Hoe Lipid-analyses oude eetgewoonten en culinaire praktijken ontrafelen

Chromatografie en samenstellingsspecifieke isotopenanalyse van lipideresten in oud aardewerk vertellen veel over oude eetgewoonten en culinaire praktijken. In de afgelopen twee decennia is deze techniek met succes toegepast om oude voedselpraktijken van verschillende archeologische vindplaatsen in de wereld te ontrafelen. Onderzoekers hebben deze techniek onlangs toegepast op het aardewerk dat is verzameld op meerdere archeologische vindplaatsen van de beschaving van de Indusvallei. De belangrijkste wetenschappelijke bevinding was de dominantie van vetten van niet-herkauwers in de kookpotten, wat inhoudt dat niet-herkauwers (zoals paarden, varkens, pluimvee, gevogelte, konijnen, enz.) gedurende een lange periode in de vaten werden gekookt. Dit is in tegenspraak met de lang gekoesterde opvatting (gebaseerd op faunabewijs) dat herkauwers (zoals runderen, buffels, herten, enz.) door mensen in de Indusvallei als voedsel werden geconsumeerd.  

Archeologische opgravingen van belangrijke vindplaatsen in de afgelopen eeuw hebben veel informatie opgeleverd over de cultuur en gebruiken van oude mensen. Het begrijpen van voedings- en levensonderhoudspraktijken die gangbaar waren in oude prehistorische samenlevingen zonder geschreven gegevens, was echter een zware taak, omdat er niet veel van wat 'voedsel' was, over was als gevolg van bijna volledige natuurlijke afbraak van voedsel en biomoleculen. In de afgelopen twee decennia hebben de standaard chemische technieken van chromatografie en verbindingsspecifieke analyse van de verhouding van stabiele isotopen van koolstof een doorbraak gemaakt in archeologische studies, waardoor onderzoekers bronnen van lipiden kunnen lokaliseren. Hierdoor is het mogelijk geworden om voedings- en bestaanspraktijken te onderzoeken met behulp van moleculaire en isotopische analyses van geabsorbeerde voedselresten op basis van de δ13C- en Δ13C-waarden.  

Planten zijn de primaire producenten van voedsel. De meeste planten gebruiken C3-fotosynthese om koolstof te fixeren, daarom worden ze C3-planten genoemd. Tarwe, gerst, rijst, haver, rogge, cowpea, cassave, soja enz. zijn de belangrijkste C3-planten. Ze vormen het hoofdvoedsel van de mensheid. C4-planten (zoals maïs, suikerriet, gierst en sorghum) daarentegen gebruiken C4-fotosynthese voor koolstoffixatie.  

Koolstof heeft twee stabiele isotopen, C-12 en C-13 (de derde isotoop C-14, is onstabiel en dus radioactief en wordt gebruikt voor het dateren van organische archeologische vondsten). Van de twee stabiele isotopen wordt de lichtere C-12 bij voorkeur opgenomen in de fotosynthese. Fotosynthese is niet universeel; het bevordert de fixatie van C-12. Verder nemen C3-planten meer lichtere C-12-isotoop op dan C4-planten. Zowel C3- als C4-planten discrimineren zwaardere C-13-isotoop, maar C4-planten discrimineren niet zo sterk als C3-planten. Omgekeerd, in fotosynthese, geven zowel C3- als C4-planten de voorkeur aan C-12-isotoop boven C-13, maar C3-planten geven de voorkeur aan C-12 meer dan C4-planten. Dit resulteert in verschillen in verhouding van stabiele isotopen van koolstof in C3- en C4-planten en bij dieren die zich voeden met C3- en C4-planten. Een dier dat met C3-planten wordt gevoed, zal meer lichtere isotopen hebben dan een dier dat met C4-planten wordt gevoed, wat betekent dat een lipidemolecuul met een lichtere isotopenverhouding waarschijnlijker afkomstig is van een dier dat met C3-planten is gevoed. Dit is de conceptuele basis van verbindingsspecifieke isotopenanalyse van lipiden (of welk ander biomolecuul dan ook) die helpt bij het identificeren van bronnen van lipideresiduen in het aardewerk. In een notendop, C3- en C4-planten hebben verschillende koolstofisotopenverhoudingen. De δ13C-waarde voor C3-planten is lichter tussen −30 en −23‰ terwijl voor C4-planten deze waarde tussen −14 en −12‰ ligt. 

