TWI381857B - 口腔保健用之非晶性磷酸鈣之製備方法及其組成物 - Google Patents

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Description

口腔保健用之非晶性磷酸鈣之製備方法及其組成物
本發明係關於一種口腔保健(oral care)用之非晶性磷酸鈣(amorphous calcium phosphate,ACP)之製備方法及口腔保健組成物，尤指一種利用牡蠣殼(oyster shell)所製備之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物。
牡蠣(oyster)是臺灣主要的養殖水產品之一，每年牡蠣產量約達二萬噸。牡蠣經採肉後即產生大量廢棄物「牡蠣殼」，估算牡蠣殼則約為二十萬噸，其少部分利用為牡蠣幼苗之附苗器、人工魚礁、手工藝品、營建材料、養魚池之底泥改善、動植物飼料、土壤改良等用途。然而，廢棄殼未利用量太多，目前大多數將牡蠣殼棄置或掩埋。同時，因剝肉時殘留的肉及存在殼質中有機質，經日晒雨淋及發酵發臭，不僅使漁村景觀不雅觀，且腐敗所產生的惡臭及污水，嚴重影響漁村的環境衛生等問題。因此，如能進一步利用，除了可改變傳統過去低價值用途，並可藉此提升產業之發展，同時解決廢棄物之污染問題。
牡蠣殼主要成分為碳酸鈣(calcium carbonate)，常用為強化骨骼之鈣源。據研究指出，牡蠣殼中含量最多為碳酸鈣(95.994%)，剩餘成分為金屬氧化物，如氧化鈉、氧化鎂、氧化鍶等。下表係顯示牡蠣殼各個元素之含量：
因此，若能將牡蠣殼加工，不僅能利用其豐富之鈣源，並且含有許多微量元素，不但可以增加牡蠣殼(天然鈣源)之用途與利用價值，同時降低環境污染等問題。
為充分利用廢棄牡蠣殼，已有許多將牡蠣殼中鈣成份取出之方法，以應用於補充鈣的健康食品中。目前已有研究揭露一種包含由動物殼體所製備之鈣粉末的健康飲用劑。其中，健康飲用劑中所含之鈣粉末的製備方法為：將洗淨的動物殼體於100℃下滅菌及乾燥後，經粉碎過濾可製得鈣粉末。另外，亦有研究揭露一種由動物殼體製造健康飲用劑之鈣粉末的方法。此製備方法為：將洗淨的動物殼體於900-1400℃下燒結後調製成一含鈣水溶液，再通入二氧化碳可經沉澱收集，製得高純度之碳酸鈣粉末。
此外，由於牡蠣殼灰化後轉化成的氧化鈣具有不錯之殺菌能力，故可作為天然之殺菌劑，降低因廢水排放所造成之二次污染。由上述可知，近年來已陸續發展出將牡蠣殼加工製成食品與清潔等應用產品。
關於非晶性磷酸鈣而言，常利用其適當的鈣磷比與其較易溶解的特性，用於營養保健與口腔保健的產品中，市面上常利用氯化鈣等合成非晶性磷酸鈣之產品。然而，目前生成非晶性磷酸鈣之方法多使用氯化鈣(CaCl2 )等酸性原料，以滴定法進行備製，而反應如下所示：3CaCl2 +2Na2 HPO4 +nH2 O → Ca3 (PO4 )2 ．nH2 O+4NaCl+2HCl值得注意的是，在合成非晶性磷酸鈣時pH值必須控制在8.5~12之間，否則會製得其它高結晶度之磷酸鈣鹽類。當使用氯化鈣製備非晶性磷酸鈣時，在合成過程中常會產生許多鹽酸等酸性物質，容易導致反應PH值低於8.5，而得不到非晶性磷酸鈣產物。再者，為中和反應所產生的酸性物質，在合成的過程中常加入鹼類(NaOH等)用以中和此酸性。然而，若反應完畢後未能充分清洗產物，則易殘留因酸鹼中和所產生之鹽類副產物，而影響樣品純度。除此之外，利用氯化鈣製備非晶性磷酸鈣時，必須使用鹼液調整而穩定反應溶液pH值，其所需耗費的時間，往往長達24小時。因此，傳統方式製備非晶性磷酸鈣，將面臨製程複雜、反應時間長、pH調控易不當及鹽類易殘留等問題。
