脫膠對蠶絲纖維的溶解及絲素蛋白性能的影響

王宗乾， 楊海偉， 王鄧峰

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

蠶絲主要由絲素蛋白和絲膠蛋白組成，其中絲素蛋白質(zhì)量占70%～80%，絲膠蛋白質(zhì)量占20%～30%[1]。絲素和絲膠蛋白在氨基酸組成、分子排列、結(jié)構(gòu)與溶解性能等方面均有顯著差異[2-5]。研究表明，絲素蛋白具有良好的生物相容性和可控的降解性能，基于蠶絲素開發(fā)的再生絲素蛋白材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域(人造皮膚、人造關(guān)節(jié)等)具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。蠶絲脫膠是獲得絲素蛋白的第1步，絲膠蛋白具有水溶性，而絲素蛋白不溶于水，因此，可基于二者溶解性的差異去除絲膠成分，但是絲膠溶解工藝比較復(fù)雜，其溶解方式包括溶脹溶解和水解溶解等[7]。目前，常用的脫膠方法主要有碳酸鈉脫膠[8]和尿素脫膠[9]，其中：在碳酸鈉脫膠工藝中，碳酸鈉被絲膠吸附，使絲膠分子中的 —COOH變成—COONa+，絲膠發(fā)生溶解，且Na+是一種水合能力很強的離子，當(dāng)Na+與絲膠結(jié)合時，會有大量的水分被帶入絲膠內(nèi)部，使其劇烈膨潤，提高絲膠的溶解性[10-11]；而尿素脫膠需要較高處理溫度，尿素成分可破壞絲膠分子中的氫鍵，使絲膠膨化而從蠶絲上脫落實現(xiàn)脫膠[12]。Wang等[13]研究了碳酸鈉、尿素、強堿性電解質(zhì)水溶液等脫膠方法以及不同溶解體系對絲素蛋白分子量和性能的影響，結(jié)果表明不同脫膠方法對絲素蛋白熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能等具有不同的影響。

對脫膠蠶絲進行溶解，并經(jīng)透析等工藝處理，可獲得絲素蛋白溶液。關(guān)于蠶絲溶解及溶解工藝對絲素蛋白性能的影響已有不少文獻報道。研究表明，經(jīng)不同溶解體系制備的絲素蛋白性能差異顯著，其中氯化鈣/乙醇/水(CaCl2/CH3CH2OH/H2O)三元溶劑體系是最為常用的溶劑之一，具有無毒高效特點，且不會引起絲素大分子的嚴(yán)重降解。吳章偉等[14]采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠(SDS-PAGE)電泳法檢測不同溶解體系制取絲素蛋白的分子量發(fā)現(xiàn)：不同溶解體系對絲素蛋白分子量及其分布區(qū)間有較大影響；同時，低分子量絲素蛋白溶液在成膜時較難形成α-螺旋及β-折疊結(jié)構(gòu)，而高分子量絲素蛋白溶液在成膜時較易形成上述2種結(jié)構(gòu)。Cheng等[15]研究也表明，不同的溶解體系制備的再生絲素蛋白膜的形態(tài)差異顯著，這緣于不同溶解體系的溶解機制不同。

蠶絲脫膠、絲素蛋白的溶解是影響絲素蛋白性能的外部因素，脫膠和溶解工藝可對絲素蛋白性能產(chǎn)生重要影響，但目前有關(guān)脫膠工藝對絲素蛋白性能影響的研究報道還較少，尤其不同脫膠蠶絲溶解進程以及脫膠工藝對絲素蛋白成膜、成球性能研究方面缺少系統(tǒng)報道。為此，本文分別采用碳酸鈉、尿素2種工藝對蠶絲進行脫膠處理，并采用CaCl2/CH3CH2OH/H2O三元溶劑體系對脫膠蠶絲進行溶解，通過系統(tǒng)分析脫膠蠶絲纖維的結(jié)構(gòu)與性能及其溶解進程、絲素蛋白液流變、絲素蛋白分子量分布以及其成膜與成球性能，闡明脫膠工藝對溶解制備絲素蛋白性能的影響規(guī)律，揭示不同脫膠工藝對絲素蛋白影響的作用機制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和試劑

