中国古建彩画中血料氨基酸组成的线性判别分析及其应用研究

杨璐 黄建华 王丽琴 马珍珍 陈欣楠 杨富巍

摘要：血料是古代建筑彩画中常用的地仗胶料。为了准确分析出古建彩画中残留的胶料种类，该文使用气相色谱质谱联用法（GC-MS）分析了血料参考样品的氨基酸组成，并与其他常用胶料进行比较，发现血料中不含羟脯氨酸，且呈现谷氨酸／丙氨酸的比值较低，丝氨酸／脯氨酸的比值较高的特点。使用线性判别分析（LDA）拟合并验证了可用于彩画胶料种类判别的稳定函数。将该函数应用在两件颐和园仁寿殿上架彩画样品胶料的分析中，发现文物样品胶料的氨基酸组成兼具血料和皮胶的特征。得出了使用该模型可以实现血料的成功判别，以及颐和园彩画样品的颜料层胶料为皮胶且流失严重，其中血料是因下层地仗胶料的混入导致的结论。

关键词：建筑彩画;血料;线性判别分析

中图分类号：K854.2

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-04-010开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

LDA of amino acid composition of blood glue used in Chinese ancient

architectural color paintings and its application

YANG Lu1， HUANG Jianhua2，3， WANG Liqin1， MA Zhenzhen4，CHEN Xinnan1， YANG Fuwei1

（1.School of Cultural Heritage， Key Laboratory of Cultural Heritage Research and Conservation， Ministry of Education，

Northwest University， Xi′an 710069， China;

2.Key Scientific Research Base of Ancient Polychrome Pottery Conservation of State Administration of Culture Heritage，

Xi′an 710600， China;3.The Museum of the Terracotta and Horses of Qin Shihuang， Xi′an 710600， China;

4.Shaanxi Academy of Archaeology， Xi′an 710043， China）

Abstract： Blood glue is commonly used in ancient architectural color painting. To identify the kinds of glue in color paintings accurately， the amino acids composition of blood glue reference samples were determined by GC-MS. Comparing with other glue reference samples， it was found that the blood glue did not contain hydroxyproline， the ratio of glutamic acid to alanine was low， and the ratio of serine to proline was high. The linear discriminant analysis （LDA） is used to fit the stable functions that can be used to distinguish the types of color painting glue. These functions were applied to the analysis of two painting samples from Renshou Hall of the Summer Palace. It was found that the amino acid composition of the samples had the characteristics of both blood and leather glue. Based on the above analysis， it was concluded that the mathematical model can be used to successfully distinguish the blood glue， and the pigments layer glue of the relics samples was leather glue and the loss of which is serious. The presence of blood glue was from the base material in the lower layer.

Key words： architectural color paintings; blood glue; linear discriminant analysis

彩畫是中国古代木构建筑的重要组成部分，在构件表面起装饰、美化、表达建筑语言的作用，具有重要的历史价值和艺术价值。但彩画位处建筑木构件的最外层，极易受自然环境因素的影响而产生空鼓开裂、褪色变色、脱胶粉化等病害［1］，甚至彻底剥落、消失。因此对彩画的保护已成为我国古建筑保护、修复的重要内容。古建筑的保护、修复应遵循“原材料、原形制、原工艺、原做法”的“四原”原则［2］，其中“原材料”是首要原则，这就要求在进行彩画保护之前对其原构成材质进行分析研究。

古建彩画可分为颜料层和地仗层两部分［3］。颜料层主要由颜料和胶料（皮胶、鸡蛋、奶类等）组成，地仗层则主要由砖灰、桐油、面粉、血料等组成［4-5］。血料由新鲜猪血经石灰发制，作为胶结材料常用于古建彩画的地仗层中［6］。传统对古建彩画中残留有机物的分析主要着眼于颜料层中的胶料［7-9］，对地仗层中血料的分析研究较少。地仗中的胶结材料也是彩绘的重要组成部分，蕴涵着丰富的古代工艺信息。此外，由于地仗层与颜料层紧密接触，其间易发生有机物质的渗透、迁移，再加之采集颜料样本时可能附带一些地仗物质，致使在颜料层胶料的分析中，血料常常会产生影响，甚至导致判别结果的偏差。

已有的血料分析研究主要通过血色原结晶试验或热裂解-气相色谱／质谱（Py-GC／MS）测定的特征裂解产物进行［10-11］。血色原结晶试验需要血红蛋白的特异反应，对于老化后的文物样品可能会出现漏判。Py-GC／MS的裂解特征产物易受其他污染物的影响，对于杂质含量较多的文物样品可能会出现误判。气相色谱质谱联用仪（GC-MS）以其高分离效率及灵敏度、低检出限等特点，结合针对文物样品的富集、净化等前处理技术［12］，成为文物彩绘中残留有机物的常用分析方法［13-14］。本研究采用GC-MS对血料及其他彩画常用胶料的氨基酸组成特征进行分析，进一步完善了古代胶料氨基酸组成比参考样本数据库，使用线性判别分析（LDA）拟合了可用于古建彩画胶料鉴别的数学模型，并将其应用于二件颐和园仁寿殿上架彩画样品胶料的分析，为准确复原古建彩画工艺，深入发掘其历史及艺术价值，指导该类文物的保护修复奠定了基础。

