印度桑蚕纤维的机械与结构性能：结构-性能关系研究 阿扎德·古尔（Azad Gull） 阿尼尔·库马尔·迈索尔·纳加拉杰（Anil Kumar Mysore Nagaraj） 托马斯·布拉克斯顿（Thomas Braxton） 阿米特·库马尔（Amit Kumar） 达内什瓦尔·帕德汉（Dhaneshwar Padhan） 鲁比亚·布卡里（Rubia Bukhari） 斯瓦蒂·科帕·拉梅什乔伊斯（Swathi Koppa Rameshjois） 拉文德拉·奥拉德（Ravindra Aurade）

《Fibers》：Techno-Mechanical and Structural Properties of Indian Mulberry Silkworm Fibers: An Insight into the Structure–Property Relationship Azad Gull, Anil Kumar Mysore Nagaraj, Thomas Braxton, Amit Kumar, Dhaneshwar Padhan, Rubia Bukhari, Swathi Koppa Rameshjois and Ravindra Aurade

　　摘要：目前科学界的主要研究焦点是丝纤维在非纺织领域的应用。丝蛋白的结构和机械性能是其具有广泛应用前景的关键优势。基于这一认识，本研究旨在探讨不同丝品种（CSR2 × CSR4（单杂交）、PM × CSR2（杂交品种）和FC1 × FC2（双杂交）的结构和机械特性，以评估它们在非纺织领域的潜力。结果表明，FC1 × FC2（双杂交）具有最高的抗拉强度（431.47 ± 28.46 MPa）、杨氏模量（5.92 ± 0.45 GPa）和β-折叠片含量（46.62 ± 1.45%）。同时，FC1 × FC2的纳米晶粒尺寸最小（3.34 ± 0.22），伸长率也最低（10.85 ± 0.77%）。此外，β-折叠片含量与结晶度（p *** < 0.001；r = 0.95）、结晶度与抗拉强度（p *** < 0.001；r = 0.91）以及杨氏模量与抗拉强度（p * < 0.001；r = 0.80）之间存在显著正相关。这表明β-折叠片含量越高，纤维的抗拉强度和结晶度也越高。纳米晶粒尺寸与β-折叠片含量、结晶度和抗拉强度呈负相关，说明晶粒尺寸越小，纤维的致密性和强度越高。

1. 引言
家蚕丝是一种高性能的天然纤维，每年产量达数十万吨，广泛应用于纺织工业和新兴的生物医学领域。丝蛋白因其独特的性质（如高抗拉强度、延展性、光泽度等）而成为纺织工业的基石。此外，由于其生物相容性和良好的加工性能，在生物医学领域也备受重视[1]。家蚕在幼虫阶段会产生丝，用来编织保护性的茧，随后在茧内化蛹[2,3,4]。茧作为一种高度特化的天然结构，能够提供机械保护，防止损伤和感染，并调节温度和湿度。用于形成茧的丝被拉成数百米长的连续纤维。
家蚕产生的生丝由两条丝素蛋白核心丝组成，这些丝提供了纤维的承载能力[5]。这些丝外层包裹着一层丝胶蛋白，起到粘合作用，有助于茧的形成。为了获得可用的丝纤维，通常需要对茧进行脱胶处理：首先通过蒸汽或煮沸软化茧，然后用碳酸钠溶液去除丝胶。随后将丝从茧中轻轻抽出，得到可用于编织或其他用途的连续丝线。
从这些茧中提取的丝纤维具有优异的机械性能，极限抗拉强度为300–700 MPa，断裂伸长率为4–26%[6,7]。此外，由于其相对较小的直径，这种材料比许多合成纤维更舒适。这些卓越的机械性能源于丝的结构组织，即由高度结晶的β-折叠片区域和相对无序的非晶区域构成[8]。然而，多种因素会影响丝的晶体取向，从而影响其机械性能，例如纺丝条件、气候条件（温度和湿度）以及家蚕的饲养条件（如饲料质量和整体健康状况[9,10,11,12]。
影响丝品质的一个重要因素是家蚕的遗传组成，不同的品种会显著影响幼虫发育时间、茧产量、丝丝长度以及丝的材料性能。所有这些因素都直接影响蚕丝产业的盈利能力和经济效益。因此，识别出既能高产丝又能具备优异机械和结构特性的蚕品种至关重要。虽然具有良好茧产量和长丝丝长度的品种可能满足商业纺织需求，但对于高级材料而言，纤维的微观结构（如β-折叠片含量、结晶度、纳米晶粒尺寸和纤维直径）变得尤为重要。因此，在本研究中，我们比较了三种关键的家蚕杂交品种（CSR2 × CSR4（单杂交）、PM × CSR2（杂交品种）和FC1 × FC2（双杂交），以深入了解它们的生长特性、茧的生成过程以及所纺丝的机械性能。选择这些品种是因为它们在田间种植中较为普遍，且大部分桑蚕茧产自这些杂交品种。这有助于蚕丝产业从业者做出明智的品种选择决策，同时也有助于未来蚕丝育种计划的研究。

