Αναλύσεις Οργανικών Υπολειμμάτων στην Κεραμική: Δυνατότητες, Περιορισμοί & Προοπτικές Μαρία Ρούμπου University of Bradford, Archaeological Sciences, Bradford, BD7 1DP, UK Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Επιστήμης Διαιτολογίας- Διατροφής, Αθήνα
Οργανική Χημεία: Η χημεία των ενώσεων του άνθρακα Οργανικές Ενώσεις: Η πλειοψηφία των ενώσεων του άνθρακα, εκτός από CO, CO 2, H 2 CO 3, τα ανθρακικά και κυανιούχα άλατα. Οι οργανικές ενώσεις μπορούν να απομονωθούν από φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς (όπως οι βιταμίνες, τα ένζυμα και οι χρωστικές ουσίες) είτε να παρασκευαστούν συνθετικά στο εργαστήριο με πρώτες ύλες που προέρχονται κυρίως από το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Οι περισσότερες διαλύονται σε οργανικούς διαλύτες και ελάχιστα στο νερό και είναι ευπαθείς στις υψηλές θερμοκρασίες και πολλές φορές εύφλεκτες
Σύσταση Οργανικών Ενώσεων: C, H, O, N, S * Εξαιρετικά μεγάλος ο αριθμός των οργανικών ενώσεων (μεταξύ άλλων και λόγω ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του C) Δομή οργανικών ενώσεων: ανθρακική αλυσίδα (άτομα άνθρακα σχηματίζουν άκυκλες ή αλειφατικές ενώσεις, ισοκυκλικές και ετεροκυκλικές ενώσεις) άτομα ή ομάδες ατόμων (χαρακτηριστικές ομάδες) ενωμένα με την ανθρακική αλυσίδα
Alcohols Aldehydes Ketones Stearic acid Amines
Η σημασία της οργανικής χημείας Η χημεία των ενώσεων που αποτελούν την έμβια ύλη, όπως οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες, τα λίπη, τα νουκλεϊνικά οξέα, οι βιταμίνες και πολλές άλλες κατηγορίες ενώσεων.
Η σημασία της οργανικής χημείας Η χημεία των φαρμάκων, των λιπασμάτων, των τροφίμων, των αρωμάτων και των καλλυντικών. Η χημεία των πλαστικών και των καυσίμων. Η χημεία των υφασμάτων και των χρωμάτων. Η χημεία των ναρκωτικών, των χημικών όπλων και των τοξικών αποβλήτων βιομηχανιών.
Οργανικά κατάλοιπα στην αρχαιολογία Ο όρος «οργανικά κατάλοιπα» έχει ευρέως χρησιμοποιηθεί στην αρχαιολογία, για να περιγράψει μια μεγάλη γκάμα κυρίως άμορφων ή/και «αόρατων» οργανικών υπολειμμάτων, τα οποία είναι ουσίες που συναντώνται στη φύση ή ακόμα πολύπλοκα μίγματα συστατικών βιολογικής προέλευσης (Heron & Evershed 1993). Εξορισμού τα οργανικά κατάλοιπα δεν διαθέτουν συνήθως μορφολογικά χαρακτηριστικά που θα επέτρεπαν την ασφαλή κατάταξη και αναγνώρισή τους μακροσκοπικά ή μικροσκοπικά, όπως άλλα υλικά βιολογικής προέλευσης που απαντώνται στο αρχαιολογικό περιβάλλον, όπως τα οστά, το δέρμα, οι σπόροι κ.ο.κ.. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η χρήση αναλυτικών χημικών τεχνικών για το χαρακτηρισμό αυτών των καταλοίπων.
