izvkgtuИзвестия КГТУKSTU News1997-3071Калининградский государственный технический университет10.46845/1997-3071-2026-82-66-79izvkgtu-220Research ArticleТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВPROCESSES AND TECHNOLOGY OF FOOD MANUFACTURINGПодбор рациональных параметров экстракции полисахаридов водорослей с использованием ферментативного гидролизаSelection of rational parameters for the extraction of algae polysaccharides using enzymatic hydrolysishttps://orcid.org/0000-0003-4107-7277УльрихЕ. В.UlrikhE. V.

Елена Викторовна Ульрих – доктор технических наук, доцент

Калининград

 

Elena V. Ul'rikh – Doctor of Engineering, Associate Professor

Kaliningrad

elen.ulrich@mail.ruКалининградский государственный технический университетРоссияKaliningrad State Technical UniversityRussian Federation2026050820261826682Copyright © Ульрих Е.В., 20262026Ульрих Е.В.Ulrikh E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.klgtu.ru/jour/article/view/220

В последние годы растет интерес к разработке новых полимерных, нетоксичных, биоразлагаемых, извлекаемых из возобновляемых ресурсов материалов, таких как целлюлоза. Целью данной работы являлся подбор рациональных параметров экстракции полисахаридов водорослей (в том числе целлюлозы) с использованием ферментативного гидролиза. Экстракцию полисахаридов из биомассы водорослей проводили с использованием разбавленных минеральных кислот, щелочи и воды. Для гидролиза талломы водорослей разделяли на части, измельчали на куски разных размеров (5–10 см) и высушивание в течение 15 ч в печи при 105–106 °С для облегчения тонкого помола. Высушенную биомассу измельчали до частиц размерами 0,1; 1,0; 5,0 и 10,0 см. Эффективной явилась твердая загрузка с массовой долей 10 %. При проведении гидролиза использовался ферментный препарат «Целлюлаза ультра» для расщепления ксиланов и других некрахмальных полисахаридов. Для определения сахаров применяли спектрофотометрический метод, основанный на взаимодействии сахаров с антроновым реактивом. Содержание полисахаридов в экстрактах, выделенных при 100 °С, варьировало от 0,77±0,09 г для красных водорослей до 1,31±0,14 г для бурых водорослей в зависимости от продолжительности экстракции. Установлено, что рациональными параметрами проведения ферментативной экстракции целлюлозы являются степень измельчения образца 0,1–0,5 см, температурный диапазон 180–200 °С, давление 1,0–1,5 Мпа. Подобранные условия позволяют выделить волокна от светло-бежевого до коричневатого цвета без обугливания. Полученные данные о ферментативном гидролизе водорослей с целью разложения целлюлозы свидетельствуют о том, что эффективность этого процесса и состав изготовленных продуктов в существенной степени зависят от особенностей структуры сырья, сбалансированности и активности целлюлазного комплекса ферментов, а также от применяемых методов гидролиза.

In recent years, there has been a growing interest in the development of new polymeric, non-toxic, biodegradable materials extracted from renewable resources, such as cellulose. The aim of this work is selection of rational parameters for the extraction of algal polysaccharides (including cellulose) using enzymatic hydrolysis. Extraction of polysaccharides from algal biomass has been carried out using dilute mineral acids, alkali and water. For hydrolysis, algae thalli have been divided into parts and crushed into pieces of different sizes (5–10 cm) and dried for 15 hours in an oven at 105–106 °C to facilitate fine grinding. The dried biomass has been crushed to particle sizes of 0.1; 1.0; 5.0 and 10.0 cm. A solid load with a mass fraction of 10% is effective. The hydrolysis has been performed using the enzyme «Cellulase Ultra», which is an enzymatic preparation for the breakdown of xylans and other non-starch polysaccharides. A spectrophotometric method based on the interaction of sugars with an anthrone reagent has been used to determine sugars. The polysaccharide content in extracts isolated at 100 °C ranged from 0.77±0.09 g for red algae to 1.31±0.14 g for brown algae, depending on the extraction duration. It has been established that the following rational parameters for the enzymatic extraction of cellulose are: a sample fineness of 0.1–  0.5 cm, a temperature range of 180–200 °C, and a pressure of 1.0–1.5 MPa. The selected conditions allow for the extraction of fibers ranging from light beige to brownish in color without charring. The data obtained on the enzymatic hydrolysis of algae for the decomposition of cellulose indicate that the efficiency of this process and the composition of the resulting products depend significantly on the structural properties of the raw material, the balance and activity of the cellulase enzyme complex, and the hydrolysis methods used.

