化学物質過敏症患者によるシックハウス診断

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200.ベンゼン環とその構造。(2012/11/21)

 有機化合物の構造の一つとしてベンゼン環はあまりにも有名です。どのようなものなのか簡単にまとめてみましょう。

 ベンゼン環から成る化合物として最も単純な構造を持つのが、ベンゼン環1つから成るベンゼンです。ベンゼンは無色で、甘い芳香を持つ引火性の高い液体です。炭素の豊富な素材が不完全燃焼すると生産されます。自然界では火山噴火や森林火災でも発生し、タバコの主流煙・副流煙にも含まれます。原油にも含まれていて、石油化学における基礎的化合物の一つとなっています。

 ベンゼンの分子式はC6H6であり、非常に不飽和度が高い(複数の2重結合を持つ)にもかかわらず,過マンガン酸カリウムにも酸化されない等,飽和化合物(2重結合を持たない)と同等に安定しています。長い間、ベンゼンの構造は大きな謎とされ、多くの化学者からいくつもの構造が提出されていました。

 ベンゼンの構造の発見者として有名なのが、ドイツの化学者アウグスト・ケクレです。1匹の蛇が自分の尾をくわえてぐるぐるまわる夢をみて、そのことをヒントに6個の炭素原子を1つのリング状の構造にすることを思いついたといわれています。その後、分光学の発達によりその六角環の構造が正しいことが立証されました。

     benzene01

 ケクレ構造式では交代する二重結合と単結合で表されていますが、実際には二重結合と単結合の厳密な区別はなく、その中間のような結合が6個できています。

      benzene02

そのため、普通の二重結合とは異なり、安定で付加反応はおこりにくく、置換反応がおこりやすい性質を持ちます。そのことを強調するためにベンゼン環を六角形の中に丸を書いた形で表示することがあります。

        benzene03

 ベンゼン IARCよりグループ1の「人に対して発がん性がある」と分類されていて、日本でも大気汚染に係る環境基準が定められています。2006年春以降英国などの諸外国で清涼飲料水からベンゼンが低濃度検出されることが公表され、10ppbを越える製品の自主回収が要請されました。生成の原因は保存料である安息香酸と酸化防止剤であるビタミンCの反応によるもの、とされています。日本でも厚生労働省医薬食品局食品安全部が市販の清涼飲料水を調査し、1つの製品で70ppbを超える濃度が検出され、自主回収の要請がでています。


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199.多環芳香族炭化水素について。(2012/11/8)

 ベンゾピレンのような多環芳香族炭化水素は微量とはいえ食品など身近なところに存在しています。どのような物質なのか簡単にまとめてみましょう。

 多環芳香族炭化水素はヘテロ原子や置換基を含まない芳香環(ベンゼン環)が縮合した炭化水素の総称です。一般には二つ以上のベンゼン環を持つ化合物を指すことが多いのですが、IUPAC(国際純正・応用化学連合)による定義では最も単純な多環芳香族炭化水素は3環が縮合したフェナントレンとアントラセンであるとされています。そのため、これより小さなベンゼン(1環)やナフタレン(2環)は正式には多環芳香族炭化水素には含まれません。環境中でよく検出されるのは、6環位までの大きさのものです。

  フェナントレン  アントラセン
    フェナントレン        アントラセン

 多環芳香族炭化水素は油や石炭、乾留液(タール)の沈殿物、化石燃料やバイオマス燃料の燃焼の副生成物、焼き肉のように加熱処理した食物で見られます。多環芳香族炭化水素のいくつかは発癌性、変異原、催奇形物質であることが確認されています。親油性であるため水より油に混ざりやすく、分子量が大きくなると水に溶けにくくなり不揮発性になってくる傾向にあります。この性質のため、環境中の多環芳香族炭化水素は主に土壌中の堆積物と油性物質で見られます。

 大気中に放出された多環芳香族炭化水素には,蒸気として存在するものと,浮遊粒子に吸着又は付着して存在するものとがあります。蒸気の多環芳香族炭化水素の一部は,主としてOHラジカル、オゾン、NO、NO2、N2O5等と反応して,酸素や窒素の加わった多多環芳香族炭化水素に変化してゆきます。この際,太陽光も反応に関与します。ニトロ基(-NO2)が1個か2個付くと発癌性の疑いが強くなる傾向があります。

 主に有機物の不完全燃焼によって発生し,スス等の微粒子に付着して有機エアロゾル粒子として大気に排出されることから、浮遊粒子状物質となっていることも懸念されています。原油中に存在していて、燃焼時に副産物として放出されます。多環芳香族炭化水素の中には発がん性や遺伝子変異性、内分泌撹乱作用を有するものがあるといわれています。自動車(特にディーゼル車)の多い都市や排ガスが多く放出される工場地帯では多環芳香族炭化水素を含む大量の排煙による肺がんや喘息等の疾患の増加が大きな社会問題となっています。

 食品から検出される量は極微量で、実際に問題となっているのは主として浮遊粒子状物質などの大気汚染物質となっていることです。排出されたあとも更に毒性の強い物質に変化しているケースがあるため、排出量を抑えることが非常に重要です。


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198.ベンゾピレンとはなにか。(2012/11/1)

 韓国で食品からベンゾピレンが検出され回収されるという報道がありました。ベンゾピレンとはどのような物質なのか簡単にまとめてみましょう。

 ベンゾピレンは多環芳香族炭化水素(PAH)の一種です。多環芳香族炭化水素とは、ヘテロ原子や置換基を含まない芳香環(ベンゼン環)が縮合した炭化水素の総称です。油や石炭、乾留液(タール)の沈殿物、化石燃料やバイオマス燃料の燃焼の副生成物、焼き肉のように加熱処理した食物で見られます。多環芳香族炭化水素のいくつかは発癌性、変異原、催奇形物質であることが確認されています。多環芳香族炭化水素は親油性であるため水より油に混ざりやすいです。分子量が大きくなると水に溶けにくくなり不揮発性になってくる傾向にあります。この性質のため、環境中の多環芳香族炭化水素は主に土壌中の堆積物と油性物質で見られます。

 多環芳香族炭化水素の多くは、ベンゾピレンとともに発癌性物質として分類されています。ベンゾピレン自体も、有害、発癌性、遺伝子に影響を与える危険物質に区分されています。多環芳香族炭化水素は、化石燃料の他、炭素を含む物質(木材、タバコ、脂肪、香など)の不完全燃焼によっても生成します。その場合、表面の凝縮物であるすすやその他の燃焼残滓に強固に吸着しています。 これらの物質は揮発性に乏しいため単独での吸引摂取はあまり考えられませんが、吸着物質として人体に入ると考えられます。

 ベンゾピレンの組成式は、C20H12で、5つのベンゼン環が結合した構造を持ち、3,4-ベンゾピレン(または3,4-ベンツピレン)とも呼ばれます。無色、淡黄色~黄色の結晶又は粉末で、融点は 173℃、揮発性はほとんどなく化学的にも安定した物質です。

  ベンゾピレン

石炭からコークスを製造する際の副産物であるコールタール中に存在するほか、自動車の排気ガスやタバコの煙などにも含まれており、燃料などの燃焼によっても非意図的に生成されてしまう物質のひとつです。環境基準は設定されていませんが、有害大気汚染物質に該当する可能性のある234物質のひとつに選定されていて、中でも健康リスクがある程度高い22の「優先取組物質」のひとつに指定されています。

 多環芳香族炭化水素の多くは、有機物の熱分解によって発生します。ベンゾピレンは高温(約350〜400℃)で食品を調理または製造する過程で炭水化物、タンパク質、脂肪などが不完全燃焼した場合に生成される物質であるため、畜肉類や魚介類などの燻製製品や直火調理した食品中に極微量含有される可能性があります。日本の食品衛生法に基づく食品中の基準値は設定されていませんが,欧州など諸外国では食品中のPAHs基準が設定され,比較的関心が高い物質です。

 動物実験では強い発癌性を持ち、体内で酸化されると近くのDNAを傷つけ、DNAを破壊された細胞はガン細胞へと変化しますが、ヒトでは明らかにはなっていません。 IARCの発がん性評価では、グループ1の「人に対して発がん性がある」に分類されています。


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197.住宅火災で発生する化学物質。(2012/10/18)

 家の中には様々なものがあり、火災になった場合、多くの化学物質が発生します。特に発生量の多いものについて簡単にまとめてみましょう。

 火災とは火による災害のことで、規模が比較的小さいものは火事、火事になるまえに消し止められたものは小火、焼失面積が大きく被害が甚大なものは大火ともいいます。火災の多くは放火やタバコの不始末などの犯罪や過失、電気コードのショートといった人工物の不具合などが原因で起こり、落雷や火山の噴火、乾燥した自然林が倒れる等の自然現象を原因とする場合もあります。

 火災時に発生する燃焼生成ガスは、一酸化炭素二酸化炭素シアン化水素などを代表としていくつかの種類があります。しかも、無炎燃焼、有炎燃焼 など、燃焼の状態や燃焼速度、温度などの様々な 要因により発生するガスは一様ではありません。主な燃焼生成ガスは以下のとおりです。

火災で発生する有毒ガスの種類と特性(予防時報233より)   
燃焼生成ガス
燃焼物質
毒 性
致死濃度
一酸化炭素
すべての有機物から発生
無色、無臭の可燃性ガス、
頭痛、めまい
0.4%
二酸化炭素
すべての有機物から発生 無色、無臭の不燃性ガス、
呼吸数の増加、頭痛
30%
シアン化水素
アクリルやポリウレタンなど
窒素を含む材料から発生
無色、特異臭の不燃性ガス、
呼吸困難
270ppm
塩化水素
ポリ塩化ビニル、塩化ビニル
など塩素を含む材料から発生
無色、刺激臭の酸性ガス、
気道、目、鼻への強い刺激
2,000ppm
硫黄酸化物
羊毛、アスファルトなど硫黄
を含む材料から発生
無色の刺激臭、気道 、 目 、
 鼻への強い刺激
2,000ppm
窒素酸化物
窒素を含む材料から発生
褐色の酸性ガス、気道、目、
鼻への刺激
250ppm

硫黄酸化物は主に二酸化硫黄、窒素酸化物は主に二酸化窒素です。

 建築材料や衣服などあらゆる物質は、一般に炭素・水素・酸素を主体に窒素・硫黄・塩素などの元素から構成されています。物質が完全燃焼した場合には、生成物の数は少なくなります。逆に、不完全燃焼の場合では、多くの酸化物や分解生成物が発生してきます。この分解生成物に有毒性があり、人体に影響を与えるため、生成物の少ない完全燃焼の方が人体影響の危険は少ないとされています。火災燃焼の場合、大半が急激な燃焼のため、空気中の酸素が不足して不完全燃焼が生じます。そのため、一酸化炭素をはじめ、数多くの生成物を同時に発生させることになります。

 ゴミ処理場での焼却では十分な酸素を供給し高温で燃焼させることで有毒ガスの発生を少なくしています。火災はもちろんのこと、野焼きでも不完全燃焼が起こり、有毒な物質が放出されます。火災の防止や野焼きの規制は化学物質対策の面からも必要とされています。


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196.アクリル酸について。(2012/10/11)

 先日、アクリル酸を貯蔵していたタンクが爆発する事故がありました。アクリル酸とはどのような物質なのか簡単にまとめてみましょう。

 アクリル酸は最も簡単な構造の不飽和カルボン酸です。化学式はCH2=CHCOOHで、融点が14℃、沸点が141℃、比重は1.051です。酢酸に似た刺激臭のある液体で、水、アルコールと任意の割合で混じり合います。引火点が低く、化学反応などによって火災や爆発を生じることがあるため、消防法では、取り扱いを規制する「危険物」に指定しています。吸い込めば人体にも影響があり、取り扱いには注意が必要とされます。

 実験室的にはアクロレインの酸化、アクリロニトリルやアクリル酸エステルの加水分解などで合成されます。工業的には、ニッケル鎖体を触媒とするアセチレンのカルボニル化反応や、プロピレンを金属触媒存在下に酸素で酸化してアクロレインとしさらにもう一段階の酸化によりアクリル酸とする方法、エチレンオキシドとシアン化水素の反応で得られるエチレンシアンヒドリンの脱水と加水分解による方法などがあります。今回の事故のあった会社ではプロピレンから合成する方法が使われていたと思われます。(会社の HP の記述から推測)

C3H6(プロピレン)+O2 → CH2=CHCHO(アクロレイン) + H2O

CH2=CHCHO+1/2O2 → CH2=CHCOOH(アクリル酸)

 アクリル酸は適当な重合開始剤、あるいは酸素などの作用により容易に重合し、ポリアクリル酸になります。この重合体はカルボキシル基を多数持つために非常に親水性が高く、さらに架橋を加えて網目状としたポリマーは、ナトリウム塩の形とすると高吸水性ゲルとして優れた性能を示すことから、紙おむつ用などに用いられます。

 アクリル酸はアクリル酸エステルの原料ともなります。アクリル酸エステル類の重合体であるアクリル樹脂は透明度が高く、特にポリメタクリル酸エステル樹脂は無機ガラスの代用品として様々な用途に使われています。また、アクリル酸エステルを液状、あるいは、ワックス状に重合させたものは、着色性の良さによりアクリル樹脂塗料の原料となります。

 アクリル酸はあまり安定ではなく、空気中に放置しておくと酸素などの影響で重合を開始し、すぐポリマーになってしまいます。このため、アクリル酸には「重合禁止剤」と呼ばれる物質(ヒドロキノン誘導体など)を添加し、これにラジカルを吸収させることで重合を防ぐことが行われます。重合反応を起こすと熱を発生し、体積も大きく変化するので事故の原因になります。


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195.アスベストはなぜ危険なのか。(2012/10/4)

 アスベストは天然の鉱物からできています。なぜ強い発がん性があるのか簡単にまとめてみましょう。

 アスベストは、天然に産する繊維状けい酸塩鉱物で石綿(いしわた、せきめん)とも呼ばれています。蛇紋石や角閃石が繊維状に変形した天然の鉱石のことで、蛇紋石系(クリソタイル)と角閃石系(クロシドライト、アモサイトなど)に大別されます。

蛇紋石系
 クリソタイル(温石綿、白石綿)
 組成式はMg6Si4O10(OH)8 。クリソタイルから作られる石綿を温石綿と呼ぶ。文字通り、綿のように柔らかい。日本では2004年10月に使用が禁止。

角閃石系
 クロシドライト(青石綿)
 石綿状のリーベック閃石 (Na2(Fe2+3Fe3+2)Si8O22(OH)2)のこと。針状に尖った繊維で、クリソタイルのような柔らかさは無い。最も毒性が強いとされ、1995年から使用も製造も禁止。
 アモサイト(茶石綿)
 カミントン閃石(Mg7Si8O22(OH)2) ー グニュネル閃石(Fe2+7Si8O22(OH)2)系列。1995年から使用も製造も禁止された。
 アンソフィライト(直閃石綿)
 直閃石(Mg7Si8O22(OH)2)。
 トレモライト(透角閃石綿)
 透閃石(Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2 (Mg/(Mg+Fe)=1.0-0.9))。
 アクチノライト(陽起石綿)
 緑閃石(Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2 (Mg/(Mg+Fe)=0.5-0.9))。

 アスベストの種類は上記のように全部で6種類あり、その中で蛇紋石系に属するのがクリソタイル、その他は角閃石系ということになります。工業的に使われているのは主にクリソタイル(白石綿)、アモサイト(茶石綿)、クロシドライト(青石綿)の3種類です。綿のように柔らかい性質を持ち加工しやすいことから、世界中で生産されるアスベストの90パーセントがクリソタイルから作られたものです。

 石綿の繊維1本の細さは大体髪の毛の5,000分の1程度の細さです。耐久性、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性などの特性に非常に優れていて、安価であることから、「奇跡の鉱物」として重宝され、建設資材、電気製品、自動車、家庭用品等、様々な用途に広く使用されてきました。しかし、空中に飛散した石綿繊維を長期間大量に吸入すると、肺がんや中皮腫の誘因となることが指摘されるようになりました。

 アスベストはWHOの付属機関IARCにより発がん性がある(Group1)と勧告されています。アスベストは、肺線維症、肺がんの他、稀な腫瘍である悪性中皮腫の原因になるとされています。6種類の中で最も毒性が強いとされるのがクロシドライト(青石綿)です。針状に尖った繊維を持ち、クリソタイルのようなやわらかさはありません。

 鉱物性繊維は、その成分には関係なく、「繊維が細い」、「肺胞内マクロファージによって分解されない」という2点に合致することで発がん性が発揮されるといわれています。そのため、脱アスベストとして開発されたアスベスト代替製品についても、発がん性の危険を指摘する声があります。一般的なグラスウールやロックウールについては、繊維が比較的太いことから安全性が高いとされていますが、マイクログラスウールやセラミックファイバー、チタン酸カリウムウィスカなど繊維が細いものについては、発がん性が疑われています。

 アスベストは揮発することはなく、人体に吸収されることもないため化学的には毒性がありません。しかし、肺の中に入ってしまうと自然に出ていくことが難しく、尖った先端が細胞を刺激し続け発がん性を示すと考えられています。そこにあること自体が直ちに問題なのではなく、飛び散ること、吸い込むことが問題になりますので、労働安全衛生法や大気汚染防止法、廃棄物の処理及び清掃に関する法律などで予防や飛散防止等が図られています。


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194.タルクについて。(2012/9/27)

