一般向け/高校生向け楽しい化け学
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先日数年ぶりに歯医者さんに行きました。

それで歯について考えていると、ふと思い出したのが子供のころに使っていた歯垢を可視化するための色水。

あれがどういう原理なのか調べてみたらこれがなかなか奥深い!

まさに私の専門、機能性色素のフィールド!

ということで今回は歯垢染色剤の化学についてご紹介します。



虫歯(う歯)とは

そもそも虫歯とは?

歯に堆積した食べかすである歯垢に含まれる糖質を、ミュータンス菌などが代謝して乳酸CH3CH(OH)COOHなどの酸を生成し、それがリン酸カルシウムの一種であるヒドロキシアパタイトCa5(PO4)3OHを主成分とする歯を溶かしてしまう病気。

例:ブドウ糖C6H12O6の代謝による乳酸の生成反応(嫌気的解糖




◎ ミュータンス菌は嫌気性(酸素を使わない)球菌。ブドウ糖は嫌気的に解糖されて2分子の乳酸になります。


例:乳酸による歯の溶解反応

Ca5(PO4)3OH + 10CH3CH(OH)COOH → 5[CH3CH(OH)COO]2Ca + 3H3PO4 + H2O

◎ ヒドロキシアパタイトは水に不溶ですが、乳酸カルシウム[CH3CH(OH)COO]2Caは水に可溶です。



歯垢染色剤

歯垢は歯の色とほとんど同じで見えにくい。

そこで色素を使って染めて見えやすくし、歯磨きにより綺麗に落とせたかどうかチェックできます。

有機色素は歯とは親和性が低く染色しませんが、有機物の塊である歯垢には吸着されて染色します。

例えば以下のようなキサンテン系色素トリフェニルメタン系色素等のタール色素が用いられます。



歯垢染色剤に用いられる有機色素。
エリスロシン(赤色3号)、フロキシン(赤色104号)、ローズベンガル(赤色105号)、ブリリアントブルーFCF(青色1号)。



また、新しい歯垢と古い歯垢とを別々の色で染色仕分けられるバイカラータイプの歯垢染色液もあります。

さっき食べたものが付着しているのか、それとも長期的に堆積してるのかわかるわけです。

古い歯垢は石灰化してスポンジ状になり、色素を吸着しやすくなる性質があります。

そこで例えばフロキシン(赤色)とFCF(青色)との混合溶液を用いると、吸着されやすいフロキシンは新しい歯垢にも古い歯垢にも吸着しますが、FCFは古い歯垢にのみ吸着されます。

すると新しい歯垢は赤色に、古い歯垢は赤紫色に染め分けられるようになるわけです。



バイカラータイプの歯垢染色剤の原理




高リスク歯垢に選択的な識別染色剤

さらに機能的な歯垢染色剤が考案されています。

歯垢の中でも特に重要な、う蝕原因菌が存在し初期う歯となっている部位を選択的に染色することができれば、効率的に衛生処理やフッ素処理などの処置が行えます。

そこで例えば下記のような機能性色素(の溶液系)が開発されています。


pH応答性色素

う触原因菌は代謝により乳酸を生産するので、それが存在する歯垢は酸性を示します。

そこでそのpHに応答して色が変化する色素を用いればう触原因菌の居場所がわかります。

色調変曲点がpH4~7にある色素が効果的だそうです。

酸によって、例えばコチニール色素カルミン酸)は赤紫から赤橙色へ、エノシアニン色素(マルビジン-3-グルコシド:アントシアニン系色素)は赤紫色から赤色へと変化します。



pH応答性天然色素:カルミン酸とマルビジン-3-グルコシド



酸化還元色素

う歯原因菌ももちろん、生物は酸化還元反応により代謝を行い生命活動を行っています。

そこで酸化還元反応により色が変化する色素を用いれば、う歯原因菌の存在するところで色素が代謝されて発色するので可視化されます。

例えばほぼ無色(黄色)のテトラゾリウム塩である臭化3-(4,5-ジメチルチアゾール-2-イル)-2,5-ジフェニルテトラゾリウム(MTT)は、生細胞の還元酵素による反応で還元開環し、紫色のホルマザン色素に変化します。



他にもレサズリン色素(青色→青紫色)等も用いられています。


代謝物と反応する色素

前述のようにう触原因菌は代謝により乳酸を生じるので、乳酸をセンシングして発色すればその存在を認知できます。

例えば乳酸デヒドロゲナーゼと還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドNADH)、電子移動剤、そして同様に先のMTT等のテトラゾリウム塩を反応させる例があります。



以上、ハミガキグッズひとつ取ってもたくさんの色素が働いていることがわかりました。

特に選択性の高い機能性色素の作用メカニズムは非常に面白いですね。

この機会にぜひ原材料表示などを読んで身の回りのものに使われている色素を見つけ、どんなお仕事をしているか調べてみてください。

機能性色素は実に働き者なことがわかりますよ!



参考

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