動的吸着の基礎：その概要、意義、および仕組み

動的吸着の基礎：その概要、意義、および仕組み

水は至る所に存在します。物理世界を研究する人や、その世界で材料を製造する人は、いずれ自分が扱う物質に対する水分の影響を認めざるを得なくなるでしょう。

より具体的には、水（材料内部および周囲の水）は、製品や材料がどのように、どこで使用できるか、いつ劣化するか、どのような処理やコーティングが必要か（もし必要であれば）、あるいは完全に再配合する必要があるかなどを決定する上で、極めて重要な要素となります。

湿気は決して軽視できない――では、その影響をどのように測定し、考慮に入れればよいのだろうか？

気相吸着分析を通じて。

動的蒸気吸着（DVS）とは何ですか？

気相吸着分析の目的は、ある物質によって溶媒（通常は水）がどれだけの量が吸着または脱着されるか、またその速度がどの程度であるかを明らかにすることです。

これを調べるために、試料を溶媒蒸気（湿度）の量を制御・調整できる環境下に置きます。その後、試料の重量変化を測定し、それに基づいて試料が吸着または脱着した蒸気の量を算出します。

動的蒸気吸着法（DVS）は、蒸気吸着を分析する一般的な手法の一つである。数十年前までは、乾燥器を用いた手間のかかる手作業が、蒸気吸着分析の主な方法であった。1991年、ダリル・ウィリアムズは、有意義なデータを得るために必要とされていた膨大な時間と手作業を削減するため、DVSを開発した。

動的蒸気吸着の仕組み

DVSデバイスにはいくつかの種類がありますが、その作用機序はどれも似通っています。

一般的な動的気相吸着（DVS）装置では、温度制御されたチャンバー内に試料を収容します。その後、加湿または乾燥させた空気を使用して、チャンバー内の相対湿度を設定値まで調整します。試料がチャンバー内の相対湿度と平衡状態（重量から推定）に達すると、その質量の変化が記録されます。その後、装置は相対湿度を上昇または低下させてこのプロセスを繰り返し、さらなる変化を記録します。 必要なデータポイントが収集された後、一部のDVS装置では、それらを用いて等温線を生成します。

試料を調製して装置にセットすると、動的蒸気吸着装置が自動的に蒸気吸着分析を行います。DVS技術が登場する以前は、同様のデータを記録するために、複数の乾燥器、厳密に温度管理された部屋、そして試料を異なるチャンバー間で入れ替えながら結果を記録するのに数週間から数ヶ月を要していました。

動的蒸気吸着がいつ、なぜ用いられるのか

競争の激化や規制の強化により、幅広い業界の企業が、自社製品が環境条件にどのように反応するかを調査するよう迫られています。これが、ダイナミック・ベイパー・ソープション（DVS）が発明されてから30年以上が経過した今も、広く採用され続けている理由でしょう。

今日、気体吸着分析は新たな産業分野へと広がり続けています。気体吸着分析は、主に次のような疑問に答えるために用いられます：

• 最終製品であれ原材料であれ、粉末状の物質が固まったり、塊になったりして、使用不能になったり見た目が悪くなったりするのは、どのような条件下で起こるのでしょうか？
• 特定の包装材は、輸送中や保管中の悪条件、あるいは気象条件から製品をどの程度保護できるでしょうか？
• バスルームの薬箱のような湿度変動にさらされた場合、医薬品、ニュートラシューティカル、またはサプリメント製品の有効成分は、どのくらいの期間その効果を維持できるのでしょうか？

その他、よりニッチな用途としては、航空機用複合材料、コンタクトレンズ、衛生用品などに対する湿気の影響を試験することなどが挙げられ、そのほかにも数え切れないほどの用途があります。

DVSの結果と解析、第1部：蒸気吸着の速度論

動的蒸気吸着試験の結果は、多くの場合、2つの異なる方法で可視化されます。1つ目は「蒸気吸着速度論」と呼ばれ、時間の経過に伴う変化に焦点を当てたものです。これは、チャンバー内の相対湿度と、時間の経過に伴う試料の質量変化をグラフ化したものです。

言い換えれば、吸着速度論は、試料が周囲の環境からどれほどの速さで水分を取り込み、また放出するかを示すものです。これは、加速保存期間試験など、時間が重要な要素となる場合において知っておくべき有用な情報です。

DVSの結果と解析、第2部：蒸気吸着等温線

水蒸気吸着データを視覚化するもう一つの方法は、一方の軸に試料の水活性（相対湿度）データを、もう一方の軸に重量（場合によっては水分含有量を用いることもある）をプロットすることです。

これらの等温線は、時間が試料に与える影響を強調してはいませんが、相対湿度との関係で質量や水分含有量がどのように変化するかを示しています。

この形式の高解像度等値線図を用いることで、望ましくない食感や品質の変化がどこで生じているかを正確に特定することが容易になります。これらはしばしば「臨界点」と呼ばれ、水分含有量や質量の急激な上昇や低下として現れます。この情報は、多くの食品製造現場において極めて重要です：

• 粉末などの乾燥製品では、固まりや塊の発生を防ぐために上限値を下回ることが重要ですが、一方で、乾燥しすぎて重量が不足した製品によって利益率が損なわれないよう、十分な水分量を確保する必要があります。
• 燻製スナックの場合、理想的な臨界範囲は、微生物の繁殖を防ぐには十分に低い一方で、スナックにしっとりとした、口当たりの良い食感を与えるには十分に高いものであるべきです。
• フルーツバーのような水分含有量の多い食品では、シネレシスを防ぐために、一定の水活性レベルが必要となります。

