揭示中國5000年前釀造谷芽酒的配方

王佳靜 劉莉 Terry Ball 俞霖潔 李元青 邢福來

（1.美國斯坦福大學東亞語言文化系；2.美國楊百翰大學古經文系； 3.浙江省化工研究院；4.美國斯坦福大學土木與環(huán)境系 ；5.陜西省考古研究院）

中國最早關于谷芽酒釀造的文字記載源于晚商殷墟的甲骨文 (ca. 1250～1046 BC)[1,2]。甲骨文記載了商人利用發(fā)芽的粟黍、大麥或小麥作為釀酒的主要材料, 即所謂的蘗法釀醴[1,3]。此前，李仰松等多位學者已提出假設，認為商代的谷芽酒釀造技術可能源于新石器的仰韶文化時期 (公元前5000～2900)[4-6]。中國擁有悠久的谷物發(fā)酵的歷史，在距今9000年左右的賈湖遺址，McGovern 等人的化學分析發(fā)現(xiàn)了用大米發(fā)酵的飲品[7]，這種谷物發(fā)酵的傳統(tǒng)很可能衍生于新石器時代早期并發(fā)展至仰韶時期。仰韶文化晚期，以粟黍為主的農業(yè)社會已在中原地區(qū)發(fā)展成熟。定居農業(yè)的形成為酒的釀造提供了原料的保證。同時，從陶器特點來看，仰韶時期小口尖底瓶為典型器物，且不少遺址出土了漏斗，通過與民族學資料的比較，此類型的器物很可能與釀酒有關。以上兩個因素為谷芽酒的釀造提供了可能條件[6]；但是，關于仰韶文化釀酒的直接證據(jù)仍然欠缺。

陜西西安米家崖遺址位于西安市東郊浐河西岸。2004年至2006年，陜西省考古研究院對遺址進行了搶救性發(fā)掘。該遺址的主體遺存的年代為3400BC至2900BC。發(fā)掘揭露了豐富的遺跡現(xiàn)象，其中灰坑H82 和H78是屬于半坡四期，兩個灰坑中出土了一些似與釀酒有關的器物。其中， H82 深3.7米，坑壁平整，內有建造五節(jié)臺階方便上下出入；H78 深2.5～2.7米，坑底平整，一邊有一層土臺[8]。兩個灰坑均出土了三種陶器：闊口罐、漏斗、和小口尖底瓶（圖一、二），這些器物的內壁均附著淺黃色的殘留物（圖三）。從形制上來看，這三種器型組合正好適用于谷芽酒釀造的三個步驟：糖化、過濾、發(fā)酵儲藏。值得關注的是，兩個灰坑中各有一個小型灶（圖一，e）。在釀酒過程中，低溫加熱是糖化階段的重要步驟，灰坑中的灶可以使坑內環(huán)境在一定時間內保持恒定溫度。根據(jù)以上考古學的證據(jù)，我們提出一個假設：這兩個坑中的器物代表了一套谷芽酒釀造的工具組合。為了驗證此假設，我們對陶器內壁的殘留物進行了淀粉粒、植硅體以及化學分析。分析樣品來源于2件漏斗，4件屬于尖底瓶的殘片，以及2件來源于闊口罐的殘片。

圖一 米家崖遺址H82的谷芽酒釀造工具組合

圖二 除圖一外本研究分析的米家崖器物

一、材料與方法

淀粉粒和植硅體殘留物樣品的采集及分析方法的過程為：（1）兩份對照樣品（1和3）用干凈的刀片在陶器表面直接刮取固體殘留物，其他的樣品的提取利用超聲波清洗法，獲得液體殘留物。（2）在實驗室通過EDTA（Na2EDTA·2H2O）清洗法和重液離心法將試管中的殘留物進行分離，重液為比重為2.35的多鎢酸鈉（SPT），吸取分離后的殘留物溶液滴在干凈的載玻片上，干燥后滴加50%甘油溶液，加蓋玻片，并用指甲油封片；（3）淀粉粒和植硅體鑒定使用蔡司生物顯微鏡 （Carl Zeiss Axio Scope A1），配備有微分干涉相差（DIC）及偏振光裝置。

