蓖麻蚕茧与桑蚕茧的结构和防护性能对比研究

王慧玲 周彬 黄诗慧 周红涛

摘要：蓖麻蠶作为一种野蚕，其结成的蚕茧与桑蚕茧相比有很多不同之处。文章将蓖麻蚕茧与桑蚕茧各自分为外观特征区别明显的三个层次：外层（茧衣）、中层（茧层）和内层（蛹衬），分别对其结构和强力、防紫外、抗菌等防护性能进行对比研究。蓖麻蚕茧由于茧丝模量高、结构致密，拉伸过程中存在明显的二次断裂现象，其三层茧丝的强力变化与桑蚕茧存在类似的规律。蓖麻蚕茧的抗紫外线能力高于桑蚕茧，对金黄色葡萄糖球菌的抑菌能力与桑蚕茧相当，对大肠杆菌的抑菌能力略低于桑蚕茧。综合来看，蓖麻蚕茧表现出比桑蚕茧更强的保护能力。通过对不同茧层结构性能差异与茧层之间的构造进行研究分析，为非织造仿生材料的开发提供借鉴。

关键词：蓖麻蚕茧;桑蚕茧;三层结构;防紫外线;抗菌性;非织造;仿生材料

中图分类号： TS102.33

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2021）09-0001-06

引用页码： 091101

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.09.001（篇序）

A comparative study on the structure and protective propertiesof eri silkworm cocoon and Bombyx mori cocoon

WANG Huiling1，2，3， ZHOU Bin1，2，3， HUANG Shihui1， ZHONG Hongtao1，3

（1.Textile Garment School， Yancheng Vocational Institute of Industry Technology， Yancheng 224005， China; 2.School of Materials Science& Engineering， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China; 3.Jiangsu Province Engineering Research Center ofBiomass Functional Textile Fiber Development and Application， Yancheng 224005， China）

Abstract：As a kind of wild species， eri silkworm make cocoons with a lot of difference compared with Bombyx mori cocoon. In this paper， eri silkworm cocoons and Bombyx mori cocoon are classified into three categories in terms of the obvious differences in appearance： outer layer（cocoon coat）， middle layer（cocoon layer） and inner layer（cocoon lining）. A comparative study is performed on the structure and strength， UV resistance， antibacterial and protective properties. There exists a significant secondary fracture during tensile process due to high modulus of eri silkworm cocoon lining and its dense structure. The strength variation of eri silkworm cocoon silk in three layers is similar to that of Bombyx mori cocoon. The UV resistance of eri silkworm cocoon is higher than that of Bombyx mori cocoon， and its antibacterial ability against S. aureus is equivalent to that of Bombyx mori cocoon， its antibacterial ability against E. coli is slightly lower than that of Bombyx mori cocoon. On the whole， eri silkworm cocoon exhibits stronger protection ability than Bombyx mori cocoon. The research and analysis of the difference in structure and properties of different cocoon layers and the structure between cocoon layers are expected to provide reference for the development of nonwoven bionic materials.

Key words：eri silkworm cocoon; Bombyx mori cocoon; threelayer structure; UV resistance; antibacterial ability; nonwoven; bionic materials

收稿日期： 20210204;

修回日期： 20210816

基金项目： 江苏省高等职业教育产教融合集成平台建设计划项目（苏教职函〔2019〕26号）;江苏省高职院校教师专业带头人高端研修项目（苏教师函〔2020〕23号）;江苏省青蓝工程优秀教学团队项目（苏教师〔2019〕3号）;江苏省产学研合作项目（BY2020336）;江苏省高等职业教育高水平专业群建设项目（苏教职函〔2020〕31号）

