一種富含花青素的固體飲料的工藝研究

王慕文，姚黃兵，張 振，*孫漢巨，何述棟，金日生，沈 源，沈 陽

（1.農產品生物化工教育部工程研究中心，合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽達園糧油有限公司，安徽 宿州 234200）

黑米（Black rice）又稱紫米、血米或烏米，屬糯米類。其粒型有“秈、粳”2種，粒質包括糯性和非糯性[1]。黑米中富含碳水化合物、蛋白質、維B和維E，以及鈣、磷、鉀、鎂、鐵和鋅等礦物元素，各成分的比例較普通大米更為合理。因含有豐富的花青素（最高達2.2%），黑米具有抗氧化、促進益生菌增長、緩解老年癡呆癥、改善視力及抗腫瘤作用[2-4]。

黑芝麻為胡麻科芝麻的黑色種子，含油量高達45%～63%，具有濃郁的香氣，適中的味道和風味[5]。黑芝麻含有碳水化合物、蛋白質、礦物質（鈣、磷及鐵等）、色氨酸、蛋氨酸和多不飽和脂肪酸（油酸、亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸及花生酸等），并且富含維B和維E[6]。此外，還含有木脂素、類黃酮、酚類、皂苷等多種活性成分，具有抗氧化、抗腫瘤、清除膽固醇、降血脂及調節血糖等保健功效。還具有延年益壽的效果，是良好的滋補品[7-8]。

黑豆中含有許多對人體有益的營養成分，包括糖類、蛋白質、脂質、多種維生素及礦物元素等。黑豆還含有蛋黃素、黑色素及卵磷脂，且有延緩衰老、降低血液黏度的作用。黑豆皮中含有花色苷、酚酸和異黃酮等抗氧化活性成分，是天然的抗氧化劑來源[9]。黑玉米是玉米的特殊種類，含有豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物和維生素。另外，黑玉米含有酚類及類黃酮類化合物，具有良好的抗氧化及抑菌作用[10]。黑木耳是傳統的食用真菌，富含碳水化合物、蛋白質、維生素，以及鈣、鐵、鋅、錳等礦物元素。黑木耳還含有多酚、黃酮類化合物及黑色素等多種活性成分，具有抗氧化、抗炎和降血糖等多種作用[11]。黑棗中蛋白質、還原糖、維生素及氨基酸含量豐富，是多種食品、飲料和保健品的理想原料。同時，因富含多種酚類化合物（沒食子酸、沒食子酸甲酯、倍酸甲酯、單寧酸、鞣花酸、槲皮素、楊梅素和山萘酚等），黑棗具有良好的抗氧化、抗腫瘤、抑制人類免疫缺陷病毒（HIV）和鎮靜等作用[12]。

隨著時代的發展，功能性及保健飲料逐漸受到消費者的青睞。然而，目前針對中老年人群的純天然功能性飲料較少。以黑米、黑芝麻、黑豆、黑玉米、黑木耳、黑棗和乳粉為原料，麥芽糊精為增稠劑，木糖醇為甜味劑，針對中老年人群開發一款具有抗氧化、促消化和降血糖等功能的固體飲料。以原料中花青素保留率、淀粉糊化度、溶解度和膨脹度為評價指標，優化原料烘烤條件，并從感官品質方面優化該飲料配方，以期解決烘烤過程中花青素的大量損失、淀粉品質下降導致的人體吸收差和烘烤造成的苦味，為富含花青素的固體飲料的開發提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

黑米，淶水縣金谷糧油食品有限公司提供；黑芝麻，安徽達園糧油有限公司提供；黑豆、黑玉米、黑木耳及黑棗，均為市售；麥芽糊精、木糖醇，河南萬邦實業有限公司提供；乳粉，光明乳業股份有限公司提供；X-5型大孔樹脂，天津市光復精細化工研究所提供；淀粉酶（4 000 U/g），北京索萊寶科技有限公司提供；檸檬酸（食品級）、ZnSO4·7H2O、氫氧化鈉、碳酸鈉、酒石酸、硫酸銅、鉬酸、鎢酸鈉及正磷酸，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.2 主要儀器設備

