摘要：陶器是人类烹饪、盛放和贮藏食物的一种主要工具。残留于陶器内部、源自动植物油脂降解而形成的脂肪酸，反映了其最初的食物来源。故此，陶器脂肪酸分析成为国际生物考古界用于探索先民古食谱的主要研究方法之一。近些年来，我国学者虽已开始重视此研究领域并相继开展了一些研究，但总体上学界仍缺乏对陶器脂肪酸分析的研究方法、分析原理以及研究进展的系统介绍，尤其是在脂肪酸污染的判别上几乎无任何阐述。为此，本文阐述了脂肪酸分析的相关概念、分析原理和工作流程，着重介绍了判别脂肪酸污染的分析方法，在简要梳理脂肪酸分析的国内外发展史基础上，详细阐述了脂肪酸分析的一些重要研究进展（新分析技术和新研究方法、奶的起源与传播、生存环境和文化传统对先民生存策略的影响、作为食器的陶器之功能等），并指出了当前研究的一些不足并对如何开展后续研究进行展望。 关键词：陶器；脂肪酸；指纹图谱；生物标志物；稳定同位素
1.引言
20世纪七八十年代，分析化学家最先尝试将色谱与质谱技术用于考古研究中的脂肪酸分析(fatty acid analysis, FAA)[2]。之后，尤其是九十年代以来，随着分析方法以及分析技术的发展和成熟，陶器脂肪酸分析的研究越来越普遍。目前，该研究方法已成为当前国际生物考古研究的重要组成部分，被广泛地用于探讨古食谱及相关的重要考古学问题[3]，已可比肩于古食谱的其他研究方法（如植物考古、动物考古、稳定同位素生物考古等）。与国际学界相比，国内学界在此研究领域则存在较大差距。早在1990年，脂肪酸分析就经由日本为我国学者所知[4,5]，但直至本世纪才真正进入我国学者的研究视野。需要强调的是，2016年之后，通过陶器脂肪酸分析揭示我国先民食物来源和生存策略的研究呈逐渐增长的趋势。这充分表明，陶器脂肪酸分析日益成为我国古食谱研究新的研究生长点和研究前沿。
纵观国内外已发表的、介绍有机残留物分析的综述[3,6,7]，大多将陶器脂肪酸分析作为有机残留物分析或脂质分析的一个部分，并未直接聚焦于陶器脂肪酸分析的分析原理、发展历史和研究进展，且绝大多数未涉及脂肪酸污染的判别。为此，本文拟在系统阐述脂肪酸相关概念、分析原理、工作流程的基础上，讨论脂肪酸污染的判断标准；梳理其研究简史，重点阐述其在揭示古食谱方面的研究进展；指出现有研究的不足，并对其研究前景进行了展望。
2.分析原理
2.1 脂肪酸的化学结构和油脂的概念
指纹图谱是指各种脂肪酸的组成与分布所形成的图谱（图1）。通过对该图谱进行定性或定量分析，即可揭示脂肪酸来源于动物或植物。
图1 动物与植物的典型色谱图[23]
Fig.1 Typical chromatograms of animals and plants
动物的脂肪酸以C16:0和C18:0为主（图1: a），含量远高于其他脂肪酸[18]。反刍动物由于瘤胃中的细菌作用，其十八烷酸异构体的复杂程度（反刍动物的双键可能位于9-、11-、13-、14-、15-和16-，非反刍动物则仅有Z-9-）[19]以及奇数支链脂肪酸（一般为15或17个碳原子）的含量，都高于非反刍动物[20]。然而，需要说明的是，支链脂肪酸也可来源于细菌[21]，因此在对动物来源进行判断时也需考虑污染的可能。
与动物相比，植物的C18:0含量远低于动物，其C16:0/C18:0（即P/S）常高于4（图1: b）[22,23]。这一比值也可能受到动植物油脂混合的影响，故在实际运用时还需要结合指纹图谱中其他组分，如正构烷烃（即脂肪酸的组成部分——烷烃）的相关指标。除此之外，脂肪酸还可进一步区分植物的种子和叶茎。若脂肪酸源自种子，其碳链长度在8-24；若源自叶茎，则可达30[22]。
2.4.2 生物标志物
在脂肪酸指纹图谱中发现的部分脂肪酸或其降解物，具有持久性(persistence)和特异性(specificity)[15]，可以直接指示生物来源，这就是脂肪酸的“生物标志物”。通常，了解其存在与否，即可揭示食物的类型。
