古代皮革劣化机理的研究

张 杨，刘雪刚，尹 浩，陈虹君，杨宁静，龚德才

(1. 中国科学技术大学，安徽合肥 230026； 2. 荆州文物保护中心，湖北荆州 434020；3. 武汉晴川学院，湖北武汉 430204)

0 引 言

皮革由动物皮制作而成，是一种天然高分子材料，易受环境影响发生劣化。古代皮革在温度、湿度、有害气体、光、微生物、尘埃等复杂环境条件长期影响下，其主要成分胶原蛋白氧化、水解，制作时使用的植物鞣剂单宁、脂类等物质发生降解或流失，劣化现象十分严重。古代皮革的劣化机理一直以来都是文物保护工作者的研究重点。

氨基酸是构成皮革胶原蛋白的基本单位，在18种氨基酸中甘氨酸(Gly，33%)、脯氨酸(Pro，13%)、羟脯氨酸(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%)、赖氨酸(Lys，0.27%)、组氨酸(His，0.04%)等9种氨基酸含量占比较高[1]，谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、精氨酸(Arg)、赖氨酸(Lys)、组氨酸(His)容易被氧化。有研究表明，不同种类氨基酸呈现出不同的热稳定性，分解挥发产物和分解过程也各不一样[2]。因此，可以通过分析氨基酸热裂解过程和相应的挥发产物来表征胶原蛋白的化学特性，探究古代皮革的劣化机理。

热重-傅里叶变换红外光谱(TG-FTIR)和热裂解气相色谱质谱(Py-GC/MS)联用技术在高分子材料的热稳定性和热降解机理的研究中得到了广泛应用[3-5]。Cucos等[6]采用热重-微分热重-红外联用技术(TG-DTG-FTIR)研究发现氮气条件下胶原蛋白的热裂解过程分为两个阶段，逸出气体有吡咯、氢氰酸、乙烷等。Yang等[7]通过逸出气体研究了牛皮胶原纤维的热分解过程，阐述了胶原纤维的热分解机理以及分解途径。Sebestyén等[8]采用热重质谱联用技术(TG-MS)、热裂解气相色谱质谱联用技术(Py-GC/MS)研究了古代皮革和羊皮纸的老化机理，表征了皮革和羊皮纸在老化过程中的结构和化学变化。Marcilla[9]研究认为不同鞣剂鞣制的皮革分解温度下降程度不一样，经碱处理后的皮革最高分解温度下降。上述研究采用了不同的热分析技术对胶原蛋白、牛皮胶原纤维、古代皮革(源自1832年意大利都灵大学历史档案馆装订本)和羊皮纸等有机高分子物质的热分解行为进行了探讨，但此类技术用于中国古代皮革的研究鲜有报道。

本工作采用TG-FTIR和Py-GC/MS热分析联用技术，以现代皮革、人工老化皮革作为古代皮革的参考样品，研究古代皮革的劣化机理。同时，对皮革样品热裂解过程中氨基酸、酚类和脂类等物质的挥发产物进行量化分析，进而评估古代皮革的劣化程度。文中TG-FTIR技术用于研究皮革的热降解过程，通过分析降解产物以及形成原因，来表征皮革热分解特性及其劣化对性能的影响。Py-GC/MS技术用于研究皮革热裂解反应，通过分析热分解产物及来源阐述皮革文物的劣化机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

现代皮革样品(new leather)为植鞣牛皮革。古代皮革样品(编号old1)为战国时期皮革制品，出土于荆门郭家岗M1号战国墓，由荆门博物馆提供。古代皮革样品(编号old2、old3)为战国时期皮革制品，出土于荆州夏家台M258号战国墓，由荆州博物馆提供。

NaOH，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。Ca(OH)2，分析纯，天津市光复精细化工研究所。硫酸铵，分析纯，生工生物工程(上海)股份有限公司。胶原蛋白，优级纯，生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 样品处理

