Zahnpasten sollen neben der medizinischen und hygienischen Wirkung auch ein angenehmes Mundgefühl bei der Zahnpflege bewirken. Für beide Zwecke spielt die Schaumbildung eine große Rolle: Sie ist wichtig für die Verteilung und Reinigungswirkung der Zahnpasta und wird in der Regel als angenehm wahrgenommen – wenn eine nicht zu große Schaummenge entsteht. Die Schäumbarkeit und auch die Beschaffenheit des gebildeten Schaums zu optimieren ist deshalb ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Zahnpastarezepturen. Dabei kann der Umfang aufwendiger Probandenstudien reduziert werden, wenn die Schaumbildung im Vorfeld mit Hilfe geeigneter Messverfahren untersucht wird. Ebenso wichtig sind aussagekräftige Analysen für die Qualitätssicherung bei der Produktion.

Im Rahmen einer Methodenevaluierung führten wir eine Messreihe mit drei Zahnpastarezepturen durch, um das Schaumverhalten mit Hilfe geeigneter Messmethoden objektiv zu vergleichen. Dazu wurden verdünnte Proben durch einen softwaregesteuerten Rührer reproduzierbar aufgeschäumt, um anschließend die Schäumbarkeit und Schaumstruktur zu quantifizieren. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Rezepturen konnten dabei klar herausgestellt werden.

Hintergrund

Tenside als Schäumungsmittel sind Bestandteil fast jeder Zahnpastarezeptur. Der Schaum sorgt beim Putzen für eine gleichmäßige Verteilung von polierenden, zahnschmelzfestigenden und weiteren Wirkstoffen. Besonders feinporiger Schaum sorgt darüber hinaus dafür,  dass schwer zugängliche Stellen besser erreicht werden. Die große innere Oberfläche, die durch den Schaum entsteht, verstärkt zudem den Reinigungseffekt.

Zu starke Schaumbildung wird jedoch zumeist als unangenehm wahrgenommen. Ist der Schaum darüber hinaus großporig, hat also wenige Blasen pro Volumeneinheit, dann ist auch die Oberflächenvergrößerung nicht in gewünschtem Maße gegeben. Daher ist gutes Schäumungsverhalten ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Zahnpasten.

Bevor ein Zahnpflegeprodukt eingeführt oder seine Rezeptur angepasst wird, durchläuft es aufwändige Probandentests. Deren Umfang kann durch Schaumanalysen im Vorfeld reduziert werden. Zudem geben Schaummessungen mit einer reproduzierbaren Methode objektive Kriterien für die Beurteilung einer Rezeptur an die Hand, die mit dem Erfolg im Probandentest in Beziehung gebracht werden können. Wurde eine Rezeptur dahingehend optimiert, sind routinemäßige Schaumanalysen auch im Rahmen der  Qualitätssicherung hilfreich.    

Experimenteller Teil

Proben und deren Vorbereitung

Untersucht wurden drei Zahnpastarezepturen, die wir im Folgenden als Probe A, B und C bezeichnen. Als Schäumungsmittel war in zwei Rezepturen Natriumlaurylsulfat (Natriumdodecylsulfat, SDS) und in einer Cocamidopropylbetain (CAPB) enthalten.

Tabelle 1: Untersuchte Zahnpastaproben

Von den Proben wurden Aufschlämmungen mit 10 g/L hergestellt. Dazu wurden jeweils 2,5 g der Proben in 60 mL destilliertes Wasser gegeben und 5 min gerührt. Anschließend wurde die Aufschlämmung 5 min mittels Ultraschall homogenisiert und die Menge auf 250 mL aufgefüllt. Das Ansetzen der Lösungen sowie die anschließenden Messungen fanden bei 25 °C statt.

Messmethode und -parameter

Für die Messungen der Schaumhöhe wurde ein Dynamic Foam Analyzer – DFA100 verwendet. Die zusätzliche Bestimmung der Blasenstruktur fand mit dem Foam Structure Module – FSM statt.

Beim DFA100 wird die Probe reproduzierbar aufgeschäumt. Während des Aufschäumens und danach werden die obere und untere Schaumgrenze (Flüssigkeit/Schaum und Schaum/Gas) mit Hilfe einer LED-Leiste und einer Zeilensensor­leiste erfasst.

Aus der Messung resultiert eine Höhenkurve, welche die Entstehung des Schaums in der Aufschäumphase und den anschließenden Zerfall erfasst.

Das Foam Structure Module – FSM ermöglicht die parallele Untersuchung der Schaumstruktur. Es nutzt eine spezielle, mit Prismen versehene Messsäule und erfasst die Schaumlamellen an der Glaswand mit Hilfe einer Videokamera. Per Videobildanalyse werden die Schaum­struktur und deren zeitliche Veränderung hinsichtlich Blasengröße und ‑anzahl ermittelt.

