發(fā)酵技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用進(jìn)展

劉 雨,姜明星,張 軻

(1.華北制藥華勝有限公司,河北 石家莊 052165;2.河北瑞諾醫(yī)療器械股份有限公司,河北 石家莊 050035)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高,人們的消費(fèi)觀念也在逐漸改變。隨著化妝品行業(yè)的快速發(fā)展,人們對(duì)綠色、安全和健康化妝品的需求日漸增長(zhǎng),因此,開發(fā)功效明顯、安全高效的化妝品具有廣闊的市場(chǎng)前景。從天然原料中提取有效成分應(yīng)用于化妝品曾經(jīng)一度成為研究熱點(diǎn),天然原料雖然來源豐富,但是其生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),有效成分含量低,甚至具有毒副作用等,使得該方法的開發(fā)應(yīng)用受到了限制。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,利用發(fā)酵技術(shù)富集原料中的保濕、抗氧化和抗衰老等活性功效成分,同時(shí)降低原料的毒副作用,改善化妝品的功效性和安全性,已經(jīng)成為化妝品領(lǐng)域新的研發(fā)方向[1]。發(fā)酵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),降低成本,勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步獲得重視并得以發(fā)展。

1 發(fā)酵技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀

發(fā)酵是利用微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)或生物催化反應(yīng)體系,獲得菌體本身或其代謝產(chǎn)物的過程。通過一定的技術(shù)手段選擇菌種和控制發(fā)酵工藝,可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的工業(yè)化大規(guī)模加工和制造。發(fā)酵技術(shù)具有條件溫和、安全性高和可操控性好等優(yōu)點(diǎn),在傳統(tǒng)食品發(fā)酵、抗生素醫(yī)藥和食品行業(yè)中都占據(jù)了重要的地位[2-3],在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

發(fā)酵技術(shù)在我國(guó)有著悠久的歷史早在幾千年前,人們就已經(jīng)從事釀酒、制醬和制作奶酪等生產(chǎn)。隨著抗生素工業(yè)的發(fā)展,在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代基因工程和細(xì)胞工程等新技術(shù),微生物發(fā)酵工業(yè)獲得了更快的發(fā)展,在許多工業(yè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用[4]。在醫(yī)藥領(lǐng)域,通過微生物純種發(fā)酵,獲得次級(jí)代謝產(chǎn)物,包括抗生素、激素、維生素及其他生物分子等,作為醫(yī)藥中間體或化學(xué)原料藥用于制藥行業(yè)[5];在食品工業(yè)領(lǐng)域,從傳統(tǒng)“醬、醋、茶”的發(fā)酵,到利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸、食用香精等食品添加劑,再到功能性食品的開發(fā),利用發(fā)酵技術(shù)不但可以大規(guī)模生產(chǎn),而且可以降低生產(chǎn)成本;在能源工業(yè)領(lǐng)域,生物燃料越來越受到人們的關(guān)注,燃料乙醇等緩解了能源短缺的問題[6];在農(nóng)業(yè)方面,利用微生物菌株固態(tài)發(fā)酵對(duì)農(nóng)作物秸稈、果渣等進(jìn)行深層次發(fā)酵,獲得高附加值、高活性的功能產(chǎn)品[7];在環(huán)保方面,利用硝化細(xì)菌處理廢氣中的氮氧化物或者利用微生物體內(nèi)酶系分解除臭等,都可以達(dá)到治理環(huán)境污染的目的。

早在20世紀(jì)80年代,就有將植物發(fā)酵產(chǎn)物應(yīng)用于化妝品生產(chǎn)的報(bào)道,如用紫草細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫草素[8]。隨著發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展,利用微生物發(fā)酵技術(shù)開發(fā)的化妝品新原料越來越受到人們的關(guān)注。如日本的SK-Ⅱ神仙水就是一款典型的生物發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品,它含有天然活性酵母成分,能夠改善皮膚自然的生理機(jī)能、調(diào)整皮膚狀態(tài)。歐萊雅的精華肌底液在98%的高純度發(fā)酵精華中加入了酵素精華復(fù)合物,對(duì)皮膚肌底有強(qiáng)大的修復(fù)效果,可以提升保養(yǎng)功效。隨著發(fā)酵護(hù)膚品在不同國(guó)家的暢銷,采用生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的護(hù)膚品勢(shì)必會(huì)越來越受到人們的重視,獲得進(jìn)一步的發(fā)展。