作者简介： 王慧玲（1982），女，副教授，博士研究生，主要从事纺织新产品设计、纺织材料性能检测等研究。

蚕茧是自然界中一种独特而重要的生物聚合物复合材料，其形态通过熟蚕头部的规则摆动和身体的周期性弯曲及拉伸而形成，茧的营造过程经历了长期的自然选择和进化，虽然轻而薄，但它可以保护蚕在羽化过程中免受自然界各种危险的侵袭[1]。桑蚕丝是几个世纪以来最常用的蚕丝[2]。蓖麻蚕是世界上第三大类蚕种，仅次于桑蚕和柞蚕，它只有桑蚕一半的生命周期，但比桑蚕茧大，蓖麻蚕是一种适应性很强的多食蚕，以蓖麻叶、木薯叶、鹤叶、臭叶、松叶、柏叶等为食，因此与仅以桑叶为食的桑蚕相比，更容易饲养[3-5]。虽然目前商业蓖麻蚕茧的年产量已达数万吨，但对其的研究并不多，由于存在羽化孔和松散的茧结构，导致无法利

用传统的设备连续缫丝来开发高档的丝绸产品，限制了其应用[6]。早期的研究主要集中在蚕的育种、生物结构、基因序列、蚕丝的性质和应用[1，7]，也有报道说蓖麻蚕产生的蛋白质具有抗菌活性[8]。与桑蚕相比，蓖麻蚕野外放养，需要更强的保护[9]。

蚕茧的形状、大小、结构和性能因蚕的遗传基因、生活环境、饮食和生命周期的多样性而不同，因此蚕茧具有一些独特的特性。最近有学者对桑蚕茧的性能进行了研究，关注了桑蚕的茧层组成、结构和力学性能之间的关系，进行了定量分析和建模，以表征该结构对力学性能的贡献[10-12]。本文将桑蚕茧和蓖麻蚕茧分为外观特征有明显区别的三个层次，对比研究了每一层茧的结构特征和蚕丝的力学性能差异，以及蚕茧在紫外线防护和抗菌防护等方面的差异。了解蚕茧结构与其各项性能之间的关系，可为新型复合材料的设计提供生物质的方法，为提高对蓖麻蚕茧的认识提供一个概念平台，并启发保护性非织造复合材料的设计和生产。

1实验

1.1材料

先对蓖麻蚕茧和桑蚕茧（中国农业科学院蚕业研究所）进行处理，将蛹从两种茧中除去，然后按外层（茧衣）、中层（茧层）和内层（蛹衬）分为三部分。

1.2形态结构

将样品进行喷金后，用导电胶黏附在样品座上，采用放大倍数为500～160 000的JSM5600LV型扫描电子显微镜（日本JEOL公司），获得三层蚕茧的外观结构图像。

1.3规格和机械性能

用数字游标卡尺、电子天平等测量了蚕茧的基本规格;将蚕茧沿纵向20°的方向螺旋切割成宽度为5 mm、长度为80～100 mm的条状，制备拉伸实验样品（图3），有效地避免了由于蚕茧本身的弧形结构而导致条带试样不能完全伸直的缺陷，YG065型拉伸测试仪器（莱州市电子仪器有限公司）用于拉伸测试，所有测试均在室温下进行，试样长度为50 mm，速度为200 mm/min;采用YG004型纤维拉伸机（常州大华电子仪器有限公司）对蓖麻蚕茧丝和桑蚕茧丝进行力学性能测试，测试之前统计不同茧层蚕丝的直径，样品拉伸速度为0.5 mm/min，隔距1 cm，用试样的横截面积和长度分别除以载荷和位移，得到相应的应力应变曲线;用YG（B）141（D）型织物厚度计（温州市大荣纺织仪器有限公司）测量每个茧壳的厚度，压脚面积为50 mm2，压力为（0.2±0.000 5） kPa。每组实验各取10个样本测量的平均值。

1.4抗紫外线测试

按照GB/T 18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》，在YG902c抗紫外线防晒测试仪（宁波大禾仪器有限公司）上测定脱胶前后蚕茧的抗紫外线性能指数（UPF），根据日光紫外线辐射对蚕茧的透射率，在315～400 nm波长内的UVA透射率T（UVA），在290～315 nm波长内的UVB透射率T（UVB），并根据下式计算UPF。

式中：Ti（λ）是样品i在λ波长下的光谱透过率，m和k是315～400 nm和290～315 nm的测量数。λ为太阳光谱辐照度，W/（m2·nm）;ε（λ）为相对红斑效应;Δλ为波长间隔，nm。

