发酵技术在护肤品行业中的应用与展望——2023版·第5代发酵技术.pdf
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1、Company corner公司专栏71第46卷2023年第10期3年疫情不仅改变了我们的生活,也对各行业的发展产生了深远影响,包括化妆品行业。当前整个化妆品产业已认识到科技赋能和创新发展的重要性,高科技绝对是推动产业发展的基石和有效保障。打破国际垄断,利用本土创新科技推动化妆品产业升级已成为疫情后时代的广泛共识与主旋律。于化妆品而言原料创新是关键环节也是核心内容,其中基于合成生物学发展的新一代发酵工程技术产品即属于前沿科技转化的创新原料之一。鉴于此,由上海人类学学会人类皮肤健康专业委员会发起的研究报告“发酵技术在护肤品行业中的应用与展望”对行业发展意义非凡,该报告内容丰富,对发酵原料的发展有
2、很强的借鉴价值,并邀请空军特色医学中心皮肤科刘玮教授为之作序。自改革开放以来,国内化妆品行业取得了飞速发展,但核心原料研发仍然依靠国际企业的研发中心。化妆品原料的研发涉及内容多且复杂,包括原料与皮肤之间相互作用,与其他原料及包装材料之间的相容性,对环境的压力等等。此外,原料的扩大生产和工艺优化也是重要的环节。经过几十年的不懈努力,国内企业目前逐步建立并完善了原料的研发体系,并与相应的研究机构积极展开了创新研发协作,相关成果不断涌现且已有成功案例,尤其在发酵领域成果斐然,包括大家熟知的透明质酸、重组胶原蛋白以及自然堂的“喜默因”。人类发展的历史就是一部不断认识世界,改造世界的过程。“发酵技术”是
3、其中最具代表性的能力之一。发酵技术涉及生活的各个方面,包括食品、药品、疫苗、保健品,也包括化妆品。发酵技术的发展有自身的特点,传统发酵不断汲取新的技术和工艺而快速迭代,微生物学、合成生物学以及生物信息学的兴起在不同阶段极大地促进了发酵技术的飞速发展,近几年快速兴起的人工智能与其他学科交叉协同更是直接开启了第五代发酵技术的新篇章。代际的划分是对发酵技术特征的归纳总结,方便从业人员快速理解不同技术及相关产品的特征特点,进而从不同维度助力发酵原料的开发和产业进步。发酵工程是个高度复杂的系统性工程,是需要交叉学科融合发展的典范。发酵技术与微生态组学、合成生物学、计算生物学及人工智能相结合既是科技发展的
4、必然,也是产业发展的要求,更是化妆品行业人不懈努力的结果。发酵技术在护肤品行业中的应用与展望2023版 第5代发酵技术马彦云1,赵心清2,刘 玮3,张婉萍4,黄 焱5,吴志刚6(1.复旦大学 六次产业研究院,上海 200433;2.上海交通大学 微生物代谢国家重点实验室,上海 200240;3.空军特色医学中心 皮肤科,北京 100142;4.上海应用技术大学,上海 201418;5.基础颜究,上海 200433;6.上海拜卓品牌管理有限公司,上海 200431)摘 要:介绍了发酵的发展历程,综述了以护肤品行业为例,随着更多学科的引入和新兴技术的应用,发酵在不同时期下所呈现出的不同目的、阶段特
5、点、所使用的技术以及代表性发酵产物,提出发酵可分为5个阶段:传统发酵阶段、工程化发展阶段、微生物学应用阶段、合成生物学阶段和智能发酵阶段,同时重点介绍了第5代发酵技术的特点、优势和产物功效,以极地酵母喜默因为例,阐述了第5代发酵技术通过化学及生物信息学的手段,从“成分-靶点-机制-功效”的角度阐明喜默因多靶点抗老的功效机理。关键词:发酵技术;第5代发酵护肤;智能发酵;多靶点抗老中图分类号:TQ658 文献标识码:A 文章编号:1006-7264(2023)10-071-12DOI:10.3969/j.issn.1006-7264.2023.10.014Company corner公司专栏72V
