家蚕天然彩色茧资源的研究现状与开发前景

2011-08-15孟繁利艾均文何行健钟天生

湖南农业科学 2011年17期

孟繁利，艾均文，薛宏，何行健，钟天生，万飞

（湖南省蚕桑科学研究所，湖南长沙 410127）

我国是蚕丝业的发祥地，为世界创造了绚丽多彩的丝绸文化，同时也为人类留下了丰富的家蚕资源。早在桑蚕茧开始应用的时候，天然彩色茧也同时被发现，但作为“纤维皇后”的蚕丝在目前国际市场上几乎都是白蚕丝，天然彩色丝所占比例极少。随着人们生活水平的提高与消费观念的改变，天然彩色织物给纺织领域带来了一场“绿色革命”，关于天然彩色茧的研究成为新的热点，其产品也呈现出很大的市场潜力和广阔的商业前景。

1 天然彩色茧资源的多样性与成色机理

天然彩色茧的品种繁多，这些丰富的色彩是古桑蚕模拟各自特殊的生活环境而形成的特有的蚕茧保护色，用以增强蚕蛹对敌害、病害和不良环境的抵抗能力，是生态意义上的需要。在古桑蚕的天然彩色的基础上，通过人工驯化可以形成更多的天然彩色茧资源[1]。这些彩色茧资源也与大量家蚕个体的单一且短暂的驯化所形成的基因组遗传变异图谱相一致[2]。目前各研究机构保存的家蚕天然彩色茧资源主要有黄红茧系和绿茧系两大类。黄红茧系包括淡黄、金黄、肉色、红色、蒿色、锈色等，其茧色源于桑叶中非极性的类胡萝卜素和极性的叶黄素类色素，前者包括β-胡萝卜素和新生β-胡萝卜素，后者包括叶黄素、蒲公英黄质、紫黄质、次黄嘌呤黄质等，其色素分布于丝胶中。绿色茧系的色素则是来自于体内生成的黄酮类色素，其色素分布于丝胶及丝素中。不论是黄红茧系还是绿色茧系，其茧色的形成都由一个或多个的基因控制、涉及到一个纷繁复杂的通路并受到多种因素的影响。色素物质要从桑叶到达丝腺内与丝物质结合，必须要经过家蚕的消化道，透过消化管壁，经过血液、透过丝腺壁而最终与丝素或丝胶结合。在这个过程中，消化液的作用，中肠壁的透过能力与透过部位、血液的氧化能力、色素物质的移动速度，丝腺壁的透过性，丝腺的吸收部位以及色素物质与丝蛋白的结合能力等都会直接影响到茧色的形成，所以茧丝的颜色种类及深浅不仅与这些色素的成分和含量有关，更主要是受到消化管和绢丝腺管壁的透过性影响。

研究表明，绿色茧的遗传相对简单，由独立遗传的 Gc（15-？）与互补遗传的 Ga（？）/Gb（7-7.0）等基因控制[3]。Gc基因控制的绿色对白色为不完全显性[4]。黄红茧系茧色的表现则多种多样，不仅颜色种类多，深浅差异很大，而且蚕茧的内层或外层颜色也不一致。因此，从形态遗传上就可以判断其控制基因多、遗传机理复杂。目前，已知与黄红茧系茧色形成有关的基因有20多个[3]。这在一定程度上也暗示了对天然彩色茧资源实用化改造的复杂性。

2 天然彩色茧丝的优良特性

2.1 彩色茧丝的高微空隙率

由于丝素中非结晶区的存在，在丝素分子间存在一些细微的空隙，加上非结晶区中亲水性较大的氨基酸与水能形成氨键结合，故丝素纤维具有良好的吸湿、散湿、透气的性能，蚕丝也被赋予了“人体空调”的美誉[5]。梁海丽等[6]通过茧丝切面结构观察发现，黄色茧丝的丝蛋白分子间孔隙率比白色茧丝的大37%～53%，由此推测其柔韧性、保暖性、吸放湿性和通气性都优于白色茧丝。同时，多孔丝纤维还有类似活性炭的作用，能够消臭，使衣着清爽宜人。蚕丝的微孔隙结构也决定了蚕丝能够印染的特性[5]，天然彩色丝空隙率比白色蚕丝高，可以作为某些物质的良好载体，也可开发多功能的彩色丝新材料。

