蚕丝/大豆蛋白纤维交织物的抗菌与远红外性能

摘 要： 针对纺织功能整理剂对环境产生的负面影响及其安全性问题，开发了一种健康环保、多功能的纺织服装面料。选取桑蚕丝为经纱原料，绢丝与维纶基大豆蛋白纤维为纬纱原料，织造了15组不同规格的织物，测试织物的抗菌性能和远红外性能，并借助回归方程进行显著性分析。结果表明：大豆蛋白纤维含量对织物的抗菌和远红外性能均具显著性影响，当纬纱中大豆蛋白纤维的质量分数为100%时，织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达99%，远红外发射率为0.988，辐射温升为2.05 ℃，复合功能最优。研究结果说明蛋白质纤维在功能性纺织品开发方面具有巨大的应用潜力。

关键词： 大豆蛋白纤维；丝织物；抑菌；远红外；功能纺织品

中图分类号： TS106""" 文献标志码： A""" 文章编号： 1009-265X（2025）01-0036-08

国务院印发的“2030规划纲要”把健康摆在了首要位置，健康是衡量人民生活水平的一项重要指标。纺织品是人生活必需品，但因其大的比表面积和保持水分的能力容易引起细菌和其他微生物附着表面生长，这不仅会导致纺织品出现变色和异味，携带的病菌还会对人体健康构成潜在威胁^［1-2］。因此，人们提出了几种开发抗菌材料的策略，包括开发具有天然抗菌特性的纤维、在纺丝过程中加入抗菌材料混纺形成抗菌纤维、在后整理过程中加入抗菌整理剂得到抗菌纤维等^［3-4］。然而，大量研究表明当前抗菌材料存在热稳定性差、时效性短、潜在的毒副作用、使得细菌产生耐药性以及处理后无法在环境中彻底消亡等问题^［5-6］。综合考虑，利用具有天然抗菌成分和亲肤特点的纤维开发抗菌纺织品是健康且环保的选择。

大豆蛋白纤维被称作“第五大天然纤维”，具有良好的舒适性及保健性能，且生产成本相对较低，但其稳定性不足，在开发应用方面受到限制^［7］，因此需要对大豆蛋白纤维改性来改善其应用性能和扩大使用范围。大豆蛋白改性聚乙烯醇纤维（以下称改性大豆蛋白纤维）是将提取的大豆蛋白通过酰化、烷基化、羟基化等反应改变球蛋白的空间结构，再与聚乙烯醇共混形成一定浓度的纺丝液，经湿法纺丝制得。经此得到 的改性大豆蛋白纤维在抗菌消炎和远红外发射等方面的性能得到优化和稳固，因此在功能性纺织品、医疗健康领域展现出广阔的应用前景。

本文以桑蚕丝为经纱，改性大豆蛋白纤维和绢丝为纬纱，研究当纬纱中改性大豆蛋白纤维质量分数逐渐增加时，织物的抗菌及远红外性能效果的变化。另外，由于织物厚度和表面粗糙程度也会对远红外性能产生影响，故在保证经纬纱原料比相同的情况下，本文将织造不同组织结构的织物来分析织物组织结构对织物远红外性能的影响。

1 实验

1.1 纱线原料

本文所用纬纱原料为线密度147.6 dtex的改性大豆蛋白纤维（上海官奇纺织品有限公司）和线密度142.8 dtex的绢丝（中纺面料科技有限公司）。经纱原料为2/22.2/22.4 dtex的桑蚕丝（中纺面料科技有限公司）。

1.2 织物规格参数

为探究不同纤维原料、纱线含量、组织结构对织物功能性的影响，通过调整纬纱的投纬比例及织物的结构参数，以相同密度（1100×430 根/（10 cm）及织造工艺织造15组织物。其中，9组织物组织同为五枚纬缎，以纬纱中改性大豆蛋白纤维与绢丝不同投纬比织造而成，命名为A系列；6组织物纬纱投纬比均为1∶1，采用不同的组织结构织造而成，命名为B系列。A、B系列具体规格参数见表1—表2。

