Praktyczne znaczenie aktywności wody w kosmetykach

Chcesz poznać skuteczny trik, który pozwoli zmniejszyć ilość konserwantów albo nawet z nich zrezygnować? Musisz koniecznie dowiedzieć się o co chodzi z aktywnością wody i jak nią sterować. Bo to w kosmetyku taki niewidoczny ochroniarz – nie krzyczy i nie wyrzuca gości (czyli bakterii i grzybów), tylko …. zakręca im wodę. I goście sami wychodzą, bo o gołym „pysku” siedzieć nie będą.

Aktywność wody (aw), bo o niej mowa, jest kluczowym parametrem decydujący o psuciu się kosmetyków. Jeśli wiesz czym jest aw, wiesz jak tym wskaźnikiem zarządzać – możesz świadomie tworzyć bezpieczne i stabilne mikrobiologicznie kosmetyki nawet bez użycia syntetycznych konserwantów. Z poniższego poradnika dowiesz się co to jest „aktywność wody” i jak ją ustawiać aby maksymalnie utrudnić życie drobnoustrojom w kosmetyku.

Aktywność wody ma znaczenie w przypadku kosmetyków zawierających wodę w swoim składzie. W praktyce oznacza ile wody zawartej w kosmetyku może być faktycznie dostępna dla mikrobów. To ważne, bo bez dostępności do tej wody mikroby nie mogą się rozwijać. Nie ma znaczenia ile wody jest w kosmetyku, ważne jaki ułamek tej wody jest dostępny dla mikrobów.

Na przykład miód zawiera wodę ale nie psuje się. A powinien, bo teoretycznie jest idealną pożywką dla bakterii i grzybów – bogaty w cukry, witaminy, minerały. Jednak nawet w otwartym słoiku miód się nie psuje. Dlaczego? Bierze się to stąd, że woda znajdująca się w miodzie związana jest przez cukier. W efekcie miód dla bakterii jest w praktyce suchy, jakby był bez wody.

Dla oznaczenia dostępności wody w produktach stosuje się parametr zwany aktywnością wody. Definiuje się go jako stosunek ciśnienia pary wodnej w produkcie do ciśnienia pary czystej wody w tej samej temperaturze. W praktyce oznacza ułamek wody w produkcie, która nie jest związana z innymi składnikami i może swobodnie parować. To oznacza, że dla czystej wody aw = 1, natomiast dla produktu całkowicie suchego aw = 0. Im niższy ułamek tym gorzej dla bakterii i grzybów. Przy aw poniżej 0,6 produkt dla drobnoustrojów jest całkowicie suchy, jakby nie zawierał wody i np. krem z takim aw będzie całkowicie odporny na zepsucie mikrobiologiczne.`

Zobaczmy od jakiego poziomu aw mikroby nie mogą się namnażać:

• Bakterie Gram-ujemne (np. Pseudomonas aeruginosa, E. coli): potrzebują stosunkowo dużo dostępnej wody, minimalne aw ok. 0,90–0,95 do wzrostu. Dla P. aeruginosa podaje się nawet aw ok. 0,97, czyli niemal czysta woda.
• Bakterie Gram-dodatnie (np. Staphylococcus aureus): są nieco bardziej odporne na brak wody, potrafią się namnażać przy aw ok. 0,86–0,90. Przykładowo, S. aureus przestaje się mnożyć dopiero poniżej aw 0,86.
• Drożdże i pleśnie: w suchych warunkach radzą sobie najlepiej – niektóre pleśnie mogą się rozwijać przy aw 0,70–0,75, a wyjątkowo odporne drożdże nawet ok. 0,61. Typowy przykład to pleśń Aspergillus brasiliensis, której wzrost hamuje dopiero poziom aw 0,77.

Magiczna granica bezpieczeństwa mikrobiologicznego aw to ok. 0,60. Poniżej tego poziomu żaden znany patogen nie jest w stanie się rozmnażać. Dlatego produkty o aw poniżej 0,6 uznaje się praktycznie za bezwodne z punktu widzenia drobnoustrojów.