目前，学界常通过多个脂肪酸生物标志物判断水生生物是否存在。这些脂肪酸可以分为两大类：一类是不易降解的多支链脂肪酸——类异戊二烯脂肪酸(isoprenoid fatty acids, IFAs)，此类脂肪酸包括：4, 8, 12-三甲基十三烷酸(4, 8, 12-trimethyltridecanoic acid, TMTD)，以及植烷酸(phytanic acid)和降植烷酸(pristanic acid)[24]；另一类为易降解的不饱和脂肪酸反应后产生的更为稳定的衍生物，如：邻烷基苯基烷酸[ω-(ο-alkylphenyl) alkanoic acids, APAAs；不饱和脂肪酸的加热产物][24]以及二羟酸（不饱和脂肪酸的氧化产物）[25]。
然而，不可忽视的是，这些生物标志物并非都是水生生物的产物。例如，植烷酸和降植烷酸也见于陆生的反刍动物[26]。若发现这两种脂肪酸并存，还须进一步结合植烷酸的空间异构体（3S, 7R, 11R, 15-植烷酸，SRR）的含量加以区分。相较于反刍动物，SRR在水生生物中占据主导地位（76%左右）[26]。此外，APAAs也见于其他动植物。最新研究显示：根据APAAs不同长度碳链的比值(C20/C18)，以0.06作为阈值可辨别出水生生物[27]。
2.4.3 单体化合物碳稳定同位素分析
已有研究表明：与脂肪酸受环境影响而发生降解从而造成埋藏后其分布有所差异相比，脂肪酸单体化合物的碳稳定同位素比值几乎不受降解影响[28]。故此，脂肪酸的单体化合物（目前主要集中于C16:0和C18:0)碳稳定同位素分析，在当前陶器脂肪酸分析中最为广泛。利用二者的碳稳定同位素比值及同位素数据之间的差异，可以有效区分不同动物的体脂和乳脂。
图2 非洲现代动物的脂肪酸碳稳定同位素比值[23]
Fig.2 Carbon stable isotope ratios of fatty acids from African modern animals
a. 脂肪酸的δ13C16:0 和δ13C18:0 值/δ13C16:0 and δ13C18:0 values of fatty acids；b. 脂肪酸的Δ13C 值/Δ13C values of fatty acids
3.陶器脂肪酸分析的工作流程
图3 脂肪酸分析主要工作流程图
Fig.3 Workflow chart of fatty acid analysis
TLE— 总脂质Total lipid extract); BSTFA—N、O- 双（三甲硅基）三氟乙酰胺 N, O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide); TMS— 三甲基硅烷化衍生物Trimethylsilylation; FAME— 脂肪酸甲酯 Fatty acid methyl ester); GC— 气相色谱 Gas chromatography; GC-MS— 气相色谱- 质谱联用仪 Gas chromatography-mass spectrometry; GC-IRMS— 气相色谱- 同位素比值质谱仪 Gas, chromatography-isotope ratio mass spectrometry
近些年来，学界更多地采用酸提法(H2SO4-MeOH)，一次性实现对陶器脂肪酸的提取和甲酯化，生成FAMEs。相较溶剂提取法，该方法不仅步骤简单、提取率高、可实现高通量样品的检测，且对于极性脂质[31]和中性脂质[32]的提取率也较高，适用于提取水生生物和植物的脂肪酸。该方法虽可能导致TAG水解，但这类组分往往含量较低，影响较小[31]。因此，酸提法已成为目前脂肪酸分析的主流，常与硅烷化相结合。