 過去にアスベストを含むタルクが出回っていたことが問題となっています。タルクとは何かまとめてみましょう。

 タルク(かっせき、talc、滑石)は、水酸化マグネシウムとケイ酸塩からなる鉱物で、粘土鉱物の一種です。色は一般に白でろうそくの蝋や真珠のような光沢を持っているために、これを主成分とする岩石はろう石と呼ばれることもあります。組成式は Mg3Si4O10(OH)2 で、蛇紋石(Mg3Si2O5(OH)4)が熱水変質、あるいは苦灰石(CaMg(CO3)2)が接触変成してできます。

  2Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2 → Mg3Si4O10(OH)2 + 3MgCO3 + 3H2O
  3CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O → Mg3Si4O10(OH)2 + 3CaCO3 + 3CO2

 タルクの原料である滑石はモース硬度1の基準となる標準物質で、鉱物の中で最もやわらかいもののひとつです。爪で傷つけることもできます(爪の硬度は2.5度)。純粋なものは安定した硬度を示しますが、不純物が含まれる場合は硬度が高くなります。

 用途としては、粉末にして黒板用のチョーク、玩具、工事現場などでのマーキング用、ベビーパウダーなど化粧品類、医薬品や上質紙の混ぜ物などがあります。食品衛生法では食品添加物の一種である既存添加物(いわゆる天然添加物)に分類され、製造用剤、チューインガム品質改良剤として使われています。食品添加物としての使用基準は以下のとおりです。

食品の製造又は加工上必要不可欠な場合以外は食品に使用してはならない。
酸性白土、カオリン、ベントナイト、タルク、砂、ケイソウ土及びパーライト並びに、これらに類似する不溶性の鉱物性物質の食品中の残存量は、2物質以上使用する場合であっても、食品の 0.5%(チューイングガムにタルクのみを使用する場合には、5.0%)以下でなければならない。

 利尿作用、消炎作用があるとされ、猪苓湯(ちょれいとう)、防風通聖散(ぼうふうつうしょうさん)などの漢方薬に配合されています。 海外においては悪性胸水患者に対する胸膜癒着術に用いられています。日本においても、医薬品としての承認を目指して医師主導治験が行われています。

 現在では精製度が上がっていて、アスベスト残留のリスクはほぼありません(特に国産のものは安全性が高いとされている)が、輸入品などに一部、低品質のものが存在しているようです。精製度が低い低品質のタルクにはアスベストを含有することがあるので不用意に吸入したりすることのないよう注意が必要です。(一般的には北イタリア産のものが上質とされている。)


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193.医薬部外品とはなにか。(2012/9/20)

 身体を洗うための洗剤や洗浄剤は、「化粧品」扱いのものと「医薬部外品」扱いの2種類があります。医薬部外品とはどのようなものなのかまとめてみましょう。

 日本の薬事法では「医薬品」「医薬部外品」「化粧品」「医療器具」の4種について規定されています。医薬部外品は、医薬品と化粧品の中間的な分類で、人体に対する作用の緩やかなもので機械器具でないものとされています。条文では以下のように記述されています。

薬事法第2条第2項
次に掲げることが目的とされており、かつ、人体に対する作用が緩和な物であって機械器具等でないもの。
 1.吐きけその他の不快感又は口臭若しくは体臭の防止
 2.あせも、ただれ等の防止
 3.脱毛の防止、育毛又は除毛
 4.人又は動物の保健のためにする、ねずみ、はえ、蚊、のみ等の駆除又は防止

また、医薬部外品は法改正により3つの部類に分かれています。(2009年現在)

・医薬部外品
 薬事法第2条第2項:1~3に準ずるもので厚生労働大臣が指定(従来からの医薬部外品
製品例
歯周病・虫歯予防の歯磨、口中清涼剤、制汗剤、薬用化粧品、ヘアカラー、生理用ナプキンなど

・指定医薬部外品
 薬事法第2条第2項:1に準ずるものでかつ厚生労働大臣が指定する、新指定医薬部外品や新範囲医薬部外品(規制緩和により医薬品から医薬部外品へ移行)
製品例
ビタミン剤、いびき防止薬、カルシウム含有保健薬、うがい薬、健胃薬、口腔咽頭薬、コンタクトレンズ装着薬、殺菌消毒薬、しもやけ用薬、瀉下薬、消化薬、生薬含有保健薬、整腸薬、鼻づまり改善薬(外用剤のみ)など

・防除用医薬部外品
 薬事法第2条第2項:4に準ずるものでかつ厚生労働大臣が指定
製品例
電気蚊取(マット式、液体式、ファン式)、エアゾール剤(有効成分がピレスロイド)、殺鼠剤、虫除け剤など

 医薬部外品を製造する日本国内の製造所は、医薬部外品製造業許可を取得している必要があります。出荷前の製品を保管するだけの場所や、製品にラベルを貼ったり包装したりする場所についても、包装・表示・保管は製造の一部であるため、製造業許可が必要です。しかし、小売販売には、医薬品と異なり、特に許可制度は定められていないため、スーパーマーケットやコンビニエンスストア、ディスカウントストアなどのような、薬局・薬店・ドラッグストア以外の小売店でも販売できます。

 医薬部外品も、化粧品も、全成分の表示が義務づけられています。化粧品の成分表示は配合量の多い順に記述することが義務づけられていますが、医薬部外品は順不同です。また、医薬部外品は、「有効成分:○○○」「その他の成分:△△△」のように、有効成分とそれ以外の成分を分けて表示することになっています。成分表示が添加量の多い順にされないことから、消費者が避けたいと思っている成分の使用量が表示からはわからないというデメリットがあります。(使用されているかどうかはわかる)


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192.トリクロサンについて。(2012/9/6)

 報道があったことでトリクロサンの性質が注目されています。トリクロサンとはどのような物質なのかまとめてみましょう。

 トリクロサンはビスフェノール構造をもつ殺菌消毒剤、防腐防黴剤で、化学式 C127Cl32 で表される芳香族エーテル誘導体です。白色から灰色の粉末で、僅かに特異な臭いがあります。常温固体で水難溶解性であるため、その一般的な利用形態は、界面活性剤を使用して可溶化させて用いる場合、或いは、油性成分や有機溶媒に溶解させて用いる場合がほとんどです。

 ENR(エノイール‐アシル運搬蛋白還元酵素)という酵素の働きを阻害することで抗菌性を示します。この酵素は多くの細菌(バクテリア)と菌類が細胞膜を作る際に働くもので、トリクロサンは、ENRの活性部位に結合することにより、ごく微量であっても強力な抗生を示します。しかしヒトはこの酵素を持たないため、ヒトに対する害はないとされています。この特徴から、トリクロサンは、一般細菌の殺菌力に加え、ブドウ球菌などグラム陽性菌に対する静菌力も優れた抗菌成分となっています。トリクロサンは抗生物質ではありませんが、その薬理作用は抗生物質によく似ています。このため、トリクロサンは抗生物質のように耐性菌を生じさせる可能性があります。

 トリクロサンは、広く一般細菌に対する殺菌剤として、薬用石鹸など医薬部外品、口紅など化粧品に使用され、石鹸、シャンプー、歯磨きなど、医薬部外品で殺菌作用をうたっている商品に、多く使用されています。医薬部外品として承認されている濃度では安全性が高いとされ、化学物質の審査及び製造等の規制に関する法律でも、危険性は最も低い一般化学物質の扱いとなっています。

 報道によれば(使用した濃度や信憑性については定かではない)米カリフォルニア大デービス校などでの実験で、マウスや魚を使った実験で筋肉の活動性を低下させる恐れがあるとの実験結果が出たとして、2012年8月に米科学アカデミー紀要(電子版)に発表するとして報じられました。その内容としてはマウスや、コイ科のヒメハヤにトリクロサンを与える実験を行い、与えていない場合と比較して、マウスでは心臓が拍出する血液が最大25%減少、握力が18%低下し、ヒメハヤでも遊泳能力が落ちたとしています。

 トリクロサンは以前から環境ホルモンとしての作用があるのではないかとの指摘があり、今回報道されている作用もこれに類するものであると考えられます。さらなる研究が必要な分野であることは確かです。


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191.ジクロロメタンと1,2-ジクロロプロパン。(2012/7/12)

 印刷会社での胆管がん発症問題で原因物質と疑われているのが、ジクロロメタンと1,2-ジクロロプロパンです。この2つの物質についてまとめてみましょう。

 ジクロロメタンは、 有機溶媒の一種で分子式は CH2Cl2 です。慣用名は塩化メチレンといい、産業界ではこちらの名称を使う場合があります。常温では無色で、強く甘い芳香をもつ液体で、非常に多くの種類の有機化合物を溶解します。また難燃性の有機化合物であることから、広範囲で溶媒や溶剤として利用されています。特に金属機械の油脂を洗浄する用途で多く使われていますが、環境負荷とヒトへの毒性の懸念からPRTR法により利用と廃棄が監視される物質でもあります。工業的には、メタンあるいはクロロメタン(慣用名は塩化メチル)と塩素とを400〜500℃で気相でラジカル反応させることで製造されます。

 主な用途としては、塗料の剥離剤、プリント基板洗浄剤、溶剤等があります。ヒトに対しては、皮膚または目に接触すると炎症を引き起こす場合があることが知られています。蒸気を大量に吸引すると麻酔作用を示し、中枢神経系を抑制します。慢性毒性として肝機能障害が知られています。ヒトへの発がん性は証明はされていないものの、動物実験では発癌性が示唆される IARC発がん性リスク評価で Group 2B(ヒトに対する発がん性が疑われる)に分類されている化合物です。

 1,2-ジクロロプロパンは化学式C3H6Cl2で表される有機塩素化合物です。可燃性のある無色の液体で、クロロホルムのような匂いを持っています。 テトラクロロエチレンなど、他の有機塩素化合物の製造中間体となります。過去には土壌燻蒸剤や塗料剥離剤、溶剤などとしても使用されましたが、現在ではこれらの用途での使用はほとんどが中止されています。

 引火性があり、空気との混合気体は爆発性を持ちます。眼、皮膚、気道に対する刺激性があり、中枢神経系に影響を与えることがあります。長期的には皮膚の脱脂や、肝臓・腎臓への影響が生じる。 IARC発がん性リスク評価で Group 3(ヒトに対する発がん性が分類できない)に分類されています。

 どちらの物質も揮発性で強い毒性があり、使用時には換気が必須です。発がん性については現時点で証明はされていませんが、発がん性を持つ可能性はかなり高いと思われます。用途が広く多くの製造現場で使われていますので、十分な対策がされているかどうか今一度点検が必要とされています。


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190.毒性を数値化する方法について。(2012/7/5)

 よく知られている毒物は多くの場合、どの程度の危険性があるのか数値化されています。どのようなことなのか考えてみましょう。

 毒性を示す数値は大きく分けて危険性を示す数値と安全性を示す数値があります。前者の例としては半数致死量などがあり、後者の例としては ADI などがあります。

 ある物質についての致死量は、動物の種類、成長段階、健康状態、摂取方法によって極めて多様に変化します。極論すれば、致死量は個体・物質の摂取時期によって異なるため、厳密には確定した値を求めることはできません。そこで、目安として、半数致死量(LD50 )という概念が一般的に用いられています。これは、「ある物質をある状態の動物に与えた場合、その半数が死に至る量」を示します。毒物及び劇物取締法における毒物・劇物の指定は半数致死量を基準としていて、例えば経口投与の場合は LD50 =50mg/kg 以下程度を毒物、LD50 =300mg/kg 以下程度を劇物としています。

 毒性試験には原則として動物(マウス、ラット、ウサギ、イヌなど)を用いていますが、これらに対する毒性がヒトに対する毒性と同程度とは限ませんし、さらに個体差もあるかもしれません。そこで、人間が摂取する薬品に対しては、100倍等の特段厳しい安全率が用いられます。これは、人体実験が倫理上の理由により行えないため動物実験の結果を人間に当てはめる事になるのですが、その際に種による誤差が10倍程度生じると考えられ、また人間の間でもお年寄りや乳幼児のような弱者と健康体の間で10倍程度の感受性の開き(個体差)が生じると考えられ、掛け算して100倍としているからです。

 食品に用いられたある特定の物質について、上記のように動物実験によって悪影響が見られなかった最大の量(無毒性量、NOAEL)を安全係数(100が使われることが多い)で割って求めた数値が ADI(一日摂取許容量)です。また、摂取することが本来意図されていない、大気や土壌、飲用水、食品などにコンタミネーションしている物質について同様に求めた数値が TDI(耐容一日摂取量)です。

 こうした数値は体の大きさによって許容される量が変わってくるため、体重1kgあたりの数値が示されます。また、大人と子供では内臓(特に肝臓)の機能の高さが異なるため、子供には単純に適応することができません。医薬品などで子供に与えることが推奨されていないものがあるのはそのためです。単純に量を減らせば良いというわけではありませんので、子供に大人用の風邪薬などを与えるのは避けましょう。


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189.カラメル色素について。(2012/6/21)

 天然着色料として広く使われているカラメル色素に種類があることはあまり知られていないようです。どのような種類があるのか簡単にまとめてみましょう。

 カラメルは水と砂糖のみを熱して生じた液体です。濃い褐色をしていて独特の甘く香ばしい香り、甘味(原料の砂糖に比べれば弱い)と弱い苦味があります。主に洋菓子やコーラのような飲料の風味付けに使用されます。また、食品の着色料カラメル色素としても使われます。

 上記の通り、カラメルは本来は砂糖を煮詰めて作る天然色素なのですが、現在ではほとんどが糖類を原料とする化学合成品になっています。
Ⅰ~Ⅳまで種類があり、それぞれ製法が違います。

カラメルⅠ
 砂糖又はブドウ糖に代表される食用炭水化物を、熱処理して得られた物、または酸もしくはアルカリを加えて熱処理を行う方法で、亜硫酸化合物及びアンモニウム化合物を使用しない製造方法。(古くからの製法)

カラメルⅡ
 砂糖又はブドウ糖に代表される食用炭水化物に、亜硫酸化合物を加えて、またはこれに酸もしくはアルカリを加えて熱処理を行う方法で、アンモニウム化合物を使用しない製造方法。(日本では製造も使用もされていない)

カラメルⅢ
 砂糖又はブドウ糖に代表される食用炭水化物に、アンモニウム化合物を加えて、またはこれに酸もしくはアルカリを加えて熱処理を行う方法で、亜硫酸化合物を使用しない製造方法。

カラメルⅣ
 砂糖又はブドウ糖に代表される食用炭水化物に、アンモニウム化合物及び亜硫酸化合物を加えて、またはこれに酸もしくはアルカリを加えて熱処理を行う製造方法。

 安全性に関して ADI(1日の摂取許容量)は,カラメルⅠでは健康に危害をもたらさないので特に定める必要なし、カラメルⅢおよびⅣで0~200mg/kgと設定されています。カラメルⅡは、国内での生産実績はありません。なお、カラメルⅡ、Ⅲ、Ⅳにおいて変異原性が報告されていますが、Ⅲ、Ⅳについては発がん性は認められていません。カラメルⅢ、Ⅳはカラメル色素の製造過程で副産物として生成される4-メチルイミダゾール(4-MI)が含まれていて、発がん性が認められたことから、アメリカでコカ・コーラとペプシ・コーラが製法を変更したとの報道があったのが記憶に新しい(2012年3月)ところです。

 天然着色料と呼ばれるのもの中には、天然と呼んでよいのか疑問を感じるようなものもあります。カラメル色素の場合もカラメルⅠについては天然と言えますが、Ⅱ〜Ⅳについては化学合成したものと考えたほうがよいと思われます。表示上はどちらもカラメル色素となっていて区別されていませんので注意が必要です。


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188.日やけ止めの化学。(2012/6/7)

 日差しが強くなってくると日やけ止めを使う方も多いと思います。日やけ止めがどうやって日焼けを防ぐのか考えてみましょう。

 日やけ止めは、皮膚に当たる紫外線をブロックすることによって、日やけや皮膚の老化を予防するための製品であり、サンスクリーン剤とも呼ばれます。剤形としてはクリーム状、乳液状、ジェル状などがあって、日本国内法においては薬事法で定義される医薬部外品の「日やけ止め剤」に該当します。

 日やけ止めは、効果をSPFやPA値で表示します。

SPF(Sun Protection Factor)は、紫外線のうち、紫外線B波を遮断する効果の程度を表す指標です。紅斑、またはサンバーンと呼ばれる、肌がヒリヒリと赤くなるような炎症をひき起こすかどうかをもとに算出されます。被験者が紅斑を引き起こす最小の紫外線量に比べ、塗布時に何倍の紫外線にまで耐えられるかでSPFの数値が定められます。

PA(Protection grade of UVA)は、日本で採用されている紫外線A波の防御力を示す指標です。即時黒化と呼ばれる、日焼け後すぐに黒くなる現象をもとに算出されます。PA+(やや効果がある)、PA++(効果がある)、PA+++(非常に効果がある)の3段階(無標も含めれば4段階)で効果が表示されています。SPF値は世界共通の表示ですが、このPA値は日本の日焼け止めだけに採用されている表示です。

 日やけ止めに配合されている成分である紫外線防御剤は、大きくわけて「紫外線散乱剤」と「紫外線吸収剤」の二種類に分類できます。それぞれ名前の通り、拡散剤は紫外線を反射させ、吸収剤は紫外線を吸収し、肌に紫外線が届くのを防ぎます。

