一种功能性化妆品原料———透明质酸

张延坤 金京顺        摘要: 论述了透明质酸的理化与生物特性、简易制备方法、特殊功能及其在化妆品中的应用, 同时提供了几个常用的化妆品基础配方。透明质酸是一种对人体具有一系列特殊保护功能且性能优良的天然酸性黏多糖物质。它用于化妆品, 可起到保湿护肤、抗衰老、营养皮肤、促进伤口愈合、抗菌消炎及稳定乳化等功能。展望了其在今后国内日化市场上的发展前景, 为国内透明质酸资源的充分开发利用提供一些有益信息。
        关键词: 化妆品原料; 透明质酸; 特性与功能; 应用
        透明质酸(HA) 是由美国Meyer 等人[1 ]于1934年首先从牛眼玻璃体中分离得到的一种以乙酰氨基葡萄糖与葡萄糖醛酸双糖单元交替连接而成的直链酸性黏多糖。HA 普遍存在于人和动物的皮肤、血清、组织细胞间液中, 具独特的皮肤保湿、营养、抗衰老、稳定乳化、抗菌消炎、促进伤口愈合及药物载体等特殊功能, 是一种在日化、医药、生化与保健食品等领域内用途极为广泛、性能优良的功能性生化物质[2 ,3 ] 。
        早先, 由于HA 多以动物组织器官为原料而制得, 生产程序复杂, 产量低, 成本高, 因而售价昂贵, 故其应用范围仅局限于医药和生化领域。随着微生物发酵法制备HA 技术的迅速发展, 产量日益增加, 其应用范围也逐步在日化、保健食品等领域内随
之扩大。20 世纪80 年代, HA 就以其优异保湿、营养皮肤等特殊性能受到了国际化妆品界的广泛关注[3 ] 。此后, 以HA 为特殊功能原料的系列化妆品相继问世, 如日本资生堂公司“BH - 24”精华素系列;美国露华浓的“MOON DROPSR”保湿润肤系列; 美国宝莲公司的保温唇膏; 巴黎娇兰公司的“Hydrabel2la”润肤露产品。近年来, 国内一些知名化妆品公司也陆续开发出以HA 为特色的化妆品系列, 如永芳、丽花丝宝、绿丹兰和自然美[4 ,5 ]以及青岛华元公司的海丽·尼克HA 护肤养颜化妆品系列, 充分显示出HA作为一种新兴功能性化妆品原料的强劲发展势头。
1 　透明质酸的特性
111 　透明质酸的理化特性
        HA 的基本化学结构的是β- D - N - 乙酰氨基葡萄糖和β- D - 葡萄糖醛酸为结构单元, 并以β- 1 ,4 - 糖苷键交替链接成的一种直链式高分子酸性黏多糖化合物[3 ,6 ] , 为白色粉末,无特殊异味,相对分子质量一般为018 ×106～210 ×106 ,旋光度: - 74°(25 ℃,01025 %水中) 。能缓慢但最终完全溶于水, 形成黏稠、微乳白色或无色溶液, 难溶于有机溶剂。HA 的配伍性强, 相容性好, 几乎可以添加到任何含水的化妆品基质中。通常, 化妆品级HA 产品的葡萄糖醛酸质量分数≥42 % , 蛋白质质量分数≤011 % , 干燥失重≤10 % , 011 %水溶液的pH 值为610～715 , 灼烧残渣< 20 %。在化妆品生产过程中, 常用到HA 的钠盐或钾盐。HA 钠盐为白色纤维或粉状, 有微弱香气, 能缓慢溶于水形成微乳白色或无色高黏稠状液体,也能溶解于氯化钠溶液,几乎不溶于有机溶剂。HA钠盐的盐质量分数通常不低于98 % , 干燥失重≤10 % , 012 %水溶液的pH 值为515～715 , 灼烧残渣< 20 % , 动力学黏度为8 Pa·s (30 ℃) [2 ] 。配制HA 水溶液时, 应先将HA 松散、缓慢撒入
