Hoe Lipid-analyses oude eetgewoonten en culinaire praktijken ontrafelen

Chromatografie en isotopenanalyse van specifieke verbindingen in lipidenresten in oud aardewerk vertellen veel over oude voedingsgewoonten en culinaire praktijken. In de afgelopen twintig jaar is deze techniek met succes toegepast om de oude voedingsgewoonten van verschillende archeologische vindplaatsen wereldwijd te ontrafelen. Onderzoekers hebben deze techniek recentelijk toegepast op aardewerk dat is verzameld op diverse archeologische vindplaatsen van de Indusvallei-beschaving. De belangrijkste wetenschappelijke bevinding was de dominantie van vetten van niet-herkauwers in de kookpotten, wat impliceert dat niet-herkauwende dieren (zoals paarden, varkens, pluimvee, kippen, konijnen, enz.) gedurende een lange periode in de potten werden gekookt. Dit spreekt de lang bestaande opvatting (gebaseerd op fauna-onderzoek) tegen dat herkauwers (zoals runderen, buffels, herten, enz.) als voedsel dienden voor de mensen van de Indusvallei.

Archeologische opgravingen van belangrijke vindplaatsen in de afgelopen eeuw hebben veel informatie opgeleverd over de cultuur en gebruiken van oude volkeren. Het was echter lange tijd een lastige opgave om inzicht te krijgen in het dieet en de bestaanspraktijken van prehistorische samenlevingen zonder schriftelijke bronnen, omdat er door de bijna volledige natuurlijke afbraak van voedsel en biomoleculen weinig van wat als 'voedsel' werd beschouwd, overgebleven was. In de afgelopen twintig jaar hebben standaard chemische technieken zoals chromatografie en compoundspecifieke analyse van de verhouding van stabiele koolstofisotopen hun weg gevonden in archeologisch onderzoek, waardoor onderzoekers de bronnen van lipiden kunnen lokaliseren. Hierdoor is het mogelijk geworden om het dieet en de bestaanspraktijken te onderzoeken met behulp van moleculaire en isotopische analyses van geabsorbeerde voedselresten op basis van de δ13C- en Δ13C-waarden.

Planten zijn de belangrijkste voedselproducenten. De meeste planten gebruiken C3-fotosynthese om koolstof vast te leggen en worden daarom C3-planten genoemd. Tarwe, gerst, rijst, haver, rogge, cowpea, cassave, sojabonen, enzovoort, zijn de belangrijkste C3-planten. Ze vormen het basisvoedsel van de mensheid. C4-planten (zoals maïs, suikerriet, gierst en sorghum) daarentegen gebruiken C4-fotosynthese voor koolstofvastlegging.

Koolstof heeft twee stabiele isotopen, C-12 en C-13 (de derde isotoop, C-14, is onstabiel en dus radioactief; deze wordt gebruikt voor de datering van organische archeologische vondsten). Van de twee stabiele isotopen wordt de lichtere C-12 bij voorkeur opgenomen tijdens de fotosynthese. Fotosynthese is echter niet universeel; het bevordert de fixatie van C-12. Bovendien nemen C3-planten de lichtere C-12-isotoop meer op dan C4-planten. Zowel C3- als C4-planten discrimineren tegen de zwaardere C-13-isotoop, maar C4-planten discrimineren minder sterk dan C3-planten. Anders gezegd: tijdens de fotosynthese geven zowel C3- als C4-planten de voorkeur aan de C-12-isotoop boven de C-13-isotoop, maar C3-planten geven de voorkeur meer aan C-12 dan C4-planten. Dit resulteert in verschillen in de verhouding van de stabiele koolstofisotopen in C3- en C4-planten en in dieren die zich voeden met C3- en C4-planten. Een dier dat zich voedt met C3-planten zal meer lichtere isotopen bevatten dan een dier dat zich voedt met C4-planten. Dit betekent dat een lipidemolecule met een lichtere isotopenverhouding waarschijnlijker afkomstig is van een dier dat zich voedt met C3-planten. Dit is de conceptuele basis van de isotopenanalyse van lipiden (of andere biomoleculen) die helpt bij het identificeren van de bronnen van lipidenresten in aardewerk. Kort gezegd hebben C3- en C4-planten verschillende koolstofisotopenverhoudingen. De δ13C-waarde voor C3-planten ligt tussen -30 en -23‰, terwijl deze waarde voor C4-planten tussen -14 en -12‰ ligt.

