치아 경조직 손상의 주된 요인은 치아 침식증과 치아 우식증으로 나눌 수 있다. 침식증은 세균과는 무관하게 물리적 혹은 화학적 작용에 의해 치질이 상실되는 것으로, 주로 지속적 마찰이나 산에 의해 발생된다. 법랑질이 산성 환경에 지속적으로 노출되면 법랑질의 강도 저하에 따른 치질의 약화로, 정상적인 칫솔질에도 석회화 염이 쉽게 용출되어 소실된다. 탄산음료, 식초, 유기산이 다량 함유된 과일 등을 지나치게 섭취하거나 과수원 등에서 일하는 사람에게 특히 치아 침식증의 경향이 보고 되었다¹⁾. 치아 침식은 보통 법랑질 주위의 수소이온농도가 pH 4.5 이하인 조건에서 발생하고, pH 4.5~5.5에서는 치아 우식이 용이하며, pH 5.5 이상에서는 재광화가 일어나는 것으로 조사되었으며²⁾, 치아 침식으로 거칠어진 표면은 치태 침착을 용이하게 하여 치아 우식 발생을 증가시킬 수 있다. 또한, 치아 침식증이 방치될 경우에는 치관 파괴와 치아 과민증 및 교합 변형을 일으킬 수 있고 심한 경우 치수 노출과 농양을 초래하여 심한 통증을 일으키는 수준까지 진행될 수 있다³⁾.

공중보건사업의 일환으로 시행되고 있는 수돗물불소농도조정사업에 의해 치아 우식증 발생이 감소되어 국민건강보험 재정 안정화를 이끌었던 반면, 치아 침식증 유병률과 관련된 위험 요인을 함유한 탄산음료 등의 섭취 빈도는 급속히 증가하는 추세이고, 이로 인한 산성음료의 치아 침식 우려는 꾸준히 제기되고 있다⁴⁾. 일부 선진국에서는 산성음료에 의한 치아 침식의 심각성을 보고하는 연구들이 발표되고 있음에도 불구하고^5,6) 산성 음료의 소비가 계속 증가된다면 임상적으로도 치아 침식이 더욱 문제될 것이라고 주장을 제기했지만, 여전히 다양한 산성음료 개발은 계속되고 있고 접근성이 보다 용이해져 탄산음료 등의 소비량은 날로 증가하고 있음을 문제시 하고 있다⁷⁾. Meurman과 Murtomaa⁸⁾의 연구에 따르면 pH가 낮은 음료를 오랜 시간 구강 내 머금고 있거나 음료를 자주 섭취할 경우 유치와 영구치의 표면경도가 감소되었고, 두 요인이 동시에 적용될 경우 치아 침식 상승 요인으로 작용한 것으로 보고되었다.

국내에서는 탄산음료, 오렌지주스, 숙취해소음료 등^9-11) 낮은 pH를 가진 다양한 종류의 음료를 대상으로 법랑질 침식 연구가 다수 수행되었는데, 특히 Youn¹²⁾이 정상 우치를 이용한 연구를 보면 pH가 낮으면서 구연산이 함유된 음료가 법랑질 표면 경도를 현격히 낮춰 이로 인한 치아 침식 가능성을 높이는 것으로 분석하였다. 위와 같이 산성 음료들이 치아에 부정적인 영향을 끼친다는 연구 보고가 증가함에 따라 대중들의 인식 변화도 늘어나는 추세이다. 하지만 이와 비슷한 수소이온농도인 pH 5.5 정도의 낮은 pH를 가지고 있는 탄산수는 물의 대체음료로서 일상적으로 소비하고 있는 것과 달리 치아에 미치는 영향에 대한 국내의 연구와 대중의 관심은 미비한 실정이다.

탄산수는 물에 이산화탄소가 함유되어 청량감이 느껴지는 음료수로, 정제된 물에 인위적으로 탄산가스를 주입한 인공탄산수와 천연적으로 탄산가스를 함유하고 있는 광천수로 나뉘며, 향이 가미되지 않은 것과 대중의 수요에 맞춰 향이 가미된 탄산수가 개발되어 시판되고 있다. 최근 생활수준의 향상에 따른 소비유형의 변화로 건강에 대한 관심이 더불어 높아지면서 음료 또한 건강에 이로운 것을 선호하게 되었으며, 그에 따라 탄산수 또한 건강음료라는 인식으로 그 수요가 증가하고 있어 2013년도에 비해 2014년도에 134.6%의 성장률을 보이는 등¹³⁾ 대중의 섭취와 관심도의 증가 추세를 보이고 있다. 외국의 연구에서 Brown 등⁵⁾은 복숭아 향이 가미된 탄산수에 발치한 치아를 30분간 침지만으로도 법랑질 표면 침식이 시작되는 것을 보고하였는데, 이런 결과는 무심코 소비하고 있는 탄산수의 섭취가 치아에 미칠 수 있는 영향에 대한 대중의 인식 변화의 필요성뿐만 아니라 폭발적으로 증가하고 있는 탄산수 소비와 비교해 부족한 국내의 연구적 관심과 다각적인 대응의 필요성을 제시한다.

