魏子凯，丁绍敏，陆敏兴，林海涛，宁晚娥

(1.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006；2.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；3.广西绢麻纺织科学研究所有限公司，南宁 530031)

蚕丝生物材料是中国先民最早开发利用的动物蛋白之一。早年间，人们以蚕丝作为纺织纤维原料，制成的丝绸织物、服饰等一直为社会赞赏，并认可为高品质纺织品。近年来，随着资源的综合利用与材料潜在价值的开发，使得蚕丝成为一个新的研究热点[1]。它以极高的蛋白含量、无毒无害、较好的生物相容性和良好的生物降解性等特点[2]，成为新型食品[3]、美白美容[4]、医药材料[5-6]、生物材料等[7-8]众多领域的研究方向，研究者将蚕丝蛋白作为一种多功能新型材料进行多用途探索。

蚕丝由两部分结构组成，分别是外部的丝胶和内部的丝素[9]。丝胶是一种球状蛋白，约占蚕丝总质量的20%～30%，其包裹在丝素的外部，对丝素起到保护和胶黏作用。它主要由极性侧链氨基酸构成，有较好的水溶性和吸水性，易发黄变色[10]。丝素蛋白是一种纤维状蛋白，氨基酸组成结构简单，非极性氨基酸占比较大，疏水性相对较好，力学性能优异[3]，受到了研究者的青睐。通常，蚕丝的溶解方法需要先经过脱胶，再对丝素蛋白进行溶解。常用的溶解方法有CaCl2-乙醇溶解法[11]、溴化锂/有机酸溶解法[12-13]和生物酶解法[14]。CaCl2-乙醇溶解速度快，溶解过程不易控制；有机酸溶解过程会释放出刺激气味，对身体健康有一定的影响；生物酶解法溶解速度极慢，生物酶特异性强，溶解周期太长，且成本较高。上述方法都将丝素纤维的结构破坏，溶解为多肽，甚至氨基酸。这样，丝素的结构及其特有性能无法被利用，使丝素成为亲水性的材料，其应用受到了一定的限制。

因此，本文将研究一种蚕丝蛋白短纤维的溶解方法，既可以将蚕茧直接溶解成蚕丝蛋白短纤维，使其保持原有的结构特点，又能够将脱胶与丝素溶解共浴完成，减少成本。同时，整个工艺过程安全高效、可控性高，制备的蚕丝短纤维也能够作为新型载体被研究者利用，开发其新的用途及价值。

1 实 验

1.1 材 料

桑蚕茧(广西鹿寨县贵盛茧丝工贸有限公司)，NaOH、尿素、对二甲氨基苯甲醛(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)，柠檬酸(AR，西陇化工股份有限公司)。

1.2 仪 器

YB71旦尼尔电子天平(常州市幸运电子设备有限公司)，Y(B)802N八篮恒温烘箱(温州大荣纺织仪器有限公司)，KQ5200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)，SHA-C水浴恒温振荡器(郑州生元仪器有限公司)，SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵(邦西仪器科技有限公司)，LGJ-10D冷冻干燥机(上海诺顶仪器设备有限公司)，数显PHS-3C酸度计(上海仪电科学仪器股份有限公司)，OLYMPUS-BX43生物显微镜(北京瑞科中仪科技有限公司)，日立S-570型扫描电子显微镜(日本日立公司)，美国Nicolet5700型红外光谱仪(美国热电尼高力仪器公司)。

2 方 法

2.1 试样准备

桑蚕茧清理，取出蚕蛹，用去离子水冲洗3次，清洗表面的灰尘、杂质，放入100 ℃的烘箱中干燥1 h。

2.2 溶液配制

由于蚕茧在碱性条件下容易发黄，蚕丝纤维容易破坏，因此选用质量分数为5%NaOH溶液作为溶剂，按1︰1、1︰2、1︰3、1︰4、1︰5、1︰6、1︰7的溶质质量比添加尿素到200 mL碱液中充分溶解，配制不同质量分数的溶解液。

2.3 残留杂质检测

先将蚕丝蛋白纤维溶液倒入抽滤装置进行抽滤，再将蚕丝蛋白纤维放入透析袋中进一部除杂，每隔2～4 h换一次纯水，然后用对二甲氨基苯甲醛检测溶液中的尿素含量[15]，并测定pH值，直至透析袋中的溶液呈中性、尿素检测不到为止。

