生物技術及海洋資源在化粧品的應用

化粧品產業是屬於低污染，且具有高附加價值之產業，全球化粧品及護膚品總銷售額每年均穩定成長，預期未來化粧保養品市場，隨著高齡化社會的來臨、使用者年齡層的下降，以及大眾消費型態改變的影響，市場規模將更為樂觀。目前國際化粧品發展，已逐漸朝向生物科技及天然植物之應用，而且也重視地域特性、性別及成分使用之安全性與有效性等，因此化粧品產業極需要較高層級的技術導入，以及新興原料的開發。近年來，由於化粧品資訊普及以及對於原物料安全的疑慮，使得消費者開始質疑化粧品中某些化學成分，因此不斷需求符合天然和環境永續發展的產品，對於化粧品的期待，希望廠商能開發天然且安全的原料，因此需要積極開發來自天然的原料，而天然植物及海洋藻類即具有這方面的市場價值。

在90年代，消費者對於護膚保養品的要求，普遍是基礎保濕，強調化粧品的塗抹感或化粧品本身的品牌故事。此後，隨著先進的分子生物學或遺傳學技術的發展，對於皮膚的生理功能已經以分子層次加以解讀，因而化粧保養品具有的活性原料，需以科學數據作為佐證，在市場上才能佔主導地位，而不只是單純的強調保濕效果。

過去，含天然原料的化粧品，經常被解讀為「天然最好」和「天然最安全」的形象。化粧品只要與「天然」相結合，就產生了「安全」的連結，因此造成市場上，充斥品質參差不齊的「天然化粧品」或「有機化粧品」，甚至是技術層面不明的「生技化粧品」。近年來經常可看到化粧品品牌起起落落，化粧品的品牌價值若只有「宣傳」或「廣告」，將不足以在市場上立足。回到化粧品科技的本質來探討，化粧品成分最常用的植物性原料，大部分來自於天然物或植物萃取，許多化粧品產業關心的是：天然中草藥是否能穩定地供應？因為植物來源或品質受許多因素影響，例如氣候變化、種植面積、栽種方式、農藥使用等。因此，利用生物技術，生產可用於化粧品之植物性原料，將是化粧品產業的重要課題，透過新科技的導入，將使化粧品推向另一高峰。以下將以相關的生物技術與天然海洋資源兩個主題進行探討。

生物技術在化粧品的應用

日本三井化學株式會社，在1983年利用植物細胞培養技術，成功地生產紫草素，此成分已知具有殺真菌和傷口癒合的能力，此為生物技術應用於化粧品的重要里程碑。此外，許多有價值的揮發性成分是來自微生物的二次代謝，並經常被應用在食品工業的產品中，例如酒類、醬菜和香草等。利用發酵技術生產新的香水，過去還沒有被使用在化粧品工業上，可能因為發酵氣味不適用在化粧品上，然而經過開發後，發酵也可能產生具有潛力的香水，例如香根鳶尾(Iris pallida)的根莖存放幾年，經過自然發酵後所產生的 ORIS 香水，屬於最高級且最昂貴的香水之一。接下來將介紹三種已被應用於量產之生物技術：微體繁殖技術、根系培養技術及生物轉化技術等，其中微體繁殖技術被應用在許多植物，作為植物的優異植株繁殖的方法，而根系培養技術可以提供比由微體繁殖更高的培養密度，以及穩定的原料生產；另外如生物轉化技術是用於生產更高產率的有用成分的獨特方法。這些技術已被用於實際的化粧品量產，因此，可以提供相關技術人員發展生技化粧品的參考。

一、微體繁殖技術

微體繁殖技術是從植物取下的部分組織或細胞，經消毒後，在無菌的條件下，置於含有鹽類、醣類、生長激素或有機添加物的人工培養基中，在適當溫度、濕度與光照的條件下，使其生長分化，成為完整獨立的個體，以達到大量繁殖的目的。現今微體繁殖技術的建立，可以克服植物從種子繁殖的遺傳變異；由野生或田間選擇的優秀植栽，可以利用此技術有效地繁殖。利用植物微體繁殖技術的方式包含：1.植物組織利用細胞分裂素cytokinin，例如 benzyladenine 或 kinetin 進行繁殖；2.從植物癒合組織進行分化，利用植物生長素，例如 indole acetic acid進行組織分化；3.由植物癒合組織進行胚芽的分化，以上方法以第一種方法，從植物組織或枝條進行繁殖的方法是最優的選擇，因為後兩種方法可能出現遺傳變異。以下是化粧品產業，利用微體繁殖技術之實例：