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

实验用鸡蛋、牛奶购自西安市场，皮胶用猪皮按照传统工艺在实验室熬制而成［15］，血料以新鲜猪血为原料用石灰水发制而成［16］。实验用12种标准氨基酸购自美国西格玛公司，包括：丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、丝氨酸（Ser）、脯氨酸（Pro）、天冬氨酸（Asp）、苯丙氨酸（Phe）、谷氨酸（Glu）、羟脯氨酸（Hyp）、正亮氨酸（Nor），其中Pro，Hyp的浓度为12.5mmol／L，其他氨基酸浓度为2.5mmol／L，N-（特丁基二甲基硅）-N-甲基三氟乙酰胺（MTBSTFA）购自美国西格玛公司，氨水（分析纯）购自四川西陇化工有限公司，盐酸（分析纯）购自西安化学试剂厂，吡啶（色谱纯）购自天津市光复精细化工研究所，三乙胺（色谱纯）购自天津市科密欧化学试剂有限公司，Agilent OMIX C4固相萃取柱购自美国安捷伦公司。

1.2 样品处理及分析

提取少量血料、皮胶、鸡蛋、牛奶作为参考样品，用手术刀刮取少量文物样品（约2mg），分别向其中加入2.5mol／L的氨水，在超声波辅助下萃取。离心并吸取上层清液，使用Agilent OMIX C4柱对清液中的蛋白质进行吸附，将C4柱净化后的蛋白质洗脱，并将洗脱液氮气保护下蒸干，向蒸干后的样品中加入6mol／L盐酸，在微波辅助下水解，并向水解液中加入正亮氨酸内标物。氮气蒸干后加入MTBSTFA、吡啶、三乙胺进行衍生化反应，反应结束后吸取2μL样品上机分析，对分析获得的选擇离子流图积分，将峰面积代入由11种氨基酸标准溶液建立的工作曲线计算相应的氨基酸浓度。在此基础上对获得的11种氨基酸含量进行归一化，得出样品的氨基酸组成信息。

1.3 仪器及测试条件

胶料的超声波辅助萃取使用昆山市超声仪器有限公司生产的KQ-50E型超声波清洗器。

胶料的微波辅助水解使用意大利迈尔斯通科技有限公司生产的Milestone ETHOS ONE型微波消解仪。水解程序为550W功率5min升温至160℃，保持该功率和温度30min。

胶料的氨基酸组成分析使用美国安捷伦科技有限公司生产的Agilent 7890A-5975C型气相色谱质谱联用仪。色谱柱DB-5MS（30m×0.25mm×0.25μm），进样口温度280℃，载气为He（99.999％），流速1.5mL／min。升温程序为，初始温度100℃，保持2min后以6℃／min的速度升温至280℃。模式选择为不分流，进样量2μL，离子源EI，质谱采集模式为SIM。

2 结果与讨论

2.1 参考样品的氨基酸组成

实验对皮胶、鸡蛋、牛奶、血料四种胶料参考样品进行了氨基酸组成分析，每种胶料分别测试了9个平行样品后取平均值，结果见表1。

从表1中可以看出，血料的各氨基酸组成与彩绘常用的另外3种胶料相比，有其独有的特点。首先，血料与鸡蛋、牛奶两种胶料一样均不含有Hyp。其次，血料中Ala，Ser，Pro，Glu四种氨基酸的平均含量与其他3类胶料存在明显差异。为了验证均值间的差异是否显著，实验对血料样品中以上4种氨基酸的数据进行了描述性统计。结果表明，在95％置信水平下，血料中Ala的平均百分含量为15.49±0.29，Ser的平均百分含量为11.11±0.57，Pro的平均百分含量为4.54±0.33，Glu的平均百分含量为6.12±0.33。由表1可知，另外3种胶料中Ala，Ser，Pro，Glu的平均含量均落在血料相应氨基酸的含量区间之外。且皮胶、鸡蛋、牛奶中Ala，Ser的平均含量低于血料，Pro，Glu的平均含量高于血料。这表明在95％的置信水平下，血料中Ala，Ser的相对含量显著高于其他3种胶料，而Glu，Pro的相对含量显著低于其他3种胶料。将血料中这四种氨基酸两两组合，G／A（Glu／Ala）比值较低，0.40的平均值小于其他胶料，S／P（Ser／Pro）比值较高，2.45的平均值大于其他胶料。故可将G／A较低、S／P较高且不含Hyp作为判别血料的氨基酸组成特征。其他3种胶料的氨基酸组成也各有其特征［8］。由此可见，4种参考样品的氨基酸组成存在显著类间差异。

