天然木薯蠶絲脫膠工藝優化與性能分析

楊瑩瑩　張旻爽　田偉　祝成炎

摘要：為優化天然木薯蠶絲脫膠工藝，采用正交試驗法，對影響脫膠率的工藝參數進行研究，并對比分析了不同脫膠時間處理后蠶絲的脫膠率、力學性能、白度、紅外光譜曲線。結果表明，最佳工藝條件為：Na2CO3試劑5g/L、溫度90 ℃、時間50 min。在最佳工藝條件下，木薯蠶絲的脫膠率隨時間的延長而增加；木薯蠶絲的斷裂強度和斷裂伸長率隨脫膠時間的增加而減小；脫膠能顯著改善蠶絲的白度；脫膠后蠶絲既有β折疊結構又有α螺旋結構。

關鍵詞：天然木薯蠶絲；正交試驗；脫膠率；力學性能；白度；紅外光譜曲線

中圖分類號：TS145.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0047-05

Abstract：To optimize degumming technology of natural cassava silk， this paper is intended to study the process parameters influencing degumming loss rate with orthogonal method， and analyze and compare the degumming loss rate， mechanical properties， whiteness， and infrared spectroscopy curve of natural silk after being degummed for different durations. Experimental results show that the optimum process conditions are： 5 g/L Na2CO3， temperature of 90 ℃ ， duration of 50 min； under the optimum process conditions， the degumming loss rate of cassava silk rises as the duration of degumming is prolonged； the breaking strength and elongation at break of cassava silk decrease as the duration of degumming is prolonged； the whiteness of silk can be significantly improved by degumming； degummed silk is of both βfolding structure and αhelix structure.

Key words：natural cassava silk； orthogonal experiment； degumming loss rate； mechanical property； whiteness； infrared spectrum curve

天然木薯蠶又稱蓖麻蠶，以木薯葉為食，在中國主要分布在廣西、廣東、湖南等地區[1]。木薯蠶一端有羽化孔，該處繭絲凌亂，極易造成繅絲時產生落緒，使得繅絲十分困難，因此木薯蠶繭主要作為絹紡材料[24]。木薯蠶絲主要由絲膠（約12.5%～15%）和絲素（約84%～86%）組成，此外還含有少量的灰分、蠟質、單寧等成分[2]，但過多的絲膠會影響蠶絲的光澤、手感、白度及力學性能，不利于絹紡工藝的順利進行，需對蠶絲進行脫膠處理[5]。蠶絲常用的脫膠方法主要有酸脫膠、堿脫膠、酶脫膠和高溫高壓脫膠[67]等。因此，如何選擇合適的脫膠方法以滿足絹紡工藝對絲膠含量及力學性能等的要求十分重要。

目前國內外學者對桑蠶絲脫膠工藝的研究取得了眾多成果[810]，對木薯蠶的研究主要集中在食品、保健品、護膚品及生物醫學材料等領域[11]，鮮有關于木薯蠶絲脫膠的研究。本文從影響蠶絲脫膠的因素著手，選取了試劑、溫度、時間、質量濃度4個因素，利用正交試驗選出最佳的脫膠工藝，并在最佳工藝條件下探討了脫膠時間對木薯蠶絲脫膠率、力學性能、白度及二次結構的影響，為木薯蠶絹紡工藝的順利進行提供了一定的理論依據。

1實驗

1.1實驗材料

天然木薯蠶繭（丹東邊境經濟合作區寶力實業有限公司），無水碳酸鈉（分析純，天津市永大化學試劑有限公司），碳酸氫鈉（分析純，杭州市高晶精細化工有限公司），中性皂（杭州東南化工有限公司），苦味酸（廣州臺山市眾城化工有限公司），胭脂紅（天津市光復精細化工研究所），氨水（杭州市高晶精細化工有限公司）。

1.2實驗儀器

6020型恒溫水槽（常州市人和儀器廠），DZF6050真空干燥箱（慧科電子有限公司），AL204IC型電子天平（梅特勒托利多儀器有限公司），XQ2纖維強伸度儀（萊州市電子儀器有限公司），DigiEye數慧眼測色儀（英國Verivide公司），VERTEX 70傅立葉變換紅外光譜儀（PERKIN ELMER），769YP15A手動粉末壓片機（天津市科器高新技術公司）。

1.3實驗方法

1.3.1試樣準備

剝去木薯蠶繭衣并取出里面的蠶蛹，去除蛹襯，分成36份，每份約5 g，其中18份用于木薯蠶絲脫膠工藝的優選，18份用于不同脫膠率木薯蠶絲的制備。將試樣放入105 ℃的烘箱中干燥2 h后，測定每份試樣的干量G1。

