Анализ крахмала

Анализ крахмала или анализ крахмальных зерен — это метод, который полезен в археологических исследованиях для определения таксонов растений на микроскопическом уровне. Он также может использоваться в повседневной жизни специалистами в фармацевтической и пищевой промышленности для определения происхождения таксонов и качества продуктов питания. ^[1] Однако, в частности, в отношении археологии идентификация крахмальных зерен в этом контексте выполняется путем сравнительной идентификации, при которой несколько атрибутов зерен сравниваются с другими известными образцами для определения типа. ^[2] Этот метод сравнения, когда он выполняется микроскопически, позволяет идентифицировать конкретные таксоны крахмальных зерен, обнаруженных на определенных артефактах, таких как каменные орудия, в почве, через зубной камень или обнаруженных в отношении керамических сосудов. ^[1] Анализ крахмальных зерен может быть полезен в качестве дополнения к другим формам исследования для понимания использования инструментов, сельскохозяйственной деятельности, а также других стратегий жизнеобеспечения на основе растений, а также для реконструкции рациона питания на основе растений на протяжении всего времени. ^[3]

Во-первых, крахмал хранится как источник энергии и содержится в большинстве автотрофных растений, то есть растений, которые способны создавать свою собственную пищу посредством фотосинтеза . ^[1] Однако есть несколько исключений из этого правила, в семействах Asteraceae , Campanulaceae и некоторых других, в которых крахмал не используется как источник энергии, которая резервируется. Это представляет собой один из недостатков изучения таксонов растений посредством анализа крахмальных зерен. ^[1] Двигаясь дальше, способность к длительному хранению крахмальных зерен в качестве источника энергии, используемого растениями, делает крахмальные зерна ценным источником изучения в археологическом контексте. ^[1] Крахмал хранится в амилопластах , специализированной органелле, обнаруженной в клетках растений, в виде крахмальных зерен. ^[4] Крахмальное зерно особенно важно для изучения из-за того, что оно обычно встречается в большинстве растений, его долговечной природы, а также разнообразных форм и структур, которые они могут принимать в зависимости от того, к какому таксону они принадлежат. ^[4]

Окрашивающие растворы являются одним из способов сделать сравнительный анализ крахмальных гранул более доступным, в зависимости от того, какой тип красителя конкретно используется. Например, как утверждают Коварник и Бенеш, раствор Люголя окрашивает зерна в темно-синий цвет, чтобы отличить крахмальное зерно от других распространенных структур, которые могут казаться похожими по размеру и форме. ^[1] В дополнение к этой технике, использование красителя CongoRed отмечает повреждения, что упрощает изучение, сравнение и анализ различий в повреждениях определенных таксонов. В частности, интенсивность красного цвета зависит от того, насколько повреждено зерно. ^[1] Наконец, трипановый синий является еще одним способом окрашивания повреждений зерна внутри крахмальных зерен, окрашивая только поврежденные зерна, а не неповрежденные. ^[1] В частности, может быть важно включить процесс окрашивания в анализ из-за того, что существует несколько других структур, обнаруженных в природе, которые имеют схожие характеристики с крахмалом при сравнении под микроскопом. ^[1]

Существует несколько способов извлечения гранул крахмала из каменных орудий. Один из методов, описанный Коварником и Бенешем как наиболее распространенный, заключается в пипетировании поверхности объектов в наиболее распространенных областях, в которых находятся зерна крахмала, например, трещины или другие углубления на артефакте. ^[1] Капли воды из метода пипетирования затем собираются на предметные стекла для использования в сравнительном анализе. Это распространенный метод для использования, чтобы понять, как именно использовались каменные орудия, и какие типы растений использовались в изучаемое время. ^[1]

Другой распространенный подход заключается в смещении зерен крахмала с помощью обработки ультразвуком , которая является лабораторной техникой, которая использует звуковые волны для «возбуждения частиц» с целью преобразования электрического сигнала в вибрацию, которая, в свою очередь, разрушает вещество. ^[5] С точки зрения анализа зерен крахмала, зерна крахмала высвобождаются с помощью ультразвуковой ванны, а затем дистиллированная вода, содержащая частицы образца, центрифугируется . Это процесс, в котором образцы вращаются и разделяются по плотности в результате центростремительной силы или из-за фиктивной центробежной силы , которую испытывают образцы из-за их системы отсчета. ^[6] Использование этой силы позволяет разделять растворы с различной плотностью. ^[6] Таким образом, наименее плотный компонент, состоящий из частиц зерен крахмала, отделяется, и может быть подготовлен микроскопический предметный столик. ^[1]

Анализ крахмальных зерен с помощью зубного камня может предоставить массу информации, когда речь идет о реконструкции рациона питания прошлых обществ. ^[2] В частности, зубной камень представляет собой наслоение, обнаруженное на зубах, которое образуется из зубного налета «после минерализации». ^[1]

