絲織品老化過(guò)程中氨基酸的測(cè)定

絲織品老化過(guò)程中氨基酸的測(cè)定

1絲織品的分子分析和老化趨勢(shì)絲綢是由蛋白質(zhì)組成的高科技材料，易于受多種因素的影響，抗分解和老化。如同高分子聚合物的老化一樣,絲織品的老化是指改變其結(jié)構(gòu)或性能的任何過(guò)程。對(duì)古代絲織品的老化原因及老化程度的確定,是研究、選擇及評(píng)價(jià)保護(hù)方法的重要依據(jù),并可為后人提供與絲綢文物保存狀況及其變化有關(guān)的基本信息資料,從而使對(duì)絲織品的長(zhǎng)期跟蹤研究、保護(hù)成為可能。分子水平的反應(yīng)可能只有在大量的損害發(fā)生后,才能用眼睛觀察到,僅憑視覺(jué)觀察確定絲織品的保存狀況是不夠的。從分子水平上對(duì)絲綢老化的研究是基于對(duì)絲綢中氨基酸組分的分析研究。國(guó)外有人對(duì)經(jīng)紫外光老化前后的絲綢中氨基酸組分進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明老化前后部分氨基酸組分發(fā)生變化。本研究通過(guò)氨基酸分析對(duì)絲織品老化原因及程度進(jìn)行了研究。所用樣品為人工老化的白色絲織品和分別來(lái)自湖北、內(nèi)蒙古、青海出土的古代絲織品。人工老化包括光老化、熱老化和水解老化。目的是了解氨基酸分析是否能夠成為有效的研究絲織品老化原因及檢測(cè)絲織品老化程度的方法。2實(shí)驗(yàn)2.1絲織品的保存狀況本研究使用的實(shí)驗(yàn)材料分兩部分:一部分是人工老化的現(xiàn)代絲織品,人工老化包括光老化、熱老化和水解老化,老化方法與我們以前報(bào)道相同;一部分是不同地點(diǎn)出土、不同保存狀況的古代絲織品,分別出土于湖北江陵鳳凰山西漢墓、陜西白水宋墓、青海都蘭吐蕃墓、內(nèi)蒙赤峰大營(yíng)子遼駙馬墓,均為隨葬織物殘片,共計(jì)23個(gè)。1974年與長(zhǎng)沙馬王堆同時(shí)代的湖北江陵鳳凰山西漢墓出土了大批精美的紡織品,突出地表明了西漢初期紡織手工業(yè)所達(dá)到的高度工藝技術(shù)水平。有的絲織品保存狀況好,有的則較差,分析所用的三個(gè)樣品H1、H2、H3來(lái)自一件棉襖。H1為中間的絲棉,H2為棉襖表面的錦,H3為棉襖里子的絹,樣品均有脆化、酥粉現(xiàn)象,無(wú)柔韌性一折就斷,有掉碴現(xiàn)象。陜西白水宋墓出土的絲織品保存狀況很差,絲織品無(wú)柔韌性,脆化、酥粉現(xiàn)象嚴(yán)重,觸之即掉碴,分析所用樣品的編號(hào)為SX。青海都蘭吐蕃墓出土的絲織品保存狀況則較好,柔韌性好,有較高的強(qiáng)度,分析所用的樣品d1為紅色的錦,d2為紫色的綾,d3為紫色的絹,d4為綠色絹,d5紅色印花綾,d6棕色絹,d7黃色綾,d8綠色紗,d9綠色綾。1954年在內(nèi)蒙赤峰大營(yíng)子遼駙馬墓中出土大量紫色繡金的絲織品,大部分是衣服的殘片,絲織品保存狀況很差,出土?xí)r就很糟朽,發(fā)硬、發(fā)脆,粉化、掉碴現(xiàn)象嚴(yán)重,無(wú)柔韌性,一折就斷。分析所用的樣品M1為提花紗,M2、M3為緙金紗,M4為菱紋提花紗,M5為絹,M6為織金紗,M7為綾,M8為紗,M9為織金綾,M10為綾。2.2氨基酸自動(dòng)分析為了解老化而導(dǎo)致的各氨基酸組分含量的變化,一般需要2～3mg樣品。將稱好的樣品用6mol/L的HCl在110℃恒溫烘箱中水解22小時(shí),然后用美國(guó)Waters公司產(chǎn)的氨基酸自動(dòng)分析儀進(jìn)行分離及檢測(cè)。色譜條件:氨基酸分析使用陽(yáng)離子交換柱。檢測(cè)器:Waters470熒光檢測(cè)器。柱溫為65℃,洗脫梯度為100%A～100%B線性梯度洗脫。