“考古”陶片中酒類殘留的分析檢測

張恒，劉金帥，魏嘉遁，高妍，吳倩，劉剛，馬瑩，王芬，賈春江，苑世領(lǐng) ,＊

1山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟南 250100

2山東大學(xué)歷史與文化學(xué)院，濟南 250100

1 引言

酒作為人類食譜中的一個重要門類，不僅具有飲食屬性，而且在社會生活中發(fā)揮著重要作用[1]。在海岱地區(qū)，大汶口文化墓葬中已能看到酒器成組隨葬，包括溫酒用的鬶，注酒用的盉，儲酒用的背壺、瓶、尊、壺，飲酒用的筒形杯、高柄杯和觚形杯[2]，器型多樣且系統(tǒng)成熟，已經(jīng)具備了后世禮制器用組合的雛形。酒器常用于宴飲、祭祀以及隨葬中，和禮制息息相關(guān)?？脊盘掌髦芯祁悮埩粑锏姆治?，對于研究當(dāng)時的農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r、禮制制度、酒類的起源與發(fā)展以及各地區(qū)不同的釀酒傳統(tǒng)有重要意義。然而，一直以來，中國考古學(xué)對于考古陶器的研究主要集中于類型學(xué)研究，對陶器功能的研究略顯不足且不夠深入。用化學(xué)方法研究分析酒類殘留物，可以為探索古代陶器的具體功能提供直接性證據(jù)，對于推進考古學(xué)上陶器功能的研究具有重要作用，是化學(xué)與考古成功結(jié)合的實例。

目前，酒類殘留物的測定主要有三種方法：生物標(biāo)記物檢測、植物微體化石分析以及DNA分析。生物標(biāo)記物檢測方法是通過氣相色譜、液相色譜、紅外光譜、質(zhì)譜等手段，檢測考古樣品中殘留的酒類生物標(biāo)記物，如草酸、酒石酸、乳酸等小分子有機酸及其鹽，來推測當(dāng)時考古樣品中是否盛放過酒類。植物微體化石分析包括孢粉分析、淀粉粒分析、植硅體分析等，主要是利用釀造谷芽酒的實驗建立對比標(biāo)本庫，并通過顯微鏡觀察淀粉粒在釀酒過程中的損傷，來推測考古樣品是否具有盛酒的作用。DNA分析是提取考古樣品殘留的能夠反映酒類特征的物質(zhì)的DNA后進行PCR (聚合酶鏈反應(yīng))擴增，與其現(xiàn)代樣品進行對比測序，以證明樣品是否曾用于釀酒。與植物微體化石分析和DNA分析方法相比，生物標(biāo)記物檢測方法是檢測酒類殘留物較為常用的方法，其可應(yīng)用的手段多樣、操作簡便、樣品來源廣。本實驗主要利用高效液相色譜分離進行生物標(biāo)記物檢測，其原理是利用試樣中各組分與固定相間的吸附力差異，使試樣進入色譜柱后，隨著流動相的流動，各組分以不同的速度移動，經(jīng)過一定的柱長后相互分離，以特定的順序和保留時間依次離開色譜柱進入檢測器，分別形成色譜峰。該法具有簡便快捷、分辨率高、分析速度快、重復(fù)性好以及精確度高等優(yōu)點。

將液相色譜應(yīng)用于考古學(xué)領(lǐng)域進行酒類殘留物的研究，國外起步較早且成果較多，如Patrick McGovern等[3]早在1993年就研究了底比斯的納赫特古墓的葡萄酒和啤酒遺存；Kerlijne Romanus等[4]在2009年對土耳其薩格拉斯的安瓿瓶進行了研究；Hans Barnard等[5]在2011年研究了亞美尼亞東南部一個洞穴遺址中的葡萄酒遺存；Patrick McGovern等[6]在2016年找到了南高加索格魯吉亞新石器時代發(fā)酵葡萄酒的證據(jù)。國內(nèi)近年來也逐漸重視這方面的研究，如2005年，McGovern、方輝等[7]對山東日照兩城鎮(zhèn)遺址出土的陶器內(nèi)酒殘留物進行液相色譜分析，得到陶器曾經(jīng)盛裝混合型酒的結(jié)論。總之，高效液相色譜應(yīng)用于陶器殘留物分析已有較多的成功事例，但是對于中國龐大的遺址數(shù)量來說，這方面的研究明顯不足，仍有極大的進步發(fā)展空間。