Teoretycznie ta granica wydaje się bardzo wysoka, ale w kosmetyce rzadko udaje się osiągnąć aż tak niski poziom (chyba że produkt w ogóle nie zawiera wody). Na szczęście w warunkach kosmetyków typowych tak ekstremalnie odporne mikroby nie występują często. W praktyce przyjęło się, że aktywność wody poniżej lub równa 0,75 oznacza produkt niskiego ryzyka mikrobiologicznego. Rozwój większości bakterii, grzybów i drożdży jest wtedy silnie ograniczony. Tylko wyjątkowe ekstremofile (np. halofilne bakterie sololubne lub kserofilne pleśnie sucholubne) są w stanie rosnąć poniżej aw 0,70, co w normalnych warunkach kosmetycznych praktycznie się nie zdarza.

Oczywiście musimy pamiętać, że obniżenie aw hamuje wzrost drobnoustrojów, ale ich nie zabija. Nie jest to działanie bakteriobójcze. Mikroorganizmy w niesprzyjającym, suchym środowisku mogą przejść w formy przetrwalnikowe (spory, cysty) i przetrwać długi czas. Jeśli warunki się zmienią (np. produkt o niskiej aw zostanie rozcieńczony wodą podczas użycia), uśpione mikroby mogą znów się uaktywnić. Dlatego sam fakt obniżenia aktywności wody nie zwalnia z myślenia o higienie i czystości. Produkt musi być mikrobiologicznie i użytkowany w sposób uniemożliwiający późniejsze zakażenie.

Konserwacja kosmetyków a aktywność wody

Większość klasycznych kosmetyków na bazie wody (kremy, balsamy, toniki itp.) ma aw bliską 1, bo zawiera dużą fazę wodną i umiarkowane ilości rozpuszczonych substancji. Typowa emulsja O/W (olej w wodzie) ma aw ok. 0,97, co oznacza, że praktycznie cała woda w produkcie jest dostępna dla mikroorganizmów. Nic dziwnego, że takie kosmetyki psują się łatwo i wymagają dodatku konserwantów.

Tradycyjne konserwanty kosmetyczne działają biobójczo lub biostatycznie – zabijają mikroorganizmy lub hamują ich namnażanie poprzez różne mechanizmy chemiczne. Od dekad dodawanie konserwantów było podstawowym sposobem ochrony kosmetyku przed zepsuciem. Jednak rosną obawy konsumentów przed niektórymi konserwantami (np. reakcje alergiczne, podrażnienia), a trend rynkowy skłania się ku formułom bardziej „naturalnym” i samokonserwującym. Polega to na tym, że zamiast (lub oprócz) silnych syntetycznych konserwantów, tak projektuje się kosmetyk, by sam w sobie nie stwarzał warunków do wzrostu drobnoustrojów, m.in. poprzez obniżenie aktywności wody.

Podejście to wywodzi się z koncepcji wielobarierowej stosowanej w przemyśle spożywczym. Zakłada ona łączenie kilku czynników utrudniających życie drobnoustrojom, zamiast polegania tylko na konserwancie. W kosmetykach takimi barierami mogą być: niska aktywność wody, niskie lub wysokie pH, obecność naturalnych antyseptyków (np. olejków eterycznych, ekstraktów), ograniczenie substancji odżywczych dla bakterii, szczelne opakowanie itd. Każdy z tych czynników osobno może nie wystarczyć, ale razem tworzą środowisko, w którym potencjalne zanieczyszczenie nie ma dogodnych warunków do rozwoju. Taki kosmetyk nazywamy samokonserwującym.

Aktywność wody jako czynnik konserwujący

Obniżenie aw produktu poniżej pewnego progu istotnie ogranicza wzrost mikroflory. Przykładowo, jeśli uda nam się sformułować emulsję o aw 0,92, to hamujemy w niej wzrost większości bakterii Gram-ujemnych (np. Pseudomonas). Pozostają głównie Gram-dodatnie i grzyby, z którymi łatwiej sobie poradzić innymi metodami. W efekcie, spektrum wymaganego konserwantu się zawęża. Być może wystarczy łagodniejszy środek przeciwgrzybiczy czy dodatek antyseptycznego ekstraktu roślinnego, zamiast pełnego koktajlu mocnych konserwantów syntetycznych.

Jednak sama niska aktywność wody nie powinna być jedyną linią obrony. W praktyce traktuje się ją jako czynnik wspomagający w systemie konserwacji kosmetyku. Dlatego często łączy się obniżanie aw z innymi metodami: dodaje dodatki przeciwdrobnoustrojowe (tzw. multifunkcjonalne składniki, np. glikol kaprylowy, etylheksylogliceryna, fermenty itp.), obniża pH formulacji do ok. 5 lub niżej (większość bakterii nie lubi kwaśnego środowiska), a także dba o czystość produkcji i opakowanie. Wszystko to składa się na skuteczną strategię konserwacji bez tradycyjnych konserwantów.

