羊毛與家蠶絲纖維的主要服用性能比較及二者復(fù)合材料的開發(fā)

張雨麗，張桂征，閉立輝，韋博尤，黃文功，黃玲莉，蘇紅梅，蒙藝英，黃凌，韋偉，趙愛春

（1.廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣總站，南寧 530007；2.西南大學(xué)，重慶市 400700）

·專題與綜述·

羊毛與家蠶絲纖維的主要服用性能比較及二者復(fù)合材料的開發(fā)

張雨麗1，張桂征1，閉立輝1，韋博尤1，黃文功1，黃玲莉1，蘇紅梅1，蒙藝英1，黃凌1，韋偉1，趙愛春2

（1.廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣總站，南寧 530007；2.西南大學(xué)，重慶市 400700）

羊毛與家蠶絲纖維是紡織工業(yè)重要的天然蛋白質(zhì)纖維。在服用性能方面，二者有許多相似之處，更有諸多不同之點。通過將羊毛與家蠶絲纖維的主要服用性能進行比較，描述目前二者作為紡織材料的優(yōu)點與缺點，提出目前研究者主要采取混紡和轉(zhuǎn)基因兩種方法來獲得兼顧羊毛與蠶絲纖維優(yōu)點、又能有效克服各自缺陷的新型紡織材料。進一步對羊毛/蠶絲混紡織物的開發(fā)存在的主要問題作概述，并指出轉(zhuǎn)羊毛KAP基因蠶絲新材料有望從源頭解決絲綢織物褪色、易皺、泛黃等難題。

羊毛；家蠶絲；服用性能；新材料

羊毛與家蠶絲纖維作為紡織工業(yè)的重要原料，歷史悠久。二者同為天然蛋白質(zhì)纖維，綠色環(huán)保，有益健康，有諸多的優(yōu)點，深受人們的青睞。但二者又有著各自的缺陷，導(dǎo)致羊毛與家蠶絲在流行性上具有很大的局限性。本文將羊毛與家蠶絲纖維的主要服用性能進行比較，總結(jié)二者作為紡織材料的優(yōu)點與缺點，為綜合二者優(yōu)點的新型蛋白質(zhì)纖維材料的開發(fā)提供參考。

1 羊毛與家蠶絲纖維的相似服用性能

纖維做成織物后，在穿著使用過程中受到機械力、熱、水和各種其他形式的物理化學(xué)作用所表現(xiàn)出來的性能稱為服用性能[1]。目前確立的纖維材料的服用性能指標(biāo)要求有強度性能、物理化學(xué)性能、外觀性能、保健性能等。羊毛與家蠶絲同屬于蛋白質(zhì)纖維，基本組成成分為氨基酸，所以有很多的相似之處，如二者均是耐酸不耐堿的纖維，二者均不耐氧化劑等。羊毛和家蠶絲具有相似的熱傳導(dǎo)性能；均不易產(chǎn)生靜電。二者在保健、環(huán)保衛(wèi)生和生態(tài)性能方面比人造纖維優(yōu)異。

2 羊毛與家蠶絲不同的特性及服用性能

2.1 力學(xué)性能

纖維在承受各種形式機械力作用時所表現(xiàn)出來的行為稱為纖維的力學(xué)性質(zhì)，也稱為機械性質(zhì)。羊毛纖維強力不高、伸長率很大。家蠶絲強力高于羊毛，而伸長率低于羊毛（見表1）。因此，在同等條件下，羊毛比蠶絲容易拉斷，但羊毛承受拉伸變形的能力較強，而且羊毛的扭轉(zhuǎn)彈性恢復(fù)能力很好，這使羊毛制品很容易保持原來狀態(tài)而不變形，該特性是羊毛得到廣泛應(yīng)用的重要因素之一。另外，羊毛纖維的結(jié)構(gòu)使其抗彎曲剛度較低，這也是毛絨產(chǎn)品手感柔軟的重要原因。

表1 羊毛與家蠶絲拉伸性能比較[1]

2.2 吸濕及透氣性

穿著舒適是織物重要的服用要求，這是一個與舒適感相聯(lián)系的概念。熱濕感舒適是舒適感的主要內(nèi)容。纖維的吸濕性、耐熱性、導(dǎo)熱性等物理性能是織物熱濕感舒適的主要決定因素。從表2可以看出，羊毛與家蠶絲均含有許多極性氨基酸，對水分子有親和力，具有一定吸濕性，吸濕能力好的纖維制成的織物必然具有較好的濕傳輸能力。羊毛的公定回潮率為14%，家蠶絲的公定回潮率為11%，羊毛的吸濕性強于家蠶絲[4]。但隨著纖維回潮率的增大，纖維的導(dǎo)熱性會增加，而保暖性下降。蠶絲纖維織物的透氣性好于羊毛纖維，這是因為它們斷面形態(tài)不同造成的。

