張家川馬家塬戰(zhàn)國墓地M21墓葬中鐵器表面紡織殘留物的鑒定

李 力，鄧天珍，王 輝，龔德才

(1． 中國科學技術(shù)大學科技史與科技考古系文物保護基礎(chǔ)研究中心，安徽合肥 230000； 2． 甘肅省文物考古研究所，甘肅蘭州 730000)

·研究報告·

張家川馬家塬戰(zhàn)國墓地M21墓葬中鐵器表面紡織殘留物的鑒定

李 力1，鄧天珍2，王 輝2，龔德才1

(1． 中國科學技術(shù)大學科技史與科技考古系文物保護基礎(chǔ)研究中心，安徽合肥 230000； 2． 甘肅省文物考古研究所，甘肅蘭州 730000)

馬家塬戰(zhàn)國墓地是研究西戎文化以及秦戎文化交流的重要考古遺址。在M21墓葬發(fā)現(xiàn)了一些附著于鐵器表面的礦化紡織品殘片。這些礦物外殼保留了比較完整的紡織品形態(tài)，是研究早期紡織技術(shù)的寶貴資料。為此，本研究采用掃描電子顯微鏡(SEM)和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HPLC-MS)對礦物紡織品殘片的纖維原料進行了鑒定與分析： 1)礦物外殼內(nèi)部的纖維空洞結(jié)構(gòu)形態(tài)與桑蠶絲的纖維形態(tài)特征相同； 2)樣品中檢出了3組蠶絲蛋白的特征多肽片段。研究結(jié)果表明，M21墓葬中的紡織品殘片的原料為蠶絲纖維(Bombyx mori)。絲綢的發(fā)現(xiàn)表明中原的絲綢成品或者纖維原料已經(jīng)進入西戎地區(qū)，西戎與中原文明的交流更加密切。使用絲綢包裹鐵器則表明西戎文化已經(jīng)受到了一些中原風俗的影響。這一發(fā)現(xiàn)填補了馬家塬遺址中紡織品研究的空白，不僅為研究秦戎地區(qū)的織造工藝和文化交流提供了重要資料，也為礦化紡織遺存中的桑蠶絲殘留的鑒定提供了技術(shù)支持。

馬家塬戰(zhàn)國墓地；紡織殘留物鑒定；掃描電子顯微鏡；高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

0 引 言

馬家塬戰(zhàn)國墓地位于甘肅省張家川回族自治縣木河鄉(xiāng)桃園村。從2006年開始連續(xù)發(fā)掘至今，已發(fā)掘各類墓葬44座，祭祀坑2座，出土車輛49輛。除此之外還出土了大量各類不同質(zhì)地的文物。馬家塬墓地以其獨特的墓葬形制，裝飾豪華的車輛和精美的隨葬品廣為學術(shù)界所知。它是戰(zhàn)國晚期某支西戎首領(lǐng)和貴族墓地，是研究戰(zhàn)國晚期西戎文化的面貌、秦戎關(guān)系和中西交流的重要考古資料[1-3]。

絲綢的發(fā)明和使用是中國對世界的重要貢獻，在江蘇吳興縣錢山遺址發(fā)現(xiàn)了我國迄今發(fā)現(xiàn)年代最早的絲、麻制品[4]。但絲綢等紡織品的制作原料是天然纖維，容易腐爛降解，在經(jīng)歷了長時間的埋藏后，很難有較為完整的殘片或者纖維保存下來。因此，長久以來，絲綢和紡織品的研究對象一般是遺留下來的殘片或痕跡。馬家塬墓地的發(fā)掘中，在人體上發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)組織復雜的裝飾品，這些很可能是附著在紡織品和皮革上的。在M21的實驗室清理過程中就發(fā)現(xiàn)了附著于鐵器上的紡織品遺痕(圖1～2)。這些紡織殘留物附著于鐵器表面，具有清晰的紡織品形態(tài)(圖2)。在對這些殘留物取樣過程中可以明顯感覺到這些遺存的硬度很高，質(zhì)感完全不同于紡織纖維，更接近礦物材料。由此推斷這一紡織遺存很可能是紡織纖維礦化后形成的礦物外殼[5-9]。

