人工飼料育蠶蠶絲的結構和拉伸力學性能

胡暄妍 馬明波 周文龍

摘要： 隨著中國勞動力和土地成本的急劇上升，家蠶養殖產業受到了巨大挑戰，全齡工廠化養蠶為中國養蠶業帶來了一絲曙光。文章探究了桑葉和人工飼料育家蠶絲的結構和力學性能特點。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，其基本結構并未發生改變，但相對結晶度更低。人工飼料組蠶絲的斷裂強度比桑葉組蠶絲斷裂強度小3%左右，斷裂伸長率大3%左右。

關鍵詞： 蠶絲;工業化養蠶;人工飼料;二級結構;結晶度;力學性能

中圖分類號： TS102.33

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）09001205

引用頁碼： 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

基金項目： 國家自然科學基金青年項目（51903220）

作者簡介： 胡暄妍（1994），女，碩士研究生，研究方向為綠色紡織材料。通信作者：周文龍，教授，wzhou@zstu.edu.cn。

家蠶人工飼料是根據蠶的食性特點和營養要求，采用適當材料，經人工配制而成，以代替桑葉養蠶。人工飼料的研制成功，打破了家蠶自然飼料的限制，推動著家蠶營養生理學的發展，并為蠶病防治、蠶品種選育等方面的研究提供了良好的實驗條件，最終能使家蠶飼養擺脫自然條件的束縛，實現蠶繭生產的全年化和工廠化，為增產蠶絲開拓新途徑[1]。

1960年，日本研究者福田等[2]實現用人工飼料全齡飼養家蠶，養蠶事業取得了一個重要的突破。中國也一直在研究蠶類人工飼料。在1974年，蔡幼民等[3]實現用人工飼料飼養家蠶。1997年，張亞平[4]利用人工飼料研究全齡無菌飼育技術。2002年，程安瑋[5]系統研究了小蠶顆粒人工飼料育技術，克服了普通飼料的許多缺點，有利于生產上的推廣利用。為創立符合中國農村養蠶條件的人工飼料育配套技術，國內的研究者對小蠶人工飼料育的給餌次數、濕體飼料的給餌形狀、飼育形式、給餌量、飼育密度、蠶座面積、飼育環境條件等進行了廣泛的實驗[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，發現人工飼料育生絲的干、濕強力更低，干、濕伸長率更高。2001年，H.Sasaki等[9]通過比較人工飼料育絲和桑葉育絲的染色結果，發現人工飼料育絲上的染量更高，染色速率較小，但沒有對人工飼料育的脫膠后的蠶絲性能進行研究。

本文分別用桑葉和人工飼料喂養家蠶，對家蠶產出的蠶絲進行脫膠處理后，研究人工飼料育蠶對蠶絲結構和拉伸力學性能的影響。

1?實?驗

1.1?材料與儀器

1.1.1?材?料

蠶種為秋風白玉（諸暨市健寶農業開發有限公司），人工飼料（杭州玖元絲綢文化有限公司）主要含質量分數20%～30%的桑葉粉、50%～60%的脫脂大豆粉、5%～10%的淀粉、無機鹽、維生素、抗生素等，無水碳酸鈉（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（美國奧豪斯儀器上海有限公司），DHG-9055 A鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司），DW控溫電熱套（南通利豪實驗儀器有限公司），Nicolet 5700傅里葉紅外光譜儀（美國熱電公司），ARL XTRA型X射線衍射儀（瑞士Thermo ARL公司），LLY-06 E電子單纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司），Y172纖維切片器（元茂機電設備有限公司）。

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，以便進一步的喂養，如圖1所示。

1.2.2?養?蠶

家蠶是從放在人工氣候培養箱中的蠶卵孵化出來的。將蠶放置在40 cm×40 cm的培養盤上進行喂養，喂養過程中隨著蠶的成長相應地調整和增加喂養面積。培養箱中的溫度和濕度隨著蠶的成長階段不同而改變。家蠶成長分為五齡，一齡到三齡溫度和濕度分別設為27 ℃和80%，四齡、五齡溫度和濕度設為23 ℃和65%。并在家蠶成長的過程中增加食物。家蠶分為兩組，分別用桑葉和人工飼料喂養。

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

使用紅外光譜儀對樣品蠶絲進行表征，使用KBr壓片法，分辨率為0.09 cm-1，測試范圍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，進行X射線衍射測試。測定條件：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?機械性能