根據(jù)色譜圖中各個(gè)氨基酸的峰面積即可得出各個(gè)氨基酸的百分含量。3結(jié)果與討論未老化樣品、人工老化絲綢樣品及古代絲綢樣品的氨基酸分析結(jié)果見(jiàn)表1。3.1我國(guó)光、熱、水老化條件下的氨基酸化學(xué)組成變化表1未老化絲綢樣品的氨基酸組成表明本研究所用的現(xiàn)代絲綢與桑蠶繭絲素的組成基本一致,說(shuō)明該絲綢為經(jīng)過(guò)脫膠處理的絲織品。對(duì)于光老化和熱老化的絲綢樣品來(lái)說(shuō),均有氨基酸總量的失重現(xiàn)象,而水解老化過(guò)程中先是增重,后才有失重現(xiàn)象。以氨基酸總量相對(duì)于老化時(shí)由表1可知,每種氨基酸的變化速率是不相同的,且同種氨基酸在不同的老化條件下變化速率也是不同的。茲將各氨基酸的變化情況討論如下:1)色氨酸的變化:由表1可知,無(wú)論是光、熱還是水解老化,均伴隨有色氨酸的逐步減少。2)酪氨酸的變化:酪氨酸在光、熱老化時(shí)均有不同程度的損失。在光照老化條件下,酪氨酸損失的很快,在老化的最初階段變化速率較大,隨后趨于間作圖,圖1-1、圖1-2、圖1-3分別為熱、光及水解老化的失重曲線圖。由圖1-1可知,該曲線是一級(jí)反應(yīng)方程,熱老化從第三天開(kāi)始趨緩;而光老化的失重呈線形下降,見(jiàn)圖1-2;水解老化一開(kāi)始氨基酸總量增加約6%,然后基本上保持不變,到一定時(shí)間(約12小時(shí))時(shí),又有失重現(xiàn)象發(fā)生,見(jiàn)圖1-3。緩和,如圖2-1。圖2-1說(shuō)明酪氨酸對(duì)光非常敏感,因此,酪氨酸的損失是光老化發(fā)生的證據(jù)之一。該結(jié)果與抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在熱老化條件下,酪氨酸的含量與老化時(shí)間的關(guān)系如圖2-2,為典型的一級(jí)反應(yīng)方程,該結(jié)果也與抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。水解老化時(shí)酪氨酸一開(kāi)始略有損失,隨后保持不變,形成一平臺(tái),老化到一定程度時(shí)又降低,如圖2-3。表2為國(guó)產(chǎn)桑蠶絲晶態(tài)與非晶態(tài)化學(xué)組成分析結(jié)果(以100g絲素蛋白質(zhì)中氨基酸殘基的克數(shù)來(lái)表示)。由表2可知,在桑蠶絲素中,酪氨酸大部分分布于非晶區(qū)中,但同時(shí)在結(jié)晶區(qū)中也有分布。由于在老化過(guò)程中非晶區(qū)更易于受到破壞,且酪氨酸側(cè)基中活潑的苯酚基很容易和酸、堿、光、熱等影響因素作用,因此在受到光、熱、水解老化時(shí)會(huì)發(fā)生較大的變化。在水解老化時(shí),一開(kāi)始非晶區(qū)的破壞導(dǎo)致酪氨酸含量降低,隨后以較緩慢的速度作用于結(jié)晶區(qū),形成一平臺(tái),當(dāng)結(jié)晶區(qū)遭到破壞時(shí),酪氨酸含量又降低。3)天門(mén)冬氨酸的變化:天門(mén)冬氨酸在熱老化時(shí)是穩(wěn)定的,但在光老化和水解老化條件下,含量隨老化時(shí)間而降低,均為典型的一級(jí)反應(yīng)方程,如圖3-1和圖3-2。4)絲氨酸的變化:絲氨酸在熱老化條件下含量與老化時(shí)間的關(guān)系如圖4-1,一開(kāi)始略有下降,隨后形成一平臺(tái),直到約6天時(shí)才又有明顯的降低;在光老化時(shí)含量的降低與老化時(shí)間的關(guān)系如圖4-2,一開(kāi)始下降速率較快,隨后速率變緩,直到約12天時(shí)才又有明顯的降低;而在水解老化時(shí)有增重現(xiàn)象,如圖4-3。