酶材料及凝胶对碑刻文物表面墨迹的清洗研究
摘要
对于石质碑刻文物表面的墨迹污染，常常使用常规物理清洗方法，但清洗效果一般，酶材料在文物表面墨迹清洗中还没有相关研究。本工作对不同的酶及其与表面活性剂复配后制得的酶清洗剂进行墨迹清洗实验，对比清洗前后的照片、显微照片和色差值。其中，碱性蛋白酶对墨迹的清洗效果最佳，与非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO9）复配后制得酶清洗剂，再与卡波姆940胶凝制成清洗凝胶。该清洗凝胶对石质碑刻文物有很好的贴敷性能，增强了清洗材料与文物表面的接触性，显著提升清洗效果，适合作为清洗剂的载体应用在碑刻文物上，并通过现场实验证明了能够明显清洗干净碑刻表面的浓厚墨迹。
Abstract
Our country boasts an extensive collection of stone monuments. Employing traditional techniques for rubbings on these artifacts allows for the limitless replication of their inscribed content, serving both dissemination and preservation purposes. However, improper handling during the rubbing process can lead to ink contamination on the surface of these relics. A prevalent issue is that a significant number of stone monuments in China are dense ink layers that obscure their original appearance, rendering it challenging to discern the pre-existing characters and patterns on stone surfaces.
关键词
酶
；
石质文物
；
墨迹
；
凝胶
Keywords
Enzyme
；
Stone monument
；
Ink mark
；
Gel
0 引言
我国保存着数量众多的石质碑刻文物，碑刻文物经过反复拓印，起到传播和保存的作用，但拓印也使文物表面受到捶打，不当的操作手法还会使墨迹污染文物表面。大量的碑刻文物表面都被厚重的墨迹覆盖，遮挡了原貌，难以辨识石碑表面原有的文字和纹样。
碑刻文物表面的墨迹污染常用机械清洗、蒸汽清洗和激光清洗等物理手段[1]，这些虽是常规的清洗手段，但没有根据墨的性质和碑刻表面的具体情况选择最合适的材料和方法，因此对于墨迹的针对性较低。
通过查阅文献和分析检测，墨是由固体炭黑颗粒组成的，这些微小颗粒与动物胶和水混合后经反复捶捣，干燥后成墨[2]。墨分为松烟墨和油烟墨，这两种墨的原料分别是松料和油料不充分燃烧而成的烟炱[3]。它们的微观结构也不同，松烟颗粒为近球体，相邻颗粒互相熔接；油烟及炭黑颗粒则为不规则的聚合态[4]。
墨的主要粘接剂是动物胶，常用的动物胶有明胶、皮胶、鱼胶等，动物胶的主要成分是蛋白质。本工作利用蛋白酶能够水解肽键从而分解蛋白质这一性质[5]，对由蛋白酶制成的生物清洗剂进行实验研究，对针对性地清除墨中的动物胶，使墨粉失去连接力的可行性进行分析和探讨。
在实验过程中发现，石碑由于篆刻了文字和图案，表面有许多凹陷，普通的液体清洗剂贴敷在垂直平面上难以接触到凹陷处，且清洗剂容易往下流，污染文物的其他部分。因此在对酶材料进行复配清洗实验的基础上，选取不同的凝胶材料进行了实验，将酶清洗剂制成清洗凝胶。凝胶在垂直方向上的贴敷性、弹性和保水性更好，作为清洗剂载体能精准控制清洗范围，很大程度地提升了针对墨迹的清洗效果。
