丝织品老化过程中氨基酸的测定

丝织品老化过程中氨基酸的测定

1丝织品的分子分析和老化趋势丝绸是由蛋白质组成的高科技材料，易于受多种因素的影响，抗分解和老化。如同高分子聚合物的老化一样,丝织品的老化是指改变其结构或性能的任何过程。对古代丝织品的老化原因及老化程度的确定,是研究、选择及评价保护方法的重要依据,并可为后人提供与丝绸文物保存状况及其变化有关的基本信息资料,从而使对丝织品的长期跟踪研究、保护成为可能。分子水平的反应可能只有在大量的损害发生后,才能用眼睛观察到,仅凭视觉观察确定丝织品的保存状况是不够的。从分子水平上对丝绸老化的研究是基于对丝绸中氨基酸组分的分析研究。国外有人对经紫外光老化前后的丝绸中氨基酸组分进行了分析研究,结果表明老化前后部分氨基酸组分发生变化。本研究通过氨基酸分析对丝织品老化原因及程度进行了研究。所用样品为人工老化的白色丝织品和分别来自湖北、内蒙古、青海出土的古代丝织品。人工老化包括光老化、热老化和水解老化。目的是了解氨基酸分析是否能够成为有效的研究丝织品老化原因及检测丝织品老化程度的方法。2实验2.1丝织品的保存状况本研究使用的实验材料分两部分:一部分是人工老化的现代丝织品,人工老化包括光老化、热老化和水解老化,老化方法与我们以前报道相同;一部分是不同地点出土、不同保存状况的古代丝织品,分别出土于湖北江陵凤凰山西汉墓、陕西白水宋墓、青海都兰吐蕃墓、内蒙赤峰大营子辽驸马墓,均为随葬织物残片,共计23个。1974年与长沙马王堆同时代的湖北江陵凤凰山西汉墓出土了大批精美的纺织品,突出地表明了西汉初期纺织手工业所达到的高度工艺技术水平。有的丝织品保存状况好,有的则较差,分析所用的三个样品H1、H2、H3来自一件棉袄。H1为中间的丝棉,H2为棉袄表面的锦,H3为棉袄里子的绢,样品均有脆化、酥粉现象,无柔韧性一折就断,有掉碴现象。陕西白水宋墓出土的丝织品保存状况很差,丝织品无柔韧性,脆化、酥粉现象严重,触之即掉碴,分析所用样品的编号为SX。青海都兰吐蕃墓出土的丝织品保存状况则较好,柔韧性好,有较高的强度,分析所用的样品d1为红色的锦,d2为紫色的绫,d3为紫色的绢,d4为绿色绢,d5红色印花绫,d6棕色绢,d7黄色绫,d8绿色纱,d9绿色绫。1954年在内蒙赤峰大营子辽驸马墓中出土大量紫色绣金的丝织品,大部分是衣服的残片,丝织品保存状况很差,出土时就很糟朽,发硬、发脆,粉化、掉碴现象严重,无柔韧性,一折就断。分析所用的样品M1为提花纱,M2、M3为缂金纱,M4为菱纹提花纱,M5为绢,M6为织金纱,M7为绫,M8为纱,M9为织金绫,M10为绫。2.2氨基酸自动分析为了解老化而导致的各氨基酸组分含量的变化,一般需要2～3mg样品。将称好的样品用6mol/L的HCl在110℃恒温烘箱中水解22小时,然后用美国Waters公司产的氨基酸自动分析仪进行分离及检测。色谱条件:氨基酸分析使用阳离子交换柱。检测器:Waters470荧光检测器。柱温为65℃,洗脱梯度为100%A～100%B线性梯度洗脱。根据色谱图中各个氨基酸的峰面积即可得出各个氨基酸的百分含量。3结果与讨论未老化样品、人工老化丝绸样品及古代丝绸样品的氨基酸分析结果见表1。3.1我国光、热、水老化条件下的氨基酸化学组成变化表1未老化丝绸样品的氨基酸组成表明本研究所用的现代丝绸与桑蚕茧丝素的组成基本一致,说明该丝绸为经过脱胶处理的丝织品。对于光老化和热老化的丝绸样品来说,均有氨基酸总量的失重现象,而水解老化过程中先是增重,后才有失重现象。以氨基酸总量相对于老化时由表1可知,每种氨基酸的变化速率是不相同的,且同种氨基酸在不同的老化条件下变化速率也是不同的。兹将各氨基酸的变化情况讨论如下:1)色氨酸的变化:由表1可知,无论是光、热还是水解老化,均伴随有色氨酸的逐步减少。2)酪氨酸的变化:酪氨酸在光、热老化时均有不同程度的损失。