（发酵工程专业论文）uv照射对酵母生长的影响及酵母衍生物的制备.pdf

天津科技犬学硕士学位论文 摘要 本论文研究了紫外伤害培养对酵母细胞代谢和生理性能的影响，初步确 定了紫外伤害培养后酵母菌的水解条件，以及紫外伤害培养对酵母水解液u v 吸收的影响，制备了具有强紫外吸收性能的用于化妆品的活酵母细胞衍生物 溶液。 在对酵母菌进行可控制的紫外伤害培养过程中，培养液中的葡萄糖经过 6 h 几乎被酵母细胞全部耗尽，部分糖转化为酒精，经紫外照射的酵母培养液的 酒精含量比未经紫外照射的酵母细胞酒精含量低。培养液的p h 经过1 2 h 降低 到3 0 。所以，为了满足酵母菌的正常生理活动的需要，要定期向溶液中补加 葡萄糖和调节溶液p n 值。 酵母菌在紫外伤害培养过程中，细胞形态和细胞质内含物也会发生变化。 酵母细胞数从o h 的9 2 1 0 8 最大增长到7 2h 的1 3 8 1 0 0 只增加了0 , 5 倍， 并没有达到倍增水平；出芽率从o h 的3 2 6 ，在6 0 h 时达到最大7 。9 0 ，然 后急剧下降。这说明在紫外线辐射下，酵母菌的生长繁殖受到一定的抑制。 经过紫外线照射，酵母细胞确实能产生自我保护性物夙7 2 1 1 时细胞内的蛋白 质和核酸含量均达到峰值，核酸含量由8 9 4 增加到9 5 7 在培养基中直接 加入酵母膏的效果比在培养基中加入维生素b i 的效果要好用碱溶法和酸碱 法从紫外照射培养的酵母细胞中提取的多糖含量分别比未经紫外照射培养的 提高4 1 9 5 和2 9 2 5 。 紫外伤害培养后酵母细胞的最佳酶水解条件为：1 0 的酵母悬浮液中添 加2 的蛋白酶细胞千重bp h 6 5 ，5 2 振荡酶水解2 6 h 。经紫外伤害培养 的酵母菌经酶水解离心后，上清液稀释1 0 倍测定o d 3 6 5 为0 ，3 4 9 ，是未经紫 外伤害培养的酵母菌酶水解液的3 4 6 倍。经紫外伤害培养后的酵母细胞酶水 解液在波长2 8 0 - 4 0 0 n m 的平均紫外吸光率 9 5 ，是极具开发价值的生物防晒 制品。紫外伤害培养酵母细胞酶水解液超滤处理后紫外吸收能力下降，因此， 酵母细胞的酶水解条件对制备酵母生物防晒制品也起着重要作用。从紫外伤 害培养的酵母细胞中提取的生理活性物质经初步鉴定是糖肽。 关键词：酵母紫外伤害培养紫外吸收性能活酵母细胞衍生物 a b s t r a c t e f f e c t so fu vr a d i a t i o ni nt h ec u l t u r e o n p h y s i o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n d m e t a b o l i s mo fy e a s ta n dt h ee n z y m a t i cc o n d i t i o n so fy e a s tc e l l si n j u r e dc u l t u r eb y u va n du v a b s o r p t i o nc a p a b i l i t yo fy e a s th y d r o l y s a t ew e r es t u d i e d t h e nl i v e y e a s tc e l ld e r i v a t i v es o l u t i o nw a sm a d e t h eg l u c o s ei nt h ec u l t u r eb yu vr a d i a t i o nw a se x h a u s t e da f t e r6 h ap a r to f w h i c hw a st r m l s f o r m e di n t oa l c o h 0 1 b u ti t sc o n t e n t sw e r el o w e rt h a nt h ec o n t r 0 1 t h ep hw a sd e c r e a s e dt o3 0a f t e r1 2 h s oi tw a sn e c e s s a r yt oa d dt h eg l u c o s et o t h ec u l t u r ea n d a d j u s tp hr e g u l a r l y i no r d e rt oc o n t e n tt h ey e a s tn o r m a ll i v i n g t h ey e a s t n m d a l i t ya n dc y t o p l a s m i n c l u s i o nw e r ec h a n g e db yu vr a d i a t i o n t h e c e l la m o u n tw a si n c r e a s e df r o m9 2 1 0 5t o1 3 8 1 0 5i n7 2 ht h a tw a so n l y e n h a n c e d0 5f o l da n dt h eb u dr a t ew a si n c r e a s e df r o m3 2 