蜂蠟類殘留物的科學(xué)分析研究

王 楨,馬 穎,陳坤龍,閆立潤

(北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院,北京 100083)

0 引 言

在古代人類所開發(fā)的自然資源中,蜂產(chǎn)品占有獨(dú)特的地位,比如蜂蜜是人類甜食的重要來源。而蜂蠟則因其具有很高的藥理作用和應(yīng)用價(jià)值,在燃料、藝術(shù)品、化妝品以及藥品制備等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-2],在古代中國和其他文明中都曾被廣泛應(yīng)用。對蜂蠟類殘留物的分析研究可以揭示古代人類對蜂蠟開發(fā)利用的證據(jù),為復(fù)原古代社會提供更多資料。長期以來,學(xué)界對古代人類利用蜂蠟的研究多限于文獻(xiàn)的記錄,但隨著分析技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,有機(jī)化學(xué)檢測技術(shù)成為考古領(lǐng)域重要的研究手段,也為古代蜂蠟利用的研究提供了許多證據(jù)。

本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于蜂蠟類殘留物科學(xué)分析的情況,介紹了蜂蠟的產(chǎn)生與組成,梳理了蜂蠟類殘留物的樣品處理與檢測分析方法,并總結(jié)了蜂蠟類殘留物的科學(xué)鑒定的依據(jù),以期為古代蜂蠟利用與其他相關(guān)問題的研究提供有益參考。

1 蜂蠟的產(chǎn)生與組成

蜂蠟是由蜜蜂分泌的類脂質(zhì)物質(zhì)所組成的。蜜蜂屬于膜翅目蜜蜂總科的蜜蜂屬,該屬下又有東方蜜蜂、西方蜜蜂、大蜜蜂、黑大蜜蜂、小蜜蜂和黑小蜜蜂等種,而某一種的蜜蜂根據(jù)其產(chǎn)地又可進(jìn)一步被細(xì)分為不同亞種。在西方蜜蜂中,歐洲型的意大利蜂(后文簡稱“意蜂”)是目前世界范圍內(nèi)用于人類飼養(yǎng)和研究的主要蜂型[1-2]。

蜜蜂屬的共同生物學(xué)特性之一是可由蠟腺分泌蜂蠟[1],蜂蠟是蜂巢的建筑材料,為巢育和食物儲存提供基礎(chǔ)設(shè)施。蠟腺包括卵母細(xì)胞和脂肪細(xì)胞兩種基礎(chǔ)脂肪細(xì)胞。卵母細(xì)胞會在工蜂泌蠟期內(nèi)發(fā)生生理變化,體積變大,吸收脂肪酸和烴類并產(chǎn)生蠟前體材料。蜂蠟中脂肪的重要來源普遍被認(rèn)為是由脂肪細(xì)胞產(chǎn)生,但其具體的作用機(jī)制尚不明確。蜂蠟以液態(tài)形式經(jīng)過蠟腺上方蠟鏡的微孔滲出,在蠟鏡表面凝固成片狀,成為蠟鱗[1-2]。工蜂將蠟鱗取下,送入口器,混入上顎腺分泌液并充分咀嚼,使蠟鱗成為具有可塑性的小蠟團(tuán)用于造脾[1]。

蜂蠟不溶于水,略溶于乙醇,易溶于四氯化碳、氯仿、乙醚,其熔點(diǎn)為62～67 ℃。組成蜂蠟的化學(xué)成分主要包括酯類、烴類、游離酸、游離醇和少量其他物質(zhì)[3-6]。蜂蠟的成分與結(jié)構(gòu)已被廣泛研究,本工作以意蜂蜂蠟為例來介紹蜂蠟的組成。