6、ol.46 No.10 Oct.2023这份研究报告系统归纳了发酵技术在化妆品行业发展中的贡献,及不同时期的技术特征,详细阐述了第5代发酵技术的特征和应用实践,专业度高,阅读性强。当然,该报告也存在尚待完善的地方,比如技术的代际划分可以建立对应的技术标准,甚至对下一代技术建立相应标准。瑕不掩瑜,相信本报告的发布不仅会对科技创新型原料的开发带来更多技术内涵,也能够助力本土化妆品行业的科技迭代,从原创科技提升美妆产品对广大人民群众的服务质量,助力健康中国的建设!1发酵技术和护肤品行业发酵是人类最早掌握的“技术”之一,有的学者甚至认为人们对微生物的利用甚至早于用火1。时代发展,人们对于发酵技术的运用
7、越来越深入广泛,发酵优化与放大技术已经成为未来绿色生物制造的关键一环。从早期先民们利用醋和酸奶进行清洁,到Pitera和Miracle Broth这样的混合物发酵液的使用,到利用微生物对于植物提取物深加工,以及近期将计算机技术、人工智能技术和信息学技术应用到护肤品的“发酵来源原料”的设计和生产,护肤品和发酵行业在相互影响、相互作用的过程中,都发生了很大变化。对发酵的深度理解能够促进护肤品行业的快速发展,实现化妆品原料,尤其是活性物原料的升级换代和自主化。而护肤品行业对于消费者需求的挖掘,能够促进发酵技术的领域拓展,形成发酵技术的下游市场,促成发酵工程的技术进步。1.1发酵开启了 人类文明人类在
8、自然中偶然发现了“发酵”,它“可能起源于一个偶然的时机,一次事故,一件蠢事,或者一次遗忘”。先民们观察到有些动物将猎物埋到土中以备以后食用,被遗忘在羊皮袋中的牛奶变成了“酸奶”,成熟的果子掉落在树洞后形成的液体能让前来寻找水源的动物“喝醉”人们开始意识到这种现象带来的变化“发酵”。当人类开始习得“发酵”行为,人类文明就此缓缓开启。大约190万年前,直立人臼齿的尺寸明显变小2。这可能是当时原始人找到了一种方法,能让食物变软使其更易消化,从而减少了咀嚼时间。此前考古学家认为这种变化和火的使用有关,但最近一些研究者则倾向于认为,臼齿变小的趋势可能早于火的使用(50万年前),这种软化食物的方法就是发酵
9、。发酵技术的产生和进步让人类得以定居到更大范围,农业社会由此起步。人类对发酵的使用,比火还要早:臼齿变小的趋势可能早于火的使用,大约50万年前就已经开始。这种更早被发现使食物变软的方法就是发酵。人类进行的首次驯化,是对微生物的驯化,比驯化狗、马和奶牛都要靠前:首先有了野生哺乳动物的奶制品被发酵,酸奶、奶酪等发酵奶制品推动了人类驯化动物的意愿。人类对面包和啤酒的渴望推动了农业的产生:人类以野生植物为原料生产的发酵食品影响了人类驯化这些植物的意愿,如用野生葡萄酿酒先于葡萄种植,正是这种渴望推动了农业的产生。1.2发酵技术广泛应用于各行各业发酵来源于拉丁语 fermentare,意思是“在酵母的帮助
10、下进行转化”。发酵是一个生物化学过程。在此过程中,某些有机化合物在一些作为催化剂的,来自于各种微生物的,特定酶的作用下释放能量,产生各种营养物质3。随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的设计成功,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵食品,发酵工程逐步形成,并广泛应用于各行各业。食品工业:食品行业是发酵技术最早得到运用的领域4。发酵使食品的产量和质量提高、改善食品口味、简化食品生产过程、延长食品存储期。传统的发酵食品如酸奶、酱油、醋、酒类;食品添加剂如柠檬酸、谷氨酸;酶制剂如-淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶等。医药工业:青霉素的发现和产业化推动了发酵工程在医药领域
