次亜塩素酸とは?消毒の効果と化学的な殺菌メカニズムについて

【2019年6月24日に追記しました】

昨今、「次亜塩素酸」は安全性が高く除菌力、ウイルス除去に優れている成分として注目されています。

厚生労働省のウイルス抑制マニュアル(大量調理施設衛生管理マニュアル)でも、幼保園や老人介護施設での細菌・ウイルス対策として使用されています。

また、同省により細かく用法や製法が決められ食品添加物の殺菌料として食品洗浄や家庭で哺乳瓶の除菌など幅広い分野で使われています。

厚生労働省がまとめた次亜塩素酸水について安全性から効果までの記事はこちらからどうぞ!

塩素ガス(Cl2)を水に溶かすと塩素分子の加水分解が起こり、強い酸化力を持った次亜塩素酸が生成します。

次亜塩素酸(HOCL)

分子量52.46g/mol

水溶性で透明な水溶液

水(H2O)と構造が似ている

補足:酸化力とは相手を酸化させる力のことで、化学的にいうと相手の電子を奪う力が強いとも言えます。

そこで、今回は、次亜塩素酸の特徴や殺菌・分解が起こるメカニズムなど化学的にご紹介したいと思います。

加水分解で次亜塩素酸が生成

加水分解とは水が作用して起こる分解反応のことで、塩素ガスが水に溶けると下記のような反応が起こります。

Cl2+H2O→HOCL+H++Cl-

しかし、温度が高くなると加水分解が進まず塩素ガスのまま存在します。また、pHも同様に関係しており、pHが低くなる(つまり酸性の状態だと)と塩素ガスのままとなります。

よく注意書きに、「混ぜるな危険」として表記してありますが、漂白剤に酸性の物質を混ぜると塩素ガスが発生してしまうためです。

・〜pH3塩素ガスがほとんど

・pH4~7(弱酸性〜中性)では次亜塩素酸の成分が多く存在します。

・pH8~になるとナトリウムやカルシウムなどと反応しやすいOCL-(次亜塩素酸イオン)となります。

遊離塩素でのpHの違い

上記は有効塩素存在百分率とpHの関係を示したもので、pHによって「次亜塩素酸」の割合が異なります。

赤の線が高い場所=塩素の殺菌力が極大となる」と考えてください。

pH7が中性で、7より低くなると酸性になり、pHの数字が7より大きくなるとアルカリ性を示します。

つまり、弱酸性領域が塩素の殺菌力を引き出すことができるということです。

参考弱酸性次亜塩素酸水溶液を使用する時の適切なpHと濃度

塩素、次亜塩素酸、次亜塩素酸イオン全て殺菌作用をもっていますが、塩素に関しては気体で空中に広がり、失活が早いため主には次亜塩素酸と次亜塩素酸イオンが活用されます。

●補足:次亜塩素酸イオンはナトリウムと結びつくと次亜塩素酸ナトリウム(次亜塩素酸ソーダ)となり漂白剤の主成分となる物質です。

これらの有効塩素は主に、ppmという濃度で表されます。1リットルの水に何mg含まれるかで示され、例えば200ppmであれば、1リットルに200mgの次亜塩素酸が含まれていることを示します。200ppm/ℓ

補足:200ppmは0.02%と同じ濃度です。

濃度を調べる時には残留塩素標準比較液と比べて色の変化を持って有効塩素濃度を調べることができます。

人間の体内では次亜塩素酸を生成している

mechanism次亜塩素酸

体外からの細菌やウイルスから私たちを守る免疫機構として白血球と言うものがあります。その白血球の一種の好中球にて侵入した菌・ウイルスを食作用(包み込んで取り込み)して殺菌します。

その好中球内で、生成され殺菌のために使われている物質が「次亜塩素酸」なのです。

体内で次亜塩素酸を生成している反応をまとめると下記のようになります。

体内にある酵素を使って酸素(O2)を反応させ、また、違う酵素を使い、過酸化水素(H2O2)を生成し、さらに、違う酵素を塩化物イオン(Cl-)と反応させて次亜塩素酸を生成しています。

O2+酵素→O2-

O2-+H++酵素→H2O2

H2O2+Cl-+H++酵素→HOCL+H2O

つまり、次亜塩素酸を使った除菌剤は体内の免疫機構を利用していることが分かりますね。私たちの日常生活の中では、植物や生物(自然界では長い年月をかけて進化してきた)から生きたヒントをもらうことが多々あります。

例えば、日本の新幹線は空気の抵抗をできる限り減らすためにカワセミのクチバシを参考にされていたり、水をはじくハスの葉の表面構造から雨具等の撥水製品を作ったり様々なところに生きています。

引用:http://nacsj.net/magazine/post_138.html

もちろん、次亜塩素酸の殺菌メカニズムも同様に生物が進化する過程で得たものに間違いありません。

次亜塩素酸は酸化力が強い反応性が高い物質ですが、冷暗所に保管し紫外線を避ければこの反応性の高さを活用することができます。それでは、殺菌・分解メカニズムについて詳しく見てみましょう。

次亜塩素酸の殺菌・分解メカニズムについて

反応性が高い理由として、本来塩化物イオン(CL-)で安定なイオンですが、次亜塩素酸(HOCL)の酸素に1つ電子を奪われており塩素ラジカル(CL・)の状態のために強い電子を奪う作用を持ちます。

