古代皮革劣化機理的研究

張 楊，劉雪剛，尹 浩，陳虹君，楊寧靜，龔德才

(1. 中國科學技術大學，安徽合肥 230026； 2. 荊州文物保護中心，湖北荊州 434020；3. 武漢晴川學院，湖北武漢 430204)

0 引 言

皮革由動物皮制作而成，是一種天然高分子材料，易受環境影響發生劣化。古代皮革在溫度、濕度、有害氣體、光、微生物、塵埃等復雜環境條件長期影響下，其主要成分膠原蛋白氧化、水解，制作時使用的植物鞣劑單寧、脂類等物質發生降解或流失，劣化現象十分嚴重。古代皮革的劣化機理一直以來都是文物保護工作者的研究重點。

氨基酸是構成皮革膠原蛋白的基本單位，在18種氨基酸中甘氨酸(Gly，33%)、脯氨酸(Pro，13%)、羥脯氨酸(Hyp，10%)、丙氨酸(Ala，10%)、谷氨酸(Glu，0.69%)、天冬氨酸(Asp，0.44%)、精氨酸(Arg，0.5%)、賴氨酸(Lys，0.27%)、組氨酸(His，0.04%)等9種氨基酸含量占比較高[1]，谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、精氨酸(Arg)、賴氨酸(Lys)、組氨酸(His)容易被氧化。有研究表明，不同種類氨基酸呈現出不同的熱穩定性，分解揮發產物和分解過程也各不一樣[2]。因此，可以通過分析氨基酸熱裂解過程和相應的揮發產物來表征膠原蛋白的化學特性，探究古代皮革的劣化機理。

熱重-傅里葉變換紅外光譜(TG-FTIR)和熱裂解氣相色譜質譜(Py-GC/MS)聯用技術在高分子材料的熱穩定性和熱降解機理的研究中得到了廣泛應用[3-5]。Cucos等[6]采用熱重-微分熱重-紅外聯用技術(TG-DTG-FTIR)研究發現氮氣條件下膠原蛋白的熱裂解過程分為兩個階段，逸出氣體有吡咯、氫氰酸、乙烷等。Yang等[7]通過逸出氣體研究了牛皮膠原纖維的熱分解過程，闡述了膠原纖維的熱分解機理以及分解途徑。Sebestyén等[8]采用熱重質譜聯用技術(TG-MS)、熱裂解氣相色譜質譜聯用技術(Py-GC/MS)研究了古代皮革和羊皮紙的老化機理，表征了皮革和羊皮紙在老化過程中的結構和化學變化。Marcilla[9]研究認為不同鞣劑鞣制的皮革分解溫度下降程度不一樣，經堿處理后的皮革最高分解溫度下降。上述研究采用了不同的熱分析技術對膠原蛋白、牛皮膠原纖維、古代皮革(源自1832年意大利都靈大學歷史檔案館裝訂本)和羊皮紙等有機高分子物質的熱分解行為進行了探討，但此類技術用于中國古代皮革的研究鮮有報道。

本工作采用TG-FTIR和Py-GC/MS熱分析聯用技術，以現代皮革、人工老化皮革作為古代皮革的參考樣品，研究古代皮革的劣化機理。同時，對皮革樣品熱裂解過程中氨基酸、酚類和脂類等物質的揮發產物進行量化分析，進而評估古代皮革的劣化程度。文中TG-FTIR技術用于研究皮革的熱降解過程，通過分析降解產物以及形成原因，來表征皮革熱分解特性及其劣化對性能的影響。Py-GC/MS技術用于研究皮革熱裂解反應，通過分析熱分解產物及來源闡述皮革文物的劣化機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

現代皮革樣品(new leather)為植鞣牛皮革。古代皮革樣品(編號old1)為戰國時期皮革制品，出土于荊門郭家崗M1號戰國墓，由荊門博物館提供。古代皮革樣品(編號old2、old3)為戰國時期皮革制品，出土于荊州夏家臺M258號戰國墓，由荊州博物館提供。

NaOH，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。Ca(OH)2，分析純，天津市光復精細化工研究所。硫酸銨，分析純，生工生物工程(上海)股份有限公司。膠原蛋白，優級純，生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 樣品處理

