上文主要内容包括化妆品替代防腐“栅栏技术”概述及市场现状，本文主要对化妆品替代防腐“栅栏技术”的控制微生物策略进行介绍。

　　化妆品替代防腐“栅栏技术”的控制微生物策略

　　多功能原料

　　有些原料在化妆品配方中可以起到多种功能，合理运用具有抑制微生物生长的多功能原料，可以减少或者避免使用具有潜在风险的传统防腐剂。常见的具有抑制微生物生长活性的多功能原料有保湿剂、润肤剂、螯合剂、植物提取物活性成分、表面活性剂等。

　　邻位二醇类

　　常见的具有抑制微生物生长作用的邻位二醇结构，指的是碳链为4-8个碳原子、2个羟基相邻并位于碳链一端。这类物质在具有保湿润肤功效的同时也有着一定的抑制微生物生长的作用，还可以作为溶剂和黏度调节剂。它的碳链端亲油，羟基端亲水，是两亲性的化合物。这种两亲性使得它能够与细胞膜的脂质双分子层相互作用，增强细胞膜的通透性，是很好的抑菌增效剂。1，2-烷基二醇类的最低抑菌浓度见表1，羟基位于1，2位时，在碳链长度由4个增加到8个时，分子整体水溶性降低，亲酯性增加，抑菌效果增强。

表1 1，2-烷基二醇类的最低抑菌浓度

　　辛甘醇、乙基己基甘油和甘油辛酸酯是比较有效并且使用广泛的原料。这类原料通常与其他抑制微生物生长的多功能原料或者防腐剂搭配使用，既可以起到广谱抑菌的作用，又可以降低或者避免防腐剂带来的刺激，同时还有一定的保湿润肤功效。研究表明，0.5%-1%辛酸甘油酯在O/W乳液、沐浴露、洗发水中都有很好的抑菌作用。还有研究表明，甘油辛酸酯、辛甘醇、1，2-己二醇在面膜液中单独添加1%时，均能通过防腐挑战测试标准，并且经过复配后其抗菌效果明显提升。研究表明，将乙基己基甘油和苯氧乙醇按照质量比例1∶9的比例复配后，比乙基己基甘油和苯氧乙醇单独使用对铜绿假单胞菌和黑曲霉的抑制效果更好，起到很好的防腐增效作用。研究发现，0.5%乙基己基甘油与3%1，2-戊二醇在配方中有很好的抑菌作用。

　　螯合剂

　　螯合剂已在化妆品中广泛应用，主要作用是能螯合原料或者水中的金属离子，防止这些金属离子对产品造成酸败、沉淀和失活等不良影响。铁离子对微生物很重要，铁是微生物最重要的营养源之一，是电子传递链中铁硫蛋白的氧化还原中心，会参与核苷酸前体的还原反应。在生态环境中,Fe³⁺的浓度一般不超过10^-18mol/L,但许多微生物维持正常生长的最低浓度约为10^-7~10^-5mol/L。因此微生物需要形成一套高效的铁转运机制来获得它们生存所需要的铁离子。微生物分泌嗜铁素(siderophore)来螯合转运铁离子就是比较重要的一种手段。一些螯合剂能与微生物产生的嗜铁素竞争螯合铁离子，阻碍微生物细胞获得足够多的生长所需的铁离子，从而抑制微生物生长，或者是增强细胞膜的渗透性，起到抑菌增效的作用。

　　与防腐剂相比，辛酰羟肟酸并不是直接攻击微生物细胞，只是阻断破坏微生物细胞获取铁离子的途径，因而更加温和安全。有研究表明，辛酰羟肟酸与其他多功能原料复配使用，可有效替代传统防腐剂体系，降低防腐剂带来的刺激性，保证化妆品的微生物安全性，使配方更温和安全。

　　研究表明，1，2-己二醇对细菌和酵母菌有非常明显的抑制作用，但对霉菌的抑制效果稍弱；Zeastat（辛酰羟肟酸和1，3-丙二醇）对霉菌有很好的抑制效果，但对细菌和酵母菌的抑制效果稍弱。但将0.8%1，2-己二醇复配0.2%Zeastat在水剂产品使用，能接近1.5%1，2-己二醇单独使用的防腐效果，也明显优于0.7%Zeastat单独使用的效果。该复配体系在水剂、O/W型乳液、凝胶、膏霜等剂型配方中，对细菌和真菌都有非常出色的抑制效果。研究表明，当复配保湿防腐体系中乙基己基甘油、甘油辛酸酯、辛酰羟肟酸、1，2-己二醇和1,3-丙二醇质量分数各为9%、13%、9%、35.5%和33.5%，其添加质量分数为0.5%-0.7%时，在水剂、乳液、面膜、膏霜等护肤品均表现出较好的抑菌效果。还有研究表明，0.224%1，2-己二醇、0.056%乙基己基甘油、0.056%辛酰羟肟酸、0.084%甘油辛酸酯，总添加量仅为0.42%的替代防腐体系，在水剂、O/W乳液、O/W霜、W/O霜配方中可通过防腐挑战实验和过敏性斑贴实验，既能有效抑菌又足够温和。

