鐵觀音茶精油微膠囊化制備及結構表征

操曉亮，薛婉茹，莊志雄，謝李玲，葉淑芳，孟 春，楊娟娟，張 峰，洪 晶

（1.福建中煙工業有限責任公司 技術中心，福建廈門 361022；2.福州大學 生物科學與工程學院，福州 350108）

0 引言

鐵觀音茶葉是福建省特有的一種烏龍茶，具有獨特的“觀音韻”［1］。鐵觀音茶精油是由鐵觀音的揮發性物質經過提取和濃縮等步驟獲得的產物，可應用于食品、酒水飲料和卷煙等工業中［2］。但是，鐵觀音茶精油穩定性較差，遇到光、熱或暴露于空氣中時，易氧化分解而失去原有的功效及風味品質，導致其應用受到限制。為了克服鐵觀音茶精油不穩定問題，將其進行微膠囊化，可以保護精油，提高其穩定性［3］。

制備微膠囊的方法很多，噴霧干燥是最常用的方法之一，也是食品行業最常用的方法，它能夠以較低的運營成本持續生產［4］。微膠囊的壁材是影響其性能的關鍵因素［5］，明膠（GE）、阿拉伯樹膠（GA）和麥芽糊精（MD）等作為微囊化的廉價壁材廣泛應用于精油的包埋［6］。OGILVIE 等［7］使用明膠和阿拉伯樹膠的復合凝聚作用獲得了新型香葉醇微膠囊，平均包埋率達到89%。URES等［8］使用噴霧干燥技術將小耳葉精油封裝在阿拉伯樹膠和麥芽糊精中，達到控制精油活性成分釋放的目的。目前，國內外還沒有關于利用噴霧干燥法進行鐵觀音茶精油微膠囊化的報道。

本文采用噴霧干燥法制備鐵觀音茶精油微膠囊，通過粒徑、包埋率、外貌特征和釋放特性，對微膠囊的壁材及包埋工藝進行篩選和優化，旨在通過鐵觀音茶精油的微膠囊化穩定精油品質，保持鐵觀音茶精油的自然茶香特征，進而為鐵觀音茶精油的工業應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鐵觀音茶精油：自制；麥芽糊精，阿拉伯樹膠：上海易恩化學技術有限公司；明膠：中國醫藥（集團）上?；瘜W試劑公司；其他試劑均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

NAI-GZJ 型噴霧干燥器（上海賀帆儀器有限公司）；AVATAR360 型傅里葉紅外光譜儀（美國尼高力儀器公司）；Nano-ZS90 型Zetasizer Nano激光粒度分析儀（英國Malvern 儀器有限公司）；T6 型紫外分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）；Nova NanoSEM 230 型掃描電子顯微鏡（美國FEI 公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 鐵觀音茶精油的制備

鐵觀音殺青物精油采用水蒸氣蒸餾的方法進行提取，通過減壓反滲透濃縮、溶劑萃取和減壓濃縮等步驟得到［9］。

1.2.2 鐵觀音茶精油微膠囊的制備

參照黃進寶等［10］的方法，稍作修改。稱取一定濃度的壁材溶液，加入鐵觀音精油，一定溫度下400 r/min 持續攪拌一定時間，100 Hz 超聲均質5 min 后進行噴霧干燥。入口溫度170 ℃，出風溫度70～75 ℃，泵速15 r/min。

1.2.3 微膠囊產率的測定

微膠囊產率按照下式計算：

1.2.4 包埋率的計算

（1）標曲的制作

分別配制濃度為0.005，0.010，0.015，0.020，0025，0.035 g/mL 的精油標準溶液，采用紫外分光光度法測定其在238 nm 處的吸光度值，以精油濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線，通過線性回歸得到標曲方程為y=37.73x+0.036 8（R2=0.995 8）。

（2）包埋率的計算

取0.1 g 微膠囊于10 mL 無水乙醇中，充分振蕩后10 000 r/min 離心作用10 min，取上清液測定吸光度值，并根據精油標準曲線計算出未被包埋精油的質量，依據精油添加量計算包埋率，如下式：

