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Electrical Engineering and Automation December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.57-68

The Effect Factors of Microalgae Oil Formation

and Pre-broken Extraction Technology Ya Li1, Xin Wang1, Bingwei Zhao1, Xiaoyi Yang1,2#

1. School of Energy and Power Engineering, Beihang University, Beijing, P.R. China, 100191

2. Energy and Environment International Centre, Beihang University, Beijing, P.R. China, 100191

#Email: yangxiaoyi@buaa.edu.cn

Abstract

Excessive use of fossil fuels has been to detriment of environmental, and now fossil fuels face the threat of depletion. Algae has

received much more attention as the most potential feedstock for renewable biofuel. Microalgae lipid is the main substance to

produce biofuel influenced by many factors including medium composition, temperature, and light, pH value, training methods

and salinity, which is the focus of this paper. Oil extraction has been a key technology of bio-energy industry. Since microalgae

cells are usually characterized by relatively thick cell wall, which poses much difficulty in extracting oil. Broken pretreatment is

needed before oil extraction in order to achieve high extraction efficiency. Different broken pretreatment and oil extraction

methods will cause large differences in extraction efficiency. This paper summarized the most commonly used broken

pretreatments, extraction techniques and oil extraction efficiency, and then analyzed the development of new technologies, such as

subcritical solvent extraction technology, ionic liquids extraction technology and electromagnetic pulse extraction technology; as

well as their advantages and disadvantages; further the problems that constrain microalgae industrial production, and the methods

to improve the microalgae oil content and oil extraction rate have been investigated.

Keywords: Microalgae Oil; Influencing Factor; Cell Broken Technology; Extractive Technology

微藻油脂形成的影响因素及破壁提取技术 李娅 1，王鑫 1，赵兵伟 1，杨晓奕 1,2#

1. 北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191

2. 北京航空航天大学能源与环境国际中心，北京 100191

摘 要：化石能源的过度使用会造成日益严重的坏境问题，并面临着枯竭的威胁。微藻作为生产可再生清洁燃料的良好

生物质原料受到越来越多的关注。微藻油脂是制取生物质燃料的主要成分，其含量受到多方面的影响，本文总结了培养

基成分、温度、光照、pH值、培养方式和盐度对微藻油脂含量的影响。微藻油脂提取一直是微藻生物能源产业的关键技

术，由于微藻细胞通常细胞壁较厚实，提取油脂成分较困难，在提取油脂前常需要采用破壁预处理才能达到较完全的萃

取效果。不同的细胞破壁和油脂提取方法会引起较大差异的油脂提取效率。本文在总结目前常用的细胞破壁技术和油脂

提取工艺及其油脂提取效率进展基础上，也分析了目前亚临界溶剂提取技术、离子液体提取技术、脉冲电磁场提取等新

兴技术的发展状况，并分析了其优缺点。最后分析了制约微藻作为原料生产生物质燃料产业化生产的问题，和提高微藻

油脂含量和油脂提取率应采取的方法。

关键词：微藻油脂；影响因素；破壁技术；提取技术

引言

能源是我们日常生活和经济发展中不可或缺的一部分，然而，化石燃料是属于不可再生的一种能源，因

此，它的来源等方面都受到很大的限制，并且最终有一天会被用至枯竭[1]。另外，化石燃料的过度使用会造

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成日益严重的坏境问题，因此寻找一种清洁可再生的能源已经成为目前全球急需解决的一个问题。以生物质

作为原料得到生物质油最终再转化成燃料已引起人们的普遍关注。这种燃料硫、氮的含量很少，避免了因燃

烧生成 SO2 和 NO2 而引起的酸雨；并且其燃烧产生的 CO2 适中，避免了 CO2 引起的温室效应；是一种新

型可再生的清洁能源。然而，生产成本高是制约生物质油产业化生产的主要问题，而原料成本占据了生产成

本中的绝大部分。因此，降低生产成本的关键是寻求充足而廉价的原料及提高转化率，这也是生物质油能否

实现产业化生产的关键。与传统的生物质油或燃料乙醇生产过程相比，微藻能源生产过程不会占用农业耕地

及消耗大量的粮食作物。与其他油料作物相比，利用微藻培养生产生物质油占地面积最小（表 1），还可利

用滩涂地、荒废地等非耕地[2]，不会威胁到粮食作物的生产。另外，微藻具有分布广、生物量大、光合效率

高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高和环境友好等突出特点[3]。从微藻中提取油脂成分，通过转

