护肤美容用丝素材料的制备及应用研究

李淋倍，林海涛，彭泽冶，阳辰峰，李玉梅，陈铭远

(1.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.江门联皓照明科技有限公司，广东 江门 529080)

早在三十多年前，蚕丝蛋白应用于护肤美容领域的研究就已引起国内外研究人员的关注。在20世纪80～90年代期间，日本就已获得多项关于蚕丝蛋白应用于化妆品或作为生物材料的专利[1]。国内研究人员对蚕丝蛋白应用于护肤美容领域的广泛关注则始于20世纪90年代。丝素蛋白是从蚕茧中获得的一种天然生物材料。丝素在提取前是被丝胶覆盖着，所以要想获得纯丝素纤维，需经完全脱胶后获得。丝胶蛋白是可溶性糖蛋白，表达于桑蚕丝腺中部。这些蛋白质覆盖了蚕丝中丝素蛋白的表面，丝素是蚕丝的核心蛋白。一旦丝胶被去除，将纯丝素纤维溶解在水溶液，即可被进一步加工成不同形态的材料[2]。应用于护肤美容领域的丝素一般被制作成粉末、丝肽、凝胶等形态的丝素材料。这些丝素材料在提供营养物质、抑制微生物繁殖、消除活性氧自由基、分解老化的角质、促进新陈代谢和增强细胞活性等方面可能会有令人意想不到的效果[3]。本文回顾了国内外近30年来护肤美容用丝素材料的制备及应用研究，意在为研究人员和护肤美容领域的从业人员总结有用的信息及介绍研究成果的最新进展。

1 丝素的结构及性能

丝素由蚕丝经精炼后获得，占蚕丝质量分数的70%～80%，结晶度高达50%～70%，结晶区主要由侧链较短的甘氨酸(43%～46%)、丙氨酸(25%～30%)和丝氨酸(约12%)等分子质量较小的氨基酸组成[3-4]。丝素蛋白由一个重(H)链(约390 kDa)和一个轻(L)链(约26 kDa)通过H链C端的一个二硫键连接在一起，形成H-L复合物。糖蛋白P25(约25 kDa)也与H-L复合物非共价连接。H链、L链和P25以6∶6∶1的比例组装成蚕丝。H-链的疏水结构域包含一个重复的Gly-Ala-Ala-Gly-Ser序列和Gly-Ala/Ser/Tyr二肽重复序列，可形成稳定的反平行β-片状。L-链的氨基酸序列是不重复的，因此L-链更具亲水性和相对弹性。丝素的主要晶体结构是丝Ⅰ和丝Ⅱ。气/水界面再生丝素溶液中也存在少量不稳定的丝Ⅲ结构。丝Ⅰ是一种具有曲柄或S字形结构空间构象的亚稳结构，属于正交晶系。丝Ⅱ是一种反平行的β-片状结构，属于单斜体系。相邻节段间的强氢键对丝素的刚度和抗拉强度有很大影响。通过甲醇或磷酸钾处理，丝Ⅰ结构可以很容易地转化为丝Ⅱ[5]。

2 丝素的溶解方法

溶解是丝素蛋白再加工的重要步骤，是将其加工成薄膜、多孔支架材料、静电纺丝丝素纤维、粉末、丝肽和凝胶等材料的必经之路。有多种溶解系统用于溶解丝素纤维，具体见表1。

表1 溶解丝素的常用溶剂体系及溶剂浓度配比Table 1 Common solvent system and solvent concentration ratio of dissolved silk

为得到纯丝素材料，一般在溶解前对其进行脱胶，常用的方法为碳酸钠或碳酸氢钠脱胶法，不同的脱胶方法对蚕丝进行脱胶，会对丝素纤维的溶解和丝素蛋白再加工材料的结构及性能产生影响[6]。溶解丝素纤维的技术路线见图1。