1.2 發(fā)酵技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用趨勢(shì)

1.2.1 以發(fā)酵成分為配方的化妝品

發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到化妝品中,最初是把經(jīng)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)生的活性成分添加到化妝品中,如天然的活性成分、天然的防腐劑等,這類功效物質(zhì)主要是以天然植物為基礎(chǔ)原料發(fā)酵而來,這一應(yīng)用是沿用了中藥美容的概念。植物提取物具有多種作用,在護(hù)膚方面具有抗氧化、美白保濕的作用,在護(hù)發(fā)方面具有促進(jìn)頭發(fā)生長(zhǎng)、改善發(fā)質(zhì)等作用,植物精油具有芳香的氣味,能夠愉悅身心,常常作為化妝品的天然香精來添加[9]。

“片仔癀”品牌產(chǎn)品中就包含了三七的發(fā)酵產(chǎn)物。標(biāo)注有中草藥發(fā)酵成分的佰草集、百雀羚等含有洋甘菊、人參和蘆薈等發(fā)酵成分,蘭蔻的小黑瓶、雅詩(shī)蘭黛的小棕瓶也都是含有發(fā)酵成分的化妝品。這些耳熟能詳?shù)幕瘖y品被越來越多的消費(fèi)者所接受,說明發(fā)酵技術(shù)在化妝品行業(yè)的應(yīng)用日趨成熟[10]。但這類化妝品都是采用的傳統(tǒng)化學(xué)配方,只是將發(fā)酵后得到的單一化學(xué)成分或多種組分添加其中,起到抗衰老、美白和防曬中的一種或多重作用,可以說是將傳統(tǒng)化妝品技術(shù)和發(fā)酵化妝品技術(shù)相結(jié)合的過渡產(chǎn)品。

1.2.2 微生物發(fā)酵的化妝品

為了滿足消費(fèi)者對(duì)化妝品更高安全性和功效性的追求,不添加任何化學(xué)制劑,只通過發(fā)酵做出化妝品已經(jīng)成為發(fā)酵類化妝品發(fā)展的必然趨勢(shì)。這類化妝品由植物原料粉碎或植物汁液自然發(fā)酵后過濾、提純而得,不添加水和油脂,不乳化,不添加香精和防腐劑等任何外來物質(zhì),能夠真正做到讓化妝品無(wú)添加,讓消費(fèi)者遠(yuǎn)離各種不必要的化學(xué)成分。此外,相較于傳統(tǒng)的植物萃取技術(shù),發(fā)酵在較溫和的條件下進(jìn)行,能夠更全面、更高程度地保留植物活性成分的功效。同時(shí),在發(fā)酵過程中,菌種可以分解一部分底物,生成氨基酸、多肽等活性成分,使護(hù)膚效果更佳。

通過“發(fā)酵科技”制造出來的護(hù)膚品只是發(fā)酵了植物本身,只要植物原料本身無(wú)毒無(wú)害,發(fā)酵出來的化妝品相對(duì)安全,因此,兒童和孕婦都可以放心使用[11]。在生物發(fā)酵過程中,在微生物體內(nèi)酶的作用下,植物中大分子物質(zhì)分解成分子量較小的活性物質(zhì),容易被皮膚吸收,且保留了植物中原有的天然黃酮、蛋白和多酚等活性成分,通過抑制細(xì)胞的活性氧減少體內(nèi)自由基的生成,從而達(dá)到延緩肌膚衰老的目的。生物發(fā)酵護(hù)膚品在滋養(yǎng)、修復(fù)和護(hù)膚領(lǐng)域的產(chǎn)品品類的競(jìng)爭(zhēng)力明顯高于普通護(hù)膚品。