紫外線散乱剤
 紫外線散乱剤は、 紫外線散乱剤が肌を覆い、紫外線を反射して日焼けを防ぐものです。主な成分は酸化チタン、酸化亜鉛となっています。 紫外線吸収剤に比べ、化学的に安定(化学変化を起こさない)で肌への負担も少ないのが特徴です。SPFやPAの低い日焼け止めは、紫外線吸収剤を控え、主に紫外線散乱剤で構成されているものが多くなっています。ちょっとした買い物や子供の送り迎え、洗濯物を干したりする場合であるならば、紫外線吸収剤が少ないものや含まれていないSPFやPAの低い日焼け止めを利用することで、肌への負担を考慮した日焼け対策となります。

紫外線吸収剤
 紫外線吸収剤は、紫外線吸収剤が紫外線を吸収し、熱エネルギーに変えることで、肌への浸透を防ぐというものです。代表的な紫外線吸収剤としては、「メトキシケイヒ酸オクチル」や「オキシベンゾン」、「t-ブチルメトキシジベンゾイルメタン」などがあります。(他にも多くの種類がある) 紫外線吸収剤の分子構造が紫外線を吸収し、形を変え、紫外線を熱エネルギーに変換し、また、もとの分子構造にもどって、また、紫外線を吸収するという化学変化を繰り返しています。紫外線吸収剤は、SPFやPAの高い日焼け止めに多く使用されています。SPFやPAの高い日焼け止めは日焼けに対して非常に有効ですが、長時間使用することで、紫外線吸収剤が肌へ与える影響も大きくなります。

 紫外線吸収剤の分子構造が形をかえる時、分子そのものが非常に不安定な状態になり、何度も化学変化を繰り返すうちに、分子が壊れて分解してしまうことがわかっています。分解された状態の紫外線吸収剤の一部は、非常に反応性が高く、肌にとって、刺激のある物質として肌に吸収されてしまうことが多く、一部は発がん性を疑われる物質もあるとされています。どうしても使わざるを得ない場合は、紫外線吸収剤ではなく、紫外線散乱剤を配合したもの(「紫外線吸収剤無配合」「ノンケミカル」という表示のもの)を使った方が良いでしょう。


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187.ブドウ糖と果糖について。(2012/5/24)

 最も基本的な糖としてブドウ糖と果糖があります。この2つの糖について考えてみましょう。

ブドウ糖
 ブドウ糖は、糖の一種でありグルコースとも呼ばれる、代表的な単糖の一つです。果実などに存在する単糖類でショ糖やデンプン、セルロース、グリコーゲンの構成成分になっています。人間をはじめ、動物や植物が活動するためのエネルギーとなる物質の一つです。食事から摂取されたデンプンなどの炭水化物、糖分が消化され、ブドウ糖の形で小腸から吸収されます。体内で主要なエネルギー源として利用されていて、特に脳での通常時のエネルギー源として利用されています。

製造法:デンプンを酸あるいは酵素により、完全に加水分離し、精製、濃縮後、そのまま結晶化して含水結晶ブドウ糖、濃縮後、煎糖、分蜜して無水結晶ブドウ糖、濃縮後、造粒あるいは型入れ形成した精製ブドウ糖、濃縮したままの液状ブドウ糖を製造します。市販製品には無水結晶ブドウ糖、含水結晶ブドウ糖、精製ブドウ糖及び液状ブドウ糖があり、結晶ブドウ糖及び精製ブドウ糖には日本農林規格が制定されています。

 ブドウ糖は水溶液中ではごく一部が鎖状構造となっています。この構造の末端にはアルデヒド基が存在するため、ブドウ糖水溶液は還元性を示します。ブドウ糖はそのアルデヒド基の反応性の高さからタンパク質を修飾する作用(メイラード反応)があり、ブドウ糖による修飾は主に細胞外のタンパク質に対して生じます。細胞内に入ったブドウ糖はすぐに解糖系により代謝分解されますが、インスリンによる血糖の制御ができず生体が高濃度のブドウ糖にさらされるとタンパク質修飾のために糖毒性が生じ、これが長く続くと糖尿病合併症とされる微小血管障害によって生じる糖尿病性神経障害、糖尿病性網膜症、糖尿病性腎症などを発症します。

果糖
 果糖は、糖の一種でありフルクトースとも呼ばれる、単糖の一つです。水溶性の白色の結晶であり、全ての糖の中で最も多く水に溶けます。果糖は、ハチミツ、木に成る果実、ベリー類、メロン、ある種の根菜に多量に含まれていて、ショ糖やイヌリンなどの構成成分になっています。ブドウ糖と同様に小腸から吸収されエネルギー源となります。

製造法:現在日本では、デンプンより製造された異性化液糖や砂糖の転化糖液を原料としてつくられています。異性化液糖や転化糖液をイオン交換樹脂を用いたクロマト分離によりブドウ糖と果糖に分離します。この果糖の部分を濃縮、結晶化し、結晶果糖を取り出します。

 ブドウ糖の異性体であり、化学式はブドウ糖と同じC6H12O6ですが、構造が異なります。ブドウ糖と同じく還元性があり、ブドウ糖よりも速くメイラード反応が始まります。α型とβ型があってβ型がα型よりよりおよそ3倍の甘味があり、加熱して50度を越えるとα型が増加し甘味度は著しく減少してショ糖の甘味度以下となります。

 果糖が商業的に食品や飲料に使われる主な理由は、価格の安さと相対的に強い甘さです。果糖は天然に存在する糖の中では最も甘く、最大でショ糖の1.73倍甘いとされていますが、甘味度は温度による差が大きく、2~5℃では砂糖の1.3倍~1.5倍ですが、高温では砂糖の6割程度になります。


 どちらの糖も果物などを中心に多くの食品に含まれています。果糖が主要な果物にはリンゴ、日本ナシ、ビワなどが、ブドウ糖が多い果物にはオオトウ、ウメなどが、ショ糖が多い果物には温州ミカン、バレンシア・オレンジ、グレープフルーツ、ナツミカン、カキ、モモ、スモモ、バナナ、パイナップルなどがあります。また、ブドウ糖と果糖がほぼ等量な果実にはブドウ、イチゴなどがあります。エネルギー源として重要ですが、吸収されやすいため血糖値が急激に上がることがあります。スポーツ時など糖分が欠乏しているときには良いのですが、通常の食事ではデンプン(ブドウ糖が鎖状につながった高分子化合物)など消化に時間のかかる糖質を中心に摂取することが健康には良いとされています。


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186.メイラード反応について。(2012/5/17)

 食品に起きる化学変化の中で代表的なものにメイラード反応があります。どのような反応なのかまとめてみましょう。

 お肉やホットケーキを焼くと茶色く変色します。この時、起きている反応がメイラード反応です。加熱によって変色する反応にはカラメル化もありますが、全く別の反応です。

 メイラード反応とは、還元糖とアミノ化合物を加熱したときなどに見られる、褐色物質を生み出す反応のことです。(カラメル化は糖質単独での反応)アミノカルボニル反応の一種で、褐色物質を生成する代表的な非酵素的反応(酵素が関与しない反応)です。常温では反応に長い時間を要します(例:味噌や醤油の熟成)が加熱すると反応が早くなります。

 メイラード反応が関与するものには次のような現象が挙げられます。

 肉を焼くと褐変
  玉ねぎを炒めると褐変
  デミグラスソースの褐変
  コーヒー豆の焙煎
  黒ビールやチョコレートの色素形成
  味噌、醤油の色素形成
  パン(トースト)やご飯の「お焦げ」の形成

 メイラード反応によって生じる褐色色素のことをメラノイジンといいます。メラノイジンは酸素や窒素を含む、多様な高分子化合物からなる混合物です。メラノイジンは、それ自身がフリーラジカルですが、同時にラジカル・スカベンジャーとしての作用を持つため、食品の酸化を抑制する働きがあります。この作用には、メラノイジンが金属とキレートを生成して封じ込めることが関与しているとも言われています。例えば、トリプトファンとブドウ糖の反応によって生じる物質はビタミンE よりも強力な抗酸化能があることが判っています。

 メイラード反応に伴って特有の香気成分も生成します。その香気は反応のもととなったアミノ酸や糖の種類、反応条件等により変化し、焦げ臭、カラメル臭、ナッツ様の臭気、パン様の臭気、チョコレート臭、時にカビ臭やスミレ様の臭気など、様々な香気を生成します。焼き上がりのパンや焼き肉の香ばしさはメイラード反応によるものです。

 一方で、毒性にある物質が生成する場合があることも知られています。メイラード反応の過程でアスパラギンとブドウ糖が反応することによって、劇物扱いのアクリルアミドが生成されることがわかっています。 アクリルアミドは神経毒性や発癌性を持つ疑いがある化合物ですので、特にポテトチップスなどの高温加熱食品におけるメイラード反応でアクリルアミドが生じることが食品安全上の観点から問題視されています。

 パンを焼くときに小麦粉に含まれるタンパク質や糖質によってメイラード反応が起き、焼き色がついたり香ばしい香りが出ます。料理などでは日常的にメイラード反応を利用していることがわかります。また、人間の体内にもアミノ酸と糖質が存在するため、メイラード反応が起こっています。こちらは体に悪い例があることが報告されていて、体内での反応はできれば抑えた方がいいようです。


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185.異性化糖と転化糖。(2012/5/10)

 よく似た組成を持つ甘味料として異性化糖と転化糖があります。どのような違いがあるのかまとめてみましょう。

 異性化糖と転化糖はどちらもブドウ糖と果糖が主成分ですが原料や製造方法が異なります。

 異性化糖は、トウモロコシやジャガイモ、あるいはサツマイモなどのデンプンを、酵素にて糖化させた後、含まれるブドウ糖の一部を別の酵素にて果糖に異性化させたものです。デンプンはブドウ糖が鎖のようにつながった構造を持つ高分子化合物で、酵素により加水分解することで単分子のブドウ糖になります。異性化糖製品は日本農林規格 (JAS) で以下のように制定されています。

ブドウ糖果糖液糖
 果糖含有率(糖のうちの果糖の割合)が 50% 未満のもの。 果糖ブドウ糖液糖
 果糖含有率が 50% 以上 90% 未満のもの。 高果糖液糖
 果糖含有率が 90% 以上のもの。 砂糖混合異性化液糖
 上記の液糖に 10% 以上の砂糖を加えたもの(その液糖がブドウ糖果糖液糖なら砂糖混合ブドウ糖果糖液糖)。

 異性化糖は粘性が少ないため取り扱いやすく、タンクローリーなどで大量に運送したり、タンクに保存・貯蔵したりすることが容易です。ただ、液状のため、固形化や粉末化するのが難しく、一般消費者向けにはほとんど販売されていません。砂糖より甘みが口中に残りにくく、低温下で甘味度を増すので、清涼飲料や冷菓などの原料として多く使われています。また、異性化糖は価格も安いことから、他に缶詰、パン、みりん風調味料などにもよく使われます。低温での利用に向いている半面で、熱に弱く、加熱すると着色してしまう欠点があります。

 転化糖は、酸または酵素(インベルターゼ)によって、ショ糖を果糖およびブドウ糖に加水分解した甘味料です。 化学反応は以下の通りです。

  C12H22O11 (ショ糖) + H2O (水) → C6H12O6 (ブドウ糖) + C6H12O6 (果糖)

 同量のショ糖よりも甘いため、糖を転化させることによって砂糖の量を控えることができます。また、吸湿性があるため、菓子をしっとりとした状態に保つことができます。上白糖に転化糖が添加されているのは、甘味を強くすることと結晶化するのを防ぐためです。

 家庭でなじみの深い転化糖の一つは蜂蜜です。蜜蜂によって花から採集された蜜は一般に糖度が40%未満のショ糖液ですが、巣に持ち帰られた後で水分の発散が行われ、糖度が80%前後に上げられます。そして、この時に蜜蜂の唾液に含まれる酵素が蜜に混入し、その作用によって蜜の中のショ糖がブドウ糖と果糖に分解されます。それ以外にも、ジャムを作るときには、果物に含まれている酸のためショ糖が加水分解されて自然に転化糖になっています。

 一般に異性化糖は安価で工業的に生産されていますが、転化糖は原料がそれほど安価でないことから天然に存在するものを利用しているケースがほとんどです。蜂蜜などの例外を除くとどちらも一般には市販されていませんのであまり知られていませんが、身近な製品の原材料として広く使われています。


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184.砂糖について。(2012/5/3)

 砂糖はもっとも身近な甘味料です。化学的にはどのような物質なのか考えてみましょう。

 砂糖の主成分はスクロース(ショ糖)です。スクロースは、グルコース(ブドウ糖)とフルクトース(果糖)が結合した糖で、二糖類の一種であり、化学式はC12H22O11です。スクロースは一般にはサトウキビや、サトウダイコン(テンサイ)から抽出し、純度を高め結晶化させます。原料としては他にソルガム(モロコシ)とサトウカエデがあります。ちなみにショ糖の結晶を大きく成長させると氷砂糖になります。日本国内で消費される砂糖のうち約36%が国産で、そのうち8割が北海道で栽培されるサトウダイコンを原料としています。(輸入されているものはサトウキビ由来が多い)

 摂取したスクロースは、腸液に含まれる消化酵素「サッカラーゼ(インベルターゼ)」によりグルコースとフルクトースに加水分解され、小腸で吸収されて血流に入ります。 この反応は短時間で起こるため、血糖値を急激に上昇させます。

 日本で砂糖と言った場合、通常は上白糖のことを指します。上白糖は、ショ糖を主成分とし、水分と転化糖(ブドウ糖と果糖の混合物)をそれぞれ1%程度含んだ結晶状の白い甘味料です。甘味料としての特徴は、結晶同士の固着を防ぐ目的で転化糖が含まれているため、グラニュー糖に比べ甘みが強くコクがあります。また、転化糖が含まれる影響でアミノ酸存在下での加熱時には、グラニュー糖に比較してメイラード反応が起きやすく焦げ色が着きやすくなります。焼き菓子に上白糖ではなくグラニュー糖が推奨される原因となっています。

 グラニュー糖は世界で最も使用量の多い砂糖です。グラニュー糖は最高純度の糖液からつくられる無色結晶状の砂糖で、ショ糖純度が高く、転化糖をほとんど含まないため上白糖よりサラサラしています。また非常に溶けやすいため、コーヒーや紅茶に入れる甘味料としてよく使われます。このグラニュー糖に空気を含ませ顆粒状にすると、フロストシュガーになります。フロストシュガーはグラニュー糖より溶けやすいため、ヨーグルトのような半固体状の食品の甘味付けや、製菓材料に使用されます。

 砂糖を約170°Cに加熱すると、カラメル(キャラメル)と呼ばれる褐色の物質に変化します。カラメルは食用となり、独特の香りを持ちます。カラメルはカスタードプディングなどに使用されます。カラメル化は、糖類が引き起こす酸化反応等により生じる現象で、カラメルが出来るメカニズムはまだ完全に解明されてはいませんが、グルコース、ショ糖などが加熱されることで生じるフラン化合物が重合して生じる、フラン・ポリマーの構造を取るのではないかという仮説が提唱されています。カラメル化と同様に加熱によって褐色色素が生じる反応には、他にメイラード反応がありますが、これはアミノ酸と還元糖の両者を必要とする反応で、カラメル化とは異なります。


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183.核燃料について。(2012/4/19)

 原子炉の燃料として使われる核燃料の中身についてはあまり知られていないように思います。どのようなものなのか簡単にまとめてみましょう。

 核燃料とは、核分裂や核融合などにより、原子核エネルギーを放出し、それにより原子炉などの動力システムを運転させる物質のことです。通常、核分裂連鎖体系をつくる燃料のことを言い、その物質にはウラン、プルトニウム及びトリウムがありますが、最も一般的なのはウランです。天然ウランには、非核分裂性のウラン238が約99.3%、核分裂性のウラン235が約0.7%の割合で含まれています。ウラン238とウラン235は化学的性質はほぼ同じですが、質量がわずかに違うため遠心分離などの方法で分離したり濃縮したりすることができます。ウラン235の割合をウラン濃縮によって人工的に高めたものを濃縮ウランといい、濃縮後のウラン235の割合を濃縮度といいます。

 世界の原子力発電所で主流となっている軽水炉では、軽水(通常の水)が減速材と冷却材を兼ねています。軽水は核分裂の連鎖に必要な中性子を多く吸収するので、軽水炉で核分裂を継続させるには、濃縮度2%から5%程度の低濃縮ウランを燃料として使う必要があります。核分裂を起こさないウラン238は、中性子を捕捉することによってプルトニウム239に転換でき、これを核燃料として使用することができます。 実際に使われている核燃料は二酸化ウランを直径、高さとも約1センチメートル程の円柱形に焼き固めたセラミックスを、ジルコニウム合金製の燃料被覆管に封入してあります。これを燃料棒と言います。

 使用済み核燃料は原子炉で使用された後の燃料棒のことです。ウラン・プルトニウムを大量に含む高レベル放射性廃棄物です。使用済み核燃料には大量の放射性物質が含まれていて、その危険性と処理の困難さのため、その処理が世界的な問題となっています。特に使用済み核燃料からウラン及びプルトニウムを抽出することで核兵器への転用も可能であるため、大量に貯蔵することは好ましくないとされています。

 一般的には原子炉で使用された後、冷却するために原子力発電所内にある貯蔵プールで3年~5年ほど保管されます。その後、核燃料サイクルに用いるために再処理工場に輸送されて処理が行われるか、高レベル放射性廃棄物処理場での長期保管が行われます。

