さまざまな濃度のグリセリン溶液の水分保持率: 比較研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10232 (2022) この記事を引用

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保湿剤の保湿性を評価するさまざまな方法には、独自のメカニズムがあります。したがって、化粧品の先進的または効率的な成分を設計するには、各方法の違いを明確に理解する必要があります。この研究の目的は、化粧品の一般的な成分であるグリセリンの保湿能力を分析することでした。具体的には、この研究では、重量分析、経表皮水分損失 (TEWL) 分析、示差走査熱量測定 (DSC) を適用して、さまざまな濃度のグリセリン溶液の蒸発を調べました。その結果、グリセリンの水分保持能力はグリセリン濃度が0～60 wt%の範囲で増加し、濃度が60～70 wt%のグリセリンでは蒸発プロセス中に重量変化が見られないことがわかりました。グリセリン濃度が７０重量％を超えると、グリセリン溶液中に吸湿が発生した。さらに、結果は、重量分析を使用して測定された蒸発速度とTEWL分析を使用して測定された蒸発速度の間に偏差があることを明らかにしました。ただし、これらの分析の結果を正規化すると、水に対する相対蒸発速度が得られ、これらの 2 つの分析間で一貫性がありました。 DSC サーモグラムにより、一貫した結果がさらに確認され、グリセリン溶液中の 2 つの水和水の微細構造 (不凍水と自由水) が特定されました。これにより、測定された蒸発速度がグリセリン濃度とともに低下する理由が説明されました。これらの発見は、さまざまな測定方法によって化粧品中の保湿剤の保湿能力を証明するために適用できます。

化粧品においては、成分の保湿力が重要です1。化粧品に含まれる効果的な保湿剤は、皮膚の老化に対して有益である可能性があります2,3。保湿剤は、皮膚の水分と水分を維持できる吸湿性物質です3,4。肌の水分が失われると、肌の乾燥、しわ、たるみ、たるみが生じます。したがって、いくつかの研究では、人間の角質層上の水分を保持するのに高い効果を示す保湿剤が求められてきました5。

保湿剤の水分保持能力は、重量分析、経表皮水分損失 (TEWL) 分析、示差走査熱量測定 (DSC)、熱重量分析、膨張率測定、赤外分光法、核磁気共鳴分光法に基づく緩和時間分析など、さまざまな方法で測定できます6。、7、8、9。これらの方法のうち、重量分析は、特定の期間内の蒸発による材料中の分析物の重量変化を測定するために簡単に適用できます。体重減少レベルが低い場合は、水分保持力が高いことを示します。しかし、重量分析に使用される天びんの検出限界のため、溶液の水分保持量の指標である蒸発速度を測定するには、検出可能な重量変化を蓄積するのにかなりの時間がかかります10。したがって、重量分析では、正確な蒸発速度を取得するのは時間のかかるプロセスです11。

一般に、TEWL は、単位時間あたりに膜の特定の領域を透過する水蒸気の量を指し、プローブを使用して測定できます。 TEWL プローブは、シリンダー上に 2 対の温度センサーと湿度センサーを取り付けて、蒸発による水の損失 (平方メートルあたり 1 時間あたりのグラム数) を測定するオープンチャンバーシステムです12。 TEWL プローブの測定原理は、特定の期間内の単位面積あたりの水の物質移動率に関連するフィックの拡散の法則に基づいています。検体の重量測定を伴う水分損失測定方法と比較して、TEWL プローブは数分でより安定した水分損失測定を行うことができます 13。

DSC は、液体サンプルの微細構造と熱挙動を調査するための強力なツールです14。保湿剤の保湿性の評価にも応用できます15。凍結温度の基準によれば、保湿剤中の水の微細構造は、不凍水、中間水、自由水の 3 つのタイプに分類できます8、16、17、18、19。3 つの水和水タイプについて図 1 に示します。。不凍水や中間水は水素結合により保湿剤と結合しやすいため、結合水と呼ばれます。中間水と自由水は相転移を示す可能性があるため、可凍水と呼ばれます20。不凍水は保湿剤の親水性部位にしっかりと結合し、水と保湿剤の強い相互作用により移動度が低くなります。具体的には、不凍水には非常に弱い自由水-水相互作用が含まれます。中間の水は、不凍水と水和シェルとしての保湿剤の周囲に配置され、利用可能な空間内で最大数の水素結合が達成されるかご状の構造を形成します。中間水の分子相互作用には、水と保湿剤の相互作用と水と水の相互作用の両方が含まれます。自由水の分子相互作用には主に水-水の相互作用が含まれます。