酯化反应，可制备良好燃性和清洁性的生物燃油。因此，微藻是生产可再生清洁能源的良好生物质原料。本

文简要介绍了微藻油脂的形成机制、影响因素及破壁提取技术。

1 微藻油脂的形成机制

产油微藻一般指在一定条件下能将二氧化碳、碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为藻体内

大量贮存的油脂，而且油脂含量超过生物总量 20%的微藻种类[4]。有效提取微藻油脂的前提是油脂含量高的

优良藻种，众多科研人员研究发现，油脂含量较高的微藻主要集中在绿藻、硅藻、金藻等真核微藻[5]。从表

2 可以看出不同种类的产油微藻，其脂质含量有较大的差异，目前作为生物燃料原料的微藻有绿藻、硅藻和

部分蓝藻。

表 1 不同植物油脂生产生物柴油效率的比较[2]

植物油 生物柴油产量

（升/公顷/年）

生产全球生物柴油用

地面积（公顷×106）

用地面积占全球

总面积百分比

用地面积占全球可

耕地面积百分比

棉籽油 325 15002 100.7 756.9

大豆油 446 10932 73.4 551.6

芥子油 572 8524 57.2 430.1

葵花油 952 5121 34.4 258.4

油菜油 1190 4097 27.5 206.7

麻疯树油 1892 2577 17.3 130

棕榈油 5950 819 5.5 41.3

油菜（三酰甘

油含量 30%） 12000 406 2.7 20.5

油菜（三酰甘

油含量 50%） 98500 49 0.3 2.5

表 2 部分微藻的脂质含量[4]

藻类 藻种 脂质含量（%）

硅藻 牟氏角毛藻

中肋骨条藻

33.6

13.3-31.8

绿藻

葡萄藻

小球藻

栅藻

盐藻

25.0-75.0

10.0-48.0

19.6-21.1

17.5-67.0

黄绿藻 微绿球藻 22.7-29.7

定鞭金藻

等鞭金藻

巴夫藻

紫球藻

7.1-33

30.9

9.0-18.8

微藻油脂的生物合成属于初级代谢的一部分，是一个多酶催化的复杂过程（图 1）。微藻油脂的油脂积

累大体可分为发酵培养前期和后期两个阶段：发酵培养前期为细胞增殖期，这个时期内微藻消耗培养基中的

碳源和氮源，以保证藻体代谢旺盛和增殖过程，并且在这一阶段中微藻细胞也合成油脂，但主要用于细胞骨

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架的组成，即以体质脂形式存在。发酵培养后期，当培养液中碳源充足而某些营养成分(特别是氮源)缺乏时，

藻体细胞分裂速度锐减，微藻不再进行细胞繁殖，而过量的碳元素继续被藻细胞吸收，在细胞质中经糖酵解

途径进入三梭酸循环，同时激活甘油三酯的积累过程[6]。

图 1 微藻利用太阳能和 CO2 合成油脂示意图[2]

2 微藻脂肪形成的影响因素

在微藻的培养过程中，培养基成分、温度、光照、pH 值、培养方式、盐度等都会影响微藻的生长以及

其油脂含量与组成，表 3 为不同培养条件下部分微藻的产生物量和油脂情况。从表中可看出 CO2量充足时从

粒藻的生物生产率、油脂含量和油脂生产率都比 CO2 量少时高，充足的氮能促进小球藻的生物生产率但其油

脂含量和油脂生产率反而降低，微绿球藻的生物生产率、油脂含量和油脂生产率分别存在一个最适的产出温

度。

2.1 培养基成分

表 3 不同培养条件下部分微藻的产油脂情况[12]

