黎凡多糖在纸张保存中的潜在应用评价

摘要

纸质材料，即手稿的保存，包括修补撕裂、填补缝隙、巩固和固定，这需要使用粘合剂。用于这些目的的粘合剂应与纸张的化学和物理性能相容，并应具有良好的老化特性。在本研究中，我们对首次应用果聚糖基生物聚合物Halomonas levan (Hlevan)的纸质样品进行了一系列实验，并与葡聚糖基黏附淀粉进行了比较。通过应用不同的历史上浆配方和油墨，初步制备了胶粘剂应用样品。然后，他们经历了加速热老化。分析了纸张样品的化学和物理变化(结晶度、pH值和颜色)。最后，应用主成分分析确定了影响样品行为的主要因素。本文研究了纤维素基材料的老化特性。结果表明，所有样品在老化后都出现了从蓝色到黄色的颜色变化，但有些含Hlevan的样品的颜色变化更明显。此外，在所有情况下，Hlevan的酸性都略低于淀粉，并作为一种特定的上浆材料的增塑剂。 The methodology of this research is also efficacious in terms of understanding the interaction of paper media with the adhesives and their effects on aging.

1.介绍

黎凡是一种基于果糖的高多糖，一种果聚糖，主要由β-d-fructofuranose残留物β-(2-6)糖苷键(见图1)。它具有结构和功能两方面的作用，并因其独特的特性组合而从其他天然聚合物中脱颖而出，如强粘附性、在水中自组装成球形胶体、极低的特性粘度、高生物相容性和健康益处，从而使这种不寻常的多糖成为r在化妆品、制药、食品和其他行业的各种应用[1]．levan也是通过较低的聚合（DP 10-100），更长的Levan链（> DP 10）的有限数量的植物物种生产^3.－10⁴)提供更广泛的应用范围基本上是由各种微生物通过左旋蔗糖酶的水解和转结构糖基化作用从蔗糖中以细胞外和高滴度产生的[2，3.].除嗜中温黎凡外，还有来自多种属的黎凡生产者，包括醋酸杆菌，芽孢杆菌，埃尔维亚，葡糖杆菌属，微细菌，假单胞菌和发酵单胞菌属，以及许多醋酸和乳酸菌，盐单胞菌属由于其额外的优势，如高产量和高盐度下的非无菌生产能力，培养物具有独特的工业潜力[4，5]．

第一个极致的生产者和新颖的物种，Halomonas smyrnensisAAD6T已被证明能产生高滴度的levan [6，我们研究小组随后的研究表明，这些培养物产生的levan具有抗氧化、抗癌作用[7和拟肝素[8)活动。它还可以作为生物絮凝剂[9]和功能性生物材料在许多高价值的应用，如药物载体系统[6，10.，11.]、激光沉积纳米结构生物活性表面、胶粘剂多层膜[12.,混合13.]和独立电影[14.和温度响应性水凝胶[15.]．尽管levan作为生物材料在几个领域有广泛的应用，但它在文化遗产文物保护方面的潜在用途尚未被报道。正如Combie和他的朋友所讨论的[16.[左旋，左革使与其他天然聚合物如羧甲基纤维素，玉米淀粉，葡聚糖，瓜尔胶，黄原胶和藻酸钠相比，拉伸和剪切强度具有更高的拉伸和剪切强度。通过纤维素材料的老化特征对淀粉糊的比较可以是淀粉糊剂的实际方法，因为淀粉糊通常是根据Alexopourou和Zervos进行的国际调查的纸张保护中选择的主要粘合剂[17.]尽管合成聚合物在保护方面有着广泛的用途，但其在纸张保护方面的应用似乎受到限制[18.]．此外,当粘合剂目前用于纸保护,即淀粉糊,不支持的ArchibondTM,羧甲基纤维素,hydroxypropylcellulose,甲基纤维素,分析了化学稳定性和真菌bioreceptivity,尽管其bioreceptivity高,其中淀粉显示更好的老化特征(19.]．因此，任何具有优越或相似老化特性的天然聚合物都可以为该领域的替代应用铺平道路。粘接性能，如拉伸强度，热稳定性，和levan的可逆性已经被揭示，但它对纸张的长期影响，将揭示其用于修复或保存过程的潜力，尚未被研究[20.]．