3種類の保湿水配合。

保湿剤の保湿性を評価するさまざまな方法には、独自のメカニズムがあります。したがって、化粧品の先進的または効率的な成分を設計するには、そのような方法間の違いをより明確に理解する必要があります。したがって、この研究では、水分保持力を調べるためのモデルとして、一般的な保湿剤であるグリセリンを使用しました。具体的には、この研究では、3 つの便利な方法を使用して、さまざまな濃度のグリセリン溶液の水分保持能力を調べました。比較のため、重量分析、TEWL 評価、DSC を使用します。

この研究では、グリセリン (First Cosmetics Manufacture Co., Ltd.、台湾) と脱イオン水を使用しました。グリセリンをさまざまな量の脱イオン水で希釈することによって、さまざまな濃度 (wt%) のグリセリン溶液を調製しました。次に、これらの溶液を蒸発実験に供しました。各蒸発実験は、内径 9 mm のバイアルに 3 mL のグリセリン溶液を入れることによって実行されました。これらの実験は、30 °C、相対湿度 70% の密閉システムで実施されました。

蒸発中のグリセリン溶液の重量変化は、精密な 5 桁電子天秤機 (AS 60/220.R2、Radwag Wagi Elektroniczne、ポーランド) を使用して 35 時間自動的に監視されました。さらに、よく知られた TEWL プローブ (Courage + Khazaki Electronic、ケルン、ドイツ) を使用して、国際ガイドラインに従って蒸発プロセスの開始時にグリセリン溶液の蒸発速度を検出しました。標準偏差が 0.1 g/hr/m2 未満になるまで、2 秒ごとに 1 回の測定値が収集されました。

DSC 実験は、Thermo Model FC100AX0TA 冷凍冷却システムおよび Thermal Advantage Universal Analysis ソフトウェアを備えた示差走査熱量計 (Q10、TA Instruments、ニューキャッスル、米国) を使用して実行されました。 5 mg のサンプルを秤量し、熱量計のアルミニウムパンに密封しました。次に、サンプルパンを参照パンとともに DSC 装置に置き、40 ℃ から -50 ℃まで冷却し、1 ℃/分の速度で再び 40 ℃まで加熱して、熱による応答時間の遅れを回避しました。より速い加熱速度。加熱プロセス中の相転移に関連する温度とエンタルピーピークを分析しました。 J/g 単位のエンタルピーは、エンタルピーピークの積分とグリセリン溶液中の水の重量の正規化によって計算されました 6。 DSC 結果の再現性を確保するために、実験を少なくとも 3 回繰り返しました。

図 2a は、水溶液の瞬間蒸発速度の時間の経過に伴う変動を示しています。速度は電子天秤を使用して測定されました。蒸発プロセス中に水溶液の重量が毎分自動的に測定され、瞬間的な蒸発速度が計算されました。瞬間的な蒸発速度は、蒸発プロセス中の水溶液の重量変化が限られていることと、天秤の検出限界により大きく変動しました。図 2b は、図 2a に示した、開始から特定の時間までの全体的な蒸発速度として定義される累積平均蒸発速度を示しています。この図に示されているように、累積平均蒸発速度も、重量変化が小さいため、蒸発プロセスの初期段階で大幅に変動しました。しかし、累積重量変化が比較的大きいため、蒸発時間の経過とともに変動は徐々に減少しました。 5 時間以上経過すると、安定した累積平均蒸発速度が得られる場合があります。したがって、重量分析では、安定した蒸発速度が得られるまでにかなりの時間がかかることが判明しました。

経時的な水の蒸発速度の重量分析: (a) 瞬間蒸発速度および (b) 累積平均蒸発速度。

保湿剤の蒸発速度は、保湿剤の水分保持能力の指標となりえます。図 3 は、さまざまな濃度 (wt%) のグリセリン溶液の重量分析および TEWL 分析によって測定された蒸発速度を示しています。 TEWL 分析によって測定された 10 wt% グリセリンの蒸発速度は、20 人の健康なボランティアに関する in vivo レポートによって明らかにされた速度と一致していることが判明しました 22。 2 つの分析結果から、グリセリン濃度が高くなるほど蒸発速度が低下することがわかり、濃縮グリセリン溶液は高い保湿能力を持っていることがわかりました。グリセリン濃度が 60 ～ 70 wt% の場合、明らかな蒸発速度は測定できませんでした。この現象は、グリセリンの蒸発と吸湿の間の平衡に起因すると考えられます。グリセリン分子には 3 つの水酸基があり、吸湿性があります。グリセリン濃度が 70 wt%を超えると、かなりの量の吸湿が発生し、グリセリン溶液の重量が増加し、蒸発速度がマイナスになりました。