生絲(安徽青陽縣三方絲綢有限公司)；尿素、無水氯化鈣、石蠟、異丙醇、石油醚、乳化劑Span 80、50%戊二醛、無水乙醇(上海阿拉丁試劑有限公司)；無水碳酸鈉(天津科密歐化學(xué)試劑公司)，苦味酸(臺山眾城化工有限公司)；胭脂紅、聚乙二醇 4 000(阿達瑪斯試劑有限公司)；以上試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1Na2CO3脫膠

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Na2CO3溶液，稱取一定質(zhì)量的生絲在常溫條件下放入Na2CO3溶液中，然后緩慢升溫至100 ℃，并在100 ℃下脫膠 30 min，浴比為1∶50；經(jīng)上述工藝脫膠2次后，用去離子水充分洗滌脫膠蠶絲，直至沒有滑膩感，然后于 40 ℃烘干至質(zhì)量恒定，避光保存。

1.2.2尿素脫膠

配制濃度為8 mol/L的尿素溶液，稱取一定質(zhì)量的生絲，在常溫條件下放入尿素溶液中，然后緩慢升溫至90 ℃脫膠3 h，浴比為1∶30；用去離子水充分洗滌脫膠蠶絲，直至沒有滑膩感，在40 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，避光保存。

1.2.3脫膠蠶絲溶解

配制量比為1∶2∶8的CaCl2/CH3CH2OH/H2O三元溶劑(以下簡稱CaCl2三元溶劑)，避光封閉保存。分別稱取一定質(zhì)量的Na2CO3脫膠蠶絲、尿素脫膠蠶絲以及未脫膠生絲，在常溫條件下放入配制的三元溶劑中，浴比均為1∶20；將各蠶絲測試樣先在50 ℃下靜置溶脹6 h，然后分別在不同溫度下溶解，溶解過程中保持磁力攪拌條件相同，實驗設(shè)置50、60、70、80、90 ℃等溫度，考察不同蠶絲樣品的溶解進程。

1.2.4絲素蛋白液的透析

絲素蛋白液經(jīng)透析處理，透析袋由美國聯(lián)合碳化物公司提供，截留分子質(zhì)量為8 000～14 000 u。在10～15 ℃的純水中透析3 d，間隔4 h換1次水。透析結(jié)束后，檢測透析用水的電導(dǎo)率數(shù)值應(yīng)小于等于0.8 μS/cm。

1.2.5絲素蛋白膜的制備

取透析后的絲素蛋白，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙二醇溶液中濃縮后，倒入深度為0.5 mm的聚四氟乙烯成膜器中，自然狀態(tài)下成膜。

1.2.6絲素蛋白空白微球的制備

采用乳化交聯(lián)法[16]制備絲素蛋白空白微球。量取20 mL液狀石蠟溶液與適量的Span 80攪拌混合40 min，用移液槍緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的絲素蛋白溶液1.8 mL，在轉(zhuǎn)速為350 r/min，室溫條件下攪拌 1 h，形成均勻穩(wěn)定的油包水(W/O)體系；然后緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的戊二醛0.6 mL，持續(xù)攪拌3 h，離心并倒出上層清液，依次用石油醚、異丙醇洗滌，干燥，得到絲素蛋白微球。

1.3 測試方法

1.3.1蠶絲脫膠率

將脫膠前后的蠶絲樣品放入40 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，放入干燥器中平衡24 h，精確稱量，并按下式計算脫膠率：

式中：R為脫膠率，%；m1為脫膠前蠶絲質(zhì)量，g；m2為脫膠后蠶絲質(zhì)量，g。

1.3.2白度值

采用LB-48型熒光白度儀(深圳藍博檢測儀器有限公司)測試脫膠前后蠶絲樣品的藍光白度值(R457)，測試時將蠶絲樣品均勻平鋪，保證厚度均一，每個樣品測試取點不少于8個，取平均值。

1.3.3顏色光譜

采用Datacolor 650型測色配色儀(美國Datacolor公司)測試脫膠前后以及經(jīng)苦味酸胭脂紅染色后的蠶絲顏色值。在D65光源2°視角條件下測試，波長范圍為400～700 nm，采樣孔徑為9 mm。