Całkowicie bezpieczny konserwant, czyli higiena

Jeśli rezygnujemy ze stosowania silnych konserwantów, musimy wyjątkowo dbać o czystość mikrobiologiczną podczas wytwarzania kosmetyku. Należy pracować w sterylnych warunkach, dezynfekować sprzęt, używać czystych pojemników i unikać zanieczyszczenia na etapie pakowania. Wdrożenie zasad GMP oraz podejścia HACCP (analiza krytycznych punktów kontroli) pomoże zidentyfikować miejsca potencjalnej kontaminacji i je wyeliminować. Opakowanie produktu również powinno minimalizować ryzyko zakażenia przez konsumenta. Lepsze są butelki z pompką lub tuby niż otwarte słoiki, do których wkłada się palce.

Jak obniżyć aktywność wody?

Skoro kluczem do zahamowania psucia się produktu jest „związanie” jak największej części wody musimy znaleźć sposób jak to zrobić. Mogą to być np.:

Zmniejszenie zawartości samej wody

Najprostsza metoda to po prostu ograniczyć fazę wodną produktu albo usunąć wodę całkowicie. Kosmetyki bezwodne (olejki, masła, balsamy w sztyfcie, pomadki itp.) z definicji mają aw = 0, więc nie stanowią pożywki dla bakterii. Podobnie produkty suche (np. pudry, suche maski w proszku, kule i sól do kąpieli) są mikrobiologicznie stabilne, dopóki nie zostaną zamoczone. Ograniczenie wody w recepturze to najskuteczniejsza droga do obniżenia aw. Wymaga jednak opracowania innej formy kosmetyku (np. zamiast płynu można stworzyć suchą mieszankę do rozrobienia z wodą w domu, lub zamiast kremu wodnego kostkę lotionu na bazie maseł i wosków).

Zastąpienie części wody składnikami wiążącymi wilgoć

Mogą to być humektanty lub inne rozpuszczalniki. Bardzo często stosuje się tu poliole takie jak gliceryna, propanediol, glikol propylenowy, sorbitol, erytrytol itp. Mają silne powinowactwo do cząsteczek wody (tworzą wiązania wodorowe), przez co „wychwytują” wolną wodę z roztworu. Już starożytni intuicyjnie konserwowali żywność dodając cukier lub sól – w kosmetykach działa to podobnie.

Wysokie stężenie gliceryny czy cukrów sprawia, że woda staje się zajęta otoczeniem cząsteczek tych substancji i przestaje być dostępna dla mikrobów. Przykładowo czysty miód (80% cukrów, 20% wody) ma aw ok. 0,5–0,6 i praktycznie nie pozwala niczemu rosnąć, ale rozcieńczony miód już ulega zepsuciu. W kosmetyku analogicznie: im więcej np. gliceryny zamiast wody, tym niższa aw i lepsza trwałość. Trzeba jednak pamiętać, że efekt nie jest liniowy – nie da się prosto wyliczyć aw na podstawie składu, bo różne substancje wiążą wodę z różną siłą i wzajemnie na siebie wpływają. Konieczne są pomiary lub badania stabilności, by upewnić się co do uzyskanego poziomu aw.

Dodatek składników mineralnych (soli)

Chlorek sodu (sól kuchenna) czy chlorek magnezu, a także składniki takie jak glina, glinki i krzemionka mogą pomóc obniżyć aw przez absorpcję wody. Przykładowo, tradycyjne antyperspiranty zawierające ponad 25% soli glinu wykazują bardzo niską aktywność wody i nie potrzebują konserwantów. Podobnie glinki kosmetyczne wiążą wodę, co bywa wykorzystywane w formułach samokonserwujących (np. maseczki z glinką mają nieco dłuższą trwałość niż czyste żele).

Zwiększenie zawartości fazy olejowej

W emulsjach typu W/O (woda w oleju) woda stanowi rozproszoną fazę wewnętrzną, otoczoną fazą tłuszczową. Taka struktura może efektywnie nieco ograniczać dostępność wody (woda jest “uwięziona” w micelach emulsji). Jednak jeśli emulsja W/O nie zawiera dodatkowych humektantów, faktyczna aw może nadal być wysoka, bo woda wewnątrz kropelek nie jest związana chemicznie. Niemniej, formuły W/O często wykazują nieco lepszą trwałość mikrobiologiczną niż zwykłe O/W i czasem łatwiej je zabezpieczyć mniejszą ilością konserwantu.

