基于1stOpt软件的植物防晒剂组合物的优化

刘纲勇, 刘经亮, 龚盛昭

(1.广东食品药品职业学院 化妆品科学系， 广东 广州　510520； 2.广东轻工职业技术学院 轻化工程系， 广东 广州　510300)



基于1stOpt软件的植物防晒剂组合物的优化

刘纲勇1, 刘经亮1, 龚盛昭2

(1.广东食品药品职业学院 化妆品科学系， 广东 广州510520； 2.广东轻工职业技术学院 轻化工程系， 广东 广州510300)

摘要：1stOpt软件辅助植物防晒剂组合物优化.以植物防晒剂组合物的成本最低为目标函数，以防晒化妆品的防晒指数(SPF)大于30，以及每个植物防晒剂的浓度大于0为约束条件，建立数学模型.利用七种常见植物防晒剂的价格、提取产率、紫外吸收值等数据，运用1stOpt软件的粒子群法，优化得到了SPF=30且成本最低的植物防晒剂组合物.1stOpt软件具有操作简单、拟合快速而准确、收敛速度快等优点，是优化防晒化妆品配方的有力工具.

关键词：1stOpt软件； 防晒； 粒子群法； 拟合； 优化

0引言

由于紫外线对皮肤的伤害，防晒化妆品越来越受到人们的重视.但是，目前市场上防晒化妆品中防晒剂，包括化学防晒剂和物理防晒剂均具有一定刺激性，使其应用受到一定的限制.植物防晒剂具有高度的安全性和护肤、美白、抗衰老的特性，使其具有广阔的应用前景[1].国内外学者对常见植物防晒剂的提取方法、化学成分、防晒性能进行了广泛的研究，确定了黄芩、黄连、槐米、牡丹皮、皂角刺、吴茱萸、菊花等植物具有比较好的防护效果[2].一些学者进一步研究了植物防晒剂的筛选[3]和植物防晒化妆品的配方[4].目前为止，尚无人研究利用计算机软件优化防晒化妆品配方.

1stOpt是七维高科有限公司(7D-Soft High Technologic)独立开发，拥有完全自主知识产权的一套数学优化分析综合工具软件包.其最大特点是克服了当今世界上在优化计算领域中使用迭代法必须给出合适初始值的难题，而由1stOpt随机给出，最终找出最优解.目前，有不少学者利用1stOpt软件进行配方优化研究[5,6].

本文先按照文献[7-13]提纯了7种常见植物防晒剂，包括黄莲、吴茱萸、金银花、槐米、黄芩、陈皮、橙皮、皂角刺，测试其紫外吸收的效果，建立数学模型，运用七维高科有限公司的1stOpt软件的粒子群算法，优化得到防晒指数(SPF)等于30且成本最低的植物防晒剂组合物.

1实验部分

1.1试剂

实验用到的黄莲、吴茱萸、金银花、槐米、黄芩、陈皮、橙皮、皂角刺都买自广州采芝林药店.金银花用乙醇回流提取[7]，陈皮用醇提法提取橙皮苷[8]，黄连用醇提法提取盐酸小檗碱[9]，槐米用酸碱提取法提取芦丁[10]，疏毛吴茱萸用醇提法提取柠檬苦素、吴茱萸碱和吴茱萸次碱[11]，皂角刺用醇提法提取黄酮类物质[12]，黄芩苷用煎煮法提取黄芩苷[13].

1.2紫外吸收的测定

精密称定约0.01 g提纯的植物防晒剂样品，用约5 mL无水乙醇溶解，定量转移至100 mL容量瓶中，用无水乙醇定容至刻度，即得样品储备液.用移液管精密吸取一定体积上述储备液置于100 mL容量瓶中，然后用无水乙醇定容至刻度，得到待测液.用无水乙醇作空白，用UVmini-1801紫外可见分光光度计测定紫外波段290～400 nm的吸收度.吸取储备液的体积以最大吸光度读数在 0.3～1.5为准.

1.3SPF的计算

防晒效果的评价有人体试验法和体外评价法.人体试验法价格高而且受人种和皮肤敏感性的影响较大，数据重复性不太好.体外评价法是基于光谱学的方法，测定样品在特定波长下的紫外透光率，并借助太阳光谱强度标准数据来获得相应的SPF.体外评价法费用低、效率高、重复性好，适合用于防晒化妆品配方的前期优化.体外评价法的SPF值可由下式表示[14]：

(1)

式中：T(λ)为样品在特定波长下的透光率.E(λ) 是在特定条件下的太阳光谱辐射到地面的能量，Ser(λ)是太阳光谱引起红斑作用效力，E(λ)×Ser(λ)表示太阳光谱引起红斑的几率，如表1所示[15].

表1　太阳光谱的辐照度及引起

2结果与讨论

2.1紫外线吸收谱图

图1　植物防晒剂的紫外线吸收光谱

各种植物防晒剂的紫外吸收光谱如图1所示.为了让每种防晒剂的最高吸光度在0.3～1.5之间，每种植物防晒剂的浓度并不相同.不同的植物防晒剂的浓度及其在不同波长下的吸收度，如表2所示.