2.2 彩色茧丝的高色素含量

利用分光光度法测定A 510 nm，得出黄色丝的黄酮色素含量比白蚕丝高33%，绿色丝比白蚕丝高5倍[6]。同时测定A 445 nm，发现黄色丝的类胡萝卜素比白蚕丝高33.2倍，绿色丝比白蚕丝高9.2倍。而黄酮类在生物体的细胞内代谢形式（即与巯醇类，特别是谷胱甘肽GSH结合、氧化代谢、与细胞色素P450相关的代谢）表明，其具有抗氧化、清除自由基、抗衰老、防心血管疾病、抗癌防癌等作用[7-8]。动物包括昆虫不能体内合成类胡萝卜素，只能从植物等外源物质中获取。但类胡萝卜素在生物体中发挥着重要生理作用，是人体合成维生素A的前体，是重要的抗氧化剂，能降低癌症与心血管疾病的发病率[9-10]。而叶黄素能有效防治黄斑变性、白内障等与衰老有关的眼科疾病[11]。

2.3 彩色茧丝的高SOD含量

采用改进的黄嘌呤氧化法-羟胺法测定超氧化物歧化酶（Superoxide dismut-ase，SOD）活性，棉纤维只有微弱的SOD活性，家茧彩色茧丝的SOD活性远远高于棉纤维，也高于白茧丝，其中绿茧丝的SOD活性比棉纤维高30倍，超过白茧丝近3倍；黄茧丝比棉纤维高15倍，超过白茧丝50%[6]。生物在生命活动中，特别是在不良环境中会不断产生超氧阴离子自由基、单线态氧、过氧化氢、羟自由基等多种活性氧自由基和功能破坏分子，对机体产生毒害。SOD能够清除机体内过量的自由基，使机体免受自由基毒害，如SOD制剂可以延缓皮肤衰老，具有养颜的作用。茧丝分解自由基的活性，是蚕茧遮蔽紫外线功能的有效补充。

2.4 彩色茧丝的强抗菌功能

黄色葡萄糖球菌、MRSA、绿脓菌、大肠杆菌、枯草杆菌和黑色芽孢菌（G+）是生活环境和人体常见的病菌，特别是夏季人体出汗、皮肤破损后极易滋生，也很难杀死。试验研究发现[6]，家蚕天然彩色茧丝对上述顽固病菌的生长抑制效果比白蚕丝更佳，由此推测它对大多数其它菌种均有相当的抑制功效。试验还发现缫丝时蚕丝保留了部分丝胶，因而茧丝也有很好的抗菌能力；彩色茧丝的抗菌效果也使得利用家蚕天然彩色茧丝为材料做成的服饰有很好的保健作用。

2.5 彩色茧丝的强防紫外线能力

人体皮肤变黑就是因为黑色素细胞中的酪氨酸酶，将角朊组分中的酪氨酸氧化，最后聚合成黑色素，而紫外线照射能加速这一过程[12]。由于彩色丝使用了新的缫丝工艺，在生丝中留存了更多的丝胶，而丝胶具有抑制酪氨酸酶活性的特性，因此，使用彩色丝开发的产品能有效抑制皮肤中黑色素的生成，保持皮肤的白嫩。桑蚕丝对波长在280 nm左右的紫外线（UV-B，波长为275～320 nm）有很好的遮蔽和吸收作用[13]。胡智文等[14]的试验证明，经过固胶、漂练的家蚕天然黄色生丝，在紫外线照射下减色很少，即色彩基本不变，说明彩色茧丝具有吸收紫外线的能力。此外，经过固胶技术处理的丝纤维符合内衣卫生标准，从而可提高服装的质量。

