Wie Lipidanalysen uralte Essgewohnheiten und kulinarische Praktiken aufdecken

Chromatography and compound specific isotope analysis of lipid remains in ancient pottery tell a lot about ancient Nahrung, habits and culinary practices. In the last two decades, this technique has successfully been employed to unravel ancient Nahrung, practices of several archaeological sites in the world. Researchers have applied this technique recently to the potteries collected from multiple archaeological sites of Indus Valley Civilisation. The key scientific finding was dominance of non-ruminant fats in the cooking vessels implying non-ruminant animals (such as horse, pigs, poultry, fowl, rabbit, etc) were cooked in the vessels over a long period. This contradicts the long held view (based on faunal evidence) that ruminant animals (such as cattle, buffalo, deer,etc) were consumed as Nahrung, by Indus Valley people.  

Archäologische Ausgrabungen wichtiger Stätten im vergangenen Jahrhundert lieferten viele Informationen über die Kultur und Praktiken der alten Menschen. Das Verständnis der Ernährungs- und Lebenshaltungspraktiken, die in alten prähistorischen Gesellschaften ohne schriftliche Aufzeichnungen vorherrschten, war jedoch früher eine schwierige Aufgabe, da aufgrund des fast vollständigen natürlichen Abbaus nicht mehr viel von dem übrig blieb, was „Nahrung“ ausmachte Nahrung, und Biomoleküle. In den letzten zwei Jahrzehnten haben die chemischen Standardtechniken der Chromatographie und der verbindungsspezifischen Analyse des Verhältnisses stabiler Kohlenstoffisotope Einzug in archäologische Studien gehalten, die es Forschern ermöglichen, Lipidquellen genau zu bestimmen. Dadurch ist es möglich geworden, Ernährungs- und Subsistenzpraktiken mithilfe molekularer und isotopischer Analysen aufgenommener Nahrungsrückstände auf Basis der δ13C- und Δ13C-Werte zu untersuchen.  

Pflanzen sind die Hauptproduzenten von Nahrungsmitteln. Die meisten Pflanzen nutzen die C3-Photosynthese, um Kohlenstoff zu binden, weshalb sie als C3-Pflanzen bezeichnet werden. Weizen, Gerste, Reis, Hafer, Roggen, Augenerbse, Maniok, Sojabohnen usw. sind die wichtigsten C3-Pflanzen. Sie bilden die Grundnahrungsmittel Nahrung, der Menschheit. C4-Pflanzen (wie Mais, Zuckerrohr, Hirse und Sorghum) hingegen nutzen die C4-Photosynthese zur Kohlenstofffixierung.  

Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope, C-12 und C-13 (das dritte Isotop C-14 ist instabil und daher radioaktiv und wird zur Datierung verwendet bio archäologische Funde). Von den beiden stabilen Isotopen wird bei der Photosynthese bevorzugt das leichtere C-12 aufgenommen. Die Photosynthese ist nicht universell; es begünstigt die Fixierung von C-12. Darüber hinaus nehmen C3-Pflanzen das leichtere C-12-Isotop stärker auf als C4-Pflanzen. Sowohl C3- als auch C4-Pflanzen diskriminieren das schwerere C-13-Isotop, aber C4-Pflanzen diskriminieren nicht so stark wie C3-Pflanzen. Umgekehrt ausgedrückt bevorzugen bei der Photosynthese sowohl C3- als auch C4-Pflanzen das C-12-Isotop gegenüber C-13, C3-Pflanzen bevorzugen jedoch C-12 gegenüber C4-Pflanzen. Dies führt zu Unterschieden im Verhältnis stabiler Kohlenstoffisotope in C3- und C4-Pflanzen und bei Tieren, die sich von C3- und C4-Pflanzen ernähren. Ein mit C3-Pflanzen gefüttertes Tier hat mehr leichtere Isotope als ein mit C4-Pflanzen gefüttertes Tier, was bedeutet, dass ein Lipidmolekül mit einem leichteren Isotopenverhältnis eher von einem mit C3-Pflanzen gefütterten Tier stammt. Dies ist die konzeptionelle Grundlage der verbindungsspezifischen Isotopenanalyse von Lipiden (oder anderen Biomolekülen), die bei der Identifizierung von Lipidrückständen in der Keramik hilft. Kurz gesagt, C3- und C4-Pflanzen haben unterschiedliche Kohlenstoffisotopenverhältnisse. Der δ13C-Wert für C3-Pflanzen liegt zwischen −30 und −23‰, während dieser Wert für C4-Pflanzen zwischen −14 und −12‰ liegt. 