1.2.1古代皮革樣品 用去離子水將古代皮革樣品(old1、old2、old3)表面清洗干凈，室溫下自然干燥數天。

1.2.2人工老化皮革樣品 Sebestyén等[8]的研究結果表明，堿熱老化能使膠原蛋白的結構發生化學變化，改變皮革中單寧的含量，與古代皮革的自然老化類似。因此，本實驗采用堿熱老化的方法制備人工老化皮革樣品以期為古代皮革樣品提供參考。人工老化皮革樣品(aged leather)由現代皮革樣品經老化處理而成，具體方法如下：先將現代皮革裁剪成4 cm×4 cm大小樣品，浸泡在質量濃度分別為4%和0.5%的Ca(OH)2和NaOH的混合溶液中，溫度25 ℃，2 d后取出；用1%濃度硫酸銨溶液漂洗，然后浸泡在去離子水中直至pH值為中性；最后將樣品放入120 ℃烘箱，4 d后取出，放置溫度20 ℃、濕度55%的恒溫恒濕箱中，1 d后取出備用。

1.3 檢測分析

1.3.1熱重紅外(TG-FTIR)分析 TG-FTIR聯用分析使用珀金埃爾默股份有限公司Pyris 1型熱分析儀和傅里葉變換紅外光譜儀。將皮革樣品放入氧化鋁坩堝內，儀器自動讀出樣品質量，在氦氣環境下，流量為50 mL/min，溫度從室溫(25 ℃)加熱至1 000 ℃，升溫速率為20 ℃/min，紅外儀與熱分析儀連接管溫度為280 ℃，紅外原位氣體池溫度為280 ℃。

1.3.2熱裂解氣相色譜-質譜(Py-GC/MS)分析

熱裂解儀(PY-3030D日本Frontier)，氣相色譜質譜聯用儀(QP2010 Ultra島津公司(SHIMADZU))。待測樣量為5 mg，試驗氣氛為氦氣，柱流量1.11 mL/min，總流量72.5 mL/min，裂解溫度為600 ℃，裂解時間為12 s，GC色譜柱為DB-5MS，30 m×0.25 μm×0.25 μm，進樣口溫度為320 ℃，柱溫為40 ℃保持4 min，6 ℃/min升至280 ℃，保持5 min，電子能量70 eV，掃描范圍為14～500 m/z，掃描速率為0.3 scan/s。

2 結果與討論

2.1 皮革熱降解過程

圖1為現代皮革、人工老化皮革和古代皮革樣品的熱重(TG/DTG)曲線。從圖1a和1b中可以看出，3種皮革的熱降解曲線圖基本一致。所有皮革樣品熱降解過程主要分為兩個階段：第一個階段溫度范圍在25～120 ℃，失重約5%。第二個階段溫度范圍在180～550 ℃，失重約50%～58%?，F代皮革樣品熱降解第一階段溫度范圍在25～140 ℃(圖1c)，人工老化皮革樣品熱降解第一階段溫度范圍在25～200 ℃(圖1d)，古代皮革樣品熱降解第一個階段溫度范圍在25～170 ℃(圖1e～1g)。人工老化皮革樣品和古代皮革樣品熱降解第一個階段溫度范圍較現代皮革樣品更大一些。

圖1 現代皮革、人工老化皮革和古代皮革樣品TG/DTG曲線Fig.1 TG/DTG curves for new， aged and historical leathers

現代皮革、人工老化皮革和古代皮革樣品熱降解階段溫度和重量變化情況見表1。第一降解階段主要是皮革中水分的揮發，此階段重量損失比較少，當溫度達到100 ℃時，重量減小速率最大?，F代皮革樣品在第一降解階段失重3.49%，3個古代皮革樣品和人工老化皮革樣品失重分別為5.20%、7.31%、4.56%和6.18%，均大于現代皮革樣品，其原因可能與皮革中水的狀態有關。古代皮革樣品和人工老化皮革樣品由于劣化過程中膠原蛋白螺旋結構遭到破壞，螺旋結構中的束縛水所受作用力減弱，其狀態發生變化，從螺旋結構中遷移了出來，束縛水相對含量減少，皮革中的水以游離水為主。而現代皮革樣品中的水以束縛水為主，游離水的相對含量較低。因此，古代皮革中的水在受熱條件下較現代皮革更容易揮發。第二降解階段是膠原蛋白發生降解的主要階段，也是皮革中其他物質降解的階段，所有皮革樣品失重都比較明顯。此階段，人工老化皮革樣品較現代皮革樣品失重程度明顯降低，除了古代皮革樣品old1外，現代皮革樣品失重大于古代皮革樣品。可能原因是現代皮革樣品中可降解的膠原蛋白、單寧、脂類等有機質物質含量比古代皮革多，這些物質在第二階段發生了降解，而古代皮革樣品和人工老化皮革樣品中的這些有機物質在埋藏和老化過程中已發生了降解。

