近赤外分光法による毛髪中の自由水、結合水の非破壊構造解析
関西学院大学理工学部

尾幸崎洋

Near-infrared (NIR) diffuse reflectance (DR) spectra in the 12000-4000 cm-1 region were measured for keratin
powder. At the initial stage of NIR measurement the keratin powder contained some water. The sample was placedin a vacuum oven at 50℃ for 30 minutes and then its spectrum was measured. After that the sample was kept in
the oven at 50℃ for 5 minutes and then a spectrum was collected again. In this way 11 spectra were obtained. We
analyzed two spectral regions, the 7050-6000 and 5350-4090 cm-1 regions, where bands due to free and bound water
are expected to appear. For example, in the latter region we found a band at 〜 5180 cm-1 due to weakly hydrogenbonded free water and a band at 5050 cm-1 ascribed to the overlap of strongly hydrogen bonded water and boundwater. Probably, by taking the intensity ratio of these two bands, one may be able to explore the relative variation offree and bound water in keratin. The NIR spectra of keratin powder are so close to those of human hair, so that one
may use the same technique to estimate the relative contents of free and bound water in human hair.

1．緒

ドイツ、韓国など）において行われており、特許も申請さ言れている。毛髪の近赤外スペクトル測定専用のセルの提案、毛髪は、主としてケラチンタンパクからなる非常に複雑水分率測定に関する従来法と近赤外法の比較などが行われな構造を持った複合素材である。通常環境下において、毛ている。しかしながらこれらはいずれも単なる水分率の定

髪は吸着水として水を保持しており、含まれる水の量は毛量をめざしたもので、水の構造や自由水や結合水について髪の物理的性質を大きく変化させ、毛髪の感触や外観、ヘは議論していない。また毛髪のダメージと水分率との関係アスタイル維持などに影響を与える。

についての研究も限られている。自由水や結合水の状態やこれまで、毛髪の水分率を測定する方法としては、カール・毛髪中のケラチンの水和、さらにはケラチンそのものを用フィッシャー法、重量法が多用されてきた。また、毛髪水いたタンパク質の自由水や結合水の研究などは例がなく、分の非破壊測定法については、高周波容量式、電気伝導度

本研究の独創的な点といえる。

法などが提案されている。しかしながら（1）
水分率の絶対値

筆者は 1992 年世界で初めて毛髪の近赤外スペクトルに関評価、（2）非破壊計測、（3）他の化粧品成分に影響されない、する論文を発表し、その中で毛髪のスペクトルのバンドの（4）広範囲の水分測定が可能、といった条件を全て満足する

帰属、水分定量の可能性について言及した 7）。またこの実

毛髪水分率測定法は、これまで見当たらない。本研究の目

験は光ファイバープローブを用いて行われたため、将来の的は、近赤外分光法を用いて非破壊的に毛髪の水分率を測ポータブル型近赤外毛髪水分計の開発を示唆するものとな定する方法を開発するとともに、毛髪中の自由水、結合水った。一方において筆者はタンパク質等の生体物質の水和の区別あるいは構造について研究することにある。の研究を行ってきた。この研究は固体タンパク質とタンパ

近赤外分光法は非破壊的に生体物質、薬品、農産物、ポク質水溶液の両方に関するもので、タンパク質の二次構造リマーなどの水分の定量、水の構造解析ができる方法としと水和、結合水と自由水などについて研究を進めた８-13）。筆て注目を集めている。コスメトロジーの分野では毛髪者はこれらの研究の基礎となる “水” そのものの研究についのみならず、皮膚やツメの水分定量が近赤外分光法を用いても温度変化に伴う水素結合の変化などについて詳しい研て試みられている。

究を行っている 14）。さらに二次元分光法、ケモメトリックス

１- ６）

近赤外分光法を用いた毛髪中の水分率の非破壊的定量法などいろいろな最新のスペクトル解析法を駆使し、タンについては、国内外数ヶ所（海外ではアメリカ、ベルギー、パク質等の近赤外スペクトルのバンドの帰属を行った。本

Non destructive Analysis of Free andBonded Water in Human Hair by Near
Infrared Spectroscopy

稿では固体のケラチンタンパク質を近赤外スペクトルを水分含有量を変化させて測定し、自由水、結合水のバンドに帰属及び強度変化について研究した結果について報告する。

Yukihiro Ozaki
Department of Chemistry, Kwansei GakuinUniversity

２．実
2-1.

験

試薬

ケラチンは和光純薬から購入したものをそのまま用いた。

−9−

水は２回蒸留水を用いた。

2-2.

(a)

分光装置

近赤外スペクトルの測定は VECTOR22/N, FT-NIR 分光器（Bruker Optics Inc.）を用いて分解能 32cm − 1 で行った。
スキャン回数は 32 回、測定領域は 12000−4000cm−1 であった。

2-3.

