Cite this article as:

Бойко И. С., Подколодная О. А., Лысачок С. Г., Шмаков С. Л. Viscous Degradation of Acidic Chitosan Solutions and its Ionic Probe Study. Izvestiya of Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology, 2015, vol. 15, iss. 4, pp. 21-30. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2015-15-4-21-30


Heading: 
UDC: 
541.1
Language: 
Russian

Viscous Degradation of Acidic Chitosan Solutions and its Ionic Probe Study

Abstract

A review of the literature on the phenomenon of aging (a significant drop in viscosity over time) of acidic chitosan solutions is given. A study was made on acetic acid (2%) solutions of chitosan of two viscosity-average molecular weights (200 and 46 kDa) by ion probing (addition of a KI solution). It has been indirectly confirmed that the motion of the probing ions in an electric field disturbs part (about a quarter) of the average macromolecule rather than the whole one. Our study on 46 kDa chitosan has shown that, although the limiting electrical conductivity decreases over time at all polymer concentrations, the intrinsic microviscosity remains approximately constant. This indicates no degradation of macromolecules, so the aging of acidic chitosan solutions is due to some other causes.

References

1. Хитин и хитозан : Получение, свойства, применение / под ред. К. Г. Скрябина, Г. А. Вихоевой, В. П. Варламова. М. : Наука, 2002. 368 с.

2. Миронов А. В., Вихорева Г. А., Кильдеева Н. Р., Успенский С. А. Причины нестабильности вязкостных свойств уксуснокислых растворов хитозана // Высокомолек. cоед. 2007. Т. 49Б, № 1. С. 136–138.

3. Moorjani M. N., Khasim I., Rajalakshmi S., Puttarajappa P., Amla B. L. Chitosan of High Viscosity and Protein as a Valuable By-Product from Squilla // Proc. First Intern. Conf. on Chitin / Chitosan. MIT Sea Grant Program : Cambridge, MA, 1978. P. 210.

4. Рогожин С. В., Гамзазаде А. И., Членов М. А., Лео- нова Е. Ю., Скляр А. М., Дотдаев С. Х. Частичный кислотный гидролиз хитозана // Высокомолек. cоед. 1988. Т. 30A, № 3. С. 610–616.

5. Vårum K. M., Ottøy M. H., Smidsrød O. Acid Hydrolysis of Chitosans // Carbohydrate Polymers. 2001. Vol. 46. P. 89–98.

6. Ильина А. В., Варламов В. П. Гидролиз хитозана в молочной кислоте // Прикладная биохимия и микробиология. 2004. Т. 40, № 3. С. 354–358.

7. Holme H. K., Davidsen L., Kristiansen A., Smidsrød O. Kinetics and Mechanisms of Depolymerization of Alginate and Chitosan in Aqueous Solution // Carbohydrate Polymers. 2008. Vol. 73. P. 656–664.

8. Kasaai M. R., Arul J., Charlet G. Fragmentation of Chitosan by Acids // The Scientifi c World Journal. 2013. Article ID 508540. 11 p. DOI: 10.1155/508540.

9. Гамзазаде А. И., Скляр А. М., Павлова С. А., Ро- гожин С. В. О вязкостных свойствах растворов хитозана // Высокомолек. соед. 1981. Т. 23A, № 3. С. 594–597.

10. Скляр А. М., Гамзазаде А. И., Роговина Л. З., Титкова Л. В., Давлова С. А., Рогожин С. В. Исследование реологических свойств разбавленных и умеренно концентрированных растворов хитозана // Высокомолек. cоед. 1981. Т. 23A, № 6. С. 1396–1403.

11. Chen R. H., Chen W. Y., Wang S. T., Hsu C. H., Tsai M. L. Changes in the Mark–Houwink hydrodynamic volume of chitosan molecues in solution of different organic acids, at different temperatures and ionic strengths // Carbohydrate Polymers. 2009. Vol. 78. P. 902–907.

12. Вихорева Г. А., Роговина С. З., Пчёлко О. М., Галь- брайх Л .С. Фазовое состояние и реологические свойства системы хитозан–уксусная кислота–вода // Высокомолек. cоед. 2001. Т. 43Б, № 6. С. 1079–1084.

13. Нудьга Л. А., Петрова В. А., Бочек A. M., Каллис- тов О. В., Петрова С. Ф., Петропавловский Г. А. Молекулярные и надмолекулярные превращения в растворах хитозана и аллилхитозана // Высокомолек. соед. 1997. Т. 39Б, № 7. С. 1232–1236.

14. Jocić D., Juliá M. R., Erra P. The Time Dependence of Chitosan / Nonionic Surfactant Solution Viscosity // Colloid Polym. Sci. 1996. Vol. 274, № 4. P. 375–383.

15. Шиповская А. Б., Фомина В. И., Солонина Н. А., Казмичёва О. Ф., Козлов В. А., Тимофеева Г. Н. Особенности структурообразования в растворах хитозана // Структура и динамика молекулярных систем : сб. науч. тр. Йошкар-Ола : Изд-во МарГТУ, 2001. Вып. VIII, ч. 2. С. 147–151.

16. Sorlier P., Viton C., Domard A. Relation between Solution Properties and Degree of Acetylation of Chitosan : Role of Aging // Biomacromolecules. 2002. Vol. 3, № 6. P. 1336–1342.