6 t o7 9 0 i n6 0 h ， t h e ni td e s c e n d e ds h a r p l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ty e a s tg r o w t hw a sr e s t r a i n e di n u vr a d i a t i o n i nu vr a d i a t i o nt h ey e a s tc o u l dp r o d u c es e l f - p r o t e c t i v em a t e r i a l s a n dt h ec o n t e n t so f p r o t e i na n dt h en u c l e i ca c i di n c e l l sr e a c h e dt h e g r e a t e s t v a l u ea t7 2 ha n dt h en u c l e i ca c i dw a si n c r e a s e df r o m8 9 4 t o9 5 7 t h ee f f e c to f v ba d d e di n t ot h ec u l t u r em e d i u mo nt h en u c l e i ca c i dw a sb e t t e rt h a nt h ey e a s t e x t r a c t s t h ec o n t e n t so fp o l y s a c c h a r i d e st h a tw e r ei s o l a t e di nw a y so fa l k a l i e x t r a c t i o na n da c i d a l k a l ie x t r a c t i o nb yu v r a d i a t i o nw e r er a i s e db y4 3 5 0 a n d b y2 9 2 5 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt i l a tt h eo p t i m u me n z y m a t i cc o n d i t i o n sw e r et h ec o n t e n to f s u s p e n s i o ny e a s t1 0 ，n e u t r a s e2 ( d r yw e i g h t o f t h ec e l l s ) ，p h 6 5 ，5 2 。ca n dt h e t i m eo fh y d r o l y s i s2 6 h t h eh y d r o l y s a t eo fy e a s ta f t e ru vi n j u r i n gc u l t u r ew a s p r e p a r e db yh y d r o l y s i sa n dc e n t r i f u g a f i o n t h eo d 3 6 5 v a l u eo f t h ed i l u t i o nw i t h1 0 t i m e sw a so 3 4 9 w h i c hw a st h e3 4 6t i m e so f t h ec o n t r 0 1 i tw a sw o r t h yb i o l o g i c a l r e s i s t - b a s kp r o d u c t n su v a b s o r b e n c yw a s m o r et h a n9 5 i n2 8 0 - 4 0 0 n ma n di t s a b i l i t yo f u v a b s o r p t i o nj n a sr e d u c e d a f t e rt h eu l t r a f i l t r a t i o n s ot h ee f f e c t so ft h e e n z y m a t i cc o n d i t i o n so nt h er e s i s t b a s kp r o d u c eo fl i v ey j a s tc e l l d e r i v a t i v e w e r ea l s oi m p o r t a n c e t h eb i n - a c t i v em a t t e rt h a tw a se x t r a c t e df r o my e a s tb yu v r a d i a t i o nw a s p r e l i m i n a r i l yi d e n t i f i e dg l y c o p e p t i d e k e y w o r d ：y e a s tu v i n j u r i n gc u l t u r e u v a b s o r p t i v i t y l i v ey e a s tc e l ld e r i v a t i v e 天津科技大学硕士学位论文 第一章前言 人类赖以生存的地球，由于大气臭氧层的保护，阻挡了太阳光中9 9 的 紫外线辐射，使地球上的万物生灵免受强紫外线的伤害，正是臭氧层这个大 保护伞的保护，使地球这颗蓝色的星球，生机盎然，到处充满活力，臭氧层 是人类和生物的天然保护屏障。