Na extractie van lipideresiduen uit de monsters van aardewerk, is de eerste belangrijke stap het scheiden van verschillende lipidebestanddelen met behulp van de techniek van gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS). Dit geeft een lipidenchromatogram van het monster. Lipiden worden in de loop van de tijd afgebroken, dus wat we gewoonlijk in oude monsters vinden, zijn vetzuren (FA), vooral palmitinezuur (C .).₁₆) en stearinezuur (C₁₈). Deze chemische analysetechniek helpt dus bij de identificatie van vetzuren in het monster, maar geeft geen informatie over de oorsprong van vetzuren. Er moet verder worden vastgesteld of een specifiek vetzuur dat in het oude kookvat is geïdentificeerd, afkomstig is van zuivel of dierlijk vlees of plant. De vetzuurresten in de pottenbakkerijen zijn afhankelijk van wat er in de oudheid in het vat werd gekookt. 

C3- en C4-planten hebben verschillende verhoudingen van stabiele isotopen van koolstof vanwege preferentiële opname van lichtere C12-isotoop tijdens fotosynthese. Evenzo hebben dieren die worden gevoed met C3- en C4-planten verschillende verhoudingen, bijvoorbeeld gedomesticeerde runderen (herkauwers zoals koeien en buffels) die worden gevoed met C4-voedsel (zoals gierst) zullen een andere isotopenverhouding hebben dan de kleinere gedomesticeerde dieren zoals geiten, schapen en varken dat gewoonlijk graast en gedijt op C3-planten. Verder hebben zuivelproducten en vlees afkomstig van herkauwers verschillende isotopenverhoudingen vanwege verschillen in de synthese van vetten in hun borstklier en vetweefsel. Het bepalen van de oorsprong van een specifiek vetzuur dat eerder is geïdentificeerd, wordt gedaan door middel van analyse van verhoudingen van stabiele isotopen van koolstof. De techniek van gaschromatografie-verbranding-isotopische verhouding massaspectrometrie (GC-C-IRMS) wordt gebruikt om isotopenverhoudingen van de geïdentificeerde vetzuren te analyseren.   

Het belang van ratio-analyse van stabiele koolstofisotopen in lipideresiduen in archeologische studies van prehistorische vindplaatsen werd in 1999 aangetoond toen de studie van archeologische vindplaatsen in Welsh Borderlands, VK, een duidelijk onderscheid kon maken tussen vetten van niet-herkauwers (bijv. varkens) en herkauwers (bijv. schapen of runderen) oorsprong¹. Deze benadering zou afdoend bewijs kunnen leveren van de eerste melkveehouderij in het groene Sahara-Afrika in het vijfde millennium voor Christus. Noord-Afrika was toen groen van de vegetatie en prehistorische Saharaanse Afrikaanse mensen hadden zuivelpraktijken aangenomen. Dit werd geconcludeerd op basis van δ13C- en Δ13C-waarden van de belangrijkste alkaanzuren van melkvet geïdentificeerd in aardewerk². Vergelijkbare analyses leverden het vroegste directe bewijs van de verwerking en consumptie van zuivel door pastorale neolithische samenlevingen in Oost-Afrika³ en in de vroege ijzertijd, Noord-China⁴. 

In Zuid-Azië gaat het bewijs van domesticatie terug tot de 7^th millennium voor Christus. Tegen 4^th millennium voor Christus waren gedomesticeerde dieren zoals runderen, buffels, geiten, schapen enz. aanwezig op verschillende locaties in de Indusvallei. Er waren suggesties voor het gebruik van deze dieren in voedsel voor zuivel en vlees, maar geen sluitend wetenschappelijk bewijs om het standpunt te ondersteunen. Stabiele isotopenanalyse van lipideresidu gewonnen uit keramische snippers verzameld uit nederzettingen in de Indusvallei, levert het vroegste directe bewijs van zuivelverwerking in Zuid-Azië⁵. In een andere recente, meer uitgebreide, systematische studie van lipideresiduen van potfragmenten verzameld op meerdere locaties in de Indusvallei, probeerden onderzoekers het type voedsel vast te stellen dat in de vaten werd gebruikt. Isotopenanalyse bevestigde het gebruik van dierlijke vetten in vaten. De belangrijkste wetenschappelijke bevinding was de dominantie van niet-herkauwersvetten in de kookpotten⁶ wat impliceert dat niet-herkauwende dieren (zoals paarden, varkens, pluimvee, gevogelte, konijnen, enz.) gedurende een lange periode in de vaten werden gekookt en als voedsel werden geconsumeerd. Dit is in tegenspraak met een lang gekoesterde opvatting (gebaseerd op faunabewijs) dat herkauwers (zoals runderen, runderen, buffels, herten, geiten enz.) Als voedsel werden geconsumeerd door mensen in de Indusvallei.  