近年来，凝胶材料也逐渐应用在各类文物的清洗和除锈工作上，在文物烟熏污染、油烟附着、青铜器锈蚀和凝胶特性研究等方面都有针对性的清洗和材料研究[6-13]。
1 样品和方法
1.1 样品与样块
分析使用的墨粉样品取自河南省龙门石窟和河北省响堂山石窟的碑刻文物表面。用胶带将墨从石刻表面粘下，将粘有墨粉的胶带浸泡于乙酸丁酯中，静置一夜后墨粉沉于烧杯底部。将杯中大部分溶剂倒出，留下墨粉，余下的溶剂经挥发和烘干后，加入乙醇进行二次清洗，重复干燥后将脱胶的墨粉收集起来进行分析。
模拟实验使用20 cm×20 cm大小的青石，现场实验的样块为西安碑林博物馆藏《墨斋评论》。
1.2 材料来源
木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、脂肪酶、碱性蛋白酶，河南万邦实业有限公司；人工唾液，东莞市创峰自动化科技有限公司；十二烷基硫酸钠（SDS）、吐温20、十二烷基苯磺酸钠、FC06表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO9），上海易恩化学技术有限公司；琼脂糖，北京沃比森科技有限公司；卡波姆940，路博润特种化工（上海）有限公司；Laponite RD（合成硅酸盐），毕克化学；聚乙烯醇，国药集团化学试剂有限公司；蒸汽清洗机，西屋WH-C103A；Quanta System THUNDER ART激光清洗机，High Power Q-switched Nd：YAG Laser，工作物质为掺钕钇铝石榴石（固体）。
1.3 仪器设备
色差计，Konica Minolta CR-10；灰度卡，TIFFEN Q-13；视频显微镜，米欧特SM-U500；傅立叶变换显微红外光谱仪，Bruker SolarixXR，波数范围650~4 000 cm-1；冷场发射高分辨扫描电子显微镜，HITACHI SU8220，工作距离为5~10 mm。
2 试剂制备与实验方法
2.1 试剂制备
2.1.1 酶溶液
不同的酶最适温度不同，将去离子水放置在恒温水浴锅中加热至最适温度后加入酶，不同酶的实验温度见表1[14]。分别制备质量分数为1%、3%、5%的木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和脂肪酶，0．3%、0．5%和1%的碱性蛋白酶，10%、30%和50%的人工唾液溶液，每一种酶溶液制备100 mL。
表1 不同酶的最适温度[15-16]
Table1 Optimum temperature for different enzymes
2.1.2 复配清洗剂
将浓度实验后清洗效果最佳的酶溶液与0.1%十二烷基硫酸钠（SDS）和0.2%脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO9）复配，1 L酶溶液加入1 g十二烷基硫酸钠或1.6 g脂肪醇聚氧乙烯醚。
2.1.3 凝胶制备
分别使用琼脂糖、LaponiteRD、卡波姆940和聚乙烯醇制成凝胶。不同的凝胶制备方法与成凝胶效果不同。
将1 g琼脂糖溶解于100 mL去离子水中，水温90℃，搅拌至充分溶解，室温冷却后交联。
1 g卡波姆940溶解于100 mL去离子水中，完全溶解后滴加10%氢氧化钠溶液，随着碱性的增加产生交联，在pH=9时成凝胶。
5 %~10% Laponite RD，快速搅拌后静置，添加盐溶液帮助凝固。
1 %聚乙烯醇，加热至90℃时加入1%硼砂溶液搅拌后成凝胶。
2.2 实验方法
2.2.1 模拟样块制作
