Contaminación por Plomo en el cacao y productos del cacao: Evidencia Isotópica de la contaminación global

En este artículo nosotros presentamos las concentraciones de plomo y composiciones isotópicas desde el análisis de los granos de cacao, sus cáscaras, y los suelos de seis plantaciones de cacao, y análisis de productos elaborados de cacao y chocolate. El promedio de concentración de plomo de cáscaras de cacao fue ≤ 0.5 ng/g, el cual es uno de los valores más bajos reportados para una comida natural. En contraste, las concentraciones de plomo del cacao elaborado y de productos de chocolate fueron de hasta 230 y 70 ng/g, respectivamente, los cuales son coherentes con estudios de mercado que han listado repetidamente las concentraciones de plomo de productos de chocolate entre las más altas reportadas de todos los alimentos. Una fuente de contaminación de los productos finalizados es provisionalmente atribuida a emisiones atmosféricas de gasolina con plomo, la cual todavía es usada en Nigeria. A causa de la alta capacidad de las cáscaras de los granos de cacao de absorber plomo, la contaminación de emisiones de gasolina con plomo puede ocurrir durante la fermentación y el secado al sol de los granos sin cáscara en las plantaciones de cacao. Este mecanismo es apoyado por las similitudes en las composiciones isotópicas de plomo de las cáscaras de los granos de cacao de las diferentes plantaciones. (206Pb/207Pb = 1.1548–1.1581; 208Pb/207Pb = 2.4344–2.4394) con aquellas de los productos elaborados de cacao (206Pb/207Pb = 1.1475–1.1977; 208Pb/207Pb = 2.4234–2.4673). Sin embargo, las mucho más altas concentraciones de plomo y la más larga variabilidad en la composición isotópica de plomo de los productos terminados de cacao, las cuales caen dentro del rango global de aerosoles industriales de plomo, indican que la mayor contaminación ocurre durante el transporte y/o procesamiento de los granos de cacao y la fabricación de productos de cacao y chocolate.

La contaminación de plomo en los dulces es un problema de hace mucho tiempo que ha evolucionado con el tiempo. Fred Accum (1820) fue la primera persona en investigar sistemáticamente la contaminación extendida de las confiterías con venenos metálicos. Su estudio de 100 dulces vendidos en Gran Bretaña durante la primera parte del siglo 19 encontró que 59 contenían cromato de plomo, 12 contenían plomo rojo, y 10 contenían Brunswick verde (una mezcla de azul de Prussia y cromato de plomo). La mayoría de plomo observado en ese momento se atribuyó a la adulteración intencional o envolturas que estaban vidriosas, coloridas, o impresas con componentes de plomo. Desde la mitad del siglo 19, varias medidas incluyendo regulaciones y educación pública estuvieron implementadas a minimizar la contaminación de dulces desde tales fuentes (Nriagu 1985). Hoy, las actividades industriales dominan el flujo global de plomo en el ambiente (Flegal and Smith 1995; Nriagu and Pacyna 1988) y han llegado a ser las fuentes predominantes de contaminación de plomo en muchos artículos de comida, incluyendo dulces. Esto sigue siendo cierto a pesar de las recientes medidas tomadas para reducir la contaminación ambiental por plomo y para minimizar la exposición humana al plomo que ha menorado las concentraciones de este metal en alimentos y poblaciones humanas (Egan 2002; Pirkle et al.1998; Thomas et al. 1999; von Storch et al. 2003).

El enfoque específico en la fuente de plomo del cacao, el principal material usado para hacer chocolate, comenzó durante finales de 1970. A pesar de la marcada reducción en la liberación