1.5抗菌测试

采用倒平板法，分别于LB培养基中（220 r/min，37 ℃）培養大肠杆菌DH5α和金黄色葡萄球菌（北京工业大学）至OD600为0.6左右，细胞浓度为1×108 cfu/mL，以1︰1 000的体积比将菌液和融化的固体培养基混合，每个培养皿（直径为90 mm）中倒入10 mL混合培养基，凝固后备用。分别加入待测茧样品，37 ℃培养24 h后拍照。

2结果与分析

2.1茧的结构和形态

图1（a）（b）（c）分别显示了桑蚕茧的外层、中层与内层的形貌，外层是相对杂乱的茧衣，上面的蚕丝量比较少且纤度细;中层蚕茧表面褶皱较多，上面的蚕丝容易被抽离;内层表面相对光滑，蚕丝不易剥离，呈现半透明的外观。图1（d）显示了完整的蓖麻蚕茧的外观，如纺锤体或枣核，尽管蓖麻蚕茧的外部形状不均匀，图1（d）（e）表明，剥开外层和中层后，蓖麻蚕茧的形状规则，椭圆形状相似，在上方存在平均直径约为2～3 mm的羽化孔，附近覆盖着蓬松的蚕丝。

表1为本文中使用的蓖麻蚕茧和桑蚕茧的规格。从表1可以看出，蓖麻蚕茧的大小和厚度远高于桑蚕茧，但这两个茧的质量大约相同，每平方米蓖麻蚕茧的质量低于桑蚕茧，这表明蓖麻蚕茧具有相对松散的结构。

蓖麻蚕茧三茧层的SEM图像如图2所示。茧衣外表面的丝呈不规则的缠结，有捻折、交错等多种形式，结构相对松散，每条丝由丝胶固定在一起的两条平行排列的单丝形成;一些直径约1 μm的微纤维分离在茧丝之外（图2箭头指示）。外表面有许多不规则大小和不均匀分布的块体。研究表明这些块是草酸钙晶体，边长为1～3 μm[13]。它的存在不仅有利于提高蚕茧的硬度和吸收紫外线，而且通过阻挡蚕茧[14]中的静止空气来提高茧层的热稳定性。茧层比茧衣更规则，丝胶分布均匀，草酸钙晶体含量小于茧衣，蛹衬表面丝是紧密光滑的，通过“y”型、“+”型和不同角度的交叉编织而成，内层茧丝中的丝胶往往不能够将两根单丝完全包裹固定住，中间会有间隙出现。

桑蚕茧三茧层的SEM图像如图3所示。茧衣层的蚕丝同样呈现出不规则的缠结，相比于蓖麻蚕外层茧丝，丝量更少且结构更加松散，蓖麻蚕三层茧丝的纤度相差不大，而桑蚕茧衣上茧丝的纤度则明显小于茧层和蛹衬上面的茧丝纤度。桑蚕茧每条丝也是由丝胶固定在一起的两条平行排列的单丝形成，茧衣上面的丝胶包覆效果不如茧层和蛹衬。茧丝上面同样有草酸钙的存在，但是数量要少于蓖麻蚕茧。中层和外层茧丝上也存在着没有被丝胶覆盖住的区域。蛹衬层的茧丝紧密程度要高于茧衣与茧层，且茧丝外表面呈现明显的纵条纹外观，说明丝胶的含量少。

2.2机械性能分析

为了测试茧壳的拉伸断裂性能，将其按照一定的角度（α=20°）螺旋状地裁剪成宽度为5 mm的等宽条状，如图4（a）所示。图4（b）为条状的桑蚕茧壳试样拉伸破坏后的断口示意图。图5给出了从拉伸实验中得到的蓖麻蚕茧（50 mm×5 mm×1.12 mm）和桑蚕茧（50 mm×5 mm×0.39 mm）矩形试样的应力应变曲线。应力应变曲线有三个不同的区域：胡克区、屈服区和断裂区。蚕茧的平均杨氏模量模量和应力分别为（329.10±66.51） MPa和（44.53±25.24） MPa，明显低于蚕茧的平均杨氏模量（738.37±172.46）、71.53 MPa和20.18 MPa，而蚕茧的平均伸长率为5.26%±1.37%，约为蚕茧的1.7倍（3.10%±0.63%），蛹衬的高模量及其致密结构导致了拉伸过程中明显的断裂时间差异。应力应变曲线上存在明显的二次断裂现象。蛹衬的应力约为茧衣和茧层的1.5倍和1.8倍，这样大幅提高了蛹衬的力学性能，对于茧有效地保护蛹是很重要的。蚕茧的平均顶破强度和位移约为（570±11） N和（27.7±2） mm，分别是蚕茧的1.3倍和1.2倍，即（475±51） N和（23.1±2） mm，表明蚕茧具有较高的能量吸收能力，这是由于蚕丝取向的各向异性分布所致。

