FAU-For­schung: Fett­rü­ck­stän­de für die Archäo­lo­gie, Bal­last­stof­fe und Auto­im­mun­krank­hei­ten

FAU-Che­mi­ker ent­wickelt neu­es Ver­fah­ren, um die Ver­tei­lung von Lipi­den in archäo­lo­gi­schen Kera­mi­ken zu bestim­men

For­schen­de der FAU, der Uni­ver­si­tät Bri­stol und der Uni­ver­si­tät Not­ting­ham (UK) haben ein neu­es Ver­fah­ren ent­wickelt, mit dem Fett­rü­ck­stän­de in jahr­tau­sen­de­al­ten Gefä­ßen zuver­läs­si­ger als bis­her ana­ly­siert wer­den kön­nen. Mit­hil­fe bild­ge­ben­der Mas­sen­spek­tro­me­trie lässt sich die Ver­tei­lung und Kon­zen­tra­ti­on von Lipi­den –etwa aus Fleisch, Milch oder Getrei­de – bestim­men, ohne die Kera­mi­ken zer­stö­ren zu müs­sen. Die Ergeb­nis­se wur­den in der renom­mier­ten Fach­zeit­schrift PNAS vor­ge­stellt.

Wie haben unse­re Vor­fah­ren in der Stein­zeit gelebt? Was haben sie geges­sen, wie haben sie gekocht und ihre Vor­rä­te gela­gert? Infor­ma­tio­nen über eine Zeit, aus der es kei­ne schrift­li­chen Auf­zeich­nun­gen gibt, kön­nen archäo­lo­gi­sche Fund­stücke geben. In den 1960er Jah­ren haben Wis­sen­schaft­ler ent­deckt, dass Lipi­de, also Fet­te, Jahr­tau­sen­de in den Wän­den von Kera­mi­ken über­dau­ern kön­nen, die zum Bra­ten, Kochen oder als Vor­rats­ge­fä­ße genutzt wur­den. Die Ana­ly­se von Fett­säu­ren lie­fer­te bei­spiels­wei­se den Beleg dafür, dass Milch in Nord­west­ana­to­li­en bereits vor über 9000 Jah­ren zu Käse ver­ar­bei­tet wur­de. Eben­so kön­nen Rück­stän­de von Bie­nen­wachs Auf­schluss dar­über geben, wann der Mensch begon­nen hat, Honig­bie­nen zu dome­sti­zie­ren.

Lipi­de lagern sich in Poren ein

„Wir reden bei sol­chen Fun­den in den mei­sten Fäl­len nicht von Talg- oder Wachs­klum­pen, die zen­ti­me­ter­dick in Ril­len oder Ecken kle­ben“, sagt Prof. Dr. Simon Ham­mann, Juni­or­pro­fes­sor für Lebens­mit­tel­si­cher­heit und ‑qua­li­tät an der FAU. „Die Fet­te sind beim wie­der­hol­ten Kochen und Bra­ten oder durch län­ge­re Lage­rung von der porö­sen Matrix der Ton­ge­fä­ße absor­biert wor­den und haben dort zum Teil meh­re­re Jahr­tau­sen­de über­dau­ert – geschützt vor Grund­was­ser­aus­wa­schun­gen und mikro­biel­lem Abbau.“ Immer­hin bis zu 100 Mikro­gramm, manch­mal sogar meh­re­re Mil­li­gramm Lipidrück­stän­de kön­nen heu­te noch in einem Gramm Kera­mik nach­ge­wie­sen wer­den. Mit­tels Gas­chro­ma­to­gra­phie und Mas­sen­spek­tro­me­trie wer­den die bio­mo­le­ku­la­ren Kom­po­nen­ten ent­schlüs­selt – es ent­steht ein che­mi­scher Fin­ger­ab­druck, der die Iden­ti­fi­ka­ti­on der einst ver­wen­de­ten Nah­rungs­mit­tel ermög­licht. Der ent­schei­den­de Nach­teil die­ser Metho­de: Die Kera­mik­pro­ben müs­sen voll­stän­dig pul­ve­ri­siert wer­den, was sie einer­seits unwie­der­bring­lich zer­stört und ande­rer­seits kei­ne Rück­schlüs­se auf die Ver­tei­lung der Lipi­de in den Gefä­ßen zulässt.