1.2.5 單因素試驗

（1）壁材組合對包埋效果的影響

分別選擇阿拉伯樹膠、明膠、麥芽糊精、β-環糊精（β-CD）和海藻酸鈉（SAA）組成不同的壁材等濃度組合（1：GA+MD，2：GE+MD，3：GE+GA+MD，4：GE+GA+ β -CD，5：GE+GA+SAA，6：GE+GA）。壁材濃度3%（w/v），芯壁比1：3（w/w），溫度40 ℃，制備微膠囊，以包埋率為指標，考察不同壁材組合對包埋效果的影響。

（2）壁材濃度對包埋效果的影響

分別配制壁材濃度為1%，2%，3%，4%，10%，芯壁比1：3，壁材為GE+GA+MD，溫度40 ℃，制備微膠囊，以包埋率為指標，考察不同壁材濃度對包埋效果的影響。

（3）芯壁比對包埋效果影響

芯壁比分別設置為2：1，1：1，1：2，1：3，1：4，1：5，壁材濃度2%，壁材為GE+GA+MD，溫度40 ℃，制備微膠囊，以包埋率為指標，考察不同芯壁比對包埋效果的影響。

（4）包埋溫度對包埋效果的影響

分別設置包埋溫度為30，40，50，60，70，80 ℃，壁材濃度2%，壁材為GE+GA+MD，芯壁比1：3，制備微膠囊，以包埋率為指標，考察不同溫度對包埋效果的影響。

1.2.6 正交試驗

以包埋率為指標，選擇壁材濃度（1%，2%，3%）、芯壁比（1：2，1：3，1：4）和包埋溫度（40，50，60 ℃）為因素，采用L9（34）正交表設計試驗。

1.2.7 微膠囊顯微結構觀測

將微膠囊粉末均勻鋪在樣品臺上，吹去多余粉末噴金，加速電壓10 kV，通過掃描電子顯微鏡觀測微膠囊的結構。

1.2.8 傅里葉紅外光譜分析

以KBr 壓片法用傅里葉紅外光譜儀在室溫下對MD，GA，GE，鐵觀音茶精油和微膠囊進行檢測，波數范圍4 000～500 cm-1。

1.2.9 微膠囊的體外釋放性能

（1）精油保留率

分別稱取5.0 g 微膠囊粉，置于4，25，60 ℃恒溫箱中，每隔1 d 取樣稱重，按下式計算精油保留率：

式中 W——鐵觀音茶精油保留率，%；

Mt——t 時刻微膠囊中精油質量，g；

M0——初始微膠囊中精油質量，g。

（2）微膠囊的釋放動力學

根據Avrami's 公式，精油釋放速率常數k 和釋放機理參數n 可由下式計算得出：

式中 R——精油在t 時刻的保留率，%；

k——釋放速率常數；

n——釋放機理參數；

t——貯藏時間，d。

分別以ln t 為橫坐標，ln（-ln R）為縱坐標對數據進行線性回歸分析。

1.3 數據處理

試驗數據均為3 次重復試驗的平均值，結果用“平均值±標準差”表示。采用Graph Pad Prism 7.0 和IBM SPSS statistics 22.0 進行數據統計處理、數據方差分析和Duncan 多重比較，P＜0.05 表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 鐵觀音茶精油微膠囊制備工藝的單因素優化

微膠囊的產率和包埋率是評價微膠囊制備性能的最重要因素。包埋率越高，說明芯材包埋效果越佳，微膠囊品質越穩定。不同因素對微膠囊產率和包埋率的影響如圖1 所示。

圖1 不同因素對微膠囊產率和包埋率的影響Fig.1 Effect of different factors on microcapsule yield and embedding rate

