发酵技术在化妆品中的应用进展

刘 雨,姜明星,张 轲

(1.华北制药华胜有限公司,河北 石家庄 052165;2.河北瑞诺医疗器械股份有限公司,河北 石家庄 050035)

随着社会经济的发展和生活质量的提高,人们的消费观念也在逐渐改变。随着化妆品行业的快速发展,人们对绿色、安全和健康化妆品的需求日渐增长,因此,开发功效明显、安全高效的化妆品具有广阔的市场前景。从天然原料中提取有效成分应用于化妆品曾经一度成为研究热点,天然原料虽然来源丰富,但是其生长周期较长,有效成分含量低,甚至具有毒副作用等,使得该方法的开发应用受到了限制。随着现代生物技术的发展,利用发酵技术富集原料中的保湿、抗氧化和抗衰老等活性功效成分,同时降低原料的毒副作用,改善化妆品的功效性和安全性,已经成为化妆品领域新的研发方向[1]。发酵技术可以实现产品的工业化大规模生产,降低成本,势必会进一步获得重视并得以发展。

1 发酵技术在化妆品中的应用现状

1.1 发酵技术现状

发酵是利用微生物细胞的生长或生物催化反应体系,获得菌体本身或其代谢产物的过程。通过一定的技术手段选择菌种和控制发酵工艺,可以实现目标产物的工业化大规模加工和制造。发酵技术具有条件温和、安全性高和可操控性好等优点,在传统食品发酵、抗生素医药和食品行业中都占据了重要的地位[2-3],在化妆品领域的应用也越来越广泛。

发酵技术在我国有着悠久的历史早在几千年前,人们就已经从事酿酒、制酱和制作奶酪等生产。随着抗生素工业的发展,在传统发酵技术的基础上结合现代基因工程和细胞工程等新技术,微生物发酵工业获得了更快的发展,在许多工业领域都有重要的应用[4]。在医药领域,通过微生物纯种发酵,获得次级代谢产物,包括抗生素、激素、维生素及其他生物分子等,作为医药中间体或化学原料药用于制药行业[5];在食品工业领域,从传统“酱、醋、茶”的发酵,到利用微生物发酵法生产氨基酸、食用香精等食品添加剂,再到功能性食品的开发,利用发酵技术不但可以大规模生产,而且可以降低生产成本;在能源工业领域,生物燃料越来越受到人们的关注,燃料乙醇等缓解了能源短缺的问题[6];在农业方面,利用微生物菌株固态发酵对农作物秸秆、果渣等进行深层次发酵,获得高附加值、高活性的功能产品[7];在环保方面,利用硝化细菌处理废气中的氮氧化物或者利用微生物体内酶系分解除臭等,都可以达到治理环境污染的目的。

早在20世纪80年代,就有将植物发酵产物应用于化妆品生产的报道,如用紫草细胞培养生产紫草素[8]。随着发酵技术的发展,利用微生物发酵技术开发的化妆品新原料越来越受到人们的关注。如日本的SK-Ⅱ神仙水就是一款典型的生物发酵技术产品,它含有天然活性酵母成分,能够改善皮肤自然的生理机能、调整皮肤状态。欧莱雅的精华肌底液在98%的高纯度发酵精华中加入了酵素精华复合物,对皮肤肌底有强大的修复效果,可以提升保养功效。随着发酵护肤品在不同国家的畅销,采用生物发酵技术生产的护肤品势必会越来越受到人们的重视,获得进一步的发展。

1.2 发酵技术在化妆品中的应用趋势

1.2.1 以发酵成分为配方的化妆品

发酵技术已经越来越多地应用到化妆品中,最初是把经发酵技术产生的活性成分添加到化妆品中,如天然的活性成分、天然的防腐剂等,这类功效物质主要是以天然植物为基础原料发酵而来,这一应用是沿用了中药美容的概念。植物提取物具有多种作用,在护肤方面具有抗氧化、美白保湿的作用,在护发方面具有促进头发生长、改善发质等作用,植物精油具有芳香的气味,能够愉悦身心,常常作为化妆品的天然香精来添加[9]。

“片仔癀”品牌产品中就包含了三七的发酵产物。标注有中草药发酵成分的佰草集、百雀羚等含有洋甘菊、人参和芦荟等发酵成分,兰蔻的小黑瓶、雅诗兰黛的小棕瓶也都是含有发酵成分的化妆品。这些耳熟能详的化妆品被越来越多的消费者所接受,说明发酵技术在化妆品行业的应用日趋成熟[10]。但这类化妆品都是采用的传统化学配方,只是将发酵后得到的单一化学成分或多种组分添加其中,起到抗衰老、美白和防晒中的一种或多重作用,可以说是将传统化妆品技术和发酵化妆品技术相结合的过渡产品。