表1 現代皮革、人工老化皮革、古代皮革熱降解階段溫度和重量變化情況Table 1 Temperatures and weight changes during the thermal degradation of new， aged and historical leathers

從表1中可以看到，3個古代皮革樣品在第一降解階段最大失重速率溫度分別為110 ℃、80 ℃、67 ℃，均高于現代皮革樣品。原因可能與水的狀態有關，水的狀態決定了最大失重速率溫度。皮革中存在兩種狀態的水，束縛水和游離水，現代皮革以束縛水為主，而古代皮革中的水以游離水為主，在劣化過程中流失掉了，因此在加熱過程中表現相對穩定。在第二降解階段，現代皮革最大失重速率溫度為330 ℃，所有古代皮革樣品失重速率最大時對應的溫度均高于現代皮革樣品。可能的原因有以下兩種：一是現代皮革樣品中易降解的小分子物質多，如油脂類物質，這些小分子物質不穩定，在較低溫度時就開始揮發。而古代皮革經歷了長時間的氧化、水解，其中含有的小分子物質已經降解，殘留下來的主要是膠原蛋白類大分子物質，所以在物質揮發主要階段表現更穩定。人工老化皮革樣品中的小分子物質在堿水解和熱老化處理過程中就已經降解，其與古代皮革表現出相似特性；二是由于古代皮革膠原蛋白的變性引起的。有研究結果顯示，膠原蛋白降解第二階段失重速率最大時對應溫度約在340±10 ℃，明膠(變性的膠原蛋白)降解溫度則更高，約420±10 ℃[10]。這表明：變性膠原蛋白降解第二階段失重速率最大時對應溫度明顯高于未變性膠原蛋白。古代皮革膠原蛋白已發生變性，因此在降解第二階段失重速率最大時的溫度比現代皮革要高。

當溫度達到1 000 ℃時，除了古代皮革old1以外，其他樣品降解后的碳質殘渣量大致相同，約占總量的27%。從表1中可知，古代皮革樣品old1～old3碳質殘渣少于現代皮革樣品，old1樣品碳質殘渣最少，約22%；old2樣品與現代皮革樣品基本一樣，約27%。碳質殘渣與樣品中氨基酸含量以及單寧有關。現代皮革樣品的碳質殘渣比人工老化皮革樣品和古代皮革樣品多的原因有可能是：現代皮革樣品中鞣劑單寧的含量比古代皮革和人工老化皮革高。古代皮革樣品中的鞣劑單寧已降解一部分，而現代皮革樣品尚未老化，其中單寧得以保存。有研究表明植鞣革中約13%的碳質殘渣來源于單寧[11]，因此，現代皮革樣品所剩碳質殘渣比古代的多，增加的碳質殘渣可能源于鞣劑單寧。經堿處理的人工老化樣品碳質殘渣為29.60%，略高于現代樣品，可能與人工老化時使用的氫氧化鈣有關。

2.2 皮革熱分解揮發產物

圖2為古代皮革樣品old1和現代皮革樣品分別在180 ℃、230 ℃、280 ℃、330 ℃、380 ℃等不同溫度點時揮發產物的紅外光譜圖。從圖2中可知，古代皮革樣品old1和現代皮革樣品熱分解過程一樣，分解揮發產物主要有氨氣(NH3)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)、異氰酸(HNCO)，分解溫度范圍介于180～380 ℃。在熱分解過程中不同溫度點的揮發產物基本相同。在180 ℃溫度時，伴隨有二氧化碳和水分的揮發。當溫度達到280 ℃時，可以觀察到在964 cm-1處有紅外吸收峰，此處歸屬為NH3特征吸收峰，表明氨基酸開始分解，產生氨氣，氨氣源于膠原蛋白的脫氨基反應。當溫度升高到330 ℃時，主要是氨基酸的分解，此時失重速率最大，揮發產物最多，產生的氣體有CO2(2 358 cm-1)、H2O(3 400～4 000 cm-1)、NH3(965 cm-1)、HNCO(2 250 cm-1)等[12]，其中CO2紅外譜峰強度最大，NH3譜峰強度達到最大說明氨基酸的分解最為劇烈。此外，在2 850～3 000 cm-1處出現了一個寬峰，峰高值為2 940 cm-1，有可能是氨基酸分子片段中的C-H。在1 730 cm-1處C-O化合物歸于氨基酸羰基的紅外吸收峰。隨著溫度進一步升高，NH3、HNCO等揮發產物紅外光譜吸收峰強度逐漸減弱，表明揮發氣體開始減少，氨基酸的分解反應逐漸停止。