將非晶性磷酸鈣配製成口腔保健用品的研究甚多，其中，已有專利曾揭露一種含有鈣組成份及酸化劑之口服液態組合物，藉由將非晶性磷酸鈣添加至飲料或漱口水中，達到預防齲齒的效果。此外，更有報告提出一種口腔保健組成物，藉由在牙膏中添加非晶性磷酸鈣及氟化鈉而達到保健牙齒的效果。然而，目前應用在口腔保健用品上之非晶性磷酸鈣，大多從氯化鈣製備而成，故製程較複雜且成本較高，且在本身的非晶性磷酸鈣中，並未含其他有助於牙齒保健之微量元素。因此，若能以簡便、快速且便宜的方法製備成非晶性磷酸鈣，同時在其非晶性磷酸鈣組成物中，即含有助於牙齒保健之微量元素，不僅將可廣泛便利應用，對於預防齲齒的口腔保健用品上，其功效更為顯著。
在微量元素對於牙齒保健等功能方面，鍶及氟離子均具有相當程度之功效。鍶離子可與齒表形成鍶複合磷灰石的沉積，用以阻斷或封閉牙本質小管的牙髓處開口，以達到去敏感及抗齲齒等目的。氟離子可幫助牙齒形成結構更緊密之氟複合磷灰石，使齒表具有更高的抗酸與抗齲齒能力。根據U.S. Public Health Service報告中指出，如在飲水中添加1ppm之氟，可減少50~66%之齲齒發生率，另外於牙齒表面上塗抹2%之氟劑，也可降低40%之孩童齲齒發生率。
因此，若能發展出一種應用牡蠣殼為原料製備非晶性磷酸鈣之方法，同時，可減少製程時間並避免反應產物中有鹽類殘留等問題。所製備之非晶性磷酸鈣應用於口腔保健用品上，更可利用牡蠣殼本身之特殊微量元素，使組成物更具增強牙齒保健功效，並且可將廢棄牡蠣殼充分應用而減少環境污染之問題，提升其附加價值。
本發明之主要目的係在提供一種口腔保健用之非晶性磷酸鈣(ACP)之製備方法，俾能以簡單的製程製備非晶性磷酸鈣，並且組成物中含有氟及鍶之微量元素，達到簡易、低成本、降低環境污染及具口腔保健功效之組成物。
本發明之另一目的係在提供一種口腔保健組成物，由於本發明之口腔保健組成物中所包含之非晶性磷酸鈣之鈣源係取自於牡蠣殼，達到充分利用牡蠣殼及其微量元素之目的。此外，由於以牡蠣殼為原料所製作之非晶性磷酸鈣，其成本便宜，內含多種微量元素，故更可廣泛應用在口腔保健用品上，達到預防齲齒及助牙齒再礦化之功效。
為達成上述目的，本發明提供一種非晶性磷酸鈣之製備方法，包括下列步驟：(a)清洗並粉碎一牡蠣殼；(b)燒結牡蠣殼，以製得一含鈣粉末；(c)將含鈣粉末溶於水中，製得一含鈣溶液；以及(d)滴加含鈣溶液於一磷酸鹽水溶液中，以析出一非晶性磷酸鈣。
此外，本發明亦提供一種口腔保健組成物，包括：一非晶性磷酸鈣；其中，該非晶性磷酸鈣係經由下列步驟製備而成：(a)清洗並粉碎一牡蠣殼；(b)燒結牡蠣殼，以製得一含鈣粉末；(c)將含鈣粉末溶於水中，製得一含鈣溶液；以及(d)滴加含鈣溶液於一磷酸鹽水溶液中，以析出含氟、鍶元素之非晶性磷酸鈣。
本發明之口腔保健用之非晶性磷酸鈣之製備方法及口腔保健組成物，其利用牡蠣殼豐富的鈣源及微量元素來製備非晶性磷酸鈣。同時，本發明製備非晶性磷酸鈣過程中，不需經pH值的調控即可穩定產出，故反應過程較簡便、所需的時間較短且產率高。再者，本發明製備非晶性磷酸鈣過程不會因pH值調控不當造成非晶性磷酸鈣製作失敗，亦不會因未將pH值調控時所產生的鹽類清洗乾淨而造成鹽類殘留的問題。因此，利用本發明之口腔保健用之非晶性磷酸鈣之製備方法，除了以簡單製程製備出產率高之非晶性磷酸鈣，並可充分利用牡蠣殼的含鈣成分，以減少資源浪費及環境污染等問題。此外，本發明之口腔保健組成物中所包含之非晶性磷酸鈣、氟與鍶之微量元素，由於其鈣源與微量元素係取自於牡蠣殼，故更可增加牡蠣殼之價值。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，於步驟(c)後更包括步驟(c1)：過濾含鈣溶液。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，於步驟(d)後更包括步驟(d1)：過濾非晶性磷酸鈣，並清洗非晶性磷酸鈣。