研究文献时发现，从三世纪开始，人们使用不同的施胶技术在纸张表面涂覆涂层，使其易于书写。使用的材料是天然物质，如树胶、胶水、淀粉和鸡蛋[21.]此外，众所周知，不仅手稿，而且普遍存在的绘画作品中也可能包含此类材料。2016年在大英博物馆数据库中进行的一项调查证实，超过50%的绘画作品使用的是“棕色墨水”也就是说，铁胆墨水在十五世纪到七十世纪之间。人们还承认，铁胆墨水会随着时间的推移导致纸张的脆性，并且在绘画中颜色会从黑色变为棕色[22.]．用于保护的另一个墨水被称为“炭黑”，其具有渗透到纸中的问题因此导致与铁胆墨水相比的阻力较小。

关于使用不同种类的油墨和上浆材料的研究报告通常指出了广泛的问题。纸基材料的保存包括修补撕裂、填补缝隙、巩固和固定，这需要使用粘合剂。要用于保护处理，这些材料需要满足一些条件，如与纸基板结合在一起的化学耐久性[19.，23.]．纸的老化是通过一些参数来研究的，如结晶度、pH值和颜色变化，这些参数也受纸上材料的化学成分，如上浆、绘画或墨水的影响。因此，当研究材料的老化特性及其对纸张的影响时，重要的是要包括这些变量来模拟真实的基材。为了实现这一目标，我们进行了一系列的实验，分析了不同配方的施胶、油墨和胶粘剂(即levan by)的应用所制备的纸张的化学变化Halomonas smyrnensis、卤单胞菌levan (HLevan)和淀粉。样品进行热老化，以便比较胶粘剂的长期效果。最后，应用主成分分析确定了影响样品行为的主要因素。

2.材料和方法

２.１.样品制备

2.1.1。基板

1级Whatman滤镜用作模型样品材料，以比较Hlevan以不同比例的兼容性。除了高纤维素含量和缺乏杂质之外，滤纸的选择主要是由于浑浊的性质和中性pH，其存在可能导致常见结果偏差[19.]．

2.1.2。规模食谱

在历史上的纸张上，一种称为上浆的工艺被应用于准备纸张表面用于书写、照明或绘画。它是通过在纤维素纤维上涂抹一些天然物质来防止其吸收多余水分的过程。通过浸泡在浆料中或简单地刷一刷，床单的表面就会覆盖上这些物质[21.]．

在五个历史尺寸的食谱中，即黄瓜种子，蛋奶与无花果牛奶，淀粉用明矾，枸杞子，和蛋白与明矾，只有两个人选择他们的易于适用性和在稿件上广泛利用范围[24.- - - - - -26.]．

评估的食谱如下:

(1)大米和阿拉伯树胶．米饭在水里煮开然后粉碎。混合物被过滤了。加入2ml阿拉伯树胶，再煮沸溶液。溶液冷却到室温后，用它擦拭纸张[26.]．

(2)蛋白和明矾浆料．在蛋清中加入5 g明矾，室温连续搅拌20分钟。将溶液过滤，在室温下静置2小时。样本纸被它擦过[26.]．

选定的配方将使我们能够研究碳水化合物和蛋白质的大小与测试生物材料的相互作用。

2.1.3。墨水配方

在历史手稿中，主要使用了两种类型的墨水。因此，这两种墨水配方都适用于以下施胶应用：

(1)油墨(1):铁胆．2克阿拉伯树胶溶于水，放在一边。将两个虫瘿压碎，用75毫升水覆盖在烧杯中，在室温下孵育过夜后得到棕色的溶液。2克硫酸铁溶解在45毫升水中，与过滤过的胆汁和阿拉伯树胶溶液混合[27.]．