2. 材料与方法
2.1. 家蚕饲养
本研究中使用的家蚕杂交品种包括双季单杂交品种（CSR2 × CSR4）、多季×双季杂交品种（PM × CSR2）和双季双杂交品种（FC1 × FC2）。这些杂交品种的幼虫、茧和丝纤维的总体特征及图片分别见表1和图1。所选杂交品种的饲养采用Dandin等人2014年推荐的标准方法[13]。饲养效率通过公式（1）进行估算。
表1. 研究杂交品种的主要特征
图1. (a) 幼虫；(b) 茧；(c) 杂交品种的丝纤维图片

2.2. 茧和卷绕参数的记录
测量了与杂交品种茧机械性能相关的关键参数。除非另有说明，所有三种杂交品种的实验均重复三次进行。总幼虫发育时间（h）是从开始饲养到每个杂交品种的成熟幼虫被收集所需的总时间。五龄幼虫发育时间（h）是从五龄第一天到每个杂交品种的成熟幼虫被收集所需的总时间。成熟幼虫的平均重量（g）是通过随机选取每个杂交品种的10只成熟幼虫来确定的。平均茧重量（g）是通过称量每个杂交品种的10个茧来确定的。单个茧壳的重量（g）是通过仔细从每个茧中取出一个壳并单独称重来确定的。壳比例百分比和丝丝长度分别根据公式（2）和（3）计算：
(1) 丝丝长度（m）；R-旋转次数；1.125 m-卷轴的周长。
NBFL、旦尼尔数、断裂强度、生丝百分比和BOR分别使用公式（4）–（8）进行估算。

2.3. 样品制备
茧在蒸馏水中煮沸10分钟以软化壳。软化后的茧通过湿法卷绕得到连续的丝纤维，注意在卷绕过程中避免断裂和缠结。卷绕使用实验室专用卷轴完成。
为了脱胶，将卷绕好的丝纤维用蒸馏水洗涤。制备了含有0.2 wt.% Na2CO3（Sigma-Aldrich，美国圣路易斯）和0.5 wt.% 马赛肥皂的溶液。将溶液加热至沸腾，然后将丝纤维放入溶液中45分钟。45分钟后，将丝纤维取出并用蒸馏水彻底清洗三次以去除肥皂。接着将丝纤维浸泡在新鲜蒸馏水中5分钟，更换蒸馏水后再浸泡5分钟，最后在室温下干燥。
为了获得扫描电子显微镜（SEM）图像和测量直径，丝纤维用S-3400N（Noran公司，日本）设备镀金，镀层厚度为2 nm。至少分析10根丝纤维。
丝纤维的机械性能（如抗拉强度、杨氏模量和伸长率）使用Instron Micro-Tester（EXCEED Model E43 MTS，美国）机械测试仪进行测试。测试条件如下：标距长度30 mm；应变率50 mm/min；预应力0.5 N；测试温度27.2 °C；湿度65%。
为了评估结构性能，使用PerkinElmer Spectrum Version（Ethernet，L1600401；SL编号-94012，英国Llantrisant制造）光谱仪在600至4000 cm?1范围内收集傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据，共进行32次扫描，随后根据Belton等人2018年的方法对FTIR光谱进行反卷积处理以测定β-折叠片含量[14]。首先对酰胺I带（1700–1600 cm?1）光谱进行基线校正，然后进行多峰高斯峰反卷积。通过分析文献中描述的β-折叠片、随机卷曲结构、α-螺旋和β-转角的特征点来检测峰。峰半宽的范围设定为10至30 cm?1。所有分析均使用Origin-Pro 2024软件完成。