スペクトルのデータ処理

微分スペクトルはサビツキーゴーレイ法（12 gap sizes, 2polynormial）によった。

３．結(b)

果

図１（a）
、（b）
はそれぞれケラチンの固体粉末と水溶液の近赤外スペクトルである。粉末のスペクトルは毛髪のスペクトルに非常によく似ている 15）。8700 − 8200cm − 1 領域のバンドはケラチンの CH3、CH2、CH 基の第二倍音あるいは結合音に帰属される。7000 − 6300cm − 1 付近のブロードなバンドは CH3、CH2、CH の結合音、NH 振動の倍音、結合音に水の結合音（OH 対称伸縮振動と逆対称伸縮振動）が重なったものである。この領域は含まれる水分の量によって水のバンドの強度が変化するために全体としても変化する。6000-5750cm − 1 のバンドは、CH3、CH2、CH の第一倍音、Figure 1結合音によるものである。5200 − 5000cm − 1 の領域のバン(a) NIR spectrum of keratin powder(b) NIR spectrum of keratin in an aqueous solution.

ドもタンパク質のバンドと水のバンド（OH 変角振動と OH伸縮振動の結合音）の重なりである。ケラチンの水溶液のスペクトル（図１（b））と粉体のスペクトル（図１（a））を比較すれば、水のバンドの寄与がよくわかる。タンパク質の自由水や結合水の研究も 7000 − 6300 cm − 1 と 5200 − 5000
cm − 1 の領域のバンドを用いて行うことができる。4900 −
4000 cm − 1 に観測されるバンドはいずれもケラチンのアミド基あるいは CH3、CH2、CH 基によるバンドである。
図２は水を含んだケラチンの乾燥過程を近赤外拡散反射スペクトルで追跡したものである。図２で１）と印したスペクトルは、ケラチン水溶液を真空中に置き 50 ℃で 30 分加熱した後に測定したスペクトルである。他のスペクトル

Figure 2 Time-dependent variations in NIR spectra of keratinpowder.

はそれに続いて５分ずつ加熱した後測定したものである。
全部で 11 個のスペクトルが示されている。このように一連のスペクトルを測定することにより、ケラチンの自由水、結合水のバンドを帰属し、その強度変化を研究できると考えた。
図３は図２のスペクトルの二次微分の 9000 − 4000cm − 1の領域である。この図からわかることは水分の蒸発に伴い7300 − 6200cm − 1 の領域と 5350 − 4890cm − 1 の領域が大きく変化するのに対し、他の領域、例えば 6000 − 5700、5000 −4000 cm − 1 の領域はほとんど変化しないことがわかる。このことは CH3、CH2、CH、アミド基によるバンドは結合水や自由水の量によってほとんど変化しないことを示していFigure 3 The second derivatives of the spectra shown in Figure 2.

− 10 −

近赤外分光法による毛髪中の自由水、結合水の非破壊構造解析る。言いかえればこれらのバンドは水和の影響をほとんど

チンのスペクトルは〜 6900cm − 1 にもう１本余分のバンド受けない。

が現れる（普通の水でも現れるがその強度は弱い）。そし

図４（a）、（b）は図２、３の 7500 − 6150cm − 1 の領域の拡大である。て重要なことは、〜 7080 と〜 6900cm − 1 のバンドがともに水分の蒸発とともに平行して弱くなっていくということの領域を見ると二次微分スペクトルである。したがってこれら２本のバンドはともに自由水のから５本のピークが存在することがわかる。このうち〜7300 − 6150cmバンドに帰属される。おそらく〜 7080cm − 1 のバンドは自6970、〜 6880cm

由水の WHB によるものである。〜 6900cm − 1 は普通の水−1−1のバンドは水分の減少とともにほぼ平行して弱くなっている（図４（a））
。一方、〜 6700、〜 6530、では非常に弱いバンドとして観測されるものでその強度が〜 6310cm

ここではかなり強くなっている点が注目される。おそらく−1のバンドの強度はあまり大きくは変化しない。

筆者は水の近赤外スペクトルについて水のスペクトルのこのバンドは自由水の SHB と WHB の中間的なもので、こ。帰属には二の相対強度が時間的に〜 7080cm − 1 バンドに比べ弱くなっ

次微分、差スペクトル、二次元相関分光法、ケモメトリッていることから（図４（a））、二次結合水的なものではないクス法など非常に多くの手法を用いて徹底して解明を試みかと考えられる。〜 6580cm − 1 のバンドは自由水の SHB とた。その結果、水（自由水）の構造はわずか 2 種類で、強い結合水のバンドが重なったものである。時間とともにこの水素結合したものと弱い水素結合をした２種類のものであバンドはいくぶん弱くなる。おそらく自由水がなくなる分る。ここではそれらを SHB（strongly hydrogen-bonded）だけ弱くなるのであろう。ただこの領域にはタンパク質に水と WHB（weakly hydrogen-bonded）水と呼ぶことにすよるバンドも観測されるので、結合水についてこの領域かる。WHB と SHB はそれぞれ 7080 と 6700 cm

