一种关于植物油（在头发内部） 渗透性研究的测试新方法

摘要：通过排除头发表面植物油的干扰，利用核磁共振氢谱（1H NMR）研究了3种植物油（椰子油、橄榄油和葵花籽油）在头发内部的渗透性，得到了一种植物油在头发上渗入，浸出以及核磁检测的新方法。结果表明，植物油渗入头发内部并产生明显核磁信号的最短时间约为30 min，一旦进入毛皮质，被溶剂浸出的时间也需要30 min以上。对比空白头发，植物油所特有的脂肪酸甘油三酯信号峰（δ=4.17~4.27，2.72~2.87）可以作为表征其渗透性的依据。根据特征峰的积分面积大小可以比较出3种植物油在头发中的渗透性强弱。

图1 椰子油（a），橄榄油（b），葵花籽油（c）和空白头发（d）的核磁共振氢谱图

随着消费者对天然成分的日益青睐，植物油在个人护理品中的功效性研究正成为产品开发的热点［1］。由于富含多种饱和/不饱和脂肪酸，矿物质和维生素，植物油被认为具有改善头发柔软度，抗氧化以及修护受损角蛋白等保护功效［2-4］。为了深入了解植物油对头发养护的机理，需要着重研究植物油在头发内部的渗透性。为此，Ruetsch等［5］开发了飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）的方法，利用带正电荷的镓离子束轰击头发截面获得二次离子质谱图。通过识别谱图中椰子油的特征峰来判定是否有椰子油渗入头发内部。同样，Kojima等［6］则将受损头发用氘代的棕榈油处理，然后利用TOF-SIMS证明了棕榈油可以透过毛小皮直达毛皮质。目前，TOF-SIMS是公开报道可以有效检测植物油渗透性的方法。但该方法的样品制备技术难度高，数据处理复杂，测试成本高昂。因此，有必要开发一种简便、有效的测试方法来全面研究各种植物油在头发内部的渗透性。

表1 植物油核磁信号峰的归属

核磁共振波谱是化学分析中常用的方法，可以对有机化合物进行定性/定量分析。作者根据各种植物油的组成，结构以及市场应用情况，选取了3种代表性的植物油（椰子油、橄榄油和葵花籽油）进行研究。为了获得进入头发内部植物油的确切信号，需要先将头发表面的植物油全部洗去，并设计合理的渗入/浸出时间，最后通过1H NMR谱图显示的特征峰信号强弱来分析各种植物油在头发内毛皮质层的渗透性。

1 实验部分

1. 1 主要材料、试剂与仪器
测试发束均为亚洲未受损发质；椰子油，食品级，嘉里特种油脂（上海）有限公司；橄榄油，食品级，益海嘉里集团；葵花籽油，食品级，中粮集团；月桂醇聚醚硫酸酯钠，化妆品级，日本Kao公司；氘代苯，分析纯，美国Cambridge Isotope Laboratories公司。Ascend TM 400核磁共振波谱仪（BBO 400MHz S15 mm with Z-gradient SP探针），德国Bruker公司。

表2 3种植物油的基本数据

1. 2 实验方法
在2 g头发上均匀滴加0.5 g植物油，涂抹均匀后在30 ℃下静置30 min以上。在处理好的头发上均匀滴加0.5 g质量分数为16%的月桂醇聚醚硫酸酯钠水溶液，揉搓1 min，冲洗1 min。重复上述操作，直至头发表面的植物油全部被冲洗干净；待头发晾干后，取80 mg头发完全浸没在3 mL氘代苯中，30 min后取样进行核磁测试。

2 结果与讨论
2.1 植物油核磁特征峰的位置
为了确认头发内部植物油的特征峰，需要先排除头发本身的干扰信号。将6 mg椰子油、橄榄油和葵花籽油分别添加到0.6 mL氘代苯试剂中，同时将80 mg空白头发放入3 mL氘代苯中浸泡2 h后作为参比样。最后分别取样进行核磁氢谱测试，结果如图1所示。通过比较3种植物油和空白头发的核磁氢谱图，可以确定δ=4.17~4.27，2.72~2.87处的信号峰可作为植物油的特征峰。

3种植物油之所以有共同的特征峰信号，是由于大部分植物油的主要成分均为脂肪酸甘油三酯，差别在于各自的链长及碳碳双键的含量［7］，其化学式可以表示为：

椰子油的主要成分为月桂酸，橄榄油主要由油酸以及少量的亚油酸组成，而葵花籽油则含有大量的亚油酸及少量油酸。结合图1中3种植物油的核磁氢谱图，可以对植物油中脂肪酸甘油三酯上不同的氢原子进行归属，结果如表1所示。由表1可知，δ=4.17~4.27处的特征峰来源于“-CH2-OCO-R”上的氢，用于表征植物油中的脂肪酸甘油三酯；δ=2.72~2.87处的特征峰来源于“-CH=CH-CH2-CH=CH-”上碳碳双键中间“CH2”上的氢，它可以证明葵花籽油中大量亚油酸的存在。

此外，根据核磁氢谱图中不同信号峰的积分面积（如图1），可以计算出3种植物油所含脂肪酸的平均链长和平均不饱和度，从而计算出每种油中脂肪酸甘油三酯的平均分子量和含量，结果见表2。