Οργανικά κατάλοιπα έχουν βρεθεί να επιβιώνουν σε ένα ευρύ φάσμα αντικειμένων και υλικών εκτός της κεραμικής: i) σε ανθρώπινα & ζωικά κατάλοιπα (λιπίδια σε σκελετικό υλικό, αμινοξέα από το κολλαγόνο κτλ) ii) σε φυτικά κατάλοιπα (κυρίως σε ξηρά κλίματα, λιμναίους οικισμούς κτλ) iii) σε φυτικές ρητίνες, απολιθώματα ρητινών και ορυκτές πίσσες iv) σε ανθρωπογενή ιζήματα και αποθέσεις απορριμμάτων
Οργανικά κατάλοιπα στην κεραμική: (a)ως περιεχόμενα σκευών που διατηρούνται in situ (b)ορατά κατάλοιπα στην εσωτερική και/ή στην εξωτερική επιφάνεια των αγγείων (π.χ. στο εσωτερικό μαγειρικών σκευών ή λυχναριών, στο εξωτερικό αιθάλη από καύσιμη ύλη) (c)κατάλοιπα που έχουν απορροφηθεί στα τοιχώματα
Πληροφορίες/ενδείξεις για τη χρήση της κεραμικής από: Εθνογραφικές παρατηρήσεις Εικονογραφικές αναπαραστάσεις Αρχαίες πηγές Σφραγίσματα σε αγγεία Μακροσκοπική παρατήρηση Μέθοδοι αναλυτικής χημείας
Σημασία διερεύνησης & ταυτοποίησης οργανικών καταλοίπων με αναλυτικές μεθόδους: άμεσος προσδιορισμός/διερεύνηση χρήσης των αγγείων, συσχετισμός φόρμας και λειτουργίας χρήσης συνεισφορά πληροφοριών σε συζητήσεις παλαιοδιατροφής, τεχνολογικών διεργασιών, εμπορίου και των πιθανών κοινωνικο - οικονομικών τους προεκτάσεων οργανικά κατάλοιπα έχουν ενίοτε χρησιμοποιηθεί στη χρονολόγηση (άνθρακας)
Υπολείμματα χρήσης: Αποθήκευση Μαγειρική Απανθράκωση Επεξεργασία μετά την όπτηση (π.χ. στεγανοποίηση) Καθαρισμός Αποξήρανση/Κρούστες
Αιτίες μεταβολής σύστασης οργανικών ουσιών κατά τη χρήση: Μίξη Υδρόλυση Μικροβιακή/ενζυματική δράση Έκθεση στο φως Οξείδωση Θερμότητα
Μεταβολή οργανικών ουσιών αποθετικά και μετά-αποθετικά: Επιμόλυνση κατά και μετά την ανασκαφή: Χέρια Αποθήκευση Τεχνικές συντήρησης Επιμόλυνση κατά την απόθεση: Διήθηση Βιοδιαγένεση μικροβιακή δράση Μετά-αποθετικές διεργασίες Από λιπίδια στο χώμα
Ορόσημα στην μελέτη οργανικών καταλοίπων Ι Κατά τις δεκαετίες 1970 και 1980 πολλές προσπάθειες υπήρξαν για τον χαρακτηρισμό υπολειμμάτων σε κεραμική, συχνά με πολύ μικρό αριθμό δειγμάτων και με λιγότερο εξελιγμένες τεχνικές Thin Layer Chromatography
Ορόσημα στην μελέτη οργανικών καταλοίπων ΙΙ Κατά τις δεκαετίες 1970 και 1980 πολλές προσπάθειες υπήρξαν για τον χαρακτηρισμό υπολειμμάτων σε κεραμική, συχνά με πολύ μικρό αριθμό δειγμάτων και με λιγότερο εξελιγμένες τεχνικές Infrared Spectroscopy Φασματοσκοπία Υπερύθρου: απορρόφηση υπερύθρου ακτινοβολίας προκαλεί διεγέρσεις δονήσεως, παραμορφώσεως και περιστροφής των δεσμών των μορίων
Υπέρυθρη φασματοσκοπία (Infrared Spectroscopy IR): Θεωρείται σημαντική φασματοσκοπική τεχνική στην οργανική χημεία λόγω της ευκολίας λήψης φασμάτων και της σύγκρισής τους με γνωστά φάσματα. Κατά τα λοιπά η ποιότητα του φάσματος εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από την ποιότητα της ουσίας που εξετάζουμε (καθαρότητα κλπ) και από τον τρόπο παρασκευής του δείγματος. Η φασματοσκοπία υπερύθρου παρουσιάζει προβλήματα στους ποσοτικούς προσδιορισμούς. Η ερμηνεία φασμάτων IR απαιτεί εμπειρία, εξάσκηση και πειραματισμό για την επεξήγηση διαφόρων ταινιών απορρόφησης οργανικών ενώσεων. Υπάρχει βιβλιογραφία και πίνακες με τις βασικές απορροφήσεις των σημαντικότερων οργανικών ενώσεων.