使用青石作为实验样块，将宣纸覆在石块上喷湿，纸张打湿后用鬃刷轻敲，使纸张与石块表面贴合紧密。模拟拓印手法，将拓包蘸取墨汁后在半干的宣纸上轻拍后揭取。重复两三次之后石块表面明显变黑，反复拓印五次后用流水冲洗浮墨，干燥后再拓印五次即做成模拟实验块。
将拓墨后的石块表面用胶带分成九等份，每份留出约3 cm×3 cm空白处作为清洗界面（图1）。记录并对比清洗前后的色差值、照片和显微照片。
图1 青石样块模拟墨迹污染前后
Fig.1 Before and after the simulated ink contamination of a limestone sample
2.2.2 清洗方法
1）液体清洗。脱脂棉覆在石块表面，将制备得到的液体清洗剂充分滴加在脱脂棉上，并覆盖保鲜膜避免液体过快挥发，反应时间为1 h。揭去脱脂棉后先擦去溶胀脱落的表层墨迹，再使用清水反复刷洗石块表面至毛刷不再被染黑，尽量减少清洗剂残留，待完全干燥后测量清洗后数据。
2）蒸汽清洗。设定温度为130℃，清洗距离5 cm，清洗角度90°，清洗时间为5 min。
3）激光清洗。采用调Q技术（Q-switched）发射脉冲激光，脉冲宽度5~8 ns。清洗条件为20 Hz（F=20 Hz，Qdiv=1），即每秒20次脉冲；工作距离15 cm。光源处的激光束直径：10 mm。发散角：0．5 mrad。清洗中使用了基波1 064 nm，532 nm，355 nm三种输出激光波长，能量为175~225 mJ。
4）凝胶清洗。将酶清洗剂按照2．1．3中对应的制备方法制成清洗凝胶。取适量凝胶直接涂敷在被污染的表面，1 h后去除凝胶并仔细刷洗，刷洗方法与液体清洗剂相同。
2.2.3 现场实验
在室内模拟实验完成后，对藏于西安碑林博物馆的《墨斋评论》碑刻进行单体清洗剂和清洗凝胶的贴敷实验，该碑刻多年来受到反复拓印，表面被厚重墨迹覆盖，推测年代为清，材质为青石，清洗前肉眼很难分辨碑上刻画的内容。
由于复配实验是清洗凝胶的前期实验，所以只进行了室内模拟实验，为掌握不同表面活性剂对酶的影响，现场实验不再重复。
单体清洗实验布置在碑刻左下方，用可撕胶带分隔出十块实验区域，使用的材料顺序及质量分数见表2。
表2 现场实验材料
Table2 Experiment field for field
凝胶清洗实验布置在碑刻右上方，用胶带分隔出两块实验区域，使用的材料为经过模拟实验后清洗效果最好的两种酶清洗剂制得的清洗凝胶。
清洗方法与2．2．2中的液体清洗剂和凝胶清洗方法相同，实验结束后与室内实验结果对照比较。
2.3 色差分析
用色差计判断清洗效果。分别测量清洗前后样块表面的色度情况，以L、a、b值表示，L值表示明度，L值越大明度越大；a值表示颜色中的红绿轴，a值越大则颜色越红，a值越小则颜色越绿；b值表示颜色中的黄蓝轴，b值越大则颜色越黄，b值越小颜色越蓝。根据CIE 1976 L*a*b*色差公式：
ΔE=ΔL*2+Δa*2+Δb*2
(1)
获得清洗前后的色差值ΔE，本实验中色差值越大表明清洗效果越好。
对每一块样块的四角和中间共收集五次数据，计算均值和标准差。对实验组之间的结果进行单因素方差分析，计算p值，以验证相较于已有方法，所提方法在墨迹清洗性能上的统计显著性。p值＜0.05的标记为*，p值＜0.005的标记为**，p值＜0.0005的标记为***。
3 结果与讨论
3.1 形貌和成分
3.1.1 扫描电镜观察
使用扫描电子显微镜对龙门石窟和响堂山石窟取得的墨粉样品进行微观结构观察。两处样品的墨粉颗粒均为近球体，相连处呈互相熔接状，均符合松烟墨的结构特征，与油烟墨的形貌相差较大，推测两处样品都是松烟墨。以此判断现代拓印常用的墨为松烟墨（图2）。
图2 墨粉的微观结构
Fig.2 Microstructure of ink
3.1.2 红外光谱分析
