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送你一份美白秘方,在2021平平无奇惊艳所有人

即使你认为选择了化学专业就是进了坑,但在坑里也处处离不开化学。正值浪漫的冬季,你会选择给自己的恋人送什么礼物呢?显然,为了保持 “天使面庞”,( 化学:“天坑专业”,还是“天使专业”?(一)),我们要承受住阳光的暴晒,防黑、美白的护肤品是佳选。本文作为“天使”专业第二篇,读过后你们不仅会享受甜蜜时光,你还能向另一半展示自己博学多才,做一个平平无奇送礼人。当然,如果是你还是单身,也要恭喜你,有用的知识又增加了呢!
 
撰文 | 李存璞(重庆大学化学化工学院副教授)
 
每年年底大概是节日气息最浓的时候,饺子、圣诞老人、新年接踵而至。不管你住的城市下不下雪,白色应是冬天的主题色:与天使羽毛一样的颜色。
 
落单的恋人最怕过节,选择一款防晒霜或美白精华作为新年礼物,当然是机智的选择。幸运的是,在坑底的化学家们早已掌握了让人类皮肤保持白皙的秘方,帮助恋人们顺利过节,是的,情人节也用得上。
 
01为什么会晒黑?
 
首先开门见山,在日晒强烈时人们选择防晒霜并不只是为了防止晒黑,而且不要认为冬季就不需要防晒。1999年《柳叶刀》的一篇论文[1]通过系统的随机对照试验,证实了涂抹防晒霜可以有效阻止人类被紫外线灼伤,但是否可以预防皮肤癌尚不得而知。需要注意的是,晒黑并不等同于晒伤。所以如果面临暴晒,那么强烈建议涂抹防晒霜以预防潜在的皮肤晒伤。
 
太阳除了发出人们可见的红橙黄绿青蓝紫等可见光之外,同时还会发射波长更短的紫外线:波长越短,光子所携带的能量就会越高,照射到人体皮肤,就越容易破坏人体细胞——甚至细胞中的DNA[2] 。人们按照紫外线的波长将其细分为三种:UV-A,UV-B,UV-C,其中UV-C波长最短,能量最高;UV-A波长最长,能量较低。幸运的是,对人体伤害最大的UV-C会被平流层的臭氧层所阻隔,难以到达地面。
 
 
图1 紫外线的被细分为三种:UV-A,UV-B,UV-C。UV-C波长最短,能量最高,但很难到达地面。而即使波长较长、能量较低的UV-A,也会对人体皮肤造成伤害。
 
事实上,一部分UV-A并不会对人体皮肤造成明显伤害——只有波长小于330nm的UV-A和UV-B才会引发皮肤红疹。而波长大于330nm的、能量相对较低的这部分UV-A,不会引发皮肤红疹,却也可以被皮肤细胞微弱的吸收。这部分吸收的能量,可以激发位于皮肤基质底层的黑色素细胞合成黑色素体,催化人体必须的酪氨酸生成黑色素蛋白,并将之运输到外层的皮肤角质细胞。黑色素可以吸收紫外线,防止人体皮肤被进一步晒伤。
 
没错,黑色素是为了保护皮肤而产生的。因此日光较为强烈的地区,人类皮肤会偏向于深色或黑色;而有些皮肤白皙难以被晒黑的人群,由于合成黑色素较少,反而容易被晒伤。这时就需要防晒霜登场了。
 
02防晒霜原理
 
如前所述,防晒霜最需要阻止的是波长315-280 nm的UV-A与UV-B到达人类皮肤。防晒霜品牌很多,但作用原理无外乎如图2所示的三种,可分为两大类:①化学吸收;②③纳米化无机物UV吸收与大颗粒无机物UV吸收。
 
 
图2 防晒霜的三种作用机制
 
①化学吸收。化学吸收是所有防晒霜都会采用的一类基础策略。通过引入具有吸收紫外线作用的有机物,将紫外线能量吸收掉,就可以显著避免皮肤细胞被紫外线伤害。如果仔细研究防晒霜的有效成分,会发现起到化学吸收作用的物质往往具有苯环——尽管苯环在群众中的声誉不好,但许多含有苯环的物质是安全而可靠的。值得一提的是,单一有机分子的往往只能吸收一部分紫外线,需要多种紫外吸收分子才能实现较好的防晒效果。
 
吸收紫外线的有机分子必须保持足够的稳定性。如果有机物吸收紫外线发生分解,则有可能产生自由基,而自由基本身有很强的氧化性,会对皮肤产生次级伤害,甚至引发皮肤病变。
 
②纳米化无机物UV吸收。氧化锌、二氧化钛等无机物同样可以有效吸收紫外线。同时,UV在颗粒之间发生多次反射,一定程度上将被耗散掉。并且对这些无机物进行充分粉碎至纳米颗粒,一方面可以显著增加防晒霜中的无机物表面积,提升吸收效果;另一方面可以增加无机物对紫外线的漫反射效果,因此它们是诸多防晒霜厂家选择配方的关键组成成分以及工艺策略。
 
