茶树油微胶囊的制备及其热释放研究

张凤梅，蒋爱月，向能军，蒋昆明，杨 晨，李振杰，太志刚

(1.云南省烟草化学重点实验室，云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231；2.昆明理工大学 生命科学与技术学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

茶树精油(Tea Tree Oil,TTO)是从桃金娘科千层叶(Melaleucaleucadendron)中提取得到的植物精油，具有抑菌抗炎、杀虫等药理活性，其香气成分具有提神醒脑的功效，民间常用来治疗伤风感冒、鼻炎、咳嗽和哮喘等上呼吸道疾病，在食品、医药和烟草方面具有较广的应用范围[1-2]，其主要化学成分为萜类化合物，如松油醇、松油烯、桉叶素、羟基萜烯和蒎烯等[3-4].基于其成分均为低沸点物质，挥发性较强，加温时，香气挥发量增加，容易氧化，限制了其在药品、食品和烟草方面的应用.

增强茶树精油的热稳定性，使其缓慢释放香气成分是解决以上问题的关键.查阅文献发现解决以上问题的方法主要有两种，方法一是将香味成分与底物发生化学反应，所得产物于常温下不释放香气，加温时，化学键断裂，香气成分释放出来，如糖苷类香料前体等物质.方法二是利用高分子材料，将香味成分包裹于其中，形成微米或纳米级颗粒，如微胶囊、微球、环糊精包结物等，在常温下，香气成分得以有效保存，加温时，香气成分热运动加剧，气化，穿过高分子外壁，释放出来[5-8].其中，方法一适用于单一香味成分，方法二对混合物或单一香味成分均适用，其中微胶囊因操作简便，容易扩大化生产，在食品、药品和烟草方面具有较为广泛的应用[6].迄今为止，相关文献报道了茶树油的微胶囊制备方法,并研究其稳定性和释放性能，如张晓明等人[9]采用复凝聚法，以多孔淀粉为载体，将茶树精油吸附，再以海藻酸钠-壳聚糖为壁材，控制凝聚pH值、乳化时间、包裹时间和搅拌转速等因素，成功制备了茶树精油微胶囊，还发现其热稳定性提高，在一定温度点，其单日释放率仅为0.04%，不仅保持了稳定性，还有效提高其缓释性能，又如龚圣等人[10]以甲醛和尿素为壁材，采用原位聚合法制备了茶树油/脲醛树脂微胶囊，所制得的微胶囊载药量为45%，4 d 释放量为68%，室温条件下微胶囊释放时长可达7d.

有别于复凝聚法或原位聚合法，单凝聚法只需一种壁材，通过调控体系无机盐的浓度，使壁材析出、凝聚并发生包裹.因为仅使用一种壁材，其操作方法较复凝聚简单，控制壁材和体系内无机盐的浓度，就可调控壁材的凝聚速率，可操作性和可控性较强，具有包埋率高、成本低、易于扩大化生产的优点[11]，目前已有相关文献报道单凝聚法成功制备微胶囊的方法[12-15].本研究团队查阅文献发现，采用单凝聚法制备茶树油微胶囊的研究报道较少，为进一步拓展茶树油应用范围，本文以明胶为壁材，采用单凝聚法，结合真空冷冻干燥制备茶树油单壁微胶囊(TTEO /GE)，通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、显微镜和扫描电镜(SEM)观察其形貌结构，进一步通过热重/热差(TG/DSC)和热释放气质联用(HR/GC-MS)研究其稳定性和热释放性能.以上研究将为深入探讨茶树油微胶囊的单壁包裹及其应用奠定基础.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

明胶(GE，冻力200)购自山东大凯生物科技有限公司，茶树精油(TTEO)购自吉安市佰伦植物油有限公司，氢氧化钠、乙酸、甲醛和无水硫酸钠等试剂为分析纯，购自国药集团有限公司.