따라서 본 연구에서는 첨가제가 없는 국내 시판 중인 탄산수 중 5종을 대상으로 탄산수의 치아 침식 정도를 알아보고, 이후 침식 표면에 세균에 의한 치태 침착 정도를 확인하였다.

건전한 법랑질 표면을 가진 소의 영구 절치를 선별하여 생리식염수에 담가 냉장 보관하였다. 실험에 사용된 음료는 시중에 시판 중인 국내외 탄산수 5종을 실험군으로 선정하였으며, 대조군으로는 음성 대조군인 3차 증류수와 양성 대조군인 무가당 콜라(Coca-Cola Zero; Coca-Cola Beverage, Cheonan, Korea)를 선정하였다(Table 1).

1) pH 측정

동일한 온도에서 측정하기 위해 3차 증류수, 무가당 콜라, 탄산수를 6시간 동안 실온에 방치한 후 개봉하고 pH meter (Thermo Scientific Orion 2-Star Plus; Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)를 사용하여 각 음료의 pH를 반복 측정하여 평균값을 산출하였다.

2) 시편제작

발거된 소의 영구절치의 잔존 조직 및 치석 제거, 치면 세마 등의 전처리 과정을 거친 후 cutting disc (Saejong Ind., Siheung, Korea)를 사용하여 소의 영구 절치 법랑질을 5×5 mm 크기의 절편으로 각각 채취하였다. 직경 10 mm, 높이 10 mm 원통형의 acrylic resin mold (Jet Acrylic Liquid; Lang Dental, Wheeling, IL, USA)를 제작하여 법랑질 표면만 노출되도록 포매한 후, #600, #1,200의 silicon carbide 연마지(Saejong Ind.)와 알루미나 분말(Dentsply Professional, York, PA, USA)로 연마하여 평탄한 표면의 법랑질 시편 84개를 제작하였다^14,15). 이는 무작위 분류되어 각 군의 침지 시간 별 실험에 각각 3개 시편이 사용되어, 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 분석용으로 총 42개, 칼슘 농도 측정 및 세균 침착 실험용으로 총 42개의 시편이 적용되었다.

3) 탄산수 침지

탄산수는 실험 직전 개봉하여 동일한 멸균 용기에 10 ml씩 분주하여 사용하였다. 시편은 4시간, 12시간씩 침지하였다. 음성 및 양성 대조군도 동일한 조건에서 시편 침지를 수행하였다.

4) 칼슘 농도 측정

O-cresolphthalein chromogenic method가 적용된 calcium assay kit LS (Metallo Assay; MG Metallogenics, Funakoshi Co. Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여, 시편 침지 후의 탄산수로 용출된 칼슘이온 농도를 측정하고자 하였다. 칼슘 농도는 제조사에서 제시한 바에 따라 표준 칼슘용액과 병행 실험하여 칼슘과 반응한 o-cresolphthalein을 570 nm에서 96-well microplate reader (Bio-Rad, Hercules, CA, USA)로 측정해 평가하였다^16,17).

5) 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 관찰

SEM (S-4700; Hitachi Ltd., Tokyo, Japan)을 이용하여 10 kV에서 500배와 1,000배의 비율로 3차 증류수군과 비교하여 법랑질 표면 탈회 양상 및 정도를 관찰하였다¹⁸⁾.

6) 세균 침착

Streptococcus mutans 균주와 Streptococcus sorbinus 균주는 한국생명공학연구원 미생물자원센터로부터 분양 받았다. 배양된 Streptococcus mutans 균과 Streptococcus sorbinus 균을 brain heart infusion 액체 배지 30 ml에 접종시켜 24시간 배양한 후, 침식도 실험이 끝난 시편을 넣고 150 rpm 조건에서 24시간 배양하였다. 시편을 꺼내 3차 증류수로 표면을 3차례 세척 후 Coomassie Brilliant Blue G-250 dye (Bio-Rad)로 침식 부분에 침착된 세균을 염색하였고, 착색 정도는 densitometric analysis (qantity one program, Gel Doc 2000 system; Bio-Rad)를 이용하여 분석하였다.