Het niet beschikbaar zijn van lokale moderne referentievetten en de mogelijkheid om plantaardige en dierlijke producten te mengen zijn beperkingen van deze studie. Om mogelijke effecten als gevolg van het mengen van plantaardige en dierlijke producten te ondervangen, en voor een holistisch beeld, werd zetmeelkorrelanalyse opgenomen in analyses van lipidenresiduen. Dit ondersteunde het koken van planten, granen, peulvruchten enz. in het vat. Dit helpt een aantal beperkingen te overwinnen⁷. 

*** 

Referenties:  

1. Dudd SN c.s. 1999. Bewijs voor variërende patronen van exploitatie van dierlijke producten in verschillende prehistorische aardewerktradities op basis van lipiden die zijn bewaard in oppervlakte- en geabsorbeerde residuen. Tijdschrift voor archeologische wetenschap. Deel 26, uitgave 12, december 1999, pagina's 1473-1482. DOI: https://doi.org/10.1006/jasc.1998.0434 

2. Dunne, J., Evershed, R., Salque, M. et al. Eerste melkveebedrijf in groen Sahara Afrika in het vijfde millennium voor Christus. Natuur 486, 390-394 (2012). DOI: https://doi.org/10.1038/nature11186 

3. Grillo KM et al 2020. Moleculair en isotoop bewijs voor melk, vlees en planten in prehistorische Oost-Afrikaanse herdersvoedselsystemen. PNAS. 117 (18) 9793-9799. Gepubliceerd op 13 april 2020. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1920309117 

4. Han B., c.s. 2021. Analyse van lipidenresiduen van keramische vaten uit de Liujiawa-site van de RuiState (vroege ijzertijd, Noord-China). Journal of Quaternary Science (2022)37(1) 114-122. DOI: https://doi.org/10.1002/jqs.3377 

5. Chakraborty, KS, Slater, GF, Miller, H.ML. et al. Verbindingsspecifieke isotopenanalyse van lipideresiduen levert het vroegste directe bewijs van de verwerking van zuivelproducten in Zuid-Azië. Sci Rep 10, 16095 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-72963-y 

6. Suryanarayan A., c.s. 2021. Lipidenresten in aardewerk uit de Indus-beschaving in het noordwesten van India. Tijdschrift voor archeologische wetenschap. Jaargang 125, 2021,105291. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jas.2020.105291 

7. Garcia-Granero Juan José, c.s. 2022. Integratie van lipide- en zetmeelkorrelanalyses van aardewerkschepen om prehistorische voedselwegen in Noord-Gujarat, India te verkennen. Grenzen in ecologie en evolutie, 16 maart 2022. Sec. paleontologie. DOI: https://doi.org/10.3389/fevo.2022.840199 

Bibliografie  

1. Irto A., c.s. 2022. Lipiden in archeologisch aardewerk: een overzicht van hun bemonsterings- en extractietechnieken. Moleculen 2022, 27(11), 3451; DOI: https://doi.org/10.3390/molecules27113451 

2. Suryanarayan, A. 2020. Wat kookt er in de Indus-beschaving? Onderzoek naar Indus-voedsel door middel van keramische lipidenresiduanalyse (proefschrift). Universiteit van Cambridge. DOI: https://doi.org/10.17863/CAM.50249 

3. Suryanarayan, A. 2021. Lezing - Lipidenresten in aardewerk uit de Indus-beschaving. Verkrijgbaar bij https://www.youtube.com/watch?v=otgXY5_1zVo 

***