Nach der Extraktion von Lipidrückständen aus den Keramikproben besteht der erste Schlüsselschritt darin, verschiedene Lipidbestandteile mit Hilfe der Technik der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) zu trennen. Dies ergibt ein Lipidchromatogramm der Probe. Lipide werden im Laufe der Zeit abgebaut, daher finden wir in alten Proben normalerweise Fettsäuren (FA), insbesondere Palmitinsäure (C₁₆) und Stearinsäure (C₁₈). Somit hilft diese chemische Analysetechnik bei der Identifizierung von Fettsäuren in der Probe, gibt aber keine Auskunft über die Herkunft der Fettsäuren. Es muss weiter untersucht werden, ob eine spezifische Fettsäure, die in dem alten Kochgefäß identifiziert wurde, aus Milchprodukten oder tierischem Fleisch oder einer Pflanze stammt. Die Fettsäurereste in den Töpfereien hängen davon ab, was in der Antike in dem Gefäß gekocht wurde. 

C3- und C4-Pflanzen haben aufgrund der bevorzugten Aufnahme des leichteren C12-Isotops während der Photosynthese unterschiedliche Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope. In ähnlicher Weise haben Tiere, die mit C3- und C4-Pflanzen gefüttert werden, unterschiedliche Verhältnisse, z. B. haben domestizierte Rinder (Wiederkäuer wie Kühe und Büffel), die mit C4-Nahrung (wie Hirse) gefüttert werden, ein anderes Isotopenverhältnis als kleinere domestizierte Tiere wie Ziegen, Schafe und Schweine, die normalerweise auf C3-Pflanzen grasen und gedeihen. Ferner haben Milchprodukte und Fleisch, die von Wiederkäuern stammen, unterschiedliche Isotopenverhältnisse aufgrund von Unterschieden in der Synthese von Fetten in ihrer Milchdrüse und ihrem Fettgewebe. Die Bestimmung des Ursprungs einer zuvor identifizierten spezifischen Fettsäure erfolgt durch Analyse der Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope. Die Technik der Gaschromatographie-Verbrennungs-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (GC-C-IRMS) wird verwendet, um die Isotopenverhältnisse der identifizierten Fettsäuren zu analysieren.   

Die Bedeutung der Verhältnisanalyse von stabilen Kohlenstoffisotopen in Lipidrückständen bei archäologischen Untersuchungen prähistorischer Stätten wurde 1999 demonstriert, als die Untersuchung archäologischer Stätten in Welsh Borderlands, UK, eine klare Unterscheidung zwischen Fetten von Nichtwiederkäuern (z. B. Schweinen) und Fetten machen konnte Wiederkäuer (z. B. Schaf oder Rind) stammen¹. Dieser Ansatz könnte einen schlüssigen Beweis für die erste Milchwirtschaft im grünen Sahara-Afrika im fünften Jahrtausend v. Chr. liefern. Nordafrika war damals grün mit Vegetation und die prähistorischen afrikanischen Menschen in der Sahara hatten Milchwirtschaftspraktiken übernommen. Dies wurde auf der Grundlage von δ13C- und Δ13C-Werten der wichtigsten Alkansäuren von Milchfett, die in Töpfereien identifiziert wurden, geschlossen². Ähnliche Analysen lieferten früheste direkte Beweise für die Verarbeitung und den Konsum von Milchprodukten durch pastorale neolithische Gesellschaften in Ostafrika³ und in der frühen Eisenzeit, Nordchina⁴. 

