硝酸钙盐缩处理对生丝结构与力学性能的影响*

王鑫， 李懿， 刘青松， 李心宁， 夏庆友， 赵萍

西南大学 生物学研究中心/家蚕基因组生物学国家重点实验室， 重庆 400715

家蚕是世界上最重要的经济昆虫之一， 也是支撑蚕丝产业的生物基础， 具有极高的经济价值[1-2]． 蚕丝是一种天然的蛋白纤维， 具有良好的光泽、 轻柔舒适的手感、 适宜的吸水性、 对人体肌肤的亲和性等特征， 有“纤维皇后”的美称[3]． 然而， 蚕丝纤维由于其本身具有的弹性小、 抗形变性差、 易起皱泛黄等缺陷， 导致以蚕丝纤维加工为主的丝绸产业受到了巨大的冲击． 在科技日益发展、 人民生活水平不断提高的今天， 蚕丝产业又面临着一系列新的挑战． 首先， 近年来我国已经逐渐由生丝原料的最大出口国转变为世界最大丝绸终端商品生产国和出口国， 这一产业结构的变化提示蚕丝产业应有效结合国内外消费者升级的需求， 着力优化产品结构， 提高生丝及其制品的品质， 从而有效拓宽丝绸行业的生存空间． 其次， 蚕丝还面临多种纤维竞争带来的挑战． 世界纺织科技迅猛发展， 使得蚕丝不断受到其他低价合成纤维的冲击． 正因如此， 改善蚕丝纤维性能， 克服蚕丝固有缺陷， 才能弥补蚕丝自身短板， 开创出更多新的应用场景， 提高蚕丝产品附加值， 实现丝绸产业振兴．

为了克服蚕丝纤维弹性小和抗形变差等力学性能上的缺陷， 本研究小组受蚕丝在家蚕丝腺中成纤维过程需要金属离子参与的启发， 通过向家蚕注射金属离子的方式， 实现了蚕丝纤维力学性能的改良[4-6]． 进一步通过将金属离子结合蛋白在家蚕前部丝腺过表达， 获得了力学性能提升的新型家蚕品种和蚕丝纤维素材[7]．

除利用注射、 基因过量表达等体内操作的方式将金属离子导入蚕丝以改良蚕丝力学性能外， 直接利用中性盐在高温条件下处理已经纤维化的蚕丝也是对蚕丝外观及性能改良的手段之一． 目前， 比较成熟的加工方法是蚕丝的盐缩加工工艺． 将蚕丝织物或纤维在较高百分比的硝酸钙、 氯化钙等中性盐的热溶液中进行处理， 蚕丝或纤维会显著地收缩和卷曲， 利用这种现象使蚕丝纤维及织物收缩， 使之具有皱缩效果的加工， 即盐缩加工[8]． 盐缩加工处理的蚕丝能产生卷曲状的外观、 蓬松的触感和别致的风格， 从而改善蚕丝制品的手感， 使其触感更加柔软[9]． 产生这种现象的原因可能在于丝蛋白中酪氨酸、 丝氨酸的侧链基团与钙离子发生配位作用形成螯合物， 这个过程中破坏了维持丝蛋白原有结构的部分氢键和范德华力， 从而使纤维溶胀、 分子结构松弛[10-11]． 目前， 关于盐缩加工的相关研究主要集中在对其工艺优化及处理后纤维和织物表面形态的变化方面， 取得了一定的成果， 如陈蔚来等[12]对蚕丝织物盐缩工艺进行了探讨， 发现硝酸钙溶液在百分比为46.8%， 温度为65 ℃， 时间为12 min时处理蚕丝盐缩效果最好， 并且对蚕丝的损伤也较小． 但是， 对于盐缩加工后蚕丝纤维结构和性能是如何变化的相关研究还相对较少．

基于以上背景， 本文参考陈蔚来等[12]的加工条件， 采用不同百分比和不同温度的硝酸钙溶液对生丝纤维进行盐缩处理． 对处理后的茧丝形貌、 取向、 蛋白质组分、 结构和力学性能进行系统研究， 旨在探究盐缩加工处理在提高生丝纤维柔软度和舒适性的同时能否改良生丝纤维的力学性能， 并对蚕丝盐缩加工工艺进行探讨．

