護膚美容用絲素材料的制備及應用研究

李淋倍，林海濤，彭澤冶，陽辰峰，李玉梅，陳銘遠

(1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，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，蠶絲蛋白應用于護膚美容領(lǐng)域的研究就已引起國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。在20世紀80～90年代期間，日本就已獲得多項關(guān)于蠶絲蛋白應用于化妝品或作為生物材料的專利[1]。國內(nèi)研究人員對蠶絲蛋白應用于護膚美容領(lǐng)域的廣泛關(guān)注則始于20世紀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，即可被進一步加工成不同形態(tài)的材料[2]。應用于護膚美容領(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)、促進新陳代謝和增強細胞活性等方面可能會有令人意想不到的效果[3]。本文回顧了國內(nèi)外近30年來護膚美容用絲素材料的制備及應用研究，意在為研究人員和護膚美容領(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)量分數(shù)的70%～80%，結(jié)晶度高達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]。絲素蛋白由一個重(H)鏈(約390 kDa)和一個輕(L)鏈(約26 kDa)通過H鏈C端的一個二硫鍵連接在一起，形成H-L復合物。糖蛋白P25(約25 kDa)也與H-L復合物非共價連接。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)域包含一個重復的Gly-Ala-Ala-Gly-Ser序列和Gly-Ala/Ser/Tyr二肽重復序列，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的，因此L-鏈更具親水性和相對彈性。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)段間的強氫鍵對絲素的剛度和抗拉強度有很大影響。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，一般在溶解前對其進行脫膠，常用的方法為碳酸鈉或碳酸氫鈉脫膠法，不同的脫膠方法對蠶絲進行脫膠，會對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。酸溶解工藝簡單，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幔墒巧彼釙煌耆茐模S著水解時間的延長，含羥基的氨基酸都有不同程度的破壞。堿溶解，色氨酸不會被破壞，但易發(fā)生外消旋作用，營養(yǎng)價值降低。鹽溶解在許多工藝參數(shù)下是可控的，產(chǎn)率高，但會引入不需要或有害的化學物質(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，但耗時長，一般也需要化學藥品進行初步溶解[7,9]。

3 絲素蛋白粉的制備及應用

絲素粉的制備方法一般分為化學法和物理法。化學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行多級粉碎[21]。袁慧勇[21]用質(zhì)量分數(shù)為98%的硫酸溶解絲素，反應溫度為100 ℃，反應時間為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測定其吸收光譜，發(fā)現(xiàn)所制得的絲素蛋白粉對200～320 nm 波長區(qū)間的紫外光有很好的吸收，同時將其應用到防曬化妝品中，表現(xiàn)出很好的防曬能力。孔祥東[17]分別用物理粉碎法、酸法、中性鹽法和酶法制備了絲素粉，并對其理化性質(zhì)進行了研究，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凰岱ㄖ苽浣z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%)，因為其中的酶沒除去，而水溶性在55%～95%之間；絲素粉的水溶性受溶解程度、pH值、反應溫度和干燥方式的影響。Wang等[26]在溫度為120 ℃和壓強為0.24 MPa的條件下，采用低濃度的碳酸鈉對絲素進行溶解，通過離心分離及冷凍干燥，同時制得可溶性和不溶性兩種絲素粉，此方法具有操作簡單、金屬離子殘留量少和對環(huán)境友好等特點。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。可溶性絲素粉一般是由分子量在10 k～100 kDa的親水性絲素蛋白或長絲肽組成，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，可預防因流汗、皮膚牽動而破壞粉妝，并有柔膚、滋潤和滋養(yǎng)皮膚的功效，能減弱油彩對面部特別是眼部皮膚的刺激。李蘇揚[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，其可抵抗細菌、病毒的干擾，有促進皮膚吸收、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 絲素肽的制備及應用

絲素肽一般由強酸和強堿在高溫高壓下長時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)量分數(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胞膜而被皮膚充分吸收，對減少皮膚局部細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)應用到護膚美容產(chǎn)品中。劉學勤[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)混合制成護發(fā)素，對頭發(fā)具有明顯的滋潤、瑩亮、順滑的效果，使用后感到清爽、舒適，無油膩感。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)為原料制成潤膚露，可為皮膚組織細胞的新陳代謝提供所需的營養(yǎng)，能迅速滲透至肌膚內(nèi)層，令肌膚潤滑而富有光澤，能夠收縮毛孔，抗衰老，去皺，軟化角質(zhì)，使毛細血管擴張引起的紅臉蛋消失；促進營養(yǎng)成分的吸收，促進皮膚新陳代謝，具有保濕效果和加強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。

從近年來相關(guān)的專利和文獻報道可以發(fā)現(xiàn)，在化妝品領(lǐng)域，絲素肽的應用比絲素蛋白粉的應用更為廣泛。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)的護膚美容化妝品原料。絲素肽和絲素蛋白粉的應用范圍見表2。

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

5 結(jié)語

中國是蠶絲生產(chǎn)大國，研究絲素在化妝品領(lǐng)域的應用意義重大。但從近30多年來國內(nèi)外相關(guān)的研究報道發(fā)現(xiàn)，對絲素應用于護膚美容產(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，僅單獨對絲素材料進行檢測研究，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，會對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技術(shù)都將會得到提升。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)會是一個更具意義和挑戰(zhàn)的課題。