Das DFA100 stellt mehrere Aufschäummethoden zur Auswahl. In der vorliegenden Untersuchung wurde ein Rührermodul mit einem zweiflügligen Rührblatt verwendet. Das Rühren ist der Art der Schaumbildung beim Zähneputzen ähnlicher als Beispielsweise das Aufsprudeln mit Gas.

Für jede Messung wurde ein Volumen von 50 mL eingefüllt und mit einer Rührgeschwindigkeit von 4000 U/min für 40 s gerührt. Die Gesamtmesszeit betrug 900 s, sodass nach 40 s Aufschäumen das Zerfallsverhalten für 860 s aufgezeichnet wurde. Jede Probe wurde zwei Mal vermessen, um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.

Ergebnisse

Schäumbarkeit

Die bei der Messung auftretende maximale Gesamthöhe ist ein direktes Maß für die Schäumbarkeit der Probe. Diese wird beim Rührmodul nicht an dem Peak der Kurve abgelesen; dieser entsteht durch die trichterförmige Verwirbelung beim Rühren. Maßgeblich für die maximale Gesamthöhe ist stattdessen der hinter dem Peak liegende Knickpunkt der Kurve.

Die Schäumbarkeit steigt in der Reihenfolge Probe A – Probe B – Probe C mit recht deutlichen Unterschieden an. Demnach schäumt die Probe mit dem Tensid CAPB am stärksten. Da jedoch die Konzentration der schaumbildenden Tenside in der Zahnpasta nicht bekannt war, sind nur Rückschlüsse auf die Intensität der Schaumbildung bei der Zahnpflege möglich, nicht jedoch auf die Effizienz der eingesetzten Schaumbildner.

Schaumzerfall

Alle Proben zeigen einen ähnlichen, flachen Zerfallsverlauf (vgl. Abb. 3), bilden also relativ stabile Schäume. Für die Zahnpflege ist das günstig, weil der gebildete Schaum nicht gleich wieder zerfällt und daher gleichmäßiger verteilt werden kann. Die deutlichen Unterschiede der Schaummenge zwischen den Proben bleiben über einen langen Zeitraum erhalten. Durch die permanente Nachbildung des Schaums beim Putzen ist die Stabilität jedoch nicht von so großer Bedeutung wie die Schäumbarkeit.

Blasenanzahl

Alle drei Proben bilden feinporige Schäume mit einer entsprechend großen Blasenanzahl; die Unterschiede sind kurz nach dem Aufschäumen gering. Alle Schäume bilden demnach die gewünschte große innere  Oberfläche.

Der anschließende Zerfall des Schaums geht mit einem Rückgang der Blasenanzahl und der parallelen Entstehung größerer Blase einher. Dieser Vorgang vollzieht sich bei den drei Proben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit; am schnellsten bei Probe A, gefolgt von Probe B und Probe C. Die schnellere Blasenvergrößerung bei Probe  A und Probe B sind aber kein wesentlicher Nachteil, weil Schaum während des Putzens neu entsteht. Analog zur initialen Schaummenge ist auch die initiale Schaumstruktur relevanter als der zeitliche Verlauf.

Reproduzierbarkeit

Die Messkurven für die doppelt durchgeführten Analysen liegen jeweils sehr gut übereinander, und zwar sowohl bei der Schaumhöhen- als auch bei der Schaum­strukturmessung. Das zeugt von einer guten Reproduzierbarkeit der Schaummessungen mit der vorgestellten Methode.

Zusammenfassung

Drei Zahnpastarezepturen wurden mit dem Dynamic Foam Analyzer – DFA100 und dessen Foam Structure Module – FSM untersucht. Dabei standen die erzeugte Schaummenge und die Blasenanzahl im Vordergrund, weil diese beiden Schaumeigenschaften für die Zahnpflege besonders wichtig sind.

Die gut reproduzierbaren Ergebnisse zeigen, dass durch die Messmethode Unterschiede im Schäumungsverhalten von Zahnpastaproben deutlich sichtbar werden. Die untersuchte Probe  C mit dem Schaumbildner CAPB (gegenüber SDS bei den beiden anderen Sorten) bildet den Ergebnissen zufolge die größte Schaummenge mit kleinen Blasen von relativ langer Lebensdauer.

Ein solches Untersuchungsergebnis erlaubt zunächst noch keinen Qualitätsvergleich zwischen den Proben, weil das Optimum nicht zwangsläufig bei der größten Schaummenge liegt. Es kann aber in Relation gesetzt werden zu Messergebnissen von Rezepturen, die im Urteil von Probanden erfolgreich waren. Auf diese Weise kann die vorgestellte Messmethode herangezogen werden, um bei der Optimierung neuer Produkte auf objektive Messgrößen zurückzugreifen und den Umfang von Probandentests deutlich zu reduzieren. Darüber hinaus eignen sich solche Schaumanalysen auch für die routinemäßige Qualitätskontrolle in der Produktion.