Mettler电子天平(瑞士Mettler Toledo公司)，wn-17m精确控温高温炉(南京利德盛机械公司)，t25组织捣碎机(德国IKA公司)，SZCL-2控温磁力搅拌器(巩义市予华仪器)，DOR YANG 7230G/723紫外可见分光光度计(渡扬精密仪器(上海)有限公司)，Agilent 7890A-MS5977B气质联用仪(美国安捷伦科技有限公司)，LGJ﹣10真空冷冻干燥机(北京松源华兴科技发展有限公司)，FTIR-650S红外光谱仪(赛默飞科技)，TG/DSC1 型热重/ 差热综合热分析仪 (瑞士 Mettler Toledo 公司)，SZX/SZ倒置光学显微镜(奥林巴斯科技)，Quanta200扫描电子显微镜(美国FEI公司).

1.2 实验方法

1.2.1 TTEO/GE微胶囊的制备及形貌观察

用分析天平精确称取 2.502 0 g GE，将其置于50 mL蒸馏水中，升温至60 ℃，浸泡10 min，使之膨胀、搅拌并溶解于水中，观察分散程度，适当延长或缩短浸泡时间，待其分散完全后保温备用，得GE溶液.精确吸取2.850 mL TTEO，将其置于GE溶液中，以 12 000～15 000 r/min的转速乳化8 min，得TTEO/GE乳剂，调节转速为500 r/min，充分搅拌，匀速，逐滴，加入10%乙酸水液，直至溶液pH为3.6，停止滴加，持续搅拌.缓慢匀速滴加20%的无水硫酸钠溶液，采用分光光度计监测溶液透光率，当透光率数值由0忽跃至80%时，停止滴加，持续搅拌15 min，取适量样品于载玻片上，采用倒置显微镜观察成囊情况，进一步加入10%硫酸钠溶液，搅拌3 min，迅速冷却至4 ℃，逐滴加入适量甲醛溶液(12.3 mol/L)，持续搅拌10 min，使用20%氢氧化钠调节pH为8.5，搅拌30 min，过滤，用蒸馏水洗滤饼3次，将滤饼置于冷冻干燥机中，得到TTEO/GE微胶囊.

取少量TTEO/GE微胶囊置于载玻片上，取适量水将其分散均匀，于倒置显微镜下观察TTEO/GE微胶囊的形貌，拍照记录.进一步使用导电双面胶将TTEO/GE微胶囊固定在扫描电子显微镜的平台上，去除多余TTEO/GE微胶囊.观察其形貌，SEM的仪器条件为：真空度<10 Pa，保持3～4 min，喷金时间120 s，电压5 kV，电流15 mA，样品高度9.4 mm，放大倍数5 K.

1.2.2 FTIR测试

TTEO/GE微胶囊包合效应采用FTIR光谱仪进行测试，取适量溴化钾置于研钵中，分别加入适量TTEO、TTEO/GE和GE混合研磨，压片，空白调零.仪器条件为：扫描范围 4 000 cm-1至400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描3次.

1.2.3 包封率测试

TTEO/GE微胶囊包封率的测试按Toure等报道的方法进行[16]，取40 mL蒸馏水置于100 mL烧杯中，将200 mg TTEO/GE微胶囊搅拌分散于其中，观察其分散状态，借助超声仪器进行分散，控制功率和时间，观察TTEO/GE微胶囊形貌，确保其破壁完全.将10 mL正己烷加入分散液中，充分混合，超声，静置萃取 5 min，以 4 000 r/min的转速离心10 min，取出上层正己烷萃取液.重复以上操作3次，合并萃取液，定容.GC-MS测定并计算包埋率.仪器条件：HP-5MS(30 m×0.25 μm)毛细管柱，氦气为载气，流速 1 mL/min，气化室温度280 ℃，四级杆温度150 ℃，离子源温度230 ℃.柱温升温程序为：起始温度50 ℃，保持5 min，升温至280 ℃，升温速率为3 ℃/min，于280 ℃保持10 min.经分离得到的物质采用EI离子源进行全扫描检测，扫描范围45～500 amu，采集得到总离子流图.

包封率(%)= (M/MO)×100

式中：M为茶树精油在TTEO/GE微胶囊中的质量，g；MO为初始添加的茶树精油用量，g.

1.2.4 TG/DSC测试

调试仪器于800 ℃下保持10 min，排仪器内部杂质，将 12.121 9 mg TTEO/GE微胶囊置于热重坩埚内.在氮气流量为80 mL/min，起始温度为30.1 ℃，最终温度为800.5 ℃，升温速率为10 ℃/min.