吸着、脱着、およびヒステリシスの解説

吸着と脱着の違いは、気体吸着の速度論および吸着等温線の両方で留意すべき重要な点である。

吸着とは、試料が水分と結合し、湿度の高い環境から水分を取り込むことを指します。脱着とは、試料が乾燥した環境や乾燥剤の効いた環境において、水分を放出することを指します。

水を吸着・脱着する仕組みや速度が同じである材料はほとんどありません。この吸着と脱着の差をヒステリシスと呼びます。

ヒステリシスは覚えておくべき重要な概念です。物質が吸着・脱着サイクルを繰り返すたびに、その後の吸着・脱着サイクルの挙動に影響が及ぶようになります。もし製品が転移点を越えてしまった場合、その構造に不可逆的な変化が生じ、単に再度乾燥させるだけでは元に戻せなくなる可能性があります。

ヒステリシスは主に製品の特性を理解するために用いられますが、コーティング剤、保湿剤、あるいは新しい配合の場合のように、製品の保水能力を評価するためにも活用できます。

DVS等温線の解釈 – 例

等温線の解釈は用途によって異なりますが、ある手法の詳細を理解することで、他の手法の概念を把握する助けとなります。ここでは、噴霧乾燥した粉乳における蒸気による相変化の分析を例に挙げます。

等温線の解釈方法（保存期間の推定、防湿フィルムやコーティングの効果の確認など）に関するその他の事例については、当社のウェビナーの動画をご覧いただくか、その文字起こしをご参照ください。 「等温線の理解」をご覧ください。

この等温線を解釈して食感の変化を研究する際、最初のステップは、前述の臨界水分活性の限界値、すなわち食感に望ましくない変化が生じ始める点を特定することである。

この吸着等温線の2階微分を用いることで、曲線上のピークを明確に把握することができます。これらのピークは、水分含有量が最も急速に増加する水分活度のレベルに対応しています。

この場合、その値は0.67の水活性です。つまり、水活性0.67、あるいは相対湿度67％が、この粉末にとってテクスチャーが変化する重要な転移点となります。

水分活性が低い場合、水分が結合できる部位の数は限られています。しかし、0.67に達すると、結合部位の数が増え、より多くの水分が結合できるようになります。さらに高くなると、（この特定の製品において）深刻な固結や塊の発生が始まります。等温線は、こうした現象がどこで起こるかを正確に示しています。

水蒸気の吸着と有機蒸気の吸着

動的気相吸着装置の多くは、水の吸着特性を調べるために設計されていますが、一部の装置では、試料と有機蒸気との相互作用も分析します。

このプロセスの目的と原理は変わらず、試料が蒸気をどのように吸着・脱着するかを解明することにあります。これらの装置では、試料室には水蒸気ではなく、あらかじめ設定された湿度レベルの有機蒸気が充填されます。

有機蒸気を用いたDVSは、化学プロセスの制御手法を開発する材料科学者によって最も頻繁に利用されています。また、製薬業界が安定性が高く、生体利用能の高い有効成分を開発する上でも有用であることが分かっています。

動的蒸気吸着装置

DVS装置は、試料の質量を測定し、加湿または乾燥させた空気を試料に吹き付けることができるものでなければなりません。これらの基本要件を満たしている限り、DVS装置のサイズ、形状、機能には大きな違いがあります。DVS装置を購入する際は、以下の点を考慮してください：

• 装置のサイズ。卓上型の装置の中には、約30立方センチメートルと非常にコンパクトなものもあれば、マルチステーション型の装置の中には、大きな実験台を埋め尽くすほど、あるいは独立したキャビネットほどの大きさになるものもあります。
• 処理時間を確認してください。デバイスによっては、等温線の作成に数日かかるものもあれば、数週間かかるものもあります。購入前に、必要なサンプル処理能力をよく検討してください。
• データの分解能。等温線の分解能が十分に高くなければ、重要な転移点を特定することは不可能です。低分解能の吸着速度論データが必要ですか、それとも高分解能の等温線データが必要ですか？
• 試料量。DVS装置の中には、わずか10ミリグラムという微量の試料でも正確に分析できるものがあります。一方、正確な分析を行うには、より多くの試料を必要とするものもあります。

気相吸着分析のその他の方法

乾燥器内で試料を平衡状態にさせることで行う従来の蒸気吸着分析は、手間や設備が必要であるにもかかわらず、一部の研究所や大学では依然として行われている。

この方法を選択する場合、複数の気候チャンバー、飽和塩溶液、およびそれらを長期間保管するためのスペースが必要となります。材料を準備して試験を開始した後、所定のデータセットが得られるまで、実験技術者が定期的にチャンバーからサンプルを取り出し、その重量を測定し、質量の変化を記録する必要があります。

この手法は長期にわたる継続的な取り組みが必要であり、他の手法ほど詳細な洞察が得られない場合があります。

もう一つの選択肢として、DVS法に基づいて比較的最近開発されたものの、あまり知られていない改良法である「動的露点等温線（DDI）法」がある。DVS装置が、重量の変化によって試料が特定の湿度レベルで平衡状態に達したかどうかを判断するという気候チャンバー法を模倣しているのに対し、DDI法では試料の水分活度に基づいて平衡状態を判定する。

DDI装置は、加湿または乾燥させた空気を使用して、試料の相対湿度を設定間隔（0.01 awまたは1% RH）ごとに変化させ、チャンバーが試料の新しい状態に平衡化するのを待ってから、試料のaw値と重量の両方を記録します。 このプロセスを数日にわたって何度も繰り返すことで、DVS法が得る5～10個のデータポイントに対し、100～150個以上のデータポイントを持つ等温線が得られ、遷移点が明確に示されるとともに、流動する実環境の条件を再現します。

‍