2.4. 统计分析
实验采用完全随机设计（CRD）。使用单因素方差分析（ANOVA）/Kruskal–Wallis检验来确定各属性之间的显著差异。随后使用Tukey’s HSD（Honestly Significant Difference）或Dunn检验进行多重比较。所有统计分析均使用R软件4.4（R Core Team 2024）进行[16]。

3. 结果
3.1. 饲养和茧参数
双季双杂交品种（FC1 × FC2）的幼虫平均重量最高（44.20 ± 0.28 g/10只幼虫），其次是PM × CSR2（39.78 ± 0.74 g/10只幼虫）。统计上，十个成熟幼虫的重量在各杂交品种间无显著差异（χ2 = 5.45；p = 0.065）。Dunn检验显示单杂交品种与双杂交品种（p = 0.04）以及双杂交品种与杂交品种（p = 0.04）之间存在显著差异。总幼虫发育时间（TLD）范围为PM × CSR2的552.00 ± 0.00 h至FC1 × FC2的576.00 ± 0.00 h（χ2 = 8.00；p = 0.018），不同杂交品种间存在显著差异（Dunn检验p = 0.014），单杂交品种与杂交品种（p = 0.014）以及双杂交品种与杂交品种（p = 0.014）之间也存在显著差异。PM × CSR2的五龄幼虫发育时间最短，为126.00 ± 0.00 h。FC1 × FC2双杂交品种的饲养效率最高（86.67 ± 0.57%）。不同杂交品种间的饲养效率（F = 10.46；p = 0.011）存在显著差异。Tukey’s HSD多重比较检验发现杂交品种与单杂交品种（p = 0.04）以及双杂交品种与单杂交品种（p = 0.01）之间存在显著差异。本研究考虑的主要指标是每100个幼虫的茧产量（Yield/100 Dfl）。结果发现FC1 × FC2双杂交品种的茧产量最高（76.18 ± 1.88 kg），其次是CSR2 × CSR4杂交品种（70.12 ± 1.6 kg）（表2）。每100天产量的差异（F = 15.76；p = 0.006）在不同杂交品种间存在显著差异，Tukey的HSD多重比较测试也发现双杂交品种与单杂交品种之间存在显著差异（p = 0.01），双杂交品种与杂交品种之间也存在显著差异（p = 0.00）。表2显示了蚕杂交品种的饲养和茧性能（平均值±标准差）。在研究的各种杂交品种中，双杂交品种（FC1 × FC2）的茧重最高，为1.82 ± 0.08克，而PM × CSR2的茧重最低，为1.59 ± 0.05克。不同杂交品种的性能存在显著差异（F = 13.19；p = 0.006），Tukey的HSD多重比较测试也发现双杂交品种与杂交品种之间的茧重存在显著差异（p = 0.00）。茧壳重量是提高生产力的重要特征，这主要得益于杂种优势效应[17]。双杂交品种的表现最好，其茧壳重量为0.41 ± 0.02克，统计学上优于所有其他品种。单茧壳重量在不同杂交品种间也存在显著差异（F = 77.08；p = 0.0000），Tukey的HSD多重比较测试也证实双杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.00）、双杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.00）以及双杂交品种与杂交品种之间（p = 0.00）存在显著差异。茧壳比例是一个非常重要的特征，被认为是蚕育种的主要目标之一。双杂交品种FC1 × FC2的茧壳比例最高，为22.75 ± 0.52%，其次是双季单杂交品种（20.35 ± 0.23%）（表2）。茧壳比例在不同杂交品种间存在显著差异（F = 59.00；p = 0.0000），Tukey的HSD多重比较测试也证实双杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.000）、杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.01）以及双杂交品种与杂交品种之间（p = 0.000）存在显著差异（图2）。图2显示了不同蚕杂交品种的饲养参数变化：(a) 10只成熟幼虫的重量；(b) 幼虫总存活时间；(c) 第五龄幼虫的存活时间；(d) 饲养效率；(e) 每100天的产量；(f) 单茧重量；(g) 单茧壳重量；(h) 茧壳比例（CSR2 × CSR4：红色；PM×CSR2：蓝色；FC1 × FC2：绿色）。