de plomo al ambiente, debido principalmente a la eliminación del plomo de la gasolina (Nriagu 1990), recientes estudios de mercado todavía indican contaminación por plomo en algunos alimentos, sobre todo en cacao elaborado y productos de chocolate. Por ejemplo en el 2000 la U.S. Food and Drug Administration (FDA) Total Diet Survey (TDS), el promedio de plomo contenido para barras de dulce de chocolate (27 ng/g) fue el cuarto más alto reportado de todos los alimentos (FDA 2000). Esta observación fue corroborada tanto por la 20th Australian TDS, donde el chocolate de leche tiene el segundo valor más alto de 65 alimentos, con un valor medio de 21 ng/g y un máximo de 40 ng/g (Food Standards Australia New Zealand 2003), y el reporte de 1997/1998 de New Zealand TDS, donde la concentración de plomo en galletas de chocolate (15 ng/g) fue 3 veces mayor que las galletas saladas (5.2 ng/g) y galletas dulces simples (5.2 ng/g) (Vannoort et al. 2000). En un estudio reciente de chocolates basados en cacao vendidos en India, Dahiya et al. (2005) encontraron que las concentraciones de plomo están en 1.92 μg/g (rango, 0.05-8.3 μg/g), y Onianwa et al. (1999) encontró la concentración de plomo de cacao en polvo vendido en Nigeria está en 310 ng/g con un rango de 80-880 ng/g.

Las últimas medidas son coherentes con reportes sobre elevados niveles de plomo en el cacao por la Alianza de Productores de Cacao (COPAL), la cual tiene su sede en Nigeria. COPAL es el proveedor del 75% de todos los granos de cacao al mercado mundial (COPAL 2004ª). Las fuentes de plomo en los productos de cacao nigerianos, los cuales se han vuelto una preocupación, pueden incluir plomo de suelos locales y rocas donde la planta de cacao es cultivada; las prácticas agrícolas (e.g., la aplicación de fertilizantes, pesticidas que contienen plomo, composts y otros aditivos del suelo); plomo atmosféricamente depositado; manejo y procesamiento de los granos de cacao después de la cosecha (incluyendo el secado al aire libre, transportación, y almacenamiento); molienda y procesos de fabricación (desgaste de partes de máquinas soldadas con plomo); mezclas y aditivos a los productos finales; y empacado y envoltorio del material.

La presencia de concentraciones relativamente altas en un producto que es en gran medida comercializado para niños es una preocupación especial, porque los niños son particularmente susceptibles al envenenamiento por plomo (Silbergeld 1997). El nivel máximo permisible (MPL) de plomo recientemente propuesto por el Codex Alimentarius Commission fue de 0.1 μg/g para la manteca de cacao (un ingrediente clave en el chocolate) y 1.0 μg/g para la pasta de cacao y el cacao en polvo (COPAL 2004b). En la India, el contenido de plomo de chocolates (1.92 μg/g) excede el MPL para el cacao en polvo y la pasta de cacao. La ingesta semanal tolerable provisional (ISTP) de plomo se ha fijado en 25 μg/kg del peso corporal para niños. [Organización Mundial de la Salud (OMS) 1993], equivalente a 3.6 μg/kg del peso corporal por día. Exámenes de etiquetas en varios chocolates en polvo vendidos en los Estados Unidos muestran que el tamaño de las raciones están típicamente en el rango de 15-25 g. Suponiendo una absorción de 40% [Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades (ATDDR) 1999], por el consumo de cacao en polvo del tamaño promedio de ración (20 g) con un contenido medio de plomo de 0.2 μg/g, un niño que pesa 15 kg estaría adquiriendo aproximadamente 3% de su ISTP de esta fuente. Al consumir cacao en polvo con el contenido máximo de plomo (0.79 μg/g) reportado por Mounicou et al. (2003), un niño recibiría alrededor de 12% del ISTP de esta vía de exposición. En la India el consumo de plomo en productos de chocolate representaría aproximadamente el 28% de la ISTP de plomo para el niño promedio y excedería este límite para muchos niños.