1.3 测试方法

1.3.1 抗菌性能测试

抗菌测试方法为定量检测中的振荡法。根据GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》对A系列织物进行测试（依据样品制备要求，实验主要测试并分析A系列纬纱中纱线含量对织物抗菌性能的影响，不探讨B系列织物组织结构的相关影响）。实验菌种选用大肠杆菌（ATCC 8099）和金黄色葡萄球菌（ATCC 6580）。将A系列织物样品按照家用双筒洗衣机的洗涤方法洗涤10次，完成洗涤后，将每块织物样品与对照样剪切成约5 mm×5 mm的碎片，从中称取（0.75±0.05）g作为一份实验样本，装入合适装置中进行灭菌处理。灭菌后将织物与对照样分别装入一定浓度试验菌液的三角瓶中，在（37±1）℃温度下振荡18 h，测定三角瓶瓶内菌液在振荡前及振荡后的活菌浓度，计算抑菌率，以此评价织物的抗菌效果。抑菌率计算公式为：

Y/%= Wt-Qt Wt ×100 （1）

式中：Y为织物的抑菌率，%；Wt为18 h振荡接触后对照样烧瓶内的活菌浓度，CFU/mL；Qt为18 h振荡接触后织物烧瓶内的活菌浓度，CFU/mL。

1.3.2 远红外性能测试

参照GB/T 30127—2013《纺织品 远红外性能的检测和评价》，使用EMS 302M远红外线放射率测定仪（上海罗中科技发展有限公司）、FFZ411-Ⅰ纺织品远红外温升速率测试仪（温州方圆仪器有限公司）对织物进行测试。

远红外发射率测试方法：首先调节热板表面温度，使其稳定在（34±0.1）℃，采用5～14 μm波段的远红外辐射测量。将标准黑体板与织物（15组织物每组裁剪3块测量）先后放置到热板上，分别测定其稳定后的辐射强度，通过计算标准黑体板与织物辐射强度的比值，得到织物的远红外发射率。计算公式为：

η/%= I I0 ×100 （2）

式中：η为织物的远红外发射率，%；I为标准黑体板的远红外辐射强度，W/m2；I0为织物的远红外辐射强度，W/m2。

远红外辐射温升测试方法：测试前，先打开仪器预热30 min；后将直径略大于60 mm的圆形织物放置在测试处，以恒定辐射强度辐照织物30 s，记录所测织物的表面温度升高值。

1.3.3 厚度测试

参考GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，使用YG（B）141D数字式织物厚度仪对织物进行测试。

2 结果与分析

2.1 改性大豆蛋白纤维的结构特性

本文所用改性大豆蛋白纤维线密度为1.67 dtex， 长度为38 mm。纤维的横向截面为腰圆形，有一层表皮，表皮结构薄而紧密，芯层结构不均匀，含有缝隙和许多孔洞；纵向呈现出明显的凹槽和不连续的细小裂纹，裂纹方向与纤维长度方向一致^［3］。改性大豆蛋白纤维的结构特性使其具有较好的气体通透性、导湿性及保湿性，从而影响远红外辐射的透过性和传播性；另外，纤维的小孔结构也起到了促进细胞的呼吸和阻碍细菌侵入的作用。

2.2 织物抗菌性能测试结果与分析

本文测试了9种不同纬纱含量的织物，测试结果见表3，每次测试的织物与对照样的菌落繁殖情况如图1—图2所示。

根据表3数据计算A系列织物抑菌率结果可得：9组织物对大肠杆菌的抑制率均在80%以上，对金黄色葡萄球菌的抑制率均在90%以上。参照GB/T 20944.3—2008的评价标准，认为该系列织物具备抗菌性。织物纬纱中改性大豆蛋白纤维质量分数与抑菌率的关系如图3—图4所示。