藻种 培养条件

生物生产率

（mg·L-1·d-1）

油脂

含量

（%）

油脂生产率

（mg·L-1·d-1）

丛粒藻

10%CO2

废气中有 5.5%

的 CO2

26.55

77

21

24

5.51

20.65

小球藻 充足的氮

氮含量较低

41

36

25

34

10.25

12.24

杜氏藻 高盐含量 50 67 33.5

微拟球藻 持续光照下的

自养 180 30.9 54.8

微绿球藻

半持续自养

15℃下的自养

20℃下的自养

25℃下的自养

497

61.1

126.7

72.7

30.4

14.92

7.90

13.89

151

9.11

10.01

10.10

富油新绿

藻

NaNO3作为氮

源 400 34 133

颗石藻 室外池塘长期

培养 190 33 62.7

培养基的成分对微藻的生长、油脂的含量及组成都有影响，其中培养基中的氮、磷、硅的影响最为显著。

普遍认为，氮缺乏会导致微藻油脂的积累[7]，微藻通常可以利用铵盐、硝酸盐及尿素等作为其氮源。单细胞

藻虽对这些盐类都能吸收与利用，但在吸收的速度与利用的程度上是有差别的[8,9]。沈颂东研究证实[10]，氮的

浓度对小球藻的影响比较复杂,要视氮源而论，当氮源为 NaNO3 时，淡水小球藻的生长高峰在氮添加浓度为

0.08～0.16mol/L；而当尿素作为氮源时，淡水小球藻的生长高峰在氮添加浓度为 0.0025～0.015mol/L。

Yongmanitchai 等研究发现[11]，三角褐指藻在利用铵、硝酸盐和尿素等作为氮源时，二十碳五烯酸（EPA）含

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量分别占脂肪酸的 25.2%，10.0%和 31.8%。氮源充足时，细胞生长旺盛，蛋白质、脂类和核酸等生物活性物

质均正常合成，因此所得脂肪酸含量较低。但氮源缺乏时，蛋白质和核酸等含氮化合物的合成受到限制，而

含氮元素较少的贮存脂类和绝大多数膜质仍能继续合成，因此在细胞干重中的百分含量增加。磷与微藻细胞

生长和代谢密切相关，是构成 DNA、RNA、ATP 和细胞膜的必要元素[7]。磷含量对不同微藻的油脂含量会

造成不同的影响，磷限制会导致三角褐指藻、角毛藻和鲁兹帕夫藻的油脂含量增加，但是绿色鞭毛藻如拟球

藻和融合微藻的油脂含量降低。硅是硅藻生长必不可少的营养元素，除了作为细胞壁结构成分外，还参与光

合色素、蛋白质、DNA 的合成和细胞分裂等多种代谢和生长过程，硅缺乏会导致新吸收的碳更多的用于脂类

合成，并且先前吸收的碳逐渐地由非脂类化合物转变为脂类，从而促进脂肪酸在藻类体内积累[7]。

2.2 温度

温度是影响藻类所有代谢活动的一个主要因子，也是影响微藻脂肪含量和脂肪酸种类的重要因素之一。

早期研究表明，在极端高温或低温条件下，微藻合成脂肪的量减少，并指出极端温度下合成受限可能是相关

的酶发生不可逆损伤所致[13]。在一定范围内升高培养温度会使某些藻的脂肪含量增加，但是，高温下培养的

微藻不饱和脂肪酸的含量下降[14]。大多数微藻的最适生长温度为 16～27℃。当温度低于 16℃时，微藻生长

缓慢；而高于 35℃的温度对于某些藻是致命的[15]。Opute[16]认为不同的藻种都存在相应的脂肪合成最适温度。

温度对微藻的多不饱和脂肪酸的影响也因藻种而异，但是存在一个总的趋势：脂肪酸的不饱和度随温度的降

低而增加，且随温度降低微藻生长变慢，生物量降低。

2.3 光照

光照是影响微藻光合培养最重要的因子。藻类细胞只能在某一时刻利用有限的光能进行光合作用，适宜

的光照强度有利于微藻生物量和油脂的积累。低光照强度可促进极性脂质的合成，而高光照强度在减少极性

总脂含量的同时还可增加中性脂质含量。但过高的光照强度引起的光抑制效应反而会阻碍脂质的积累，因而

适当提高光照强度有利于生物油脂的合成[15]。大多数藻低光照下，EPA 的含量达到最大值，而多不饱和脂肪

酸含量随光照强度的增加而增加[17]。也有报道，小球藻的饱和脂肪酸和一烯酸含量随光照强度的增强而增加，

而多不饱和脂肪酸的含量则反而下降。

2.4 pH 值

pH 值是影响藻类有关生长代谢等许多生理过程的另一重要因子，它会影响光合作用中二氧化碳的可用

性，在呼吸作用中影响微藻对有机碳源的利用效率，并影响培养基中微藻细胞对离子的吸收和利用，以及代

谢产物的再利用和毒性[18]。藻类生长的 pH 值在不同种之间存在差异，一般来说，小球藻的生长的 pH 值范

围是 4.5～10.6，在 pH5.5～8.0 时有利于小球藻的生长。此外，pH 值还能影响微藻细胞中代谢产物的形成，

对其组成与含量均会有所影响[16]。蒋冰飞通过控制培养基的 pH 值发现，pH 值一直稳定在 8.0 的球等鞭金藻

的油脂含量为 38%，而稳定在 6.5 的藻油脂含量只有 28%[19]。齐沛沛发现小球藻在 pH5～8 的范围内，生物

量和油脂含量均呈现上升趋势。而随着 pH 值的进一步增大，生物量和油脂含量明显下降[15]。

2.5 自养和异养方式

小球藻细胞除了可以利用光能和 CO2 进行自养生长外，还可以在添加有机碳源的条件下进行异养生长[20]。在两种不同的培养方式中，小球藻不仅在细胞结构上有所差异，而且在生化成分上也会有很大的不同。