蜂蠟中的酯類物質(zhì)包括單酯、雙酯、羥基酯等。其中單酯為線性蠟酯,其含量最多(偶數(shù)C40-50),占比約35%。單酯中的絕大部分由棕櫚酸與C24-34的偶數(shù)脂肪醇酯化而成,另外少量的不飽和單酯(C46-54),由油酸與脂肪醇酯化而成,或棕櫚酸與不飽和醇酯化而成。雙酯占比約14%,含有C56-66的偶數(shù)碳,主要由單酸與二醇酯化而成,其中二醇是C24-32的偶數(shù)醇且C24二醇含量最高,另外還有少量的雙酯是由脂肪醇與羥基酸酯化而成。三酯的結(jié)構(gòu)與二酯類似,都是由脂肪醇、單酸和羥基酸酯化而成,酯化的模式主要有兩種,一種是兩個羥基酸、一個單酸和單醇酯化,另一種是一個羥基酸、兩個單酸和二醇酯化,在蜂蠟中的占比約3%。羥基酯的含量較單酯低,有羥基單酯和羥基聚酯兩種類型,占比約12%。羥基單酯(偶數(shù)C40-50)組成較為簡單,分為兩種結(jié)構(gòu),一種由單羥基酸與長鏈醇酯化,另一種是二醇一端的羥基與棕櫚酸酯化。曾有學(xué)者分析水解蜂蠟的羥基酯成分后發(fā)現(xiàn)羥基棕櫚酸含量最多[3]。羥基聚酯較為復(fù)雜,目前沒有分離出純羥基聚酯,Tulloch推測它們主要由羥基酸鏈組成[4]。

烴類約占蜂蠟的14%:C21-33的奇數(shù)烷烴是其中最主要的化合物,約有67%,且C27含量最高;支鏈烷烴的含量很少,約0.2%;還存在少量偶數(shù)烷烴,但其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于奇數(shù)烷烴,約占烷烴總量的5%。

游離脂肪酸主要包含直鏈脂肪酸,約占蜂蠟的16%,碳原子數(shù)為偶數(shù)C20-36,其中最豐富的為C24酸,約占蜂蠟總成分的5%以上。鏈長為C28-34的偶數(shù)游離脂肪醇是蜂蠟的次要組成部分,主要占蜂蠟成分的1%。多數(shù)脂肪醇與脂肪酸酯化存在于酯類中。

已有研究表明,不同種類蜜蜂所產(chǎn)生的蜂蠟在組分上別無二致,而在部分組分的含量上有所差異。盧煥福曾對中國10個不同產(chǎn)地的蜂蠟進(jìn)行了物理性質(zhì)和成分的分析對比,結(jié)果表明各產(chǎn)地蜂蠟的指紋圖譜較為相似,在化學(xué)成分上具有一致性[7]。Aichholz和Lorbeer曾對比了西方蜜蜂、東方蜜蜂、大蜜蜂、黑大蜜蜂、小蜜蜂和黑小蜜蜂生產(chǎn)的六種蜂蠟的成分,發(fā)現(xiàn)這六種蜂蠟的基本組成相同,但各物質(zhì)在蜂蠟中的占比會因蜂種不同而有所差異。如西方蜜蜂蜂蠟中二酯占7%,羥基單酯占9%,小蜜蜂蜂蠟中二酯占16%,大蜜蜂蜂蠟中羥基單酯占23%。此外,一些主要化合物中的鏈長也有所區(qū)別,如西方蜜蜂、東方蜜蜂和小蜜蜂蜂蠟的烷烴中C27含量最高,而黑小蜜蜂蜂蠟的烷烴中C25含量最高[8]。

2 考古中的蜂蠟類殘留物

科學(xué)分析證明蜂蠟在古代世界曾被廣泛用作照明燃料[9-10]、藝術(shù)蠟像材料[11-12]、藥膏[13-14]、防腐劑[15]和粘結(jié)劑[16-17],還因其疏水性被用作陶器防水涂料[18]等。這些成果表明可以長時間留存的蜂蠟,能夠?yàn)檠芯糠湎炘诠糯睦锰峁?shí)證。這些可以被檢測到的蜂蠟類殘留物主要以兩種形式存在。

