染色及老化因素对丝织物C、N稳定同位素比值的影响

邵孟茹 贾丽玲 黎 浩 洪天畅 朱恒杏 潘家荣，*

（1中国计量大学生命科学学院，浙江省特色农产品品质与危害物控制技术重点实验室，浙江 杭州 310018；2中国丝绸博物馆，浙江 杭州 310002； 3浙江理工大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018）

丝绸文化是中华文明的重要组成部分，历史上的“丝绸之路”跨越国界，横穿欧亚大陆，在古代东西方的政治、经济、文化和民族交流中发挥着至关重要的作用，这条古贸易之路也因西运丝绸制品的巨大影响力而得名。在不同的文化时期，丝绸的风格也不尽相同，这在一定程度上为考古学提供了线索［1-2］。在众多出土文物中，丝绸制品是其中非常重要的一部分，然而仅根据丝绸文物的纺织工艺、色彩、图案等特点追溯它的时代、产地来源往往受到多种因素的干扰，且无法提供精密可靠的数据来证实分析的结果。

稳定同位素技术可准确、精密地测定物质中的稳定同位素比值，近年来被广泛运用于产品溯源、考古学等方面的研究。该技术可为一些农林产品，如水果［3］、水稻［4］、牛奶［5］、肉类［6］等的溯源研究提供精密可靠的数据。王默涵等［7］检测并分析了5 个省份的牛奶样品，开发了一种基于稳定同位素和矿物元素的牛奶产地溯源技术，原始整体判别率为100%，交叉验证的正确判别率达到96%。Liu等［8］测定了不同地区、不同部位的小麦全麦粉、研磨部分和提取物的δ13C 值与δ15N值，发现不同研磨部位和提取物的δ13C值差异显著，不同地域采集的小麦及其研磨制品的δ15N 值差异显著。Von Holstein 等［9］将不同遗址出土的古代羊毛角蛋白、骨胶原与现代羊毛进行对比，测定了样品的δ13C、δ15N和δ2H 值，实现了利用轻质稳定同位素对羊毛纺织品进行产地溯源，且发现缺氧浸水环境不会对羊毛角蛋白的同位素组成造成显著影响。韩丽华［10］对比分析了不同地区的蚕茧、生丝、桑叶、水质的δ13C、δ15N、δ2H、δ18O 值，初步探究了稳定同位素技术在丝织物溯源领域的应用；Liu 等［11］通过调查中国7 个省份蚕茧的87Sr/86Sr值，确定了它们的地域性差异，并发现87Sr/86Sr值与采样地点的土壤类型有关，表明Sr 同位素比值的分析可作为蚕茧产地溯源的有力工具。此外，稳定同位素技术在考古学领域也得到了广泛运用，如陈松涛［12］通过测定不同遗址出土的人骨中的碳、氮同位素比值研究了古人的食谱；李楠等［13］也对周公庙遗址出土的人和动物骨骼进行了稳定同位素分析，研究了商周时期人们的生活方式、饮食文化等。

轻重稳定同位素的热力学及动力学参数，如物理化学性质、键能等会存在一定的差异，这些差异促使其在一些物理变化或化学反应中发生分馏效应［14-15］，因而不同物质会形成不同的同位素丰度。分馏效应可分为两大类，一类是营养分馏，主要与生物的新陈代谢有关，如呼吸、摄食、排泄等；另一类是自然分馏，伴随着物理或化学过程，如氮元素的挥发、硝化等［16］。不同的加工方式或生产阶段可能会给产品带来不同的理化环境，从而影响产品的稳定同位素比值，如王道兵等［17］分析了花生油生产过程中稳定同位素比值的变化情况，发现碳同位素比值并未受到影响；刘志等［18］利用温度、过程各不相同的5 种烘干方式处理西湖龙井茶叶，发现茶叶中的δ13C、δ15N、δ18O 3 种稳定同位素比率变化程度极低，而δ2H值变化较明显；申雪等［19］探究了葡萄酒发酵前后稳定同位素的差异，发现不同发酵阶段样品中的δ15N、δ2H和δ18O值均存在显著性差异。

