一种富含花青素的固体饮料的工艺研究

王慕文，姚黄兵，张 振，*孙汉巨，何述栋，金日生，沈 源，沈 阳

（1.农产品生物化工教育部工程研究中心，合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽达园粮油有限公司，安徽 宿州 234200）

黑米（Black rice）又称紫米、血米或乌米，属糯米类。其粒型有“籼、粳”2种，粒质包括糯性和非糯性[1]。黑米中富含碳水化合物、蛋白质、维B和维E，以及钙、磷、钾、镁、铁和锌等矿物元素，各成分的比例较普通大米更为合理。因含有丰富的花青素（最高达2.2%），黑米具有抗氧化、促进益生菌增长、缓解老年痴呆症、改善视力及抗肿瘤作用[2-4]。

黑芝麻为胡麻科芝麻的黑色种子，含油量高达45%～63%，具有浓郁的香气，适中的味道和风味[5]。黑芝麻含有碳水化合物、蛋白质、矿物质（钙、磷及铁等）、色氨酸、蛋氨酸和多不饱和脂肪酸（油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸及花生酸等），并且富含维B和维E[6]。此外，还含有木脂素、类黄酮、酚类、皂苷等多种活性成分，具有抗氧化、抗肿瘤、清除胆固醇、降血脂及调节血糖等保健功效。还具有延年益寿的效果，是良好的滋补品[7-8]。

黑豆中含有许多对人体有益的营养成分，包括糖类、蛋白质、脂质、多种维生素及矿物元素等。黑豆还含有蛋黄素、黑色素及卵磷脂，且有延缓衰老、降低血液黏度的作用。黑豆皮中含有花色苷、酚酸和异黄酮等抗氧化活性成分，是天然的抗氧化剂来源[9]。黑玉米是玉米的特殊种类，含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物和维生素。另外，黑玉米含有酚类及类黄酮类化合物，具有良好的抗氧化及抑菌作用[10]。黑木耳是传统的食用真菌，富含碳水化合物、蛋白质、维生素，以及钙、铁、锌、锰等矿物元素。黑木耳还含有多酚、黄酮类化合物及黑色素等多种活性成分，具有抗氧化、抗炎和降血糖等多种作用[11]。黑枣中蛋白质、还原糖、维生素及氨基酸含量丰富，是多种食品、饮料和保健品的理想原料。同时，因富含多种酚类化合物（没食子酸、没食子酸甲酯、倍酸甲酯、单宁酸、鞣花酸、槲皮素、杨梅素和山萘酚等），黑枣具有良好的抗氧化、抗肿瘤、抑制人类免疫缺陷病毒（HIV）和镇静等作用[12]。

随着时代的发展，功能性及保健饮料逐渐受到消费者的青睐。然而，目前针对中老年人群的纯天然功能性饮料较少。以黑米、黑芝麻、黑豆、黑玉米、黑木耳、黑枣和乳粉为原料，麦芽糊精为增稠剂，木糖醇为甜味剂，针对中老年人群开发一款具有抗氧化、促消化和降血糖等功能的固体饮料。以原料中花青素保留率、淀粉糊化度、溶解度和膨胀度为评价指标，优化原料烘烤条件，并从感官品质方面优化该饮料配方，以期解决烘烤过程中花青素的大量损失、淀粉品质下降导致的人体吸收差和烘烤造成的苦味，为富含花青素的固体饮料的开发提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验原料

黑米，涞水县金谷粮油食品有限公司提供；黑芝麻，安徽达园粮油有限公司提供；黑豆、黑玉米、黑木耳及黑枣，均为市售；麦芽糊精、木糖醇，河南万邦实业有限公司提供；乳粉，光明乳业股份有限公司提供；X-5型大孔树脂，天津市光复精细化工研究所提供；淀粉酶（4 000 U/g），北京索莱宝科技有限公司提供；柠檬酸（食品级）、ZnSO4·7H2O、氢氧化钠、碳酸钠、酒石酸、硫酸铜、钼酸、钨酸钠及正磷酸，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2 主要仪器设备