3 天然彩色茧丝的利用现状

人类对天然彩色茧资源开发利用的历史悠久，但一直面临两大难题：一是产量低，产量只有20～30 kg/张，仅为普通白茧产量的50%～70%；二是色泽不牢固，蚕茧在加工成丝以至服装的过程中，不能稳定保存色素，而且有色丝胶难以均一除尽而形成花斑丝并严重影响生丝品质。因而，在上世纪30～50年代的品种改良中逐渐淘汰了有色茧品种，也是目前阻碍天然彩色丝规模开发利用的主要障碍。

3.1 东南亚天然彩色茧丝的利用现状

东南亚各国天然彩色茧资源十分丰富，具有利用天然彩色丝的传统，其中柬绸、泰绸等极具民族特色，且有一定规模的彩色茧及其丝织品的生产能力。由于泰国的蚕农普遍信仰佛教，他们把黄色视为吉祥，故近半数的蚕农自己繁殖多化性的黄茧土种，约25%为多化性种，20%为二化性杂交种，但品种的生产水平很低[13,15]。引进优良二化性品种后，蚕农进行了天然彩色茧品种的更新研究工作，如黄色茧品种B1×土种，其产茧量有一定提高[16]。目前柬埔寨饲养的桑蚕几乎全部是金黄色茧品种，蚕农自留蚕种，纯种饲养。蚕农在蚕结茧后立即活蛹缫丝，缫制的蚕丝仍然保留了鲜艳的色彩，缫丝采用的是传统的手工方法，每粒茧能够缫丝300～700 m，生丝色泽金黄，丝胶留存很多，容易并结，手感硬，经过进一步水煮处理，手感变得柔软，但色泽变淡，织物比较硬挺、爽身，很适合柬埔寨的气候[17-18]。然而，彩色制品的开发受到品种与传统生产水平的制约，难以大规模发展。

3.2 日本天然彩色茧丝的利用现状

明治维新时期日本首相就制订“二线国策”，确立了以生丝贸易为基轴的对外贸易体制，对养蚕业也实施重奖政策，推动了蚕丝业的迅速发展，建立了许多现代养蚕技术体系。其后日本在对中国、朝鲜、东南亚发动侵略战争的同时，也开始对这些地区的蚕桑等资源进行掠夺，收集了包括天然彩色茧在内的许多宝贵资源[19]。日本现在的彩色茧丝开发利用技术有了较大的发展，已经育成了几对实用水平很高的蚕品种，比如1994年钟纺公司合成的黄茧锺光×黄玉品种，是日本推广最普遍的彩色茧蚕品种；1998年通过审定的群马×中125品种，蚕丝色泽金黄，十分华贵，在日本已经成为生产“黄金丝”的主推品种，同时还声称已经开发出金黄色蚕丝的色素固定技术，其织物能够水洗；2000年日本农林水产省下属的农业生物资源研究所，利用色素存在于丝素中的天然彩色茧资源开发出含有黄酮色素绿茧品种PNG×PCG，这种蚕丝有独特的抗菌作用[13]。

3.3 中国天然彩色茧丝的利用现状

中国地域辽阔，有丰富的天然彩色茧资源，同时也有悠久的天然彩色茧利用开发历史。目前，我国也先后育成了几对实用品种。2007年，罗朝斌等[20-21]育成了天然绿色茧品种“渝黔绿茧”（C101×N101），茧丝长1 100 m左右，解舒率在80%左右，鲜茧出丝率为16.5%，解舒丝长900 m左右，其原蚕好养好繁。随后，又用“871×872”作轮回亲本，育成了“渝黔黄茧”（G101×Y101），其茧层率达到了 23.24%，为轮回亲本的92.26%。2007年该品种通过贵州省农作物品种审定委员会审定[22-23]。苏州大学选育出高产彩色黄茧蚕品种“彩茧1号”[24]，产量与普通白茧基本持平，达到40 kg/张。试验结果表明，该彩茧在加工成丝以至服装的过程中，色素保持稳定，制出的成品服装可以经过50次水洗、200 h日光晒而不褪色，2008年该品种通过了江苏省蚕品种审定委员会审定。苏州大学还获得了2项关于天然彩色茧加工技术的发明专利，他们能利用尿素与硫脲等色素转移剂将天然色素转移到丝素中，使色素含量提高了 2～3 倍[25-26]。

