脱胶处理一般会引起蚕丝机械性能和白度的改变，影响后续织造过程的顺利进行及最终的织物手感，因此，在最佳工艺条件下，通过设置不同的脱胶时间制成不同含胶率的蚕丝，探究木薯蚕丝表面丝胶含量对其机械性能及白度的影响。根据正交试验可知最佳的脱胶工艺：Na2CO3为试剂、温度90 ℃、质量浓度5 g/L、浴比1∶100。

在最佳的工艺条件下对木薯蚕丝进行不同脱胶时间处理，根据实验结果，对数据进行指数拟合，得到脱胶率与脱胶时间的关系，如图1所示。脱胶实验测得木薯蚕丝的丝胶含量为14.45 %。木薯蚕丝脱胶的方程为：y=14.918 65-14.908 08e-X65.167 63，R2=0.980 83，其中y为木薯蚕丝的脱胶率，X为脱胶时间。从图1中可以看出，脱胶率与脱胶时间呈指数增加的趋势，在脱胶的前45 min内，蚕丝的脱胶率增加较快，随着时间的增加，脱胶率增长变慢，当脱胶时间为90 min时，脱胶率高达14.08%，大部分的丝胶已经溶解，而少量紧靠丝素表面的丝胶很难被脱去。

2.3脱胶时间对木薯蚕丝力学性能的影响

不同脱胶时间下的9组试样，其细度与拉伸实验结果如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出，随着脱胶时间的延长，木薯蚕丝的断裂强力与断裂伸长率均呈减小的趋势。经拟合后的指数方程分别为：

随着脱胶时间的延长，木薯蚕丝的断裂强度减小，这是由于丝胶含量的减少减弱了丝素间的抱合力，使丝素间的摩擦力减小，丝素在受到外力的作用下容易产生滑移，因此蚕丝的断裂强度变小。由于丝胶含量减少，干燥后丝胶的收缩作用也减少，使得脱胶后蚕丝的断裂伸长率减少。通过合理控制脱胶时间可以获得具有适当断裂强度及断裂伸长率的木薯蚕丝，进而获得高品质的木薯蚕绢丝。

2.4脱胶时间对木薯蚕丝白度的影响

不同脱胶时间木薯蚕丝的颜色值及白度见表4。

由表4可知，木薯蚕丝脱胶后白度均有所改善，但不同脱胶时间后蚕丝的白度略有差异，根据脱胶前后白度值可计算出脱胶前后色差，随着脱胶时间的延长，木薯蚕丝的白度值增加，白度差增加。天然木薯蚕丝呈淡黄色，由于蚕丝表面丝胶的存在，未脱胶时蚕丝的白度较差，蚕丝黄度较深；不同脱胶时间木薯蚕丝白度相差不大，脱胶后木薯蚕丝的白度在86.03～88.36之间，随着脱胶时间的延长，白度差呈增大趋势。

2.5脱胶时间对木薯蚕丝二次结构的影响

不同时间脱胶处理后，木薯蚕丝的红外光谱图如图4所示。可看出，脱胶前后木薯蚕丝的红外光谱曲线形状基本相同，木薯蚕丝在1448 cm-1处的吸收峰产生于C—H键的变形振动，而1 230 cm-1、1 165 cm-1处的吸收峰代表了酰胺Ⅲ的β折叠分子构象，964 cm-1處的吸收峰为丙—丙残基的特征谱带，代表了酰胺Ⅴ的β折叠分子构象，697 cm-1处的吸收峰是由N—H键的面内变形振动引起的，代表了酰胺Ⅴ的β折叠分子构象，669 cm-1处的吸收峰代表分子的无规构象，620 cm-1处的吸收峰代表了酰胺Ⅴ的α螺旋分子构象[12]。

由图4可知，脱胶前后木薯蚕丝的二级结构以β折叠结构为主，也有少量α螺旋结构，脱胶后，木薯蚕丝的特征峰在669 cm-1处的强度减弱，到120 min时峰形消失，说明蚕丝的无规构象减弱。脱胶后木薯蚕丝的二级结构仍为β折叠结构和α螺旋结构，各吸收谱带的强度随着脱胶时间的延长呈增大的趋势，峰形逐渐明显，但不影响蚕丝的主体结构。

3结论

利用正交试验法，选取了试剂、温度、时间、质量浓度4个因素，研究了不同因素不同水平对茧丝脱胶率及力学性能的影响，并在其他条件最优的前提下着重探讨了9组脱胶时间对木薯蚕脱胶率、力学性能、白度及二次结构的影响，实验结果如下：

a）由正交实验结果可知，影响木薯蚕丝脱胶率的顺序为：A试剂>B温度>D质量浓度>C时间，为使茧丝达到较高的脱胶率，可选择的最佳工艺组合为：试剂为Na2CO3，温度90 ℃、质量浓度5 g/L、时间50 min。

b）以最佳工艺组合对木薯蚕丝进行不同时间脱胶处理，结果如下：木薯蚕丝的脱胶率随时间的延长而增加；木薯蚕丝的断裂强度和断裂伸长率随脱胶时间的增加呈指数减小的关系；脱胶后木薯蚕丝的白度明显改善；脱胶后木薯蚕丝的结构仍为β折叠结构和α螺旋结构，主体结构变化不大。

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（责任编辑：陈和榜）