(2)油墨(2):炭黑．锅盖被烧成炭黑。加入酒精，等待蒸发。加入阿拉伯树胶和水[28.]．

2.1.4。胶粘剂制备

(1)微生物Levan生产．果聚糖从h . smyrnensis如前所述，在搅拌罐发酵罐中使用37°C的蔗糖基培养基生产[29.]。然后，将培养基离心至少10分钟分钟以去除细胞。离心后，通过添加乙醇回收上清液相的levan。回收的levan颗粒在蒸馏水中重新溶解，并通过透析纯化5天。在实验室烘箱中60°C空气干燥后，称量levan样品，然后用于制备7%和10%( ）蒸馏水中的Hlevan溶液。

（2）淀粉．淀粉(Sigma-Aldrich S9765)在蒸馏水中以10% ( ）专注 [30.]．淀粉在蒸馏水中蒸煮30分钟，步骤与其他作者所描述的相同[19.]。我们希望通过检查老化前后对纸张样本的影响来研究两种天然聚合物，特别是Hlevan和淀粉，以研究Hlevan的相容性和潜力。为了实现这一点，我们与每个对照组一起，研究了2种不同的施胶条件、2种油墨类型和3种不同的配方粘合剂的离子( 每个纸样结合一种类型的施胶剂、油墨和材料，包括对照组（见图）2）.为了便于追踪，样本被赋予了代码。例如，代码1.2.3分别表示上浆1(蛋清-明矾)、墨水2(炭黑)和材料3(淀粉)的组合。使这些组合提供了一个更清楚的检查，以看到每个变量对整体结果的影响。样品的分组和编号在附录中给出1．

２.２.加速老化过程

在本研究范围内，能够模拟长期降解过程非常重要。我们首选热加速老化来模拟历史纸张的状况，并遵循ISO 5630-4:1986纸基材料规范中列出的条件。将制备好的样品悬挂在温控烘箱中，并在120°C的温度下保存3天[31.]．

2.3.比色分析

颜色稳定性是纸制品保守性过程中考虑的另一个重要变量，许多内部和外部因素都可能引起颜色的变化，因此，在使用粘合剂和老化后对颜色的耐久性进行研究是非常重要的。CIE 记录老化前后的坐标。是亮度等级；对应红绿坐标while是衡量黄-蓝颜色的标准。

２.４.pH值测试

pH值测量是一个简单但非常重要的参数，可用于确定文物修复和保护过程中处理方法的适用性[32.]．在不同的pH测量技术中，采用了TAPPI t529om -2004标准中最准确的冷萃取法。将1克纸样放在70毫升冷的蒸馏水中，时间为1至20小时。pH测量使用metttler Toledo S400-B SevenExcellenceTM pH测量仪(metttler Toledo，瑞士)。

2.5.XRD分析

结晶度指数是了解纸张物理和化学状态的一种方法。纤维素纤维的柔韧性与其无定形区有关，随着时间的推移而降低，使纸张更结晶，因此也更脆[33.].使用Bruker D2 Phaser CuK对老化前后的样品进行X射线衍射测量α在30.0 kV和10.0 mA下产生的辐射。的CuKα辐射的波长为0.154184nm。扫描从5到30°2获得θ以0.01°步，每步19.2秒。采用OriginPro 2020版本9.7.0.188分析衍射图的峰值，采用Segal方法计算结晶指数[34.]：在哪里表示相对结晶度，为晶格衍射的最大强度是非晶散射的强度以任意单位[34.- - - - - -37.]．

3.结果和讨论

３．１．色变化

色坐标的变化表中给出了老化后的值1．积极提高德CIELab单位中的值是和显示颜色从蓝色转变为黄色并降低亮度的值。陈化后颜色变化剧烈的样品主要是用蛋清和明矾配方染色或用铁胆墨水染色的样品。这种颜色变化对于含Hlevan的样品比含淀粉的样品更明显(见图)3.）.