3.2. 绕丝参数
不同杂交品种之间的丝长存在很大差异（表3）。在各种杂交品种中，双杂交品种（FC1 × FC2）的丝长最高，为1072 ± 9.29米，统计学上优于所有其他品种（F = 118.20；p = 0.0000）。而PM × CSR2的丝长最低，为705 ± 48.34米，这种品种主要在热带地区被农民使用。Tukey的HSD比较测试证实杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.000）、双杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.00）以及双杂交品种与杂交品种之间（p = 000）的丝长存在显著差异。不断裂丝长（NBFL）是任何杂交品种或品种绕丝茧的关键质量特性，它决定了可实现的生产速度。在研究的杂交品种中，双杂交品种在NBFL方面表现良好（1033 ± 11.06米）。此外，NBFL在不同杂交品种间也存在显著差异（F = 148.00；p = 0.000），Tukey的HSD比较测试也证实杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.000）、双杂交品种与单杂交品种之间（p = 0.001）以及双杂交品种与杂交品种之间（p = 0.000）的NBFL存在显著差异。旦尼尔是生丝的主要特性之一，因为均匀的丝长可以提高织造和绕丝效率，减少断裂。不同杂交品种的丝粗度存在显著差异。在测试的杂交品种中，单杂交品种（CSR2 × CSR4）的丝粗度最低，为2.74 ± 0.05旦尼尔。旦尼尔在不同杂交品种间存在显著差异（F = 7.32；p = 0.024），Tukey的HSD比较测试证实PM × CSR2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.02）、FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.02）的丝粗度存在显著差异。FC1 × FC2的绕丝性能最高（88 ± 0.48%），其次是CSR2 × CSR4（84 ± 0.84%），而PM × CSR2的绕丝性能最低（82 ± 0.35%）。绕丝性能在不同杂交品种间存在显著差异（F = 118.00；p = 0.0000），Tukey的HSD比较测试也证实PM × CSR2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.000）、FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.003）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.000）的绕丝性能存在显著差异。结果显示，FC1 × FC2的断裂强度最低（6.50 ± 0.10千克/米），而杂交品种PM × CSR2的断裂强度最高（7.59 ± 0.18千克/米）。断裂强度在不同杂交品种间存在显著差异（χ2 = 55.00；p = 0.000），比较测试也证实PM × CSR2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.04）、FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.00）的断裂强度存在显著差异。FC1 × FC2的生丝百分比最高（16.22 ± 0.42%），而杂交品种PM × CSR2的生丝百分比最低（13.82 ± 0.10%）。生丝百分比在不同杂交品种间存在显著差异（F = 37.87；p = 0.000），比较测试也证实FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.00）的生丝百分比存在显著差异（图3）。图3显示了不同蚕杂交品种的绕丝参数变化：(a) 丝长；(b) 非丝长；(c) 旦尼尔；(d) 绕丝性能；(e) 断裂强度；(f) 生丝回收率；(h) 整洁度（CSR2 × CSR4：红色；PM × CSR2：蓝色；FC1 × FC2：绿色）。生丝回收率（RSR）表示实际绕出的生丝量与茧中总丝纤维量的比例，受茧壳比例、丝长均匀性、绕丝条件、机械设备以及脱胶方法等多种因素影响。FC1 × FC2的生丝回收率最高（76.11 ± 1.17%），而PM × CSR2的生丝回收率最低（65.26 ± 3.01%）。不同杂交品种之间的生丝回收率存在显著差异（F = 25.99；p = 0.006），比较测试（Tukey的HSD）也证实PM × CSR2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.00）的生丝回收率存在显著差异。茧丝的整洁度对于生产高质量织物非常重要，从育种角度来看选择这一特性非常重要。这一参数具有较高的遗传性，具有高整洁度的品种被用作育种资源，通常只在早期世代进行选择。在本研究中，FC1 × FC2的整洁度最高（94 ± 1.53%），这一参数在不同杂交品种间存在显著差异（F = 12.70；p = 0.006），Tukey的HSD比较测试也证实FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.01）的整洁度存在显著差异。煮沸损失率是蚕育种中最重要的质量特性之一。不同杂交品种之间的煮沸损失率没有显著差异（F = 0.12；p = 0.889）（图3）。

