全 文 ：第15卷第1期 过 程 工 程 学 报 Vol.15 No.1
2015 年 2 月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb. 2015

收稿日期：2014−08−15，修回日期：2015−01−04
基金项目：国家科技支撑计划基金资助项目(编号：2011BAD14B02)，国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目(编号：2014AA022002)
作者简介：樊星(1990−)，男，山西省运城市人，硕士研究生，生物化工专业；丛威，通讯联系人，E-mail: weicong@home.ipe.ac.cn.
栅藻藻渣营养成分分析及蛋白提取工艺优化
樊 星 1，2， 黄燕飞 2， 廖永红 1， 丛 威 2
(1. 北京工商大学食品学院，北京 100048；2. 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京 100190)
摘 要：研究了二形栅藻藻渣的蛋白提取工艺及氨基酸组成，在测定藻渣蛋白等电点的基础上考察了浸提液 pH 值、
液料比、浸提温度与时间对蛋白提取率的影响. 由正交实验得出提取藻渣蛋白的最佳工艺条件为：浸提液 pH 值 12、
液料比 40 mL/g、浸提温度 45℃、浸提时间 140 min，该条件下藻渣蛋白提取率为 40.13%. 所制藻渣蛋白氨基酸种类
齐全，比例均衡，可作为理想的人蛋白来源. 必需氨基酸占氨基酸总量的 44.3%. 蛋白质的必需氨基酸指数、氨基酸
评分、化学评分、生物价、营养指数和氨基酸比值系数评分分别为 82.24, 63.32, 46.66, 77.94, 35.84 和 74.21.
关键词：二形栅藻；藻渣；蛋白质；提取；氨基酸
中图分类号：TS202.1 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2015)01−0126−06
1 前 言
藻类是地球上最早进行光合作用的生物体，具有光
能利用率高、环境适应能力强等特点. 微藻可利用阳光、
水和 CO2合成自身所需物质，微藻细胞富含蛋白质、多
糖、脂类及色素等，在食品、饲料、医药、精细化工及
染料领域已得到广泛应用. 近年来，随着石油、煤炭等
化石能源的日渐枯竭，微藻作为重要的可再生能源受到
更多关注[1]. 微藻可积累油脂，提取后可转化为生物柴
油，与玉米、大豆等传统生物柴油来源相比，微藻可在
海水、碱水或半碱水中培养，不与农作物争夺土地和淡
水资源，还可利用废水，是淡水短缺、土地贫瘠地区获
得有效生物资源的重要途径[2,3].
伴随微藻行业的兴起，必然会产生大量藻渣，藻渣
即藻类油脂提取后的剩余物. 藻渣约占微藻生物量的
70%，其主要成分是蛋白质、糖类和油脂等[4]. 藻渣的
高蛋白含量(约 50%)使其应用于蛋白类食品具有很大潜
力. 充分利用富营养成分的藻渣能减少资源和能源浪
费，同时降低微藻生物能源的生产成本. 但目前尚未见
对藻渣高值化开发及商业应用的报道.
目前各国对植物蛋白的提取分离技术已相对成熟，
主要有碱溶酸沉法、酶解法、反胶束提取法、盐溶法提
取法、超声增溶法提取、有机溶剂提取法和盐析法、膜
分离法[5]. 碱溶酸沉法作为应用最多并成功产业化的蛋
白提取方法，虽然有提取时间长、能耗大的缺点，但其
操作简单、易于控制、成本低廉，且提取效果好，可进
行大规模生产，仍是主流的产业化蛋白提取方法. 高浓
度碱液有助于氢键断裂，增加蛋白分子的表面电荷，增