Από τα τέλη δεκαετίας 1980 συστηματική χρήση GC/MS στην ταυτοποίηση λιπιδίων
Χρωματογραφικές μέθοδοι: Μέθοδοι διαχωρισμού οργανικών, οργανομεταλλικών και ανόργανων ουσιών. Οι χρωματογραφικές τεχνικές προσφέρουν ασφαλή και αξιόπιστα αποτελέσματα στην ανάλυση οργανικών και βιοχημικών προϊόντων. Η διαδικασία του διαχωρισμού βασίζεται στις διαφορές των κατανομών των ουσιών μεταξύ μιας κινητής φάσης (mobile phase), υγρής ή αέριας, και μιας στατικής φάσης (stationary phase), στερεής ή υγρής. H χρωματογραφία αέριας φάσης (GC) χρησιμοποιείται για ανάλυση θερμικά σταθερών, πτητικών και ημι-πτητικών ουσιών. Η χρήση της χρωματογραφίας υγρής (LC) φάσης ενέχει πλεονεκτήματα στην ανάλυση πιο πολικών ουσιών και/ή μη πτητικών ουσιών. Η χρωματογραφία υγρής φάσης ή εναλλακτικά υγροχρωματογραφία υψηλής απόδοσης (High Performance Liquid Chromatography HPLC) προσφέρει εξίσου τη δυνατότητα για αναλύσεις υψηλής ευαισθησίας και επιλεκτικότητας, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί λιγότερο σε αρχαιολογικό υλικό συγκριτικά με την αεριοχρωματογραφία (GC), κυρίως λόγω της μεγαλύτερης πολυπλοκότητας στη χρήση του οργάνου.
Σχηματική απεικόνιση χρωματογράφου αέριας φάσης (GC) Η αεριοχρωματογραφία επιτρέπει ταυτόχρονο διαχωρισμό και ποσοτικοποίηση των κυριότερων κατηγοριών ενώσεων. Ευεργετική για τις αρχαιολογικές αναλύσεις η έλευση των τριχοειδών στηλών: αποτελεσματικότερος διαχωρισμός και μικρότερα δείγματα
Φασματομετρία μαζών Ο αεριοχρωματογράφος (GC) είναι άμεσα συνδεδεμένος με τον φασματογράφο μαζών και το φάσμα μαζών κάθε μιας ουσίας στο μίγμα καταγράφεται καθώς εγκαταλείπει τη στήλη διαχωρισμού. Η φασματομετρία μαζών (mass spectrometry - MS) είναι μια οικογένεια τεχνικών που στοχεύει στον προσδιορισμό της δομής και του μοριακού βάρους των οργανικών ενώσεων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω του διαχωρισμού των μαζών φορτισμένων σωματιδίων ιόντων και την αντιστοίχιση των μαζών των ιόντων με τη δομή της πρόδρομης ένωσης. Ο ιοντισμός των μορίων επιτυγχάνεται με διάφορες τεχνικές, μια από τις πλέον συνηθισμένες στην συζευγμένη αεριοχρωματογραφία - φασματομετρία μαζών (GC/MS) είναι ο ιοντισμός με πρόσκρουση ηλεκτρονίων (Electron Impact EI). Τα νεώτερα μηχανήματα φασματομετρίας μαζών έχουν ποικίλες τεχνικές ιονισμού, μεγάλη διαχωριστική χρωματογραφική ικανότητα, αναλυτές απλής και διπλής εστίασης, και ποικιλία ανιχνευτών.