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

2?結果與分析

2.1?桑葉和飼料育蠶對家蠶和蠶絲纖度的影響

每組實驗喂養200條蠶，取20個蠶繭作為樣品。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，平均繭殼質量減小了31%左右，蠶絲平均纖度減小了4%左右。分析認為，用人工飼料喂養的家蠶，其補充營養比不上用桑葉喂養的，導致人工飼料育家蠶的抵抗力和發育能力比用桑葉喂養的家蠶差。家蠶攝取食物的營養與食量對蠶繭質量和蠶絲質量有很大的影響。

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比，人工飼料組蠶絲并沒有出現新的特征吸收峰，特征峰也并未發生位移現象，說明人工飼料組蠶絲與桑葉組蠶絲相比，其基本結構并未發生改變。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的振動引起的，代表無規線團的構象。1 515 cm-1所處的吸收峰是由酰胺Ⅱ區的C—N伸縮振動和N—H振動共同作用引起的。1 230 cm-1所處的吸收峰是由蛋白質肽鍵中的N—H和O—C—O振動引起的[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的吸收峰拆分為多個子峰，并通過曲線擬合方法定量計算蠶絲蛋白分子中構象的各個組分。蠶絲蛋白中酰胺Ⅰ帶（1 700～1 600 cm-1）對研究二級結構最有價值[11]。將酰胺Ⅰ區的譜圖進行分峰擬合，分峰圖如圖2（c）所示。在酰胺Ⅰ區中，1 630～1 640 cm-1和1 690～1 700 cm-1處的吸收峰分別被認為是β折疊和β轉角引起的。1 650～1 660 cm-1處的吸收峰被認為是α螺旋和無規線團引起的[12]。蠶絲的紅外分峰結果如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，人工飼料組蠶絲中的α螺旋和無規線團構象的相對含量比桑葉組蠶絲中的相對含量多，β折疊

構象的相對含量比桑葉組蠶絲中的相對含量少。說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整有序。

2.3?X射線衍射

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

Xc/%=S結晶S總×100（1）

式中：Xc為結晶度;S結晶為結晶衍射峰面積之和;S總為總面積。

由式（1）計算得出相對結晶度，其中桑葉組蠶絲相對結晶度為60.3%，人工飼料組蠶絲相對結晶度為57.4%。由紅外分析可知，蠶絲的二級結構中，人工飼料組蠶絲比桑葉組蠶絲有更多的α螺旋和無規線團構象相對含量和更少的β折疊構象相對含量。這使得桑葉組蠶絲的結晶結構比人工飼料組蠶絲的結晶結構更多，所以桑葉組蠶絲的相對結晶度比人工飼料組蠶絲的相對結晶度高。

2.4?力學性能測試

圖4（a）為桑葉組蠶絲測試30次的應力-應變曲線，圖4（b）為人工飼料組蠶絲測試30次的應力-應變曲線，圖4（c）為桑葉組蠶絲和人工飼料組蠶絲典型的應力-應變曲線對比圖。其中，桑葉組蠶絲的斷裂強度為（3.1±0.5） cN/dtex，斷裂

伸長率為（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度為（3.0±0.5） cN/dtex，斷裂伸長率為（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度比桑葉組蠶絲斷裂強度略小，人工飼料組蠶絲的斷裂生長率比桑葉組蠶絲斷裂生長率略大，初始模量更小。這與人工飼料組蠶絲相對結晶度相對較低、β折疊構象相對較少相符。這是因為蠶絲纖維在受到拉力作用時，分子鏈段發生取向，結晶度越小，鏈段滑動越容易，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，發現人工飼料育生絲的干、濕強力都低于桑葉育生絲，干、濕伸長率都高于桑葉育生絲。這與本文發現的規律相符，但該文獻并未對用人工飼料育和用桑葉育的熟絲拉伸性能進行對比。

3?結?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，其基本結構并未發生改變。桑葉組蠶絲的相對結晶度比人工飼料組蠶絲的相對結晶度高。

3）人工飼料組蠶絲的斷裂強度比桑葉組蠶絲斷裂強度小

3%左右，人工飼料組蠶絲的斷裂伸長率比桑葉組蠶絲斷裂伸長率大3%左右。

4）對比分析表明，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，這可能會促進絲綢纖維工業化的發展。

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