護(hù)膚美容用絲素材料的制備及應(yīng)用研究

李淋倍，林海濤，彭澤冶，陽(yáng)辰峰，李玉梅，陳銘遠(yuǎn)

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.江門聯(lián)皓照明科技有限公司，廣東 江門 529080)

早在三十多年前，蠶絲蛋白應(yīng)用于護(hù)膚美容領(lǐng)域的研究就已引起國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。在20世紀(jì)80～90年代期間，日本就已獲得多項(xiàng)關(guān)于蠶絲蛋白應(yīng)用于化妝品或作為生物材料的專利[1]。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)蠶絲蛋白應(yīng)用于護(hù)膚美容領(lǐng)域的廣泛關(guān)注則始于20世紀(jì)90年代。絲素蛋白是從蠶繭中獲得的一種天然生物材料。絲素在提取前是被絲膠覆蓋著，所以要想獲得純絲素纖維，需經(jīng)完全脫膠后獲得。絲膠蛋白是可溶性糖蛋白，表達(dá)于桑蠶絲腺中部。這些蛋白質(zhì)覆蓋了蠶絲中絲素蛋白的表面，絲素是蠶絲的核心蛋白。一旦絲膠被去除，將純絲素纖維溶解在水溶液，即可被進(jìn)一步加工成不同形態(tài)的材料[2]。應(yīng)用于護(hù)膚美容領(lǐng)域的絲素一般被制作成粉末、絲肽、凝膠等形態(tài)的絲素材料。這些絲素材料在提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、抑制微生物繁殖、消除活性氧自由基、分解老化的角質(zhì)、促進(jìn)新陳代謝和增強(qiáng)細(xì)胞活性等方面可能會(huì)有令人意想不到的效果[3]。本文回顧了國(guó)內(nèi)外近30年來(lái)護(hù)膚美容用絲素材料的制備及應(yīng)用研究，意在為研究人員和護(hù)膚美容領(lǐng)域的從業(yè)人員總結(jié)有用的信息及介紹研究成果的最新進(jìn)展。

1 絲素的結(jié)構(gòu)及性能

絲素由蠶絲經(jīng)精煉后獲得，占蠶絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)的70%～80%，結(jié)晶度高達(dá)50%～70%，結(jié)晶區(qū)主要由側(cè)鏈較短的甘氨酸(43%～46%)、丙氨酸(25%～30%)和絲氨酸(約12%)等分子質(zhì)量較小的氨基酸組成[3-4]。絲素蛋白由一個(gè)重(H)鏈(約390 kDa)和一個(gè)輕(L)鏈(約26 kDa)通過H鏈C端的一個(gè)二硫鍵連接在一起，形成H-L復(fù)合物。糖蛋白P25(約25 kDa)也與H-L復(fù)合物非共價(jià)連接。H鏈、L鏈和P25以6∶6∶1的比例組裝成蠶絲。H-鏈的疏水結(jié)構(gòu)域包含一個(gè)重復(fù)的Gly-Ala-Ala-Gly-Ser序列和Gly-Ala/Ser/Tyr二肽重復(fù)序列，可形成穩(wěn)定的反平行β-片狀。L-鏈的氨基酸序列是不重復(fù)的，因此L-鏈更具親水性和相對(duì)彈性。絲素的主要晶體結(jié)構(gòu)是絲Ⅰ和絲Ⅱ。氣/水界面再生絲素溶液中也存在少量不穩(wěn)定的絲Ⅲ結(jié)構(gòu)。絲Ⅰ是一種具有曲柄或S字形結(jié)構(gòu)空間構(gòu)象的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系。絲Ⅱ是一種反平行的β-片狀結(jié)構(gòu)，屬于單斜體系。相鄰節(jié)段間的強(qiáng)氫鍵對(duì)絲素的剛度和抗拉強(qiáng)度有很大影響。通過甲醇或磷酸鉀處理，絲Ⅰ結(jié)構(gòu)可以很容易地轉(zhuǎn)化為絲Ⅱ[5]。