3.3. 丝线直径/扫描电子显微镜观察
无论品种差异如何，每个丝样本都具有相似的形态特征（图4）。丝表面没有丝胶的存在证实了所采用的脱胶方法的有效性。杂交品种PM × CSR2的丝线直径最低，为10.39微米，而FC1 × FC2的丝线直径最高，为11.74微米。不同杂交品种之间的丝线直径没有显著差异（χ2 = 2.827；p = 0.098）（表4和图5）。图4显示了不同类型丝的SEM图像：(a) CSR2 × CSR4；(b) PM × CSR2；(c) FC1 × FC2。表4列出了测试的蚕杂交品种的丝线直径（微米）。图5显示了不同杂交品种之间的丝线直径变化。

3.4. 力学性能
三种蚕丝纤维的拉伸力-位移曲线如图6所示，计算出的力学参数总结在表5中。不同杂交品种之间的拉伸强度存在显著差异（F = 16.92；p = 0.003）。FC1 × FC2的拉伸强度最高（431.47 ± 28.46 MPa），其次是双季单杂交品种CSR2 × CSR4（320.30 ± 28.58 MPa）。Tukey的HSD比较测试证实PM × CSR2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.03）以及FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）的拉伸强度存在显著差异。双季单杂交品种CSR2 × CSR4的杨氏模量最低（4.35 ± 0.51 GPa），而FC1 × FC2的杨氏模量最高（5.92 ± 0.45 GPa）。杨氏模量在不同杂交品种间存在显著差异（F = 10.34；p = 0.011），Tukey的HSD比较测试也证实FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.01）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.05）的杨氏模量存在显著差异。CSR2 × CSR4的延伸率最高（13.41 ± 4.32%），而FC1 × FC2的延伸率最低（17.85 ± 0.77%），这表明单杂交品种的延展性高于双杂交品种。这些结果与我们的拉伸强度参数一致，即断裂时的延伸率越高，该品种的拉伸强度越低。此外，不同杂交品种之间的延伸率没有显著差异（图7）。