Abundance 73 117 313 132 55 129 145 328 m /z--> 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 H 3 C O C O 313 H 3 C Si C H 3 117 H 3 C 73 Φάσμα και θραυσματοποίηση παλμιτικού οξέως (TMS ester)
ΒΙΟΔΕΙΚΤΕΣ ΥΛΙΚΟ ΣΧΟΛΙΑ Λιπαρά οξέα και ακυλογλυκερόλες Ζωικά λίπη και φυτικά έλαια Κορεσμένα και μονο- ή πολυ-ακόρεστα λιπαρά οξέα, υδροξυ-οξέα. Τα ακόρεστα οξέα υπόκεινται πιο εύκολα σε μεταβολές λόγω οξείδωσης, πολυμερισμού και μικροβιακής δράσης. Κορεσμένα οξέα βρίσκονται συνήθως σε ζωικά λίπη. Τα ακυλογλυκερίδια δεν σώζονται πάντα. Η προέλευση των φυτικών ή ζωικών λιπών είναι δύσκολο να καθοριστεί, αν και κάποιες τεχνικές διευκολύνουν αυτήν την προσπάθεια (GC-C-IRMS). Αλκυλικές άκυκλες ενώσεις μακράς ανθρακικής αλυσίδας (π.χ. αλκοόλες, υδρογονάνθρακες, κετόνες, αλδεΰδες και εστέρες) Φυτικά και ζωικά λίπη Στην πλειοψηφία τους είναι ανθεκτικές ενώσεις σε χημικές μεταβολές. Κάποιες είναι λιγότερο επιρρεπείς σε υδρόλυση. Χαρακτηρίζουν συχνά κηρούς. Τερπένια Στερόλες και τα παράγωγά τους Ρητίνες (φυσικές ρητίνες και τα παράγωγά τους,καθώς και φυτικές πίσσες κ.τ.λ.) Φυτικά και ζωικά λίπη Δι- και τρι-τερπενοειδή συστατικά επιτρέπουν την αναγνώριση ρητινών και των προσδιορισμό της βοτανικής τους προέλευσης, καθώς και πιθανές επεξεργασίες που έχουν υποστεί. Η χοληστερόλη ως «βιοδείκτης» χαρακτηρίζει ζωικά λίπη, ενώ η σιτοστερόλη είναι η κύρια φυτική στερόλη που ανιχνεύεται. Η ταυτοποίηση τους βοηθά των διαχωρισμό φυτικών από ζωικά προϊόντα, αν και συχνά δεν επιβιώνουν στο αρχαιολογικό περιβάλλον. Η χοληστερόλη μπορεί να είναι προϊόν επιμόλυνσης από τα χέρια Τρυγικό οξύ (και τα άλατά του), φαινολικά οξέα Κρασί Τα περισσότερα συστατικά του κρασιού είναι επιρρεπή σε υδρολυτικές διεργασίες και δεν είναι εύκολη η ανίχνευσή τους σε αρχαιολογικό υλικό, ενώ απαιτεί τεχνικές μεγάλης ευαισθησίας και ακρίβειας.
Τέλη δεκαετίας 1990 χρήση ισοτοπικών αναλύσεων ( 13C) GC-IRMS Διαχωρισμός λιπών από μηρυκαστικά και μονογαστρικά ζώα Διαχωρισμός λιπών από γαλακτοκομικά προϊόντα Διαχωρισμός φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών
Βασικό εργαστηριακό πρωτόκολλο στην ανάλυση οργανικών καταλοίπων Ορατό κατάλοιπ ο επιφάνειας Αρχαιολογικ ή κεραμική Αρχαιολογικό δείγμα Κατάλοιπο απορροφημένο Άμορφο υλικό Εκχ ύλιση με διαλύτες ή διαλυτοπο ίηση Ολικό λιπιδικό εκ χύλισμα Εκχύλιση με διαλύτες: Απομόνωση διαχωρισμός ουσίας από διάλυμα ή στερεό μίγμα με τη βοήθεια ενός διαλύτη. Στα αρχαιολογικά δείγματα εκχύλιση στερεών με υγρό (extraction) Σαπωνοπο ίηση Παραγωγοποίηση Ανάλυση με GC και GC / MS
Φυτικά λίπη σε μαγειρικό αγγείο της ΥΕΧ από την Κρήτη Abundance Glycerol TMS F16:0 C HO HO F7:0 F8:0 F9:0 F10:0 Cedrol DCF7:0 F12:0 DCF8:0 DCF9:0 DCF10:0 F14:0 F15:0 F16:0ME F16:1 AL18 F18:0 F18:1 F20:0ME 9,10-dihydroxy F18:0 P M16:0 M18:1 F24:0 M18:0 AL26 F26:0 Cholesterol TMS C29 AL28 Stigmasterol TMS AL30 β-sitosterol TMS TRP DAG s Time 6.00 10.00 14.00 18.00 22.00 26.00 30.00 Partial total ion chromatogram of sample CND35PLT