Una fuente potencialmente importante de contaminación por plomo en los granos de cacao y en el cacao es el tetra etilo de plomo (TEP) aditivo en la gasolina, el cual es todavía común en muchos países africanos (Nriagu 1992; Nriagu et al. 1996). Por ejemplo, la gasolina en Nigeria contiene 0.4-0.8 g/L de plomo, la cual está entre las más altas del mundo (Ogunsola et al. 1994ª); aproximadamente 90% de la contaminación por plomo en Nigeria se deriva de la combustión de gasolina con plomo, con un total anual estimado de emisiones de aerosoles con plomo de 2800 toneladas métricas (Obioh et al. 1993). Estas emisiones se reflejan en la contaminación de polvos, plantas y alimentos en Nigeria (Ajayi y Kamson 1983; Ndiokwere 1984; Nriagu 1992; Odukoya y Ajayi 1987; Ogunsola et al. 1994b; Onianwa y Egunyomi 1983) y en elevadas concentraciones de plomo en la sangre señaladas en varios estudios de gente nigeriana (Ademuyiwa et al. 2002; Nriagu 1992; Nriagu et al. 1997; Omokhodion 1994). Esta continua contaminación de emisiones de gasolina con plomo es coherente con el reporte de Bahemuka y Mubofu (1999) que concentraciones de plomo de algunos alimentos cultivados en el continente africano todavía exceden los niveles permisibles de la OMS y de Organización de Alimentación y Agricultura de las Naciones Unidas de 5 ng/g.

Desgraciadamente, la contribución de diferentes plomos naturales e industriales en los granos de cacao, cacao, y productos de chocolate no ha sido resuelta. A lo mejor, en nuestro conocimiento no ha habido una revisión sistemática de las fuentes de plomo durante la fabricación de productos de chocolate desde la cosecha de los granos de cacao a los productos terminados. Un objetivo del presente estudio fue determinar la concentración y composición isotópica de plomo en los granos de cacao y en los suelos de las plantaciones de cacao de Nigeria para establecer la línea base de concentración de plomo de los granos y determinar la contribución relativa de plomo del suelo a esa concentración. Nuestro otro objetivo fue determinar la contribución de otras fuentes de plomo en productos de granos de cacao, cacao, y chocolates, usando de nuevo la concentración de plomo y análisis de composición de isotopos estables.

Materiales y Métodos

Muestra de colección y preparación. Nosotros colectamos granos de cacao y muestras de sedimentos en noviembre y diciembre de 2002 de seis plantaciones en los tres estados más grandes productores de cacao en Nigeria (Ondo, Osun, y Ogun), que fueron identificados de las estadísticas presentes en los reportes anuales del Banco Central de Nigeria (CBN 2002). Las muestras de suelo fueron colectadas a cuatro profundidades en el perfil del suelo: 0-10 cm, 0-20 cm, 35-50 cm, y 85-100 cm. De cada plantación, seis muestras separadas fueron tomadas del primer y tercer perfil, y tres muestras fueron tomadas de los otros perfiles. Las muestras de granos de cacao maduros se tomaron de cada plantación, así como una muestra de granos de cacao que había sido fermentada y secada en su cáscara, lista para exportarse.

Para crear muestras representativas para cada plantación nigeriana, hicimos compuestos para cada perfil del suelo, de ambos tipos de granos de cacao y de las cáscaras correspondientes a los granos de cacao recogidos. Este proceso proporcionó compuestos homogeneizados de al menos cuatro suelos, dos muestras de granos de cacao, y dos de cáscaras de granos de cacao por plantación para el análisis. Además de las muestras nigerianas, granos de cacao de otros

países y productos elaborados de chocolate incluyendo el cacao procesado fueron recogidos para su análisis.

Todo el procesamiento de las muestras fue conducido con técnicas de limpieza de trazas de metal (Scelfo y Flegal 2000) en cuartos de limpieza de trazas de metal con aire filtrado HEPA (clase 100). Las digestiones en aqua regia (3:1 HCl: HNO3) fueron conducidas usando reactivos de grado óptimo (Seastar Chemicals Inc, Sidney, British Columbia, Canada). Los procesales en blanco y materiales de referencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología [Standard Reference Material (SRM) 1547; NIST, Gaithersburg, MD, USA] y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (MESS-3; Ottawa, Ontario, Canadá) fueron asimilados simultáneamente con todas las muestras para evaluar la eficacia del método.

Análisis de contenido de plomo. Analizamos las concentraciones de plomo usando los mismos protocolos delimitados para los análisis previos de plomo en suplementos de calcio (Scelfo y Flegal 2000), con un elemento Finnegan espectrómetro de masa de plasma inductivamente acoplado de alta resolución de sector magnético (HR-ICPMS) (Thermo Electron Corporation, Waltham, MA). Las concentraciones de plomo se obtuvieron a partir de análisis instrumentales de los tres principales isótopos del plomo (206Pb, 207Pb, y 208Pb) y del bismuto (209Bi). La suma de las intensidades de los isótopos estables del plomo se normalizó al estándar interno del bismuto para corregir variaciones instrumentales en la sensibilidad. Las recuperaciones porcentuales de MESS-3 y SRM 1547 promediaron 94% y 98%, respectivamente.