第一種是可見殘留物,主要是以固體形態(tài)原位保存在載體或遺址中,蠟質(zhì)品也包括在內(nèi),例如蠟制藝術(shù)雕像、蠟紙,以及完整保存在帶蓋陶器中的蜂蠟質(zhì)藥膏、燈具中或燈芯周圍用于燃燒的照明燃料、青銅器上用于粘結(jié)裝飾物的粘結(jié)劑等。

第二種為不可見殘留物,例如一些被吸附在陶器孔隙中的蠟類,以不易被肉眼察覺的形式存在。陶器作為多孔材料,當(dāng)儲存或加工蜂蠟材料時,有可能會吸附相當(dāng)數(shù)量的脂類物質(zhì)[19-20]。而陶器器壁上較小的孔隙能保護(hù)蜂蠟中的脂類分子免于微生物的侵蝕[19-20]。同時由于蜂蠟的疏水性,脂類分子不易從上述孔隙中受水的淋濾作用影響而流失,因此在長期的埋藏過程中,被陶器所吸附的蜂蠟組分能較好地留存下來。

3 蜂蠟類殘留物的分析與鑒定

3.1 檢測分析方法

近年來,多種現(xiàn)代科學(xué)分析技術(shù)被用于蜂蠟類殘留物的檢測分析,以識別鑒定其來源。這些技術(shù)主要包括傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)、X射線衍射法(XRD)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)、熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Py-GC/MS)、同位素質(zhì)譜技術(shù)(IRMS)、核磁共振技術(shù)(NMR)、紫外-可見吸收光譜法(UV-Vis)等。

傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)是分析有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)最常用的方法。FTIR操作簡便、過程快速,僅需少量樣品就足以開展分析。一般通過對比樣品與真實(shí)蜂蠟的紅外圖譜,即對比蜂蠟中酯類、烴類和脂肪酸的官能團(tuán)在光譜中的特定位置,來得出樣品的成分信息[10,15]。該技術(shù)與衰減全反射傅里葉變換紅外光譜法(ATR-FTIR)均可用于檢測現(xiàn)代蜂蠟中的摻雜物[21-22]。但有些吸收混合殘留物的成分較為復(fù)雜,其紅外光譜也十分復(fù)雜,存在譜峰重疊嚴(yán)重的問題,在分辨有機(jī)物具體種類時精度不足[10],一般結(jié)合GC-MS共同鑒定樣品來源。

X射線衍射法(XRD)是應(yīng)用于物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的分析方法,在可見蜂蠟殘留物的分析鑒定中也有案例。一般通過對比可見殘留物樣品與新鮮蜂蠟樣品的XRD圖譜來判斷是否有蜂蠟的存在[16,23],但在具體分析時通常結(jié)合其他檢測方法共同分析驗(yàn)證[24]。目前尚未見到XRD應(yīng)用于不可見殘留物的案例。由目前研究現(xiàn)狀可知,XRD在可見蜂蠟殘留物分析過程中具有一定的作用,但在不可見蜂蠟殘留物分析中的應(yīng)用前景尚不明確。

核磁共振技術(shù)(NMR)被廣泛應(yīng)用于研究各類化合物的分子結(jié)構(gòu),其操作簡便、快速,效果精準(zhǔn)。高分辨核磁共振儀主要用于有機(jī)化合物的分析,1H NMR技術(shù)一般根據(jù)不同H的化學(xué)位移和分裂情況確定基團(tuán)種類與位置關(guān)系,再通過對各H峰面積積分,從而確定質(zhì)子比[25]。而13C NMR技術(shù)則能確定分子中存在的碳數(shù)及其可能存在于何種基團(tuán)中。有文章報(bào)道通過固態(tài)13C NMR測定粗蜂蠟的分子結(jié)構(gòu)[26],但固態(tài)13C NMR更側(cè)重于分析有一定空間結(jié)構(gòu)的蜂蠟,并不適用于不可見蜂蠟殘留物的分析。1H NMR技術(shù)可以分辨蜂蠟中多種有機(jī)化合物,例如蠟酯、脂肪酸和脂肪醇[27],但此技術(shù)普遍對樣品的純度要求很高,而蜂蠟類殘留物,尤其是不可見蜂蠟殘留物,其樣品成分復(fù)雜,樣品量又很少,不滿足提純的要求[28]。即使是近幾年新應(yīng)用于檢測混合物的選擇性激發(fā)核磁共振技術(shù)[29-31]在實(shí)際應(yīng)用時又面臨內(nèi)標(biāo)的確定和數(shù)據(jù)分析模型的選擇等問題,目前也并未見其被使用于蜂蠟類殘留物的研究上。