在80年代，嘉麗寶化粧品公司首次嘗試採用微體繁殖液態培養箱，進行香葉天竺葵 (Pelargonium graveolens) 生產香水。然而，液態培養最終仍無法普及，因為受限於培養箱中培養植物組織的密度，導致商品化製造成本無法降低。因此，微體繁殖雖可應用於體外快速增殖的過程，但最後仍要種植在土地上。

玫瑰是在化粧品市場中最重要的香水植物之一，但在2百多種玫瑰中，只有少數品種的香味可商業化。大馬士革玫瑰(Rosa damascena Mill)是製造高品質玫瑰精油的首選，因此對化粧品公司而言，保留其品種的獨特性是非常重要的。有學者以分子生物學分析大馬士革玫瑰，利用隨機擴增多態性去氧核醣核酸分析方法（random amplified polymorphic DNA；RAPD），在 58 對引子中，找到某對特定引子，可以區分 6 種含豐富精油的品種，再透過微體繁殖技術使大馬士革玫瑰優良品種，可以進行有效地增殖。

蘆薈(Aloe vera)在保健和化粧品市場均呈現不斷成長的趨勢，蘆薈雖然可利用側枝進行扦插繁殖，但其速度緩慢，而種子繁殖也有困難。因此，蘆薈也適合採用微體繁殖技術進行快速繁殖，且其子株在形態上及組成也類似於母株。

薰衣草(Lavandula viridis) 精油，在化粧品市場也是相當重要的香草植物，研究顯示，利用微體繁殖的植物在精油的品質上並無明顯變異：因此野外生長的植物，利用微體繁殖，是具有應用於化粧品的潛力。

甘草是在化粧品、食品和醫藥市場上，相當重要的植物之一。其主要成分甘草甜素(glycyrrhizin)被大量用作食品甜味劑，也經常添加在化粧品和藥品，因為它具有很強的生物活性，例如抗發炎和皮膚抗氧化壓力的活性。甘草在中東、中國和蒙古的歐亞大陸中部地區自然生長。然而，由於各種情況，比如在中東地區的政治動盪、甘草過度開採與氣候變化等，將導致未來甘草供應的不確定性。於是日本丸善製藥公司(Maruzen pharmaceutical company)開始進行甘草的微體繁殖技術，該公司計畫在澳洲新南威爾斯省大量培育甘草，雖然是在南半球，但其緯度與歐亞大陸，甘草自然生長的地區幾乎是一樣的。從土耳其和俄羅斯選出的優良品種，篩選出 20 個優良的品種，透過微體繁殖技術，繁殖了20 萬株無菌植物，再運送至澳洲進行種植。現今，許多用於化粧品的藥用植物是野生來源的，但未來，人工栽培植物將逐漸取代天然來源。下表整理目前可以用作化粧品成分的微體繁殖植物：

表1. 微體繁殖技術可用在化粧品的植物

庫拉索蘆薈

獨尾草科 Asphodelaceae

Aloe vera

(Aloe barbadensis)

香葉天竺葵

牻牛兒苗科 Geraniaceae

Pelargonium graveolens

薰衣草

唇形科 Lamiaceae

Lavandula viridis

突厥薔薇

薔薇科 Rosaceae

Rose damascena

光果甘草

豆科 Fabaceae

Glycyrrhiza glabra

甜菊

菊科 Asteraceae

Stevia rebaudiana

指甲花

千屈菜科(Lythraceae)