HH-2型电热恒温水浴锅，常州朗悦仪器制造有限公司产品；UV-4802型双光束紫外可见分光光度计，尤尼柯（上海）仪器有限公司产品；BT457A5型电子天平，上海良平仪器仪表有限公司产品；800Y型高速多功能粉碎机，永康市铂欧五金制品有限公司产品；SAM-501型电气层炉，无锡市双麦机械有限公司产品；LGJ-12型真空冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司产品；KRT-NT-2-1型多功能膜设备，合肥科锐特环保工程有限公司产品；RE-52AA型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂产品；XMTD-8222型电热鼓风恒温干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品。

1.3 工艺流程

1.4 操作要点

（1）原料挑选。选择无机械损伤、无霉变及无病害的黑米、黑玉米、黑芝麻、黑豆、黑木耳及黑枣。

（2）黑米、黑玉米、黑芝麻及黑豆处理。将筛选得到的黑米、黑玉米、黑芝麻及黑豆分别在确定条件下烘烤后，用高速多功能粉碎机粉碎至其平均粒度≥100目。

（3）黑枣处理。将筛选得到的黑枣去核、切片（厚度为2～3 mm）并置于鼓风干燥箱中，在100℃下烘烤至水分含量≤5%为止。黑枣中水分的测定参照《GB/T 5009.3-食品安全国家标准 食品中水分的测定》[13]。用高速多功能粉碎机将干燥的黑枣粉碎至平均粒度≥100目。黑枣粉应立即装袋密封备用，避免吸水结块。

（4）黑木耳处理。黑木耳用高速多功能粉碎机粉碎至其平均粒度≥100目。

（5）调配。将各原料按比例进行调配，混合均匀。

（6）混合。按确定的比例加入麦芽糊精、木糖醇及乳粉与充分粉碎后的其他物料混合均匀。

（7）包装。将成品按每袋30 g进行定量包装。

1.5 试验方法

1.5.1 烘烤条件对原料花青素保留率的影响

黑豆和黑芝麻的烘烤条件参考文献确定[14-15]。取不同条件下烘烤的黑米和黑玉米各100 g，花青素保留率根据章萍萍[16]的方法测得。黑米的烘烤温度为150℃，烘烤时间设定为5，10，15，20，25 min；黑玉米的烘烤温度为210℃；烘烤时间设定为5，6，7，8，9 min。烘烤结束后分别测定不同样品的花青素保留率。

1.5.2 烘烤条件对原料中淀粉性质的影响

黑米和黑玉米淀粉的提取参考王萍等人[17]的方法，采用酶法与超声波结合提取淀粉。原料烘烤条件与1.5.1相同。

淀粉糊化度的测定参考李云龙等人[18]的方法，稍加修改。准确称取0.15 g样品，加入15 mL缓冲液，混合均匀后沸水浴1 h，为全糊化样品。待测样品为不同烘烤条件下相同质量的淀粉，样品加入1 mL酶液，40℃下水浴30 min。按照相同的操作制作空白对照组。向样品中加入10%ZnSO4·7H2O溶液2 mL和0.5 mol/L NaOH溶液1 mL，用水定容至25 mL，混合均匀。准确吸取0.1 mL溶液于试管中并加入2 mL铜试剂，100℃水浴加热2 min后加入2 mL磷钼酸，再置于100℃水浴加热2 min，加水定容至25 mL，混合均匀，于波长420 nm处测定其吸光度。根据公式（1）计算淀粉糊化度。

式中：A——淀粉糊化度，%；

A0——空白对照吸光度；

A1——全糊化样品吸光度；

A2——待测样品吸光度。

溶解度和膨胀度的测定：淀粉溶解度即在一定温度下淀粉分子溶解质量的百分比。膨胀度指每克干淀粉在一定温度下吸水质量数。淀粉溶解度和膨胀度测定参考李明菲等人[19]方法，并加以改善。称取0.2 g淀粉样品，配制成2%的溶液10 mL；80℃的水浴加热并搅拌30 min，冷却后，以转速3 000 r/min离心15 min；取上清液，并置于鼓风干燥箱中于105℃下烘干称重，即得到水溶性淀粉质量；沉淀同样称重，为膨胀淀粉。试验完成后分别根据公式（2）和（3）计算淀粉样品溶解度和膨胀度。

