人工飼料育蠶蠶絲的結(jié)構(gòu)和拉伸力學(xué)性能

胡暄妍 馬明波 周文龍

摘要： 隨著中國(guó)勞動(dòng)力和土地成本的急劇上升，家蠶養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)受到了巨大挑戰(zhàn)，全齡工廠化養(yǎng)蠶為中國(guó)養(yǎng)蠶業(yè)帶來(lái)了一絲曙光。文章探究了桑葉和人工飼料育家蠶絲的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特點(diǎn)。研究表明：用人工飼料育的家蠶存活率比用桑葉育的家蠶存活率減少了72%左右，平均繭殼質(zhì)量減小了31%左右，蠶絲平均纖度減小了4%左右。人工飼料組蠶絲與桑葉組蠶絲相比，其基本結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，但相對(duì)結(jié)晶度更低。人工飼料組蠶絲的斷裂強(qiáng)度比桑葉組蠶絲斷裂強(qiáng)度小3%左右，斷裂伸長(zhǎng)率大3%左右。

關(guān)鍵詞： 蠶絲;工業(yè)化養(yǎng)蠶;人工飼料;二級(jí)結(jié)構(gòu);結(jié)晶度;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TS102.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2020）09001205

引用頁(yè)碼： 091103

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.003（篇序）

Structure and tensile mechanical properties of silk fromsilkworm raised with artificial feed

HU Xuanyan， MA Mingbo， ZHOU Wenlong

（College of Textile Science and Engineering（International Silk Institute）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

With the sharp rise of labor and land costs in China， the silkworm breeding industry has been greatly challenged， and full-year industrialized silkworm breeding has brought a ray of dawn to Chinas silkworm breeding industry. This paper explores the structural and mechanical properties of silk from silkworm raised with mulberry leaves and artificial feed. Results showed that the survival rate of silkworms raised with artificial feed was about 72% lower than that of silkworms raised with mulberry leaves; the average cocoon shell mass decreased by about 31%， and the average fineness of the silk decreased by about 4%. Compared with the silk in the mulberry leaf group， the basic structure of the artificial feed group silk remained unchanged， but the crystallinity was lower. The breaking strength of the silk in the artificial feed group was about 3% lower than that in the mulberry leaf group， and the breaking elongation was about 3%.

Key words：

silk; industrialized silkworm breeding; artificial feed; secondary structure; crystallinity; mechanical properties

收稿日期： 20200211;

修回日期： 20200815

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51903220）

作者簡(jiǎn)介： 胡暄妍（1994），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榫G色紡織材料。通信作者：周文龍，教授，wzhou@zstu.edu.cn。

家蠶人工飼料是根據(jù)蠶的食性特點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)要求，采用適當(dāng)材料，經(jīng)人工配制而成，以代替桑葉養(yǎng)蠶。人工飼料的研制成功，打破了家蠶自然飼料的限制，推動(dòng)著家蠶營(yíng)養(yǎng)生理學(xué)的發(fā)展，并為蠶病防治、蠶品種選育等方面的研究提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件，最終能使家蠶飼養(yǎng)擺脫自然條件的束縛，實(shí)現(xiàn)蠶繭生產(chǎn)的全年化和工廠化，為增產(chǎn)蠶絲開拓新途徑[1]。