　　EDTA类螯合剂是化妆品中使用最广泛的一类螯合剂，其还具有一定的抑菌增效作用。EDTA抑制微生物生长的机理主要是对革兰氏阴性菌的细胞壁有一定的溶解作用。EDTA与一些阳离子（如钙和镁离子）络合，会使细胞膜产生部分加溶作用。EDTA降低内外膜的密度，使外膜致死，膜分解。在一般情况下，EDTA增加了革兰氏阴性菌细胞壁的渗透性，使其他抑菌剂能更好地进入细胞内起到抑菌作用。EDTA的抗菌谱是不完全的，对革兰氏阴性菌尤其是假单胞菌属更为有效，而革兰氏阴性菌通常更容易产生耐药性。因此，EDTA常与其他抑菌物质配合使用，用作抑菌增效剂，一般使用浓度为0.1%-0.2%。

　　有研究表明，EDTA-2Na联用亚胺培南、黏菌素和阿米卡星对耐药性铜绿假单胞菌浮游菌及生物膜均具有较好的抑制作用，且仅需要较低浓度的EDTA-2Na和抗菌药物。EDTA在≥30mg/L的浓度下，可有效增强黏菌素对mcr-1阳性和mcr-1阴性菌株的抗菌活性。EDTA与3种生物抑菌剂ε-聚赖氨酸、Nisin、壳聚糖的复配对常见的腐败菌枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌的抑制具有较明显的增效作用，尤其是EDTA与ε-聚赖氨酸复配时抑菌效果显著且稳定。EDTA和癸甲溴铵、过氧乙酸、戊二醛、戊二醛癸甲溴铵、二氯异氰尿酸钠、新洁尔灭6种消毒药联用，使大肠杆菌MIC均有不同程度的降低，生物膜形成也受到抑制，可以逆转大肠杆菌的消毒剂抗性，对控制环境中细菌污染有一定的应用价值。

　　植物提取物

　　许多植物提取物除了具有抗氧化、美白等功效外，还有一定的抑菌作用，主要来源有香辛植物提取物，如大蒜、花椒、生姜、肉豆蔻、八角、胡椒等；植物精油，如丁香油、山苍子油、茴香油等，一般精油中酚类物质具有抑菌作用；茶叶提取物，茶叶中的茶多酚具有抗氧化、抗癌、抗菌作用；植物叶提取物，如竹叶、厚朴叶、金银花叶等提取液；中草药提取物，如黄岑、白芍等。植物提取物的主要活性成分和抑菌机理如表2。研究表明，金银花叶乙醇提取物对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有较强的抑制作用；研究人员对大蒜提取液的抑菌作用进行了研究，发现蒜水提取液对金黄葡萄球菌、大肠杆菌、黑曲霉、黄曲霉都有很强的抑制作用。还有研究者筛选出黄杨、迎春花等14种具有抑菌作用的中草药。

表2 植物提取物的主要活性成分和抑菌机理

　　多元醇

　　常作为保湿剂使用的多元醇，比如1，3-丁二醇和1，3-丙二醇能与水分子形成氢键，降低配方的水分活度，从而阻碍微生物的生长。这类物质如果单独用作替代防腐体系，在配方中需要很高的添加量，因而通常和其他抑制微生物生长的多功能原料复配使用，起到抑菌增效的作用。有研究表明，在配方中丙二醇（0.5%，2.75%，5.00%）与羟苯甲酯（0.04%，0.22%，0.4%）和羟苯丙酯（0.04%，0.22%，0.4%）的防腐效果相近。研究者在O/W膏霜中加入10%乙二醇，配方的水分活度由0.961降到了0.895，阻碍了微生物的正常生长，尤其对细菌有很好的抑制作用。

　　水分活度

　　水是大部分化妆品的主要成分，同时也是微生物必不可少的生长因子。不同微生物能耐受的最低水分活度不一样，一些常见的微生物生长所需的最低水分活度见表3，通常细菌生长所需的水分活度最高，酵母菌其次，霉菌需要的最低。通过降低配方水分活度可以抑制微生物的生长，一些原料可以降低水分活度，例如甘油、丙二醇和山梨糖醇等保湿剂和其他水溶性原料会降低水分活度，用于调节粘度或者pH的无机盐、酸、碱和水相增稠剂（黄原胶、瓜尔胶）等也会降低水分活度。据报道，配方的水分活度值为0.8，并且在测试的配方中未添加传统防腐剂，可以保证化妆品的微生物安全性。还有报道称，O/W膏霜水分活度降到0.90以下，对防腐挑战测试中常用的5种微生物（金黄色葡萄球菌，大肠杆菌，铜绿假单胞菌，白假丝酵母，黑曲霉）都有很好的抑制作用。

