摘要
对天然来源精细化学品的追求正在迅速推进，这受到化妆品和制药配方中对安全、可持续和高性能成分日益增长的需求的推动。新兴的提取和生物转化技术，包括酶辅助工艺、精准发酵和绿色溶剂系统，使得能够选择性回收具有增强纯度和稳定性的复杂分子。同时，AI引导的生物活性化合物发现方法正在加速识别多功能分子，例如具有抗炎、抗氧化或微生物组调节活性的分子。这些发展不仅扩展了化妆品和制药行业可获得的化学多样性，还促进了循环生物经济框架的采用。它们共同定义了一代具有强大潜力用于靶向治疗和化妆品应用的新型天然精细化学品。因此，本评论聚焦于在化妆品和制药行业相关精细化学品生产中使用可再生天然来源的新兴趋势和关键技术进展。它进一步强调了生物技术、绿色化学和数字创新在塑造化妆品和制药化学更可持续未来中的关键作用。
关键词：天然精细化学品；化妆品和制药应用；生物转化；绿色溶剂系统；可持续提取程序；AI引导的活性成分
1. 引言
现代化妆品化学正在经历深刻的变革，这由生物技术、绿色化学和生物质处理方法的快速进步所驱动。这些进展正在重新定义化妆品配方中活性物质、乳化剂、表面活性剂和聚合物的设计与合成方式。为应对产品安全性和环境影响方面日益严格的监管和社会期望，研究趋势明显转向可持续、可生物降解和无毒的解决方案。
这一变革的关键方面之一是逐步用可再生的生物碳源替代石油化学原料，这得到了先进的物理、化学和生化工艺的支持。本评论通过重点阐述可再生原料、其生物转化、提取策略、创新的生物质转化技术以及促进可持续化妆品和制药成分设计的数字工具等关键发展，对此观点进行了详细阐述。
2. 前景与挑战
精细化学品的开发——即具有明确纯度、小批量生产的高成本工业产品——面临诸多持续性挑战。在化妆品和制药应用中从天然来源获取精细化学品的背景下，这一点尤为明显，因为这些产品直接与生物系统相互作用，需要严格的纯度控制。因此，通常必须采用先进且多步骤的纯化技术，才能获得适合化妆品或制药产品的活性成分、功能添加剂甚至性能增强剂。此外，我们必须意识到，植物成分的变异性受地理来源、季节性和种植实践的影响，这使标准化和质量控制变得复杂。另外，传统的提取和纯化通常需要资源密集型和高成本的工艺，而有限的产量和复杂的基质阻碍了规模化生产。确保化学稳定性、安全性和法规合规性进一步限制了从实验室发现到商业配方的转化，经济可行性构成了关键限制因素。
与此同时，我们观察到对可持续生产日益增长的期望正在推动化妆品和制药行业减少溶剂使用、能源消耗和废物产生。因此，未来前景指向可再生原料的生物转化作为可持续生物处理的关键策略。它为将农业残留物、木质纤维素生物质和其他可再生材料转化为高价值活性成分提供了相当便捷的途径，这些活性成分被理解为有意包含在产品中以产生特定和预期的化妆品或药理效果的特定化学物质。
同样，代谢组学、合成生物学和精准发酵的进步也为获取具有增强一致性和供应安全性的高价值天然分子提供了相当大的前景。精准发酵的概念可以理解为一种生物技术过程，它利用基因工程微生物在受控发酵条件下生物合成预定的目标分子。因此，它特别为获取与天然存在的分子相同、具有理想产量、纯度和可重复性的分子带来了许多前景。
此外，综合绿色技术，如绿色溶剂、超临界流体、加压水提取或生物催化，正作为提高工艺效率和环境绩效的有效手段出现。
机器学习辅助的筛选和工艺优化可能进一步加速生物活性化合物的发现和可规模化生产，生物活性化合物被定义为通过与生物途径或分子靶点相互作用而对生物体、细胞或组织产生影响的物质。
尽管这些发展有可能显著改善天然精细化学品在化妆品和制药领域的可用性、可持续性和应用，但在大规模实施之前必须解决若干挑战。这些挑战包括生产成本、规模化可行性以及设备资本投资等经济因素，以及与安全数据相关的法规要求。此外，与新技术部署相关的实际规模化问题仍然相当显著。这些因素共同可能显著减缓从天然来源获取精细化学品的新方法的采用。克服这些障碍需要标准化和稳健的经济分析，以明确证明与传统技术相比的竞争力。此外，必须通过生成全面的安全和性能数据来澄清监管路径，包括慢性暴露、杂质谱和长期环境行为的信息。尽管当前研究越来越多地认识到这些障碍，但研究人员、行业利益相关者和监管机构之间的主动和持续参与对于开发技术特定指南仍然至关重要。
3. 可再生原料的生物转化：从生物质到活性成分