在脂肪含量及组成方面，有研究表明，当自养向异养培养转化后，细胞的脂肪含量急剧增加，可高达细胞干

重的 70%，是自养细胞的脂肪含量的 4.4 倍。而两者的脂肪酸组成也有所不同，异养小球藻细胞中油酸、亚

油酸和棕榈酸的含量较多，但是亚麻酸却较少，而自养细胞却相反。然而，也有研究得出完全不同的结果，

可能是由于藻种不同的原因[16]。

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2.6 盐度

藻类细胞的光合作用，硅酸盐的利用速率，细胞内酸碱平衡条件，氨基酸的吸收利用都需要钠离子的参

与[21]。根据藻类对盐度的耐受性不同可分为嗜盐藻和耐盐藻。微藻细胞脂类组成会随盐度变化而变化，当

NaCI 浓度从 0.4M 增加到 4M 时会引起杜氏盐藻中饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的含量增加而

多不饱和脂肪酸的含量减少[21]。Porphyridium cruentum 在 0.25mol/L 比在 2mol/L NaCI 培养时生长更快，20:5

（n=3）脂肪酸含量也更高。与此相反，生长在高盐度中的细胞含有更高比例的 18：2（n – 6）和 20：4（n –

6）脂肪酸，两者与 16：0 脂肪酸一起是构成贮存甘油三酯的主要脂肪酸[3]。高 NaCI 浓度下细胞内脂肪含量

增加，但在高盐度浓度下，细胞膜上脂类含量减少，不饱和脂肪酸在总脂肪酸中的含量下降。朱松玲等研究

了盐度对杜氏盐藻的生理生化效应，结果表明该藻适于生活在盐度为 6-7 倍海水的试验水中（海水盐度为

33.5）。在此盐度中其光合速率、细胞增长速率、光合色素增长速率，游离氨基酸总量及多聚不饱和脂肪酸

总量均高于生活在其它盐度的藻[21]。

3 微藻破壁技术 微藻粗油脂的生产工艺流程一般包括：藻种筛选，原料灭菌，藻体培养，藻体收集，破壁预处理和油脂

提取等几个过程，微藻油脂提取一直是微藻生物能源产业的关键技术，油脂提取工艺直接关系到微藻油脂的

收率。由于微藻细胞个体小，通常细胞壁较厚实，提取油脂成分较困难，在提取油脂前常需要采用破壁预处

理才能达到较完全的萃取效果。目前国内外常用的微藻细胞破壁技术分为机械法和非机械法两类。机械法主

要包括机械超微粉碎破壁法和超声波辅助提取法；非机械法主要包括：热化学破壁法、化学法酶法破壁、微

波辅助提取法等。机械破碎方法有其局限性。因为机械破碎方法会将细胞完全破碎，所有的细胞内容物都将

被释放，所以目标产品必须从混有蛋白质、核酸、细胞壁的碎片和其他产品混合物中分离[22]。

3.1 机械超微粉碎破壁法

超微粉碎是指利用机械或流体力学的途径将物料粉碎至粒径小于 10μm 以下的过程[23]。应根据粉碎物料

的性质（物理和化学性能）和所要求粉碎比来选择粉碎方法，其中以物料硬度和破裂性居首要条件。对于坚

硬和脆性物料，冲击很有效；而对植物物料用研磨和剪切方法则较好[24]。任何一种粉碎机器通常都采用两种

或两种以上粉碎机理相结合进行粉碎，如气流粉碎机是利用物料相互冲击和碰撞进行粉碎。

气流粉碎机亦称气流磨或流能磨，是将压缩空气或过热蒸汽经喷管加速后，利用高速弹性流体或过热蒸

汽的能量，使颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间相互产生强烈的冲击、碰撞、摩擦和剪切等作用，同时，

在气流旋转离心力的作用下或与分级机联合使用，使粗颗粒分级从而达到粉碎的目的。与普通机械冲击式超

微粉碎机相比，气流粉碎机可将产品粉碎得很细，粒度分布范围更窄，即粒度更均匀；又因为气体在喷嘴处

绝热膨胀可降温，粉碎过程没有伴生热量，所以粉碎温升很低，因而适用于低熔点和热敏性物料的超微粉碎[25]。

高压匀浆法所用设备是利用高压匀浆机，其原理是由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破裂，在撞击