 3%濃縮ウラン燃料を例にすると、 1t が燃える前の組成はウラン238が 970kg、ウラン235が 30kg ですが、燃焼後は、ウラン238が 950kg、ウラン235が 10kg、プルトニウム 10kg、生成物 30kg になります。(運転状況によって異なる)生成物というのがウランやプルトニウムが核分裂してできた物質です。これらの核分裂生成物の中にはクリプトン89、ストロンチウム89、90、イットリウム90、ジルコニウム95、ヨウ素131、キセノン133、135、セシウム137などの半減期が数時間から数日と短いものがあり、原子核崩壊により大量の熱を発生します。このため核分裂反応が停止したあとも数年間は常に冷却が必要となります。


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182.原子力発電について。(2012/4/12)

 原発事故から一年以上がたち、再稼働の是非が問われています。改めて原子力発電とはどのようなものなのか簡単にまとめておきましょう。

 原子力とは原子核反応によって発生するエネルギーのことです。原子核反応は核分裂反応と核融合反応の2種類の反応に大別する事が出来ます。ただし、核融合反応の利用は実用段階にはなく、現在原子力エネルギーとして実用化されているのは核分裂反応のみです。そのため、単に原子力発電と言う場合は、核分裂反応時に発生するエネルギーを利用した発電を指します。

 現在使われている原子力発電は、核分裂反応で発生する熱を使って水を沸騰させ、その蒸気で蒸気タービンを回す事で発電機を回して発電という仕組みになっています。火力発電の場合は石油や石炭、液化天然ガスといった化石燃料を燃やして熱を作り出して蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを回す事で発電機を回して発電を行ってますので、原子力発電と火力発電は、発生した蒸気でタービンを回し発電機で発電するという点で、同じ仕組みを利用していることになります。

 核分裂反応とは、何らかの要因で中性子を捕捉した原子が2つないしそれ以上に分裂する事をいいます。ウラン235を例にとると、ウラン235が中性子(n)を一つ吸収して2つの原子に分裂し、2 - 3個の中性子が発生します。

235U + n → 236U → A + B + (2〜3)n

A と B については一方が重く(質量数140程度)、一方は軽い(95程度)核になります。(例えばヨウ素139 とイットリウム95 や、バリウム141 とクリプトン92 など)この核分裂反応で発生した中性子は、他のウラン235に吸収され次々に核分裂反応が起こっていくことになります。この反応を核分裂連鎖反応と言い、原子炉では制御棒で一定量の中性子を吸収させることで連鎖反応が進みすぎないように制御しています。また、核分裂反応時は反応前の質量よりも反応後の質量の方が小さくなります。この質量差のほとんどが熱エネルギーへと変わり、原子力発電ではこの熱エネルギーを元に発電しています。

 日本で商用稼動している原子力発電所は全て軽水炉と呼ばれる原子炉が使われています。軽水炉は、減速材に軽水(普通の水)を用いる原子炉のことです。水は安価で大量に入手でき、高速中性子の減速能力が大きく、冷却材を兼ねることも出来ます。しかし、中性子吸収量が大きいため、運転に必要な余剰反応度を確保するには、濃縮ウランを燃料とする必要があります。

 軽水炉の場合、万一水が止まってしまうと、大量に発生し続ける崩壊熱を除去できなくなり、30分後には核燃料が溶けはじめてばらばらになり、2時間ほどで原子炉が損傷、破壊されるという構造上の不安定性をかかえています。(福島で起きた事故がこの例)運転中の原子炉だけでなく停止している原子炉でも核燃料が存在しているかぎり同様の事態が起きる可能性があります。どのような非常事態が起きても冷却を継続できるようにする備えが必要とされています。


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181.アスファルトとはなにか。(2012/3/15)

 ほとんどの道路の舗装にはアスファルトが使われています。アスファルトとはどのような物質なのか考えてみましょう。

 アスファルトとは、原油中の潤滑油成分を取った残油で、黒色粘稠性の軟固体状物質のことです。加熱すれば柔らかくなり、さらに加熱すれば液状になります。もともとは天然に産出するものを指す言葉でしたが、現在では原油から製造する石油アスファルトを指します。アスファルトの約70%は道路の舗装用に用いられていますが、この他に燃料として用いられたり、防水材、防振材、防音材等にも利用されています。

 石油アスファルトは、原油の蒸留により、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油等を分留して最後に得られる残油にあたります。従って、基本的にはそれら分留物と類似した構造の化合物で構成されており、「炭化水素」が主成分です。具体的には、パラフィン、ナフテン、芳香族炭化水素からなり、数パーセント程度の酸素、窒素、硫黄を含む有機化合物と、さらに1パーセント以下の鉄、ニッケル、バナジウム等の有機金属化合物とで構成されています。

 製造工程では、まず、原油から常庄蒸留装置でLPG、ナフサ・ガソリン、灯油、軽油、など比較的低沸点の留分を流出させ塔低部から常圧残油を得ます。常圧残油は約400℃程度に加熱された後、数mmHg~十数mmHgに減圧された減圧蒸留装置に送られ、さらに蒸留します。減圧蒸留装置では減圧軽油や潤滑油留分を採取した後、減圧残油としてストレートアスファルトが製造されます。

 アスファルトは特性によってストレートアスファルトおよびブローンアスファルトに分けられます。ストレートアスファルトは主に舗装道路用に、ブローンアスファルトは防水工事などに用いられています。

ストレート・アスファルト
 石油アスファルトのうち、原油の分留に際してできる石油アスファルトの熱による変化をなるべく起こさないように製造した真空蒸留または蒸気蒸留によりできたアスファルト。伸び、粘着性、防水性はよいが、融点が低いのが欠点である。一般に舗装用アスファルトとして用いられる。

ブローン・アスファルト
 石油アスファルトのひとつで、ストレートアスファルトに空気を吹き込み、重合・縮合などの化学変化をさせ、製造するアスファルト。ストレートアスファルトに比較して、針入度や感応性が小さく、軟化点が高い。また、衝撃抵抗は大きいが、粘着力は弱い。防水材・目地材などに使用される。

 アスファルトを加熱溶融する際には、煙と独特の臭い(いわゆるアスファルト臭)が発生します。この臭いはアスファルト中に微量に含まれている硫黄化合物、窒素化合物、芳香族炭化水素化合物等が加熱により分解反応で生ずる比較的に低分子気体の複合臭です。これらの煙や臭いの成分中には、硫化水素や一酸化炭素等の有害物質として指定されているものも含まれており、吸い込まないように注意が必要です。また、製造法からわかるようにアスファルトは化学合成などをしていない天然物です。天然か合成かで危険性を論ずることに意味がない実例の一つと考えていいでしょう。


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180.抗生物質について。(2012/3/8)

 抗生物質とは、微生物が産生し、ほかの微生物の増殖を抑制する物質の総称です。どのような種類があるのか簡単にまとめてみましょう。

 抗生物質の歴史はアレクサンダー・フレミングが1929年にアオカビから細菌を死滅させる物質としてペニシリンを発見したことから始まります。その後、細菌以外の感染症が多く知られるようになり、抗ウイルス薬や抗真菌薬が開発され、また天然物を化学的に修飾して改良したり、天然ではなく人工合成の抗菌薬も開発されていきました。

 抗生物質には微生物の産生物に由来する抗菌薬、抗真菌薬、抗ウイルス薬、抗がん剤がありますが、使用されている抗生物質のほとんどは細菌を死滅させる抗菌薬です。そのため単に抗生物質と言った場合、抗菌薬のことを指すのが一般的です。抗菌薬は作用の違いで以下の5種類に分けられてます。

細胞壁合成阻害薬
  細菌の一番外側にある細胞壁を破壊し、細菌を殺す薬です。細胞壁は人体(動物)の細胞には存在しないので、この薬は人体細胞への毒性が低いのが特徴です。代表的な薬は、肺炎や中耳炎によく使われるペニシリンなどがあります。

タンパク合成阻害薬
 細菌の生存や分裂に必要なタンパク質を作らせないようにし、細菌の動きを止める薬です。タンパク質を作る際に使われる「リポゾーム」という成分にくっつき、タンパク質が作られるのを阻害します。人間(動物)の細胞も生きていくために細胞内にあるリポゾームでタンパク質を作りますが、タンパク合成阻害薬は菌に特徴的なリポゾームにくっついて作用するのが特徴です。代表的な薬はアミドグリコシド系、テトラサイクリン系、マクロライド系、クロラムフェニコールがあります。

DNA合成阻害薬
 細菌のDNAが作られるのを阻害して菌を殺す薬です。殺菌効果と組織への移行性が高く、対象とする菌の種類が広いのが特徴です。代表的な薬はニューキノロン系(合成抗菌薬)があります。

葉酸合成阻害薬
 DNAの合成などに必要な葉酸という物質が作られるのを阻害する薬です。DNAが作られなくなることで菌を殺します。代表的な薬はサルファ剤などがあります。

細胞膜透過性障害
 細菌には細胞膜があり、細胞膜はリン脂質という物質が並んで構成されています。(これは動物も同様)この細胞膜を構成するリン脂質がうまく働くことで細胞に必要な物質を細胞の外側から取り入れたり、外側に出すなど、細胞の外と内で色々な物質を交換し、細胞の生命は保たれています。この細胞膜のリン脂質の働きに働いて細胞の外と内との物質交換の機能を阻害し、細菌を殺す薬です。代表的な薬はポリペプチド系などがあります。

 抗生物質は病原性を示していない細菌にも作用するため、多量に使用すると体内の常在菌のバランスを崩してしまう場合があります。それにより常在菌が極端に減少すると、他の細菌やカビなどが爆発的に繁殖し、病原性を示す場合もあります。さらに、生き残った菌が耐性化する耐性菌の出現も問題となっていて、使用は慎重に判断するべきでしょう。


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179.二酸化塩素とはなにか。(2012/3/1)

 近年、インフルエンザなどのウイルス対策として、二酸化塩素が注目されています。どのような物質なのか簡単にまとめてみましょう。

 二酸化塩素は分子式 ClO2 、常温、常圧では塩素やオゾンのような刺激臭のある橙色の空気より重い気体です。亜塩素酸塩に酸を作用させると得られ、強い酸化力を持っていますが、光や熱に対しては不安定で、塩素と酸素に分解します。塩素原子上に不対電子をもつラジカルであり、反応性が高い物質です。眼、皮膚、気道を重度に刺激し、吸入すると、肺水腫を引き起こすことがあります。

 殺菌作用があり、消臭・消毒などに使われます。また、パルプを製造するときや繊維の漂白(昔は塩素ガスが使われていた)に用いられています。食品添加物としては小麦粉の漂白に使用されることがあります。(分解しやすいため最終製品中には残らない)

 二酸化塩素による部屋等の除菌をうたった商品が多く出回っていて、ゲル状などの部屋に置いておくタイプが特に普及しています。これらの商品については、国民生活センターから注意を喚起する情報(2010年11月)が発表されています。要約すると以下の通りです。

主なテスト結果
 塩素系ガスの放散速度は、1日後までに最大となったが、ゲルタイプの放散速度は小さく、その後も横ばい状態であった。二酸化塩素の放散はテストした 9銘柄中 6銘柄でわずかであった。一方で、使用開始当初に放散速度が大きくなる銘柄もあり、銘柄間の差が大きかった。塩素系ガスの放散速度の大きい銘柄では、臭気強度が大きくなるとともに部屋に長時間いたくないと回答した人も増えた。

消費者へのアドバイス
 二酸化塩素による部屋等の除菌をうたった商品は、さまざまな状況が考えられる生活空間で、どの程度の除菌効果があるのかは現状では分からない。二酸化塩素の放散がほとんど確認できないものがあった一方で使用開始当初に放散速度が大きくなるものもあり、使用に際しては注意が必要である。二酸化塩素が食品添加物であること等を根拠に安全であるとうたっている銘柄があるが、必ずしも商品自体の安全性ではない。

同時に行われた聞き取り調査によると、ほとんどの事業者が実際に使用した際の安全性を確認しておらず、また、塩素系ガスの放散が比較的多かった銘柄では、使用者からの健康被害等の報告を受けているところがあったとのことです。

 これらのことから、二酸化塩素の放散量が少ない商品では除菌効果が期待できず、放散量の多い商品では健康被害が出ているということになります。塩素系殺菌剤の一種ですので使用する場合には換気をするなど十分な注意が必要です。


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178.発泡スチロールについて。(2012/2/23)

 発泡スチロールはありふれた物質ですが、用途によって製造法が異なります。簡単にまとめてみましょう。

 発泡スチロールはポリスチレン(PS)を微細な泡で発泡させ硬化させた素材のことです。ポリスチレンはスチレンを重合させた高分子化合物で、熱可塑性樹脂で安価である事から日用品やプラモデルの素材として広く用いられています。テルペン油・エゴマ油・シソ油など一部の食用油、リモネン(柑橘類に含まれる)、ベンジン、シンナーなどに溶けます。

 発泡スチロールの製法には、ビーズ法発泡スチロール (EPS)、ポリスチレンペーパー (PSP)、押出ポリスチレン (XPS)の3種類あり、化学的にはほぼ同じですが形状や気泡の特性が違うため、用途も異なります。

ビーズ法発泡スチロール (EPS)
 最も古くからある発泡スチロール素材で、緩衝・梱包材を中心に様々な用途に利用され、一般でも良く見かけられる素材です。直径1mm程度の細粒状ポリスチレンであるポリスチレンビーズを、主にブタン・ペンタンなどの炭化水素ガスで発泡させて製造されます。発泡したビーズ同士は融着し合い、冷却時に様々な形状となり、割ると小さな粒が集まって固まったように見えます。EPSの発泡率(発泡過程で膨張する割合)は約50倍です。また、EPS には発泡させたポリスチレンビーズを融着させていないタイプもあり、安価な緩衝材として、布袋等に詰めてクッションなどの家具(ビーズクッション)にしたり、精密機器輸送用の充填用梱包材に使われます。

ポリスチレンペーパー (PSP)
 熱を加えて融解させた原料に、発泡を行うためのガスや発泡剤を加え、液体から厚さ数ミリ程度のシート状に引き伸ばすと同時に発泡させて製造します。食品トレーや、カップ麺の容器に使われています。食品トレー等に加工するには、必要な大きさに切り分け、加熱しながら金型でプレスして整形します。発泡率は約10倍です。

押出ポリスチレン (XPS)
 液化した原料と発泡剤と難燃剤を高温・高圧下でよく混ぜ、一気に通常気圧・温度の環境に吹き出させる事で連続的に発泡・硬化させ、これを必要な大きさの板に切断します。(この連続的に製造する方法のために「押し出しボード」とよばれる)主に建材に使われる、堅くて難燃性の発泡スチロールです。なおEPSも、建材に使われるときは同様に難燃剤が添加されます。建材であるため一般の目には触れにくいですが、省エネルギーなどの観点から近代化された住宅の断熱材としては屋根材の下や外壁の下などにも良く使われています。

 発泡スチロールは壊したり熱で溶かしたりすると泡内のブタンやペンタンが外気に放出され、これらに含まれる不純物により、俗に「発泡スチロール臭い」といわれる独特の臭気がします。毒性はほとんどないとされていますが、健康な方でも食欲がなくなったり、気持ち悪くなる場合がありますので、吸い込まないように注意した方が良いでしょう。


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177.ファブリーズとリセッシュ。(2012/2/9)

 スプレー式消臭剤としてファブリーズとリセッシュが有名です。この2つの消臭剤についてまとめてみましょう。

 ファブリーズは、P&G が世界各国で発売している消臭剤です。洗濯機で頻繁に洗えないカーテン等の布製品に噴きつけ、消臭できるスプレー型製品として、日本では布製品用の消臭スプレーから始まりましたが、その後室内用の置くタイプの製品、トイレ用製品、ペット用製品など、様々な種類が発売されています。

ファブリーズの成分
 トウモロコシ由来消臭成分、除菌成分(有機系)、香料

トウモロコシ由来消臭成分はシクロデキストリンです。シクロデキストリンは数分子のD-グルコースが α(1→4) グルコシド結合によって結合し環状構造をとった環状オリゴ糖の一種です。環状構造の内部は他の比較的小さな分子を包接できる程度の大きさの空孔となっていて、その部分がにおい物質を取り込むことで消臭効果をあらわします。また、除菌成分としては第四級アンモニウム塩が使われています。第四級アンモニウム塩には塩化ベンザルコニウム、塩化ベンゼトニウムなどがあり、抗菌性を持つことから防腐剤として広く使われています。

 リセッシュは、花王が発売している消臭剤です。ファブリーズの競合製品で置くタイプも販売されています。全製品に緑茶成分が含まれています。

リセッシュの成分
 両性界面活性剤、緑茶エキス、除菌剤、香料、エタノール

両性界面活性剤は pH によって親水基の部分がプラスに帯電したり、マイナスに帯電したりする界面活性剤のことです。親水基としてカルボン酸構造(アニオン部分)や第4級アンモニウム(カチオン部分)を持つものが多く、シャンプー・洗顔料・工業用洗剤・化粧品等に使われています。中和反応によりにおい物質を無臭化する作用が期待されます。緑茶エキスはリセッシュブランドのすべてに使われていて、ファブリーズの中にも使っている製品があります。エタノールは濃度が高ければ強い殺菌力を持ちますが、リセッシュの場合配合されている量が少なく(香料より少ない)殺菌効果は期待できません。(別の目的で使われていると思われる)