紫外-可見吸收光譜法(UV-Vis)也是分析、推測有機(jī)物組成和含量的方法之一,其原理是通過檢測分子中價(jià)電子發(fā)生躍遷時對能量的吸收情況,推測其結(jié)構(gòu)和含量。而根據(jù)電子躍遷的難度不同,通常用于檢測有共軛體系的有機(jī)物分子,如不飽和烴類、不飽和脂肪酸等,一般不適用于飽和化合物的鑒定[32]。根據(jù)蜂蠟的主要組成可知其價(jià)電子躍遷方式以—CH2—的σ→σ*和C=O的n→π*為主,具備通過UV-Vis分析檢測的可能性,其吸收的峰值位于193 nm附近,之后隨著波長的增加,吸光度逐漸減小[33]。但通過文獻(xiàn)查閱可知,實(shí)際上紫外-可見吸收光譜分析更多的是被應(yīng)用于材料改性[34-35]、農(nóng)藥殘留[36]、蜂膠[37]和植物蠟[38]等方面的研究,純粹應(yīng)用于考古樣品中蜂蠟殘留物研究的案例幾乎沒有,因此紫外-可見吸收光譜分析在這方面的研究潛力還有待開發(fā)。

色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)常用于蜂蠟成分的研究。目前學(xué)術(shù)界主要通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)和熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Py-GC/MS)來獲得蜂蠟類殘留物的成分信息。GC-MS能夠分離、鑒定復(fù)雜的混合物,在定性分析的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步進(jìn)行定量分析。通過氣相色譜-質(zhì)譜儀可以得到每個分子所對應(yīng)的質(zhì)荷比相對豐度,通過解析相應(yīng)譜圖或參考質(zhì)譜庫進(jìn)行比較就可以得到結(jié)構(gòu)的信息,以此來識別多組分混合物中的未知成分[39-40]。使用GC-MS可以分析完整的?；|(zhì),例如蜂蠟中的蠟酯、動植物油中的三?；视偷?。

熱裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Py-GC/MS)是在GC-MS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它的主要原理為通過熱能將高分子及難揮發(fā)有機(jī)化合物瞬間熱裂解成易揮發(fā)的小分子產(chǎn)物,再經(jīng)載氣帶入氣相色譜-質(zhì)譜系統(tǒng)對裂解產(chǎn)物進(jìn)行分離和檢測[39,41]。該方法使用高溫裂解代替了氣相色譜-質(zhì)譜的預(yù)處理過程,最大程度地保留了樣品組分[10]。利用Py-GC/MS研究蜂蠟類殘留物,可以將蜂蠟中的酰基脂質(zhì)成分完全裂解為對應(yīng)的脂肪酸與脂肪醇,進(jìn)一步裂解,還可得到結(jié)構(gòu)更小的碎片。通過分析脂肪酸和脂肪醇以及其他裂解產(chǎn)物的組成特征與相對含量,可以分析樣品的組成和結(jié)構(gòu)及其裂解機(jī)理。

同位素質(zhì)譜技術(shù)(IRMS)在確定蜂蠟來源方面作用十分突出。在現(xiàn)代蜂蠟產(chǎn)地溯源研究中一般通過檢測分析蜂蠟中烷烴的氫同位素比來獲取蜂蠟的原產(chǎn)地[42]。氣相色譜-燃燒-同位素質(zhì)譜(GC-C-IRMS)在考古領(lǐng)域中較為常用,主要用于動物脂肪中反芻動物與非反芻動物的鑒別,在蜂蠟的鑒定應(yīng)用中案例很少。