1.3.4溶解進程的蠶絲形貌

通過纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng)(東華大學(xué)生產(chǎn))測試溶解過程中蠶絲纖維的形貌。依據(jù)不同溶解時間，取蠶絲溶解液1 mL于載玻片上，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，觀察溶解蠶絲形貌并截取圖像。

1.3.5蠶絲溶解液中不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將蠶絲溶解液倒入離心管中，采用TG20-WS型臺式高速離心機(長沙湘智儀器公司)離心處理，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，離心10 min。用精密天平稱得離心管和蠶絲溶解液的質(zhì)量為ms，離心后將上層清液倒出，稱得離心管和不溶物質(zhì)量為ma，離心管自身質(zhì)量為mL，按下式計算不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

1.3.6聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

采用D8系列X射線衍射儀(德國布魯克公司)分別對不同脫膠蠶絲及絲素蛋白膜的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進行測試，測試條件為：Cukα靶(λ=0.154 nm)，電壓 40 kV，電流30 mA，掃描范圍(2θ)5°～45°，掃描步長0.02(°)/ s，掃描速度2(°)/min。

1.3.7絲素蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)

采用傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)對不同脫膠蠶絲進行測試，分辨率為 4 cm-1，掃描次數(shù)為32，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.8絲素蛋白液的流變性能

采用RST型流變儀(美國博勒飛公司)測試不同絲素蛋白液的流變曲線，剪切速率設(shè)置為0 ～ 800 s-1，測試溫度為(25±0.5)℃。

1.3.9絲素蛋白分子量分布

采用SDS-PAGE型凝膠電泳方法[17]檢測絲素蛋白分子量分布。選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的分離膠和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的濃縮膠，上樣量為30 μL。在垂直板電泳槽上電泳，在80 V電壓條件下完成濃縮膠電泳過程，再將電壓調(diào)至120 V完成分離膠電泳過程，電泳時間均為2 h，結(jié)束后采用考馬斯亮藍R250染色，然后脫色。

1.3.10絲素蛋白膜的拉伸力學(xué)性能

制備長、寬分別為30和5 mm的絲素蛋白膜試樣，采用YG021型纖維強力機(溫州方圓儀器公司)對其斷裂強力、斷裂伸長率進行測試，不同試樣測試6次，結(jié)果取平均值。

1.3.11絲素蛋白膜透過率

采用Lambda 750S UV/VIS/NIR型紫外-可見光譜儀(美國PerkinElmer儀器公司)對不同絲素蛋白膜的透過率進行測試，波長范圍為200～700 nm。

1.3.12絲素蛋白微球的粒徑與形貌

采用Mastersizer 2000型激光粒度儀(英國馬爾文公司)對絲素蛋白空白微球粒徑進行分析，測試前微球經(jīng)超聲均勻分散，測試粒徑范圍為0.02～ 2 000 μm；同時采用S-4800型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對制備的絲素蛋白空白微球形貌進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠶絲脫膠率及顏色屬性

表1示出蠶絲經(jīng)不同脫膠工藝處理后的脫膠率以及脫膠蠶絲的白度值。圖1示出脫膠蠶絲的反射光譜圖。由表1可知，Na2CO3脫膠工藝的脫膠率高于尿素脫膠工藝，但尿素脫膠蠶絲的白度值高于Na2CO3脫膠蠶絲。白度值雖可反映測試樣品的外觀，但反射率表征樣品顏色屬性更為精確。由圖1可知，3個測試樣品中尿素脫膠蠶絲的反射率最高，與表1數(shù)據(jù)一致，表明尿素脫膠蠶絲具有更高的光澤度。

表1 不同工藝脫膠蠶絲的脫膠率與白度值Tab.1 Degumming ratio and whiteness of degummed silk by different method %