1 9 8 5 年首次报道南极臭氧空洞【i 】以来，大气 平流层臭氧耗损，已成为当今关注的全球性环境问题之一 2 ”。 臭氧层分布于1o k m 5 0 k m 平流层内，浓度的重心约在2 5 k m 4 1 处，等值平 均厚度约0 3 c m 左右 5 j ，臭氧的大量耗损不仅导致太阳光中紫外线辐射通量增 强，而且，对人类健康和生存环境也将造成难以估量的重大伤害。研究紫外 线对皮肤造成的光辐射损伤，采取积极有效的防护措施，对人体皮肤健康的 保护具有重要意义。 i 1 紫外线辐射的物理和生物学特点 紫外线是太阳光谱中波长2 0 0 n m 4 0 0 n m 部分，在太阳光中约占6 1 ， 见图1 一l 。按波长长短，一般将紫外线分为三个区：c 区，短波紫外线 2 0 0 n m 2 8 0 n m ；b 区：中波紫外线2 8 0 n m - 3 2 0 n m ；a 区，长波紫外线 3 2 0 n m - 4 0 0 n m 。太阳光中的短波紫外线由于波长短，基本上被大气臭氧层所 吸收，不能到达地面。u v a 易引起色素沉着，当大剂量u v a 辐射或与光敏物质 联合作用时，也可引起明显的生物学作用；u v b 的生物学作用明显：u v c 能引 起蛋白质和脂质结构的改变，破坏核酸代谢。对地球上的生物来说，主要起 作用的是u v a 和少量u v b 。 不 能量 豢 ，：；亏矿下墨 崖( 地厩j 二2 0 m 一2 5 。m ： 咧，：专7 ，二。玉。心 ，y 一线x 线： 瘩盼 线 可见光线 主外攫 ：i l i6 1 5 1 b 啄 旺1 二7 ：，7 铷。五广一4 叩n m 。 r b 山，峨 紫蚪线 i c 舯戡 iq s 蒜s 五嗨 【 图l 一1 太阳光线光谱 f i g l 一1s u n l i g h ts p e c t r u m l 前言 1 2 紫外线的影响 1 2 1 紫外线对生态系统的影响 平流层0 3 减少加剧主要在北半球，特别在中纬度和高纬度地区。c m t z e n 报道这种减少每年约为1 ，在北纬4 0 下降最多，过去十年减少约1 0 。1 9 9 3 年夏季美国测量数据表明，0 3 层耗损达1 0 - 2 0 。在人口稠密区这种0 3 减 少趋势还将继续。春季南极0 3 空洞导致局部海洋环境中u v b 增加。作为全 球生态系统的一个重要干扰因索，u v b 对植物尤其是浮游生物也有影响，因 为u v b 辐射增加导致海洋浮游生物数量减少，直接严重影响全球食物问题和 地球“绿房子效应”【”。当然也有报道u v b 辐射缺乏的海洋浮游生物，其光 合成和生化合成能力增强【7 1 。许多研究表明u v b 增加还引起各种水生生物的 损害。当然也需要考虑u v b 增加与其他应激因素如c 0 2 和湿度的增加、水 和营养素丧失以及空气和土壤污染等的相互作用。在u v b 辐射中平流层0 3 变化可改变海洋与大气之间气体交换率，影响“绿房子”气体如二氧化碳、 一氧化二氮等其他气体的大气浓度。改变u v b 水平的大气流量反应信息可以 作为估计重要气候反馈的模型。u v b 增加导致地表水平空气污染加剧，使很 多国家更难以处理已经复杂化的城市空气污染问题，有关这方面研究仍在继 续中。 1 2 2 紫外线对微生物的影响 微生物作为生态系统中的分解者，在生态系统结构及物质循环和能量流动 中发挥着不可缺少的重要作用。尤其在土壤中矿质养分的循环、转化、利用， 以及叶片分解的作用十分突出。尽管紫外辐射对微生物的影响也包括直接影响 和间接影响两方面，在生态系统中间接影响可能更重要，而且，紫外辐射对微 生物的间接影响可以通过植物的响应进行推测，但是，研究紫夕卜辐射对微生物 影响仍然十分重要。遗憾的是，这方面的工作仍然很少。 1 2 ，2 1 紫外线对d n a 的影晌 在紫外线的诱导下，d n a 的损伤分为两类。一类是d n a 中碱基形成二聚体； 另一类是在交联剂存在时，d n a 之间发生交联。 第一类d n a 的损伤是由于紫外线作用于d n a 的碱基，使其活化发生化学反 应而使d n a 结构发生变化。一般来说，这类损伤主要是造成相邻嘧啶碱基形成 二聚体，使局部d n a 不配对。例如，在此条件下可形成t 八t ，t c ，c 八c 二 聚体。二：聚体的形成取决于两个因素的影响。一个因素是紫外线：紫外线强度 越大，形成嘧啶二聚体的趋势也越大。最近，在实验中人们发现 g l ，波长对其 形成也有影响：用波长2 4 0 n m 2 8 0 n m 的紫外线照射时，形成二聚体的趋势是：t t t 八c c 八c ，胸腺嘧啶二聚体最易形成；但在波长2 8 0 n m 3 2 0 n m 紫外线 照射下，趋势为：t 八t = t 八c c 八c 。这表明，紫外线波长变化，形成胸腺 嘧啶二聚体趋势降低。另一个影响二聚体的因素是序列自身特点：即某段富 天津科技大学硕上学位论文 含嘧啶碱基的d n a 中容易形成二聚体。 