カロリーアンサーの測定原理カロリーアンサーの測定原理 近赤外分光法による近赤外分光法による食品測定食品測定

株式会社ジョイ・ワールド・パシフィックCA製造課

検量線研究員

坂本

修

第1回「近赤外線を利用した栄養成分測定研究会」

2

ジョイ・ワールド・パシフィックジョイ・ワールド・パシフィック

1978年10月平賀町（現平川市）に設立し、光学製品製造受託を開始

1984年オーディオ機器メーカーラジオ製造を開始

1998年青森県工業総合研究センターと弊社開発製品の共同研究開始

2006年自社開発製品カロリーアンサーCA-HN発売開始

2011年ニューモデルCA-HM発売開始

2013年カロリーアンサーCA-HM海外販売開始

本社/東京に拠点を設置販売中

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近赤外分光法とは近赤外分光法とは

①応用事例①応用事例

【農業】

果物の非破壊分析（糖度・酸度・害虫・傷）、米の食味評価、

水の判別、土壌中窒素測定

【食品】

醤油、調味料、日本酒、酒麹、ピーナッツ内部のカビ選別

【医薬品】

工程検査、品質管理、有効成分の定量、水分量の定量

【石油・高分子化学】

原料の品質管理、反応モニタ、精製工程モニタ、オンライン分析

【繊維科学】

繊維種の識別、熱履歴（熱処理温度）の評価、染色、仕上げ剤の分析

【木材】

組織構造、廃材の分別、強度（セルロースの結晶構造）

【建築】

コンクリートの状態診断

【医学】

血糖値、細菌の同定、皮膚、脳血流

【犯罪科学】

乱用薬物判定、合成高分子製品判定

【文化財】

絵画、建築物

（第33回近赤外講習会

より）

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近赤外分光法とは近赤外分光法とは

②目的とデータの特徴②目的とデータの特徴

近赤外分光法を使う目的

定量分析（特定成分の含有量を求める）

定性分析（成分を同定し、試料を判別する）

近赤外分光法は従来法に置き換わる簡便法

より簡単な作業で、より短い時間で、非破壊的に分析できる

（ただし、従来法が先になければ分析できない）

近赤外分光データから得られる情報の特徴

測定対象の化学的な性質：

水や有機化合物の定量

水素結合による分子間相互作用の解析

測定対象の物理的な性質：

粘度、弾性、塑性、粒度、硬度の評価

カロリーアンサー

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近赤外分光法とは近赤外分光法とは

③波長と波数、エネルギー③波長と波数、エネルギー

エネルギー＝プランク定数×振動数

（量子力学）波長＝光速/振動数

（波長は振動数に反比例

→

エネルギーに反比例）波数＝1/波長

（波数は振動数に比例

→

エネルギーに比例）波長＝1/波数※波長単位が[nm]の場合の換算は、逆数に10の7乗を掛ける

波長が短い

波長が長い

波数（エネルギー）が大きい

波数（エネルギー）が小さい

近紫外線

近赤外線

遠赤外線

中赤外線

可視光線

近赤外線

波長波数

200 380 750 2500 4000 100000050000 26315 13333 4000 2500 10

[nm][cm ]-1

カロリーアンサー

1100～2200[nm]

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光

光

光

近赤外分光法とは近赤外分光法とは

④分子振動による吸収④分子振動による吸収

物質を構成する分子は分子構造に依存した複雑な動き（分子振動）をする

その分子は特定波長の光を吸収するため、

反射光や透過光には、吸収された後の減衰した光が含まれている

丁度いい波長

分子

基準振動

吸収された波長の光は減衰

（図は分子振動のイメージ）

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近紫外線

近赤外線

遠赤外線

中赤外線

可視光線

近赤外線

波長波数

200 380 750 2500 4000 100000050000 26315 13333 4000 2500 10

[nm][cm ]-1

近赤外分光法とは近赤外分光法とは

⑤分子の赤外吸収（基準振動）⑤分子の赤外吸収（基準振動）

分子の光吸収要因

（電子遷移）

（分子の振動）（分子の回転）

水分子

対称伸縮振動：変角振動：非対称伸縮振動：

3657

[cm ]1595

[cm ]3756

[cm ]

