铁观音茶精油微胶囊化制备及结构表征

操晓亮，薛婉茹，庄志雄，谢李玲，叶淑芳，孟 春，杨娟娟，张 峰，洪 晶

（1.福建中烟工业有限责任公司 技术中心，福建厦门 361022；2.福州大学 生物科学与工程学院，福州 350108）

0 引言

铁观音茶叶是福建省特有的一种乌龙茶，具有独特的“观音韵”［1］。铁观音茶精油是由铁观音的挥发性物质经过提取和浓缩等步骤获得的产物，可应用于食品、酒水饮料和卷烟等工业中［2］。但是，铁观音茶精油稳定性较差，遇到光、热或暴露于空气中时，易氧化分解而失去原有的功效及风味品质，导致其应用受到限制。为了克服铁观音茶精油不稳定问题，将其进行微胶囊化，可以保护精油，提高其稳定性［3］。

制备微胶囊的方法很多，喷雾干燥是最常用的方法之一，也是食品行业最常用的方法，它能够以较低的运营成本持续生产［4］。微胶囊的壁材是影响其性能的关键因素［5］，明胶（GE）、阿拉伯树胶（GA）和麦芽糊精（MD）等作为微囊化的廉价壁材广泛应用于精油的包埋［6］。OGILVIE 等［7］使用明胶和阿拉伯树胶的复合凝聚作用获得了新型香叶醇微胶囊，平均包埋率达到89%。URES等［8］使用喷雾干燥技术将小耳叶精油封装在阿拉伯树胶和麦芽糊精中，达到控制精油活性成分释放的目的。目前，国内外还没有关于利用喷雾干燥法进行铁观音茶精油微胶囊化的报道。

本文采用喷雾干燥法制备铁观音茶精油微胶囊，通过粒径、包埋率、外貌特征和释放特性，对微胶囊的壁材及包埋工艺进行筛选和优化，旨在通过铁观音茶精油的微胶囊化稳定精油品质，保持铁观音茶精油的自然茶香特征，进而为铁观音茶精油的工业应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

铁观音茶精油：自制；麦芽糊精，阿拉伯树胶：上海易恩化学技术有限公司；明胶：中国医药（集团）上海化学试剂公司；其他试剂均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

NAI-GZJ 型喷雾干燥器（上海贺帆仪器有限公司）；AVATAR360 型傅里叶红外光谱仪（美国尼高力仪器公司）；Nano-ZS90 型Zetasizer Nano激光粒度分析仪（英国Malvern 仪器有限公司）；T6 型紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）；Nova NanoSEM 230 型扫描电子显微镜（美国FEI 公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 铁观音茶精油的制备

铁观音杀青物精油采用水蒸气蒸馏的方法进行提取，通过减压反渗透浓缩、溶剂萃取和减压浓缩等步骤得到［9］。

1.2.2 铁观音茶精油微胶囊的制备

参照黄进宝等［10］的方法，稍作修改。称取一定浓度的壁材溶液，加入铁观音精油，一定温度下400 r/min 持续搅拌一定时间，100 Hz 超声均质5 min 后进行喷雾干燥。入口温度170 ℃，出风温度70～75 ℃，泵速15 r/min。

1.2.3 微胶囊产率的测定

微胶囊产率按照下式计算：

1.2.4 包埋率的计算

（1）标曲的制作

分别配制浓度为0.005，0.010，0.015，0.020，0025，0.035 g/mL 的精油标准溶液，采用紫外分光光度法测定其在238 nm 处的吸光度值，以精油浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线，通过线性回归得到标曲方程为y=37.73x+0.036 8（R2=0.995 8）。

（2）包埋率的计算

取0.1 g 微胶囊于10 mL 无水乙醇中，充分振荡后10 000 r/min 离心作用10 min，取上清液测定吸光度值，并根据精油标准曲线计算出未被包埋精油的质量，依据精油添加量计算包埋率，如下式：

1.2.5 单因素试验

（1）壁材组合对包埋效果的影响

分别选择阿拉伯树胶、明胶、麦芽糊精、β-环糊精（β-CD）和海藻酸钠（SAA）组成不同的壁材等浓度组合（1：GA+MD，2：GE+MD，3：GE+GA+MD，4：GE+GA+ β -CD，5：GE+GA+SAA，6：GE+GA）。壁材浓度3%（w/v），芯壁比1：3（w/w），温度40 ℃，制备微胶囊，以包埋率为指标，考察不同壁材组合对包埋效果的影响。

（2）壁材浓度对包埋效果的影响

分别配制壁材浓度为1%，2%，3%，4%，10%，芯壁比1：3，壁材为GE+GA+MD，温度40 ℃，制备微胶囊，以包埋率为指标，考察不同壁材浓度对包埋效果的影响。

（3）芯壁比对包埋效果影响

芯壁比分别设置为2：1，1：1，1：2，1：3，1：4，1：5，壁材浓度2%，壁材为GE+GA+MD，温度40 ℃，制备微胶囊，以包埋率为指标，考察不同芯壁比对包埋效果的影响。