组织代码	示例代码

0	0.0.0	0.827164	-0.52	-0.13	0.63
0	0.0.1	1.533004	1.49	0.34	0．12
0	0.0.2	2.35083	-0.6	2	1.08
0	0.0.3	4.393609	0.79	-1.06	4.19
0.1	0.1.0	17.30719	-1.28	2.03	17.14
0.1	0.1.1	14.10067	-0.89	2.32	13.88
0.1	0.1.2	13.97278	-4.52	2.41	13.
0.1	0.1.3	13.75846	0.54	1.26	13.69
0.2	0.2.0	7.839043	-7.59	0.03	1.96
0.2	0.2.1	9.029474	-0.69	2.88	8.53
0.2	0.2.2	2.666702	0.81	0．06	2.54
0.2	0.2.3	3.154267	-0.38	-0.09	3.13
1	1．0．0	28.45094	-9.33	4.37	26.52
1	1.0.1	52.20442	-24.74	15.88	43.14
1	1.0.2中	55.26563	-29.88	18.32	42.73
1	1.0.3	39.34017	-27.92	3.02	27.55
1.1	1.1.0	17.06307	-2.99	0.8	16.78
1.1	1.1.1	15.42353	-5.43	1．02	14．4
1.1	1.1.2	15.88939.	-8.37	0.66	13.49
1.1	1.1.3	12.05018	-3.52	-0.58	11.51
1.2	1.2.0	2.201681	-2.17	-0.19	-0.32
1.2	1.2.1	4.153372	-3.15	0.88	2.56
1.2	1.2.2	5.909357	-1.84	3．75	4.18
1.2	1.2.3	4.386434	-1.16	1.54	3.94
2	2.0.0	6.575546	0.59	-1.19	6.44
2	2.0.1	7.073005	0.8	-1.57	6.85
2	2.0.2	13.30259	-0.39	-2.1.	13.13
2	2.0.3	7.036796	0.5	-1.39	6.88
2.1	魅惑	14.80861	3.37	-0.04	14.42
2.1	2.1.1	11.03857	-2.24	0.79	10.78
2.1	2.1.2	9.176154	-4.29	０．１６	8.11
2.1	2.1.3	15.68494	-2.46	2.36	15.31
2.2	２.２.0	7.925238	7.82	-0.21	1.27
2.2	２.２.1	2.327466	-0.77	0.61	2.11
2.2	２.２.2	0.796492	0.4	-0.3	0.62
2.2	２.２.3.	1.544636	1.41	-0.27	0.57

（一种）

（b）

（C）

保持游离氨基的化合物与还原糖的羰基之间的反应导致颜色的变化，这个反应被称为美拉德反应。在这里，蛋白(或白蛋白)是一种蛋白质，它与碳水化合物的羰基反应形成共轭双键。由此产生的不稳定的n -取代糖胺立即进行进一步反应，生成黑素(棕色聚合物)。此外，在高温存在下，美拉德反应会加速[38.- - - - - -41]．虽然淀粉分子有还原性端，但它们的分子量也很大，可以将还原性端稀释到千分之一以下。因此，与分子量较低的Hlevan不同，在淀粉的情况下，在分析方法的噪声水平以上检测还原端是困难的。特别是胆铁墨水样品的颜色变黄和褪色是由于鞣酸铁复合物在老化过程中分解成棕黄色的化学产物[42]．此外，纤维素的链裂化和二羟基化也引起了导致泛黄的自由基的发展。非常高和值可能是由于形成了永久性的纤维素-物质复合物，这意味着老化速度加快[43]．

3.2。pH值

老化后纸张的pH值均下降。此外，它随着Hlevan浓度的增加而降低。例如，随着Hlevan浓度的增加，使用炭黑墨水的样品显示pH值从6.72变化到5.90，从6.21变化到5.85。同样，淀粉老化后也会导致pH值降低。然而，在所有情况下，淀粉比Hlevan在纸张载体上产生更多的酸性介质（见表）2）.铁胆墨水样品呈高酸性，pH值在2 ~ 4之间，而空白样品在老化前后pH值基本保持中性。结果表明，淀粉作为粘合剂比hlevan样品产生更多的酸性。这是pH值测量中最值得注意的结果。