重量分析およびTEWL分析を使用して測定された、さまざまな濃度のグリセリン溶液の蒸発速度。

この研究により、重量分析を使用して測定された蒸発速度とTEWL分析を使用して測定された蒸発速度との間に偏差があることが明らかになりました。重量分析を使用して測定された速度は、TEWL 分析を使用して測定された速度よりも高かった。この逸脱は、これら 2 つの分析のメカニズムの違いに起因すると考えられます。重量分析では、溶液の直接蒸発速度は、蒸発プロセス中の重量損失 (平方メートルあたり 1 時間あたりのグラム数) として測定されます。対照的に、TEWL 分析では、蒸発速度は、フィックの拡散の法則を使用した蒸気密度勾配の計算によって決定される、TEWL プローブを通る水蒸気の拡散速度として評価されます。

分析間の公平な比較を保証するために、この研究では結果を正規化しました。水に対する相対蒸発速度（RERW）は、純水の水蒸発速度に対するグリセリン溶液の水蒸発速度の比として定義されました。図 4 は、重量分析と TEWL 分析を使用して測定された RERW を示しています。 2 つの分析から得られた速度は一貫しており、この蒸発実験の精度が証明されました。 RERW の定義によれば、水分の損失が発生しない RERW が 0% 未満のときに吸湿が始まります。したがって、図 4 に示すように、RERW が 0% の場合、グリセリン濃度は約 60 ～ 70 wt% になります。 60 wt% 未満のグリセリン濃度は正の RERW と 100% 未満の RERW に関連しており、この濃度のグリセリンが水分保持と蒸発の減少を達成できることを示しています。しかし、グリセリン濃度が 70 wt% を超えると、RERW は負になり、この濃度のグリセリンは水分を獲得できることが実証されました。この発見は、グリセリンが優れた保湿剤および吸湿剤であるという Fluhr ら 23 および Kiran ら 24 の報告と一致します。保湿性または吸湿性は、物質が周囲の大気から水分を吸収する傾向です。純粋なグリセリンは、3 日間かけて水中で自重を吸収します23。

重量分析および TEWL 分析を使用して測定された、さまざまな濃度のグリセリン溶液の RERW。

グリセリン溶液中の水の微細構造を調査するために、DSC 分析を実施しました。図 5 は、さまざまな濃度のグリセリン溶液の DSC サーモグラムを示しています。融解曲線はグリセリン濃度によって大きく変化し、グリセリン濃度 0 wt% で明らかなピークが現れ、グリセリン濃度 70 wt% を超えるとシグナルが現れなくなり、不凍水の存在が示されました。これらのピークは、バルク水と自由水を含む凍結水の融解によるものでした18。凍結水の種類が異なれば、転移温度やピークの形状も異なります。中間水の転移温度は自由水の転移温度よりも低い19。それにもかかわらず、この研究では中間水の融解ピークは観察されませんでした。この結果は、ポリ(2-メトキシエチルアクリレート)類似ポリマーには、不凍水と遊離水という 2 種類の水和水しか存在しないと報告した以前の研究と一致しています18。

さまざまな濃度のグリセリン溶液に対する 1 °C/min のスキャン速度での DSC サーモグラムの加熱曲線。

表 1 は、さまざまな濃度のグリセリン溶液で観察されたピークの概要を示しています。 0 wt% グリセリンで観察された融解エンタルピーは、以前の研究で純水で得られた値と一致していることが注目され 25、本研究で考慮された DSC 方法と条件が他の研究設定にも適用できる可能性があることを示しています。この結果は、グリセリン濃度とともにピーク温度が低下すること、および 0 wt% のグリセリンのみが正のピーク温度と関連していることも明らかにしました。正の融解ピークは、0 wt% グリセリン中の水の微細構造タイプがバルク水であることを示しています18。ただし、10 ～ 60 wt% のグリセリンに関連する融解ピークは 0 °C 未満であり、材料中の水の微細構造タイプにはバルク水以外の自由水も含まれていることを示しています。グリセリン濃度が 70 wt%を超えると融解ピークが観察されなくなり、水の微細構造は不凍水であることが分かりました。図 6 は、さまざまな濃度のグリセリン溶液中の水の微細構造タイプを示しています。

