Caractérisation des effets de la chaleur sur des cuirs de tannage végétal et développement d’une stratégie de restauration par voie enzymatique

Heat, induced by fire, is particularly devastating for cultural heritage objects as it causes the destruction of all or part of these witnesses of the past. In this study, we focused on leather, a material largely present in heritage collections. Until now, no restoration method has been developed to treat the damaging effects of heat.The first aim of our study was to evaluate the effects of dry heat on leather samples through a systematic characterization. Model samples from a calf skin vegetable tanned in known conditions were used and the consequences of heat exposure was characterized at different structural scales using a range of physical, chemical and biochemical methods.Besides the visible browning and shrinkage of leather, heat induces many changes including a loss of mass, the melt of the crystalline regions, an increase in both hydrophobicity and rigidity. Some of these changes result from the protein aggregation induced by exposure to heat and evidenced by our research.Our second goal was to develop an innovative restoration method based on the use of biological molecules in order to respect the nature of the object. Enzymes such as proteases, able to hydrolyze protein aggregates, were used. One of the challenges was to provide the water necessary for the enzyme activity without wetting the leather surface in order to avoid further damage of the leather. Several enzyme supports were tested. The use of an enzymatic emulsion reveals neither darkening nor retraction and in some cases a flexibility gain is observed. Encouraging results were also obtained in the case of an ancient book cover made from calfskin and dated from the nineteenth century. Additional measurements lead to attribute its effect mainly to the emulsion itself, however longer-term measurements appear to show a positive effect of the enzyme on the flexibility gain. Although further characterizations on the long term are required, the treatment may constitute a new support for leather bio-restoration.Keywords: leather – thermal denaturation – protein aggregation – bio-restoration - proteasesL'exposition à la chaleur, notamment lors d'incendies est particulièrement dévastatrice et dans le cas d'objets du patrimoine elle entraine la destruction de tout ou partie de ces témoins du passé. Notre étude porte sur les effets de la chaleur sur le cuir, matériau largement présent dans les collections patrimoniales.A ce jour, aucune méthode de restauration permettant d'inverser les effets de la chaleur n'a été développée. Le premier objectif de notre étude est d'évaluer les effets d'une exposition à une chaleur sèche par une caractérisation systématique d'échantillons avant et après exposition à la chaleur. Des échantillons modèles, issus d'une même peau de veau de tannage végétal connu, ont été utilisés et caractérisés à différentes échelles structurales par un large ensemble de techniques physico-chimiques et biochimiques avant et après chauffage.Au-delà du brunissement et de la rétraction visible du cuir, la chaleur induit de nombreuses altérations au niveau de la structure du matériau, notamment, une perte de masse, une fonte des structures cristallines, une augmentation de l'hydrophobie ainsi qu'une rigidification. Une partie de ces changements sont attribués à l'agrégation protéique mise en évidence par cette recherche.Le second objectif était de développer une méthode de restauration innovante basée sur l'utilisation de molécules biologiques afin de respecter la nature de l'objet. Des enzymes de type protéase, capables de rompre les agrégats protéiques ont été utilisées. Un des défis est d'apporter suffisamment d'eau, nécessaire pour l'activité de l'enzyme, sans mouiller le cuir pour éviter tout dommage supplémentaire. Plusieurs supports d'application de la protéase ont été testés. Avec une émulsion enzymatique les résultats obtenus ne mettent en évidence ni coloration, ni rétraction et dans certains cas un gain de souplesse est observé. Des résultats encourageants ont également été obtenus dans le cas d'un cuir de veau historique (XIXe siècle). Des mesures complémentaires ont fait attribuer ces propriétés principalement à l'émulsion elle-même, cependant des mesures à plus long terme semblent mettre en évidence un effet positif de l'enzyme sur le gain de souplesse. Sous réserve de nouvelles caractérisations à des temps plus longs, le traitement élaboré pourrait constituer un nouveau support de restauration par voie biologique.Mots clefs : cuir - dénaturation thermique – agrégation protéique – bio-restauration – protéase

Characterization of heat effects on vegetable tanned leather and development of an enzymatic-based restoration strategy

