黑糯玉米花青素饮料的研制

Development of Zea mays L. Anthocyanin Beverage

摘要: 本研究以黑糯玉米芯为原料，通过提取、冻干工艺制备花青素提取物粉末，并以此为功能性基料开发具有花青素的特色饮料。采用单因素试验结合响应面法优化配方，构建数学模型确定最佳配方。结果表明：当黑糯玉米花青素提取物添加量0.067%、柠檬酸1.5 g/L、木糖醇12%、CMC-Na 0.3%时，制得的饮料呈现紫红色澄清液体，酸甜适口，感官品质最佳。通过贮藏试验发现，4˚C低温条件下花青素保存率最高，35 d时花青素保留率为85.2% ± 1.53%，衰减速率比25℃时减缓23.5%、比37˚C时减缓59.5%。低温较其他条件更有利于维持饮料理化稳定性及功能成分活性。

Abstract: This study utilized Zea mays L. cob as raw material to prepare anthocyanin extract powder through extraction and freeze-drying processes, subsequently developing a characteristic anthocyanin-rich beverage using this powder as a functional base. Single-factor experiments combined with response surface methodology were employed to optimize the formulation, establishing a mathematical model to determine the optimal recipe. The results demonstrated that when adding 0.067% Zea mays L. anthocyanin extract, 1.5 g/L citric acid, 12% xylitol, and 0.3% CMC-Na, the beverage presented as a purplish-red clarified liquid with pleasant sweet-sour taste and optimal sensory quality. Storage experiments revealed that anthocyanin preservation reached maximum efficiency at 4˚C, showing 85.2% ± 1.53% retention after 35 days. The degradation rate was reduced by 23.5% compared with 25˚C storage and 59.5% compared with 37˚C storage. Low-temperature storage demonstrated superior capability in maintaining physicochemical stability and functional component activity compared to other conditions.

1. 引言

黑糯玉米(Zea mays L. var. ceratina)因其籽粒呈乌黑、紫黑色和蓝黑色而得名[1]，其籽粒与芯部均含有丰富的花青素、类黄酮及多酚类化合物[2]。其中，花青素作为一种水溶性天然色素，具有抗氧化、抗炎、降血糖、改善视力等多种生理活性功能，已被广泛应用于食品、医药和化妆品领域[3]。然而，目前对黑糯玉米的研究多集中于籽粒的深加工利用，而占其生物量30%~40%的玉米芯常被视为农业废弃物，资源利用率极低。

近年来，随着社会发展、消费升级和人们健康意识的逐步增强，富含天然活性成分、低糖、低热量的饮品成为消费新宠。黑糯玉米芯部花青素含量极高，可达籽粒的60%~70%，含有矢车菊素-3-葡萄糖苷、天葵色素-3-葡萄糖苷、芍药色素-3-葡萄糖苷等多种花青素核心功能成分[4]。本研究以黑糯玉米芯为原料，通过提取与冻干技术制备花青素提取物粉末，并以此为功能基料，辅以柠檬酸、木糖醇、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，开发一款特色花青素饮料，旨在为黑糯玉米全产业链产品开发和农业废弃物的高值化利用提供了新思路。

2. 材料与方法

2.1. 试验材料

黑糯玉米芯，由陕西省生物农业研究所提供。食品级柠檬酸，购自郑州侯庄工业区；食品级木糖醇，购自山东福田药业有限公司；羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，重庆力宏精细化工有限公司；其余化学试剂均为分析纯试剂。

2.2. 仪器与设备

EYG-1000W超声仪；冻干机；TY2019001575电子天平；HH-S4恒温水浴锅；高速万能粉碎机；鼓风干燥箱；紫外可见分光光度计；pH计。

2.3. 试验方法

2.3.1. 黑糯玉米芯花青素提取物的制备

采用超声醇提法制备黑糯玉米芯花青素提取物，具体方法：以黑糯玉米芯与pH 4的60%乙醇溶液按料液比1:16 (g/mL)，40℃、超声功率350 W，超声辅助提取40 min，提取2次，合并滤液，2800 r/min离心5 min，取上清液，减压浓缩后冻干制成黑糯玉米芯花青素提取物，4℃保藏备用[5] [6]。

2.3.2. 黑糯米花青素饮料的制备

将冻干获得的黑糯玉米芯花青素提取物按照其浓度配比与柠檬酸、木糖醇、CMC-Na进行调配，充分溶解后过滤，设定压力20 MPa、20℃~25℃条件下均质脱气。将均质脱气后的饮料进行灌装，密封，高温瞬时杀菌，即得到黑糯米花青素饮料。