1 材料与方法

1.1 实验材料

生丝纤维(优级白厂丝， 规格20/22)购自四川南充六合制丝有限责任公司， 四水合硝酸钙、 溴化锂、 尿素均为AR级， 购自上海生工生物工程股份有限公司， 溴化钾购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司， 去离子水购自美国Sigma-Aldrich公司， 十二烷基磺酸钠—聚丙烯酰胺电泳(SDS-PAGE)梯度预制胶(4%～16%)、 电泳缓冲液、 上样缓冲液、 预染蛋白质分子量标准、 考马斯亮蓝R250染色液及脱色液均购自美国ThermoFisher Scientific公司．

1.2 实验仪器

BJ-1000C型电子天平(瑞士普利赛斯)、 DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)、 蛋白质电泳系统(美国ThermoFisher Scientific)、 DM2700P型偏光显微镜(德国徕卡)、 扫描电子显微镜(日本日立)、 Nicolet iN10型傅里叶变换红外光谱仪(美国ThermoFisher Scientific)、 AG-X plus型万能测试仪(日本岛津)．

1.3 硝酸钙盐缩处理

先将生丝纤维在去离子水中清洗并自然风干， 按照表1中所示的百分比利用去离子水配制硝酸钙溶液． 准确量取100 mm长度的生丝纤维， 将其按照表1实验条件进行硝酸钙盐缩处理12 min． 取处理后的生丝纤维， 利用去离子水冲洗5次， 每次2 min， 室温晾干后进行长度测量， 计算收缩率．

表1 硝酸钙盐缩处理后生丝盐收缩率及直径

1.4 形貌观察

将处理后的生丝纤维剪成10 mm长度， 平整地粘贴在扫描电镜专用导电胶带上， 镀金5 min后进行扫描电镜观察． 随机选择3个区段， 利用图像处理软件测量其直径， 并进行拍照． 另取处理后的生丝纤维， 将其固定于载玻片上后， 置于偏光显微镜下观察、 拍照．

1.5 十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分析

取处理后的生丝纤维， 剪刀剪碎后称取10 mg， 向其中加入500 μL的9.6 mol/L溴化锂溶液， 待丝纤维溶解后， 10 000 r/min离心5 min， 取上清液． 将170 μL的8 mol/L尿素和30 μL上清溶液混合， 加入50 μL蛋白上样缓冲液， 室温静置2 h后， 取10 μL进行SDS-PAGE， 100 V恒压电泳． 电泳结束后进行考马斯亮蓝染色．

1.6 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

随机选取处理后的生丝纤维(样本数n=5)， 剪碎后将其与研磨后的溴化钾粉末混合， 压片后放入FTIR分析仪载物台． 调节红外线光斑， 将其聚焦到样品上进行扫描． 扫描范围设为500 cm-1至2 000 cm-1， 光谱分辨率为0.1 cm-1， 每个样品扫描次数为64次． 每次样品扫描前需先采集背景． 获得谱图后利用OMNIC 9软件进行自动基线校正． 提取酰胺Ⅰ区域(1 720 cm-1至1 580 cm-1)峰图， 利用PeakFit软件(版本号4.12)将酰胺Ⅰ区域谱图进行分峰， 按照文献[13-14]方法识别蚕丝中二级结构特征峰， 提取每一个特征峰的峰面积， 最后将数据导出．

1.7 生丝纤维力学性能测试

拉伸实验在25 ℃，30%相对湿度的条件下进行． 测试仪器为装配有50 N感应模具的万能测试仪， 拉伸速度为2 mm/min． 仪器自动记录茧丝的载荷和位移， 直至茧丝断裂． 实验结束后利用Advantage软件计算生丝纤维的应力、 应变等力学性能数据． 利用应力、 应变数据在Origin软件(版本号8.0)中绘制应力—应变曲线， 并拟合出平均曲线(样本数n>30)．