力和剪切力等的综合作用下破坏细胞[26]。

高速球磨法是让细胞悬液和超细研磨剂（无铅玻璃珠）在搅拌桨作用下充分混合，玻璃珠与玻璃珠，玻

璃珠与细胞之间互相剪切、碰撞促进细胞壁破裂，释放内含物[22]。珠磨工艺通常与溶剂提取联合使用，且当

微藻细胞浓度含量很高、目标物质在破壁提取能很容易分离情况时，珠磨工艺最高效、最经济。由于珠磨工

艺相对封闭，因此其导致外源性污染很小；同时也保持微藻细胞中化学物质完整性[24]。

3.2 热化学破壁法

热化学破壁提取技术是通过控制微藻破壁体系中的温度和压力，实现微藻细胞的破壁处理；常见的热化

学破壁方式包括蒸汽爆破法和挤压膨化法。

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蒸汽爆破过程，是原料在高温条件下的热降解、半纤维素自催化降解、爆破过程中蒸汽的闪蒸、爆破过

程中物料相互的剪切撕裂的复合过程，实质上是一个“热机械化学过程”[27]。其主要工作机理是将原料置于高

温、高压环境下，原料被过热液体润胀，孔隙中充满蒸汽，当瞬间解除高压时，原料孔隙中过热液体迅速气

化，体积急剧膨胀而使细胞“爆破”。物料内汽相介质喷出，瞬间急速膨胀，同时物料内高压液态水迅速暴沸

形成闪蒸，对外做功，使物料从胞间层解离成单个纤维细胞，实现微藻细胞破壁，进而提取微藻油脂[24]。蒸

汽爆破法的影响因素有爆破温度（压力）、保温时间、物料种类、物料颗粒的大小、物料颗粒的含水率及催

化剂的浓度等[28]。

挤压膨化是通过水分、热能、机械剪切和压力等综合作用形成的，是高温、高压的短时加工过程[29]。

3.3 化学法、酶法破壁技术

化学法其原理主要是利用化学酸碱物质对细胞壁中糖及蛋白质等成分进行溶解，使原来结构紧密的细胞

壁变得疏松，导致细胞壁破坏和细胞内结构解体，从而使微藻油脂逸出和蛋白质溶解[24]。

酶法破壁常常用到溶菌酶、蜗牛酶、纤维素酶、半纤维素酶、脂酶等各种水解酶，这些酶会针对性的分

解细胞壁中的物质，进而破坏细胞壁结构，使细胞内含物释放出来。酶法破壁适用于多种微生物，其作用条

件温和，细胞壁损坏程度可以控制，且破壁过程对内含物不易产生破坏。但该方法易造成产物抑制作用，而

且溶酶价格高，回收溶酶则又会增加额外的溶酶分离纯化操作，这限制了它的大规模应用[30]。

3.4 超声波、微波破壁法

超声波提取的原理是利用超声空化效应。超声空化产生的声冲流和冲击波可引起热效应和机械作用，这

便是超声技术应用于油脂提取的理论依据。超声的微扰效应增大了溶剂进入提取物细胞的渗透性，加强了传

质过程；超声空化产生的强大剪切力能使介质细胞壁破裂，使细胞容易释放出内含物[23]。超声波破碎的效率

取决于声频、声能、处理时间、细胞浓度及细胞类型等，使用超声波必须注意的是控制强度在一定限度[31]。

微波是频率介于 300MHz 和 300GHz 之间的电磁波，微波加热法是利用微波场将电能转化为热能。导致

细胞内的极性物质尤其是水分子吸收微波能，产生大量的热能，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的

压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞，进一步加热，导致细胞内部和细胞壁的水分减少，细胞收缩，

表面出现裂纹。孔洞或裂纹的存在使得胞外溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出胞内产物[26]。

