不同pH值条件下蜘蛛丝收缩与延展性能的变化

汪 波, 于金迪, 郑安妮, 贾甜甜, 周思雨, 陈 鑫, 颜亨梅

(北京师范大学 珠海分校， 广东 珠海 519087)

不同pH值条件下蜘蛛丝收缩与延展性能的变化

汪 波, 于金迪, 郑安妮, 贾甜甜, 周思雨, 陈 鑫, 颜亨梅

(北京师范大学 珠海分校， 广东 珠海 519087)

研究不同pH值条件下，蜘蛛丝拉伸性能的变化。在酸性条件下，设置pH值梯度，比较经丝、纬丝的拉伸性能；使用同样方法，在碱性条件下，比较经丝、纬丝的拉伸性能。将实验数据应用统计学中的单因素方差分析方法分析。结果表明不同pH值对这两类蛛丝的拉伸性能的变化均有显著影响：在酸性条件下，随着pH值的升高，经丝和纬丝收缩度逐渐升高；在碱性条件下，随着pH值的升高，其收缩度逐渐降低。当pH值为7时，经丝和纬丝的收缩度最高，分别为经丝(27.00±0.60)%，纬丝(28.30±0.31)%。

pH值；蜘蛛丝；经丝；纬丝；拉伸性能

蜘蛛丝作为一种具有高强度、高弹性、高断裂等优异性能的天然蛋白纤维，近年来，引起了相关领域研究人员的极大兴趣，掀起了研究热潮[1]。

对蜘蛛丝的最早认识可追溯到中世纪，那时人们开始利用蜘蛛丝和蜘蛛网包扎伤口以起到止血作用[2]。但开始用科学方法研究蜘蛛丝是在20世纪初。近年来，蜘蛛丝在军事、医学、纺织、生物等领域都有着应用，而对蜘蛛丝的研究也越来越多[3]。Benton曾在1907年首先发表了关于蜘蛛丝强度和弹性的研究结果，但由于测试手段的限制，该实验在测量的精度上受到了限制[4]。1915年Herzog等经过多次试验，发表了Nephilamadagascariensis包卵丝单纤维的平均断裂强度。1940—1941年间，Dewilde等研制了可直接记录蜘蛛丝力——伸长曲线的装置，并测定了Aranea Diadema蛛网框丝的拉伸机械性能，测得其断裂强度为1342.6～1391.6 N/mm2、断裂伸长率为25%～30%[5]。在1964年，Lucas经试验研究发表了Aranea Diadematus蜘蛛牵引丝的断裂强度为68.80 CN/tex、断裂伸长为31%的结果[6]。20世纪70年代后期至80年代初期，Robert W对蛛丝的力学性能进行了比较系统的研究，并分析了人工卷取牵引丝和天然牵引丝性能的差异[7]。Robert还对园网蛛大囊状腺分泌丝的成丝机理进行了相关研究[8]。相关学者对蜘蛛丝也进行了一定的研究，潘志娟针对蜘蛛丝的优异性能进行了研究，以大腹园蛛的3种主要纤维丝为研究对象，探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理[1]。黄智华等人对蜘蛛丝的分子结构和力学性能进行了研究[9]。

蜘蛛丝所具有的优异弹性和良好韧性，从某种程度上讲，是各种天然纤维与合成纤维所无法比拟的，因此蜘蛛丝出众的机械化学性能备受科学家门的关注[10]。而蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，如所有的蛋白质纤维一样，其组成长链蛋白质分子的单元为不带侧链的R的酰胺结构[11]。大量研究表明，蛋白质在不同的酸碱环境下，其分子内与分子间的氢键网络会呈现不同的特征，导致蛋白质的构象发生转变，并影响到蛋白质的拉伸性能[12]。在蛋白质的研究基础上，对在不同pH值条件下，蜘蛛丝拉伸性能的研究，有利于我们更好的利用蜘蛛丝。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大腹园蛛蛛网，采集于野外树丛中。

