“考古”陶片中酒类残留的分析检测_张恒.pdf

Univ.Chem.2023,38(2),207213 207 收稿：2022-06-09；录用：2022-07-11；网络发表：2022-07-22*通讯作者，Email: 基金资助：教育部首批新文科研究与改革实践项目(2021100060)；山东大学教育教学改革研究重点培育项目(2019P02)；山东大学青年交叉科学群体项目(2020QNQT018)；山东大学实验室建设与管理研究项目(sy20212202)；山东大学教育教学改革研究项目(2021Y230,2022Y070,2022Y073)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202206025 “考古”陶片中酒类残留的分析检测“考古”陶片中酒类残留的分析检测 张恒1，刘金帅1，魏嘉遁1，高妍2，吴倩2，刘刚1，马莹1，王芬2，贾春江1，苑世领1,*1山东大学化学与化工学院，济南 250100 2山东大学历史与文化学院，济南 250100 摘要：摘要：通过对陶器中酒类残留的检测分析，介绍了化学技术手段在考古工作中的应用。在实验中，学生通过萃取、抽滤、离心、旋转蒸发等实验步骤提取酒的标志物有机酸，并对其进行高效液相色谱(HPLC)检测，最后结合陶片的考古背景分析陶片的可能用途。该实验依托于考古化学这一新兴交叉学科，面向化学、考古学等专业的学生开设，有助于学生了解并掌握分析化学中样品分离和制备、液相色谱分析等基本概念与操作，并对考古学的研究内容形成一定认识。关键词：关键词：考古化学；酒类残留物；有机酸；HPLC 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Analysis of Alcoholic Beverage Residues in Archaeological Sherd Heng Zhang 1,Jinshuai Liu 1,Jiadun Wei 1,Yan Gao 2,Qian Wu 2,Gang Liu 1,Ying Ma 1,Fen Wang 2,Chunjiang Jia 1,Shiling Yuan 1,*1 School of Chemistry and Chemical Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China.2 School of History and Culture,Shandong University,Jinan 250100,China.Abstract:This experiment introduces the application of chemistry in archaeology through the detection and analysis of alcoholic beverage residues in pottery.Organic acids which are the indicators of alcoholic beverage residues are extracted through a series of experimental steps such as extraction,filtration,centrifugation and rotary evaporation,and measured by High Performance Liquid Chromatography(HPLC).Combined with archaeological background of pottery,the results of this experiment can be used to analyze the possible usage of the pottery.Based on emerging interdisciplinary archaeological chemistry,this experiment is offered to students majoring in chemistry and archaeology,which could provide insights into fundamental concepts,basic methods of sample isolation and HPLC analysis,as well as provide primary perception of the focused topic in archaeology.Key Words:Archaeological chemistry;Alcoholic beverage residues;Organic acid;HPLC 1 引言引言 酒作为人类食谱中的一个重要门类，不仅具有饮食属性，而且在社会生活中发挥着重要作用1。