用于離子色譜法鑒定草酸的樣品用干凈的刀片在陶器表面直接刮取而得。漏斗1, 陶器3,和 陶器5的樣品分析采用位于浙江省化工研究院實驗室的Dionex ICS 5000離子色譜儀，配有電導檢測器，Ion Pac-AS 11-HC Analytical (250 x 4 mm I.D.) 色譜柱，Ion Pac AG11-HC(40 x 4 mm I.D.) 預柱，和ASRS_4 mm 抑制器。操作條件包括：隔層溫度20 °C，流動相為20mM KOH水溶液，流速1.5 mL/min，進樣子量25 uL。草酸根離子的具體操作步驟為：（1）每個米家崖試樣平均配置兩個試樣溶液，每個試樣稱取約0.03g的殘留物固體，加入3 mL硝酸，使樣品和硝酸充分反應，得到離子態(tài)的草酸根離子。（2）用草酸鈉配置不同濃度的標樣。（3）在上述色譜操作條件下，分別測定米家崖試樣以及不同濃度的標樣。用線性線性回歸分析法測定試樣中的草酸根離子濃度，檢出限為0.036%。對照樣品4 的分析采用位于斯坦福大學Environmental Measurements Facility的Dionex DX-500離子色譜儀，配有電導檢測器。操作條件包括：流動相為20mM NAOH水溶液，用草酸溶液配置不同濃度的標樣，其他操作條件與其他三個樣品分析的條件相同。

二、植物殘留物的鑒定方法

淀粉粒和植硅體的鑒定主要基于兩種方法：形態(tài)分析（morphological analysis）和形態(tài)測量學分析(morphometric analysis)。形態(tài)分析的對比材料主要是基于本實驗室積累的1000種來源于亞洲的現(xiàn)代植物標本，同時也參考一些已發(fā)表的標本材料[9-14]。關于形態(tài)測量學的分析，我們具體利用了兩種電腦分析手段。首先，利用判別分析法，我們已經建立了區(qū)分薏米(Coix lacryma-jobi) 淀粉粒和粟黍 (Setaria italica and Panicum miliaceum) 淀粉粒的統(tǒng)計模型。通過對淀粉粒大小，偏心率，以及消光十字的彎曲臂存在與否，這個多變量模型可將薏米淀粉粒與粟黍淀粉粒區(qū)分開來，正確率高達82.4 %[15]。第二，我們對絞合狀樹枝狀型植硅體進行了形態(tài)測量學的分析。樹枝型植硅體主要來源于谷物花序苞片，在小麥族植物中尤其豐富。絞合狀樹枝狀型植硅體的波浪形紋飾具有可區(qū)分其來源植物種屬的特性。最近的研究已經成功建立了將馴化大麥、小麥與其他相關的野生物種區(qū)分開來的模型。若一個植硅體標本有至少30個波浪形結構紋飾，那么就可通過形態(tài)測量的模型來鑒定其種屬，置信度高達90%。本研究對米家崖六個殘留物標本的絞合狀樹枝型植硅體進行分析，一共包括776個波浪形結構紋飾。具體步驟見Ball et al.[16]，具體分析數(shù)據(jù)見Wang et al.[17]。我們將米家崖樹枝狀型植硅體的測量數(shù)據(jù)與20個相關的早熟禾亞科植物標本的植硅體進行比較，這些標本包括中國本土的早熟禾亞科野生種，例如冰草和賴草，也包括從西方傳入中國的外來物種，例如大麥和小麥。