加蛋白溶解性[6]. 采用碱溶酸沉法已从猕猴桃籽粕[7]、茶
叶[6]、米糠[8]、鸡腿菇子实体[9]等原料中分离得到蛋白.
二形栅藻是重要的油藻藻种，其油脂产率高于目前
的大多数藻株[10]，且蛋白含量丰富[2]. 本工作采用油脂
提取率及蛋白总糖保留率高的乙醇/正己烷法提取二形
栅藻油脂[2]，对提油后的藻渣进行成分分析，采用碱溶
酸沉法制备栅藻藻渣蛋白，研究了影响蛋白质提取率的
因素，优化了工艺条件，并对所提蛋白质进行了营养评
价，为藻渣的高值化综合利用提供参考.
2 实 验
2.1 材料与试剂
二形栅藻(中国科学院青岛生物能源与过程研究
所)，BG11 培养基，25℃下用实验室自制的 300 L 气升
式光生物反应器培养.
硫酸、无水甲醇、无水乙醇、正己烷均为分析纯，
葡萄糖、苯酚、牛血清蛋白均为分析纯(北京北化精细
化学品公司)，考马斯亮蓝 G250(国药集团化学试剂北京
有限公司).
2.2 实验设备与分析仪器
AB104-N 精密电子天平(梅特勒-托利多仪器有限
公司)，LGJ10-C 冷冻干燥机(北京四环科学仪器厂)，
732N 分光光度计(上海精科仪器有限公司)，RE-52A 旋
转蒸发仪(上海亚荣生化技术公司)，JY92-2D 超声波细
胞破碎机(宁波新芝科仪研究所)，DL-101-2B 干燥箱(天
津中环实验室电炉有限公司)，THZ-C 恒温振荡器(太仓
市豪成实验仪器制造有限公司)，L-8900 高速氨基酸分
析仪(日立高新技术公司)，Thermo iCAP 6300 电感耦合
第 1 期 樊星等：栅藻藻渣营养成分分析及蛋白提取工艺优化 127
等离子体光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司).
2.3 实验方法
2.3.1 藻渣制备
收集培养 7 d 的藻液，5000 r/min 离心 10 min，去
上清得藻泥，用蒸馏水清洗 3 次，冷冻干燥得藻粉.
栅藻油脂提取以正己烷/乙醇(2:3, ϕ)为萃取体系[2]，
超声波细胞破碎机将藻粉破壁 . 提取后将栅藻转速
5000 r/min 下离心分离 5 min，弃有机溶剂层，沉淀，
60℃烘箱中烘干至恒重，得栅藻藻渣.
2.3.2 藻渣基本组成测定
蛋白质含量测定参照 GB 5009.5-2010 食品中蛋白
质的测定方法(凯氏定氮法)及考马斯亮蓝法[2]，灰分参
照 GB 5009.4-2010 食品中灰分测定方法，总糖含量参照
苯酚硫酸法测定；油脂含量采用氯仿甲醇法[2]测定.
2.3.3 蛋白提取工艺流程
蛋白提取采用如下流程：藻渣→碱液提取→5000
r/min离心5 min→取上清→5000 r/min酸沉5 min→弃上
清液→沉淀洗涤→冷冻干燥→藻渣蛋白.
mg% = 100%.
mg
×提取液中蛋白量( )蛋白提取率( ) 藻渣中蛋白量( )
2.3.4 蛋白等电点测定
将藻渣提取蛋白后的上清液分成若干等分，pH 值
分别调整至 3.6∼5.0，静置 30 min，5000 r/min 离心 5 min.
测定沉淀前后上清液蛋白质含量，计算上清液中蛋白质
残留率. 残留率最小时的 pH 值即为藻渣蛋白质等电点.
mg% = 100%.
mg
×酸沉后上清液中蛋白质质量( )蛋白残留率( ) 酸沉前上清液中蛋白质质量( )
2.3.5 蛋白氨基酸营养评价
藻渣蛋白氨基酸组成采用氨基酸自动分析仪分析.
氨基酸评分(Amino acid score, SA)和必需氨基酸指
数(Essential amino acid index, IEA)根据氨基酸评分标准
模式[11]和全鸡蛋蛋白质的氨基酸模式[12]计算：