式中：B——淀粉的溶解度，%；

B1——淀粉样品的质量，g；

B2——水溶性淀粉的质量，g。

式中：C——淀粉的膨胀度，%；

C1——膨胀淀粉的质量，g；

B——淀粉的溶解度，%；

B1——淀粉样品的质量，g。

1.5.3 产品配方优化试验

（1）麦芽糊精用量对产品分散性及黏稠度的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g。按照规定的原料配方称取5份样品，再向样品中分别加入2.4，2.7，3.0，3.3，3.6 g麦芽糊精。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。对产品的分散性及黏稠度进行分析评价，确定麦芽糊精的最佳用量。

（2）木糖醇用量对产品品质的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入2，3，4，5，6 g木糖醇。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。根据感官品质，确定木糖醇的最佳用量。

（3）乳粉用量对产品品质的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，木糖醇4 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 g乳粉。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。综合分析产品的香气、色泽及滋味等感官品质，确定乳粉的最佳用量。

（4）黑米用量对产品品质的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑豆4 g，黑玉米5 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入2，3，4，5，6 g黑米。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。根据感官品质，确定黑米的最佳用量。

（5）黑芝麻用量对产品品质的影响。固定添加黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入5，6，7，8，9 g黑芝麻。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。根据感官品质，确定黑芝麻的最佳用量。

（6）黑豆用量对产品品质的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑玉米4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入2，3，4，5，6 g黑豆。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。根据感官品质，确定黑豆的最佳用量。

（7）黑玉米用量对产品品质的影响。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑枣1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麦芽糊精3 g。按固定原料配方称取5份样品，向样品中分别加入2，3，4，5，6 g黑玉米。以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。根据感官品质，确定黑玉米的最佳用量。

（8）产品配方的正交试验。在上述单因素试验的基础上，采用L9（34）正交试验，确定固体饮料的最佳配方。选择黑芝麻、黑豆、黑玉米及黑米用量作为因素。

原料用量正交试验的因素与水平设计见表1。

表1 原料用量正交试验的因素与水平设计/g

由表1可知，因素及水平分别为黑芝麻（6.5，7.0，7.5 g），黑豆（3.5，4.0，4.5 g），黑玉米（4.5，5.0，5.5 g）及黑米（2.5，3.0，3.5 g）。正交试验中其他原料的用量固定为黑枣1 g，黑木耳1 g，麦芽糊精3 g，乳粉2 g及木糖醇4 g，并以固体物料与80℃热水质量比为1∶1.5的比例，将样品进行冲泡。

1.5.4 感官评价标准

感官评定标准见表2。

表2 感官评定标准

选取8名感官评价人员，按照表2的评分标准，分别从色泽、香味、滋味与口感、组织形态与黏稠度、溶解性与稳定性5个方面，对产品进行评分。最终结果取所有人感官评分平均值（满100分）。

1.5.5 数据处理

采用Origin 2021软件进行处理数据。

2 结果与分析

2.1 烘烤条件对原料品质的影响

烘烤温度对黑米（a）和黑玉米（b）花青素保留率的影响见图1。

图1 烘烤温度对黑米（a）和黑玉米（b）花青素保留率的影响

由图1可知，随烘烤时间的延长，花青素的保留率呈下降趋势，且降幅较大，变化趋势与烘烤时间的变化呈负相关关系。花青素的变化可解释如下：一方面，花青素不稳定，在高温条件下，随着时间的延长，其逐渐被氧化分解[20]；另一方面，当温度升高至60℃时，花青素会发生结构变化，并以查尔酮式结构存在，其稳定性下降，颜色也发生变化[21-22]。

烘烤时间对黑米（a）和黑玉米（b）淀粉糊化度的影响见图2。

由图2可知，随着烘烤时间的延长，黑米和黑玉米淀粉的糊化度都呈现出先快速增长后逐渐平稳的趋势。在加热时间到达15 min后，黑米淀粉的糊化度上升缓慢，逐渐趋于平稳；加热7 min后，黑玉米淀粉的糊化度也增长缓慢，趋于平稳。富含淀粉食品经过加热、烘烤及膨化等处理后，其淀粉经过糊化作用（α-化），转化为α-淀粉，容易被人体消化及吸收。高温烘烤使淀粉分子振动剧烈，分子间氢键断裂。后期糊化过程中，断裂的氢键更容易与水分子结合。水分子的进入使更长的淀粉链段分离，增加了淀粉分子结构的无序性，并减少了结晶区域，淀粉更容易糊化。糊化可以提高淀粉吸收水分的能力，使酶能够水解淀粉，从而提高淀粉的消化率。