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，於步驟(d1)後更包括步驟(d2)：乾燥非晶性磷酸鈣。其中，步驟(d2)可採用噴霧乾燥法、冷凍乾燥法或直接加熱法乾燥非晶性磷酸鈣。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，步驟(b)之燒結溫度可為800℃至1200℃。較佳為，步驟(b)之燒結溫度為1000℃至1100℃。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，步驟(b)之燒結時間為1小時至3小時。
在本發明之非晶性磷酸鈣製備方法及口腔保健組成物中，步驟(d)之磷酸鹽水溶液為磷酸氫二鈉(Na2 HPO4 )水溶液。
後續將伴隨著實施例，更詳細地描述本發明之技術內容。
《實施例》 調製鹼性鈣液
充分洗淨之牡蠣殼，並去除黑色部份，以機器打碎後，於1100℃下燒結牡蠣殼2小時，即可製得含鈣粉末，且此含鈣粉末之主要成份為氧化鈣。將5g含鈣粉末加入1L去離子水中，經攪拌混合後，收集過濾後之鹼性濾液，可製得高濃度之鹼性含鈣溶液。
製備磷酸鈣鹽粉末
將上述之鹼性含鈣溶液滴加入含1M磷酸氫二鈉之水溶液中，並予以攪拌混合，所析出之白色顆粒產物即為非晶性磷酸鈣鹽類。最後，將反應產物以過濾進行固-液態分離，並直接將其乾燥，可得非晶性磷酸鈣粉末產物。
非晶性磷酸鈣粉末之X光繞射數據
將本實施例製得之非晶性磷酸鈣粉末以廣角X光繞射分析儀進行分析，其測試條件如下：
Scan rate:1o /min
Scan angle:10-60o
Sample width:0.05o /S
Div Slit:1/2o
Div H.L.Slit:5mm
Sct Slit:auto
Rec Slit:0.3mm
其測試結果如圖1所示，顯示本實施例確實製得非晶性磷酸鈣。
《比較例1》
利用傳統製程製備非晶性磷酸鈣。將1.67M之氯化鈣溶液滴加入含1M之磷酸氫二鈉之水溶液中，並予以攪拌混合，可製得非晶性磷酸鈣。同時，在滴加氯化鈣溶液過程中，利用NaOH調整反應溶液之pH值，以控制溶液pH值在8.5~12之間，需耗費24小時，以穩定pH值。接著，將反應產物以過濾法進行固-液態分離，再用適當之去離子水清洗，以去除因酸鹼中和所產生之氯化鈉。最後，再一次過濾並乾燥後，可得非晶性磷酸鈣粉末產物。
《比較例2-未調控反應溶液pH值》
比較例2之非晶性磷酸鈣粉末之製作方法與比較例1相同，除了反應溶液之pH值為4.0。
《比較例3-反應溶液pH值調控不佳》
比較例3之非晶性磷酸鈣粉末之製作方法與比較例1相同，除了反應溶液之pH值為7.0。
《比較例4-鹽類殘留》
比較例4之非晶性磷酸鈣粉末之製作方法與比較例1相同，除了非晶性磷酸鈣粉末產物中仍殘留有NaCl。
《比較例5-氧化鈣為原料》
將5g含氧化鈣末加入1L去離子水中，經攪拌混合後，收集過濾後之鹼性濾液，可製得高濃度之鹼性含鈣溶液。再利用與實施例1相同方法製備磷酸鈣鹽粉末，可製得本比較例之非晶性磷酸鈣粉末產物。
《試驗例》 實施例與比較例非晶性磷酸鈣之製程比較
將實施例與比較例2~4所製得之粉末產物，以X光繞射分析儀進行分析。測試條件如上所示，而測試結果如圖2所示。比較例2所製成之粉末產物，經X光繞射分析，顯示粉末產物存在有各種不同型態之磷酸鈣鹽，並非預期之非晶性磷酸鈣。此外，比較例3所製成之粉末產物，顯示其粉末產物為結晶性磷酸鈣鹽。由於結晶性磷酸鈣鹽不易溶於水，將會影響到Ca2+ 與PO4 2- 之釋放能力，因此在本案中應用價值不佳。
另一方面，比較例4所製成之粉末產物，雖有良好調控反應溶液pH值，但水洗調控不佳，仍有鹽類物質殘留。此反應後必須以適當的水量洗去鹽類，水量太大則會導致結晶性改變(比較例3)，水量太少則會有鹽類殘留其中(比較例4)，所以易因調控不佳，造成樣品變化。