中国传统丝绸通常是以蚕丝为原料，制作工艺相对复杂，包括取茧、缫丝、脱胶、纺织、染色、印花等步骤［20］。在古代，人们多采用天然植物染料对丝织物进行染色［21］，包括茜草、靛蓝、黄柏、紫草、苏木、栀子等。对丝绸、丝织文物等样品进行相关稳定同位素的测定时，染料的附着可能会对测定结果造成干扰；此外，出土的丝织文物由于长期埋藏于地下，受到土壤中酸、碱、微生物等的损坏，出土后又受到光和其他各种因素的作用，其老化速度可能加快［22］。韩丽华等［23］利用不同产区的茜草对丝织物进行染色，发现织物的H、O、Sr 3 种元素的重同位素比值均发生了显著变化。为了深入探索染色工艺对丝织品稳定同位素比值的影响，本研究利用茜草等5 种植物染料对桑蚕丝绸进行染色与剥色处理，以探究染色工艺对丝绸中δ13C、δ15N 2 种稳定同位素比值测定的影响，有助于制定贴合实际的丝绸前处理方法；同时，对丝绸进行多种因素的老化模拟，探究老化过程对丝绸稳定同位素比值的影响程度，旨在为古代丝绸文物的溯源鉴定提供参考，有望模拟古丝绸进行考古研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料 桑蚕真丝电力纺丝绸（市售），茜草根、紫草根、黄柏皮、苏木条、栀子果（市售）。

1.1.2 试剂 乙酸、明矾、无水乙醇、氢氧化钠、硫代硫酸钠，分析纯，均购自上海麦克林生化科技有限公司；氨水，分析纯，浙江腾宇新材料科技有限公司；碳酸钾，分析纯，无锡市展望化工试剂有限公司；稳定同位素测定标准品：IAEA-CH-7、IAEA-310，国际原子能机构。

1.2 仪器

LED灯管（40 cm，白光，8 W，慈溪市公牛电器有限公司）；紫外灯管（31 cm，365 nm，8 W，东莞市川谷照明科技有限公司）；MAT 253 稳定同位素比质谱仪、Flash 2000 HT 元素分析仪，美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 样品制备

1.3.1 染色与剥色 茜草：设置茜草与蒸馏水的料液比为1∶20，滴加乙酸使浓度达到0.1%，煮沸后保持30 min，碳酸钾溶液调节染液至中性，过滤后得茜草染液，剪取100 mm×100 mm 大小丝绸样品浸入染液煮染30 min，取出后0.5%明矾溶液媒染30 min，洗净，70 ℃烘干；紫草：设置紫草与95%酒精的料液比为3∶20，40 ℃水浴90 min，过滤后得紫草染液，剪取100 mm×100 mm大小丝绸样品浸入染液，加入氯化钠（10 g·L-1），70 ℃浴染60 min，明矾媒染30 min，洗净，70 ℃烘干；黄柏：设置黄柏与蒸馏水的料液比为1∶40，碳酸钾溶液调节染液pH 值至9，煮沸后保持60 min，重复萃取2次，叠加后调节pH值至7，得黄柏染液，剪取100 mm×100 mm 大小丝绸样品浸入染液，50 ℃浴染45 min，洗净，70 ℃烘干；苏木：同黄柏法；栀子：萃取同黄柏法，染色温度为80 ℃，pH 值5，时长35 min。剥色：染色丝绸均采用80%乙酸剥色，95 ℃剥色30 min，洗净，重复2次，70 ℃烘干。

1.3.2 光、热老化 选取空白丝绸分别置入光、热老化装置进行老化处理，其中热老化温度为100 ℃，紫外光老化照度约33 Lx（365 nm），LED 光老化照度约26 Lx，老化周期30 d，间隔5 d 取样一次；根据以上老化的结果，并结合前人研究情况［24-25］，将温度提高至200～260 ℃，温度梯度为20 ℃，对空白及多种染料处理后的丝绸再次进行热老化处理，设置老化周期为2 h，时间梯度为0.5 h。

1.3.3 酸、碱老化 将空白丝绸分别置于饱和氨水溶液、95%乙酸进行老化处理，以蒸馏水为对照，老化周期30 d，间隔5 d取样一次。

1.4 δ13C、δ15N稳定同位素比值的测定

用无尘纸蘸取无水酒精（分析纯）擦拭包样工具；剪取2 mm×1 mm大小丝绸样品于锡杯（3.3 mm×5 mm）中封严，通过自动进样器进入元素分析仪，参考气为CO2和N2，设置燃烧炉温度为960 ℃，色谱柱温度为50 ℃，氦气吹扫流速为100 mL·min-1，在此条件下样品中的碳元素和氮元素转化为纯净的CO2和N2，经氦气稀释后进入同位素比质谱仪检测。选用标准品IAEACH-7（δ13C=-32.151‰）、IAEA-310（δ15N=47.200‰）对样品测试结果进行校正，每批样本试验应间断性插入标准品测试，C、N 稳定同位素标准品的同位素比值数据偏差应保持在0.5‰以下，当偏差大于0.5‰时，应排查仪器运行情况。

为保证测试结果的准确性，在测定新样品之前应先进行预测定，以判定取样量，一般为0.2 mg 左右。稳定同位素测定过程中每隔12 个样品插入1 个标准品，每个样品重复测定3次后取平均值，按照公式计算稳定同位素比值：