 リセッシュに使われている除菌剤の物質名は調べてもわかりませんでした。これらの製品は医薬部外品ではないため表示に物質名まで記載する義務がありません。また、消臭剤であるにもかかわらず、どちらの製品も香料が使われています。(置くタイプの中には無香料のものもあるが)

 スプレー式消臭剤はその使用法からスプレーしたあと拭き取ることはありませんので、揮発性でない成分が使われていればその場に残ることになります。CS 患者さんはもちろんのこと、健康な方でもあまり多用しない方が良いのではないでしょうか。


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176.コンタクトレンズのケア。(2012/2/2)

 コンタクトレンズは目に直接装着するため、十分なケアが必要になります。その方法について簡単にまとめてみましょう。

 材質が異なることもあって、ハードコンタクトレンズとソフトコンタクトレンズでケアの方法が違っています。

 ハードコンタクトレンズのケアには洗浄・保存・すすぎ・タンパク除去が必要となり、ソフトコンタクトレンズのケアに必要な消毒は不要です。ハードコンタクトレンズ用の洗浄保存液の主成分はタンパク分解酵素、陰イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤などです。洗浄保存液をレンズにつけ、指先で十分にこすり洗いしてから水道水でよくすすぎます。すすいだ後は洗浄保存液を9分目まで入れたレンズケースにレンズを収納します。

 ソフトコンタクトレンズのケアには、洗浄・すすぎ・消毒・保存の4つの作業が必要です。(使い捨てタイプ以外のレンズは、目からレンズを外すたびにケアが必要)ソフトコンタクトレンズは水を含んでいるため細菌が繁殖しやすく、消毒が必ず必要です。消毒の方法として以前は煮沸消毒が主流でしたが、近年、コールド消毒といわれ、熱を加えずに薬品で消毒する「過酸化水素」や「マルチパーパスソリューション」による消毒が主になってきています。

過酸化水素によるケア
 過酸化水素は酸素系の殺菌剤で酸素系液体漂白剤や消毒薬のオキシドールの主成分です。過酸化水素の消毒効果は高いのですが、消毒後にはコンタクトレンズの中に入り込んで消毒を行った過酸化水素を中和(分解)する必要があります。中和を忘れたり、中和が不完全な場合、ソフトコンタクトレンズ装用時に強い刺激を伴うなど安全に使えないことがあります。

マルチパーパスソリューション(ワンボトルタイプ)によるケア
 マルチパーパスソリューションとは、ひとつの液で洗浄、すすぎ、保存、消毒というレンズのケアがすべて行えるケア用品です。他のケア製品に比べてケアが簡単なイメージが有り日本では急速に広まりました。その主成分は界面活性剤や塩酸ポリヘキサニドなどです。塩酸ポリヘキサニドは界面活性作用を持つ殺菌剤の一種です。マルチパーパスソリューションではこすり洗いが必要な為、それによってレンズが破損する恐れがあるので注意が必要です。

 ハードコンタクトレンズは水分を含んでいないこともあって水道水ですすぐことができるのですが、ソフトコンタクトレンズは水分を含んでおり、水道水に浸けると浸透圧の関係で水分を吸収して変形することがあります。必ず専用の保存液を使いましょう。


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175.コンタクトレンズについて。(2012/1/19)

 メガネと並んでコンタクトレンズがよく利用されています。コンタクトレンズの材質について簡単にまとめてみましょう。

 コンタクトレンズは、近視、遠視、乱視などを補正するための医療機器です。同じく視力補正のために用いられる眼鏡との最大の違いは、コンタクトレンズは角膜の上に直接乗せ接触させる点にあります。角膜とコンタクトレンズの間の距離がゼロに近いので、眼鏡に比べて像のゆがみや大きさの変化が少なくなります。機能の面で眼鏡よりも優れた点が多い反面、装用に伴う眼への負担が大きく、手軽さに欠け、制限も多くあります。

 素材による分類では、材質が硬質なハードコンタクトレンズ(HCL)と、水分を含み柔らかくなるソフトコンタクトレンズ(SCL)に分類されます。ハードコンタクトレンズは、酸素を通す酸素透過性ハードコンタクトレンズと酸素を通さない酸素非透過性ハードコンタクトレンズがありますが、今はハードコンタクトレンズと言えば酸素透過性ハードコンタクトレンズを指すことがほとんどです。

 従来、ハードコンタクトレンズと呼ばれていたのは、材料にポリメチルメタアクリレート(PMMA)というアクリル樹脂の硬質プラスチックを使ったものでした。純粋なPMMA は、加工しやすく耐久性に優れていますが、酸素を通さないため、装用時間に限界があり装用時の違和感が大きく、ほとんど使われなくなっています。現在、ハードコンタクトレンズとして広く使用されている酸素透過性HCLでは、シロキサニルメタクリレート(SMA)やフルオロメタクリレート(FMA)が使われています。これらの材質はハードコンタクトレンズとしては比較的柔らかくなり、そのために乱暴に扱うとレンズが傷付くことがあります。

 ソフトコンタクトレンズには、ポリヒドロキシエチルメタアクリレート(Poly-HEMA)あるいはポリビニルピロリドン(PVP )というゲル状の合成高分子化合物を使った、水分を比較的多く含む含水性ソフトコンタクトレンズと、ブチルアクリレートやジメチルシロキサンなどを使用した、水分を含まない非含水性ソフトコンタクトレンズとがあります。(非含水性のタイプは現在日本で入手可能な製品は存在しない)

 ソフトコンタクトレンズには、1日や1週間程度まで手入れを行わずに用いる使い捨てタイプ と、若干の手入れを行いながら2週間ほどだけ使用する頻回交換型の他に、手入れを行いながら1ヶ月や3ヶ月程度使用する定期交換型もあります。日本では一般的にこれらのレンズを総称して使い捨てレンズと呼んでいます。

 ハードコンタクトレンズはソフトコンタクトレンズに比べて取り扱いが簡単で、レンズの寿命もより長くなります。また、ハードコンタクトレンズはソフトコンタクトレンズと違って、装用中にも瞬きの度にレンズが動くことにより、涙が入れ替わって涙に含まれる酸素を取り入れることができるため、角膜に多くの酸素を供給することができます。一方、ソフトコンタクトレンズは弾力性に富むので装着時の違和感が小さい反面、損傷しやすく、乾くと特にもろくなります。長期間使用するものでは、細菌が繁殖しないよう頻繁な洗浄と定期的な消毒が必要になります。

 コンタクトレンズは目に直接装着して使うことから、洗浄や消毒を適切に行う (一部の使い捨てタイプを除く)、装用時間を守る、使用期限を守る、装用したまま眠らない(一部のタイプを除く)、自覚できる異常が無くても定期的に医師の検診を受けるなど、製品の使用説明や眼科医の指示を守って正しく使用することがとても重要です。


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174.メガネのレンズについて。(2012/1/12)

 近年、メガネのレンズはプラスチックが主流となってきています。メガネのレンズとはどのようなものなのか簡単にまとめてみましょう。

 メガネとは、目の屈折異常を補正したり、目を保護したり、あるいは着飾ったりするために、目の周辺に装着する器具のことです。眼鏡は視力を矯正する目的のほかに、眼球を保護するという重要な役割があります。(例えば強い光線から保護するサングラスや、塵埃の飛散する作業で物理的に保護する専用メガネなど)

 主なレンズの材質はプラスチックとガラスです。また、極めて高価なため使用する人は稀ですが、人工サファイアを使用したレンズもあります。現在では販売されているレンズの9割近くがプラスチックレンズです。プラスチックレンズとガラスのレンズにはそれぞれ長所と短所があります。

プラスチックレンズ
 利点
  割れにくい。軽い。染色によってカラーの選択が自由。
 欠点
  傷が付きやすい。通常はハードコートがなされているものの、ガラスレンズには及ばない。レンズが厚い。熱に弱い。

ガラスレンズ
 利点
  傷が付きにくい。薄い。熱に強い。
 欠点
  衝撃によってヒビが入ったり、割れることがある。プラスチックレンズに比べ重い。

 プラスチックレンズには、透明度が高いことなどから、熱硬化性樹脂(アリルディ・グリコール・カーボネイト)が使用されています。プラスチックレンズの欠点である傷つきやすさをカバーするために、現在ではすべてのプラスチックレンズにハードコートがされています。コーティング材の原料にはシリコン系の熱硬化樹脂が使われます。

 ほとんどのレンズには光の反射を防止する反射防止コートがされています。真空状態の中で、Sio2(二酸化ケイ素)などの物質に電子ビーム等を当てることにより原子状態にして飛ばしレンズ表面に付着させます。

 上記のようにプラスチックレンズは、有機質と無機質の組み合わせで出来ています。有機質のプラスチック基材は60℃以上の熱が加わると体積が急に膨張する性質があります。しかし、無機質の反射防止コートは、きわめて薄い金属膜でほとんど膨張しない為、プラスチックの膨張に耐え切れずクラックが発生します。そのため、プラスチックレンズは温度変化に弱く、風呂やサウナにはメガネをかけたまま入るのは避けましょう。(直射日光のあたる自動車内も厳禁)また、レンズはアルカリ、酸にも弱く、特にアルカリ性の液体は小さなキズからでもレンズに浸透しコーティングを痛めてしまいます。石けんで洗うこともやめておいた方がいいでしょう。(中性洗剤が推奨される)


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173.ラップに含まれる添加物。(2011/12/22)

 ラップは食品に直接触れることから、化学物質が溶け出す懸念があります。どのような種類があるのか簡単にまとめてみましょう。

 食品用ラップフィルムは、食材や料理を包んだり、皿など食器を料理ごと包む際に用いられる樹脂フィルムで、その厚さは十数μm程度ですが耐熱性・耐水性に富み、透明軽量で柔軟な膜状素材です。多くは30cmか22cmの幅、30m~50mの長さで紙筒を芯として巻かれて紙箱に収められたものが販売されています。これらのフィルムはマイナス60℃からプラス150℃前後まで対応していて、家庭では冷凍庫の中から沸騰した熱湯が直接触れるような状況までは問題なく利用できます。電子レンジでは油の多い食品(揚げ物など)が直接触れる使用状況には向いていないものの、スープが沸騰するような温度に加熱する際の蓋として使っても問題ありません。

 材質は多くの種類がありますが、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンの3種類が主に使われています。

ポリ塩化ビニリデン
 塩素を含むビニリデン基を重合させた、非晶性の熱可塑性樹脂に属する合成樹脂です。単体で使用される例はほとんど無く、塩化ビニル(PVC)またはアクリロニトリルなどとの共重合体が使用されます。食品用ラップに使われているのは PVC共重合体です。
 ポリ塩化ビニリデンを原材料にしてつくられた家庭用ラップには添加剤として柔軟剤や安定剤が使われています。具体的には、「脂肪酸誘導体(柔軟剤)」としてアセチルクエン酸トリブチル(ATBC)とアセチルモノラウリル酸グリセリド(DALG)のうちの1種類あるいは2種類が、「エポキシ化植物油(安定剤)」としてエポキシ化大豆油(ESBO)または、エポキシ化亜麻仁油(ELO)が添加されています。

ポリ塩化ビニル
 一般的な合成樹脂の1つで、塩化ビニルを重合したものです。硬質にも軟質にもなり、優れた耐水性・耐酸性・耐アルカリ性・耐溶剤性を持っています。また難燃性であり、電気絶縁性です。熱を加えると軟化します。
 塩化ビニルモノマーを重合させただけの樹脂は硬くて脆く、紫外線などにあたると分子を構成する塩素原子がはずれて劣化黄変しやすいため、利用のためには柔らかくする成分(可塑剤)と劣化を防ぐ安定剤を加えます。過去には可塑剤としてフタル酸エステルが使われていましたが、アジピン酸エステルなどに置き換えが進んでいます。アジピン酸ジイソノニルは、アジピン酸とイソノナノールのエステルで、ポリ塩化ビニルやゴムに低温柔軟性を付与する可塑剤として食品用ラップフィルムを始めとするフィルムやレザーに使用されています。 国内ではアジピン酸エステルの中で最も生産量が多くなっています。

ポリエチレン
 エチレンが重合した構造を持つ高分子です。最も単純な構造をもつ高分子で、容器や包装用フィルムをはじめ、様々な用途に利用されています。一般に酸やアルカリに安定で、低分子量のものは炭化水素系溶剤に膨潤しますが、高分子量のものは耐薬性に非常に優れています。濡れ性は低いですが、絶縁性が高く、静電気を帯びやすい性質があります。
 組成上は同じポリエチレンでも、構造によって性質が大きく異なるため、実用上、密度や分子量によって数種類に分類されています。無添加をうたっている食品用ラップの多くはポリエチレン製です。

 ポリエチレンラップは柔軟剤などの添加物を必要としない利点がありますが、強度や耐熱性があまり高くなく 110℃程度までしか耐えられない欠点があります。近年、ポリエチレンをベースにした複合素材のラップが開発されています。ポリエチレンにナイロンやポリプロピレンをはさんだ多層構造にすることで、強度や耐熱性(150℃まで耐える製品もある)を向上させています。


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172.石けんに含まれている物質。(2011/12/15)

 市販の石けんの多くは添加物が使われています。石けん成分と添加物について簡単にまとめてみましょう。

 石けんは脂肪酸塩の総称で、洗浄剤として使われるのはナトリウム塩とカリウム塩です。(固形のものはナトリウム塩、液体のものはカリウム塩)主に含まれている脂肪酸としては、ラウリン酸(12)、ミリスチン酸(14)、パルミチン酸(16)、ステアリン酸(18)、オレイン酸(18)等があります。(カッコ内は炭素数)

 製法は油脂けん化法と脂肪酸中和法、エステルけん化法の3種類があります。原料油脂としては、牛脂、ヤシ油、オリーブ油などのほか、馬油、こめ油やツバキ油など様々な油脂が用いられています。

油脂けん化法
 原料油脂を水酸化ナトリウムでけん化し、食塩で塩析して分離します。原料油脂に前処理をしない古来からの製法で、釜炊きと通称されます。手作りの石けんは主にこの方法を利用しています。
脂肪酸中和法
 原料油脂を高温加水分解して得られた脂肪酸を蒸留してグリセリンから分離し、単独で中和します。アルカリの残留がない肌にやさしい石鹸が得られ、大量生産に適し品質も安定するため、大規模メーカーの製造(連続中和法)に使われます。なお、分離したグリセリンは保湿機能を持つため、後で戻し配合する場合もあります。
エステルけん化法
 前処理として、原料油脂にメチルアルコールを反応させ、エステル交換反応によって脂肪酸メチルエステルに変換した後にけん化します。低温・短時間でけん化できるため、油脂の酸化などによる匂いや不純物の発生が抑えられます。アレルギー対策用などの製品で利用されます。

石けんに使われることが多い添加物について、以下に例を挙げます。

保存料
 石けんは変質しやすいため防腐剤としてトリクロロカルバリニドやジブチルヒドロキシトルエンが使用されていることがあります。また、金属イオンと反応して水に不溶な金属石けん(いわゆる石けんかす)ができるため、これを防ぐキレート剤としてエチドロン酸塩やエデト酸塩が使われます。

香料
 天然の油脂は、常に一定の性質を持っているとは限らず、その原料の生物の状態などによっても少しずつの差がでてきます。これは含まれている脂肪酸の割合が違ったり、脂肪酸の一部が酸化したりすることが原因で、製造するたびに香りに違いが出てしまいます。それをカバーするために多くの石けんで香料が使われます。

 保湿剤としてポリエチレングリコールやグリセリンが使われていたり、カラフルな色を付けるために着色料が使われている場合があります。グリセリンは石けんの製造過程でできる物質であり、あまり問題ありませんが、着色料は石油由来のものが多いので要注意です。


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171.ハチの毒素について。(2011/12/8)

 日本ではハチ毒アレルギーによるアナフィラキシーショックによって毎年30人前後の人が死亡しています。ハチの毒とはどのようなものか考えてみましょう。

 ハチ(蜂)とは、昆虫綱ハチ目(膜翅目)に分類される昆虫のうち、アリと呼ばれる分類群以外の総称です。ハバチ亜目の全てと、ハチ亜目のうちハナバチ、スズメバチ等がこれに含まれます。世界で約13万種、日本でも約5,000種いるといわれています。その中で人を攻撃したり、刺したりして問題となるのはスズメバチ類、アシナガバチ類、ミツバチ類などの一部の種類です。

 ハチの毒針は産卵管が変化したものです。ハチが他の何かの生物に対して毒針を刺すと、そこからハチが攻撃的になるフェロモンを発するため、ハチのうちの一匹が刺すとその他のハチも集団で攻撃してくるという習性があります。また、ミツバチの針には返し棘があり、皮膚に刺さると抜けなくなり、無理に抜けば毒腺ごと抜けて、ハチは死んでしまいます。ミツバチ以外のハチでは毒針に返し棘はないので何度でも刺すことができます。

 ハチの毒成分は大きくわけて、アミン類、低分子ペプチド、酵素類があります。アミン類はヒスタミン、セロトニン、ポリアミンなどを含み、痛み、痒み、腫れなどの原因になります。低分子ペプチドはメリチン、ハチ毒キニン、マストパランなどを含み、神経毒、溶血等に作用します。酵素はヒアルロニダーゼ、ホスホリパーゼA2 などを含み、酵素作用の他にアレルゲンとして作用します。その他には,肥満細胞に作用し,ヒスタミンを遊離させる働きをする成分や,血圧降下,平滑筋収縮,組織破壊などを引き起こす成分が含まれていて,これらが原因となってさまざまな症状を引き起こします。

