熊果苷作为美白功能因子的研究进展
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收稿日期：2019年1月3日；录用日期：2019年1月16日；发布日期：2019年1月23日
*通讯作者。
文章引用: 周沫希, 严雅丽, 姜春鹏, 杨舒琪, 张英. 熊果苷作为美白功能因子的研究进展[J]. 食品与营养科学, 2019, 8(1): 35-44. DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
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食品与营养科学
周沫希 等
2.1. α-熊果苷
α-熊果苷通常由生物转化法制备得到，一分子葡萄糖和一分子氢醌结合可以获得一分子 α-熊果苷。 可以用植物细胞或组织作为生物反应器，包括悬浮细胞、固定化细胞、毛状根、冠瘿组织等[7]。也可用 微生物产酶来催化糖基转移或逆水解反应合成 α-熊果苷[8]，如日本最早于 1994 年利用来自肠膜明串珠 菌(Leuconostoc mesenteroides)的蔗糖磷酸化酶、在 4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液中加入氢醌和蔗糖 反应(40℃、14 h)得到 α-熊果苷[9]，其他如 α-淀粉酶、环糊精糖基转移酶、α-葡萄糖苷酶等均可用于它 的生产[10]。2017 年，中国专利局授权了一种生物发酵法生产 α-熊果苷的专利[11]，具体方法为利用液 化面粉、麸皮、碳酸钙、磷酸二氢钾和尿素作为发酵基质，在其中加入氢醌，利用米曲霉进行发酵，声 称转化率高，适合工业化生产。还有报道，在不添加 L-抗坏血酸的前提下，淀粉蔗糖酶催化蔗糖和氢醌 生成 α-熊果苷的转化率可达 44.7% [12]。最近，北京大学科研团队采用 DNA 工程菌技术，将糖苷酶的 两个关键基因导入大肠杆菌，利用葡萄糖生产 α-熊果苷，建立了从简单碳源高效生产熊果苷的人工途径 [13]。
3. 熊果苷的美白机理
人的肤色取决于黑色素的数量、大小及分布。除了视网膜色素上皮细胞(RPE)之外，脊椎动物中的所 有其他色素细胞都来自神经嵴(NC)。在胚胎早期发育过程中，神经嵴细胞起源于与外胚层毗邻的预置神
DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
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食品与营养科学
周沫希 等
3.1. 生物学调控
神经嵴细胞的迁移途径、分化趋势均受到一些因子的调控，继而影响黑素细胞的生成以及在组织中 的分布。Inoue [27]等人在小鼠胚胎干细胞分化中探究熊果苷对黑素细胞形成过程的影响：熊果苷对影响 神经嵴细胞形成和迁移的 PAX3 (Paired box)、SOX10 (SRY-box containing gene10)及调控成黑素细胞分化 发育的小眼畸形相关转录因子(MITF, Microphthalmia Transcription Factor)等没有抑制作用，说明其美白机 制不是通过抑制黑素细胞的增殖分化来实现的。
关键词
熊果苷，化妆品功能成分，美白因子，安全性
Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Advanced Research of Arbutin as a Whitening Functional Factor in Cosmetics
Moxi Zhou1, Yali Yan1, Chunpeng Jiang2, Shuqi Yang2, Ying Zhang1*
1College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University; Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing; Zhejiang Engineering Center for Food Technology and Equipment, Hangzhou Zhejiang 2Suzhou Green Leaf Shanghai Postdoctoral Research Center, Shanghai
目前市场上的 β-熊果苷基本都上是人工合成的，主要有直接反应法、乙酰化糖法和乙酰卤糖法。直 接反应法操作最简单，利用 Helferich 原理将糖与氢醌共热缩合，得到 β-五乙酰熊果苷，再脱乙酰基得到 β-熊果苷。宗飞[22]等发明的方法能获得纯度为 99.9%的 β-熊果苷，且在常压下进行，操作简单，适合大 规模工业化生产。陈方达[23]等进一步优化了合成工艺，提高了苯酚单乙酰化的选择性，并简化了纯化步 骤，使 β-熊果苷总收率提升至 34.7%。人工合成法虽然具有显著的经济优势，但由于使用了对人体有害 的氢醌为底物，故对产品的纯度要求很高，要求成品的 β-熊果苷含量 ≥ 99.5%、氢醌含量 < 0.0003%、 重金属含量 < 0.001%。
