海藻多糖是海洋藻类细胞内和细胞间所含有的高分子碳水化合物的总称^[1], 是由多羟基醛或酮及其衍生物构成的一种多组分的混合物。按其来源可以分为褐藻多糖、红藻多糖、绿藻多糖和蓝藻多糖4大类, 其中关于褐藻、红藻多糖的研究比较广泛。

由于人们对天然化妆品的需求日益增加, 有许多研究者将目光放在寻求具有生物活性的天然产物上, 近年来, 随着对海洋资源的开发, 海洋藻类中含量丰富的海藻多糖受到了研究者们的关注^[2]。他们在研究中发现, 海藻多糖在化妆品中具有极大的潜在应用价值。一方面, 海藻多糖生物活性丰富, 具有补水保湿、抗氧化、抑制酪氨酸酶活、抑菌、修复皮肤屏障和防紫外辐射等优良的生理活性, 作用条件温和、效果显著, 对皮肤无毒副作用。另一方面, 海藻多糖因含有亲水性基团, 亲水性能良好, 乳化性和凝胶性较强, 与常用化妆品成分复配性能良好, 对皮肤有良好的亲和力^[3]。这些特性表明, 海藻多糖在化妆品中具有很大的应用价值。为达到更好地开发利用海藻多糖的目的, 本文对海藻多糖的提取与分离纯化技术做简要介绍, 并对海藻多糖在化妆品中的应用展开综述。

1 海藻多糖的提取与分离纯化

海藻多糖广泛分布于海藻的各个组分中, 从细胞层面来讲可将其分为三大类: 细胞内多糖, 细胞外多糖和细胞壁多糖。得到高纯度的海藻多糖一般需要经过提取与分离纯化等多个步骤。

1.1 海藻多糖的提取

海藻多糖的提取方法有溶剂提取法、酶解提取法和物理强化法等^{[1, 4]}。溶剂提取法按溶剂的种类可分为水、酸和碱^[5], 该法因其操作简单、成本低而在海藻多糖的提取中应用最广泛。Cui等人^[6]对叉开网翼藻多糖的提取条件进行优化, 确立了最佳工艺: 浸提温度100 ℃, 料水比为1∶110 (g/mL), 提取时间6 h, 此时多糖得率为3.05%。酶解提取法按酶的种类可分为木瓜蛋白酶、果胶酶和纤维素酶等, 该法提取率高且反应条件温和。任壮^[7]利用酶法优化海带多糖提取工艺, 确定果胶酶、纤维素酶两种酶复合的提取工艺条件为: 酶解温度65 ℃, 料液比1∶150 (g/mL), pH 5.5, 果胶酶添加量0.7%, 纤维素酶添加量0.3%, 浸提时间4 h, 此时多糖得率为15.6%。物体强化法按物理作用方式可分为超声法、超高压法和微波法等, 该法常与溶剂提取法联用, 可显著减少提取时间并提高多糖得率。Yu等人^[8]利用微波法提取坛紫菜多糖, 确定最优工艺条件为: 微波功率300 W, 料液比为1∶50 (g/mL), 提取时间8 min, 此时多糖得率为3.6%。