我们讨论的另一类由紫外线诱导的d n a 损伤是交联剂在紫外光照射下，与 d n a 分子发生作用，改变d n a 分子结构。具有代表性的交联剂是补骨脂素：它 是一个双功能试剂，能够与嘧啶碱基共价结合。在紫外线照射下，掺入至i j d n a 双螺旋内的补骨脂素被活化，与嘧啶( 特别是胸腺嘧啶) 形成共价化合物。它的 两端都可与嘧啶反应，故能将d n a 交联在一起 9 1 。若补骨脂素仅一端与d n a 结 合，称为单加合物；若两端均与d n a 结合，称为链间交联。 1 2 2 2 紫外线对r n a 的影响 r n a 与d n a 的不同在于核糖取代了脱氧核糖、尿嘧啶取代了胸腺嘧啶，以 及具有等多的单链片断 1 0 1 。这些差别影响着r n a 的光化学( 例如形成更多的嘧 啶水化物) ，但一般说来它相当类似于d n a 。由于r n a 分子在细胞里有多个复 制品，所以这些分子的百分之几被钝化将不会像d n a 的一小部分的光化学变化 那样对细胞产生那些不利的影响。尽管如此，在一些特殊情况下，m r n a 和t r n a 的光化学对细胞可能会造成严重的后果。一些病毒含有作为遗传决定因素的 r n a ( 如烟草花叶病毒) ，对于这样的病毒，其r n a 的光化学变化导致它们迅 速的钝化。人们用r n a 病毒极为广泛的研究了紫外线对r n a 的生物和化学效 应。 1 2 2 3 紫外线对蛋白质的影响 蛋白质受到紫外线照射时，可被紫外线辐射作出许多修饰，其中包括色氨酸 的光降解、s h 的修饰、提高膜蛋自在水中的溶解度、促进多肽链的断裂等， 这些修饰可引起酶的失活和蛋白质结构的改变【1 1 1 o 导致酶失活和蛋白质结构的改变最直接的原因是由于u v 辐射引起蛋白质 中的色氨酸发生光降解所造成的。色氨酸的最大吸收波长在3 0 5 n m 处，它极易 被u v 辐射所降解，色氨酸在被降解为n 一甲酰犬尿氨酸等的同时，会诱导产生 o 。2 和h 2 0 2 ，而活性氧自由基可直接修饰蛋白质，引起其蛋白质分子内和分子问 发生交联和断裂。u v 辐射还可引起蛋白质分子肽链的断裂，并影响蛋白质的含 量和蛋白质的合成。蛋白质发生断裂的原因是因为u v 辐射诱导了醌自由基的形 成。有研究认为，u v 辐射会降低蛋白质的含量【1 2 】；有研究认为，u v 辐射会使 蛋白质的含量上升。蛋白质含量的上升可能是芳香族氨基酸合成加强的结果。 芳香族氨基酸是合成类黄酮的前体物质，而类黄酮有利于生物体免遭u v 辐射的 伤害。短时间的u v 辐射促进可蛋白质的合成，降低了蛋白水解酶的活性，从而 使可溶性蛋白水解酶含量上升。长时间u v 辐射抑制了蛋白质的合成，促进了蛋 白水解酶活性的上升和总游离氨基酸的积累，降低了可溶性蛋白质的含量，从 而使蛋白质的分解代谢加强。 1 2 2 4 紫外线对膜系统的影响 生物体与环境之间的相互作用，生物膜作为接受外界环境因素影响的受 1 前言 体，因而膜的生理、生化和物理特性的变化应该是生物体抗耐环境胁迫能力 的最初和最基本的反映。u v 辐射可引起细胞膜功能的改变【l ”，即膜透性的 变化。然而，迄今为止，有关u v 辐剧对生物膜透性的影响的研究工作比较 有限。生物膜主要由类脂和蛋白质组成的超分子结构。膜脂( 特别是磷脂) 不仅使生物膜的基本骨架，还与多种膜功能密切相关。光合作用过程中进行 光能吸收、传递、转换的蛋白质复合物，以及电子传递链上的各成分，都有 序的分布在类囊体膜上，同时偶联因子也结合在膜表面。因此膜结构状态必 然与各种光化学反应的正常进行有密切关系。膜发生相变的同时，膜上的结 合酶和蛋白质的活力和状态也会必然发生改变。因为膜脂的流动性与膜结合 酶有直接的相关性。这可能是由于膜相变化引起偶联因子稳定的构相改变， 而使膜上功能位点失活所致。u v 作用的机制仍是通过诱导自由基产生，从而 加剧膜脂质过氧化，使膜脂肪酸配比发生了改变。目前普遍认为，生物膜应 处于一种流动性的液晶态，这样才能保证其功能的正常发挥。 1 2 3 紫外线对植物的影响 1 2 3 1 紫外线对植物生长和形态的影响 叶片是对环境胁迫，尤其是光胁迫最敏感的器官。植物叶片对增强的紫外 线辐射的响应表现在紫外线辐射对叶面积，叶片厚度和叶位、叶长度和叶数量 等几个方面【1 4 。“。叶面积被温度、水分、矿物质和盐胁迫降低，因此，叶面积 被紫外辐射降低也就不足为奇了。b i g g s 在温室中研究了7 0 多种作物品种，发现 6 0 以上的作物在紫外辐射下叶面积减小。b i g g s 等和v u 等报道了暴露于紫外辐 射下的大豆植株，比叶重增加。在一项涉及了1 2 种草本植物( 包括单子叶及双 子叶和杂草) 的实验中，增强的紫外辐射对这些植物的叶位、叶长度和叶数量 有着较大的影响 株高降低已经作为衡量植物对紫外辐射敏感的一个指标1 1 7 1 ，般情况下增 强的紫外辐射使植物株高降低。植物的分枝及分蘖对增强的紫外辐射的响应有 较大的不同【l ”，但是大多的实验室都显示紫外线可导致植物分枝和分蘖的增加 或者不受影响，二分枝和分蘖因紫外线辐射减少的报道则很少。紫外辐射还可 引起花期的推迟。 