полисахаридыэкстракцияферментативный гидролизцеллюлозаводорослиpolysaccharidesextractionenzymatic hydrolysiscellulosealgaeРабота выполнена в соответствии с утвержденным планом тематик научных исследований ФГБОУ ВО «КГТУ», осуществляемых за счет средств федерального бюджета (бюджетный цикл 2025-2027, регистрационный но-мер карты ЕГИСУ НИОКТР 1124072300009-1 от 23.07.2024 г.), соглашением о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (выполнение работ).The work was carried out in accordance with the approved plan of research topics of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «KSTU», carried out at the expense of the federal budget (budget cycle 2025–2027, registration number of the EGISU R&D card 1124072300009-1 dated 07/23/2024), an agreement on the provision of a subsidy from the federal budget for financial support for the implementation of a state assignment for the provision of public services (performance of work).ReferencesProjection of Changes in Coastal Water Temperature of the Baltic Sea up to 2100 / M. Ptak, M. Sojka, S. Haddout, T. Amnuaylojaroen. – DOI: 10.3390/forecast8010012 // Forecasting. – 2026. – № 8 (1). – Р. 12.Projection of Changes in Coastal Water Temperature of the Baltic Sea up to 2100 / M. Ptak, M. Sojka, S. Haddout, T. Amnuaylojaroen. – DOI: 10.3390/forecast8010012 // Forecasting. – 2026. – № 8 (1). – Р. 12.Baltic Sea coastal sediment-bound eukaryotes have increased year-round activities under predicted climate change related warming / S. Li, E. Nilsson, L. Seidel [et al.]. – DOI: 10.3389/fmicb.2024.1369102 // Front Microbiol. – 2024. – № 15. – Р. 1369102.Baltic Sea coastal sediment-bound eukaryotes have increased year-round activities under predicted climate change related warming / S. Li, E. Nilsson, L. Seidel [et al.]. – DOI: 10.3389/fmicb.2024.1369102 // Front Microbiol. – 2024. – № 15. – Р. 1369102.Marinho, E. Cellulose: A comprehensive review of its properties and applications / E. Marinho. – DOI: 10.1016/j.scenv.2025.100283 // Sustainable Chemistry for the Environment. – 2025. – № 11. – Р. 100283.Marinho, E. Cellulose: A comprehensive review of its properties and applications / E. Marinho. – DOI: 10.1016/j.scenv.2025.100283 // Sustainable Chemistry for the Environment. – 2025. – № 11. – Р. 100283.Biodegradable Polymers: Properties, Applications, and Environmental Impact / R. Dallaev, N. Papež, M. M. Allaham [et al.]. – DOI: 10.3390/polym17141981 // Polymers (Basel). – 2025. – № 17 (14). – Р. 1981.Biodegradable Polymers: Properties, Applications, and Environmental Impact / R. Dallaev, N. Papež, M. M. Allaham [et al.]. – DOI: 10.3390/polym17141981 // Polymers (Basel). – 2025. – № 17 (14). – Р. 1981.Sayam, S. Natural fibers in sustainable materials: extraction technologies, fiber modification, and performance–sustainability relationships / S. Sayam. – DOI: 10.1039/d5ra09029f // RSC Adv. – 2026. – № 16. – Р. 10495–10537.Sayam, S. Natural fibers in sustainable materials: extraction technologies, fiber modification, and performance–sustainability relationships / S. Sayam. – DOI: 10.1039/d5ra09029f // RSC Adv. – 2026. – № 16. – Р. 10495–10537.Algal cellulose, production and potential use in plastics: Challenges and opportunities / E. Zanchetta, E. Damergi, B. Patel [et al.]. – DOI: 10.1016/j.algal.2021.102288 // Algal Research. – 2021. – № 56. – Р. 102288.Algal cellulose, production and potential use in plastics: Challenges and opportunities / E. Zanchetta, E. Damergi, B. Patel [et al.]