图2 烘烤时间对黑米（a）和黑玉米（b)淀粉糊化度的影响

烘烤时间对黑米和黑玉米淀粉溶解度和膨胀度的影响见图3。

由图3可知，随烘烤时间的延长，黑米和黑玉米淀粉的溶解度呈现出先快速增长后趋于平稳的趋势。因为随着温度的上升，淀粉的微晶束结构开始松动；溶解度代表了淀粉与水的结合能力，淀粉的分子结构、直链淀粉含量和颗粒大小都会影响淀粉溶解度[23]。淀粉的膨胀度与支链淀粉有关，支链淀粉含量越多，其颗粒中螺旋结构就越多，淀粉的膨胀度越大。随着烘烤时间的延长，黑米和黑玉米淀粉膨胀度缓慢增长。在高温烘烤后，淀粉分子加速糊化，淀粉膨胀度因此得到提升。

图3 烘烤时间对黑米（a）和黑玉米（b）淀粉溶解度和膨胀度的影响

综合考虑烘烤对原料中花青素保留率，淀粉糊化度、溶解度和膨胀度的影响，黑米和黑玉米的烘烤条件确定为150℃，15 min；210℃，7 min。在150℃下烘烤15 min，黑米花青素保留率下降幅度较小，黑米淀粉糊化度达到96%。在210℃下烘烤7 min，黑玉米花青素的保留率为81%，其淀粉糊化度为95%。

2.2 麦芽糊精用量对产品分散性及黏稠度的影响

麦芽糊精用量对产品分散性及黏稠度的影响见图4。

图4 麦芽糊精用量对产品分散性及黏稠度的影响

由图4可知，随着麦芽糊精用量的增加，产品感官品质呈现先上升后下降的趋势。在用量为3 g时，获得最佳感官品质（85分）。随后，用量进一步增大，产品的感官品质快速下降。固体饮料的增稠剂需要有即溶性、口感佳等特性。麦芽糊精因其无异味、易消化、易溶解、稳定性好、不易吸潮、增稠性强的特性被应用于多种食品。麦芽糊精可以增强产品的黏稠度，提高产品的稳定性和口感。然而，随着用量的进一步增大，产品的黏稠度过大，导致其稳定性及适口性下降。因此，麦芽糊精用量确定为3 g。

2.3 木糖醇用量对产品品质的影响

木糖醇用量对产品品质的影响见图5。

图5 木糖醇用量对产品品质的影响

由图5可知，随木糖醇用量的不断增大，产品的感官品质快速上升；当用量为4 g时，感官品质最佳（96分）；之后，虽然用量继续增大，产品的感官品质且逐渐下降。木糖醇对产品品质的影响可分析如下。木糖醇是国际公认的具有营养价值的甜味物质，甜度接近蔗糖，可以作为糖尿病人的辅助治疗剂，在体内的代谢不需要胰岛素参与，不会引起血糖水平波动；因其热量值低，也被应用于减肥产品等。作为针对中老年人的固体饮料，木糖醇替代白砂糖作为甜味剂能够扩大产品的受试群体。木糖醇具有清凉的口感和一定的甜度，适量添加可以提升产品的口感；添加过量则会导致产品甜度过高，适口性变差。此外，木糖醇摄入过量会引起肠胃不适，因为肠胃对木糖醇的吸收较慢而渗透压不平衡，需控制木糖醇的摄入量。因此，木糖醇用量确定为4 g。

2.4 乳粉用量对产品品质的影响

乳粉用量对产品品质的影响见图6。

图6 乳粉用量对产品品质的影响

由图6可知，随着乳粉用量的增加，产品的香味及滋味逐渐提高，色泽则基本保持不变；在用量为2 g时，感官品质最佳（81分）；随后，用量继续增大，感官品质逐渐下降。整个变化趋势可分析如下。乳粉中含有碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素和无机盐等营养成分。适量摄入奶粉可以补充每日膳食摄入的不足，有益于中老年人的身体健康。乳粉的加入可以提升产品在色泽、香味和滋味等方面的品质。乳粉用量小于2 g时，随着用量的增加，产品的奶香味不断变浓，感官品质不断上升；当用量超过2 g，其奶香味逐渐掩盖产品的芝麻香味，品质下降；随着乳粉用量的增多，产品的甜度也不断升高；当超过2 g时，产品过甜，适口性变差。因此，乳粉用量确定为2 g。