A = 100S ×样品中1 g粗蛋白的氨基酸含量建议模式中1 g粗蛋白的氨基酸含量
1 2 3
EA
1E 2E 3E nE
100,nn P P P PI
P P P P
= ×

式中，P1, P2, P3, …, Pn为栅藻必需氨基酸含量(%), P1E,
P2E, P3E, …, PnE为全鸡蛋蛋白质的必需氨基酸含量(%),
n 为参与计算的必需氨基酸个数.
化学评分(Chemical score, SC)采用文献[13]的方法：
C Ax Ee Ae Ex( ) 100,S M M M M= ×
式中，MAx 为待测蛋白质中某种必需氨基酸含量，MAe
为待测蛋白质中必需氨基酸总含量，MEx 为标准鸡蛋白
中相应必需氨基酸含量，MEe 为标准鸡蛋白中必需氨基
酸总含量.
SC 值越接近 100(与标准蛋白的组成越接近)，营养
价值越高.
生物价(Biological value, SB)和营养指数(Nutrition
index, IN)采用文献[14]的方法：
SB=1.09IEA−11.7,
IN=IEAPP,
式中，PP为蛋白质含量(%).
氨基酸比值系数(Ratio coefficient, RC)和氨基酸比
值系数评分(Score of ratio coefficient, SRC)采用文献[15]
的方法：
RC=R/R
−
, SRC=100−100Re,
式中，R=MAx/MAs 为氨基酸比值，MAs 为 FAO/WHO 评
分模式氨基酸含量[15]，R−为 R 的平均值，Re为 RC的相对
标准差.
3 结果和讨论
3.1 藻渣基本营养成分
经测定藻渣的营养成分为(%, ω)：蛋白质 41.05，总
糖 25.17，油脂 4.41，色素 0.78，灰分 9.60，蛋白质和
总糖含量较丰富. 由表 1 可知，藻渣中钙、钾、硫元素
含量较高，其余含量较低，这与 Yang 等[16]所测栅藻提
油后藻渣中各成分(蛋白质 32.4%、总糖 24.7%、油脂
6.5%、灰分 10%)基本相符.
表 1 藻渣中矿物质元素及含量(mg/kg, 干基)
Table 1 Contents of mineral elements in Scenedesmus
dimorphus residue (mg/kg, dry basis)
Na K Mg Fe Cu Ca P S Mn Zn
1.13 5.71 1.45 0.29 0.02 13.49 2.26 5.49 0.09 0.20
乙醇/正己烷提取方法比其他方法的蛋白总糖损失
率低，且毒性低，适用于大规模生产[2].
3.2 藻渣蛋白等电点测定结果
碱液提取蛋白后加酸至等电点，提取液中蛋白沉淀
最多. 由图 1 可见，不同 pH 值下上清液中蛋白质残留
率不同. pH 4.4 时上清液蛋白残留率最小，蛋白沉淀量
最大，因此，等电点为 pH 4.4.
3.3 藻渣蛋白提取工艺优化
3.3.1 藻渣蛋白提取单因素实验
(1)浸提液 pH 值的影响
取等量藻渣，固定温度为 40℃，液料比为 20 mL/g，
浸提时间为 100 min，用 NaOH 溶液调节浸提液 pH 值
为 8∼13，测定蛋白提取率，结果如图 2 所示.
128 过 程 工 程 学 报 第 15 卷













图 1 二形栅藻藻渣蛋白的等电点 图 2 浸提液 pH 值对蛋白质提取率的影响
Fig.1 Isoelectric point of protein of Scenedesmus dimorphus Fig.2 Effect of extracting solution pH value on
residue protein extraction rate
由图 2 可知，浸提液 pH 值对蛋白质提取率有较大
影响，pH 值升高，蛋白质提取率逐渐增高，且 pH=10∼12
时增幅较明显，pH>12 后变化趋于平缓. pH=12.5 时提取
液有轻微异味，并随 pH 值升高异味逐渐加重. 碱性过
强会引起脱氨、脱梭、肽键断裂，发生胱赖反应，将氨
基酸转变为有毒化合物，降低蛋白质食用价值[17]. 综合
考虑，选取浸提液 pH 值为 12 较适宜.
(2)液料比的影响
将藻渣取等量，固定浸提液 pH 值为 12，浸提温度
为 40℃，浸提时间为 100 min，调节液料比，测定蛋白
提取率，结果如图 3 所示. 由图看到，液料比在一定范
围内，蛋白质提取率随料液比增加而增大，之后逐渐趋
于平缓，但液料比达 35 mL/g 后，提取率下降. 适当增
加料液比有利于蛋白质提取，料液比过大会使蛋白提取
液浓度降低，可能造成酸沉时蛋白析出不充分. 因此，
选取液料比 35 mL/g 较适宜.