在海岱地区，大汶口文化墓葬中已能看到酒器成组随葬，包括温酒用的鬶，注酒用的盉，储酒用的208 大 学 化 学 Vol.38 背壶、瓶、尊、壶，饮酒用的筒形杯、高柄杯和觚形杯2，器型多样且系统成熟，已经具备了后世礼制器用组合的雏形。酒器常用于宴饮、祭祀以及随葬中，和礼制息息相关。考古陶器中酒类残留物的分析，对于研究当时的农业发展状况、礼制制度、酒类的起源与发展以及各地区不同的酿酒传统有重要意义。然而，一直以来，中国考古学对于考古陶器的研究主要集中于类型学研究，对陶器功能的研究略显不足且不够深入。用化学方法研究分析酒类残留物，可以为探索古代陶器的具体功能提供直接性证据，对于推进考古学上陶器功能的研究具有重要作用，是化学与考古成功结合的实例。目前，酒类残留物的测定主要有三种方法：生物标记物检测、植物微体化石分析以及DNA分析。生物标记物检测方法是通过气相色谱、液相色谱、红外光谱、质谱等手段，检测考古样品中残留的酒类生物标记物，如草酸、酒石酸、乳酸等小分子有机酸及其盐，来推测当时考古样品中是否盛放过酒类。植物微体化石分析包括孢粉分析、淀粉粒分析、植硅体分析等，主要是利用酿造谷芽酒的实验建立对比标本库，并通过显微镜观察淀粉粒在酿酒过程中的损伤，来推测考古样品是否具有盛酒的作用。DNA分析是提取考古样品残留的能够反映酒类特征的物质的DNA后进行PCR(聚合酶链反应)扩增，与其现代样品进行对比测序，以证明样品是否曾用于酿酒。与植物微体化石分析和DNA分析方法相比，生物标记物检测方法是检测酒类残留物较为常用的方法，其可应用的手段多样、操作简便、样品来源广。本实验主要利用高效液相色谱分离进行生物标记物检测，其原理是利用试样中各组分与固定相间的吸附力差异，使试样进入色谱柱后，随着流动相的流动，各组分以不同的速度移动，经过一定的柱长后相互分离，以特定的顺序和保留时间依次离开色谱柱进入检测器，分别形成色谱峰。该法具有简便快捷、分辨率高、分析速度快、重复性好以及精确度高等优点。将液相色谱应用于考古学领域进行酒类残留物的研究，国外起步较早且成果较多，如Patrick McGovern等3早在1993年就研究了底比斯的纳赫特古墓的葡萄酒和啤酒遗存；Kerlijne Romanus等4在2009年对土耳其萨格拉斯的安瓿瓶进行了研究；Hans Barnard等5在2011年研究了亚美尼亚东南部一个洞穴遗址中的葡萄酒遗存；Patrick McGovern等6在2016年找到了南高加索格鲁吉亚新石器时代发酵葡萄酒的证据。国内近年来也逐渐重视这方面的研究，如2005年，McGovern、方辉等7对山东日照两城镇遗址出土的陶器内酒残留物进行液相色谱分析，得到陶器曾经盛装混合型酒的结论。总之，高效液相色谱应用于陶器残留物分析已有较多的成功事例，但是对于中国庞大的遗址数量来说，这方面的研究明显不足，仍有极大的进步发展空间。本实验以考古陶器为背景，结合分析化学中的高效液相色谱分析方法，利用模拟的考古陶片探究酒类残留的高效液相色谱分析方法。同时结合海岱地区的重要遗址焦家遗址的实际随葬陶片，分析大汶口时期(距今约61004600年)酒器的使用情况。通过考古学与化学两学科的交叉融合，加深化学实验手段在考古学中应用的理解，增强学生利用化学实验技能解决实际问题的能力。2 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 陶器是一种常见的硅酸盐质多孔材料，其孔隙可吸附水或有机小分子，其吸水率一般大于5%，高者可达20%。因此，经过人们长期的使用，陶器内部能够留存其长期接触的分子，通过对这些分子进行相关检测，可以获知陶器的可能用途。近年来，国内外考古化学研究人员发表了多篇有关陶器中酒类残留物的文章。通过对21篇相关文献的统计发现323，酒残留物中酒石酸最为常见，其次是苹果酸、柠檬酸、乳酸、草酸等，有鉴于此，我们选取这五种特征酸进行分析(表1)。