1 2 3 2 紫外线对植物生产力的影响 植物总生物量积累( 干重) 是权衡紫外辐射对植物生长影响的一个很好的 指标1 1 。总生物量代表所有生理、生化和生长因子的长期响应的完整性。而且， 即使紫外辐射对形态过程中很微妙的影响也会积累起来，并造成对生物量的显 著影响。增强的紫外辐射可导致植物光系统i i 的伤害，进而引起净光合速率的 降低。紫外辐射导致植物生物量降低的原因除紫外线破坏光合系统外，还可能 是紫外辐射引起植物激素代谢改变，影响细胞分裂和细胞伸长，导致生长速率 降低。紫外辐射还改变植物的干物质的分配【2 0 l 。在双子叶植物中，较多的干物 _ 4 天津科技大学硕上学位论文 质分配到叶( 尽管叶面积绝对降低) ，而较少进入茎和根。在单子叶植物中， 这种变化不是如此明显。 1 2 3 3 紫外线对植物生理生化的影响 植物生理代谢是其生长发育的一个重要过程，也是植物个体对紫外辐射响 应反馈的重要途径，因此，增强的紫外辐射对植物生理代谢的影响是解释植物 紫外伤害的一个方面。 叶片是植物接受紫外辐射的主要器官，它对紫外辐射的响应会表现为可 见伤害症状。如：第一叶片背部轻微褪绿，第一叶片卷曲反转，第二叶片正 面变黄、背面变黑等。在紫外辐射下，大豆叶绿体是最早受到伤害的器官。 紫外辐射能破坏敏感植物的叶绿体结构和它们的前体【2 ”，或者使叶绿素的合 成受到阻碍，从而降低叶绿素含量，这在大豆、水稻、小麦、玉米等植物中 已经观察到。紫外辐射对植物光合作用的影响的研究工作已有多年【2 ，在植 物种内和种问的试验中获得了正反两方面的结果，总体而言，紫外辐射影响 了植物的光合作用。目前为止，紫外辐射影响植物呼吸作用和对植物光合产 物含量的影响的研究报道很少。 1 2 4 紫外线对人体的损伤 对人体皮肤有生理作用的主要是b 区、a 区紫外线。由图1 2 23 】可以看 出，b 区中波紫外线绝大部分被表皮吸收，少量透过真皮，被照射部位产生 急性红斑效应。a 区紫外线辐射占紫外线总能量的9 8 ，绝大部分透过真皮， 少量的透过真皮下的皮下组织，辐射穿透能力远远大于b 区紫外线，长期照 射积累，易对皮肤造成严重的损伤。 1 2 4 1 紫外线对皮肤的损伤 1 2 4 1 1 紫外线辐射的急性损伤 波长，眦 3 0 d 4 0 05 0 06 0 07 0 01 0 0 0 1 4 0 0 图1 - 2 皮肤对光透过波长的依赖关系 f i g l 2t h ed e p e n d e n c eo ns o l a rw a v e l e n g t hp e n e t r a t i n gt h es k i n 前言 太阳光下，皮肤长时间受到强烈照射，若不采取任何保护措施，将导致皮 肤的急性红斑效应。紫外线辐射数小时后皮肤变红，8 h 达到高峰后慢慢减弱， 这种情况称为目炙。由太阳光引起日炙产生红斑的最高波长域在3 0 0 r a n 3 1 0 n m 范围，皮肤受到紫外线照射后，被伤害的细胞产生炎症，使毛细血管亢进扩张， 肉眼看到表皮皮肤潮红，皮肤晒后7 2 h 左右，开始逐渐变黑，由于黑色素细胞机 能亢进，产生大量的黑色素；变为黝黑的皮肤，若恢复到原皮肤颜色需数月时 间。红斑效应严重者可伴有水肿、水疤、脱皮，全身症状可伴有寒颤、发烧、 恶心等【2 4 1 。 1 2 4 1 2 紫外线辐射导致的慢性光老化 长波紫外线对皮肤的透射力强，可穿透表皮和大部分真皮层，破坏皮肤内 的弹力纤维，使肌肉失去弹性，引起皮肤松弛，导致皮肤光老化。皮肤的光老 化和自然老化之间存在一定的相似之处，但在临床、组织病理学等方面有着明 显的不同【2 5 粕1 ，表l 一1 为皮肤光老化与自然老化的解剖学差另1 1 2 ”。为了探讨紫 外线对人体皮肤早期损伤的量效特性，刘扬等【2 8 j 通过对东北农林地区，对紫外 线不同暴露水平人群中观察t 4 7 0 人次脸部皮肤与手部皮肤形态学的改变。结果 表明：紫外线对皮肤老化有明显的作用，低暴露组脸部皮肤老化从3 0 岁开始， 4 0 岁皮肤老化占4 3 ，6 0 岁以上则为绝大部分；高暴露组脸部皮肤老化从2 0 岁 开始，5 0 岁普遍老化；手部皮肤比脸部皮肤老化失衡。多途径诱发膜脂质过氧 化链式反应，造成生物膜损伤，使皮肤产生变性变化【2 9 j 。 表1 1 皮肤自然老化和光老化解剖学差别 t a b l 一1d i f f e r e n c e si nd e c r e p i td i s s e c t i o nc a u s e d b yl i g h to f n a t u r a ic o n d i t i o n s 天津科技大学硕士学位论义 1 2 4 2 紫外线对头发的伤害 紫外线除了作用于皮肤外，还引起头发损伤【3 。】。当头发暴露于大剂量的紫 外线下，头发会变色，棕色头发趋于褪色，金黄色头发、红色头发变黄。这是 由于光氧化的漂白作用和氨基酸胱氨酸、酪氨酸、色氨酸光降解。氨 基酸光降解还引起头发的张力降低。为保护皮肤和头发免于紫外线的伤害，最 直接的方法是通过衣物帽子或伞遮盖。 1 2 4 3 紫外线对眼睛的损伤 u v b 引起眼的损害包括对角膜、晶状体、虹膜、相关上皮和结膜的损伤。 