圖1 脫膠蠶絲反射光譜Fig.1 Reflection spectra of degummed silk

采用苦味酸胭脂紅染色法檢驗生絲經(jīng)Na2CO3、尿素脫膠工藝后絲膠的去除程度，測試了各染色蠶絲樣品的反射光譜，結(jié)果如圖2所示。Na2CO3和尿素脫膠的蠶絲經(jīng)苦味酸胭脂紅染色后，二者的反射光譜極為接近，經(jīng)充分水洗后2個染色樣品均呈微黃色，未呈現(xiàn)紅色，表明絲膠成分已被完全去除，且尿素脫膠蠶絲樣品在400～600 nm的反射率略高于Na2CO3脫膠蠶絲；而經(jīng)苦味酸胭脂紅染色的生絲呈現(xiàn)明顯的紅色。綜上分析證明，本文實驗采用的Na2CO3脫膠和尿素脫膠工藝可完全去除蠶絲中的絲膠成分，2種工藝脫膠后蠶絲所含絲膠成分沒有明顯差異。Na2CO3工藝脫膠率較高的原因可能是蠶絲絲素成分對堿劑敏感，致使部分絲素蛋白發(fā)生了水解或溶解[18]，水解或溶解的絲素成分在脫膠率計算時被記為了絲膠質(zhì)量。

圖2 苦味酸胭脂紅染色脫膠蠶絲反射光譜Fig.2 Reflection spectra of degummed silk dyed by picric acid carmine

綜上可知，Na2CO3脫膠、尿素脫膠工藝均可實現(xiàn)對絲膠成分的去除，Na2CO3脫膠蠶絲的白度、反射率低于尿素脫膠蠶絲。為驗證不同脫膠工藝可對脫膠蠶絲的溶解進程、絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生不同影響，本文做了進一步的研究。

2.2 脫膠蠶絲的X射線衍射與紅外譜圖

將Na2CO3、尿素脫膠蠶絲以及未脫膠生絲機械球磨，得到各樣品粉體。分別測試了3種樣品的X射線衍射(XRD)和紅外(FT-IR)譜圖，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 脫膠蠶絲XRD譜圖Fig.3 XRD spectra of degummed silk samples

圖4 脫膠蠶絲FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectra of degummed silk samples

蠶絲外層為絲膠蛋白，絲膠蛋白為球狀蛋白，其分子鏈呈非晶線團狀，沒有尖銳的衍射峰；蠶絲主體為絲素蛋白，其分子構(gòu)象主要有SilkⅠ型和SilkⅡ型 2種[19]，其中28.4°處為SilkⅠ構(gòu)象特征衍射峰，9.3°和20.3°處為SilkⅡ構(gòu)象特征衍射峰[20]。由圖3可知：生絲中SilkⅠ和SilkⅡ2種結(jié)構(gòu)共存，而脫膠蠶絲的SilkⅠ結(jié)構(gòu)衍射峰信號減弱，甚至消失，表明脫膠蠶絲中SilkⅠ結(jié)構(gòu)比例降低；脫膠前后蠶絲的SilkⅡ結(jié)構(gòu)衍射峰位沒有變化，但峰強度減弱，表明脫膠不會改變絲素蛋白的SilkⅡ晶體結(jié)構(gòu)，但使蠶絲的結(jié)晶度下降，其中Na2CO3脫膠工藝對蠶絲結(jié)晶度的影響大于尿素脫膠工藝。

因二級結(jié)構(gòu)不同，組成絲膠、絲素蛋白的酰胺鍵具有不同的特征峰位，同時酰胺鍵在絲素蛋白的SilkⅠ和SilkⅡ結(jié)構(gòu)中亦具有不同特征峰位，為此可通過紅外譜圖分析脫膠前后蠶絲結(jié)構(gòu)的變化。由圖4 可知：生絲在1 661～1 640 cm-1(酰胺Ⅰ帶)處的特征吸收峰為α-螺旋結(jié)構(gòu)[21]，而脫膠蠶絲酰胺Ⅰ帶的特征峰位整體向低位偏移；與生絲相比，脫膠蠶絲在1 535～1 514 cm-1(酰胺Ⅱ帶)、1 245～1 220 cm-1(酰胺Ⅲ帶)、700～696 cm-1(酰胺Ⅴ帶)波段吸收峰強度明顯增強，其中Na2CO3脫膠蠶絲的最大特征吸收峰強度略高于或高于尿素脫膠蠶絲，上述3個特征峰段均為β-折疊結(jié)構(gòu)峰[22]。表明脫膠后蠶絲的α-螺旋結(jié)構(gòu)比例降低，β-折疊結(jié)構(gòu)比例增加，即脫膠蠶絲SilkⅠ結(jié)構(gòu)比例降低，SilkⅡ結(jié)構(gòu)比例增加，這與脫膠蠶絲的XRD譜圖分析結(jié)果相一致。