以上的分析方法在表征有機(jī)物方面效果突出,能夠提供細(xì)致準(zhǔn)確的信息,但由于考古有機(jī)殘留物樣品的特殊性,XRD、NMR、UV-Vis和IRMS等方法在這方面的實(shí)際應(yīng)用十分有限,因此色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是目前應(yīng)用于考古樣品中蜂蠟類殘留物檢測分析最高效的方法。

3.2 樣品處理

在使用GC-MS或Py-GC/MS進(jìn)行檢測分析之前,首先要對樣品進(jìn)行處理。對于肉眼可見的蜂蠟樣品,可直接刮取微量樣品溶于溶劑或直接檢測。針對以不可見形式存在的蜂蠟類殘留物,可借鑒處理陶器殘留物的方法進(jìn)行提取,即使用手術(shù)刀或鉆頭稍微清理載體表面,去除外界或人為帶來的污染,再用干凈的手術(shù)刀或機(jī)動鉆頭刮下或磨下2～4 g粉末樣品用于有機(jī)物提取,粉末樣品應(yīng)用錫紙包裹,凍入冰箱中,避免引入污染[43-44]。

目前學(xué)術(shù)界最常見的提取方法主要有常規(guī)溶液萃取法和直接酸甲醇萃取法。常規(guī)溶液萃取法可回收的常見有機(jī)成分包括酯類、烴類、酸類和醇類。提取前加入內(nèi)標(biāo)物以做定量或定性分析。最常見的提取溶劑為氯仿/甲醇(體積比2∶1)和二氯甲烷/甲醇(體積比2∶1),提取過程可利用震蕩或超聲輔助提高其萃取效率。對總脂質(zhì)提取物(TLE)等分試樣根據(jù)需要進(jìn)行衍生化,以利于有機(jī)成分進(jìn)行色譜分析。有時為了進(jìn)一步提高其萃取效率,會對總脂類提取物的等分溶液進(jìn)行皂化水解,將完整的?；|(zhì)(如?；视?、蠟酯)水解為相應(yīng)的酸與醇,衍生化后可分別分析中性(醇、烴類)與酸性(脂肪酸)成分[43-44]。

直接酸甲醇萃取法是由Correa-Ascencio和Evershed于2014年提出的溶劑萃取新方法,可回收的常見有機(jī)成分包括烴類、酸類和醇類。該方法利用濃硫酸-甲醇溶液萃取粉末樣品,在水解完整?；|(zhì)為酸與醇的同時會將脂肪酸酯化為脂肪酸甲酯。當(dāng)總脂質(zhì)提取物中存在長鏈醇時,需要用衍生化試劑衍生以保護(hù)羥基[45]。

以上兩種提取方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。常規(guī)溶液萃取法可以保留樣品的完整組分,但提取耗時長且回收率低,效率較低。使用酸化甲醇溶液提取殘留物時,在酯類化合物水解為相應(yīng)的酸與醇的同時將脂肪酸酯化為脂肪酸甲酯,節(jié)省了大量時間與試劑,但復(fù)雜脂質(zhì)(酯類)的水解會丟失一些有價(jià)值的組成信息,例如蠟酯。

3.3 成分鑒定

3.3.1根據(jù)蜂蠟原始成分鑒定 “主要利用生物標(biāo)記物對蜂蠟的原始成分進(jìn)行溯源”這一概念,其原理是將在考古遺跡中發(fā)現(xiàn)的遺存的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代已知樣品的相匹配,即利用“化學(xué)指紋”來判斷有機(jī)遺存的生物來源[46-47]。

