Российские нанотехнологии, 2020, T. 15, № 5, стр. 664-670

ВВЕДЕНИЕ

Масляная лампа, или масляный светильник – одно из древнейших изобретений человечества. Самые древние светильники, датируемые верхним палеолитом, представляли собой камни с углублениями или раковины, в которых сжигались животные жиры. Глиняные светильники, имевшие форму блюдца с плавающим фитилем, появились в бронзовом веке (ок. XVI в. до н.э.). Со временем форма светильников изменялась, и они становились все более закрытыми. Светильники применялись внутри и снаружи жилищ, выполняя хозяйственные и ритуальные функции [1].

В древних источниках можно найти указания на различные горючие материалы, которые использовались в качестве топлива для таких светильников. В осветительных приборах древнего мира широко применялись животные жиры и растительные масла [2].

Исследования остатков липидов в древних светильниках весьма интересны в виду узкого диапазона использовавшихся органических продуктов (по сравнению с керамикой, служившей для приготовления и хранения пищи), что способствует более точной идентификации использовавшихся жиров и масел.

В последние годы анализ липидов стал мощным аналитическим инструментом для идентификации органических остатков (продуктов питания, непродовольственных товаров), обнаруженных в древних сосудах [3]. Липидный анализ был применен для исследования остатков содержимого светильников и ламп различных археологических контекстов.

Доказательства использования животных жиров и растительных масел в качестве горючих материалов в светильниках (от 600 до 1500 г. н.э.), обнаруженных в Каср-Ибриме (Египет), приведены в [2]. При исследовании состава остатков в археологических светильниках методом газовой хроматографии (ГХ) на основании присутствия лауриновой (С_12:0) и миристиновой (С_14:0) жирных кислот (ЖК), характерных для животных жиров, было доказано использование в качестве топлива жиров животного происхождения [4, 5]. Кроме этого, было показано, что соотношение содержания пальмитиновой (С_16:0) и стеариновой (С_18:0) кислот может являться критерием для определения видового происхождения археологических животных жиров [5, 6]. В общем случае более высокое содержание С_18:0 по сравнению с С_16:0 в органических остатках археологических артефактов предполагает присутствие животных жиров, а значительное преобладание С_16:0 над С_18:0 – характерно для растительных масел [2]. Признаками наличия животных жиров согласно [6] является обнаружение ЖК с нечетным числом атомов углерода: пентадекановой (С_15:0), маргариновой (С_17:0) и нонадекановой (С_19:0), а также разветвленных монокарбоновых ЖК с 15–19 атомами углерода, которые образуются в кишечнике жвачных животных под воздействием бактерий [7, 8].

Для определения видовой принадлежности животного жира в остатках из средневековых светильников (Лестер, Великобритания) методом высокоэффективной жидкостной хроматографии–масс-спектрометрии (ВЭЖХ–МС) [9] было исследовано распределение ЖК в триацилглицеридах (ТАГ). При исследовании остатков содержимого светильника была обнаружена смесь позиционных изомеров октадеценовой кислоты с двойными связями в положении 9, 11, 13, 14, 15, и 16. Подобные смеси изомеров характерны для жиров жвачных животных: крупного рогатого скота и овец. Жир животных с однокамерным желудком, например свиней, содержит только один изомер – 9-октадеценовую кислоту [5, 6].

Анализ каменных ламп, многие из которых сохранили следы горения, из высокогорных палеолитических пещер во Франции также показал наличие ЖК животного происхождения [10].

Высокое содержание насыщенных ЖК, а также присутствие лауриновой и миристиновой кислот, обнаруженных методом газовой хроматографии–масс-спектрометрии (ГХ–МС), в органических остатках, сохранившихся на фрагментах археологических керамических светильников (Хирбет Аль-Батрави, Иордания), датируемых ранним бронзовым веком, стало основой для вывода об использовании в них животных жиров [11]. Животные жиры (бычий и овечий) были обнаружены в керамических лампах из Ольвии (территория современной Украины), датируемых V в. до н.э.–IV в. н.э. [12]. В [13] описаны неглубокие овальные чаши с побережья Балтийского моря, которые наполняли жиром морских животных и использовали в качестве осветительных ламп во времена мезолита.

Остатки растительных масел представителей семейства крестоцветных были обнаружены в лампах из Антиноя (Египет), датированных V–VII веками н.э. [14]. В ранних римско-византийских керамических лампах из Сагалассоса (Турция) было идентифицировано оливковое масло [15]. Остатки пчелиного воска обнаружены в древних минойских конических чашках, которые использовались в качестве осветительных ламп [16].