さまざまな濃度のグリセリン溶液中の水の微細構造タイプを示す模式図。

融解エンタルピーのピークはグリセリン濃度とともに減少し、グリセリン濃度が70 wt%を超えると融解エンタルピーは観察されなくなりました（表1）。この発見は、重量分析と TEWL プローブを使用して実施された蒸発実験の結果と一致しました。融解エンタルピーは、蒸発する可能性がある凍結した水 (バルク水と自由水) から生じます。融解エンタルピーは、蒸発する凍った水の量とともに増加します。したがって、これは、グリセリン溶液の蒸発速度がグリセリン濃度とともに減少する理由を説明します。濃グリセリン溶液の場合、水の微細構造は蒸発せずに不凍水になる傾向がありました。

水の微細構造をより明確に示すために、濃度が 10 wt% 未満のグリセリン溶液の DSC サーモグラムを比較のために図 7 に示します。 0.1、1、および 5 wt% グリセリンの曲線は、0 ～ 10 wt% グリセリンの曲線の間にありました。 0.1、1、および 5 wt% グリセリンに関連する融解ピークは、0 wt% グリセリンから低温領域に向かって左にシフトしました。さらに、融解温度は 0 °C を超える範囲と 0 °C を下回る範囲の両方に及んでいました。この現象は、グリセリン分子がバルク水溶液に添加されたときに自由水が形成されたことを意味します18。グリセリン濃度が 10 wt% に達すると、自由水が多量に存在するため、融解ピークは負の温度領域にありました。さらに、表２に示すように、ピーク温度に加えて、グリセリン濃度とともに溶融エンタルピーも減少した。

濃度 0 ～ 10 wt% のグリセリン溶液のスキャン速度 1 °C/min での DSC サーモグラムの加熱曲線。

この研究では、異なる濃度のグリセリン溶液の水分保持能力を評価するために使用される 3 つの方法を比較しました。この結果は、グリセリンの水分保持能力がグリセリン濃度とともに増加することを示しています。重量分析の結果と TEWL 分析の結果の間に偏差が観察されましたが、これらの分析の結果を正規化すると、それらの間でかなり高い一貫性レベルが明らかになりました。この研究では、重量分析結果と TEWL 分析結果の間の一貫性を確認することに加えて、グリセリン溶液中の 2 つの水和水の形態をさらに特定するために DSC サーモグラムを作成しました。これにより、グリセリン溶液の蒸発速度の測定値が説明されました。これらの発見は、さまざまな測定方法によって化粧品中の保湿剤の保湿能力を証明するために適用できます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、科学技術省の補助金番号 110-2622-E-239-003 によって資金提供されました。

HJ Chen と PY Lee の著者も同様に貢献しました。

国立中興大学食品科学バイオテクノロジー学部、No. 145, Xingda Rd., South Dist., Taichung City, 402204, 台湾, ROC

HJ チェン、FJ ダイ、CF チャウ、CS チェン

Healthmate Co., Ltd.、No. 14, Pinghe 1st St.、彰化市、500016、台湾、中華民国

HJ チェン & FJ ダイ

国立台湾海洋大学光電子材料技術学部、no. 202301 台湾中華民国基隆市中正区2, Beining Rd.

ピー・イ・リー

博士号材料化学工学プログラム、国立統一大学、No. 2, Lienda Rd.、苗栗市、360302、台湾、中華民国

CY チェン、SL ファン、YS リン

国立統一大学化学工学部、No. 2, Lienda Rd.、苗栗市、360302、台湾、中華民国

SL 黄、BW 黄、YS リン

国立陽明交通大学食品安全健康リスク評価研究所、No. 155、Sec. 112304 台湾、中華民国、台北市、Linong St. Beittou Dist. 2

YS・リン

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CY Chen と BW Huang がデータキュレーションを行いました。 HJ Chen、PY Lee、SL Huang、FJ Dai、CF Chau、CS Chen、YS Lin が正式な分析と議論を行いました。 YS Lin が原稿の本文を書きました。著者全員が原稿をレビューしました。

YS リンへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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チェン、HJ、リー、PY、チェン、CY 他さまざまな濃度のグリセリン溶液の水分保持率: 比較研究。 Sci Rep 12、10232 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13452-2

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受信日: 2022 年 4 月 9 日

受理日: 2022 年 5 月 13 日

公開日: 2022 年 6 月 17 日

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