圖三 漏斗1內壁的淺黃色殘留物

三、分析結果

從陶器內壁提取的殘留物中一共發(fā)現(xiàn)541顆淀粉粒 （表一）。其中，有488顆（90.2%）為可鑒定淀粉粒，包括黍、小麥族、薏米、以及少量塊根類植物，例如栝蔞根(Trichosanthes kirilowii)、薯類(Dioscorea sp.) 和百合(Lilium sp.) （圖四，a～f）。大量的淀粉粒(N=166,30.7%) 有損傷的跡象，其中有兩種損傷特點與釀酒有關。第一，一些淀粉粒表面出現(xiàn)缺坑和裂溝，缺坑大小不一。有的坑較淺，有坑大且深，使淀粉粒表面呈基本空心狀（圖五，a）。第二，有大量淀粉粒呈膨脹、折疊、以及變形的狀態(tài)（圖五，b）；一些淀粉粒的個體輪廓仍然保留，一些已與其他淀粉粒聚集融合。這兩種損傷特征與谷物發(fā)芽和糖化時淀粉粒的形態(tài)改變完全對應 (圖五，c、d; 圖七 )[18-21]。在發(fā)芽的過程中，谷物產生的酶將一部分淀粉轉化為糊精和單糖，這一轉化給淀粉粒表面造成缺坑和裂溝[18]。釀酒的糖化階段包括將谷芽在水里加熱一段時間，這一過程會使淀粉粒糊化及變形[18]。結合以上兩點，米家崖陶器內淀粉粒

的損傷特征說明這些這些淀粉粒是來源于釀酒過程的殘留物。

表一 米家崖淀粉粒鑒定與數(shù)量統(tǒng)計表

表二 米家崖植硅體鑒定與數(shù)量統(tǒng)計表

植硅體的分析結果顯示殘留物中含有谷殼（表二）。大部分植硅體來源于黍亞科。其中，7個陶器殘留物中發(fā)現(xiàn)了黍稃殼上特有的 η 型長細胞植硅體（圖四，j）[13]。十字型的植硅體的形狀和大小多變不一，這種多樣性的特點與薏米十字形植硅體相吻合（圖四，h）。此外，在早熟禾亞科的植硅體中，我們發(fā)現(xiàn)了大量的絞合狀樹枝型植硅體（圖四，k）。通過利用我們已建立的形態(tài)測量學模型分析，他們的形態(tài)數(shù)據(jù)與大麥(Hordeum vulgare) 最為接近（詳細數(shù)據(jù)分析見Wang et al[17]的 Supporting Information)?？傮w而言，植硅體數(shù)據(jù)支持淀粉粒數(shù)據(jù)，

均說明米家崖陶器內殘留黍、薏米、和大麥。谷芽酒的釀造需要未脫殼的谷物作為原料，因此，在米家崖漏斗以及陶器內壁發(fā)現(xiàn)來自于穎殼的植硅體更進一步證明了這些器物是釀造谷芽酒的工具。

通過離子色譜法分析，我們在殘留物中發(fā)現(xiàn)了草酸根離子（圖六）。草酸是谷物在糖化以及發(fā)酵過程中產生的副產品[22]。草酸鈣，又稱“啤酒石”，是谷芽酒釀造過程中析出的結晶體，也是用于鑒定古代麥類釀酒的標志性化合物[23-26]。我們測試了漏斗1、陶器3和陶器 5上的殘留物樣品。測試結果表明，漏斗1 和陶器 5 的草酸根離子含量分別為0.08%(80mg/100g) 和 0.05% (50mg/100g)。 陶 器 3 未檢測出草酸根離子。雖然草酸在自然界一些植物中存在，例如菠菜(Spinacia oleracea)，大黃(Rheum rhabarbarum)，以及一些根莖作物。但是本研究所分析的陶器器型并不適用于儲藏新鮮植物，因此草酸更可能來源于谷芽酒釀造。

圖四 米家崖陶器殘留物中的淀粉粒和植硅體（DIC和偏光視野）

為了排除來自于堆積環(huán)境或發(fā)掘后保存修復過程中造成污染的可能，我們分析了四份對照樣品。其中，三份對照樣品用于分析植硅體和淀粉粒，它們分別來源于陶器 5 外表面的結垢物（對照樣品1），H78中石錛殘塊的殘留物（對照樣品2），以及來于漏斗 2上修復所用的石灰材料 （對照樣品3）(見圖二紅圈)。結果顯示，對照樣品所含的植硅體和淀粉粒的數(shù)量遠遠低于米家崖的陶器內壁的殘留物樣本，且在這些極少量的淀粉粒上也沒有任何損傷的現(xiàn)象。對照樣品4來源于陶器 5 外層掛取得結垢物，離子色譜鑒定未測出草酸，此結果和同一器物內壁所測得的高濃度草酸呈明顯反差。以上分析結果排除了污染的可能，說明在米家崖陶器上所得的殘留物是釀酒而成。