→

2734

[nm]→

6269

[nm]→

2662

[nm]

-1

-1

-1

<水分子の赤外吸収>

換算すると

「吸収の空白域」「吸収の空白域」

→

分子振動の倍音･結合音の弱い吸収がある

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近赤外分光法とは近赤外分光法とは

⑥その特色⑥その特色

分子振動の倍音・結合音は吸収が弱い

近赤外線は透過性に優れ、非破壊、無侵襲分析に適する

厚みのある試料に適している

振動の非調和性が大きいことが吸収が起きる条件

O-H、C-H、N-Hといった官能基が吸収

軽い水素原子と結びつく水素結合で観測しやすい

→物体内部の情報が含まれる

→短波長域ほど厚く長波長域ほど薄い（1mm以下～数cm程）

→高分子化合物である栄養素の各部分がそれぞれ吸収

ただし、近赤外領域の吸収の大部分は、O-H、C-H基の振動由来

であり、各分子の倍音・結合音が重なっているため、スペクトルの

類似性が高く、吸収がわかりにくい

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近赤外分光法とは近赤外分光法とは

⑦吸光度（光の吸収を測定）⑦吸光度（光の吸収を測定）

光の吸収を測定するための必須情報

特定波長における入射光の強度（I0 ）

特定波長における試料の反射光や透過光の強度（I）

入射光 I0 試料

透過光・反射光など

I

透過は吸光度

A＝－log (I/I0 ) 反射では

log (1/R) と表現

R=I/I0 とおくと

透過と同じ計算

吸光度と信号強度の関係透過率（I/I0）範囲：0～1

吸光度範囲：0～∞

（ただし、吸光度が1増えると、信号強度

が1/10になるため、分散型分光器では

吸光度2以内が望ましい）

1010

近赤外分光法とは近赤外分光法とは

⑧吸光度スペクトル⑧吸光度スペクトル

（

1994年「近赤外分光法による穀物の品質測定 : （第１報）近赤外分光法の基礎特性」北海道大学農学部邦文紀要, 19(2): P274 より

大豆と主要成分の吸収スペクトル）

吸光度スペクトルで定性分析

大豆の全粒粉の吸収から、どんな成分が含まれるかが分かる

Whole meal と

Oil が類似

吸光度

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カロリーアンサーカロリーアンサー

①構造と特徴①構造と特徴

【CA-HNの構造】

【CA-HMの構造】

反射測定・透過測定

炭酸カルシウムセルで入射光測定（反射）

セルなしで入射光測定（透過）

反射測定

内蔵セラミック板で入射光測定

重量測定・広範囲測定

光源：

ハロゲンランプ

分光器：

jwp製AOTF（音響光学素子）/分解能

半値幅6nm以下（1300nm）

受光センサ：

PbSセンサ

取得データ：

2nm毎550データ/1100nm～2200nm範囲

測定セル

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光（近赤外線）を使用

誰でも簡単に操作、測定

調理品を測定

レシピ不要

非破壊（的）・非接触

特許取得：特許第4104075号

「食品のカロリーを求める

検量線」に関する特許

カロリーアンサーカロリーアンサー

②コンセプト②コンセプト

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カロリーアンサーカロリーアンサー

③カロリー計算（理化学分析）③カロリー計算（理化学分析）

Atwater の係数たんぱく質

：４

脂質

：９

炭水化物

：４

Atwater（世界共通：一般的）食材ごとの換算係数（日本オリジナル）（日本人における利用エネルギー測定調査結果より算出）

エネルギー換算係数について

一般的

詳 細

各成分分量に係数を乗じた総和

分析機関分析依頼品 成績書

2週間後100g以上

熱量

[kcal]水分

[g]たんぱく質

[g]脂質 [g]炭水化物 [g]灰分 [g]ナトリウム[mg]