3）测试。对前处理所获得的脂肪酸衍生物开展的各项测试，主要用于获取脂肪酸的指纹图谱、生物标志物和单体化合物碳稳定同位素比值。气相色谱(gas chromatography, GC)及气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)均可用以获得脂肪酸的指纹图谱，后者还可用于揭示脂肪酸的生物标志物，尤其是选择离子检测(selected ion monitor, SIM)模式可以增加检测灵敏度；而气相色谱-同位素比值质谱仪(gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry, GC-IRMS)则广泛运用于单体化合物碳稳定同位素比值的测定。需要注意的是，由于衍生化试剂（如甲醇）引入了额外的碳原子，通过GC-IRMS测得的同位素数据必须进行同位素的质量平衡方程计算，以去除衍生化的影响[15]。
4.发展简史
按照脂肪酸分析原理和分析技术的发展阶段，可将陶器脂肪酸分析的发展史分为三个时期：萌芽期（1976-1990年）、形成期（1991-2007年）和发展期（2008年至今）。截止2023年11月，在Web of Science网站以“fatty acid”和“pottery”作为关键词进行检索，各时期统计到相关出版物分别为5篇、51篇和184篇。以下对这些论文内容做大致梳理：
4.1.1 萌芽期（1976-1989年）
陶器脂肪酸的研究最早可追溯至1976年。Condamin等对地中海出土双耳瓶(amphorae)内的脂肪酸进行了提取和分析。该研究不仅利用GC检测了脂肪酸分布，而且结合MS鉴定了其成分。该研究首次提出，在排除环境污染的情况下陶器内部的孔隙可以保存食物中的脂肪酸[30]。这为陶器脂肪酸分析奠定了理论基础。自此之后直至1989年，此方面的研究比较零星，仅有5篇论文发表。这一时期，样品前处理方法较为复杂，需索氏萃取器提取脂质，并采用薄层色谱(thin-layer chromatography, TLC)进行脂质的分离[33]。对考古样品的分析，则主要对比其与现代样品的脂肪酸成分异同。尽管陶器脂肪酸分析在国际生物考古研究开始崭露头角，但就分析技术和分析原理而言，学界尚未建立统一的实验流程和鉴定标准。
4.1.2 形成期（1990-2007年）
1990年，研究者通过比较前处理方法的优劣[34]，开始着眼于探讨外部脂质的污染问题[35]。这一阶段，陶器脂肪酸分析在分析原理和分析技术上有了长足的进步，发表的论文已达51篇，实现了“量”和“质”的双突破。在分析原理方面，Dudd等首次提出了通过脂肪酸的单体碳同位素比值区分反刍动物与非反刍动物、体脂与乳脂的想法，并进行了实践[36]；Copley等进一步将其作为普遍原理予以推广[29]；标志水生生物来源的脂肪酸生物标志物也得以确立[24]。在分析技术方面，Evershed等在1990年就提出了TMS衍生化方法，并采用CHCl3-MeOH为溶剂超声提取脂质。这取代了之前的索氏萃取等技术[34]，逐渐发展为成熟的溶剂提取法；具有毛细管色谱柱的GC取代了TLC的作用，显著提高了脂肪酸的检出率[14]；GC-IRMS的应用则使脂肪酸单体碳稳定同位素分析成为可能[37]。应该说，历经多年的发展，陶器脂肪酸分析的研究体系日臻成熟，逐渐进入考古学家和科技考古学家的视野，为其成为古食谱研究中重要组成部分之一奠定了基础。
4.1.3 发展期（2008年至今）