不同壁材組合制備的微膠囊的產率和包埋率結果如圖1（a）所示。GE+GA+MD（1：1：1）為壁材的微膠囊包埋率明顯高于其他壁材組合，產率也較高。進一步測定微膠囊的平均粒徑（Z-Ave）和分布系數（PDI）（表1）。平均粒徑和分布系數越小，表明包埋效果越好［11］。GE+GA+MD 組合得到的微膠囊粒徑為（2 086±78.30）nm，分布系數相對較小，說明該體系粒徑較為均一，整體包埋效果最好。

表1 不同壁材組合的微膠囊粒徑和分布系數Tab.1 Particle size and distribution coefficient of microcapsules with different wall material combinations

如圖1（b）所示，隨著壁材濃度的增加，微膠囊的包埋率先增大后減小。在壁材濃度為2%時，包埋率達到最大。當芯壁比固定時，若壁材濃度增大，溶液黏度增大，會滯納大量芯材不能完全溶解，不利于芯材和壁材的均勻混合。當壁材濃度過高時，還會導致成型的微膠囊小球之間發生粘連現象，穩定性差［12］。壁材濃度過低時，會造成單位壁材的包埋量過大而超過壁材的包裹限度。當壁材濃度為2%時，混合液黏度適當，芯材和壁材能夠充分混合并分散，包埋效果最佳。

如圖1（c）所示，產率和包埋率隨芯壁比的減小呈現先升高后降低的趨勢，在1：3 時達到最大值。芯壁比過大可能會導致微膠囊壁薄，容易破裂，或是沒有足夠的壁材對芯材進行包裹，造成芯材的游離。當芯壁比達到1：3 時，芯材和壁材比例協調，包埋效果最佳。繼續增大壁材的比例，則會造成壁材的浪費，增加生產成本，還會增加溶液的黏度，使微膠囊之間發生粘連。

如圖1（d）所示，微膠囊的產率和包埋率隨包埋溫度的上升呈現先升高后降低的趨勢，在40 ℃時達到最高。在包埋溫度較低時，芯材和壁材在水中擴散的速率較慢，較難均勻穩定地分布。隨著包埋溫度升高，芯材和壁材在水中均勻分散，更有利于聚合反應的發生。當包埋溫度達40 ℃以上時，體系的穩定性下降，導致包埋率下降。

2.2 鐵觀音茶精油微膠囊制備工藝的正交優化

在單因素試驗的基礎上，選擇壁材濃度、芯壁比和包埋溫度為研究因素，以包埋率為指標，采用L9（34）正交表設計試驗，確定微膠囊包埋最佳工藝條件，試驗結果和極差分析見表2。

表2 精油微膠囊包埋工藝正交試驗結果Tab.2 Orthogonal experimental results of essential oil microcapsule embedding process

由極差分析結果可知，在微膠囊包埋工藝中，壁材濃度是影響包埋率的最關鍵因素，其次為芯壁比，包埋溫度影響最小。由方差分析（表3）可知，壁材濃度、芯壁比和包埋溫度3 個因素均對精油微膠囊的包埋率有顯著影響，且壁材濃度和芯壁比的影響極顯著。綜合分析得到包埋工藝條件的最優組合是A1B1C2，即壁材濃度為1%，芯壁比為1：2，包埋溫度為50 ℃。在此條件下進行驗證性試驗，得到在包埋率為97.12%，產率為62.44%時，達到較好的包埋效果。

表3 正交試驗的方差分析Tab.3 Analysis of variance for orthogonal experiment

2.3 微膠囊的結構分析

2.3.1 微膠囊顯微結構

鐵觀音茶精油微膠囊的表面結構如圖2 所示。

圖2 膠囊掃描電鏡圖（10 000 倍）Fig.2 SEM image of microcapsule（×10 000）

微膠囊呈球狀顆粒，囊壁完整性好，結構致密，說明壁材韌性較好，沒有因為受熱膨脹而破裂。微膠囊表面出現褶皺和凹陷，可能是由于噴霧干燥過程中水分快速揮發，壁材剛性不足造成［13］。但囊壁并未出現破裂，結構保持完整且表面平滑，說明分散性較好。未發生粘連，說明壁材比例恰當，對芯材具有較好的保護作用，具有良好的包埋結構。