NaOH溶液、HCl溶液、蒸馏水、显微镜用香柏油。

1.2 仪器与设备

移液枪、游标卡尺、 光学显微镜、pH测量仪。

1.3 试验设计

1.3.1 pH值梯度的设置

利用NaOH溶液和HCl溶液，调配出pH值分别为1、3、5、7、9、11和13共7个不同梯度的酸碱液，分别保存于7个小试管中，待用。

1.3.2 蜘蛛网经丝的光学显微镜观察

分离出蛛网部分经丝(约7 cm)，绕于载玻片上，加上盖玻片。将制好的玻片放置于光学显微镜载物台上，滴1滴香柏油于玻片上。观察经丝的结构[13]。

1.3.3 酸(碱)性条件下，蜘蛛丝拉伸性能的影响测定

将蜘蛛丝的经丝和纬丝分离[14]，连同硬纸板平均切取为5 cm的一小段，制成观察纸(长5 cm,宽2 cm)。经丝、纬丝各设4组平行，每组进行3次实验处理。

利用移液枪在观察纸上滴加不同浓度的酸(碱)液，滴加的量以完全覆盖蜘蛛丝为宜。静置5 min后，测量其长度；将经(纬)丝一端固定住，用小镊子轻轻地、缓慢地拉伸经丝的另一端，直至经丝断裂，记录经丝瞬时断裂时所达到的最大长度L。

1.3.4 实验数据统计分析

收缩度定义及计算公式。蜘蛛丝收缩度定义：浸水后蛛丝缩短的长度与未浸水长度的数量级变化的百分比。蜘蛛丝收缩度的计算方法按如下公式进行[15]：

收缩度S=浸水后蛛丝缩短的长度/未浸水蛛丝长度*100%

数据处理。所有实验数据运用SPSS软件统计并做图：对经丝和纬丝测得数据分别进行单因素方差分析，对经丝和纬丝的两种数据做双样本异方差假设检验，置信水平设置为95%，即显著性水平α=0.05[16-18]。

2 结果与分析

2.1 酸性条件下蜘蛛丝拉伸能力的变化

测量蜘蛛丝在酸性条件下的断裂时所达到的最大长度L1值，计算其此pH值条件下的收缩度S1，其结果见表1和表2。

表1 酸性pH值条件下蜘蛛丝的L1值

注: 表中数据以平均值±标准差表示;数据右上方的字母不同表示每列数据间有显著性差异(P<0.05);*表示每行数据间有显著性差异(P<0.05)，* *表示差异极显著(P<0.01)；下同。

由表1数据可得，当1≤pH<7时：经丝的L值随pH值增大而减小，当pH值为7(溶液为中性)时，蜘蛛丝的L1值最小，为5.89±0.04，经丝的L值与pH值的增大呈显著性负相关(P<0.01)，其y=-0.054x+6.281,R值为0.9902；纬丝的L值随pH值增大而减小，当pH值为7时，为5.89±0.04，纬丝的L值与pH值的增大呈显著性负相关(P<0.01)，其y=-0.074x+5.962,R值为0.9805。

表2 酸性pH值条件下蜘蛛丝收缩度S1

由表2数据可得，当1≤pH<7时：经丝的收缩度随pH值增大而增大，当pH值为7时，其收缩程度最大，为(27.00±0.60)%，经丝的收缩度与pH值的增大呈显著性正相关(P<0.05)，其y=0.4805x+23.611,R值为0.9989；同样，纬丝的收缩度随pH值增大而增大，当pH值为7时，其收缩程度最大，为(28.30±0.31)%，纬丝的收缩度与pH的增大呈显著性正相关(P<0.05)，其y=0.575x+23.875,R值为0.92。

2.2 碱性条件下蜘蛛丝拉伸能力的变化

测量蜘蛛丝在碱性条件下断裂时所达到的最大长度L2值，计算此pH值条件下的收缩度S2，其结果见表3和表4。

表3 碱性条件下蜘蛛丝的L2值

由表3数据可得，当7≤pH<13时：经丝的L值随pH值增大而增大，当pH值为13时，蜘蛛丝的L1值最大，为6.24±0.01，经丝的L值与pH值的增大呈显著性正相关(P<0.01)，其y=0.055x+5.54,R值为0.9308；同样实验数据显示，纬丝的L值随pH值增大而增大，当pH值为13时，纬丝的L值最大，为5.90±0.01，纬丝的L值与pH值的增大呈显著性正相关(P<0.01)，其y=0.0765x+4.9075,R值为0.9764。

表4碱性条件下蜘蛛丝收缩度S2

由表4数据可得，当7≤pH<13时：经丝的收缩度随pH值增大而减小，当pH值为13时，其收缩程度最小，为(25.10±0.31)%，经丝的收缩度随pH值的增大呈显著性负相关(P<0.05)，其y=-0.31x+28.95,R值为0.9196；纬丝的收缩度随pH值增大而减小，当pH值为13时，其收缩程度最小，为(25.30±0.31)%，纬丝的收缩度随pH值的增大呈显著性负相关(P<0.05)，其y=-0.52x+32.3,R值为0.9555。