2 絲素的溶解方法

溶解是絲素蛋白再加工的重要步驟，是將其加工成薄膜、多孔支架材料、靜電紡絲絲素纖維、粉末、絲肽和凝膠等材料的必經(jīng)之路。有多種溶解系統(tǒng)用于溶解絲素纖維，具體見表1。

表1 溶解絲素的常用溶劑體系及溶劑濃度配比Table 1 Common solvent system and solvent concentration ratio of dissolved silk

為得到純絲素材料，一般在溶解前對(duì)其進(jìn)行脫膠，常用的方法為碳酸鈉或碳酸氫鈉脫膠法，不同的脫膠方法對(duì)蠶絲進(jìn)行脫膠，會(huì)對(duì)絲素纖維的溶解和絲素蛋白再加工材料的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生影響[6]。溶解絲素纖維的技術(shù)路線見圖1。

圖1 絲素溶解工藝技術(shù)路線Fig.1 Technical route of silk fibroin dissolution process

不同的溶劑體系溶解絲素纖維有不同的特點(diǎn)。酸溶解工藝簡(jiǎn)單，酸的用量一般是絲素纖維的5～10倍，可徹底水解，能使絲素纖維全部轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?，可是色氨酸?huì)被完全破壞，隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)，含羥基的氨基酸都有不同程度的破壞。堿溶解，色氨酸不會(huì)被破壞，但易發(fā)生外消旋作用，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低。鹽溶解在許多工藝參數(shù)下是可控的，產(chǎn)率高，但會(huì)引入不需要或有害的化學(xué)物質(zhì)，必須通過透析或離子交換色譜法去除[7-8]。酶溶解，反應(yīng)條件溫和，具有專一性，可提高絲素肽產(chǎn)量和質(zhì)量，但耗時(shí)長(zhǎng)，一般也需要化學(xué)藥品進(jìn)行初步溶解[7,9]。

3 絲素蛋白粉的制備及應(yīng)用

絲素粉的制備方法一般分為化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)法制備絲素粉一般都經(jīng)過圖1的步驟或工藝先制得絲素蛋白水溶液，然后經(jīng)干燥(冷凍干燥、加熱干燥或噴霧干燥)制得絲素粉。物理法制備絲素粉即將蠶絲脫膠后浸入水中，經(jīng)過膨化后再干燥，然后經(jīng)機(jī)械粉碎可制得幾微米至幾十微米的絲素粉。絲素經(jīng)過干式、球磨式和氣流式碾磨粉碎或先經(jīng)過堿性溶液處理后進(jìn)行多級(jí)粉碎[21]。袁慧勇[21]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸溶解絲素，反應(yīng)溫度為100 ℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，成功制得平均粒徑為150 nm的不溶性絲素蛋白粉，并用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定其吸收光譜，發(fā)現(xiàn)所制得的絲素蛋白粉對(duì)200～320 nm 波長(zhǎng)區(qū)間的紫外光有很好的吸收，同時(shí)將其應(yīng)用到防曬化妝品中，表現(xiàn)出很好的防曬能力?？紫闁|[17]分別用物理粉碎法、酸法、中性鹽法和酶法制備了絲素粉，并對(duì)其理化性質(zhì)進(jìn)行了研究，其中用物理粉碎法制得的絲素粉粒徑較大，100目以下的絲素蛋白粉產(chǎn)率為82.3%，325目以上的絲素粉僅占5.67%，且?guī)缀醪蝗苡谒?；酸法制備絲素粉的產(chǎn)率在2.8%～6.7%之間，水溶性在19%～55%之間；中性鹽法制備絲素粉的產(chǎn)率大于80%，水溶性在42%～85%之間；堿法制備絲素粉的產(chǎn)率為5%左右，而水溶性大于90%；酶法制備絲素粉的產(chǎn)率則大于100%(145%～180%)，因?yàn)槠渲械拿笡]除去，而水溶性在55%～95%之間；絲素粉的水溶性受溶解程度、pH值、反應(yīng)溫度和干燥方式的影響。Wang等[26]在溫度為120 ℃和壓強(qiáng)為0.24 MPa的條件下，采用低濃度的碳酸鈉對(duì)絲素進(jìn)行溶解，通過離心分離及冷凍干燥，同時(shí)制得可溶性和不溶性兩種絲素粉，此方法具有操作簡(jiǎn)單、金屬離子殘留量少和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)。Kazemimostaghim M等[27]在生物相容性表面活性劑吐溫80的輔助下，采用微珠研磨法，制備出了絲的亞微米級(jí)顆粒，粒徑主要集中分布在150～400 nm之間。