1960年，日本研究者福田等[2]實(shí)現(xiàn)用人工飼料全齡飼養(yǎng)家蠶，養(yǎng)蠶事業(yè)取得了一個(gè)重要的突破。中國(guó)也一直在研究蠶類人工飼料。在1974年，蔡幼民等[3]實(shí)現(xiàn)用人工飼料飼養(yǎng)家蠶。1997年，張亞平[4]利用人工飼料研究全齡無(wú)菌飼育技術(shù)。2002年，程安瑋[5]系統(tǒng)研究了小蠶顆粒人工飼料育技術(shù)，克服了普通飼料的許多缺點(diǎn)，有利于生產(chǎn)上的推廣利用。為創(chuàng)立符合中國(guó)農(nóng)村養(yǎng)蠶條件的人工飼料育配套技術(shù)，國(guó)內(nèi)的研究者對(duì)小蠶人工飼料育的給餌次數(shù)、濕體飼料的給餌形狀、飼育形式、給餌量、飼育密度、蠶座面積、飼育環(huán)境條件等進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)[6-7]。1992年，朱良均[8]研究了用人工飼料育和桑葉育的蠶絲生絲拉伸性能等，發(fā)現(xiàn)人工飼料育生絲的干、濕強(qiáng)力更低，干、濕伸長(zhǎng)率更高。2001年，H.Sasaki等[9]通過(guò)比較人工飼料育絲和桑葉育絲的染色結(jié)果，發(fā)現(xiàn)人工飼料育絲上的染量更高，染色速率較小，但沒(méi)有對(duì)人工飼料育的脫膠后的蠶絲性能進(jìn)行研究。

本文分別用桑葉和人工飼料喂養(yǎng)家蠶，對(duì)家蠶產(chǎn)出的蠶絲進(jìn)行脫膠處理后，研究人工飼料育蠶對(duì)蠶絲結(jié)構(gòu)和拉伸力學(xué)性能的影響。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?材料與儀器

1.1.1?材?料

蠶種為秋風(fēng)白玉（諸暨市健寶農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司），人工飼料（杭州玖元絲綢文化有限公司）主要含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～30%的桑葉粉、50%～60%的脫脂大豆粉、5%～10%的淀粉、無(wú)機(jī)鹽、維生素、抗生素等，無(wú)水碳酸鈉（杭州米克化工有限公司），去離子水（自制）。

1.1.2?儀?器

AR 124 CN電子天平（美國(guó)奧豪斯儀器上海有限公司），DHG-9055 A鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），DW控溫電熱套（南通利豪實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），Nicolet 5700傅里葉紅外光譜儀（美國(guó)熱電公司），ARL XTRA型X射線衍射儀（瑞士Thermo ARL公司），LLY-06 E電子單纖維強(qiáng)力儀（萊州市電子儀器有限公司），Y172纖維切片器（元茂機(jī)電設(shè)備有限公司）。

1.2?方?法

1.2.1?人工飼料的處理

將人工飼料干粉浸泡在蒸餾水中20～30 min，把浸泡后的人工飼料擠成條狀，以便進(jìn)一步的喂養(yǎng)，如圖1所示。

1.2.2?養(yǎng)?蠶

家蠶是從放在人工氣候培養(yǎng)箱中的蠶卵孵化出來(lái)的。將蠶放置在40 cm×40 cm的培養(yǎng)盤上進(jìn)行喂養(yǎng)，喂養(yǎng)過(guò)程中隨著蠶的成長(zhǎng)相應(yīng)地調(diào)整和增加喂養(yǎng)面積。培養(yǎng)箱中的溫度和濕度隨著蠶的成長(zhǎng)階段不同而改變。家蠶成長(zhǎng)分為五齡，一齡到三齡溫度和濕度分別設(shè)為27 ℃和80%，四齡、五齡溫度和濕度設(shè)為23 ℃和65%。并在家蠶成長(zhǎng)的過(guò)程中增加食物。家蠶分為兩組，分別用桑葉和人工飼料喂養(yǎng)。

1.2.3?脫?膠

蠶繭在真空干燥箱中以110 ℃烘1 h后，再以80 ℃烘3 h，平鋪于室溫下2～3 d以便保存。將蠶繭剪成小塊放置于燒杯中，用0.5%的Na2CO3水溶液在100 ℃下處理3次，每次30 min，用去離子水沖洗后自然干燥，得到脫膠絲。將用桑葉喂養(yǎng)得到的蠶絲定為桑葉組，將用人工飼料得到的蠶絲定為人工飼料組。