Mediciones isotópicas. Además de las medidas de concentración hechas con la HR-ICPMS, hicimos medidas isotópicas preliminares desde un escaneado instrumental de todos los isótopos estables del plomo (204Pb, 206Pb, 207Pb, y 208Pb). Se encontraron correcciones de fraccionamiento de análisis simultáneos de SRM 981 (NIST; material de referencia estándar común del plomo). Correcciones para 204Pb/206Pb, 207Pb, y 208Pb/206Pb promediaron +0.006, +0.001, y +0.003, respectivamente.

Nosotros seguimos las medidas HR-ICPMS iniciales con medidas de espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) de muestras de alícuotas seleccionadas, usando un VG Sector 54-WARP TIMS (GV Instruments, Wythenshawe, Manchester, Inglaterra) y protocolos establecidos (Steding et al. 2000). Antes de estos análisis, las muestras fueron secadas y purificadas usando una resina de intercambio aniónico Dowex AG1-X8 (malla 50-100) (Bio –Rad Labs, Hercules, CA) y ácido hidrobrómico (Seastar) de alta pureza. Las muestras de suelo fueron pasadas a través de las columnas una vez, mientras que las otras muestras (cáscaras de granos de cacao, cacao procesado, y productos de chocolate) fueron pasados a través de las columnas una segunda vez para mejorar aún más su pureza y optimizar sus análisis de composición isotópica. Los eluidos se secaron y se cargaron en filamentos de renio con ácido fosfórico y con un potenciador de ionización de gel de silicona. Los espacios en blanco se determinaron con un pico 208Pb y fue < 0.1% de las muestras analizadas. Las correcciones de fraccionamiento se calcularon a partir de análisis simultáneos de SRM 981 usando la ley lineal, con un sesgo de masa con un promedio de corrección por unidad de masa atómica de 0.0011 ± 0.0002. La precisión de reproducibilidad para el NIST 981 fue de ± 0.020 para 206Pb/204Pb, ± 0.0005 para 206Pb/207Pb, y de ± 0.0009 para 208Pb/207Pb.

Resultados y Discusión

Como se muestra en la Tabla 1, las concentraciones de plomo en los granos de cacao oscilaron de < 0.103 a 1.78 ng/g, con una concentración media de 0.512 ng/g. Este promedio es comparable con las concentraciones de plomo más bajas reportadas en alimentos (Flegal et al. 1990; Tahvonen y Kumpulainen 1995). Por otra parte, ese promedio se considera que es conservadoramente alto porque usa el límite de detección (0.103 ng/g) para tres muestras con concentraciones de plomo por debajo de ese límite e incluye la relativamente alta concentración (orden de magnitud) de otra muestra (Kango Village Farm; muestra directamente tomada de la cáscara) que parece ha sido contaminada con las concentraciones de las otras 11 muestras. Por lo tanto, asumimos que el promedio de concentración de plomo en los granos de cacao de plantaciones nigerianas es <0.5 ng/g y bien puede ser < 0.1 ng/g.

