77化妆品防腐剂的研究进展

化妆品防腐剂的研究进展综述1.1防腐剂1.1.1防腐剂的定义防腐剂就是指可以阻止微生物生长的物质。即对以腐败物质为代谢底物的微生物的生长具有持续的抑制作用。重要的是它能在不同情况下抑制最易发生的腐败作用，特别是在一般灭菌作用不充分时仍具有持续性的效果。对纤维和木材的防腐用矿油、煤焦油、丹宁，对生物标本用甲醛、升汞、甲苯、对羟基苯甲酸丁酯、硝基糠腙衍生物或香脂类树脂。1.1.2防腐剂的分类1.1.2.1弱有机酸常用的有醋酸、乳酸、苯甲酸和山梨酸等，对细菌、真菌均有抑制作用。在溶液中，弱酸随pH不同在解离和未解离状态间存在动态平衡。在低pH值情况下该类防腐剂有最大抑菌活性，因为此时分子多数处于未电离状态，未电离的有机弱酸分子是亲脂性的，因此可自由透过原生质膜。进入细胞内后，在高pH环境下，分子解离成带电质子和阴离子，不易透过膜而在细胞内蓄积。防腐剂分子不断扩散入细胞直到达到平衡，引起细胞内H＋的失控，改变细胞内pH状态及蓄积毒性阴离子，抑制细胞的基础代谢反应，最终达到抑菌目的。细菌对弱酸的适应性通常是其本身固有的而非诱导产生的。G＋菌细胞壁只有肽聚糖层，巨大芽孢杆菌营养细胞的细胞壁可通过30000D的分子，因此，防腐剂极易进入这些细胞内部，即细胞固有的适应性也较弱。G－菌的适应性则较复杂，因为它们具有内外壁，外壁层(脂多糖层)在控制细胞对防腐剂或其他小分子物质的亲和性方面起着很关键的作用。在很多情况下，细菌也可经诱导产生适应性，如E.coliO157:H7经pH2.0强酸条件处理后诱导其耐酸反应可对苯甲酸产生一定抗性。一些G＋菌，如单核细胞增生李斯特菌，在pH5.0温和酸性条件下放置后，可大大增强其在pH3.0时的耐酸性。推测是细胞有一复杂的耐酸防御系统，使其可在低pH值下存活。真菌也同样会对有机弱酸产生适应性。对酵母的适应性研究表明可能细胞膜上的H＋－ATP酶和转移子Pdr12起着重要的作用，它们可分别将细胞内的H＋和防腐剂阴离子排出细胞，从而维持细胞正常的新陈代谢。1.1.2.2过氧化氢在乳中发现乳过氧化物酶系统对细菌和真菌都有较强抗菌作用，许多G＋和G－菌可以被乳过氧化物酶系统抑制，G－通常比G＋更敏感。该系统在氢过氧化物和硫氰酸盐的存在下可发挥最大活性，过去也将过氧化氢直接加入食品中，但由于对VC破坏太大，现在很少直接用于食品，而多用于包装材料的灭菌。在合适的条件下，过氧化氢可产生活性单氧，它有极强的生物致死作用。另外，在分子氧的不完全还原过程中产生的超氧化自由基，与过氧化氢和痕量金属离子(如Fe2＋)协同作用可产生极具杀伤力的羟基自由基。过氧化氢的抑菌效果与使用浓度、环境pH、温度等有关，例如在室温下杀芽孢能力很弱，而在高温时则很有效。过氧化氢对芽孢的杀伤机制还不明确，对真菌和细菌营养细胞的致死性与细胞DNA损伤有关。细菌和真菌通过多种途径保护自身免受氢过氧化物伤害。许多细菌依靠过氧化氢酶降低过氧化氢毒性，但过氧化氢向细胞内有很高的扩散速率，少量细胞时，细胞自身的过氧化氢酶没有足够的活性来保护细胞，在细胞浓度较高时，过氧化氢酶阳性细胞则可产生足量的酶来保护大多数细胞免受伤害。细菌芽孢对氢过氧化物的耐受性一般认为是源于芽孢形成过程中合成的α/β酸溶性蛋白的存在，它们可保护休眠状态的DNA免受损伤。酵母细胞有一整套抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、细胞色素、过氧化物酶、硫氧还蛋白、谷氨酰胺半胱氨酸合成酶等。用低浓度过氧化氢处理后，酵母的许多应激系统会被激活，可保护细胞耐受以后更高浓度的过氧化氢。1.1.2.3螯合剂食品中常用的螯合剂有：柠檬酸盐、乳酸盐、焦磷酸盐和EDTA等，其防腐作用主要是通过与其它防腐剂协同作用而实现的。对于G－菌，螯合剂起G－外膜渗透剂的作用，EDTA可从G－部分除去含脂多糖的外壁层，还能帮助溶解类脂化合物，特别是脂肪酸，从而增加了其对化学防腐剂的敏感性。