水分活度在化妝品微生物控制方面的應用分析
[摘要]水分活度在食品行業控制微生物污染方面的成功應用為微生物控制和安全性檢測方面提供了良好的理論指導，而在化妝品行業未見有水分活度的相關引用報道。本研究將水分活度的概念及其測定方法應用到化妝品行業微生物控制方面來，通過分析水分活度與微生物生長的相關性來尋找控制化妝品微生物污染的方法。結果表明通過降低水分活度可以提高化妝品的安全穩定性，為控制化妝品微生物污染、減少化妝品中防腐劑的用量及微生物限度檢查等提供了新方法和理論指導。
化妝品上市前應進行必要的檢驗，檢驗方法包括相關理化檢驗方法、微生物檢驗方法、毒理學試驗方法和人體安全試驗方法等[1]，而微生物檢驗是化妝品質量檢測中的重要環節。化妝品富含營養物質，且pH值介于4～7，具備微生物生長繁殖的適宜條件。近年來，我院在化妝品的抽查檢驗工作中發現微生物污染問題是化妝品不合格的主要原因，幾乎每年都有好幾批次產品的細菌和霉菌超標。而且，除去單劑量包裝產品，化妝品從開封到使用完畢之間還存在著二次污染的可能，隨著使用時間的延長，若未合理控制好環境溫度和濕度，微生物污染情況就會越嚴重[2]。目前防控化妝品中微生物的主要手段是添加防腐劑以抑制微生物的生長繁殖，但實際上大部分防腐劑對人體皮膚有刺激性，存在不安全隱患。
水分活度（water activity，aw）是評價食品微生物安全性和產品穩定性的重要依據，1957年食品微生物學家Scott提出水分活度的概念以及食品中微生物生長與水分活度之間的關系[3]。自此，水分活度理論在食品行業得到了廣泛應用，也為食品的貯存方式和微生物安全性檢測方面提供了良好的理論依據。本研究把水分活度的概念引入到化妝品行業微生物控制方面來，希望能對化妝品微生物污染控制有一定的幫助和參考。
1、水分活度的概述
1.1、水分活度的概念
水分活度（aw）是指在相同溫度下產品中水蒸氣壓（P）與飽和水蒸氣壓（P0）的比值，在數值上等于產品在封閉體系中產生的相對濕度（relative humidity，RH）的百分之一[4]。水分活度是一個比值，沒有單位，數值介于0～1.0，0為的干燥值和1.0為純飽和水蒸氣，表明產品中水結合的緊密程度。與常規的產品含水量意義不同，一般來說，含水量包括有四種形式的水，游離水、吸附水、結晶含水量包括有四種形式的水，游離水、吸附水、結晶水和鍵合水。水分活度可以理解為產品中可以自由移動的水，也就是游離水，是能夠參與到外界環境中，與物質進行水合作用的那部分水，微生物在生長繁殖時能利用到的水就是這部分。這也就能夠理解到為什么有些看起來富含水的物質，反而不容易微生物污染，穩定性比較好，比如食品中常見的醬油類產品，因為其中含的鹽和其他成分牢牢的結合了大部分水，能夠參與到微生物生長繁殖的游離水并不多[5]。迄今為止，水分活度在食品行業微生物控制方面得到極大的應用，并制定了強制性標準GB5009.238-2016《食品安全國家標準食品水分活度的測定》[6]。
表1微生物生長所需要的低水分活度（aw）
1.2、水分活度的測定方法
水分活度的測定可以通過測定密閉體系中產品的相對濕度而得出，在數值上等于相對濕度的百分之一。相對濕度可以通過直接測量部分蒸氣壓或露點來計算，也可以通過傳感器的間接測量而得。美國藥典42版（USP 42）第<1112>章和歐洲藥典第9版（EUP 9th）2.9.39章關于水分活度的測定中收載的方法均為露點/冷鏡測定法，即用拋光的冷鏡作為冷凝表面，冷卻系統連接到聚光鏡反射的光電池[7-8]，與測試樣品平衡的氣流被引導到鏡面并冷卻至冷凝，冷凝開始的溫度即為露點溫度，由此得出樣品水分活度，多用儀器測定。現行的食品安全國家標準GB 5009.238-2016中采用兩種方式，一第法采用康衛氏皿擴散法，在密封、恒溫的康衛氏皿中，試樣中的自由水與水分活度較高和較低的標準飽和溶液相互擴散，達到平衡后，根據試樣質量的變化量，求得樣品的水分活度。第二法與接軌，采用露點/冷鏡測定法，也就是儀器測定法。
2、水分活度與微生物生長之間的關系