礦化紡織品是一種特殊的古代紡織品遺存，往往出現(xiàn)在出土金屬器物周圍。Gillard等[7]學者研究發(fā)現(xiàn)，當紡織纖維附著于金屬器物表面時，隨著金屬的腐蝕，環(huán)境中的礦物成分會以纖維為模板結(jié)晶，逐漸置換纖維材料，最終導致紡織纖維部分或完全被礦物取代。礦化會造成纖維形態(tài)的逐漸消失，阻礙了紡織遺存中纖維原料的鑒定與分析[6,7]。本研究通過掃描電子顯微鏡(SEM)和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)技術(shù)對M21墓葬中礦化紡織品樣品中的紡織殘留物進行鑒定與分析，確定了紡織遺存的纖維原料。纖維原料鑒定是紡織品研究的前提與基礎(chǔ)，本實驗結(jié)果將填補馬家塬遺址紡織品研究的空白，為西戎地區(qū)紡織品以及秦戎文化交流的研究提供重要資料。

圖1 馬家塬戰(zhàn)國墓葬M21

圖2 M21墓葬中兩處鐵器表面的絲織品殘片

1 材料與方法

1.1 實驗樣品與試劑

實驗樣品為馬家塬戰(zhàn)國墓地M21墓葬中采集的礦化紡織品殘片(圖2)，由甘肅省文物考古研究所采集提供。

試劑：碳酸鈉Na2CO3，氯化鈣CaCl2，無水乙醇等為上海國藥集團生產(chǎn)，純度為分析純；液質(zhì)聯(lián)用中使用的甲酸、甲醇為色譜純級，由Sigma公司生產(chǎn)。胰凝乳蛋白酶為測序級，由Thermo公司生產(chǎn)。

1.2 實驗儀器與相關(guān)參數(shù)

鈣醇溶液：氯化鈣、乙醇、水按摩爾比1∶2∶8配制而成[10]。

主要儀器：真空濃縮儀(Concentrator Plus，德國Eppendorf公司)、透析袋(截留分子量2000)、LTQ-Qrbitrap XL質(zhì)譜儀(美國熱電)、JSM—6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.3 實驗方法

1.3.1 SEM觀察 用白色的毛紗線包埋樣品，利用火棉膠加固，再用哈氏切片器制樣后，蒸金，在掃描電鏡下觀察礦化樣品的纖維縱向和橫截面結(jié)構(gòu)，判斷待測樣品的纖維種類[11]。

1.3.2 液質(zhì)聯(lián)用鑒定蠶絲蛋白殘留物 取新鮮蠶絲5mg，經(jīng)脫膠、溶解、脫鹽、濃縮、酶切、液質(zhì)聯(lián)用儀器分析等操作后測得蠶絲蛋白特征多肽的精確質(zhì)量數(shù)和保留時間[12-14]。

取M21墓葬中紡織品殘片20mg，用去離子水清洗，去除表面殘存的污染物。烘干后充分研磨至粉末狀。再經(jīng)脫膠、溶解、脫鹽、濃縮、酶切、液質(zhì)聯(lián)用儀器分析等操作后得到特征肽段的精確質(zhì)量數(shù)和保留時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM觀察結(jié)果與分析

如圖3(a)所示，樣品具有較清晰的織物結(jié)構(gòu)和纖維形態(tài)。墓葬中鐵器的腐蝕使鐵器周圍的礦物成分含量升高，這些礦物以紡織品為載體，結(jié)晶形成具有紡織品形態(tài)的礦物外殼。隨著時間的推移，紡織纖維逐漸降解或被礦物晶體替代，形成了圖3(b)中的空洞狀結(jié)構(gòu)[5,7,9]。

如圖3(c)所示，樣品的橫截面同樣顯示出纖維降解后留下的空洞狀結(jié)構(gòu)。圖3(c)中圈1標注了一處空洞狀纖維截面，此纖維由兩根近三角狀纖維組成，這一形態(tài)特征與蠶絲纖維相同。此外，如圖3(c)中圈2所示，在少數(shù)礦化空洞中仍保留了較完整的單纖維，其形態(tài)同樣符合蠶絲纖維特征[15]。因此，通過SEM顯微觀察，可以初步判斷M21中的礦化紡織品樣品的紡織原料為蠶絲纖維。

圖3 礦化紡織品殘片和新鮮蠶絲纖維的SEM觀察結(jié)果

2.2 液質(zhì)聯(lián)用檢測結(jié)果與分析

為了更準確地鑒定礦化紡織品遺存的纖維原料，本研究引入HPLC-MS技術(shù)分析遺存中無形的紡織品殘留物。HPLC-MS技術(shù)鑒定能夠有效檢測低豐度的多肽，實驗的關(guān)鍵是準確檢出目標蛋白特征多肽的精確質(zhì)量數(shù)和保留時間[12-13]。蠶絲纖維主要由絲素和絲膠兩種蛋白組成，絲膠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，難以保存[16-17]。絲素蛋白結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，耐腐蝕性強[18-20]。在經(jīng)歷了長時間的降解后，蠶絲蛋白中絲素蛋白及其降解產(chǎn)物很可能得以保留至今[20-22]。