Lawsonia inermis

二、植物根系培養技術

植物根系培養技術，大致分為兩種不同的類型：即毛狀根農桿菌 (Agrobacterium rhizogens) 之 Ri 質體(名詞意義是產生根群之質體， root-inducing plasmids)，誘導產生之毛狀根；另一種類型是未經過基因轉形的不定根。毛狀根通常生長較快，因此，可能在產業應用上優於不定根，不過，可能需要更長的時間，使社會大眾接受使用基因轉形的組織。有學者成功地從人參根轉形的植物組織，獲得化粧品成分。他們誘導超過 100 株轉形根，並選殖其中的 34 株進行液態培養繁殖。最終選擇R52株，因為獨特的品質：生長快速且具有較高的人參皂苷 (ginsenosides) 生產效率，以及這些效能可穩定傳到子代。該R52株生產的人參皂苷相當於生長5年的原生種人參根的產量（17毫克/公克乾重），且其產量在整個培養中幾乎是保持恆定的。R52超過原始生長的人參，其優勢是有較高的生產率（12毫克/公升/天）。使用人參不定根培養，其生產的最佳條件可達到2.6毫克/公克乾重。在韓國，人參根系培養，首次成功地完成商業化生產，大多數開發的人參產品（幾千種）均是應用在保健食品。

化粧品成分使用不定根生產技術，最成功的案例是三島柴胡(B. falcatum L.)，利用柴胡的根系培養技術，生產柴胡皂苷saikosaponin，可產生超過10種不同的柴胡皂苷，其中SSa (圖1) 是特別具有藥理活性的成分，具有抗過敏、鎮痛、抗發炎作用的特性；SSb1 (圖1) 是從SSa人工生產的，已被確認可應用在皮膚細胞，作為有生物活性的物質。科學家透過調節側根分化，克服不定根生長較慢的缺陷，他們發現，在植物生長素的存在下可誘導側根形成，當糖濃度增加時，可明顯抑制側根生成，由於柴胡皂苷(saikosaponin)只在側根和原始根系累積，在培養過程中會失去其功能，因此以柴胡根系組織培養而言，形成側根是非常重要的關鍵，因此剛開始先添加 1％的蔗糖，等在第14天的時候側根已經出現後則改為 6％蔗糖培養。此方法，利用蔗糖調控產量，最終可得到的SSa為0.8公克/公升。資生堂公司利用含有柴胡皂苷的萃取物，製造化粧品，並以「百優-Bioperformance」品牌，成功地推展到全球市場上，此為第一個透過此類生物技術製造的產品，且該萃取物被用於化粧品中至今已超過10年。

SSa SSb1

圖1. 柴胡皂苷SSa及SSb1之化學結構

三、生物轉化技術

生物轉化是指使用自由懸浮或固定化植物細胞，將各種基質轉換為更實用產物的技術，生物轉化是利用植物細胞培養所包括的反應，如糖基、葡萄糖基酯化、羥基化、醇和酮之間的氧化還原、碳雙鍵的還原，水解、異構化、環氧化、去氫、甲基化、去甲基化及其他等。然而，從工業化的角度，糖基和羥基化似乎較可行，因為只有這些反應可得到超過 1公克/公升的產率。這兩種類型的反應產生比其他更高的產率，其理由主要在於，生物轉化是植物細胞針對外來物質所進行的「解毒」作用，外來物質都必須進行糖苷(解毒)和羥基化，使植物細胞得以生存。

熊果素為「對苯二酚」加上葡萄糖苷之結構，可有效地使皮膚美白且無不良反應，熊果素是酚類的葡萄糖苷的衍生物中，被用作化粧品成分最成功的案例，「對苯二酚」本身作為藥用之去斑有效成分，在有些國家被核准使用於去斑用途的化粧品中，但由於具有強烈的副作用，因此在我國無法添加於化粧品，相反地，熊果素則經常被應用於美白產品中，因此化粧品所需要的是熊果素，非「對苯二酚」，有學者開發「對苯二酚」轉變為熊果素的生物轉化技術，方法是利用長春花(Catharanthus roseus)細胞作為轉化的工廠，科學家的研究工作是探討生物轉化的可行性，在早期此類研究對化粧品產業具有劃時代的意義。