为了使测量的结果更能反映真实情况，从每层蚕茧上不同的位置各测量20组数据，取平均值得到的断裂强力与断裂长度的均值对比，如图6所示。从图6（a）可以看出，两种蚕茧丝的中层强力均为最大，其次为内层强力，外层茧衣上茧丝的断裂强力值最小。由于桑蚕茧外层茧衣上蚕丝较细，所以其断裂强力值明显低于内层和外层。蓖麻蚕茧衣量多且形态稳定，与中层、内层茧丝纤度接近，所以断裂强力相差不太大。从图6（b）可以看出，蓖麻蚕三层茧丝的断裂伸长接近，而桑蚕茧则相差较大，内层最小，中层最大，均低于同等层次的蓖麻蚕茧丝。整体来看，两种蚕茧的中层，不论是断裂强力还是断裂伸长，都要高于内层和外层。这种现象应当取决于不同层次茧丝的排列状态、粗细及内部结构的变化。

2.3抗紫外线性能分析

运用式（1）～（3）计算得到蓖麻蚕茧的紫外线防护系数（UPF）为17.8%，透射率T（UVA）和T（UVB）分别为7.4%和3.58%;桑蚕茧紫外线防护系数（UPF）为15.3%，透射率T（UVA）和T（UVB）分别为13.33%和3.42%。由图7可见，蓖麻蚕茧表现出了优于家蚕的良好的防紫外线性能，也是其作为野蚕所必须的防护要求，丝胶具有较好的紫外线防护性能。除此之外，紫外线透射与材料的厚度、结构、颜色深度也有关系，蓖麻蚕茧的厚度大于桑蚕茧，具有明显的多层结构且层与层之间具有明显的中空现象，同时蓖麻蚕茧的颜色偏黄，因此其防护效果优于桑蚕茧。

2.4抗菌分析

实验结果表明，蓖麻蚕茧对金黄色葡萄糖球菌的抑菌圈直径为16.3 mm，桑蚕茧为16.5 mm;蓖麻蚕茧对大肠杆菌的抑菌圈直径为18.6 mm，桑蚕茧为19.6 mm（图8），说明两种蚕茧都具有抑菌作用，对金黄色葡萄球菌的抑菌效果相当，桑蚕茧对大肠杆菌的抑菌效果稍强于蓖麻蚕蚕茧。由图8可见，蚕茧的抗菌性能可以有助于蚕茧在户外免受微生物的侵害，保证蚕蛹顺利的完成发育过程。

3结论

蚕茧是一种天然的复合高分子材料，具有独特的结构和功能。本文研究了蓖麻蚕蛹和桑蚕蛹新陈代谢所需的多层蚕茧结构和功能，如机械保护性、紫外线防护性、抗菌性等。茧层结构和性能的差异使蓖麻蚕茧的力学性能不同于桑蚕茧的力学性能，蓖麻蚕茧具有明显的二次断裂现象，不同层次的蚕茧上茧丝拉伸断裂强力和拉伸断裂伸长也有区别，并具有一定的规律。蓖麻蚕茧较厚，外层茧衣蚕丝量较多且分布均匀，外层与中层间空隙较大，使蚕茧具有较好的抗紫外线性能。蓖麻蚕茧与桑蚕茧的抗菌性能相当，在抑制大肠杆菌的生长实验中，桑蚕茧表现出微弱的优势。了解蓖麻蚕茧和桑蚕茧提供的结构模型将有助于设计或优化多功能无纺布产品，并有助于扩大蚕茧的应用领域。

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