图1 丝素溶解工艺技术路线Fig.1 Technical route of silk fibroin dissolution process

不同的溶剂体系溶解丝素纤维有不同的特点。酸溶解工艺简单，酸的用量一般是丝素纤维的5～10倍，可彻底水解，能使丝素纤维全部转变为氨基酸，可是色氨酸会被完全破坏，随着水解时间的延长，含羟基的氨基酸都有不同程度的破坏。碱溶解，色氨酸不会被破坏，但易发生外消旋作用，营养价值降低。盐溶解在许多工艺参数下是可控的，产率高，但会引入不需要或有害的化学物质，必须通过透析或离子交换色谱法去除[7-8]。酶溶解，反应条件温和，具有专一性，可提高丝素肽产量和质量，但耗时长，一般也需要化学药品进行初步溶解[7,9]。

3 丝素蛋白粉的制备及应用

丝素粉的制备方法一般分为化学法和物理法。化学法制备丝素粉一般都经过图1的步骤或工艺先制得丝素蛋白水溶液，然后经干燥(冷冻干燥、加热干燥或喷雾干燥)制得丝素粉。物理法制备丝素粉即将蚕丝脱胶后浸入水中，经过膨化后再干燥，然后经机械粉碎可制得几微米至几十微米的丝素粉。丝素经过干式、球磨式和气流式碾磨粉碎或先经过碱性溶液处理后进行多级粉碎[21]。袁慧勇[21]用质量分数为98%的硫酸溶解丝素，反应温度为100 ℃，反应时间为6 h，成功制得平均粒径为150 nm的不溶性丝素蛋白粉，并用紫外可见分光光度计测定其吸收光谱，发现所制得的丝素蛋白粉对200～320 nm 波长区间的紫外光有很好的吸收，同时将其应用到防晒化妆品中，表现出很好的防晒能力。孔祥东[17]分别用物理粉碎法、酸法、中性盐法和酶法制备了丝素粉，并对其理化性质进行了研究，其中用物理粉碎法制得的丝素粉粒径较大，100目以下的丝素蛋白粉产率为82.3%，325目以上的丝素粉仅占5.67%，且几乎不溶于水；酸法制备丝素粉的产率在2.8%～6.7%之间，水溶性在19%～55%之间；中性盐法制备丝素粉的产率大于80%，水溶性在42%～85%之间；碱法制备丝素粉的产率为5%左右，而水溶性大于90%；酶法制备丝素粉的产率则大于100%(145%～180%)，因为其中的酶没除去，而水溶性在55%～95%之间；丝素粉的水溶性受溶解程度、pH值、反应温度和干燥方式的影响。Wang等[26]在温度为120 ℃和压强为0.24 MPa的条件下，采用低浓度的碳酸钠对丝素进行溶解，通过离心分离及冷冻干燥，同时制得可溶性和不溶性两种丝素粉，此方法具有操作简单、金属离子残留量少和对环境友好等特点。Kazemimostaghim M等[27]在生物相容性表面活性剂吐温80的辅助下，采用微珠研磨法，制备出了丝的亚微米级颗粒，粒径主要集中分布在150～400 nm之间。

丝素粉可分为可溶性丝素粉和不溶性丝素粉。可溶性丝素粉一般是由分子量在10 k～100 kDa的亲水性丝素蛋白或长丝肽组成，分子量越大可溶性越差；而不溶性丝素粉则一般由分子量大于100 kDa 的疏水性丝素蛋白组成或是粒径大于100 nm(100 nm 至十几微米)的丝素微纳米纤维或颗粒[21,26,28]。这两种丝素粉材料常用于膏体和粉体化妆品中。李军[29]将组分为1～3份的丝素粉与聚乙二醇、聚氧乙烯油酸酯和L-丝氨酸等物质结合制成丝素粉底霜，这种粉底霜容易被皮肤吸收，可有效防止化妆品褪色，可预防因流汗、皮肤牵动而破坏粉妆，并有柔肤、滋润和滋养皮肤的功效，能减弱油彩对面部特别是眼部皮肤的刺激。李苏扬[30]则用组分为30～50份的丝素粉与胶原蛋白粉、白茯苓粉、五倍子粉和蜈蚣粉等中药结合制备成丝素祛疤敷料，其可抵抗细菌、病毒的干扰，有促进皮肤吸收、淡化色素、淡化疤痕等作用。夏菊等[31]用组分为1～10份的丝素粉与凡士林、蜂蜡和维生素E等物质组合制成多功能护手霜，能为手部解决皮肤干燥粗糙、手纹松弛、肌肤暗黄、蜕皮倒刺等问题。