HH-2型電熱恒溫水浴鍋，常州朗悅儀器制造有限公司產品；UV-4802型雙光束紫外可見分光光度計，尤尼柯（上海）儀器有限公司產品；BT457A5型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司產品；800Y型高速多功能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司產品；SAM-501型電氣層爐，無錫市雙麥機械有限公司產品；LGJ-12型真空冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司產品；KRT-NT-2-1型多功能膜設備，合肥科銳特環保工程有限公司產品；RE-52AA型旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠產品；XMTD-8222型電熱鼓風恒溫干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產品。

1.3 工藝流程

1.4 操作要點

（1）原料挑選。選擇無機械損傷、無霉變及無病害的黑米、黑玉米、黑芝麻、黑豆、黑木耳及黑棗。

（2）黑米、黑玉米、黑芝麻及黑豆處理。將篩選得到的黑米、黑玉米、黑芝麻及黑豆分別在確定條件下烘烤后，用高速多功能粉碎機粉碎至其平均粒度≥100目。

（3）黑棗處理。將篩選得到的黑棗去核、切片（厚度為2～3 mm）并置于鼓風干燥箱中，在100℃下烘烤至水分含量≤5%為止。黑棗中水分的測定參照《GB/T 5009.3-食品安全國家標準 食品中水分的測定》[13]。用高速多功能粉碎機將干燥的黑棗粉碎至平均粒度≥100目。黑棗粉應立即裝袋密封備用，避免吸水結塊。

（4）黑木耳處理。黑木耳用高速多功能粉碎機粉碎至其平均粒度≥100目。

（5）調配。將各原料按比例進行調配，混合均勻。

（6）混合。按確定的比例加入麥芽糊精、木糖醇及乳粉與充分粉碎后的其他物料混合均勻。

（7）包裝。將成品按每袋30 g進行定量包裝。

1.5 試驗方法

1.5.1 烘烤條件對原料花青素保留率的影響

黑豆和黑芝麻的烘烤條件參考文獻確定[14-15]。取不同條件下烘烤的黑米和黑玉米各100 g，花青素保留率根據章萍萍[16]的方法測得。黑米的烘烤溫度為150℃，烘烤時間設定為5，10，15，20，25 min；黑玉米的烘烤溫度為210℃；烘烤時間設定為5，6，7，8，9 min。烘烤結束后分別測定不同樣品的花青素保留率。

1.5.2 烘烤條件對原料中淀粉性質的影響

黑米和黑玉米淀粉的提取參考王萍等人[17]的方法，采用酶法與超聲波結合提取淀粉。原料烘烤條件與1.5.1相同。

淀粉糊化度的測定參考李云龍等人[18]的方法，稍加修改。準確稱取0.15 g樣品，加入15 mL緩沖液，混合均勻后沸水浴1 h，為全糊化樣品。待測樣品為不同烘烤條件下相同質量的淀粉，樣品加入1 mL酶液，40℃下水浴30 min。按照相同的操作制作空白對照組。向樣品中加入10%ZnSO4·7H2O溶液2 mL和0.5 mol/L NaOH溶液1 mL，用水定容至25 mL，混合均勻。準確吸取0.1 mL溶液于試管中并加入2 mL銅試劑，100℃水浴加熱2 min后加入2 mL磷鉬酸，再置于100℃水浴加熱2 min，加水定容至25 mL，混合均勻，于波長420 nm處測定其吸光度。根據公式（1）計算淀粉糊化度。

式中：A——淀粉糊化度，%；

A0——空白對照吸光度；

A1——全糊化樣品吸光度；

A2——待測樣品吸光度。

溶解度和膨脹度的測定：淀粉溶解度即在一定溫度下淀粉分子溶解質量的百分比。膨脹度指每克干淀粉在一定溫度下吸水質量數。淀粉溶解度和膨脹度測定參考李明菲等人[19]方法，并加以改善。稱取0.2 g淀粉樣品，配制成2%的溶液10 mL；80℃的水浴加熱并攪拌30 min，冷卻后，以轉速3 000 r/min離心15 min；取上清液，并置于鼓風干燥箱中于105℃下烘干稱重，即得到水溶性淀粉質量；沉淀同樣稱重，為膨脹淀粉。試驗完成后分別根據公式（2）和（3）計算淀粉樣品溶解度和膨脹度。

