類胡蘿卜素在化妝品中的應用研究進展

黃丹，李芳華，王菁，王俞林 ，楊安全，黃超伯,3

(1.南京林業大學 化學工程學院，江蘇 南京 210037；2.歐詩漫生物股份有限公司，浙江 德清 313200； 3.南京林業大學 林業資源高效加工利用協同創新中心，江蘇 南京 210037)

類胡蘿卜素(carotenoids)是一類萜烯類化合物的天然色素的總稱,普遍存在于動物、高等植物、真菌、藻類中。大多數天然存在的類胡蘿卜素是由八個類異戊二烯單元組成的四萜類化合物，根據類胡蘿卜素的化學結構中是否含氧，可以把類胡蘿卜素分為含氧官能團的葉黃素類，包括葉黃素、蝦青素等；和不含氧元素的胡蘿卜素類，包括β-胡蘿卜素、番茄紅素等。但人體本身不能合成類胡蘿卜素，只能從外界攝取，目前人們可以從各類水果、海洋動物、藻類中提取出類胡蘿卜素(表1)。

近年來，隨著人們對美的追求，類胡蘿卜素也逐漸受到皮膚領域的關注，因為其具有清除自由基、修復細胞組織DNA損傷、增加皮膚屏障、抗炎癥等特點，符合化妝品行業所追求的護膚功效。本文從類胡蘿卜素的抗氧化、抗紫外線、抗炎癥、保濕、美白和著色幾個方面介紹目前的工作研究進展，并針對類胡蘿卜素特殊的化學特點，采用脂質體、微膠囊等方式來包裹類胡蘿卜素，維持其生物活性，為其在化妝品中的進一步研發應用提供參考。

1 類胡蘿卜素功效

類胡蘿卜素已被證實在抗氧化、抗紫外線、抗炎癥、美白、保濕、著色方面有著顯著的作用，顯示出在化妝品應用中的潛力。

1.1 抗氧化

隨著年紀的增長，人體皮膚細胞開始老化，這一衰老的過程是不可逆的[9]。皮膚的衰老狀態會表現為皮膚的彈性活力下降，出現皺紋、膚色暗淡、松弛、色素沉著加重等現象。皮膚衰老主要由內源基因影響、體內自由基的增多以及外界環境變化，比如紫外線照射、抽煙、光污染等因素所導致。而自由基是導致皮膚衰老最重要的因素之一，自由基的產生不僅會造成DNA的損傷，還會導致皮膚上的彈性蛋白和膠原纖維新陳代謝受到阻礙，使皮膚水分減少，出現皺紋。目前抗衰老的產品主要通過清除體內過量的自由基、修復損傷DNA細胞和皮膚屏障、減少紫外線照射后的損傷、保濕等方式降低皮膚的老化速度。

表1 類胡蘿卜素的提取方法Table 1 Extraction method of carotenoids

類胡蘿卜素作為有效的天然抗氧化劑，是因為他們可以捕獲皮膚組織中過量的過氧化物自由基[10-12]。人表皮中最常見的類胡蘿卜素是β-胡蘿卜素和番茄紅素[13]。有關實驗證明，番茄紅素是類胡蘿卜素中最有效的單線態氧猝滅劑。劉國安等[14]通過研究番茄紅素對自由基的清除、脂質過氧化的抑制、DNA的氧化損傷保護等作用發現，番茄紅素均發揮很好的抗氧化作用，與槲皮素相比，對自由基清除效果更佳，但高劑量的番茄紅素有促氧化的趨勢。番茄紅素也可以有效的清除自由基次氯酸(HClO)[15]。吳青瑩等[16]提取香蕉皮中的類胡蘿卜素，在同一濃度下，類胡蘿卜素清除羥基自由基的能力優于抗壞血酸。Sutasinee Chintong[17]通過體外實驗證明蝦青素對DPPH自由基有很好的清除能力，同時Constance Lay Lay Saw[18]證明蝦青素相對于曲酸來說，可以顯示出更強的清除DPPH自由基能力。劉俊麗等[19]將包裹有蝦青素有效劑量為1.5 μg/cm2/d的納米顆粒涂抹在經紫外線照射后的小鼠背部，可以觀察到皮膚組織中的谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SDS)和過氧化氫酶(CAT)的表達較于已經光老化的小鼠皮膚有顯著的提高，并可以維持皮膚的組織結構和細胞形態、角質層的厚度以及皮膚中的膠原蛋白的含量與未經紫外線照射的正常的小鼠皮膚對比沒有明顯的差別。袁磊等[20]以蝦青素、β-胡蘿卜素、番茄紅素和葉黃素對研究對象，檢測其對DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基的清除能力，通過DPPH法、水楊酸法、鄰苯三酚自氧化法檢測吸光度的變化，可以得到清除能力大小為：蝦青素>葉黃素>β-胡蘿卜素>番茄紅素。羌宇等[21]運用ABTS法測定清除自由基的含量，也得同樣的結論。