2.2. β-熊果苷
β-熊果苷可以通过天然植物提取和人工合成提取、以及生物转化等途径得到[14]。目前天然提取的 β熊果苷可来源于多种植物，例如杜鹃花科荔莓属的荔莓(Arbutus unedo) [15]、蔷薇科梨属的鸭梨(Pyrus bretschneideri) [16]、豆科红豆属的红豆草(Onobrychis viciaefolia Scop.) [17]等。与植物提取相比，生物转 化法的效率更高。1991 年，Inomata [18]首次将氢醌加入到长春花(Catharanthus roseus)的细胞培养体系中， 每升细胞悬液可分离得到 9 g 纯的 β-熊果苷。类似的生物转化体系还有阿尼亚金樱子(Michx)悬浮细胞 [20]、黄芩(Scutellaria baicalensis Georg.i)毛状根[20]等。2017 年，国内还研究出了通过添加外源氢醌、自 身不含熊果苷的益母草生产 β-熊果苷的方法[21]。
Received: Jan. 3rd, 2019; accepted: Jan. 16th, 2019; published: Jan. 23rd, 2019
Abstract
As a functional component of whitening and freckle removing, arbutin has been widely used in cosmetics for a long time. However, the safety problem has aroused deep concern in this industry recently. A considerable number of enterprises have been abandoning arbutin and beginning to look for safer and more effective alternatives. This review deals with the advanced research of arbutin at home and abroad, including its source and preparation method, effects and whitening mechanism, and focuses on the problems of cytotoxicity and allergy. The purpose of this paper is to provide reference for the R&D of cosmetic whitening factors.
2.3. 脱氧熊果苷
脱氧熊果苷最早出现在 2004 年 Hamed [24]的博士学位论文中，现在主要来源于有机合成法。其中， 一步法是将 3,4-二氢吡喃和氢醌直接缩合，不仅收率低，且产生大量废水，不符合绿色化工的理念；三 步法则首先保护氢醌中的一个酚羟基，在酸催化下与二氢吡喃加成生成四氢吡喃醚，然后脱保护得到目 标产物。刘亚玲[25]等进一步优化了三步法的合成条件，以硫酸氢钠等无毒盐作为催化剂，将脱氧熊果苷 的产率提高到 82.5%，约为之前报道的 2.5 倍，且反应在常温常压下进行，操作简便，适合于工业化生产， 显著提高了产品的市场竞争力。
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α-熊果苷 α- arbutin
β-熊果苷 β- arbutin
Figure 1. Chemical structure of arbutin in different forms 图 1. 不同类型熊果苷的化学结构示意
脱氧熊果苷 deoxyarbutin
DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
Open Access
1. 引言
熊 果 苷 (Arbutin) 又 名 熊 果 素 ， 最 早 是 从 杜 鹃 花 科 (Ericaceae) 熊 果 属 (Arctostaphylos) 的 小 灌 木 熊 果 (Arctostaphylos bearberr)叶中分离出来的，为一种葡萄糖基化的氢醌衍生物[1]，外观为白色粉末或针状结 晶，易溶于水和乙醇。1996 年，Maeda [2]发现熊果苷是人黑色素细胞(Melanin cell)中酪氨酸酶(TYR)的 抑制剂，具有美白祛斑的效果，在临床上能有效治疗黄褐斑及黑色素瘤[3] [4]。日本资生堂(Shiseido)率先 将其作为美白因子应用于化妆品，声称是一款无毒副作用的天然添加物。美国个人护理产品委员会 (Personal Care Products Council，PCPC)将“Arbutus extract”加入美国化妆品组分汇编，我国也将熊果苷 列入《已使用化妆品原料名称目录(2015 版)》，但国家食品药品监督管理总局未曾对其安全性进行过评 价。近年来，熊果苷过敏的人体案例时有发生，不少体内外试验也表明其具有细胞毒性[5] [6]。本文结合 国内外科学界和产业界对熊果苷的最新关注情况，从其来源、制备方法、作用效果、美白机理及其安全 性等方面进行分析和讨论，旨在为以熊果苷为代表的美白护肤功能因子的研究和开发提供借鉴和参考。
