Природное строение шелка: Исследование
Опубликовано: в разделе Для бизнеса, 12 Августа 2013
АННОТАЦИЯ
Данное исследование рассматривает влияние шелкового волокна на организм человека, описывает его полезные свойства, а так же эффективность в борьбе с некоторыми заболеваниями, обусловленную его химической структурой. Эта работа описывает и анализирует возможности усовершенствования шелка, а также пользу от его продолжительного использования. Исследование включает подробный обзор ряда научных работ, лежащих в его основе.
ВВЕДЕНИЕ
Шелк – это непрерывное белковое волокно, вырабатываемое шелковичным червем для завивки своего кокона (Cook, 1968). Создавать шелковое волокно способны также некоторые пауки семейства Arachnida (Cook, 1968; Robson, 1985). Однако, их волокно, не подлежит промышленному производству. Поэтому в этом исследовании речь пойдет о шелке, созданном исключительно шелковичным червем (шелкопрядом).
В отличие от шерсти, в шелке содержится очень небольшое количество серы (Dhavalikar, 1962). Существуют две ключевые разновидности шелка: тутовый шелк (производимый Bombyx Mori), так же называемый "культурным", и "дикий шелк", самым распространенным сортом которого является Tussah (Тусса).
Тутовый шелк производится шелковичными червями, выращенными в специально отведенном месте и вскормленными свежесобранными листьями шелковицы. Волокно культурного шелка очень тонкое, почти белое (если его обесклеить) с небольшими вкраплениями мягкого блеска.
Дикий шелк отличается от тутового, прежде всего, тем, что дикий шелкопряд питается преимущественно дубовыми листьями. Он более грубый, неровный и имеет коричневатый или желтый оттенок (Sandoz Colour Chronicle, 1990).
Почти 80-85% мирового шелкового производства приходится на тутовый шелк.
ТУТОВЫЙ ШЕЛКОПРЯД
Способность тутового шелкопряда давать от 1 до 8 поколений (урожаев коконов) в год — один из признаков, по которому различаются породы шелкопряда. Выделяют три родственных вида тутового шелкопряда (Venugapal, 1991).
Моновольтинная порода распространена преимущественно в Европе. Из-за относительно холодного климата, яйца, отложенные самкой, в зимний период пребывают в состоянии диапаузы, или "спячки", и оживляются и оплодотворяются лишь к весне. Поэтому моновольтинный шелкопряд дает только одно поколение в год.
Бивольтинная порода характерна для таких стран, как Япония, Китай и Корея. Данная разновидность отличается от предыдущей тем, что, благодаря более теплому климату, она способна давать два поколения в год. Бабочки бивольтинных пород мельче, чем моновольтинных, качество коконов, завиваемых гусеницами, ниже, но бивольтинные породы скороспелы и выносливы. От скрещивания бивольтинных пород с моновольтинными, дающими шёлк наиболее высокого качества, получены новые породы шелкопряда, отличающиеся высокой жизнеспособностью, крупными размерами коконов, высокой шелконосностью и хорошими технологическими качествами шёлка (Михайлов, 1956; Ковалев, 1956).
Поливольтинная порода встречается исключительно в тропиках. После того, как самка поливольтинного шелкопряда откладывает яйца, их развитие занимает от 9 до 12 дней, а это 8 отдельных жизненных циклов в год. Большинство тутовых шелкопрядов относятся к моно- и бивольтинным породам.
СТРУКТУРА ШЕЛКОВОГО ВОЛОКНА
Прядильная деятельность шелковичного червя была описана такими учеными как Robson (Robson, 1985), Peters (Peters, 1963) и Mausersberger (Mausersberger, 1954). Взрослый шелковичный червь завивает кокон, выпуская вязкую жидкость, вырабатываемую двумя шелкоотделительными железами. Это вещество выводится через парные протоки, которые расположены в голове шелковичного червя и выполняют функцию прядильного аппарата. Вязкий компонент (фиброин) обволакивается другим слоем (серицин), вытекающим из шелкоотделительных желез. Продуктом такой прядильной деятельности становится шелковое волокно – соединение серицина и фиброина. Серицин, или "шелковый клей", является наименьшим из двух компонентов шелкового волокна (составляет около 25% от общей массы шелка-сырца) и содержит ряд других элементов, таких как воск, жиры и пигменты.