1.3 微生物代謝工程在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著合成生物學(xué)和代謝工程技術(shù)的快速發(fā)展,膠原蛋白、神經(jīng)酰胺、熊果苷、四氫嘧啶和透明質(zhì)酸等一系列化妝品有效成分的生產(chǎn)方式已經(jīng)逐漸被產(chǎn)率更高、環(huán)境更友好的生物工程技術(shù)取代。該技術(shù)在探索和闡明生物合成通路和特定關(guān)鍵酶的基礎(chǔ)上,人工設(shè)計(jì)新的生物系統(tǒng)或改造舊的生物代謝過程,將合成通路引入特定的微生物細(xì)胞工廠,實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的異源合成。

神經(jīng)酰胺存在于所有的真核細(xì)胞中,對(duì)細(xì)胞分化、增殖、凋亡和衰老等生命活動(dòng)具有重要調(diào)節(jié)作用。神經(jīng)酰胺作為皮膚角質(zhì)層細(xì)胞間脂質(zhì)的主要成分,具有維持皮膚屏障、保濕、抗衰老、美白和治療疾病等作用。目前神經(jīng)酰胺主要從動(dòng)植物中提取或通過化學(xué)合成法獲得。山格依里·巴依爾[12]篩選得到了產(chǎn)神經(jīng)酰胺的克魯弗酵母菌,研究了環(huán)境條件和培養(yǎng)基組分對(duì)克魯弗酵母富集神經(jīng)酰胺的影響,為克魯弗酵母菌成為提取和開發(fā)生產(chǎn)神經(jīng)酰胺類物質(zhì)新的來源奠定了基礎(chǔ)。

四氫嘧啶是一種細(xì)胞全能防護(hù)劑,可以防止細(xì)胞老化,修復(fù)并使老化或受損的皮膚新生,作為化妝品中的防曬劑和保濕劑,可以延緩皮膚老化,減少皮膚因紫外線照射形成的曬斑,防止皮膚干燥、衰老等。張山等[13]圍繞四氫嘧啶開展系列工作,實(shí)現(xiàn)了四氫嘧啶合成關(guān)鍵基因在大腸桿菌中的異源表達(dá),在重組菌株中四氫嘧啶的產(chǎn)量高達(dá)25.1 g/L。Pérez-García等[14]將四氫嘧啶合成基因簇引入谷氨酸棒桿菌,獲得了重組高產(chǎn)菌株,在此基礎(chǔ)上改造菌株,使其能夠利用普通碳源,為四氫嘧啶的生產(chǎn)提供更多選擇。

透明質(zhì)酸可保持皮膚滋潤(rùn)光滑、細(xì)膩柔嫩、富有彈性,具有防皺、抗皺、美容保健和恢復(fù)皮膚生理功能的作用。將透明質(zhì)酸用于化妝品中,能起到獨(dú)特的保護(hù)皮膚的作用。透明質(zhì)酸的功能與分子量大小密切相關(guān),高分子量透明質(zhì)酸具備優(yōu)異的細(xì)胞保護(hù)功能,采用發(fā)酵法制造的透明質(zhì)酸,其優(yōu)點(diǎn)是能按照商品設(shè)計(jì)來設(shè)定分子量大小。汪昊[15]通過在谷氨酸棒桿菌宿主中構(gòu)建透明質(zhì)酸合成途徑,改造合成酶系和優(yōu)化培養(yǎng)條件,實(shí)現(xiàn)了高分子量透明質(zhì)酸的高效合成。

這種借助微生物細(xì)胞工廠進(jìn)行物質(zhì)合成的方法具有成本投入少、環(huán)境污染小和量產(chǎn)規(guī)?？煽氐戎T多優(yōu)點(diǎn),是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色生產(chǎn)方式。不論從生態(tài)環(huán)保、投入產(chǎn)出比,抑或是產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看,利用生物合成化妝品有效成分的方法均具有很大優(yōu)勢(shì)。