DoseResp函数是对生物体研究的常用函数，经常通过评估不同含量的物质（本文为改性大豆蛋白纤维的质量分数）对生物体的作用，确定其含量－反应关系。对两种细菌的抗菌测试结果分别进行DoseResp拟合，得到纬纱中改性大豆蛋白纤维的质量分数X对大肠杆菌的抑菌率Y1关系方程、对金黄色葡萄球菌的抑菌率Y2关系方程：

Y1=83.45501+（98.38201-83.45501）/（1+10^{（30.65248-X）·0.11174}） （3）

Y2=-2335.8978+（99.50587+2335.8978）/（1+10^{（-340.0542）·0.00817}） （4）

对A系列织物的抗菌结果进行统计分析，显著性结果见表4。从表4中数据可得，A系列织物对两种细菌抑制率拟合方程的统计检验决定系数R2均大于0.99，相关概率值P值均小于0.01，进一步说明了自变量对拟合效果的影响达到较高水平，改性大豆蛋白纤维的质量分数对织物的抗菌性能具有显著性影响。

由图3可知，当改性大豆蛋白纤维的质量分数为0时，织物对大肠杆菌的抑制率最低，在0～20%区间内对大肠杆菌的抑制率有增加趋势但无明显变化，在20%～50%区间内对大肠杆菌的抑菌率逐渐显著增强，并在改性大豆蛋白纤维的质量分数为50%时抑菌率达到较好结果，在50%～100%区间内对大肠杆菌的抑制率有轻微上下波动，但基本趋于稳定状态，在改性大豆蛋白纤维的质量分数为100%时抗菌效果最佳，抑菌率达99%。由图4可知，织物对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到较高水平，并随着改性大豆蛋白纤维在纬纱中质量分数的增加，抑菌效果整体呈现上升趋势，在纬纱全为改性大豆蛋白纤维时对金黄色葡萄球菌的抑制率最佳，达99%。

从图3—图4可以看出当经纱为桑蚕丝，纬纱全为绢丝时，织物对大肠杆菌的抑菌率为83.5%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为95.4%，也具备了良好的抗菌性。这是因为蚕丝的重要组成部分丝素蛋白由大量氨基酸构成^［9］，其分子结构中的-NH2在酸性条件下结合H+形成NH3+，当与带负电荷的细菌接触时，会吸附细菌从而抑制细菌的呼吸使其死亡^［10-11］。但蚕丝纤维在紫外光的照射下，多肽链间会氧化裂解，分子间作用力减弱，使其强力受损，同时，由于其蛋白质纤维的属性，在湿热条件下易滋养细菌，对于后续抗菌性能的保持存在不稳定性。改性大豆蛋白纤维因其自身含有的大豆低聚糖和大豆皂苷，对细菌的生物活性有较强的抑制作用，此外，研究显示改性大豆蛋白纤维对紫外线的屏蔽率高达99.8%。因此，随着纬纱中改性大豆蛋白纤维比例的增加，织物对上述两种菌落展现出更强的抗菌能 力，采取改性大豆蛋白纤维与丝交织的方式，可以使织物在保持良好亲肤性的同时，具备显著且稳定的抑菌效果。

2.3 织物远红外性能测试结果与分析

现有研究已表明，远红外织物具有蓄热、压制乳腺癌细胞侵袭和增殖^［12］、衰减神经肌肉疲劳及改善线粒体功能^［13］等作用。本文分别测试了A系列不同纬纱质量分数、B系列不同织物结构织物的远红外发射率和远红外辐射温升，具体实验结果和变化趋势如图5—图6所示。按照GB/T 30127—2013标准，若普通样本的远红外发射率大于0.88，辐射温升大于1.4 ℃，则评议该样本具有远红外性能。从图中数据可知，A、B系列织物的远红外发射率在0.95以上，辐射温升在1.65 ℃以上，评定其均具备优异的远红外性能。

ExpGro1模型通常用于表征生物、含量或其他领域中自变量呈现指数型增长趋势的数据集。对A系列织物的远红外测试结果进行ExpGro1拟合，得到纬纱中改性大豆蛋白纤维的质量分数X对织物远红外发射率Y3关系方程、远红外辐射温升Y4关系方程：