对G＋菌的抑制作用则主要是由于和金属离子结合。当溶液pH下降时EDTA螯合重金属离子的能力下降，抑菌活性也随之下降。柠檬酸盐由于其Ca螯合活性可抑制分解蛋白质的C.botulinum的生长。对于真菌，EDTA通过螯合Zn可抑制酵母的生长，推测是阻碍了正常细胞壁的合成。1.1.2.4其他小分子有机物许多小分子有机物有很好的防腐作用，如肉桂酸、对羟基苯甲酸酯等。实际上，有许多抗菌成分是在植物中天然存在的，牛至、丁香、荔枝等中都可提取到有抗菌作用的物质，包括香草酚、阿魏酸、对烯丙基茴香醚、愈创木酚等。这些成分一般为疏水物质，能使细胞膜功能紊乱甚至使细胞膜破裂，最终导致微生物死亡。对苯甲酸、肉桂酸和苯甲醛等定量结构活性相关的研究中发现，由反相HPLC测的亲脂性参数与它们抗单核细胞增生李斯特菌性能有显著关系。Helander等测试香芹酚、麝香草酚、贡蒿萜酮和肉桂醛等对E.coliO157:H7的效果，他们指出麝香草酚和贡蒿萜酮降低E.Coli胞内ATP含量，而同时胞外ATP增加，这可能暗示细胞膜成分已被破坏。由于许多化合物带浓烈的风味，使其在食品中的应用受到限制，例如洋葱和大蒜中的异硫氰酸酯有较强抗菌作用，其衍生物烯丙基异硫氰酸酯和甲基异硫氰酸酯早已作为杀虫剂在农业上使用了，在食品中则由于其风味问题而妨碍了其应用。对异硫氰酸酯，推测其抗菌活性与通过氧化裂解二硫键钝化细胞外酶有关，而且反应性硫氰酸盐自由基可增加抗菌活性。关于微生物对这些抗菌成分产生适应性的机制还不很明确，可能是在微生物中存在抗药性泵可以排除进入微生物的防腐物质而保护微生物免受抑制。在G－菌中已知多药抗性蛋白指令系统包括中性化合物泵(EmrAB)及双亲性阴阳离子泵(AcrAB)，在G＋金黄色葡萄球菌中NorA多适应性泵负责排出合成的两性分子的阳离子化合物如溴乙啡啶及植物来源的抗生素如黄连素和非洲防己碱。1.1.2.5肽类防腐剂大多数天然抗菌肽的抑菌作用是由于干扰细胞膜功能，如ceropin和nisin等能在细菌细胞膜上形成电势依赖通道，导致细胞内小分子溢流而使细胞死亡，这些肽的离子通道形成能力是抑制微生物的重要原因。有的抗菌肽作用的靶结构则为细胞壁。微生物细胞壁对维持微生物细胞生存是特有的和重要的结构，这些结构不出现在人体中，因此是引起微生物失活最理想的目标。从细胞外降解细菌细胞壁的酶，如溶菌酶，已被用作食品防腐剂。溶菌酶水解N－乙酰胞壁酸和N－乙酰葡萄糖胺之间的β－1，4糖苷键，对G＋的抗菌活性最强，因为这些细菌细胞壁只有肽聚糖层，容易被水解。1.2化妆品用防腐剂1.1.1化妆品用防腐剂的功能在化妆品中，防腐剂的作用是保护产品，使之免受微生物污染，延长产品的货架寿命；确保产品的安全性，防止消费者因使用受微生物污染的产品而引起可能的感染。化妆品受到微生物污染引起变质，一般情况下，在外观就能够反应出来。如霉菌和酵母菌经常在产品的包装边沿等地方出现霉点；受微生物污染的产品出现混浊、沉淀、颜色变化、PH值改变、发泡、变味，如果是乳化体则可能出现破乳，成块等。如果防腐剂添加的量不够，则可能出现微生物适应周围的生长环境，产生抗药性，从而导致防腐失效。大多数的防腐剂都是通过与细胞膜接触后，与细胞壁的某些组份，主要是与蛋白质反应，破坏微生物细胞的保护结构或干扰细胞的新陈代谢，影响细胞的正常生长秩序，从而达到防腐的目的，阳离子则主要是通过影响其渗透压，使细胞膜破裂，收缩和失水，从而进行杀菌。1）.使微生物蛋白变性或凝固微生物体内有大量的蛋白质，凡能破坏蛋白质立体构型的因素，均能使蛋白质变性或凝固。2）.干扰微生物的酶系统微生物胞内酶的作用与其活性基团有关，凡能改变或破坏胞内酶活性基团功能的物质，均能抑制微生物酶的活性。3）.改变细胞膜的通透性阳离子表面活性剂和酚类作用于微生物后，可改变细胞膜结构，干扰其正常功能，进而死亡。1.1.2化妆品用防腐剂的分类按目前化妆品领域比较常用的几十种防腐剂，并对其按活性物进行分类。1)、咪唑烷基脲ISP公司的Germall115、GermallⅡ、GermabenⅡ-E、Germallplus、GermallIS-45。