1.2.2 微生物发酵的化妆品

为了满足消费者对化妆品更高安全性和功效性的追求,不添加任何化学制剂,只通过发酵做出化妆品已经成为发酵类化妆品发展的必然趋势。这类化妆品由植物原料粉碎或植物汁液自然发酵后过滤、提纯而得,不添加水和油脂,不乳化,不添加香精和防腐剂等任何外来物质,能够真正做到让化妆品无添加,让消费者远离各种不必要的化学成分。此外,相较于传统的植物萃取技术,发酵在较温和的条件下进行,能够更全面、更高程度地保留植物活性成分的功效。同时,在发酵过程中,菌种可以分解一部分底物,生成氨基酸、多肽等活性成分,使护肤效果更佳。

通过“发酵科技”制造出来的护肤品只是发酵了植物本身,只要植物原料本身无毒无害,发酵出来的化妆品相对安全,因此,儿童和孕妇都可以放心使用[11]。在生物发酵过程中,在微生物体内酶的作用下,植物中大分子物质分解成分子量较小的活性物质,容易被皮肤吸收,且保留了植物中原有的天然黄酮、蛋白和多酚等活性成分,通过抑制细胞的活性氧减少体内自由基的生成,从而达到延缓肌肤衰老的目的。生物发酵护肤品在滋养、修复和护肤领域的产品品类的竞争力明显高于普通护肤品。

1.3 微生物代谢工程在化妆品领域的应用

随着合成生物学和代谢工程技术的快速发展,胶原蛋白、神经酰胺、熊果苷、四氢嘧啶和透明质酸等一系列化妆品有效成分的生产方式已经逐渐被产率更高、环境更友好的生物工程技术取代。该技术在探索和阐明生物合成通路和特定关键酶的基础上,人工设计新的生物系统或改造旧的生物代谢过程,将合成通路引入特定的微生物细胞工厂,实现活性物质的异源合成。

神经酰胺存在于所有的真核细胞中,对细胞分化、增殖、凋亡和衰老等生命活动具有重要调节作用。神经酰胺作为皮肤角质层细胞间脂质的主要成分,具有维持皮肤屏障、保湿、抗衰老、美白和治疗疾病等作用。目前神经酰胺主要从动植物中提取或通过化学合成法获得。山格依里·巴依尔[12]筛选得到了产神经酰胺的克鲁弗酵母菌,研究了环境条件和培养基组分对克鲁弗酵母富集神经酰胺的影响,为克鲁弗酵母菌成为提取和开发生产神经酰胺类物质新的来源奠定了基础。

四氢嘧啶是一种细胞全能防护剂,可以防止细胞老化,修复并使老化或受损的皮肤新生,作为化妆品中的防晒剂和保湿剂,可以延缓皮肤老化,减少皮肤因紫外线照射形成的晒斑,防止皮肤干燥、衰老等。张山等[13]围绕四氢嘧啶开展系列工作,实现了四氢嘧啶合成关键基因在大肠杆菌中的异源表达,在重组菌株中四氢嘧啶的产量高达25.1 g/L。Pérez-García等[14]将四氢嘧啶合成基因簇引入谷氨酸棒杆菌,获得了重组高产菌株,在此基础上改造菌株,使其能够利用普通碳源,为四氢嘧啶的生产提供更多选择。

透明质酸可保持皮肤滋润光滑、细腻柔嫩、富有弹性,具有防皱、抗皱、美容保健和恢复皮肤生理功能的作用。将透明质酸用于化妆品中,能起到独特的保护皮肤的作用。透明质酸的功能与分子量大小密切相关,高分子量透明质酸具备优异的细胞保护功能,采用发酵法制造的透明质酸,其优点是能按照商品设计来设定分子量大小。汪昊[15]通过在谷氨酸棒杆菌宿主中构建透明质酸合成途径,改造合成酶系和优化培养条件,实现了高分子量透明质酸的高效合成。

这种借助微生物细胞工厂进行物质合成的方法具有成本投入少、环境污染小和量产规模可控等诸多优点,是建设节约型社会、实现可持续发展的绿色生产方式。不论从生态环保、投入产出比,抑或是产业规模来看,利用生物合成化妆品有效成分的方法均具有很大优势。

2 发酵技术在化妆品开发应用中的优势

2.1 富集功效物质

近年来,天然化妆品逐渐成为化妆品发展方向之一,比较常见的是从植物原料里提取。植物来源的活性物质有氨基酸、维生素和微量元素等,具有抗炎、抗氧化和美白保湿的作用,而且质地黏稠,不添加香精就可以产生让人愉悦的香气,但这些活性物质在天然植物中含量较低,导致提取困难,且不能有效地保存质。