使用红外光谱对样品的成分进行分析，判断其中的有机胶结材料的性质。根据红外光谱（图3），在3 377 cm-1和3 228 cm-1有N—H伸缩振动峰，3 000~3 500 cm-1段没有明显的C—H峰，并且1 300~1 400 cm-1无明显C—H峰，这表明样品中没有多糖即植物胶的成分。蛋白质中的肽键（酰胺键）有三个特征峰：酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带，酰胺Ⅰ带对应1 676 cm-1峰，酰胺Ⅲ带对应1 320 cm-1峰，酰胺Ⅱ带在1 676 cm-1峰和1 615 cm-1峰之间，在这张谱图中峰位太弱，无法明确解读，但结合酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅲ带的峰可以判断样品中有酰胺键的存在，进而可以推断出样品中有蛋白质组分的存在，即样品中的胶是动物胶。
图3 墨粉红外光谱图
Fig.3 Infrared spectra of ink samples
3.2 室内模拟实验
3.2.1 常规清洗实验
以去离子水清洗作为液体清洗剂的标样，与其他清洗方法对照。
使用去离子水和乙醇刷洗墨迹表面效果均不佳，清洗前后的色差值仅有4．08和4．68。蒸汽清洗和激光清洗效果明显更优，清洗前后色差值为12．82和16．52。
蒸汽清洗使表面墨迹受到高压冲击后很快就溶解分散开，并被蒸汽带走，清洗后表面墨迹被明显清除，但较为斑驳不均匀。
激光清洗基波越长，能量越高的清洗效果越好。本实验中暂未对石质文物的清洗阈值进行实验，但通过观察清洗后效果较好的样品表面，表面的纹理淡化变薄，在清除表面墨迹的同时对样品表面也存在一定磨损。因此，激光清洗对石质文物清洗的安全性需要进一步实验研究。
3.2.2 酶材料清洗实验
使用制备好的不同质量分数的酶溶液按照2．2．2的清洗方法进行实验，通过实验，各种酶的最佳质量分数为3%木瓜蛋白酶、5%胃蛋白酶、5%脂肪酶、1%碱性蛋白酶和10%人工唾液，图4可以看出碱性蛋白酶各质量分数的清洗效果都要好于其他酶，且1%质量分数的最佳。
图4 酶的不同质量分数清洗效果
Fig.4 Effects of different mass fractions of enzymes
3.2.3 复配实验
选择清洗效果最好的1%碱性蛋白酶、5%脂肪酶和10%人工唾液与两种表面活性剂（0．1%SDS、0．2% AEO9）进行复配实验。
SDS组的清洗效果为碱性蛋白酶＞脂肪酶＞人工唾液。AEO9组清洗效果为碱性蛋白酶＞人工唾液＞脂肪酶，见图5。
图5 酶的复配情况
Fig.5 Compounding of enzymes
3.2.4 凝胶清洗实验
使用2．1．3的方法制备四种凝胶材料，通过实验判断不同凝胶性质，选择最适合用于墨迹清洗的材料。
琼脂糖凝胶制备方法简单，但其硬度大，弹性差，并且对于物体几乎没有黏性，虽然也可以作为清洁材料的载体，但并不适合垂直贴敷。卡波姆940凝胶的弹性、黏性和硬度都较好，最适合在垂直的文物表面贴敷。
Laponite制作成的凝胶弹性和硬度都较为合适，但是没有黏性，对需要垂直贴敷的不可移动文物的适用性较低。另外这种材料的价格比较高，适合小范围的水平贴敷清洗。
聚乙烯醇凝胶与琼脂糖凝胶类似，强度较高，黏度较低。制成的凝胶为一整块略有弹性的凝胶块，形状为交联之前盛放的容器，交联完成之后无法再改变整体的形状，将其分割开后也无法恢复。
根据复配实验的结果，将1%碱性蛋白酶与0.1%SDS和0．2% AEO9复配制得的酶清洗剂与卡波姆940制作成清洗凝胶，按照2．2．2中的清洗方法进行模拟清洗实验。
通过凝胶清洗的模拟实验，发现表面墨迹得到明显清除，初步清洗后残留的余墨也更容易刷下，与脱脂棉贴敷清洗效果对比明显，表明凝胶作为清洗剂的载体对墨的清洗效果是有增益的。根据表3中清洗凝胶清洗前后的色差数据，两种清洗凝胶的ΔE值都在15以上，AEO9更是达到19.80，与其他单体或复配材料相比，清洗凝胶的效果提升显著。
