《纺织科技进展》2024年第8期选登：家蚕细纤度茧丝结构和特征

文献引用格式:蒋亚明,卿圣环,何明辉,等.家蚕细纤度茧丝结构和特征[J].纺织科技进展,2024,46(8):33-37.

家蚕细纤度茧丝结构和特征

蒋亚明,卿圣环,何明辉,张友洪,肖文福*

基金项目:国家蚕桑产业技术体系(CARS-18);四川省“十四五”农作物及家畜育种攻关项目(2021YFY20024);南充市科技计划项目(20YFZJ0044)

第一作者:蒋亚明(1990—),男,助理研究员,硕士,研究方向为茧丝纤维的利用。

*通信作者:肖文福(1983—),男,副研究员,博士,研究方向为家蚕遗传育种及改良。

(四川省农业科学院蚕业研究所(四川省农业科学院特种经济动植物研究所),四川　南充 637000)

摘要:为比较细纤度茧丝家蚕新品种与其亲本茧丝结构特征和差异,对具有遗传关系的5个家蚕品种所产茧丝进行性状检测分析。结果表明,雄蚕茧丝比雌蚕纤细,细纤度茧丝比普通茧丝纤细;亲本雌雄茧丝分子结晶程度差异小于杂交组合品种;茧丝的主要结构为包含脂肪胺的蛋白质复合物,其中酰胺Ⅰ和Ⅱ含量最高,主体排列结构为β 折叠;各品种茧丝分子取向程度不同,杂交品种茧丝分子的取向程度基本高于亲本细纤度品种,且雌雄之间差异较大,亲本品种之间雌雄差异较小;细纤度茧丝的热稳定性基本优于普通茧丝。

关键词:家蚕;细纤度;茧丝;新品种;结构

茧丝是重要的绢纺材料,被广泛用于纺织服装行业[1]。近年来,茧丝优良的特性,拓宽了茧丝的综合利用领域,附加值得到极大提高[2-4]。茧丝主要来源于桑蚕茧缫丝,我国是世界主要蚕茧丝绸生产国家之一[5-7]。一方面,创造了灿烂的丝绸文明,极大地推动了世界的经济文化往来[8-10];另一方面,蚕桑产业作为国民经济支撑产业之一,发挥着重要作用[11-13]。但目前我国生产的蚕茧大多用来缫制20/22D 规格的4A级生丝,价格不高[14-16]。国际市场上,巴西发展起来的细纤度茧丝在欧洲有着很强的竞争优势,已经形成独特风格的印度丝绸和泰国丝绸也具备了与我国相竞争的实力[17-19]。因此,培育细纤度茧丝品种不仅促进了蚕桑产业转型升级,而且有利于增强我国丝绸产品在国际市场的竞争力。所以,对细纤度茧丝性状特点的解析,不仅能够为细纤度茧丝判定标准提供准确的数据支持,也为进一步开发和改造茧丝、拓宽应用领域提供理论依据。用不同处理方法处理茧丝后研究其结构,如比较不同脱胶方式的效率[20],研究石墨烯处理后茧丝的结构变化[21-22],普通茧丝结构对比[23]以及雄蚕茧丝部分结构和染色功能研究[24]。相对应的,对茧丝改良的研究主要集中于利用物理、化学或生物方法改良茧丝[25-27],这些方法在一定程度上提高了茧丝的热稳定性和力学性能。

茧丝性状是家蚕重要的生理性状和经济性状,目前并无对家蚕茧丝性状连续性、系统性研究,需阐明家蚕细纤度茧丝的结构和特征。本研究首次对具有遗传关系的家蚕的茧丝进行各项丝质性状检测,探究细纤度茧丝的性状特点,初步分析茧丝细纤度经济性状的结构特征和遗传相关性,为茧丝的综合利用和进一步改良家蚕茧丝品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验品种及材料    

本实验选取家蚕品种为0801,0802,川蚕26号,川蚕27号,夏芳×秋白;其中川蚕26号为二元杂交,亲本为0801、0802;川蚕27号为四元杂交,亲本为夏芳、0801、秋白和0802。所选品种均由四川省农业科学院蚕业研究所保存并在同等适宜条件下饲养到结茧状态,家蚕健康良好,蚕茧形态正常一致。