2 發(fā)酵技術(shù)在化妝品開發(fā)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

2.1 富集功效物質(zhì)

近年來,天然化妝品逐漸成為化妝品發(fā)展方向之一,比較常見的是從植物原料里提取。植物來源的活性物質(zhì)有氨基酸、維生素和微量元素等,具有抗炎、抗氧化和美白保濕的作用,而且質(zhì)地黏稠,不添加香精就可以產(chǎn)生讓人愉悅的香氣,但這些活性物質(zhì)在天然植物中含量較低,導(dǎo)致提取困難,且不能有效地保存質(zhì)。

靈芝的活性成分具有美白、抗衰老等功能,但其子實(shí)體原料存在生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等限制因素,以生物發(fā)酵生產(chǎn)的靈芝發(fā)酵液可以有效解決以上問題。王亞惠[16]用發(fā)酵技術(shù)處理中華紅芝子實(shí)體,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后靈芝漿液DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)清除率為40.50%、超氧陰離子清除率為20.96%,酪氨酸酶抑制率為42.40%,顯著高于中華紅芝子實(shí)體水/醇提取液。在優(yōu)化后的培養(yǎng)基和發(fā)酵條件下,與美白相關(guān)的靈芝三萜和多糖等多種功能性成分在靈芝菌絲體發(fā)酵液中顯著富集,美白和抗氧化活性具有良好的穩(wěn)定性,因此菌絲體發(fā)酵液可以更好地應(yīng)用于護(hù)膚品中。李慧文[17]通過體內(nèi)外免疫功能調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)表明利用活性酵母發(fā)酵紅景天和人參可以顯著提升二者增強(qiáng)免疫功能活性的能力。黃小龍等[18]綜述了發(fā)酵對(duì)鐵皮石斛活性成分多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪酸以及多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,發(fā)酵后鐵皮石斛的抗衰老作用得到加強(qiáng),維持皮膚微生態(tài)平衡的能力得以提升,保濕效果也更加明顯。綠豆富含蛋白質(zhì)和黃酮,被廣泛應(yīng)用于化妝品中,郭聰穎[19]研究了富硒綠豆發(fā)酵液的美白、保濕和抗氧化活性,發(fā)現(xiàn)高濃度的富硒綠豆發(fā)酵液對(duì)DPPH和ABTS自由基的清除率分別為96.87%,99.66%,一定質(zhì)量濃度的富硒綠豆發(fā)酵液可以使小鼠黑色素瘤細(xì)胞中的黑色素明顯減少,并通過受試者皮膚實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了富硒綠豆發(fā)酵液在人體上具有優(yōu)異的抗衰、美白和保濕的效果,且其發(fā)酵液中重金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《化妝品衛(wèi)生規(guī)范2015版》中相關(guān)規(guī)定的限量,對(duì)皮膚、眼睛刺激性為零,不存在安全性問題,可以很好地應(yīng)用到護(hù)膚品中。