水面上, 稍加搅拌, 使其充分溶胀后再进行间歇式搅拌下溶解。也可先用体积分数为75 %乙醇将HA 浸透后, 再缓慢加水, 间歇式搅拌, 以增加其溶解速度, 待乙醇挥尽后即可使用。所用水应是软水或无离子水, 以免影响溶液的澄清度。生产化妆品时, 应待基质温度降至60 ℃以下后, 再加入HA 水溶液, 以免引起HA 形成凝块或降解。另外, 固体HA 应低温、干燥和避光贮存。HA 水溶液最好临用前配制, 且一次用完, 如长期存放, 应加入适量防腐剂, 以防变质[2 ] 。
112 　透明质酸的生物特性
        机体内HA 的生物合成部位主要是在成纤维细胞或其他细胞的胞浆膜及表皮角朊细胞等[7 ] 。体内HA的合成速度很快, 并迅速排出胞外或被降解。其合成一般受体内激素、年龄和环境等因素影响。HA 由HA 酶降解, 该酶由多种细胞产生, 降解过程中, 首先将HA 降解成50 个～60 个双糖单位、相对分子质量为20 000 的中等分子, 再由其他酶进一步将其降解为寡糖。血浆中HA 的生物半衰期为215 min ～
515 min。尿中排出量仅为其总清除率的1 %以下[8 ] 。
HA 作为人体皮肤、组织细胞等固有必需的生物活性物质, 一般对人皮肤无刺激性, 对眼睛无任何刺激性和光毒性反应。给动物注射适量HA 后研究发现[2 ] , HA 本身并不是抗原体, 所以在体内一般不会产生过敏反应及其他毒副作用, 使用安全。
2 　透明质酸的制备
        目前, 常用HA 的制备工艺主要有以下两种。
        (1) 动物组织提取法: 此法是最早采用的HA 生产法, 以人脐带、鸡冠、哺乳动物血清、牛眼玻璃体、鲨鱼皮及鲸鱼软骨等为原料[2 ,5 ] , 用适量丙酮或乙醇浸泡过夜, 过滤, 对原料脱脂、脱水。风干后,将原料改用蒸馏水浸泡一定时间, 过滤。滤液分别用氯化钠溶液和氯仿处理, 之后加入胰蛋白酶于50 ℃左右保温酶解一定时间, 精制去除蛋白质、小分子肽、氨基酸、核酸及其他多糖类杂质[6 ] 。混合液经离子交换树脂脱无机离子后得精制HA。该工艺原料来源局限性大, 产品提取率极低, 仅为1 %左右[3 ] , 工艺程序复杂, 生产成本高, 不宜进行工业化生产。
        (2) 微生物发酵法: 该法是近年来兴起的一种HA 制备新工艺, 是以葡萄糖作碳源, 蛋白胨为氮源及其他营养物质组成培养基, 接种菌种(一般多选用链球菌属类菌种) 后, 于特定条件下培养发酵48 h。发酵结束后, 过滤, 精制除去菌丝体蛋白、核酸、有机酸及链球菌代谢生成的其他复杂产物等杂质。再经乙醇沉淀、纯化等程序即能得到高纯度HA 产品[3 ,6 ] 。该工艺特点是不受原料资源限制, 操作简便, 无需复杂纯化过程, 产率较高, 还能按实际需要来设定产品的分子质量, 并可进行大批量工业化生产, 生产成本较低, 是今后生产HA 的主要发展方向。
3 　透明质酸的特殊功能
311 　保湿护肤功能
        HA 作为一种理想的天然保湿因子, 保湿护肤是最主要功能。研究发现[2 ,5 ,9 ] , HA“分子粒”可保留比自身重500 倍～1 000 倍的水, 质量分数为2 %HA水溶液能牢固地保持98 %水分, 生成凝胶, 且水分不易流失。HA 分子质量越高, 其保湿效果越好, 在化妆品中的用量也就越低[6 ] 。HA 作为保湿剂, 在相对湿度43 %和81 %环境中, 其48 h 的吸湿率分别为13197 %和42165 % , 保湿率分别是141114 %和148115 %, 效果均优于其他常用的化妆品保湿剂,表明HA 既有较高的吸湿性, 又有良好的保湿性[10 ] 。在所有水结合性保湿剂中, HA 的保湿特性是独一无二的, 是国际化妆品行业所公认的最好保湿剂[4 ,11 ] 。HA 具有高分子质量和大分子体积的特性, 在水溶液中, 其分子高度伸展并相互缠绕连接形成连续的网状结构, 而水分子则在此网络内通过极性键和氢键与HA 分子相互结合, 使得HA 就像“分子海绵”一样, 能吸收和保持其自身质量上千倍的水分[12 ] 。当这种饱含水分的“分子海绵”涂布于皮肤表面后, 则能形成一层水化膜, 对角质层保持保湿作用, 防止皮肤干燥, 产生护肤作用。此外, HA 水化膜还有透气和非封闭特性, 结果产生一般封闭式润肤剂或调理剂所不能比拟的润肤功能[4 ] 。HA 还可通过形成黏弹液