在光照老化条件下,酪氨酸损失的很快,在老化的最初阶段变化速率较大,随后趋于间作图,图1-1、图1-2、图1-3分别为热、光及水解老化的失重曲线图。由图1-1可知,该曲线是一级反应方程,热老化从第三天开始趋缓;而光老化的失重呈线形下降,见图1-2;水解老化一开始氨基酸总量增加约6%,然后基本上保持不变,到一定时间(约12小时)时,又有失重现象发生,见图1-3。缓和,如图2-1。图2-1说明酪氨酸对光非常敏感,因此,酪氨酸的损失是光老化发生的证据之一。该结果与抗拉强度的实验结果一致。在热老化条件下,酪氨酸的含量与老化时间的关系如图2-2,为典型的一级反应方程,该结果也与抗拉强度的实验结果一致。水解老化时酪氨酸一开始略有损失,随后保持不变,形成一平台,老化到一定程度时又降低,如图2-3。表2为国产桑蚕丝晶态与非晶态化学组成分析结果(以100g丝素蛋白质中氨基酸残基的克数来表示)。由表2可知,在桑蚕丝素中,酪氨酸大部分分布于非晶区中,但同时在结晶区中也有分布。由于在老化过程中非晶区更易于受到破坏,且酪氨酸侧基中活泼的苯酚基很容易和酸、碱、光、热等影响因素作用,因此在受到光、热、水解老化时会发生较大的变化。在水解老化时,一开始非晶区的破坏导致酪氨酸含量降低,随后以较缓慢的速度作用于结晶区,形成一平台,当结晶区遭到破坏时,酪氨酸含量又降低。3)天门冬氨酸的变化:天门冬氨酸在热老化时是稳定的,但在光老化和水解老化条件下,含量随老化时间而降低,均为典型的一级反应方程,如图3-1和图3-2。4)丝氨酸的变化:丝氨酸在热老化条件下含量与老化时间的关系如图4-1,一开始略有下降,随后形成一平台,直到约6天时才又有明显的降低;在光老化时含量的降低与老化时间的关系如图4-2,一开始下降速率较快,随后速率变缓,直到约12天时才又有明显的降低;而在水解老化时有增重现象,如图4-3。5)苯丙氨酸的变化:苯丙氨酸在热老化时是稳定的,而在光老化时随时间呈线性损失,如图5-1;在水解老化条件下,开始基本上保持不变,约12h时开始呈线形下降,如图5-2。6)甘氨酸、丙氨酸的变化:虽然约占氨基酸总量60%以上的甘氨酸和丙氨酸是氨基酸中最稳定的,但是也表现出一定程度的变化。甘氨酸在热老化条件下,先是以一级反应速率降低,6天后,又略有回升,如图6-1;光老化条件下,一开始有所降低,随后变化速率缓慢,6天后降低速率变快,如图6-2;水解老化初期增高,随后基本上保持稳定,如图6-3。丙氨酸在热老化初期成线性下降,约3天后又以一定的速率回升,如图7-1;光老化条件下,初始变化速率缓慢,6天后损失速率增高,如图7-2;水解老化初期增高,随后基本上保持稳定,之后又下降,如图7-3。7)苏氨酸、谷氨酸的变化:苏氨酸、谷氨酸在光、热、水解老化时均有变化,变化速率低于酪氨酸和甘氨酸。8)除了上面讨论的氨基酸外,其余氨基酸的变化速率很小。由上面的分析结果可知:(1)以芳香族为核的物质,如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等对紫外线最敏感。这些氨基酸的侧链在光线的照射下,与主链切断。由于这几种氨基酸以酪氨酸的含量为多,可认为蚕丝的耐光性差,关键在酪氨酸上。(2)苏氨酸、天门冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸也以一定的速率而损失。说明,含有羟基及可电离侧链的氨基酸比脂肪族氨基酸老化的速率快。(3)缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸由于位阻效应,很难发生水解老化。(4)酪氨酸有可能用作对光、热老化程度的评估。图8-1为光老化时酪氨酸含量与强度的关系,强度的损失与酪氨酸含量的降低似成线性关系,且变化幅度大,说明对于光老化来说,酪氨酸是非常灵敏的指标。图8-2为热老化时酪氨酸含量与强度的关系,强度的损失与酪氨酸含量的降低成线性关系。(5)天门冬氨酸有可能用作对光和水解老化程度的评诂。