7) 통계처리

자료 분석은 InStat Statistical Software Prism 5 (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, USA)를 이용하여 one-way ANOVA로 분석하였고 p값이 0.05 이하인 경우 통계적으로 유의한 것으로 해석하였다.

실험에 사용된 음료는 음성 대조군인 3차 증류수와 양성 대조군인 무가당 콜라를 포함하여 총 7종으로, 수소이온농도 측정 결과, 3차 증류수를 제외한 탄산수 5종과 무가당 콜라에서 pH 5.5보다 낮은 수치를 나타내었고, 개봉 후 4시간과 12시간 후 탄산수 5종에서 현저한 pH 증가가 측정되었다(Table 2).

칼슘은 치아에서 가장 풍부한 미네랄 성분 중 하나이다. 탄산수에 시편을 침지한 후 시편에서 용출되었을 칼슘을 측정하였다. 시간에 따라 3차 증류수에서 칼슘 농도 변화는 거의 관찰되지 않았지만, 5종의 탄산수는 4시간 시편 침지 후 분석된 칼슘 농도가 무가당 콜라에서 분석된 농도의 약 50% 수준인 것으로 분석되었다(4.5~7.6 mg/dl). 12시간 시편 침지 반응에서도 여전히 칼슘 농도 증가가 관찰되었다(Fig. 1).

탄산수에 침지된 시편의 치면을 SEM을 이용해 관찰하였다. 음성 대조군인 3차 증류수에서 보여지는 치면과 비교하여 탄산수 5종에 침지된 법랑질 표면은 전체적으로 거친 치면 양상을 나타내었다. 특히 씨그램(Seagram’s; Coca-Cola Beverage, Yangsan, Korea)은 균열이 동반된 치면 침식이 관찰되었고, 트레비 (Trevi; Lotte Chilsung Beverage, Gwangju, Korea), 피코크(Peacock; Ilhwa, Chungwon, Korea), 산펠레그리노(S. Pellegrino; Nestlé, San Pellegrino Terme, Italy), 페리에(Perrier; Nestlé, Vergèze, France)의 경우 양성 대조군인 무가당 콜라(Coca-Cola Zero)에 침지된 시편의 치면 양상과 비슷한 침식 형태를 나타내었다(Fig. 2).

시편 침지 후 탄산수에서 측정된 높은 수준의 칼슘 농도가 치아에서 탈회된 결과임을 SEM을 통해 확인하였다. 치아 침식으로 거칠어진 법랑질 표면에 치태 침착 정도를 확인하고자, 구강 상주 세균 배양 과정에 침지가 완료된 시편을 도입, 배양하고, 염색하여 세균 침착 정도를 확인하였다. 음성 대조군인 3차 증류수로 침지된 치면과 비교하여 탄산수 5종에 침지된 법랑질 표면은 진한 coomassie 염색 정도를 나타내었다(Fig. 3A). 이는 배양 실험 후 3회 세척에도 제거되기 쉽지 않은 잔존 세균이 탈회되어 거칠어진 시편 표면에 침착되어 나타난 결과이다. 침식 부분에 침착된 세균의 착색 정도를 densitometer로 분석한 결과, 무가당 콜라와 피코크 시편의 경우 12시간 반응에서 세균 점착에 따른 coomassie 염색 정도가 다소 감소되었다(Fig. 3B).

탄산수 소비량은 2013년과 2014년 1년 사이에 134.6%라는 성장세를 보이며 급격히 증가하고 있고¹³⁾ 2014년 국내 탄산수 시장은 195억 원에 달했다. 2015년은 지난해보다 성장해 300억 원에 이를 것이라는 전망이 나와 이런 추세라면 5년 이내 1,000억 원을 넘는 시장 규모를 형성할 것이라는 분석이다. 탄산수는 탄산음료와 달리 당분, 색소, 합성 감미료 등이 없고 함유된 탄산의 청량감으로 전세계적으로 널리 음용되고 있다. 한국탄산수협회 분석에 따르면 탄산수가 신체 내 미네랄 균형 유지에 기여하고 변비, 다이어트, 소화불량 등에 효과가 있으며, 콜라나 사이다 등의 탄산음료와 달리 자연 생수이고 무칼로리라는 부분이 소비자로부터 적극적 관심을 얻는 이유로 보고 있다. 최근에는 탄산수 완제품의 가격 부담에 따라 소다스트림과 같은 탄산수 제조기를 구입해 셀프 제조하는 소비자들도 늘어나고 있고, 탄산수가 나오는 냉장고나 스파클링 정수기와 같은 생활가전제품도 속속 출시되고 있어, 보다 탄산수에 대한 접근성이 용이해지는 소비 행태로 진화되고 있다.

