アルカリ加水分解プロセス



Gordon I. Kaye 著、
アルカリ加水分解は、複雑な分子が、それらのビルディングブロックを一緒に保持する結合の原子の間に水(H 2 O)、H +および OH-のイオンを挿入することによって構成ブロックに分解される単純で自然なプロセスである。 このプロセスは、動物の組織および屠体が中性またはアルカリ性の pH の土壌に埋もれたときに自然発生します。 この場合、アルカリ加水分解は土壌生物の消化過程によって助けられる。 アルカリ加水分解は、私たちが食べた後も小腸で起こります。 わずかにアルカリ性の pH(約 pH8.0〜8.5)で最も効率的に機能する消化酵素の助けを借りてタンパク質、脂肪、核酸の複合分子が加水分解されます。 歴史的に、アルカリ加水分解は、生物学的分子の化学構造を研究し、研究のために骨格を調製し、動物性脂肪から石けんを作るために使用されてきたが、脂肪を食べて脂肪酸を放出し、次いで混合物を冷却して脂肪酸を沈殿させるそれらのナトリウム塩として使用する。
廃生物学的組織および動物の死体を処理するための焼却の代替手段としてのアルカリ加水分解は、同じ化学反応に基づいており、処理を高速化するために強いアルカリおよび熱が使用される。
プロセスの化学加水分解は、酵素、金属塩、酸または塩基によって触媒され得る。 塩基は、典型的には、水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム(KOH)のようなアルカリ金属水酸化物の水溶液である。 反応物を加熱することにより激しく加水分解が促進される。 タンパク質、核酸、高分子炭水化物、脂質はビルディングブロックの縮合を介して生物によって作られたのと同じように、加水分解によって分解されたり合成されたりすることができます。
ペプチドおよびタンパク質を形成するために、アミノ酸は、1 つのアミノ酸のカルボキシル基が別のアミノ酸アミノ基に縮合したペプチド(アミド)結合において、水を排除して互いに連結される。 すべてのポリペプチドは、主に、炭素、水素、窒素、および酸素の元素と、少量の他の元素、主に硫黄およびリンからなる。 加水分解は、ペプチド結合の酸またはアルカリ触媒による切断および破損時の水の添加によって、アミノ酸のタンパク質への縮合を逆転させる。 水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム溶液または両方の混合物の形態のアルカリは、約 100°C~180°Cおよびそれ以上の範囲の温度で使用され、急速溶解のために、次いで蛋白質を小さなペプチドおよびアミノ酸の形態で加水分解するそれらのナトリウムまたはカリウム塩。
20°C未満の温度で NaOH 溶液の濃縮(50%)原液が不安定であるため、水酸化カリウムまたは水酸化カリウム水酸化ナトリウムとの混合物が好ましいアルカリ溶液である。 すべてのタンパク質は、その起源にかかわらず、アルカリ加水分解によって破壊される。 動物の化学組成の例を表 1 に示す。

 

アルカリ加水分解の効果について:

 

タンパク質
アルカリ加水分解は、動物細胞および組織の主要な固体成分であるタンパク質中のすべてのペプチド結合の約 40%のランダムな破壊をもたらす。 加水分解の生成物の大部分は、2-5 残基の範囲内の単一アミノ酸または小さなペプチド(加水分解物のほぼ 98%)である。 英国のレンダリングプラントで消化され、マトリックス支援レーザー脱離/飛行時間型飛行時間型質量分析(MALDI-TOF MS)分析を受けたヒツジ屠殺体の加水分解物の分析は、見出された最大のペプチドが分子量 800〜1,100 ダルトン(Da)の間、すなわち 7〜9 アミノ酸残基の範囲内であった。 MALDI-TOF MS は、UV 光吸収マトリックスと生体分子との共沈殿物にナノ秒のレーザーパルスを照射する、比較的新規な技術である。 レーザーエネルギーの大部分はマトリックスによって吸収され、これにより生体分子の望ましくない断片化が防止される。 イオン化された生体分子は電界中で加速され、飛行管に入る。 このチューブ内での飛行中、異なる分子はそれらの質量対電荷比に従って分離され、異なる時間に検出器に到達する。 このようにして、各分子は明確なシグナルを生じる。
この方法は、400〜350,000Da の分子量を有するタンパク質、ペプチド、オリゴ糖、およびオリゴヌクレオチドなどの生体分子の検出および特徴付けに使用される。 それは 0.1〜0.01%の精度で低(10-15〜10-18 モル)の試料の検出を可能にする非常に敏感な方法である。 アルカリ加水分解は、遊離アミノ酸のナトリウムおよび/またはカリウム塩を生成する。 オリゴペプチド(アミノ酸の小さな鎖)が反応の中間体として生成される。 アルギニン、アスパラギン、グルタミン、およびセリンなどのいくつかのアミノ酸は破壊され、他のものはラセミ化される。 すなわち、分子は左手系立体配置から左手系分子および右手系分子の混合物に構造的に修飾されている。 さらに、炭水化物(糖)側鎖は糖タンパク質から放出される。 アルカリ加水分解プロセスで使用される温度およびアルカリ濃度の極限条件下では、ウイルスのタンパク質コートが破壊され、プリオンのペプチド結合が破壊される。