圖五 米家崖陶器和釀酒實驗中的受損淀粉粒

圖六 用離子色譜法測定漏斗1中殘留物，右起第一個峰值為草酸離子

四、谷芽酒模擬釀造實驗

為了獲取與古代淀粉粒損傷可比較的對照標本，我們用黍、粟、大麥進行了谷芽酒釀造的模擬實驗。我們一共進行了四組不同材料的釀造實驗，這四組材料分別包括：黍（40g），粟（40g），黍（30g）和大麥（10g）混合，以及粟（30g）和大麥（10g）混合。每一組谷物材料均經過發(fā)芽、糖化、發(fā)酵三個步驟。具體方法如下：

第一步為發(fā)芽，將谷物種子在水中浸泡直至發(fā)芽，室溫大約為20～28°C，大部分種子在八天內發(fā)芽，發(fā)芽后將種子瀝水晾干。第二步為糖化，將種子搗碎，倒入一容器內與溫水混合，使溫度達到65°C，并保持此溫度大約兩小時。最后一步為發(fā)酵，即將芽漿涼至室溫，將容器用蓋子封口形成缺氧環(huán)境，大約兩日后基本發(fā)酵。

圖七 釀酒實驗過程中觀察到的淀粉粒

我們在實驗的三個步驟中均提取了淀粉粒標本。發(fā)芽標本來源于二至三粒發(fā)芽的黍、粟以及大麥。顯微鏡觀察后總結出兩個基本特征：第一，這三種谷物種子的淀粉粒在發(fā)芽后均在中心出現(xiàn)明顯的缺坑和裂溝。有部分淀粉粒已基本呈空心狀，只剩下一圈環(huán)式邊緣(圖七，a～c)。第二，這種坑狀損傷大約出現(xiàn)在90%的黍粟淀粉粒上，但在大麥淀粉粒上只有大約1%（另外一個變量可能是種子的新鮮程度，也會影響到發(fā)芽造成的淀粉粒損傷度）。第二批淀粉粒標本提取于當糖化完成時的芽漿，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)淀粉粒有不同程度的膨脹和變形，這種形態(tài)在各組標本出現(xiàn)率為5%～15% (圖七，d、g、j、m)。第三批標本提取于發(fā)酵完成時。發(fā)酵谷物的淀粉粒呈現(xiàn)出三個特征： 第一，缺坑狀損傷仍然可見，但一些淀粉粒的外緣也出現(xiàn)裂痕(見圖七，e、h、k中的箭頭)。第二，大量淀粉粒膨脹、變形、消光十字不見。一些淀粉粒已經與其他淀粉粒融合一起 (圖七，f、o)。和糖化的淀粉粒相比，發(fā)酵后的淀粉粒出現(xiàn)更大程度的膨脹和變形，消光十字在大多數(shù)大型淀粉粒中不見。第三，一些小型淀粉粒形態(tài)未改變，無損傷跡象（見圖七，l中的箭頭）。由于部分淀粉粒相互融合，我們無法量化各種損傷特征。

五、結論

殘留物分析的三方面結果均與考古數(shù)據(jù)相符合，說明仰韶時期人們已經開始釀造一種混合谷芽酒，且已掌握了一定的用于釀酒的溫控技術。和果酒相比，谷芽酒的釀造過程更加復雜，而仰韶人已經懂得如何制芽和糖化多種富含淀粉的植物。大麥比粟黍含有更高的α- 和β-淀粉酶，更高的淀粉酶含量加快淀粉的糖化效率[27]。塊根類植物富含可轉化為糖的淀粉，同時也可為酒添加甜味。我們推測，仰韶人可能通過反復嘗試、實驗，得出這種混合酒的釀造配方。

