Beheersen van de cadmium concentratie in cacao producten: van het veld tot het bord.

In 2019 ging een nieuwe Europese regelgeving van kracht die de maximale toegelaten cadmiumconcentratie (Cd) bepaalt in chocolades en cacaopoeders die verkocht worden op de Europese markt. Deze nieuwe limieten hebben een grote impact op de cacaomarkt in Centraal- en Zuid-Amerika, aangezien cadmiumconcentraties in cacaobonen van die gebieden merkbaar hoger zijn dan in bonen van andere regio’s zoals Afrika, de voornaamste cacaoproducerende regio wereldwijd. De duurzaamheid van de cacaosector in Centraal- en Zuid-Amerika kan sterk verbeterd worden door de cadmiumconcentratie in cacaonibs te verlagen met een factor 1.3 of meer. Het Cd in de cacaobonen is afkomstig van de bodem en verschillende agronomische mitigatiestrategieën worden onderzocht om de bodem-plant overdracht van Cd te beperken. Echter, tot dusver behaalde dat onderzoek nog geen groot succes. Aangezien de nieuwe EU-regelgeving enkel van toepassing is op het eindproduct, kunnen mitigatiestrategieën ook toegepast worden tijdens het uitgebreide naoogst proces van cacao, maar zulke technieken waren tot dusver nog niet onderzocht.

Het doel van dit onderzoek was om de effecten van conventionele naoogst behandelingen op de cadmiumconcentraties in de verschillende weefsels van de cacaovrucht te bestuderen, met specifieke focus op fermentatie, en om potentiële naoogst-mitigatiestrategieën te identificeren die de cadmiumconcentratie in het eindproduct kunnen verlagen.

Als eerste stap werd een studie opgezet om het vermoedelijke effect van de cacao-origine op de cadmiumconcentratie in chocoladeproducten te bevestigen. Het verband tussen de elementaire samenstelling van chocolades en de oorsprong van de gebruikte cacao werd bestudeerd in 139 originechocolades. De nieuwe cadmiumlimieten werden overschreden in 10 % van de stalen, allen geproduceerd met cacao uit Centraal- en Zuid-Amerika. Voor de meeste elementen kon een verband gevonden worden tussen toenemende cacaogehaltes en toenemende elementconcentraties, wat erop wijst dat de cacaobonen de voornaamste bron zijn van deze mineralen en spoorelementen (incl. Cd) in chocolade. Classification and Regression Tree (CART) analyse resulteerde in een keuzeboom die cacaostalen efficiënt kon indelen naargelang de oorsprong van de cacao op basis van vijf elementen (Ba, Cd, Mo, Sr en Zn). Zuid-Amerikaanse chocolades werden onderscheiden van de andere stalen op basis van hun cadmiumconcentratie, wat aangeeft dat Cd in cacao waarschijnlijk van geogene oorsprong is.

Vervolgens werd de cadmiumverdeling in de cacaovrucht en de verandering van deze verdeling tijdens fermentatie bestudeerd. Chocoladeproducten worden gemaakt van de cacaonibs, het binnenste deel van de gefermenteerde cacaobonen. In de verschillende weefsels van ongefermenteerde cacaovruchten daalt de cadmiumconcentratie in de volgorde testa > nib ~ placenta ~ pod husk > mucilage. Laser ablatie inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (LA-ICP-MS) werd gebruikt om de verdeling van Cd in cacaobonen in beeld te brengen. Deze analyse bevestigde dat cadmiumconcentraties hoger zijn in de testa dan in de nib.