1.2 主要试剂

氢氧化钠(片状),购自成都市科隆化学品有限公司;硅酸钠(九水),购自成都市科龙化工试剂厂。

1.3 主要仪器与设备

ZHJ-20智能型活蛹缫丝机(柳州市智博科技有限公司)。

1.4 实验方法

蚕茧单粒活蛹缫丝:称取5g硅酸钠(九水)和1g氢氧化钠(片状),溶于37℃温水中,充分搅拌,均匀溶解,配制成脱胶缓冲液。将30粒蚕茧倒入脱胶缓冲液中,充分浸泡15min,并将蚕茧中气泡轻轻挤出,保持蚕茧天然形状,待茧层出现透明颜色,茧丝开始脱落为止,转移到37℃清水中待用。将低脱胶处理后的蚕茧抽出单根茧丝,挂上ZHJ-20智能型活蛹缫丝机上抽丝,直到蚕蛹出现并掉落为止,即完成单粒活蛹缫丝过程,将茧丝密闭封装备用。

1.5 指标测定

茧丝纤度、红外光谱、结晶度、拉曼光谱和热性能分析委托现代丝绸国家工程实验室(苏州)评价检测中心测定。

2 结果与分析

2.1 不同品种茧丝粗细的测定    

茧丝粗细是影响纤度的重要因素,将各个品种雌雄茧丝区分,采用扫描电镜技术,检测茧丝脱胶程度及直径。如图1所示,各实验组茧丝均为单根粗细均匀的蛋白纤维,未出现大面积裸露的双股丝素蛋白内芯;同时对茧丝直径进行了测量,其中0801雌雄茧丝直径分别为12、10μm,0802为12、11μm,“川蚕26号”为13、12μm,“川蚕27号”为12、12μm,对照品种“夏芳×秋白”为14、14μm。结果表明,茧丝的脱胶程度低,保持了茧丝物理结构的完整性;新品种“川蚕26号”“川蚕27号”茧丝纤细程度基本保持了亲本0801、0802细纤度特征,其中“川蚕27号”更为纤细,另一方面发现雄茧丝直径普遍小于雌茧丝。

图1 不同品种家蚕茧丝电镜扫描结果(扫描倍数为2000倍)

2.2 不同品种茧丝红外光谱分析

对茧丝进行红外光谱测试,结果表明茧丝的红外光谱峰形基本一致,分别在3270、1614、1514、1438、1230、1067cm-1附近存在明显峰值(图2),对照红外光谱解谱数据表发现,3270、1438cm-1分别为N—H、C—H 键吸收峰,分别代表氨基酸氨基和主链;1614cm-1代表酰胺Ⅰβ 折叠;1514cm-1 为酰胺Ⅱβ折叠;1230cm-1是酰胺Ⅲ吸收峰;1067cm-1代表脂肪胺C—N 键结构,说明茧丝中的主体成分一致,均为蛋白质的复合物,包括一定的脂肪胺,长链脂肪胺具有疏水作用,因此茧丝的水溶性较弱,同时多层分子的β排列结构,为茧丝天然的柔韧性提供了结构支持。    

图2 不同品种家蚕茧丝红外光谱

家蚕茧丝红外光谱透过率越大,吸光度越小,含有相应的化学键就越少。将茧丝透过率峰值转换为吸光度,可以得到表1。所有样品中,1614、1514cm-1吸光度最大,含有的化学键最多,表明酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ的β折叠结构是茧丝蛋白的主体;其次1438cm-1吸收度含量也丰富,所对应的化学键为C—H,表明茧丝中含有丰富的碳链结构。

为比较各个样品中含有化学键的丰度,以肽链中未形成氢键的-NH 为对照,即以3270cm-1吸收峰值为基准,其他峰值与其对比得到表2。通过对比发现,1614、1514cm-1峰值为参照基准的2.1倍以上,1438cm-1峰值为1.2~1.8倍,其次是1230cm-1,约为1.2~1.5倍。表明茧丝中主要含有β 折叠的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ,其次是C—H 键所代表的碳链结构和酰胺Ⅲ的β 折叠结构。    

品种间对比发现,细纤度茧丝品种雌雄之间对应化学键丰度差异很小,其中0801、0802雌蚕茧丝略大于雄蚕,川蚕26号则相反,川蚕27号雌雄茧丝化学键丰度更为接近,而对照品种夏芳×秋白雌雄茧丝相差很大,雌蚕茧丝丰度远低于雄蚕茧丝。说明细纤度茧丝雌雄之间含有的特征化学键的丰度非常接近,而普通品种雌雄差异很大。