并填充于皮下骨胶纤维中起作用, 还能有助于防止骨胶原由溶解状态转化为不溶解状态, 并与蛋白质复合物对皮肤的保湿产生协同作用[2 ] 。而富含HA 的ECM可以从真皮层中吸取大量水分, 同时又因表皮脂质的屏障作用可防止水分的蒸发和损失。达到了维持皮肤水环境的恒定状态[13 ] , 从而产生护肤润肤作用。所以, 可利用HA 的独特保湿功能, 制成适合不同肤质、各种气候环境下使用的护肤化妆品。
312 　抗衰老功能
        研究发现[3 ,7 ] , HA 与机体细胞表面结合后, 可阻挡细胞中某些酶释放到细胞外, 减少自由基的形式。HA 主要能限制几种产生自由基和脂质过氧化的类靠近细胞膜, 减少了细胞膜表面羟基自由基的流入, 防止了细胞结构的破坏, 从而产生防止皮肤皱纹形成和抗皮肤衰老功能。此外, 随着人的年龄增长,或皮肤受到强烈刺激后, 其中的HA 酶就会被活化,过度降解和破坏了黏结皮肤组织成分HA ,使刺激加重并导致皮肤组织脱水,一般皮肤组织每损失1 g HA ,其中水分就减少6 L , 结果引起皮肤粗糙、皲裂、形成皱纹和老化[14 ] 。适当给皮肤补充一定量的HA 后,
HA 能迅速与细胞表面结合, 及时将外界生长信号传递到细胞内, 直接促进组织的增殖、重建与修复, 促进ECM功能的恢复。并能通过HA 抗自由基的产生、抑制动物细胞的病理吞噬及保护皮肤等协同作用, 使皮肤弹性与饱满度得到一定恢复, 产生消除皮肤皱纹、增加弹性、防止皲裂和抗皮肤衰老等作用[15 ] 。
313 　营养皮肤功能
        HA 具有皮肤保湿和营养双重作用, 是其他保湿剂所不能比拟的。HA 作用于皮肤表面后, 大分子HA 可迅速在皮肤表面形成一层透气的水化膜, 使角质层水合软化, 从而增加角质层对活性物质的吸收利用。同时, 由于皮肤的矩阵结构, 使HA 成为化妆品中活性成分传递的有效介质。而低分子HA 则能直接渗入到真皮层, 产生扩张毛细血管、增加血液微循环、改善中间代谢, 对皮肤中其他活性或营养成分起
透皮传递系统的作用[1 ,5 ] 。由此改善皮肤的生理条件, 为真皮胶原蛋白和弹性纤维的合成提供了优越的外部环境, 加强了营养物质的供给, 产生营养皮肤功能[3 ,7 ] 。
314 　促进伤口愈合功能
        在机体受伤后, HA 是首先到达伤口处的主要物质之一[16 ] 。在HA 酶作用下, HA 产生降解, 并激发随后的伤口逐渐进行修复。在伤口部位, HA 还能增强凝血酶的活性, 加速纤维凝血块的形成, 并能促进单核细胞的病理吞噬作用和表皮细胞的进入与粘附及成纤细胞的增殖和游走, 防止炎症渗出, 直接促进细胞的生长、分化、重建与结构修复[3 ] 。同时, 由于HA 的高保湿和水化性能, 可通过扩大胞间空隙, 促进细胞移动, 由此营造一个特别适合炎性细胞进入和维持活性的良好环境, 促进和维持伤口周围皮肤水环境的恒定, 从而加速伤口的愈合及减少伤疤[7 ] 。
315 　稳定乳化功能