1.2.4?傅里葉紅外光譜儀

使用紅外光譜儀對(duì)樣品蠶絲進(jìn)行表征，使用KBr壓片法，分辨率為0.09 cm-1，測(cè)試范圍4 000～400 cm-1。

1.2.5?X射線衍射

使用纖維切片器將樣品蠶絲纖維切成粉末，進(jìn)行X射線衍射測(cè)試。測(cè)定條件：Cu靶，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度2°/min，2θ掃描范圍10°～60°。

1.2.6?機(jī)械性能

將兩組蠶絲依次放入調(diào)好的電子單纖維強(qiáng)力儀上，按照測(cè)試要求（拉伸速率5 mm/min、間距10 mm）對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)試50次，取其平均值。測(cè)試前，在測(cè)試溫度（20±2.0） ℃、測(cè)試相對(duì)濕度（65±4.0）%的恒溫恒濕室中至少平衡12 h。

2?結(jié)果與分析

2.1?桑葉和飼料育蠶對(duì)家蠶和蠶絲纖度的影響

每組實(shí)驗(yàn)喂養(yǎng)200條蠶，取20個(gè)蠶繭作為樣品。由表1可知，用人工飼料育的家蠶存活率比用桑葉育的家蠶存活率減少了72%左右，平均繭殼質(zhì)量減小了31%左右，蠶絲平均纖度減小了4%左右。分析認(rèn)為，用人工飼料喂養(yǎng)的家蠶，其補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)比不上用桑葉喂養(yǎng)的，導(dǎo)致人工飼料育家蠶的抵抗力和發(fā)育能力比用桑葉喂養(yǎng)的家蠶差。家蠶攝取食物的營(yíng)養(yǎng)與食量對(duì)蠶繭質(zhì)量和蠶絲質(zhì)量有很大的影響。

2.2?紅外光譜分析

圖2（a）為蠶絲的紅外光譜圖。由圖2（a）可知，人工飼料組蠶絲和桑葉組蠶絲相對(duì)比，人工飼料組蠶絲并沒(méi)有出現(xiàn)新的特征吸收峰，特征峰也并未發(fā)生位移現(xiàn)象，說(shuō)明人工飼料組蠶絲與桑葉組蠶絲相比，其基本結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。在1 641、1 515 cm-1和1 230 cm-1都明顯觀察到有特征吸收峰的存在。1 641 cm-1所處的吸收峰是由CO的振動(dòng)引起的，代表無(wú)規(guī)線團(tuán)的構(gòu)象。1 515 cm-1所處的吸收峰是由酰胺Ⅱ區(qū)的C—N伸縮振動(dòng)和N—H振動(dòng)共同作用引起的。1 230 cm-1所處的吸收峰是由蛋白質(zhì)肽鍵中的N—H和O—C—O振動(dòng)引起的[10]。

蠶絲蛋白的紅外吸收光譜主要由一系列酰胺吸收帶組成，因此可以采用將紅外光譜原來(lái)的吸收峰拆分為多個(gè)子峰，并通過(guò)曲線擬合方法定量計(jì)算蠶絲蛋白分子中構(gòu)象的各個(gè)組分。蠶絲蛋白中酰胺Ⅰ帶（1 700～1 600 cm-1）對(duì)研究二級(jí)結(jié)構(gòu)最有價(jià)值[11]。將酰胺Ⅰ區(qū)的譜圖進(jìn)行分峰擬合，分峰圖如圖2（c）所示。在酰胺Ⅰ區(qū)中，1 630～1 640 cm-1和1 690～1 700 cm-1處的吸收峰分別被認(rèn)為是β折疊和β轉(zhuǎn)角引起的。1 650～1 660 cm-1處的吸收峰被認(rèn)為是α螺旋和無(wú)規(guī)線團(tuán)引起的[12]。蠶絲的紅外分峰結(jié)果如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，人工飼料組蠶絲中的α螺旋和無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象的相對(duì)含量比桑葉組蠶絲中的相對(duì)含量多，β折疊