Zagęszczenie i usieciowanie fazy wodnej

Użycie hydrokoloidów (np. gumy ksantanowej, karagenianu, celulozy) wiąże wodę fizycznie poprzez spęcznienie i tworzenie żelu. Choć nie obniża to znacząco wartości aw w sensie termodynamicznym, to unieruchomienie wody utrudnia migrację drobnoustrojów i może spowolnić ich wzrost. Niektóre zagęstniki (np. dekstryny, skrobie) również mają właściwości humektantów. Ta metoda raczej wspiera inne działania, niż samodzielnie konserwuje, ale bywa elementem formuł self-preserving (np. dodatek karagenianu w żelu pod prysznic tworzy nieprzyjazną dla bakterii matrycę).

Alkohol wielofunkcyjny

Etanol powyżej 15–20% w składzie działa dwutorowo: obniża aktywność wody (bo miesza się z wodą i zmienia jej ciśnienie pary) oraz jest sam w sobie środkiem przeciwdrobnoustrojowym. Dlatego toniki czy spraye z alkoholem od 20% zwykle nie wymagają dodatkowego konserwantu. Jednak pamiętać, że wysoka zawartość alkoholu może wysuszać skórę i jest niepożądana w niektórych produktach.

W praktyce osiągnięcie niskiej aw wymaga wysokich stężeń składników wiążących wodę, co może wpływać na właściwości kosmetyku. Dużo gliceryny czy cukru oznacza lepką konsystencję i specyficzne odczucie na skórze. Często konieczny jest kompromis między obniżeniem aw a akceptowalnością produktu dla użytkownika. Z doświadczeń formulatorskich wynika, że próby całkowitego wyeliminowania konserwantów samą gliceryną bywają nieskuteczne lub dają nieprzyjemny produkt. Dlatego częściej stosuje się kombinacje kilku humektantów w umiarkowanych dawkach zamiast jednej substancji w bardzo dużej ilości. Na rynku są np. mieszanki kilku polioli i soli, które w sumie w stężeniu 15–20% potrafią znacząco obniżyć aw i „samokonserwować” kosmetyk.

Receptura tradycyjna a samokonserwująca

Pokażemy na przykładzie jak ulepszyć typową recepturę aby zawierając mniej konserwantów była jednocześnie mikrobiologicznie bezpieczniejsza.

Załóżmy, że mamy lekki krem nawilżający do twarzy (emulsja O/W) o poniższym składzie: 70% woda, 5% gliceryna, 20% fazy olejowej (oleje, emulgator) i dodatki aktywne.

Taki krem ma aw rzędu 0,97, czyli niemal pełna dostępność wody – bez konserwantów szybko by się zepsuł. Dlatego konieczne jest użycie konserwantu o szerokim spektrum, np. mieszanina fenoksyetanolu z etyloheksylogliceryną (ok. 1%). Okres przydatności takiego kremu to zwykle 6-12 miesięcy po otwarciu.

A teraz przeróbmy krem na wersję samokonserwującą

Ilość wody zmniejszamy do 50%. Pozostałe 20% wody zastępujemy mieszanką gliceryny (10%), propandediolu (do 5%), sorbitolu (do 5%) oraz mleczanu sodu (ok. 2%) i kwasu mlekowego (ok. 0,5%).

Oczywiście zamiast gliceryny, propanediolu i sorbitolu moglibyśmy użyć tylko gliceryny, ale sama gliceryna spowodowałaby, że krem byłby zbyt kleisty. Ponadto gliceryna w połączeniu z pozostałymi humektantami działa synergistycznie, znacznie lepiej niż w pojedynkę. Ważne jest, że te składniki nie tylko zastępują ale również wiążą pozostałą wodę w kremie. W efekcie możemy obniżyć aw poniżej 0,90. Jest to poziom, przy którym bakterie Gram-ujemne nie mogą się rozmnażać i ogólny rozwój mikroorganizmów jest utrudniony.

Mleczan sodu i kwas mlekowy dodaliśmy dodatkowo dla buforowania i regulacji pH aby wyniosło ok. 5,0. Takie pH jest korzystne dla skóry ale nie sprzyja mikrobom.