 

脂質
シンプルな脂肪は、エステル結合を介してグリセロールの分子に結合した 3 つの脂肪酸鎖からなる。 アルカリ加水分解の間、これらのエステル結合のすべて、ならびに細胞分泌物および細胞膜のステロールエステルおよびリン脂質は、アルカリの消費とともに加水分解し、脂肪酸のナトリウム塩およびカリウム塩、すなわち石鹸を生成する。 KOH は、加水分解物が室温に向かって冷えるにつれてカリウム石鹸が液体のままであるので、好ましいアルカリである。 別の細胞膜成分である糖脂質のアミド基も加水分解され、アルカリが消費されます。 多価不飽和脂肪酸およびカロチノイド(色素)は分子再配列を受け、したがって破壊される。

 

炭水化物
一群のポリマーとして、炭水化物は、アルカリ加水分解によって最もゆっくりと影響を受ける細胞および組織の構成成分である。 動物におけるグルコースの最も一般的な大きなポリマーであるグリコーゲンおよび植物におけるグルコースの最も一般的な大きなポリマーであるデンプンは、直ちに可溶化される。 しかしながら、これらのポリマーの分解は、大きな細胞内および細胞外ポリマーに必要とされるよりもはるかに長い処理を必要とする。 セルロースのような大きな 1 つの大きな炭水化物分子である 1-4,4 結合グリカンは、人間の腸内で消化されるので、アルカリ加水分解に対してかなり抵抗性があります。 他方、セルロース系材料は、通常、放牧動物の消化管においてのみ生じ、一般に、それらは浸軟され、部分的に消化される。したがって、たとえ遅い場合でさえ、さらなる劣化は、通常、問題を引き起こさない。 アルカリ加水分解はまた、結合組織の主要な炭水化物である糖タンパク質、グリコサミノグリカン、および糖脂質の分子ならびに昆虫および他の無脊椎動物キチン質外骨格(例えば、カニおよびロブスターの甲羅)から重要な基を除去する。 (1-3)結合グリカン、例えばコンドロイチン硫酸はゆっくりと分解される。 グルコースガラクトース、およびマンノースなどのすべての単糖類(単糖類)は、高温のアルカリ性水溶液によって急速に破壊される。

 

核酸
核酸は、脂質のより単純なエステル結合に類似しているが、結合構造の一部としてリン酸基を含む、ホスホジエステル結合によって一緒に保持された、大きな、非分枝状の線状ポリマーである。 これらのエステル結合はまた、アルカリの消費、急速に破壊されるリボ核酸(RNA)およびよりゆっくりと破壊されるデオキシリボ核酸(DNA)の消費によって加水分解される。
難消化性物質紙、糸、未消化植物繊維、木材削り屑(寝具)などのセルロースをベースにした品目は、動物の死体と関連する可能性がある他の項目の中にあります。 それらはアルカリ加水分解によっては消化できないが、その過程に干渉しない。 ゴム、ほとんどのプラスチック、セラミック、カテーテル、針、クリップ、ステープルなどのステンレススチールも同様です。 タンパク質性である絹糸およびコラーゲン縫合糸は迅速に消化される。 難消化性物質は、アルカリ加水分解プロセスによって完全に滅菌される。 任意の鋭利物を適切に処理した後、これらの品目は、衛生的な埋立地で通常の廃棄物として処分することができる。 アルカリ加水分解後、動物組織の未消化残留物、特に骨および歯の無機(リン酸カルシウム)成分は、組織の元の重量の約 3%(体積の 2%未満)を構成し、それは完全に滅菌されており、土壌添加剤として使用できる粉末(図 1)に簡単に粉砕されます。