2008年，Evershed首次将有机残留物分析称为“考古生物标志物革命”(the Archaeological Biomarker Revolution)[12]，标志着脂肪酸分析新阶段的开始。此后，陶器脂肪酸分析在国际学界愈加普遍，集中表现为研究地域的拓展和研究内容的广泛。在分析原理上，水生生物生物标志物的鉴别标准进一步得以完善[26]；单体化合物碳稳定同位素分析则在此基础上进一步区分了海洋和淡水生物[38]；基于现代植物研究制定的植物的典型指纹图谱和相应的指标也得以确立[22]。在分析技术上，酸提法于2014年首次提出[31]，并逐渐发展为样品预处理的主流；除GC-MS和GC-IRMS技术外，其他分析技术（如软电离、质谱成像等）也被尝试运用于陶器脂肪酸的研究。可以毫不夸张地说，陶器脂肪酸分析在国际生物考古界正如火如荼，成为古食谱研究的重要组成部分，并与动植物遗存分析、同位素分析形成鼎足之势。
4.2 国内发展简史
如前言所述，我国学者早在20世纪90年代就通过日本学界关注到脂肪酸分析方法，对其在日本的应用[4]以及当时流行的实验方法[5]进行了介绍。2008年，杨益民在有机残留物的综述中，较为系统地介绍了国际上广泛运用的脂肪酸单体同位素方法[39]。2009年，便应用该方法模拟实验蚁鼻钱铜范[40]。2010年，崔品的硕士学位论文也关注了国外脂肪酸的研究[41]。
2015年后至今，脂肪酸分析才真正引起我国学者重视并开展了相关研究。2015年，宋殷梳理与比较了脂肪酸的提取方法、脂肪酸比值法和稳定同位素法等[42]；2016年，任萌等发表的“甘肃酒泉西沟村魏晋墓铜甑釜残留物的脂质分析”一文，首次将脂肪酸分析方法应用于分析国内的考古样品[43]；2021年，杨益民在其新发表的有机残留物综述中也涉及了不少脂肪酸分析的研究[6]。近些年来，针对陶器脂肪酸分析的研究，已包括甑皮岩[44]、大岩、顶蛳山[45,46]、田螺山[47]、下湾[48]、顺山集、韩井、雪南[49,50]、上宅[51]、占旗[52]、刘家洼[53]、姚河塬[54]、Klu lding、Khog Gzung[55]和共塘遗址[56]等多个遗址，进一步拓展了我国的古食谱研究领域。应该说，我国的陶器脂肪酸分析的研究方兴未艾。
5.重要研究进展
新分析技术的出现，进一步丰富了陶器脂肪酸分析的分析精度，拓展了其研究范围。例如：除酸提法之外，学者们还尝试了超临界流体萃取法进行脂肪酸的提取[57]；飞行时间-二次离子质谱(Time of Flight- Secondary Ion Mass Spectroscopy, ToF-SIMS)的使用，则可对陶器横截面上的脂肪酸组成进行可视化分析，揭示不同区域内其浓度的变化规律[13]，为探讨其吸收和保存机制提供了新的研究“利器”。最值得一提的是，陶器脂肪酸分析与AMS-14C测年技术的融合，促进了脂肪酸单体14C测年(fatty acid compound-specific radiocarbon analysis, CSRA)方法的诞生。该分析技术通过对陶器脂肪酸中的14C进行测年，可测定食物烹饪或加工时的绝对年代[58]，对丰富14C测年技术、深入揭示陶器的使用年代具有重要意义。
除新分析技术之外，学者们还在研究方法上不断有所创新。脂肪酸单体的氢同位素分析，因其可反映大气降水以及动物的营养级和新陈代谢[59]，有望与单体碳稳定同位素分析形成互补，更好地对动物来源的食物进行区分。例如：哈萨克斯坦地区Botai遗址陶器中脂肪酸单体碳同位素分析显示有马脂肪的存在，单体氢稳定同位素则在此基础上进一步证实了马乳的存在，反映了3500 BC的先民已驯化部分母马[60]。需要指出的是，由于氢同位素的影响因素较多，该研究方法在当前学界的运用并不普遍。此外，Fernandes等将贝叶斯同位素混合模型FRUITS(Food Reconstruction Using Isotopic Transferred Signals，该模型主要用于对骨中碳氮稳定同位素比值的定量分析）引入至脂肪酸单体碳同位素分析，以之计算出各类食物在食谱中的大致占比[61]。如此，使得古食谱的定量化研究前进了一大步。然而，由于在陶器内部被吸附的油脂很可能来自多个不同时间间隔的食物累积，定量化后的食物组成究竟可以代表多长时段的食物来源，仍需今后加以细致研究。