式中：B——淀粉的溶解度，%；

B1——淀粉樣品的質量，g；

B2——水溶性淀粉的質量，g。

式中：C——淀粉的膨脹度，%；

C1——膨脹淀粉的質量，g；

B——淀粉的溶解度，%；

B1——淀粉樣品的質量，g。

1.5.3 產品配方優化試驗

（1）麥芽糊精用量對產品分散性及黏稠度的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g。按照規定的原料配方稱取5份樣品，再向樣品中分別加入2.4，2.7，3.0，3.3，3.6 g麥芽糊精。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。對產品的分散性及黏稠度進行分析評價，確定麥芽糊精的最佳用量。

（2）木糖醇用量對產品品質的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入2，3，4，5，6 g木糖醇。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。根據感官品質，確定木糖醇的最佳用量。

（3）乳粉用量對產品品質的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，木糖醇4 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 g乳粉。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。綜合分析產品的香氣、色澤及滋味等感官品質，確定乳粉的最佳用量。

（4）黑米用量對產品品質的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑豆4 g，黑玉米5 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入2，3，4，5，6 g黑米。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。根據感官品質，確定黑米的最佳用量。

（5）黑芝麻用量對產品品質的影響。固定添加黑米4 g，黑豆4 g，黑玉米4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入5，6，7，8，9 g黑芝麻。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。根據感官品質，確定黑芝麻的最佳用量。

（6）黑豆用量對產品品質的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑玉米4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入2，3，4，5，6 g黑豆。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。根據感官品質，確定黑豆的最佳用量。

（7）黑玉米用量對產品品質的影響。固定添加黑芝麻7 g，黑米4 g，黑豆4 g，黑棗1 g，黑木耳1 g，乳粉2 g，木糖醇4 g，麥芽糊精3 g。按固定原料配方稱取5份樣品，向樣品中分別加入2，3，4，5，6 g黑玉米。以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。根據感官品質，確定黑玉米的最佳用量。

（8）產品配方的正交試驗。在上述單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗，確定固體飲料的最佳配方。選擇黑芝麻、黑豆、黑玉米及黑米用量作為因素。

原料用量正交試驗的因素與水平設計見表1。

表1 原料用量正交試驗的因素與水平設計/g

由表1可知，因素及水平分別為黑芝麻（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）。正交試驗中其他原料的用量固定為黑棗1 g，黑木耳1 g，麥芽糊精3 g，乳粉2 g及木糖醇4 g，并以固體物料與80℃熱水質量比為1∶1.5的比例，將樣品進行沖泡。

1.5.4 感官評價標準

感官評定標準見表2。

表2 感官評定標準

選取8名感官評價人員，按照表2的評分標準，分別從色澤、香味、滋味與口感、組織形態與黏稠度、溶解性與穩定性5個方面，對產品進行評分。最終結果取所有人感官評分平均值（滿100分）。

1.5.5 數據處理

采用Origin 2021軟件進行處理數據。

2 結果與分析

2.1 烘烤條件對原料品質的影響

烘烤溫度對黑米（a）和黑玉米（b）花青素保留率的影響見圖1。

圖1 烘烤溫度對黑米（a）和黑玉米（b）花青素保留率的影響

由圖1可知，隨烘烤時間的延長，花青素的保留率呈下降趨勢，且降幅較大，變化趨勢與烘烤時間的變化呈負相關關系。花青素的變化可解釋如下：一方面，花青素不穩定，在高溫條件下，隨著時間的延長，其逐漸被氧化分解[20]；另一方面，當溫度升高至60℃時，花青素會發生結構變化，并以查爾酮式結構存在，其穩定性下降，顏色也發生變化[21-22]。

烘烤時間對黑米（a）和黑玉米（b）淀粉糊化度的影響見圖2。

由圖2可知，隨著烘烤時間的延長，黑米和黑玉米淀粉的糊化度都呈現出先快速增長后逐漸平穩的趨勢。在加熱時間到達15 min后，黑米淀粉的糊化度上升緩慢，逐漸趨于平穩；加熱7 min后，黑玉米淀粉的糊化度也增長緩慢，趨于平穩。富含淀粉食品經過加熱、烘烤及膨化等處理后，其淀粉經過糊化作用（α-化），轉化為α-淀粉，容易被人體消化及吸收。高溫烘烤使淀粉分子振動劇烈，分子間氫鍵斷裂。后期糊化過程中，斷裂的氫鍵更容易與水分子結合。水分子的進入使更長的淀粉鏈段分離，增加了淀粉分子結構的無序性，并減少了結晶區域，淀粉更容易糊化。糊化可以提高淀粉吸收水分的能力，使酶能夠水解淀粉，從而提高淀粉的消化率。