В Древней Руси применялись открытые светильники с животным жиром или растительным маслом. Из растительных масел чаще всего использовали оливковое, которое поступало в Россию из-за границы [17]. Это было низкосортное, так называемое “деревянное” масло с неприятным запахом и совершенно не пригодное для употребления в пищу. Такое масло использовалось в качестве топлива для лампад. Стоимость деревянного масла тоже была достаточно высокой, поэтому его часто подделывали. Для фальсификации деревянного масла применялись растительные масла: рапсовое, касторовое, а также углеводородные минеральные масла (нефтяные продукты).

Поселение “Ахтанизовская 4”, расположенное на северо-западном берегу Ахтанизовского лимана, было обследовано в 1982 г. Разведочным отрядом Таманско-Фанагорийской экспедиции Института археологии АН СССР под руководством Я.М. Паромова, а затем с 2004 г. Таманской археологической экспедицией Государственного исторического музея [18]. Памятник состоит из двух частей: поселения, существовавшего с VI в. до н.э. по XIII в. н.э., и укрепления в его мысовой части (I в. до н.э.– III в. н.э.). В 1994 г. была опубликована статья, в которой поселение “Ахтанизовская 4” рассматривалось более подробно в контексте античных укреплений Таманского полуострова [19]. Планомерные раскопки на памятнике начались в 2005 г. [20].

На территории укрепления за все годы раскопок было найдено более полусотни монет, большинство из которых относится ко II–I векам до н.э. Наиболее массовыми находками являются фрагменты керамической тары – гераклейские сосуды с двуствольными ручками. Кроме этого было обнаружено несколько светильников и их фрагментов [18].

Целью настоящей работы стало исследование органических остатков со дна древнего светильника из раскопок поселения “Ахтанизовская 4”, обнаруженного в культурном слое, датируемом I в. до н.э., для определения состава использовавшегося топлива.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Реагенты. Все использованные растворители и реактивы имели квалификацию “х. ч.” или “для ВЭЖХ”.

Подготовка образцов. Для исследования были представлены аморфные фрагменты от темно-коричневого до почти черного цвета, без запаха, отобранные со дна светильника. Их растирали в ступке и далее проводили экстракцию.

Гексановый экстракт. К навеске исследуемого образца (около 100 мг) добавляли 4 мл н-гексана и экстрагировали на ультразвуковой ванне (60 мин, 60°С). После этого к реакционной смеси добавляли 2 мл 0.5%-ного водного раствора NaOH и обрабатывали на ультразвуковой ванне (10 мин, при комнатной температуре). Полученную взвесь центрифугировали (15 мин, 4000 об./мин), верхний гексановый слой отделяли, упаривали досуха и растворяли в 100 мкл н-гексана.

ГХ-анализ проводили по методике, предложенной в работе [18].

Нейтральный экстракт. К навеске исследуемого образца (около 100 мг) добавляли 4 мл смеси хлороформ–метанол (2:1) и экстрагировали на ультразвуковой ванне (60 мин, 60°С). Полученную взвесь центрифугировали (15 мин, 4000 об./мин), надосадочную жидкость отделяли, упаривали досуха. К сухому остатку добавляли 1 мл смеси хлороформа–метанола (2:1) и подвергали дериватизатии метанолом с кислотным катализатором для получения метиловых жирных кислот (МЭЖК).

Щелочной экстракт. Твердые остатки после получения нейтрального экстракта высушивали при комнатной температуре до отсутствия запаха растворителей, добавляли 4 мл 0.5%-ного раствора NaOH в метаноле и обрабатывали на ультразвуковой бане (60 мин, 60°С). Щелочной раствор подкисляли 5 мл 0.5%-ного раствора H₂SO₄ до рН 5–6, добавляли 10 мл диэтилового эфира и встряхивали в течение 10 мин. Слои разделяли. Слой эфира фильтровали через безводный сульфат натрия и упаривали досуха. К сухому остатку добавляли 1 мл смеси хлороформа–метанола (2:1) и также подвергали дериватизатии метанолом для получения МЭЖК.

Анализ МЭЖК проводили на газовом хроматографе фирмы Bruker модели 430 GС с пламенно-ионизационным детектором согласно [21]. Идентификацию метиловых эфиров жирных кислот проводили с использованием стандартной смеси МЭЖК SP-37 (Supelco 37 Component).