Dla absolutnej pewności możemy jeszcze kosmetyk wzbogacić w łagodne substancje hamujące wzrost bakterii Gram-dodatnich i grzybów, np. olejek eteryczny z trawy cytrynowej.

Po przeróbce, pomimo, że krem nie zawiera tradycyjnych konserwantów jest mikrobiologicznie bezpieczny. Obniżenie aw i pH stworzyło warunki, w których mikroby nie mogą łatwo się rozwijać. Jednocześnie dodatek olejku eterycznego o właściwościach bakteriobójczych i grzybobójczych działa komplementarnie.

Wskazówki praktyczne

Oceń ryzyko produktu

Przed sformułowaniem kosmetyku zastanów się, czy należy do grupy wysokiego ryzyka (dużo wody, brak silnych czynników chroniących) czy niskiego ryzyka (np. produkt anhydrytowy, bardzo niska aw, skrajne pH itp.). Kosmetyki o aw poniżej 0,75 uznawane są za mikrobiologicznie niskiego ryzyka. Jeśli Twój produkt mieści się w tej kategorii (lub np. jest bezwodny, jak olejek do ciała, balsam do ust itp.), możesz rozważyć rezygnację z klasycznego konserwantu. Jednak zawsze potwierdź bezpieczeństwo badaniami lub solidnymi argumentami. Gdy produkt ma wysokie aw i jest podatny na skażenie, nie ryzykuj – zastosuj konserwant lub zmodyfikuj recepturę.

Planuj obniżenie aw gdy tworzysz kosmetyk, a nie później

Jeśli chcesz stworzyć kosmetyk samokonserwujący się, dobierz składniki redukujące aktywność wody. Wykorzystaj humektanty (glicerynę, glikole, cukry), rozważ dodanie soli lub innych składników wiążących wodę. Pamiętaj o zachowaniu balansu. Zbyt duża ilość jednego humektantu może pogorszyć odczucia z użycia. Lepiej łączyć kilka substancji na poziomie średnich stężeń niż jedną w ekstremalnie wysokim. Sprawdzaj wytyczne bezpieczeństwa: np. gliceryna jest bezpieczna nawet do 30-40%, propanediol 10%, sorbitol 5-10% itd. Sumarycznie możesz mieć 20-40% takich składników w recepturze, co znacząco obniży aw.

Kontroluj i mierz

Jeśli to możliwe, zmierz aktywność wody prototypu produktu. Wiele laboratoriów oferuje pomiar aw za niedużą opłatą. Pozwala ocenić, czy osiągnęliśmy zamierzony efekt. Alternatywnie można wykonać test konserwacji (challenge test). Jeśli produkt bez konserwantów przejdzie test obciążeniowy, prawdopodobnie ma wystarczająco niską aw lub inne czynniki hamujące. Nie polegaj na domysłach. Dwie podobne receptury mogą różnić się aw w zależności od rodzaju składników i ich interakcji.

Zadbaj o czystość

Brak konserwantów = brak „siatki bezpieczeństwa” w razie wprowadzenia kilku zarazków podczas wytwarzania. Utrzymuj sterylność, dezynfekuj powierzchnie i narzędzia (np. alkoholem izopropylowym), pracuj w czystym otoczeniu. Im mniej mikroorganizmów dostanie się do produktu podczas produkcji, tym większa szansa, że formuła samokonserwująca da sobie z nimi radę.

Testuj stabilność w realistycznych warunkach

Przechowuj próbki wyrobu w warunkach, w jakich będą używane (np. w łazience, w różnej temperaturze) i obserwuj, czy nie pojawiają się zmiany (zapach, pleśń, gazowanie). Prowadź takie obserwacje przez kilka miesięcy. Jeśli cokolwiek wzbudza wątpliwości – nie ryzykuj i dodaj jednak konserwant albo zmień formulację.

Kompromis może być lepszy

Możesz zastosować mniejszą dawkę łagodniejszego konserwantu w połączeniu z obniżeniem aw. Np. dodatek 0,2% alkoholu benzylowego czy wyciągu z fermentów, razem z gliceryną 20% i pH 5, może zapewnić bezpieczeństwo przy minimalnej zawartości „obcego” konserwantu. Wielu producentów wybiera drogę „mniej konserwantów zamiast zero”, co i tak jest korzystne marketingowo i dla wrażliwej skóry.