灵芝的活性成分具有美白、抗衰老等功能,但其子实体原料存在生长周期长、生产成本高等限制因素,以生物发酵生产的灵芝发酵液可以有效解决以上问题。王亚惠[16]用发酵技术处理中华红芝子实体,发现发酵后灵芝浆液DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)清除率为40.50%、超氧阴离子清除率为20.96%,酪氨酸酶抑制率为42.40%,显著高于中华红芝子实体水/醇提取液。在优化后的培养基和发酵条件下,与美白相关的灵芝三萜和多糖等多种功能性成分在灵芝菌丝体发酵液中显著富集,美白和抗氧化活性具有良好的稳定性,因此菌丝体发酵液可以更好地应用于护肤品中。李慧文[17]通过体内外免疫功能调节实验表明利用活性酵母发酵红景天和人参可以显著提升二者增强免疫功能活性的能力。黄小龙等[18]综述了发酵对铁皮石斛活性成分多糖、蛋白质、氨基酸、脂肪酸以及多酚质量分数的影响,发酵后铁皮石斛的抗衰老作用得到加强,维持皮肤微生态平衡的能力得以提升,保湿效果也更加明显。绿豆富含蛋白质和黄酮,被广泛应用于化妆品中,郭聪颖[19]研究了富硒绿豆发酵液的美白、保湿和抗氧化活性,发现高浓度的富硒绿豆发酵液对DPPH和ABTS自由基的清除率分别为96.87%,99.66%,一定质量浓度的富硒绿豆发酵液可以使小鼠黑色素瘤细胞中的黑色素明显减少,并通过受试者皮肤实验验证了富硒绿豆发酵液在人体上具有优异的抗衰、美白和保湿的效果,且其发酵液中重金属离子质量分数远远小于《化妆品卫生规范2015版》中相关规定的限量,对皮肤、眼睛刺激性为零,不存在安全性问题,可以很好地应用到护肤品中。

2.2 产生新功效

原材料在生物发酵过程中不仅可以富集原材料的有效成分,也可以产生出新的成分。生物发酵技术可以通过有目的地选择菌种、控制发酵条件和调节代谢途径等对有效成分进行目的转化和修饰,从而改进并优化原有功效成分的性状,产生新的活性物质,增强化妆品的美白、保湿等功效。虫草中含有氨基酸等营养成分以及多糖、虫草酸、核苷等生物活性成分,还含有其他多种有用的次生代谢产物,这些都是功能食品研发和新药创制的物质来源,也是实现虫草高附加值二次化学成分开发利用的基础。肖建辉[20]研究了虫草发酵产物的生物活性,首次从虫草属真菌中获得10个已知化合物,丰富了虫草天然产物化合物库,为新药创制增添了化合物资源,也为江西虫草菌丝体二次化学成分的研发奠定了基础。王丹丹[21]以含丰富胶原蛋白的鳕鱼皮为原料,经益生菌发酵后制备具有较好溶解性和无鱼皮腥味的鱼皮多肽产品,与胶原蛋白相比,胶原蛋白多肽具有良好的理化性质和生理活性,使主要水产品加工的鱼皮下脚料产生了新的利用价值和功效。

2.3 降低有害物质

在我国,中草药在美容方面的应用已经有几千年的历史,以天然植物作为化妆品的主要来源和基础原料正是沿用了这一方法。天然植物资源营养成分丰富,但成分复杂,存在重金属超标、农药残留等问题,限制了其应用和开发。例如:红参具有抗氧化的作用,但其具有免疫刺激活性,容易引起皮肤过敏、中毒等。Lee等[22]研究发现发酵红参对酪氨酸酶活性和弹性蛋白酶活性的抑制比未发酵的红参效果更好。在皮肤致敏实验中,发酵红参的刺激致敏率明显低于未发酵红参。经过微生物发酵技术进行生物转化,可以降低原来有毒物质的毒性,确保使用的安全性。诸多研究表明:植物原料经微生物发酵处理后,其有毒副作用的物质不仅可以得到一定程度的减少,还可以增加有效活性成分,扩大其使用范围,对解决植物资源在化妆品植物功效原料开发过程中遇到的不良反应问题具有重要的借鉴作用。

马钱子为马钱科马钱子属植物马钱的干燥成熟种子,具有消肿止痛的作用,然而也具有一定的毒性,陈龙等[23]研究真菌发酵对马钱子降毒保效的作用,通过测定6种不同发酵品经灌胃给药对小鼠的急性毒性,发现经真菌发酵后马钱子毒性降低,然而仍保持了原有的镇痛和消炎的作用。

3 结 论

微生物发酵技术可以利用微生物细胞或细胞内的酶催化反应体系对天然原料中的活性物质进行修饰和改造,可以富集活性成分、增强抗炎及抗氧化功效、降低毒副作用,且具有能耗低、污染小、可以工业化大规模生产等优点,在化妆品研发过程中发挥重要的作用。但是,将发酵技术应用于实际化妆品生产中还需要解决多方面的难题,如发酵菌种的选择、生产工艺条件的优化以及生物转化途径的筛选等。此外,在不添加防腐剂的前提下,如何确保功效活性物质的稳定性也是需要重点研究的问题。在许多国外高新技术化妆品加大力度进军中国市场的环境下,更应该倡导自主研发,不断深化现代发酵技术在化妆品上的研究和应用,打造具有中国特色的竞争品牌。