Keywords
Arbutin, Cosmeceuticals, Whitening Factor, Safety
熊果苷作为美白功能因子的研究进展
周沫希1，严雅丽1，姜春鹏2，杨舒琪2，张 英1*
1浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江省农产品加工技术研究重点实验室，浙江省食品加工技 术与装备工程研究中心，浙江 杭州 2苏州绿叶日用品有限公司上海张江博士后工作站，上海
周沫希 等
摘要
长期以来，熊果苷作为一种美白、祛斑的功能成分在化妆品行业普遍使用，但近年来对其安全性的质疑 引起了业界的广泛关注，有相当一部分企业弃用熊果苷，开始寻找更为安全高效的升级换代产品。本文 综述了国内外熊果苷的研发进展，包括不同类型熊果苷的来源及其制备方法、作用效果及美白机理，并 重点讨论其细胞毒性和过敏性方面的问题，旨在为化妆品美白功能因子的研究与开发提供借鉴和参考。
2. 熊果苷的类别及其制备方法
基于化学结构上的差异，熊果苷可分为 α-熊果苷(4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷)、β-熊果苷(4-羟苯基 -β-D-吡喃葡萄糖苷)和脱氧熊果苷(4-[(2-四氢吡喃)氧]苯酚)三类，化学结构如图 1 所示。
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Hans Journal of Food and Nutrition Science 食品与营养科学, 2019, 8(1), 35-44 Published Online February 2019 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjfns https://doi.org/10.12677/hjfns.2019.81005
经板的外侧边缘，然后经腹侧途径和背侧途径迁移至身体各部分。前期研究认为黑素细胞通过背侧途径 迁移至真皮层或表皮层，后续 Nitzan 等又发现了神经嵴干细胞可分化为雪旺细胞前体、经腹侧途径迁移 至皮肤[26]。黑素细胞内合成的黑色素通过树突输送至细胞外缘形成色斑，熊果苷的美白功效源自其对黑 色素生成的影响，作用机制涉及生物学调控、生化调控和热力学调控等三个层面。
*通讯作者。
文章引用: 周沫希, 严雅丽, 姜春鹏, 杨舒琪, 张英. 熊果苷作为美白功能因子的研究进展[J]. 食品与营养科学, 2019, 8(1): 35-44. DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
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食品与营养科学
周沫希 等
2.1. α-熊果苷
α-熊果苷通常由生物转化法制备得到，一分子葡萄糖和一分子氢醌结合可以获得一分子 α-熊果苷。 可以用植物细胞或组织作为生物反应器，包括悬浮细胞、固定化细胞、毛状根、冠瘿组织等[7]。也可用 微生物产酶来催化糖基转移或逆水解反应合成 α-熊果苷[8]，如日本最早于 1994 年利用来自肠膜明串珠 菌(Leuconostoc mesenteroides)的蔗糖磷酸化酶、在 4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲液中加入氢醌和蔗糖 反应(40℃、14 h)得到 α-熊果苷[9]，其他如 α-淀粉酶、环糊精糖基转移酶、α-葡萄糖苷酶等均可用于它 的生产[10]。2017 年，中国专利局授权了一种生物发酵法生产 α-熊果苷的专利[11]，具体方法为利用液 化面粉、麸皮、碳酸钙、磷酸二氢钾和尿素作为发酵基质，在其中加入氢醌，利用米曲霉进行发酵，声 称转化率高，适合工业化生产。还有报道，在不添加 L-抗坏血酸的前提下，淀粉蔗糖酶催化蔗糖和氢醌 生成 α-熊果苷的转化率可达 44.7% [12]。最近，北京大学科研团队采用 DNA 工程菌技术，将糖苷酶的 两个关键基因导入大肠杆菌，利用葡萄糖生产 α-熊果苷，建立了从简单碳源高效生产熊果苷的人工途径 [13]。
3. 熊果苷的美白机理
人的肤色取决于黑色素的数量、大小及分布。除了视网膜色素上皮细胞(RPE)之外，脊椎动物中的所 有其他色素细胞都来自神经嵴(NC)。在胚胎早期发育过程中，神经嵴细胞起源于与外胚层毗邻的预置神
DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
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食品与营养科学
周沫希 等
3.1. 生物学调控