11、的应用和发展,之后,基因工程、蛋白质工程等学科的引入,使得因原料受限无法推广使用的药物,得到了大量生产和使用。此外,科学家利用基因工程,将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞,获得的表达产物可作为疫苗使用5,如青霉素、抗生素、氨基酸、免疫调节剂等。农牧业:从自然界选育出优良菌株,再通过发酵工程大规模发酵生产制成的活菌或其代谢物产品等正应用于现代农牧业的很多方面。用以改良土壤结构,促进植株生长、防治病虫害等6,如肥料、农药、饲料等。环保行业:处理环境污染物,利用胞内的酶催化转化污染物分子,使其成为无害物质或者有益物质。例如利用微生物将农产品加工废水中的糖分转化为乳酸,将发酵工业Com
12、pany corner公司专栏73第46卷2023年第10期废水中残余的葡萄糖或其他有机物质转化为沼气(甲烷+氢气),用饲养业的废弃物或生活垃圾经微生物发酵制取沼气等7,如乙醇、丁醇、氢气等。化妆品行业:发酵食品用以美容护肤的尝试在很早就已经出现,随着发酵技术在化妆品领域的应用深入,越来越多利用发酵技术得到的成分得以推广运用,如以利用植物原料作为底物进行发酵,通过酶的作用对一些原料中的组分进行降解,植物原料中活性成分功能就能实现得更彻底,原料利用率更高,再比如结合基因技术做出来的原料重组胶原蛋白等,极大改善了部分原料的量产问题,如胶原蛋白、透明质酸、依克多因、麦角硫因、中草药发酵产物等。1.3
13、发酵产物帮助皮肤“与时间对抗”发酵技术让食物更好消化,人类的臼齿开始变小,脑容量开始增加。因为发酵不但能够让食物更好消化,也让食物可以长期保存,提升了人类的生存能力,让人类更多地从事食物收集之外活动成为可能。因此,对于人类文明来说,“发酵”早于“火的使用”,其推动作用也可以跟“火的使用”等量齐观。当有了发酵食物后,人们逐渐发现它的更多功效,比如将发酵食物用于美容护肤:古埃及的妇女们用啤酒泡沫来护肤,以保持皮肤的光滑滑嫩8。阿尔萨斯地区以啤酒酵母治疗粉刺,啤酒还能美发,很多现代的化妆品牌都有啤酒香波这一品种。在蒙古地区,在牙刷岀现之前,这里的人用一种叫作arrhuul的硬奶酪来擦洗牙龈1。随着发
14、酵技术在护肤领域的不断发展,发酵类护肤品开发了更细分更科技化的美肤功能9,10。发酵在护肤领域的意义,就像找到了“与时间对抗”的一把钥匙。1.4发酵技术在护肤品行业的优势随着现代化妆品行业的发展,发酵技术也逐渐在其中找到了其应用场景。发酵技术在护肤品行业的应用具有诸多优势,如富集功效物质;产生新功效;降低有害物质;能耗低、污染小;降低生产成本等11。温和少刺激:天然植物、中草药等是发酵原料中的一大组成部分,因而发酵类护肤品也被消费者认为更符合“妆食同源”的趋势;同时发酵过程中可分解致敏物质,降低植物提取物的毒性;另一方面,尤其是混合类发酵产物,通过多种活性物的协同作用,在调节皮肤微生态、平衡表
15、皮pH值、缓解炎症、调理皮肤状态方面也有益处。降低成本:发酵原料种类繁多,对固定原料的依赖度降低,通过发酵技术可以让部分因原料受限无法量产的成分得以量产,降低生产成本。如采用发酵技术代替传统化学合成获得单体活性成分,比如90年代德国BITOP公司生产的ectoin12;“工程生物学”引入后,微生物学家们对工程菌进行基因改造,大量生产透明质酸、重组胶原蛋白、麦角硫因等,提高了纯度和功效,同时大大降低了生产成本。开发创新原料:发酵不仅仅让单一成分得到了量产,发酵的菌株选择和代谢控制,为化妆品行业开发出大量的创新原料。如SK-II品牌的Pitera、Lamer品牌的Miracle Broth、伽蓝集
