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陈复生徐凤梅陈远平魏兆军
摘要:本文论述了全天然纯丝胶的理化与生物特性、特殊功能及其在化妆品中的应用,介绍了为促进全天然功能性化妆品的发展提供功能性化妆品新原料的大量生产全天然纯丝胶蛋白质的途径、方法与研究进展,展望了其在今后国内日化市场上的发展前景。
关键词:全天然纯丝胶蛋白质特性与功能化妆品原料
蚕是极为重要的经济昆虫,是一种高效、价廉的生物反应器,它从植物蛋白向生物蛋白转化的效率高达60%到70%。蚕吐出的丝胶是一种对人体具有一系列特殊保护功能且性能优良的天然水溶性动物蛋白质,能迅速、完全溶于水,形成黏稠、微乳溶液,丝胶蛋白质的配伍性强,相容性好,几乎可以添加到任何含水的化妆品基质中。具独特的皮肤保湿、营养、抗衰老、稳定乳化、抗菌消炎、促进伤口愈合及药物载体等特殊功能,改变丝胶溶液的浓度、PH值、温度等可得到具有不同性能的丝胶,丝胶原液在自然条件下放置,还可以得到可逆性的各种丝胶凝胶,是一种在日化、医药、生化与保健食品等领域内用途极为广泛、性能优良的功能性蛋白质。
皮肤营养、保护功能
人的皮肤角质层中保持10%~20%的水分,才能使皮肤丰满而富有弹性、不开裂。皮肤角质层中含有皮肤保湿起着极为重要作用的天然保湿因子以及皮肤结构的皮脂膜防止水分蒸发。
丝胶蛋白质由丝氨酸(%)、天门冬氨酸(%)、甘氨酸(%)等18种人体必需氨基酸组成,90%以上的氨基酸能被人体吸收到人的皮肤、血清、组织细胞间液中,是人体很好的氨基酸补充途径。丝胶含有72%以上的吸放湿性侧链氨基酸,它与人体皮肤角质层中的天然调湿因子极为相似的主要成分,吸放湿性能优良。丝胶自然放置可生成凝胶,水溶液能牢固地保持水分不流失。
丝胶分子构象主要为无规卷曲,丝胶分子空间结构松散、无序,丝胶蛋白链上有许多侧链较长的氨基酸以及许多极性亲水基团处于多肤链表面,这些亲水性基团可使体内水分传递至皮肤角质层而结合,使皮肤保持一定水分,从而使皮肤柔软而光滑。
丝胶蛋白质具有高分子质量、大分子体积和多孔性的结构特性,在改变溶液的浓度、PH值、温度下可以水解为分子量较小的蛋白质。在水溶液中其分子高度伸展并相互缠绕连接形成连续的网状结构,而水分子则在此网络内通过极性键和氢键与丝胶蛋白质分子相互结合,使得丝胶蛋白质就像“分子海绵”一样,能吸收和保持其自身质量上千倍的水分。当这种饱含水分的“分子海绵”涂布于皮肤表面后,则能形成一层水化膜,对角质层保持保湿作用,防止皮肤干燥,产生护肤作用。胶蛋白质作用于皮肤表面后,大分子丝胶蛋白质可迅速在皮肤表面形成一层透气的水化膜,使角质层水合软化,从而增加角质层对活性物质的吸收利用。而丝胶作用与体肤时又能够迅速水解成小分子。低分子丝胶蛋白质则能直接渗入到真皮层,产生扩张毛细血管、增加血液微循环、改善中间代谢,对皮肤中其它活性或营养成分起透皮传递系统的作用。一般认为分子量较小的水溶性丝胶肤具有优异的调湿、保湿作用,能使皮肤中水分含量保持适当,使皮肤光滑、柔软、富有弹性,由此改善皮肤的生理条件,为真皮胶原蛋白和弹性纤维的合成提供了优越的外部环境,加强了营养物质的供给,产生营养皮肤功能。由于皮肤的矩阵结构,使丝胶蛋白质成为化妆品中活性成分传递的有效介质。丝胶蛋白质既有较高的吸湿性,又有良好的保湿性。
此外,丝胶蛋白质水化膜还有透气和非封闭特性,结果产生一般封闭式润肤剂或调理剂所不能比拟的润肤功能。丝胶蛋白质还可通过形成粘弹液并填充于皮下骨胶纤维中起作用,有助于防止骨胶原由溶解状态转化为不溶解状态,并与蛋白质复合物对皮肤的保湿产生协同作用。而富含丝胶蛋白质的ECM可以从真皮层中吸取大量水分,同时又因表皮脂质的屏障作用可防止水分的蒸发和损失,达到维持皮肤水环境的恒定状态,而产生护肤润肤作用。丝胶蛋白质具有皮肤保湿和营养双重作用。利用丝胶蛋白质的独特功能,可以制成适合不同肤质、各种气候环境下使用的护肤化妆品。
抗氧化、抗衰老功能