本實驗以考古陶器為背景，結(jié)合分析化學(xué)中的高效液相色譜分析方法，利用模擬的考古陶片探究酒類殘留的高效液相色譜分析方法。同時結(jié)合海岱地區(qū)的重要遺址——焦家遺址的實際隨葬陶片，分析大汶口時期(距今約6100-4600年)酒器的使用情況。通過考古學(xué)與化學(xué)兩學(xué)科的交叉融合，加深化學(xué)實驗手段在考古學(xué)中應(yīng)用的理解，增強學(xué)生利用化學(xué)實驗技能解決實際問題的能力。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

陶器是一種常見的硅酸鹽質(zhì)多孔材料，其孔隙可吸附水或有機小分子，其吸水率一般大于5%，高者可達20%。因此，經(jīng)過人們長期的使用，陶器內(nèi)部能夠留存其長期接觸的分子，通過對這些分子進行相關(guān)檢測，可以獲知陶器的可能用途。

近年來，國內(nèi)外考古化學(xué)研究人員發(fā)表了多篇有關(guān)陶器中酒類殘留物的文章。通過對21篇相關(guān)文獻的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)[3-23]，酒殘留物中酒石酸最為常見，其次是蘋果酸、檸檬酸、乳酸、草酸等，有鑒于此，我們選取這五種特征酸進行分析(表1)。

表1 不同文獻對酒殘留的分析[3–23]

本次實驗將以葡萄酒、啤酒、蘋果酒、山楂酒為例，檢測其中的酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、乳酸和草酸含量。

2.2 試劑或材料

體積比2 : 1的二氯甲烷/甲醇溶液，85%磷酸(分析純)，甲醇(色譜純)，二氯甲烷(分析純)，純凈水。長城干紅葡萄酒，嶗山啤酒，紅蘋果露酒，通明山山楂酒。市用陶器，焦家遺址出土陶片(泥質(zhì)灰陶杯腹片、泥質(zhì)紅陶鬶腹片，圖1)。

圖1 (a)考古出土泥質(zhì)灰陶杯腹片；(b)泥質(zhì)紅陶鬶腹片的內(nèi)壁；(c)泥質(zhì)紅陶鬶腹片的外壁

2.3 儀器和表征方法

電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9076A，上海一恒)，數(shù)控超聲波清洗器(KQ2200DB，昆山市超聲儀器有限公司)，臺式高速離心機(TG16，上海盧湘儀離心機儀器有限公司)，電子天平(AR522CN，奧豪斯(常州)有限公司)，高效液相色譜儀(1220 Infinity II，安捷倫)，循環(huán)水式多用真空泵(SHB-III，鄭州長城科工貿(mào)有限公司)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE-52AA，上海亞榮生化儀器廠)。

HPLC表征方法：安捷倫Polaris 180? C18-A柱(4.6 mm × 250 mm，5 μm)；檢測器：紫外檢測器，檢測波長210 nm；色譜柱溫度：40 °C；進樣量：1.0 μL；流動相：0.1%磷酸水溶液，流量1 mL·min-1。

2.4 實驗步驟/方法

2.4.1 陶片樣品的制作

將購置的陶器用干凈的鐵錘于紙盒中錘成碎塊，制作陶片樣品，樣品顆粒直徑約為1 cm，分別將其浸泡至待分析的四類酒中24小時(圖2)。

圖2 陶器樣品處理示意圖

2.4.2 有機酸的提取

用鑷子夾取浸泡好的陶片樣品于吸水紙上，按壓吸水，再將其放入干凈的燒杯中，用去離子水沖洗，去除表面殘留酒液，最后將陶片置于烘箱中100 °C烘干。

將干燥后的樣品用鐵錘錘碎，再用研缽研成粉末。稱取3.0 g樣品轉(zhuǎn)入100 mL錐形瓶中，加入45 mL 2 : 1二氯甲烷/甲醇溶液，蓋上空心塞，間歇超聲60 min。此后，抽濾，濾液轉(zhuǎn)入15 mL離心管中，在8000 r·min-1下離心20 min。將離心后的上清液轉(zhuǎn)入50 mL圓底燒瓶中，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中濃縮至2 mL左右，靜置，待用。

2.4.3 HPLC分析

在HPLC分析時，先對有機酸標(biāo)準(zhǔn)樣進行分析，通過摸索條件，確定基本的HPLC分析參數(shù)。此后，分別對蘋果酸、酒石酸、檸檬酸、乳酸、草酸進行定性分析和定量檢測。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：首先準(zhǔn)確稱量各標(biāo)準(zhǔn)樣品100.0 mg，于250 mL容量瓶中配制成400.0 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)母液；移取1、2、5、10、20 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液于50 mL容量瓶中配制成8.00、16.00、40.00、80.00、160.0 mg·L-1不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品；進行HPLC分析，建立樣品濃度與峰面積的相互關(guān)系曲線。