Aunque el contenido de plomo de los granos de cacao es tan bajo o inferior a los de cientos de diferentes alimentos en los Estados Unidos y en otros lugares, las concentraciones de plomo del cacao elaborado están entre los más altos de todos los alimentos. Los valores, mostrados en la Tabla 2, son similares al valor independientemente determinado (280 ng/g) por el Servicio de Análisis de la Costa Oeste (WCAS; Santa Fe Springs, CA) para el cacao procesado (Northington J, personal de comunicación) y el rango de valores reportados (140-297 ng/g) por Mounicou et al. (2002). Más recientemente, Mounicou et al. (2003) reportó que las concentraciones de plomo en el cacao en polvo van desde 11 a 769 ng/g, con un promedio de 255 ng/g. Nuestra concentración media, 197 ng/g, cerca del 3% de la ISTP de un niño también se compara con las concentraciones más altas reportadas para cualquier alimento en Estados Unidos (máximo de camarones cocidos, 210 ng/g) TDS (FDA 2000). Del mismo modo, la concentración de plomo media para 23 productos de chocolate medidos por el WCAS, 32.5 ng/g, es indicativo de contaminación, y los valores individuales, que se muestran en la Tabla 3, son similares a la media reportada en el TDS de los Estados Unidos (27 ng/g) para una barra de leche de chocolate (U.S. FDA 2000). En particular, la concentración promedio de plomo de estos productos de chocolate es aproximadamente 60 veces más grande que la concentración media de plomo de los granos de cacao nigerianos. Una comparación de las concentraciones de plomo en el material de origen analizado y el producto terminado se muestran en la Figura 1.

Los posibles orígenes de contaminación por plomo tanto en el cacao elaborado y productos de chocolate se identifican por sus proporciones isotópicas de plomo, que también se muestran en las Tablas 2 y 3. La Figura 2 proporciona una comparación de las proporciones isotópicas de plomo para productos de chocolate y cacao elaborado con las proporciones de aerosoles industriales del mundo, recopiladas por Bollhofer y Rosman (2000, 2001, 2002). El terreno muestra que las composiciones isotópicas de todos los productos de chocolate coinciden con las de los aerosoles de plomo medidas por Bollhofer y Rosman (2000, 2001, 2002), pero las composiciones isotópicas del cacao elaborado y de productos de chocolate son variables. Por consiguiente, no hay una sola fuente identificable de contaminantes de plomo ya sea en cacao procesado o en productos de chocolate, lo cual es coherente con los reportes de diferencias geográficas de concentraciones de plomo del cacao en polvo (Mounicou et al. 2003).

Una de estas fuentes pueden ser las cáscaras de los granos de cacao, que han demostrado ser muy eficientes eliminando plomo de soluciones (Meunier et al. 2003a, 2003b, 2003c, 2004). Meunier et al. (2003a, 2003b) absorción de plomo ajenas por encima de cáscaras de granos de cacao de hasta 17000 ug/g, o aproximadamente 35 millones de veces más grande que nuestro elevado cálculo de la concentración media de plomo en granos de cacao. Estas cáscaras por lo tanto pueden ser consideradas como un excelente escudo protector contra la intromisión de plomo dentro del grano procedente de fuentes externas antes que los granos sean cosechados. Por otra parte, la eliminación de plomo resulta en un incremento en el pH (eliminación de protones) y la liberación de calcio, magnesio, potasio, y sodio de las cáscaras de cacao (Meunier et al. 2003c). La modificación del equilibrio iónico puede resultar en la trasferencia de plomo del grano a la cáscara, un proceso de descontaminación. Debido a su capacidad para secuestrar plomo, las cáscaras pueden convertirse en una fuente de contaminación después de que los granos sean cosechados.

Ese potencial es indicado por las altas concentraciones de plomo de las cáscaras de los granos de cacao listados en la Tabla 4. El promedio de nuestras mediciones de plomo en las cáscaras de granos de cacao (160 ng/g) son aproximadamente 320 veces mayores que los valores medios medidos en los granos de cacao nigeriano (Figura 1). La disparidad entre los niveles de plomo en los granos de cacao y cáscaras de cacao es consistente con la literatura sobre contaminación con plomo en alimentos, que han mostrado que la contaminación es la más grande en la superficie de las plantas que están sujetas al depósito directo de aerosoles industriales de plomo. Por ejemplo, hace dos décadas se determinó que las concentraciones de plomo de espinacas en los Estados Unidos eran elevadas en 30 veces a partir de un valor de referencia de 0.0015 μg/g a 0.045 μg/g por las deposiciones atmosféricas de plomo industrial, mientras que las concentraciones de plomo de maní fueron elevadas solo en 2 veces de un valor de referencia de 0.005 μg/g a 0.010 μg/g de contaminación atmosférica. (Flegal et al. 1900). Esta fuente potencial de contaminación se pone de manifiesto por la ausencia de un aumento mensurable en las concentraciones de plomo entre los granos muestreados directamente después de la eliminación de la cáscara de la planta y aquellos que habían sido fermentados en hojas de banano y plátano y secados al sol (Oke Osum Farm; directamente de la cáscara, 0.846 ng/g; fermentadas y secadas, 0.839 ng/g).