Y3=-0.069e^{（X/120.03224）}+1.01924 （5）

Y4=-0.14385e^{（X/77.66924）}+1.51949 （6）

针对A系列织物的远红外性能进行统计分析，显著性结果见表5。根据表中数据可知，统计检验决定系数R2均超过0.99，且相关概率值P值均低于0.01。这一结果表明，ExpGro1模型具有高度的解释力，能够有效地拟合和解释观测数据中的指数型增长趋势，并进一步揭示改性大豆蛋白纤维的质

量分数对A系列织物的远红外性能具有统计学上的显著影响。

如图5所示，A系列织物的远红外发射率和远红外辐射温升都随着纬纱中改性大豆蛋白纤维质量分数的上升而不同程度地增加。当纬纱中改性大豆蛋白纤维的质量分数为75%时，织物的远红外发射率达到0.983，并在超过75%后增长趋势减缓，质量分数达100%时，远红外发射率最佳，为0.988。远红外辐射温升则在织物纬纱中改性大豆蛋白纤维的质量分数超过33%后增长趋势变快，直至质量分数达100%时温升最高，为2.05 ℃。这是因为改性大豆蛋白纤维能够发射与人体波谱相同的远红外线，经研究检测，在人体温度为35 ℃时，改性大豆蛋白纤维就能够受到热量激发，发射远红外线，与皮肤形成远红外照射效应，这种效应可以引起人体细胞的共振，进而促进血液循环，提高人体免疫力^［14］。

如图6所示，原料比相同、组织结构不同的B系列织物，远红外性能存在较大差异。从图中可以看出，B6蜂巢组织织物的远红外性能最好，B5八枚缎纹的远红外发射率最差，B4五枚缎纹的辐射温升最低。造成此差异性结果的原因是织物的远红外性能会受织物厚度、织物表面粗糙度的影响，经实验测得B1－B6织物的厚度分别为0.404、0.432、0.454、0.470、0.554、0.852 mm。蜂巢组织织物具有明显的网眼结构，表面平整度最低且凹凸感强烈，这些结构特点使得织物能够吸收并转化更多的远红外辐射，故其远红外性能最好。缎纹组织织物虽然在厚度上比重组织和斜纹组织厚，但其表面光滑度和平整度最高，对远红外辐射的反射性最强，这意味着辐射没有被有效利用，因此缎纹组织的远红外性能最差。综上可得，织物的远红外性能受表面粗糙程度的影响更大。

3 结论

以桑蚕丝为经纱，改性大豆蛋白纤维和绢丝为纬纱，本文制备了一种具有抗菌远红外性能的绿色纺织品，并分析了改性大豆蛋白纤维含量及组织结构对织物抗菌和远红外性能的影响，得出以下结论：

a）在抗菌性能方面，A系列9组织物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率均高于80%。随着纬纱中改性大豆蛋白纤维质量分数的增加，织物的抗菌效果也随之增强。在改性大豆蛋白纤维质量分数为100%时，织物的抗菌效果最佳，对两种菌落的抑菌率均高达99%。相比之下，改性大豆蛋白纤维对大肠杆菌的抑制效果改善更加明显。

b）在远红外性能方面，随着改性大豆蛋白纤维在纬纱中占比的增加，A系列织物的远红外发射率及远红外辐射温升逐渐变好。B系列织物由于组织结构不同，织物厚度和表面粗糙程度存在差异，织物表面粗糙程度对远红外性能的影响高于织物厚度的影响。

c）当纬纱全为改性大豆蛋白纤维时，交织物的抗菌与远红外性能最佳。从市场开发角度考虑，由于改性大豆蛋白纤维的来源相对丰富，生产成本比丝低很多，这种高性能、高性价比的织物设计方案具备巨大的市场潜力。

尽管改性大豆蛋白纤维具有良好的亲肤性及抗菌远红外等性能，但其织物经长期使用和多次洗涤后，抗菌效果的耐久性还未进行实验研究。另外，由于生产技术门槛较高、耐热性和染色牢度不足等原因，改性大豆蛋白纤维在实际应用中的推广程度并不高。未来可以考虑在强化大豆改性植物蛋白纤维功能性、改善其强度和耐久性及生产工艺方面进行技术改进和创新，使其得到更加精细化、规模化的发展，广泛应用于纺织服装与医疗卫生领域。

参考文献：

［1］ 南清清， 曾庆红， 袁竟轩， 等. 抗菌功能纺织品的研究进展［J］. 纺织学报， 2022， 43（6）： 197-205.