圖2 古代皮革樣品old1、現代皮革樣品在不同溫度點熱分解產物紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of thermal decomposition products of old1 and new leathers at different temperature points

鑒于330℃時是氨基酸的主要分解階段，且揮發產物最多，將所有樣品330 ℃時揮發產物的紅外光譜圖進行了比較。圖3是現代皮革樣品、人工老化皮革樣品和古代皮革樣品在330 ℃時揮發產物的紅外譜圖。從圖3中可知，現代皮革樣品、人工老化皮革樣品和古代皮革樣品在主要分解階段揮發產物基本一樣，只是在吸收峰強度上略有區別，這與樣品中主要成分膠原蛋白的含量有關。

圖3 現代皮革、人工老化皮革和古代皮革樣品在330 ℃時熱分解揮發產物紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of thermal decomposition products of new， aged and historical leathers at 330 ℃

2.3 皮革熱裂解產物

2.3.1熱裂解揮發產物及來源 皮革樣品熱裂解揮發產物有一百多種，主要是氨氣(NH3)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)、二酮哌嗪類化合物(DKP)、氫氰酸(HCN)、吡咯(C4H5N)等。圖4為現代皮革、人工老化皮革和古代皮革裂解色譜圖，表2列出了對應的40種皮革熱裂解揮發產物及其相對含量。

表2 皮革樣品熱裂解主要揮發產物及其相對含量Table 2 Main pyrolytic products released in the Py-GC/MS experiment of leather samples

圖4 現代皮革、人工老化皮革、古代皮革裂解色譜圖Fig.4 Pyrolysis chromatograms of new， aged and historical leathers

編號1～3號小分子量揮發產物源于膠原蛋白類物質，主要是由H2O、CO2和NH3組成。由于在色譜柱中沒有徹底分離，所以在裂解色譜圖中不能完全區分開來。但是熱重紅外檢測結果表明皮革熱分解產物主要是NH3、CO2和H2O，這3種揮發產物相對百分含量非常高，占到總量的1/3以上，在古代皮革old1中相對百分含量約為36%，old2、old3中的相對百分含量約為47%，幾乎占總量的一半。留存的古代皮革主要成分以膠原蛋白為主，其基本構成是氨基酸，含有大量氨基結構，由于側鏈氨基結構穩定性較差，容易氧化。因此，遇熱時側鏈氨基結構首先被破壞，釋放出NH3。NH3、CO2的產生表明氨基酸中氨基和羧基基團的失去[8]。

二酮哌嗪類化合物是甘氨?；嚯臒峤鈸]發產物[13]，主要來源于甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸、羥脯氨酸等氨基酸殘基，是熱解過程中蛋白分子N端氨基酸殘基環化形成[7]，進一步降解為Pro-Gly(no.32)、Pro-Pro(no.34)、Pro-Hyp(no.40)等二肽[14]。二酮哌嗪類化合物是皮革熱解主要產物之一，這主要是由于膠原蛋白中甘氨酸的含量最大，占比多達34.23%。對比現代皮革樣品和古代皮革樣品在裂解過程中二酮哌嗪類化合物的相對揮發量和強度，發現區別并不明顯，這說明老化過程對氨基酸鏈結構改變并不明顯。此外，氨氣揮發量與皮革中含氮量有關。有研究表明保存較好或水解程度不高的膠原蛋白多肽鏈的長度更長，在熱解過程中二酮哌嗪類化合物的產量更多[15]。如果水解完全一些，多肽則分解成小分子碎片，二酮哌嗪類化合物的揮發量會減少。

氫氰酸(HCN)來源于脯氨酸，脯氨酸含氮雜環結構在加熱過程中會發生分解，產生HCN[16]。吡咯是皮革熱解的典型揮發產物，源于膠原蛋白中氨基酸含量占比第二高的脯氨酸，也是羥脯氨酸裂解主要產物[17]，是羥脯氨酸脫水后又脫氫形成的[18]。吡咯來源于脯氨酸和羥脯氨酸[19]。苯酚是鞣劑單寧的主要成分。現代皮革樣品揮發產物有苯酚以及鄰甲酚、對甲酚、2，6-二甲基苯酚等酚類化合物(No.24，No.26～28)，說明現代皮革樣品中存在植物鞣劑單寧，并參與了熱裂解過程中的反應。而人工老化皮革樣品和古代皮革樣品中僅檢測出少部分酚類物質，說明植物鞣劑單寧在古代皮革劣化過程中發生了降解，殘留有少量的單寧。芳香烴則源于膠原蛋白氨基酸殘基的側鏈基團苯基。