可再生原料的生物转化，被定义为使用微生物、分离酶或细胞等生物系统将现有底物转化为结构修饰产品的过程，已成为可持续生物处理的关键策略。当代化妆品化学中最 promising 的方向之一涉及基于发酵的方法，用于将木质纤维素、脂质或碳水化合物生物质（包括农业和食品加工残留物）转化为具有特定化妆品功能的精细化学品[1,2]。传统上，许多化妆品成分，如脂肪醇、酯、甘油酯或非离子表面活性剂，都是从石油衍生中间体生产的。然而，利用能够将植物来源原料转化为类似但更可持续化合物的微生物的生物技术工艺正变得越来越重要[3]。还应强调预处理技术的进步，这些技术增强了生物质的可及性，特别是酶水解、离子液体处理和综合生物处理[4,5]。
微生物平台，包括大肠杆菌、酿酒酵母、谷氨酸棒状杆菌、解脂耶氏酵母和各种丝状真菌的工程菌株，在将生物质衍生底物转化为药品、化妆品、香料和其他生物活性化合物方面发挥了核心作用[6]。代谢工程的重大进步进一步扩展了这些生物的生化能力，使得能够将羟基羧酸转化为多元醇，以及直接从可再生原料生产结构复杂的分子，如萜类、生物碱、聚酮和生物表面活性剂，例如鼠李糖脂和槐糖脂[7,8,9]。由于这些生物表面活性剂具有高生物相容性、温和的表面活性和形成稳定乳液的能力，它们在天然化妆品中引起了相当大的兴趣[10]。
最近的创新还突显了未充分探索的生物基质作为化妆品和制药应用新型生物活性物质丰富储库的潜力。例如，海洋微生物已产出类似霉菌孢子的氨基酸(MAAs)等化合物，这些化合物表现出强大的紫外线防护和抗氧化特性，目前正在化妆品配方中进行研究[11,12]。另一方面，红景天等极端环境植物产生专门的抗氧化代谢物，这些代谢物在护肤和抗炎应用方面显示出前景[13]。内生真菌也表现出显著的生物合成能力，特别是与红豆杉和蒿属相关的物种，能够生产紫杉烷和青蒿素类似物，突显了它们作为相关药物分子可再生来源的潜力[14,15]。
4. 混合化学-生化生物质转化技术
结合生物过程的选择性和化学催化的速度与可控性的混合化学-生化转化路线，正引起科学家和行业代表越来越多的关注。这些综合策略代表了一种新兴方法，用于从可再生原料生产高价值化妆品成分，具有增强的效率、选择性和可持续性。
混合平台通常将热化学或催化预处理（即酸水解或催化解聚）与下游酶或微生物转化相结合。化学预处理步骤通常产生富含可发酵糖、酚类或脂质衍生前体的中间体，而随后的生物催化阶段则实现向目标化妆品活性成分的高选择性转化[16,17]。
在化妆品应用中，混合处理已被证明在生成基于生物的抗氧化剂、润肤剂、保湿剂和紫外线防护化合物方面特别有前景[18,19,20]。一个典型例子是将植物或藻类脂质转化为十二烷酸和肉豆蔻酸，随后通过化学修饰（如环氧化、酯化）产生具有目标流变学和感官特性的润肤剂[21,22,23]。生物催化的整合进一步使氧化、还原和缩合反应能够在温和且节能的条件下进行。在化妆品领域，这种混合催化促进了具有定义立体化学和高纯度的酚类抗氧化剂和香料前体的合成[24,25]。
总体而言，与纯化学方法相比，这些组合转化路线在反应特异性、减少溶剂需求和降低碳强度方面具有优势，同时在加工速度和底物灵活性方面优于完全生物途径。因此，混合生物质转化技术应被视为下一代可持续化妆品成分开发的关键驱动力。
然而，混合化学-酶转化在化妆品和制药行业中的实施主要受到经济和监管约束的阻碍。有限的工业基准为工业投资创造了严重的不确定性，因为混合系统通常由于工艺复杂性、酶稳定性问题和多步优化要求而增加成本。此外，对于此类复杂系统，监管审查通常会加强，因为混合过程可能导致不符合传统化学或生物催化预期的新型杂质谱或反应副产物。必须充分验证分析方法和杂质表征策略，以满足药品或化妆品活性成分的监管质量标准。关于这些监管考虑因素的已发表文献仍然不足，反映了更广泛的知识差距。
5. 化妆品化学中的绿色溶剂和反应介质
活性化妆品成分的基于溶剂的提取通常依赖于极性和非极性介质，采用浸渍、索氏提取、固相提取或超声或微波辅助技术等已建立的程序[26,27]。然而，一些传统溶剂，包括正己烷和甲醇，如果未从提取后混合物中完全去除，可能会产生几个问题，因为它们在最终产品中的存在被欧盟当局禁止和监管（化妆品产品条例(EC)第1223/2009号）[28]。
相比之下，超临界CO2(scCO2)提取和加压热水提取(PHWE)代表了从天然来源可持续高效回收用于制药和化妆品用途的精细化学品的有力且互补的策略。scCO2提取被广泛认为是一种绿色和选择性技术，通常用于从植物基质中分离非极性生物活性精细化学品，如萜类、精油和抗氧化剂[29,30]。通过压力和温度调节的scCO2可调物理化学特性提供了低粘度、高扩散性和接近环境的临界温度，从而减少了对不稳定化合物的热降解。然而，scCO2的固有非极性限制了其提取极性代谢物的能力，通常需要添加环境可接受的共溶剂，如乙醇[31]。