白内障是与u v b 暴露有关的最显著的视觉损害，同时u v b 也与翼状胬肉、光照 性角膜炎、气候滴状角膜病变、眼脉络膜黑色素瘤等有关联性。最普通的u v b 的急性视觉影响是光照性角膜炎，滑雪者中常见雪盲症，在其它户外活动者也 有发生。慢性眼病( 包括白内障、鳞状细胞癌、眼黑色素瘤，以及角膜增生如翼 状胬肉和结膜黄斑) 患者的情况可能随o3 耗损而加重。t a y l o r 等对美国马里兰州 c h e s a p e a k e 海湾的8 3 8 名船工的调查表明，长期日光u v b ( 3 2 0 4 0 0 n m ) 与船工翼 状胬肉、气候滴状角膜病变、睑裂斑的发生密切相关。电焊工翼状胬肉的发生 与电弧光中u v b 强度及接触时间呈剂量反应关系。s e d d o n 等【3 1 l 通过对美国 几百例病例的对照研究发现，眼脉络膜黑色素瘤有家族性。 1 3 紫外线光辐射防护 “ 对太阳光中的紫外线辐射采取积极有效的防护措施，可预防和减轻皮肤的 光辐射损伤，使皮肤在较短的时间内得到恢复，给皮肤造成的威胁将会大大减 少p “。防晒剂是一类特殊的个人护理产品，它包含可吸收或阻挡紫外辐射的活 性成分，能遮盖皮肤免受阳光伤害。在美国，这类产品被归为不得以处方出售 的药品( o t c ) ，由食品药品管n 局( f d a ) 管理。 防晒剂 3 3 1 包括有机和无机防晒剂。 1 3 1 有机防晒剂 1 前言 有机防晒剂能与紫外线相互作用，分散其伤害能量，此类物质的化学键以 无害方式吸收、减弱紫外线。通常，它们具有一个给电子基团，如在芳环的对 位、邻位有氨基或甲氧基。当紫外线照射时，分子被激发进入一个高能态。当 分子回到起始能态，吸收的多余能量以一个不同能态的光形式发射出去。大多 数防晒剂在红外区发射能量，使皮肤产生微小的热效应，其它的发射于蓝色可 见光范围，给皮肤一个轻微的蓝色投影、每个防晒剂分子在衰变前都重复多次 “吸收发射”循环。 1 3 1 1p a b a 及其衍生物 p a b a 苯环上具有氨基和羧酸基团。自从1 9 5 0 年代此类物质就用做防晒 剂。作用基团的方式具有位置效应( 对位结构) ，分子倾向于氧化和变色。p a b a 分子倾向于形成品体结构，难于在化妆品制剂中发挥作用。科学家通过配化 p a b a ，以克服缺陷，如：使p a b a 结合甘油产生甘油基p a b a ，它比母体化合 物更易溶于水。此类物质还包括：对氨基苯甲酸乙酯、对二甲氨基苯甲酸戊烷 醣，对二甲氨基苯甲酸辛烷酯等。 1 3 1 2 水杨酸酯 它是第一个广泛用于商业制剂的防晒剂。水杨酸苄酯、水杨酸辛酯、水杨 酸同型薄荷酯是最常用的。这些物质分子都含邻位官能团，形成内部氢键，能 吸收3 0 0 3 1 0 n m u v 辐射，是u v b 防晒剂，效果不如其他防晒剂。 1 3 1 3 肉桂酸醋 此类物质在国内使用最广，用量最大。其中肉桂酸苄酯较早用于防晒剂。 其包含一个特别的不饱和基键含于芳香环和羧酸基，这种结构使此类分子较好 吸收3 0 5 n m 范围的紫外线。甲氧基肉桂酸辛酯不溶于水，是防水产品的原料。 此类物质还包括：对甲氧基肉桂酸乙辛酯、对甲氧基肉桂酸异丙酯【3 4 】。 1 3 1 4 二苯甲酮衍生物 独特的结构使其吸收超过3 2 0 n m 的紫外线，是v u a 防晒剂，具有很高的热 和光稳定性，但易发生氧化反应。故在配制时将加入抗氧化剂，此类物质和皮 肤及粘膜的亲和性好，不会发生光敏反应【”】。此类物质包括：羟基二甲氧基苯 酮、二羟基二甲氧基磺酸钠苯酮、四羟基苯酮、2 ，4 一二羟基苯酮、2 一羟基一 4 甲氧基苯酮、2 一羟基4 一甲氧基5 一磺酸苯酮、2 一羟基一4 甲氧基一5 一磺酸钠苯酮等。 1 3 2 无机防晒剂 如：t i o z 、z n 0 2 不吸收紫外线但能反射光线，因而能阻止紫外线到达皮肤。 此类物质给皮肤覆盖一层薄膜，看起来不美观。经过技术革新，创造了此类物 质微粒化杆式，颗粒度小到不反射可见光，仍能分散紫外线，同时未在皮肤上 留下醒目的膜。无机防晒剂对皮肤有较少刺激。适于具敏感性皮肤的人 3 6 1 使用。 t i 0 2 单一活性成分可制成高防晒系数( s p f ) 产品，z n q 不能提高s p f ，但能提 一8 一 天津科技大学硕士学位论文 供大范围u v b ，u v a 光谱范围保护。t i 0 2 和z n 0 2 与有机防晒剂共同使用时，有 协同效果p “。 1 3 3 纳米t i 0 2 与防晒 纳米t i 0 2 作为性能优异的新型物理遮光剂，以它的安全性和有效性，使它 的应用范围愈来愈广泛。通过对日本销售的3 7 种防晒化妆品的分析，其中大多 数产品含有纳米级t i 0 2 ，同本每年作为物理防晒剂、化妆粉底所需要的纳米级 t i 0 2 需求量达1 0 0 0 t l 3 8 1 之多。t i 0 2 的粒径愈小，紫外线透过率愈少，抗紫外线能 力愈强，平均粒径为l o n m 的t i 0 2 分散在水中，几乎是无色透明的，质量分数为 5 时，防晒系数能达n 1 5 ，含量为1 0 ( 质量分数) ，防晒系数可达3 0 口。作为 理想的物理遮光剂，t i 0 2 的粒径以3 0 r i m 5 0 n m 的金红石型为佳。 