2.5 黑芝麻、黑豆、黑玉米和黑米用量对产品品质的影响

黑芝麻、黑豆、黑玉米及黑米用量对产品感官品质的影响见图7。

由图7（a）可知，随着黑芝麻用量的增大，产品的感官品质快速上升，在用量为7 g时，感官品质最佳（85分）；随后，用量继续增加，产品感官品质逐渐降低。因为黑芝麻用量过低时芝麻香味不明显，过多则苦味增强。用量低于7 g时，香味不足，品质不佳；用量高于7 g时，苦味加深，品质不佳。因此，黑芝麻用量确定为7 g。

图7 黑芝麻（a）、黑豆（b）、黑玉米（c）及黑米（d）用量对产品感官品质的影响

由图7（b）可知，随着黑豆用量的增大，产品的感官品质呈现先快速上升后快速下降的趋势，在黑豆用量为4 g时，感官品质最佳（85分）；随后，用量继续增加，产品感官品质逐渐下降。因为在黑豆用量过低时，产品无豆香味，添加过多会使豆腥味加深。黑豆用量小于4 g时，产品豆香味稀薄，品质不佳；当用量大于4 g时，产品豆腥味加深，品质也下降。综合考虑，黑豆用量确定为4 g。

由图7（c）可知，随着黑玉米添加量的增加，在2～5 g感官品质呈上升趋势，且增幅较大；在5～6 g呈下降趋势，且在用量为5 g时感官品质最佳（92分）。黑玉米对产品品质的影响可分析如下。适量的用黑玉米可以提高产品的均一性和口感。添加过少则产品稀薄，均一性差；添加过多则会导致口感粗糙。当黑玉米用量小于5 g时，产品稀薄，感官品质不佳；当用量大于5 g时，产品口感粗糙，品质不佳。因此，黑玉米用量确定为5 g。

由图7（d）可知，随着黑米用量的增大，产品的感官品质先上升后快速下降，在黑米用量为3 g时感官品质最佳（95分）。黑米的添加主要是提升产品的色泽和黏稠度，适量添加黑米可以使产品色泽黑亮，稠度适口；添加量过少会导致产品颜色暗淡，过多则会造成产品过稠，适口性变差。当黑米用量小于3 g时，产品的色泽暗淡，感官品质不佳；当用量大于3 g时，产品过稠，感官品质也不佳。因此，黑米用量确定为3 g。

2.6 产品配方的正交试验

正交试验结果分析见表3。

表3 正交试验结果分析

在上述单因素试验的基础上，采用L9（34）正交试验对产品配方进行优化。黑芝麻、黑豆、黑玉米和黑米用量是影响产品感官品质的重要因素。由表3可知，极差R3>R4>R1>R2，故影响饮料质量的因素的主次顺序为C>D>A>B。在黑芝麻、黑豆、黑玉米及黑米用量因素中，K2、K2、K2及K3分别最高。四者的最佳组合为A2B2C2D3，即黑芝麻7 g，黑豆4 g，黑玉米5 g，黑米3.5 g。最终，固体饮料配方折合添加量为黑芝麻23.33%，黑豆11.67%，黑玉米16.67%，黑米11.67%，黑木耳3.33%，黑枣3.33%，木糖醇13.33%，麦芽糊精10%，乳粉6.67%。

3 结论

以黑米、黑芝麻、黑豆、黑玉米、黑木耳、黑枣、麦芽糊精、木糖醇和乳粉为原料，开发出一款适合中老年人的富含花青素的固体饮料。通过探究预处理对原料中花青素保留率，淀粉糊化度、溶解度及膨胀度的影响，优化了原料烘烤条件。黑米、黑玉米、黑芝麻和黑豆的烘烤条件分别为150℃，15 min；210℃，7 min；140℃，9 min；130℃，15 min。在此基础上，以产品的感官品质为指标，依次通过单因素和L9（34）正交试验，优化了产品配方，其结果为黑芝麻23.33%，黑豆11.67%，黑玉米16.67%，黑米11.67%，黑木耳3.33%，黑枣3.33%，木糖醇13.33%，麦芽糊精10%，乳粉6.67%。该固体饮料口感纯正，组织均匀细腻，富含花青素及多种营养成分，适合中老年人群食用，具有广阔的市场前景。