神经嵴细胞的迁移途径、分化趋势均受到一些因子的调控，继而影响黑素细胞的生成以及在组织中 的分布。Inoue [27]等人在小鼠胚胎干细胞分化中探究熊果苷对黑素细胞形成过程的影响：熊果苷对影响 神经嵴细胞形成和迁移的 PAX3 (Paired box)、SOX10 (SRY-box containing gene10)及调控成黑素细胞分化 发育的小眼畸形相关转录因子(MITF, Microphthalmia Transcription Factor)等没有抑制作用，说明其美白机 制不是通过抑制黑素细胞的增殖分化来实现的。
关键词
熊果苷，化妆品功能成分，美白因子，安全性
Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Advanced Research of Arbutin as a Whitening Functional Factor in Cosmetics
Moxi Zhou1, Yali Yan1, Chunpeng Jiang2, Shuqi Yang2, Ying Zhang1*
1College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University; Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing; Zhejiang Engineering Center for Food Technology and Equipment, Hangzhou Zhejiang 2Suzhou Green Leaf Shanghai Postdoctoral Research Center, Shanghai
目前市场上的 β-熊果苷基本都上是人工合成的，主要有直接反应法、乙酰化糖法和乙酰卤糖法。直 接反应法操作最简单，利用 Helferich 原理将糖与氢醌共热缩合，得到 β-五乙酰熊果苷，再脱乙酰基得到 β-熊果苷。宗飞[22]等发明的方法能获得纯度为 99.9%的 β-熊果苷，且在常压下进行，操作简单，适合大 规模工业化生产。陈方达[23]等进一步优化了合成工艺，提高了苯酚单乙酰化的选择性，并简化了纯化步 骤，使 β-熊果苷总收率提升至 34.7%。人工合成法虽然具有显著的经济优势，但由于使用了对人体有害 的氢醌为底物，故对产品的纯度要求很高，要求成品的 β-熊果苷含量 ≥ 99.5%、氢醌含量 < 0.0003%、 重金属含量 < 0.001%。
2.2. β-熊果苷
β-熊果苷可以通过天然植物提取和人工合成提取、以及生物转化等途径得到[14]。目前天然提取的 β熊果苷可来源于多种植物，例如杜鹃花科荔莓属的荔莓(Arbutus unedo) [15]、蔷薇科梨属的鸭梨(Pyrus bretschneideri) [16]、豆科红豆属的红豆草(Onobrychis viciaefolia Scop.) [17]等。与植物提取相比，生物转 化法的效率更高。1991 年，Inomata [18]首次将氢醌加入到长春花(Catharanthus roseus)的细胞培养体系中， 每升细胞悬液可分离得到 9 g 纯的 β-熊果苷。类似的生物转化体系还有阿尼亚金樱子(Michx)悬浮细胞 [20]、黄芩(Scutellaria baicalensis Georg.i)毛状根[20]等。2017 年，国内还研究出了通过添加外源氢醌、自 身不含熊果苷的益母草生产 β-熊果苷的方法[21]。
Received: Jan. 3rd, 2019; accepted: Jan. 16th, 2019; published: Jan. 23rd, 2019
Abstract
As a functional component of whitening and freckle removing, arbutin has been widely used in cosmetics for a long time. However, the safety problem has aroused deep concern in this industry recently. A considerable number of enterprises have been abandoning arbutin and beginning to look for safer and more effective alternatives. This review deals with the advanced research of arbutin at home and abroad, including its source and preparation method, effects and whitening mechanism, and focuses on the problems of cytotoxicity and allergy. The purpose of this paper is to provide reference for the R&D of cosmetic whitening factors.
