Adsorption of Heavy Metal Ions by Chitosan in Food Systems: Experimental and Molecular-Structural Justification

Abstract

У статті представлені результати дослідження сорбційних властивостей хітозану щодо іонів важких металів Cu2+, Zn2+, Cd2+ та Pb2+ у водних моделях харчових систем. Проведено комплексні експериментальні дослідження за контрольованих умов pH 5,0 ± 0,1 та температури 25 °C протягом 120 хв із постійним перемішуванням. Залишкові концентрації іонів визначали спектрофотометрично, що дозволило оцінити ефективність сорбції та характер взаємодії хітозану з металевими катіонами. Найвищий ступінь вилучення спостерігався для Cu2+ (92 %) та Zn2+ (88 %), для Cd2+ та Pb2+ ефективність залишалася високою (80 % та 76 %), що підтверджує технологічну придатність хітозану для харчових продуктів. Молекулярно-структурне моделювання за допомогою VESTA дозволило візуалізувати координаційні взаємодії функціональних груп хітозану (–NH2 та –OH) із іонами металів з урахуванням просторового розділення: один іон на один структурний фрагмент. Аміногрупи формують локальні монодентатні та бідентатні центри для менших іонів середньої жорсткості Cu2+ і Zn2+, тоді як гідроксильні групи забезпечують поліцентрові сорбційні вузли для більших іонів більш м’якої природи Cd2+ і Pb2+. Поєднання –NH2 + –OH формує бідентатні та мультицентрові координаційні структури для Zn2+ та поліцентове зв’язування Pb2+ між сусідніми ланцюгами хітозану. Поєднання експериментальних даних і моделювання дозволило розробити технологічні сценарії інтеграції хітозану у харчові системи: у безалкогольних напоях та соках – на етапі підготовки води або модельних рідин; у концентратах та сиропах – після екстракції або на стадії концентрування; у ферментованих продуктах – до або після ферментації; у функціональних продуктах – безпосередньо у рецептуру. Запропоновані підходи забезпечують контроль рівня важких металів, зниження їхньої біодоступності та підвищення безпеки харчових продуктів. Перспективи подальших досліджень включають розширення спектра сорбованих іонів, оптимізацію умов застосування у складних харчових матрицях, оцінку впливу хітозану на органолептичні властивості продуктів та розробку модифікованих або композитних форм хітозану для підвищення селективності й сорбційної ємності.