表3 两种清洗凝胶色差值（均值）
Table3 Chromatic aberration of two cleaning gels （mean value）
3.2.5 小结
图6对比了4组共14种清洗方法的结果。常规清洗中，激光清洗效果最佳，但对石质文物表面存在一定磨损。
酶材料对比常规清洗中的液体清洗效果提升显著。清洗效果最佳的1%碱性蛋白酶与蒸汽清洗效果提升不明显，较激光清洗效果差。
1 %碱性蛋白酶与0．1%SDS和0．2% AEO9复配后，使用卡波姆940制成清洗凝胶，清洗效果与酶清洗剂对比有显著提升。
清洗凝胶比激光清洗效果更佳，且对文物本体更安全，是非常具有实用性和研究潜力的清洗材料。
图6 各清洗方法横向对比
Fig.6 Comparison of different cleaning methods
3.3 现场清洗实验
由于无法了解石碑原始的色差数据，因此将显微观察墨的残留情况作为清洗效果的衡量标准。
3.3.1 单体清洗实验
实验区域在碑刻的左下方，图7为清洗后的照片，实验完成后发现清洗结果较不均匀，色差数据的偏差比较大。单体材料现场实验的色差数据采集误差较大，通过直接观察能够明显地区分清洗程度，其中人工唾液的清洗效果最佳，几乎已经把碑刻表面的墨迹全部清洗掉，只剩裂缝中的墨迹由于接触不到而没有清洗干净。此外，脂肪酶、碱性蛋白酶、SDS、吐温20均有比较好的清洗效果，但是清洗后的痕迹斑驳不均，应是由于清洗剂在立面清洗时脱脂棉与文物表面贴合不紧密，导致有些区域没有接触到清洗剂，或接触时间不长，从而产生了斑驳的现象。
图7 《墨斋评论》单体材料清洗效果（各标号所表示的清洗材料见表2）
Fig.7 Effects of monomer materials on Mo Zhai Ping Lun
3.3.2 凝胶清洗实验
通过直接观察（图8）和显微观察（图9）清洗前后文物表面情况，清洗效果都非常显著，碑刻表面原来厚重的墨迹几乎都被洗除，露出了石碑的原始界面，甚至能够看清碑上还刻有文字。清洗界面与未接触到清洗材料的区域有明显区分，实验区域内清洗的效果也很均匀，解决了此前现场实验中贴敷不紧密导致清洗效果不佳、不均匀的问题。从显微照片来看，凝胶清洗之前的碑刻表面几乎被墨迹完全覆盖，清洗之后的照片则显示墨迹几乎完全被清洗掉。
图8 《墨斋评论》凝胶材料清洗效果（上下两框内分别使用SDS和AEO9清洗）
Fig.8 Effects of cleaning gels on Mo Zhai Ping Lun (upper frame for SDS and lower frame for AEO9)
图9 凝胶清洗现场实验显微照片对比
Fig.9 Micrographs of gel cleaning of Mo Zhai Ping Lun
4 结论
根据单体清洗实验，本研究证明了酶材料对于墨迹有清洗效果，其中1%碱性蛋白酶效果最好。但经过现场实验，发现液体清洗剂在垂直表面与样块无法紧密贴合，致使清洗效果被削弱。经室内实验和现场实验，将复配后的酶清洗剂制成清洗凝胶，在墨迹的清除效果有所提升的同时，应用在碑刻文物表面的贴敷性能也得到较大提升。酶清洗剂配合凝胶材料在石质碑刻文物表面对墨迹的清洗能力比当前主要的清洗方法更好，且不会对文物表面造成损伤。
表面活性剂对酶材料的作用有待进一步深入研究。酶材料和凝胶材料在文物保护中的应用空间很大，但这类材料的残留难以避免，对于表面贴敷材料的残留和老化情况及对策仍需更多研究和讨论。
墨迹长期覆盖于文物表面，是否将其清除在业内有不同的声音。墨迹对文物表面的保护作用及清洗的必要性研究，在未来的实验和理论研究上仍有很大的研究空间。
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