16、团的喜默因。增强功效:通过对植物提取物进行发酵,富集营养物质,增加纯度,从而带来更好的功效。比如“积雪草发酵液”这样的原料组。另一方面,随着人工智能、计算信息学、生物信息学在发酵工程中的跨领域运用,大大优化了发酵前期的菌种筛选、发酵过程的优化放大和发酵产物与护肤功效之间的精准匹配,从而获得更好的皮肤护理效果。2发酵技术的不同发展阶段发酵技术一直向着“效果更好,成本更低”的目标在不断改进,随着发酵技术的持续进步,发酵工程得以广泛应用于各行各业。在护肤品行业,发酵技术推动了化妆品原料的开发和使用。在降低成本的同时,各学科的融入,新工具的使用,让化妆品功效得以更显著更精准。从最初的发酵食品被用于美容
17、护肤,到SK-II品牌的Pitera和LAMER品牌的Miracle Broth菌株等混合物发酵液的出现,再到透明质酸、重组胶原蛋白等成分的量产,近几年,以伽蓝集团“极地酵母”喜默因为代表的第5代发酵产物出现,标志着发酵技术在护肤品领域应用层面开始呈现更高的可靠性和更大的发挥空间。2.1发酵的 5 个代纪2.1.1 第1代传统发酵阶段 发酵(fermentation)一词的英文词根是fervere(发泡),发酵伴随着热量产生和泡沫翻涌,这一现象是早期判断发酵进程的标志。我国古代的发酵技术可以追溯到4 000年前,曲、酱、酒、醋和腌菜,很早以前就出现在了中国13。早在周朝(公元前11世纪-3世纪
18、),周礼 天官就有记载:“醢人掌四豆之实,又酱用有百二十瓮。”其中的“醢人”就是掌管醋、酱的官员。在长沙马王堆西汉墓中,考Company corner公司专栏74Vol.46 No.10 Oct.2023古学家发现公元前2世纪的豆豉,汉代刘熙释名 释饮食中说豆豉“五味调和,须之而成”。公元5世纪,北魏有“干豆腐加盐成熟后为腐乳”的记载。本草纲目拾遗中有“豆腐又名菽乳,以豆腐腌过酒糟或酱制”。除了发酵食品和调味品,酒类饮料的发酵也有悠久历史。以酿酒技术为例,酒类发酵技术也同样源远流长,黄酒是人类最古老的酒类之一,源于中国绍兴。早在9 000年前,贾湖遗址就发现了人类酿酒的证据14。约在3 000
19、年前的商周时期,中国人独创了酒曲复式发酵法。虽然发酵历史悠久,但是一直到19世纪中期前,人们一直采用“原始发酵”的方法,而该方式有诸多局限之处。首先,生产者多出自家庭作坊,工艺知识不能得到有效共享;其次,菌株选取也很随意,不具有定向性,也未经纯化,这就导致生产技术进步慢、效率低下,批次之间质量不可控,容易出现安全问题,也限制了发酵技术的更广泛应用。在这一阶段:发酵产物:食品(酒、酱油、醋、奶酪);发酵目的:让食物变软,更易咀嚼、更好保存、提升风味;采用的技术:食物粗加工+酵母+自然发酵;阶段特点:成功率低、发酵时间长、产量较少。传统奶酪于公元前10 000年诞生于亚洲的游牧民族中15,这种发酵
20、是自发产生,不需要添加酶来使奶凝结。奶通过空气中的细菌自然发酵,人们也可以用前一次剩下的奶酪来给下一次的牛奶接种,这个过程几乎能一直持续下去。第1种特意生产的发酵饮料很有可能是蜜酒。旧石器时代人们就已经开始饮用蜜酒,而且蜜酒是最容易制作的发酵饮料。将70%的水和30%的蜂蜜混合,几天之后就会产生一种低酒精饮料16。葡萄酒:将葡萄存储在陶器中,一段时间后,附着在葡萄皮上的酵母开始发酵,产生酒精,最后酿成葡萄酒。啤酒:把干燥的大麦麦芽磨成粉,烤成面包后再把面包弄碎、加水,自然发酵后得到啤酒。醋:把蒸熟的米、曲和水放进坛子里发酵,把坛子放到日照充足的地方。增殖的米曲霉产生的酶会促进米的糖化,在酵母的