3 讨论

蜘蛛丝是一种天然的动物蛋白纤维，主要成分是甘氨酸、 丙氨酸等多种氨基酸[19]。其具有良好的弹性主要是非结晶区的贡献[20]，蛛丝二级结构分析表明，蜘蛛丝非结晶区分子链呈现β-转角状， 受到拉伸时可能会形成α-转角螺旋，使得蜘蛛丝具有良好的弹性和收缩性能[21]。实验中，分别探究经丝和纬丝在7个不同pH值环境下，经酸碱液处理后的最大断裂长度L，发现当pH值为7时，两类蜘蛛丝的L值最小，表明此时其拉伸性能最低；当溶液的酸性或碱性逐渐增强时，两类蜘蛛丝的L值也逐渐增大，其拉伸性能比中性环境下的强，猜测其原因为酸、碱性条件性，蛋白构象发生变化引起。单因素方差分析的结果表明：不同pH值条件对两类蜘蛛丝的拉伸能力都有显著影响，然而，纬丝的拉伸性能比经丝更容易受到pH值的影响而发生改变。研究表明，蛛丝力学性能的直接因素有两个方面:横截面积和分子结构[22]，经丝和纬丝的蛋白亚基组成不同，导致拉伸程度也有所差异。

从本实验可观察到，不管pH值如何变化，两类蜘蛛丝都会产生收缩现象，尤其是在中性溶液中，蜘蛛丝的收缩幅度最大。其实，蜘蛛丝存在着一种超收缩现象(SC现象)[23-24]，指的就是把一根没受约束的蜘蛛丝浸泡于水中，由于丝纤维的充分收缩，蜘蛛丝的长度也大大缩短。有研究表明，常温条件下蜘蛛丝在水中的收缩率可达到50%以上；当空气中的湿度高于90%时，蜘蛛丝也会发生SC现象。以园蛛为例，大多数腺体产生的丝是一种微结晶区嵌入无定形区的结构，微结晶区的分子链呈平行有序排列，无定形区的大分子则呈不规则聚集排列[8，25]。在分子形态上，微结晶区富含的丙氨酸相互间以氢键结合，分子构象为β-折叠链，无定形区富含的甘氨酸相互间也以氢键结合，分子构象为β-转角结构。有学者认为，将蜘蛛丝置于水中，无定形区的氢键首先被水分子切断，分子链逐渐向无规卷曲结构转变，随着时间的推移，水分子继续渗透微结晶区，微结晶区的氢键也被切断，氢键断裂降低了分子间的作用力，分子链可以自由运动，加速了无规卷曲空间构象的转化[26],这也是蜘蛛丝收缩的分子原理[27]。而有实验数据可知，在酸性或碱性溶液中，蜘蛛丝的收缩度小于在中性溶液中的收缩度。在酸性或碱性溶液中，某种离子减弱了蜘蛛丝的收缩，或是阻碍了水分子对蜘蛛丝无定性区氢键的破坏，还待进一步研究。

由此，可得出以下结论：当pH值为7时,蜘蛛丝的收缩幅度最大；在极端酸、碱性条件下，蜘蛛丝的收缩幅度最小。

[1]潘志娟. 蜘蛛丝优异力学性能的结构机理及其模化[D]. 镇江：苏州大学, 2002：8-10.

[2]朱红(译).蜘蛛丝在纺织品中的应用探讨[J].国外防治技术，2000(12)：1-3.

[3]贾玉梅，段亚峰，刘庆生,等.大腹缘蜘蛛丝的结构和性能[J].广西纺织科技，2006，35(2)：1-2.

[4]BentonJR.Thestrengthandelasticityofspiderthreads[J].AmericaJScience, 1970， (24):75-78.

[5]DewildeJ.SomephysicalpropertiesofthespinningthreadsofAraneadiademav[J].L Extrait des Arch Neerland, 1943, 27:117-132.

[6]Lucas F. Spiders and their silks[J]. Discovery, 1964, 25:20-26.

[7]Robert W. The force-elongation behavior of web fibers and silks forcibly obtained from orb-web-spinning spiders[J]. Textile Research Journal, 1976, 46: 485- 492.