付近にバら知見を得るのはややむずかしいことがわかった。つぎに。この水のスペクトルと図４（a）のスペク

5350 − 4890cm − 1 の領域について検討した。この領域のストルを比較するといくつかの興味深いことがわかる。図ペクトル変化も毛髪の水分含量変化にともなうスペクトル４（a）を見ればわかるように、水のスペクトルに比べケラ変化ときわめてよく似ている。この領域で 4880cm − 1 付近

温度変化測定からバンドの帰属を試みた

ンドを与える14）−114）(a)(a)(b)(b)

Figure 4 (a) The enlargement of the 7500-6150 cm − 1 region of
the spectra shown in Figure 2(b) The second derivatives of the spectra shown in (a)Figure 5 (a) The enlargement of the 5700-4850 cm − 1 region of
the spectra shown in Figure 2(b) The second derivatives of the spectra shown in (a)− 11 −

に観測されるバンドはケラチンによるものである。5350 −Content in Animal Tissues by FT-NIR Spectroscopy

4900cmには２つのバンドが観測される。〜 5190cm−1付

with Light-Fiber Optics. Part 1: Human Hair, Appl.

近のバンドは自由水の WHB によるもの、〜 5060 cm−1のSpectrosc., 46, 875-876, 1992.

−1

バンドは自由水の SHB と結合水の重なり合ったものであろ

８） Cho RK, Lee JH, Ozaki Y, Iwamoto M: Theのバンドの強度を比較すると前者がapplicability of near infrared reflectance spectroscopy

大きく強度減少するのに対し、後者の減り方が少ないとこfor determining solubility of heated protein under highろが注目される。このことも上の帰属を指示する。この領pressure, J. Near. Infrared Spectrosc., 3, 73-79, 1995.

域の場合も自由水と結合水を完全に分けることはできなか

９） Wang J, Sowa MG, Ahmed MK, Mantsch HH: 9 8,う。5200 と 5060 cm−14748-4755, 1994.

ったしかしこの２本のバンドの強度比をとれば自由水と結10） Miyazawa M, Sonoyama M, J Near Infrared

合水の含量の比を見積もることができるであろう。

Spectrosc., 6, S253, 1998.

5700 − 4890cm − 1 の 二 次 微 分 で 注 目 さ れ る の は、付近のバンドの波数がかなり低波数側へシフト

11） Wang Y, Murayama K, Myojo Y, Tsenkova R,することである。これは乾燥が進むと弱い水素結合をもつ

Hayashi N, Ozaki Y: Two-Dimensional Fourier

完全に自由水的なものが少なくなるからと考えられる。

Transform Near-Infrared Spectroscopy Study of Heat5200cm−15350 − 4890cm−1Denaturation of Ovalbumin in Aqueous Solution, J.の領域の変化は、同じ領域の毛髪の変

Phys. Chem B, 102, 6655-6662, 1998.

化と非常によく似ている。したがって毛髪の場合も同じ方法で自由水と結合水の相対含量を見積もることができるで

12） Wu. Y, Czarnick-Matsusewicz B, Murayama K,
Ozaki Y: Two-Dimensional Near-Infrared Spectroscopyあろう。

Study of Human Serum Albumin in Aqueous Solution:（参考文献）

Using Overtones and Combination Modes Monitor

１） 尾崎幸洋、河田聡編著：近赤外分光法、学会出版セ

Temperature-Dependent Changes in the SecondaryStructure, J. Phys. Chem B, 104, 5840-5847, 2000.

ンター２） 岩元睦夫、河野澄夫、魚住純著：近赤外分光法入門、

13） Murayama K, Czarnick-Matsusewicz B, Wu.
Y, Tsenkova R, Ozaki Y: Comparison between

幸書房３） Siesler HW, Ozaki Y, Kawata S, Heise HM: Near-Conventional Spectral Analysis methods,

Infrared Spectroscopy-Principles, Instruments,

Chemometrics, and two-Dimensional Correlation

Applications, Wiley-VCH, 2002.

Spectroscopy in the Analysis of Near-Infrared Spectraof Protein, Appl. Spectrosc., 54, 978-985, 2000.

４） 尾崎幸洋編著：近赤外分光法、アイピーシー

14） Segtnan VH, Sasic S, Isaksson T, Ozaki Y: Studies５） 尾崎幸洋著：分光学への招待、産業図書、1997
６） 尾崎幸洋、宇田明史、赤井俊雄著：化学者のためのon the Structure of Water Using Two-Dimensional

多変量解析−ケモメトリックス入門、講談社サイエンテ

Near-Infrared Correlation Spectroscopy and principal

ィフィク、2002.

Component Analysis, Anal. Chem., 73, 3153-3161, 2001.

７） Ozaki Y, Miura T, Sakurai K, Matsunaga T:15） 尾崎幸洋：未発表データ

Nondestructive Analysis of Water Structure and− 12 −