2.3.3. 黑糯玉米花青素饮料配方优化的单因素试验

以黑糯玉米芯花青素提取物的添加量(0.2%、0.1%、0.067%、0.05%、0.04%)、柠檬酸的浓度(0.5 g/L、1.0 g/L、1.5 g/L、2.0 g/L、2.5 g/L)、木糖醇的添加量(4%、8%、12%、16%、20%)、CMC-Na的添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)分别为单因素，饮料的感官评分为评价指标，进行单因素试验，确定各因素的适宜添加量。

2.3.4. 响应面试验设计

根据单因素实验结果，选取花青素提取物(A)、柠檬酸添加量(B)、木糖醇添加量(C)这三个对花青素饮料感官评分影响较大的因素，利用Design-Expert 12软件进行三因素三水平的Box-Behnken设计试验，试验设计如表1所示。每组重复3次。

Table 1. Factors and levels of the Box-Behnken test

表1. Box-Behnken试验因素与水平

水平	因素
	A花青素提取物添加量(%)	B柠檬酸添加量(g/L)	C木糖醇添加量(%)
−1	0.077	1.3	8
0	0.067	1.5	12
1	0.057	1.7	16

2.3.5. 黑糯玉米花青素饮料的感官评价标准

基于黑糯玉米花青素饮料独特的感官特性，制定了感官评分表。由10名经过专业培训的感官评价人员依据表2的评分标准，从色泽、气味、滋味、组织状态4个方面进行评价，并以所有评价人员的平均分作为最终结果。感官评分标准详见表2 [7] [8]。

2.3.6. 花青素含量的测定

精密称取样品150~200 mg (精确至0.0001 mg)，置于烧瓶中，加入25 mL 2%盐酸–甲醇溶液(m/V)，在60℃超声水浴中水解20 min后冷却至室温，用2%盐酸–甲醇溶液(m/V)转移并定容至50 mL，摇匀得试液A。

Table 2. Sensory evaluation criteria for Zea mays L. anthocyanin beverage

表2. 黑糯玉米花青素饮料的感官评分标准

评价项目	评定标准	分值
色泽 (20分)	光亮淡紫红色 深紫红色 暗深紫色	16~20 11~15 <10
气味 (30分)	淡酸味，无异味 味道淡酸，无异味 味道不酸有苦味	21~30 11~20 <10
滋味 (30分)	无涩味，口感细腻 涩味淡，口感细腻 涩味重，口感粗糙	21~30 11~20 <10
组织状态 (20分)	澄清、透亮，无沉淀 澄清、透亮，稍有沉淀物 澄清、透亮，有较多沉淀	16~20 11~15 <10

根据试液A的浓度和颜色确定稀释倍数，摇匀后得待测试液B，溶液应澄清透明。若混浊，则用滤纸过滤，弃去初始滤液约10 mL，后续滤液用于检测。样品中花青素的含量以飞燕草素的质量分数W3计，数值以%表示，按下式计算[9]：

$W3=\frac{A\times 0.5\times f}{1020\times m}\times 100\%$

式中：

A-供试品溶液B在吸收波长540 nm下的吸光度；

f-供试品溶液A至试液B的稀释倍数；

m-供试品质量，g；

1020-飞燕草素的百分吸光系数($E_{1\text{cm}}^{1\%}$ )，即在540 nm吸收波长下，飞燕草素的溶液浓度为l g/100 mL、比色杯厚度为1 cm时，溶液的吸光度；

0.5-百分吸光系数($E_{1\text{cm}}^{1\%}$ )定义规定的，在50 mL溶液中溶解溶质的质量，g。

2.3.7. 黑糯玉米花青素饮料贮藏期品质变化的研究

将杀菌后的饮料分别储存于4℃冰箱、25℃避光室温环境以及37℃光照环境下，每隔7天分别检测饮料中花青素的含量，并计算不同贮藏条件下饮料中花青素的保留率。

3. 结果与分析

3.1. 单因素试验

3.1.1. 黑糯玉米芯花青素提取物添加量对饮料感官品质的影响

黑糯玉米芯花青素提取物不同添加量对饮料感官品质的影响结果如图1所示。当花青素提取物的添加量为0.2%时，饮料的感官评分较低，其色泽为很深的紫红色，口感涩味较重；随着添加量的减少，饮料的感官评分先上升后下降；当花青素提取物的添加量为0.067%时，饮料的感官评分，获得最高值，为75。这与花青素独特的颜色表现和酚类物质原本的苦涩味有很大关系。因此，综合考虑黑糯玉米芯花青素提取物的最佳添加量为0.067%。

Figure 1. Impact of Zea mays L. anthocyanin extract dosage on beverage sensory evaluation