5)苯丙氨酸的變化:苯丙氨酸在熱老化時(shí)是穩(wěn)定的,而在光老化時(shí)隨時(shí)間呈線性損失,如圖5-1;在水解老化條件下,開(kāi)始基本上保持不變,約12h時(shí)開(kāi)始呈線形下降,如圖5-2。6)甘氨酸、丙氨酸的變化:雖然約占氨基酸總量60%以上的甘氨酸和丙氨酸是氨基酸中最穩(wěn)定的,但是也表現(xiàn)出一定程度的變化。甘氨酸在熱老化條件下,先是以一級(jí)反應(yīng)速率降低,6天后,又略有回升,如圖6-1;光老化條件下,一開(kāi)始有所降低,隨后變化速率緩慢,6天后降低速率變快,如圖6-2;水解老化初期增高,隨后基本上保持穩(wěn)定,如圖6-3。丙氨酸在熱老化初期成線性下降,約3天后又以一定的速率回升,如圖7-1;光老化條件下,初始變化速率緩慢,6天后損失速率增高,如圖7-2;水解老化初期增高,隨后基本上保持穩(wěn)定,之后又下降,如圖7-3。7)蘇氨酸、谷氨酸的變化:蘇氨酸、谷氨酸在光、熱、水解老化時(shí)均有變化,變化速率低于酪氨酸和甘氨酸。8)除了上面討論的氨基酸外,其余氨基酸的變化速率很小。由上面的分析結(jié)果可知:(1)以芳香族為核的物質(zhì),如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等對(duì)紫外線最敏感。這些氨基酸的側(cè)鏈在光線的照射下,與主鏈切斷。由于這幾種氨基酸以酪氨酸的含量為多,可認(rèn)為蠶絲的耐光性差,關(guān)鍵在酪氨酸上。(2)蘇氨酸、天門(mén)冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸也以一定的速率而損失。說(shuō)明,含有羥基及可電離側(cè)鏈的氨基酸比脂肪族氨基酸老化的速率快。(3)纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸由于位阻效應(yīng),很難發(fā)生水解老化。(4)酪氨酸有可能用作對(duì)光、熱老化程度的評(píng)估。圖8-1為光老化時(shí)酪氨酸含量與強(qiáng)度的關(guān)系,強(qiáng)度的損失與酪氨酸含量的降低似成線性關(guān)系,且變化幅度大,說(shuō)明對(duì)于光老化來(lái)說(shuō),酪氨酸是非常靈敏的指標(biāo)。圖8-2為熱老化時(shí)酪氨酸含量與強(qiáng)度的關(guān)系,強(qiáng)度的損失與酪氨酸含量的降低成線性關(guān)系。(5)天門(mén)冬氨酸有可能用作對(duì)光和水解老化程度的評(píng)詁。圖8-3為水解老化時(shí)天門(mén)冬氨酸含量與強(qiáng)度的關(guān)系,強(qiáng)度的損失與天門(mén)冬氨酸含量的降低成線性關(guān)系。3.2氨基酸組分含量通過(guò)分析、對(duì)比表1中古代絲綢樣品的氨基酸組成可知,古代樣品中甘氨酸:丙氨酸:絲氨酸基本上是桑蠶絲素的特征比值4:3:1,再考慮到它們的時(shí)代,將它們看作桑蠶絲織物似無(wú)問(wèn)題。對(duì)于都蘭和內(nèi)蒙的樣品,由于氨基酸分布相似,因此用其代表性組分的平均值來(lái)進(jìn)行比較,用d代表都蘭出土的絲織品中氨基酸含量的平均值,M表示內(nèi)蒙出土的絲織品中氨基酸含量的平均值。表3為古代絲綢樣品與現(xiàn)代未老化絲中可用于老化程度評(píng)估的氨基酸一天門(mén)冬氨酸、酪氨酸的含量(以100g絲素蛋白質(zhì)中氨基酸殘基的克數(shù)來(lái)表示)。根據(jù)表3以古代絲織品中的氨基酸相對(duì)于現(xiàn)代未老化絲氨基酸的百分含量作條形圖,見(jiàn)圖9。比較H1、H2、H3分析結(jié)果可知,可能是由于絲綿H1夾于H2與H3之間,較少受到光照的損傷,所以其氨基酸的含量高于H2與H3,這從另一個(gè)方面表明對(duì)于出土古代絲織品來(lái)說(shuō),避光保存的重要性。