中國古建彩畫中血料氨基酸組成的線性判別分析及其應(yīng)用研究

楊璐 黃建華 王麗琴 馬珍珍 陳欣楠 楊富巍

摘要：血料是古代建筑彩畫中常用的地仗膠料。為了準(zhǔn)確分析出古建彩畫中殘留的膠料種類，該文使用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）分析了血料參考樣品的氨基酸組成，并與其他常用膠料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)血料中不含羥脯氨酸，且呈現(xiàn)谷氨酸／丙氨酸的比值較低，絲氨酸／脯氨酸的比值較高的特點。使用線性判別分析（LDA）擬合并驗證了可用于彩畫膠料種類判別的穩(wěn)定函數(shù)。將該函數(shù)應(yīng)用在兩件頤和園仁壽殿上架彩畫樣品膠料的分析中，發(fā)現(xiàn)文物樣品膠料的氨基酸組成兼具血料和皮膠的特征。得出了使用該模型可以實現(xiàn)血料的成功判別，以及頤和園彩畫樣品的顏料層膠料為皮膠且流失嚴(yán)重，其中血料是因下層地仗膠料的混入導(dǎo)致的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：建筑彩畫;血料;線性判別分析

中圖分類號：K854.2

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-04-010開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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

彩畫是中國古代木構(gòu)建筑的重要組成部分，在構(gòu)件表面起裝飾、美化、表達(dá)建筑語言的作用，具有重要的歷史價值和藝術(shù)價值。但彩畫位處建筑木構(gòu)件的最外層，極易受自然環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生空鼓開裂、褪色變色、脫膠粉化等病害［1］，甚至徹底剝落、消失。因此對彩畫的保護(hù)已成為我國古建筑保護(hù)、修復(fù)的重要內(nèi)容。古建筑的保護(hù)、修復(fù)應(yīng)遵循“原材料、原形制、原工藝、原做法”的“四原”原則［2］，其中“原材料”是首要原則，這就要求在進(jìn)行彩畫保護(hù)之前對其原構(gòu)成材質(zhì)進(jìn)行分析研究。

古建彩畫可分為顏料層和地仗層兩部分［3］。顏料層主要由顏料和膠料（皮膠、雞蛋、奶類等）組成，地仗層則主要由磚灰、桐油、面粉、血料等組成［4-5］。血料由新鮮豬血經(jīng)石灰發(fā)制，作為膠結(jié)材料常用于古建彩畫的地仗層中［6］。傳統(tǒng)對古建彩畫中殘留有機(jī)物的分析主要著眼于顏料層中的膠料［7-9］，對地仗層中血料的分析研究較少。地仗中的膠結(jié)材料也是彩繪的重要組成部分，蘊涵著豐富的古代工藝信息。此外，由于地仗層與顏料層緊密接觸，其間易發(fā)生有機(jī)物質(zhì)的滲透、遷移，再加之采集顏料樣本時可能附帶一些地仗物質(zhì)，致使在顏料層膠料的分析中，血料常常會產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致判別結(jié)果的偏差。

已有的血料分析研究主要通過血色原結(jié)晶試驗或熱裂解-氣相色譜／質(zhì)譜（Py-GC／MS）測定的特征裂解產(chǎn)物進(jìn)行［10-11］。血色原結(jié)晶試驗需要血紅蛋白的特異反應(yīng)，對于老化后的文物樣品可能會出現(xiàn)漏判。Py-GC／MS的裂解特征產(chǎn)物易受其他污染物的影響，對于雜質(zhì)含量較多的文物樣品可能會出現(xiàn)誤判。氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）以其高分離效率及靈敏度、低檢出限等特點，結(jié)合針對文物樣品的富集、凈化等前處理技術(shù)［12］，成為文物彩繪中殘留有機(jī)物的常用分析方法［13-14］。本研究采用GC-MS對血料及其他彩畫常用膠料的氨基酸組成特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善了古代膠料氨基酸組成比參考樣本數(shù)據(jù)庫，使用線性判別分析（LDA）擬合了可用于古建彩畫膠料鑒別的數(shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于二件頤和園仁壽殿上架彩畫樣品膠料的分析，為準(zhǔn)確復(fù)原古建彩畫工藝，深入發(fā)掘其歷史及藝術(shù)價值，指導(dǎo)該類文物的保護(hù)修復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及試劑