Серицин – желтое, хрупкое и неэластичное вещество, которое, как было доказано, обладает бактерицидными свойствами (Chang, 2005). Он выступает в качестве связующего материала для двух нитей фиброина и скрывает его уникальную светоотражающую способность. Серицин известен своей аморфной структурой и может быть отделен от фиброина в процессе так называемой "обработки горячим раствором". Komatsu (Robson,1985; Gulrjani, 1992) утверждает, что дальнейшая обработка серицина позволит выделить из него такие вещества, как Серицин I, Серицин II, Серицин III и Серицин IV, ввиду их неодинаковой растворимости в горячей воде. Больше всего серицина содержится во внешних слоях кокона и, соответственно, чем ближе к центру, тем его меньше.
Фиброин – основной элемент шелка, именно тот, который идет в производство. Он представляет собой не растворимый в воде белок (достигает 75% от общей массы шелка-сырца). Текстура фиброина, его прочность определяются кристаллической структурой, несмотря на которую, фиброин сохраняет большое количество аминокислот.
ПРОИЗВОДСТВО ШЕЛКА
Прежде всего, коконы тщательным образом сортируются в соответствии с их сортом, размером, качеством и возможными дефектами. Одна из первых операций в производстве шелка – кокономотание (Das,1992). Это технологический процесс получения шёлка-сырца путём сматывания нитей с коконов. Для кокономотания рассортированные коконы запаривают, чтобы размягчить склеивающий их нити серицин. Куколка шелкопряда в процессе такой обработки погибает, и от нее избавляются. Коконы же собирают за торчащие на поверхности воды кончики волокна, разматывают их и переплетают между собой в единую шелковую нить (шелк-сырец) весом от 20 до 25 денье (эквивалент массы 9 км шелка в граммах). Весь данный процесс обычно выполняется на автоматических кокономотальных станках.
Часто, полученные нити подвергают еще одной обработке: так называемому "кручению", т.е. созданию новой нити путем скрутки нескольких нитей шелка-сырца в одну (Dixit, 1990). "Крученый" шелк применяется для производства особых тканей, которые, как правило, ткут или вяжут.
ОБЕСКЛЕИВАНИЕ ШЕЛКА
Процесс обесклеивания является ключевым во влажной обработке шелка-сырца, так как шелк-сырец состоит из двух компонентов фиброина и, обволакивающего его, серицина. Серицин содержит некоторые примеси, такие как воск, жир, минеральные соли и пигменты. Несмотря на то, что в состав серицина входят те же аминокислоты, что и в состав фиброина, их пропорции в обоих веществах неодинаковы. В связи с этим, процедура обесклеивания шелка должна проводиться с большой осторожностью, чтобы не повредить волокна фиброина. Обесклеивание необходимо:
Обесклеивание необходимо:
- Чтобы отделить серицин от фиброина. Фиброин при этом пострадать не должен;
- Чтобы избавиться от примесей (воска, жира и минеральных солей) нарушающих процесс окраски или печати;
- Чтобы повысить адсорбирующую способность волокна по отношению к краске и химическим веществам;
- Чтобы придать фиброину блеск (Saligram, 1993).
Процедура обесклеивания шелка может быть проведена пятью различными способами:
- Обесклеивание водой под давлением (115ᵒC);
- Обесклеивание мыльным раствором (98ᵒC) ;
- Обесклеивание синтетическим моющим средством (98ᵒC);
- Обесклеивание кислотами;
- Обесклеивание ферментами.
ФЕРМЕНТЫ
Так называемые биокатализаторы, или ферменты – это белки, ускоряющие определенные химические реакции. Ферменты синтезируются в живых клетках и проявляют активность в условиях атмосферного давления и определенных температуре и кислотности (например, 40˚С и pH=8.0). Различные ферменты могут вызывать гидролитические, восстановительные и окислительные реакции, а также реакции свертывания и расщепления. Гидролитические ферменты нашли широкое применение в текстильной промышленности, как, например трипсин и папаин (Gulrajani, 1992) в производстве целлюлозы (Ashkenazi, 1992).
Nalankilli (1992) упоминает о следующих свойствах ферментов:
- Ферменты – сложные белки с более высокой молекулярной массой;
- Ферменты восприимчивы к температурам и кислотностям, выходящим за пределы допустимых для них значений, так как под их воздействием они могут изменить свои свойства;
- Ферменты вступают в реакцию с определенными частями субстрата, в зависимости от активных сайтов и типов;
- Ферментативные реакции являются обратимыми.