表2 羊毛、家蠶絲結(jié)構(gòu)和極性氨基酸含量比較[3]

2.3 耐光性

蠶絲的耐光性能遠遠低于羊毛。究其原因，主要是二者的氨基酸組成不同造成。蠶絲蛋白中含有許多芳香族氨基酸，其中酪氨酸含量最多。在紫外線照射、高溫、汗水、硬水等的作用下，酪氨酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成為3，4—二氫正苯丙氨酸，繼而變成呈褐色的黑蛋白，使絲綢織物“泛黃”，大大影響了絲綢的使用[5]。羊毛中富含胱氨酸支鏈，耐光性稍強，所以不像蠶絲織物那樣脆弱。

2.4 縮絨性

羊毛的表面有許多鱗片，在運動時順鱗片與逆鱗片兩個方向上的摩擦系數(shù)各不相同，產(chǎn)生定向摩擦效應(yīng)[6]，而高度的回彈性則能使它在回縮時借助鱗片對周圍纖維的糾纏而把它們密集在一起，織物表面會露出一層絨毛、手感柔軟、豐滿程度改善，這是羊毛的縮絨性。但縮絨性的存在容易使毛織物在服用中產(chǎn)生尺寸收縮和變形，也容易產(chǎn)生氈合、起毛等現(xiàn)象，從而影響服用的舒適性及美觀。家蠶絲纖維則缺乏這方面的特性。

2.5 光澤

纖維的光澤是一種很重要的外觀質(zhì)量指標(biāo)。纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對光澤的影響很大。家蠶絲表面比較光滑，均勻一致，纖維斷面大多具有接近于三角形的形狀特征，反射光較強，而且蠶絲纖維中結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)域交替存在，使反射光顯得柔和，產(chǎn)生珍珠般的光澤，使人在視覺上產(chǎn)生舒適感。羊毛纖維表面為鱗片狀態(tài)，纖維斷面為圓形，所以光澤暗淡。

2.6 染色性能

雖然羊毛與蠶絲纖維中含有許多的極性氨基酸，可以用諸多染料進行染色，但二者的極性氨基酸含量、纖維結(jié)晶度和取向度各不相同，染色牢度有著很大的差別。從表2可以看出，極性氨基酸在羊毛中的含量達50%以上，而在家蠶絲中僅為30%左右；而且含硫氨基酸在羊毛中的含量遠遠超過家蠶絲素蛋白。所以，羊毛的化學(xué)反應(yīng)活潑性比絲素高。一般來講，羊毛易于染色并能夠取得良好的色彩效果。眾多的上染位置和染料到達纖維最核心使羊毛色相好[7]。與羊毛染色不同，蠶絲的非結(jié)晶部分具有與染料有高親和力的活性基團，能較好的吸附染料，但染色色牢度較低，導(dǎo)致絲綢產(chǎn)品易褪色。究其深層原因，主要是染料一般難以進入蠶絲內(nèi)部，纖維與染料的反應(yīng)通常只能進入到無定型區(qū)和結(jié)晶區(qū)表面[8]。

2.7 抗皺性

真絲纖維非結(jié)晶區(qū)的絲蛋白分子之間主要由氫鍵、范德華力等作用力相聯(lián)系。當(dāng)吸收水分膨脹時，這些作用力發(fā)生斷裂或減弱，纖維間容易發(fā)生相對滑移，產(chǎn)生后續(xù)無力恢復(fù)的形變，外在表現(xiàn)為濕彈性差，即產(chǎn)生皺印[9]。羊毛的角蛋白纖維天然卷曲，外層覆蓋有許多鱗片層，蛋白質(zhì)分子之間又含有許多二硫鍵，使羊毛纖維具有良好的彈性。羊毛的彈性較好，具體表現(xiàn)為彈性回復(fù)率高（見表3）[10]，所以抗皺性較強。

表3 蠶絲及其它部分纖維的彈性回復(fù)率

2.8 衛(wèi)生防護等其它性能

絲素中含有與人體皮膚結(jié)構(gòu)組成相似的十八種氨基酸，所以親膚性強，具有“第二皮膚”的美譽[11]，對皮膚起到保健和對一些皮膚疾患起到治療作用。甘氨酸含量在蠶絲中約為43%[12]，而甘氨酸能與紫外線發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，阻止或減少紫外線對人體的侵害，在一定程度上起到保護皮膚的作用。真絲織物在使用后，原纖化作用像掃把一樣，可以清除皮膚表面細微污垢和細菌，對皮膚瘙癢癥有一定防治作用[13]。羊毛在這方面的性能稍稍遜色。