式中，R样品为待测样品中某种元素的重同位素与轻同位素丰度之比，即13C/12C、15N/14N；R标准为标准品中重同位素与轻同位素丰度之比，其中δ13C、δ15N 的相对标准为V-PDB。

1.5 数据处理

利用SPSS 26.0 软件进行单因素方差分析，成对样本t检验。采用GraphPadPrism 8 （GraphPad Software）进行图型分析与绘制。

2 结果与分析

2.1 老化因素对丝绸中稳定同位素的影响

2.1.1 光、热处理对丝绸中稳定同位素的影响 对光、热处理的丝绸中的δ13C、δ15N 值进行单因素方差分析，结果见图1。利用100 ℃热、LED 光以及UV 光对空白丝绸进行老化处理，与对照组（第0 天）相比，丝绸中的δ13C 值波动较小，均不超过0.5 个千分点，δ15N 值整体均呈缓慢上升的趋势；LED 灯光照射后的丝绸中δ13C最大变幅为0.3个千分点，δ15N 最大变幅为0.3个千分点，UV 光照射后的丝绸中的δ13C 最大变幅为0.3 个千分点，δ15N 最大变幅为0.5 个千分点；100 ℃热老化的丝绸δ13C 最大变幅为0.4个千分点，δ15N 值在第5天上升了1.1个千分点，在第10天降低，之后趋于平稳。

图1 光、热处理后丝绸中的δ13C、δ15N变化曲线Fig.1 The changes of δ13C，δ15N in silk fabrics after light or heat treatments

将空白丝绸分别置于200、220、240、260 ℃的温度下进行热老化处理。由表1 可知，当温度处于200 和220 ℃时，空白丝绸中的13C、15N 均随处理时间的延长呈现小幅贫化，δ13C 平均值变化范围为-27.1‰～-26.4‰，δ15N 平均值变化范围为3.3‰～3.9‰；240 ℃时，13C 整体仍发生贫化，15N 则先贫化后富集，逐渐高于空白对照组；260 ℃时，13C、15N 均呈现富集效应，δ13C平均值变化范围为-26.4‰～-26.0‰，δ15N平均值变化范围为3.9‰～7.5‰，最大变幅为3.6 个千分点。δ13C值随着处理时间的增长而逐渐平稳，而δ15N 值在240和260 ℃温度下则随着时间延长呈上升趋势。对热处理的丝绸中的δ13C、δ15N 值进行单因素方差分析，200 ℃热处理的丝绸δ15N 值并未因老化时间的不同出现显著性差异，但其他组别的一些同位素比值间均存在显著性差异。

表1 高温老化后空白丝绸中的δ13C、δ15N值Table 1 The results of δ13C，δ15N in silk fabrics after high temperature aging

2.1.2 酸、碱热处理对丝绸中稳定同位素的影响 对酸、碱处理的丝绸中的δ13C、δ15N 值进行单因素方差分析，结果见图2。δ13C值分布比较集中，与对照组相比，未呈现较大的变化，但在第25 天时，蒸馏水老化的丝绸中δ13C 值出现了较明显的上升，上升了0.7 个千分点，在第30 天时，比值有一定下降。几组丝绸中的δ15N 值整体呈上升趋势，乙酸组的最大变幅为1.7 个千分点，氨水组的最大变幅为0.6个千分点。

图2 酸、碱处理后丝绸中的δ13C、δ15N值变化曲线Fig.2 The changes of δ13C，δ15N in silk fabrics after acid and alkali treatments

2.2 染色对丝绸中稳定同位素的影响

选取一种空白丝绸，利用多种染料对其进行染色与剥色处理，对丝绸的δ13C、δ15N 值进行单因素方差分析，结果见表2。与空白丝绸相比，经过植物染料处理后的丝绸中，13C 均发生了小幅度的贫化，贫化幅度约0.5 个千分点；除了黄柏组外，其他组别丝绸的15N 也普遍发生了较明显的贫化，尤其是茜草染色后，丝绸δ15N 值平均降低了1.3 个千分点。经过剥色处理，茜草组的丝绸中δ13C 值平均恢复了0.4 个千分点，δ15N值平均恢复了1.2 个千分点，黄柏、栀子、苏木、紫草组的δ13C 值及市售染色、栀子组的δ15N 值也呈现小幅度的恢复。几种植物染料染色后的丝绸δ13C值间未呈现显著性差异，而空白丝绸、市售盲样两者与染色丝绸间存在显著性差异，经剥色后，显著性差异消除；而染色后一些丝绸的δ15N 值之间出现了显著性差异，剥色后并未消除。