「對苯二酚」在中性或弱鹼性的水溶液可產生超氧陰離子，類似於細胞質的條件，超氧物質可還原為過氧化氫，再由此兩種活性氧物質發生反應，產生更具傷害的羥基自由基。在植物細胞內，「對苯二酚」可被加上葡萄糖基而轉化為熊果素，此轉化可降低「對苯二酚」的毒性，因此熊果素安全性極高，在實驗室中產量為9.2公克/公升。對於長春花品系的選擇而言，選擇具有較大液泡的品種會較優越，通常細胞在生長後期可進行生物轉化，有兩個決定性因素可影響產量：細胞成熟度（形成液泡）及培養基中糖的濃度。成熟的細胞適合進行生物轉化，事實證明，細胞有較大液泡的品系，比小液泡產生較多熊果素。

香柏酮 (nootkatone)是葡萄柚重要的香味來源，可有效地消耗身體脂肪，且資生堂公司已成功地應用於市售商品。香柏酮若以化學方法進行合成，其產量低且有重金屬污染的疑慮。若以綠藻(Chlorea sp.)進行生物轉化可達到商業化的香柏酮，包括C. fusuca、C. pyrenoidosa 及 C. vulgaris等。此三種綠藻均可將超過80％的 valencene 轉化為香柏酮，特別是 C. vulgaris (小球藻)，轉化效率可達100％。常見之生物轉化的實例，其可用於化粧品的成分，列在表2：

表2. 可用於化粧品之生物轉化例子

百葉薔薇

Rosa centifolia

桉屬植物

Eucalyptus perriniana

光果甘草

Glycyrrhiza glabra

人參

Panax ginseng

長春花

Catharanthus roseus

阿拉比卡咖啡

Coffea arabica

海洋資源在化粧品的應用

地球70％以上覆蓋著海洋，蘊含著地球上高達90％的生物，海洋提供了許多獨特的環境和豐富的資源，並且有許多海洋生物有很大的發展潛力，可以作為醫藥品、營養食品和化粧品等。藻類在地球上已演化超過二十億年，可產生許多化合物和次級代謝產物，可適應極其惡劣的環境，且可以在所有生態系統中找到。藻類屬於真核生物，可透過光合作用產生能量，迄今，已有超過20,000種藻類被鑑定。藻類可以大規模種植在海岸上，且生長速度相對較快，且可以控制生產的生物活性化合物，如蛋白質、多酚和色素等。

藻類依於主要的色素可以分為三群：綠藻門（綠藻），褐藻門（褐藻）和紅藻門（紅藻）。微藻是生長快速的單細胞或簡單的多細胞海洋生物，生活在惡劣的條件和環境承受壓力，甚至是暴露於紫外線輻射下，微藻相較於傳統的植物而言，生產率較高，不受季節變化，更容易萃取且為來源豐富的材料。

微藻具有應用於抗衰老、皮膚美白和減少色素沉著的潛在用途，有些藻類物種已經被使用在化粧品配方中，如保濕劑和增稠劑的應用，但是由於藻類主要活性成分相關研究仍缺乏，因此藻類在開發程度上，仍然有很大的努力空間。科學家發現，由海藻所衍生的許多化合物均可以用作為化粧品原料：例如，來自古老的藍藻所產生的抗氧化物質、多元不飽和脂肪酸、熱誘導的蛋白質或免疫調節的相關化合物等；許多由藻類衍生的二次代謝產物，也是對皮膚有益的。例如，從節旋藻(Arthrospira)萃取物具有能修復皮膚早期老化的跡象，能使皮膚緊實，並防止細紋形成；而小球藻 (C. vulgaris) 萃取物，刺激皮膚的膠原蛋白合成，支持組織再生和減少皺紋。因此化粧品含有微藻或其萃取物可應用於皮膚相關功能，若是與其他抗氧化劑或生物活性的化學物質相結合時，可應用在防止皮膚受陽光傷害有關產品。以下將略述藻類在化粧品之應用，並整理如下：

一、對抗肌膚老化的藻類

褐藻多醣，如昆布多醣 (laminaran)、褐藻糖膠 (fucoidan) 和藻酸鹽(alginate)，具有抗氧化性質，可以應用於預防皮膚老化和處理問題皮膚。此外，抗氧化活性也可以幫助抑制產品所含的油脂氧化，進而避免化粧品外觀或氣味的改變，具有穩定化粧品的特性。研究人員發現，紅藻中的臍形紫菜(Porphyra umbilicalis)含有大量的菌胞素樣胺基酸（mycosporine-like amino acids, MMAS），可以吸收紫外線，因此可用於防曬產品。