2.2 头发表面植物油的洗去方法
本文的研究重点是渗入头发的植物油，所以先要把头发表面的植物油清洗干净。以葵花籽油为例，按照实验方法所述，在2 g头发上停留30 min后，加0.5 g月桂醇聚醚硫酸酯钠水溶液揉搓1 min，清水冲洗1 min。该清洗过程分别重复1，2，3次，然后各取80 mg头发，将其浸泡于3 mL氘代苯中，1 min后取样进行核磁测试。3次冲洗的核磁谱图如图2所示。

由图2可知，冲洗1次后头发的核磁氢谱图（a）中仍有葵花籽油的信号（δ=4.17~4.27，2.72~2.87），说明仍有部分葵花籽油残留在头发表面；冲洗2或3次后，头发的核磁氢谱图（b，c）中已无葵花籽油的特征峰，说明沉积在头发表面的葵花籽油已经被清洗干净。

2.3 植物油在头发上的渗入和浸出时间
当头发表面的植物油被全部洗去后，渗入头发内部的植物油可以在氘代苯试剂中逐量浸出。浸出量取决于植物油在头发上的停留（渗入）时间和在氘代苯中的浸泡（浸出）时间。如果前后时间太短，植物油无法充分渗入头发或被有效浸出，最终都无法在核磁氢谱图上观察到确切的植物油特征信号。所以，在样品制备阶段，需要探讨植物油渗入/浸出的协作时间对其渗透性研究的影响。

取N组80 mg的头发样品，用3种植物油分别处理1，10，30，60，180和360 min，然后用月桂醇聚醚硫酸酯钠水溶液清洗3遍，晾干后将头发在氘代苯中浸泡1，10，30，60和120 min后取样进行核磁测试，根据δ=4.17~4.27是否出现特征峰判断其渗透性，结果如表3所示。当3种植物油在头发上停留的时间低于10 min时，即使将浸泡时间延长到120 min也无法观察到植物油的特征信号。如果将3种植物油在头发上的停留时间分别延长到30，60，180和360 min，3种植物油特征信号同时出现所需要的浸出时间将由120 min逐渐缩短到30 min。由此可见，3种植物油在头发上的渗入/浸出的最短时间都在30 min以上，在此基础上适当延长渗入时间更有助于确认其渗透性。

以椰子油对头发的渗透性为例，如图3所示。当椰子油渗入时间为1 min（a）或10 min（b）时，即使后期浸出时间足够长 （120 min），也无法观察到椰子油的特征峰。如果将渗入时间延长到30 min（c），60 min（d）时，在δ=4.17~4.27处的椰子油特征峰开始出现并逐渐增强。如果浸出时间小于30 min时，如图4所示，也很难观察到椰子油的特征信号。因此，为了观察到确切的植物油特征信号，可以根据实际情况，选取渗入/浸出的最佳协作时间。

2.4 不同植物油在头发内渗透能力的比较
经过180 min渗入和120 min浸出的处理，3种植物油在核磁氢谱图的δ=4.17~4.27处均出现了各自的特征峰，如图5所示。由于三者所用溶剂量完全相同，若将δ=6.80~7.40处溶剂峰的积分面积统一为1 000，则椰子油，橄榄油和葵花籽油特征峰的积分面积之比，即三者所含脂肪酸甘油三酯的摩尔比为1.37∶0.82∶0.66。结合表2中的平均分子量和含量数值，即可计算出渗透到头发中的椰子油，橄榄油和葵花籽油质量比为1.58∶1.22∶1。植物油在头发内的渗透需要穿过毛小皮细胞膜复合体内细窄的通道。在此过程中，脂肪酸的分子结构和分子量大小是影响渗透性的主要因素。根据3种植物油的结构特点（见表2），椰子油主要由较短碳链（C12）的饱和脂肪酸组成，分子量和体积较小，更容易渗透到头发中；而橄榄油和葵花籽油含有大量长碳链（C18）的不饱和脂肪酸，分子量和体积大，分子链刚性较强，整体运动更加困难，因此渗透性也较弱。由此可见，植物油所含脂肪酸的碳链长短和不饱和度对其渗透性的强弱具有很大的影响［8］。

3 结论
作为植物油的主要成分，脂肪酸甘油三酯在核磁氢谱图中产生的特征信号可作为渗透性研究的主要依据。为了获得明确的特征峰，植物油在头发上的最短渗入时间和浸出时间均需30 min。相同条件下，椰子油在头发上的渗透性最强，橄榄油和葵花籽油较弱。相比TOF-SIMS方法，采用1H NMR测定植物油或者类似油脂等活性物在头发中的渗透性更为简单有效。

参考文献：
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[5] Ruetsch S B, Kamath Y K, Rele A, et al. Secondary ion mass spectrometric investigation of penetration of coconut and mineral oils into human hair fibers: Relevance to hair damage [J] Journal of
Cosmetic Science, 2001, 52: 169-184.
[6] Kojima T, Tsuji S, Niwa M, et al. Distribution analysis of triglyceride having repair effect on damaged human hair by TOF-SIMS [J]. International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 2012,
17: 21-28.
[7] Orsavova J, Misurcova L, Ambrozova J V, et al. Fatty acids composition of vegetable oils and its contribution to dietary energy intake and dependence of cardiovascular mortality on dietary intake of fatty acids [J]. International Journal of Molecular Science, 2015, 16: 12871-12890.
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来源：荣格-《国际个人护理品生产商情》

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