1.2.1古代皮革样品 用去离子水将古代皮革样品(old1、old2、old3)表面清洗干净，室温下自然干燥数天。

1.2.2人工老化皮革样品 Sebestyén等[8]的研究结果表明，碱热老化能使胶原蛋白的结构发生化学变化，改变皮革中单宁的含量，与古代皮革的自然老化类似。因此，本实验采用碱热老化的方法制备人工老化皮革样品以期为古代皮革样品提供参考。人工老化皮革样品(aged leather)由现代皮革样品经老化处理而成，具体方法如下：先将现代皮革裁剪成4 cm×4 cm大小样品，浸泡在质量浓度分别为4%和0.5%的Ca(OH)2和NaOH的混合溶液中，温度25 ℃，2 d后取出；用1%浓度硫酸铵溶液漂洗，然后浸泡在去离子水中直至pH值为中性；最后将样品放入120 ℃烘箱，4 d后取出，放置温度20 ℃、湿度55%的恒温恒湿箱中，1 d后取出备用。

1.3 检测分析

1.3.1热重红外(TG-FTIR)分析 TG-FTIR联用分析使用珀金埃尔默股份有限公司Pyris 1型热分析仪和傅里叶变换红外光谱仪。将皮革样品放入氧化铝坩埚内，仪器自动读出样品质量，在氦气环境下，流量为50 mL/min，温度从室温(25 ℃)加热至1 000 ℃，升温速率为20 ℃/min，红外仪与热分析仪连接管温度为280 ℃，红外原位气体池温度为280 ℃。

1.3.2热裂解气相色谱-质谱(Py-GC/MS)分析

热裂解仪(PY-3030D日本Frontier)，气相色谱质谱联用仪(QP2010 Ultra岛津公司(SHIMADZU))。待测样量为5 mg，试验气氛为氦气，柱流量1.11 mL/min，总流量72.5 mL/min，裂解温度为600 ℃，裂解时间为12 s，GC色谱柱为DB-5MS，30 m×0.25 μm×0.25 μm，进样口温度为320 ℃，柱温为40 ℃保持4 min，6 ℃/min升至280 ℃，保持5 min，电子能量70 eV，扫描范围为14～500 m/z，扫描速率为0.3 scan/s。

2 结果与讨论

2.1 皮革热降解过程

图1为现代皮革、人工老化皮革和古代皮革样品的热重(TG/DTG)曲线。从图1a和1b中可以看出，3种皮革的热降解曲线图基本一致。所有皮革样品热降解过程主要分为两个阶段：第一个阶段温度范围在25～120 ℃，失重约5%。第二个阶段温度范围在180～550 ℃，失重约50%～58%。现代皮革样品热降解第一阶段温度范围在25～140 ℃(图1c)，人工老化皮革样品热降解第一阶段温度范围在25～200 ℃(图1d)，古代皮革样品热降解第一个阶段温度范围在25～170 ℃(图1e～1g)。人工老化皮革样品和古代皮革样品热降解第一个阶段温度范围较现代皮革样品更大一些。

图1 现代皮革、人工老化皮革和古代皮革样品TG/DTG曲线Fig.1 TG/DTG curves for new， aged and historical leathers

现代皮革、人工老化皮革和古代皮革样品热降解阶段温度和重量变化情况见表1。第一降解阶段主要是皮革中水分的挥发，此阶段重量损失比较少，当温度达到100 ℃时，重量减小速率最大。现代皮革样品在第一降解阶段失重3.49%，3个古代皮革样品和人工老化皮革样品失重分别为5.20%、7.31%、4.56%和6.18%，均大于现代皮革样品，其原因可能与皮革中水的状态有关。古代皮革样品和人工老化皮革样品由于劣化过程中胶原蛋白螺旋结构遭到破坏，螺旋结构中的束缚水所受作用力减弱，其状态发生变化，从螺旋结构中迁移了出来，束缚水相对含量减少，皮革中的水以游离水为主。而现代皮革样品中的水以束缚水为主，游离水的相对含量较低。因此，古代皮革中的水在受热条件下较现代皮革更容易挥发。第二降解阶段是胶原蛋白发生降解的主要阶段，也是皮革中其他物质降解的阶段，所有皮革样品失重都比较明显。此阶段，人工老化皮革样品较现代皮革样品失重程度明显降低，除了古代皮革样品old1外，现代皮革样品失重大于古代皮革样品。可能原因是现代皮革样品中可降解的胶原蛋白、单宁、脂类等有机质物质含量比古代皮革多，这些物质在第二阶段发生了降解，而古代皮革样品和人工老化皮革样品中的这些有机物质在埋藏和老化过程中已发生了降解。