本次实验将以葡萄酒、啤酒、苹果酒、山楂酒为例，检测其中的酒石酸、苹果酸、柠檬酸、乳酸和草酸含量。2.2 试剂或材料试剂或材料 体积比2:1的二氯甲烷/甲醇溶液，85%磷酸(分析纯)，甲醇(色谱纯)，二氯甲烷(分析纯)，纯净No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202206025 209 水。长城干红葡萄酒，崂山啤酒，红苹果露酒，通明山山楂酒。市用陶器，焦家遗址出土陶片(泥质灰陶杯腹片、泥质红陶鬶腹片，图1)。表表1 不同文献对酒残留的分析不同文献对酒残留的分析323 特征酸 包含该特征酸的文献数量 酒石酸 20 苹果酸 8 柠檬酸 6 乳酸 4 草酸 3 图图1 (a)考古出土泥质灰陶杯腹片；考古出土泥质灰陶杯腹片；(b)泥质红陶鬶腹片的内壁；泥质红陶鬶腹片的内壁；(c)泥质红陶鬶腹片的外壁泥质红陶鬶腹片的外壁 2.3 仪器和表征方法仪器和表征方法 电热鼓风干燥箱(DHG-9076A，上海一恒)，数控超声波清洗器(KQ2200DB，昆山市超声仪器有限公司)，台式高速离心机(TG16，上海卢湘仪离心机仪器有限公司)，电子天平(AR522CN，奥豪斯(常州)有限公司)，高效液相色谱仪(1220 Infinity II，安捷伦)，循环水式多用真空泵(SHB-III，郑州长城科工贸有限公司)，旋转蒸发器(RE-52AA，上海亚荣生化仪器厂)。HPLC表征方法：安捷伦Polaris 180 C18-A柱(4.6 mm 250 mm，5 m)；检测器：紫外检测器，检测波长210 nm；色谱柱温度：40 C；进样量：1.0 L；流动相：0.1%磷酸水溶液，流量1 mLmin1。2.4 实验步骤实验步骤/方法方法 2.4.1 陶片样品的制作陶片样品的制作 将购置的陶器用干净的铁锤于纸盒中锤成碎块，制作陶片样品，样品颗粒直径约为1 cm，分别将其浸泡至待分析的四类酒中24小时(图2)。2.4.2 有机酸的提取有机酸的提取 用镊子夹取浸泡好的陶片样品于吸水纸上，按压吸水，再将其放入干净的烧杯中，用去离子水冲洗，去除表面残留酒液，最后将陶片置于烘箱中100 C烘干。210 大 学 化 学 Vol.38 图图2 陶器样品处理示意图陶器样品处理示意图 将干燥后的样品用铁锤锤碎，再用研钵研成粉末。称取3.0 g样品转入100 mL锥形瓶中，加入45 mL 2:1二氯甲烷/甲醇溶液，盖上空心塞，间歇超声60 min。此后，抽滤，滤液转入15 mL离心管中，在8000 rmin1下离心20 min。将离心后的上清液转入50 mL圆底烧瓶中，于旋转蒸发仪中浓缩至2 mL左右，静置，待用。2.4.3 HPLC分析分析 在HPLC分析时，先对有机酸标准样进行分析，通过摸索条件，确定基本的HPLC分析参数。此后，分别对苹果酸、酒石酸、柠檬酸、乳酸、草酸进行定性分析和定量检测。标准曲线的绘制：首先准确称量各标准样品100.0 mg，于250 mL容量瓶中配制成400.0 mgL1标准母液；移取1、2、5、10、20 mL标准溶液于50 mL容量瓶中配制成8.00、16.00、40.00、80.00、160.0 mgL1不同浓度的标准样品；进行HPLC分析，建立样品浓度与峰面积的相互关系曲线。对经过处理的四个陶片样品进行高效液相色谱分析，分别得到模拟考古样品中酒类残留的有机酸含量。用同样方法分析考古发掘出土的泥质灰陶杯腹片、泥质红陶鬶腹片样品。3 结果与讨论结果与讨论 上述五种有机酸的出峰顺序为：草酸(3.219 min)、酒石酸(3.399 min)、苹果酸(4.070 min)、乳酸(4.806 min)、柠檬酸(6.403 min)(图3)。对这些酸进行梯度浓度分析可得标准曲线(表2)。按照本实验的液相色谱分析方法，草酸的检测限是0.4257 mgL1，酒石酸的检测限是0.8885 mgL1，苹果酸的检测限是6.0360 mgL1，乳酸的检测限是7.1093 mgL1，柠檬酸的检测限是3.4672 mgL1。对经过不同酒浸泡的陶片样品的分析结果表明：葡萄酒中的特征酸有酒石酸和草酸，啤酒、山楂酒、苹果酒中的特征酸为草酸(图4)，其提取物的特征酸含量可见于表3。以上结果表明，此方法可以应用于考古出土陶片的酒类残留物分析。据此，我们对焦家遗址的24份陶片样品进行分析检测。