根據(jù)NCBI蛋白數(shù)據(jù)庫中蠶絲絲素蛋白的氨基酸序列(登記號：絲素蛋白重鏈亞基gi164448672；絲素蛋白輕鏈亞基gi24637964)，可以推導出絲素蛋白經(jīng)胰凝乳蛋白酶水解后一系列多肽片段。表1中列出了含量最為豐富的三組多肽片段的氨基酸序列和標準質(zhì)荷比[23]。

表1 絲素蛋白經(jīng)胰凝乳蛋白酶酶切后所得到的理論多肽信息

為了確保多肽片段的準確性，檢出多肽的實測質(zhì)荷比與標準質(zhì)荷比的誤差需小于3μmol/mol。表2為新鮮蠶絲和M21墓葬中紡織品殘片的HPLC-MS檢測結(jié)果。圖4-A1、圖4-B1和圖4-C1分別為新鮮蠶絲蛋白中質(zhì)荷比在623.27837、651.30967和999.45304的三組多肽的質(zhì)譜圖。三組多肽的保留時間分別為22min左右、30min左右和49min左右。

墓葬M21中的礦化紡織品殘片經(jīng)HPLC-MS檢測后同樣得到了這3組多肽。墓葬M21中的礦化紡織品殘片(圖3)中質(zhì)荷比為 623.27837(圖4-A2)、651.30967(圖4-B2)和999.45304(圖4-C2)的三組多肽的檢測結(jié)果。三組多肽的精確質(zhì)量數(shù)誤差均小于3μmol/mol，且三組多肽的保留時間(22.10min; 29.47min; 49.02min)也與新鮮蠶絲(圖4-A1、A2、A3)基本相同(新鮮蠶絲中與文物樣品相對應的三組多肽保留時間分別為21.25min、29.10min、48.77min)。墓葬M21中的礦化紡織品殘片和新鮮蠶絲的對比分析結(jié)果表明樣品中含有蠶絲蛋白存留物，由此可以推斷附著于鐵器上的紡織品原料為蠶絲纖維。

圖4 M21鐵器附著紡織品殘片與現(xiàn)代蠶絲質(zhì)譜檢測比較

2.3 馬家塬紡織遺存的討論

SEM觀察結(jié)果表明，馬家塬戰(zhàn)國墓地遺址M21墓葬中的紡織品殘片已經(jīng)嚴重礦化。在礦物外殼中，纖維空洞結(jié)構(gòu)和保留的少量單纖維形態(tài)特征與蠶絲纖維相同。HPLC-MS檢測到3組蠶絲蛋白特征多肽，表明礦化紡織品殘片中含有蠶絲蛋白殘留物。

絲綢是中華文明的重要組成。如圖2所示，M21中采集的礦化絲織品殘片附著于兩個環(huán)形鐵器表面，這很可能是因鐵器埋入時曾用絲綢覆蓋或包裹所致[5,6,27]。中原地區(qū)自商代就有以絲綢包裹金屬器物的葬俗，在西村商代遺址中就發(fā)現(xiàn)了大量附著于青銅器表面的絲織品痕跡[27]。在馬家塬戰(zhàn)國墓葬中發(fā)現(xiàn)從絲織品包裹隨葬的葬俗應是接受當時中原的影響所致。

3 結(jié) 論

M21墓葬中紡織遺存的SEM顯微觀察和HPLC-MS的實驗結(jié)果表明樣品的紡織原料為蠶絲纖維，即包裹鐵器的紡織品為絲綢。通過兩組實驗結(jié)果可以確定馬家塬戰(zhàn)國墓地遺址M21墓葬的礦化紡織品殘片的原料為蠶絲纖維。此外，實驗結(jié)果證明結(jié)合SEM觀察和HPLC-MS技術(shù)的綜合分析能夠鑒定和分析嚴重礦化的蠶絲纖維，這為礦化絲織品的分析工作提供了技術(shù)支持。同時，纖維礦化后的礦物外殼較纖維本身更容易保存，礦化絲織品的鑒定分析將對早期絲織品的研究具有重要意義。

[1] 王 輝, 趙吳成, 趙 卓,等. 張家川馬家塬戰(zhàn)國墓地 2008～2009 年發(fā)掘簡報[J]. 文物, 2010，(10):4-26. WANG Hui, ZHAO Wu-cheng, ZHAO Zhuo,etal. The excavation bulletin of the Zhangjiachuan Ma Jiayuan the Warring States tomb from 2008 to 2009[J]. Cult Relics, 2010，(10):4-26.