微生物的生長與水分活度密切相關，每種微生物的生長都有其所需的低水分活度。水分活度介于0～1.0，數值越小，產品中的自由水越少，能夠參與到微生物生長的水就越少，數值越接近于1.0，說明能夠參與到微生物生長的自由水含量越高[9-12]。有研究表明：大多數細菌在水分活度0.90以上增殖，金黃色葡萄球菌略低為0.86；大多數的霉菌和酵母在水分活度0.77以上增殖，水分活度在0.61以下，微生物將不能生長繁殖，見表1。微生物的生長繁殖發生在一定的水分活度范圍內，低于其所需的水分活度，微生物將不能生長，不同微生物生長所需的水分活度不同。因此，利用水分活度控制微生物生長繁殖可以應用到化妝品行業中。
3、水分活度在化妝品微生物污染控制中的應用
化妝品所包含的成分多樣，因為功效的緣故，大多數含有各種中草藥提取成分以及添加的動物組織提取物及各類精華，富含大量的蛋白質和維生素等，非常適合微生物的生長繁殖，而歷年來，化妝品質量不合格原因有很大一部分就在于微生物超標。因此，微生物檢測已經成為了化妝品質量檢查的重要一環。《化妝品安全技術規范》（2015年版）明確規定了化妝品中微生物指標限值，見表2。
表2化妝品中微生物指標限值
3.1、降低微生物污染風險
通過測定和控制化妝品中水分活度的方式來降低微生物污染的風險具有一定可行性。不同種類的微生物都有合適其生長繁殖的水分活度范圍，可以通過測定化妝品各類劑型的水分活度來制定全面的微生物控制方案。在水分活度低的化妝品制劑中，可以減少生產過程中的微生物檢驗次數，比如潤唇膏的水分活度在0.36左右，在這個水分活度中，進行每批微生物檢查的意義不大，提示在生產過程中可以減少對微生物控制的檢測次數。對于水分含量較高的化妝品制劑，比如化妝水、潤膚乳、洗面奶等，可以通過控制水分活度的方式，降低其中可以參與到微生物生長的游離水含量，增加化妝品的穩定性。化妝品中控制水分活度可以從兩個方面著手：（1）改變劑型。除了將劑型制備成含水量低的粉劑或膏霜，大部分含水量多的制劑還可以通過乳化劑作為載體，制備成油包水型乳劑。油包水型乳劑，因其外相為油，有效阻隔了水的逃逸，降低水分活度，或者其他能有效控制低水分活度的新型劑型。（2）添加抑制水分活度的成分。在化妝品中添加已知的能控制水分活度的成分，比如丙二醇、二丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、甘油、雙甘油、山梨（糖）醇等。主要原理是水分活度抑制劑成分中羥基的氫鍵作用將化妝品中的自由水變成結合水，從而降低水分活度，將水分活度控制在一定范圍內[13]。
3.2、減少防腐劑使用
防腐劑是以抑制微生物在化妝品中的生長為目的而在化妝品中加入的物質，在一定濃度下能抑制細菌、真菌等微生物的生長。《化妝品安全技術規范》（2015年版）中列出的準用防腐劑有51類，化妝品中常用的幾種防腐劑：甲基氯異噻唑啉酮、甲基異噻唑啉酮混合物、4-羥基苯甲酸及其鹽類和酯類和三氯生等均為化學制劑，對人體皮膚有刺激性，容易引起過敏。也有數據表明防腐劑有可能會導致細菌對抗生素產生耐藥性。雖然技術規范規定了化妝品使用時的大允許*，但是每日使用的化妝品種類較多，防腐劑總暴露量增加，就有可能導致風險疊加。水分活度低的化妝品制劑，本身就具有抵制微生物生長的性能，在添加防腐劑時也可以考慮少添加或者不添加[14-17]。因此，通過控制化妝品中的水分活度來調整產品的配方及其工藝，減少防腐劑的用量，對提高整個防腐體系的抗微生物能力有很大幫助。
4、結語
各種微生物生長都有低水分活度的要求，結合水分活度可以對化妝品微生物污染進行控制，在減少化妝品中防腐劑應用方面有重要意義。但是，化妝品的使用性質導致單劑量包裝的產品較少，多劑量制劑在開封后到使用結束的過程中存在著二次污染的可能。在化妝品的生產過程中，原料、操作人員、生產環境、儀器設備等都不可避免的會帶入微生物，控制水分活度可一定程度上減少其中的微生物生長繁殖，但是并不代表就沒有微生物存在。化妝品開封后，在適宜的溫、濕度下，接觸到外來的微生物以及本來存在的休眠微生物，很容易就帶來嚴重的二次污染。因此，在結合水分活度控制微生物污染的基礎上，研究化妝品的配方組成、包裝材料等對化妝品的質量安全有很大幫助。
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