冻结–欧姆解冻：一种用于冷榨黑种草油生产的新型预处理策略

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Freeze–ohmic thawing: A novel pretreatment strategy for cold-pressed black cumin oil production

　　

摘要 冷榨是生产高质量植物油的首选技术之一；然而，其相对较低的提取效率仍然是主要的限制因素。尽管冷冻 - 欧姆解冻已被研究作为冷冻食品的快速解冻技术，但其作为冷榨油提取前处理的应用尚未见报道。因此，本研究首次探讨了冷冻 - 解冻 (FT) 和冷冻 - 欧姆解冻 (FOT) 作为预处理策略在提高冷榨黑种草油回收率并保持其质量方面的潜力。在冷榨前对 FT 和 FOT 预处理进行了一、二和三个循环，并从油回收率、理化性质、抗氧化特性、FTIR、香气特征和脂肪酸组成方面对提取的油进行了比较评估。与未处理对照相比，FT 和 FOT 均显著提高了油的回收率。虽然 FT2 将提取产率提高至 51.68 ± 2.21%，但 FOT2 达到了最高的提取产率 (63.11 ± 1.50%)，较对照提高了 41%。FTIR 分析证实，在两种预处理后黑种草油的特征官能团得到了保留。黑种草素得到了大部分保留，仅在 FT2 中略有减少。同样，脂肪酸谱保持稳定，各处理之间无显著差异 (p > 0.05)。这些发现首次证明，冷冻 - 欧姆解冻可以作为冷榨前的预处理成功应用，在显著提高黑种草油回收率的同时，保持其理化、结构和组成质量。

引言 黑种草 (Nigella sativa L.)，一种毛茛科的多年生草本植物，被称为黑种草。黑种草籽含有约 38.20% 的脂肪、20.85% 的蛋白质、7.94% 的粗纤维、31.97% 的碳水化合物、4% 的灰分和 5% 的水分 (Sharma, Mani, Nain, & Satheesh, 2024)。种子被广泛用作各种食品产品中的天然调味剂，以及用于功能性化妆品和药品的制造 (Albakry et al., 2022)。黑种草籽中存在的大量油脂 (25–30%) 已被鉴定为最著名的保健食品之一，具有对人类健康的保护和治愈潜力 (Suri, Singh, Kaur, Yadav, & Singh, 2019)。黑种草籽和油已识别出多种生物作用，如抗氧化、抗菌、抗高血压、抗癌、抗炎、利尿、抗腹泻、食欲刺激剂、镇痛以及治疗皮肤问题。由于其多种药理学、生物学和治疗特性，黑种草被认为是一种重要的药用草本植物。黑种草油主要由具有生物学和药理学活性的化合物组成 (Suri et al., 2019)。由于其富含必需脂肪酸，黑种草已被鉴定为一种高价值的营养油脂来源，可出于健康原因作为传统油料作物的替代品。

从生种子或炒种子中提取油的最常见方法是压榨或应用己烷等溶剂 (Zaky, Shim, & Abd El-Aty, 2021)。传统提取方法主要依赖源自石油的有机溶剂，由于其易燃性、毒性和挥发性而具有危害性 (Ma, Cai, Lu, & Tan, 2025)。由于有机溶剂对环境和人类健康的负面影响，涉及这些溶剂的提取方法已不再受欢迎。近年来，冷榨被称为从水果和油籽中获得油脂的首选方法。与其他提取技术相比，该程序易于应用且通常更经济 (Rathod, Angadi, & Bhavi, 2025)。冷榨有很多优点，然而低油产率阻碍了其在商业上的广泛应用 (Lee et al., 2020)。Gharby 等人 (2015) 报道，当分别使用溶剂萃取和冷榨方法时，油脂提取产率为 37% 和 27%。通过热压可以回收种子中存在的大约 75% 或更多的油脂；然而，尽管与冷榨相比其提取效率更高，但涉及的高温可能会对所得油脂的质量产生不利影响 (Bakhshabadi et al., 2025)。

多项研究集中在新兴技术的应用以提高油产率上。种子油脂的提取已使用超临界流体萃取 (Sovilj, 2010)、超声辅助萃取 (Mushtaq et al., 2020)、微波辅助萃取 (D?browska, Maciejczyk, & Kalemba, 2019) 和酶辅助萃取 (Gaber, Tujillo, Mansour, & Juliano, 2018; Tan, Tan, & Tan, 2020) 等技术进行。

先前的研究表明，种子调理和预处理会影响冷榨黑种草油的回收率和质量 (Ashrafi, Azadmard-Damirchi, & Hesari, 2023)。特别是，微波预处理和水分调理已被报道通过促进油脂释放和改变种子结构来提高油脂提取；然而，处理时间和水分含量需要严格控制，因为过量的辐射或水分可能会对种子完整性和油脂分离产生不利影响 (Agah, Azadmard-Damirchi, & Bodbodak, 2024)。冷冻 - 解冻 (FT) 预处理最近作为油料种子加工的一种有前景的技术引起了人们的关注。冷冻过程中冰晶的形成破坏了植物细胞结构并增加了膜通透性，这可能促进细胞内化合物的释放，从而相应地提高油脂提取产率 (Lee et al., 2020)。在此背景下，冷冻 - 解冻和冷冻 - 欧姆解冻被研究作为替代预处理策略，以促进冷榨前的油脂释放。