1.2 海藻多糖的分离纯化

一般采用上述方法提取所得的为海藻粗多糖, 常会混有一些杂质如蛋白质和色素等, 需要进行分离纯化才能得到纯度较高的海藻多糖。

1.2.1 海藻多糖的脱蛋白

脱蛋白的方法有Sevag法、三氯乙酸法和蛋白酶法等。Sevag法作用条件温和, 多糖不易被降解, 是最经典的脱蛋白方法, 但脱蛋白效率低需进行多次处理。朱劼等人^[9]对螺旋藻多糖进行了Sevag法脱除蛋白工艺研究, 确定最佳工艺条件为: 料液试剂配比3∶1, 氯仿正丁醇配比5∶1, 处理次数3次, 蛋白脱除率为81.4%, 多糖保留率为82.7%。三氯乙酸法操作简单, 脱蛋白效率高, 是最有效的脱蛋白方法, 但易导致多糖降解。穆文静等人^[10]研究了螺旋藻多糖的三氯乙酸(TCA)法脱蛋白工艺, 确定最佳工艺条件为: 料液试剂配比1∶1, TCA浓度8%, 处理次数3次, 蛋白脱除率为60%, 多糖保留率为86.7%。蛋白酶法对多糖保留率高, 安全性好, 是最温和的脱蛋白方法, 但酶的成本较高且容易有酶残留, 常与Sevag法联用。唐志红等人^[11]研究了浒苔多糖的酶法脱蛋白工艺, 确定最佳工艺条件为: 酶解温度45 ℃蛋白酶用量3%, 酶解时间3 h, pH 5.0, Sevag法脱蛋白次数2次, 蛋白质脱除率为89.7%, 多糖保留率为72.5%。

1.2.2 海藻多糖的脱色

脱色素的方法有物理吸附法和氧化法等。物理吸附法按吸附剂的种类可分为树脂和活性炭, 该法操作简便, 安全无毒。刘欢^[12]对舌状蜈蚣藻多糖的物理吸附法脱色素工艺进行了研究, 表明在温度为45 ℃, 多糖液与D941大孔吸附树脂体积配比1∶15, pH 8.5, 反应时间90 min的条件下脱色效果最好, 此时脱色率为92.8%, 多糖保留率为85.9%。氧化法脱色的原理是氧化色素, 常用的试剂为过氧化氢。缪志刚等人^[13]对草叶马尾藻多糖的氧化法脱色进行了研究, 表明过氧化氢的质量分数为8%时, 综合脱色效果最好, 此时脱色率为73.9%, 多糖保留率为87.1%。

经脱蛋白和脱色处理后所得的为混合海藻多糖, 需要进行纯化处理才能得到组分均一的海藻多糖。纯化的方法有分步沉淀法、柱色谱分离法和超滤法等。在实际操作过程中, 往往将几种技术联用, 以达到更好的分离纯化效果。

2 海藻多糖在化妆品中的功效 2.1 吸湿保湿作用与机理 2.1.1 吸湿保湿作用

含水量对皮肤健康非常重要, 当其值降到10%以下时, 肌肤会出现干燥粗糙的症状, 还易引发其他皮肤问题^[14]。因此, 增加皮肤含水量是化妆品中最基本的要求。近年来化妆品领域非常重视吸湿保湿作用, 化妆品所具有的吸湿性使其可以携带水分为肌肤补水, 具有的保湿性可以延缓皮肤水分散失从而增加皮肤含水量。海藻多糖具有良好的吸湿性与保湿性, 可以作为一种补水保湿剂应用在化妆品中。

2.1.2 吸湿保湿作用机理

海藻多糖吸湿保湿的作用机理如下: (1) 海藻多糖分子中含有大量的亲水基团如羟基和羧基等, 可以与水分子以氢键的形式结合, 因此具有良好的吸湿性^[15-16], 如图 1-Ⅰ所示。(2) 海藻多糖分子链与水分子结合后可以在空间上交联缠绕形成网状结构, 因此具有良好的保湿性^[17-18], 如图 1-Ⅱ所示。

石学连等人^[19]以透明质酸做对照, 研究了浒苔多糖的吸湿性, 发现其在环境相对湿度为44%和80%时放置24 h的吸湿率分别为15%和40%, 与透明质酸类似, 有望开发为一种优良的补水剂。郭子叶等人^[20]也利用浒苔多糖进行了吸湿保湿性实验, 发现其在环境相对湿度为55%和85%时放置22 h的吸湿率分别为23%和30%, 在环境相对湿度为43%、55%和85%时放置22 h的保湿性为89%、91%和94%, 以甘油和千纤草丝瓜水作对照, 发现浒苔多糖的吸湿性更好, 保湿性与之类似。刘冰月等人^[17]研究了羊栖菜海藻多糖的吸湿性与保湿性, 发现在环境相对湿度为43%和81%时放置10 h吸湿性分别为20%和30%, 以甘油、海藻酸钠和丁二醇作对照, 发现羊栖菜海藻多糖的吸湿性最好。还发现质量分数为1%的羊栖菜多糖溶液与质量分数为5%的甘油溶液保湿性能相当。并通过人体实验发现质量分数为5%的羊栖菜多糖溶液可使皮肤水分含量由40%增加至49%。