大麥在釀酒原料中的發(fā)現(xiàn)說明這種谷物傳入中國的過程可能是源于一種社會文化性的推動力[28]。大麥最初在歐亞大陸西部馴化，之后通過中亞草原傳入中國。此前的研究尚未對大麥在中國傳入的具體時間點得出明確答案[28-30]。在中原地區(qū)的仰韶文化時代，大植物遺存在遺址的保存情況較好，其中粟黍為馴化植物遺存的大宗，暫未發(fā)現(xiàn)大麥。目前最早的大麥大植物遺存來自于青銅時代的遺址，出現(xiàn)零星，且年代均在公元前2000 年左右或更晚[30，31]。一直到大約3000年之后，也就是秦漢時期，大麥才變?yōu)橹性貐^(qū)的人們主食的重要組成部分[28，32]。本次在米家崖發(fā)現(xiàn)的大麥是中國目前為止最早的發(fā)現(xiàn)。

大麥在中原地區(qū)青銅時期的零星發(fā)現(xiàn)，說明其傳入初期可能被視為一種稀有、有獨特用途的異域谷物。米家崖的居民的大麥可能來源于交換或者小規(guī)模種植。我們認為，大麥最初是被作為一種釀酒原料引進中原，而不是作為主食。鑒于本研究是首次將形態(tài)測量學的方法用于中國的絞合狀樹枝狀型植硅體，這個假設需要得到更多來自其他新石器時代遺址的植硅體材料的驗證。

釀酒的發(fā)展很可能與中原地區(qū)在公元前4000 年左右的社會復雜化現(xiàn)象有關。在這個時期，渭河流域的仰韶晚期遺址呈現(xiàn)出聚落形態(tài)階層化、政體相互競爭的特點。一些大型公共建筑在一些遺址出現(xiàn)，它們可能用于宗教禮儀性的、社會高層組織的宴饗活動[33]。和別的酒精性飲料相似，谷芽釀造而成的酒是最世界上最廣泛使用的社交媒介之一[34]，可用于建立與交涉各種社會關系。谷芽酒的釀造和其他的資料說明，競爭性的宴享飲酒活動可能在仰韶晚期顯著發(fā)展。中原地區(qū)被稱為中華文明的搖籃，谷芽酒的制作和飲用可能促進了該地區(qū)階級化社會的產生與發(fā)展。

致謝：本研究經費來源于Min Kwaan Chinese Archaeology Fund，Stanford Archaeology Center，Center for East Asian Studies， 以及一位私人捐獻者。我們感謝Maureece Levin博士、Mike Bonomo 以及David Hazard對前期稿件提出的改進意見、感謝孫周勇博士為我們提供采集殘留物樣本的安排、感謝趙昊在采集樣本過程中的協(xié)助；最后感謝王敢榮先生和鄭莉菁女士在化學殘留物分析上提供的建議和幫助！

[1]溫少峰,袁庭棟.殷墟卜辭研究——科學技術篇[M].成都：四川省社會科學院出版社，1983.

[2]張德水.殷商酒文化初論[J].中原文物,1994(3)：18-24.

[3]陳夢家.殷墟卜辭綜述[J].北京：科學出版社,1956.

[4]Huang，H.T.Science and Civilisation in China.Volume 6：Biology and Biological Technology. Part V：Fermentations and Food Science[M].Cambridge University Press，2000.

[5]李仰松.對我國釀酒起源的探討[J].考古,1962(1)：41-44.

[6]包啟安,周嘉華主編.釀造[M].鄭州：大象出版社,2007.

[7]McGovern PE, et al. Fermented beverages of preand proto-historic China [J]. Proc Natl Acad Sci.2004, 101(51)：17593-17598.

[8]陜西考古研究院.西安米家崖—新石器時代遺址2004-2006考古發(fā)掘報告[M].科學出版社，2012.

[9]Piperno,D. R. Phytoliths: A Comprehensive Guide for Archaeologists and Paleoecologists [M]. AltaMira Press, 2006.

[10]Ball,T.,Gardner,J.S.& Brotherson，J.D.Identifying phytoliths produced by the inflorescence bracts of three species of wheat (Triticum monococcum L.,T.dicoccon Schrank，and T.aestivumL.) using computerassisted image and statistical analyses[J]. J.Archaeol. Sci. 1996, 23(4)：619–632.

[11]Ball,T. B.,Gardner,J. S. & Anderson,N. Identifying inflorescence phytoliths from selected species of wheat (Triticum monococcum,T. dicoccon,T.dicoccoides,and T. aestivum) and barley (Hordeum vulgare and H. spontaneum) (Gramineae) [J]. Am. J.Bot. 1999, 86(11)：1615–1623.