表1 现代皮革、人工老化皮革、古代皮革热降解阶段温度和重量变化情况Table 1 Temperatures and weight changes during the thermal degradation of new， aged and historical leathers

从表1中可以看到，3个古代皮革样品在第一降解阶段最大失重速率温度分别为110 ℃、80 ℃、67 ℃，均高于现代皮革样品。原因可能与水的状态有关，水的状态决定了最大失重速率温度。皮革中存在两种状态的水，束缚水和游离水，现代皮革以束缚水为主，而古代皮革中的水以游离水为主，在劣化过程中流失掉了，因此在加热过程中表现相对稳定。在第二降解阶段，现代皮革最大失重速率温度为330 ℃，所有古代皮革样品失重速率最大时对应的温度均高于现代皮革样品。可能的原因有以下两种：一是现代皮革样品中易降解的小分子物质多，如油脂类物质，这些小分子物质不稳定，在较低温度时就开始挥发。而古代皮革经历了长时间的氧化、水解，其中含有的小分子物质已经降解，残留下来的主要是胶原蛋白类大分子物质，所以在物质挥发主要阶段表现更稳定。人工老化皮革样品中的小分子物质在碱水解和热老化处理过程中就已经降解，其与古代皮革表现出相似特性；二是由于古代皮革胶原蛋白的变性引起的。有研究结果显示，胶原蛋白降解第二阶段失重速率最大时对应温度约在340±10 ℃，明胶(变性的胶原蛋白)降解温度则更高，约420±10 ℃[10]。这表明：变性胶原蛋白降解第二阶段失重速率最大时对应温度明显高于未变性胶原蛋白。古代皮革胶原蛋白已发生变性，因此在降解第二阶段失重速率最大时的温度比现代皮革要高。

当温度达到1 000 ℃时，除了古代皮革old1以外，其他样品降解后的碳质残渣量大致相同，约占总量的27%。从表1中可知，古代皮革样品old1～old3碳质残渣少于现代皮革样品，old1样品碳质残渣最少，约22%；old2样品与现代皮革样品基本一样，约27%。碳质残渣与样品中氨基酸含量以及单宁有关。现代皮革样品的碳质残渣比人工老化皮革样品和古代皮革样品多的原因有可能是：现代皮革样品中鞣剂单宁的含量比古代皮革和人工老化皮革高。古代皮革样品中的鞣剂单宁已降解一部分，而现代皮革样品尚未老化，其中单宁得以保存。有研究表明植鞣革中约13%的碳质残渣来源于单宁[11]，因此，现代皮革样品所剩碳质残渣比古代的多，增加的碳质残渣可能源于鞣剂单宁。经碱处理的人工老化样品碳质残渣为29.60%，略高于现代样品，可能与人工老化时使用的氢氧化钙有关。

2.2 皮革热分解挥发产物

图2为古代皮革样品old1和现代皮革样品分别在180 ℃、230 ℃、280 ℃、330 ℃、380 ℃等不同温度点时挥发产物的红外光谱图。从图2中可知，古代皮革样品old1和现代皮革样品热分解过程一样，分解挥发产物主要有氨气(NH3)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)、异氰酸(HNCO)，分解温度范围介于180～380 ℃。在热分解过程中不同温度点的挥发产物基本相同。在180 ℃温度时，伴随有二氧化碳和水分的挥发。当温度达到280 ℃时，可以观察到在964 cm-1处有红外吸收峰，此处归属为NH3特征吸收峰，表明氨基酸开始分解，产生氨气，氨气源于胶原蛋白的脱氨基反应。当温度升高到330 ℃时，主要是氨基酸的分解，此时失重速率最大，挥发产物最多，产生的气体有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红外谱峰强度最大，NH3谱峰强度达到最大说明氨基酸的分解最为剧烈。此外，在2 850～3 000 cm-1处出现了一个宽峰，峰高值为2 940 cm-1，有可能是氨基酸分子片段中的C-H。在1 730 cm-1处C-O化合物归于氨基酸羰基的红外吸收峰。随着温度进一步升高，NH3、HNCO等挥发产物红外光谱吸收峰强度逐渐减弱，表明挥发气体开始减少，氨基酸的分解反应逐渐停止。

图2 古代皮革样品old1、现代皮革样品在不同温度点热分解产物红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of thermal decomposition products of old1 and new leathers at different temperature points