4 天然彩色茧丝的开发利用前景

目前，对蚕丝进行着色的方法有4种。第一，使用最多的为印染加工，几乎占丝绸着色加工的97%；第二，蚕期添加人工合成色素[27]；第三，利用天然彩色茧资源；第四，利用转基因技术，获得转控制天然色彩基因的家蚕材料[28]。但前2种方法会对环境造成污染，不符合当前“绿色、环保、自然、健康、低碳”的消费趋势，也与“资源节约，环境友好”的发展理念相悖。转基因家蚕是当前生物工程技术发展的最新成果，代表着未来的发展方向，但在色素得以稳定导入的同时，也改变了丝的结构，或多或少地影响到蚕丝的加工，甚至产生新的技术难题，特别是转基因品种要经过国家的生态安全论证与审批，所以，转基因家蚕技术的发展还需要一个较长的过程。因此，在纺织服装业碳标签“来袭”之前，利用天然彩色茧资源是最简捷、最环保、最低碳的方法，深度挖掘天然彩色茧资源，生产出雍容华贵、绚丽多彩、轻柔飘逸、绿色低碳的蚕丝产品是振兴我国传统蚕桑产业的必然途径。

我国加入世贸组织后，蚕桑行业是少数几个在国际市场占据垄断地位的行业之一。现在，我国丝绸贸易占世界丝绸贸易的70%，但单件丝绸产品平均价格仅是法国的1/10，韩国的1/3，因此，我国只是量上的“丝绸大国”，还远不是质上的“丝绸强国”，必须顺应国际纺织品贸易发展趋势，彻底改变以往的低层次价格竞争，提高产品的附加值和技术含量，发展从资源开发、原料生产、织造到印染均充分体现环保的绿色纺织品，赢得通往国际市场的“绿色入场券”[29]。目前，60%的蚕丝产品需印染加工，每年约有5～6万t，有近800万盒蚕种的饲养规模；而低碳环保的天然彩色丝能够减少印染加工工序，符合现代服饰对绿色自然的追求与多元化及个性化的发展趋势，市场前景非常广阔。

5 湖南开发利用天然彩色茧资源的建议

湖南具有悠久的栽桑养蚕历史。长沙马王堆汉墓出土的“素纱禅衣”可谓“薄如蝉翼”、“轻若烟雾”，且色彩鲜艳，纹饰绚丽，它代表了西汉初养蚕、缫丝、织造工艺的最高水平。“湘绣”以其独特风格和高超绣艺傲立于“四大名绣”之列，成为湖南乃至国家的“艺术名片”。湖南的蚕丝产业有其深厚的产业基础与文化底蕴，深度挖掘天然彩色茧资源，顺应低碳环保、天然织物的纺织领域“绿色革命”趋势，有着十分重要的现实意义，但必须采取相应举措，发挥湖南省蚕桑产业优势。一是在做好天然彩色茧资源引进与保护的同时，注重天然彩色茧基础资源的创新；二是加快天然彩色茧资源的实用化研究进程，注重育种技术的创新。天然彩色性状几乎都是多基因控制，可以参照家蚕近等基因系培育的方法[30]，采用回交与自交相结合进行修饰回交，分裂交配与系统选育相结合进行优良基因与色彩基因的聚合育种；三是利用湖南蚕桑产业化发展平台，建立天然彩色资源开发基地，实行“公司+基地+蚕桑专业户”的经营模式，进行优良特色茧的订单化生产，开发“湘绣”系列产品，做大做强湖南的“湘绣”品牌产业。

[1] 吉武成美，蒋猷龙.家蚕的起源和分化[J].蚕业科学，1987，13（3）：182.