        HA 是具直链结构的高分子生物制品, 持水性很强, 在水中易形成致密的水溶性聚合网状结构, 使其水溶液能保持较高的黏性和弹性, 具有一定的增稠作用[2 ]。HA 与乳化剂、表面活性剂等复配性能较好,当其水溶液与化妆品油相混匀乳化后, 能使膏、霜、乳等基质细腻均匀, 长期存放不分层、不渗水, 剂型稳定, 表明HA 具有较强的促进和稳定乳化功能。
316 　药物载体功能
        HA 作为药物载体, 具有缓释药物作用和促进药物透皮吸收的功能[17 ] 。由于HA 分子质量很大, 在溶液中其分子间相互作用交联成网, 此种网络对药物分子起到粘附作用, 使药物缓慢从HA 网络载体中释出, 体内扩散速度大大减慢, 产生长效、延效作用[18 ] 。另外, HA 具有较强的保湿性能, 在皮肤表面形成的水化膜能使角质层水合软化, 改变了角质层的水合结构, 在护肤的同时, 也增加了药物分子透皮吸收的能力, 提高了药效。在一些防治皮肤创伤、烧伤、干皮症、搔痒症、祛色斑及美白皮肤的软膏、霜和液体等化妆品或药物制剂中加入适量HA 后, 其相应的特殊护肤效果明显增强[19 ] 。
317 　抗菌消炎功能
        据报道[7 ] , 低分子质量HA 本身在啮齿类动物中就具有抑制病菌生长、抑制病理反应的功能, 产生抗菌消炎作用。由于大分子质量HA 所特有的吸水保湿功能, 其水溶液涂于皮肤表面时, 易形成一层水化膜, 此膜如同一道天然屏障, 能有效将皮肤与细菌隔离开来, 阻止了细菌侵入皮肤, 间接产生抗菌消炎作用。此外, 在皮肤基质中, HA 与蛋白质结合, 并以蛋白质复合物形式存在于细胞间隙, 形成凝胶, 将细胞粘合在一起, 发挥正常细胞代谢及组织持水的作用, 从而产生保护细胞免受病原菌的侵害, 防治感染等作用, 对皮肤起到了一定保护功能[4 ] 。
318 　大离子功能
        在HA 高分子聚合结构中存在许多羧基阴离子,故可以产生某些大离子功能。HA 可以改变带正电荷物质在皮肤组织中的扩散及其分配速率, 并能及时调节细胞表面以及细胞周围阳离子的流动和浓度变化,并能直接参与体液中水和电解质的代谢调控。当HA降解后, 能明显维护动脉壁的正常通透性, 增加了毛细血管的血液循环, 提高了皮肤对外界环境改变的应激能力和适应性, 促进了皮肤健康。
319 　其他功能
        HA 还具有防治眼睛疲劳、干眼病、防止隐形眼镜对眼球的摩擦损伤和润滑眼球, 妇科及外科手术防粘连、诱导靶向技术治疗癌症、促进溃疡面的康复[7 ] 、减轻滑膜炎症、缓解关节炎疼痛、辅助诊断肝硬变和恶性肿瘤等疾病[3 ] 、减少妊娠纹的出现及促进产后妊娠纹的恢复[20 ]等一系列特殊功能。
4 　透明质酸在化妆品中的应用
        作为一种功能性化妆品原料, HA 已在护肤膏霜、乳液、面膜、精华素及洗发、护发、摩丝和洗面奶等化妆品中得到了应用。化妆品对HA 分子质量和添加量的要求, 常因产品的性能不同而有所差异。HA 分子质量越大, 成膜性越好, 但渗透性较差。因此, 应根据化妆品的不同用途选择合适分子质量的HA。其添加量一般为011 %左右, 特殊用途化妆品的添加量可高达015 %以上。通常, 抗皱去皱类和防晒类化妆品应选择分子质量较高的HA , 用量应在011 %～015 %内选择; 而洗面奶、面膜等产品主要利用HA 的渗透性, 则应选择低分子质量HA , 其用量一般在011 %左右。HA 在化妆品中的应用配方举例如下。
        (1) 透明保湿修护液( w/ %) :
丁烯乙二醇510 , HA 310 , 小麦蛋白水解物110 ,维生素E 醋酸酯混合物110 , 香料011 , 防腐剂013 ,颜料110 , 去离子水加至100。动物体内外实验结果表明[2 ] , 与未修饰的皮肤相比, 用含HA 的化妆品修饰护理后,使皮肤有独特的水吸收平衡性,并防止其中水分的流失,明显减少了皮肤的摩擦阻力,令肌肤保持光滑、舒适和良好弹性。