（4）包埋温度对包埋效果的影响

分别设置包埋温度为30，40，50，60，70，80 ℃，壁材浓度2%，壁材为GE+GA+MD，芯壁比1：3，制备微胶囊，以包埋率为指标，考察不同温度对包埋效果的影响。

1.2.6 正交试验

以包埋率为指标，选择壁材浓度（1%，2%，3%）、芯壁比（1：2，1：3，1：4）和包埋温度（40，50，60 ℃）为因素，采用L9（34）正交表设计试验。

1.2.7 微胶囊显微结构观测

将微胶囊粉末均匀铺在样品台上，吹去多余粉末喷金，加速电压10 kV，通过扫描电子显微镜观测微胶囊的结构。

1.2.8 傅里叶红外光谱分析

以KBr 压片法用傅里叶红外光谱仪在室温下对MD，GA，GE，铁观音茶精油和微胶囊进行检测，波数范围4 000～500 cm-1。

1.2.9 微胶囊的体外释放性能

（1）精油保留率

分别称取5.0 g 微胶囊粉，置于4，25，60 ℃恒温箱中，每隔1 d 取样称重，按下式计算精油保留率：

式中 W——铁观音茶精油保留率，%；

Mt——t 时刻微胶囊中精油质量，g；

M0——初始微胶囊中精油质量，g。

（2）微胶囊的释放动力学

根据Avrami's 公式，精油释放速率常数k 和释放机理参数n 可由下式计算得出：

式中 R——精油在t 时刻的保留率，%；

k——释放速率常数；

n——释放机理参数；

t——贮藏时间，d。

分别以ln t 为横坐标，ln（-ln R）为纵坐标对数据进行线性回归分析。

1.3 数据处理

试验数据均为3 次重复试验的平均值，结果用“平均值±标准差”表示。采用Graph Pad Prism 7.0 和IBM SPSS statistics 22.0 进行数据统计处理、数据方差分析和Duncan 多重比较，P＜0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 铁观音茶精油微胶囊制备工艺的单因素优化

微胶囊的产率和包埋率是评价微胶囊制备性能的最重要因素。包埋率越高，说明芯材包埋效果越佳，微胶囊品质越稳定。不同因素对微胶囊产率和包埋率的影响如图1 所示。

图1 不同因素对微胶囊产率和包埋率的影响Fig.1 Effect of different factors on microcapsule yield and embedding rate

不同壁材组合制备的微胶囊的产率和包埋率结果如图1（a）所示。GE+GA+MD（1：1：1）为壁材的微胶囊包埋率明显高于其他壁材组合，产率也较高。进一步测定微胶囊的平均粒径（Z-Ave）和分布系数（PDI）（表1）。平均粒径和分布系数越小，表明包埋效果越好［11］。GE+GA+MD 组合得到的微胶囊粒径为（2 086±78.30）nm，分布系数相对较小，说明该体系粒径较为均一，整体包埋效果最好。

表1 不同壁材组合的微胶囊粒径和分布系数Tab.1 Particle size and distribution coefficient of microcapsules with different wall material combinations

如图1（b）所示，随着壁材浓度的增加，微胶囊的包埋率先增大后减小。在壁材浓度为2%时，包埋率达到最大。当芯壁比固定时，若壁材浓度增大，溶液黏度增大，会滞纳大量芯材不能完全溶解，不利于芯材和壁材的均匀混合。当壁材浓度过高时，还会导致成型的微胶囊小球之间发生粘连现象，稳定性差［12］。壁材浓度过低时，会造成单位壁材的包埋量过大而超过壁材的包裹限度。当壁材浓度为2%时，混合液黏度适当，芯材和壁材能够充分混合并分散，包埋效果最佳。

如图1（c）所示，产率和包埋率随芯壁比的减小呈现先升高后降低的趋势，在1：3 时达到最大值。芯壁比过大可能会导致微胶囊壁薄，容易破裂，或是没有足够的壁材对芯材进行包裹，造成芯材的游离。当芯壁比达到1：3 时，芯材和壁材比例协调，包埋效果最佳。继续增大壁材的比例，则会造成壁材的浪费，增加生产成本，还会增加溶液的黏度，使微胶囊之间发生粘连。

如图1（d）所示，微胶囊的产率和包埋率随包埋温度的上升呈现先升高后降低的趋势，在40 ℃时达到最高。在包埋温度较低时，芯材和壁材在水中扩散的速率较慢，较难均匀稳定地分布。随着包埋温度升高，芯材和壁材在水中均匀分散，更有利于聚合反应的发生。当包埋温度达40 ℃以上时，体系的稳定性下降，导致包埋率下降。

2.2 铁观音茶精油微胶囊制备工艺的正交优化

在单因素试验的基础上，选择壁材浓度、芯壁比和包埋温度为研究因素，以包埋率为指标，采用L9（34）正交表设计试验，确定微胶囊包埋最佳工艺条件，试验结果和极差分析见表2。

表2 精油微胶囊包埋工艺正交试验结果Tab.2 Orthogonal experimental results of essential oil microcapsule embedding process