3.5 小结

不同的微藻破壁技术都存在各自的优缺点如表 4 所示：

表 4 不同的微藻破壁技术的优缺点

破壁技术 优点 局限性

机械超微粉

碎破壁

可将物料粉碎的很

细，较经济高效

破壁过程会对内含物

产生破坏

热化学破壁 使用方便，过程中无

溶剂参与

高温高压需消耗较大

能量

化学法、酶

法破壁

操作简单，作用条件

温和，破壁过程对内

含物不易产生破坏

使用过程中添加了化

学试剂及酶，回收困

难

超声波、微

波破壁

操作过程无污染，破

壁所需时间短

能量消耗大，难以扩

大规模

4 微藻粗油脂的提取工艺

目前，常用的微藻油脂提取方法有加速溶剂萃取法、有机溶剂提取法、索氏提取法、酸热法、超临界流

体提取技术、超声波辅助提取法、亚临界流体提取技术等。

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4.1 有机溶剂提取法

有机溶剂法最为简便易行，通常采用氯仿、正己烷和乙醚等作为提取剂，但油脂提取效果最差，原因是

细胞破碎能力差，故不能有效提取细胞内油脂[7]。因此，可以采用不同的细胞破碎方法与有机溶剂提取法结

合，从而提高油脂得率。常与有机溶剂相结合使用的细胞破碎方法有酸热法，研磨法，反复冻融法、超声波

破碎法和超声波辅助处理结合反复冻融法等。其提取藻脂的效果见表 5，其中超声波辅助处理结合反复冻融

法的效果最好，油脂提取率达到了 20.8%。不同的有机溶剂对微藻总脂提取率的影响如图 2 所示，双溶剂提

取与单溶剂提取相比效果有显著的提高。

表 5 不同破壁处理方法的比较[32]

破壁处理 样品量/g 方法 油脂得率

/%

研磨法 2 添加石英砂

添加液氮

6.5

6.1

反复冻融法 2

-20℃冷冻后室温放置 2h，重复 3 次

-20℃冷冻后煮沸 10min，重复 3 次

-80℃冷冻后煮沸 10min，重复 3 次

5.9

7.2

9.4

超声波破碎法 2

超声波破碎时间 5min

超声波破碎时间 10min

超声波破碎时间 20min

7.4

10.3

12.6

超声波辅助处理

结合反复冻融法 2 冻融数次后超声波破碎 20.8

图 2 不同有机溶剂对总脂提取率的影响[29]

4.2 超临界 CO2 流体萃取法

超临界 CO2 流体萃取（SFE）分离过程原理是利用超临界流体溶解能力与其密度关系，即利用压力和温

度对超临界流体溶解能力影响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离物质接触，使其有选择性

将极性大小、沸点高低和分子量大小成分依次萃取出[24]。超临界 CO2流体萃取法不但油脂提取率高，杂质含

量低，色泽浅，而且可省去后续的减压蒸馏和脱臭等精制工序[33]具有避免产物氧化，不影响萃取物的有效成

份，萃取速度快，使用安全，不污染环境等优势，特别适用于热敏物质和易氧化物质的分离，可有效分离链

长差别较大的脂肪酸。超临界 CO2 流体萃取技术虽然前期设备投资费用较高，但因其工艺简单、步骤少、耗

时短、无溶剂残留、无毒、惰性无氧、常温操作、避免氧化和热分解、利于藻体残渣的后加工等特点而更具

优势[3]。例如程霜等确定了螺旋藻油超临界 CO2 萃取的最佳工艺条件为：萃取压力 25MPa，萃取温度 40℃，

萃取时间 2h，在此条件下螺旋藻油的萃取率为 95.3%（以索氏提取法所得油脂提取率为基准）[34]。

4.3 超声波辅助提取法

超声波提取基本原理是应用超声波强化提取待提取物有效成分，是一种物理破碎过程。超声波对媒质主

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要产生独特机械振动和空化作用。当超声波振动时能产生并传播强大能量，引起媒质质点以快速度和加速度

