Validation of the square wave anodic stripping voltammetry methodology for cadmium quantification in Theobroma cacao L. beans

Abstract

Cadmium is toxic to humans. It accumulates in the body, causing kidney, lung, and bone damage. The new European Union (EU) regulation No 488/2014 on maximum cadmium levels in different types of chocolate and cocoa powder entered into force in January 2019. Its main aim is to address high levels of food safety in these foodstuffs. Therefore, cadmium quantification in cocoa beans has become a need for producers. They must guarantee consistently high-quality products and, at the same time, compliant with the maximum levels of Cd2+ that oscillate between 0.1 and 0.8 mg kg−1 for the different types of chocolate and 0.6 mg kg−1 in cocoa powder. Considering the previous facts, this study presents the development and validation of a reliable electroanalytical method for Cd2+ determination in cocoa by Square Wave Anodic Stripping Voltammetry (SWASV) with bismuth film on glassy carbon electrodes as working electrodes (BiFE). The study was carried out in conjunction with the Instituto Nacional de Metrología de Colombia (INM) under the “Plan de Fortalecimiento” project. The first step of the study was the characterization of the bismuth reduction process on glassy carbon using Cyclic Voltammetry, Chronoamperometry, and Electrochemical Impedance Spectroscopy. The bismuth film deposited over a working glassy carbon electrode showed an increment of the electrode area and the heterogeneous charge transfer rate constant value. These improvements help us to understand the enhancement in the voltammetric signal of cadmium obtained by anodic stripping voltammetry, validating the selection of this modified working electrode in the present investigation. On the other hand, combining the internal standard in situ calibration with the single-point standard addition method is proposed as a useful and faster alternative to the traditional multi-point calibration method. The performance parameters of the developed method, precision, and trueness were tested for cadmium quantification in a reference material NIST 3108 in solution. Levels of RSD = 6.77 % and bias = 5.16 % were achieved, showing the capability of the electrochemical method to provide accurate results for determinations in standard solutions. The developed methodology achieves detection and quantification levels suitable for the quantification of Cd2+ in cocoa, limit of detection (LOD) 0.45 µg kg−1 , and limit of quantification (LOQ) 1.60 µg kg−1 . Additionally, the square wave anodic stripping voltammetry optimal experimental conditions obtained by the simplex method were founded to be: pH 4.3, deposition potential (Ed) -1.2 V vs. Ag/AgCl, and deposition time (td) 198 s. Moreover, the acid microwaveassisted digestion of cocoa powder was selected as the most appropriate in terms of repeatability (RSD = 22 % ) and trueness (recoveryaverage = 92 %) for cadmium determination in a synthetic cocoa matrix. We also have found that the high concentrations of copper in cocoa interfere with cadmium quantification by SWASV with BiFE. Two procedures, one including the use of the chelating resin Chelex 100 by the batch method and the other one employing the electroseparation by constant potential electrolysis, were found suitable for the selective removal of copper from the digested extract in a reference material of cocoa powder and allowed the determination of Cd2+. With this investigation, the INM, as a research center, has developed an electrochemical method to quantify cadmium that meets the requirements for intra-laboratory validation in standard solution and synthetic cocoa matrix. Additional studies will improve the performance of the proposed method in real cocoa samples and allow further research in portable systems for field studies.

El cadmio posee una alta toxicidad para el ser humano al ser bioacumulado y causar daños en órganos internos, como el riñon, pulmones y huesos. En enero de 2019 entró en vigor el nuevo reglamento de la Unión Europea (UE) N.º 488/2014 sobre niveles máximos de cadmio en diferentes tipos de chocolate y cacao en polvo. Su objetivo principal es regular los altos niveles de seguridad alimentaria en estos productos alimenticios. Por lo tanto, la cuantificación de cadmio en granos de cacao se ha convertido en una necesidad para los productores. Ellos deben garantizar productos de alta y constante calidad, que cumplan con los niveles máximos de Cd2+ que oscilan entre 0,1 y 0,8 mg kg−1 para los diferentes tipos de chocolate y 0,6 mg kg−1 en cacao en polvo. Teniendo en cuenta lo anterior, este estudio presenta el desarrollo y validación de un método electroanalítico confiable para la determinación de Cd2+ en cacao mediante voltamperometría de redisolución anódica de onda cuadrada (SWASV) con electrodos de película de bismuto sobre carbono vítreo (BiFE) como electrodos de trabajo. El estudio se realizó en conjunto con el Instituto Nacional de Metrología de Colombia (INM) en el marco del proyecto “Plan de Fortalecimiento”. Así, en primer lugar, la voltamperometría cíclica, cronoamperometría y espectroscopía de impedancia electroquímica fueron utilizadas para caracterizar el proceso de reducción de bismuto sobre un electrodo de trabajo de carbono vítreo. Dicho estudio demostró que la película de bismuto aumenta el área del electrodo y la constante de transferencia de carga heterogénea. Estas mejoras nos ayudan a comprender el incremento en la señal voltamperométrica del cadmio obtenida por voltamperometría de redisolución anódica, validando la selección de este electrodo de trabajo modificado para la cuantificación de cadmio. Por otra parte, hemos desarrollado un método de cuantificación de cadmio combinando la calibración con estándar interno in situ y el método de adición de estándar de un solo punto. El método desarrollado es una alternativa útil y más rápida respecto de los métodos tradicionales de calibración multipunto. Los parámetros del método desarrollado, rendimiento, precisión y veracidad, se evaluaron para la cuantificación de cadmio en un material de referencia NIST 3108 en solución. Así, se lograron niveles de RSD = 6,77 % y sesgo = 5,16 %, lo que demuestra la capacidad del método electroquímico para proporcionar resultados precisos y veraces para determinaciones de cadmio en soluciones estándar. La metodología desarrollada logró niveles de detección y cuantificación adecuados para la cuantificación de cadmio, límite de detección (LOD) 0,45 µg kg−1 , y límite de cuantofocación (LOQ) 1,63 µg kg−1 ). Además, se optimizó la cuantificación del cadmio mediante SWASV, usando el método simplex, obteniendo como las mejores condiciones: pH = 4,3, potencial de reducción (Ed) -1,2 V vs. Ag/AgCl y tiempo de reducción (td) 198 s. También, se encontró que la digestión ácida asistida por microondas fue el procedimiento más apropiado en términos de repetibilidad (RSD = 22 % ) y veracidad (Porcentaje de recuperación = 92 %) para la determinación de cadmio en una matriz sintética de cacao. Finalmente, se halló que las altas concentraciones de cobre presente en el cacao son la principal interferencia para la cuantificación de cadmio por SWASV con BiFE. Dos procedimientos, uno que incluye el uso de la resina quelante Chelex 100 por el método discontinuo (batch) y el otro que emplea la electroseparación por electrólisis a potencial constante, resultaron adecuados para la eliminación selectiva de cobre del extracto digerido de un material de referencia de cacao en polvo, con lo cual se logró la determinación del Cd2+ en el mencionado material de referencia de cacao en polvo. Con esta investigación, el INM, como centro de investigación, ha logrado desarrollar un método electroquímico para la cuantificación de cadmio que cumple con los requisitos para la validación intra-laboratorio en solución patrón y en matriz sintética de cacao. Se espera que estudios posteriores mejoren el método propuesto y lo hagan aplicable a muestras reales de cacao, así como su extrapólación a sistemas portátiles que permitan medir el cadmio durectamente en los campos en donde se cultiva el cacao. (Texto tomado de la fuente).