絲素粉可分為可溶性絲素粉和不溶性絲素粉?？扇苄越z素粉一般是由分子量在10 k～100 kDa的親水性絲素蛋白或長(zhǎng)絲肽組成，分子量越大可溶性越差；而不溶性絲素粉則一般由分子量大于100 kDa 的疏水性絲素蛋白組成或是粒徑大于100 nm(100 nm 至十幾微米)的絲素微納米纖維或顆粒[21,26,28]。這兩種絲素粉材料常用于膏體和粉體化妝品中。李軍[29]將組分為1～3份的絲素粉與聚乙二醇、聚氧乙烯油酸酯和L-絲氨酸等物質(zhì)結(jié)合制成絲素粉底霜，這種粉底霜容易被皮膚吸收，可有效防止化妝品褪色，可預(yù)防因流汗、皮膚牽動(dòng)而破壞粉妝，并有柔膚、滋潤(rùn)和滋養(yǎng)皮膚的功效，能減弱油彩對(duì)面部特別是眼部皮膚的刺激。李蘇揚(yáng)[30]則用組分為30～50份的絲素粉與膠原蛋白粉、白茯苓粉、五倍子粉和蜈蚣粉等中藥結(jié)合制備成絲素祛疤敷料，其可抵抗細(xì)菌、病毒的干擾，有促進(jìn)皮膚吸收、淡化色素、淡化疤痕等作用。夏菊等[31]用組分為1～10份的絲素粉與凡士林、蜂蠟和維生素E等物質(zhì)組合制成多功能護(hù)手霜，能為手部解決皮膚干燥粗糙、手紋松弛、肌膚暗黃、蛻皮倒刺等問題。

4 絲素肽的制備及應(yīng)用

絲素肽一般由強(qiáng)酸和強(qiáng)堿在高溫高壓下長(zhǎng)時(shí)間水解脫膠絲素纖維制得[32-33]；或先由中性鹽溶解脫膠絲素纖維制成絲素蛋白溶液后，再用減法或酶法水解制得[34-35]。絲素肽分子量在300～10 000 Da之間，分子量小于2 000 Da的絲肽具有良好的水溶性，而分子量大于4 000 Da的絲肽水溶性則較差[36]。謝瑞娟等[19]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硫酸，在120 ℃的溫度下水解脫膠絲素，水解6 h即制得絲素肽，但絲素基本是被水解為氨基酸，只有少量的二、三肽。陳芳艷等[33]用氯化鈣、乙醇和水(量比1∶2∶8)三元溶液溶解絲素，溶解溫度為70 ℃，制得絲素蛋白溶液。然后用不同濃度的氫氧化鈉堿溶液將絲素蛋白水解為絲素肽。并測(cè)定絲素肽抑制黑色素生成能力，結(jié)果表明絲素肽表現(xiàn)出很好的抑制蠶血黑色素氧化的能力。任培華[37]用中性鹽法溶解結(jié)合酶法水解絲素制得品性較好的白色絲素肽粉末，其可溶性指數(shù)接近100%。