※１常圧乾燥法

ケルダール法

酸分解法

差分

直接灰化法

原子吸光光度法

試験検査項目 試験検査方法

※１

：

栄養表示基準（厚生省告示第146号）に基づくエネルギー換算

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・

データブック（市販品）

・

計算ソフトウェア一般的に、レストラン等でのカロリー

計算は、管理栄養士、栄養

士によって個々の食材使用

量を基に食品成分表から計

算されます。

日本食品標準成分表（データベース）を利用

レシピ作成積 算

・

使用部位・ 油量・

吸油率

栄養表示

カロリー：400kcalﾀﾝﾊﾟｸ質

：10 g脂質

：13 g炭水化物：60 g

カロリーアンサーカロリーアンサー

④カロリー計算（データベース）④カロリー計算（データベース）

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測定サンプルについて、

従来法による分析値を

取得

カロリーアンサーで複数

のサンプルを測定し、吸

光度スペクトルを取得

カロリーアンサーカロリーアンサー

⑤カロリー検量線⑤カロリー検量線

計算プロセス

サンプル測定 理化学分析

重回帰分析

熱量（kcal）＝たんぱく質（g）×4＋脂質（g）×9＋炭水化物（g）×4

まず、全サンプルの吸光度と、理化学分析の熱量値との相関が高い波長を選択する。次に、選択した波長（吸光度）と、その他の波長（吸光度）を組み合わせ、重回帰式によって熱量予測値を

算出し、すべての組み合わせから相関が高い波長を選択する。以降、同様にして計算波長を増やし、最

終的には以下の重回帰式が得られる。

Y＝k0＋k1×A（λ1）＋k2×A（λ2）＋k3×A（λ3）＋・・・＋kn×A（λn）

検量線計算時（Y：分析値

A：吸光度

λ（1～n）：波長）

→

測定時（k（0～n）：既知係数

Y：予測値）

理化学分析サンプル測定

重回帰分析

分析値（100ｇ当たり）

予測値（100ｇ当たり）

波長選択基準①

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カロリーアンサーカロリーアンサー

⑥吸収の帰属⑥吸収の帰属

近赤外領域の分子振動由来の吸収帰属

（基準音から論理的に計算され公表済）

（

http://discover.asdi.com/thank-you-for-your-interest-in-our-nir-absorption-bands-chart

より）

４倍音

３倍音

２倍音

結合音

波長選択基準②

CH

CH2

CH3

→

→

→

1200 1400 1700 [nm]

カロリー検量線では、CH3

（メチル基）

やCH2

（メチレン基）由来の波長相関

が高くなる傾向がある

（脂質のカロリー計算への寄与率が高

い（

Atwater係数＝9）ためか）

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カロリーアンサーカロリーアンサー

⑦実際のカロリー検量線⑦実際のカロリー検量線

カロリーアンサーCA-HNのカロリー検量線の例

・計算波長数はおもに４個

・吸光度、吸光度の二次微分値を使用

・たんぱく質、脂質、炭水化物、水分に

ついても、個別に検量線作成

・モード単位（全種検量線）で検定

R2：

決定係数（相関係数の2乗）SEC：

検量線計算時の標準誤差Bias：

系統誤差

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カロリーアンサーカロリーアンサー

⑧測定精度向上のために⑧測定精度向上のために

吸光度スペクトルで見る食品分類

同一モードでの測定が難しい例

同種食品なのに、吸光度差が大きい（水分差大）

別の食品なのに、吸光度差が小さい（水分差小）

モードの分離（別の検量線）

水分 94.7ｇ

水分 8.7ｇ

黒：レトルトごはん

赤：鶏むね肉

（カロリーアンサーCA-HM 反射データ）

黒：乾燥わかめ

赤：水戻しわかめ

（カロリーアンサーCA-HM 反射データ）

水分 73.8ｇ

水分 64.7ｇ

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カロリーアンサーカロリーアンサー

⑨食品分類と測定値⑨食品分類と測定値

モード分類の効果（右側の吸光度スペクトルの例）

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＜まとめ＞

カロリーアンサーの測定原理は近赤外分光法

近赤外線を利用し、従来法より短時間に、非破壊的に測定

栄養成分を構成する分子の分子振動による光吸収を検出

吸光度スペクトルと従来法から作成した検量線でカロリー計算

＜今後の展望＞

目的に合わせた食品分類とモード作成による最適化

カロリーアンサーの測定原理カロリーアンサーの測定原理 近赤外分光法による食品測定近赤外分光法による食品測定

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ご清聴ありがとうございました