鐵觀音茶精油微膠囊化制備及結(jié)構(gòu)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(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，福建廈門 361022；2.福州大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)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(dú)特的“觀音韻”［1］。鐵觀音茶精油是由鐵觀音的揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)過(guò)提取和濃縮等步驟獲得的產(chǎn)物，可應(yīng)用于食品、酒水飲料和卷煙等工業(yè)中［2］。但是，鐵觀音茶精油穩(wěn)定性較差，遇到光、熱或暴露于空氣中時(shí)，易氧化分解而失去原有的功效及風(fēng)味品質(zhì)，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。為了克服鐵觀音茶精油不穩(wěn)定問(wèn)題，將其進(jìn)行微膠囊化，可以保護(hù)精油，提高其穩(wěn)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(yè)最常用的方法，它能夠以較低的運(yùn)營(yíng)成本持續(xù)生產(chǎn)［4］。微膠囊的壁材是影響其性能的關(guān)鍵因素［5］，明膠（GE）、阿拉伯樹(shù)膠（GA）和麥芽糊精（MD）等作為微囊化的廉價(jià)壁材廣泛應(yīng)用于精油的包埋［6］。OGILVIE 等［7］使用明膠和阿拉伯樹(shù)膠的復(fù)合凝聚作用獲得了新型香葉醇微膠囊，平均包埋率達(dá)到89%。URES等［8］使用噴霧干燥技術(shù)將小耳葉精油封裝在阿拉伯樹(shù)膠和麥芽糊精中，達(dá)到控制精油活性成分釋放的目的。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有關(guān)于利用噴霧干燥法進(jìn)行鐵觀音茶精油微膠囊化的報(bào)道。

本文采用噴霧干燥法制備鐵觀音茶精油微膠囊，通過(guò)粒徑、包埋率、外貌特征和釋放特性，對(duì)微膠囊的壁材及包埋工藝進(jìn)行篩選和優(yōu)化，旨在通過(guò)鐵觀音茶精油的微膠囊化穩(wěn)定精油品質(zhì)，保持鐵觀音茶精油的自然茶香特征，進(jìn)而為鐵觀音茶精油的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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(shù)膠：上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司；明膠：中國(guó)醫(yī)藥（集團(tuán)）上?；瘜W(xué)試劑公司；其他試劑均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(guó)尼高力儀器公司）；Nano-ZS90 型Zetasizer Nano激光粒度分析儀（英國(guó)Malvern 儀器有限公司）；T6 型紫外分光光度計(jì)（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(guó)FEI 公司）。

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行提取，通過(guò)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(jìn)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(xù)攪拌一定時(shí)間，100 Hz 超聲均質(zhì)5 min 后進(jìn)行噴霧干燥。入口溫度170 ℃，出風(fēng)溫度70～75 ℃，泵速15 r/min。

1.2.3 微膠囊產(chǎn)率的測(cè)定

微膠囊產(chǎn)率按照下式計(jì)算：

1.2.4 包埋率的計(jì)算

（1）標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)溶液，采用紫外分光光度法測(cè)定其在238 nm 處的吸光度值，以精油濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過(guò)線性回歸得到標(biāo)曲方程為y=37.73x+0.036 8（R2=0.995 8）。

（2）包埋率的計(jì)算

取0.1 g 微膠囊于10 mL 無(wú)水乙醇中，充分振蕩后10 000 r/min 離心作用10 min，取上清液測(cè)定吸光度值，并根據(jù)精油標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出未被包埋精油的質(zhì)量，依據(jù)精油添加量計(jì)算包埋率，如下式：

1.2.5 單因素試驗(yàn)

（1）壁材組合對(duì)包埋效果的影響

分別選擇阿拉伯樹(shù)膠、明膠、麥芽糊精、β-環(huán)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(biāo)，考察不同壁材組合對(duì)包埋效果的影響。

（2）壁材濃度對(duì)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(biāo)，考察不同壁材濃度對(duì)包埋效果的影響。

（3）芯壁比對(duì)包埋效果影響

芯壁比分別設(shè)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(biāo)，考察不同芯壁比對(duì)包埋效果的影響。

（4）包埋溫度對(duì)包埋效果的影響

分別設(shè)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(biāo)，考察不同溫度對(duì)包埋效果的影響。