. – DOI: 10.1016/j.algal.2021.102288 // Algal Research. – 2021. – № 56. – Р. 102288.Adawiyah, R. Preparation and characterization of microcrystalline cellulose from lembang (Typha angustifolia L.) / R. Adawiyah, V. Suryanti, I. Pranoto. – DOI: 10.1088/1742-6596/2190/1/012007 // J. Phys.: Conf. Ser. – 2022. – № 2190 (1). – P. 012007.Adawiyah, R. Preparation and characterization of microcrystalline cellulose from lembang (Typha angustifolia L.) / R. Adawiyah, V. Suryanti, I. Pranoto. – DOI: 10.1088/1742-6596/2190/1/012007 // J. Phys.: Conf. Ser. – 2022. – № 2190 (1). – P. 012007.Beyzi, S. B. Chemical, fermentative, nutritive and anti-nutritive composition of common reed (Phragmites australis) plant and silage / S. B. Beyzi, I. Ülger, Y. Konca. – DOI: 10.1007/s12649-022-01903-w // Waste and Biomass Valorization. – 2023. – № 14. – Р. 927–936.Beyzi, S. B. Chemical, fermentative, nutritive and anti-nutritive composition of common reed (Phragmites australis) plant and silage / S. B. Beyzi, I. Ülger, Y. Konca. – DOI: 10.1007/s12649-022-01903-w // Waste and Biomass Valorization. – 2023. – № 14. – Р. 927–936.Lai, W.-F. Biodegradable polymer films incorporating aggregation-induced emission luminogens for smart food packaging / W.-F. Lai. – DOI: 10.1039/D5FB00636H // Sustainable Food Technol. – 2026. – № 4. – Р. 1211–1224.Lai, W.-F. Biodegradable polymer films incorporating aggregation-induced emission luminogens for smart food packaging / W.-F. Lai. – DOI: 10.1039/D5FB00636H // Sustainable Food Technol. – 2026. – № 4. – Р. 1211–1224.Şomoghi, R. An Overview of Bio-Based Polymers with Potential for Food Packaging Applications / R. Şomoghi, S. Mihai, F. Oancea. – DOI: 10.3390/polym17172335 // Polymers. – 2025. – № 17 (17). – Р. 2335.Şomoghi, R. An Overview of Bio-Based Polymers with Potential for Food Packaging Applications / R. Şomoghi, S. Mihai, F. Oancea. – DOI: 10.3390/polym17172335 // Polymers. – 2025. – № 17 (17). – Р. 2335.Hydrothermal liquefaction of Miscanthus × Giganteus: Preparation of the ideal feedstock / E. Lappa, P. S. Christensen, M. Klemmer [et al.]. – DOI: 10.1016/j.biom-bioe.2016.02.008 // Biomass and Bioenergy. – 2016. – № 87. – Р. 17–25.Hydrothermal liquefaction of Miscanthus × Giganteus: Preparation of the ideal feedstock / E. Lappa, P. S. Christensen, M. Klemmer [et al.]. – DOI: 10.1016/j.biom-bioe.2016.02.008 // Biomass and Bioenergy. – 2016. – № 87. – Р. 17–25.Zhao, C. Mixed culture of recombinant Trichoderma reesei and Aspergillus niger for cellulase production to increase the cellulose degrading capability / C. Zhao, L. Deng, H. Fang. – DOI: 10.1016/j.biombioe.2018.03.001 // Biomass and Bioenergy. – 2018. – № 112. – P. 93–98.Zhao, C. Mixed culture of recombinant Trichoderma reesei and Aspergillus niger for cellulase production to increase the cellulose degrading capability / C. Zhao, L. Deng, H. Fang. – DOI: 10.1016/j.biombioe.2018.03.001 // Biomass and Bioenergy. – 2018. – № 112. – P. 93–98.Influence of Enzymatic Hydrolysis on Composition and Technological Properties of Black Currant (Ribes nigrum) Pomace / A. Kairė, J. Jagelavičiūtė, L. Bašinskienė [et al.]. – DOI: 10.3390/app15116207 // Applied Sciences. – 2025. – № 15 (11). – Р. 6207.Influence of Enzymatic Hydrolysis on Composition and Technological Properties of Black Currant (Ribes nigrum) Pomace / A. Kairė, J. Jagelavičiūtė, L. Bašinskienė [et al.]. – DOI: 10.3390/app15116207 // Applied Sciences. – 2025. – № 15 (11). – Р. 6207.Enzymatic hydrolysis and microbial fermentation: The most favorable bio-technological methods for the release of bioactive peptides / D. E. Cruz-Casas, C. N. Aguilar, J.A. Ascacio-Valdés [et al.]