L'exposition à la chaleur, notamment lors d'incendies est particulièrement dévastatrice et dans le cas d'objets du patrimoine elle entraine la destruction de tout ou partie de ces témoins du passé. Notre étude porte sur les effets de la chaleur sur le cuir, matériau largement présent dans les collections patrimoniales.A ce jour, aucune méthode de restauration permettant d'inverser les effets de la chaleur n'a été développée. Le premier objectif de notre étude est d'évaluer les effets d'une exposition à une chaleur sèche par une caractérisation systématique d'échantillons avant et après exposition à la chaleur. Des échantillons modèles, issus d'une même peau de veau de tannage végétal connu, ont été utilisés et caractérisés à différentes échelles structurales par un large ensemble de techniques physico-chimiques et biochimiques avant et après chauffage.Au-delà du brunissement et de la rétraction visible du cuir, la chaleur induit de nombreuses altérations au niveau de la structure du matériau, notamment, une perte de masse, une fonte des structures cristallines, une augmentation de l'hydrophobie ainsi qu'une rigidification. Une partie de ces changements sont attribués à l'agrégation protéique mise en évidence par cette recherche.Le second objectif était de développer une méthode de restauration innovante basée sur l'utilisation de molécules biologiques afin de respecter la nature de l'objet. Des enzymes de type protéase, capables de rompre les agrégats protéiques ont été utilisées. Un des défis est d'apporter suffisamment d'eau, nécessaire pour l'activité de l'enzyme, sans mouiller le cuir pour éviter tout dommage supplémentaire. Plusieurs supports d'application de la protéase ont été testés. Avec une émulsion enzymatique les résultats obtenus ne mettent en évidence ni coloration, ni rétraction et dans certains cas un gain de souplesse est observé. Des résultats encourageants ont également été obtenus dans le cas d'un cuir de veau historique (XIXe siècle). Des mesures complémentaires ont fait attribuer ces propriétés principalement à l'émulsion elle-même, cependant des mesures à plus long terme semblent mettre en évidence un effet positif de l'enzyme sur le gain de souplesse. Sous réserve de nouvelles caractérisations à des temps plus longs, le traitement élaboré pourrait constituer un nouveau support de restauration par voie biologique.Mots clefs : cuir - dénaturation thermique – agrégation protéique – bio-restauration – protéasesHeat, induced by fire, is particularly devastating for cultural heritage objects as it causes the destruction of all or part of these witnesses of the past. In this study, we focused on leather, a material largely present in heritage collections. Until now, no restoration method has been developed to treat the damaging effects of heat.The first aim of our study was to evaluate the effects of dry heat on leather samples through a systematic characterization. Model samples from a calf skin vegetable tanned in known conditions were used and the consequences of heat exposure was characterized at different structural scales using a range of physical, chemical and biochemical methods.Besides the visible browning and shrinkage of leather, heat induces many changes including a loss of mass, the melt of the crystalline regions, an increase in both hydrophobicity and rigidity. Some of these changes result from the protein aggregation induced by exposure to heat and evidenced by our research.Our second goal was to develop an innovative restoration method based on the use of biological molecules in order to respect the nature of the object. Enzymes such as proteases, able to hydrolyze protein aggregates, were used. One of the challenges was to provide the water necessary for the enzyme activity without wetting the leather surface in order to avoid further damage of the leather. Several enzyme supports were tested. The use of an enzymatic emulsion reveals neither darkening nor retraction and in some cases a flexibility gain is observed. Encouraging results were also obtained in the case of an ancient book cover made from calfskin and dated from the nineteenth century. Additional measurements lead to attribute its effect mainly to the emulsion itself, however longer-term measurements appear to show a positive effect of the enzyme on the flexibility gain. Although further characterizations on the long term are required, the treatment may constitute a new support for leather bio-restoration.Keywords: leather – thermal denaturation – protein aggregation – bio-restoration - protease

CHARACTERIZATION OF THE EFFECT OF HEAT ON VEGETABLE TANNED LEATHER

International audienceFunded by the LabEx PATRIMA, this project combines the expertise of the CRCC laboratory, in physical chemistry and the ERRMECe laboratory in biology and biochemistry. The research aims to develop a new restoration approach for leather having lost its flexibility as a result of alteration, in particular after exposure to heat. This innovative method relies on the use of biological molecules to respect the nature of the object and preserve its past and future.Our hypothesis is that exposure to heat causes a protein aggregation. To validate this hypothesis and develop the restoration method, the modifications taking place in the leather structure are examined at different scales

CHARACTERIZATION OF THE EFFECT OF HEAT ON VEGETABLE TANNED LEATHER AND RESTORATION TRIALS THROUGH ENZYMATIC PROCESSES

International audienceThe research aims to develop a new restoration approach for leather in cultural heritage having lost its flexibility after exposure to heat. This innovative method relies on the use of biological molecules in order to respect the nature of the object and preserve its past and future. To confirm the protein aggregation expected after exposure to heat, the leather was first characterized by different techniques; then the innovative restoration approach was tested.The characterization of heat-damaged leather was performed by both physico-chemical (DMA, TGA, contact angle measurement, SEM) and biochemical (Protein extraction, Protein assays, Western-Blot) methods.Heat induces darkening, mass loss, shrinkage, stiffness increase and renders leather non wettable. Part of these changes can be due to an aggregation of leather proteins as a result of heat exposure as also shown by sequential protein extraction. Thanks to this new information, a biochemical restoration approach using enzymatic hydrolases aiming to break the protein aggregates has been developed. One of the challenges was to provide water for the enzyme without wetting the leather surface so to avoid further damage of the leather. Several procedures were tested and compared, and encouraging results were obtained

Caractérisation de l'effet de la chaleur sur l'altération des cuirs et essais de restauration

National audienceLe but du projet BIORESTOCUIRS, financé par le LabEx PATRIMA, est de développer une nouvelle approche de restauration pour des cuirs ayant perdu leur souplesse à la suite d’altérations, en particulier après exposition à la chaleur. Cette méthode innovante, repose sur l’utilisation de molécules biologiques pour respecter la nature de l’objet et préserver son histoire et son devenir.Pour cela, différents cuirs de veau de tannage végétal (sumac ou mimosa) ont été étudiés. Un ensemble de méthodes physico-chimiques et biochimiques a permis de caractériser les cuirs avant et après exposition à la chaleur et valider l’hypothèse formulée initialement d’une agrégation protéique. Le procédé de restauration envisagé consiste à développer un traitement à base d’enzyme afin de rompre les agrégats protéiques néoformés suite à l’exposition à la chaleur et permettre aux cuirs de retrouver leurs propriétés élastiques. Cette méthode de restauration pourra être à long terme appliquée à des cuirs historiques d’origines variées afin de leur redonner de la souplesse et ainsi les rendre à nouveau manipulables