牙齿保健和牙膏里的化学知识

◇ 北京 王笃年(特级教师)

问题1为什么吃糖过多容易发生龋齿?为什么制造口香糖时,用木糖醇替代蔗糖就能有利于保护牙齿?

常见糖果的主要成分是蔗糖,蔗糖很容易水解为葡萄糖和果糖.其中葡萄糖(HOCH2(CHOH)4CHO)是一个醛糖,其分子结构中的醛基很容易被氧化为羧基,变为葡萄糖酸,具有酸性.

牙釉质的主要成分是羟基磷灰石[Ca5(OH)(PO4)3],它虽然不易溶解于水,但难溶物并非绝对的不溶,羟基磷灰石在牙齿表面溶液中存在如下溶解平衡:

Ca5(OH)(PO4)3⇌5Ca2＋＋OH－＋3PO3－4.

溶解产生的OH－、PO3－4均易跟酸电离出的H＋结合,使这些离子的浓度下降,从而导致上述平衡不断向右移动,牙釉质被溶解,龋齿就发生了.

木糖醇即戊五醇(HOCH2(CHOH)3CH2OH),它与蔗糖、葡萄糖一样具有甜味且基本没有毒性,但却不会在短时间内被氧化为酸,所以用木糖醇替代蔗糖作为口香糖中的甜味剂,就可以避免龋齿的发生.

需要说明的是,酸性物质对牙釉质的腐蚀作用是持续发生的,同时牙釉质自身也有修复作用,只要口腔液不是长期保持酸性状态,并不那么容易造成龋齿.所以偶尔吃糖不必担心,需要克服的是嗜糖心理.

问题2牙膏里都含有哪些化学成分?

牙膏属于精细化工产品,其基础成分包含两类物质:摩擦剂、清洁剂(表面活性剂).牙膏的前身是“牙粉”,早期的牙粉主要用细粉状的碳酸钙作为摩擦剂、用肥皂末作为清洁剂,这两种物质均对人体无毒、无害.为便于保存、运输和使用,后来人们把牙粉糊化,牙膏就诞生了.

随着牙膏的商品化、普及化,里面的成分除摩擦剂、清洁剂外,各种添加剂陆续登场,增加了牙膏花样品种的同时,其价格也水涨船高.由于牙膏的生产成本整体上不高,加之每日用量毕竟有限,所以还是一种平民化的精细化工商品.

目前各牙膏厂家所采用的摩擦剂成分有所不同,但无外乎碳酸钙(CaCO3)、水合磷酸一氢钙(CaHPO4·2H2O)、焦磷酸钙(Ca2P2O7)、二氧化硅(SiO2)等便宜、易得且无毒、无味的物质.摩擦剂的颗粒直径一般需要控制在几微米到几十微米.若摩擦剂颗粒过大,刷牙时会产生不舒服的沙粒感,颗粒过小则起不到摩擦效果.

说来你可能不信,早期牙膏中的清洁剂(表面活性剂)——对十二烷基苯磺酸钠,和洗衣服用的洗衣粉是一样的,当时人们认为每次刷牙时用量很小,且一般不会被咽下,所以并不会对人体健康造成危害.但是,后来人们还是担心对十二烷基苯磺酸钠中的苯环结构对人体有害,所以用月桂醇硫酸钠(十二烷基硫酸钠)替代了它.这两种物质都是中性的表面活性剂,能快速发泡,清洗牙齿表面污垢.

为保持牙膏呈软性膏状、防止其失水变硬,一般要在牙膏中添加保湿剂.常用的保湿剂有甘油(丙三醇)、山梨醇、丙二醇、二聚乙二醇(二甘醇)等.这些物质都具有多羟基结构,可与水分子形成大量氢键,以避免牙膏中的水分挥发.

为避免细菌对牙膏的污染,以延长其保质期、使用期,现代牙膏中常常添加山梨酸钾、苯甲酸钠等防腐剂.

为改善口味,牙膏设计和制造者还会在其中添加一些风味物质,比如甜味剂、薄荷醇、肉桂醛等香料.这些风味配方往往是各种品牌牙膏的商业机密.

问题3牙膏是酸性的还是碱性的?

如本文问题1所述,牙齿是怕酸的,不管使用时口腔的感觉如何,牙膏一般都不可能呈酸性.刷牙是为保护牙齿的,用一个酸性的牙膏,从科学原理上就讲不通,还能卖得出去吗?

从羟基磷灰石的溶解平衡看,似乎碱性有利于避免牙釉质的损坏,但碱性过强对口腔的其他软组织有腐蚀作用,所以牙膏一般应该呈中性或极弱的碱性.

问题4抗过敏、防龋齿、美白牙膏里都掺了些啥?

牙膏发展的早期,其性能比较单一,就是为了清洁牙齿,后来随着人们对牙齿和口腔健康的深入研究,牙膏也陆续增加了一些附加功能.

牙齿过敏的主要原因是牙釉质被破坏使得牙本质外露,牙齿神经受到外界刺激(咀嚼时的机械作用力、口腔电解质刺激等)而引起的不适感.有的牙膏采用添加具有脱敏作用的电解质的方法,逐渐降低牙神经对于外界刺激的敏感度.更多、更好的方案则是设法补强牙釉质,将裸露的牙本质重新遮盖住,这与防龋齿的原理完全一致.

龋齿发生的原因在于致密而坚硬的牙釉质遭到破坏,里面相对疏松的牙釉质很快溶解,造成牙齿空洞.为防止龋齿,修复或增强牙釉质,科学家提出了两类方案:一是在牙膏中添加含有锶离子(Sr2＋)的化合物,因为锶与钙同族,其性质接近,而Sr2＋半径略大于Ca2＋,这样就会有部分Sr2＋替代Ca2＋进入牙釉质结构,使得牙釉质结构更加致密、牢固;二是在牙膏中适量添加F－(氟化钠、氟化亚锡、单氟磷酸钠、氟化锌等),刷牙时部分F－替代OH－进入牙釉质,将羟基磷灰石转化为更加难溶的氟磷灰石[Ca5F(PO4)3],牙釉质被人为加固、不易被酸性物质腐蚀.值得注意的是,F－是剧毒物质,所以牙膏内掺入的F元素浓度不能太大.

美白牙膏则跟上述两类不太一样,它的目标是让牙齿更加洁白,那就以去掉牙齿表面的有色杂质为主要考量.这类牙膏一般通过改换硬度更大的摩擦剂(比如将碳酸钙换为磷酸一氢钙、石英等)、调整摩擦剂颗粒大小(一般会偏大)、增大刷牙时的摩擦力度等,以期快速将牙齿表面有色物质磨掉.所以长期使用该类牙膏要慎重,因为摩擦力大,牙釉质也容易受到损伤.也有适量添加过氧化物漂白剂的牙膏产品,利用过氧化物的强氧化性将牙齿表面的有色物质漂白去除.

为防止牙龈发炎等常见口腔疾病,有些牙膏中会掺入一定比例的具有抗菌消炎作用的中草药,甚至一定浓度的西药等,制成各种专用牙膏.