Wie viel Cadmium ist in Kakaobohnen enthalten?

Kakaobohnen können giftige Schwermetalle wie Cadmium aus dem Boden aufnehmen. Einige Anbaugebiete, insbesondere in Südamerika, sind teilweise erheblich mit diesen Schwermetallen belastet. Durch die Kombination verschiedener Röntgenfluoreszenztechniken konnte ein Team an BESSY II nun erstmals nicht-invasiv messen, wo genau sich Cadmium in Kakaobohnen anreichert: Vor allem in der Schale.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Analytische Chemieund weitere Untersuchungen zeigen, dass die Verarbeitung der Kakaobohnen einen großen Einfluss auf die Schwermetallkonzentration haben kann.

Seit mindestens 5.000 Jahren ernten Menschen die Bohnen des Kakaostrauchs. Sie haben gelernt, die Bohnen zu fermentieren, zu rösten, zu mahlen und mit Zucker und Fett zu köstlichen Pralinen zu verarbeiten. Heute kommen jährlich rund 5 Millionen Tonnen Bohnen auf den Markt, die aus nur wenigen Anbaugebieten in tropischen Regionen stammen.

Schokolade gilt als Soulfood: Aminosäuren wie Tryptophan heben die Stimmung. Kakaobohnen enthalten außerdem entzündungshemmende Verbindungen und wertvolle Spurenelemente. Kakaopflanzen nehmen aber auch giftige Schwermetalle auf, wenn die Böden beispielsweise durch Bergbau belastet sind, was nach und nach Grundwasser und Böden vergiften kann.

Eine wichtige Frage ist, wo genau sich die Schwermetalle in der Bohne anreichern, ob eher in der Schale oder eher im Endosperm innerhalb der Bohne. Von der Ernte bis zum Rohstoff für Schokolade durchlaufen die Bohnen viele Schritte unterschiedlicher Behandlungen, die möglicherweise die Kontamination verringern könnten. Und idealerweise könnte die Behandlung optimiert werden, um sicherzustellen, dass die Schwermetalle reduziert werden, aber die erwünschten Spurenelemente erhalten bleiben.

Kartierung der Bohnen bei BESSY II

Ein Team um Dr. Ioanna Mantouvalou (HZB) und Dr. Claudia Keil (TU Berlin/Toxikologie) hat nun an der BAMline von BESSY II verschiedene bildgebende Verfahren kombiniert, um die Schwermetallkonzentrationen in Kakaobohnen präzise zu kartieren.

Sie untersuchten Kakaoproben aus einer Anbauregion in Kolumbien, die mit durchschnittlich 4,2 mg/kg Cadmium belastet waren. Dies liegt deutlich über den europäischen Grenzwerten von 0,1-0,8 mg Cadmium/kg in Kakaoprodukten.

Das Team arbeitete mit drei verschiedenen Röntgenfluoreszenztechniken, um die Kakaobohnen zu untersuchen. Sie entwickelten unter anderem ein neues Analyseverfahren zur Absorptionskorrektur bei der Bildgebung mit einer Röntgenfarbkamera.

„Es war wenig bekannt, wie Cadmium aus dem Boden über die Wurzeln in die Pflanze wandert und wo sich das Element in den Bohnen anreichert. Vor allem, weil es nicht möglich war, den Cadmiumgehalt nicht-invasiv genau zu lokalisieren“, sagt Mantouvalou. Ph.D. Die Experimente wurden von den Studierenden Frank Förste (TU Berlin) und Leona Bauer (TU Berlin und HZB) durchgeführt.

Cadmium sei besonders schwer nachzuweisen, erklärt Mantouvalou. Denn das Cadmium-Signal, das die Anregung der Außenelektronen bewirkt, liegt genau unter dem viel stärkeren Fluoreszenzsignal des Elements Kalium, das in Kakao in höheren Konzentrationen vorkommt.

„Daher regen wir eine tiefere Elektronenhülle des Cadmiumatoms an, was an der BAMLine nur mit harter Röntgenstrahlung möglich ist“, sagt Frank Förste. „Damit konnten wir die Querschnitte von Kakaobohnen hochauflösend kartieren und zeigen, dass sich Cadmium überwiegend in der äußeren Schale anreichert“, sagt Leona Bauer.

Sie entdeckten auch interessante Unterschiede zwischen Bohnen vor und nach dem Röstprozess. „Wir konnten nachweisen, dass das Rösten die Elementverteilung in den Bohnen verändert“, sagt Mantouvalou. Die Kombination der verschiedenen experimentellen Methoden ermöglicht es den Forschern erstmals, die Akkumulation von Cadmium präzise zu messen. Weitere Untersuchungen könnten systematisch untersuchen, wie die Verarbeitungsschritte verbessert werden können, um die Exposition zu minimieren.