Извлечение и анализ стеринов. К навеске исследуемого образца (около 200 мг) добавляли 4 мл 2 М КОН в 95%-ном этаноле и обрабатывали на ультразвуковой ванне (45 мин, 60°С). После охлаждения полученную суспензию центрифугировали (15 мин, 4000 об./мин). Надосадочную жидкость переносили в делительную воронку, добавляли по 4 мл н-гексана и воды. Энергично встряхивали в течение 10 мин. Органический слой отделяли, переносили в испарительную чашку и удаляли растворитель при комнатной температуре.  Остаток растворяли в 100 мкл хлороформа, добавляли N,O-бис(триметилсилил)трифторацетамид (BSTFA), содержащий 1% триметилхлорсилана, и выдерживали при 70°C в течение одного часа. Избыток BSTFA выпаривали при комнатной температуре в атмосфере азота. Остаток растворяли в н-гексане (20 мкл).

Для ГХ-МС-анализа использовали газовый хроматограф НР 6890 с масс-спектрометрическим детектором MSD 5975 фирмы Agilent Technologies. Условия хроматографирования, детектирования и идентификация описаны в [22].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На исследование были предоставлены твер-дые фрагменты, обнаруженные на дне светильника, найденного при раскопках поселения “Ахтанизовская 4” (Краснодарский край, Темрюкский район, северо-восточная окраина станицы Ахтанизовская) в культурном слое I в. до н.э.

Внешний вид исследуемого светильника представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Внешний вид исследуемого светильника.

По данным литературных источников в качестве топлива в подобных светильниках могли использовать животные жиры, растительные масла, пчелиный воск, а также минеральные масла нефтяного происхождения.

Для проверки гипотезы об использовании в качестве топлива в светильнике нефтяных продуктов и пчелиного воска методом ГХ исследовали гексановый экстракт остатков. Согласно полученным результатам нормальных парафиновых углеводородов С₁₅–С₂₆ (маркеров нефтяных продуктов [21]), а также нечетных углеводородов С₂₇–С₃₃ и тяжелых спиртов С₂₂–С₃₀ (маркеров пчелиного воска [23]) обнаружено не было, что позволило исключить эту гипотезу.

При рассмотрении версии об использовании животных жиров или растительных масел в качестве топлива в светильнике исследуемые образцы обрабатывали двумя способами. Необходимость выбранной схемы экстракции обусловлена тем фактом, что, как было показано в ряде исследований [2, 3, 10, 14, 16], при экстракции органическими растворителями извлекается не более 5% органической составляющей образца, а бóльшая часть входит в состав полимерной матрицы. В результате длительного захоронения ненасыщенные ЖК, входящие в состав жиров и масел, подвергаются окислительной деградации, приводящей к полному разрыву кратной связи и образованию дикарбоновых кислот, основными из которых являются азелаиновая и адипиновая. Дикарбоновые кислоты реагируют с гидроксикислотами, образующимися при гидратации кратной связи ненасыщенной кислоты, по механизму реакции поликонденсации. При этом образуются олигомерные и полимерные продукты, которые не экстрагируются органическими растворителями, но могут расщепляться спиртовым раствором щелочи на исходные мономеры. Поэтому после экстракции органическими растворителями (нейтральный экстракт) исследуемые образцы были обработаны и спиртовым раствором щелочи для получения щелочного экстракта.

Результаты исследований состава нейтрального и щелочного экстрактов органических остатков со дна светильника приведены на рис. 2 и в табл. 1.

Рис. 2.

Хроматограммы нейтрального (а) и щелочного (б) экстрактов органических остатков со дна светильника (отнесение пиков приведено в табл. 1).

Как видно из рис. 2, состав ЖК исследуемых экстрактов идентичен, но щелочная обработка исследуемых фрагментов позволила извлечь дополнительное количество органического материала. В составе экстрактов идентифицированы насыщенные С₁₄–С₁₈ ЖК, в том числе с нечетным числом углеродных атомов (С₁₅ и С₁₇); ненасыщенные ЖК – пальмитолеиновая (С_16:1), олеиновая (С_18:1), линолевая (С_18:2), а также продукты их деградации: азелаиновая, адипиновая, 9- и 10-окси-октадекановая, эритро- и трео- изомеры 9,10-дигидроксиоктадекановой кислоты.

В составе ЖК обнаружены миристиновая (С_14:0) и насыщенные кислоты с нечетным числом атомов углерода (С_15:0, С_17:0), наличие которых характерно для животных жиров.

В экстрактах остатков из светильника обнаружены геометрические изомеры пальмитолеиновой и олеиновой кислот: 9-транс-гексадеценовая и 9-транс-октадеценовая кислоты. В животных жирах и растительных маслах ненасыщенные кислоты присутствуют только в форме цис-изомеров, исключение составляет говяжий жир, в составе которого доля транс-изомеров может достигать 8%.