ПРОЧНОСТЬ ШЕЛКА
Шелковое волокно – чрезвычайно крепкий материал. Волокно шелка прочнее, чем его эквивалент в стали (Crotch, 1956). Прочность на разрыв сухого шелкового волокна обычно варьируется в пределах от 2.4 до 5.1 грамм на денье. Прочность на разрыв влажного шелка составляет 80-85% от удельной прочности сухого (Likitbanakorn,1991). Относительное удлинение шелкового волокна к разрыву при нормальных условиях – 20-25%, при 100% относительной влажности – 33%. Плотность культивированного шелка Mulberry (Малбери) и дикого шелка Tussah (Тусса) составляет 1.33 и 1.32 г/см-3, соответственно. С другой стороны, плотность привесного шелка – более 1.60 г/см3. Шелковые волокна, нагретые до 140˚С в течение длительного времени остаются в неизменном состоянии, однако, очень быстро разрушаются при температуре свыше 175˚С. Tsukada и Hirabayashi (1980) обнаружили, что прочность и относительное удлинение волокон фиброина снижаются под воздействием ультрафиолетового излучения. При этом радиоактивное излучение не оказывает на кристаллическую структуру шелка никакого влияния.
Шелк не растворим в воде комнатной температуры, но в кипящей воде его вес может уменьшиться (Peters, 1963). Кислоты и щелочи вызывают гидролиз полипептидных цепей шелкового волокна. Было заявлено, что наименьший вред волокну наносят значения pH от 4 до 8 (Peters, 1963). Кислотный гидролиз представляет большую опасность для волокна, так как затрагивает практически все пептидные связи в цепи, в то время как щелочной гидролиз в первую очередь поражает пептидные цепи с концов. Концентрированные серная и соляная кислоты растворяют шелковое волокно, а азотная окрашивает его в желтый цвет. Разбавленные кислоты не поражают волокно при нормальных условиях.
Сильная, горячая и едкая щелочь с легкостью растворит волокно. Слабые щелочи, такие как мыло, бура и аммиак, растворяют серицин, однако, при более продолжительном воздействии могут повредить и фиброин. Растворители, обычно используемые в сухой чистке, волокна не разрушают.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОБЕСКЛЕЕННОГО ШЕЛКА
Существует несколько методов оценки эффективности процесса обесклеивания, таких как:
- Гравиметрический метод (Sandoz Colour Chronicle, 1991; Shukla и др., 1992);
- Методы окраски, которые при помощи различных красителей выявляют наличие серицина. Обычно, применяют следующие красители: C.I Прямой Красный 2, C.I Прямой Синий 22, C.I Прямой Красный 61, C.I Прямой Зеленый 9 (BianchiandColonna, 1992);
- Степень повреждения волокна можно оценить по вязкости получившегося раствора, эластичности волокна и составу его простейшей аминогруппы;
- Эффективность обесклеивания можно оценить с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ).
Гравиметрический метод нередко применяется в оценке эффективности процесса обесклеивания шелка (Gulrajani, 1993; Tendulkar, 1990). Он заключается в измерении потерянного образцом веса и потому считается самым простым. Однако он не обнаруживает остатков серицина и не оценивает степень повреждения фиброина. Сопротивление разрыву дает больше информации о вреде, нанесенном обрабатываемому образцу. Исследование с помощью РЭМ (Sharma, 1993; Gulrajani, 1993; Greaves, 1990; Brzezinski, 1989), наверное, самый подходящий способ определения возможных повреждений и количества оставшегося серицина.
В отличие от гравиметрического метода, метод окраски подтверждает наличие остатков серицина на образце, но не в состоянии оценить его количественно. Вязкость получившегося раствора и состав простейшей аминогруппы волокна сложнее интерпретировать, поэтому к этим методам прибегают всего несколько исследователей.
В отличие от гравиметрического метода, метод окраски подтверждает наличие остатков серицина на образце, но не в состоянии оценить его количественно. ВязкосТест на сопротивление разрыву не был приемлем для настоящего опыта, так как используемые образцы шелка были неоднородны (кокономотание осуществлялось в бытовых условиях). После тщательного рассмотрения всех возможных вариантов, для настоящего опыта был выбран гравиметрический метод. Некоторые из обесклеенных волокон были изучены с помощью РЭМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многочисленные свойства и сложное строение шелка делают его уникальным материалом, аналог которому трудно найти в природе или создать искусственным путем. За последние несколько веков немало ученых изучали этот не обычный материал, но акцентируя внимание в основном на фиброине, который составляет лишь определенную часть шелкового волокна. К сожалению, не так много исследований затронули шелковый кокон и серицин с прикладной точки зрения. Это дает возможность исследования данной области и использования результатов в целях коммерциализации.
Понравилась статья? Считаете, что она может быть интересна и полезна вашим друзьям и знакомым? Поделитесь ей, нажав на иконку вашей любимой социальной сети ниже! Смело оставляйте свои комментарии, используя специальную форму!