人工饲料育蚕蚕丝的结构和拉伸力学性能

胡暄妍 马明波 周文龙

摘要： 随着中国劳动力和土地成本的急剧上升，家蚕养殖产业受到了巨大挑战，全龄工厂化养蚕为中国养蚕业带来了一丝曙光。文章探究了桑叶和人工饲料育家蚕丝的结构和力学性能特点。研究表明：用人工饲料育的家蚕存活率比用桑叶育的家蚕存活率减少了72%左右，平均茧壳质量减小了31%左右，蚕丝平均纤度减小了4%左右。人工饲料组蚕丝与桑叶组蚕丝相比，其基本结构并未发生改变，但相对结晶度更低。人工饲料组蚕丝的断裂强度比桑叶组蚕丝断裂强度小3%左右，断裂伸长率大3%左右。

关键词： 蚕丝;工业化养蚕;人工饲料;二级结构;结晶度;力学性能

中图分类号： TS102.33

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）09001205

引用页码： 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

基金项目： 国家自然科学基金青年项目（51903220）

作者简介： 胡暄妍（1994），女，硕士研究生，研究方向为绿色纺织材料。通信作者：周文龙，教授，wzhou@zstu.edu.cn。

家蚕人工饲料是根据蚕的食性特点和营养要求，采用适当材料，经人工配制而成，以代替桑叶养蚕。人工饲料的研制成功，打破了家蚕自然饲料的限制，推动着家蚕营养生理学的发展，并为蚕病防治、蚕品种选育等方面的研究提供了良好的实验条件，最终能使家蚕饲养摆脱自然条件的束缚，实现蚕茧生产的全年化和工厂化，为增产蚕丝开拓新途径[1]。

1960年，日本研究者福田等[2]实现用人工饲料全龄饲养家蚕，养蚕事业取得了一个重要的突破。中国也一直在研究蚕类人工饲料。在1974年，蔡幼民等[3]实现用人工饲料饲养家蚕。1997年，张亚平[4]利用人工饲料研究全龄无菌飼育技术。2002年，程安玮[5]系统研究了小蚕颗粒人工饲料育技术，克服了普通饲料的许多缺点，有利于生产上的推广利用。为创立符合中国农村养蚕条件的人工饲料育配套技术，国内的研究者对小蚕人工饲料育的给饵次数、湿体饲料的给饵形状、饲育形式、给饵量、饲育密度、蚕座面积、饲育环境条件等进行了广泛的实验[6-7]。1992年，朱良均[8]研究了用人工饲料育和桑叶育的蚕丝生丝拉伸性能等，发现人工饲料育生丝的干、湿强力更低，干、湿伸长率更高。2001年，H.Sasaki等[9]通过比较人工饲料育丝和桑叶育丝的染色结果，发现人工饲料育丝上的染量更高，染色速率较小，但没有对人工饲料育的脱胶后的蚕丝性能进行研究。

本文分别用桑叶和人工饲料喂养家蚕，对家蚕产出的蚕丝进行脱胶处理后，研究人工饲料育蚕对蚕丝结构和拉伸力学性能的影响。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材 料

蚕种为秋风白玉（诸暨市健宝农业开发有限公司），人工饲料（杭州玖元丝绸文化有限公司）主要含质量分数20%～30%的桑叶粉、50%～60%的脱脂大豆粉、5%～10%的淀粉、无机盐、维生素、抗生素等，无水碳酸钠（杭州米克化工有限公司），去离子水（自制）。

1.1.2 仪 器

AR 124 CN电子天平（美国奥豪斯仪器上海有限公司），DHG-9055 A鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），DW控温电热套（南通利豪实验仪器有限公司），Nicolet 5700傅里叶红外光谱仪（美国热电公司），ARL XTRA型X射线衍射仪（瑞士Thermo ARL公司），LLY-06 E电子单纤维强力仪（莱州市电子仪器有限公司），Y172纤维切片器（元茂机电设备有限公司）。