2.2 抗氧化作用与机理 2.2.1 抗氧化作用

抗氧化是抗氧化自由基的简称, 氧化自由基主要包括超氧化物阴离子自由基、羟基自由基、氢过氧自由基、过氧化氢自由基和单线态分子氧自由基等, 它们的化学性质比较活泼, 过量的自由基会导致肌体过氧化, 使皮肤细胞受到损坏, 真皮层变薄, 加速皮肤衰老^[21-22]。海藻多糖具有清除自由基和增强抗氧化物酶活性的作用, 可以作为抗氧化剂应用在化妆品中, 避免超量自由基引起的皮肤问题。

2.2.2 抗氧化作用机理

海藻多糖的抗氧化作用机理如下: (1) 海藻多糖分子中含有的半缩醛羟基具有弱解离能, 可直接提供电子给氧化自由基^[23-24], 将自由基淬灭, 以羟基自由基为例, 如图 2-Ⅰ所示。(2) 海藻多糖可通过提高抗氧化物酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等酶的活性, 发挥抗氧化作用^[25-26]。

王晔等人^[27]研究了浒苔多糖的抗氧化作用, 表明1 mg/mL的浒苔多糖溶液对羟基自由基、超氧阴离子和DPPH自由基清除率为62.31%、28.74%和78.21%。Peng等人^[28]对海带多糖进行了体外抗氧化实验, 发现1 mg/mL的海带多糖溶液对超氧自由基清除率为75.20%, 3 mg/mL的海带多糖溶液对羟基自由基清除率达到90.10%。徐晓珍^[29]用动物实验研究了海带多糖的抗氧化作用, 每天早晚给已脱毛小鼠的背部涂抹含海带多糖(5 g/100 g)的赋形剂各一次, 持续12个月后检测皮肤组织中抗氧化物酶活, 结果表明海带多糖能够增强自然衰老皮肤抗氧化物酶的活性, 该浓度的海带多糖可对超氧化物歧化酶活增强15.90%、对过氧化氢酶活增强18.08%、对谷胱甘肽过氧化物酶活增强20.30%。Xue等人^[30]研究表明, 岩藻多糖可以增强细胞膜对超氧化物歧化酶的释放率从而起到抗氧化作用。

2.3 美白作用及其机理 2.3.1 美白作用

白晳的肌肤是许多东方女性所追求的肌肤状态, 越来越多的消费者希望通过美白化妆品来提亮自己的肤色。人的肤色是由黑色素的含量和分布决定的^[31], 黑色素由基底层的黑素细胞产生, 通过黑素细胞的树突状结构传递给基底细胞, 再随细胞上行至表皮层。酪氨酸酶是这个过程中的限速酶, 因此市面上的美白类化妆品的有效成分大多以抑制酪氨酸酶的活性为主^[32]。目前已经报道了许多天然或合成的酪氨酸酶抑制剂^[33], 而在化妆品领域中, 天然、高效且安全的抑制剂更适用。海藻多糖具有抑制酪氨酸酶活性的作用, 且效果好、经济易得、安全, 可以作为美白剂应用在化妆品中。

2.3.2 美白作用机理

Kus等人^[34]对酪氨酸酶进行了研究, 发现酪氨酸酶是一种由多个亚基组成的氧化酶, 每个亚基的结构式如图 3a所示。海藻多糖抑制酪氨酸酶活性的作用机理有: (1) 竞争性抑制: 海藻多糖可与底物竞争酪氨酸酶的活性位点, 如可螯合活性位点上的铜离子^[35], 如图 3-Ⅰ所示。(2) 非竞争性抑制: 海藻多糖可以与酶活性中心外的酪氨酸残基结合, 使底物与酶结合后的产物不能进一步转化^[36], 如图 3-Ⅱ所示。(3) 混合型抑制: 一些海藻多糖既能与酶的活性位点结合, 又能与活性中心外的氨基酸残基结合^{[25, 37-39]}。