圖2 烘烤時間對黑米（a）和黑玉米（b)淀粉糊化度的影響

烘烤時間對黑米和黑玉米淀粉溶解度和膨脹度的影響見圖3。

由圖3可知，隨烘烤時間的延長，黑米和黑玉米淀粉的溶解度呈現出先快速增長后趨于平穩的趨勢。因為隨著溫度的上升，淀粉的微晶束結構開始松動；溶解度代表了淀粉與水的結合能力，淀粉的分子結構、直鏈淀粉含量和顆粒大小都會影響淀粉溶解度[23]。淀粉的膨脹度與支鏈淀粉有關，支鏈淀粉含量越多，其顆粒中螺旋結構就越多，淀粉的膨脹度越大。隨著烘烤時間的延長，黑米和黑玉米淀粉膨脹度緩慢增長。在高溫烘烤后，淀粉分子加速糊化，淀粉膨脹度因此得到提升。

圖3 烘烤時間對黑米（a）和黑玉米（b）淀粉溶解度和膨脹度的影響

綜合考慮烘烤對原料中花青素保留率，淀粉糊化度、溶解度和膨脹度的影響，黑米和黑玉米的烘烤條件確定為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較小，黑米淀粉糊化度達到96%。在210℃下烘烤7 min，黑玉米花青素的保留率為81%，其淀粉糊化度為95%。

2.2 麥芽糊精用量對產品分散性及黏稠度的影響

麥芽糊精用量對產品分散性及黏稠度的影響見圖4。

圖4 麥芽糊精用量對產品分散性及黏稠度的影響

由圖4可知，隨著麥芽糊精用量的增加，產品感官品質呈現先上升后下降的趨勢。在用量為3 g時，獲得最佳感官品質（85分）。隨后，用量進一步增大，產品的感官品質快速下降。固體飲料的增稠劑需要有即溶性、口感佳等特性。麥芽糊精因其無異味、易消化、易溶解、穩定性好、不易吸潮、增稠性強的特性被應用于多種食品。麥芽糊精可以增強產品的黏稠度，提高產品的穩定性和口感。然而，隨著用量的進一步增大，產品的黏稠度過大，導致其穩定性及適口性下降。因此，麥芽糊精用量確定為3 g。

2.3 木糖醇用量對產品品質的影響

木糖醇用量對產品品質的影響見圖5。

圖5 木糖醇用量對產品品質的影響

由圖5可知，隨木糖醇用量的不斷增大，產品的感官品質快速上升；當用量為4 g時，感官品質最佳（96分）；之后，雖然用量繼續增大，產品的感官品質且逐漸下降。木糖醇對產品品質的影響可分析如下。木糖醇是國際公認的具有營養價值的甜味物質，甜度接近蔗糖，可以作為糖尿病人的輔助治療劑，在體內的代謝不需要胰島素參與，不會引起血糖水平波動；因其熱量值低，也被應用于減肥產品等。作為針對中老年人的固體飲料，木糖醇替代白砂糖作為甜味劑能夠擴大產品的受試群體。木糖醇具有清涼的口感和一定的甜度，適量添加可以提升產品的口感；添加過量則會導致產品甜度過高，適口性變差。此外，木糖醇攝入過量會引起腸胃不適，因為腸胃對木糖醇的吸收較慢而滲透壓不平衡，需控制木糖醇的攝入量。因此，木糖醇用量確定為4 g。

2.4 乳粉用量對產品品質的影響

乳粉用量對產品品質的影響見圖6。

圖6 乳粉用量對產品品質的影響

由圖6可知，隨著乳粉用量的增加，產品的香味及滋味逐漸提高，色澤則基本保持不變；在用量為2 g時，感官品質最佳（81分）；隨后，用量繼續增大，感官品質逐漸下降。整個變化趨勢可分析如下。乳粉中含有碳水化合物、脂肪、蛋白質、維生素和無機鹽等營養成分。適量攝入奶粉可以補充每日膳食攝入的不足，有益于中老年人的身體健康。乳粉的加入可以提升產品在色澤、香味和滋味等方面的品質。乳粉用量小于2 g時，隨著用量的增加，產品的奶香味不斷變濃，感官品質不斷上升；當用量超過2 g，其奶香味逐漸掩蓋產品的芝麻香味，品質下降；隨著乳粉用量的增多，產品的甜度也不斷升高；當超過2 g時，產品過甜，適口性變差。因此，乳粉用量確定為2 g。