图1. 黑糯玉米芯花青素提取物不同添加量对饮料感官评分的影响

3.1.2. 柠檬酸浓度对饮料感官品质的影响

Figure 2. Impact of citric acid concentration on beverage sensory evaluation

图2. 不同浓度柠檬酸对饮料感官评分的影响

在花青素提取物添加量确定的条件下，不同浓度柠檬酸对黑糯玉米花青素饮料感官评分的影响如图2所示。随着柠檬酸浓度的增加，饮料感官评分呈现先增加后降低的趋势，柠檬酸浓度1.5 g/L时获得最高评分，为85分。花青素是一类pH敏感性水溶性天然植物色素。柠檬酸的添加在改善饮料风味口感的同时也会改变饮料的颜色，添加量太少或者太多都会影响饮料的整体感官，导致产品感官评分降低。因此，柠檬酸的最适浓度为1.5 g/L。

3.1.3. 木糖醇添加量对饮料感官品质的影响

Figure 3. Impact of xylitol dosage on beverage sensory evaluation

图3. 木糖醇添加量对饮料感官评分的影响

木糖醇添加量对黑糯玉米花青素饮料感官品质的影响如图3所示。随着木糖醇添加量的增加，饮料感官评分先增加后下降，木糖醇添加量为12%时，所制备的花青素饮料具有最高感官评分，为85分。木糖醇添加量较少时，制备的饮料口感较酸，不适合饮用；添加过多时，饮料口感太甜，清凉感增强，后味略显苦味。因此，木糖醇的最佳添加量为12%。

3.1.4. CMC-Na添加量对饮料感官品质的影响

CMC-Na添加量对黑糯玉米花青素饮料感官品质的影响如图4所示。随着CMC-Na添加量的不断提高，花青素饮料的感官评分先增加后降低，CMC-Na的添加量在0.3%时，其组织状态均一、色泽明艳透亮、口感醇厚，感官品质最佳，感官评分整体较高。因此，CMC-Na的最佳添加量为0.3%。

3.2. 响应面试验结果分析

3.2.1. 响应面试验设计结果

根据单因素试验结果，选取花青素提取物、柠檬酸、木糖醇的添加量为自变量，以感官评分为响应值，利用Design-Expert软件设计三因素三水平试验，共包括17个试验点，其中12个为析因点，5个为零点以估计误差[10] [11]。试验结果见表3。

Figure 4. Impact of CMC-Na dosage on beverage sensory evaluation

图4. CMC-Na添加量对饮料感官评分的影响

Table 3. Box-Behnken test design and results

表3. Box-Behnken试验设计及结果

试验号	A花青素提取物添加量(%)	B柠檬酸添加量(g/L)	C木糖醇添加量(%)	Y感官评分
1	1	1	0	89
2	−1	0	1	60
3	−1	0	−1	62
4	1	−1	0	88
5	0	0	0	86
6	0	−1	1	68
7	1	0	1	91
8	0	0	0	86
9	0	−1	−1	67
10	−1	1	0	71
11	0	1	1	75
12	0	0	0	86
13	0	0	0	86
14	0	0	0	87
15	−1	−1	0	69
16	0	1	−1	72
17	1	0	−1	80

3.2.2. 回归模型的建立与显著性分析

使用Design-Expert 12软件对结果进行分析，拟合得到三个因素与感官评分之间的二次回归方程如下：

Y = 86.20 + 10.75A + 1.87B + 1.63C − 0.2500AB + 3.25AC + 0.5000BC − 2.10A² − 4.85B² − 10.85C²。

对回归模型进行方差分析和显著性检验，结果见表4。模型P < 0.0001，表明该模型具有极高的显著性。试验中的决定系数R² = 0.9812，$R_{adj}^2$ = 0.9571，说明回归模型与试验值拟合良好，预测值与实测值之间具有较高的相关性，表明该方程具备良好的可靠性，可用于黑糯玉米花青素饮料感官评分的理论推测与分析。

Table 4. ANOVA for the quadratic model

表4. 二次模型的方差分析

来源	平方和	自由度	均方和	F值	P值	显著性
模型	1674.42	9	186.05	40.63	<0.0001	^***
A	924.50	1	924.50	201.92	<0.0001	^***
B	28.13	1	28.13	6.14	0.0423	^*
C	21.13	1	21.13	4.61	0.0688
AB	0.2500	1	0.2500	0.0546	0.8219
AC	42.25	1	42.25	9.23	0.0012	^**
BC	1.00	1	1.00	0.2184	0.0189	^*
A^2	18.57	1	18.57	4.06	0.0839
B^2	99.04	1	99.04	21.63	0.0023	^**
C^2	495.67	1	495.67	108.26	<0.0001	^***
残差	32.05	7	4.58
失拟项	31.25	3	10.42	52.08	0.6545
纯误差	0.8000	4	0.2000
总和	1706.47	16