Het effect van fermentatie op de verdeling van Cd in de verschillende cacaoweefsels werd bestudeerd met behulp van een top-down benadering, startend met een opstelling op commerciële schaal, gevolgd door laboschaal en micro-fermentaties, en tenslotte gecontroleerde incubaties die de fermentatiecondities nabootsten. Fermentatie in commerciële fermentatiebakken (> 200 kg) veroorzaakte een buitenwaartse migratie van Cd van de nib naar de testa, i.e. van een weefsel met lagere cadmiumconcentratie naar een weefsel met hogere cadmiumconcentratie, en hierdoor daalde het cadmiumgehalte in de nibs met een factor 1.3. Deze migratie vond echter enkel plaats wanneer fermentatie voldoende extensief was zodat de pH in de nib daalde tot < 5.0. Dit was de eerste aanwijzing dat fermentatie een pH-gedreven cadmiummobilisatie veroorzaakt in cacaonibs. Vervolgens werd een microfermentatie-experiment opgesteld om het effect van fermentatie te bestuderen met hogere nauwkeurigheid dan in de commerciële opstellingen. Netzakjes met de cacaobonen van individuele vruchten werden in een commerciële fermentatiebak geplaatst en gefermenteerd gedurende vier dagen. Dit resulteerde in een verlaging van de cadmiumconcentratie in de nib met een factor 1.25. De mobiele cadmiumgradiënt in de cacaobonen werd in beeld gebracht doormiddel van afdrukken van transversaal doorgesneden cacaobonen op een metaalbindende gel, gevolgd door LA-ICP-MS analyse. Dit toonde aan dat fermentatie de mobiliteit van Cd in cacaonibs verhoogt en dat zo een mobiele concentratiegradiënt tot stand komt van de binnenkant van de nibs naar de testae en het mucilage. In de daaropvolgende laboschaal fermentatie-experimenten (5 kg) werden melkzuur en azijnzuur toegevoegd tijdens of na de fermentatie, om zo te proberen de cadmiummobilisatie te versterken. De organische zuurbehandelingen veroorzaakten geen daling in de totale cadmiumconcentratie in de nibs, wat waarschijnlijk verklaard kan worden door de lagere temperaturen die bereikt werden in deze kleine fermentatiebakken in vergelijking met commerciële opstellingen. Verzuring-gedreven cadmiummobilisatie in cacaonibs komt mogelijks enkel voor indien de structurele integriteit van de nibs verstoord wordt door de toenemende fermentatiehitte, en azijnzuur- en ethanolconcentraties. Deze hypothese werd onderzocht in een incubatie-experiment, met verschillende combinaties van incubatietemperaturen, en azijnzuur- en ethanolconcentraties in de incubatiemedia. De mobilisatie van Cd in de nibs was het meest uitgesproken bij incubaties met toevoeging van azijnzuur en bij verhoogde temperaturen, terwijl ethanol geen statistisch significant effect veroorzaakte. Incubatie van cacaobonen bij typische fermentatiecondities (45 °C en 20 g L-1 azijnzuur) verlaagde de cadmiumconcentratie in de nib met een factor 1.3, en deze reductiefactor steeg tot 1.6 in meer extreme condities. Aanpassen van de fermentatieparameters voor een optimale productie van hitte en azijnzuur is bijgevolg een veelbelovende strategie om de cadmiumconcentratie in cacaonibs te doen dalen.

Tot slot werden extracties van cacaonibs met water en chelerende agentia geëvalueerd als mitigatiestrategie. Waterextracties van vermalen cacaonibs werden in dit werk initieel gebruikt als een diagnostische techniek om de cadmiummobiliteit te vergelijken tussen stalen. De data toonden echter aan dat een groot aandeel van het Cd in gefermenteerde cacaonibs waterextraheerbaar is, maar dat dit niet het geval is in ongefermenteerde nibs. Extracties met water en chelerende agentia (EDTA), korte contacttijden (1 tot 2 uur) en kleine vloeistof:vast verhoudingen (1 – 6 mL g-1) werden uitgevoerd op gebroken cacaonibs afkomstig van een commerciële cacaofermentatie. Incubatie van 1 uur in 10 mM EDTA bij een vloeistof:vast verhouding 2 mL g-1 of hoger verwijderde 50 – 60 % van het nib Cd. Cacaonibs wassen met water en/of chelerende agentia voordat de nibs geroosterd worden, heeft waarschijnlijk een invloed op de smaak van het eindproduct. Echter, implementatie van zulke technieken is niet onrealistisch aangezien gelijkaardige technieken reeds worden toegepast in specifieke procestechnologieën voor de verwerking van cacao (i.e. alkalinisatie of Dutch processing).

Ter conclusie, deze studie bracht aan het licht dat cadmiumconcentraties in cacaonibs gereduceerd kunnen worden doormiddel van fermentatie omwille van pH-gedreven cadmiummobilisatie in de nibs. Dit effect doet zich enkel voor indien voldoende fermentatiehitte geproduceerd wordt, waarschijnlijk omdat mobilisatie een verstoring van de structurele integriteit in de nibweefsels vereist. Conventionele fermentatie kan de cadmiumconcentratie in de nib doen dalen met een factor 1.3, en door middel van optimalisatie van de fermentatieparameters kan deze reductiefactor stijgen tot 1.6. Vervolgexperimenten zijn vereist om na te gaan of zulke extreme fermentatiecondities praktisch haalbaar zijn. Daarnaast wordt ook voorgesteld te onderzoeken wat de invloed is van eventuele fytaatafbraak tijdens cacaofermentatie op de mobilisatie van Cd. Gefermenteerde cacaonibs wassen met oplossingen met lage concentraties van een chelerend agens zoals EDTA kan de cadmiumconcentratie in de nib meer dan een factor twee verlagen. Zowel optimalisatie van fermentatieparameters als het wassen van cacaonibs, kunnen eenvoudig en grootschalig worden geïmplementeerd en beide technieken zijn daarom veelbelovende mitigatiestrategieën om het cadmiumprobleem aan te pakken in Centraal- en Zuid-Amerika.