[2] 周廣濟, 趙吳成, 趙 卓,等. 張家川馬家塬戰(zhàn)國墓地2007～2008年發(fā)掘簡報[J]. 文物, 2009，(10):25-51. ZHOU Guang-ji, ZHAO Wu-cheng, ZHAO Zhuo,etal. The excavation bulletin of the Zhangjiachuan Ma Jiayuan the Warring States tomb from 2007 to 2008[J]. Cult Relics, 2009,(10):25-51.

[3] 周廣濟, 方志軍, 謝 言,等. 2006年度甘肅張家川回族自治縣馬家塬戰(zhàn)國墓地發(fā)掘簡報[J]. 文物, 2008，(9):4-28. ZHOU Guang-ji J, FANG Zhi-jun, XIE Yan,etal. The excavation bulletin of the Zhangjiachuan Ma Jiayuan the Warring States tomb in 2006[J]. Cult Relics, 2008,(9):4-28.

[4] 周匡明. 錢山漾殘絹片出土的啟示[J]. 文物, 1980，(1):74-77. ZHOU Guang-ming. The revelation caused by the silk textile fragment unearthed in the Qianshanyang site[J]. Cult Relics, 1980，(1):74-77.

[5] Sibley L, Jakes K. Textile fabric pseudomorphs, a fossilized form of textile evidence[J]. Cloth Text Res J， 1982，1(1):24-30.

[6] Solazzo C, Rogers P W, Weber L,etal. Species identification by peptide mass fingerprinting (PMF) in fibre products preserved by association with copper-alloy artifacts[J]. J Archaeol Sci, 2014, 49(9):524-535.

[7] Gillard R, Hardman S, Thomas R,etal. The mineralization of fibres in burial environments[J]. Stud Conserv，1994，39(2):132-140.

[8] Jakes K A, Sibley L R. An examination of the phenomenon of textile fabric pseudomorphism[J]. Adv Chem， 1984,5(205)：403-424.

[9] Janaway R. Corrosion preserved textile evidence: mechanism, bias and interpretation[J]. Occas Papers， 1989，8:21-29.

[10] Ajisawa A. Dissolution of silk fibroin with calcium chloride/ethanol aqueous solution[J]. J Sericult Sci Japan, 1998, 67:91-94.

[11] Zhao H, Kwak J H, Zhang Z C,etal. Studying cellulose fiber structure by SEM, XRD, NMR and acid hydrolysis[J]. Carbohyd Polym, 2007, 68(2):235-241.

[12] 李 萌, 裴德寧, 陶 磊,等. 液質(zhì)聯(lián)用法分析重組抗腫瘤抗病毒蛋白的一級結(jié)構(gòu)[J]. 中國生物制品學雜志, 2011, 24(12):1473-1476. LI Meng, PEI De-ning, TAO Lei,etal. Analysis of primary structure of recombinant antitumor-antivirus protein by liquid chromatography-mass spectrometry[J]. Chin J Biol, 2011, 24(12):1473-1476.

[13] 邵 晨, 高友鶴. 色譜保留時間在蛋白質(zhì)組研究中的應用[J]. 色譜, 2010, 28(2):128-134. SHAO Chen, GAO You-he. Application of peptide retention time in proteome research[J]. Chin J Chromatogr, 2010, 28(2):128-134.

[14] Zhu Z, Chen H F, Li L,etal. Biomass spectrometry identification of the fibre material in the pall imprint excavated from grave m1, peng-state cemetery, Shanxi, China[J]. Archaeometry, 2014, 56(4):681-688.

[15] 向仲懷. 蠶絲生物學[M]. 北京：中國林業(yè)出版社, 2005. XIANG Zhong-huai. Silk biology[M]. Beijing: Chinese Forestry Publishing House,2005.

[16] Vepari C, Kaplan DL. Silk as a biomaterial[J]. Prog Polym Sci, 2007;32(8):991-1007.

[17] Scheibel T. Protein fibers as performance proteins: new technologies and applications[J]. Curr opin biotechnol. 2005;16(4):427-33.

[18] Zhang X, Yuan S. Measuring quantitatively the deterioration degree of ancient silk textiles by viscometry[J]. Chin J Chem. 2010; 28(4):656-62.

[19] Lu Q, Zhang B, Li M,etal. Degradation mechanism and control of silk fibroin[J]. Biomacromolecules, 2011;12(4):1080-6.20.