        (2) 生发剂( w/ %) :
表皮生长因子01002 , 肝素210 , HA 015 , 1 - 薄荷醇012 , 乙醇15 , 防腐剂、香料适量, 去离子水加至100。该品具有促进头皮营养物质吸收及头发再生、养
发及护发等功效[21 ] 。
        (3) 护肤霜( w/ %) :
HA 钠盐011 , 可溶性蛋壳膜015 , 十六烷基磷酸甜菜碱015 , 角鲨烷1010 , 白蜡510 , 十六醇410 , 司盘60 210 , 吐温60 210 , 甘油510 , 对羟基苯甲酸甲酯011 , 去离子水加至100。使肌肤润泽、柔嫩、富有弹性与持久平滑光亮[9 ] 。
        (4) 皮肤增白液( w/ %) :
甘油4100 , 质量分数为1 %HA 水溶液0120 , 抗坏血酸- 2 - 磷酸酯3100 , 十四醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚0130 , 乙醇3100 , 去离子水加至100。该品能深层营养滋润和护理皮肤, 令肌肤白嫩柔滑, 晶莹剔透[9 ] 。
        (5) 润肤液( w/ %) :
HA 钠盐011 , 顺丁烯二酸氯苯胺110 , 甘油1010 , 对羟基苯甲酸甲酯0102 , 对羟基苯甲酸丙酯0101 , 乙醇210 , 去离子水加至100。防治皮肤干燥、搔痒及润肤方面, 含有HA 钠盐制品的效果为不含HA 钠盐制品的2 倍～3 倍[19 ] 。
        (6) 保湿定型喷发胶( w/ %) :
PVP/ VA 聚合物310 , HA 保湿剂210 , 乙醇510 ,去离子水加至100。具有较强的护发、美发、优良梳理性及发型保持功能, 用后头发滑爽光亮, 并适合于干湿头发[22 ] 。
        (7) 抗衰老洁面膏( w/ %) :
A 组分: 银杏叶提取物(浸膏粉质量分数为2 %水溶液,) 4015 , HA 提取物414 , 甘油812 , 表面活性剂410 , 丙二醇110 ; B 组分: 单甘酯210 , 吐温60210 , 白油810 , 角鲨烷610 , 硬脂酸110 , 香精011 ,防腐剂011。能使皮肤滋润、细腻、有光泽和弹性, 长期使用, 能减少皱纹、祛色斑和增白, 并延缓皮肤衰老等[23 ] 。
        (8) 保健浴液( w/ %) :
HA 钠盐(质量分数为1 %水溶液) 2010 , 海藻糖110 , 山梨糖醇(质量分数为60 %水溶液) 211 ,芦荟提取物0101 , 洋甘菊提取物0105 , 洋苏草提取物110 , 对羟基苯甲酸丙酯0105 , 柠檬酸0102 , 柠檬酸钠0118 , 蒸馏水加至100.具有洁肤、润肤、护肤、营养皮肤和防治皮肤老化等保健功能[24 ] 。
5 　展望
        HA 作为一种功能独特、应用广泛的化妆品原料, 已引起国内外化妆品界的普遍关注, 以HA 为功能性成分的新型特殊用途化妆品已成为目前国际日化界的主流产品, 其应用发展前景非常广阔。国内新型化妆品的研究开发也是日新月异, 市场竞争非常激烈, 天然环保型化妆品添加剂已成为当今主要研究方向。因此, 随着科学技术的飞速发展, 在人们崇尚天然的潮流中, 充分利用国内HA 资源, 研究开发新型、高档次HA 系列功能性化妆品, 满足广大消费者日益增长的需求, 提高国民的健康水平, 是大有必要的, 其潜在的经济效益和社会效益也是显而易见的。