綜上所述，羊毛作為紡織材料，具有彈性好、手感柔軟、不易皺折、染色牢度高等優(yōu)點。但羊毛纖維的縮絨性易使毛織物容易產(chǎn)生尺寸收縮，影響舒適性。而且羊毛織物光澤度不高。家蠶絲纖維光澤舒適、親膚性高、透氣性好、有益身體健康，但容易泛黃、發(fā)皺、褪色等。如果能將羊毛與蠶絲這兩種蛋白質(zhì)纖維相結(jié)合，優(yōu)勢互補，發(fā)揮它們各自的優(yōu)點、有效克服其各自的缺點，它們的服用性能將得到有效提升，增加其流行性。雖然一些化學(xué)的纖維改性方法能使羊毛或蠶絲纖維的固有缺陷得到一定程度的改善，但不能徹底根除，而且可實用性的諸類方法屈指可數(shù)。目前研究者主要采取混紡和轉(zhuǎn)基因兩種方法來兼顧羊毛與蠶絲纖維優(yōu)點，又能有效克服各自缺陷的新型紡織材料。

3 羊毛/蠶絲新型復(fù)合材料的開發(fā)

3.1 羊毛/蠶絲混紡織物的服用性能

羊毛/蠶絲混紡織物是一種新型面料，發(fā)展歷史不久。它是由兩種性能優(yōu)良的纖維強強聯(lián)合而成，光澤柔和、涼爽、吸濕性好、干彈性強、手感柔和，穿著舒適而美觀，同時也具有較好的干洗性，其服用性能優(yōu)于真絲和全毛織物，是一種高檔的服用面料，且性價比高。但如前所述，二者的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)有著較大的差異，尤其是極性氨基酸含量差別大，纖維聚集結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)方面差別也很大，致使兩種纖維的染色性能差異較大，給印染加工等帶來了諸多困難[14]。

由于蠶絲纖維的回彈性較差，尤其是濕回彈性較差，因此絲毛混紡織物的抗皺性較差，仍然缺乏機洗性和免燙性能[15]。另外，羊毛蠶絲混紡時纖維之間的抱合力差，不易梳理均勻，容易產(chǎn)生毛粒，后整理工藝缺乏也是羊毛/蠶絲混紡紡紗的難點之一。

3.2 轉(zhuǎn)羊毛KAP基因蠶絲新材料的應(yīng)用前景

羊毛角蛋白是在毛囊中表達最豐富的蛋白，并且在很大程度上決定了羊毛纖維的特性。羊毛纖維90%的成分由角蛋白中間絲蛋白（keratin intermediate proteins，IF）和角蛋白相關(guān)蛋白（keratin-associated proteins，KAP）兩組蛋白組成[16]。研究表明，羊毛中KAP蛋白含量越豐富，羊毛的光澤就越好。角蛋白相關(guān)蛋白的數(shù)量與含量是決定羊毛品質(zhì)的一個重要因素[17]。兔角蛋白基因KAP導(dǎo)入常規(guī)棉花中，使棉花纖維強度得到提高[18]。

2010年，西南大學(xué)趙愛春教授等構(gòu)建的了三種家蠶絲素重鏈表達系統(tǒng)，其中第三類表達載體能使轉(zhuǎn)入的外源蛋白在家蠶后部絲腺特異表達，而且表達的外源蛋白在繭絲中仍保持原有的天然構(gòu)象。該表達系統(tǒng)是目前最為高效的絲腺表達系統(tǒng)[19]。

2013年，趙愛春教授研究小組采用前述的絲腺表達載體，將羊毛KAP基因成功轉(zhuǎn)入家蠶基因組。該轉(zhuǎn)基因繭絲的聚丙烯酰氨凝膠電泳和氨基酸組成成分分析結(jié)果表明，家蠶后部絲腺中表達了含有羊毛KAP蛋白的絲素蛋白，該融合蛋白分泌到絲腺形成了含羊毛KAP蛋白的復(fù)合蠶絲，外源蛋白含量約占繭絲總蛋白的1%～3%[20]。經(jīng)初步檢測，該轉(zhuǎn)基因蠶絲機械性能（包括強度和彈性）得到了極大的提高（圖1）；同時獲得的復(fù)合絲染色性能也得到了改善（圖2）。另外，該復(fù)合蠶絲還符合細胞培養(yǎng)對生物材料的相容性要求，可作為新型的三維細胞培養(yǎng)支架材料。

