牙齒保健和牙膏里的化學知識

◇ 北京 王篤年(特級教師)

問題1為什么吃糖過多容易發生齲齒?為什么制造口香糖時,用木糖醇替代蔗糖就能有利于保護牙齒?

常見糖果的主要成分是蔗糖,蔗糖很容易水解為葡萄糖和果糖.其中葡萄糖(HOCH2(CHOH)4CHO)是一個醛糖,其分子結構中的醛基很容易被氧化為羧基,變為葡萄糖酸,具有酸性.

牙釉質的主要成分是羥基磷灰石[Ca5(OH)(PO4)3],它雖然不易溶解于水,但難溶物并非絕對的不溶,羥基磷灰石在牙齒表面溶液中存在如下溶解平衡:

Ca5(OH)(PO4)3?5Ca2＋＋OH－＋3PO3－4.

溶解產生的OH－、PO3－4均易跟酸電離出的H＋結合,使這些離子的濃度下降,從而導致上述平衡不斷向右移動,牙釉質被溶解,齲齒就發生了.

木糖醇即戊五醇(HOCH2(CHOH)3CH2OH),它與蔗糖、葡萄糖一樣具有甜味且基本沒有毒性,但卻不會在短時間內被氧化為酸,所以用木糖醇替代蔗糖作為口香糖中的甜味劑,就可以避免齲齒的發生.

需要說明的是,酸性物質對牙釉質的腐蝕作用是持續發生的,同時牙釉質自身也有修復作用,只要口腔液不是長期保持酸性狀態,并不那么容易造成齲齒.所以偶爾吃糖不必擔心,需要克服的是嗜糖心理.

問題2牙膏里都含有哪些化學成分?

牙膏屬于精細化工產品,其基礎成分包含兩類物質:摩擦劑、清潔劑(表面活性劑).牙膏的前身是“牙粉”,早期的牙粉主要用細粉狀的碳酸鈣作為摩擦劑、用肥皂末作為清潔劑,這兩種物質均對人體無毒、無害.為便于保存、運輸和使用,后來人們把牙粉糊化,牙膏就誕生了.

隨著牙膏的商品化、普及化,里面的成分除摩擦劑、清潔劑外,各種添加劑陸續登場,增加了牙膏花樣品種的同時,其價格也水漲船高.由于牙膏的生產成本整體上不高,加之每日用量畢竟有限,所以還是一種平民化的精細化工商品.

目前各牙膏廠家所采用的摩擦劑成分有所不同,但無外乎碳酸鈣(CaCO3)、水合磷酸一氫鈣(CaHPO4·2H2O)、焦磷酸鈣(Ca2P2O7)、二氧化硅(SiO2)等便宜、易得且無毒、無味的物質.摩擦劑的顆粒直徑一般需要控制在幾微米到幾十微米.若摩擦劑顆粒過大,刷牙時會產生不舒服的沙粒感,顆粒過小則起不到摩擦效果.

說來你可能不信,早期牙膏中的清潔劑(表面活性劑)——對十二烷基苯磺酸鈉,和洗衣服用的洗衣粉是一樣的,當時人們認為每次刷牙時用量很小,且一般不會被咽下,所以并不會對人體健康造成危害.但是,后來人們還是擔心對十二烷基苯磺酸鈉中的苯環結構對人體有害,所以用月桂醇硫酸鈉(十二烷基硫酸鈉)替代了它.這兩種物質都是中性的表面活性劑,能快速發泡,清洗牙齒表面污垢.

為保持牙膏呈軟性膏狀、防止其失水變硬,一般要在牙膏中添加保濕劑.常用的保濕劑有甘油(丙三醇)、山梨醇、丙二醇、二聚乙二醇(二甘醇)等.這些物質都具有多羥基結構,可與水分子形成大量氫鍵,以避免牙膏中的水分揮發.

為避免細菌對牙膏的污染,以延長其保質期、使用期,現代牙膏中常常添加山梨酸鉀、苯甲酸鈉等防腐劑.

為改善口味,牙膏設計和制造者還會在其中添加一些風味物質,比如甜味劑、薄荷醇、肉桂醛等香料.這些風味配方往往是各種品牌牙膏的商業機密.

問題3牙膏是酸性的還是堿性的?

如本文問題1所述,牙齒是怕酸的,不管使用時口腔的感覺如何,牙膏一般都不可能呈酸性.刷牙是為保護牙齒的,用一個酸性的牙膏,從科學原理上就講不通,還能賣得出去嗎?

從羥基磷灰石的溶解平衡看,似乎堿性有利于避免牙釉質的損壞,但堿性過強對口腔的其他軟組織有腐蝕作用,所以牙膏一般應該呈中性或極弱的堿性.

問題4抗過敏、防齲齒、美白牙膏里都摻了些啥?

牙膏發展的早期,其性能比較單一,就是為了清潔牙齒,后來隨著人們對牙齒和口腔健康的深入研究,牙膏也陸續增加了一些附加功能.

牙齒過敏的主要原因是牙釉質被破壞使得牙本質外露,牙齒神經受到外界刺激(咀嚼時的機械作用力、口腔電解質刺激等)而引起的不適感.有的牙膏采用添加具有脫敏作用的電解質的方法,逐漸降低牙神經對于外界刺激的敏感度.更多、更好的方案則是設法補強牙釉質,將裸露的牙本質重新遮蓋住,這與防齲齒的原理完全一致.

齲齒發生的原因在于致密而堅硬的牙釉質遭到破壞,里面相對疏松的牙釉質很快溶解,造成牙齒空洞.為防止齲齒,修復或增強牙釉質,科學家提出了兩類方案:一是在牙膏中添加含有鍶離子(Sr2＋)的化合物,因為鍶與鈣同族,其性質接近,而Sr2＋半徑略大于Ca2＋,這樣就會有部分Sr2＋替代Ca2＋進入牙釉質結構,使得牙釉質結構更加致密、牢固;二是在牙膏中適量添加F－(氟化鈉、氟化亞錫、單氟磷酸鈉、氟化鋅等),刷牙時部分F－替代OH－進入牙釉質,將羥基磷灰石轉化為更加難溶的氟磷灰石[Ca5F(PO4)3],牙釉質被人為加固、不易被酸性物質腐蝕.值得注意的是,F－是劇毒物質,所以牙膏內摻入的F元素濃度不能太大.

美白牙膏則跟上述兩類不太一樣,它的目標是讓牙齒更加潔白,那就以去掉牙齒表面的有色雜質為主要考量.這類牙膏一般通過改換硬度更大的摩擦劑(比如將碳酸鈣換為磷酸一氫鈣、石英等)、調整摩擦劑顆粒大小(一般會偏大)、增大刷牙時的摩擦力度等,以期快速將牙齒表面有色物質磨掉.所以長期使用該類牙膏要慎重,因為摩擦力大,牙釉質也容易受到損傷.也有適量添加過氧化物漂白劑的牙膏產品,利用過氧化物的強氧化性將牙齒表面的有色物質漂白去除.

為防止牙齦發炎等常見口腔疾病,有些牙膏中會摻入一定比例的具有抗菌消炎作用的中草藥,甚至一定濃度的西藥等,制成各種專用牙膏.