1.2.6 正交試驗(yàn)

以包埋率為指標(biāo)，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(shè)計(jì)試驗(yàn)。

1.2.7 微膠囊顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè)

將微膠囊粉末均勻鋪在樣品臺(tái)上，吹去多余粉末噴金，加速電壓10 kV，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)微膠囊的結(jié)構(gòu)。

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(duì)MD，GA，GE，鐵觀音茶精油和微膠囊進(jìn)行檢測(cè)，波數(shù)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(jì)算精油保留率：

式中 W——鐵觀音茶精油保留率，%；

Mt——t 時(shí)刻微膠囊中精油質(zhì)量，g；

M0——初始微膠囊中精油質(zhì)量，g。

（2）微膠囊的釋放動(dòng)力學(xué)

根據(jù)Avrami's 公式，精油釋放速率常數(shù)k 和釋放機(jī)理參數(shù)n 可由下式計(jì)算得出：

式中 R——精油在t 時(shí)刻的保留率，%；

k——釋放速率常數(shù)；

n——釋放機(jī)理參數(shù)；

t——貯藏時(shí)間，d。

分別以ln t 為橫坐標(biāo)，ln（-ln R）為縱坐標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。采用Graph Pad Prism 7.0 和IBM SPSS statistics 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)據(jù)方差分析和Duncan 多重比較，P＜0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵觀音茶精油微膠囊制備工藝的單因素優(yōu)化

微膠囊的產(chǎn)率和包埋率是評(píng)價(jià)微膠囊制備性能的最重要因素。包埋率越高，說(shuō)明芯材包埋效果越佳，微膠囊品質(zhì)越穩(wěn)定。不同因素對(duì)微膠囊產(chǎn)率和包埋率的影響如圖1 所示。

圖1 不同因素對(duì)微膠囊產(chǎn)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(chǎn)率和包埋率結(jié)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(chǎn)率也較高。進(jìn)一步測(cè)定微膠囊的平均粒徑（Z-Ave）和分布系數(shù)（PDI）（表1）。平均粒徑和分布系數(shù)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(shù)相對(duì)較小，說(shuō)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(shù)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(shí)，包埋率達(dá)到最大。當(dāng)芯壁比固定時(shí)，若壁材濃度增大，溶液黏度增大，會(huì)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(dāng)壁材濃度過(guò)高時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致成型的微膠囊小球之間發(fā)生粘連現(xiàn)象，穩(wěn)定性差［12］。壁材濃度過(guò)低時(shí)，會(huì)造成單位壁材的包埋量過(guò)大而超過(guò)壁材的包裹限度。當(dāng)壁材濃度為2%時(shí)，混合液黏度適當(dāng)，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(chǎn)率和包埋率隨芯壁比的減小呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在1：3 時(shí)達(dá)到最大值。芯壁比過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致微膠囊壁薄，容易破裂，或是沒(méi)有足夠的壁材對(duì)芯材進(jìn)行包裹，造成芯材的游離。當(dāng)芯壁比達(dá)到1：3 時(shí)，芯材和壁材比例協(xié)調(diào)，包埋效果最佳。繼續(xù)增大壁材的比例，則會(huì)造成壁材的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)增加溶液的黏度，使微膠囊之間發(fā)生粘連。

如圖1（d）所示，微膠囊的產(chǎn)率和包埋率隨包埋溫度的上升呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在40 ℃時(shí)達(dá)到最高。在包埋溫度較低時(shí)，芯材和壁材在水中擴(kuò)散的速率較慢，較難均勻穩(wěn)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(yīng)的發(fā)生。當(dāng)包埋溫度達(dá)40 ℃以上時(shí)，體系的穩(wěn)定性下降，導(dǎo)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(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(biāo)，采用L9（34）正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定微膠囊包埋最佳工藝條件，試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見(jiàn)表2。

表2 精油微膠囊包埋工藝正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental results of essential oil microcapsule embedding process

由極差分析結(jié)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(guān)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(gè)因素均對(duì)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(yōu)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(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到在包埋率為97.12%，產(chǎn)率為62.44%時(shí)，達(dá)到較好的包埋效果。

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

2.3 微膠囊的結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 微膠囊顯微結(jié)構(gòu)