實驗用雞蛋、牛奶購自西安市場，皮膠用豬皮按照傳統(tǒng)工藝在實驗室熬制而成［15］，血料以新鮮豬血為原料用石灰水發(fā)制而成［16］。實驗用12種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸購自美國西格瑪公司，包括：丙氨酸（Ala）、甘氨酸（Gly）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、絲氨酸（Ser）、脯氨酸（Pro）、天冬氨酸（Asp）、苯丙氨酸（Phe）、谷氨酸（Glu）、羥脯氨酸（Hyp）、正亮氨酸（Nor），其中Pro，Hyp的濃度為12.5mmol／L，其他氨基酸濃度為2.5mmol／L，N-（特丁基二甲基硅）-N-甲基三氟乙酰胺（MTBSTFA）購自美國西格瑪公司，氨水（分析純）購自四川西隴化工有限公司，鹽酸（分析純）購自西安化學(xué)試劑廠，吡啶（色譜純）購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，三乙胺（色譜純）購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，Agilent OMIX C4固相萃取柱購自美國安捷倫公司。

1.2 樣品處理及分析

提取少量血料、皮膠、雞蛋、牛奶作為參考樣品，用手術(shù)刀刮取少量文物樣品（約2mg），分別向其中加入2.5mol／L的氨水，在超聲波輔助下萃取。離心并吸取上層清液，使用Agilent OMIX C4柱對清液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行吸附，將C4柱凈化后的蛋白質(zhì)洗脫，并將洗脫液氮氣保護(hù)下蒸干，向蒸干后的樣品中加入6mol／L鹽酸，在微波輔助下水解，并向水解液中加入正亮氨酸內(nèi)標(biāo)物。氮氣蒸干后加入MTBSTFA、吡啶、三乙胺進(jìn)行衍生化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后吸取2μL樣品上機(jī)分析，對分析獲得的選擇離子流圖積分，將峰面積代入由11種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)溶液建立的工作曲線計算相應(yīng)的氨基酸濃度。在此基礎(chǔ)上對獲得的11種氨基酸含量進(jìn)行歸一化，得出樣品的氨基酸組成信息。

1.3 儀器及測試條件

膠料的超聲波輔助萃取使用昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)的KQ-50E型超聲波清洗器。

膠料的微波輔助水解使用意大利邁爾斯通科技有限公司生產(chǎn)的Milestone ETHOS ONE型微波消解儀。水解程序為550W功率5min升溫至160℃，保持該功率和溫度30min。

膠料的氨基酸組成分析使用美國安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的Agilent 7890A-5975C型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。色譜柱DB-5MS（30m×0.25mm×0.25μm），進(jìn)樣口溫度280℃，載氣為He（99.999％），流速1.5mL／min。升溫程序為，初始溫度100℃，保持2min后以6℃／min的速度升溫至280℃。模式選擇為不分流，進(jìn)樣量2μL，離子源EI，質(zhì)譜采集模式為SIM。

2 結(jié)果與討論

2.1 參考樣品的氨基酸組成

實驗對皮膠、雞蛋、牛奶、血料四種膠料參考樣品進(jìn)行了氨基酸組成分析，每種膠料分別測試了9個平行樣品后取平均值，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，血料的各氨基酸組成與彩繪常用的另外3種膠料相比，有其獨有的特點。首先，血料與雞蛋、牛奶兩種膠料一樣均不含有Hyp。其次，血料中Ala，Ser，Pro，Glu四種氨基酸的平均含量與其他3類膠料存在明顯差異。為了驗證均值間的差異是否顯著，實驗對血料樣品中以上4種氨基酸的數(shù)據(jù)進(jìn)行了描述性統(tǒng)計。結(jié)果表明，在95％置信水平下，血料中Ala的平均百分含量為15.49±0.29，Ser的平均百分含量為11.11±0.57，Pro的平均百分含量為4.54±0.33，Glu的平均百分含量為6.12±0.33。由表1可知，另外3種膠料中Ala，Ser，Pro，Glu的平均含量均落在血料相應(yīng)氨基酸的含量區(qū)間之外。且皮膠、雞蛋、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。這表明在95％的置信水平下，血料中Ala，Ser的相對含量顯著高于其他3種膠料，而Glu，Pro的相對含量顯著低于其他3種膠料。將血料中這四種氨基酸兩兩組合，G／A（Glu／Ala）比值較低，0.40的平均值小于其他膠料，S／P（Ser／Pro）比值較高，2.45的平均值大于其他膠料。故可將G／A較低、S／P較高且不含Hyp作為判別血料的氨基酸組成特征。其他3種膠料的氨基酸組成也各有其特征［8］。由此可見，4種參考樣品的氨基酸組成存在顯著類間差異。

2.2 膠料LDA判別方程的擬合

若僅依據(jù)個別氨基酸進(jìn)行膠料種類判別，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息的較大損失，在實際應(yīng)用中極易出現(xiàn)誤判、漏判的問題。LDA是經(jīng)典的判別分析方法，其原理是將高維模式樣本投影到最優(yōu)矢量空間，以達(dá)到模式樣本在新子空間中的最大類間距離和最小類內(nèi)距離，從而保證模式在該空間中具有最佳的可分離性［17］。為了最大限度地利用膠料氨基酸分析的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)膠料種類的更準(zhǔn)確判別，實驗引入LDA對4種參考樣品氨基酸含量構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行建模，擬合判別函數(shù)，結(jié)果見表2。