Tech­no­lo­gie aus der Mate­ri­al­wis­sen­schaft adap­tiert

Simon Ham­mann hat über die Ana­ly­se von Lipi­den in Lebens­mit­teln pro­mo­viert und unter­such­te als Post­dok­to­rand an der Uni­ver­si­tät Bri­stol getrei­de­spe­zi­fi­sche Lipi­de in archäo­lo­gi­schen Pro­ben sowie den Abbau von Fet­ten unter ver­schie­de­nen Umwelt­be­din­gun­gen. „Kei­nes die­ser Expe­ri­men­te konn­te jedoch die Fra­ge beant­wor­ten, wie Lipi­de tat­säch­lich in die anor­ga­ni­sche Kera­mik­struk­tur ein­ge­baut wer­den und wie sie dort ver­teilt sind“, erklärt der Lebens­mit­tel­che­mi­ker. Um die­ses Pro­blem zu lösen, ent­schied er sich für eine Tech­no­lo­gie, die über­wie­gend in der Bio­me­di­zin und der Mate­ri­al­wis­sen­schaft zum Ein­satz kommt: die Sekun­dä­r­io­nen-Mas­sen­spek­tro­me­trie (SIMS). Bei die­sem bild­ge­ben­den Ver­fah­ren löst ein hoch­en­er­ge­ti­scher Ionen­strahl Ele­men­te aus der Ober­flä­che, ohne die Pro­be zu zer­stö­ren. Ein in das Gerät inte­grier­tes Mas­sen­spek­tro­me­ter bestimmt die che­mi­sche Zusam­men­set­zung der des­or­bier­ten Stof­fe. „Gemein­sam mit Kol­le­gen der Uni­ver­si­tät Not­ting­ham, die eines der modern­sten SIMS-Gerä­te besitzt, konn­te ich exzel­len­te Daten aus mei­nen archäo­lo­gi­schen Pro­ben gewin­nen“, erzählt Ham­mann. „Statt weni­ger iso­lier­ter Signa­le in klein­sten Poren fan­den wir in eini­gen Pro­ben Lipid­zo­nen mit einer Grö­ße von bis zu 400 Mikro­me­tern.“

Lipid­ver­tei­lung gibt Auf­schluss über Zube­rei­tungs­art

Mit der SIMS-Tech­no­lo­gie, die eine bril­lan­te räum­li­che Auf­lö­sung von weit unter einem Mikro­me­ter lie­fern kann, gelang es Ham­mann erst­mals, Lipi­de in zusam­men­hän­gen­den Struk­tu­ren dar­zu­stel­len. Das ist ein ganz ent­schei­den­der Fort­schritt, denn ein kom­ple­xes Bild davon, wie die Fet­te in der Kera­mik ver­teilt sind, könn­te in Zukunft Rück­schlüs­se auf die Art der Spei­sen­be­rei­tung zulas­sen: „Wenn wir beson­ders hohe Lipid­ge­hal­te im obe­ren Bereich eines Ton­top­fes fin­den, wis­sen wir, dass dar­in über­wie­gend gekocht wur­de“, erklärt Simon Ham­mann. „Maxi­ma­le Lipi­d­an­rei­che­run­gen in Boden­nä­he deu­ten eher auf Bra­ten hin.“ Bis­lang benö­tig­te man meh­re­re Scher­ben eines Gefä­ßes, um des­sen Ein­satz­zweck bestim­men zu kön­nen. Mit der bild­ge­ben­den Mas­sen­spek­tro­me­trie könn­te dafür eine ein­zi­ge Scher­be aus­rei­chen.
Sal­ze als Lipid­kon­ser­va­to­ren

Bei sei­nen Unter­su­chun­gen ent­deck­te Simon Ham­mann einen wei­te­ren wich­ti­gen Aspekt der Lipid­kon­ser­vie­rung in archäo­lo­gi­schen Kera­mi­ken: Vie­le der grö­ße­ren Ein­schlüs­se, die zum Teil mit blo­ßem Auge sicht­bar waren, lagen in Ver­bin­dung mit Cal­ci­um­sal­zen vor. „Cal­ci­um­car­bo­nat, zum Bei­spiel in Form von Muscheln oder Kalk­stein, wur­de häu­fig beim Bren­nen der Gefä­ße ver­wen­det und reagier­te spä­ter mit den Fett­säu­ren zu Fett­säu­re-Cal­ci­um­sal­zen“, erklärt Ham­mann. „Die­se Sal­ze sind extrem schlecht was­ser­lös­lich und des­halb ein sehr guter Kon­ser­va­tor für die Lipi­de.“ Mit der klas­si­schen Extrak­ti­ons­me­tho­de unter Ver­wen­dung von Chlo­ro­form und Metha­nol kön­nen die­se Sal­ze nicht gelöst wer­den, erst der Ein­satz säu­re­hal­ti­ger Extrak­ti­ons­mit­tel macht die so gebun­de­nen Lipi­de zugäng­lich. Ham­mann: „Wir ste­hen hier noch am Anfang der For­schungs­ar­bei­ten, aber als Cal­ci­um­sal­ze gebun­de­ne Lipi­de sind eine wert­vol­le Quel­le für die wei­te­re Ana­ly­se archäo­lo­gi­scher Fun­de.“