21、帮助下,产生酒精,最后加入醋酸菌发挥作用,坛中的液体就变成了醋酸。2.1.2 工程化发展阶段19世纪中期之后,是发酵的“化学工程”阶段。发酵设备和工艺逐步标准化、复杂化,但仍采用偶然发现的天然菌株。下层发酵法和纯种培养法的发明,让发酵效率逐步提升。工程学的发酵方式迅速降低了啤酒、清酒、醋、酱等消费品的成本。20世纪初,梭状芽胞杆菌发酵法生产的甘油、丙酮和丁醇成为当时化学工业的重要组成部分17。第2次世界大战期间,青霉素的需求量大大增加,为了实现这一目的,化学工程师们设计了带有通气和搅拌能力的发酵设备,研究出大量培养基和生产设备的灭菌方法,开发了无菌空气的制备方法,这些技术让发酵效率突飞猛进18
22、。近代发酵技术是发酵的工程化,把原本家庭作坊式的生产方式用化学工程的方法进行改造,液体深层发酵法和深层通气法在设备和工艺上实现了改进,让发酵的规模实现了飞跃。不仅如此,工程师们还利用分离纯化菌株和代谢控制的方法实现了生产效率的进一步提高(上海交通大学微生物代谢国家重点实验室,Biotechnology Advances期刊编委赵心清教授)。1842年之前,发酵工艺非常原始,啤酒厂主要集中于汉堡港附近,采用的都是“上层发酵法”,也就是酵母集中在容器的上层,酒体浑浊颜色暗淡。为了解决这个问题,波西米亚的皮尔森城(今捷克境内)的酒厂联合研发,借鉴了巴伐利亚地区的“窖藏法”,利用酒窖的低温来延缓发酵速
23、度,使用下层发酵酵母,酵母可以逐步沉降到桶底,这使得工程师可以采用过滤方法获得澄清、品质稳定的啤酒,开启“工程化发酵”的先河19。15年后,法国微生物学家巴斯德通过实验证明,酒精发酵是由活的酵母菌引起的,从而将酵母菌与发酵联系起来20。1897年,科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用,逐渐了解了发酵的本质21。之后的30多年间,微生物的分离和纯化技术得到了应用,发酵生产的工艺和设备不断完善,作坊式的手工生产向近代工业化生产方向发展。为了迎合大量消费,发酵在食品加工、制药、保健品等行业中逐步发展起来,发酵粉、面包、奶酪、酱油等食物以及青霉素、链霉素、金霉素和土霉素等抗生素、酶制剂、多糖、维生素等保
24、健品相关的发酵工业相继兴起。制药工程和食品工程推动发酵迅速发展,极大地改善了人们的生产生活条件。但该阶段的技术也伴随风险:过于强调工业化思路,可能让发酵食品失去自然风味。在这一阶段:发酵产物:食品、药品、保健品等;发酵目的:实现大规模生产;采用的技术:无菌技术+酵母纯培养技术+通气搅拌深层培养技术;阶段特点:成功率更高、产量增大、稳定性更强。面包:工业生产的面包使用的是化学酵母和添加剂,并Company corner公司专栏75第46卷2023年第10期通过加速揉捏的技术,让面包能更白、更蓬松、更快做好。同时,为了掩盖快速发酵的缺陷,面包中常加入食品添加剂。酱油:工业制造的低等酱油借助盐酸通过
25、水解作用从大豆、米粒或小麦的蛋白质中提取氨基酸。得到的溶液需经过碳酸钠的中和,然后过滤,再加入谷氨酸单钠、焦糖色素、葡萄精浆,加入淀粉使之变黏稠。高等级的酱油工艺依然采用酿造工艺,只是在投放市场前要进行巴氏灭菌,以保证其稳定性,但其余酵母因此被灭活。啤酒:1883年,汉森在丹麦啤酒研究所分离出了单个酵母细胞,并且基于这个发现创立了啤酒酵母纯培养法,在啤酒行业实现了大规模工业化生产。无菌操作和酵母纯培养技术,保证了发酵过程中的质量控制,大大提升了啤酒的品质。青霉素:第2次世界大战期间,为了更大规模地量产青霉素,科学家研制出了带有同期和搅拌装置的发酵罐,同时解决了大量培养基和生产设备的灭菌和无菌空
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