NAN Qingqing， ZENG Qinghong， YUAN Jingxuan， et al. Advances on antibacterial textiles［J］. Journal of Textile Research， 2022， 43（6）： 197-205.

［2］ ODIYO J O， MAKUNGO R. Chemical and microbial quality of groundwater in Siloam village， implications to human health and sources of contamination［J］. Interna- tional Journal of Environmental Research and Public Health，" 2018， 15（2）： 317.

［3］ 周惊鸿， 张红霞， 祝成炎， 等. 大豆蛋白纤维交织物的保健性能研究［J］. 丝绸， 2022， 59（3）： 33-39.

ZHOU Jinghong， ZHANG Hongxia， ZHU Chengyan， et al. Research on the health care property of soybean fiber intertexture［J］. Journal of Silk， 2022， 59（3）： 33-39.

［4］" 陆嘉渔， 蔡国强， 高宗春， 等. 纺织品常用的抗菌整理剂的应用综述［J］. 现代纺织技术， 2023， 31（3）： 251-262.

LU Jiayu， CAI Guoqiang， GAO Zongchun， et al. Review of commonly used antibacterial finishing agents for textiles ［J］. Advanced Textile Technology， 2023， 31（3）： 251-262.

［5］ MASSELLA D， GIRAUD S， GUAN J， et al. Textiles for health： A review of textile fabrics treated with chitosan" microcapsules［J］. Environmental Chemistry Letters， 2019，" 17（4）： 1787-1800.

［6］ 谭雪玲，侯德隆，陈意.二维抗菌材料研究进展及其在皮革涂饰中的应用展望［J］.皮革科学与工程，2023，33（4）：36-40.

TAN Xueling， HOU Delong， CHEN Yi. A review on the research progress of two-dimensional antibacterial materials and their potential application in leather finishing［J］. Leather Science and Engineering， 2023， 33（4）： 36-40.

［7］ 杨华， 严瑛. 大豆改性改性纤维研制现况及发展趋势探讨［J］. 合成材料老化与应用， 2018， 47（5）： 131-133.

YANG Hua， YAN Ying. Research on present situation and development trend of soybean protein modified fiber［J］. Synthetic Materials Aging and Application， 2018， 47（5）： 131-133.

［8］ 张毅. 大豆蛋白纤维性能探讨［J］. 纺织学报， 2003， 24（2）： 15-17.

ZHANG Yi. A study of properties of the soya protein fiber［J］. Journal of Textile Research， 2003， 24（2）： 15-17.

［9］ 彭晓虹. 蚕丝氨基酸的组成与功能［J］. 蚕桑茶叶通讯， 2005（3）： 12-14.

PENG Xiaohong. Composition and function of amino acids in silk［J］. Newsletter of Sericulture and Tea， 2005（3）： 12-14.

［10］ 项伟. 对真丝织物抗皱抗菌整理的研究［D］. 合肥： 安徽农业大学， 2004.

XIANG Wei. Study on Anti-Crease and Antibacterial Finishing of Silk Fabric［D］. Hefei： Anhui Agricultural University， 2004.

［11］ 赵广明， 霍瑞亭， 顾振亚. 织物抗菌整理及抗菌整理剂的现状与发展趋势［C］//中国纺织科学研究院. 第六届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集. 天津： 天津工业大学， 2006： 251-255.