類胡蘿卜素體現出很好的抗氧化的性能，對比與已經廣泛應用在化妝品中的曲酸、槲皮素等抗氧化成分來說，顯示出更強的清除自由基和對氧化損傷細胞修復的能力，特別是蝦青素和番茄紅素，在化妝品領域中有較大的應用潛力。

1.2 抗紫外線

暴露在UVB下的細胞，會發生DNA損傷，在細胞組織中產生ERK磷酸化反應[24]，誘導下游炎癥信號通路打開，同時誘導一氧化氮(iNOS)和環氧合酶(COX)-2的蛋白質含量和mRNA表達水平變高[25]，而引起炎癥。Kenji Shiratori等[24]用幽門螺桿菌提取物和純化的蝦青素來處理UVB照射后的細胞，發現蝦青素可以有效抑制細胞的凋亡反應，同時可以恢復被UVB誘導后的人永生化角質形成細胞(HaCaT)和人類正常成纖維細胞(Hs68)的活性，且通過減少在UVB暴露后造成的DNA分子雙鏈斷裂來治愈DNA損傷。在長時間的紫外線照射下，皮膚的角質層變厚，皮膚粗糙度增加。SUSUMU HAMA[26]將小鼠皮膚暴露于紫外線照射下，皮膚的橫截面用蘇木精和曙紅染色，可以觀察到在皮膚組織層面的沒有用蝦青素處理過的部位角質層變厚，經過蝦青素脂質體處理后，成功控制住角質層厚度的增加及形態的變化。通過UVB處理后的損傷細胞中，膠原蛋白降解酶增多[26]，膠原蛋白含量減少，使皮膚失去彈性。Hsin-Yu Chou[24]用蝦青素處理被UVB照射的細胞，可以觀察到蝦青素以劑量依賴的方式抑制細胞組織的DNA損傷，并在24 h之后可以看到Hs68中的膠原蛋白的分泌增加，蝦青素通過從細胞中傳導電子來降低紫外線照射后產生的氧化應激損傷，使膠原蛋白在體內和體外合成，修復皮膚組織損傷和老化。巖藻黃質也可以對UVB誘導的人成纖維細胞損傷有保護作用[27]。楊娜[28]通過在小鼠成纖維細胞上照射紫外線，將熊果苷加入后細胞中SDS、CAT、GSH的含量作為對照，加入番茄紅素后細胞中的SDS、CAT、GSH的含量明顯上升，說明番茄紅素對有氧化損傷的成纖維細胞有保護作用。實驗[29]調查20名年齡在40～50歲的志愿者，在額頭的皺紋處局部定量、定濃度的使用番茄紅素，可以觀察到皮膚的粗糙度和番茄紅素添加濃度有顯著關系。M Andreassi等[30]研究發現在經過太陽模擬器進行光刺激后，含有番茄紅素的產品對皮膚的保護效果強于含有維生素E、維生素C的產品。

抗紫外線和抗衰老密不可分，紫外線照射后的皮膚損傷加快了皮膚老化的速度，同時也會引起皮膚炎癥反應，所以抗衰老、抗炎癥的第一步就是減少紫外線對皮膚的照射。

1.3 抗炎癥

皮膚炎癥是一種常見的皮膚疾病，且皮膚敏感人群在季節交替、使用較為刺激的護膚品特別是被微生物感染的化妝品或者長時間紫外線照射時，皮膚容易出現灼熱、刺痛、瘙癢等火辣辣的緊繃感，臉上會出現紅血絲、脫皮，局部發紅等現象。