鉴于330℃时是氨基酸的主要分解阶段，且挥发产物最多，将所有样品330 ℃时挥发产物的红外光谱图进行了比较。图3是现代皮革样品、人工老化皮革样品和古代皮革样品在330 ℃时挥发产物的红外谱图。从图3中可知，现代皮革样品、人工老化皮革样品和古代皮革样品在主要分解阶段挥发产物基本一样，只是在吸收峰强度上略有区别，这与样品中主要成分胶原蛋白的含量有关。

图3 现代皮革、人工老化皮革和古代皮革样品在330 ℃时热分解挥发产物红外光谱图Fig.3 Infrared spectra of thermal decomposition products of new， aged and historical leathers at 330 ℃

2.3 皮革热裂解产物

2.3.1热裂解挥发产物及来源 皮革样品热裂解挥发产物有一百多种，主要是氨气(NH3)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)、二酮哌嗪类化合物(DKP)、氢氰酸(HCN)、吡咯(C4H5N)等。图4为现代皮革、人工老化皮革和古代皮革裂解色谱图，表2列出了对应的40种皮革热裂解挥发产物及其相对含量。

表2 皮革样品热裂解主要挥发产物及其相对含量Table 2 Main pyrolytic products released in the Py-GC/MS experiment of leather samples

图4 现代皮革、人工老化皮革、古代皮革裂解色谱图Fig.4 Pyrolysis chromatograms of new， aged and historical leathers

编号1～3号小分子量挥发产物源于胶原蛋白类物质，主要是由H2O、CO2和NH3组成。由于在色谱柱中没有彻底分离，所以在裂解色谱图中不能完全区分开来。但是热重红外检测结果表明皮革热分解产物主要是NH3、CO2和H2O，这3种挥发产物相对百分含量非常高，占到总量的1/3以上，在古代皮革old1中相对百分含量约为36%，old2、old3中的相对百分含量约为47%，几乎占总量的一半。留存的古代皮革主要成分以胶原蛋白为主，其基本构成是氨基酸，含有大量氨基结构，由于侧链氨基结构稳定性较差，容易氧化。因此，遇热时侧链氨基结构首先被破坏，释放出NH3。NH3、CO2的产生表明氨基酸中氨基和羧基基团的失去[8]。

二酮哌嗪类化合物是甘氨酰基多肽热解挥发产物[13]，主要来源于甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸、羟脯氨酸等氨基酸残基，是热解过程中蛋白分子N端氨基酸残基环化形成[7]，进一步降解为Pro-Gly(no.32)、Pro-Pro(no.34)、Pro-Hyp(no.40)等二肽[14]。二酮哌嗪类化合物是皮革热解主要产物之一，这主要是由于胶原蛋白中甘氨酸的含量最大，占比多达34.23%。对比现代皮革样品和古代皮革样品在裂解过程中二酮哌嗪类化合物的相对挥发量和强度，发现区别并不明显，这说明老化过程对氨基酸链结构改变并不明显。此外，氨气挥发量与皮革中含氮量有关。有研究表明保存较好或水解程度不高的胶原蛋白多肽链的长度更长，在热解过程中二酮哌嗪类化合物的产量更多[15]。如果水解完全一些，多肽则分解成小分子碎片，二酮哌嗪类化合物的挥发量会减少。

氢氰酸(HCN)来源于脯氨酸，脯氨酸含氮杂环结构在加热过程中会发生分解，产生HCN[16]。吡咯是皮革热解的典型挥发产物，源于胶原蛋白中氨基酸含量占比第二高的脯氨酸，也是羟脯氨酸裂解主要产物[17]，是羟脯氨酸脱水后又脱氢形成的[18]。吡咯来源于脯氨酸和羟脯氨酸[19]。苯酚是鞣剂单宁的主要成分。现代皮革样品挥发产物有苯酚以及邻甲酚、对甲酚、2，6-二甲基苯酚等酚类化合物(No.24，No.26～28)，说明现代皮革样品中存在植物鞣剂单宁，并参与了热裂解过程中的反应。而人工老化皮革样品和古代皮革样品中仅检测出少部分酚类物质，说明植物鞣剂单宁在古代皮革劣化过程中发生了降解，残留有少量的单宁。芳香烃则源于胶原蛋白氨基酸残基的侧链基团苯基。