最近的研究顯示，人類角質細胞（HaCaT），以紫外線(UVB)照射細胞時，若同時用岩藻固醇 (fucosterol)培養，結果細胞並不會受到紫外線傷害。此外，岩藻固醇處理的人類角質細胞，顯著地降低紫外線照射引起的基質金屬蛋白酶的生成和表現，並增加第 I 型膠原蛋白的生成。另一種有發展前景的物質是小球藻萃取物，可使用在皮膚保養產品中，促進膠原蛋白的合成，支撐皮膚組織，減少皺紋。藻褐素 (fucoxanthin)是在褐藻主要的葉綠體，具有減少由紫外線輻射引起氧化壓力的能力，因此適用於功能化粧品之使用；藻褐素由於增加產熱素 (thermogenin)，可增強在脂肪組織內，脂肪細胞燃燒脂肪的速度。

二、海藻多醣在化粧品的應用

有許多的海藻多醣類可以應用於化粧品中，這些多醣可能是陰離子、陽離子、非離子或兩性的性質，其化學特性取決於其天然結構。海洋中藻類是天然多醣類最豐富的來源，例如fucoidans是從褐藻衍生之聚醣，卡拉膠(carrageenans)和ulvans分別來自紅藻及綠藻。

多醣具有許多的化粧品用途，例如，增稠劑、懸浮劑等。有學者進行海藻多醣研究，發現由褐藻 (Saccharina japonica)萃取多醣，具有優異的保濕功效，甚至由海藻萃取的多醣比玻尿酸 (hyaluronic acid) 有更好的保濕力，表示藻類衍生的多醣可以作為化粧品的原料。角叉菜(Chondrus cripus) 是一種含豐富多醣和礦物質的紅藻，具有保濕效果。綠藻-軟毛松藻 (Codium tomentosum) 萃取物，能調節水分在皮膚分佈，保護皮膚免受乾燥，特別是在乾燥的環境中。此外，藻類或其它海洋生物的DNA萃取，可用於皮膚保濕和保護，包括從裙帶菜 (Undaria pinnatifa)、泡葉藻 (Ascophyllum nodosum) 等萃取。

三、美白肌膚的藻類

由海洋藻類-海帶(Laminaria japonica)分離的藻褐素 (fucoxanthin)，可抑制紫外線照射的天竺鼠和小鼠之黑色素生成及酪胺酸酶活性。研究顯示，口服藻褐素也能抑制皮膚黑色素mRNA的表現，顯示藻褐素在基因轉錄層次負向調節黑色素生成。間苯三酚 (phloroglucinol) 衍生物，是褐藻的另一種常見的二次代謝產物，由於其螯合銅離子的能力，也具有酪胺酸酶抑制活性。這些研究顯示，海洋藻類衍生化合物具有皮膚美白的潛力。

結語

化粧品朝向自然風潮及高科技風潮，已是世界趨勢，利用生物技術，生產可用於化粧品之植物性原料，是化粧品產業的發展重點，隨著地球環境可能產生的變化，將使天然來源受到影響，因此植物組織培養已成為植物繁殖的重要技術。化粧品之技術層面也是吸引消費者的方式之ㄧ，本文所討論之各種技術，均被應用到實際產品中。未來，預期將會有更多的天然高科技產品，是以植物組織培養技術，或是以更新的技術和更明確之藥理作用進行開發，使化粧品產業繼續邁向功能性及高科技的層次發展。

此外，海洋資源是化粧品之新穎題材，其生物活性具多樣性且來源相當豐富，具有化粧品產業應用潛力和可開發性，並且同時可應用於保健和美容方面，其中如微藻、大型海藻和其衍生物，可對抗皮膚老化，用於美白、保濕、防曬以及抗微生物等。藻類衍生物的應用範圍相當廣泛，如抗氧化、抗發炎、藻酸鹽、多醣、類胡蘿蔔素等活性物質，都可應用於化粧品或藥粧品，因此藻類也是化粧品產業值得投入發展的重點之ㄧ。

參考文獻

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