图 3 液料比对蛋白质提取率的影响
Fig.3 Effect of ratio of liquid to solid on protein extraction rate
(3)浸提温度的影响
取等量藻渣，固定浸提液 pH 值为 12，液料比为
35 mL/g，浸提时间为 100 min，调节浸提温度，测定蛋
白提取率，结果如图 4 所示. 由图可知，一定范围内，
蛋白质提取率随温度升高而增大，45℃时提取率最大，
达到 38.38%. 之后蛋白质提取率略有下降，原因可能是
温度过高使蛋白质变性，因此，提取温度 45℃较适宜.














图 4 浸提温度对蛋白质提取率的影响
Fig.4 Effect of extraction temperature on protein extraction rate
(4)浸提时间的影响
取等量藻渣，固定浸提液 pH 值为 12，浸提温度为
45℃，液料比为 35 mL/g，浸提不同时间，测定蛋白提
取率，结果如图 5 所示. 由图看到，随提取时间增加，
藻渣蛋白质提取率逐渐增大，但超过 160 min 后，蛋白
质提取率增幅较小. 提取时间从 140 min 增至 180 min，
蛋白提取率仅由 23.1%增至 23.7%，增加有限. 因此，
提取时间 140 min 较适宜.
3.3.2 藻渣蛋白提取正交实验
根据单因素实验结果，以蛋白质提取率为指标，对
影响藻渣蛋白提取率的四因素(浸提液 pH 值、液料比、
浸提温度、浸提时间)进行三水平正交实验，因素和水
平见表 2，结果见表 3.
8 9 10 11 12 13
5
10
15
20
25
P
ro
te
in
e
xt
ra
ct
io
n
ra
te
(%
)
pH value of extracting solution
3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
4
5
6
7
8
9
10
R
es
id
ua
l p
ro
te
in
(%
)
pH value
10 20 30 40 50 60
18
20
22
24
26
28
30

P
ro
te
in
e
xt
ra
ct
io
n
ra
te
(%
)
Ratio of liquid to solid (mL/g)
30 35 40 45 50 55
28
30
32
34
36
38
P
ro
te
in
e
xt
ra
ct
io
n
ra
te
(%
)
Extraction temperature (℃)
第 1 期 樊星等：栅藻藻渣营养成分分析及蛋白提取工艺优化 129