进入振动状态，使媒质结构发生变化，促使有限成分进入溶剂中；同时在液体中还会发生空化作用，即在有

相当大破坏应力作用下，液体内部形成空化泡现象。另外，超声波许多次级效应如加热、乳化、扩散、击碎、

化学、生物、絮凝效应等也能加速待提取物有效成分在溶剂中扩散稀释，促进其有效成分充分与溶剂混合，

有利于提取[24]。

4.4 索氏提取法

索氏萃取是一种常用的、较简便的油脂萃取方法，但存在萃取时间长，溶剂消耗量大以及再现性差等缺

点[35]。索氏抽提法测定的脂肪为游离脂肪酸，主要是用无水乙醚或石油醚等溶剂提取后蒸去提取液所得的脂

类物质。索氏提取法测定结果较准确，但费时、费试剂，对样品的处理、抽提器、抽提用有机溶剂的要求较

为严格[36]。

4.5 亚临界溶剂提取技术

亚临界溶剂提取技术是一种新的加速萃取技术，其原理是将样品置于密闭容器中加温加压，通过升高压

力提高溶剂的沸点，使溶剂在高于正常沸点的温度下仍处于液态，加速被提取物从原料颗粒基质中解析并快

速进入溶剂[5]，常见的有亚临界乙醇萃取和亚临界水萃取。乙醇可在亚临界条件下较好地从湿藻泥中萃取油

脂，但由于萃取体系含水量大及乙醇对油脂溶解能力仍较低的原因，要实现较高的油脂提取率，乙醇溶剂消

耗量大[37]。亚临界水萃取是指水在略低于临界温度时其极性降低，因此具有类似有机溶剂的性质，对油脂的

溶解性也大大提高；同时，利用高压使水维持在液态，高温促使水快速进入细胞，使胞内脂质萃取至水相；

当体系冷却至室温时，水的极性升高，溶解在水相的油脂与水迅速分层便于收集[38]。

4.6 离子液体提取技术

离子液体是指由有机阳离子和有机或无机阴离子构成的、在室温或室温附近温度下呈液体状态的盐类，

通常也称为室温离子液体，或室温熔盐。离子液体几乎没有蒸气压，不挥发，不易燃烧和爆炸，黏度可以调

节，有良好的热稳定性，在分离过程中不会因为挥发而流失，既节省了原料，又不会污染环境。离子液体是

一种“可设计”的溶剂，可以通过设计离子液体的阴、阳离子来得到我们所需要的某种特性，如酸碱性等[39]。

因为离子液体具有较大的极性可调控性，粘度低，密度大，可以形成二相或多相体系，适合作分离溶剂。通

过阴阳离子的设计可调节其对有机物的溶解性，在有机物的萃取分离方面得到广泛应用[40]。通过调节和改变

其阴阳离子的结构与组成，能够提高离子液体自身的性能并开发出具有特殊功能的离子液体，以满足特定的

分析要求。相对于传统的有机溶剂，离子液体表现出独特的溶剂效应[41]。Roberto Di Salvo 等利用亲水性离子

液体 1-丁基-3-甲基溴化咪唑研究一步法微藻细胞溶解分离油脂工艺。亲水性离子液体溶解微藻细胞壁，并形

成两个不互溶液相。亲水性离子液体与微藻悬浮液混合后，通过离心在上部形成一个亲油性脂肪层，脂肪层

分离后进行纯化；亲水性离子液体回收后用于新的微藻悬浮液细胞溶解。采用亲水性离子液体溶解微藻细胞

温度在 50℃～140℃间，优化温度在 105℃～110℃间[24]。

4.7 脉冲电磁场提取

脉冲电磁场提取主要是通过场作用和电离作用来破碎细胞。对微生物细胞在脉冲电磁场下作用机理的研

究，可以对生命科学领域内（如：细胞融合、给细胞注入离子、细胞内物质的提取、控制细胞对离子的渗透

性蛋白质分离）等亟待解决的问题提供一种新的研究手段。每个细胞膜内外都有一定的电位差，在外加电场

的作用下，膜内外的电位差会增大，通透性会增加，细胞发生渗透，当电磁场达到一定值时，细胞膜就发生

不可修复的破裂，这种现象称电穿孔。同时，由于电磁场是变化的，在极短的时间内，电磁场的频率、强度

都会发生极大的变化，在细胞膜上产生振荡效应。不可逆的电穿孔和激烈的振荡效应能使细胞破裂[42]。

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OriginOil公司的Quantum Fracturing技术将电磁与pH值调节组合在一起，可使海藻细胞壁破裂，从而使细胞中

的油释放出来。该技术采用单一步骤抽提使油从生物质中分离出来，而无需脱水或干燥，对于工业规模生产，

可减少能量使用高达90%，总的能量成本可低达200美元/t海藻油[43]。

4.8 小结

表 6 总结了不同提取方法的提取条件、提取工艺和使用该方法对不同藻种进行提取时的提取效率，从表

中可以看出不同提取方法的油脂提取率差别很大，其中油脂提取率的计算为：油脂提取率（%）=微藻油脂的

质量/干燥藻粉的质量×100%。

表 6 油脂提取方法和提取效率

样品 萃取方

法 操作参数 关键条件

萃取效

率（%）

参考文

献

Nannochloropsis

加速溶

剂

萃取

针对固体和半固体原料，利用有机溶剂进行加速溶剂

萃取是可行的，其操作温度和压力都比较高（50-200 ℃，

10.3-20.6 MPa）。一般从生物里提取脂类物质会使用有机

混合溶剂，如甲醇/氯仿、异丁醇/正己烷等等。

温度：

50-200 ℃

压力：

10.3-20.6

MPa

16.15 [44]

[45]