[8]Robert W W. Mechanisms of major ampullatesik fiber formation by orb-web spinning spiders[J]. Trans America Microsc Soc, 1977, 96:170-189.

[9]黄智华,李 敏.蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究[J].中国生物工程杂志，2003，23(7)：84-88.

[10]李春萍,潘志娟,刘 敏.大腹圆蛛丝的拉伸机械性能[J].丝绸,2002(9):46- 51.

[11]惠 晶,徐 红.超级纤维蜘蛛丝的研究与开发利用现状[J].江苏丝绸,2013(1):42-45.

[12]谢 栒,周 平,邓 风, 等. pH值对丝素蛋白构象转变的影响[J]. 高等学校化学学报,2004(5):961-965.

[13]赵红雪，杨贵军.动物学实验指导[M].银川：宁夏人民教育出版社, 2007：3， 4-5.

[14]潘志娟，盛家镛, 陈宇岳.蜘蛛丝的结构与力学性能[J].南通工学院学报，1999，15(2)：2-3.

[15]蒋 平，刘 姝, 卓春晖.干燥与拉伸对蜘蛛拖牵丝超收缩性能的影响[J].材料科学与工程学报，2010，28(3)：1-3.

[16]陈庆富.生物统计学[M].北京：高等教育出版社，2011：3,45-101.

[17]张焕明.统计学实验教程[M].天津：天津大学出版社，2009：64-72.

[18]贾俊平，何晓群，金勇进.统计学(第5版)[M].北京：中国人民大学出版社，2012.

[19]蒋 平, 吴丽华, 江丽琴,等.横纹金蛛捕食经验对其丝纤维力学行为与性能的影响[J].动物学杂志, 2014, 49(4):587-596.

[20]蒋 平, 肖永红, 吕太勇,等.蜘蛛丝的结构与机械性能研究进展[J]. 井冈山大学学报：自然科学版,2010, 31(4):37-43.

[21]宁方勇,杜智恒, 付 晶,等.蜘蛛丝研究概况[J]. 黑龙江畜牧兽医, 2014,8:209-211.

[22]蒋 平, 卓春晖, 肖永红,等.悦目金蛛拖牵丝力学性能的变异[J]. 动物学杂,2013, 48(4):548-554.

[23]Zhu D S, Li X F, Wang N, et al. Dispersion behavior and thermal conductivity characteristics of Al2O3-H2O nanofluids[J]. Current Applied Physics, 2009, 9:131-139.

[24]Jeliski L W, Blye A, Liivak O, et al. Orientation, structure, wet-spinning, and molecular basis for super contraction of spider dragline silk [J]. International Journal of Biological Macromolecules, 1999, 4:197-201.

[25]周文聪,张 贤, 张 敏,等.影响蜘蛛丝性能的因素及开发技术[J].纺织科技进展，2010(4)：58-61.

[26]Guerette P, Ginzinger D, Weber B, et al. The spider silk fibroin gene family: gland specific expression controls silk properties[J]. Science, 1996, 272: 112-115.

[27]潘志娟,盛家镛,陈宇岳.大腹圆蛛牵引丝的结构与性能分析[J].中国纺织大学学报，2000，26(5):82-84.

Change of spider silk tension properties under different pH conditions

WANG Bo, YU Jin-di, ZHENG An-ni, JIA Tian-tian, ZHOU Si-yu, CHEN Xin, YAN Heng-mei

(Zhuhai Campus, Beijing Normal University, Zhuhai 519087, China)

The change of spider silk tension properties under different pH conditions was explored in the laboratory. The result indicated that the pH conditions had a significantly affection on tensile properties of radial silk and spiral silk. Under acid condition, the shrinkage degree increased gradually with the increase of pH value, the higher pH condition, the higher shrinkage degree. The shrinkage degree of radial silk reached to (27.00±0.60)%, while spiral silk reached to (28.30±0.31)%, when pH value is was equal to 7. As under alkaline condition, the shrinkago degree of radial silk showed an opposite tendency. The shrinkage degree showed clear negative correlation to the alkaline solution′s pH value.

pH; spider silk; radial silk; spiral silk; tensile property

2014-09-25；

2014-10-25

国家自然科学基金资助项目(№31372159；№31172107)

汪 波，主要从事动物学研究，E-mail:wangbozai@163.com；

颜亨梅，教授，博士生导师，主要从事动物生态学研究，E-mail:yanhm03@126.com。

TS102.3+3

A

2095-1736(2015)02-0033-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.02.033