2.3.2 紅外光譜分析

麥芽糊精、阿拉伯樹膠、明膠、鐵觀音茶精油和微膠囊的紅外譜圖如圖3 所示。

圖3 麥芽糊精、阿拉伯樹膠、明膠、鐵觀音茶精油和微膠囊的紅外譜圖Fig.3 Infrared spectra of maltodextrin, gum arabic, gelatin，Tie Guanyin essential oil and essential oil microcapsules

MD 在波數3 420，2 930，1 650，1 020 cm-1處分別發生-OH 伸縮振動、C-H 伸縮振動、-OH振動吸收、C-O 鍵的伸縮振動；GA 在3 440，2 930，1 610，1 420，1 040 cm-1處分別為O-H 伸縮振動、C-H 伸縮振動、-COO 伸縮振動峰、-CO 伸縮振動吸收峰；GE 在波數3 400，1 650，1 540 cm-1處分別為氨基N-H 伸縮振動、酰胺羰基C=O 伸縮振動、酰胺鍵N-H 彎曲振動；鐵觀音茶精油在3 430，2 070，1 640，1 040 cm-1處分別有O-H 伸縮振動寬吸收峰、三鍵和累積雙鍵的伸縮振動、C=O 伸縮振動、C-O 伸縮振動；微膠囊分別在波數3 390，2 930，1 660，1 540，1 030 cm-1有吸收，3 420 cm-1附近的O-H 伸縮振動向低波數方向略有移動；精油在1 040 cm-1處峰型尖銳，微膠囊中此處峰型變寬，說明精油疏水性基團進入到壁材空腔中；精油在2 070 cm-1處的特征峰消失，表明精油被成功包埋。綜上，MD，GA，GE 構成的壁材對鐵觀音茶精油進行了很好的包埋。

2.4 微膠囊的釋放性能

根據Avrami's 公式對鐵觀音茶精油微膠囊在不同溫度下的釋放動力學進行擬合，結果如圖4和表4 所示。

表4 不同溫度下微膠囊釋放參數及釋放速率常數Tab.4 Microcapsule release parameters and release rate constants at different temperatures

圖4 Avrami's 公式對微膠囊保留率和時間釋放動力學的擬合曲線Fig.4 Fitted curves of the Avrami's formula to retention and time release kinetics of microcapsules

3 個溫度下微膠囊回歸方程的相關系數R2＞0.96，表明Avrami's 公式解釋微膠囊釋放動力學的可行性。根據擴散動力學理論，當n=0.54時，釋放屬于擴散限制反應動力學；當n=1 時，釋放過程遵循一級反應釋放動力學［14］。在4，25 ℃條件下，精油的釋放機理常數分別為0.65，0.91，表明在這2 個溫度，微膠囊的釋放反應動力學介于擴散限制動力學與一級反應動力學之間；60 ℃時，精油的釋放機理常數為1.66，即高于一級動力學釋放，屬于揮發性快速釋放過程。隨著溫度的升高，芯材釋放速率（k）增大，可能是由于溫度升高促使微膠囊壁材形成的包膜破損，膜壁空隙增大，另外高溫導致芯材的分子活化能增大，分子熱運動加快，從而加速釋放［15］。綜上研究結果，微膠囊在4，25 ℃可以減緩鐵觀音茶精油的釋放，對精油具有較好的保護作用。

3 結語

以包埋率、產率和粒徑為指標，確定鐵觀音茶精油的最佳微膠囊壁材；以包埋率和產率為指標，對微膠囊制備的工藝進行優化，得到最佳制備工藝條件：GE，GA，MD 這3 種壁材配比為1：1：1，壁材濃度1%（w/v），芯壁比為1：2（w/w），包埋溫度為50 ℃。在此條件下，制得精油微膠囊包埋率為97.12%，產率為62.44%。制備的鐵觀音茶精油微膠囊囊壁結構相對完整、表面光滑，在4，25 ℃時達到緩慢釋放的效果。研究結果對鐵觀音茶精油的進一步開發和應用奠定良好的基礎。