不同pH值條件下蜘蛛絲收縮與延展性能的變化

汪 波, 于金迪, 鄭安妮, 賈甜甜, 周思雨, 陳 鑫, 顏亨梅

(北京師范大學 珠海分校， 廣東 珠海 519087)

不同pH值條件下蜘蛛絲收縮與延展性能的變化

汪 波, 于金迪, 鄭安妮, 賈甜甜, 周思雨, 陳 鑫, 顏亨梅

(北京師范大學 珠海分校， 廣東 珠海 519087)

研究不同pH值條件下，蜘蛛絲拉伸性能的變化。在酸性條件下，設置pH值梯度，比較經絲、緯絲的拉伸性能；使用同樣方法，在堿性條件下，比較經絲、緯絲的拉伸性能。將實驗數據應用統(tǒng)計學中的單因素方差分析方法分析。結果表明不同pH值對這兩類蛛絲的拉伸性能的變化均有顯著影響：在酸性條件下，隨著pH值的升高，經絲和緯絲收縮度逐漸升高；在堿性條件下，隨著pH值的升高，其收縮度逐漸降低。當pH值為7時，經絲和緯絲的收縮度最高，分別為經絲(27.00±0.60)%，緯絲(28.30±0.31)%。

pH值；蜘蛛絲；經絲；緯絲；拉伸性能

蜘蛛絲作為一種具有高強度、高彈性、高斷裂等優(yōu)異性能的天然蛋白纖維，近年來，引起了相關領域研究人員的極大興趣，掀起了研究熱潮[1]。

對蜘蛛絲的最早認識可追溯到中世紀，那時人們開始利用蜘蛛絲和蜘蛛網包扎傷口以起到止血作用[2]。但開始用科學方法研究蜘蛛絲是在20世紀初。近年來，蜘蛛絲在軍事、醫(yī)學、紡織、生物等領域都有著應用，而對蜘蛛絲的研究也越來越多[3]。Benton曾在1907年首先發(fā)表了關于蜘蛛絲強度和彈性的研究結果，但由于測試手段的限制，該實驗在測量的精度上受到了限制[4]。1915年Herzog等經過多次試驗，發(fā)表了Nephilamadagascariensis包卵絲單纖維的平均斷裂強度。1940—1941年間，Dewilde等研制了可直接記錄蜘蛛絲力——伸長曲線的裝置，并測定了Aranea Diadema蛛網框絲的拉伸機械性能，測得其斷裂強度為1342.6～1391.6 N/mm2、斷裂伸長率為25%～30%[5]。在1964年，Lucas經試驗研究發(fā)表了Aranea Diadematus蜘蛛牽引絲的斷裂強度為68.80 CN/tex、斷裂伸長為31%的結果[6]。20世紀70年代后期至80年代初期，Robert W對蛛絲的力學性能進行了比較系統(tǒng)的研究，并分析了人工卷取牽引絲和天然牽引絲性能的差異[7]。Robert還對園網蛛大囊狀腺分泌絲的成絲機理進行了相關研究[8]。相關學者對蜘蛛絲也進行了一定的研究，潘志娟針對蜘蛛絲的優(yōu)異性能進行了研究，以大腹園蛛的3種主要纖維絲為研究對象，探索了蜘蛛絲優(yōu)異力學性能的形成機理[1]。黃智華等人對蜘蛛絲的分子結構和力學性能進行了研究[9]。

蜘蛛絲所具有的優(yōu)異彈性和良好韌性，從某種程度上講，是各種天然纖維與合成纖維所無法比擬的，因此蜘蛛絲出眾的機械化學性能備受科學家門的關注[10]。而蜘蛛絲的主要成分是蛋白質，如所有的蛋白質纖維一樣，其組成長鏈蛋白質分子的單元為不帶側鏈的R的酰胺結構[11]。大量研究表明，蛋白質在不同的酸堿環(huán)境下，其分子內與分子間的氫鍵網絡會呈現不同的特征，導致蛋白質的構象發(fā)生轉變，并影響到蛋白質的拉伸性能[12]。在蛋白質的研究基礎上，對在不同pH值條件下，蜘蛛絲拉伸性能的研究，有利于我們更好的利用蜘蛛絲。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大腹園蛛蛛網，采集于野外樹叢中。