ZHAO Guangming， HUO Ruiting， GU Zhenya. Current status and development trends of antibacterial finishes and" antibacterial agents for textile［C］//China Textile Academy." Proceedings of the 6^th Symposium on Functional Textiles" and Nanotechnology Applications. Tianjin： Tianjin Polytechnic" University， 2006： 251-255.

［12］ MU Y， JIN Z， YAN Y， et al. Effect of far-infrared fabrics on proliferation and invasion of breast cancer cells［J］. International Journal of Clothing Science and Technology， 2022， 34（6）： 933-946.

［13］ SILVA M， GSPARI A， BARBIERI J， et al. Far- infrared-emitting fabric improves neuromuscular performance" of knee extensor［J］. Lasers in Medical Science， 2022， 37（5）： 1-10.

［14］ 王其， 李官奇. 大豆蛋白质改性纤维的保健功能和机理研究［J］. 针织工业， 2004（4）： 67-71.

WANG Qi， LI Guanqi. A research on the healthy fun-ctions and mechanism of modified soybean protein fibers［J］. Knitting Industries， 2004（4）： 67-71.

Antimicrobial and far-infrared properties of interwoven silk/soybean protein fiber fabrics

ZHENG Mengyu1，" ZHANG" Jinzhen2，" DING" Yuanyuan2，" LEI" Bin2，" ZHU Chengyan1，" ZHANG Hongxia1

（1a. Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education，

Zhejiang Sci-Tech University; 1b. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Fiber Materials and Manufacturing

Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Daly silk （Zhejiang） Co.， Ltd.， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

With the global advancement of environmental protection awareness， the textile industry is facing significant challenges. Traditional textile functional finishing agents are under strict regulation due to their negative impact on the environment. At the same time， consumers '"" demand for healthy textiles is also increasing， gradually relying on scientific research to bring functionality， health， and applicability to textile and apparel products.

The study aimed to develop a healthy， environmentally friendly and multifunctional textile fabric. Mulberry silk was chosen as the warp material， with silk and modified soy protein fiber being used as weft materials. To deeply investigate the impact of different mass fractions of fibers and fabric structures on the performance of the fabric， 15 groups of fabrics with different specifications were woven for trial. Among them， nine groups of fabrics were woven with different weft insertion ratios of the two types of weft yarns with the weft insertion ratios of the soy protein fiber to silk being： 0∶1， 1∶4， 1∶2， 1∶1， 2∶1， 3∶1， 4∶1 and 1∶0. Six groups were woven with different fabric structures， namely weft backed weave， twill weave， broken twill weave， five-heddle satin， eight-heddle satin， and honeycomb. The fabrics underwent tests for antibacterial properties and far-infrared emission performance， and regression equations were used to analyze the experimental data to reveal the relationship between various parameters and performance. The results show that as the mass fraction of modified soy protein fiber in the weft increases， the antibacterial properties of the fabric gradually enhance. This is mainly attributed to the natural antibacterial components in modified soy protein fibers， oligosaccharides， and saponins. Similarly， as the mass fraction of modified soy protein fibers in the weft increases， the far-infrared emission properties of the fabric also improve. This characteristic helps to improve human microcirculation and increase wearing comfort. Compared with previous literature and research， the conclusions drawn from this study are consistent with previous results and further verify the potential of protein fibers in environmentally friendly and multifunctional textile fabrics.

The study has successfully developed a healthy， environmentally friendly， and multifunctional textile fabric. Experimental results indicate that protein fibers， especially plant-based protein fibers， have great potential in functional development. Future research can further explore the application of different types of protein fibers and their combinations in textile fabrics， aiming to develop more diverse and superior-performing eco-friendly fabrics.

Keywords：

soybean protein fibers; silk fabric; antibacterial; far-infrared; functional textiles

基金项目： 2022年中央外经贸发展专项资金（茧丝绸）项目（浙财建〔2022〕95号）

作者简介： 郑梦雨（1986—），女，山东人，硕士研究生，主要从事功能性纺织品方面的研究

通信作者： 张红霞，E-mail：hongxiazhang8@126.com