4 丝素肽的制备及应用

丝素肽一般由强酸和强碱在高温高压下长时间水解脱胶丝素纤维制得[32-33]；或先由中性盐溶解脱胶丝素纤维制成丝素蛋白溶液后，再用减法或酶法水解制得[34-35]。丝素肽分子量在300～10 000 Da之间，分子量小于2 000 Da的丝肽具有良好的水溶性，而分子量大于4 000 Da的丝肽水溶性则较差[36]。谢瑞娟等[19]用质量分数为20%的硫酸，在120 ℃的温度下水解脱胶丝素，水解6 h即制得丝素肽，但丝素基本是被水解为氨基酸，只有少量的二、三肽。陈芳艳等[33]用氯化钙、乙醇和水(量比1∶2∶8)三元溶液溶解丝素，溶解温度为70 ℃，制得丝素蛋白溶液。然后用不同浓度的氢氧化钠碱溶液将丝素蛋白水解为丝素肽。并测定丝素肽抑制黑色素生成能力，结果表明丝素肽表现出很好的抑制蚕血黑色素氧化的能力。任培华[37]用中性盐法溶解结合酶法水解丝素制得品性较好的白色丝素肽粉末，其可溶性指数接近100%。

不同分子量的丝素肽表现出不同的功能。国内外相关研究表明，分子量在1 000～5 000 Da的丝素肽更利于透过细胞膜而被皮肤充分吸收，对减少皮肤局部细微皱纹以及抑制黑色素都有一定的作用[28]。丝素肽经常是以粉体、膏体或溶液的形态应用到护肤美容产品中。刘学勤[38]用丝肽与单硬脂酸甘油酯、硬脂酸、十六醇、矿物油、甘油、十六烷基三甲基氯化铵和尿囊素等物质混合制成护发素，对头发具有明显的滋润、莹亮、顺滑的效果，使用后感到清爽、舒适，无油腻感。金仲恩[39]则以丝肽与羟苯甲酯、液体石蜡、食用醋精、雪花膏、扑尔敏片、绿茶、油酸、蜂蜡、硬脂酸单甘酯、氯化钠、聚硅氧烷、芦荟提取物和香精等物质为原料制成润肤露，可为皮肤组织细胞的新陈代谢提供所需的营养，能迅速渗透至肌肤内层，令肌肤润滑而富有光泽，能够收缩毛孔，抗衰老，去皱，软化角质，使毛细血管扩张引起的红脸蛋消失；促进营养成分的吸收，促进皮肤新陈代谢，具有保湿效果和加强肌肤保湿层的保水能力，使皮肤自然白皙光滑柔嫩，使皮肤柔软、光泽、有弹性。

从近年来相关的专利和文献报道可以发现，在化妆品领域，丝素肽的应用比丝素蛋白粉的应用更为广泛。水溶性丝素肽可作为液状、乳状、粉状、膏状和膜状等不同形态的护肤美容化妆品原料。丝素肽和丝素蛋白粉的应用范围见表2。

表2 丝素蛋白和丝素肽在不同产品中的应用对比表Table 2 Comparison of application of fibroin protein and fibroin peptide in different products

5 结语

中国是蚕丝生产大国，研究丝素在化妆品领域的应用意义重大。但从近30多年来国内外相关的研究报道发现，对丝素应用于护肤美容产品的研究还不够深入，特别是丝素材料在产品中的功效作用机理的研究还很缺乏。很多研究人员在研究丝素的美白、保湿、抗衰老、防晒等功效时，仅单独对丝素材料进行检测研究，可丝素材料经常是要和多种物质混合才能制成产品。其他物质和丝素材料的混合，会对丝素的功能特性有什么影响？这是我们要弄清楚的问题。可控、高产率地制备丝素肽也是我们目前需要攻克的难题。随着各领域的技术不断发展，制备丝素材料的方法技术以及丝素材料的功能检测技术都将会得到提升。将丝素材料作为载药缓释系统与药物结合，充分发挥丝素的生物相容性，并联合其他领域技术(如人工智能技术和光疗技术)以解决一些皮肤疾病(如皮肤癌、血管瘤、红斑狼疮)会是一个更具意义和挑战的课题。