. – DOI: 10.1016/j.fochms.2021.100047 // Food Chem (Oxf). – 2021. – № 3. – Р. 100047.Enzymatic hydrolysis and microbial fermentation: The most favorable biotechnological methods for the release of bioactive peptides / D. E. Cruz-Casas, C. N. Aguilar, J.A. Ascacio-Valdés [et al.]. – DOI: 10.1016/j.fochms.2021.100047 // Food Chem (Oxf). – 2021. – № 3. – Р. 100047.Advancing Sustainable Production of High-Performance Cellulose Pulps / M. G. Morán-Aguilar, I. Costa-Trigo, G. A. Bastida [et al.]. – DOI: 10.3390/ma18214968 // Materials. – 2025. – № 18 (21). – Р. 4968.Advancing Sustainable Production of High-Performance Cellulose Pulps / M. G. Morán-Aguilar, I. Costa-Trigo, G. A. Bastida [et al.]. – DOI: 10.3390/ma18214968 // Materials. – 2025. – № 18 (21). – Р. 4968.Yazdi, E. J. Pretreatment and enzymatic hydrolysis of tertiary cellulose for glucose production / E. J. Yazdi, G.-J. W. Euverink, J. Yue. – DOI: 10.1016/j.indcrop.2025.122144 // Industrial Crops and Products. – 2025. – № 237. – Р. 122144.Yazdi, E. J. Pretreatment and enzymatic hydrolysis of tertiary cellulose for glucose production / E. J. Yazdi, G.-J. W. Euverink, J. Yue. – DOI: 10.1016/j.indcrop.2025.122144 // Industrial Crops and Products. – 2025. – № 237. – Р. 122144.Cellulases: key properties, natural sources, and industrial applications / A. V. Zadorozhny, N. M. Slynko, S. V. Bannikova [et al.]. – DOI: 10.18699/vjgb-25-141 // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. – 2025. – № 25 (8). – Р. 1348–1360.Cellulases: key properties, natural sources, and industrial applications / A. V. Zadorozhny, N. M. Slynko, S. V. Bannikova [et al.]. – DOI: 10.18699/vjgb-25-141 // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2025. – № 25 (8). – Р. 1348–1360.Isolation of cellulolytic bacteria from the intestine of Diatraea saccharalis larvae and evaluation of their capacity to degrade sugarcane biomass / K. I. Dantur, R. Enrique, B. Welin [et al.]. – DOI: 10.1186/s13568-015-0101-z // AMB Express. – 2015. – № 25 (5). – P. 15.Isolation of cellulolytic bacteria from the intestine of Diatraea saccharalis larvae and evaluation of their capacity to degrade sugarcane biomass / K. I. Dantur, R. Enrique, B. Welin [et al.]. – DOI: 10.1186/s13568-015-0101-z // AMB Express. – 2015. – № 25 (5). – P. 15.Рабинович, М. Л. Целлюлазы микроорганизмов / М. Л. Рабинович, М. С. Мельник, А. В. Болобова // Прикладная биохимия и микробиология. – 2002. – Т. 38. – № 4. – С. 355–373.Rabinovich, M. L. Cellulases of microorganisms / M. L. Rabinovich, M. S. Melnik, A. V. Bolobova // Applied biochemistry and microbiology. – 2002. – Vol. 38. – № 4. – P. 355–373.Ферментативный гидролиз целлюлозы смесями мутантных форм целлюлаз Penicillium verruculosum / А. С. Доценко, А. В. Гусаков, А. М. Рожкова [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. – 2018. – № 2. – Текст: электронный. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fermentativnyy-gidroliz-tsellyulozy-smesyami-mutantnyh-form-tsellyulaz-penicillium-verruculosum (дата обращения: 02.05.2026).Enzymatic hydrolysis of cellulose with mixtures of mutant forms of Penicillium verruculosum cellulases / A. S. Dotsenko, A. V. Gusakov, A. M. Rozhkova [et al.] // Bulletin of Moscow University. Series 2: Chemistry. – 2018. – № 2. – Text: electronic. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fermentativnyy-gidroliz-tsellyulozy-smesyami-mutantnyh-form-tsellyulaz-penicillium-verruculosum (accessed on 02.05.2026).The Role of Lignin Structure on Cellulase Adsorption and Enzymatic Hydrolysis / W. Wu, P. Li, L. Huang [et al.]