對經(jīng)過處理的四個陶片樣品進行高效液相色譜分析，分別得到模擬考古樣品中酒類殘留的有機酸含量。用同樣方法分析考古發(fā)掘出土的泥質(zhì)灰陶杯腹片、泥質(zhì)紅陶鬶腹片樣品。

3 結(jié)果與討論

上述五種有機酸的出峰順序為：草酸(3.219 min)、酒石酸(3.399 min)、蘋果酸(4.070 min)、乳酸(4.806 min)、檸檬酸(6.403 min) (圖3)。對這些酸進行梯度濃度分析可得標(biāo)準(zhǔn)曲線(表2)。按照本實驗的液相色譜分析方法，草酸的檢測限是0.4257 mg·L-1，酒石酸的檢測限是0.8885 mg·L-1，蘋果酸的檢測限是6.0360 mg·L-1，乳酸的檢測限是7.1093 mg·L-1，檸檬酸的檢測限是3.4672 mg·L-1。

圖3 有機酸標(biāo)準(zhǔn)樣混合物的液相色譜圖

表2 不同酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線S

對經(jīng)過不同酒浸泡的陶片樣品的分析結(jié)果表明：葡萄酒中的特征酸有酒石酸和草酸，啤酒、山楂酒、蘋果酒中的特征酸為草酸(圖4)，其提取物的特征酸含量可見于表3。

表3 陶片樣品中四類酒提取物的特征酸含量

圖4 陶片樣品中葡萄酒(a)、啤酒(b)、蘋果酒(c)、山楂酒(d)殘留物的液相色譜圖

以上結(jié)果表明，此方法可以應(yīng)用于考古出土陶片的酒類殘留物分析。據(jù)此，我們對焦家遺址的24份陶片樣品進行分析檢測。其中2份樣品中發(fā)現(xiàn)了酒類殘留的特征酸(圖5)，泥質(zhì)灰陶杯腹片中有酒石酸和草酸殘留，泥質(zhì)紅陶鬶腹片中有草酸殘留，其特征酸組成可見于表4。

圖5 泥質(zhì)灰陶杯腹片(a)、泥質(zhì)紅陶鬶腹片(b)中酒類殘留的液相色譜圖

表4 考古樣品中酒提取物的特征酸含量

章丘焦家遺址是海岱地區(qū)的重要遺址，時間上從大汶口時期(距今約6100-4600年)延續(xù)至漢代，主要遺存集中在大汶口文化中晚期(距今約5000-4600年)，是海岱地區(qū)禮制系統(tǒng)初具雛形、社會復(fù)雜化進程不斷推進等關(guān)鍵演變的集中代表，是中國史前多元一體格局中的重要組成部分。利用高效液相色譜分析方法，我們發(fā)現(xiàn)焦家遺址部分陶器中含有明顯的酒類殘留物，這一結(jié)果對推斷大汶口時期酒器的分類、釀酒傳統(tǒng)、植物分布、社會演進狀況等問題有重要意義。

4 結(jié)語

本實驗以考古發(fā)掘中最常見的出土材料——陶器為背景，結(jié)合考古背景與分析化學(xué)中的高效液相色譜分析方法，介紹了酒類殘留物分析這一前沿課題，體現(xiàn)了考古學(xué)與化學(xué)兩學(xué)科的交叉融合。通過本實驗對陶片中酒類殘留的分析，學(xué)生可熟悉樣品的提取和液相色譜檢測方法，增強對實際化學(xué)問題的提煉與解決能力，并對考古化學(xué)這一交叉學(xué)科形成初步認(rèn)識。

該實驗需提前準(zhǔn)備所需的陶片樣品，完成有機酸的分離提純、HPLC分析及數(shù)據(jù)處理等實驗操作，并結(jié)合考古學(xué)背景對實驗結(jié)果進行分析與討論。實驗過程中，首先需要借助有機酸標(biāo)準(zhǔn)樣品分別確定不同有機酸的保留時間并繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線，而后進行模擬考古陶片中酒類殘留的有機酸分析，驗證不同有機酸高效液相色譜分析方法的合理性和可行性。為進一步討論此方法在考古學(xué)中的應(yīng)用，可結(jié)合考古發(fā)掘的隨葬陶片，進行陶片中有機酸殘留的高相液相色譜分析，將色譜分析結(jié)果與陶片的考古背景相結(jié)合，綜合考慮植物資源分布及考古學(xué)文化交流等信息，以得到陶片使用的最合理闡釋。