核因子κB蛋白(NF-κB)幾乎存在于所有的動物細胞中，調控細胞的炎癥反應、免疫應答等過程，可以激活編碼因子iNOS，COX-2，TNF-α，IL-1β和IL-6的促炎基因，引起皮膚的過敏性炎癥。Ju Ho Park[31]用鄰苯二甲酸酐來誘發皮膚產生炎癥癥狀，使皮膚出現過敏性的超敏反應，通過蝦青素處理后的皮膚，可以檢測到其中的iNOS、COX-2、TNF-α、IL-6、IL-3的表達受到抑制，同時蛋白質劃痕分析顯示蝦青素可以抑制NF-κB活化。角質形成細胞是紫外線照射后影響的第一個靶點，會導致角質形成細胞發生光損傷反應，而釋放出炎癥因子，參與多種炎性疾病的發病機制，造成皮膚過敏[32-33]。Yoko Yoshihisa等[25]用20 mJ/cm2的紫外線刺激皮膚后，增強了HaCaT細胞中的巨噬細胞釋放遷移抑制因子(MIF)、IL-1b、TNF-a蛋白和mRNA表達，引發炎癥反應，可以觀察到蝦青素在蛋白質和mRNA水平上顯著降低了紫外線誘導炎癥因子釋放，從而抑制炎癥反應的發生。Soo-Jin Heo 等[34]利用脂多糖刺激鼠巨噬細胞RAW 264.7細胞來釋放出炎癥因子，證明巖藻黃質可以抑制一氧化氮(NO)的產生，并且以劑量依賴性的方式降低了脂多糖刺激后產生的TNF-a和IL-6的產生以及mRNA表達，與Kil-Nam Kim和Jian Zheng[35-36]的研究結果相同。Azahara Rodríguez-Luna[37]制成含有巖藻黃質的乳霜來治療經紫外線誘導后產生急性紅斑的無毛小鼠，發現含有巖藻黃質的乳霜可以減少小鼠的皮膚水腫、表皮厚度，緩解了小鼠的皮膚過敏癥狀，說明巖藻黃質有成為治療皮膚炎癥的潛力。

1.4 保濕

保濕是護膚的第一步，也是最重要的一步。皮膚保持水分充足的狀態，有利于皮膚屏障的修復、維持皮膚的水油平衡、減少炎癥的產生、促進護膚品中活性成分的吸收等作用。

皮膚屏障是否被破壞的關鍵因素之一是皮膚表面絲蛋白的含量，其在皮膚分化終末和角質化包膜中起了關鍵性作用。Mio Matsui和Ratih Pangestuti[38-39]證實經過紫外線照射后，再用巖藻黃質處理，可以觀察到皮膚組織的絲蛋白含量的增加，在皮膚外層形成很好的物理屏障，防止皮膚內部水分的流失，達到保濕的效果。蝦青素也可以通過增加角質層的厚度來減少水分的流失。Nobutomo Ikarashi[40]將蝦青素添加到HaCaT、PHK16-0b細胞中時，發現水通道蛋白表達水平增加，進而促進皮膚對甘油的吸收效果，使皮膚維持水潤狀態。

1.5 美白

目前市面上常用的美白產品主要是通過抑制黑色素的形成路徑、促進黑色素的代謝通路、減少紫外線照射、清除體內多余自由基、加速皮膚角質層的剝落等方法實現。

據研究證明，蝦青素、番茄紅素、巖藻黃質對DPPH、ABTS自由基有很好的清除能力[18,26,41]，可以直接或間接影響調控黑色素的合成。同時蝦青素還可以抑制酪氨酸酶的活性[17]，IC50值為(10.1±0.2)。人表皮最常見的是β-胡蘿卜素，β-胡蘿卜素是維生素A的來源，有助于維生素A的攝入，加強肌體產生抗氧化抵御機制的能力。

1.6 著色劑

類胡蘿卜素是天然色素的總稱，因結構中的共軛雙鍵數目的增加，類胡蘿卜素越偏向紅色。類胡蘿卜素已經廣泛作為食品顏色添加劑加到食品中，可以增加食品的色度和食欲。近年來，類胡蘿卜素獨特的顏色在化妝品中也逐漸受到關注，其可以作為著色劑加入到口紅、腮紅、眼影等產品中，在著色的同時也能夠起到增色、保質、抗氧化等效果。