1.2 方 法

1.2.1 人工饲料的处理

将人工饲料干粉浸泡在蒸馏水中20～30 min，把浸泡后的人工饲料挤成条状，以便进一步的喂养，如图1所示。

1.2.2 养 蚕

家蚕是从放在人工气候培养箱中的蚕卵孵化出来的。将蚕放置在40 cm×40 cm的培养盘上进行喂养，喂养过程中随着蚕的成长相应地调整和增加喂养面积。培养箱中的温度和湿度随着蚕的成长阶段不同而改变。家蚕成长分为五龄，一龄到三龄温度和湿度分别设为27 ℃和80%，四龄、五龄温度和湿度设为23 ℃和65%。并在家蚕成长的过程中增加食物。家蚕分为两组，分别用桑叶和人工饲料喂养。

1.2.3 脱 胶

蚕茧在真空干燥箱中以110 ℃烘1 h后，再以80 ℃烘3 h，平铺于室温下2～3 d以便保存。将蚕茧剪成小块放置于烧杯中，用0.5%的Na2CO3水溶液在100 ℃下处理3次，每次30 min，用去离子水冲洗后自然干燥，得到脱胶丝。将用桑叶喂养得到的蚕丝定为桑叶组，将用人工饲料得到的蚕丝定为人工饲料组。

1.2.4 傅里叶红外光谱仪

使用红外光谱仪对样品蚕丝进行表征，使用KBr压片法，分辨率为0.09 cm-1，测试范围4 000～400 cm-1。

1.2.5 X射线衍射

使用纤维切片器将样品蚕丝纤维切成粉末，进行X射线衍射测试。测定条件：Cu靶，管压40 kV，管流40 mA，扫描速度2°/min，2θ扫描范围10°～60°。

1.2.6 机械性能

将两组蚕丝依次放入调好的电子单纤维强力仪上，按照测试要求（拉伸速率5 mm/min、間距10 mm）对其进行测试，每个样品测试50次，取其平均值。测试前，在测试温度（20±2.0） ℃、测试相对湿度（65±4.0）%的恒温恒湿室中至少平衡12 h。

2 结果与分析

2.1 桑叶和饲料育蚕对家蚕和蚕丝纤度的影响

每组实验喂养200条蚕，取20个蚕茧作为样品。由表1可知，用人工饲料育的家蚕存活率比用桑叶育的家蚕存活率减少了72%左右，平均茧壳质量减小了31%左右，蚕丝平均纤度减小了4%左右。分析认为，用人工饲料喂养的家蚕，其补充营养比不上用桑叶喂养的，导致人工饲料育家蚕的抵抗力和发育能力比用桑叶喂养的家蚕差。家蚕摄取食物的营养与食量对蚕茧质量和蚕丝质量有很大的影响。

2.2 红外光谱分析

图2（a）为蚕丝的红外光谱图。由图2（a）可知，人工饲料组蚕丝和桑叶组蚕丝相对比，人工饲料组蚕丝并没有出现新的特征吸收峰，特征峰也并未发生位移现象，说明人工饲料组蚕丝与桑叶组蚕丝相比，其基本结构并未发生改变。在1 641、1 515 cm-1和1 230 cm-1都明显观察到有特征吸收峰的存在。1 641 cm-1所处的吸收峰是由CO的振动引起的，代表无规线团的构象。1 515 cm-1所处的吸收峰是由酰胺Ⅱ区的C—N伸缩振动和N—H振动共同作用引起的。1 230 cm-1所处的吸收峰是由蛋白质肽键中的N—H和O—C—O振动引起的[10]。

蚕丝蛋白的红外吸收光谱主要由一系列酰胺吸收带组成，因此可以采用将红外光谱原来的吸收峰拆分为多个子峰，并通过曲线拟合方法定量计算蚕丝蛋白分子中构象的各个组分。蚕丝蛋白中酰胺Ⅰ带（1 700～1 600 cm-1）对研究二级结构最有价值[11]。将酰胺Ⅰ区的谱图进行分峰拟合，分峰图如图2（c）所示。在酰胺Ⅰ区中，1 630～1 640 cm-1和1 690～1 700 cm-1处的吸收峰分别被认为是β折叠和β转角引起的。1 650～1 660 cm-1处的吸收峰被认为是α螺旋和无规线团引起的[12]。蚕丝的红外分峰结果如图2（b）所示。由图2（b）可知，人工饲料组蚕丝中的α螺旋和无规线团构象的相对含量比桑叶组蚕丝中的相对含量多，β折叠