蜂蠟類殘留物的鑒定主要依賴于蜂蠟的成分。蜂蠟中豐度最高的成分是酯類,因此可以通過離子色譜圖中各酯類的特定離子峰來證明蜂蠟的存在。其中一系列棕櫚酸單酯、油酸酯和羥基棕櫚酸酯是證明蜂蠟存在的強(qiáng)有力證據(jù),它們的碎片離子質(zhì)荷比分別為m/z256、m/z264和m/z236[48]。已有學(xué)者對比各種動植物蠟,發(fā)現(xiàn)羥基棕櫚酸酯為蜂蠟中的特有成分[24]。一般認(rèn)為,有機(jī)殘留物中鑒定出蠟酯即可判斷蜂蠟的存在。

游離脂肪酸和烷烴通常作為輔助證據(jù)證明蜂蠟的存在。當(dāng)沒有強(qiáng)有力的證據(jù)(蠟酯)存在時,一系列脂肪酸與烷烴可為樣品的來源提供一些參考信息,若C24酸和C27烷烴含量最高[49],即可合理推測樣品中存在蜂蠟。

根據(jù)特定生物成分來確定樣品生物來源時需要高度謹(jǐn)慎,溯源時需考慮其他情況存在[46],例如只根據(jù)脂肪酸或烷烴的存在來判斷蜂蠟時應(yīng)與其他更有力的成分證據(jù)(如蠟酯)結(jié)合來證明,結(jié)果才較為可信,因?yàn)樗鼈冞€有可能來自于植物蠟[24]或石蠟[48]。

3.3.2根據(jù)蜂蠟降解產(chǎn)物鑒定 利用生物標(biāo)記物的概念,當(dāng)檢測到的標(biāo)記物越獨(dú)特,生物來源越確定。然而,在很多情況下,考古有機(jī)遺存中各種化合物已發(fā)生了改變?；诒Ａ粝聛淼奈镔|(zhì)成分來鑒定其來源需通過降解或老化產(chǎn)物來溯源,因此需要了解可能涉及的生化機(jī)制和老化途徑[46]。

蜂蠟類殘留物在使用或埋藏過程中會發(fā)生老化降解等化學(xué)反應(yīng)。例如蠟制雕像或印章在保存過程中有變脆、變形等現(xiàn)象,經(jīng)學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)蜂蠟老化后其不飽和化合物成分含量會降低,導(dǎo)致其力學(xué)性能降低,這是造成蜂蠟制品變脆的主要原因[50]。對韓國古代蠟紙的分析表明,紙張上的純蜂蠟層在保存過程中發(fā)生了水解和氧化反應(yīng),導(dǎo)致蠟層成分改變,造成紙張損壞、起皺、裂開等病害[51-52]。

蜂蠟的水解或降解一般指蜂蠟中酯類的水解,即酯類在一定溫度或濕潤環(huán)境中發(fā)生水解反應(yīng)生成相應(yīng)的酸和醇[3]。在蜂蠟中,蠟酯作為蜂蠟的特征生物標(biāo)記物,其水解后產(chǎn)生對應(yīng)的棕櫚酸、油酸、羥基棕櫚酸以及一系列參與酯化的脂肪醇、二醇。這些酸和醇的存在可為蜂蠟的存在提供間接證據(jù)。蜂蠟中棕櫚酸參與了絕大多數(shù)酯類的酯化,且蜂蠟本身不含游離棕櫚酸,其水解或老化后棕櫚酸含量會明顯增高,因此在無其他油脂(如動物脂肪和植物油)存在的情況下,棕櫚酸經(jīng)常被用于解釋蜂蠟的水解。相同的,油酸與羥基棕櫚酸分別參與多數(shù)不飽和酯及羥基棕櫚酸酯的酯化,其中羥基棕櫚酸主要為15-羥基-棕櫚酸和14-羥基-棕櫚酸[53]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在各種動植物蠟中,羥基棕櫚酸是蜂蠟的特有成分[24],它們的產(chǎn)生與含量的增高表明蜂蠟中酯類的水解。蜂蠟中游離脂肪醇的含量很少(1%),因此在已鑒定出蜂蠟的前提下,一系列偶數(shù)脂肪醇、二醇的存在被認(rèn)為是蜂蠟水解的標(biāo)志之一。Garnier等在對古代陶器殘留物中的蜂蠟進(jìn)行檢測分析的報(bào)告中提出棕櫚酸與C24-34的脂肪醇是棕櫚酸酯的水解產(chǎn)物,在現(xiàn)代蠟中含量很少,一般被視為降解后考古蜂蠟的主要成分[54]。持有相同觀點(diǎn)的還有Roffet-Salque等,其指出由于蠟酯的水解產(chǎn)生的C30和C32的脂肪醇和棕櫚酸、羥基棕櫚酸是老化蜂蠟的特征[55]。Baeten等的研究報(bào)告中也指出,蜂蠟的水解產(chǎn)物有酯水解后生成的α,(ω-1)-二醇、棕櫚酸和羥基棕櫚酸[56]。Roumpou等在塞浦路斯新石器時代的陶器提取物中檢測出蠟酯的存在,同時包含一系列烷烴、脂肪酸和脂肪醇,以及大量棕櫚酸,表明存在蜂蠟且蜂蠟已部分水解[57]。