Идентификацию жира или масла в остатках на археологической керамике часто проводят по соотношению содержания пальмитиновой и стеариновой кислот (P/S). Было показано, что в жире жвачных животных (овцы и крупный рогатый скот) величина этого соотношения составляет 0.9–1.3. Для животных с однокамерным желудком (свиньи и лошади) величина соотношения P/S несколько выше – 1.6–2.2 [12, 22].

Согласно данным, представленным в табл. 1, соотношение P/S для нейтрального и щелочного экстрактов составило 1.6, что имеет промежуточное значение между жирами жвачных животных и свиным жиром [22]. Однако обнаружение транс-изомеров пальмитолеиновой и олеиновой ЖК позволяет предположить, что в качестве топлива в исследуемом светильнике использовался говяжий жир.

Обращает на себя внимание, что в остатках присутствуют олеиновая (29.9–31.1%) и линолевая (1.6–1.7%) кислоты. Анализ данных [22] по составу ЖК показал, что содержание олеиновой и линолевой кислот (O/L)в современных животных жирах составляет 23–53 и 1.7–10.5% соответственно. Коэффициент соотношения содержания этих кислот O/L – 5.7–10.3 (в говяжьем – 10.3, в бараньем – 7.5, в свином – 5.7) [22]. Скорости окисления олеиновой, линолевой и линоленовой кислот соотносятся как 1:5:50 [22], т.е. линолевая кислота в одинаковых условиях окисляется в 5 раз быстрее, чем олеиновая. При использовании животного жира в качестве топлива в светильнике соотношение содержания олеиновой и линолевой кислот с учетом разницы в скоростях их деградации должно быть около 28–52. В исследуемых остатках величина коэффициента O/L составила 19.3–19.9, что, вероятно, является следствием использования в качестве топлива в светильнике смеси животного жира и растительного масла.

Для идентификации примеси растительного масла в остатках из светильника было проведено хромато-масс-спектрометрическое исследование содержания стеролов. Были обнаружены различные стеролы, основными из которых являются: холестерол и β-ситостерол. Холестерол является биомаркером животного жира. β-Ситостерол – растительный продукт, который синтезируется только растениями, что подтверждает гипотезу об использовании примеси растительного масла в топливе исследуемого светильника.

Обнаруженный археологами светильник датирован I в. до н.э. Производство растительных масел на Руси началось значительно позже. Ввозимое масло (оливковое, подсолнечное, кукурузное, соевое, рапсовое) было очень дорогим и использование его для технических целей вряд ли было целесообразно. Исключением могли служить низкосортные оливковое (деревянное) и рапсовое масла. Содержание линолевой кислоты в оливковом масле 4.1–12.3%, что сопоставимо с содержанием этой кислоты в животных жирах (2.7–10.7%) [22]. С учетом разности скоростей окислительной деградации олеиновой и линолевой кислот при использовании в качестве топлива в древнем светильнике оливкового и рапсового масел коэффициент соотношения содержания олеиновой и линолевой кислот теоретически должен был составить около 50 и 15 соответственно. Величина коэффициента O/L в остатках топлива исследуемого светильника составила 19.3–19.9. Очевидно, что добавка оливкового масла к животному жиру не могла бы привести к снижению соотношения O/L. Поэтому наиболее вероятно, что в исследуемом светильнике использовалась смесь говяжьего жира и рапсового масла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом газовой хроматографии и масс-спектрометрии исследованы экстракты остатков из древнего светильника. В исследуемых экстрактах обнаружены монокарбоновые насыщенные жирные кислоты с числом углеродных атомов от 14 до 18, ненасыщенные пальмитолеиновая, олеиновая, линолевая кислоты, а также продукты их деградации: азелаиновая, адипиновая, 9- и 10-оксиоктадекановая, эритро- и трео-изомеры 9,10-дигидроксиоктадекановой кислоты.

Обнаружение холестерола, миристиновой кислоты и монокарбоновых кислот с нечетным числом атомов углерода (C_15:0, C_17:0) предполагает использование в качестве топлива животных жиров.

Обнаружение β-ситостерола, продуктов окислительной деградации ненасыщенных жирных кислот свидетельствует о присутствии растительного масла в органических остатках.

По результатам изучения жирно-кислотных профилей экстрактов образцов из светильника и сравнения с литературными данными по идентификации современных животных жиров и растительных масел было показано, что в состав топлива входили говяжий жир и рапсовое масло.

Авторы выражают благодарность за предоставленные для исследований археологические образцы сотруднику ФГБУК “Государственный исторический музей” Г.А. Ломтадзе.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 17-29-04100 офи-м).