3.5. 次级结构
3.5.1. FTIR光谱特性
原始FTIR光谱和去卷积后的FTIR光谱分别显示在图8和图9中。在1616–1637、1638–1655、1656–1662和1663–1696 cm?1处观察到四个特征峰。第一个峰（1616–1637 cm?1）归因于β-折叠结构，由N–H键的变形引起；第二个峰归因于沿丝骨的C=O键的拉伸；第三个峰（1656–1662 cm?1）归因于α-螺旋结构；第四个峰（1663–1696 cm?1）归因于Belton等人2018年提出的β-转角结构[14]。图8显示了不同类型丝的FTIR光谱：(a) CSR2 × CSR4；(b) PM × CSR2；(c) FC1 × FC2。图9显示了不同类型丝的酰胺I带去卷积结果：(a) CSR2 × CSR4；(b) PM × CSR2；(c) FC1 × FC2。结果表明，双杂交品种FC1 × FC2的β-折叠含量最高（46.62 ± 1.45%），其次是PM × CSR2（40.85 ± 1.21%）（表6）。β-折叠含量在不同杂交品种间存在显著差异（F = 31.83；p = 0.000），Tukey的HSD比较测试也证实FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间（p = 0.00）以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间（p = 0.002）的β-折叠含量存在显著差异。随机卷曲结构的内容被记录下来，但在不同杂交品种之间没有发现显著差异（χ2 = 5.6；p = 0.060）。FC1 × FC2的组合显示出最低的随机卷曲含量（23.10 ± 1.25%），而PM × CSR2的组合显示出最高的随机卷曲含量（30.02 ± 0.97%）。α-螺旋结构的内容在CSR2 × CSR4中最低（18.10 ± 0.35%），其次是PM × CSR2（17.68 ± 0.17%）（表6）。α-螺旋结构的内容在不同杂交品种之间存在显著差异（F = 6.48；p = 0.038），Tukey的HSD比较测试也证实了FC1 × FC2与PM × CSR2之间的α-螺旋结构存在显著差异（p = 0.002）。β-转角结构的内容在FC1 × FC2中最低（10.37 ± 0.83%），其次是PM × CSR2（11.50 ± 0.45%）。β-转角结构的内容在不同杂交品种之间存在显著差异（F = 13.33；p = 0.006），Tukey的HSD比较测试确认FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间的β-转角结构存在显著差异（p = 0.014）。表6. 测试的蚕杂交品种的二级结构特性（平均值 ± 标准差）。

3.5.2. X射线衍射特性
丝绸的晶体结构及其相应的衍射图案如图10所示。无论蚕的品种如何，各曲线之间的差异都很小（图10）。所有曲线都显示了六个衍射峰，分别位于20.9、25.5、26.3、28.6、30.9和44.34处（图10）。这些峰被归因于β-折叠晶体结构的特征峰[18]。FC1 × FC2的组合显示出最高的晶体百分比（43.79 ± 1.58%），同时也有最高的β-折叠含量。CSR2 × CSR4的组合显示出最低的晶体百分比，这证实了表6中的β-折叠含量结果。晶体百分比在不同杂交品种之间存在显著差异（F = 13.33；p = 0.006），Tukey的HSD比较测试确认FC1 × FC2与CSR2 × CSR4之间以及FC1 × FC2与PM × CSR2之间的晶体百分比存在显著差异（p = 0.005）。晶体粒径在FC1 × FC2中最低（3.34 ± 0.22 μm），其次是PM × CSR2（4.46 ± 0.15 μm）。晶体粒径在不同杂交品种之间存在显著差异（F = 6.25；p = 0.040），Tukey的HSD比较测试仅确认CSR2 × CSR4与FC1 × FC2之间的晶体粒径存在显著差异（p = 0.04）（图11）。图10. 测试的蚕杂交品种的丝纤维的XRD图案分组。图11. 不同蚕杂交品种之间的二级结构变化：(a) β-折叠；(b) 随机卷曲；(c) α-螺旋；(d) β-转角；(e) 晶体百分比；(f) 晶体粒径（CSR2 × CSR4：红色；PM×CSR2：蓝色；FC1 × FC2：绿色）。

3.6. 结构-性能关系
结构-性能关系对于丝绸的物理性能，尤其是机械性能，被认为非常重要[19]。在这项研究中，我们使用皮尔逊相关系数（r）方法对各种参数进行了相关性分析。显著性标准在图12中进行了说明，非显著性和高度显著性分别表示为ns: p > 0.05；p * < 0.05；p ** < 0.01；p *** < 0.001。成熟幼虫的重量与壳层比例%（r = 0.86）、单壳重量（r = 0.88）和单茧重量（r = 0.80）呈正相关。然而，单茧重量与壳层比例%（r = 0.95）、壳层比例（r = 0.84）和丝长（r = 0.89）呈高度显著相关（p *** < 0.001）。β-折叠含量与晶体百分比（r = 0.95）呈高度显著相关（p *** < 0.001），并且与抗拉强度（r = 0.82）和杨氏模量（r = 0.81）也呈正相关。晶体百分比与抗拉强度（r = 0.91）和杨氏模量（r = 0.83）呈高度显著相关（p *** < 0.001）。晶体粒径与抗拉强度（r = ?0.82）、杨氏模量（r = ?0.80）、β-折叠含量（r = ?0.95）和晶体百分比（r = ?0.91）呈负相关。这表明晶体粒径越小，机械性能和二级结构性能越高。抗拉强度与杨氏模量（r = 0.80）呈正相关，显著性水平为p * < 0.05（图12）。