構(gòu)象的相對(duì)含量比桑葉組蠶絲中的相對(duì)含量少。說(shuō)明人工飼料組蠶絲的絲素蛋白大分子排列不如桑葉組蠶絲規(guī)整有序。

2.3?X射線衍射

蠶絲素纖維中，α螺旋結(jié)構(gòu)的衍射峰衍射角在11.8°、2402°附近，而β折疊結(jié)構(gòu)的衍射峰衍射角在16.71°、2020°、24.90°、30.90°等附近[13]。如圖3所示，將X射線衍射圖進(jìn)行分峰擬合，得到各個(gè)衍射峰的峰面積大小，結(jié)晶度即結(jié)晶衍射峰面積之和與總面積的比值[14]。

Xc/%=S結(jié)晶S總×100（1）

式中：Xc為結(jié)晶度;S結(jié)晶為結(jié)晶衍射峰面積之和;S總為總面積。

由式（1）計(jì)算得出相對(duì)結(jié)晶度，其中桑葉組蠶絲相對(duì)結(jié)晶度為60.3%，人工飼料組蠶絲相對(duì)結(jié)晶度為57.4%。由紅外分析可知，蠶絲的二級(jí)結(jié)構(gòu)中，人工飼料組蠶絲比桑葉組蠶絲有更多的α螺旋和無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象相對(duì)含量和更少的β折疊構(gòu)象相對(duì)含量。這使得桑葉組蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)比人工飼料組蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更多，所以桑葉組蠶絲的相對(duì)結(jié)晶度比人工飼料組蠶絲的相對(duì)結(jié)晶度高。

2.4?力學(xué)性能測(cè)試

圖4（a）為桑葉組蠶絲測(cè)試30次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4（b）為人工飼料組蠶絲測(cè)試30次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4（c）為桑葉組蠶絲和人工飼料組蠶絲典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。其中，桑葉組蠶絲的斷裂強(qiáng)度為（3.1±0.5） cN/dtex，斷裂

伸長(zhǎng)率為（15.0±2.9）%，初始模量為（55.3±15.6） cN/dtex;人工飼料組蠶絲的斷裂強(qiáng)度為（3.0±0.5） cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為（15.4±2.6）%，初始模量為（45.6±13.5） cN/dtex。人工飼料組蠶絲的斷裂強(qiáng)度比桑葉組蠶絲斷裂強(qiáng)度略小，人工飼料組蠶絲的斷裂生長(zhǎng)率比桑葉組蠶絲斷裂生長(zhǎng)率略大，初始模量更小。這與人工飼料組蠶絲相對(duì)結(jié)晶度相對(duì)較低、β折疊構(gòu)象相對(duì)較少相符。這是因?yàn)樾Q絲纖維在受到拉力作用時(shí)，分子鏈段發(fā)生取向，結(jié)晶度越小，鏈段滑動(dòng)越容易，分子鏈取向越容易。朱良均[8]研究了同一蠶品種在同一飼育條件下，用人工飼料育和用桑葉育的生絲拉伸特性，發(fā)現(xiàn)人工飼料育生絲的干、濕強(qiáng)力都低于桑葉育生絲，干、濕伸長(zhǎng)率都高于桑葉育生絲。這與本文發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相符，但該文獻(xiàn)并未對(duì)用人工飼料育和用桑葉育的熟絲拉伸性能進(jìn)行對(duì)比。

3?結(jié)?論

1）用人工飼料育的家蠶存活率比用桑葉育的家蠶存活率減少了72%左右，平均繭殼質(zhì)量減小了31%左右，蠶絲平均纖度減小了4%左右。

2）人工飼料組蠶絲與桑葉組蠶絲相比，其基本結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。桑葉組蠶絲的相對(duì)結(jié)晶度比人工飼料組蠶絲的相對(duì)結(jié)晶度高。

3）人工飼料組蠶絲的斷裂強(qiáng)度比桑葉組蠶絲斷裂強(qiáng)度小

3%左右，人工飼料組蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)率比桑葉組蠶絲斷裂伸長(zhǎng)率大3%左右。

4）對(duì)比分析表明，用人工飼料育的脫膠絲性能與用桑葉育的脫膠絲性能差異小，這可能會(huì)促進(jìn)絲綢纖維工業(yè)化的發(fā)展。

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