表2　各植物防晒剂浓度及其紫外的吸光度

2.2植物防晒剂组合物的优化

2.2.1建立植物防晒剂组合物优化的数学模型

(1)优化变量的选取

本文的主要任务是要获得最佳的植物防晒剂浓度，因此我们将7种植物防晒剂的浓度作为优化变量

X=(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7)

其中，xi表示第i种植物防晒剂的浓度，数字1、2、3、4、5、6、7分别代表金银花、橙皮、黄莲、槐米、吴茱萸、皂角刺、黄芩苷.

(2)目标函数的建立

对于防晒产品来说，要达到防晒效果的组合物非常多，组合物优化的关键在于如何找到最低的成本.因此，我们选择植物防晒剂的最低成本函数为目标函数.植物防晒剂的成本近似等于植物防晒剂的价格除以有效成分的提取率.其中各植物防晒剂的提取率都来自相关文献，具体数值如表3所示.

表3　各植物防晒剂的价格与提取率

防晒剂的成本函数为

(2)

其中，cost为防晒剂总成本，Pi表示第i个植物防晒剂的价格，Ri是第i个植物防晒剂的提取率，n=7.把表3数据代入式(2)中，得到目标函数为：

304.9x2+1 751.8x3+325.8x4+970.6x5+

1 244.8x6+263.4x7

(3)

(3)约束条件的建立

对于防晒产品来说，防晒系数决定着其防晒效果，因此，防晒系数是其最重要的约束条件.由于国内法规规定防晒化妆品的防晒指数不能超过30，因此，本文规定SPF≥30.由式(1)，得到第一个约束条件

(4)

(5)

根据朗格比耳定律，T=101-A，其中，A为浓度为xi时的吸光度.A=xi/ci×A(λ)，其中ci表示植物防晒剂测量紫外光谱时的浓度，如表2所示.得到

T(λ)=10(1-xi/ci×A(λ))

(6)

表3已经列出各防晒剂一定浓度下的A(λ)的数值，代入式(6).得到T(λ)是xi的函数.进而，SPF也是xi的函数.

除了防晒系数的约束条件，另外一个约束条件是每个植物原料的质量分数必须大于等于0.即

xi≥0, i=1,2,…,7

(7)

2.2.2数学模型的求解及结果分析

根据上述目标函数和约束条件，编写1stOpt程序.1stOpt软件有很多种优化方法，通过比较不同的优化方法，最终发现粒子群法在优化本程序时具有较好的全局收敛性和鲁棒性.求得优化结果如表4所示，其组成上满足了要求，将优化得到的结果代入式(1)，在防晒性能SPF上也满足了设计要求.表4表明，植物防晒剂组合的浓度从高到低分别为吴茱萸、槐米、黄芩、橙皮、黄莲、皂角刺、金银花.这说明，在最低成本的要求下，吴茱萸对防晒的贡献最大，皂角刺、黄莲对防晒的贡献很小，金银花则贡献为0.

表4　优化的植物防晒剂组合物

需要说明的是，通过本方法得到的最优化组合物与实际组合物有一定的出入，需要进一步在实践中验证.造成误差的原因有三点：(1)实际产品中的其它成分可能会影响其防晒效果；(2)体外评价法与人体测试法得到防晒系数不完全一致；(3)本文只考虑提取率，没有考虑提取的费用，理论成本与实际成本有一定出入.

3结论

(1)本研究首次尝试用1stopt软件优化防晒化妆品配方，利用防晒剂组合物成本最低为目标函数，以SPF大于一定值，及每个原料浓度大于等于0为约束条件，得到SPF=30且成本最低的植物防晒剂配方.

(2)1stOpt软件具有操作简单、拟合快速而准确、收敛速度快等优点，这是以往常规防晒化妆品配方优化方法所不能达到的.因此，本方法不失为植物防晒剂配方优化的方法和发展方向之一.

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The optimization of plant sunscreens compound

based on 1stOpt software

LIU Gang-yong1, LIU Jing-liang1, GONG Sheng-zhao2

(1.Department of Cosmetic Science, Guangdong Food and Drug Vocational College, Guangzhou 510520, China; 2.Department of Chemical Engineering, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300, China)

Abstract:The 1stOpt software aidedthe optimization of plant sunscreens compound.A math model was built.In this math model, the lowest cost of the plant sunscreens compound were set as optimizingtarget, the lower limits of each sunscreenand certain sunprotection factor (SPF) value were set as constrainconditions.The particle swarm optimization of lstOpt was applied to optimize the model by the data of UVabsorption spectrum of plant sunscreens，the extraction rate and cost of plant sunscreen,and got the plant sunscreen compound of the lowest cost and certain SPF.The 1stOpt software is simple in operation，rapid and accurate in fitting with high convergence rates,which is efficient instrument tooptimize the formula of plant sunscreens.

Key words:1spOpt software; sunscreen; particle swarm optimization; fit; optimization

中图分类号：TQ658.2

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)01-0099-04

作者简介:刘纲勇(1974-)，男，江西莲花人，副教授，博士，研究方向:化妆品及天然功能成分

基金项目：广东省中医药局基金项目(20111279); 广东省高等学校高层次人才项目(gdqy201302)

收稿日期:*2014-10-20 *2014-11-08 *2014-09-23