由极差分析结果可知，在微胶囊包埋工艺中，壁材浓度是影响包埋率的最关键因素，其次为芯壁比，包埋温度影响最小。由方差分析（表3）可知，壁材浓度、芯壁比和包埋温度3 个因素均对精油微胶囊的包埋率有显著影响，且壁材浓度和芯壁比的影响极显著。综合分析得到包埋工艺条件的最优组合是A1B1C2，即壁材浓度为1%，芯壁比为1：2，包埋温度为50 ℃。在此条件下进行验证性试验，得到在包埋率为97.12%，产率为62.44%时，达到较好的包埋效果。

表3 正交试验的方差分析Tab.3 Analysis of variance for orthogonal experiment

2.3 微胶囊的结构分析

2.3.1 微胶囊显微结构

铁观音茶精油微胶囊的表面结构如图2 所示。

图2 胶囊扫描电镜图（10 000 倍）Fig.2 SEM image of microcapsule（×10 000）

微胶囊呈球状颗粒，囊壁完整性好，结构致密，说明壁材韧性较好，没有因为受热膨胀而破裂。微胶囊表面出现褶皱和凹陷，可能是由于喷雾干燥过程中水分快速挥发，壁材刚性不足造成［13］。但囊壁并未出现破裂，结构保持完整且表面平滑，说明分散性较好。未发生粘连，说明壁材比例恰当，对芯材具有较好的保护作用，具有良好的包埋结构。

2.3.2 红外光谱分析

麦芽糊精、阿拉伯树胶、明胶、铁观音茶精油和微胶囊的红外谱图如图3 所示。

图3 麦芽糊精、阿拉伯树胶、明胶、铁观音茶精油和微胶囊的红外谱图Fig.3 Infrared spectra of maltodextrin, gum arabic, gelatin，Tie Guanyin essential oil and essential oil microcapsules

MD 在波数3 420，2 930，1 650，1 020 cm-1处分别发生-OH 伸缩振动、C-H 伸缩振动、-OH振动吸收、C-O 键的伸缩振动；GA 在3 440，2 930，1 610，1 420，1 040 cm-1处分别为O-H 伸缩振动、C-H 伸缩振动、-COO 伸缩振动峰、-CO 伸缩振动吸收峰；GE 在波数3 400，1 650，1 540 cm-1处分别为氨基N-H 伸缩振动、酰胺羰基C=O 伸缩振动、酰胺键N-H 弯曲振动；铁观音茶精油在3 430，2 070，1 640，1 040 cm-1处分别有O-H 伸缩振动宽吸收峰、三键和累积双键的伸缩振动、C=O 伸缩振动、C-O 伸缩振动；微胶囊分别在波数3 390，2 930，1 660，1 540，1 030 cm-1有吸收，3 420 cm-1附近的O-H 伸缩振动向低波数方向略有移动；精油在1 040 cm-1处峰型尖锐，微胶囊中此处峰型变宽，说明精油疏水性基团进入到壁材空腔中；精油在2 070 cm-1处的特征峰消失，表明精油被成功包埋。综上，MD，GA，GE 构成的壁材对铁观音茶精油进行了很好的包埋。

2.4 微胶囊的释放性能

根据Avrami's 公式对铁观音茶精油微胶囊在不同温度下的释放动力学进行拟合，结果如图4和表4 所示。

表4 不同温度下微胶囊释放参数及释放速率常数Tab.4 Microcapsule release parameters and release rate constants at different temperatures

图4 Avrami's 公式对微胶囊保留率和时间释放动力学的拟合曲线Fig.4 Fitted curves of the Avrami's formula to retention and time release kinetics of microcapsules

3 个温度下微胶囊回归方程的相关系数R2＞0.96，表明Avrami's 公式解释微胶囊释放动力学的可行性。根据扩散动力学理论，当n=0.54时，释放属于扩散限制反应动力学；当n=1 时，释放过程遵循一级反应释放动力学［14］。在4，25 ℃条件下，精油的释放机理常数分别为0.65，0.91，表明在这2 个温度，微胶囊的释放反应动力学介于扩散限制动力学与一级反应动力学之间；60 ℃时，精油的释放机理常数为1.66，即高于一级动力学释放，属于挥发性快速释放过程。随着温度的升高，芯材释放速率（k）增大，可能是由于温度升高促使微胶囊壁材形成的包膜破损，膜壁空隙增大，另外高温导致芯材的分子活化能增大，分子热运动加快，从而加速释放［15］。综上研究结果，微胶囊在4，25 ℃可以减缓铁观音茶精油的释放，对精油具有较好的保护作用。

3 结语

以包埋率、产率和粒径为指标，确定铁观音茶精油的最佳微胶囊壁材；以包埋率和产率为指标，对微胶囊制备的工艺进行优化，得到最佳制备工艺条件：GE，GA，MD 这3 种壁材配比为1：1：1，壁材浓度1%（w/v），芯壁比为1：2（w/w），包埋温度为50 ℃。在此条件下，制得精油微胶囊包埋率为97.12%，产率为62.44%。制备的铁观音茶精油微胶囊囊壁结构相对完整、表面光滑，在4，25 ℃时达到缓慢释放的效果。研究结果对铁观音茶精油的进一步开发和应用奠定良好的基础。