其中2份样品中发现了酒类残留的特征酸(图5)，泥质灰陶杯腹片中有酒石酸和草酸残留，泥质红陶鬶腹片中有草酸残留，其特征酸组成可见于表4。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202206025 211 0123456789100100200300400500600Intensity(mAU)Time(min)草酸酒石酸柠檬酸乳酸苹果酸 图图3 有机酸标准样混合物的液相色谱图有机酸标准样混合物的液相色谱图 表表2 不同酸的标准曲线不同酸的标准曲线S 特征酸 标准曲线(Y：浓度，单位mgL1，X：峰面积)相关系数 草酸 Y=1.1274X 1.5320 0.9995 酒石酸 Y=10.1177X+1.0616 0.9969 苹果酸 Y=21.6732X+1.3709 0.9993 乳酸 Y=36.1868X+0.1547 0.9998 柠檬酸 Y=15.5690X 1.3057 0.9997 图图4 陶片样品中葡萄酒陶片样品中葡萄酒(a)、啤酒、啤酒(b)、苹果酒、苹果酒(c)、山楂酒、山楂酒(d)残留物的液相色谱图残留物的液相色谱图 212 大 学 化 学 Vol.38 表表3 陶片样品中四类酒提取物的特征酸含量陶片样品中四类酒提取物的特征酸含量 酒的种类 草酸含量/(mgL1)酒石酸含量/(mgL1)葡萄酒 36.42 205.0 啤酒 76.95/山楂酒 21.39/苹果酒 6.828/图图5 泥质灰陶杯腹片泥质灰陶杯腹片(a)、泥质红陶鬶腹片、泥质红陶鬶腹片(b)中酒类残留的液相色谱图中酒类残留的液相色谱图 表表4 考古样品中酒提取物的特征酸含量考古样品中酒提取物的特征酸含量 考古样品 草酸含量/(mgL1)酒石酸含量/(mgL1)泥质灰陶杯腹片 38.37 126.0 泥质红陶鬶腹片 4.326/章丘焦家遗址是海岱地区的重要遗址，时间上从大汶口时期(距今约61004600年)延续至汉代，主要遗存集中在大汶口文化中晚期(距今约50004600年)，是海岱地区礼制系统初具雏形、社会复杂化进程不断推进等关键演变的集中代表，是中国史前多元一体格局中的重要组成部分。利用高效液相色谱分析方法，我们发现焦家遗址部分陶器中含有明显的酒类残留物，这一结果对推断大汶口时期酒器的分类、酿酒传统、植物分布、社会演进状况等问题有重要意义。4 结语结语 本实验以考古发掘中最常见的出土材料陶器为背景，结合考古背景与分析化学中的高效液相色谱分析方法，介绍了酒类残留物分析这一前沿课题，体现了考古学与化学两学科的交叉融合。通过本实验对陶片中酒类残留的分析，学生可熟悉样品的提取和液相色谱检测方法，增强对实际化学问题的提炼与解决能力，并对考古化学这一交叉学科形成初步认识。该实验需提前准备所需的陶片样品，完成有机酸的分离提纯、HPLC分析及数据处理等实验操作，并结合考古学背景对实验结果进行分析与讨论。实验过程中，首先需要借助有机酸标准样品分别确定不同有机酸的保留时间并绘制其标准曲线，而后进行模拟考古陶片中酒类残留的有机酸分析，验证不同有机酸高效液相色谱分析方法的合理性和可行性。为进一步讨论此方法在考古学中的应用，可结合考古发掘的随葬陶片，进行陶片中有机酸残留的高相液相色谱分析，将色谱分析结果与陶片的考古背景相结合，综合考虑植物资源分布及考古学文化交流等信息，以得到陶片使用的最合理阐释。0123456789100246810Intensity(mAU)Time(min)草酸酒石酸012345678910-202468Intensity(mAU)Time(min)草酸No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202206025 213 参 考 文 献 参 考 文 献 1 陈洪波.中国酿酒起源考古研究综述.南方文物,2020,No.6,102.2 张超华.礼出东方:从大汶口文化看礼制起源.人生与伴侣:国学,2019,No.3,104.3 Michel,R.H.;McGovern,P.E.;Badler,V.R.Anal.Chem.1993,65(8),408.4 Romanus,K.;Baeten,J.;Poblome,J.;Accardo,S.;Degryse,P.;Jacobs,P.;Vos,D.D.;Waelkens,M.J.Archaeol.Sci.2009,36(3),900.5 Barnard,H.;Dooley,A.N.;Areshian,G.;Areshian,G.;Gasparyan,B.;Faull,K.F.J.Archaeol.Sci.2011,38(5),977.6 McGovern,P.E.;Jalabadze,M.;Batiuk,S.;Callahan,M.P.;Smith,K.E.;Hall,G.R.;Kvavadze,E.;Maghradze,D.;Rusishvili,N.;Bouby,L.;et al.