丝胶是蚕丝的主要成分之一, 分布在茧丝的外围, 对丝素起着保护和胶粘作用。丝胶的性状直接影响到缫丝时茧丝离解的难易程度, 而丝胶的性状主要受到蚕吐丝时的环境、烘茧条件等影响, 因此人们以前主要研究这些因素对茧层丝胶结构、性能的影响。

丝胶是由多种氨基酸组成的一种水溶性球状蛋白, 既可用作食品添加剂, 又可百富策略白菜网在生物医学等领域[1,2,3], 所以人们对丝胶的关注已从丝胶性状对缫丝生产过程的影响转向丝胶蛋白的综合利用。如将丝胶制成粉、膜等形式加以利用, 其中丝胶膜可以用作细胞培养基、创面覆盖材料等。制成的膜有聚乙烯醇-丝胶共混膜、丝素-丝胶共混膜, 还有以聚乙二醇、戊二醛、环氧树脂等为交联剂的丝胶膜[4,5,6,7,8]。这些丝胶膜中都含有化学助剂, 但这些化学助剂对人体是否有不良影响, 还有待时间的验证。因此, 本文用纯丝胶溶液制成膜, 由于丝胶溶液的浓度很小, 丝胶膜的干燥有别于烘茧过程中茧层丝胶的干燥, 研究干燥温度对丝胶膜结构的影响, 对于丝胶的利用具有重要意义。用X射线衍射、红外光谱、DTA差热分析等测试方法研究干燥温度对丝胶膜结构的影响。

首先将茧壳剪成1 cm2左右的小块, 然后称取一定量的茧壳, 按浴比1∶15于沸水中煮40 min, 对所得溶液过滤得到丝胶溶液。

取一定量的丝胶水溶液, 用流延法在一定的温度下干燥成膜。温度分别为30、 40、50、60、80、100 ℃, 干燥的丝胶膜在室温下放置一段时间平衡, 然后将膜取出。

使用日本理学株式会社生产的D/MAX-3C型全自动X-衍射仪, 在管电压为40 kV, 管电流为35 mA, 扫描速度为5 (°) /min的条件下测试得到2θ为5°～45°衍射强度曲线。

使用NICOLET-5700 FT-IR型傅里叶变换红外光谱仪测定丝胶膜的红外吸收光谱。裁剪丝胶膜并筛选粒径小于40 μm的粉末, KBr压片制样, 扫描范围为4 000～400 cm-1。

使用美国PE公司生产的Diamond-5700热分析仪, 测定温度范围40～400 ℃, 加热速度10 ℃/min, 在氮气气氛下测定, 氮气流量100 mL/min。

首先将各种膜在同样的环境下平衡24 h, 称取4份试样, 每份0.5 g。1份用于测定回潮率, 根据测得的回潮率计算试样的无水干重;另外3份用于测定溶失率, 浴比1∶100, 置于水温为37 ℃的振荡器中振荡24 h后, 滤出试样, 在105 ℃的烘箱中烘至恒量, 计算热水溶失率。

热水溶失率=W1-W2W1×100%

式中:W1为膜溶失前的无水干重 (g) ;W2为膜溶失后的无水干重 (g) 。

不同温度干燥的丝胶膜的X衍射曲线见图1。

由图1可知, 在30 ℃干燥后所得的丝胶膜内丝胶的结构基本是无定形, 干燥温度为40～100 ℃制得的丝胶膜的X衍射曲线发生了显著变化, 衍射角2θ在20°附近出现了明显的衍射峰, 且干燥温度越高峰形越明显, 在12°附近出现了肩峰。而20°和12°附近都是丝胶蛋白结晶结构的特征峰, 说明当干燥温度为40～100 ℃时, 丝胶蛋白的聚集态结构发生了显著变化, 结晶度明显提高。在烘茧过程中, 在一定的温度范围内, 通常干燥温度越高, 丝胶变性越大, 但丝胶膜的干燥有别于烘茧过程中茧层丝胶的干燥, 丝胶膜的干燥经历3种状态的变化 :溶液→凝胶→固体。干燥温度不同, 凝胶化的速度不同, 凝胶状态所持续的时间不同, 干燥过程中丝胶大分子在这些因素综合作用下进行重新排序, 使聚集态结构发生了不同程度的变化。

不同温度干燥的丝胶膜红外光谱图见图2。由图可知, 由不同温度干燥所得丝胶膜的红外光谱图中酰胺Ⅰ的吸收峰出现在1 655～1 651.3 cm-1处, 酰胺Ⅲ的吸收峰出现在1 238.2～1 235.1 cm-1处, 这是无规卷曲结构的特征峰[9];酰胺Ⅱ的吸收峰, 30 ℃干燥的在1 538.7 cm-1处, 而40～100 ℃干燥的在1 527.7～1 519.2 cm-1处, 向低波数方向移动, 出现在β-折叠结构的特征峰附近。这说明30 ℃干燥的丝胶蛋白的分子构象是无规卷曲结构, 其他温度干燥的丝胶蛋白的分子构象在干燥过程中部分无规卷曲发生了向β-折叠结构的转化。

不同温度干燥的丝胶膜的DTA曲线见图3。

从图3可知, 30 ℃干燥所得丝胶膜内丝胶大分子的热分解温度最低;在50～100 ℃温度范围内, 随着干燥温度的提高, 热分解温度向高温方向移动;40 ℃干燥的热分解温度比100 ℃的稍低, 比其他温度干燥的明显高。这说明随着干燥温度的提高, 丝胶大分子聚集态结构的紧密程度提高, 但在40 ℃左右干燥时, 由于温度已达到丝胶蛋白的变性起始点, 同时需要较长时间才能将溶液干燥成膜, 丝胶蛋白的大分子链段有足够的时间通过热运动而相互结合成紧密的结构。

不同温度干燥的丝胶膜的热水溶失率见图4。

由图4可知, 干燥温度在30～100 ℃范围内, 30 ℃干燥的丝胶膜热水溶失率最大, 100 ℃干燥的丝胶膜溶失率最小, 40 ℃干燥的比100 ℃的大, 比其他温度的小。这说明100 ℃干燥的丝胶蛋白变性最大, 结构最紧密, 40 ℃时次之, 50～80 ℃范围内, 丝胶蛋白变性较小, 这与DTA热分析、X射线衍射曲线和红外光谱图显示的结果是一致的。

1) 30 ℃的热风干燥丝胶蛋白溶液所制得的丝胶膜内, 丝胶聚集态的结构基本是无定形, 分子构象为无规卷曲。

2) 使用50～100 ℃ 的热风干燥时, 丝胶膜内产生较明显的β-折叠结构, 且随着干燥温度的提高, 膜内丝胶蛋白结构的紧密程度有所增大, 80 ℃以上增加明显。

3) 干燥温度在30～80 ℃范围内, 40 ℃的热风干燥丝胶溶液时, 膜内丝胶结构的紧密程度最大。