由圖9可知,古代樣品的酪氨酸和天門(mén)冬氨酸均有不同程度的降低,都蘭的樣品中各氨基酸組分含量均較高,所以保存狀況較好,而SX的含量最低,所以保存狀況最差,其次是M、H2與H3,這與實(shí)際觀察的情況相符。結(jié)合人工老化樣品的分析結(jié)果可知,當(dāng)酪氨酸的含量低于4%時(shí)、天門(mén)冬氨酸低于1%時(shí),樣品已非常脆弱,掉渣現(xiàn)象嚴(yán)重,似應(yīng)考慮采取加固保護(hù)措施。3.3氨基酸分析技術(shù)絲素的老化會(huì)導(dǎo)致酪氨酸的顯著降低、酸性及可電離氨基酸的損失。相對(duì)于傳統(tǒng)的紡織品測(cè)試方法來(lái)說(shuō),氨基酸分析可靈敏地檢測(cè)出組分的變化,而由于老化過(guò)程中有一個(gè)宏觀誘導(dǎo)期,用別的分析方法如色差、形貌觀察難以分析出誘導(dǎo)期的變化。此外,這種分析技術(shù)樣品需求量小,不難從殘片的邊緣上獲得,不會(huì)對(duì)文物造成太大的損傷。并可能依據(jù)老化過(guò)程中不同氨基酸的變化,追蹤出土絲綢埋藏環(huán)境及埋藏前的使用狀況。綜上所述,對(duì)于古代出土的絲織品來(lái)說(shuō),氨基酸分析是有效的分析研究手段。都蘭樣品酪氨酸和天門(mén)冬氨酸含量降低的程度較其它古代樣品輕,表明都蘭的樣品保存狀況較好。內(nèi)蒙、陜西樣品酪氨酸和天門(mén)冬氨酸含量均有較大的程度的降低,但陜西樣品的程度略大一些。可見(jiàn)內(nèi)蒙、陜西樣品老化嚴(yán)重,且內(nèi)蒙樣品的較陜西樣品的保存狀況略好一些。這種差別僅通過(guò)觀察或強(qiáng)度分析是難以發(fā)現(xiàn)的。由氨基酸分析可知,湖北樣品酪氨酸和天門(mén)冬氨酸含量均有較大的程度的降低,表明老化嚴(yán)重,且H1較H2、H3略輕一些。4結(jié)晶區(qū)氨基酸比例氨基酸分析是靈敏、有效的評(píng)估絲織品老化程度的方法。氨基酸分析從分子水平上給出各種老化的特征及老化程度,無(wú)論是對(duì)于機(jī)理研究還是對(duì)于老化程度的判定,都很有實(shí)用意義。氨基酸分析結(jié)果表明,都蘭的樣品保存狀況較好,其酪氨酸和天門(mén)冬氨酸含量降低得較少;而其它地區(qū)樣品的酪氨酸和天門(mén)冬氨酸含量大幅度降低,已處于很脆弱的狀況。(6)蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸雖然也有變化,但幅度小,不夠靈敏。苯丙氨酸、色氨酸含量過(guò)于低,分析誤差相對(duì)較大,作為定量應(yīng)用受到一定的限制。(7)一個(gè)比較有意思的現(xiàn)象是水解老化后,絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸含量的增加。這是因?yàn)榻z素中結(jié)晶區(qū)與非晶區(qū)的化學(xué)組成的差異所造成的。由表2可知,在結(jié)晶區(qū)氨基酸比例最多的是甘氨酸和丙氨酸,其次是絲氨酸,合占96%以上。該比例高于這三種氨基酸在整個(gè)絲素化學(xué)組成中占有的比例。由于這幾種氨基酸的側(cè)基最小、最簡(jiǎn)單,成絲時(shí)能籍氫鍵在相互間形成良好的聯(lián)結(jié),因此主要由這一部分氨基酸構(gòu)成多肽長(zhǎng)鏈分子中的結(jié)晶區(qū)。在非結(jié)晶部分中,甘氨酸與丙氨酸仍是它們的主要部分,但所占的比重較結(jié)晶部分要少一些,并且出現(xiàn)了許多種側(cè)基龐大的氨基酸(如脯氨酸、組氨酸),且酪氨酸的含量大大增加。雖然有相當(dāng)比例的甘氨酸與丙氨酸,而且也有比較多的極性氨基