2.3 脫膠蠶絲的溶解進程

采用CaCl2三元溶劑分別對Na2CO3脫膠蠶絲、尿素脫膠蠶絲進行溶解，并對比了未脫膠生絲的溶解進程，依據(jù)1.3測試了不同條件下蠶絲溶解液中不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng)監(jiān)測了溶解液中纖維形貌變化，結(jié)果如表2和圖5所示。

表2 蠶絲溶解進程Tab.2 Dissolution process of silk

圖5 溶解體系的蠶絲纖維形貌(×200)Fig.5 Fiber morphology of silk in dissolved system (×200).(a) Na2CO3 degummed silk dissolved at 50 ℃ for 6 h; (b) Na2CO3 degummed silk dissolved at 60 ℃ for 6 h; (c) Na2CO3 degummed silk dissolved at 70 ℃ for 6 h; (d) Urea degummed silk dissolved at 80 ℃ for 10 h

相同溶解條件下，通過測試不同溶解體系中不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可反映出不同蠶絲樣品的溶解難易程度。由表2可知，經(jīng)CaCl2三元溶劑靜置溶脹處理后，生絲溶解體系的不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達到了45.15%，尿素脫膠蠶絲為10.77%，Na2CO3脫膠蠶絲沒有離心出不溶物；靜置溶脹后，將各蠶絲樣品在磁力攪拌條件下繼續(xù)溶解，測試結(jié)果表明生絲、尿素脫膠蠶絲的溶解度與溶解溫度呈正相關(guān)，隨著溶解溫度的升高，生絲溶解度提高，但生絲在90 ℃條件下溶解6 h后，體系中不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.67%，難以完全溶解；尿素脫膠蠶絲隨著溶解溫度的升高，體系中不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，當(dāng)溶解溫度升高至80 ℃，溶解6 h時，脫膠蠶絲幾乎完全溶解，不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.02%，繼續(xù)延長溶解時間至 10 h，蠶絲樣品完全溶解。綜上可知，3種蠶絲樣品可溶解度由易到難次序依次為：Na2CO3脫膠蠶絲>尿素脫膠蠶絲>生絲。其中，Na2CO3脫膠蠶絲極易溶解，僅通過靜置溶脹處理，即可完全溶解。

CaCl2三元溶劑對蠶絲的溶解主要通過鈣離子與絲素大分子氨基酸側(cè)基的配位吸附作用，破壞絲素分子間的氫鍵和范德華力，使絲素大分子分離，纖維無限膨潤進而完成溶解。通過對蠶絲溶解液中纖維形貌的檢測，可進一步觀察蠶絲是否完全溶解。由圖5可知，在Na2CO3脫膠蠶絲的溶解液中，通過離心方法已無法分離出不溶物，但依然可以檢測到膨化后的蠶絲纖維形貌，其中：圖5(a)試樣可檢測出間斷的短纖維，但纖維形貌模糊，表明纖維已被膨化，蛋白大分子分離，溶解尚不完全；圖5(b)試樣為溶解溫度進一步提高后的蠶絲溶解液，檢測出的纖維形貌已經(jīng)明顯弱化，且纖維周圍有明顯的水化層，表明尚有蠶絲纖維處于無限膨潤階段，但仍沒有完全溶解；圖5(c)試樣為溶解溫度提升至70 ℃溶解 6 h后的溶解體系，此時已檢測不到蠶絲纖維形貌，表明該溶解條件下Na2CO3脫膠蠶絲已被完全溶解；實驗同時對尿素脫膠蠶絲在80 ℃下溶解10 h的溶液進行檢測，沒有發(fā)現(xiàn)未溶解的蠶絲纖維，如圖5(d)所示。以上分析進一步佐證了CaCl2三元溶劑對蠶絲的溶解機制，并進一步證實了不同脫膠工藝對蠶絲絲素蛋白結(jié)構(gòu)存在不同的影響。結(jié)合脫膠蠶絲X射線衍射和紅外譜圖分析可知，Na2CO3脫膠工藝對蠶絲纖維結(jié)晶度的影響大于尿素脫膠工藝，這將有助于三元溶劑體系中Ca2+對絲素蛋白的滲透，致使Na2CO3脫膠蠶絲較易溶解。