Συνοψίζοντας: Πρόοδος σημειώνεται στις αναλυτικές μεθόδους /προσεγγίσεις... (έλευση νέων τεχνικών, χρήση καινοτόμων τεχνικών σε αρχαιολογικό υλικό, πειραματισμός με νέες τεχνολογίες) Καλύτερη κατανόηση θεμάτων που σχετίζονται με επιμολύνση και διαγενετικές διαδικασίες... Ο αριθμός δειγμάτων αυξάνεται... (η ανάλυση οργανικών καταλοίπων σταδιακά εφαρμόζεται περισσότερο σε αρχαιολογικό υλικό) Βελτιωμένες δυνατότητες για αρχαιολογική ερμηνεία/ ενσωμάτωση των αποτελεσμάτων (πληροφορίες από πολλές διαφορετικές πηγές που προωθούν την κατανόηση σημαντικών ερωτημάτων) Ωστόσο, υπάρχουν πολλά ακόμα που μπορούν/πρέπει να γίνουν
Οδηγίες δειγματοληψίας Τα οργανικά κατάλοιπα συνήθως σώζονται σε χαμηλές ποσότητες, άρα είναι σημαντικό να αποφεύγουμε επιπλέον επιμόλυνση... Προσεκτικός χειρισμός υποψήφιων δειγμάτων (γάντια, λαβίδες κτλ) Δείγματα χώματος όπου αυτό είναι δυνατό Να αποφεύγουμε να πλένουμε τα όστρακα Να αποφεύγουμε να χρησιμοποιούμε μαρκαδόρους και βερνίκια στην εσωτερική επιφάνεια των αγγείων στην καταγραφή Να αποφεύγουμε να τα αποθηκεύουμε σε πλαστικές σακούλες * Η δειγματοληψία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ερώτηση και το αποθετικό περιβάλλον
Plasticiser contamination Abundance P IS F16:0 P F18:0 Time 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 Partial TIC of sample ACV130A (tripod cooking pot LCI)
Ενδεικτική βιβλιογραφία: Roumpou, M. (2011). Analyses of Organic Remains in Archaeological Materials. In I. Liritzis & N. Zacharias (eds) ARCHAEO-MATERIALS, Papazisis (in Greek) Evershed, R. P. (1993). Biomolecular archaeology and lipids. World Archaeology, 25, 74-93 Evershed, R. P. (2000). Biomolecular Analysis by Organic Mass Spectrometry. In Modern Analytical Methods in Art and Archaeology, 177-239, E. Ciliberto and G. Spoto (eds). New York: John Wiley & Sons Evershed, R. P. (2008). Experimental approaches to the interpretation of absorbed organic residues in archaeological ceramics. World Archaeology, 40(1), 26-47 Evershed, R. P. (2008). Organic residue analysis in archaeology: the archaeological biomarker revolution. Archaeometry, 50(6), 895-924 Evershed, R. P., Heron, C., Charters, S., and Goad, L. J. (1992). The survival of food residues: new methods of analysis, interpretation and application. In New developments in archaeological science: a joint symposium of the Royal Society and the British Academy, 187-208, A. M. Pollard (ed). Oxford University Press, Oxford Heron, C., and Evershed, R. P. (1993). The analysis of organic residues and the study of pottery use. In Archaeological Methods and Theory V, 247-286, M. B. Schiffer (ed). University of Arizona Press, Tuscon Regert, M., Garnier, N., Decavallas, O., Cren-Olive, C., Rolando, C. (2003). Structural characterisation of lipid constituents from natural substances preserved in archaeological environments. Measurement Science and Technology, 14, 1620-1630
Ευχαριστώ