1 4 国内外紫外吸收剂和紫外散射剂使用状况 1 4 1 中国市场防晒剂使用状况 近年来，人们的防晒意识，对皮肤的自我保护意识逐年增强，对保护有效 的防晒化妆品的需求量越来越大。每逢夏季各品牌防晒产品接连登台亮相，各 知名品牌的防晒品更是如火如荼，以其强大的广告支持及稳定的消费群，力拢 头筹。近年来，北京日化研究所与国外有关公司合作，对国内市场上出售的6 0 余种防晒产品进行了防晒成分的分析及测定【4 0 】。结果表明：9 5 的防晒产品添 加有机吸收剂，7 0 的防晒产品加有无机粉体，8 5 的防晒产品中同时添加了2 种或2 种以上的有机吸收剂，配方中使用最多的防晒剂有5 种之多。使用频率较 高的防晒剂有：甲氧基肉桂酸辛酯、二苯甲酮一3 、辛基二甲基p a b a 、t i 0 2 和 z n 0 2 、丁基甲氧基二苯甲酰甲烷( p a r s o l l 7 8 9 ) 、二苯甲酮4 等。由于技术上的 原因，大部分的防晒剂还是用于中的穿透性远大于u v b ，长期的u v a 照射，将 导致皮肤严重的损害而难以治疗。 1 4 2 国外市场防晒剂使用状况 据统计，近年来美国市场上使用频率较高的防晒剂依次是：甲氧基肉桂酸 辛酯、二苯甲酮4 、二苯甲酮一3 、辛基二甲基p a b a 、水杨酸辛酯和丁基甲 氧基二苯甲酰甲烷( p a r s o l1 7 8 9 ) 等。 近年来，欧洲产品中使用较为频繁的防晒剂品种有：丁基甲氧基二苯甲酰 甲烷、一甲基亚卞基樟脑( p a r s o l5 0 0 0 ) 、甲氧基肉桂酸辛酯、t i 0 2 和辛基三嗪 酮等。垄断欧洲防晒品市场的l 、o r e a l 、b e i e r s d o r f , s e r al e e 和j o h n s o n j o h n s o n 四大公司，在他们全部的防晒化妆品中均使用了防长波( u v a ) 紫外吸收剂 0 a r s o l1 7 8 9 、p a r s o l5 0 0 0 ) 。可见，欧洲化妆品市场对长波紫外线日常防护的重 视程度。 同本资生堂公司和综研化学公司共同开发成功防长波( u v a ) 、功能优良的 树脂粉末，它是将高吸光系数的二苯甲酰甲烷紫外吸收剂包封在聚甲基丙烯酸 甲酯内制成，包封量达1 0 ( 质量分数) ，防u v a 的能力较单纯品高3 倍，配入化 1 前言 妆品中高0 7 倍，在皮肤上分布均匀、附着性好，透明性离，显示皮肤的自然本 色。积水化成品工业公司和住友大阪水泥公司开发成功其内部单分散有超微粒 子氧化锌的聚甲基丙烯酸甲酯f p m m a ) 球状微粒【4 ，新开发的微粒子是严格经 过表面处理的超微粒子氧化锌单分散在p m m a 球状微粒内部制成，其紫外线遮 蔽性强，透明高度，氧化活性受到抑制，微粒子呈球状，润滑性好，由于超微 粒子氧化锌包封在p m m a 内，几乎不吸收波长在4 0 0 r i m 以上的可见光，只吸收 u v a 、u v b 宽波长范围的紫外线。 1 5 生物活性物质在化妆品的应用 1 s 1 生物防晒化妆品将成为发展趋势 我国化妆品的发展经历了以下几个阶段：8 0 年以前处于原始阶段，研究 重点是怎样制造产品。8 0 年代改革开放后，国外化妆品开始进入中国市场， 同时将国外的先进技术卷入中国，中国化妆品进入起步阶段，9 0 年代后，经 过十几年的发展，中国化妆品进入了发展阶段，化妆品市场逐步规范化，化 妆品的安全性、有用性受到极大重视，并在这些方面取得了很好的发展。在 2 0 世纪末期，皮肤学、药理学、生理学、生物学等己开始渗透到化妆品科学 中，高安全性并具有一定生理功效的化妆品正逐步被消费者接受，进入2 1 世 纪，化妆品的发展将融合近代多学科的高科技成果，如生物工程，分离工程， 基因工程等，进入化妆品与使用化妆品的人相互融合的阶段。今后十年，天 然活性功能化妆品将是中国化妆品的发展主题。 功能性化妆品是现代生物技术与化妆品生产有机结合的产物，其中尤以防 晒和抗衰老化妆品的研究科技含量最高，随着人们对紫外线防护意识的增强， 防晒品中的防晒系数越来越高，使用各种防晒剂的量也越来越多，由防晒剂引 起的过敏性反应在也不断增加，如何最大限度地提高防晒剂活性成分的效力， 降低并达到防晒保护所需要的浓度，保证防晒产品的有效性、提高产品的安全 性，这是该领域今后的发展趋势。也是当前研究的主要课题之一。世界各国在 该领域的研究中都投入大量的人力和物力，以期获得突破性研究成果，获得更 大的经济利益。防晒化妆品研究的关键技术是防晒剂的研制。防晒剂主要分为 化学防晒剂、物理防晒剂和生物防晒剂三类。由于化学防晒剂或多或少对人体 有一定的毒害作用，而且化学防晒剂主要吸收u v b ，对u v a 的吸收作用较小。 而物理防晒剂会干扰人体皮肤的正常呼吸，因此，开发高性能u v a 吸收剂和无 毒害作用的防晒剂以成为各国研究的热点，而生物防晒剂的研究更是各国瓜分 世界化妆品市场和追求高额利润重要途径。 1 5 2 酵母细胞衍生物在化妆品中的应用 化妆品的研究已由添加动物器官提取物转向植物组织提取物，但从植物 中提取的美容功能成分生产过程复杂，价格昂贵，而且原料来源受自然条件 的影响较大。