4. 讨论
来自家蚕（Bombyx mori）的丝绸长期以来一直被视为一种有价值的纺织商品。然而，近年来人们逐渐意识到丝绸的用途远不止于纺织领域。因此，了解不同蚕品种/杂交品种的行为特性和丝绸性能对于最大化丝绸产业的经济价值至关重要。本研究旨在通过评估三种关键蚕杂交品种的所需关键性能以及它们产生的丝绸特性来支持蚕农。在本研究中，杂交品种PM × CSR2的幼虫期最短，为552小时，而FC1 × FC2的幼虫期最长，为576小时。较短的幼虫期不仅降低了疾病发生的风险，还提高了蚕代的周转率，从而更快地获得茧。同样，PM × CSR2的第五龄期也最短。尽管PM × CSR2的幼虫期最短，但其从幼虫到茧的有效转化率实际上最高，有86.67%的幼虫成功形成了茧。Naseema Begam等人[20]也报告了在多种气候条件下双季杂交品种具有更好的饲养效率。FC1 × FC2的茧重量最高，反映了总茧产量，而PM × CSR2产生的茧最小。一个品种将桑叶有效转化为茧的能力是商业盈利性的关键决定因素，FC1 × FC2的较高茧重量证实了其大规模生产丝绸的强大潜力。多项研究[21]也记录了双季双杂交品种中茧重量的增加趋势。此外，所有杂交品种的壳层重量均达到了≥0.45克的商业标准[22]。FC1 × FC2在丝绸产量方面表现特别突出，这与早期报告[17,23,24]一致，这些报告指出双季杂交品种的壳层重量和比例优于单季或多季杂交品种。Suresh Kumar等人[25]也在2011年观察到双季杂交品种的壳层比例显著较高（22.38%），支持了本研究的结果。Murali等人[26]还记录了所选双季品种之间壳层百分比的差异（18.86–21.29%）。

从纺织行业的角度来看，FC1 × FC2再次表现出最佳性能，产生了最长的丝纤维和最完整的丝束，并且在三种杂交品种中显示出最高的整洁度。这些特性在丝绸制造中非常宝贵，因为较长且更干净的丝束可以减少卷绕过程中的浪费，提高纺纱效率，从而生产出更光滑、更有光泽且瑕疵更少的织物。能够卷绕长而连续的丝束还提高了丝绸的抗拉强度和均匀性，这对于高端纺织应用至关重要。就旦尼尔数而言，FC1 × FC2排名第二低，仅次于CSR2 × CSR4。尽管如此，所有三种杂交品种在该指标上均超过了许多合成纤维和其他天然纤维[27,28]。FC1 × FC2的原始丝绸百分比最高，其次是CSR2 × CSR4。最低的原始丝绸百分比出现在杂交品种PM × CSR2中。原始丝绸百分比的差异显示了任何品种或杂交品种在丝绸生成方面的潜力。丝绸的大部分经济特性受多基因调控，例如，整洁度由一个半显性的主要基因和几个次要基因共同调控[21]。然而，环境也会显著影响这些基因的表达水平，从而调节经济特性[29]。煮沸损失率（BOR%）是丝绸卷绕过程中的一个关键质量参数，表示脱胶过程中损失的材料百分比。所研究的杂交品种之间的BOR%值相当，范围从FC1 × FC2的25.59 ± 0.97%到PM × CSR2的25.95 ± 0.98%。这些发现与Kumar等人的研究结果一致[21]，他们报告CSR杂交品种的BOR值在22%到24%之间。BOR值的增加可能是由于遗传变异，即在不同世代位点上的基因频率变化，在变化的环境条件下表现出差异[30,31]。因此，可以确定蚕品种/杂交品种的性能是其遗传潜力和在特定环境下的表达能力的综合结果。