La presencia de contaminantes de plomo en las cáscaras de los granos de plantaciones de cacao se justifican por las concentraciones que observamos en los varios compuestos del perfil del suelo de este estudio (Tabla 5). El promedio de concentración de plomo fue de 14.2 μg/g, el cual es consistente con el estudio de Chukwuma (1997), quien reportó el valor de plomo más bajo medido en suelos nigerianos de 10 μg/g. Las proporciones de plomo isotópico de los perfiles de suelo, enumerados en la Tabla 6 y mostrados en la Figura 3, son variables, indicando que múltiples fuentes (por ejemplo, fuentes históricamente diferentes de TEP, pesticidas, fertilizantes, maquinaria) son responsables de la contaminación observada. Aunque el área isotópica abarcada por los perfiles del suelo coincide con las composiciones isotópicas del plomo de las cáscaras de cacao y puede ser una fuente de contaminación actual, tal como se muestra en la Figura 3, las similitudes en las composiciones isotópicas de las cáscaras de los granos de cacao son indicativo de una sola fuente predominante de contaminación por plomo en las plantaciones de cacao. En vista de los numerosos reportes publicados sobre la

predominancia de las emisiones de gasolina como una fuente de contaminación de plomo en Nigeria, esta fuente se atribuye al TEP, aunque no fue posible obtener muestras de gasolina nigeriana para un análisis de composición isotópica en los Estados Unidos para este estudio.

Como se muestra en la Figura 4, las proporciones isotópicas de plomo de las cáscaras de los granos de cacao se superponen a las del cacao elaborado y productos de chocolate. Debido a que los límites de la FDA para las cáscaras de granos de cacao comprenden un máximo de 1.75% en productos de chocolate terminados (Beckett 2002), las concentraciones de plomo observadas para las cáscaras de granos de cacao son demasiado bajas para considerarse por la contaminación observada en los productos terminados. Acoplando la capacidad discutida anteriormente de las cascaras de los granos de cacao de absorber plomo con su composición isotópica de plomo sugieren que una mayor contaminación de las cascaras de los granos de cacao durante las etapas de fermentación y secado en la plantación es una posible fuente de algún contaminante de plomo observado en los productos finalizados. Sin embargo, la mayor propagación de composiciones isotópicas de plomo para el cacao elaborado y los productos de chocolate indican otras fuentes de contaminación que ocurren después de las plantaciones de cacao. Otros estudios que investiguen el almacenamiento del grano y las fases intermedias de envío y procesamiento son necesarios para aislar la fuente predominante de plomo encontrada en los productos de cacao y chocolate.

En resumen, los productos de chocolate y cacao elaborado contienen niveles relativamente altos de contaminantes de plomo en comparación con el valor de referencia para los granos de cacao nigerianos usados para hacer esos productos. Los análisis de composición isotópica de los productos indican múltiples fuentes de contaminación de origen industrial, lo cual es coherente con la observación de que hay numerosas fuentes de contaminación por plomo durante la producción de cacao que todavía tienen que ser identificadas (COPAL 2004a, 2004b). Similares composiciones isotópicas de plomo en las cáscaras de los granos de cacao contaminadas de Nigeria, junto con la alta habilidad de las cáscaras de los granos de cacao para absorber plomo, sugieren que la contaminación durante el procesamiento de cacao en cada plantación puede ser responsable de parte de la contaminación en los productos de cacao; nosotros proponemos que el actual uso de gasolina con plomo en Nigeria contribuye a esa contaminación. Sin embargo, la baja concentración de plomo en los granos de cacao comparado con los del cacao elaborado y de productos de chocolate indica que la mayor contaminación por plomo en estos productos se produce después de que los granos son cosechados y secados, durante el envío de estos granos y/o la elaboración de cacao y productos de chocolate.

Figure 1. A comparison of average lead concentrations (ng/g) for analyzed cocoa beans, cocoa beans shells, chocolate products, and manufactured cocoa