烷烴含量的降低或消失也是蜂蠟老化或降解的標(biāo)志之一。當(dāng)蜂蠟經(jīng)過加熱或儲存于溫暖環(huán)境中時會發(fā)生烷烴的升華。有學(xué)者曾做過新鮮蜂蠟的簡易老化試驗(yàn),得出蜂蠟的燃燒會導(dǎo)致正構(gòu)烷烴的損耗的結(jié)論。Heron等觀察到蜂蠟在高溫加熱后會變成黑棕色,檢測后發(fā)現(xiàn)烷烴完全消失,但沒有提出有關(guān)蜂蠟降解的具體化學(xué)過程的解釋[9]。Regert等認(rèn)為蜂蠟中的烷烴在加熱過程中會優(yōu)先失去分子量較低的正構(gòu)烷烴,分子量越小越易升華,且烷烴的耗竭率隨溫度升高而升高[58]。Duce等則進(jìn)一步提出,加熱蜂蠟至200～250 ℃時,會發(fā)生由于正構(gòu)烷烴蒸發(fā)而出現(xiàn)的質(zhì)量損失[59]。在最近的研究中,Amir等通過模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)蜂蠟中的烷烴會隨溫度升高逐漸消失,且優(yōu)先失去分子量低的烷烴[18]。

一些不穩(wěn)定組分會因?yàn)槿祟惢顒?例如加熱)形成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的化合物。研究表明,蠟或動物脂肪中的脂肪酸或?；|(zhì)在加熱到300 ℃以上時會發(fā)生自由基誘導(dǎo)的脫水和脫酸作用,從而生成長鏈酮[60]。如在某12世紀(jì)修道院金屬燭臺上的可見殘留物經(jīng)分析后,發(fā)現(xiàn)其中存在蜂蠟作照明燃料,其中純蜂蠟燭臺殘留物中發(fā)現(xiàn)長鏈酮的存在,證明蜂蠟燃燒產(chǎn)生火焰溫度較高,導(dǎo)致其中長鏈酮的生成(式1)[61]。

(1)

不飽和脂肪酸在加熱條件下會發(fā)生雙鍵的斷裂生成α-二羧酸和短鏈酸[62-63]。例如油酸在加熱條件下雙鍵斷裂形成壬二酸。也有研究表明,其他鏈長或在其他位置帶有雙鍵的不飽和脂肪酸也會斷鏈形成其他二酸同系物[46]。不飽和酸在氧化環(huán)境中還易發(fā)生水合反應(yīng),即在其不飽和鍵的位置發(fā)生自由基二羥基化,生成鄰位二羥基酸,兩個羥基水合的位置可以很精確地表明不飽和鍵的位置,為其原物質(zhì)提供信息[62-63]。以油酸為例,其氧化產(chǎn)物如圖1所示。