表3 一些微生物生长所需的最低水分活度

　　pH值

　　各种微生物的生长有其最适pH值和一定的pH范围。通常，细菌适宜的pH值为6-8，酵母菌和霉菌适宜的pH值为4-6，一些常见微生物生长的最适pH值见表4。利用pH值引起对微生物细胞代谢的伤害，或使微生物消耗大量的能量保持胞外pH值而给细胞造成压力，同时很多微生物细胞中酶的功能取决于胞外保持合适的pH值。一般来说，如果一种产品配方pH值在4.0以下，或在10.0以上，就可能不需要防腐剂，或者需要少添加防腐剂。有极端pH值的配方实质上是自防腐体系，能预防微生物的繁殖，或防止微生物长期残存，比如pH值在3.0-5.0的含水杨酸产品、α-羟基酸产品、阳离子护发素等，pH值在9.0-14.0的染烫发用品和肥皂等。有研究表明，pH值的改变会对铜绿假单胞菌的生长、生物膜的生成以及对抗生素的敏感性产生影响，酸性环境能够抑制铜绿假单胞菌的生长和生物被膜的生成，同时有利于增强β-内酰胺类和氨基糖苷类抗生素对铜绿假单胞菌的抑菌效果，弱碱性环境有利于增强环丙沙星对铜绿假单胞菌的抑菌效果。

表4  一些常见微生物生长的最适pH值

　　除了对微生物生长产生影响外，配方的pH值还可能对某些原料的抑菌性产生影响。有机酸类抑菌物质在未解离的状态下才能经过自由扩散进入到微生物细胞内，微生物细胞内为中性偏碱的pH环境，高于一般有机酸的解离平衡常数pKa，因此有机酸会在微生物细胞内发生解离，解离的H⁺导致胞内pH值下降，迫使微生物细胞通过主动运输来释放胞内的H⁺来恢复自身pH平衡，这一过程会消耗大量的ATP，与微生物正常生长代谢产生能量竞争，从而起到抑菌作用。有机酸在配方中的解离程度受pH值影响，随着配方pH值升高（pKa以上），解离程度增大，抑菌性能减弱。研究表明，随着洗发水pH值由5.2升高至6.4，p-茴香酸和山梨醇辛酸酯复配物的抑菌效果逐渐下降，p-茴香酸为弱酸，当体系pH>6.2时，p-茴香酸主要以酸根离子的形式存在，不能通过细胞的类脂膜发生作用，导致复配物的抑菌效果较差，因此，选用p-茴香酸复配物为体系提供抑菌效果时，体系pH应在6.0以下。

　　总之，掌握多功能原料各自的抑菌特性，在各配方体系中合理地搭配，并且调整配方pH值在其能发挥抑菌效能的合适范围，如此合理高效地组合多种栅栏因子，既保证了配方的微生物安全性，又使配方足够温和。

　　包装材料

　　合适的包装材料可以使化妆品在使用过程中免受污染，也可防止污染物在料体中累积。包装的材质和类型都对化妆品的稳定性有很大的影响。广口瓶容易引起微生物污染，真空瓶、狭窄开口的泵送系统、小包装以及安瓶等都可以减少发生微生物污染风险的可能性。不合适的包装材质还可能会吸附化学防腐剂，影响配方整体防腐效能。

　　随着科学技术的进步，在满足有效抑菌前提下，减少防腐剂带来的刺激及其他不良影响是当前配方替代防腐技术发展的指导思想和使用趋势。本文所论述的化妆品替代防腐“栅栏技术”，即不添加传统防腐剂，而是通过合理组合各种抑制微生物因素，如具有抑制微生物生长活性的多功能原料的合理搭配、降低配方的水分活度、调节pH值以及选择合适的包装材料等方式，可以减少或者避免使用具有潜在风险的防腐剂，使配方更加温和无刺激，满足了广大消费者对温和天然安全的化妆品的需求。但同时，多功能原料抑制微生物的能力普遍比传统防腐剂要差一些，通常需要几种原料复配使用，来达到广谱抑菌的作用，这也增加了配方设计的难度和配方成本，并且，替代防腐产品也对生产环节和包材提出了更严格的要求。总体来说，在化妆品产业升级的大趋势下，在温和安全天然等理念的不断深入下，化妆品替代防腐“栅栏技术”引领着化妆品市场向着良性健康的方向发展，拥有广阔的发展前景。

　　（摘编自《日用化学品科学》2021年第9期 作者李梦茹 刘婷婷 郑春霞 戚间华）

(责任编辑：谯英固)