2.5 黑芝麻、黑豆、黑玉米和黑米用量對產品品質的影響

黑芝麻、黑豆、黑玉米及黑米用量對產品感官品質的影響見圖7。

由圖7（a）可知，隨著黑芝麻用量的增大，產品的感官品質快速上升，在用量為7 g時，感官品質最佳（85分）；隨后，用量繼續增加，產品感官品質逐漸降低。因為黑芝麻用量過低時芝麻香味不明顯，過多則苦味增強。用量低于7 g時，香味不足，品質不佳；用量高于7 g時，苦味加深，品質不佳。因此，黑芝麻用量確定為7 g。

圖7 黑芝麻（a）、黑豆（b）、黑玉米（c）及黑米（d）用量對產品感官品質的影響

由圖7（b）可知，隨著黑豆用量的增大，產品的感官品質呈現先快速上升后快速下降的趨勢，在黑豆用量為4 g時，感官品質最佳（85分）；隨后，用量繼續增加，產品感官品質逐漸下降。因為在黑豆用量過低時，產品無豆香味，添加過多會使豆腥味加深。黑豆用量小于4 g時，產品豆香味稀薄，品質不佳；當用量大于4 g時，產品豆腥味加深，品質也下降。綜合考慮，黑豆用量確定為4 g。

由圖7（c）可知，隨著黑玉米添加量的增加，在2～5 g感官品質呈上升趨勢，且增幅較大；在5～6 g呈下降趨勢，且在用量為5 g時感官品質最佳（92分）。黑玉米對產品品質的影響可分析如下。適量的用黑玉米可以提高產品的均一性和口感。添加過少則產品稀薄，均一性差；添加過多則會導致口感粗糙。當黑玉米用量小于5 g時，產品稀薄，感官品質不佳；當用量大于5 g時，產品口感粗糙，品質不佳。因此，黑玉米用量確定為5 g。

由圖7（d）可知，隨著黑米用量的增大，產品的感官品質先上升后快速下降，在黑米用量為3 g時感官品質最佳（95分）。黑米的添加主要是提升產品的色澤和黏稠度，適量添加黑米可以使產品色澤黑亮，稠度適口；添加量過少會導致產品顏色暗淡，過多則會造成產品過稠，適口性變差。當黑米用量小于3 g時，產品的色澤暗淡，感官品質不佳；當用量大于3 g時，產品過稠，感官品質也不佳。因此，黑米用量確定為3 g。

2.6 產品配方的正交試驗

正交試驗結果分析見表3。

表3 正交試驗結果分析

在上述單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗對產品配方進行優化。黑芝麻、黑豆、黑玉米和黑米用量是影響產品感官品質的重要因素。由表3可知，極差R3>R4>R1>R2，故影響飲料質量的因素的主次順序為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分別最高。四者的最佳組合為A2B2C2D3，即黑芝麻7 g，黑豆4 g，黑玉米5 g，黑米3.5 g。最終，固體飲料配方折合添加量為黑芝麻23.33%，黑豆11.67%，黑玉米16.67%，黑米11.67%，黑木耳3.33%，黑棗3.33%，木糖醇13.33%，麥芽糊精10%，乳粉6.67%。

3 結論

以黑米、黑芝麻、黑豆、黑玉米、黑木耳、黑棗、麥芽糊精、木糖醇和乳粉為原料，開發出一款適合中老年人的富含花青素的固體飲料。通過探究預處理對原料中花青素保留率，淀粉糊化度、溶解度及膨脹度的影響，優化了原料烘烤條件。黑米、黑玉米、黑芝麻和黑豆的烘烤條件分別為150℃，15 min；210℃，7 min；140℃，9 min；130℃，15 min。在此基礎上，以產品的感官品質為指標，依次通過單因素和L9（34）正交試驗，優化了產品配方，其結果為黑芝麻23.33%，黑豆11.67%，黑玉米16.67%，黑米11.67%，黑木耳3.33%，黑棗3.33%，木糖醇13.33%，麥芽糊精10%，乳粉6.67%。該固體飲料口感純正，組織均勻細膩，富含花青素及多種營養成分，適合中老年人群食用，具有廣闊的市場前景。