鐵觀音茶精油微膠囊的表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)致密，說(shuō)明壁材韌性較好，沒(méi)有因?yàn)槭軣崤蛎浂屏?。微膠囊表面出現(xiàn)褶皺和凹陷，可能是由于噴霧干燥過(guò)程中水分快速揮發(fā)，壁材剛性不足造成［13］。但囊壁并未出現(xiàn)破裂，結(jié)構(gòu)保持完整且表面平滑，說(shuō)明分散性較好。未發(fā)生粘連，說(shuō)明壁材比例恰當(dāng)，對(duì)芯材具有較好的保護(hù)作用，具有良好的包埋結(jié)構(gòu)。

2.3.2 紅外光譜分析

麥芽糊精、阿拉伯樹(shù)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(shù)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(shù)3 420，2 930，1 650，1 020 cm-1處分別發(fā)生-OH 伸縮振動(dòng)、C-H 伸縮振動(dòng)、-OH振動(dòng)吸收、C-O 鍵的伸縮振動(dòng)；GA 在3 440，2 930，1 610，1 420，1 040 cm-1處分別為O-H 伸縮振動(dòng)、C-H 伸縮振動(dòng)、-COO 伸縮振動(dòng)峰、-CO 伸縮振動(dòng)吸收峰；GE 在波數(shù)3 400，1 650，1 540 cm-1處分別為氨基N-H 伸縮振動(dòng)、酰胺羰基C=O 伸縮振動(dòng)、酰胺鍵N-H 彎曲振動(dòng)；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(dòng)寬吸收峰、三鍵和累積雙鍵的伸縮振動(dòng)、C=O 伸縮振動(dòng)、C-O 伸縮振動(dòng)；微膠囊分別在波數(shù)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(dòng)向低波數(shù)方向略有移動(dòng)；精油在1 040 cm-1處峰型尖銳，微膠囊中此處峰型變寬，說(shuō)明精油疏水性基團(tuán)進(jìn)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(gòu)成的壁材對(duì)鐵觀音茶精油進(jìn)行了很好的包埋。

2.4 微膠囊的釋放性能

根據(jù)Avrami's 公式對(duì)鐵觀音茶精油微膠囊在不同溫度下的釋放動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4和表4 所示。

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

圖4 Avrami's 公式對(duì)微膠囊保留率和時(shí)間釋放動(dòng)力學(xué)的擬合曲線Fig.4 Fitted curves of the Avrami's formula to retention and time release kinetics of microcapsules

3 個(gè)溫度下微膠囊回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2＞0.96，表明Avrami's 公式解釋微膠囊釋放動(dòng)力學(xué)的可行性。根據(jù)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)n=0.54時(shí)，釋放屬于擴(kuò)散限制反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；當(dāng)n=1 時(shí)，釋放過(guò)程遵循一級(jí)反應(yīng)釋放動(dòng)力學(xué)［14］。在4，25 ℃條件下，精油的釋放機(jī)理常數(shù)分別為0.65，0.91，表明在這2 個(gè)溫度，微膠囊的釋放反應(yīng)動(dòng)力學(xué)介于擴(kuò)散限制動(dòng)力學(xué)與一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)之間；60 ℃時(shí)，精油的釋放機(jī)理常數(shù)為1.66，即高于一級(jí)動(dòng)力學(xué)釋放，屬于揮發(fā)性快速釋放過(guò)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(dǎo)致芯材的分子活化能增大，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，從而加速釋放［15］。綜上研究結(jié)果，微膠囊在4，25 ℃可以減緩鐵觀音茶精油的釋放，對(duì)精油具有較好的保護(hù)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

以包埋率、產(chǎn)率和粒徑為指標(biāo)，確定鐵觀音茶精油的最佳微膠囊壁材；以包埋率和產(chǎn)率為指標(biāo)，對(duì)微膠囊制備的工藝進(jìn)行優(yōu)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(chǎn)率為62.44%。制備的鐵觀音茶精油微膠囊囊壁結(jié)構(gòu)相對(duì)完整、表面光滑，在4，25 ℃時(shí)達(dá)到緩慢釋放的效果。研究結(jié)果對(duì)鐵觀音茶精油的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。