2.4 蚕丝短纤维的获取

将透析完毕后的蚕丝纤维再次抽滤，过滤得到蚕丝短纤维盛放在玻璃皿中，在冷冻干燥机里进行干燥，干燥温度-45 ℃，干燥时间10 h。干燥完毕后，称重记为M2(g)。

2.5 蚕丝短纤维制备效率计算

蚕茧质量M1，干燥后的蚕丝短纤维质量M2，制备率计算公式如下：

(1)

2.6 光学显微镜检测

取适量经溶解、干燥处理后的蚕丝短纤维放在载玻片上，制备成临时装片，用光学显微镜对溶解后的蚕丝纤维进行观察，观察蚕丝纤维的溶解程度，测定溶解后蚕丝纤维的长度，并拍照记录。

2.7 扫描电子显微镜检测

用日立S-570型扫描电子显微镜观察溶解后的蚕丝短纤维的形貌变化，工作电压3.0 kV。

2.8 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

取适量脱胶后的蚕丝和实验制备的蚕丝短纤维，用纤维切片器制成粉末，将样品与溴化钾粉末混合后分别制成溴化钾压片，在Nicolet5700型红外光谱仪上进行测试，得到脱胶蚕丝与蚕丝短纤维的红外吸收光谱图，分析蚕丝短纤维内部结构的变化情况。

3 结果分析

3.1 质量分数对溶解的影响

图1为蚕丝纤维溶解时间随碱液溶质与尿素质量之比的变化曲线。由图1可知，在50 ℃恒温条件下，随着碱液与尿素比例逐渐增大，蚕丝纤维溶解时间曲线呈下降趋势，说明尿素质量分数增加，蚕丝纤维的溶解速度加快，溶解所需时间减少。这是由于碱液使得蚕丝蛋白结构中氢键断裂，结构破坏，尿素质量分数的增加，尿素水合物增多，更加有效地阻止蛋白质分子间氢键的形成，从而加速蚕丝蛋白纤维的溶解速度[16]。因此，溶质质量比应选择高质量分数比。

图1 溶解时间随碱液溶质与尿素之比的变化Fig.1 Changes of dissolution time with the ratio of lye to urea

3.2 温度对溶解的影响

图2是3个不同质量分数下，蚕丝纤维溶解时间与温度的关系曲线。由图2可以看出，随着温度的升高，蚕丝纤维的溶解时间曲线呈下降趋势，且下降趋势逐渐变缓。温度为50 ℃时，3个质量分数下的蚕丝纤维的溶解时间都大于80 min；当温度提高到70 ℃时，蚕丝纤维的溶解速度都为20 min左右。这是因为随着温度的增加，溶液中的分子运动加快，加快了蚕丝纤维的溶解速度，同时，增加温度也为氢键的断裂提供更多的键能，使其更容易断裂。因此，温度选择60～65 ℃为宜。

图2 溶解时间随温度的变化Fig.2 Changes of dissolution time with temperature

3.4 时间对溶解的影响

图3为蚕丝纤维长度与溶解时间的关系。从图3可以看出，当溶解时间为35 min左右时，才会出现蚕丝短纤维的长度曲线，这是因为蚕茧在溶解为短纤维的过程中主要有3个形态，分别为蚕茧、蚕丝、蚕丝短纤维。从蚕茧到蚕丝需要蚕茧在溶液当中充分浸泡、软化，需要时间为5 min左右；软化后的蚕茧逐渐膨化、松散为蚕丝也需要20 min以上。蚕丝溶解为蚕丝短纤维也需要一定的时间，如果时间过长，蚕丝纤维将溶解得更短，甚至完全溶解；如果时间过短，蚕丝纤维长短不一，均匀度不够。为使蚕丝纤维更均匀，过程易于控制，此过程的时间也需要10 min以上。因此，整个溶解过程的时间选择为40～45 min。

图3 蚕丝纤维长度随溶解时间的变化Fig.3 Changes of silk fiber length with dissolution time

3.4 蚕丝短纤维的光学显微镜观察

由于溶质的质量分数和温度的增加，蚕丝纤维溶解的时间减少，但选择高质量分数、高温度的溶解条件，蚕丝纤维溶解的速度太快，蚕丝完全溶解，同时，质量分数与温度又相互制约，导致条件不宜控制。因此，选择蚕丝短纤维的溶液用显微镜观察其形貌及均匀度，确定最佳的溶解条件。图4为蚕丝短纤维的显微镜示意，图(a)中，蚕丝短纤维长短不一，均匀度不高；图(c)中蚕丝纤维溶解过度，蚕丝短纤维所剩不多；图(b)中蚕丝短纤维长度均匀，数量众多。图4(a)(b)两图比较，说明60 ℃时，溶质比1︰6的蚕丝短纤维更均匀；通过图4(b)(c)两图比较，说明溶质比1︰6时，60 ℃的蚕丝短纤维更多。综合考虑，蚕丝短纤维制备的最佳条件为溶质质量比1︰6,温度60～65 ℃，溶解时间40～45 min。