2.2 胶料LDA判别方程的拟合

若仅依据个别氨基酸进行胶料种类判别，会产生数据信息的较大损失，在实际应用中极易出现误判、漏判的问题。LDA是经典的判别分析方法，其原理是将高维模式样本投影到最优矢量空间，以达到模式样本在新子空间中的最大类间距离和最小类内距离，从而保证模式在该空间中具有最佳的可分离性［17］。为了最大限度地利用胶料氨基酸分析的数据信息，实现胶料种类的更准确判别，实验引入LDA对4种参考样品氨基酸含量构成的数据矩阵进行建模，拟合判别函数，结果见表2。

表2是拟合出的典型判别函数的特征值，从表中可以看出，前两个典型判别函数的累计方差百分比达到了98.6％，说明这两个判别函数携带的信息量几乎完全代表了模型的信息总量，损失仅为1.4％。因此，用这两个典型判别函数就可以实现胶料类别的判定，实验拟合的典型判别函数如下

f（x1）=1.706xAla+1.866xGly+2.540xVal+3.274xLeu+1.896xIle+2.405xSer+2.127xPro+1.960xPhe+2.315xAsp+2.759xGlu-6.003xHyp-212.449

f（x2）=4.126xAla+5.208xGly+5.352xVal+4.259xLeu+5.804xIle+4.841xSer+5.500xPro+5.073xPhe+3.693xAsp+5.882xGlu+3.770xHyp-489.306

式中f（x1）和f（x2）为函数的判别得分，即在各判别维度上的坐标值。x为归一化后各氨基酸的含量。为了进一步检验判别模型的稳定性和可靠性，实验对判别函数进行了交叉验证，结果见表3。从表中可以看出，判别方程交叉验证的预测组别与原始组别完全相符，说明拟合的判别函数稳定，判定结果可靠。

2.3 文物样品胶料的判别分析

实验选取了颐和园仁寿殿上架彩画的蓝色和红色两件文物样品，分别编号为YH-RS-1及YH-RS-2，使用GC-MS分析了2件样品11种氨基酸的组成，结果见表4。由表4可知，两件文物样品均含有Hyp，但含量不高，平均值仅为2.44％。G／A的平均值为0.36，符合血料的特征，但S／P的平均值为0.31，不符合血料的特征。为了准确判别文物胶料种类，将表4中的数据代入拟合的判别方程，结果见表5。

从表5中可以看出，利用拟合的LDA模型对两件颐和园仁寿殿上架彩画样品胶料的判别结果均为血料。但由表4可知，文物样品中都含Hyp，且S／P值明显低于血料。为了探究这一现象背后的原因，实验绘制了文物样品LDA分析的判别得分散点图（图1）。

由图1可知，4类胶料训练样本判别函数的各组质心分离度好且组内样本分布集中，说明判别函数可以很好地实现这4种胶料的区分。编号为YH-RS-1和YH-RS-2的文物样品距血料组的质心相对较近（这也是判别结果为血料的原因），但存在朝Function1轴负向的偏离。

表6是拟合的判别函数结构矩阵。从表中可以看出，造成图1中散点向Function1轴负向偏离的最主要原因是Hyp，其次是Gly。由表4可知，两件文物样品中均含有Hyp，且其Gly的平均含量为13.18％，高于血料中的平均值9.62％（表1）。含有Hyp以及较多的Gly是皮胶（动物胶）的氨基酸组成特征［8］。这表明，文物样品的散点图靠近血料类别但有所偏离是因为其氨基酸组成以血料的特征为主，同时兼具皮胶的部分特征。

根据以上分析结果可知，两件文物样品胶料的氨基酸组成兼具血料和皮胶的特征。由于血料具有一定的颜色，在古代几乎不用作颜料层胶料。据此推测文物样品颜料层中的血料来源于其下层地仗因渗透、迁移作用或采样原因的混入，颜料层的胶料可能为皮胶。但因彩绘位于古建油饰彩画的最外层，也不能排除其他含有Hyp及大量Gly的未知胶料或污染物质存在的可能。

3 结 语

通过与皮胶、鸡蛋、牛奶参考样品的比较，发现血料的氨基酸组成有其独有的特征。在此基础上，以参考样品作为训练集拟合的胶料种类判别模型稳定、可靠，可实现文物样品胶料的分析判别。利用建立的模型发现颐和園仁寿殿上架彩画样品的颜料层胶料兼具血料和皮胶的特征。推断血料是由地仗层中胶料的混入造成，颜料层胶料可能为皮胶，但也不排除存在其他污染物质的可能。本研究建立的LDA判别模型及在文物样品中发现的下层血料对颜料层胶料氨基酸组成的影响，将为类似结构的古建油饰彩画胶料的更准确分析判别提供参考。

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（编 辑 李 波）