同样需要注意的是,被防晒霜中无机成分所吸收的紫外线的能量并不会凭空消失,这部分能量如果被传递给皮肤周围的氧气分子或者皮肤细胞的分子,将会对皮肤造成伤害。纳米粒子本身粒径很小,也有学者担心其可能渗透入皮肤细胞造成后续影响。因此现有防晒霜中的纳米颗粒都已经被聚乙二醇等高分子所包裹,反应活性大大下降,可以比较放心的使用(反正不放心也没得选)。
 
此外,考虑到有些人群反而希望晒黑一些,但又不希望被晒伤,一些厂家的防晒霜(尤其是欧美厂家)会将成分进行调控,以实现只吸收波长小于330nm的这部分紫外线的效果。被漏掉的部分紫外线则用以刺激黑色素的形成——健康的古铜色皮肤从而有机会实现。
 
03 美 白
 
如前所述,黑色素的形成与沉淀是皮肤变黑的关键所在。因此想要皮肤保持白皙首先要注意防晒。但如果已经有了较深的肤色呢,有没有可能变白呢?那些美白化妆品的广告真的那么有效吗?
 
 
图3 美白思路:黑色素生成前干扰黑素体或酶功能;黑色素生成中抑制其合成;黑色素生成后,阻止色素沉淀(黑色素转移或分散黑色素)。
 
当然。如图3所示,化学家与生物学家通过认识和理解黑色素的生成-转移-沉淀过程,已经掌握了多种阻止皮肤变黑的策略。而其中最被广泛应用的美白方案,是由于科学家们敏锐的认识到,黑色素的生成过程,是酪氨酸逐步被酪氨酸酶氧化的过程。
 
那么主流的抑制黑色素生成的思路就已经可以建立了:①阻止络氨酸被氧化;②阻止络氨酸酶的生成或生效。
 
①阻止络氨酸被氧化。既然络氨酸被最终氧化为黑色素,那么使用或者服用还原剂是最为直接的思路。许多美白或淡斑产品所使用的抗坏血酸(维生素C)或者其衍生物,其淡斑机制就是利用维生素C的还原性来阻止酪氨酸的氧化过程。
 
注意!许多美容机构声称可以快速美白,这时候请务必小心:他们往往会使用有毒的强效还原剂氢醌(对二苯酚,hydroquinone)来达到快速美白效果。氢醌可以将酪氨酸的氧化中间产物多巴醌还原,阻止黑色素的形成,同时氢醌自身也可以霸占酪氨酸酶,催化自身氧化[3]。遗憾的是,尽管氢醌美白效果极好,但它是有毒的!请务必不要使用!
 
 
图4 氢醌阻止黑色素形成的原理
 
②阻止络氨酸酶的生成或生效。除了阻止酪氨酸被氧化之外,另一种更底层的美白策略是直接阻止络氨酸酶的生成,或者阻止其生效。酪氨酸酶是一类含有铜离子的有机物,化学家们通过选择一些可以与铜离子结合的物质,就有机会显著降低络氨酸酶的活性。比如近年来较为热门的天然美白成分曲酸(Kojic acid),以及某日系品牌常用的4-甲氧基水杨酸钾(4-MSK),他们的功效往往被归功于其分子与铜离子的配位对酪氨酸酶活性的抑制。
 
目前而言,对于已经变黑的皮肤,大多数的“淡斑”护肤品采取双管齐下的策略:一方面采用上述干扰新的黑色素生成的策略来阻止后续变黑,另一方面则会添加酸性物质,加速皮肤表皮细胞更新,逐渐用黑色素较少的新细胞替换掉黑色素较多的旧细胞。这也是众多美白护肤品会添加有机酸的原因。
 
04 结 语
 
防晒霜与美白精华背后都有着有趣的化学知识。提前了解这些知识,在送出礼物的时候故作轻松的告诉TA这些神秘而精妙的化学机理,一定可以让你们的感情更进一步。
 
相信我。
 
参考文献
 
[1] Green A, Williams G, Nèale R, et al. Daily sunscreen application and betacarotene supplementation in prevention of basal-cell and squamous-cell carcinomas of the skin: a randomised controlled trial[J]. The Lancet, 1999, 354(9180): 723-729.
 
[2] Setlow R B. The wavelengths in sunlight effective in producing skin cancer: a theoretical analysis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1974, 71(9): 3363-3366.
 
[3] Palumbo A, d'Ischia M, Misuraca G, et al. Mechanism of inhibition of melanogenesis by hydroquinone[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 1991, 1073(1): 85-90.
 
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