图4 蚕丝短纤维的光学显微镜示意Fig.4 Optical micrograph figure of silk short fiber

3.5 蚕丝短纤维的电镜观察

图5为蚕丝短纤维的电镜示意。从图5(a)可以看出，蚕丝短纤维两端的的断口很不平整，部分存在些许毛细的丝屑，这是溶液在溶解纤维的过程中，蚕丝中氢键分布不均匀，断裂时需要的断裂能量不同，蚕丝纤维受力不平衡，直至纤维被拉断，形成不平整的断口。图5(b)显示，溶液对丝素纤维的表面造成了破环，但蚕丝短纤维表面整体还是平整光滑，只有少许的残留丝屑，这是由于丝素纤维断裂过程中，断口的碎屑溶于溶液当中，在冲洗时未冲洗掉而形成的残留物。

图5 蚕丝短纤维的电镜示意Fig.5 Electron microscopy (SEM)figure of silk short fiber

3.6 蚕丝短纤维的红外图谱

图6 脱胶蚕丝与蚕丝短纤维的红外光谱图Fig.6 Infrared spectroscopy of raw silk and silk short fiber

图6为脱胶蚕丝与蚕丝短纤维的红外光谱图，在1 621 cm-1和1 514 cm-1处有吸收峰，分别归属于酰胺Ⅰ带(β折叠结构)和酰胺Ⅱ带(α螺旋结构)，在1 229 cm-1归属于蛋白质分子肽键中的C—N伸缩振动(酰氨Ⅲβ折叠结构)，669 cm-1为酰氨Ⅳ的吸收峰，1 067 cm-1附近吸收峰归属于肽链中C—C伸缩振动(1 059 cm-1酰胺Ⅴβ折叠结构)[17]。在1 445 cm-1处的特征峰可归属于C—H键的面内弯曲振动(C—H基团的变形振动)，1 163 cm-1处的特征峰归属于C—O反对称伸缩振动，3 282 cm-1处的吸收峰可归属于动物纤维中蛋白质分子N—H伸缩振动，2 980 cm-1处对应的O—H伸缩振动带，在2 920、2 980 cm-1处有吸收峰,归属为亚甲基(CH2)的伸缩振动，在610、626 cm-1附近都有吸收峰，可归属于N—H弯曲振动。在975 cm-1和996 cm-1处是桑蚕丝Ala—Gly—Ala结构的特征吸收峰，3 076 cm-1应为蛋白质分子中酰氨键的特征吸收峰，这是蛋白质纤维所具有的特征谱线。从图6可看出，脱胶蚕丝与蚕丝短纤维的红外光谱图基本一致，说明蚕丝蛋白结构基本没有发生变化，特有的Ala—Gly—Ala结构依然存在。在541 cm-1附近吸收峰可归属于C—O面外弯曲振动，蚕丝短纤维在此处的吸收峰增多，原因尚不清楚，可能是由于原蚕丝在断裂过程中，氢键被打开，更多的羧基暴露在溶液中，并受到不同程度的影响，使化学键结合方式发生些许改变，从而相对于原蚕丝的红外光谱图发生小幅度的偏移。

3.7 蚕丝短纤维的制备率

表1为蚕丝短纤维的制备率汇总，可以看出，蚕丝短纤维的制备率为40%～50%。众所周知，蚕丝中的丝胶含量约为30%，丝素的含量约为70%，从上述电镜与红外分析，在制备的过程中，蚕丝的丝胶基本去除，从数据分析，丝素的损失量近30%，也说明实验制备的蚕丝短纤维为丝素蛋白短纤维。

表1 蚕丝短纤维制备率汇总Tab.1 The summary table of preparation rate of silk short fiber

4 结 论

利用单因素控制法，得到制备蚕丝蛋白短纤维的最佳工艺为：温度60～65 ℃，溶质之比1︰6，溶解时间约40 min，蚕丝短纤维的制备率40%～50%。得到的蚕丝短纤维丝胶大部分已经去除，表面基本平整光滑，蚕丝蛋白纤维内部结构基本没有破坏，依然是高分子丝素蛋白纤维结构，不具有亲水性，可以将其应用于食品添加剂、面膜基材、药物缓释载体、生物支架材料等方向，使其发挥更大的实用价值。