目前轉(zhuǎn)羊毛KAP基因家蠶的多個品系已獲得農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因中間試驗安全評價許可，現(xiàn)正在廣西和重慶開展安全性相關(guān)評價。該新型蠶絲復(fù)合材料的諸多特性與功能正在努力研究中。來自于這些轉(zhuǎn)基因品系的新型復(fù)合蠶絲有望從源頭解決絲綢織物泛黃、易皺、褪色等難題，提高蠶絲的應(yīng)用價值。

圖1 轉(zhuǎn)基因家蠶繭絲及對照繭絲強度測試結(jié)果[20]

圖2 單活性染料上染轉(zhuǎn)基因家蠶繭絲及對照繭絲繭絲的上染與及固色率比較[20]

［1］ 李棟高.纖維材料學(xué)［M］.北京：中國紡織出版社，2006：338.

［2］ 朱松文.服裝材料學(xué)（第3版）［M］.北京：中國紡織出版社，2005：45.

［3］ 梅飛.羊毛/蠶絲紡織品同色染色技術(shù)［J］.染整技術(shù)，2006，28（5）：13-17.

［4］ 翟亞麗，毛慧賢，張慧.烘箱法測試紡織材料回潮率的比較［J］.中原工學(xué)院學(xué)報，2003，14（2）：44-46.

［5］ 向仲懷.蠶絲生物學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2005： 313.

［6］ 關(guān)立平，陳維國.羊毛殼聚糖處理及其縮絨性能的研究［J］.毛紡科技，1999（1）：41-43.

［7］ 王鳳玖.羊毛的染色性能［J］.遼寧絲綢，2013（1）：48-50.

［8］ Wortmann FJ，Wortmann G，Zahn H.Pathways for dye diffusion in wool fibers［J］.Textile Research Journal，1997，67（10）：720-724.

［9］ 趙曉娣，姚金波.絲織物抗皺整理綠色加工技術(shù)［J］.四川絲綢，2004（1）：23-25.

［10］ 楊樂芳.提高絲綢織物抗皺性的方法［J］.絲綢，2004（4）：32-33.

［11］ 陳祥平，余衛(wèi)華.如何改善真絲綢抗皺性能［J］.四川絲綢，2008（3）：22-25.

［12］ Zhou CZ，Confalonieri F，Jacquet M，et al.Silk fibroin：structural implications of a remarkable amino acid sequence［J］.Proteins：Structure，F(xiàn)unction，and Bioinformatics，2001，44（2）：119-122.

［13］ 宋潤霞.真絲內(nèi)衣對皮膚瘙癢癥的功效［J］.國外絲綢，1995（6）：27-29.

［14］ 周曉東，盛冰冰，董超紅，等.羊毛混紡織物的染色［J］.染料與染色，2006，43（6）：26-29.

［15］ 何新杰.絲/毛混紡織物的天然型整理劑抗皺整理［J］.無錫輕工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，19（4）：371-375.

［16］ 管峰，石國慶，劉守仁，等.角蛋白家族及其對羊毛生長發(fā)育的調(diào)控［J］.生命的化學(xué)，2007，27（1）：92-94.

［17］ Parsons Y，Piper L，Cooper D.Linkage relationships between keratin-associated protein （KRTAP） genes and growth hormone in sheep［J］.Genomics，1994，20（3）：500-502.

［18］ 上官小霞，吳霞，梁運生，等.兔角蛋白基因轉(zhuǎn)化棉花及其纖維品質(zhì)的改良［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16（2）：451-454.

［19］ Zhao A，Zhao T，Zhang Y，et al.New and highly efficient expression systems for expressing selectively foreign protein in the silk glands of transgenic silkworm［J］.Transgenic Res，2010，19（1）：29-44.

［20］ 張陽.轉(zhuǎn)羊毛KAP基因家蠶的繭絲改性研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2013.

S886［.7］，TS14，TS13；

A；

1006-1657（2016）02-0045-5

2016-05-06；

2016-05-28

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（No.桂科合1599005-2-16）。

信息］張雨麗（1982—），女，四川西昌，碩士研究生，高級農(nóng)藝師，主要從事家蠶育種工作。E-mail：ZYL8324@126.com

信息］韋 偉（1971—），男，推廣研究員。E-mail：gxcanyeweiwei@126.com；趙愛春（1974—），男，教授。E-mail：zhaoaichun@hotmail.com