 ハチ毒アレルギーとは、ハチに刺された時にハチ毒が体内に入って起こるアレルギー反応のことで、ときにアナフィラキシーを起こすことがあります。ハチ毒にアレルギーの人でなければ、ハチに刺されても強い痛み、かゆみ、発赤、はれといった局所症状があらわれるのみで、通常3日間ほどで消失します。しかし、ハチ毒アレルギーの人ではきわめて強い反応が起こり、嘔吐、寒気、全身のじんましんといった全身症状から、呼吸困難や意識障害などのショック症状があらわれ、時には死に至ることもあります。アナフィラキシーがあらわれるのは、通常、刺された後15分以内ですが、症状が早くあらわれる時ほど重症化する傾向があるといわれています。

 アナフィラキシーショックを起こした場合は早急に医師に診察を受ける必要があります。素人では対応できませんので、すぐに救急車を呼ぶなど専門家に対応してもらうことが必要です。


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170.うま味調味料とはなにか。(各論)(2011/12/1)

 うま味調味料にはいくつか種類があります。どのようなものがあるのか簡単にまとめてみましょう。

 うま味を呈する物質は、アミノ酸系、核酸系、有機酸系に分けられます。うま味調味料には、それぞれの特性を生かした配合が工夫されています。

〈アミノ酸系〉
 アミノ酸はたんぱく質を構成する最小単位の物質です。たんぱく質自体は無味ですが、それを構成するアミノ酸には甘味、苦味、うま味などを中心としたさまざまな呈味があります。うま味を呈するアミノ酸の代表的なものは、昆布に多く含まれるグルタミン酸やアスパラギン酸があります。
 グルタミン酸の製造は、現在では微生物のアミノ酸発酵により、主に糖蜜またはコメ、コーンスターチなどと塩化アンモニウムを原料として、生産されています。1970年代まで行われていた石油からの合成では、アクリロニトリルを原料に、カルボキシル化、シアノアミン化、加水分解を行い、DL-グルタミン酸を合成していました。これからL-グルタミン酸を分離すればよいのですが、約同量のD-グルタミン酸ができるので、効率が悪く、現在は行われていません。

〈核酸系〉
 核酸はヌクレオチドとも呼ばれるリン酸を含んだ物質です。生物の代謝や運動エネルギー源となるアデノシン三リン酸(ATP)が有名です。うま味物質として知られるのは、煮干し、かつお節に多く含まれるイノシン酸、しいたけに多く含まれるグアニル酸などです。
 イノシン酸は、代表的なうま味成分のひとつであるかつお節のうま味物質であり、うま味調味料として重要です。工業的には、酵母のRNAを原料にして、数種類の酵素の作用を経た発酵液から分離精製して作られています。主に、グルタミン酸ナトリウムなどのアミノ酸系調味料と併用して、いろいろな食品にうま味を付ける目的で使用されます。通常は、グルタミン酸ナトリウムに対して5~10%程度の割合で使われます。

〈有機酸系〉
 有機酸とは一般に窒素を含まない炭素化合物のことで、酢酸、クエン酸、乳酸、コハク酸が有名です。この中でうま味を呈するものは貝類に多く含まれるコハク酸が知られています。
 コハク酸は、貝類のうま味成分の酸としてよく知られている有機酸で、貝類を初めとする動植物に広く存在しています。食品添加物のコハク酸は、通常、マレイン酸などを原料とする化学的な合成によって製造されていて、独特な酸味とうま味があります。市販品は、白色の結晶又は粉末です。清酒や合成酒、味噌・醤油などの味(酸味・うま味)の調整に使われていますが、特殊な味のために、酸味料としての使用より、酸味を持つ調味料として使われることが多いことが特徴です。


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169.うま味調味料とはなにか。(総論)(2011/11/24)

 調味料の一種にうま味調味料があります。どのようなものなのか、うま味とは何かを中心に考えてみましょう。

 うま味は、主にアミノ酸であるグルタミン酸や、核酸構成物質のヌクレオチドであるイノシン酸、グアニル酸、キサンチル酸など、その他の有機酸であるコハク酸やその塩類などによって生じる味の名前のことで、5つの基本味(甘味、酸味、塩味、苦味、うま味)の1つです。甘味はエネルギー源、塩味はミネラルバランスと密接な関係がありますが、うま味はタンパク質のシグナルと言われています。タンパク質は筋肉や内臓、体内の酵素やホルモンなどを構成する大事な栄養素です。タンパク質自体には味はありませんが、タンパク質を含む食品には、遊離のグルタミン酸をはじめ様々なアミノ酸が豊富に含まれています。舌で受け取ったうま味情報が脳に伝わることで、体内ではタンパク質を消化するための準備、即ち唾液、胃液、膵液などの分泌が始まります。つまり、うま味はタンパク質消化を促すシグナルの役割をしています。

 うま味物質は、東京帝国大学(現在の東京大学)教授だった池田菊苗によって、1908年にだし昆布の中から発見されました。最初に発見されたうま味物質はグルタミン酸でした。しかし、欧米の科学者からは 2000年に舌の味蕾にある感覚細胞にグルタミン酸受容体が発見されるまで、うま味が味として認知されていませんでした。

 代表的なうま味成分のうち、アミノ酸の一種であるグルタミン酸は植物に、核酸の一種であるイノシン酸は動物に多く含まれていることがわかっています。また、アミノ酸系のうま味成分と核酸系のうま味成分が食品中に混在すると、うま味が増す(うま味の相乗効果)ことが知られています。実際に日本料理では昆布出汁と鰹出汁を合わせるといった調理が行われ、中華料理でもシイタケと鶏がらスープを合わせるといった調理が行われています。

 うま味調味料とは、グルタミン酸、イノシン酸、グアニル酸など、うま味の元になる物質を化学的に精製した調味料のことです。近年は、加工食品における原材料名で「アミノ酸等」と表記されることが多くなっています。現在、これらのうま味成分は、主として発酵工業の手法で人工的に製造され、うま味調味料として使われています。うまみ調味料の製造においても、主成分のグルタミン酸ナトリウムの他に、グアニル酸とイノシン酸を添加して、うま味の相乗効果を出している例が多くみられます。

 「うま味調味料」を使用しなければ「化学調味料無使用」をうたうことができるため、タンパク加水分解物などの人工的な調味料が使用されている場合があります。これらには原料を塩酸で加水分解反応を起こしたものが多く、かえって「化学的」な食品を摂取してしまう場合があります。精製されたアミノ酸に目立った毒性が発見されていないのに対し、タンパク加水分解物の一部には微量ですが発癌性物質と疑われているクロロプロパノール類を含むことが分かっていて、「化学調味料無使用」がすなわち安全であるとは限りません。


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168.ラジウムとはなにか。(2011/11/10)

 原発事故をきっかけにラジウムが相次いで発見されました。ラジウムとはどのような物質なのか、まとめてみましょう。

 ラジウムは、原子番号88の元素です。元素記号は Ra で、天然には 223、224、226、228 の4種類の同位体が存在しますが、99% 以上が 226 です。また、安定同位体は存在しません。(つまり同位体はすべて放射性物質)単体では白色の金属で、融点は700 °C、沸点は1140 °Cです。アルカリ土類金属の一つで、反応性は強く、水と激しく反応し、酸によく溶けます。空気中で簡単に酸化され暗所で青白く光ります。

 1898年、ウランの抽出残渣から分別結晶することにより、ピエール・キュリー、マリ・キュリー夫妻によってラジウム226(半減期1600年)が発見されました。放射線を出しているため、ラテン語の radius に因んで命名されました。

 天然に存在するラジウムはウラン238が崩壊を続ける過程で生じます。玄武岩、花こう岩および堆積岩1kgに含まれる量は、それぞれ 5.2、53 および 37ベクレルとされています。ラジウムは土壌から植物によって吸収され、生物の食物連鎖に入ります。ラジウムは同じアルカリ土類金属のカルシウムと似た性質をもっているため、体内に入ると、骨内部に不均一に分布します。体内に取り込まれたものの中で、骨に集まる分の比率は低いですが、骨に入れば長く残留します。骨内部のラジウム226のアルファ崩壊で生じるラドン222の70%が血液を通って体外に放出されます。通常、体内のラジウムの量は1.1ベクレルで、骨の中に1ベクレルが存在し、1日の摂取量は0.1ベクレル以下とされています。

 食品中の濃度は地域によって大きく変動しますが、国連科学委員会が採用している標準値は、穀物、根菜、葉菜および魚1kg中の量はそれぞれ0.08、0.05、0.03および0.10ベクレルとされています。ラジウム224、226、228は WHO の下部機関 IARC より発癌性があると勧告されています。

 ラジウムは花こう岩に比較的多く含まれることから、花こう岩の産地(新潟県や山口県)では自然放射線が高い傾向があります。今回の原発事故で新潟県にホットスポットがあると一部で報道されましたが、過去のデータとの比較で天然のラジウムやラドンが放射線源である可能性が高いことが指摘されています。

 ラジウムは放射線源として医療分野等に使用されましたが、高価なことから現在はコバルト60に取って代わられています。また、1990年代以前は時計の文字盤などの夜光塗料として使われていて、特に大戦中は軍需用として重要な物質でした。放射性物質としては比較的身近に存在する可能性が高い物質ですので、今後も発見されるかもしれません。


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167.浄化槽とはなにか。(2011/11/3)

 公共下水道、農業集落排水施設、コミュニティ・プラントなどが整備されていない地域では、下水処理場のかわりに各家に浄化槽を設置することになっています。浄化槽の仕組みについてまとめてみましょう。

 浄化槽とは、トイレからの汚水の他、各家庭からの生活雑排水(台所、風呂からなどの排水)を浄化し、きれいな水にして放流する施設のことです。現在の法律(平成13年改正以降)で「浄化槽」と言えば「合併処理浄化槽」のことを指します。なお、法律改正前に設置されている単独処理浄化槽(トイレからの排水のみを処理する)については「浄化槽とみなす」(みなし浄化槽)と分類しています。

 浄化槽に流入した汚水や生活雑排水は、沈殿・浮上といった物理作用と微生物の働きによる生物作用によって浄化されます。酸素の助けを受ける(好気性)バクテリアを活用することから、浄化槽内に空気を送り込むブロアーポンプを近くに併設します。この過程で必ず汚泥やスカムといった泥の固まり(活性汚泥)が生じます。これらがたまりすぎると浄化槽の機能に支障をきたし、処理が不十分になったり、悪臭の原因になったりします。そこで余分な活性汚泥を槽外へ引き抜き、附属装置や機械類を洗浄したり、掃除する作業が必要になります。

 近年製造されるものの殆どがプラスチック製(FRPやジシクロペンタジエン(DCPF)等の材質)で一体形成されます。成形方法は、スプレーアップ式か、プレス式で行われています。大型槽については、FRPの管体に内部装置を配置した構造となっています。また、大型槽や旧構造基準で製造された、散水ろ床、平面酸化については、RC製のものやボックスカルバート製で施工されているものがあります。

 下水処理場と比較して小規模であるため、使用上の注意点がいくつかあります。

  1. トイレの洗浄水は十分な量を流す。
  2. 便器の掃除には、微生物に影響するような薬剤を使用しない。
  3. トイレにトイレットペーパー以外の異物を流さない。
  4. 浄化槽の電源は切らない。また、通気口や送風機の空気取り入れ口はふさがない。
  5. 消毒剤は切らさず、常に消毒されるようにする。
  6. 台所から、野菜くずや天ぷら油などは流さない。

 洗剤に関しては中性洗剤が推奨されています。酸性の洗剤や漂白剤を大量に流すと微生物が死滅して浄化能力が失われてしまうからです。また、空気取り入れ口がふさがれてしまうと、汚水浄化の主役である好気性細菌が活動できなくなります。野菜くずや天ぷら油を流すと処理能力を超えてしまい、十分浄化されないまま排水されてしまうことがあります。


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166.活性汚泥とはなにか。(2011/10/27)

 ほとんどすべての下水処理場には活性汚泥を使って汚水を浄化する活性汚泥法が採用されています。活性汚泥とはどのようなものな のかまとめてみましょう。

 活性汚泥とは、自然界に生息する微生物が十分な酸素と餌を供給されて高密度に集合したもので、排水・汚水の浄化手段として下水処理場、し尿処理場、浄化槽ほかで広く利用されています。具体的には、バクテリアなどの真正細菌や真菌類(酵母など)、原生動物、後生動物などから構成されている生物群集で食物連鎖をしています。

 バクテリアや真菌類は下水中に溶けている有機物を食べて増殖し、原生動物(ゾウリムシやアメーバーなど)や後生動物(ワムシやミジンコなど)は、そのバクテリアや微細な粒子状の有機物を食べて増殖します。正常な活性汚泥では微生物の集合体が数mm程度の綿くず状となり、水中を漂っていて、これをフロックと呼んでいます。有機物を主体とする汚濁物質はまずフロックに物理的な作用で吸着されたのち、微生物群により加水分解され、代謝系へ取り込まれると考えられています。

 フロック形成は特定の微生物によるものでなく、各種の共同作用と考えられています。活性汚泥中の細菌、カビ、酵母、原生動物によって分泌される粘着性ゼラチン様物質は、微粒子や可溶性有機物を吸着して、フロックの形成を助けます。

 鉄筋コンクリートや鋼板製の水槽(曝気槽)中に活性汚泥を入れ、送風機で空気を送り込み、ここへ汚水を少しずつ流入させれば、汚水に含まれる汚濁物質が微生物の餌となります。流入した汚水と同じ量だけ、活性汚泥を含む水があふれ出るので、別の水槽に流れ込ませます。これを沈殿槽、沈殿池と呼び、活性汚泥は比重が水よりやや重いため、底へ沈んでたまります。たまった汚泥をポンプなどで曝気槽へ返します。これらを連続して行えるように一連の設備が設計されています。

 活性汚泥法により汚水浄化を行うと、除去した有機物の50%以上が微生物に変化し、活性汚泥の量が増加します。これは余剰汚泥と呼ばれ、日本における産業廃棄物の2~3割は余剰汚泥であるとされています。汚泥処理は濃縮して濃くする、消化して分解する、脱水して水分を減らす、焼却して灰にするなどの工程が組み合わされて処理されます。濃縮することにより1/5に、脱水することにより1/25に、焼却することにより1/200に、容積が減ります。

 有機物は微生物により分解を受けますが、無機物(重金属や放射性物質)はフロックにより吸着され、汚泥処理によって濃縮されるため、濃度が高くなってしまいます。汚泥は焼却後、セメントなどの建築資材として再利用されていますので、放射性物質が含まれていた場合どうするのか、大きな問題となっています。


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165.下水処理場について。(2011/10/20)

 日本の都市部の下水は下水処理場で処理されてから川などに放流されています。下水処理場とはどのようなところなのかまとめてみましょう。

 下水処理場とは、下水道で集められた汚水を浄化し、河川、湖沼または海へ放流する施設のことで、浄化センター、水再生センターなどと呼ばれることもあります。下水処理場で行われる水処理には、物理的処理・生物的処理があります。(化学的処理・消毒を行う場合もある)

物理的処理
 主に比重差を利用し、重力沈降により下水中の沈殿性有機物を分離・除去する「沈殿」が代表的です。浮遊性や溶解性の物質には効果があまりありませんが、低コストである程度の浄化を行うことが出来ます。

生物的処理
 多くの有機物が微生物の生存と増殖で代謝・資化されることを利用し、下水中の溶解・浮遊性有機物を培養した微生物の餌とすることで水と炭酸ガス等に酸化分解する方式で、活性汚泥法が代表的です。「生き物」である微生物を適切に育成・管理する必要がありますが、比較的低コストでかなり高度な浄化を行うことが出来るため、ほとんどの処理場で主処理(二次処理)工程として採用されています。

 河川や湖などの富栄養化を防ぐためには窒素やリンなどの除去が必要です。上記の方法では不十分であるため、大都市部などを中心に高度処理と呼ばれる方法が採用されはじめています。下水処理場での高度処理には、下記の方法が用いられます。

窒素・リン除去
 生物反応槽内に、2種類以上の嫌気・無酸素・好気的な状態をつくりだすことで、好気性菌や通性嫌気性菌等の微生物を利用して、窒素やリンの除去を行います。代表的な処理方法として、リン除去には、嫌気・好気法(AO法)。窒素除去には、循環式硝化脱窒法(無酸素・好気法)。窒素・リン除去には嫌気・無酸素・好気法(A20法)が行われます。
 また、生物処理によるリン除去が上手く行かなかった時に備えて、生物反応槽の最終部にポリ塩化アルミニウム(PAC)等の無機凝集剤を添加し、リン酸を凝集沈殿処理することもあります。

濾過施設
 最終沈殿池では比重差による固液分離を行うため、微量の懸濁物質が処理水に混入する場合があることから、濾過施設を設置し、懸濁物質と同時にそれに含まれる物質を除去します。既存施設への追加が容易であり生物処理の不調に対する保険となるため比較的普及しています。濾材としては、砂からUF膜まで用いられています。

オゾン酸化+生物活性炭
 主にCODや色度除去を目的としています。オゾンの酸化力により生物処理が困難な難分解性有機物を分解、低分子化し、生物活性炭(BAC) により生物処理と吸着除去を行います。比較的新しい方式で浄水場でも利用されています。

 これまで下水処理場は下水に含まれる汚物をある程度取り除くことで河川などの大きな汚染を防ぐことが目的でした。しかし近年、下水処理場から放出された処理水から人間由来のホルモンや医薬品代謝物が検出され、魚などに異常が起きる原因となっていることがわかってきています。これまで以上に高度な処理が求められつつあります。