[20] Arai T, Freddi G, Innocenti R, Tsukada M. Biodegradation of Bombyx mori silk fibroin fibers and films[J]. J Appl Polym Sci， 2004，91(4):2383-90.

[21] 陳華鋒, 龔德才, 黃文川, 等. SDS-PAGE分析遼寧法庫葉茂臺出土遼代絲綢的老化特征[J]. 文物保護與考古科學, 2010, 22(4): 9-13. CHEN Hua-feng, GONG De-cai, HUANG Wen-chuan,etal. Study on the aging characteristics of Liao Dynasty silk excavated from Yemaotai, Faku, Liaoning by SDS-PAGE[J]. Sci Conserv Archaeol, 2010, 22(4): 9-13.

[22] Gong D, Yang H. The discovery of free radicals in ancient silk textiles[J]. Polym Degradat Stab, 2013, 98: 1780-1783.

[23] Zhou C Z, Confalonieri F, Jacquet M,etal. Silk fibroin: structural implications of a remarkable amino acid sequence[J]. Proteins: Struct, Funct Bioinf, 2001,44(2):119-22.

[24] 丘菊賢, 楊東晨. 西戎簡論[J]. 西北民族大學學報：哲學社會科學版， 1989(4):37-40. Qiu J X, Yang D Ch. Brief analysis of Xirong[J]. J Northwest Univ Natl: Philos Soc Sci Ed, 1989(4):37-40.

[25] 樊志民. 秦霸西戎的農(nóng)史學觀察[J]. 敦煌學輯刊, 1995，(1):100-104. FAN Zhi-min. Agricultural history society research when the Xirong occupied by Qin state[J]. J Dunhuang Stud, 1995,(1):100-104.

[26] 張 寅. 東周時期關(guān)中地區(qū)西戎遺存的初步研究[J]. 考古與文物, 2014(2):46-53. ZHANG Yin. Preliminary study on the Xirong remains in Guanzhong region in the Eastern Zhou Dynasty[J]. Archaeol Cult Relics, 2014(2):46-53.

[27] 王若愚. 從臺西村出土的商代織物和紡織工具談當時的紡織[J]. 文物, 1979(6):49-53. WANG Ruo-yu. Research on Shang Dynasty textile industry analyzed by the textiles and weaving tools excavated from Taixicun[J]. Cult Relics, 1979(6):49-53.

(責任編輯 謝 燕)

The identification of textile residues on iron objects excavated from the Majiayuan site

LI Li1, DENG Tian-zhen2, WANG Hui2, GONG De-cai1

(1.TheBasicResearchCenterofCulturalRelicsConservationScience,DepartmentforHistoryofScienceandScientificArchaeology,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230000,China; 2.GansuProvincialInstituteofCultureRelicsandArchaeology,Lanzhou730000,China)

The Warring States tombs in the Majiayuan site are very important with regard to the study of the Chionite culture and the cultural exchange between the Qin and the Chionites. Some extremely mineralized silk textile fragments with intact fiber shapes were found on the surface of iron objects in the tomb M21 in the Majiayuan site. These mineralized crusts provide valuable information for studying the early silk weaving technology. In this study scanning electron microscope (SEM) and high performance liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS) was used to analyze the mineralized textile fragments. It is found that 1) the morphology of hollow in the mineralized textile was similar to that of a silk fiber, and 2) three groups of peptides characteristic of silk protein. The results demonstrated that the raw materials of the mineralized textile fragments in tomb M21 were silk fibers (from Bombyxmori). The excavation of silk at the MajiayuanSite suggests that the silk products or silk fibers had entered the Chionite regions and that the exchanges between the Chionite culture and Zhongyuan (inner land) culture were close. The use of silk to decorate or wrap iron objects indicates that the Chionite culture has been influenced by some Zhongyuan customs.This finding not only fills gaps in knowledge of the textile research at the Majiyuan site, but also provides technical support for the analysis mineralized silk textile relics.

The Majiayuan site; Identification of mineralized silk; Scanning electron microscope; High performance liquid chromatography-mass spectrometry

2016-01-21；

2016-09-20

國家文物局“指南針計劃”專項資助(2010305)，國家文物局文物保護科學和技術(shù)研究課題資助(20120223)

李 力(1988—)，男，2015年博士畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學科學技術(shù)史專業(yè)(文物保護方向)，研究方向為有機質(zhì)文物保護，E-mail： boy0632@163.com

龔德才，E-mail: gdclucky@ustc.edu.cn

1005-1538(2017)01-0001-07

K878.8

A