表2是擬合出的典型判別函數(shù)的特征值，從表中可以看出，前兩個典型判別函數(shù)的累計方差百分比達(dá)到了98.6％，說明這兩個判別函數(shù)攜帶的信息量幾乎完全代表了模型的信息總量，損失僅為1.4％。因此，用這兩個典型判別函數(shù)就可以實現(xiàn)膠料類別的判定，實驗擬合的典型判別函數(shù)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）為函數(shù)的判別得分，即在各判別維度上的坐標(biāo)值。x為歸一化后各氨基酸的含量。為了進(jìn)一步檢驗判別模型的穩(wěn)定性和可靠性，實驗對判別函數(shù)進(jìn)行了交叉驗證，結(jié)果見表3。從表中可以看出，判別方程交叉驗證的預(yù)測組別與原始組別完全相符，說明擬合的判別函數(shù)穩(wěn)定，判定結(jié)果可靠。

2.3 文物樣品膠料的判別分析

實驗選取了頤和園仁壽殿上架彩畫的藍(lán)色和紅色兩件文物樣品，分別編號為YH-RS-1及YH-RS-2，使用GC-MS分析了2件樣品11種氨基酸的組成，結(jié)果見表4。由表4可知，兩件文物樣品均含有Hyp，但含量不高，平均值僅為2.44％。G／A的平均值為0.36，符合血料的特征，但S／P的平均值為0.31，不符合血料的特征。為了準(zhǔn)確判別文物膠料種類，將表4中的數(shù)據(jù)代入擬合的判別方程，結(jié)果見表5。

從表5中可以看出，利用擬合的LDA模型對兩件頤和園仁壽殿上架彩畫樣品膠料的判別結(jié)果均為血料。但由表4可知，文物樣品中都含Hyp，且S／P值明顯低于血料。為了探究這一現(xiàn)象背后的原因，實驗繪制了文物樣品LDA分析的判別得分散點圖（圖1）。

由圖1可知，4類膠料訓(xùn)練樣本判別函數(shù)的各組質(zhì)心分離度好且組內(nèi)樣本分布集中，說明判別函數(shù)可以很好地實現(xiàn)這4種膠料的區(qū)分。編號為YH-RS-1和YH-RS-2的文物樣品距血料組的質(zhì)心相對較近（這也是判別結(jié)果為血料的原因），但存在朝Function1軸負(fù)向的偏離。

表6是擬合的判別函數(shù)結(jié)構(gòu)矩陣。從表中可以看出，造成圖1中散點向Function1軸負(fù)向偏離的最主要原因是Hyp，其次是Gly。由表4可知，兩件文物樣品中均含有Hyp，且其Gly的平均含量為13.18％，高于血料中的平均值9.62％（表1）。含有Hyp以及較多的Gly是皮膠（動物膠）的氨基酸組成特征［8］。這表明，文物樣品的散點圖靠近血料類別但有所偏離是因為其氨基酸組成以血料的特征為主，同時兼具皮膠的部分特征。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，兩件文物樣品膠料的氨基酸組成兼具血料和皮膠的特征。由于血料具有一定的顏色，在古代幾乎不用作顏料層膠料。據(jù)此推測文物樣品顏料層中的血料來源于其下層地仗因滲透、遷移作用或采樣原因的混入，顏料層的膠料可能為皮膠。但因彩繪位于古建油飾彩畫的最外層，也不能排除其他含有Hyp及大量Gly的未知膠料或污染物質(zhì)存在的可能。

3 結(jié) 語

通過與皮膠、雞蛋、牛奶參考樣品的比較，發(fā)現(xiàn)血料的氨基酸組成有其獨有的特征。在此基礎(chǔ)上，以參考樣品作為訓(xùn)練集擬合的膠料種類判別模型穩(wěn)定、可靠，可實現(xiàn)文物樣品膠料的分析判別。利用建立的模型發(fā)現(xiàn)頤和園仁壽殿上架彩畫樣品的顏料層膠料兼具血料和皮膠的特征。推斷血料是由地仗層中膠料的混入造成，顏料層膠料可能為皮膠，但也不排除存在其他污染物質(zhì)的可能。本研究建立的LDA判別模型及在文物樣品中發(fā)現(xiàn)的下層血料對顏料層膠料氨基酸組成的影響，將為類似結(jié)構(gòu)的古建油飾彩畫膠料的更準(zhǔn)確分析判別提供參考。

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（編 輯 李 波）