郑曦等人^[36]研究了海藻酸钠对黑色素细胞中酪氨酸酶的抑制作用, 表明该抑制作用为混合型抑制, 且多糖浓度为64 mmol/L时即可具有良好的抑制效果, 并通过毒性试验表明海藻酸钠对黑素细胞无毒。丁晓梅等人^[40]对螺旋藻多糖进行了酪氨酸酶的抑制实验, 其半抑制浓度为1.193 mg/mL, 并表明该抑制作用为可逆的混合型抑制。Wang等人^[41]研究了岩藻依聚糖对酪氨酸酶的抑制作用, 该抑制作用也是可逆的混合型抑制, 在25 mg/mL浓度下, 岩藻依聚糖可使酪氨酸酶几乎完全失活。

2.4 抑菌作用与机理 2.4.1 抑菌作用

化妆品因含微生物生长所需要的水和各种营养物质, 易导致微生物滋生。为了抑制微生物繁殖, 延长化妆品有效期, 抑菌剂的加入具有重要意义^[42]。出于对传统抑菌剂安全性的考虑, 许多研究者开始寻找天然抑菌活性物质^[43], 将其应用在化妆品中是化妆品绿色防腐的最新发展方向。海藻多糖具有优良的抑菌性能, 可以作为抑菌剂应用在化妆品中。

2.4.2 抑菌作用机理

海藻多糖具有广谱的抑菌活性, 其抑菌机理主要是借助良好的表面活性, 它可以与细菌细胞膜上蛋白受体结合, 破坏菌体膜上的磷脂、蛋白质、脂肪酸等, 增强溶菌酶对细菌的清除力^{[18, 44]}。陈海秀^[45]对岩藻多糖进行了抑菌实验, 表明岩藻多糖具有良好的抑菌性, 分子量在6 kDa以下的岩藻多糖在浓度为8.00 mg/mL时可抑制大肠杆菌的生长, 在浓度为6.25 mg/mL时可抑制金黄色葡萄球菌的生长。高玉杰等人^[46]对浒苔多糖进行抑菌试验, 表明经过硒化改性后的浒苔多糖抑菌性能更好, 浒苔多糖在浓度为6.80 mg/mL时会对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的生长产生抑制作用, 而硒化浒苔多糖抑制这两种细菌所需浓度仅为1.70 mg/mL。

2.5 修复皮肤屏障作用与机理 2.5.1 修复皮肤屏障作用

皮肤屏障是由人体角质形成细胞和细胞间隙中的脂质构成的, 它们的有机结合使得皮肤具有生物屏障功能^[47]。一方面可以防止病菌进入皮肤, 保护肌肤健康, 另一方面可以锁住皮肤水分和油脂维持皮肤含水量。当皮肤处于不适的环境中或进行了错误的护理时会损伤皮肤屏障, 导致诸多皮肤病。海藻多糖具有修复皮肤屏障的作用, 可以作为皮肤屏障修复剂应用在化妆品中。

2.5.2 修复皮肤屏障作用机理

海藻多糖修复皮肤屏障的作用机理有: (1) 海藻多糖可通过诱导EPK和JNK磷酸化进而活化EPK和JNK信号通路, 促进皮肤角质形成细胞的增殖、迁移与分化^{[16, 48-49]}, 加快皮肤创口的愈合从而修复皮肤屏障。(2) 海藻多糖可通过激活细胞生长因子促进人皮肤成纤维细胞增殖^{[18, 50-51]}, 使其合成和分泌的细胞外基质如透明质酸、胶原纤维等增多, 从而修复皮肤屏障。

王妍等人^[48]研究了羊栖菜多糖对皮肤屏障的修复作用, 发现其在5.0 μg/mL至50 μg/mL的浓度范围内可促进皮肤角质形成细胞的增殖, 浓度在2.5 μg/mL至20 μg/mL范围内可促进皮肤角质形成细胞的迁移, 在50 μg/mL时可显著促进皮肤角质形成细胞的分化。Péterszegi等人^[50]研究了岩藻多糖对人皮肤成纤维细胞增殖的影响, 发现岩藻多糖在浓度为1 μg/mL时, 可使成纤维细胞增殖率增加19%, 多糖浓度为10 μg/mL时, 可增加35%。