表2 染色及剥色后丝绸中的δ13C、δ15N值Table 2 The results of δ13C，δ15N in dyed and sripped silk

2.3 染色对丝绸热老化过程中稳定同位素比值的影响

高温老化对染色丝绸稳定同位素的影响如图3 所示。与空白丝绸相比，经过染色处理的丝绸中13C在老化过程中同样未发生较大的富集效应，但较高温度下的δ13C 值普遍高于较低温度，染色类丝绸的δ13C 值总体变化范围为-27.3‰～-25.9‰，剥色类丝绸的总体变化范围为-27.0‰～-26.0‰。15N则出现了明显的富集效应，染色类丝绸的δ15N 值总体变化范围为2.6‰～7.6‰，剥色类丝绸的总体变化范围为2.9‰～7.9‰；其中苏木染色组的富集程度偏低，而黄柏染色组在200 ℃就发生了较明显的富集。由此可见，不同染料对丝绸的老化过程存在不同程度的影响。

图3 高温老化后染色与剥色丝绸中的δ13C、δ15N值变化Fig.3 Changes of δ13C，δ15N in dyed and stripped silk fabrics after high temperature aging

分别对染色、剥色后的两类丝绸的δ13C 值和δ15N值进行成对样本T 检验，结果如表3 显示。老化前的染色与剥色丝绸中的两种稳定同位素比值均不存在显著配对相关性，两者的稳定同位素比值间均不存在显著差异性；老化后，两类丝绸的δ13C 值、δ15N 值间均出现显著配对相关性，且δ13C值间出现显著差异性。

3 讨论

本研究利用茜草、紫草、黄柏等天然植物染料对丝绸进行染色与剥色处理，并利用光、热、酸碱溶液对丝绸进行老化处理，结合化学计量学，探究了影响丝绸中δ13C、δ15N 稳定同位素比值的因素。结果发现，多种模拟老化处理的丝绸样本中，δ15N 值大多发生了明显的变化，而δ13C 值波动幅度普遍较小。韩丽华等［24］在丝绸老化研究中发现，120 ℃的热老化对δ13C 值未造成明显影响，本试验中，随着老化温度的升高、老化时间的延长，丝绸中的δ13C值同样未呈现较大变化，最大变幅不超过1 个千分点，而δ15N 值整体呈现较大幅度的富集；酸、碱处理的丝绸中δ13C 值在第20 天后出现了小幅度的先升后降趋势，但整体相对稳定，与前人做过的酸碱老化结果相似［26-27］；δ15N则变幅较大，出现了较杂乱的起伏，整体呈富集状态。LED 光与紫外光处理后，丝绸的δ13C 值均未发生明显变化，δ15N 值在第10天逐渐升高。根据同位素效应推测，温度、酸碱液体、光照等条件的变化可能促使丝绸与环境中的气体发生同位素交换反应，从而使得丝绸中的13C、15N 得以贫化或富集，但影响程度却不尽相同，该过程可能与丝绸与环境间的分馏系数的改变有关［28］，后续可调整光的种类、波长、强度等变量，结合更多检测手段，深入探究影响丝绸稳定同位素比值的具体原因。本研究模拟老化结果表明，进行13C、15N 稳定同位素的测定前，可利用较温和的光照、温度或蒸馏水等对丝绸进行短时间的消毒、清洗等处理，但应尽量避免暴露于高温、酸碱等较极端的环境中。

植物染料处理后的丝绸中15N、13C 均发生了贫化，15N 贫化程度相对偏高；经过剥色处理，大部分丝绸中的δ13C值和δ15N值发生了一定的恢复。本研究所采用的几种植物染料的色素分子均存在多个闭环碳骨架，除黄柏色素分子中含有一个氮原子外，其他色素分子均不存在氮原子［29］。分析认为，在丝绸染色过程中，稳定同位素会在丝绸与染液间发生再分配而导致比值变化；同时，由于试验所采用的植物色素分子及其杂质中的重同位素比值与丝绸样本不同，色素分子和杂质附着在丝素纤维上会干扰测定结果。因此，后续研究应将色素分子及杂质尽可能地剥离后再进行测定，以保证准确获得该丝绸的稳定同位素含量。对染色及剥色后的丝绸进行热老化处理，与老化前相比，染色与剥色丝绸中的δ13C 值出现了显著性差异，空白、染色、剥色丝绸的稳定同位素变化趋势总体相似，说明染料的附着对丝绸的老化进程影响较小。

4 结论

本研究结果表明，高温、光照、酸碱液体几类老化因素对丝绸的δ13C值影响较低，无明显规律性；LED 灯光、紫外光照射促使δ15N值整体上升；蒸馏水、浓氨水、乙酸长时间处理后的丝绸中δ15N 值出现了杂乱的变化，其中乙酸对其影响程度最大；高温条件促使丝绸中15N 发生明显富集，且时间越久影响程度越大；染色可促使丝绸的两种同位素发生贫化，在剥色后呈现一定恢复。因此，强光、高温、液体物质的长时间处理及染色会影响丝绸同位素比值；剥色处理可降低染料及杂质对丝绸测定结果的干扰。