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2017,114(48),10309.7 麦戈文,方辉,栾丰实,于海广,文德安,王辰珊,蔡凤书,格里辛霍尔,加里费曼,赵志军.考古,2005,No.3,73.8 McGovern,P.E.;Hartung,U.;Badler,V.R.;Glusker,D.L.;Exner,L.J.Expedition 1997,39(1),3.9 Guasch-Jane,M.R.;Ibern-Gomez,M.;Andres-Lacueva,C.;Jauregui,O.;Lamuela-Raventos,R.M.Anal.Chem.2004,76(6),1672.10 McGovern,P.E.;Zhang,J.;Tang,J.;Zhang,Z.;Hall,G.R.;Moreau,R.A.;Nunez,A.;Butrym,E.D.;Richards,M.P.;Wang,C.;et al.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2004,101(51),17593.11 McGovern,P.E.;Mirzoian,A.;Hall,G.R.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2009,106(18),7361.12 Pecci,A.;Giorgi,G.;Salvini,L.;Ontiveros,M.A.C.J.Archaeol.Sci.2013,40(1),109.13 Pecci,A.;Ontiveros,M.C.;Garnier,N.J.Archaeol.Sci.2013,40(12),4491.14 Teodor,E.D.;Badea,G.I.;Alecu,A.;Calu,L.;Radu,G.L.Chem.Pap.2014,68(8),1022.15 Koh,A.J.;Yasur-Landau,A.;Cline,E.H.Plos one 2014,9(8),e106406.16 Garnier,N.;Valamoti,S.M.J.Archaeol.Sci.2016,74,195.17 McGovern,P.E.;Hall,G.R.J.Archaeol.Method Th.2016,23(2),592.18 Manzano,E.;Cantarero,S.;Garca,A.;Adroher,A.;Vlchez,J.L.Microchem J.2016,129,286.19 Pecci,A.;Innocenti,E.D.;Giorg,G.;Ontiveros,M.A.C.;Cantini,F.;Potrony,E.S.;Als,C.;Miriello,D.Archaeol.Anthropol.Sci.2016,8(4),879.20 Wang,J.;Liu,L.;Ball,T.;Yu,L.;Li,Y.;Xing,F.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2016,113(23),6444.21 Zhang,T.;Xu,S.;Li,Y.;Wen,R.;Yang,G.J.Archaeol.Sci.2018,142,175.22 Perruchini,E.;Glatz,C.;Hald,M.M.;Casana,J.;Toney,J.M.J.Archaeol.Sci.2018,100,176.23 Pecci,A.;Borgna,E.;Mileto,S.;Longa,E.D.;Bosi,G.;Florenzano,A.;Mercuri,A.M.;Corazza,S.;Marchesini,M.;Vidale,M.J.Archaeol.Sci.2020,123,105256.