图8-3为水解老化时天门冬氨酸含量与强度的关系,强度的损失与天门冬氨酸含量的降低成线性关系。3.2氨基酸组分含量通过分析、对比表1中古代丝绸样品的氨基酸组成可知,古代样品中甘氨酸:丙氨酸:丝氨酸基本上是桑蚕丝素的特征比值4:3:1,再考虑到它们的时代,将它们看作桑蚕丝织物似无问题。对于都兰和内蒙的样品,由于氨基酸分布相似,因此用其代表性组分的平均值来进行比较,用d代表都兰出土的丝织品中氨基酸含量的平均值,M表示内蒙出土的丝织品中氨基酸含量的平均值。表3为古代丝绸样品与现代未老化丝中可用于老化程度评估的氨基酸一天门冬氨酸、酪氨酸的含量(以100g丝素蛋白质中氨基酸残基的克数来表示)。根据表3以古代丝织品中的氨基酸相对于现代未老化丝氨基酸的百分含量作条形图,见图9。比较H1、H2、H3分析结果可知,可能是由于丝绵H1夹于H2与H3之间,较少受到光照的损伤,所以其氨基酸的含量高于H2与H3,这从另一个方面表明对于出土古代丝织品来说,避光保存的重要性。由图9可知,古代样品的酪氨酸和天门冬氨酸均有不同程度的降低,都兰的样品中各氨基酸组分含量均较高,所以保存状况较好,而SX的含量最低,所以保存状况最差,其次是M、H2与H3,这与实际观察的情况相符。结合人工老化样品的分析结果可知,当酪氨酸的含量低于4%时、天门冬氨酸低于1%时,样品已非常脆弱,掉渣现象严重,似应考虑采取加固保护措施。3.3氨基酸分析技术丝素的老化会导致酪氨酸的显著降低、酸性及可电离氨基酸的损失。相对于传统的纺织品测试方法来说,氨基酸分析可灵敏地检测出组分的变化,而由于老化过程中有一个宏观诱导期,用别的分析方法如色差、形貌观察难以分析出诱导期的变化。此外,这种分析技术样品需求量小,不难从残片的边缘上获得,不会对文物造成太大的损伤。并可能依据老化过程中不同氨基酸的变化,追踪出土丝绸埋藏环境及埋藏前的使用状况。综上所述,对于古代出土的丝织品来说,氨基酸分析是有效的分析研究手段。都兰样品酪氨酸和天门冬氨酸含量降低的程度较其它古代样品轻,表明都兰的样品保存状况较好。内蒙、陕西样品酪氨酸和天门冬氨酸含量均有较大的程度的降低,但陕西样品的程度略大一些。可见内蒙、陕西样品老化严重,且内蒙样品的较陕西样品的保存状况略好一些。这种差别仅通过观察或强度分析是难以发现的。由氨基酸分析可知,湖北样品酪氨酸和天门冬氨酸含量均有较大的程度的降低,表明老化严重,且H1较H2、H3略轻一些。4结晶区氨基酸比例氨基酸分析是灵敏、有效的评估丝织品老化程度的方法。氨基酸分析从分子水平上给出各种老化的特征及老化程度,无论是对于机理研究还是对于老化程度的判定,都很有实用意义。氨基酸分析结果表明,都兰的样品保存状况较好,其酪氨酸和天门冬氨酸含量降低得较少;而其它地区样品的酪氨酸和天门冬氨酸含量大幅度降低,已处于很脆弱的状况。(6)苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸虽然也有变化,但幅度小,不够灵敏。苯丙氨酸、色氨酸含量过于低,分析误差相对较大,作为定量应用受到一定的限制。(7)一个比较有意思的现象是水解老化后,丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸含量的增加。这是因为丝素中结晶区与非晶区的化学组成的差异所造成的。由表2可知,在结晶区氨基酸比例最多的是甘氨酸和丙氨酸,其次是丝氨酸,合占96%以上。该比例高于这三种氨基酸在整个丝素化学组成中占有的比例。由于这几种氨基酸的侧基最小、最简单,成丝时能籍氢键在相互间形成良好的联结,因此主要由这一部分氨基酸构成多肽长链分子中的结晶区。在非结晶部分中,甘氨酸与丙氨酸仍是它们的主要部分,但所占的比重较结晶部分要少一些,并且出现了许多种侧基庞大的氨基酸(如脯氨酸、组氨酸),且酪氨酸的含量大大增加。虽然有相当比例的甘氨酸与丙氨酸,而且也有比较多的极性氨基