反觀實施例所製得之非晶性磷酸鈣粉末，其X光繞射分析數據顯示即為高純度之非晶性磷酸鈣粉末，不含任何反應雜質。因此，實施例除了製程簡便且製備時間快速外，且不需特別注意pH值及鹽類殘留等問題，即可生成穩定且高純度之非晶性磷酸鈣。
非晶性磷酸鈣粉末之感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)分析元素數據
將本實施例與比較例5所製得之非晶性磷酸鈣粉末以ICP-MS進行分析比對，其測試結果如下表1所示。結果顯示，實施例中含有微量元素氟離子(535.97ppm)及鍶離子(168.10ppm)，相較於比較例5中並未偵測到此兩種微量元素。
由此結果可知，以牡蠣殼為原料之製程不僅可以利用其鈣源快速合成非晶性磷酸鈣，更可以保留及利用本身特有之微量元素，其含氟及鍶之組成物，具牙齒保健功效，並非一般原料及製程所有之特性。
非晶性磷酸鈣之緩衝特性測試
將本實施例及比較例1所製備之非晶性磷酸鈣粉末溶於水中，製得濃度為1wt%之非晶性磷酸鈣溶液，並另以純水作對照。接著以1N鹽酸(hydrogen chloride,HCl)之酸性溶液進行滴定後，透過測量溶液系統之pH值變化，以表徵本實施各例之緩衝能力(buffering capacity)，測試結果如圖3所示。依據其結果，另計算其變化之斜率，以表徵各組之緩衝斜率，測試結果如下表2所示。
在純水中滴入HCl溶液會使其pH值由6.5快速下降至2.1，其緩衝斜率為-411。在比較例1中，滴入HCl溶液會使其pH值由7.4下降至5.5，其緩衝斜率為-43。在本實施例中，滴入HCl溶液會使其pH值由7.7下降至5.9，其緩衝斜率僅為-26。綜合以上結果顯示，本實施例之非晶性磷酸鈣，不僅相對於純水有優異的緩衝效果，而與比較例1相較下，亦具有較佳的緩衝能力。
故本實施例所製得之非晶性磷酸鈣粉末，若應用於口腔保健用品上，不僅可減緩口腔酸性，並降低因酸性物質所造成之齲齒，並具有良好口腔保健等功能，且其效果優於傳統製程之非晶性磷酸鈣。
非晶性磷酸鈣之鈣離子釋放速率測試
將本實施例、比較例1及比較例5所製備之非晶性磷酸鈣，依2mg粉末/10mL去離子水之比例添加混合，經過10min後，再以鈣離子電極測試其所釋放於水中之鈣離子含量，以表徵鈣離子之釋放速率，結果如圖4所示。結果顯示，實施例在10min內約可以釋放56ppm之鈣離子，然而在比較例1之鈣離子濃度僅有24ppm，在比較例5之鈣離子濃度則為42ppm。其中實施例與比較例1相比，大幅提升其效果，約增加127%，另與比較例5相比，提升效果約增加32%。此結果證明利用實施例所製成之非晶性磷酸鈣粉末，有優異的鈣離子釋放速率，此結果有助於口腔補充鈣離子效率，增進牙齒再礦化等修復能力。
綜合以上所述，本發明之非晶性磷酸鈣之製備方法及口腔保健組成物，具有下列優點：(1)利用牡蠣殼豐富的鈣含量，可降低原料成本，並同時達到資源充分利用及降低環境污染之目的；(2)生產流程簡便，且縮短配製非晶性磷酸鈣所需的時間(約5分鐘)，而傳統製備方法則需24小時；(3)產率高達90%；(4)所製得之非晶性磷酸鈣顆粒比傳統製備方法所製得之顆粒要透明且細小，故溶解速率也更加快速；(5)製程穩定，不需使用鹼液平衡pH值，故不會產生鹽類殘留的問題；(6)組成物本身含有特殊氟及鍶微量元素，具有增強牙齒保健之功效；(7)具有良好的緩衝效果，可中和口腔酸性並預防齲齒；且(8)優異的鈣離子釋放速率，更可藉由非晶性磷酸鈣幫助牙齒再礦化。
 產業利用性