人体皮肤变黑就是因为黑色素细胞中的酪氨酸酶将角朊组分中的酪氨酸氧化,发生一系列反应,最后聚合成黑色素。紫外线加速这一氧化反应,人的皮肤常暴露于日光中就容易变黑。丝胶的多羧基、羟基、氨基等功能基团还具有抗氧化功能,能抵御日光、微波、化学物质、大气污染物对肌肤的侵蚀,能很好地抑制活性氧的发生,防止皮肤起皱老化。
丝胶中酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等能有效吸收紫外线。丝胶中高比例的羟基氨基酸与微量元素如铜、铁的螯合,影响酪氨酸酶活性的正常发挥,丝胶具有酪氨酸酶活性抑制的特性。
食物发生褐变反应,是由于食物中的脂质在多酚氧化酶的作用下发生了过氧化反应。共轭双烯含量越大,过氧化反应越强。含有丝胶的样品共轭双烯的含量随着时间的延长增长缓慢,从而能显著抑制多酚氧化酶活性而抗氧化,可以作为抗氧化剂在食品中加以利用。
人体机体内丝胶蛋白质的生物合成部位主要是在成纤维细胞或其它细胞的胞浆膜及表皮角朊细胞等。体内丝胶蛋白质的合成速度很快,并迅速排出胞外或被降解。其合成受体内激素、年龄和环境等因素影响。丝胶蛋白质作为人体皮肤、组织细胞等固有必需的生物活性物质,对***肤无刺激性,对眼睛无任何刺激性和光毒性反应。给动物注射适量丝胶蛋白质,丝胶蛋白质本身并不是抗原体,所以在体内一般不会产生过敏反应及其它毒副作用,使用安全。丝胶蛋白质与机体细胞表面结合后,可阻挡细胞中某些酶释放到细胞外,减少自由基的形式。丝胶蛋白质主要能限制几种产生自由基和脂质过氧化的类靠近细胞膜,减少了细胞膜表面羟基自由基的流入,防止了细胞结构的破坏,从而产生防止皮肤皱纹形成和抗皮肤衰老功能。
此外,随着人的年龄增长,或皮肤受到强烈刺激后,其中的丝胶蛋白质酶就会被活化,过度降解和破坏了黏结皮肤组织成分丝胶蛋白质,使刺激加重并导致皮肤组织脱水,结果引起皮肤粗糙、皲裂、形成皱纹和老化。适当给皮肤补充一定量的丝胶蛋白质后,丝胶蛋白质能迅速与细胞表面结合,及时将外界生长信号传递到细胞内,直接促进组织的增殖、重建与修复,并能通过丝胶蛋白质抗自由基的产生、抑制动物细胞的病理吞噬及保护皮肤等协同作用,使皮肤弹性与饱满度得到一定恢复,产生消除皮肤皱纹、增加弹性、防止皲裂和抗皮肤衰老等作用。在丝胶蛋白质高分子聚合结构中存在许多羧基阴离子,故可以产生某些大离子功能。丝胶蛋白质可以改变带正电荷物质在皮肤组织中的扩散及其分配速率,并能及时调节细胞表面以及细胞周围阳离子的流动和浓度变化,并能直接参与体液中水和电解质的代谢调控。当丝胶蛋白质降解后能明显维护动脉壁的正常通透性,增加了毛细血管的血液循环,提高了皮肤对外界环境改变的应激能力和适应性,促进了皮肤健康。如果经常在皮肤上涂擦含丝胶的化妆品,能有效抑制皮肤中黑色素生成,保持皮肤白嫩。它用于化妆品,可起到保湿护肤、抗衰老、营养皮肤、促进伤口愈合、抗菌消炎及稳定乳化等功能。
抗菌消炎功能
低分子质量丝胶具有抑制病菌生长、抑制病理反应的功能,产生抗菌消炎作用。由于大分子质量丝胶蛋白质所特有的吸水保湿功能,其水溶液涂于皮肤表面时,易形成一层水化膜,此膜如同一道天然屏障,能有效将皮肤与细菌隔离开来,阻止了细菌侵入皮肤,间接产生抗菌消炎作用。此外,在皮肤基质中,丝胶蛋白质与蛋白质结合,并以蛋白质复合物形式存在于细胞间隙,形成凝胶,将细胞粘合在一起,发挥正常细胞代谢及组织持水的作用,从而产生保护细胞免受病原菌的侵害,防治感染等作用,对皮肤起到了一定保护功能。
丝胶蛋白质促进伤口愈合功能
在机体受伤后,丝胶蛋白质是首先到达伤口处的主要物质之一。在丝胶蛋白质酶作用下,丝胶蛋白质产生降解,并激发随后的伤口逐渐进行修复。在伤口部位,丝胶蛋白质还能增强凝血酶的活性,加速纤维凝血块的形成,并能促进单核细胞的病理吞噬作用和表皮细胞的进入与粘附及成纤细胞的增殖和游走,防止炎症渗出,直接促进细胞的生长、分化、重建与结构修复。同时,由于丝胶蛋白质的高保湿和水化性能,可通过扩大胞间空隙,促进细胞移动,由此营造一个特别适合炎性细胞进入和维持活性的良好环境,促进和维持伤口周围皮肤水环境的恒定,从而加速伤口的愈合及减少伤疤。