In Südasien gibt es Hinweise auf Domestizierung bis ins 7^th Jahrtausend v. Bis 4^th Chr. waren domestizierte Tiere wie Rinder, Büffel, Ziegen, Schafe usw. an verschiedenen Standorten im Indus-Tal verbreitet. Es gab Vorschläge für die Verwendung dieser Tiere in Milch- und Fleischnahrungsmitteln, es gab jedoch keine schlüssigen wissenschaftlichen Beweise, die diese Ansicht stützen könnten. Stabilisotopenanalyse von Lipidrückständen, die aus Keramikschnipseln gewonnen wurden Indus Valley Siedlungen liefern die frühesten direkten Beweise für die Milchverarbeitung in Südasien⁵. In einer anderen kürzlich durchgeführten, aufwändigeren, systematischen Studie über Lipidrückstände aus Topffragmenten, die an mehreren Standorten im Industal gesammelt wurden, versuchten die Forscher, die Art der in den Gefäßen verwendeten Lebensmittel zu ermitteln. Die Isotopenanalyse bestätigte die Verwendung tierischer Fette in Gefäßen. Die wichtigste wissenschaftliche Erkenntnis war die Dominanz von Nichtwiederkäuerfetten in den Kochgefäßen⁶ Nichtwiederkäuer (wie Pferde, Schweine, Geflügel, Geflügel, Kaninchen usw.) wurden über einen langen Zeitraum in den Gefäßen gekocht und als Nahrung verzehrt. Dies widerspricht einer lange vertretenen Ansicht (basierend auf Beweisen aus der Fauna), dass Wiederkäuer (wie Rinder, Büffel, Hirsche, Ziegen usw.) von den Menschen im Industal als Nahrung verzehrt wurden.  

Die Nichtverfügbarkeit lokaler moderner Referenzfette und die Möglichkeit der Vermischung von pflanzlichen und tierischen Produkten sind Einschränkungen dieser Studie. Um mögliche Effekte durch das Mischen von pflanzlichen und tierischen Produkten auszugleichen und für eine ganzheitliche Betrachtung wurde die Stärkekornanalyse in die Lipidrückstandsanalyse integriert. Dies unterstützte das Kochen von Pflanzen, Getreide, Hülsenfrüchten usw. im Gefäß. Dies hilft, einige Einschränkungen zu überwinden⁷. 

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References:  

1. Dudd SN et al 1999. Beweise für unterschiedliche Muster der Ausbeutung tierischer Produkte in verschiedenen prähistorischen Töpfertraditionen, basierend auf in der Oberfläche konservierten Lipiden und absorbierten Rückständen. Zeitschrift für Archäologische Wissenschaft. Band 26, Ausgabe 12, Dezember 1999, Seiten 1473-1482. DOI: https://doi.org/10.1006/jasc.1998.0434 

2. Dunne, J., Evershed, R., Salque, M. et al. Erste Milchwirtschaft im grünen Sahara-Afrika im fünften Jahrtausend v. Natur 486, 390–394 (2012). DOI: https://doi.org/10.1038/nature11186 

3. Grillo KM et al 2020. Molekulare und isotopische Beweise für Milch, Fleisch und Pflanzen in prähistorischen ostafrikanischen Hirtennahrungssystemen. PNAS. 117 (18) 9793-9799. Veröffentlicht am 13. April 2020. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1920309117 

4. Han B., et al 2021. Lipidrückstandsanalyse von Keramikgefäßen aus der Liujiawa-Stätte des RuiState (frühe Eisenzeit, Nordchina). Journal of Quartary Science (2022)37(1) 114–122. DOI: https://doi.org/10.1002/jqs.3377 

5. Chakraborty, KS, Slater, GF, Miller, H.ML. et al. Die verbindungsspezifische Isotopenanalyse von Lipidrückständen liefert den frühesten direkten Beweis für die Verarbeitung von Milchprodukten in Südasien. Sci Rep. 10, 16095 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-72963-y 

6. Suryanarayan A., et al 2021. Lipidrückstände in Keramik aus der Indus-Zivilisation im Nordwesten Indiens. Zeitschrift für Archäologische Wissenschaft. Band 125, 2021,105291. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jas.2020.105291 

7. García-Granero Juan José, et al 2022. Integration von Lipid- und Stärkekornanalysen aus Töpfergefäßen zur Erkundung prähistorischer Speisewege im Norden von Gujarat, Indien. Frontiers in Ecology and Evolution, 16. März 2022. Sec. Paläontologie . DOI: https://doi.org/10.3389/fevo.2022.840199 

Literaturverzeichnis  

1. Irto A., et al 2022. Lipide in archäologischer Keramik: Ein Überblick über ihre Probenahme- und Extraktionstechniken. Molecules 2022, 27(11), 3451; DOI: https://doi.org/10.3390/molecules27113451 

2. Suryanarayan, A. 2020. Was kocht in der Indus-Zivilisation? Untersuchung von Indus-Nahrung durch keramische Lipidrückstandsanalyse (Doktorarbeit). Universität von Cambridge. DOI: https://doi.org/10.17863/CAM.50249 

3. Suryanarayan, A. 2021. Vortrag – Lipid Residues in Pottery from the Indus Civilization. Verfügbar um https://www.youtube.com/watch?v=otgXY5_1zVo 

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