2.4 不同絲素蛋白的分子量分布

采用SDS-PAGE凝膠電泳方法檢測了透析后不同脫膠蠶絲的絲素蛋白分子量分布，結(jié)果如圖6所示。

注：a—尿素脫膠蠶絲蛋白泳道；b—Na2CO3脫膠蠶絲蛋白泳道；c—Marker蛋白泳道。圖6 不同絲素蛋白SDS-PAGE圖Fig.6 SDS-PAGE analysis of different silk fibroins

由圖6可知：尿素脫膠蠶絲絲素蛋白在14.4 ku上下各出現(xiàn)1條明顯的窄吸收帶，在25.0 ku附近出現(xiàn)1條較寬的吸收帶，同時在35～100 ku區(qū)間呈現(xiàn)了極為明顯的寬吸收帶；相比之下，Na2CO3脫膠蠶絲絲素蛋白在稍低于14.4 ku處出現(xiàn)了1條極為明顯的吸收帶，同時在14.4～16.0 ku區(qū)間出現(xiàn) 1條較為明顯的寬吸收帶，此外，沒有出現(xiàn)其他更為明顯的吸收帶。上述結(jié)果表明：Na2CO3脫膠工藝對絲素蛋白大分子的破壞較為嚴(yán)重，尤其是對重鏈絲素蛋白單元的破壞，溶解獲得的絲素蛋白分子集中在低分子量區(qū)間；而尿素脫膠工藝對絲素蛋白大分子的破壞較小，溶解獲得的絲素蛋白分子集中在大分子量區(qū)間；因此，脫膠工藝的選擇對獲取特定分子量分布的絲素蛋白至關(guān)重要。

2.5 不同絲素蛋白液的流變性能

絲素蛋白液的流變性能對再生蛋白材料(蛋白膜、蛋白纖維)的成型工藝以及性能有重要影響，本文分別對Na2CO3脫膠和尿素脫膠蠶絲溶解體系的流變性能進行了測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同絲素蛋白液的流變曲線Fig.7 Rheological curve of different fibroin liquid

由圖7可知：2種工藝脫膠蠶絲的絲素蛋白液在低剪切速率條件下，其表觀黏度都隨著剪切速率的增加而增加；當(dāng)剪切速率達到一定值時，蛋白液的表觀黏度又隨著剪切速率的增大而降低，即呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，流變曲線出現(xiàn)拐點；隨后2種工藝脫膠蠶絲蛋白液的表觀黏度保持穩(wěn)定，與剪切速率無關(guān)，又呈牛頓流體行為。值得注意的是，2種工藝脫膠蠶絲蛋白液流變曲線拐點的剪切速率相同，表明 2種流體具有相同的膠體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)；但是尿素脫膠蠶絲蛋白液的表觀黏度始終高于Na2CO3脫膠蠶絲蛋白液的表觀黏度，這是因為尿素脫膠后蠶絲蛋白的分子量較大，大分子量的絲素分子間的氫鍵與范德華力作用強，使流體分子間的內(nèi)摩擦力增加，這與2種蛋白液的分子量分布結(jié)論相吻合。

2.6 不同絲素蛋白的成膜與成球性能

分別將透析后的Na2CO3和尿素脫膠蠶絲蛋白液進行成膜實驗，測試了蛋白膜的力學(xué)性能和XRD譜圖，結(jié)果如表3和圖8所示，同時對比測試了蛋白膜在紫外波段的透過率，結(jié)果如圖9所示。

表3 不同絲素蛋白膜的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical property of different fibrion membranes

圖8 不同絲素蛋白膜XRD譜圖Fig.8 XRD spectra of different silk fibroin membrane

圖9 不同絲素蛋白膜的紫外波段透過率曲線Fig.9 Transmittance curves of different silk fibroin membranes in ultraviolet band