В исследовании, проведенном Тао и др., исследовательская группа следовала методам, изложенным Пиперно и Диллехей в 2008 году и Ли и др. в 2010 году. ^[2] В этих конкретных примерах они измельчали ​​зубной камень с помощью ступки и пестика и центрифугировали смесь, содержащую зубной камень, а также небольшое количество Калгона , чтобы разбить частицы в дисперсное состояние. ^[2] После того, как экстракты были растворены в гидрохлориде и промыты ацетоном , остатки были извлечены, и можно было начать сравнительный анализ. ^[2] Это всего лишь один из способов извлечения остатков крахмальных зерен из зубного камня, другим примером является использование ультразвуковой обработки, как описано выше. ^[1]

Существует несколько структур, которые наблюдаются при проведении сравнительного анализа для определения таксонов растений, к которым принадлежит крахмальное зерно. Во-первых, начиная с немного большего масштаба, наблюдаются типы гранул, такие как простые, сложные или полусложные, размеры и формы. ^[7] Далее идет рубчик , который является областью, в которой откладываются слои белка. ^[8] Рубчики различаются по своему расположению на грануле крахмала, и это расположение может различаться между таксонами. ^[1] В дополнение к рубчику наблюдаются «ламеллы», которые представляют собой различные слои роста, в которых только иногда видны под микроскопом. ^[1] Также можно наблюдать трещины, однако они распространены только в некоторых крахмальных зернах, а не во всех. ^[7] В целом, анализ крахмальных зерен с использованием компьютерной базы данных является основным способом дифференциации крахмальных зерен. ^[1] Это полезно с точки зрения дополнительного подхода к пониманию эксплуатации растений прошлыми обществами.

Анализ крахмальных зерен не является совершенной наукой, однако анализ растительных крахмальных зерен является диагностическим признаком множества приложений в соответствии с особенностями и происхождением растительного материала. ^[9] Размер, форма и структура зерен у разных видов растений мало различаются, что может привести к идентификации. Крахмальные зерна были извлечены и идентифицированы из каменных орудий, керамических черепков, органических материалов, зубного камня и осадков ^[10] и останков животных, чтобы определить рацион питания и то, когда люди начали использовать дикие виды пищи. ^[11]

В некоторых случаях зерна могут деградировать. Такие факторы, как поглощение тепла и воды, могут повлиять на структуру зерен, что затрудняет идентификацию. Даже если останки хорошо сохранились, заболачивание, обезвоживание, высыхание или повреждение грибками могут разрушить крахмал. В некоторых случаях, даже в пределах одного вида, зерна крахмала могут различаться по форме и размеру, а размер зерна влияет на его выживаемость в археологических записях. ^[12]

Крахмал вырабатывается в растениях как форма хранения энергии в процессе фотосинтеза . Когда растению нужна энергия, запасенный крахмал преобразуется обратно в глюкозу . ^[13]

Крахмальные зерна обычно идентифицируются микроскопически с помощью оптической или электронной микроскопии. Крахмальные зерна могут стать более прозрачными, если их окрасить в более темный цвет йодными красителями. Йод Logol's Iodine — один из них, используемый для окрашивания крахмала, поскольку йодные реагенты легко связываются с крахмалом, но менее легко с другими материалами. Признаки, которые позволяют идентифицировать крахмальные зерна, включают: наличие рубчика (сердцевины зерна), пластинок (или слоев роста), двойного лучепреломления и креста экстинкции (форма креста, видимая на зернах при вращающемся поляризованном свете), которые видны под микроскопом , а также их форму и размер. ^[10]

Археологические исследования, сосредоточенные на остатках, прилипших к артефактам , начинаются с более низких увеличений, обычно с использованием стереоскопа . Большинство данных, полученных на этом этапе, являются качественными , важным первым этапом для более полного анализа. Увеличения от x10 до x50 достаточно для обнаружения целевых остатков, описания особенностей и подтверждения внутренних структур идентифицированных остатков . ^[14]

Современные легкие, мощные микроскопы имеют внутренний источник света, позволяющий освещать как проходящим, так и отраженным светом. Эти микроскопы могут обеспечить увеличение до x1000: достаточно хорошо, чтобы обеспечить четкие изображения гранул крахмала диаметром всего в несколько микрометров. ^[15]

Гранулы крахмала имеют разные размеры. Например;

• Крахмал тапиоки: 5-35  мкм
• Картофельный крахмал: 15-100 мкм
• Кукурузный крахмал: 5-25 мкм
• Рисовый крахмал: 3-8 мкм

но все они, как правило, имеют размер менее 100 микрометров и поэтому лучше всего наблюдаются под сложными микроскопами, оснащенными различными условиями освещения и увеличениями от x200 до x800. ^[16]

Крахмальные зерна также сравниваются со стандартными справочными коллекциями для сравнения. Археологи и исследователи могут рассмотреть четыре вопроса в классификации растений и их использования:

• Определение наличия доказательств использования растений
• Изучение вариации сборки
• Определение наличия определенных видов растений
• Назначьте процент крахмальных гранул в образце определенному таксону и представьте количественные данные относительно относительного обилия в образце. Идентификация древнего крахмала довольно проста для первых трех уровней классификации , в то время как четвертый уровень требует постоянного улучшения в описании, классификации и идентификации отдельных крахмальных гранул. ^[17]

Гранулы крахмала, извлеченные из отложений, используются для реконструкции мест обитания, связанных с использованием человеком земли . Такие исследования затрагивают две области, представляющие интерес для археолога:

• ландшафты ; в частности, реконструкция исторических растительных сообществ в самом широком масштабе окружающей среды
• конкретные контексты, такие как поселения или районы деятельности; сосредоточение внимания на отдельных археологических памятниках или отдельных контекстах внутри них с целью выявления конкретных видов человеческой деятельности в определенном месте.

Этапы анализа крахмала из осадков включают: отбор проб , извлечение крахмала, монтаж и просмотр предметного стекла, а также интерпретацию. ^[18]

Отбор проб осадочного керна или стратиграфического профиля для сбора информации об окружающей среде требует детального понимания того, как образовались осадки. ^[19]

Большинство методов экстракции следуют общей методологии:

• подготовка образца (просеивание, сушка или замачивание)
• дезагрегация и дефлокуляция для разбиения элементов образца на отдельные частицы
• удаление нежелательных частиц (песка, ила, минералов, органики).
• Химическая консервация гранул крахмала. ^[20]

Гранулы крахмала монтируются на предметное стекло с использованием различных монтажных сред, включая, помимо прочего, воду, глицерин и глицериновое желе. Важно, чтобы материал был тщательно высушен перед монтировкой, чтобы гарантировать отсутствие дальнейшей деградации образца. Затем предметное стекло просматривается, по мере необходимости, для идентификации и подсчета. ^[21]

После исследования гранул крахмала результаты регистрируются и интерпретируются с учетом изучаемых вопросов исследования.

Артефакты собирают гранулы крахмала и защищают их от распада из-за микроорганизмов , тем самым обеспечивая прекрасные условия для долговременного сохранения. Анализ может быть сосредоточен на функции инструмента, чтобы изучить более широкий спектр человеческого поведения, но анализ крахмала также позволяет получить представление о ремесленной деятельности, связанной с приготовлением клея, лекарств или других непищевых продуктов. ^[22]

Крахмал также можно исследовать, когда он не находится в сыром виде. Например, модифицированный крахмал создается, когда морфологическая или физико-химическая структура нативного крахмала каким-либо образом нарушается, например, при приготовлении пищи . Наиболее распространенным способом модификации крахмала является применение тепла. Кухонные ямы , очаги и печи, которые могли контактировать с крахмалистым материалом, дают модифицированные крахмалы, которые могут дать другие идеи.

Модифицированный крахмал, вероятно, сохраняется только в определенных условиях, таких как засушливые регионы из-за его восприимчивости к органическому распаду. Исследования древнего модифицированного крахмала помогают понять древние пищевые технологии, различия в кухне среди различных социальных групп , а также обеспечивают понимание функции древнего оборудования для обработки пищевых продуктов. ^[23]

Консервированные формы модифицированного крахмала включают:

• Дискретные высушенные макроостатки: связные продукты, которые не прикреплены ни к какому другому объекту и являются одними из самых легко узнаваемых древних крахмалистых готовых продуктов питания. Они могут быть как предполагаемой готовой пищей, например, буханками хлеба, так и промежуточными продуктами последовательности обработки продуктов питания, например, богатыми крахмалом, рыхлыми комками ^{[ необходимо разъяснение ]} .
• Прикрепленные высушенные остатки: скопления крахмалистых пищевых продуктов, прилипших к контейнеру или сосуду. Возможность идентификации этих остатков зависит от количества и внешнего вида остатка, а также от осведомленности археологов. Остатки, содержащие очевидную растительную ткань, распознаются легче всего, в то время как тонкие мазки распознать не так просто.
• Обугленные остатки: обычно результат случайного переваривания и могут сохраняться в виде отдельных фрагментов или оставаться прилипшими к посуде для приготовления пищи. Из-за их обугленной природы эти остатки очень трудно идентифицировать. ^[24]

• Крахмал

• Хатер, Дж. Г. (ред.) 1994. Тропическая археоботаника: применение и новые разработки, стр. 86–114. Routledge, Лондон.
• Месснер, Тимоти С. 2011. Желуди и горькие корни: исследование крахмального зерна в доисторических восточных лесах. Издательство Алабамского университета, Таскалуса, Алабама.
• Торренс, Робин (2006), Древние исследования крахмала , Уолнат-Крик, Калифорния: Left Coast Press Inc., ISBN 978-1-59874-018-9