2.2 產(chǎn)生新功效

原材料在生物發(fā)酵過程中不僅可以富集原材料的有效成分,也可以產(chǎn)生出新的成分。生物發(fā)酵技術(shù)可以通過有目的地選擇菌種、控制發(fā)酵條件和調(diào)節(jié)代謝途徑等對(duì)有效成分進(jìn)行目的轉(zhuǎn)化和修飾,從而改進(jìn)并優(yōu)化原有功效成分的性狀,產(chǎn)生新的活性物質(zhì),增強(qiáng)化妝品的美白、保濕等功效。蟲草中含有氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分以及多糖、蟲草酸、核苷等生物活性成分,還含有其他多種有用的次生代謝產(chǎn)物,這些都是功能食品研發(fā)和新藥創(chuàng)制的物質(zhì)來源,也是實(shí)現(xiàn)蟲草高附加值二次化學(xué)成分開發(fā)利用的基礎(chǔ)。肖建輝[20]研究了蟲草發(fā)酵產(chǎn)物的生物活性,首次從蟲草屬真菌中獲得10個(gè)已知化合物,豐富了蟲草天然產(chǎn)物化合物庫(kù),為新藥創(chuàng)制增添了化合物資源,也為江西蟲草菌絲體二次化學(xué)成分的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。王丹丹[21]以含豐富膠原蛋白的鱈魚皮為原料,經(jīng)益生菌發(fā)酵后制備具有較好溶解性和無(wú)魚皮腥味的魚皮多肽產(chǎn)品,與膠原蛋白相比,膠原蛋白多肽具有良好的理化性質(zhì)和生理活性,使主要水產(chǎn)品加工的魚皮下腳料產(chǎn)生了新的利用價(jià)值和功效。

2.3 降低有害物質(zhì)

在我國(guó),中草藥在美容方面的應(yīng)用已經(jīng)有幾千年的歷史,以天然植物作為化妝品的主要來源和基礎(chǔ)原料正是沿用了這一方法。天然植物資源營(yíng)養(yǎng)成分豐富,但成分復(fù)雜,存在重金屬超標(biāo)、農(nóng)藥殘留等問題,限制了其應(yīng)用和開發(fā)。例如:紅參具有抗氧化的作用,但其具有免疫刺激活性,容易引起皮膚過敏、中毒等。Lee等[22]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵紅參對(duì)酪氨酸酶活性和彈性蛋白酶活性的抑制比未發(fā)酵的紅參效果更好。在皮膚致敏實(shí)驗(yàn)中,發(fā)酵紅參的刺激致敏率明顯低于未發(fā)酵紅參。經(jīng)過微生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,可以降低原來有毒物質(zhì)的毒性,確保使用的安全性。諸多研究表明:植物原料經(jīng)微生物發(fā)酵處理后,其有毒副作用的物質(zhì)不僅可以得到一定程度的減少,還可以增加有效活性成分,擴(kuò)大其使用范圍,對(duì)解決植物資源在化妝品植物功效原料開發(fā)過程中遇到的不良反應(yīng)問題具有重要的借鑒作用。

馬錢子為馬錢科馬錢子屬植物馬錢的干燥成熟種子,具有消腫止痛的作用,然而也具有一定的毒性,陳龍等[23]研究真菌發(fā)酵對(duì)馬錢子降毒保效的作用,通過測(cè)定6種不同發(fā)酵品經(jīng)灌胃給藥對(duì)小鼠的急性毒性,發(fā)現(xiàn)經(jīng)真菌發(fā)酵后馬錢子毒性降低,然而仍保持了原有的鎮(zhèn)痛和消炎的作用。

3 結(jié) 論

微生物發(fā)酵技術(shù)可以利用微生物細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的酶催化反應(yīng)體系對(duì)天然原料中的活性物質(zhì)進(jìn)行修飾和改造,可以富集活性成分、增強(qiáng)抗炎及抗氧化功效、降低毒副作用,且具有能耗低、污染小、可以工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),在化妝品研發(fā)過程中發(fā)揮重要的作用。但是,將發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際化妝品生產(chǎn)中還需要解決多方面的難題,如發(fā)酵菌種的選擇、生產(chǎn)工藝條件的優(yōu)化以及生物轉(zhuǎn)化途徑的篩選等。此外,在不添加防腐劑的前提下,如何確保功效活性物質(zhì)的穩(wěn)定性也是需要重點(diǎn)研究的問題。在許多國(guó)外高新技術(shù)化妝品加大力度進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)的環(huán)境下,更應(yīng)該倡導(dǎo)自主研發(fā),不斷深化現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)在化妝品上的研究和應(yīng)用,打造具有中國(guó)特色的競(jìng)爭(zhēng)品牌。