组织代码	示例代码	老化前	CI-after老化	pH-before老化	pH-after老化

0	0.0.0	0.87	0.88	6.02	5.97
0	0.0.1	0.86	0.87	6.12	5.80
0	0.0.2	0.85	0.87	6.06	5.12
0	0.0.3	0.85	0.84	5.79	4.98
0.1	0.1.0	0.82	0.80	3.24	3.15
0.1	0.1.1	0.79	0.83	3.32	3.34
0.1	0.1.2	0.81	0.84	3.13	3.09
0.1	0.1.3	0.81	0.81	3.02	3
0.2	0.2.0	0.84	0.84	6.75	5.29
0.2	0.2.1	0.83	0.84	6.72	5.90
0.2	0.2.2	0.82	0.84	6.21	5.85
0.2	0.2.3	0.83	0.83	6.25	5.72
1	1．0．0	0.84	0.86	4.25	4.12
1	1.0.1	0.84	0.85	4.11	4.02
1	1.0.2中	0.83	0.82	4.13	4.03
1	1.0.3	0.80	0.85	4.25	4.17
1.1	1.1.0	0.85	0.85	3.46	3.43
1.1	1.1.1	0.80	0.85	3.55	3.55
1.1	1.1.2	0.80	0.82	3.41	3.32
1.1	1.1.3	0.80	0.83	3.84	3.41
1.2	1.2.0	0.74	0.79	4.18	3.87
1.2	1.2.1	0.75	0.78	4.16	3.93
1.2	1.2.2	0.78	0.82	4.14	3.84
1.2	1.2.3	0.75	0.78	4.10	3．80
2	2.0.0	0.86	0.86	5.94	5.60
2	2.0.1	0.84	0.84	5.99	5.52
2	2.0.2	0.82	0.85	5.78	5.35
2	2.0.3	0.82	0.79	5.86	5.54
2.1	魅惑	0.85	0.85	3.26	2.78
2.1	2.1.1	0.79	0.82	3.41	3.05
2.1	2.1.2	0.77	0.80	3.44	2.85
2.1	2.1.3	0.79	0.81	3.36	2.87
2.2	２.２.0	0.69	0.77	6.02	6．00
2.2	２.２.1	0.73	0.78	5.89	5.80
2.2	２.２.2	0.75	0.82	5.89	5.65
2.2	２.２.3.	0.82	0.83	5.55	5.50

此外，在施胶中包括明矾的样品变得酸性。虽然具有铁胆墨和/或蛋白尺寸的样品对衰老的pH值减少，但重要的是要注意它们的初始pH已经低于其他样品。众所周知，微生物攻击对纸的原因是低pH病症，黄变也是一些微生物产品的结果。由于在老化期间可能的氧化过程的可能产生的发色团，观察到具有铁胆油墨和不同浓度的Hlevan（1.0.2和1.0.3）的样品观察到显着的色彩改变和较低的pH值。44]．

３．３．结晶度指数

与高度填充的晶体区不同，纸张的灵活性来自其无定形区域，这可以保持水分。可以得出结论，结晶度的增加不可避免地会导致脆性[33.]．因此，测定纸的结晶度指数可以作为一种方法来说明处理对纤维素链的影响。表中列出了热老化前后样品的结晶度指数2．结晶性指数没有大幅变化，但几乎所有样品都有轻微的增加。我们可以得出结论，整体变化是热老化过程的自然结果。

对于有蛋清和明矾大小的样品，Hlevan作为一种增塑剂，防止无定形区域失去水分而变得更结晶。还有，在图中4，我们可以在老化之前和之后看到这些样品和淀粉应用样品（1.0.3）所获得的衍射图。衍射图的重要峰是（101），（10i）和（002）反射在15.0°，17.0°和22.7°，其与结晶纤维素有关。在提到的反射中存在1.0.3和1.0.2的样品峰之间存在强度差异。这解释了老化后淀粉和Hlevan应用样品之间的结晶度指数差异。