图 5 浸提时间对蛋白质提取率的影响
Fig.5 Effect of extraction time on protein extraction rate
由表 3 可以看出，影响藻渣蛋白提取率的因素主次
顺序为 A>B>D>C，即浸提液 pH 值影响最大，其次为
液料比、浸提时间、浸提温度. 最优组合为 A3B3C2D2，
即浸提液 pH 值 12，液料比 40 mL/g，浸提温度 45℃，
浸提时间 140 min. 在该条件下藻渣蛋白提取率为
40.13%，表明优化工艺条件是可行的.
碱溶酸沉提取工艺是利用弱碱性水溶液浸泡藻渣，
将原料中可溶性蛋白质萃取出来，用一定量盐酸调节
pH 值到蛋白等电点，使大部分蛋白质沉析下来，最后
通过中和、灭菌和喷雾干燥，得到蛋白产品[18]. 藻渣蛋
白提取率(40.13%)高于鸡腿菇子实体(24.3%)[9]、桑葚子
(25.37%)[191]、火麻仁(31.54%)[20]、紫苏(22.41%)[21]，与
核桃(43.15%)[22]相当，低于高温花生粕(64.2%)[23]. 不同
原料采用碱溶酸沉法得到的蛋白提取率相差较大，原因
可能一方面是原料性质有差别，另一方面为不同原料采
用的预处理方式不同，如高温花生粕采用匀浆、超声和
纤维素酶等方法进行了前处理.
表 2 L9(43)正交实验水平和因素
Table 2 Factors and levels of L9(43) orthogonal experiments
Factor Level
pH value of extracting solution, A Ratio of liquid to solid, B (mL/g) Extraction temperature, C (℃) Extraction time, D (min)
1 11.0 30 40 120
2 11.5 35 45 140
3 12.0 40 50 160
表 3 正交实验结果
Table 3 Results of orthogonal experiments
Factor No.
A B C D
Extraction rate (%)
1 1 1 1 1 17.02±1.57
2 1 2 2 2 20.83±0.35
3 1 3 3 3 20.66±0.55
4 2 1 2 3 23.69±0.96
5 2 2 3 1 25.42±1.12
6 2 3 1 2 28.61±0.88
7 3 1 3 2 34.40±1.02
8 3 2 1 3 34.82±0.90
9 3 3 2 1 38.26±0.34
k1 19.410 24.943 26.723 26.807
k2 25.907 27.023 27.593 27.947
k3 35.827 29.177 26.827 26.390
R 16.417 4.234 0.870 1.557
表 4 藻渣蛋白氨基酸组成
Table 4 Composition of amino acids in protein from Scenedesmus dimorphus residue
Amino acid Asp Thr Ser Glu Gly Ala Cys Val Met
Content (mg/g) 85.37±1.71 60.00±2.23 51.35±4.97 106.90±1.57 53.01±0.23 154.00±1.45 14.07±0.62 51.38±2.08 8.10±1.32
Amino acid Ile Leu Tyr Phe Lys His Arg Pro Trp
Content (mg/g) 54.76±2.65 91.15±2.73 36.47±2.44 57.71±4.22 54.91±0.89 14.84±0.93 54.95±0.65 36.58±8.02 14.45±0.18

3.4 藻渣提取蛋白的营养评价
3.4.1 藻渣提取蛋白的氨基酸组成
蛋白质中所含必需氨基酸的种类、数量和比例决定
了其营养价值. 如表 4 所示，藻渣蛋白中检测出 18 种氨
基酸，包括人体必需的 8 种氨基酸. 由表 5 可知，藻渣
蛋白中必需氨基酸与氨基酸总量比值(EAA/TAA)、必需
氨基酸与非必需氨基酸比值(EAA/NEAA)及必需氨基酸
指数(IEA)均大于异养蛋白核小球藻、乳清浓缩蛋白和大
豆分离蛋白，并超出世界卫生组织(WHO)和联合国粮农
组 织 (FOA) 提 出 的 参 考 模 式 (EAA/TAA=40%,
EAA/NEAA>60%)，表明经油脂提取后的藻渣蛋白仍具
很高营养价值.
40 60 80 100 120 140 160 180
20
21
22
23
24
Pr
ot
ei
n
ex
tra
ct
io
n
ra
te
(%
)
Extraction time (min)
130 过 程 工 程 学 报 第 15 卷

表 5 几种蛋白的必需氨基酸组成(mg/g)
Table 5 Compositions of essential amino acids in different proteins (mg/g)
Essential amino
acid
Scenedesmus
dimorphus
Chlorella
vulgaris[24]
Chlorella
pyrenoidosa[24]
Whey protein
concentrate[25]
Soy protein
isolate[25]
Egg[15]
FAO/WHO
mode[15]
Thr 60.00 51.01 41.46 44.3 30.1 51 40
Cys+Met 22.16 16.02 11.90 33.1 16.9 55 35
Val 51.38 52.65 46.85 40.2 42.7 73 50
Ile 54.76 37.61 31.05 42.4 40.9 66 40
Leu 91.15 77.83 75.85 73.9 67.6 88 70
Phe+Tyr 94.18 77.17 78.64 39.8 70.6 100 60
Lys 54.91 57.23 50.75 55.4 47.9 64 55
Trp 14.45 8.50 6.88 12.2 10.1 16 10
IEA 82.24 66.63 57.69 67.04 60.02 100
EAA/TAA (%) 44.30 35.86 38.05 40.8 38.5
EAA/NEAA (%) 79.55 55.91 61.42 68.92 62.60