2.3. 脱氧熊果苷
脱氧熊果苷最早出现在 2004 年 Hamed [24]的博士学位论文中，现在主要来源于有机合成法。其中， 一步法是将 3,4-二氢吡喃和氢醌直接缩合，不仅收率低，且产生大量废水，不符合绿色化工的理念；三 步法则首先保护氢醌中的一个酚羟基，在酸催化下与二氢吡喃加成生成四氢吡喃醚，然后脱保护得到目 标产物。刘亚玲[25]等进一步优化了三步法的合成条件，以硫酸氢钠等无毒盐作为催化剂，将脱氧熊果苷 的产率提高到 82.5%，约为之前报道的 2.5 倍，且反应在常温常压下进行，操作简便，适合于工业化生产， 显著提高了产品的市场竞争力。
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α-熊果苷 α- arbutin
β-熊果苷 β- arbutin
Figure 1. Chemical structure of arbutin in different forms 图 1. 不同类型熊果苷的化学结构示意
脱氧熊果苷 deoxyarbutin
DOI: 10.12677/hjfns.2019.81005
Open Access
1. 引言
熊 果 苷 (Arbutin) 又 名 熊 果 素 ， 最 早 是 从 杜 鹃 花 科 (Ericaceae) 熊 果 属 (Arctostaphylos) 的 小 灌 木 熊 果 (Arctostaphylos bearberr)叶中分离出来的，为一种葡萄糖基化的氢醌衍生物[1]，外观为白色粉末或针状结 晶，易溶于水和乙醇。1996 年，Maeda [2]发现熊果苷是人黑色素细胞(Melanin cell)中酪氨酸酶(TYR)的 抑制剂，具有美白祛斑的效果，在临床上能有效治疗黄褐斑及黑色素瘤[3] [4]。日本资生堂(Shiseido)率先 将其作为美白因子应用于化妆品，声称是一款无毒副作用的天然添加物。美国个人护理产品委员会 (Personal Care Products Council，PCPC)将“Arbutus extract”加入美国化妆品组分汇编，我国也将熊果苷 列入《已使用化妆品原料名称目录(2015 版)》，但国家食品药品监督管理总局未曾对其安全性进行过评 价。近年来，熊果苷过敏的人体案例时有发生，不少体内外试验也表明其具有细胞毒性[5] [6]。本文结合 国内外科学界和产业界对熊果苷的最新关注情况，从其来源、制备方法、作用效果、美白机理及其安全 性等方面进行分析和讨论，旨在为以熊果苷为代表的美白护肤功能因子的研究和开发提供借鉴和参考。
Keywords
Arbutin, Cosmeceuticals, Whitening Factor, Safety
熊果苷作为美白功能因子的研究进展
周沫希1，严雅丽1，姜春鹏2，杨舒琪2，张 英1*
1浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江省农产品加工技术研究重点实验室，浙江省食品加工技 术与装备工程研究中心，浙江 杭州 2苏州绿叶日用品有限公司上海张江博士后工作站，上海
周沫希 等
摘要
长期以来，熊果苷作为一种美白、祛斑的功能成分在化妆品行业普遍使用，但近年来对其安全性的质疑 引起了业界的广泛关注，有相当一部分企业弃用熊果苷，开始寻找更为安全高效的升级换代产品。本文 综述了国内外熊果苷的研发进展，包括不同类型熊果苷的来源及其制备方法、作用效果及美白机理，并 重点讨论其细胞毒性和过敏性方面的问题，旨在为化妆品美白功能因子的研究与开发提供借鉴和参考。
2. 熊果苷的类别及其制备方法
基于化学结构上的差异，熊果苷可分为 α-熊果苷(4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷)、β-熊果苷(4-羟苯基 -β-D-吡喃葡萄糖苷)和脱氧熊果苷(4-[(2-四氢吡喃)氧]苯酚)三类，化学结构如图 1 所示。
6CH2OH
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5CHO2OOH
4 OH 1
Hans Journal of Food and Nutrition Science 食品与营养科学, 2019, 8(1), 35-44 Published Online February 2019 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjfns https://doi.org/10.12677/hjfns.2019.81005
经板的外侧边缘，然后经腹侧途径和背侧途径迁移至身体各部分。前期研究认为黑素细胞通过背侧途径 迁移至真皮层或表皮层，后续 Nitzan 等又发现了神经嵴干细胞可分化为雪旺细胞前体、经腹侧途径迁移 至皮肤[26]。黑素细胞内合成的黑色素通过树突输送至细胞外缘形成色斑，熊果苷的美白功效源自其对黑 色素生成的影响，作用机制涉及生物学调控、生化调控和热力学调控等三个层面。