因此，利用廉价酵母菌的组成成分及其代谢物衍生物生产功能 天津科技人学硕士学位论文 性化妆品基料具有广泛的应用前景。 酵母是单细胞微生物，却有着真核细胞的基本结构和功能。酵母由细胞 壁、细胞膜、细胞核和细胞质组成。其中蛋白质含量为4 0 - - 6 0 ，其蛋白 质水解产物包括人体必需的八种氨基酸。除蛋白质外，细胞中还含有丰富的 酶系、矿物质、脂肪、糖类、多磷酸、多种b 族维生素和维生素d 2 原以及许 多经济价值很高的生理活性物质和生化试剂，如辅酶a 、辅酶q 、细胞色素c 、 凝血质、麦角固醇、谷光甘肽和核酸l 等。通过菌种选育，使酵母富含某种 目的产物，大量培养细胞，再从酵母细胞出发，提取有重要经济价值的生物 产品，成为酵母利用的重要分支。 酵母中所含的维生素对表皮形成、皮肤感染和粗糙、异常角质化有效。 将维生素a 涂于皮肤，可提高皮肤的代谢酶活性。维生素a 的浸透性和效果 根据使用的赋形剂的不同而变化，其稳定性随乳化剂、抗氧化剂、复合剂、 紫外线吸收剂的不同而变化。维生素b 可应用于皮肤和头发化妆品，它涂于 皮肤有抑制皮质作用。维生素e 可以改善皮肤表面形态：有润湿效果；抗炎 症作用；降低脂质过氧化作用；降低鸟氨酸脱羧酶活性。d - 泛酸醇有优良的 保持水分的能力，可使皮肤保持柔软，而且不发粘，在泛酸醇中加入维生素e 醋酸酯，可得到最佳润湿效果。d 一泛酸醇可促进色素的形成，还可抑制红斑。 另外，从酵母中提取出的谷光甘肽作为一种抗氧化剂，能保护细胞膜兔 受氧自由基的破坏，并有稳定细胞膜的作用。国外已将谷光甘肽作防衰老和 治疗慢性病的生物制剂加入保健食品、健美饮料和功能性化妆品中，从啤酒 酵母( s c e r e v i s i a e ) 细胞壁提取葡聚糖被应用于抗衰老、防皱、增加皮肤弹 性的高功能化妆品中。英国q r c h a r d h o u s e 生化科技研究中心利用酵母研制 出j u m e l l e 全效修护活氧细胞酵母乳液，十九世纪四十年代，美国首先生产了 活酵母细胞衍生物( l y c d ) 并获得专利，之后曾用于治疗痔疮的非处方成药。 1 5 2 1 酵母细胞衍生物的制各 活酵母细胞衍生物1 4 2 l ( l i v ey e a s tc e l ld e r i v a t i v e ，即l y c d ) 是酵母活细胞 对有控制伤害反应的产物，这样的伤害刺激细胞产生一些能够增加细胞呼吸 且促进修复作用的未知因子，即为l y c d 。大量的分析结果表明l y c d 是一 种十分复杂的低分子量物质，它是由氨基酸、单糖和双糖以及酵母特有的痕 量维生素和矿物质组成。 最初的l y c d 是从紫外光照下的酵母中提取出来的。将酿酒酵母置于 2 8 6 n m 的紫外辐射之下，细胞可以产生l y c d 。后来有人把亚致死剂量的过 氧化氢加入到酵母细胞中，用同样的提取过程发现也可以产生l y c d 。2 0 世 纪5 0 年代，d r g e o r g e ，s p e r t i 发现了一种方法生产l y c d ，使用紫外照射培养 来破碎酵母细胞壁，然后经过许多年的研究以及不计其数的试验后，他决定 用酒精抽提物获得产品。杰出的科学家如g o o d s o n ，k a p l a n ，b e n t e l y ，h u n t 等正是使用这种方法来生产l y c d 的。 l y c d 萃取物可以用冷冻干燥法或喷雾干燥法浓缩；它经过滤后得到一 透明几乎无臭、无色的溶液。过滤除掉细胞壁残渣但并不影响活性。大量 的分析结果表明，l y c d 是由低分子量糖苛肽( 分子量范围4 0 0 3 5 0 0 ，平均 分子量6 0 0 7 0 0 ) 成分组成的。肽：糖苷比为3 ：1 ，残余糖肽键是通过天冬酰 胺基实现的( 即正糖核苷键) 。还有痕量酵母中特有的辅酶型维生素蛆及辅助因 子型矿物质。 l y c d 是一种十分复杂的低分子量物质，由氨基酸、单糖和双糖以及酵 母特有的痕量维生索和矿物质组成。起初曾认为所含的维生素b 是使酵母能 促进活组织的氧吸收的因素，但是经过大量研究之后发现，事实上并非如此。 推动进行这一方面研究的动力和对胎盘萃取物进行的研究相似，最近l y c d 已用作这种有价值的萃取物的非动物源替代品。 l y c d 的生物化学活性似乎来源于糖和肽两种成分，但是这种物质十分 复杂，其活性的本质尚未完全确定。 1 s 2 2 酵母细胞衍生物的功能 多年来关注的焦点集中于l y c d 加速伤口愈合的能力。通过下述试验证 实了这一点：当涂敷l y c d 时测得的成纤维细胞的胶原产生量增加，而当 l y c d 涂在切开的伤口上对人的伤口愈合加快。虽然这样一些性能有很重要 的意义，但它们与用于涂搽在无创伤的完整皮肤上的化妆品无多大关系。对 化妆品配方最有价值的性能是l y c d 加速胶原和弹性蛋白生成的能力及其润 肤和更新皮肤的性能。 保湿剂的功能：l y c d 可以看作是一种奇特的内保湿剂，因为它能增加 皮肤细胞中的新生蛋白质对水分的吸收和促进皮肤对氧的利用，从而使伎肤 丰满。含l y c d 的配方制品己开始在东亚地区流行，使用来源于酵母的产品 在这一地区的民间有很大的吸引力：该地区的妇女认为发酵酵母培养物不仅 帮助她们保持青春，而且长期使用还能