電子顯微鏡下繭絲形態(tài)及絲膠膨潤(rùn)狀態(tài)

揭恬娟， 王 萱， 徐杭林， 胡征宇(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

研究與技術(shù)

電子顯微鏡下繭絲形態(tài)及絲膠膨潤(rùn)狀態(tài)

揭恬娟， 王 萱， 徐杭林， 胡征宇(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

在研究絲膠膨潤(rùn)規(guī)律中發(fā)現(xiàn)繭層水增重曲線存在先升后降特性，為探究原因，采用掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)絲膠存在先膨潤(rùn)后溶解的特性；同時(shí)發(fā)現(xiàn)繭層繭絲排列、絲膠脫落情況與現(xiàn)有教材內(nèi)容有不同之處。結(jié)果表明，繭層水增重曲線與電鏡照片絲膠溶解特性吻合，存在相關(guān)關(guān)系；同時(shí)發(fā)現(xiàn)繭層的繭絲都是呈明顯的軌道狀，中間可以看到明顯的間隙，說(shuō)明是由兩根獨(dú)立的單絲組成，并以平行的方式排列；通過(guò)不同膨潤(rùn)時(shí)間繭層電鏡照片的觀察，得出繭絲上絲膠從絲素上以片狀物狀態(tài)逐漸脫落，最終暴露出絲素，說(shuō)明絲膠直接覆蓋在絲素表面，不分層次。

絲膠；絲素；形態(tài)結(jié)構(gòu)；膨潤(rùn)；電子顯微鏡

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器及材料

材料：廣西宜州秋八蠶繭[3]。

儀器：ALC系列電子天平(北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)，恒溫水浴鍋(常州中捷實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司)，DHG-9076A型恒溫烘箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，Hitach S-480型掃描電子顯微鏡(日本Hitach公司)，真空滲透儀(自行搭建)，溫度計(jì)，500 mL燒杯，玻璃棒等。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)選取60粒質(zhì)量差異較小的蠶繭，剝?nèi)バQ衣，稱(chēng)重。750 kPa真空滲透后，稱(chēng)重。將滲透好的蠶繭分為6組，記錄各組干繭質(zhì)量及滲透后質(zhì)量。其中5組待水煮沸后，分別放入熱水沸騰的蒸屜中，分別蒸0、1、2、3、4 min，記錄蒸煮后質(zhì)量。將蠶繭剖開(kāi)用，用吸水紙吸干沾附在表面的水分，稱(chēng)其繭層和蛹體質(zhì)量，另一組繅取繭絲。將繭層和蛹體于30 ℃恒溫干燥機(jī)中干燥，分別稱(chēng)重(繭層干重、蛹體干重)。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算繭層水增量[3]。

2)繅取未經(jīng)過(guò)膨潤(rùn)的繭層上的繭絲，以及蒸煮1、2、3、4 min的繭層，拍取電鏡照片，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1.3 數(shù)據(jù)整理

一是謀劃鯉魚(yú)小鎮(zhèn)。湖州里魚(yú)山礦業(yè)有限公司依托西塞山旅游度假區(qū)區(qū)位優(yōu)勢(shì)，謀劃以中國(guó)鯉魚(yú)文化為主題，以大山頂?shù)V礦坑景觀為特色，融入當(dāng)?shù)仵庺~(yú)跳龍門(mén)、周王杼巡獵、康王南渡等歷史人文資源，打造以礦坑為核心景觀區(qū)、整合周邊區(qū)域?yàn)槎燃兖B(yǎng)生區(qū)的旅游小鎮(zhèn)——中國(guó)鯉魚(yú)小鎮(zhèn)。二是加快開(kāi)礦產(chǎn)地。根據(jù)鯉魚(yú)小鎮(zhèn)布局，按照礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方案等，進(jìn)一步優(yōu)化爆破、開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)作業(yè)流程，在保證安全的前提下加快推進(jìn)，該礦開(kāi)采結(jié)束后可產(chǎn)出約520畝可利用土地，其中存量建設(shè)用地近400畝，其余主要為林地。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表1所示。