利用本發明所製備之非晶性磷酸鈣，其使用牡蠣殼與磷酸鹽為原料，除了製程簡便外，更可改善牡蠣殼所造成的環境污染問題。此外，相較於使用氯化鈣所製備之非晶性磷酸鈣，本發明所使用之牡蠣殼與磷酸鈣因原料成本便宜，且不須添加額外的鹼液，故可大幅降低非晶性磷酸鈣製作成本。並且，在製備的過程中不需水洗，降低廢水排放，造成環保處理等問題。因此，在生醫材料、口腔衛生保健用品上，如漱口水及牙膏等，除可降低其產品成本，更可達到預防齲齒，增進牙齒再礦化等保健功效。除此之外，本發明所製備之非晶性磷酸鈣，更可添加在食品中，如口香糖、含鈣飲品及食品等，不僅可以進一步提供鈣質，更可達到中和口中酸性的效果。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
圖1係本發明一較佳實施例所製備之非晶性磷酸鈣之X光繞射圖。
圖2係本發明一較佳實施例與比較例2、3、4所製備之非晶性磷酸鈣之X光繞射圖。
圖3係本發明一較佳實施例、比較例1與純水之緩衝酸性測試結果。
圖4係本發明一較佳實施例、比較例1與比較例5之水中鈣離子釋放速率測試結果。

Claims (12)

  1. 一種非晶性磷酸鈣之製備方法，包括下列步驟：(a)清洗並粉碎一牡蠣殼；(b)於1100℃下燒結該牡蠣殼2小時，以製得一含鈣粉末；(c)將該含鈣粉末溶於水中，製得一含鈣溶液；以及(d)滴加該含鈣溶液於一磷酸鹽水溶液中，以析出一非晶性磷酸鈣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於步驟(c)後更包括步驟(c1)：過濾該含鈣溶液。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於步驟(d)後更包括步驟(d1)：過濾該非晶性磷酸鈣，並清洗該非晶性磷酸鈣。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製備方法，其中於步驟(d1)後更包括步驟(d2)：乾燥該非晶性磷酸鈣。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該步驟(d2)係採用噴霧乾燥法、或直接加熱法乾燥該非晶性磷酸鈣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該步驟(d)之該磷酸鹽水溶液為磷酸氫二鈉(Na2 HPO4 )水溶液。
  7. 一種口腔保健組成物，包括：一非晶性磷酸鈣；其中，該非晶性磷酸鈣係經由下列步驟製備而成：(a)清洗並粉碎一牡蠣殼；(b)於1100℃下燒結該牡蠣殼2小 時，以製得一含鈣粉末；(c)將該含鈣粉末溶於水中，製得一含鈣溶液；以及(d)滴加該含鈣溶液於一磷酸鹽水溶液中，以析出該含氟、鍶元素之非晶性磷酸鈣。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之口腔保健組成物，其中於步驟(c)後更包括步驟(c1)：過濾該含鈣溶液。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之口腔保健組成物，其中於步驟(d)後更包括步驟(d1)：過濾該非晶性磷酸鈣，並清洗該非晶性磷酸鈣。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之口腔保健組成物，其中於步驟(d1)後更包括步驟(d2)：乾燥該非晶性磷酸鈣。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之口腔保健組成物，其中該步驟(d2)係採用噴霧乾燥法、或直接加熱法乾燥該非晶性磷酸鈣。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之口腔保健組成物，其中該步驟(d)之該磷酸鹽水溶液為磷酸氫二鈉水溶液。
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