1.2.5 热分解分析

于实验室自制热分解罐中加入500 mg TTEO/GE微胶囊，旋紧内盖，压紧外盖，确保分解罐密闭，打开进气阀和出气阀，使用氮气置换罐内空气，关闭进气和出气，将热分解罐置于高温炉内以5℃/min的速率升温至100 ℃，保持5 min，打开进气阀和出气阀，进气口通入氮气，出气口置于3mL二氯甲烷吸收液中，吸收5 min，将吸收液定容至5 mL，密封保存.分别升温至100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃，按以上操作程序得相应吸收液.采用GC-MS测定吸收液中的化学成分，仪器条件与1.2.3一致，检索谱库版本为NIST14，面积归一化法为定量方法.

2 结果与讨论

2.1 TTEO/GE微胶囊的制备和形貌分析

因单凝聚法制备所得微胶囊为单层壁，通过调控芯壁比,即控制其壁材厚度，操作简单，便于扩大化生产[13].本研究以GE为囊材，通过加入20%无水硫酸钠以降低GE的溶解度，以促使其凝聚，包裹TTEO乳球，加入10%无水硫酸钠，避免体系中GE解聚，迅速降温，甲醛固化，洗涤，冷冻干燥，最终得到TTEO/GE微胶囊.在显微镜下观察微胶囊的形貌，如图1所示，视野中TTEO/GE微胶囊呈球形，为单层壁材，且数量较多，范围内无絮状物，此结果说明凝聚的明胶将TTEO乳球包裹完全.

图1 TTEO/GE微胶囊镜像图 Fig.1 IM picture of TTEO/GE

为进一步观察TTEO/GE微胶囊的形貌及微观尺寸，本研究采用SEM观察了TTEO/GE微胶囊的微观结构.如图2所示，可明显地看到球形TTEO/GE微胶囊，尺寸范围为10～30 μm，表面光滑，形貌完整，无褶皱，与图1相似的是，尺寸稍大的表面附着了部分小尺寸微胶囊，且微胶囊之间存在孔洞，可能是在真空冷冻干燥时形成气孔所致.

图2 茶树精油微胶囊扫描电镜图 Fig.2 SEM picture of TTEO/GE

2.2 FTIR测试

如图3所示，自上而下分别为明胶(GE)、茶树精油(TTEO)、茶树精油微胶囊(TTEO/GE)的傅里叶变换红外光谱图，TTEO的主要成分为蒎烯和蒈烯等，所以在 2 922 cm-1附近存在较强的不饱和C﹣H振动吸收峰，在 1 676 cm-1附近出现了不饱和碳碳双键振动吸收峰；GE的片段为肽，其结构中存在胺基、羰基和羟基，所以在 1 600 cm-1附近出现了较强的羰基吸收峰，在 3 428 cm-1处出现了较为宽的羟基和胺基吸收峰；TTEO/GE在 3 428 cm-1出现了较宽的羟基和胺基吸收峰，同时在 2 922 cm-1附近出现了较强的不饱和-C-H的吸收峰.综上分析，证明此茶树精油微胶囊制备成功.在此基础上，本研究进一步对包埋率进行了测试，通过搅拌和超声破壁后，以正己烷为萃取剂反复进行萃取，通过GC-MS对萃取液进行了测试，最终，通过计算TTEO/GE微胶囊的包封率可达83.5%.以上结果说明添加无水硫酸钠，降低GE的溶解度，促其凝聚和包裹，为防止GE再次解聚，本实验添加了无水硫酸钠稀释液以保持包封率.在此操作过程中，仅需控制无水硫酸钠的浓度和凝聚温度两个条件即可实现包裹，与复凝聚法比较，单凝聚法操作方法简单方便，操作周期短.