表1 蒸煮時(shí)間對(duì)繭層膨潤(rùn)的影響
Tab.1 The influence of cooking time on cocoon layer swelling

時(shí)間/min干繭質(zhì)量平均值/g滲透后質(zhì)量平均值/g蒸煮后質(zhì)量平均值/g煮后蛹體質(zhì)量平均值/g蒸煮后繭層平均質(zhì)量/g干燥蛹體平均質(zhì)量/g干燥繭層平均值/g繭層水增量/g蛹體水增量/g吐水量/g剩余水量/g未蒸煮0.647.01—0.871.440.510.291.150.36——10.566.956.310.651.690.360.261.430.290.643.9720.616.722.230.721.160.430.250.910.294.490.3530.636.511.960.701.110.420.260.850.284.550.1640.606.321.890.671.070.410.240.830.264.430.15

注：吐水量=滲透后質(zhì)量平均值-蒸煮后質(zhì)量平均值；蛹體水增量=煮后蛹體質(zhì)量平均-干燥蛹體平均質(zhì)量；繭層水增量=蒸煮后繭層質(zhì)量-干燥繭層質(zhì)量平均值；剩余水量=滲透后質(zhì)量-蒸煮后繭層質(zhì)量平均值-吐水量-蒸煮后蛹體質(zhì)量平均值。

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象討論

2.1 繭層水增重曲線

繭層上的繭絲經(jīng)過(guò)煮繭、烘干后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出繭層水增重曲線圖，如圖1所示。其中，吐水量=滲透后全繭的質(zhì)量-蒸煮后全繭的質(zhì)量[2]，繭層水增量=蒸煮后繭層的質(zhì)量-繭層干質(zhì)量[3]。

圖1 蠶繭繭層水增量隨蒸煮時(shí)間的變化Fig.1 Changes of water weight gain at cocoon layer with cooking time

蒸煮中，要使繭層絲膠膨潤(rùn)，必須給予一定量的水，給水的同時(shí)絲膠也產(chǎn)生溶失，因此，為使繭層絲膠膨潤(rùn)達(dá)到最大值，必須研究繭層水增量[4]。繭層水增量是蒸煮后繭層的質(zhì)量與繭層干質(zhì)量的差值，值越大表示絲膠膨潤(rùn)越充分。從圖1可見(jiàn)，原本應(yīng)當(dāng)持續(xù)上升的繭層水增量，卻在第2 min后開(kāi)始下降，為探究繭層水增重下降的原因，對(duì)膨潤(rùn)1、2、3、4 min的繭絲拍攝電鏡照片，可以直觀地從電鏡照片中觀察到繭層上繭絲的形態(tài)及繭絲上絲膠在膨潤(rùn)過(guò)程中，與絲素的分離情況[5-8]。

2.2 不同蒸煮時(shí)間繭層電鏡照片

繭層上的繭絲經(jīng)過(guò)不同時(shí)間蒸煮、烘干后，對(duì)五組樣品拍攝電鏡照片，結(jié)果如圖2所示。

1)圖2(a)(b)為未經(jīng)過(guò)膨潤(rùn)的繭絲照片。從圖2(a)可見(jiàn)，標(biāo)記處的兩根單絲相隔20 μm左右，從上層的兩根單絲之間的空隙可以看見(jiàn)下層單絲，沒(méi)有膜狀物，說(shuō)明兩根單絲是分開(kāi)的；從圖2(b)可見(jiàn)，標(biāo)記處的兩根單絲之間有空隙的存在，說(shuō)明兩根單絲通過(guò)絲膠黏著在一起，但并沒(méi)有完全黏合?？傮w來(lái)看，繭絲上的兩根單絲并不一定黏連在一起，是以?xún)筛?dú)立的單絲存在的。

圖2 不同蒸煮時(shí)間的繭絲形態(tài)Fig.2 Cocoon silk shape structure under different cooking time