毋庸置疑，新技术和新方法的不断尝试，丰富了陶器脂肪酸分析的“工具箱”，为深化古食谱研究奠定了基础。
5.2 奶的利用和传播
奶是一类特殊的食物，可以在维持动物活着的状态下持续获得，被视为动物的“次级产品(secondary product)”[62]。奶的利用和传播，长期以来一直是国际学界重要的研究问题之一。陶器脂肪酸分析重建了奶自近东地区开始利用并不断传播至欧洲的轨迹，为回答上述问题提供了可靠的科学证据。
图4 欧洲及周围地区含乳脂陶器的时空分布
Fig.4 Geographical and temporal distribution of milk fat residues in and around Europe
（审图号：GS(2023)2760 号）
距今3000年左右，乳业已到达高海拔地区，成为人类征服高山/高原的必备食物之一。在青藏高原雅鲁藏布江中游的共塘遗址出土的3片陶片（热释光测年为1000 BC）检测出乳脂，表明当时青藏高原上的人类已开始食用奶或奶制品，并以此缓解高原人群食用过多肉类导致的动脉硬化等营养问题[56]。类似地，闻名于世的阿尔卑斯山乳业也可追溯至1000 BC。研究者认为人类之所以在这个时间点开始在高山地区发展乳业，可能是人口增长和气候恶化增加了低地牧业的压力所致[71]。
5.3 生存环境和文化传统对先民生存策略的影响
众所周知，人类的生存策略不可避免地受到生存环境的影响。故此，先民的生存策略彰显了人类对生存环境的适应性。Zhang等通过青藏高原南部同时期(1600-1000 BC)不同海拔的遗址陶器的脂肪酸分析，发现海拔较低的Klu lding遗址（海拔2900 m）更多食用猪的体脂和叶类植物，而海拔较高的Khog Gzung遗址（海拔3900 m）则主要用以加工反刍动物的体脂；后者的碳稳定同位素比值较前者也更加广泛，表明前者更偏向定居生活，而后者则选择流动性更高的狩猎或畜牧业[55]。显然，先民在食物选择上的差异反映出青藏地区先民适应不同海拔而采取的不同生存策略。同样，生活于高纬度地区的先民也需要克服不断变化的极端气候。芬兰60°N以北的地区，自3000 BC以来长期利用海洋资源，至2500 BC却引入新的生计方式——畜牧业，食物以陆生动物的肉与奶为主，之后又重新转向水生资源的利用；究其原因，可能与持续的气温下降和偶发性气候恶化有关[69]。
人类的生存策略除了受到生存环境的影响之外，还不可避免地受到文化传统的影响。法国阿尔萨斯区(Alsace)的线纹陶文化(5355-5020 BC)，根据陶器风格和丧葬习俗等方面的差异可分为南北两个亚群体。北部LBK早期（II期，约5355-5240 BC）陶片中有40%检测出乳脂，而南部直到LBK中期（IVa1期，约5210-5110 BC）仅有5%的陶片发现乳脂[72]，这表明两类人群二者在奶的利用上存在巨大差异。位于中国西北农牧交错带上的占旗遗址[52]与姚河塬遗址[54]，虽然都存在畜牧业和粟作农业，但二者在奶的利用上存在显著差异。这可能与姚河塬遗址受周王朝农业文明影响有关。而在日本列岛，文化传统对先民食物选择的影响则更为强烈。自晚更新世至早全新世(12510-6000 BC)多个遗址的陶片脂肪酸分析表明：日本先民长期依赖于水产品为食，即使气候变暖也并未发生明显改变；并且，这种文化传统还影响了距海岸线15公里以上的人群[73]。
5.4 作为食器的陶器之功能
图5 中欧线纹陶文化中的特殊器型陶器[80,81]