欧姆加热是一种新兴的热加工技术，基于由于食品基质的电阻将电能直接转化为热 (Merve Tu??e Tun? & Koca, 2019)。欧姆加热在食品加工应用中获得了越来越多的关注，因为它能够提供快速均匀的加热，减少能耗和加工成本，并保持产品质量 (Merve Tu??e Tun? & Odaba?, 2021)。欧姆辅助加热技术也被评估为冷冻食品传统解冻方法的替代方法。与传统解冻技术相比，欧姆解冻显著缩短了解冻时间，并促进产品内部更均匀的温度分布，从而最大限度地减少质量恶化 (Min, Hong, Chun, & Park, 2016)。此外，该技术具有高能效、使用简单以及适合大规模加工等优点 (Cokgezme & Icier, 2019)。研究欧姆解冻影响的文献主要集中在冷冻海鲜和肉类产品上；然而，近年来，关于冷冻水果和蔬菜解冻的研究也有所增加 (Cokgezme, et al., 2019; Icier, Cokgezme, & Sabanci, 2017)。研究表明，欧姆解冻大大缩短了金枪鱼的解冻期，并最大限度地减少了滴漏损失 (Fattahi & Zamindar, 2020)。欧姆解冻将冷冻酸樱桃汁浓缩物的解冻时间缩短了多达 89% (Cokgezme, et al., 2019)。此外，除了这些优势外，欧姆加热还可以通过施加电场诱导电穿孔，增加细胞膜的通透性并促进细胞内化合物的释放。与常规方法相比，这种效应可以显著提高传质和提取效率 (Merve Tu??e Tun?, et al., 2019)。几项研究已表明欧姆加热辅助工艺对植物组织的微观结构影响。例如，与蒸汽加热相比，欧姆加热辅助从黑米糠中提取花青素导致细胞壁破坏更大且提取产率更高 (Loypimai, Moongngarm, Chottanom, & Moontree, 2015)。同样，精油提取研究中的扫描电子显微镜分析显示，与常规水蒸气蒸馏相比，欧姆加热辅助水蒸气蒸馏促进了分泌通道的更广泛开放和细胞壁的变薄，从而在更短的加工时间内获得更高的油脂产率 (Seidi Damyeh & Niakousari, 2016)。将这种结构软化效应与快速均匀的欧姆解冻相结合，可以进一步提高提取效率和油脂产率，代表了一种高质量的油脂回收新策略。尽管有这些令人鼓舞的发现，但冷冻 - 欧姆解冻作为冷榨油提取前预处理的应用尚未被探索。

冷榨因能保持植物油的营养和感官质量而被广泛认可；然而，其相对较低的提取效率仍然是一个主要挑战。因此，开发能够在不影响油脂质量的情况下提高油脂回收率的预处理策略具有重要的科学和工业兴趣。因此，本研究旨在首次调查冷冻 - 解冻 (FT) 和冷冻 - 欧姆解冻 (FOT) 预处理对冷榨黑种草籽油的效率和质量特性的影响。系统地评估了不同预处理循环 (1、2 和 3) 对提取效率、理化质量、抗氧化特性、香气特征、FTIR 特性和脂肪酸组成的影响。此外，将 FT 和 FOT 预处理的效力与传统冷榨以及彼此之间进行了比较，以确定它们作为新颖和环保预处理方法的潜力。这些发现提供了首次证据，证明冷冻 - 欧姆解冻作为一种可持续的过程强化策略，用于改善冷榨油生产的可行性。

章节片段
材料 黑种草籽 (Ba?dat Baharat, ?stanbul, Türkiye) 购自土耳其当地市场。所有化学品和试剂均为分析纯。分析了黑种草籽的水分和油脂含量。称取约 3 g 每个样品于预称重的容器中，并在 105 °C 下干燥至恒重以测定种子水分。水分含量使用以下方程通过重量法计算：
干物质，% = (最终重量 g - 皮重 g) / 样品重量 g × 100
总油脂含量
油脂产率
黑种草籽的干物质和油脂含量测定为 94.47 ± 0.03% 和 32.99 ± 0.38%。据报道，N. sativa 种子的水分和油脂含量差异很大，分别范围在 3.8 到 7.0% 和 22.0–40.35%，这取决于原料特性和生长条件 (Choudhury et al., 2023)。同样，据报道基因型之间存在差异，种子油脂含量范围从 28.8% 到 38.7%，表明基因型和生长条件

结论 冷榨因生产高质量食用油而被广泛首选，尽管其油脂回收通常有限。因此，本研究探讨了冷冻 - 解冻和冷冻 - 欧姆解冻作为预处理，以提高黑种草籽的油脂回收率同时保持油脂质量。结果表明，与未处理冷榨相比，应用 1、2 和 3 个循环的冷冻 - 解冻和冷冻 - 欧姆解冻预处理增加了油脂含量和提取产率。其中

CRediT 作者贡献声明
Merve Tu??e Tun?：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，方法学，资金获取，概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本论文中报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢格穆什亚内大学为本研究提供的财政支持 (项目 BAP 资助编号 22.F5115.01.04)。

Merve Tu??e Tun?
格穆什亚内大学，工程与自然科学学院，食品工程系，土耳其格穆什亚内