1.3.2正交試驗設計

采用L9（34）正交表[5]進行試驗設計，選取脫膠溫度、試劑、質量濃度與時間4種因素，每種因素各選取3種水平，共9種實驗組合配置，因素水平如表1所示。按照正交表設置實驗方案，并將蠶繭進行脫膠，浴比為1∶100，煮后的蠶絲用40 ℃左右的去離子水反復洗滌，于105 ℃的烘箱中干燥2 h后，稱得烘干后試樣的干重G2，檢驗脫膠程度。根據式（1）計算木薯蠶絲的脫膠率。

1.3.3不同脫膠率木薯蠶絲的制備

采用優選的脫膠工藝進行脫膠實驗，浴比為1∶100，脫膠時間分別為0、20、35、60、75、90、120、150、180 min，每組實驗重復2次，并對不同脫膠時間處理后的蠶絲，按上述1.3.2中的方法進行洗滌、烘干、計算脫膠率。

1.3.4木薯蠶絲的強力測試

在標準大氣條件下（溫度20 ℃，相對濕度65%），使用XQ2纖維強伸度儀，測試20根不同脫膠時間的木薯蠶絲的斷裂強力、斷裂伸長率。測試條件：拉伸速度200 mm/min，隔距20 mm，預加張力0.05 cN/dtex。

1.3.5木薯蠶繭白度的測定

按照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗方法》，利用DigiEye數慧眼測色儀測定不同脫膠時間的木薯蠶絲的顏色值（明度L*、綠/紅a*、黃/藍b*、飽和度C*、色相角h），儀器采用D65光源，利用式（2）計算白度，每個試樣測3次。

W=100-[（100-L*）2+a*2+b*2]12（2）

式中：W為白度，%；在L*a*b*指標體系中a*、b*表示白度偏色方向：a*正值表示偏紅，a*負值表示偏綠，b*正值表示偏黃，b*負值表示偏藍。

1.3.6傅立葉紅外光譜（FTIR）分析

分別取適量不同脫膠時間的木薯蠶絲，用纖維切片器制成粉末，將樣品與溴化鉀粉末混合后制成溴化鉀壓片，在VERTEX 70傅立葉變換紅外光譜儀上進行測試，得到不同脫膠時間木薯蠶絲的紅外吸收光譜圖。

2結果與分析

2.1正交試驗結果分析

正交試驗所得結果如表2所示。表中k1、k2、k3分別為在各因素水平下木薯蠶絲脫膠率的平均值，r為極差值。

從表2可以看出，實驗選取的4種因素的極差值是不同的，對脫膠率的影響為：A試劑>B溫度>D質量濃度>C時間。

2.1.1試劑對脫膠率的影響

試劑對脫膠率的極差值為8.8，在4種因素中最大，因此試劑對脫膠率的影響最大。實驗所配Na2CO3的pH值為10～11，NaHCO3的pH值為7～8，中性皂堿性很弱。在幾種脫膠方法中，試劑為Na2CO3的脫膠率最高，其次為NaHCO3，中性皂的脫膠率最低，說明脫膠效果與溶液的pH值有關，隨著pH值的增加，木薯蠶絲脫膠率逐漸增大，脫膠效果好，因此試劑應選為Na2CO3。

2.1.2溫度對脫膠率的影響

溫度對脫膠率的極差值為1.99。隨著溫度的增加，絲膠分解增多，繭絲的脫膠率增加，在溫度相對較低時，脫膠率隨溫度的升高增加緩慢，但在85 ℃到90 ℃時，脫膠率急劇增加，90 ℃時，脫膠率最高，溫度應選為90 ℃。

2.1.3質量濃度對脫膠率的影響

絲膠具有兩性性質，且絲膠蛋白偏酸性，溶液質量濃度越高，堿性越大，絲膠在堿性溶液中膨潤水解成可溶性的氨基酸鹽。由表2可知，試劑質量濃度在4、5、6 g/L水平下脫膠率的平均值依次為4.93、5.71、5.29，隨著試劑質量濃度的增加，木薯繭絲的脫膠率先升后降，濃度的極差值為0.78，對脫膠率的影響較小，在質量濃度為5 g/L時脫膠率最高，因此質量濃度應選為5 g/L。

2.1.4時間對脫膠率的影響

對脫膠率來講，時間的極差值為0.62，在4種因素中對脫膠率的影響最小，說明本正交試驗所設計的時間因素對脫膠效果的影響較小，3種時間水平下脫膠率的平均值在5.0%～5.7%之間，相差不大，因此脫膠時間可選為50 min。

2.2脫膠時間對脫膠率的影響

蠶絲表面絲膠的含量影響織物的手感及印染加工，但脫膠處理一般會引起蠶絲機械性能和白度的改變，影響后續織造過程的順利進行及最終的織物手感，因此，在最佳工藝條件下，通過設置不同的脫膠時間制成不同含膠率的蠶絲，探究木薯蠶絲表面絲膠含量對其機械性能及白度的影響。根據正交試驗可知最佳的脫膠工藝：Na2CO3為試劑、溫度90 ℃、質量濃度5 g/L、浴比1∶100。