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164.その他の電池。(2011/10/13)

 乾電池や充電池以外にも電池と呼ばれているものがあります。どのようなものがあるのか考えてみましょう。

 一般に電池は容器の中に収められた化学物質の化学反応を利用して電気を発生させたり電気を蓄えたりする仕組みになっています。しかし電池と呼ばれているものの中には全く違う原理で電気を発生させるものがあります。よく知られているものとして、燃料電池と太陽電池があります。

 燃料電池は水素と酸素を外部から供給して反応させることで電気を発生させます。水の電気分解と逆の原理で発電を行ないます。反応を式にすると以下の通りです。

 H2 → 2H++2e-
 2(O2+2H++2e-) → 2H2O

使用する電解質の種類によって主に4種類(固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形)の燃料電池の方式が研究されています。このうち固体高分子形は小型化が容易であることから、燃料電池車に使われていますが、白金系の触媒が必要で高価になることが難点です。また、固体酸化物形は水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども燃料として用いることができ、白金等の高価な触媒が必要でないことから比較的安価なため家庭用(エネファームなど)として販売が始まっています。

 太陽電池は光の持つエネルギーを直接的に電力に変換します。その変換過程では熱・蒸気・運動エネルギーなどへの変換を必要としません。大きくわけてシリコンなどを使う無機系と色素などを使う有機系があります。

 無機系の太陽電池として最も多く使われているのは、p型とn型の半導体を接合した構造を持つシリコン系です。発光ダイオードと逆の過程を通じて電子に光のエネルギーを吸収させ(光励起)、半導体の性質を利用して、エネルギーを持った電子を直接的に電力として取り出します。

 有機系太陽電池としては色素増感太陽電池があります。2枚の透明電極の間に微量のルテニウム錯体などの色素を吸着させた二酸化チタン層と電解質を挟み込んだ単純な構造をしています。入射光によって、二酸化チタンに吸着された色素中の電子が励起され、この励起された電子を二酸化チタンを介して電極(陰極)へと導き、直流として取り出します。送り出された電子は外部回路を経由して対向電極(陽極)に戻り、電極間に挟まれた電解質中のイオンを介して再び色素吸着部へと戻ります。

 燃料電池や太陽電池は発展途上の分野で、現状ではエネルギー効率や価格の高さなどから普及が進んでいません。技術革新により更なる効率化や低価格化が期待されています。


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163.自動車に使われる充電池。(2011/10/6)

 自動車にはエンジンの始動や電装品のために充電池が積まれています。自動車用充電池の種類についてまとめてみましょう。

 自動車用の充電池として最もよく使われているのは鉛蓄電池ですが、近年、ハイブリッド車や電気自動車のような走行に電気を使用する自動車の登場により、ニッケル水素充電池やリチウムイオン充電池も使われるようになりました。

 鉛蓄電池は、正極(陽極板)に二酸化鉛、負極(陰極板)には海綿状の鉛、電解液として希硫酸を用いた二次電池(充電池)です。反応式は以下の通りです。

 正極 PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- ⇄ PbSO4 + 2H2O
 負極 Pb+SO42- ⇄ PbSO4 + 2e-

他の蓄電池に比べて大型で重く、希硫酸を使うために液漏れや破損時に危険が伴います。鉛蓄電池は放電し切ると、負極板表面に硫酸鉛の硬い結晶が発生しやすくなります。 この現象はサルフェーション(白色硫酸鉛化)と呼ばれます。 硫酸鉛は電気を通さず抵抗となる上に、こうした硬い結晶は溶解度が低く、一度析出すると充放電のサイクルに戻ることができないので、サルフェーションの起きた鉛蓄電池は十分な充放電が行えなくなり、進行すると使用できなくなります。

 ハイブリッド車に主に使われているのはニッケル水素充電池です。これは市販されている乾電池型のニッケル水素充電池とサイズが違うだけで、中身はほぼ同じものです。

 リチウムイオン充電池とは、非水電解質二次電池の一種で、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池です。現在では、正極にリチウム金属酸化物を用い、負極にグラファイトなどの炭素材を用いるものが主流となっています。電解液として有機溶媒のリチウム塩が使われています。反応式は以下の通りです。

 正極 Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- ⇄ LiCoO2
 負極 6C + xLi+ + xe- ⇄ LixC6

非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が得られます。エネルギー密度が高く、メモリー効果が小さいので、携帯電話やハイブリッド車などの継ぎ足し充電をする機器に適しています。しかし、ニッケル水素充電池が単純な回路で充放電が可能なのに比べ、リチウムイオン充電池は、より複雑な回路が必要になります。過充電すると、場合によっては発熱や破裂の危険性があり、有機溶媒を使用しているため高温で発火する危険性があります。そのため、高い安全性を要求される自動車では安全性が確認されたニッケル水素充電池がほとんどで、リチウムイオン充電池はまだ主流とはなっていません。

 リチウムイオン充電池は携帯電話やパソコンなどでよく使われていますが、現在でも取り扱いの悪さや製造上の欠陥により発熱・発火に至る事例が後を絶ちません。事故がそのまま命にかかわるハイブリッド車や電気自動車などで使うにはまだまだリスクが多いと思われます。


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162.乾電池型充電池について。(2011/9/29)

 充電式の電池には多くの種類がありますが、店頭などでよく見かけるのは乾電池型の充電池だと思います。乾電池型充電池にはどのようなものがあるのか考えてみましょう。

 単3型などの乾電池型充電池として市販されているものとしては、主にニッケル・カドミウム充電池(Ni-Cd)とニッケル・水素充電池(Ni-MH)の2種類があります。いずれも電解液として強アルカリを使用するアルカリ充電池です。携帯電話やノートパソコンなどによく使われるリチウムイオン充電池も知られていますが、充放電を監視する保護回路が必要であるために乾電池型の製品は一般には販売されていません。

 ニッケル・カドミウム充電池は、正極に水酸化ニッケル、負極に水酸化カドミウム、電解液に水酸化カリウム水溶液を用いたアルカリ充電池です。反応式は以下の通りです。

 正極: NiOOH + H2O + e- ⇄ Ni(OH)2 + OH-
 負極: Cd + 2OH- ⇄ Cd(OH)2 + 2e-

ニッケル・カドミウム充電池の出力特性は、モーターなどの大出力用途に適しています。反面、自然放電(使用しなくても蓄えていた電気の量が減少すること)が大きいため、時計など消費電力が小さく、また長期間稼働させ続ける機器には不向きです。また、乾電池型ニッケル・カドミウム充電池の電圧は 1.2V になっています。同形状の一次電池(マンガン乾電池、アルカリ乾電池)の定格である 1.5V よりも低いため、厳密に 1.5V の供給が求められる機器に使用することは推奨されません。

 ニッケル・水素充電池は、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解液に濃水酸化カリウム水溶液を用いたものです。反応式は以下の通りです。

 正極: NiOOH + H2O + e- ⇄ Ni(OH)2 + OH-
 負極: MH + OH- ⇄ M + H2O + e- (Mは水素吸蔵合金)

それまでの代表的な小型二次電池であったニッケル・カドミウム充電池の 2.5倍程度の電気容量があること、材料にカドミウムを使用せず環境への影響が少ないこと、電圧がニッケル・カドミウム充電池と同じ 1.2V で互換性があることが追い風になって、ニッケル・カドミウム充電池からの代替が進みました。欠点としては自然放電が多いこと、ニッケル・カドミウム充電池ほど顕著ではありませんが、メモリ効果現象があることがあげられます。近年、これらの欠点を改良した、予め充電した状態で販売するという新型のニッケル・水素充電池( eneloop、充電式EVOLTAなど)が発売され急速に普及しています。

 ニッケル・カドミウム充電池とニッケル・水素充電池は性能が大きく異なります。混ぜて使うことはもちろん、充電器も対応しているかどうか確認が必要です。特にニッケル・カドミウム充電池専用の充電器でニッケル・水素充電池の充電を行うと破裂する危険がありますので絶対にやめましょう。どちらも電解液が強アルカリですので、液漏れを起こすととても危険です。


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161.ボタン型電池について。(2011/9/15)

 乾電池と並んで家庭でよく使われる電池にボタン型電池があります。ボタン型電池の中に入っているものについてまとめてみましょう。

 ボタン型電池は、電池の形状による分類の一つで、ボタン型のもののことです。直径が小さく厚めのものをボタン型、直径が大きく薄いものをコイン型と区別することもあります。多くは一次電池なので、乾電池の一種ですが、通常乾電池とは呼ばず乾電池と区別されています。

 内部構造はリチウム電池、アルカリマンガン電池、酸化銀電池、水銀電池などがありますが、水銀電池は安全性の観点からあまり用いられなくなってきています。ボタン型電池の規格は、LR44、CR2032などと表され、一文字目が化学構造を示しています。例えば、Lはアルカリマンガン電池、Cはリチウム電池、Sは酸化銀電池です。

 アルカリマンガン電池はアルカリ乾電池と原理的には同じもので正極に二酸化マンガンと黒鉛の粉末、負極に亜鉛の粉末、電解液に水酸化カリウムが使われています。

 酸化銀電池は正極に酸化銀(I)、負極にゲル化した亜鉛、電解液に水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムを用いた電池です。化学反応式は次の通りです。

 正極 Ag2O + H2O + 2e- → 2Ag + 2OH-
 負極 Zn + 2OH- → ZnO + H2O +2e-

公称電圧が1.55Vと比較的高いため、小型化を要求される用途に向いています。温度特性にも優れています。エネルギー密度が高く、アルカリ電池の約2倍の容量を持つと言われています。経年劣化が少なく長期保存に耐えられるため腕時計のように小電力で数年間にわたるような長期間駆動する装置や電池が封入された状態で長期保存される装置に向いています。

 リチウム電池(二酸化マンガンリチウム電池とも呼ばれる)は、正極に二酸化マンガン、負極に金属リチウム、電解液には、有機溶媒にリチウム塩を溶解させたものを用いています。電解液に有機溶媒を使うのは、金属リチウムは水分と速やかに反応して水素を発生するからです。プロピレンカーボネートやγ-ブチロラクトン、ジメトキシエタン等が多く用いられます。また、電解質には、無機・有機の含フッ素化合物や過塩素酸のリチウム塩が用いられます。化学反応式は次の通りです。

 正極 MnIVO2+Li+ + e- → MnIIIO2(Li+)
 負極 Li → Li+ + e-

リチウムは金属のうち最大のイオン化傾向を持ち、非常に低い電位を持つ為、これを負極として用いると、正極との電位差が開き、高い電圧が得られます。また、その原子の大きさが小さいため、容量が非常に大きく(マンガン乾電池の約10倍)、放電末期まで電圧降下が少ないという特徴があります。自己放電が少なく、寿命が5年ほどあるため、コンピューターのメモリバックアップ用途によく用いられます。

 ボタン型電池に入っている電解液は強アルカリであることが多く、液漏れを起こすととても危険です。また、リチウム電池の場合は有機溶媒が入っていますので、破損させないように注意しましょう。


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160.乾電池の中に入っているもの。(2011/9/8)

 家庭で使われている様々なものに電池が入っています。電池の中には何が入っているのでしょうか。今回は電池全般と最も広く普及している乾電池について考えてみましょう。

 一般には電池とは化学反応を利用して電気を生み出すものとされています。実際には太陽電池のように物理的エネルギーを電気にかえる装置も電池と呼ばれます。このように電池は大きくわけると化学電池と物理電池の2種類に分類できます。それぞれ以下のような種類があります。

 化学電池
  一次電池(乾電池)、二次電池(蓄電池)、燃料電池など
 物理電池
  光電池(太陽電池)、熱電池、原子力電池など

 乾電池は電気を通す水溶液に2種類の金属を入れるとその一方が溶けることで電気が流れる現象を利用しています。金属が溶ける時に正のイオンにな電子が取り残されます。この時もう一方の金属と回路を作ると電子の流れ(電流)が発生します。乾電池は基本的に充電ができず、放電後に機器を動かすには電池の交換が必要なため、寸法・電圧などが規格化されています。日本で実際に「乾電池」として売られるものはその内、通称単1形 - 単5形・9V形が中心です。乾電池には主にマンガン乾電池とアルカリ乾電池の2種類があります。

 マンガン乾電池は正極として二酸化マンガン、負極に亜鉛、電解液に塩化亜鉛または塩化アンモニウムが使われています。反応を式にすると以下の通りです。

 正極  Zn → Zn2+ + 2e-
 負極  2MnO2 + 2H+ + 2e- → 2MnO(OH)

 アルカリ乾電池はマンガン乾電池を改良したもので、正極に二酸化マンガンと黒鉛の粉末、負極に亜鉛の粉末(表面積を増やす事により反応性を高める為)、電解液に水酸化カリウムが使われています。

 正極 Zn + 2OH → ZnO + H2O + 2e
 負極 2MnO2 + H2O + 2e →Mn2O3 + 2OH

 マンガン乾電池の電解液である塩化亜鉛の水溶液は弱い酸性でそれほど危険性はありませんが、アルカリ乾電池に使われている水酸化カリウムは強いアルカリです。アルカリ乾電池はマンガン乾電池に比べて液漏れしにくい構造になっていますが、充電したり違う種類の乾電池を混ぜて使ったりすると破裂する場合があります。誤った使い方はやめましょう。


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159.浄水場で使われる凝集剤。(2011/7/14)

 水道に水を供給している浄水場では、消毒のための塩素以外にも多くの化学物質が使われます。今回は凝集剤を中心に考えてみましょう。

 浄水場は、河川から取水した水や地下水などを浄化・消毒し、上水道へ供給するための水道施設です。取水口から取水された水は以下の施設で浄化・消毒処理が行われます。
 沈殿池:大まかな不要物を沈める
 濾過池:細かな不要物を除去
 浄水池:塩素等を加える
 これらの行程を経て、水は各配水場・配水池へ配水管を用いて送られ、各家庭や施設へ給水されます。

 コロイドやそれに近い大きさの微粒子や微生物は、自然沈澱で除去するのは非常に困難です。そこで、これらの微粒子を薬品を用いて凝集させ、多孔性の大きなフロックとして沈澱分離する方法が行われています。このような方法を凝集沈澱法と言います。凝集に用いられる薬品を凝集剤、凝集剤の働きを助け薬品を凝集助剤、凝集するのに最適なpHに調節する薬品をpH調節剤といいます。それぞれについて例を挙げると以下のようになります。

  凝集剤:硫酸バン土(硫酸アルミニウム)、PAC(ポリ塩化アルミニウム)、PSI(ポリシリカ鉄系凝集剤)など
  凝集助剤:アルギン酸ナトリウム、粉末活性炭、活性珪酸など
  pH調整剤:苛性ソ−ダ(水酸化ナトリウム)、炭酸ナトリウム、硫酸など

 これらの凝集剤は水中のイオンやコロイドを電気的に中和することで沈殿しやすくする作用をもっています。アルミは3価の陽イオンで、水中の荷電中和する力が強いため、凝集剤としてよく使用されます。鉄系凝集剤は、鉄イオンの電気的中和の作用を利用するタイプの凝集剤です。粉末活性炭は、凝集の核として、また重りとしても用いられますが、そのほかに有機物の除去、異臭味や色度の除去も兼ねて添加されます。一般に、凝集には最適のpH範囲があり、のpH範囲内に原水を調整するためにpH調整剤が添加されます。

 凝集剤は最終的には取り除かれるため、水道水にはほとんど含まれていません。しかし、アルミニウム系凝集剤は、処理水中にわずかに残留するアルニウムの人体への影響が懸念されているほか、農地還元の際にもリン欠乏症を引き起こすなど問題点が指摘されていて、鉄系凝集剤への切り替えを推進する動があります。


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158.光化学スモッグとはなにか。(2011/7/7)

 光化学スモッグに注意が必要な季節となりました。光化学スモッグとはどのようなものなのか、改めて考えてみましょう。

 光化学スモッグは、工場や自動車の排気ガスなどに含まれる窒素酸化物や揮発性有機化合物(VOC)が日光に含まれる紫外線の影響で光化学反応をこし、それにより生成する有害な光化学オキシダント(オゾンやアルデヒドなど)やエアロゾルが空中に停留しスモッグ状になることをいいます。(光化学オシダントについてはこちらで)
発生しやすい時期・気象条件は以下の通りです。

  5〜9月。近年は4月や10月にも。
  10時頃から17時頃まで。
  日中晴れ又は薄曇。日射が強いと発生しやすい。雨の日は発生しない。
  気温が高め。
  風が強くない。地域により発生しやすい風向きは異なる。

 光化学オキシダント注意報は光化学スモッグの危険度を示すもので、光化学オキシダント濃度の1時間値が0.12ppm以上かつ気象条件などからて今後もその状態が継続すると考えられる場合に発令されます。(なお、光化学オキシダント濃度の1時間値が0.12ppm以上になりそうな場合に予報が発令される)大気中の光化学オキシダントの濃度が高まり、光化学オキシダント注意報が発令されると、健康な方でも次のような症状が出る場合があります。

  目がチカチカする、目が痛い、涙が出る
  のどが痛い、せきが出る、息苦しい
  吐き気がする、頭痛がする など

 こうした症状が出たときは、洗眼やうがいをし、シャワーを浴びるなどして皮膚も清浄した方が良いです。その後は清浄な空気の室内で安静にしていばほとんどの場合症状は解消します。中等症例や重症例においては酸素吸入などが必要な場合がありますので、内科等の医療機関を受診する必要があります。