由表3可知，2種工藝脫膠蠶絲的絲素蛋白膜力學(xué)性能有較大差異，其中尿素脫膠蠶絲制備的絲素蛋白膜斷裂強力與斷裂伸長率均大于Na2CO3脫膠蠶絲，且具有一定柔韌性，而Na2CO3脫膠蠶絲絲素蛋白膜較脆。由圖8可知，絲素蛋白膜分別在12.1°、20.4°、23.1°、28.3°處出現(xiàn)衍射峰，其中12.1°、28.3°處為SilkⅠ型構(gòu)象特征衍射峰，20.4°、23.1°處屬于SilkⅡ型特征衍射峰，由此可判定自然成膜方法制備絲素蛋白膜構(gòu)象由SilkⅠ和SilkⅡ型構(gòu)成；蠶絲脫膠工藝對絲素蛋白膜的結(jié)晶度有較大影響，尿素脫膠蠶絲絲素蛋白膜結(jié)晶度高于Na2CO3脫膠蠶絲，推測可能是因為大分子絲素蛋白易發(fā)生聚集，傾向于形成致密結(jié)構(gòu)[23]，導(dǎo)致絲素蛋白膜結(jié)晶度較高，同時具有較高的柔韌性能和力學(xué)性能。

由圖9可知，2種工藝脫膠蠶絲的絲素蛋白膜在紫外可見光波段的透光率有較大差異，其中尿素脫膠蠶絲制備的絲素蛋白膜透過率稍高于Na2CO3脫膠蠶絲，原因在于Na2CO3脫膠后蠶絲白度降低，部分黃變，黃變絲素蛋白對紫外光波段具有特征吸收，使蛋白膜的透過率降低，該現(xiàn)象為研究開發(fā)絲素膜透光率與成膜工藝的相關(guān)性提供了實驗基礎(chǔ)。

采用乳化交聯(lián)法將透析后的Na2CO3和尿素脫膠蠶絲蛋白液制備空白微球，考察微球粒徑分布、形貌特征，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 不同絲素蛋白空白微球的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of different silk fibroin blank microspheres

圖11 不同絲素蛋白空白微球SEM照片(×1 000)Fig.11 SEM images of different silk fibroin blank microspheres. (a) Urea degumming; (b) Na2CO3degumming

由圖10、11可知：由2種脫膠蠶絲溶解制備的絲素蛋白空白微球形貌完整，但微球粒徑具有顯著差異；尿素脫膠蠶絲制備微球粒徑分布于3個區(qū)域，具體分布區(qū)間為0.1～10、20～200、200～800 μm，3個區(qū)間微球粒徑占比分別為14.19%、36.11%和44.52%，而Na2CO3脫膠蠶絲制備微球粒徑均小于200 μm，其粒徑區(qū)間分布集中于0.4～18和19～200 μm，占比分別為48.12%和51.22%。造成2種絲素蛋白空白微球粒徑顯著差異的原因與絲素蛋白的分子量及其分布特征相關(guān)，尿素脫膠工藝對絲素蛋白的水解作用較小，溶解制備的絲素蛋白分子量較大，易于形成大粒徑的蛋白微球；而Na2CO3脫膠工藝對絲素蛋白的重鏈分子單元破壞嚴(yán)重，溶解制備的絲素蛋白分子量小，乳化交聯(lián)形成微球的粒徑較小。

4 結(jié) 論

1)采用Na2CO3脫膠工藝，蠶絲的脫膠率較高，脫膠蠶絲白度值、反射率均低于尿素脫膠蠶絲；Na2CO3脫膠對蠶絲纖維結(jié)晶度的影響大于尿素脫膠，同時對絲素蛋白重鏈分子單元破壞嚴(yán)重；Na2CO3脫膠蠶絲易于溶解，但溶解制備絲素蛋白分子量偏低，絲素蛋白液黏度較小。

2)相對于尿素脫膠蠶絲，Na2CO3脫膠蠶絲制備的絲素蛋白膜力學(xué)性能稍差，且在紫外光線波段的透光率稍偏低；同時，由Na2CO3脫膠蠶絲制備的絲素蛋白空白微球粒徑較小，分布更為集中。

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