（一种）

（b）

XRD结果表明，对于使用淀粉作为施胶剂和炭黑作为油墨处理的样品（即样品2.2组），无定形区域存在显著差异，但淀粉作为粘合剂处理的样品（即2.2.3组）的无定形区域没有显著差异.与其他组相比，老化后结晶度略有增加，这意味着Hlevan应用样品的弹性降低。

3．4．主成分分析

为了区分以Hlevan和淀粉为粘合剂的不同处理的纸张样品的相互作用，对所有样品进行PCA分析。我们想看看是否有一个显著的效果，对粘合剂应用的纸张和哪一个将主导选定的变量。使用XLSTAT 2019.4.2版本进行双因素解决方案。在特征值大于1.00的数据中，前两个因素解释了超过79.01%的总变异性(见表)3.）.


	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8

特征值	4.065	2.255	1.188	0.219	0.161	0.082	0.023	0.007
变化(%)	50.818	28.190	14.844	2.741	2.012	1.023	0.285	0.087
累计(%)	50.818	79.008	93.852	96.593	98.605	99.628	99.913	100.000

活动变量在F1决定的方向上的投影与颜色变化有很强的相关性，主要是delta和δ其中第二个方向F2解释了样品结晶度的差异(见图5）.对此情节的检查已经证明，数据集中最大的变化来自颜色变化，与在纸张样品上粘合剂应用后热老化后的变黄和褪色的结果兼容。包含总变异性的50.82％的第一个主要成分（F1）对pH和结晶度结果的影响显微镜。

如果我们把注意力集中在观察到的主要成分所跨越的空间上(图6)，可以观察到一些不同组之间的聚类现象。组1.1、2.1和0.1的行为类似，且与其他同类组(即0.2、0.0和2.0)有所区别。这些样本之间的差异涉及第二主成分(F2)，占样本总变异性的28.19%。1.0组被分离并部分叠加在其他组中，这可能表明浆料对样品行为的重要性。样品1.0.1和1.0.2(含7%和10% Hlevan配方)与1.0.0(对照)和1.0.3(含10%淀粉)不同。此外，含有铁胆墨水的样品聚集在一起。这表明，油墨的选择也比胶粘剂在老化时更能指导样品的行为。

4。结论

从这项研究的结果中，我们可以得出这样的结论:虽然Hlevan引起的纸张样品中可检测到的变化与淀粉水平一样多，但其他介质元素，如上浆和纸张支撑上的油墨，总体上主导了样品中的变化。然而，浆料对Hlevan的时效行为有明显的影响。蛋清浆料与Hlevan浆料混合使用时，所有样品的黄变差异更明显，但颜色变化更明显。这可能是由于在老化过程中，温度升高会加速美拉德反应。因此，在未来的研究中，计划在80°C和65% RH的条件下进行10天的湿热老化，以检验温度和湿度的影响。在本研究中，我们还得出结论，Hlevan保存了纤维的无定形区，以蛋清-明矾大小的样品老化后，表现出更多的碱性比淀粉。本研究方法不同于其他研究方法，同时也研究了浆料和油墨等参数的影响。结果数据由PCA分析，以查看这些附加参数对纤维素底物黏附效果的贡献。虽然levan在蛋清浆料中的染色老化特性比其他的更明确，但我们相信它的其他优异和有前途的化学特性将使其能够与淀粉区分开来，并可以在未来的研究中加以改进。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据包括在文章和补充信息文件中，也可以从通信作者在要求时获得。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢Onur Atak(马尔马拉大学纺织工程系)在颜色测量方面的帮助，感谢Fatma Aslanoglu Erbug(伦敦大学学院项目管理员)在浆料应用方面的帮助。我们通过116M838项目向土耳其科学和技术研究理事会(TUBITAK)表示感谢。

补充材料

文中详细给出了样品清单、样品代码和组代码。（补充材料）

参考文献

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聚合物技术进展

用于文化遗产保护的先进聚合物及其衍生物

摘要