[2] Xia Q Y，Guo Y R，Zhang Z，et al.Complete resequencing of 40 genomes reveals domestication events and genes in silkworm（Bombyx）[J].Science，2009，326：433-436.

[3] 向仲怀.家蚕遗传育种学[M].北京：农业出版社，1994.18-20.

[4] 魏广卫，袁燕萍，张彩霞，等.家蚕绿色茧品种G1的茧色性状遗传及不同茧色蚕体组织的黄酮类化合物含量分析 [J].蚕业科学，2010，36（3）：905-909.

[5] 徐水.茧丝学[M].重庆：重庆市北碚西师教材印刷厂，2003.31.

[6] 梁海丽，葛君.家蚕天然彩色茧丝的色素特性研究[J].丝绸，2005，（6）：20-22.

[7] 古勇，李安明.类黄酮生物活性的研究进展[J].应用与环境生物学报，2006，12（2）：283-286.

[8] 白凤梅，蔡同一.类黄酮生物活性及其机理的研究进展[J].食品科学，1999，（8）：11-13.

[9] Giovannucci E.Tomatoes，tomato-based products，lycopene，and cancer：review of the epidemiologic literature[J].Journal of the national cancer institute，1999，91（4）：317-331.

[10] Hadley CW，Miller E C，Schwartz SJ，et al.Tomatoes，lycopene，and prostate cancer：progress and promise[J].Experimental biology and medicine，2002，227（10）：869-880.

[11] Krinsky N I，Landrum JT，Bone R A.Biologic mechanisms of the protective role of lutein and zeaxanthin in the eye[J].Annual Review of Nutrition，2003，（23）：171-201.

[12] Kato N，Sato S，Yamanaka A，et al.Silk protein，sericin，inhibits lipid peroxidation and tyrosinase activity[J].Biosci Biotechnol Biochem，1998，62（1）：145-147.

[13] 徐世清，王建南，陈息林，等.天然彩色茧丝资源及其开发利用[J].丝绸，2003，4（1）：42-43.

[14] 胡智文，刘冠峰.家蚕有色茧利用的探讨[J].蚕业科学，1995，21（3）：200-201.

[15] 毛铿祖，黄陈华，钟国洪.赴印度、泰国考察蚕桑生产情况介绍[J].广东蚕业，1993，（1）：47-49.

[16] 陈松，唐婷，夏培康，等.泰国的蚕业现状与发展[J].中国蚕业，2008，（4）：79-83.

[17] 徐世清.柬埔寨蚕业生产现状及发展方向 [J].中国蚕业，2003，24（1）：75-78.

[18] 谢玉贵，周六花.湘西州发展蚕桑生产的优劣势与策略[J].湖南农业科学，2009，（5）：111-113.

[19] 顾国达，王昭荣.日本侵华时期对中国蚕丝业的统制与资源掠夺[M].杭州：浙江大学出版社，2010.57.

[20] 罗朝斌，代方银，黄桂辉.家蚕新品种“渝黔绿茧”原种饲养及产卵试验[J].蚕学通讯，2007，27（4）：23-26.

[21] 罗朝斌，姜虹，代方银，等.特殊用途桑蚕品种渝黔绿茧对比试验[J].贵州农业科学，2009，37（3）：19-21.

[22] 罗朝斌，代方银，姜虹，等.特殊用途桑蚕品种渝黔黄茧的选育及应用初探[J].贵州农业科学，2009，37（12）：25-28.

[23] 黄仁志，陈志华，艾均文.浅论家蚕品种的种性保持[J].湖南农业科学，2004，（6）：58-60.

[24] 张志兰，卢建珍，韩红发，等.天然彩色茧蚕品种“彩茧1号”比较试验[J].中国蚕业，2010，31（2）：18-20.