2.3 不同品种茧丝结晶度的测定

为检测茧丝分子排列程度,对不同品种茧丝进行了X射线衍射。通过对比发现,茧丝的X射线衍射曲线图谱结晶峰位均在2θ 为21°附近,且峰形曲线特征基本一致,说明不同品种家蚕茧丝的分子结晶趋势相近,但各品种茧丝衍射结晶峰尖锐程度不同(图3)。其中0801、0802品种雌雄茧丝的X射线衍射曲线几乎重合,结晶峰尖锐程度相似,说明该品种雌雄茧丝结晶程度差别不大;夏芳×秋白和川蚕26号品种茧丝中,雌蚕茧丝X射线衍射结晶峰明显比雄性茧丝尖锐,表明这2个品种雌蚕茧丝比雄蚕茧丝结晶程度更高;相反,川蚕27号茧丝X射线衍射图谱中,雌蚕茧丝比雄蚕茧丝结晶峰平缓,证明这个品种的雄蚕茧丝更具有结晶性。XRD实验结果说明细纤度品种雌雄茧丝所含化学键差异很小,普通品种中雄蚕茧丝特征化学键丰度高于雌蚕茧丝。    

图3 不同品种家蚕茧丝X射线衍射曲线

2.4 不同品种拉曼光谱分析

为检测茧丝中分子取向程度,对各个品种茧丝采用拉曼光谱进行分析。如图4所示,茧丝拉曼光谱曲线基本一致,在853、976、1002、1084、1230、1403、1454、1618和1669cm-1处具有明显的拉曼峰值,但峰强存在一定差异,其中在1230和1669cm-1处存在2个最强峰,查阅文献可知,茧丝的拉曼光谱在1660cm-1附近为酰胺Ⅰ 的吸收峰,1230cm-1 处为酰胺Ⅲβ 折叠的吸收峰,与红外光谱结果保持一致。

图4 不同品种家蚕茧丝拉曼光谱

2.5 不同品种茧丝热性能分析

为探究不同茧丝的热稳定性,将各种茧丝进行了热重量分析实验,结果如图5所示。茧丝的TG 曲线线型基本保持一致,分解过程大体可分为3个阶段,第一阶段和第二阶段分解程度基本相同,第三阶段各品种、品种内雌雄茧丝存在差异。其中第一阶段温度为25~100℃,该过程为茧丝的脱水过程,失水率约为10%;第二阶段温度为225~350 ℃,此过程为茧丝的分解阶段,分解率达到最高。通过分析发现各个品种茧丝的分解温度均约在290 ℃,但不同品种雌雄茧丝分解程度不同,其中雌蚕茧丝失重:0801 和0802 约33%,夏芳×秋白和川蚕27号约36%,川蚕26号约35%。雄茧丝失重分别为:0801约36%,0802和夏芳×秋白为34%,川蚕26号为38%,川蚕27号为31%(表3)。表明川蚕26号雌雄茧丝耐热性均低于亲本0801、0802,川蚕27 号雌蚕茧丝热稳定性低于亲本0801、0802,雄蚕茧丝则相反;品种内雌雄对比发现,0801、0802和川蚕26号雌蚕茧丝失重小于雄蚕茧丝,夏芳×秋白和川蚕27号则相反。第三阶段为温度从350℃开始至结束,可以明显看到川蚕26号雌雄茧丝、川蚕27号雌蚕茧丝失重高于亲本,而川蚕27号雄蚕茧丝失重低于亲本品种。说明细纤度茧丝的热稳定性较普通生丝高。    

图5 各品种家蚕茧丝TG曲线

3 结 论

对具有遗传关系的家蚕的茧丝进行各项丝质性状检测,结果表明,杂交新品种基本保持了亲本茧丝细纤度特性。其中川蚕27号纤度优于亲本,雄蚕茧丝纤度普遍优于雌蚕;茧丝的组成基本一致,均为含有脂肪胺的水溶性较弱、β 折叠排列的蛋白质复合物;茧丝的分子组成基本相同,细纤度品种雌雄茧丝特征化学键相较于普通茧丝差异较小,但分子的排列程度和取向不同,品种间和品种内茧丝结晶度也存在差异;茧丝的受热分解过程基本一致,但各个品种具有不同的热稳定性,细纤度茧丝热稳定性更好。总的来说,细纤度茧丝性状特征优于普通茧丝,提高茧丝的耐热性能和机械性能,尤其是在改善雄蚕茧丝品质上,作用更为明显。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第8期。

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