. – DOI: 10.3390/biomass3010007 // Biomass. – 2023. – № 3 (1). – Р. 96–107.The Role of Lignin Structure on Cellulase Adsorption and Enzymatic Hydrolysis / W. Wu, P. Li, L. Huang [et al.]. – DOI: 10.3390/biomass3010007 / Biomass. – 2023. – № 3 (1). – Р. 96–107.Baig, K. S. Interaction of enzymes with lignocellulosic materials: causes, mechanism and influencing factors / K. S. Baig. – DOI: 10.1186/s40643-020-00310-0 // Bioresour. Bioprocess. – 2020. – № 7. – Р. 21.Baig, K. S. Interaction of enzymes with lignocellulosic materials: causes, mechanism and influencing factors / K. S. Baig. – DOI: 10.1186/s40643-020-00310-0 // Bioresour. Bioprocess. – 2020. – № 7. – Р. 21.Hu, J. The synergistic action of accessory enzymes enhances the hydrolytic potential of a «cellulase mixture» but is highly substrate specific / J. Hu, V. Arantes, A. Pribowo [et al.]. – DOI: 10.1186/1754-6834-6-112 // Biotechnol Biofuels. – 2013. – № 6 (1). – Р. 112.Hu, J. The synergistic action of accessory enzymes enhances the hydrolytic potential of a «cellulase mixture» but is highly substrate specific / J. Hu, V. Arantes, A. Pribowo [et al.]. – DOI: 10.1186/1754-6834-6-112 // Biotechnol Biofuels. – 2013. – № 6 (1). – Р. 112.Emerging Roles of Biopolymers in Seed Science and Technology /A. M. Velusamy, S. Rathinavelu, V. Shanmugam [et al.]. – DOI: 10.1002/bip.70056 // Biopolymers. – 2025. – № 116 (6). – Article e70056.Emerging Roles of Biopolymers in Seed Science and Technology /A. M. Velusamy, S. Rathinavelu, V. Shanmugam [et al.]. – DOI: 10.1002/bip.70056 // Biopolymers. – 2025. – № 116 (6). – Article e70056.Current Trends of Cellulosic Ethanol Technology from the Perspective of Industrial Development / G. K. S. Santos, C. E. de Farias Silva, B. M. V da Gama [et al.]. – DOI: 10.3390/fermentation12010048 // Fermentation. – 2026. – № 12 (1). – Р. 48.Current Trends of Cellulosic Ethanol Technology from the Perspective of Industrial Development / G. K. S. Santos, C. E. de Farias Silva, B. M. V da Gama [et al.]. – DOI: 10.3390/fermentation12010048 // Fermentation. – 2026. – № 12 (1). – Р. 48.Decreasing the Crystallinity and Degree of Polymerization of Cellulose Increases Its Susceptibility to Enzymatic Hydrolysis and Fermentation by Colon Microbiota / K. Thielemans, Y. De Bondt, L. Comer [et al.]. – DOI: 10.3390/foods12051100 // Foods. – 2023. – № 12 (5). – Р. 1100.Deccreasing the Crystallinity and Degree of Polymerization of Cellulose Increases Its Susceptibility to Enzymatic Hydrolysis and Fermentation by Colon Microbiota / K. Thielemans, Y. De Bondt, L. Comer [et al.]. – DOI: 10.3390/foods12051100 // Foods. – 2023. – № 12 (5). – Р. 1100.Koo, B. Drying Effect on Enzymatic Hydrolysis of Cellulose Associated with Porosity and Crystallinity / B. Koo, J. Jo, S.-M. Cho. – DOI: 10.3390/app10165545 // Applied Sciences. – 2020. – № 10 (16). – Р. 5545.Koo, B. Drying Effect on Enzymatic Hydrolysis of Cellulose Associated with Porosity and Crystallinity / B. Koo, J. Jo, S.-M. Cho. – DOI: 10.3390/app10165545 // Applied Sciences. – 2020. – № 10 (16). – Р. 5545.Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass: Structural Features, Process Aspects, Kinetics, and Computational Tools / D. Santos, J. G. W. Siqueira, M. G. L. da Silva [et al.]. – DOI: 10.3390/biomass6010013 // Biomass. – 2026. – № 6 (1). – Р. 13.Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass: Structural Features, Process Aspects, Kinetics, and Computational Tools / D. Santos, J. G. W. Siqueira, M. G. L. da Silva [et al.]. – DOI: 10.3390/biomass6010013 // Biomass. – 2026. – № 6 (1). – Р. 13.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.