Chlorella Bligh

and Dyer

将 5 g 藻粉和 25 mL 的甲醇、12.5 mL 的氯仿、5 mL

的水混合均匀。混合物超声处理 40 min。然后将 12.5 mL

的氯仿和 12.5 mL 的硫酸钠溶液（1.5 % w/v）加入到混合

物里超声处理 20 min。整个操作在室温下进行。

温度：

25 ℃

压力：常压

52.5 [46]

Chlorella Chen 法

将 5 g 藻粉与 25 mL 甲醇均匀混合，超声处理 3 min，

然后加入 50 mL 二氯甲烷，再超声处理 27 min。萃取操作

在室温下进行。

温度：

25 ℃

压力：常压

10.9 [46]

Chlorella Folch 法

将 5 g 藻粉与 25 mL 甲醇均匀混合，超声处理 3 min，

然后加入 50 mL 氯仿，再超声处理 27min。萃取操作在室

温下进行。

温度：

25 ℃

压力：常压

16.1 [46]

Chlorella Hara and

Radin

将 5 g 藻粉与 20 mL 异丁醇均匀混合，超声处理 4 min，

然后加入 30 mL 辛烷，再超声处理 56 min。萃取操作在室

温下进行。

温度：

25 ℃

压力：常压

2.2 [46]

Nannochloropsis

oculata

索氏提

取

将 5 g藻粉放在一张Whatmann滤纸上。在渗漏过程中，

脂类物质会被萃取到溶剂里（110 mL 丙酮）。在索氏萃取

装置里将溶剂加热到 120-180 ℃。经历过 8 小时的蒸发、

冷凝和渗漏过程后，将含有有机溶剂和脂类物质的圆底烧

瓶取下，使用旋转蒸发器蒸发得到脂类物质。

温度：

120-180 ℃

压力：常压

11. 92 [46]

[47]

Thamnidium

elegans 酸热法

将 5 g 藻粉和 30 mL 盐酸（4 mol/L）混合均匀，室温

下静置 30 min。将混合物浸入到沸水中保持 3 min，进而在

-20℃下快速冷却。将 60mL 氯仿/甲醇混合溶剂（1：1）加

入到混合物里。搅拌均匀后离心 5 min（5000 r/min）。最

后将氯仿层分出，将氯仿蒸发除去。

温度：常温

压力：常压 7.76 [48]

Nannochloropsis

sp 25

微藻油脂的不同提取方法的优缺点如表7所示：

表 7 微藻油脂提取方法的比较

提取方法 优点 局限性

有机溶剂萃取 使用的溶剂相对便宜，结果是

可重现的

大部分有机溶剂是易燃、有毒

的，溶剂回收昂贵，能量消耗大

超临界 CO2 流体萃取 无毒性，在提取中没有有机溶

剂残留，不易燃，操作简单

能量消耗大，在短时间内扩大规

模困难、昂贵

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表 7 微藻油脂提取方法的比较（续）

超声波辅助提取

提取时间短，溶剂消耗少，溶

剂能更大的渗透进材料中，促

进细胞含有物释放进介质中

能量消耗大，难以扩大规模

索氏提取法 测定结果较准确 萃取时间长，溶剂消耗量大以及

再现性差

亚临界溶剂提取技术 速度快、所耗有机溶剂少、提

油率高 高温高压所消耗的能量较大

离子液体提取技术

有良好的热稳定性，在分离过

程中不会因为挥发而流失，有

较强的有机物溶解性

设计并合成合适的离子液体存

在一定的难度

脉冲电磁场提取 较大程度的减少能量消耗 对其的研究不是很多，实际应用

方面尚需一个发展过程

5 结论

微藻是一种非常有竞争力的生物质原料，利用它可制备具有潜力的可再生清洁替代能源，因此利用微藻

生产生物质燃料不仅具有重要的意义，更具有潜在的应用前景。然而影响其产业化和规模化生产的问题是原

料成本，另外微藻油脂提取是微藻生物能源产业的关键技术。选取油脂含量高的优良藻种是有效提取微藻油

脂的前提，不同的培养条件会对微藻的油脂含量造成影响，因此对不同的培养条件进行研究进而寻找一个最

适的培养条件是提高微藻自身油脂含量的一个有效途径。多数微藻都存在细胞壁结构，在提取油脂前对微藻

细胞进行破壁预处理可有效提高油脂提取效率，不同的油脂提取技术对油脂提取率有很大的影响，因此选取

有效的提取方式并结合细胞破壁预处理是提高油脂提取率的关键。亚临界溶剂提取技术、离子液体提取技术、

脉冲电磁场提取等新兴技术的发展将有效的提高油脂的提取效率。

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【作者简介】

李娅（1988-），女，白族，硕士，研究方向：海藻基替代燃料。Email: liya8825@126.com