在杰美系列中，主要成份是咪唑烷基脲类，是一个甲醛的供体，在应用的过程中通过缓慢释放甲醛而达到杀菌的目的。Germall115的主要成份为咪唑烷基脲，其抗菌活性比GermallⅡ（双咪唑烷基脲）差，GermabenⅡ-E为尼泊金酯类的复配物，在对付霉菌、酵母菌方面比单组分方面有优势。Germallplus、GermallIS-45为碘代丙炔基丁基甲氨酸酯的复配物，市场反应效果也不错，但是注意避免配方中可能存在的抑制其活性的成分，另外防腐剂中1%的碘代丙炔基丁基甲氨酸酯水溶性较差，在操作时，如果未用有机溶剂进行溶解，也可能会影响其防腐效果。GermallIS-45是的ISP公司销售的较新的品种，其中增含有尼泊金甲酯5%，此举增强了对霉菌、酵母菌抑制能力。2)、已内酰脲LONZA公司的glydantplus、DMDMH，NIPA公司的DMDMH。本类产品也是甲醛供体。glydantplus是碘代丙炔基丁基甲氨酸酯的复配物，碘代丙炔基丁基甲氨酸酯的含量为5%。此外LONZA还提供据称活性物达50%的liquidglydantplus（丙二醇溶液），也需注意配方中的还原剂等组分可能会对其产生抑制作用。3)、异噻唑啉酮罗门哈斯公司的KathonCG、950，LONZA公司的isocilpc，S&M公司的EUXYLK100、EUXYLK727。本类产品也是甲醛供体。LONZA公司的isocilpc是由二种异噻唑啉酮组成，配方中增加23%的镁盐进行增效，主要是改变渗透压。K727是甲基二溴戊二腈的复配物。而EUXYLK100则是苯甲醇的复配物，这对于气相部分也有相当的防腐能力。4)、尼泊金酯类（对羟基苯甲酸酯）浙江圣效、ISP公司的liquaparoil、S&M公司的EUXYLK300、NIPA的phenonip等。本类防腐剂是目前应用最广泛的防腐剂之一，但用量相对较大，随着碳链的增长，其水溶性相逐渐变差，影响其在水相中的分配率。其防霉效果比较突出。尼泊金甲酯水溶性最好，常可以直接添加在水相；而尼泊金乙酯、丙酯、丁酯和异丁酯则倾向于溶解在油相中。尼泊金甲酯是适用于酸性体系的防腐剂，当pH5时，本身具有77％的最高抑菌活性，pH7时为63％，当pH8.5时接近50％。所以，体系中尼泊金酯的活性可以主要通过降低体系的pH值得到改善，通常是7.0～6.5或更低，虽然有时他们也能在pH值略高些的体系中保持其功效。5)、季铵盐-15这类产品目前只有DowChemical公司的Dowicil200。Dowicil200不会稀放甲醛，但其抗氧化还原能力比ISP公司的杰美要好。在一些易变色的配方中通常的作法可以添加少量的亚硫酸盐进行预防。6)、国产凯松-CG(化学结构同第3类)浙江圣效的CY-1、山东明达的MD-2000、江苏新科的新科-99、陕西华润的KS-1、西安先锋的XF-1。本类产品也是甲醛的供体。在使用方面对PH值比较敏感，在偏酸性的环境中能发挥非常好的防腐作用，用量很少，大约0.08%就能发挥很好的作用。但在碱性环境中，则会失去其防腐活性。在本类产品中，为增加其防腐活性，其中会添加镁盐，以提高其渗透压，故在使用本产品的时候必须考虑原料之间的相容性问题，以免发生沉淀，特别是在透明产品中，要十分小心。此外，胺类、硫醇、硫化物、亚硫酸盐、漂白剂也可使凯松失活。7)、另外还有苯甲酸/苯甲醇及衍生物防腐剂、醇类及衍生物防腐剂，其中比较有代表性的有苯氧基乙醇，它是很好的溶剂和防腐剂，在防腐剂的配制中经常被作为溶剂来溶解其他油溶性的防腐剂，但它本身可作为一个乳化剂，所以在使用时要考虑其对产品自身的影响。而也需要注意苯氧乙醇在某些高pH值情况下出现不稳定的状况。8）苯甲酸/苯甲酸钠/山梨酸钾苯甲酸/苯甲酸钠/山梨酸钾主要用在食品方面，所以把它们列在一起。其防腐作用机理是：苯甲酸类防腐剂是以其未离解的分子发生作用的，未离解的苯甲酸亲油性强，易通过细胞膜，进入细胞内，干扰霉