2)圖2(c)(d)為膨潤(rùn)1 min后繭絲狀態(tài)。從圖2(c)可見(jiàn)，在1 200倍放大時(shí)，膨潤(rùn)1 min狀態(tài)下的繭絲整體得到潤(rùn)濕，繭絲變得圓潤(rùn)，兩根絲素之間的絲膠還比較完整。兩根單絲間的距離為7 μm左右，相比未膨潤(rùn)時(shí)的單絲之間的距離，明顯減小，是由于絲膠經(jīng)過(guò)膨潤(rùn)后，體積變大從而縮小了單絲之間的距離。從圖2(d)可見(jiàn)，放大倍數(shù)為4 500倍時(shí)，絲素表面偶爾有片狀物在脫落，但大體還未發(fā)生絲膠與絲素的分離。

3)圖2(e)(f)為膨潤(rùn)2 min后繭絲狀態(tài)。從圖2(e)可見(jiàn)，在放大400倍的電子顯微鏡下，膨潤(rùn)2min后很多地方的絲膠開(kāi)始蓬散。從標(biāo)記處可以看到，兩根單絲上的絲膠經(jīng)過(guò)膨潤(rùn)2 min后，相互黏連在一起，使兩根單絲黏連在一起。從圖2(f)可見(jiàn)，放大1 500倍時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，在絲膠發(fā)生蓬散的地方，絲膠從絲素上的分離是以無(wú)規(guī)則形態(tài)的片狀物脫離下來(lái)的。

4)圖2(g)(h)為膨潤(rùn)3 min后繭絲狀態(tài)。從圖2(g)可見(jiàn)，隨著膨潤(rùn)時(shí)間的加長(zhǎng)，絲膠的蓬散程度越大，兩根單絲基本通過(guò)絲膠黏連在一起，基本無(wú)空隙。標(biāo)記處是蠶在甩頭轉(zhuǎn)換方向時(shí)所留下的繭絲，可以明顯看到絲的彎曲呈s軌道，黏留著膨潤(rùn)開(kāi)始脫散的絲膠片。從圖2(h)可見(jiàn)，絲膠膨潤(rùn)過(guò)度后，從絲素上膨裂脫落，脫落的形態(tài)是以無(wú)規(guī)則的片狀物脫落的。

5)圖2(i)(j)為膨潤(rùn)4 min后繭絲狀態(tài)。從圖2(i)可見(jiàn)，膨潤(rùn)4 min后，絲膠基本脫落，只留下絲素，兩根絲素之間的距離為18 μm左右，表面還黏留有少部分絲膠殘留。從圖2(j)可見(jiàn)，絲膠脫落后，絲素之間的距離相比膨潤(rùn)時(shí)增大，兩根絲素平行排列。從下方的標(biāo)記處，可以看到兩根重疊的絲素，從側(cè)面看時(shí)，兩根絲素是重合在一起的；從上方的標(biāo)記處，可以明顯看到兩根絲素。

2.3 結(jié)合電鏡照片分析現(xiàn)有四層絲膠論

通過(guò)圖2可以直觀地觀察到繭層上繭絲上的絲膠與絲素分離形態(tài)，從而進(jìn)一步理解絲膠與絲素之間的關(guān)系。結(jié)合小松計(jì)一的絲膠論[9]，提出如圖3[1]所示的絲膠與絲素模型。

圖3 絲膠與絲素的模型Fig.3 The model of sericin and fibroin

通過(guò)不同蒸煮時(shí)間的繭絲狀態(tài)比較，可以發(fā)現(xiàn)繭層上的繭絲是以?xún)筛鶈谓z成平行軌道狀的形式存在的[10]；每根繭絲上的絲膠從絲素上脫離下來(lái)后，如同被剝了樹(shù)皮的樹(shù)干，暴露內(nèi)部的絲素。隨著膨潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，絲膠逐漸與絲素分離，絲膠以片狀物的形態(tài)剝落下來(lái)后，暴露絲素，絲膠并沒(méi)有層次化地黏著在絲素表面。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，可以解釋隨著膨潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，繭絲上的絲膠由于從絲素上逐漸脫落下來(lái)，導(dǎo)致繭層水增量下降。