稳定乳化功能
丝胶蛋白质是具直链结构的高分子生物制品,持水性很强,在水中易形成致密的水溶性聚合网状结构,使其水溶液能保持较高的黏性和弹性,具有一定的增稠作用。丝胶蛋白质与乳化剂、表面活性剂等复配性能较好,当其水溶液与化妆品油相混匀乳化后,能使膏、霜、乳等基质细腻均匀,长期存放不分层、不渗水,剂型稳定,表明丝胶蛋白质具有较强的促进和稳定乳化功能。
药物载体功能
丝胶蛋白质作为药物载体,具有缓释药物作用和促进药物透皮吸收的功能。由于丝胶蛋白质分子质量很大,在溶液中其分子间相互作用交联成网,此种网络对药物分子起到粘附作用,使药物缓慢从丝胶蛋白质网络载体中释出,体内扩散速度大大减慢,产生长效、延效作用。另外,丝胶蛋白质具有较强的保湿性能,在皮肤表面形成的水化膜能使角质层水合软化,改变了角质层的水合结构,在护肤的同时,也增加了药物分子透皮吸收的能力,提高了药效。在一些防治皮肤创伤、烧伤、干皮症、搔痒症、祛色斑及美白皮肤的软膏、霜和液体等化妆品或药物制剂中加入适量丝胶蛋白质。
丝胶蛋白保健纺织物后整理材料
合成纤维系疏水性纤维,吸放湿性能较差,因此用合成纤维制作的服装,穿着舒适度差。丝胶含有大量具有亲水性侧链的氨基酸,吸放湿性能较好。在丝胶溶液中加入一定量的戊二醛、树脂等交联剂进行改性,降低丝胶的溶解性,并使其成为网状结构,将合成纤维浸渍在改性后的丝胶溶液中将丝胶溶液直接涂刷在织物上,可得到舒适性好的改性纤维或改性织物。其机理是丝胶分子的引入,降低了纤维的表面电位,增加了纤维表面活性吸附活化中心,并降低了纤维结晶度,提高了比内表面积,因此有利于水分子的吸附和扩散,使改性纤维或织物的吸放湿性能提高。此外,还具有显著的抗菌效果。日本利用这种涂层技术,已成功开发内衣、汗衫、尿布、床上用品等产品,随着人们保健卫生意识的不断增强,这类新产品的销量正在逐渐增长。
其他功能
丝胶蛋白质还具有防治眼睛疲劳、干眼病、防止隐形眼镜对眼球的摩擦损伤和润滑眼球,妇科及外科手术防粘连、诱导靶向技术治疗癌症、促进溃疡面的康复、减轻滑膜炎症、缓解关节炎疼痛、辅助诊断肝硬变和恶性肿瘤等疾病、减少妊娠纹的出现及促进产后妊娠纹的恢复等一系列特殊功能。
全天然纯大量生产丝胶蛋白质的方法
国内外都十分重视昆虫资源的开发利用。日本农林水产省自2002年以来,着力推进以家蚕为主体的“昆虫产业”,将昆虫称为“21世纪最大的未利用资源”,提出“以独创的昆虫制品挑战世界”的口号。而我国蚕业历史悠久,家蚕品种资源丰富,饲育技术成熟,成本低廉,科研力量雄厚,随着“清洁生产”、“人与自然和谐发展”等新观念渐渐深入人心,新的蚕丝蛋白加工及综合利用极为重要,可为化工、医药、纺织、食品、化妆品工业提供更多的产品和原料,特别为保护环境,提高经济效益提供非常有效的途径。
日本丝胶蛋白的研究起步较早,以开发蚕丝特殊机能和利用为目标,首先从不同角度分析丝胶蛋白质的结构、功能、分离方法以及利用方向、途径等,得出大量的有意义的研究结果,发表了大量有价值的研究论文,诸多蚕丝、化妆品大型企业加入丝胶蛋白质的研究与开发,形成了产学研一体化系统,从保存的历史未开发品种资源中筛选率先出纯度高、丝量多的全丝胶基础品种“丝胶星”,是世界蚕丝生产国中最早公布育成纯度高、丝量多的全丝胶蚕品种,利用此丝胶品种生产的全天然纯丝胶蛋白质创新素材,研发了品种多样的医药、保健、化妆用品,投入市场,效益可观,引起业界的广泛重视。但日本蚕业生产几乎全部衰亡,丝胶品种没有得到大面积生产和推广。20世纪80年代,丝胶蛋白质就以其优异保湿、营养皮肤等特殊性能受到了国际化妆品界的广泛关注。此后,以丝胶蛋白质为特殊功能原料的系列化妆品相继问世。近年来,国内一些知名化妆品公司也陆续开发出以丝胶蛋白质为特色的化妆品系列,如江苏苏豪国际集团新上市的“采尚”牌丝胶蛋白质护肤养颜化妆品系列,充分显示出丝胶蛋白质作为一种新兴功能性化妆品原料的强劲发展势头。