2 结果与讨论

2.1 处理后的生丝形貌

2.1.1 长度和直径

通过不同温度和不同百分比的硝酸钙溶液处理后， 生丝纤维长度均有所变短． 本实验测量了处理前后生丝纤维的长度， 并计算了长度的变化量， 即收缩率． 处理后生丝纤维的收缩率如表1所示， 可以发现随着硝酸钙溶液百分比的增加， 生丝纤维的长度变短， 收缩率逐渐增大， 且65 ℃处理下生丝纤维的收缩率较常温处理更高． 本实验在65 ℃， 利用百分比为46.8%的硝酸钙溶液处理可获得最大收缩率．

本实验测定了处理后生丝的直径， 如表1所示． 65 ℃处理下百分比为30%和百分比为46.8%的硝酸钙溶液能显著地增加生丝纤维的直径．

2.1.2 表面形态

对处理后生丝纤维进行扫描电镜观察． 图1显示了硝酸钙溶液处理后生丝纤维的表面形态．

图1 硝酸钙溶液处理后生丝纤维的扫描电镜图片

不管是65 ℃还是25 ℃处理生丝， 在硝酸钙溶液百分比达到20%及以上时， 生丝表面均产生了很明显的皱缩， 并且这一现象随着硝酸钙溶液百分比的增加越发明显． 65 ℃处理较25 ℃处理效果更强． 值得注意的是： 在65 ℃， 百分比为46.8%的硝酸钙处理后， 生丝表面产生大量褶皱和毛刺， 可能是丝蛋白在高百分比硝酸钙中被剥离溶解所致． 在宏观表现上， 65 ℃， 百分比为46.8%的硝酸钙处理后的生丝质地变脆， 非常易断．

2.1.3 取向分析

对不同处理的生丝纤维进行偏光显微镜观察． 图2显示了生丝经百分比46.8%硝酸钙溶液处理后纤维的取向情况． 由图2可明显看到两个温度处理下， 对照生丝纤维发出明亮且较为单一的光泽， 说明沿纤维轴方向取向良好． 而经百分比为46.8%的硝酸钙溶液处理后， 生丝纤维发出不连续、 不均匀的光段(图2白色箭头)， 且处理温度越高， 不连续结节出现频率也越高， 说明高温和高百分比硝酸钙溶液处理破坏了生丝纤维的良好取向．

白色箭头表示丝纤维的不连续结节．图2 硝酸钙溶液处理后生丝纤维的偏光显微镜图

与其他纤维比较， 蚕丝具有较强的光线反射能力， 致使其光泽度较好[15]． 此外， 蚕丝所特有的层状结构使得光线照射到蚕丝上时， 茧丝内部反射光强于茧丝表面的正反射光， 这些多层反射光相互干扰， 可使蚕丝形成独特的优雅光泽． 而经过处理后， 蚕丝良好取向被破坏， 表面形成不连续结节， 原有的层状结构亦被破坏， 蚕丝光线反射能力降低甚至丧失， 最终导致纤维失去原有的光泽．

2.2 处理后的生丝蛋白质电泳

为了判断不同温度的硝酸钙处理是否会破坏生丝蛋白质的组分， 本研究利用蛋白质电泳的方法进行检测． 图3显示未处理的生丝蛋白中各组分(如丝素重链， 丝素轻链， 丝胶)均有明显的条带． 在25 ℃处理下， 丝蛋白各组分条带清晰， 表明各蛋白组分均完好． 而在65 ℃处理下， 百分比为30%和百分比为46.8%的硝酸钙溶液处理后丝蛋白质百分比降低、 丝素轻链蛋白和部分丝胶蛋白消失， 表明在高温下， 较高百分比的硝酸钙溶液会使丝蛋白降解．

图3 硝酸钙处理后生丝纤维的SDS-PAGE分析

2.3 处理后生丝纤维FTIR分析

图4显示了处理后生丝纤维的FTIR谱图． 硝酸根的特征吸收峰位于1 350 cm-1处． 由图4可知， 百分比为46.8%， 65 ℃处理的生丝纤维在该波数处具有明显的吸收峰， 说明处理并清洗生丝纤维后仍有硝酸钙残留．