在最佳的工藝條件下對木薯蠶絲進行不同脫膠時間處理，根據實驗結果，對數據進行指數擬合，得到脫膠率與脫膠時間的關系，如圖1所示。脫膠實驗測得木薯蠶絲的絲膠含量為14.45 %。木薯蠶絲脫膠的方程為：y=14.918 65-14.908 08e-X65.167 63，R2=0.980 83，其中y為木薯蠶絲的脫膠率，X為脫膠時間。從圖1中可以看出，脫膠率與脫膠時間呈指數增加的趨勢，在脫膠的前45 min內，蠶絲的脫膠率增加較快，隨著時間的增加，脫膠率增長變慢，當脫膠時間為90 min時，脫膠率高達14.08%，大部分的絲膠已經溶解，而少量緊靠絲素表面的絲膠很難被脫去。

2.3脫膠時間對木薯蠶絲力學性能的影響

不同脫膠時間下的9組試樣，其細度與拉伸實驗結果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出，隨著脫膠時間的延長，木薯蠶絲的斷裂強力與斷裂伸長率均呈減小的趨勢。經擬合后的指數方程分別為：

隨著脫膠時間的延長，木薯蠶絲的斷裂強度減小，這是由于絲膠含量的減少減弱了絲素間的抱合力，使絲素間的摩擦力減小，絲素在受到外力的作用下容易產生滑移，因此蠶絲的斷裂強度變小。由于絲膠含量減少，干燥后絲膠的收縮作用也減少，使得脫膠后蠶絲的斷裂伸長率減少。通過合理控制脫膠時間可以獲得具有適當斷裂強度及斷裂伸長率的木薯蠶絲，進而獲得高品質的木薯蠶絹絲。

2.4脫膠時間對木薯蠶絲白度的影響

不同脫膠時間木薯蠶絲的顏色值及白度見表4。

由表4可知，木薯蠶絲脫膠后白度均有所改善，但不同脫膠時間后蠶絲的白度略有差異，根據脫膠前后白度值可計算出脫膠前后色差，隨著脫膠時間的延長，木薯蠶絲的白度值增加，白度差增加。天然木薯蠶絲呈淡黃色，由于蠶絲表面絲膠的存在，未脫膠時蠶絲的白度較差，蠶絲黃度較深；不同脫膠時間木薯蠶絲白度相差不大，脫膠后木薯蠶絲的白度在86.03～88.36之間，隨著脫膠時間的延長，白度差呈增大趨勢。

2.5脫膠時間對木薯蠶絲二次結構的影響

不同時間脫膠處理后，木薯蠶絲的紅外光譜圖如圖4所示。可看出，脫膠前后木薯蠶絲的紅外光譜曲線形狀基本相同，木薯蠶絲在1448 cm-1處的吸收峰產生于C—H鍵的變形振動，而1 230 cm-1、1 165 cm-1處的吸收峰代表了酰胺Ⅲ的β折疊分子構象，964 cm-1處的吸收峰為丙—丙殘基的特征譜帶，代表了酰胺Ⅴ的β折疊分子構象，697 cm-1處的吸收峰是由N—H鍵的面內變形振動引起的，代表了酰胺Ⅴ的β折疊分子構象，669 cm-1處的吸收峰代表分子的無規構象，620 cm-1處的吸收峰代表了酰胺Ⅴ的α螺旋分子構象[12]。

由圖4可知，脫膠前后木薯蠶絲的二級結構以β折疊結構為主，也有少量α螺旋結構，脫膠后，木薯蠶絲的特征峰在669 cm-1處的強度減弱，到120 min時峰形消失，說明蠶絲的無規構象減弱。脫膠后木薯蠶絲的二級結構仍為β折疊結構和α螺旋結構，各吸收譜帶的強度隨著脫膠時間的延長呈增大的趨勢，峰形逐漸明顯，但不影響蠶絲的主體結構。

3結論

利用正交試驗法，選取了試劑、溫度、時間、質量濃度4個因素，研究了不同因素不同水平對繭絲脫膠率及力學性能的影響，并在其他條件最優的前提下著重探討了9組脫膠時間對木薯蠶脫膠率、力學性能、白度及二次結構的影響，實驗結果如下：

a）由正交實驗結果可知，影響木薯蠶絲脫膠率的順序為：A試劑>B溫度>D質量濃度>C時間，為使繭絲達到較高的脫膠率，可選擇的最佳工藝組合為：試劑為Na2CO3，溫度90 ℃、質量濃度5 g/L、時間50 min。

b）以最佳工藝組合對木薯蠶絲進行不同時間脫膠處理，結果如下：木薯蠶絲的脫膠率隨時間的延長而增加；木薯蠶絲的斷裂強度和斷裂伸長率隨脫膠時間的增加呈指數減小的關系；脫膠后木薯蠶絲的白度明顯改善；脫膠后木薯蠶絲的結構仍為β折疊結構和α螺旋結構，主體結構變化不大。

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（責任編輯：陳和榜）