3.4.2 藻渣蛋白的氨基酸分和必需氨基酸指数
氨基酸评分(SA)和化学评分(SC)用于评价蛋白质的
质量，两者越接近 100，说明其与标准蛋白的必需氨基
酸组成越接近，营养价值越高. 藻渣蛋白的 SA 和 SC 见
表 6. 藻渣蛋白的第一限制氨基酸为含硫氨基酸(蛋氨酸
和胱氨酸). 如将藻渣蛋白与富含含硫氨基酸的蛋白粉
复配(如富含蛋氨酸的玉米蛋白粉或者其他动物蛋白)，
将会进一步提高藻渣蛋白粉的营养价值[26]. 藻渣蛋白
的生物价(SB)和营养指数(IN)、氨基酸比值系数评分(SRC)
分别为 77.94, 35.84, 74.21.
表 6 氨基酸评分和化学评分
Table 6 Amino acid score and chemical score of protein from
Scenedesmus dimorphus residue
Essential amino acid Chemical score, SC Amino acid score, SA
Thr 136.25 150.01
Cys+Met 46.66 63.32
Val 81.51 102.76
Ile 96.07 136.89
Leu 119.95 130.21
Phe+Tyr 109.06 156.96
Lys 99.36 99.84
Trp 104.60 144.52
Sequence of limiting aa Cys+Met, Val
综合以上结果可知，二形栅藻提取油脂后所得藻渣
含有丰富的蛋白质，进一步提取蛋白得到蛋白质. 藻渣
蛋白的氨基酸种类齐全，比例均衡，可作为人的理想蛋
白来源. 藻渣提取蛋白在食品工业中具有广阔的应用前
景，利用藻渣开发精深加工食品，具有成本低、市场潜
力大、符合未来社会和食品发展的特点，同时可降低微
藻培养成本，具有广阔的前景，可推进藻类生物质能源
的进一步发展.
4 结 论
采用正己烷/乙醇(2:3, ϕ)提取二形栅藻的油脂，测
定了藻渣的组成，通过单因素和正交实验得到藻渣蛋白
的提取最佳条件，分析了蛋白氨基酸组成，并进行了营
养评价，由研究结果得到以下结论：
(1)栅藻藻渣的营养成分为(%, ω)：蛋白质 41.05，
总糖 25.17，油脂 4.41，色素 0.78，灰分 9.60. 其中蛋白
质和总糖含量较丰富.
(2)栅藻藻渣蛋白提取的最佳条件为：提取液 pH 值
12、液料比 40 mL/g、提取温度 45℃、提取时间 140 min，
此时提取率为 40.13%. 栅藻藻渣蛋白等电点为 pH 4.4.
(3)提取油脂后的藻渣蛋白必需氨基酸含量占氨基
酸总量的 44.3%，蛋白质的必需氨基酸指数(IEA)、氨基
酸评分(SA)、化学评分(SC)、生物价(SB)、营养指数(IN)
和氨基酸比值系数评分(SRC)分别为 82.24, 63.32, 46.66,
77.94, 35.84 和 74.21.
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Analysis of Nutritive Elements and Optimization of Extraction Process of Protein from
Scenedesmus dimorphus Residue
FAN Xing1,2, HUANG Yan-fei2, LIAO Yong-hong1, CONG Wei2
(1. School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;
2. National Key Lab. Eng., Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190,China)
Abstract: The extraction process of protein from Scenedesmus dimorphus residue was optimized, and the obtained protein quality
assessed. The effects of extracting solution pH value, ratio of solid to liquid, temperature and time on the extraction rate of the protein
from Scenedesmus dimorphus residue were examined before the isoelectric point of the protein was determined. The optimum conditions
of alkaline extraction were obtained by orthogonal experiments as follows: pH value of solution 12, ratio of liquid to solid 40 mL/g, and
extraction at 45℃ for 140 min. Under these conditions, the extraction rate of protein was 40.13%. The ratio of essential to total amino
acids in the protein was 44.3%. The essential amino acid index, amino acid score, chemical score, biological value, nutritional index and
score of ratio coefficient of amino acid were 82.24, 63.32, 46.66, 77.94, 35.84 and 74.21, respectively.
Key words: Scenedesmus dimorphus; algae residue; protein; extraction; amino acid