Na extractie van lipidenresten uit de aardewerkmonsters is de eerste cruciale stap het scheiden van de verschillende lipidenbestanddelen met behulp van gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS). Dit levert een lipidenchromatogram van het monster op. Lipiden degraderen in de loop der tijd, dus wat we in oude monsters meestal aantreffen zijn vetzuren (FA), met name palmitinezuur (C16 ₎ en stearinezuur (C18 ₎ . Deze chemische analysetechniek helpt dus bij de identificatie van vetzuren in het monster, maar geeft geen informatie over de oorsprong ervan. Het is noodzakelijk om verder te onderzoeken of een specifiek vetzuur dat in het oude kookgerei is aangetroffen afkomstig is van zuivel, dierlijk vlees of plantaardig materiaal. De vetzuurresten in het aardewerk hangen af ​​van wat er in de oudheid in het kookgerei werd bereid.

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 lipidenresiduen bij archeologische studies van prehistorische vindplaatsen werd in 1999 aangetoond toen onderzoek van een archeologische vindplaats in de Welshe grensstreek, VK, een duidelijk onderscheid kon maken tussen vetten van niet-herkauwende (bijv. varkens) en herkauwende (bijv. schapen of runderen) oorsprong ^1. Deze aanpak kon doorslaggevend bewijs leveren voor de eerste melkveehouderij in het groene Sahara-Afrika in het vijfde millennium voor Christus. Noord-Afrika was toen groen en begroeid en de prehistorische Sahara-Afrikaanse bevolking had melkveehouderijpraktijken overgenomen. Dit werd geconcludeerd op basis van de δ13C- en Δ13C-waarden van de belangrijkste alkaanzuren van melkvet die in aardewerk werden aangetroffen ^2. Soortgelijke analyses leverden het vroegste directe bewijs voor de verwerking en consumptie van zuivel door pastorale neolithische samenlevingen in Oost-Afrika ³ en in de vroege ijzertijd in Noord-China ⁴.

In Zuid-Azië dateren de bewijzen van domesticatie terug tot het 7e ^millennium v.Chr. Tegen het 4e ^millennium v.Chr. waren gedomesticeerde dieren zoals runderen, buffels, geiten, schapen, enz. aanwezig op verschillende locaties in de Indusvallei. Er waren aanwijzingen dat deze dieren werden gebruikt voor de productie van zuivel en vlees, maar er is geen doorslaggevend wetenschappelijk bewijs om dit te ondersteunen. Stabiele isotopenanalyse van lipidenresten uit keramische fragmenten verzameld in nederzettingen in de Indusvallei levert het vroegste directe bewijs van zuivelverwerking in Zuid-Azië⁵ ^. In een recenter, uitgebreider en systematischer onderzoek naar lipidenresten uit potfragmenten verzameld op verschillende locaties in de Indusvallei, probeerden onderzoekers vast te stellen welke voedingsmiddelen in de vaten werden gebruikt. Isotopenanalyse bevestigde het gebruik van dierlijke vetten in de vaten. Een belangrijke wetenschappelijke bevinding was de dominantie van vetten van niet-herkauwers in de kookvaten⁶, ^wat impliceert dat niet-herkauwers (zoals paarden, varkens, pluimvee, gevogelte, konijnen, enz.) gedurende een lange periode in de vaten werden gekookt en als voedsel werden geconsumeerd. Dit spreekt een lang bestaande opvatting tegen (gebaseerd op faunale vondsten) dat herkauwers (zoals runderen, buffels, herten, geiten, enz.) als voedsel werden gegeten door de mensen van de Indusvallei.

De onbeschikbaarheid van lokale moderne referentievetten en de mogelijkheid van het mengen van plantaardige en dierlijke producten vormen beperkingen van dit onderzoek. Om mogelijke effecten als gevolg van het mengen van plantaardige en dierlijke producten te ondervangen en voor een holistisch beeld, werd zetmeelanalyse opgenomen in de lipidenresiduanalyse. Dit ondersteunde het koken van planten, granen, peulvruchten enz. in het vat. Dit helpt enkele van de beperkingen te ondervangen ⁷.

*** 

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 en 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 

***