Fig.5 Special potteries in Central European of Linearbandkeramik
Culture
a. 波兰库亚维亚地区出土带筛孔陶器残片a sieve fragment from Kuyavia；b. 德国
研究表明，东亚等地陶器的出现远早于农业[74]。陶器脂肪酸分析显示，狩猎采集者对陶器的制造很可能出于加工各类野生动植物资源的需求。日本绳纹时代初期(13300-9200 BC)，狩猎采集者主要用陶器加工水生资源，尤其是海洋生物[38]。这种现象也发现于俄罗斯远东地区[75]、韩国[76]、芬兰[68]，以及美洲的五大湖地区[77]。中国南方地区常被认为较早食用水生生物，如华南地区的甑皮岩、大岩[78]、顶蛳山遗址[79]等。但这些遗址的陶片脂肪酸分析却并未检测出水生类的生物标志物，研究者认为：这可能与水生生物的烹饪方式有关，即烹饪时间较短、温度较低，或是选用其他工具进行加工[44,45,46]。因此，华南地区最早使用的陶器可能并非用于淡水资源的加工，而是陆生的动植物资源。早期陶器用于植物加工并非中国独有的传统。例如：在8200-6400 BC年利比亚撒哈拉沙漠出土的陶器中，半数陶器内发现了具有明显植物来源的脂肪酸[22]。
此外，陶器中的一些特殊器型，很可能源于先民对某种食物的特殊需求。Salque等对波兰库亚维亚(Kuyavia)地区5400-4800 BC的多种陶器进行脂肪酸分析，发现与其他器型的陶器相比，多筛孔陶器（图5: a）检测出高浓度的牛乳脂。这种特殊器型陶器的出现，满足了先民利用筛孔分离含脂肪的凝乳和含乳糖的乳清，进而制作奶酪的需要[80]。德国迪特福特(Dietfurt)地区800-450 BC的儿童墓葬中出土的特殊带柄陶器（图5: b），则被认定为铁器时代的“奶瓶”，以之盛放奶，作为母乳的绝佳替代品用于儿童的断奶[81]。
6.研究不足和展望
如前所述，陶器脂肪酸分析已在揭示古食谱方面取得了许多重要进展。然而，不可否认的是，已有的研究依然存在一些问题亟待解决。这主要体现在以下几个方面：
1）陶器取样策略的标准化流程尚未建立。迄今为止，所有国内外文献在对如何在陶器内部取样方面的描述皆语焉不详[82]。现有研究已经表明脂质在陶器横截面的分布并不均匀[13]。故此，若在陶器不同部位、不同深度的取样，很有可能产生不同的分析结果。这很可能导致我们对先民利用食材的认知偏差。例如，我们已对不同部位、不同深度的古代陶器进行取样，初步发现不同的取样策略可能导致对食物来源的解释有所差异。今后，我们将继续开展在此方面的研究，深入揭示脂肪酸浸入陶器内部的扩散机制，以此建立恰当的取样策略，为陶器脂肪酸分析方法学的完善奠定基础；
2）指示农作物来源的脂肪酸生物标志物的标准尚未建立。当前，非脂肪酸的生物标志物，如粟黍的黍素[83]、麦类的烷基间苯二酚等[84]，已被或尝试被作为农作物的生物标志物。然而，迄今为止，尚未见到能够明确指示农作物来源的脂肪酸生物标志物，但实验考古显示：水稻APAA C18异构体的复杂程度低于水生生物，有望开展进一步研究[46]。为此，我们正在试图通过现代模拟实验建立水稻的脂肪酸指纹图谱，并寻找具有指示意义的生物标志物，并将其运用至长江下游地区的陶器脂肪酸分析中，以期探索本地区先民对稻的利用；
3）脂肪酸分析与其他古食谱分析方法之间的融合较为缺乏。用于探索古食谱的不同研究方法各有其优劣势，如何更好地融合两者的研究成果，在不同层次上揭示先民的食物来源，当为学界重点关注的研究方向之一。例如，对爱沙尼亚墓葬中出土的人骨同位素分析和陶器脂肪酸分析，皆显示出性别之间的饮食差异[10]。目前，我们在江苏薛城遗址已同时开展了人骨的碳氮稳定同位素分析和陶器脂肪酸分析，拟在不同层次上深入揭示先民的食谱。