2.6 抗紫外辐射作用与机理 2.6.1 抗紫外辐射作用

紫外辐射是由太阳产生的, 波长为200~400 nm。过量的紫外辐射对人体皮肤具有一定的危害作用, 会损伤皮肤细胞DNA结构, 使细胞无法正常工作, 加速皮肤老化, 还会作用于黑素细胞, 使细胞处于亢奋状态, 产生更多的黑色素, 导致肤色变黑^[52]。因此, 抗紫外辐射对保持肌肤健康有重要意义。海藻多糖具有抗紫外辐射的作用, 可作为防晒剂应用在化妆品中^[20]。

2.6.2 抗紫外辐射作用机理

海藻多糖抗紫外辐射的作用机理如下: (1) 海藻多糖可以提升皮肤成纤维细胞被紫外辐射损伤后的存活率^[39]。(2) 海藻多糖可以增强机体免疫力, 抵抗紫外辐射对免疫系统的损伤^{[25, 53]}。(3) 海藻多糖可以调节皮肤受紫外辐射后胶原蛋白的代谢过程, 减轻紫外辐射对皮肤的损伤^{[39, 54]}。

郭子叶^[20]研究了浒苔多糖的抗紫外辐射活性, 表明0.5 mg/mL的浒苔多糖能显著保护人皮肤成纤维细胞免受紫外线辐射的损伤, 其防辐射效果优于部分市售防晒喷雾。叶翠芳等人^[55]研究了紫菜多糖抗紫外辐射的活性, 表明在多糖浓度为3.3 μg/mL时可使紫外辐射后小鼠成纤维细胞存活率提升30%。黎静等人^[54]研究了海带多糖的抗紫外辐射作用, 对小鼠背部皮肤进行紫外灯照射实验, 发现涂抹含海带多糖(5 mg/kg)赋形剂的小鼠背部皮肤组织中Ⅰ型胶原蛋白mRNA含量是空白组的两倍, 表明海带多糖可促进皮肤组织经紫外线辐射后Ⅰ型胶原蛋白的合成。

3 展望

近年来, 世界各国化妆品有整体有两大发展趋势: 一是崇尚绿色自然, 力求在化妆品中使用天然原料, 二是愈加追求化妆品的功效, 使许多高活性物质成为化妆品的主要成分。在这种趋势下, 以海藻多糖为活性成分的化妆品势必会显示出强大的市场竞争力。

目前, 国内外已有一些机构就海藻多糖的开发应用开展了一系列研究工作, 并研发出了一些日化产品, 如海洋丽姿、Lamer(海蓝之谜)等, 具有良好的美容功效, 受到一些消费者的喜爱。而当今化妆品市场, 海藻多糖成分的占有份额仍然很少, 海藻多糖在化妆品中的功效未被充分利用, 未来的研究工作需要进一步完善, 主要体现在以下几个方面:

(1) 对于化妆品, 化妆品原料的高功效性和低刺激性是消费者的追求, 因此, 海藻多糖的透皮吸收是未来关注的重点, 皮肤吸收海藻多糖的途径和海藻多糖对皮肤的刺激性是需要研究的问题, 此外还应加强对可确保海藻多糖安全性的提取纯化工艺技术的研究。

(2) 鉴于人体与体外的环境不同, 海藻多糖被皮肤吸收之后能否起到相同的药理作用, 其有效浓度值是否会改变, 仍需进一步的研究与考证。

(3) 因不同厂家专业程度、生产工艺有所不同, 导致所提取海藻多糖的质量良莠不齐, 且海藻多糖的有效成分受海藻生长地域、时期等因素的影响较大, 针对海藻多糖质量的市场规范还有待完善, 应及时建立有效的质量控制及评估体系。

(4) 海藻多糖在化妆品中的后续加工和储存过程中功能活性变化的认识尚不全面, 稳定性考察及贮存工艺的优化也是亟需解决的问题。