Kakaobohnen enthalten Verbindungen mit positiver Wirkung wie Aminosäuren wie Tryptophan, anti-entzündliche Verbindungen und Spurenelemente. Allerdings nehmen die Kakaopflanzen auch giftige Schwermetalle auf, wenn die Böden entsprechend belastet sind, zum Beispiel durch Abraum von Bergbau, wodurch es zu Schwermetalleinträgen in Grundwasser und Böden kommen kann.

Dabei kommt es jedoch auch darauf an, wo sich die Schwermetalle in der Bohne anreichern, ob eher in der Schale oder eher im Mehlkörper im Inneren der Bohne: Denn die Bohnen durchlaufen von der Ernte bis zum Rohstoff für Schokolade viele Behandlungsschritte, die die Belastung möglicherweise reduzieren könnten. Und zwar idealerweise so, dass der Schwermetall-Gehalt reduziert wird, aber die erwünschten Spurenelemente erhalten bleiben.

Ein Team um Dr. Ioanna Mantouvalou (HZB) und Dr. Claudia Keil (TU Berlin/Toxikologie) hat an der "BAMline" von der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II verschiedene Imaging-Methoden genutzt, um die Schwermetallkonzentrationen in Kakaobohnen präzise zu kartieren. Damit untersuchten sie Proben aus einer Anbauregion in Kolumbien, die mit durchschnittlich 4,2 mg/kg Cadmium belastet waren. Das ist deutlich über den Europäischen Grenzwerten von 0,1 – 0,8 mg Cadmium/kg in Kakaoerzeugnissen.

Cadmium-Anreicherung ortsgenau darstellen

Das Team hat mit drei verschiedenen Röntgenfluoreszenz-Techniken gearbeitet, um die Kakaobohnen zu untersuchen und u. a. eine neue Analysemethodik für die Absorptionskorrektur bei der Bildgebung mit einer Röntgenfarbkamera entwickelt. Die Doktoranden Frank Förste (TU Berlin) und Leona Bauer (TU Berlin und HZB) führten die Experimente durch. "Es gab bisher wenig Erkenntnisse dazu, wie Cadmium vom Boden durch Wurzeln in die Pflanze einwandert und wo sich das Element in den Bohnen anreichert. Insbesondere auch deswegen, weil es nicht möglich war, den Cadmium-Gehalt nichtinvasiv genau zu lokalisieren", sagt Mantouvalou. Cadmium sei besonders schwer nachzuweisen. Denn das Cadmium-Signal, das die Anregung der äußeren Elektronen erzeugt, liegt genau unter dem sehr viel stärkeren Fluoreszenz-Signal des Elements Kalium, das in höherer Konzentration im Kakao vorkommt. "Wir regen daher ganz gezielt eine tiefere Elektronenschale des Cadmium-Atoms an, was nur mit harten Röntgenstrahlen an der BAMLine möglich ist", sagt Frank Förste. "Damit konnten wir die Querschnitte von Kakaobohnen nun mit hoher Auflösung kartieren, und zeigen, dass sich Cadmium vorwiegend in der äußeren Schale anreichert", sagt Leona Bauer.

Dabei entdeckten sie auch Unterschiede zwischen Bohnen vor und nach dem Röstvorgang: "Wir konnten nachweisen, dass sich durch das Rösten die Elementverteilung in den Bohnen ändert", sagt Mantouvalou. Da es mit dem Zusammenspiel der genutzten Methoden nun möglich ist, die Anreicherung von Cadmium ortsgenau zu messen, könnte man in weiteren Untersuchungen systematisch erkunden, mit welchen Verarbeitungsschritten bzw. Verbesserungen bei Verarbeitungsschritten der Cadmium-Gehalt minimiert werden kann.

Originalpublikation
Quantitative Analysis and 2D/3D Elemental Imaging of Cocoa Beans Using X-ray Fluorescence Techniques; Frank Förste, Leona Bauer, Cornelia Streeck, Martin Radtke, Uwe Reinholz, Daniel Kadow, Claudia Keil, and Ioanna Mantouvalou; Analytical Chemistry 2023 95 (13), 5627-5634; DOI:10.1021/acs.analchem.2c05370

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)