과일주스, 이온음료, 탄산음료, 어린이음료 등을 대상으로 한 치아 부식 발생 정도를 분석한 연구 결과는 Youn¹²⁾, Shim과 Song¹⁹⁾과 같은 많은 연구자에 의해 꾸준히 보고되었다. Jeong 등²⁰⁾과 Shin²¹⁾의 연구에서 음료의 pH가 낮을수록 치아 표면 경도가 떨어지는 것으로 분석되었고, Lee⁹⁾의 연구에서는 진동을 가해 탄산가스를 증가시킨 콜라가 진동을 가하지 않은 것보다 법랑질 표면 경도를 심하게 감소시키고 있어, 탄산가스가 직접적으로 법랑질에 영향을 끼침을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 가파른 소비 성장을 보이고 보다 접근성이 용이해지고 있는 탄산수 음용이 치아에 미치는 영향에 대한 실험적 분석은 미미하다. 더욱이 국내 제조품 외에도 다양한 수입 탄산수들의 출시 가세로 소비자들의 선택폭은 상당히 넓어져 있어 이들 탄산수와 치아 건강에 대한 정보가 더욱 필요한 시점이다. 이에 본 연구에서는 대표적인 탄산음료로 음용되고 있는 콜라 중 무가당 콜라를 양성 대조군으로 하고, 시판 중인 탄산수 중 향이나 맛이 첨가되지 않은 플레인 탄산수 5종을 선택, 정상 치아에 대한 침식 유발 여부 및 정도를 확인하고, 그로 인한 세균 침착 정도를 비교 분석하였다. 탄산수는 물의 대체 음료로 인식되고 있는 특성이 높아, 음용 빈도가 높고 음용 후에 물양치를 하는 경향이 매우 낮다. 따라서 법랑질 침식 정도 측정을 위해 시간 단위의 탄산수 노출 시간을 설정하였다. 시편은 사람의 영구치와 우치의 탈회 속도가 비슷하다는 Lee²²⁾의 연구를 근거로 우치를 사용하였다.

실험 결과, 탄산수 5종과 무가당 콜라는 수소이온농도가 치아에 영향을 끼칠 수 있는 pH 5.5보다 낮게 측정되었다. 시편을 침지한 탄산수에서 칼슘 이온이 다량 분석되었는데 SEM 상에서 관찰된 현저한 침식 양상에 근거하여 이는 치아 탈회에 의한 용출에서 기인된 것으로 분석된다. 시편 침지 후 시간에 따른 pH 상승은 용출된 칼슘 이온에 의하기 보다는 탄산수 개봉 후 지속적으로 발생한 탄산가스 기화로 해석된다. 5종 탄산수의 법랑질 침식 활성은 용출된 칼슘 이온 농도를 기준으로 비슷한 수준을 나타내어 무가당 콜라의 침식 활성의 약 50% 수준이었고, pH 증가에도 불구하고 꾸준한 표면 침식 활성이 관찰되었다. 침식된 법랑질의 치태 점착 취약 정도를 알아보고자 구강내 상주균을 배양 후 탄산수에 노출된 시편을 넣고 균을 다시 배양하여 세균 점착정도를 확인하였다. 탄산수 5종에서 무가당 콜라에 준하는 세균 염색 정도가 관찰되어, 탄산수에 의한 침식으로 거칠어진 표면 발생이 세균 점착 요인으로 작용하여 치태 형성에 매우 취약해진다는 것을 알 수 있었다. 무가당 콜라와 피코크에 침지한 시편의 경우 세균 점착 정도가 12시간 반응에서 다소 감소되었다. 이는 높은 침식 활성으로 탈회에 의한 칼슘 용출은 증가하였지만 치아 표면의 균열이나 침식정도가 상대적으로 심해 마모된 형태를 취함으로써 거친 시편 표면 상실로 인한 세균 부착이 용이하지 않은 결과로 해석된다.