NaOH溶液、HCl溶液、蒸餾水、顯微鏡用香柏油。

1.2 儀器與設備

移液槍、游標卡尺、 光學顯微鏡、pH測量儀。

1.3 試驗設計

1.3.1 pH值梯度的設置

利用NaOH溶液和HCl溶液，調配出pH值分別為1、3、5、7、9、11和13共7個不同梯度的酸堿液，分別保存于7個小試管中，待用。

1.3.2 蜘蛛網經絲的光學顯微鏡觀察

分離出蛛網部分經絲(約7 cm)，繞于載玻片上，加上蓋玻片。將制好的玻片放置于光學顯微鏡載物臺上，滴1滴香柏油于玻片上。觀察經絲的結構[13]。

1.3.3 酸(堿)性條件下，蜘蛛絲拉伸性能的影響測定

將蜘蛛絲的經絲和緯絲分離[14]，連同硬紙板平均切取為5 cm的一小段，制成觀察紙(長5 cm,寬2 cm)。經絲、緯絲各設4組平行，每組進行3次實驗處理。

利用移液槍在觀察紙上滴加不同濃度的酸(堿)液，滴加的量以完全覆蓋蜘蛛絲為宜。靜置5 min后，測量其長度；將經(緯)絲一端固定住，用小鑷子輕輕地、緩慢地拉伸經絲的另一端，直至經絲斷裂，記錄經絲瞬時斷裂時所達到的最大長度L。

1.3.4 實驗數據統(tǒng)計分析

收縮度定義及計算公式。蜘蛛絲收縮度定義：浸水后蛛絲縮短的長度與未浸水長度的數量級變化的百分比。蜘蛛絲收縮度的計算方法按如下公式進行[15]：

收縮度S=浸水后蛛絲縮短的長度/未浸水蛛絲長度*100%

數據處理。所有實驗數據運用SPSS軟件統(tǒng)計并做圖：對經絲和緯絲測得數據分別進行單因素方差分析，對經絲和緯絲的兩種數據做雙樣本異方差假設檢驗，置信水平設置為95%，即顯著性水平α=0.05[16-18]。

2 結果與分析

2.1 酸性條件下蜘蛛絲拉伸能力的變化

測量蜘蛛絲在酸性條件下的斷裂時所達到的最大長度L1值，計算其此pH值條件下的收縮度S1，其結果見表1和表2。

表1 酸性pH值條件下蜘蛛絲的L1值

注: 表中數據以平均值±標準差表示;數據右上方的字母不同表示每列數據間有顯著性差異(P<0.05);*表示每行數據間有顯著性差異(P<0.05)，* *表示差異極顯著(P<0.01)；下同。

由表1數據可得，當1≤pH<7時：經絲的L值隨pH值增大而減小，當pH值為7(溶液為中性)時，蜘蛛絲的L1值最小，為5.89±0.04，經絲的L值與pH值的增大呈顯著性負相關(P<0.01)，其y=-0.054x+6.281,R值為0.9902；緯絲的L值隨pH值增大而減小，當pH值為7時，為5.89±0.04，緯絲的L值與pH值的增大呈顯著性負相關(P<0.01)，其y=-0.074x+5.962,R值為0.9805。

表2 酸性pH值條件下蜘蛛絲收縮度S1

由表2數據可得，當1≤pH<7時：經絲的收縮度隨pH值增大而增大，當pH值為7時，其收縮程度最大，為(27.00±0.60)%，經絲的收縮度與pH值的增大呈顯著性正相關(P<0.05)，其y=0.4805x+23.611,R值為0.9989；同樣，緯絲的收縮度隨pH值增大而增大，當pH值為7時，其收縮程度最大，為(28.30±0.31)%，緯絲的收縮度與pH的增大呈顯著性正相關(P<0.05)，其y=0.575x+23.875,R值為0.92。

2.2 堿性條件下蜘蛛絲拉伸能力的變化

測量蜘蛛絲在堿性條件下斷裂時所達到的最大長度L2值，計算此pH值條件下的收縮度S2，其結果見表3和表4。

表3 堿性條件下蜘蛛絲的L2值

由表3數據可得，當7≤pH<13時：經絲的L值隨pH值增大而增大，當pH值為13時，蜘蛛絲的L1值最大，為6.24±0.01，經絲的L值與pH值的增大呈顯著性正相關(P<0.01)，其y=0.055x+5.54,R值為0.9308；同樣實驗數據顯示，緯絲的L值隨pH值增大而增大，當pH值為13時，緯絲的L值最大，為5.90±0.01，緯絲的L值與pH值的增大呈顯著性正相關(P<0.01)，其y=0.0765x+4.9075,R值為0.9764。

表4堿性條件下蜘蛛絲收縮度S2

由表4數據可得，當7≤pH<13時：經絲的收縮度隨pH值增大而減小，當pH值為13時，其收縮程度最小，為(25.10±0.31)%，經絲的收縮度隨pH值的增大呈顯著性負相關(P<0.05)，其y=-0.31x+28.95,R值為0.9196；緯絲的收縮度隨pH值增大而減小，當pH值為13時，其收縮程度最小，為(25.30±0.31)%，緯絲的收縮度隨pH值的增大呈顯著性負相關(P<0.05)，其y=-0.52x+32.3,R值為0.9555。