圖1 油酸及其氧化產(chǎn)物

3.3.3根據(jù)其他信息鑒定 氣相色譜-燃燒-同位素質(zhì)譜技術(shù)(GC-C-IRMS)可應(yīng)用于區(qū)分反芻動物與非反芻動物脂肪來源,在蜂蠟類殘留物的鑒定中也曾被利用。Evershed等曾對兩件燈具內(nèi)的可見殘留物進(jìn)行提取,經(jīng)GC-MS分析出提取物是由蠟酯、醇和烷烴組成的,后又通過GC-C-IRMS進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)蠟酯衍生的長鏈醇和棕櫚酸的δ13C值與作為參照的新鮮蜂蠟的δ13C值非常相似,進(jìn)一步驗(yàn)證了蜂蠟的存在[64]。2003年該課題組利用高溫氣相色譜-質(zhì)譜法(HT-GC/MS)和GC-C-IRMS對希臘伊斯特米亞發(fā)掘的粗制陶器進(jìn)行了殘留物分析。結(jié)果表明,陶器樣品中的有機(jī)物質(zhì)與參照蜂蠟的成分相同,且考古樣品與新鮮蜂蠟中正構(gòu)烷烴和蠟酯衍生的長鏈醇的同位素比值(δ13C值)非常接近,進(jìn)一步確定了這些殘留物來自蜂蠟[65]。

此外,在對蜂蠟的鑒定過程中必須遵循考古學(xué)背景,緊密結(jié)合遺址年代和出土遺存的狀態(tài)、顏色、質(zhì)地以及陶器的器型等信息,合理推測蜂蠟的使用及來源。

4 總 結(jié)

本文介紹了蜂蠟的產(chǎn)生與組成,綜述了蜂蠟類殘留物的分析手段與鑒定方法,對此做出以下總結(jié)。

1) 多種現(xiàn)代科學(xué)分析技術(shù)被用于蜂蠟類殘留物的檢測分析,通過鑒定蜂蠟的成分來判斷殘留物來源。由于考古有機(jī)殘留物樣品的特殊性,XRD、NMR、UV-Vis和IRMS等方法在這方面的實(shí)際應(yīng)用十分有限,因此色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)目前是應(yīng)用于考古樣品中蜂蠟類殘留物檢測分析最高效的方法,主要利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)來分析古代蜂蠟類殘留物:一般對于可見殘留物,可直接使用熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析;而對于不可見殘留物,在進(jìn)行預(yù)處理后可使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析。

2) 蜂蠟類殘留物的鑒定有多種方法:首先是根據(jù)蜂蠟原始成分溯源,即根據(jù)蠟酯、游離脂肪酸與烷烴的信息確定蜂蠟的存在;其次也可根據(jù)原始成分的老化降解產(chǎn)物溯源,這些產(chǎn)物包括羥基脂肪酸、棕櫚酸、一系列游離脂肪醇和二醇?？脊懦鐾恋姆湎烆悮埩粑锝^大多數(shù)都部分降解,因此需結(jié)合原始成分和降解產(chǎn)物結(jié)合溯源。此外要緊密結(jié)合遺址年代和出土遺存的狀態(tài)、顏色、質(zhì)地以及陶器的器型等信息,合理推測蜂蠟的使用及來源。

3) 目前學(xué)術(shù)界對蜂蠟類殘留物的科學(xué)研究已有一定成果,但還存在一些問題與挑戰(zhàn),例如高溫下蜂蠟中物質(zhì)的降解與老化、脂質(zhì)保存的完整性等問題,這些都對有機(jī)殘留物數(shù)據(jù)的分析帶來困難,易導(dǎo)致研究結(jié)果的不確定性,應(yīng)給予關(guān)注。

致 謝:研究過程中得到了梅建軍、邵安定、劉思然等老師的指導(dǎo)和幫助,在此一并致謝!