注：^*差异显著(P < 0.05)；^**差异显著(P < 0.01)；^***差异极显著(P < 0.001)。

由表4中各因素的P值可知，花青素提取物添加量以及木糖醇添加量的内部相互作用对花青素饮料的感官评价影响极其显著。花青素提取物添加量与木糖醇添加量、柠檬酸浓度与木糖醇添加量这两组因素间的交互作用和柠檬酸的添加量对响应值影响显著。此外，四个因素对黑糯玉米代餐粉感官评价的影响程度依次为：花青素提取物添加量 > 柠檬酸浓度 > 木糖醇添加量。

3.2.3. 交互作用对花青素饮料感官评分的影响

利用Design-Expert软件进一步分析了花青素饮料的二次回归模型，绘制了响应面分析立体图和等高线图，如图5所示。

响应曲线能够直观反映各因素对响应值的影响，等高线呈椭圆形、偏离圆中心越远，表示两因素交互作用越显著[12]。图5展示了在两种因素水平为0时，其余两因素对花青素饮料感官评分的交互作用。图5(e)和图5(f)的等高线呈椭圆形，图5(b)、图5(c)的3D曲面坡度最大，表明花青素提取物添加量与木糖醇添加量的交互作用和柠檬酸浓度与木糖醇添加量的交互作用均对花青素饮料的感官评分影响显著。而花青素提取物添加量与柠檬酸浓度的交互作用对感官评分影响不显著。

Figure 5. Interaction effects of different factors on the sensory score of Zea mays L. anthocyanin beverage (a)~(c) Response surface plots; (d)~(f) Corresponding contour plots

图5. 各因素交互作用对黑糯玉米花青素饮料感官评分的影响(a)~(c)为响应面图，(d)~(f)为对应等高线图

3.2.4. 验证试验结果

通过对试验模型的分析，得出黑糯玉米花青素饮料最佳口感的配方为：花青素提取物添加量为0.067%，柠檬酸浓度为1.5 g/L，木糖醇添加量为12%，CMC-Na添加量为0.3%。重复五次该配方，值得的花青素饮料的感官评分为91.3 ± 0.5，与理论值90.21分相比，误差为1.21%。说明通过响应面优化得到的回归方程与实际情况拟合较好，花青素饮料配方具有良好的重复性，可作为黑糯玉米花青素饮料的最佳配方，并具有一定的参考价值。

3.3. 黑糯玉米花青素饮料贮藏稳定性

依据上述最佳配方，制备的黑糯玉米花青素饮料在不同贮藏温度下花青素随储藏时间的变化如图6所示。随着贮藏温度的上升，饮料中花青素的保存率呈现明显降低的趋势。37℃贮存35 d时，黑糯玉米花青素饮料的保存率仅为25.7%，其所含花青素降解十分显著；4℃贮存时，花青素的保存率最高，35 d时花青素保存率为85.2% ± 1.53%，衰减速率比25℃时减缓23.5%、比37℃时减缓59.5%。这表明，低温可以延缓花青素的降解，较好地保留花青素。因此，建议该饮料的贮藏条件为低温避光，以尽可能保留饮料中的花青素。

Figure 6. Degradation of anthocyanins in beverages during storage at different temperatures

图6. 不同贮藏温度时饮料中花青素含量的变化

4. 结论

本研究以黑糯玉米芯为主要原料，通过提取、冻干等工艺获得黑糯玉米花青素提取物的干燥粉末，再以该冻干粉为核心成分，辅以柠檬酸、木糖醇、CMC-Na开发出一款含有花青素的特色风味饮料。对单因素试验以及响应面优化试验数据进行统计分析并建立预测模型，得出该饮料的最佳配方为：黑糯玉米芯花青素提取物的添加量为0.067%，柠檬酸浓度为1.5 g/L，木糖醇添加量为12%，CMC-Na添加量为0.3%。在此配方下制备的花青素饮料呈现明亮的紫红色，色泽澄清透亮，酸甜爽口，风味极佳。在试验的贮藏条件下，4℃贮存时可显著提升花青素保存率，较其他条件更有利于维持饮料理化稳定性及功能成分活性，为黑糯玉米资源的高值化利用及功能性饮料开发提供了技术支撑和理论依据。

基金项目

陕西省大学生创新创业训练计划项目(S202211396058)。

NOTES

^*通讯作者。