2 類胡蘿卜素的應用現狀

蝦青素、番茄紅素、巖藻黃質等類胡蘿卜素在抗氧化、抗紫外線、抗炎癥、美白、保濕和著色劑等方面有很大的應用市場和潛能，但是類胡蘿卜素的穩定性極易受pH、還原劑、光照、溫度等外界因素的影響，在提取、儲存、運輸的過程中要嚴格考慮其避光低溫條件。且蝦青素、番茄紅素等均為脂溶性物質，易溶于油脂而不易溶于水中，而目前市面上大多數化妝品為水溶性原料，脂溶性原料應用較少，影響蝦青素、番茄紅素等物質的活性效果。同時類胡蘿卜素作為著色劑，可以為化妝品增色，但目前市面上的護膚品顏色都較淺，這影響了類胡蘿卜素的應用場景[42]。

目前市面上采用納米微囊顆粒、脂質體或者是凍干粉來對類胡蘿卜素進行包裹，從而達到這些活性原料的緩釋、提高穩定性的效果，且能夠解決化妝品應用中原料配伍性低、活性差、特定成分對皮膚存在刺激性和毒副作用等問題。

脂質體具有與皮膚細胞膜結構相同的雙分子層結構，親油性的尾部為膜的中間，而磷脂分子親水頭部形成了膜的內外表面層[43]，這樣形成的脂質體可以在雙分子膜內包裹住脂溶性的物質，脂質體內部可以包裹住水溶性成分。脂質體由于其有和皮膚細胞膜相似的結構，可以達到靶向活性物質到目標細胞上而發揮作用[44]。Li Pan等[41]通過使用薄膜超聲方法，制備大豆磷脂酰膽堿負載的蝦青素的脂質體。最高包封效率可以達到為(97.68±0.34)%。在穩定研究中，在4 ℃下保存15 d后，保留率為82.29%，這證明脂質體膜可以有效地保留蝦青素，在低溫下蝦青素的抗氧化活性顯著增加。Chao Yuan 等[45]使用羥丙基-環糊精包裹蝦青素，利用紫外分光光度儀、傅氏變換紅外光譜儀和核磁共振氫譜檢測結果表明，蝦青素分子的六環已部分包含在羥丙基-環糊精腔中。Leticia Malgarim Cordenonsi[46]使用基于bacuri黃油和tucum?油并摻有巖藻黃質的納米結構脂質載體，利用高剪切均質化方法得到納米顆粒，主要治療皮膚的銀屑病。

微膠囊由壁材和芯材組成，壁材對外界的溫度、pH、氧氣、紫外線等有一定的屏蔽作用，很好地保持了芯材的穩定性，芯材可以通過溶解、滲透、擴散等方式釋放出來，達到緩釋的效果，并能長效保持芯材的活性。郁興娜[2]在柑橘皮中提取出β-胡蘿卜素，利用羥甲基纖維素鈉和明膠復配作為微膠囊的壁材，對β-胡蘿卜素進行包裹，得到包裹有β-胡蘿卜素微膠囊，包裹率高達87.50%。薛露[47]以明膠為壁材，以β-胡蘿卜素為芯材制取微膠囊，與無包裹的β-胡蘿卜素相比，保留率從25%增長到75%。

3 結論和展望

類胡蘿卜素廣泛存在于自然界中，因為其來源廣泛、提取方法簡單，有著抗腫瘤、免疫調節等藥理作用而被用于藥品、保健品等中。近年來，隨著人們對類胡蘿卜素的不斷探索，類胡蘿卜素的抗氧化、抗紫外線、抗炎癥、保濕美白、著色劑等功效被研究發現，其可以保護肌膚在紫外線照射后引發的炎癥、氧化應激反應等影響，增加皮膚的彈性，防止皮膚屏障變薄而使皮膚失水，并能抑制酪氨酸酶的活性防止色素生成。

在人們追求“自然養膚”的當下，其將類胡蘿卜素作為天然成分添加劑加入到化妝品中，會成為化妝品領域一個新的關注點。但由于外界環境的pH、溫度、光照等因素的影響，類胡蘿卜素容易失去活性，所以目前采用脂質體、微膠囊等包埋方式對類胡蘿卜素進行包裹，延長其活性作用的時間，并可以達到類胡蘿卜素的緩釋、靶向等目的。所以以類胡蘿卜素為原料制備得到的多功能性化妝品具有廣泛的研發價值、市場價值。