图4 硝酸钙处理后生丝纤维红外吸收谱图

选取红外吸收谱图的酰胺I谱带(图4中灰色部分)进行二级结构的分峰处理， 各二级结构的比例如图5所示． 在25 ℃条件下， 不同百分比处理的生丝纤维各二级结构比例差异不大， 但65 ℃处理具有较大的差异， 表现为β折叠结构比例增加， 由42.2%增加至55.9%， 而螺旋/卷曲结构比例由38.8%降低至22.4%．

图5 酰胺Ⅰ谱带分峰后二级结构比例

对处理后蚕丝进行SDS-PAGE分析， 发现65 ℃处理蚕丝发生部分降解， 并且FTIR分析显示该条件下处理的生丝纤维螺旋/卷曲结构比例降低， 相反β折叠比例增加， 因此本研究认为在处理过程中发生降解的主要是蚕丝蛋白的螺旋/卷曲结构． 由于丝素蛋白非结晶区含有较多极性氨基酸， 分子结构较为松散， 多形成螺旋/卷曲结构， 故钙盐作用下非结晶区螺旋/卷曲结构的溶胀和降解作用更为明显[16]， 导致纤维取向下降．

2.4 处理后的生丝纤维力学性能分析

将处理后的生丝纤维进行拉伸实验， 测定其力学性能． 生丝纤维的应力、 应变曲线如图6所示． 在65 ℃处理后， 生丝纤维的应力随硝酸钙溶液百分比增加而显著降低(p<0.001，t检验)， 其中百分比为46.8%硝酸钙溶液组生丝强度是对照组的70.2%， 为237.8 MPa． 从应变方面看， 百分比为30%硝酸钙溶液处理组生丝具有最小的应变值， 当硝酸钙百分比增加至46.8%， 生丝纤维的应变显著增大， 达到39.1%． 在25 ℃处理条件下， 各组处理的生丝纤维力学性能差异不大， 百分比为46.8%硝酸钙溶液处理可提高生丝纤维的应力， 提升幅度为9.8%， 达到370.4 MPa．

误差线表示标准误差(SEM)； *表示p<0.05、 ***表示p<0.001 (t检验)．图6 硝酸钙处理后生丝纤维的力学性能

林红等[17]探究了处理温度和时间对真丝纤维力学性能的影响， 发现随着处理温度的升高和处理时间延长， 丝纤维的断裂强度下降， 而在应变方面， 钙盐处理时间越长， 其应变越大． 丁欢[18]将蚕丝在钙盐作用下分纤， 使蚕丝强度下降． 以上结果均与本研究的结果类似， 即盐缩处理可提高蚕丝应变， 但对蚕丝的强度造成负面影响． 出现这种现象的原因可能在于带正电的钙离子与蚕丝蛋白中带负电的谷氨酸、 天冬氨酸发生静电相互作用[19]， 进而阻碍了原有分子的氢键、 范德华力等分子相互作用， 导致纤维结晶度下降． 由于纤维的结晶度与蚕丝强度呈正相关[20]， 因此导致蚕丝强度下降． 同时， 在盐缩加工处理发生的溶胀过程中， 丝巨原纤界面横向膨胀， 空穴变小， 纤维轴向收缩， 最终使蚕丝纤维的应变增大， 弹性增加．

3 结论

本研究系统地调查了不同温度和不同百分比的硝酸钙处理生丝纤维后形貌、 取向、 蛋白质分子组分、 结构和力学性能的变化情况， 得出以下结论：

1) 硝酸钙溶液处理后， 生丝发生明显的溶胀和收缩， 生丝纤维的良好取向被破坏， 其蛋白质组分发生降解， 且这种效果随着硝酸钙百分比及处理温度的增加越发明显．

2) 硝酸钙溶液处理可改变生丝纤维二级结构比例和力学性能． 在高温处理下生丝纤维的应力随硝酸钙溶液百分比增加而显著降低， 应变显著增大． 使用百分比为46.8%的硝酸钙溶液在65 ℃条件下处理生丝纤维12 min可使纤维应变提高到39.1%．

3) 盐缩加工处理虽能提高生丝纤维弹性、 柔软度和舒适性， 但并不适合应用于以强度提升为目的的性能改良． 由于高强度的处理会使丝纤维蛋白质降解， 结晶度下降， 故应该根据蚕丝产品的最终需求， 有效地控制好盐缩加工的工艺和方法．