图3 GE、TTEO和TTEO/GE微胶囊的红外色谱图 Fig.3 The FTIR spectra of GE,TTEO and TTEO/GE

2.3 TG/DSC分析

在成功制备TTEO/GE微胶囊的基础上，为进一步研究其热释放性能，本研究首先进行了热重和热差测试.如图4所示，图(a)为TTEO的热重和热差曲线图，由曲线形貌判断有物质因吸热产生气体，TG曲线显示TTEO的失重范围为104.3～219.5 ℃，总失重量为83.3%，按照10 ℃/min的升温速率计算，在此范围内平均重量变化率为7.2%/min，DSC曲线显示在206～217 ℃范围内，有一个明显的吸热峰，推测在此温度范围内，TTEO的失重率最大.图(b)为TTEO/GE微胶囊的热重和热差曲线图，TG显示TTEO/GE微胶囊的失重范围为129.8～452.4℃，总失重为64.3%，平均失重速率为2.0%/min.TTEO/GE微胶囊较TTEO的失重温度范围和失重温度提高，在同等升温速率下，平均失重速率由7.2%/min降至2.0%/min，以上结果表明TTEO/GE微胶囊的热稳定性不仅增加，而且在一定升温速率下，其中的TTEO释放速率降低，有效延长了释放时间.

(a)茶树油 (b)茶树精油微胶囊注：黑线为TG，红线为DSC图4 茶树精油微胶囊和茶树精油热重、热差曲线Fig 4 TG/DSC curve of TTEO and TTEO/GE

2.4 热分解分析

通过单凝聚法制备的TTEO/GE微胶囊热失重范围增加，为进一步研究其热稳定性和热释放性，本研究测试了不同温度点释放的化学成分变化.有别于传统联机热裂解仪，本课题组研发了离线热分解罐.根据TG/DSC曲线，选取100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃作为释放温度，收集释放的化学成分，通过GC-MS进行测试，结果如图5和表1所示.

图5 茶树精油微胶囊在不同温度的热释放产物Fig.5 HR- GC-MS curve of TTEO/GE at different temperatures

表1 茶树精油微胶囊热裂解主要产物Tab.1 Pyrolysis product of TTEO/GE at different temperature

100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃下TTEO/GE微胶囊热释放的主要化学成分为蒈烯(Carene)、萜品烯(Terpinene)、异松油烯(Terpinolene)和4-萜品醇(4-Terpineol)等成分，此结果与文献[3-4]报道相符，但其含量随温度升高而有明显变化.在100 ℃时，蒈烯和萜品烯的含量分别为30.18%和41.08%，没有发现4-萜品醇.当温度升高至200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃时，蒈烯含量降至20.98%～19.73%，萜品烯的含量降至33.49%～29.90%，4-萜品醇的含量升至18.62%.以上结果说明，茶树精油被明胶包裹后，蒈烯、萜品烯和4-萜品醇在200～500 ℃ 范围内均可释放，其热释放温度范围扩宽，热稳定性增强.此结论与TG/DSC测试结果一致.在100 ℃时，均释放了定量蒈烯和萜品烯，推测有部分蒈烯和萜品烯残留在TTEO/GE微胶囊的表面或缝隙中，低温释放出来.

3 结 论

通过热重分析(TG/DSC)和热缓释-气相色谱质谱(HR/GC-MS)对茶树油单壁微胶囊的稳定性和热释放行为进行了研究，得到如下结论：

1) 本研究采用单凝聚法制备了TTEO/GE微胶囊，通过加入高浓度无机盐，降低体系中GE溶解度，使之凝聚成囊，从而形成单壁TTEO/GE微胶囊，操作过程简单，影响因素较少，易扩大化生产.

2) 采用过IM、SEM和FTIR对所得TTEO/GE微胶囊的形貌和包合效应进行了验证，发现TTEO/GE微胶囊为单层壁材，呈光滑球状，粒径为10～30 μm.基于成功制备TTEO/GE微胶囊基础上，通过TG/DSC和HR- GC-MS热释放行为研究，发现TTEO被明胶包裹后，其中的主要成分蒈烯、萜品烯和4-萜品醇在200～500℃范围内均可释放，相比较TTEO，TTEO/GE微胶囊的热失重速率从7.2%/min降至2.0%/min，其热释放温度范围扩宽，热释放成分不变，热稳定性增强.以上研究结果为TTEO在热加工食品方面的应用奠定了基础.