2.4 經(jīng)過(guò)繅絲的繭絲截面照片

繅取繭層上的繭絲，通過(guò)電鏡觀察形態(tài)，如圖4[1]所示。

圖4 繭絲截面形態(tài)Fig.4 The cross section shape of cocoon silk

從圖4可見(jiàn)，一根繭絲有兩根絲素，被外部附有絲膠，中部有凹陷感，緊密黏著在一起。但結(jié)合圖2(a)(b)原始繭層上的照片，發(fā)現(xiàn)并不是所有的軌道上的兩根單絲之間都有絲膠膜的存在，中間存在一定的距離。形成圖4的原因是繭層上的繭絲通過(guò)繅絲拉伸與膨潤(rùn)絲膠的黏合作用，兩根單絲在外部牽引力和內(nèi)部壓力的作用下，通過(guò)絲膠黏合得到的產(chǎn)物，所以現(xiàn)有教材的繭絲形態(tài)是繅絲后的形態(tài)，并非原始形態(tài)。通過(guò)分析比較原有的繭絲截面照片與現(xiàn)有繭層的電鏡照片，可以發(fā)現(xiàn)原有理論是對(duì)經(jīng)過(guò)已經(jīng)繅絲的繭絲進(jìn)行描述的，而直接對(duì)繭層上繭絲的描述應(yīng)該是圖2(a)(b)原始繭層上的照片觀察情況。

3 結(jié) 論

1)繭層水增重先升后降是由于繭層由絲較膨潤(rùn)為主體轉(zhuǎn)向以絲膠脫落為主體，所以繭層水增重下降。

2)比較繭層上的繭絲與拉伸后的繭絲照片，得出原始狀態(tài)的繭絲是兩根單絲分離狀態(tài)的，形成一根繭絲是通過(guò)繅絲后產(chǎn)生的，原有教材的照片是繅絲后的繭絲。

3)通過(guò)繭層上繭絲不同膨潤(rùn)程度的觀察，發(fā)現(xiàn)與小松計(jì)一的絲膠論有差異，絲膠在絲素表面黏著的方式是形如樹(shù)皮與樹(shù)干的關(guān)系，且在足夠放大倍數(shù)的電鏡下，脫離下的絲膠形態(tài)不具有規(guī)則性，形態(tài)各異。

由于時(shí)間關(guān)系沒(méi)有跟蹤絲膠脫落時(shí)間與分子量的關(guān)系，從而進(jìn)一步驗(yàn)證與小松計(jì)一的絲膠論的問(wèn)題所在。同時(shí)在繭層的電鏡照片組中，缺少繭層上繭絲的縱向截面照片，有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探討。

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Morphology of silk and swelling status of sericin under electron microscope

JIE Tianjuan, WANG Xuan, XU Hangling, HU Zhengyu
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 205021, China)

In the study on swelling law of sericin, it was found that the water weight gain curve of cocoon layer had the characteristics of first rising and then falling. To explore the reason, scanning electron microscope was used to find the sericin, it was first swelled and then dissolved. Besides, cocoon silk arrangement of cocoon layer and sericin falling differed with existing teaching materials. The results show that the water weight gain curve of cocoon layer coincided with sericin dissolution characteristics shown in the electron microscope pictures and there was a correlation between them. In addition, it was found that the cocoon silk of the cocoon layer presented obvious orbital shape, and the obvious gap was seen in the middle. This indicates that silk fibroin consisted of two independent monofilaments and was arranged in a parallel way. Through observing electron microscope pictures of cocoon layer under different swelling time, it was found that the sericin gradually fell from silk fibroin like flaky material, and finally silk fibroin was exposed. This shows silk fibroin was directly covered on the surface, without the layer.

sericin; silk fibroin; morphological structure; swelling; electron microscope

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.01.004

2016-05-28;

2016-12-03

揭恬娟(1995—)，女，2013級(jí)紡織工程本科生。通信作者：胡征宇，副教授，hzywz2005@163.com。

TS102.33

A

1001-7003(2017)01-0022-04引用頁(yè)碼:011104