17. Chattopadhyay D. P., Inamdar M. S. Aqueous Behaviour of Chitosan // Intern. J. Polym. Sci. 2010. Article ID 939536. 7 p. DOI: 10.1155/2010/939536

18. Holme H. K., Foros H., Pettersen H., Dornish M., Smidsrød O. Thermal Depolymerization of Chitosan Chloride // Carbohydrate Polymers. 2001. Vol. 46. P. 287–294.

19. Chen R. H., Chang J. R., Shyur J. S. Effects of Ultrasonic Conditions and Storage in Acidic Solutions on Changes in Molecular Weight and Polydispersity of Treated Chitosan // Carbohydrate Research. 1997. Vol. 299. P. 287–294.

20. Федосеева Е. Н., Алексеева М. Ф., Смирнова Л. А. Механические свойства плёнок хитозана различной молекулярной массы // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н. И. Лобачевского. 2008. № 5. С. 58–62.

21. Федосеева Е. Н., Сёмчиков Ю. Д., Смирнова Л. А. Деструкция хитозана в растворах под действием окислительно-восстановительной системы // Высоко- молек. cоед. 2006. Т. 48Б, № 10. С. 1930–1935.

22. Козырева Е. В., Абрамов А. Ю., Шиповская А. Б. Особенности физико-химических свойств растворов хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2011. Т. 11, вып. 2. С. 25–31.

23. Kampf N., Wachtel E. J., Zilman A., Klein J., Ben-Shalom N. Dynamical and Physical Changes of Chitosan Solutions during Storage // Bull. Amer. Phys. Soc. Los Angeles, 2005. URL: http://meetings.aps.org/link/ BAPS.2005.MAR.V31.11.

24. Wang W., Wang L., Qin W. Dilute Solution Behavior of Chitosan in Different Acid Solvents // Chinese J. Polym. Sci. 1994. Vol. 12, No 1. P. 87–90.

25. El-Hefi an E. A., Khan R. A., Yahaya A. H. Study of the Parameters Affecting the Viscosity of Chitosan Solutions // J. Chem. Soc. Pak. 2008. Vol. 30, № 4. P. 529–531.

26. Nguyen T. T. B., Hein S., Ng C. -H., Stevens W. F. Molecular Stability of Chitosan in Acid Solutions Stored at Various Conditions // J. Appl. Polym. Sci. 2008. Vol. 107. P. 2588–2593.

27. Belamie E., Domard A., Giraud-Guille M.-M. Study of the Solid-State Hydrolysis of Chitosan in Presence of HCl // J. Polym. Sci. Part A : Polymer Chemistry. 1997. Vol. 35. P. 3181–3191.

28. Czechowska-Biskup R., Wojtasz-Pając A., Sikorski J., Henke A., Ulanski P., Rosiak J. M. Aqueous Solutions of Hydrochloric Acid as Simple Solvents of Chitosan for Viscosity- and Light-Scattering-Based Molecular Weight Determination // Polish Chitin Society. 2007. Monograph XII. P. 87–94.

29. Morris G. A., Castile J., Smith A., Adams G. G., Harding S. E. The Kinetics of Chitosan Depolymerisation at Different Temperatures // Polymer Degradation and Stability. 2009. Vol. 94. P. 1344–1348.

30. Morris G. A., Castile J., Smith A., Adams G. G., Harding S. E. Macromolecular Conformation of Chitosan in Dilute Solution : a New Global Hydrodynamic Approach // Carbohydrate Polymers. 2009. Vol. 76. P. 616–621.

31. Jun H. K., Kim J. S., Meyers S. P. Chitosan as a Coagulant for Recovery of Proteinaceous Solids from Tofu Wastewater // J. Agric. Food Chem. 1994. Vol. 42, № 8. P. 1834–1838.

32. No H. K., Kim S. H., Lee S. J., Park N. Y., Prinyawiwatkul W. Stability and Antibacterial Activity of Chitosan Solutions Affected by Storage Temperature and Time // Carbohydrate Polymers. 2006. Vol. 65. P. 174–178.

33. Cho Y. I., No H. K., Meyers S. P. Physicochemical Characteristics and Functional Properties of Various Commercial Chitin and Chitosan Products // J. Agric. Food Chem. 1998. Vol. 46, № 9. P. 3839–3843.

34. Шиповская А. Б., Фомина В. И., Киреев М. Н., Каза- кова Е. С., Касьян И. А. Биологическая активность олигомеров хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8, вып. 2. С. 46–49

35. Бобрешова О. В., Бобылкина О. В., Кулинцов П. И., Бо- бринская Г. А., Варламов В. П., Немцев С. В. Электро- проводность водных растворов низкомолекулярного хитозана // Электрохимия. 2004. Т. 40, № 7. С. 793–797.

36. Способ получения хитозана : пат. 1760749 Рос. Фе- дерация / Ениколопов Н. С., Гальбах Л. С., Рогови- на С. З., Вихорева Г. А., Акопова Т. А., Сахонен- ко Л. С., Зеленецкий С. Н.; заявл. 4774976/05, 28.12.1989; опубл. 23.07.93.

37. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Химия, 1971. 456 с.

38. Эрдеи-Груз Т. Явления переноса в водных растворах / пер. с англ. М. : Мир, 1976. 595 с.

Short text (in English): 
Full text (in Russian):