(塩素ラジカルが酸化剤として近くにある電子を強制的に奪って自らが安定な塩化物イオンになります。)

次亜塩素酸メカニズム

電子を奪われた菌・ウイルスは形を保つことができず、結果として、菌やウイルス、化学物質などの対象物から電子を奪い自ら安定な塩化物イオンになると同時に、殺菌、ウイルス除去、消臭などの効果が現れるのです。

具体的には、菌やウイルスあらゆるつなぎ目の電子を奪い、細胞壁や細胞膜を壊す、DNA、RNAを壊す、イオン透過性の障害、細胞内でラジカルを発生させて細胞組織を壊すことも挙げられています。

次亜塩素酸と次亜塩素酸イオンの殺菌・分解の違い

細菌の一番外側をまとっているものを細胞壁と呼び、その内側には細胞膜があります。細胞壁には、人間の皮膚のような役割で厚く丈夫な構造ですが親水性の分子やイオンは通ることができます。

一方、細胞膜は疎水性の構造となっており、イオンや親水性の分子の透過を防ぐことができます。

つまり、次亜塩素酸は次亜塩素酸イオンとは違いさらに小さい分子であることと電気的中性のため、細胞壁や細胞膜も関係なく簡単に入り込みます。(濃度が高いと濃度が高いところから低いところに流れ込むのでより浸透します。)

細胞の内部に侵入した次亜塩素酸は細胞内の組織(DNA、RNA、リボソーム、細胞質、タンパク質など)に対して酸化作用を起こすこと(電子を奪うこと)で殺しています。

一方、次亜塩素酸イオンは(OCL-)のイオンとして作用するため細胞壁は透過できますが、細胞膜は透過できないため細胞壁と細胞膜を酸化させる(電子を奪う)ことで壊していきます。

pHを調整して高アルカリ性にすることで、タンパク質を変性させやすくなり次亜塩素酸イオンの酸化させる力と相乗効果をもたらすことができます。

補足:高アルカリ性にするために水酸化ナトリウム(NaOH)を併用する場合があります。

一般的に塩素系漂白剤の次亜塩素酸ナトリウム(NaCLO)が水に溶けると次亜塩素酸イオンとなりますが、次亜塩素酸とは全く違った殺菌機構になります。

例えば、菌類最強と言われる芽胞菌は、熱にも次亜塩素酸ナトリウムでも耐える殻のような構造を持っています。

そのため、薬剤や厳しい環境でも生きることができますが、弱酸性次亜塩素酸200ppmでは30秒で検出なしというエビデンスもあります。(※財団法人食品分析センター:第12131880001-01,02号)

つまり、次亜塩素酸は、次亜塩素酸ナトリウムと比較して殺菌スピード、効果も顕著に大きくなることが分かっております

また、弱酸性の次亜塩素酸には細菌のエネルギー獲得を阻害することで静菌作用も働き増殖を抑えることも考えられます。

次亜塩素酸はヒドロシキラジカルを副次的に生成している?

先ほど、次亜塩素酸は不安定な塩素ラジカル(Cl・)によって相手を酸化させることで殺菌やウイルスを分解しているとお話ししましたが、それ以外にも殺菌効果がある物質を生成していると考えられてます。

細菌の細胞内部の反応で酸素をお水に変換する過程がありますが、次亜塩素酸がその反応を阻害することでヒドロシキラジカル(OH•)を生成し、ヒドロシキラジカルも塩素ラジカル同様に酸化作用が起きて攻撃すると推定されています。

このような2段階ラジカル攻撃によって即効性を持った除菌メカニズムを作り出しています。

次亜塩素酸の殺菌能力を最大にするためには弱酸性にする

一般的に即効性のある物質は、殺菌効率は濃度と時間に大きく依存しています。

条件に限りますが、次亜塩素酸の濃度が450ppm以下で、pH6~9の間では濃度×時間=殺菌効率となっていることから次亜塩素酸の殺菌について濃度と時間に関係していると言えます。

また、次亜塩素酸はpHが弱酸性の時に一番殺菌効率が上がります。pH5.8とpH7.7を比較すると殺菌効率は2倍の差が出ることが分かっています。

pH以外により殺菌効率を上げるためには温度を上げて使用することが挙げられます。温度と殺菌の関係の実験では15℃、25℃、30℃、40℃の中で温度が上がるに連れて殺菌効率が高くなります

一方温度を上げるごとに濃度の低下も早まるため注意が必要です。これは、筆者の推測にはなりますが、体内の生体反応として熱がでることで、次亜塩素酸の殺菌作用を高めているのかもしれません。

まとめ

次亜塩素酸は殺菌・ウイルス除去に効果があり、かつ作用後はお水に戻るため安全に使用することができます。また、体内の白血球でも生成されており動物が身を守るために備えた生体防御で活躍しています

次亜塩素酸(塩素ラジカル、ヒドロシキラジカル(推定))は、電子を強力に奪う作用で菌やウイルスの外部と内部を破壊し、迅速に反応し熱や次亜塩素酸ナトリウムにも耐える芽胞菌にも効果があります。

より効果を高めるために弱酸性に調整することや多少の温度をあげることで次亜塩素酸の殺菌力を最大にすることができます。次亜塩素酸を活用する時にはデメリットである、紫外線(消費期限)に注意をして使われることをオススメします。

以上、次亜塩素酸とは?消毒の効果と化学的な殺菌メカニズムについてご紹介しました。