不同分子量的絲素肽表現(xiàn)出不同的功能。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，分子量在1 000～5 000 Da的絲素肽更利于透過細(xì)胞膜而被皮膚充分吸收，對(duì)減少皮膚局部細(xì)微皺紋以及抑制黑色素都有一定的作用[28]。絲素肽經(jīng)常是以粉體、膏體或溶液的形態(tài)應(yīng)用到護(hù)膚美容產(chǎn)品中。劉學(xué)勤[38]用絲肽與單硬脂酸甘油酯、硬脂酸、十六醇、礦物油、甘油、十六烷基三甲基氯化銨和尿囊素等物質(zhì)混合制成護(hù)發(fā)素，對(duì)頭發(fā)具有明顯的滋潤(rùn)、瑩亮、順滑的效果，使用后感到清爽、舒適，無(wú)油膩感。金仲恩[39]則以絲肽與羥苯甲酯、液體石蠟、食用醋精、雪花膏、撲爾敏片、綠茶、油酸、蜂蠟、硬脂酸單甘酯、氯化鈉、聚硅氧烷、蘆薈提取物和香精等物質(zhì)為原料制成潤(rùn)膚露，可為皮膚組織細(xì)胞的新陳代謝提供所需的營(yíng)養(yǎng)，能迅速滲透至肌膚內(nèi)層，令肌膚潤(rùn)滑而富有光澤，能夠收縮毛孔，抗衰老，去皺，軟化角質(zhì)，使毛細(xì)血管擴(kuò)張引起的紅臉蛋消失；促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)成分的吸收，促進(jìn)皮膚新陳代謝，具有保濕效果和加強(qiáng)肌膚保濕層的保水能力，使皮膚自然白皙光滑柔嫩，使皮膚柔軟、光澤、有彈性。

從近年來(lái)相關(guān)的專利和文獻(xiàn)報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)，在化妝品領(lǐng)域，絲素肽的應(yīng)用比絲素蛋白粉的應(yīng)用更為廣泛。水溶性絲素肽可作為液狀、乳狀、粉狀、膏狀和膜狀等不同形態(tài)的護(hù)膚美容化妝品原料。絲素肽和絲素蛋白粉的應(yīng)用范圍見表2。

表2 絲素蛋白和絲素肽在不同產(chǎn)品中的應(yīng)用對(duì)比表Table 2 Comparison of application of fibroin protein and fibroin peptide in different products

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是蠶絲生產(chǎn)大國(guó)，研究絲素在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大。但從近30多年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)，對(duì)絲素應(yīng)用于護(hù)膚美容產(chǎn)品的研究還不夠深入，特別是絲素材料在產(chǎn)品中的功效作用機(jī)理的研究還很缺乏。很多研究人員在研究絲素的美白、保濕、抗衰老、防曬等功效時(shí)，僅單獨(dú)對(duì)絲素材料進(jìn)行檢測(cè)研究，可絲素材料經(jīng)常是要和多種物質(zhì)混合才能制成產(chǎn)品。其他物質(zhì)和絲素材料的混合，會(huì)對(duì)絲素的功能特性有什么影響？這是我們要弄清楚的問題。可控、高產(chǎn)率地制備絲素肽也是我們目前需要攻克的難題。隨著各領(lǐng)域的技術(shù)不斷發(fā)展，制備絲素材料的方法技術(shù)以及絲素材料的功能檢測(cè)技術(shù)都將會(huì)得到提升。將絲素材料作為載藥緩釋系統(tǒng)與藥物結(jié)合，充分發(fā)揮絲素的生物相容性，并聯(lián)合其他領(lǐng)域技術(shù)(如人工智能技術(shù)和光療技術(shù))以解決一些皮膚疾病(如皮膚癌、血管瘤、紅斑狼瘡)會(huì)是一個(gè)更具意義和挑戰(zhàn)的課題。