2.3.2氨基酸、酚類和脂類揮發產物的量化分析 表3為皮革樣品和純膠原蛋白熱分解過程中氨基酸、酚類和脂類等物質揮發產物的百分含量。從表中可以看到，純膠原蛋白二酮哌嗪類化合物的揮發量為34.23%，而古代皮革樣品old1、old2、old3分別為24.61%、16.08%和13.51%。說明3個古代皮革膠原蛋白水解程度各不一樣，可能與皮革不同的埋藏環境有關。

表3 現代皮革樣品、人工老化皮革樣品、古代皮革樣品和純膠原蛋白主要揮發物質百分含量Table 3 Percentages of major volatile substances from new， aged, historical leathers and collagen (%)

此外，現代皮革樣品和古代皮革樣品中(old1除外)均檢測出苯酚，說明古代皮革制作時經過鞣制處理，使用的是植物鞣劑。現代皮革樣品中酚類揮發產物的相對百分含量大于古代皮革樣品和人工老化皮革樣品，說明古代皮革和人工老化皮革中的鞣劑單寧在埋藏過程、人工老化過程中發生了降解，參與了老化過程，與其劣化有關。從酚類物質揮發量可以看出，樣品old3中殘留單寧數量最多，old1中殘留最少，表明old3在劣化過程中單寧流失最少，old1中單寧降解最嚴重。

皮革是生皮經鞣制、加脂處理而成，脂類物質通常是皮革加工過程中使用的材料，其作用是使皮革變得柔軟，有彈性。表3數據顯示，現代皮革樣品脂類物質含量較古代皮革樣品高。現代皮革樣品中測出酯類揮發產物的相對百分含量為2.76%，而古代皮革樣品中測出的酯類揮發產物極少，其中一個含量僅為0.08%，另外2個古代樣品的含量為0，表明古代皮革在劣化過程中脂類物質已完全降解，流失殆盡。人工老化皮革樣品中檢出的酯類揮發產物百分含量高于現代樣品，其主要原因可能有兩點，一是由于現代皮革樣品中的油脂類物質在熱裂解過程氧化生成了醛類和酮類等物質[20]，而人工老化皮革樣品中檢出的醛類和酮類很少。二是可能與人工老化條件有關系，老化樣品經過堿水解和熱老化處理。純膠原蛋白中因不含脂類和酚類物質，所以相應揮發產物都沒有產生。

隨著劣化的發生，古代皮革中膠原蛋白、鞣劑單寧以及脂類物質的含量都會減少，其中鞣劑和脂類物質減少尤為明顯，殘留下來的大部分是膠原蛋白，還有極少的酚類、脂類物質，因此膠原蛋白的相對百分含量增加，導致古代皮革樣品和人工老化皮革樣品中膠原蛋白的相對百分含量數值大于現代皮革樣品。同時也造成膠原蛋白的揮發產物——二酮哌嗪類化合物、氨氣、二氧化碳等所占相對百分比值也相應變大。

3 結 論

采用TG-FTIR和Py-GC/MS兩種熱分析聯用技術，對比研究了現代皮革、人工老化皮革和古代皮革的熱分解反應，得到以下結果。

1) 現代皮革、人工老化皮革和古代皮革的熱降解情況基本一致。所有皮革樣品熱降解過程主要分為兩個階段：第一個階段以水的揮發為主，溫度范圍在25～120 ℃，失重約5%。第二個階段以膠原蛋白的熱分解為主，溫度范圍在180～550 ℃，失重約50%～58%，主要發生氨基酸的脫水、脫羧、脫氨、脫氫、側鏈斷裂等化學反應，分解產物有水、二氧化碳、氨氣、二酮哌嗪類化合物、異氰酸、氫氰酸、吡咯、甲烷等。

2) 皮革樣品熱裂解主要揮發產物是氨氣、水、二氧化碳、二酮哌嗪類化合物、氫氰酸、吡咯等。氨氣、二氧化碳和水這3種揮發產物相對百分含量非常高，占到總量的1/3以上，在old1中相對百分含量約為36%，old2、old3中的相對百分含量均約為47%，幾乎占總量的一半，表明古代皮革中殘留下來的主要是膠原蛋白。

3) 古代皮革中的膠原蛋白、單寧和脂類物質在劣化過程中會發生降解或流失。因此，可以根據這些物質在熱解過程中的揮發產物以及相對百分含量來量化評估古代皮革的劣化程度。