构象的相对含量比桑叶组蚕丝中的相对含量少。说明人工饲料组蚕丝的丝素蛋白大分子排列不如桑叶组蚕丝规整有序。

2.3 X射线衍射

蚕丝素纤维中，α螺旋结构的衍射峰衍射角在11.8°、2402°附近，而β折叠结构的衍射峰衍射角在16.71°、2020°、24.90°、30.90°等附近[13]。如图3所示，将X射线衍射图进行分峰拟合，得到各个衍射峰的峰面积大小，结晶度即结晶衍射峰面积之和与总面积的比值[14]。

Xc/%=S结晶S总×100（1）

式中：Xc为结晶度;S结晶为结晶衍射峰面积之和;S总为总面积。

由式（1）计算得出相对结晶度，其中桑叶组蚕丝相对结晶度为60.3%，人工饲料组蚕丝相对结晶度为57.4%。由红外分析可知，蚕丝的二级结构中，人工饲料组蚕丝比桑叶组蚕丝有更多的α螺旋和无规线团构象相对含量和更少的β折叠构象相对含量。这使得桑叶组蚕丝的结晶结构比人工饲料组蚕丝的结晶结构更多，所以桑叶组蚕丝的相对结晶度比人工饲料组蚕丝的相对结晶度高。

2.4 力学性能测试

图4（a）为桑叶组蚕丝测试30次的应力-应变曲线，图4（b）为人工饲料组蚕丝测试30次的应力-应变曲线，图4（c）为桑叶组蚕丝和人工饲料组蚕丝典型的应力-应变曲线对比图。其中，桑叶组蚕丝的断裂强度为（3.1±0.5） cN/dtex，断裂

伸长率为（15.0±2.9）%，初始模量为（55.3±15.6） cN/dtex;人工饲料组蚕丝的断裂强度为（3.0±0.5） cN/dtex，断裂伸长率为（15.4±2.6）%，初始模量为（45.6±13.5） cN/dtex。人工饲料组蚕丝的断裂强度比桑叶组蚕丝断裂强度略小，人工饲料组蚕丝的断裂生长率比桑叶组蚕丝断裂生长率略大，初始模量更小。这与人工饲料组蚕丝相对结晶度相对较低、β折叠构象相对较少相符。这是因为蚕丝纤维在受到拉力作用时，分子链段发生取向，结晶度越小，链段滑动越容易，分子链取向越容易。朱良均[8]研究了同一蚕品种在同一饲育条件下，用人工饲料育和用桑叶育的生丝拉伸特性，发现人工饲料育生丝的干、湿强力都低于桑叶育生丝，干、湿伸长率都高于桑叶育生丝。这与本文发现的规律相符，但该文献并未对用人工饲料育和用桑叶育的熟丝拉伸性能进行对比。

3 结 论

1）用人工饲料育的家蚕存活率比用桑叶育的家蚕存活率减少了72%左右，平均茧壳质量减小了31%左右，蚕丝平均纤度减小了4%左右。

2）人工饲料组蚕丝与桑叶组蚕丝相比，其基本结构并未发生改变。桑叶组蚕丝的相对结晶度比人工饲料组蚕丝的相对结晶度高。

3）人工饲料组蚕丝的断裂强度比桑叶组蚕丝断裂强度小

3%左右，人工饲料组蚕丝的断裂伸长率比桑叶组蚕丝断裂伸长率大3%左右。

4）对比分析表明，用人工饲料育的脱胶丝性能与用桑叶育的脱胶丝性能差异小，这可能会促进丝绸纤维工业化的发展。

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