加压热水提取(PHWE)，也称为亚临界水提取，代表了一种互补的绿色技术，它使用在升高的温度和压力下的水来调节其介电常数和溶解能力。这种方法有效地从天然来源回收中等极性生物活性物质，如酚类、类黄酮和单宁，通常实现高于传统有机溶剂获得的产量[32,33]。PHWE也适用于工业规模实施，提供减少的溶剂毒性和较低的环境足迹。然而，尽管具有这些环境优势，超临界CO2和加压热水提取的高资本和运营成本仍然是显著的限制因素[34,35]。
尽管如此，现代可持续化学的支柱涉及开发绿色反应介质，使提取过程在环境友好和安全的条件下进行。其中，低共熔溶剂(DESs)及其天然类似物(NADES)作为传统有机溶剂的 promising 替代品已获得特别关注[36]。由胆碱、甘油、有机酸和糖等组分组成的DES和NADES对多酚、类黄酮和其他植物衍生代谢物表现出显著的溶解能力。因此，这些溶剂非常适合提取具有化妆品潜力的生物活性化合物，包括花青素、单宁、类胡萝卜素和植物甾醇[37,38,39,40]。此外，NADES完全可生物降解且无毒，许多具有内在的保湿和舒缓特性，使它们不仅能够作为溶剂，还能作为化妆品配方中的活性成分[41]。
然而，我们应该意识到，NADES在化妆品和制药领域的工业实施可能会受到经济和监管约束的阻碍。尽管NADES通常被宣传为低成本和可持续的，但与传统溶剂相比，它们的高粘度、有限的质量传递和能源消耗的处理显著使规模化复杂化并增加运营成本。此外，NADES基工艺缺乏稳健的经济评估和有限的工业基准为工业投资创造了相当大的不确定性。
另一方面，NADES在监管方面也可能面临许多挑战。尽管由公认的安全天然物质组成，但通常缺乏全面的毒理学和长期暴露数据。此外，潜在的NADES-微生物组相互作用仍然不清楚，需要进一步的扩展研究以确保在化妆品产品中的安全使用。不幸的是，欧盟和美国当前的化妆品和药品监管框架缺乏关于NADES分类和批准路径的协调指导，这显著复杂化了提交策略。
6. 化妆品和制药成分设计中的数字工具
机器学习(ML)和人工智能(AI)为可持续成分设计提供了全新的维度。这些方法能够预测化学结构-性质关系并预先选择具有所需功能的候选分子[42,43,44]。基于定量结构-活性关系(QSARs)和分子模拟（如分子对接(MD)和密度泛函理论(DFT)）的计算模型，可以在合成前预测化妆品或药物化合物的关键参数，并具有显著减少甚至消除动物测试的潜力。这些参数包括预期分子的毒性、光化学稳定性、膜通透性和感官特性[45,46,47]。
然而，开发模型的性能限制仍然存在，应该强调需要在更大和更多样化的数据集上训练它们。这一要求源于设计新的化妆品和药物分子和/或通过生物技术等方法从天然来源高效获取它们的方法时必须考虑的多种因素。
7. 安全性和生物降解性评估的新方法
从工业和监管的角度来看，生物降解性和生态安全性的可靠评估至关重要。微生物生物传感器和三维细胞培养模型的最新进展现在允许对皮肤细胞和微生物群的化妆品成分影响进行体外评估，提供了动物测试的替代方案[48,49]。
同时，集成的生命周期评估(LCA)框架越来越多地被应用，结合化学、能量和毒理学参数，生成产品和工艺的全面可持续性概况。这些模型能够全面评估化合物的环境性能，从原材料采购到加工，再到最终的环境降解[50,51]。
AI驱动的建模与化学信息学的整合进一步促进了具有优化物理化学和安全概况的活性分子的设计。这种方法符合"安全和可持续设计"(SSbD)概念，促进有效、低风险和环境兼容的化学实体的开发[52,53,54]。
8. 结论
旨在从天然来源获取精细化学品以用于化妆品和制药行业潜在应用的化妆品化学正在进入一个技术革新必须与环境责任共存的时代。从石油化学到生物碳源的转变、生物催化和计算设计工具的进步，以及绿色化学原则和生命周期评估的实施，共同奠定了可持续化妆品行业的基础。我们相信，与效率、经济可行性和工艺可扩展性相关的挑战应被视为学术界和工业界之间合作的驱动力，而非障碍。在此框架内，严格的基礎研究伴随着高质量的科学出版物，对于验证新材料、优化生物工艺和支持基于证据的监管框架演变仍然至关重要。
随着从天然来源获取精细化学品的领域不断发展，化妆品和制药化学的这一领域有望发挥领导作用，证明通过稳健的、科学依据的方法可以同时实现创新、安全和可持续性。
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