 有害なガス成分は市販のマスクなどでは除去しにくいため、光化学スモッグ注意報や警報が発令された時は、窓を閉め外出を控える事が最善の対策とります。注意報などが発令された時に洗濯物を干していた場合は、あわてて取り込むより夕方、濃度が下がるまでそのまま干し続ける方がいいでしょう。

 オゾン層が有害な紫外線から地球を守っている事や、自然が豊かな海岸や高原でオゾンが多いことから、「オゾンは体に良い」と思われることがありますが、オゾンが殺菌・消毒に用いられることからもわかるように、生物にとっては有害です。


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157.鉛筆の芯、シャーペンの芯。(2011/6/30)

 鉛筆の芯とシャーペンの芯は似ているようでかなり違います。どう違うのか比較してみましょう。

 鉛筆芯は顔料の黒鉛に結合剤の粘土、水を混合してよく練り約1000℃程で焼いた後、油に浸して作ります。硬度は、粘土と黒鉛の割合を変えるこにより調整します。一般に、黒鉛が多く粘土の少ない芯は、軟らかく濃くなり、黒鉛が少なく粘土の多い芯は、硬く薄くなります。色の濃さは気温の影響を受け、同じ硬度でも夏期には濃く、冬期には薄くなります。

 JIS(日本工業規格)が芯の硬さの種類を表す記号を定めており、軟らかい方から順に下記のように17種類あります。

  6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9H

 Bは柔らかいため紙の目が出やすく、芯が減りやすく、黒の発色が強くなります。消しゴム、ねりけしなどで消えやすいので、デッサンでは描き始めは3B - 4Bがよく使われます。また、軽い力でも濃い線を引けるため、児童の書き方鉛筆にはB - 4Bがよく使われます。

 シャーペンの芯は結合剤として粘土の替わりにプラスチックのような高分子有機化合物を使用し、黒鉛とよく練り合わせて約1000℃程で焼き、油浸して作ります。焼成中に有機物の結合剤が分解して炭化するため、焼き上がった芯全体が炭素の塊になります。なめらかで強度が高く色が濃いという理想的特徴を持っています。この強度の向上により細い芯を作ることが出来るようになり、芯の直径は0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm0.7mm、0.9mm等があります。日本では0.5mmのものが最も多く使われています。芯は鉛筆と同じように硬さを表す17種類の記号が JIS で定められています。

 マークシートを読み取るOCR装置やOMR装置は赤外線の反射率を識別に用いています。そのため、赤外線を良く吸収する炭素を他の筆記具よりも多く含むこと、その炭素含有量を硬度で指定できることなどから、マークシート記入には鉛筆が適していて、シャーペンは推奨されていません。硬度はHB以上柔らかさを指定されることが多く、マークシート記入用の鉛筆も市販されています。なお、マークシートが使われている大学入試センター試験では、H, F, HBの黒鉛筆の使用が指定されています。

 製造法や原料から、鉛筆の芯は焼き物(セラミック)に近いものであり、シャーペンの芯は炭の一種と考えることができます。それぞれ特徴が違いますので、目的により使い分けをしています。


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156.酵素と補酵素。(2011/6/23)

 体内で酵素が働く際に酵素の働きを助ける補酵素という物質があります。酵素と補酵素の関係について考えてみましょう。

 酵素はタンパク質から構成されていますが、タンパク質だけで構成される場合もあれば、非タンパク質性の構成要素(補因子)を含む場合(複合たんく質)もあります。酵素が複合タンパク質の場合、補因子と結合していないと活性が発現しません。このとき、補因子以外のタンパク質部分をアポ酵素、アポ酵素と補因子とが結合した酵素をホロ酵素といいます。補因子の例としては、無機イオン、有機化合物があり、金属含有有機化合物(例えばヘム鉄)のこともあます。

 鉄、亜鉛、銅、カルシウム、マグネシウムなどの生体が要求する微量金属元素(いわゆるミネラル)は、無機イオンの補因子として酵素に組み込まれます。これらが不足すると関連する酵素が働かなくなり、さまざまな障害を起こします。

 有機化合物の補因子を補酵素といいます。コエンザイム、コエンチーム、助酵素などとも呼ばれています。一般に補酵素は酵素のタンパク質部分と強結合を行なわず可逆的に解離して遊離型になります。補酵素とアポ酵素はそれぞれ単独では化学反応触媒として機能せず、両者が混在する条件と基質分子が存在することにより、初めて酵素として機能します。補酵素と酵素の結合は一般的にはゆるく、透析などの実験操作によって容易に外れます。

 ビタミンは補酵素の前駆体(例:ビタミンB1 、B2 、B6 、B12 、ナイアシン、葉酸)または補酵素自体(例:ビタミンC)として働き、生物の生育に関する必須成分(栄養素)となっています。例えば、ビタミンB1 は糖質代謝の補酵素として、ビタミンB6 はアミノ酸やたんぱく質代謝の補酵素として、ナイアシンは酸化や還元などの脱水素酵素としてはたらいています。

 サプリメントとして健康食品に利用されることが多いα-リポ酸やコエンザイムQ10も補酵素の一種です。ビタミンと同様に重要な働きをしていますが、体内で合成できる物質なのでビタミンとは呼ばれません。


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155.グルクロン酸抱合と酵素。(2011/6/16)

 グルクロン酸抱合は体内の老廃物や有害物質の排出に重要な働きをしています。その働きを酵素の働きとともにまとめてみましょう。

 グルクロン酸は肝臓で生成されるブドウ糖の酸化産物です。生体内のアルコール・フェノール類と抱合体をつくり、尿や胆汁として排出することで解毒作用をあらわします。水にとても良く溶ける物質であることから動物体内において、グルクロン酸はしばしば不溶性の物質の体外への排出のために毒物と結合れたり、輸送しやすくするためにホルモンと結合されたりします。この過程をグルクロン酸抱合といいます。

 グルクロン酸抱合には中間体として UDP-グルクロン酸が使用されます。UDP-グルクロン酸はすべての動物において肝臓で合成されます。毒物へのグルクロン酸の結合は UDP-グルクロン酸転移酵素によって触媒されます。この酵素は心臓、腎臓、副腎、脾臓、胸腺、その他主要な体内器官に存在します。

 グルクロン酸抱合による有害物質排出の過程をピリルビンを例にとって以下にまとめます。

 ビリルビンは酸素を運ぶヘモグロビンの分解代謝物です。古くなったヘモグロビンは赤血球とともに分解され、非抱合型ビリルビンになります。非抱合型ビリルビンは水に溶けないためアルブミンと結合して肝臓へと送られます。肝臓においてグルクロン酸転移酵素(グルクロニルトランスフェラーゼ)によりルビンはグルクロン酸の抱合を受けて、水に溶けるようになります。抱合型ビリルビンはほとんどが胆汁の一部となって小腸に分泌されます。ピリルビンのう老廃物は日常的に体内で生成しています。このような老廃物を排出する過程も酵素がなくては働きません。

 よく名前を耳にするグルクロノラクトン(商品名グロンサン)はグルクロン酸抱合体を分解する酵素の働きを阻害することで、有害物質の排出を促進す。グルクロン酸抱合も進み過ぎると体に必要な物質まで排出してしまうことがあります。体内での様々な働きは酵素によって支えられていて、促進したり阻害したりと複雑に関与し合っています。


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154.唾液に含まれる酵素。(2011/6/9)

 唾液はただの水ではなく、様々な機能性物質を含んでいます。唾液に含まれる物質のうち、酵素を中心にまとめてみましょう。

 唾液は、唾液腺から口腔内に分泌される分泌液で、水、電解質、粘液、多くの種類の酵素からなっています。通常、1日に1〜1.5リットル程度分泌されています。成分の99.5%が水分であり、無機質と有機質が残りの約半分ずつを占めます。デンプンをマルトース(麦芽糖)へと分解するβ-アミラーゼを含む消化液として知られる他、口腔粘膜の保護や洗浄、殺菌、抗菌、排泄などの作用を行い、また緩衝液としてpHが急激に低下しないように働くことで、蝕(虫歯)の予防も行っています。

 唾液に含まれる物質は主に以下の通りです。

無機質
Na+、K+、Ca2+、Cl-、HCO3-、無機リン酸、Mg2+、F- など。
有機質
リゾチーム、ラクトフェリン、ペルオキシダーゼ、β-アミラーゼ、リパーゼ、免疫グロブリンなど。

 アミラーゼは消化酵素であり、デンプンやグリコーゲンを分解します。体内では主に、膵臓、耳下腺(唾液腺)から分泌され、またダイコンやカブ、ヤマイモにも多く含まれています。胃腸薬、消化剤として市販もされ、胃もたれや胸焼けの治療、防止に服用されています。

 リゾチームは、真正細菌の細胞壁を構成する多糖類を加水分解する酵素です。この作用があたかも細菌を溶かしているように見えることから溶菌酵素呼ばれます。ヒトの場合、涙や鼻汁、母乳などに含まれています。グラム陽性菌に作用し、グラム陰性菌には作用しません。グラム陽性菌の細胞壁はN-アチグルコサミンとN-アセチルムラミン酸とがβ-1,4結合した多糖類を主成分とするペプチドグリカン層により構成されていて、リゾチームはβ-1,4結合を切断することで細胞壁を破壊します。

 ペルオキシダーゼは過酸化物を還元して水酸化物にする酵素です。過酸化水素の場合は、他の基質を必要としませんが、例えばグルタチオンペルオダーゼは、還元剤として還元型グルタチオンを必要とします。 過酸化水素を基質とするものが多いですが、過酸化脂質など有機過酸化物に対する活性が強いものもあります。活性酸素や過酸化脂質を無害化する重要な働担っています。

 唾液は消化液としてだけではなく様々な機能性をもち、リゾチームによる殺菌、抗菌作用や、ペルオキシダーゼによる抗酸化作用は生体の防衛機能として非常に重要です。


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153.酵素について。(基礎編)(2011/6/2)

 体内で何が起きているのかを考えるとき、酵素についての知識が欠かせません。酵素とはどのようなものなのか考えてみましょう。

 酵素とは、生体でおこる化学反応に対して触媒として機能する分子のことを言います。触媒とは、特定の化学反応の反応速度を速める物質で、自身は反応の前後で変化しないもののことです。また、反応によって消費されても、反応の完了と同時に再生し、変化していないように見えるものも触媒とされます。多くの酵素は生体内で作り出されるタンパク質をもとにして構成されています。したがって、生体内での生成や分布の特性、熱やpHによって変性して活性を失(失活)といった特性などは、他のタンパク質と同様です。

 酵素は一般的な触媒には見られない特性として、基質特異性、反応特異性という性質を持っています。

基質特異性
 一つの酵素が一つの基質に対してしか触媒反応を示さないという性質のこと。たんぱく質分解酵素ならたんぱく質のみ、炭水化物分解酵素なら炭水化物のみ働く。この性質によって、アミノ酸配列は一定の長さで分解されることになる。酸触媒などを用いて加水分解を行った場合は、酵素による分解とは違い任意の箇所に作用するため、長さがバラバラのアミノ酸配列が生成されることになる。

反応特異性
 生体内ではある1つの基質に着目しても、作用する酵素が違えば生成物も変わってくる。通常、酵素は1つの化学反応しか触媒しない性質をもち、これを酵素の反応特異性と呼ぶ。消化酵素などいくつかの例外を除けば、通常1つの酵素は生体内の複雑な代謝経路の1か所だけを担当している。これは、生体を恒常的維持するための重要な性質である。

 酵素が役割を果たすとき、またはその活性を失う原因には、酵素を構成するタンパク質の立体構造が深く関与しています。タンパク質は熱、pH、塩濃度、溶媒など置かれた条件の違いによって立体構造が変わりますが、条件が大きく変わると立体構造が不可逆的に大きく変わり、酵素の場合は失活することもます。そのため、酵素反応は至適温度・至適pHや水溶媒など条件が限定されます。ただし、生物の多様性は非常に広いので、好熱菌、好酸性菌、好アルカ菌どのもつ酵素のように、極端な温度やpHに耐えうるとされるものもあり、こうした極限環境微生物の応用から酵素の工業利用が現実的になり始めていす。

 酵素は生物が物質を消化する段階から吸収・輸送・代謝・排泄に至るまでのあらゆる過程に関与しており、生体が物質を変化させて利用するのに欠かせません。したがって、酵素は生化学研究における一大分野であり、早い段階から研究対象になっています。


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152.セシウムとはなにか。(2011/5/19)

 セシウムは原発事故が起こる前まではほとんど知られていなかったのではないでしょうか。どのような物質なのか考えてみましょう。

 セシウムは原子番号55の元素で、元素記号は Cs です。単体(金属セシウム)では軟らかく、黄色がかった銀色のアルカリ金属です。融点は28°Cで、常温付近で液体状態をとる5つの金属元素(水銀が有名)のうちの1つです。セシウムの化学的・物理的性質は、他のアルカリ金属のルビジウムやカウムと似ています。

 金属セシウムは非常に反応性に富み、自然発火しやすく、低温でも水と爆発的に反応します。(他のアルカリ金属よりこの傾向が強い)氷とは -116 °Cでも反応します。このように高い反応性をもつため、金属セシウムは消防法で危険物に指定されています。保存や運送は、乾燥状態で鉱物油のような炭化水素(ガソリンや灯油)で満たして行います。セシウムは112から151までの幅の質量数を持つ39個の同位体がありますが、安定同位体はセシウム133です。セシウム133のほとんどはポルックス石(ポルサイト)から得られます。

 現在のセシウムの主要な用途のうちの一つは、石油採掘工業におけるギ酸セシウムを使った掘穿泥水です。ギ酸セシウム水溶液 は水酸化セシウムとギ酸との反応によって作られ、1990年代半ばに油井を掘削する際の仕上流体として開発されました。掘穿泥水としてのギ酸セシウムの特性は、ドリルビットに注油することで潤滑性を与えるとともに、油井の掘削中の圧力を形成する点にあります。

 核分裂により生成するほぼ全てのセシウムは、より中性子の多い原子から、ヨウ素の同位体かキセノンの同位体を経由して、ベータ崩壊により生成します。これらの元素は揮発性で核燃料中や大気中に分散するので、セシウムはしばしば遠く離れた場所でも観測されます。現在環境中に存在しているセシウ134とセシウム137などの多くは、1940年代〜1960年代の核実験や核事故で放出されました。1960年代前半に日本人は1日に1ベクレル以上摂取していたと推定されています。

 大部分のセシウム化合物はカリウムとセシウムの化学的類似性に由来するわずかな毒性があり、体液や筋肉にそれぞれ浸透します。なかでも放射性同位体であるセシウム137は、体内に取り込まれてから体外に排出されるまでの100日から200日にわたってベータ線とガンマ線を放射し、体内被曝の原因となるるため大変危険です。セシウム137に汚染された空気や飲食物を摂取することで、体内に取り込まれます。なお、ヨウ素剤を服用してもセシウム137の体内被曝を防ぐことはできません。


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151.消しゴムについて。(2011/5/12)

 消しゴムはとてもありふれた文房具で、これがない家の方が珍しいと思います。どのようなものなのか改めて考えてみましょう。

 消しゴムは主に鉛筆などで書かれたものを消去するときに使う文房具で字消しとも呼ばれます。材質の違いから大きくわけてプラスチック字消しとゴム字消しがあります。

プラスチック字消し
 一般にはプラスチック消しゴムと呼ばれていますが、材質はゴムではありません。プラスチック(主として、ポリ塩化ビニル)から生成した消しゴムで、最近の主流になっています。

ゴム字消し
 ラバー消しゴムとも呼ばれます。ゴムから生成されていた初期の消しゴムで、 砂消しゴムと練り消しゴムがこれに該当します。

 プラスチック消しゴムはポリ塩化ビニルにフタル酸系可塑剤を加えて固めたものです。そのため、プラスチック消しゴムやその消しかすを、CDケーどのプラスチック製品と長期間接触させておくと、プラスチック消しゴムに大量に含まれている可塑剤が移行し、溶けて融合してしまうことがあります。消ゴ本体に巻きつけてあるスリーブ(紙ケース)は、消しゴムを長時間入れておくプラスチック製筆箱などがこの作用で溶かされてしまうことを防ぐためのもでもります。またプラスチック消しゴムはポリ塩化ビニルを使用しているので、燃やすとダイオキシンが発生するなど環境負荷が大きいとされています。

 プラスチック字消しは字消し性能においてゴム字消しを大きく上回ります。しかし、その性能は可塑剤によるもののため、柔らかくて減りも早く、耐溶剤性のない樹脂と融着するという特徴があります。そのため、シャープペンシルのキャップ内部や鉛筆の頭部などに付けられる消しゴムには、減りが少なく強折れにくいゴム字消しが用いられます。また、砂消しゴムも研磨砂を担持する接着力と紙を削る機械強度を要求されるため、天然ゴムで作られます。

 練り消しゴムもゴムから作られていますが、消しゴムとしては柔らかく、力を与える事で形状を容易に変えることが出来る特徴があります。また、結きが強く、練り消しゴムを引っ張るとよく伸びます。このため、デッサンのように濃い筆記具を用い弱い筆圧で書かれたものを消すのに向いています。

 フタル酸系可塑剤はポリ塩化ビニルと結びついているわけではなく、単に混合されているだけです。そのため溶出しやすく、環境ホルモンとしての疑いもあるため注意が必要です。

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