3 討論

蜘蛛絲是一種天然的動物蛋白纖維，主要成分是甘氨酸、 丙氨酸等多種氨基酸[19]。其具有良好的彈性主要是非結晶區(qū)的貢獻[20]，蛛絲二級結構分析表明，蜘蛛絲非結晶區(qū)分子鏈呈現β-轉角狀， 受到拉伸時可能會形成α-轉角螺旋，使得蜘蛛絲具有良好的彈性和收縮性能[21]。實驗中，分別探究經絲和緯絲在7個不同pH值環(huán)境下，經酸堿液處理后的最大斷裂長度L，發(fā)現當pH值為7時，兩類蜘蛛絲的L值最小，表明此時其拉伸性能最低；當溶液的酸性或堿性逐漸增強時，兩類蜘蛛絲的L值也逐漸增大，其拉伸性能比中性環(huán)境下的強，猜測其原因為酸、堿性條件性，蛋白構象發(fā)生變化引起。單因素方差分析的結果表明：不同pH值條件對兩類蜘蛛絲的拉伸能力都有顯著影響，然而，緯絲的拉伸性能比經絲更容易受到pH值的影響而發(fā)生改變。研究表明，蛛絲力學性能的直接因素有兩個方面:橫截面積和分子結構[22]，經絲和緯絲的蛋白亞基組成不同，導致拉伸程度也有所差異。

從本實驗可觀察到，不管pH值如何變化，兩類蜘蛛絲都會產生收縮現象，尤其是在中性溶液中，蜘蛛絲的收縮幅度最大。其實，蜘蛛絲存在著一種超收縮現象(SC現象)[23-24]，指的就是把一根沒受約束的蜘蛛絲浸泡于水中，由于絲纖維的充分收縮，蜘蛛絲的長度也大大縮短。有研究表明，常溫條件下蜘蛛絲在水中的收縮率可達到50%以上；當空氣中的濕度高于90%時，蜘蛛絲也會發(fā)生SC現象。以園蛛為例，大多數腺體產生的絲是一種微結晶區(qū)嵌入無定形區(qū)的結構，微結晶區(qū)的分子鏈呈平行有序排列，無定形區(qū)的大分子則呈不規(guī)則聚集排列[8，25]。在分子形態(tài)上，微結晶區(qū)富含的丙氨酸相互間以氫鍵結合，分子構象為β-折疊鏈，無定形區(qū)富含的甘氨酸相互間也以氫鍵結合，分子構象為β-轉角結構。有學者認為，將蜘蛛絲置于水中，無定形區(qū)的氫鍵首先被水分子切斷，分子鏈逐漸向無規(guī)卷曲結構轉變，隨著時間的推移，水分子繼續(xù)滲透微結晶區(qū)，微結晶區(qū)的氫鍵也被切斷，氫鍵斷裂降低了分子間的作用力，分子鏈可以自由運動，加速了無規(guī)卷曲空間構象的轉化[26],這也是蜘蛛絲收縮的分子原理[27]。而有實驗數據可知，在酸性或堿性溶液中，蜘蛛絲的收縮度小于在中性溶液中的收縮度。在酸性或堿性溶液中，某種離子減弱了蜘蛛絲的收縮，或是阻礙了水分子對蜘蛛絲無定性區(qū)氫鍵的破壞，還待進一步研究。

由此，可得出以下結論：當pH值為7時,蜘蛛絲的收縮幅度最大；在極端酸、堿性條件下，蜘蛛絲的收縮幅度最小。

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Change of spider silk tension properties under different pH conditions

WANG Bo, YU Jin-di, ZHENG An-ni, JIA Tian-tian, ZHOU Si-yu, CHEN Xin, YAN Heng-mei

(Zhuhai Campus, Beijing Normal University, Zhuhai 519087, China)

The change of spider silk tension properties under different pH conditions was explored in the laboratory. The result indicated that the pH conditions had a significantly affection on tensile properties of radial silk and spiral silk. Under acid condition, the shrinkage degree increased gradually with the increase of pH value, the higher pH condition, the higher shrinkage degree. The shrinkage degree of radial silk reached to (27.00±0.60)%, while spiral silk reached to (28.30±0.31)%, when pH value is was equal to 7. As under alkaline condition, the shrinkago degree of radial silk showed an opposite tendency. The shrinkage degree showed clear negative correlation to the alkaline solution′s pH value.

pH; spider silk; radial silk; spiral silk; tensile property

2014-09-25；

2014-10-25

國家自然科學基金資助項目(№31372159；№31172107)

汪 波，主要從事動物學研究，E-mail:wangbozai@163.com；

顏亨梅，教授，博士生導師，主要從事動物生態(tài)學研究，E-mail:yanhm03@126.com。

TS102.3+3

A

2095-1736(2015)02-0033-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.02.033