FC1 × FC2丝绸质量的持续优越性还得到了其机械性能的支持，该杂交品种在测试组中表现出最高的最终抗拉强度和杨氏模量。FC1 × FC2的抗拉强度为431.47 ± 28.46 MPa，位于家蚕纤维通常报告的范围（300至700 MPa）之内，这取决于卷绕速度、湿度和后处理条件[6,7]。这种高强度与其较高的分子有序程度一致，反映在其β-折叠含量为46.62 ± 1.45%，远高于CSR2 × CSR4（39.65 ± 1.45%）和PM × CSR2（40.85 ± 1.21%）。通过XRD测得的FC1 × FC2的晶体度值为43.79 ± 1.58%，在所有杂交品种中也是最高的。这表明该杂交品种产生的纤维具有更紧密的晶体结构和更好的对齐性。这种增强的β-折叠形成提供了结构上的强化和承载能力，从而解释了抗拉强度和刚度的提高。这种结构组织也有助于解释为什么FC1 × FC2在卷绕过程中产生了最长的连续丝束，因为纤维的晶体域和β-折叠的对齐使其能够承受更高的拉伸力而不发生断裂。然而，这种增加的晶体度和β-折叠优势似乎是以延展性为代价的。FC1 × FC2在断裂时的伸长率最低，与其他组相比，其随机卷曲结构的比例较低（23.29 ± 0.75%）。这种权衡反映了丝绸力学中的已知关系，即较高的β-折叠含量增强了刚度和抗拉强度，但限制了分子的可延展性[5,32,33]。最近，Gull和Kumar[34]对三种蚕品种（CSR4、CSR6和CSR27）进行了研究，其中CSR27在经济和机械性能方面表现更好，这也与本研究结果一致，因为CSR27是双季杂交品种（FC1 × FC2）的亲本之一。尽管断裂时的伸长率降低在统计上不显著，但它表明向更刚性、更结晶的网络发展的趋势。此外，结构-性能关系还体现在多个特征上，其中β-折叠含量与纤维的晶体百分比高度相关。这个参数也与纤维的抗拉强度和杨氏模量呈正相关。晶体粒径与β-折叠含量、抗拉强度和杨氏模量呈负相关。这表明晶体粒径越小，纤维的强度越高。我们的结果也得到了先前研究的支持，这些研究证实高β-折叠含量和更多的结晶相赋予了丝绸纤维最大的强度和韧性[35,36,37]。

5. 结论
本研究使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）相结合的方法，研究了三种蚕杂交品种（CSR2 × CSR4、PM × CSR2和FC1 × FC2）的丝绸纤维。这些杂交种的生物学和经济参数也进行了研究。根据本次研究的发现，可以预见，在所研究的杂交种中，除了少数例外，其在生物学特性、经济特性以及蚕丝纤维特性方面存在显著的差异。虽然PM × CSR2杂交种的生命周期较短，但其幼虫体型较小，产丝量也较低。相比之下，FC1 × FC2杂交种的幼虫生长速度较慢，但体型较大，产丝量显著更高，尽管饲养时间较长，仍具有更高的商业价值。此外，FC1 × FC2杂交种所产蚕丝的质量更优，其丝纤维的长度和强度明显更高。关于这些杂交种的机械和结构特性的研究结果可以用于育种计划，以培育出能够生产更高质量蚕丝纤维的新品种。这些进展还有助于开发适用于多种领域的蚕丝产品，包括生物医学和化妆品行业。因此，有必要继续关注不同蚕品种的利用，并在这一领域开展更多研究。