2.3.2氨基酸、酚类和脂类挥发产物的量化分析 表3为皮革样品和纯胶原蛋白热分解过程中氨基酸、酚类和脂类等物质挥发产物的百分含量。从表中可以看到，纯胶原蛋白二酮哌嗪类化合物的挥发量为34.23%，而古代皮革样品old1、old2、old3分别为24.61%、16.08%和13.51%。说明3个古代皮革胶原蛋白水解程度各不一样，可能与皮革不同的埋藏环境有关。

表3 现代皮革样品、人工老化皮革样品、古代皮革样品和纯胶原蛋白主要挥发物质百分含量Table 3 Percentages of major volatile substances from new， aged, historical leathers and collagen (%)

此外，现代皮革样品和古代皮革样品中(old1除外)均检测出苯酚，说明古代皮革制作时经过鞣制处理，使用的是植物鞣剂。现代皮革样品中酚类挥发产物的相对百分含量大于古代皮革样品和人工老化皮革样品，说明古代皮革和人工老化皮革中的鞣剂单宁在埋藏过程、人工老化过程中发生了降解，参与了老化过程，与其劣化有关。从酚类物质挥发量可以看出，样品old3中残留单宁数量最多，old1中残留最少，表明old3在劣化过程中单宁流失最少，old1中单宁降解最严重。

皮革是生皮经鞣制、加脂处理而成，脂类物质通常是皮革加工过程中使用的材料，其作用是使皮革变得柔软，有弹性。表3数据显示，现代皮革样品脂类物质含量较古代皮革样品高。现代皮革样品中测出酯类挥发产物的相对百分含量为2.76%，而古代皮革样品中测出的酯类挥发产物极少，其中一个含量仅为0.08%，另外2个古代样品的含量为0，表明古代皮革在劣化过程中脂类物质已完全降解，流失殆尽。人工老化皮革样品中检出的酯类挥发产物百分含量高于现代样品，其主要原因可能有两点，一是由于现代皮革样品中的油脂类物质在热裂解过程氧化生成了醛类和酮类等物质[20]，而人工老化皮革样品中检出的醛类和酮类很少。二是可能与人工老化条件有关系，老化样品经过碱水解和热老化处理。纯胶原蛋白中因不含脂类和酚类物质，所以相应挥发产物都没有产生。

随着劣化的发生，古代皮革中胶原蛋白、鞣剂单宁以及脂类物质的含量都会减少，其中鞣剂和脂类物质减少尤为明显，残留下来的大部分是胶原蛋白，还有极少的酚类、脂类物质，因此胶原蛋白的相对百分含量增加，导致古代皮革样品和人工老化皮革样品中胶原蛋白的相对百分含量数值大于现代皮革样品。同时也造成胶原蛋白的挥发产物——二酮哌嗪类化合物、氨气、二氧化碳等所占相对百分比值也相应变大。

3 结 论

采用TG-FTIR和Py-GC/MS两种热分析联用技术，对比研究了现代皮革、人工老化皮革和古代皮革的热分解反应，得到以下结果。

1) 现代皮革、人工老化皮革和古代皮革的热降解情况基本一致。所有皮革样品热降解过程主要分为两个阶段：第一个阶段以水的挥发为主，温度范围在25～120 ℃，失重约5%。第二个阶段以胶原蛋白的热分解为主，温度范围在180～550 ℃，失重约50%～58%，主要发生氨基酸的脱水、脱羧、脱氨、脱氢、侧链断裂等化学反应，分解产物有水、二氧化碳、氨气、二酮哌嗪类化合物、异氰酸、氢氰酸、吡咯、甲烷等。

2) 皮革样品热裂解主要挥发产物是氨气、水、二氧化碳、二酮哌嗪类化合物、氢氰酸、吡咯等。氨气、二氧化碳和水这3种挥发产物相对百分含量非常高，占到总量的1/3以上，在old1中相对百分含量约为36%，old2、old3中的相对百分含量均约为47%，几乎占总量的一半，表明古代皮革中残留下来的主要是胶原蛋白。

3) 古代皮革中的胶原蛋白、单宁和脂类物质在劣化过程中会发生降解或流失。因此，可以根据这些物质在热解过程中的挥发产物以及相对百分含量来量化评估古代皮革的劣化程度。