본 연구 결과, 시판 중인 플레인 탄산수 5종에서 치아의 침식 유발에 따른 칼슘 용출과 그에 따른 치면 세균 침착이 매우 용이해짐을 확인하였다. 따라서 탄산수를 물 대체음료 정도로 생각하기보다는 탄산음료에 준하는 범주로 포괄 인식하여 음용하는 것이 바람직하다고 생각한다. Brown 등⁵⁾의 보고에서도 산성음료 대용으로 음용하고 있는 과일 향이 첨가된 탄산수들이 치아 부식의 원인이 될 수 있으므로, 단순히 맛이 가미된 물 정도로만 인식하는 소비자들에게 잠재적 치아 부식능에 대한 언급이 필요하다고 제안하고 있다. Lee¹¹⁾의 연구에서 음료에 첨가된 칼슘 농도가 증가할수록 치아 침식능이 감소되는 결과를 나타내고 있다. 본 연구에 사용된 탄산수 5종 중 피코크, 산펠레그리노, 페리에는 다양한 종류의 미네랄이 풍부한 광천수로, 씨그램이나 트레비와 같은 인공탄산수보다 높은 칼슘 농도를 보였다. 하지만 본 실험 조건에서 이들의 치아 침식능은 인공탄산수와 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 광천수는 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 불소, 실리카, 철, 아연 등 천연미네랄 성분이 함유되어 있는데²³⁾, 코카콜라, 오렌지주스 및 구연산 용액에 5 ppm의 불소를 첨가 후 60분 간의 침지 실험에서 법랑질 탈회 억제 효과를 확인하였다²⁴⁾. 하지만 광천수의 천연미네랄 성분에 의한 탈회 억제 효과는 탄산의 탈회능을 억제하지는 못한 것으로 보인다.

구강 내에는 타액 내 칼슘과 인산을 치아에 침착시키는 자연적 재광화와 타액에 의한 산의 중화가 발생하므로²⁵⁾ 탄산수 노출에 의한 일방적인 탈회기전으로만 진행되지는 않는다. 정상적인 구강 내 환경에서 치아의 무기질은 지속적인 상실과 침착을 되풀이하며 항상성을 유지하고 있다. 하지만 어떤 이유로든 무기질 교환 평형이 깨어질 수 있는 상태가 지속되면 비가역적인 치질의 손실이 발생된다. 치아주위 용액의 pH나 포화도가 떨어지면 치질에서 탈회과정이 발생하고 빠져 나온 용액의 칼슘과 인 이온이 dicalcium phosphate dihydrate (DCPD) 형태로 침착이 일어나 표면하층을 형성하므로 우식병소로도 작용한다²⁶⁾. 지속적인 치면노출과 바르지 못한 음용법 등은 구강 위생 여건 등과 맞물릴 경우 법랑질 침식과 그에 따른 치태 형성을 가중시킬 수 있다. 단지 물 대용 음료로서 탄산수를 지속적으로 접근하는 것은 치아 침식 및 치아 우식 위험성 요인을 초래할 수 있으므로 이에 대한 소비자들의 인식 변화가 필요할 것으로 생각된다.

본 연구는 시판중인 국내외 제조 플레인 탄산수 5종을 선정하여 우치 법랑질 침식 및 그에 따른 세균 침착 정도를 확인하였다. 탄산수에 시편을 침지 후 용출된 칼슘 농도를 측정하고, SEM을 이용하여 법랑질 표면의 침식을 관찰하였다. 이 후 S. mutans 균과 S. sorbinus 균이 접종된 배지에 시편을 함께 배양하여 침식된 시편의 세균 침착 정도를 확인하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 실험에 사용된 탄산수 5종은 수소이온농도가 pH 5.5보다 낮았고, 치아의 탄산수 침지 후 칼슘의 용출이 확인되었다. SEM을 이용한 치면 침식 분석 결과, 칼슘 용출은 탄산수에 의한 법랑질 침식이 원인임을 확인하였고, 두 분석 방법을 통해 인공 탄산수와 광천수간의 뚜렷한 침식 활성 차이는 관찰되지 않았다. 또한 탄산수에 의해 유발된 치아 침식으로 치면 세균 침착이 용이해지는 것으로 확인되었다. 이런 결과들로부터 탄산수 음용 시 치아 침식이 유발될 수 있으며 그에 따른 구강 내 세균 침착이 가중될 수 있으므로, 탄산수 음용 시 치아 침식 가능성에 대한 소비자의 인식이 필요하며, 탄산수를 물 대체음료 정도로 생각하기보다는 무가당 콜라와 같은 탄산음료에 준하는 범주로 포괄하여 음용하는 것이 바람직하다고 생각된다.