[12]Ball,T.B.,Ehlers,R. & Standing,M. D. Review of typologic and morphometric analysis of phytoliths produced by wheat and barley [J]. Breed. Sci. Jpn.2009,59(4)：55-102.

[13]Lu,H.et al.Phytoliths analysis for the discrimination of foxtail millet (Setaria italica)and common millet (Panicum miliaceum)[J]. PLoS ONE 4(2),e4448.

[14]Weisskopf,A.R.& Lee,G.-A. Phytolith identification criteria for foxtail and broomcorn millets：a new approach to calculating crop ratios[J]. Archaeol.Anthropol. Sci. 2014,8(1)：29-42.

[15]Liu,L.,Ma,S. & Cui,J.Identification of starch granules using a two-step identification method[J]. J. Archaeol. Sci. 2014, 52：421-427.

[16]Wang,J. et al. Revealing a 5,000-y-old beer recipe in China. Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113：6444-6448.

[17]Ball TB,et al. A morphometric study of variance in articulated dendritic phytolith wave lobes within selected species of Triticeae and Aveneae[J]. Veg Hist Archaeobotany. 2015,26(1)：85-97.

[18]Samuel,D. Investigation of Ancient Egyptian Baking and Brewing Methods by Correlative Microscopy[J].Science.1996. 273(5274)：488-490.

[19]Dronzek,B. L.,Hwang,P. & Bushuk,W. Scanning electron microscopy of starch from sprouted wheat[J]. Cereal Chem. 1972, 49：232-239.

[20]Sun,Z. & Henson,C. A. Degradation of native starch granules by barley α-glucosidases[J]. Plant Physiol. 1990, 94(1)：320-327.

[21]Henry,A. G.,Hudson,H. F. & Piperno,D. R. Changes in starch grain morphologies from cooking[J]. J.Archaeol. Sci. 2009, 36(3),915-922.

[22]Briggs,D. E.,Brookes,P. A.,Stevens,R. & Boulton,C.A. Brewing：Science and Practice[M]. Elsevier,2004.

[23]McGovern,P.E.Uncorking the Past：The Quest for Wine,Beer,and Other Alcoholic Beverages[M].University of California Press, 2009.

[24]Michel,R. H.,McGovern,P. E. & Badler,V. R.Chemical evidence for ancient beer[J]. Nature 1993, 360(6399)：24-24.

[25]Michel,R. H.,McGovern,P. E. & Badler,V. R. The first wine and beer：chemical detection of ancient fermented beverages[J]. Anal. Chem. 1993, 65(8)：408A-413A.

[26]McGovern,P. E. et al. Chemical Identification and Cultural Implications of a Mixed Fermented Beverage from Late Prehistoric China[J]. Asian Perspect. 2005, 44(2)：249-75.

[27]Delcour,J. A. & Hoseney,R. C. Principles of Cereal Science and Technology[M]. AACC International,2010.

[28]Boivin,N.,Fuller,D. Q. & Crowther,A. Old World globalization and the Columbian exchange：comparison and contrast[J]. World Archaeol. 2012,44(3)：452-469.

[29]Jones,M.et al.Food globalization in prehistory[J].World Archaeol. 2011, 43(4)：665-675.

[30]Chen,F.H.et al.Agriculture facilitated permanent human occupation of the Tibetan Plateau after 3600 B.P. Science[J],2015. 347(6219)：248-250.

[31]Flad R,Li S,Xiaohong W,Zhao Z Early wheat in China：Results from new studies at Donghuishan in the Hexi Corridor[J]. The Holocene. 2010, 20(6)：955-965.

[32]Yu,Y. in Food in Chinese Culture：Anthropological and Historical Perspectives [C]// ed. Chang,K. SMC publishing Incorporated. 1997：53-83.

[33]Liu,L. The Chinese Neolithic：Trajectories to Early States[M]. Cambridge University Press, 2007.

[34]Jennings,J.& Bowser,B. J. in Drink,Power,and Society in the Andes [C]// eds. Jennings,J. &Bowser,B. J., University Press of Florida, 2009：1-27.