外用产品是制药和化妆品行业中的一个大型子行业。它们功能多样，形态各异。

乳膏被描述为油和水的半固体乳液，比乳液更浓稠，通常用于递送功能性成分。乳液也是乳液，但通常更稀薄、更易涂抹，用于皮肤保养。软膏外观更浓稠、更黏稠，用于治疗皮肤问题和递送防腐剂。凝胶，如牙膏或发胶，被定义为含有凝胶剂（如纤维素）的半固体，凝胶剂有助于锁住水分，使产品呈现半透明外观和光滑质地。当我们谈论产品中水分活度的重要性时，我们往往关注的是内服产品，而非外用产品。然而，考虑通常涂抹于身体外部的产品（如治疗性乳膏、乳液和其他个人护理产品）的水分活度同样重要。水分活度会影响这些产品的质地，影响涂抹的难易程度，还会决定配方是否会助长微生物的生长。与口服产品一样，涂抹含有病原体的外用产品可能很危险，并会导致严重感染。此外，水分活度还会影响降解性化学反应的速率，这些反应会降低产品功效并产生异味，从而缩短产品保质期。

水分活度基础知识
水分活度被定义为系统中水的能量状态，并通过吉布斯自由能方程植根于热力学基本定律。它代表了由基质中的表面、依数性和毛细管相互作用所决定的水的相对化学势能。当水通过各种相互作用与其他分子发生作用时，水分子键中所含的一部分能量会转移到这种相互作用中，从而降低水分子本身的能量。产品成分给水提供的相互作用越多，水的能量就越低。水能量的降低也降低了其逃逸到气相的能力，从而导致蒸汽压降低。水分活度为0.50表明，产品中的水所具有的能量是相同情况下纯水所具有能量的50%。水分活度越低，系统中的水表现得越不像纯水。请注意，此处给出的定义从未提及“自由水”一词，因为该词常被错误地用于定义水分活度，但并无科学意义。

水分活度测量要测试外用产品，需通过使样品中的液相水与封闭腔室顶空中的气相水达到平衡，并使用传感器测量顶空中的平衡相对湿度（ERH）来测定水分活度。相对湿度可使用电阻式电解传感器、冷镜传感器、可调谐二极管激光器（TDL）或电容式吸湿聚合物传感器进行测定。

水分与微生物生长对于所有外用产品，人们最为关注的是这些产品的微生物安全性。必须正确处理这些产品，以减少微生物负荷并防止后续任何微生物的增殖。水分活度控制微生物生长，因为它会影响微生物繁殖和生长的能力。当微生物遇到水分活度低于其内部水分活度的环境时，它们会经历渗透压应激，并开始向环境中流失水分，因为水分会向低能量状态移动（1）。水分的流失会降低膨压并阻碍正常的代谢活动。为了继续繁殖，微生物必须将其内部水分活度降低到低于环境水分活度的水平，这样水分才会重新进入细胞。微生物试图通过在内部浓缩溶质来实现这一点。微生物利用这些方法降低其内部水分活度的能力存在一个下限，低于这个下限它们就无法生长（1,2）。常见腐败微生物生长的水分活度下限列表见表2。

外用产品的微生物风险

外用产品的水分活度因品类不同存在差异，具体可参考表1，但总体而言，乳液和膏霜类产品的水分活度通常高于致病微生物生长所需的0.85aw临界值。这类产品的微生物安全性依靠无菌操作与包装体系来保障，包装可在产品开封使用前全程为其提供防护。此外，很多此类乳液的pH值较低，可低至4.7，该条件会与水分活度协同作用，共同抑制微生物的生长。如果pH值和水分活度都没有低到足以阻止微生物生长的程度，就需要在配方中添加苯氧乙醇、水杨酸这类防腐剂来实现防护。

对于水分活度低于0.85aw但高于0.70aw的油膏和凝胶类产品，主要的微生物风险来自霉菌滋生。为了防止这类体系中长出霉菌，配方中会加入苯甲酸钠这类针对性的防霉防腐剂。而水分活度低于0.70aw的油膏类产品完全无需担忧微生物生长，对应的产品可以实现长期货架稳定。

控制水分活度的配方策略

在天然及无防腐剂选择的需求持续增加的市场中，通过配方调整将水分活度控制在较低值，是一种避免在局部用药中使用化学防腐剂，同时仍能防止微生物生长的方法。降低水分活度最常见的方法是通过干燥去除水分。然而，这一选择面临的挑战在于，要维持水分所提供的理想粘度特性，这些特性有助于局部用药的涂抹。因此，降低水分活度最理想的方法是通过添加能提供水结合位点以降低水能量的成分。这种重新配方的优势在于，它能在保持水分水平以维持产品质地的同时，降低水能量以防止微生物生长。通过配方降低水分的几种选择包括：

• 保湿剂：添加保湿剂（例如，甘油、丙二醇），这类极性化合物可提供大量水结合位点，通过分子间作用牢牢锁定体系中的游离水分。

• 多元醇与糖类：可通过和水分子形成氢键，大幅降低体系中可供微生物利用的游离水占比，从根源上减少水的可利用性。

• 油包水型乳液：水相被连续油相包裹分散，能直接限制水分的暴露接触，天然具备更低的水分活度特性。

包装的作用

外用产品在运输或储存过程中水分活度发生意外变化，会导致质地劣变和微生物稳定性失效。水分活度下降通常会引发产品质地改变，而水分活度升高则会直接破坏产品的微生物安全防线。这类波动通常发生在产品所处环境的相对湿度与产品自身的水分活度不匹配时。由于绝大多数外用配方的水分活度偏高，它们更容易暴露在湿度更低的储存环境中，进而出现水分流失的问题。为缓解该问题，具备优异阻湿性能的包装是必不可少的方案，同时也需要避免过度包装以控制成本。目前已有对应的模拟建模工具，可以辅助筛选出包装材料，让产品在不同的储存环境下都能稳定维持设定的水分活度。

法规与监管的考量

外用产品必须在一套安全管控体系下进行生产，这套体系需要识别出全流程中最高发的风险点，并明确标注用以保障产品安全性的关键管控节点。针对个人护理类膏霜、乳液与软膏的安全管控体系规范，可查阅所在地区的药典获取详细指引。

若要将水分活度作为这类产品的有效管控指标落地执行，最核心的专项规范包括《美国药典》通则<922>水分活度，以及针对化妆品领域的ISO 2961标准。

结论

水分活度是优化乳霜和乳液安全性、稳定性和性能的一个强有力参数。通过了解和控制水分活度，配方师可以通过有针对性的重新配制来提高产品质量、延长保质期并减少对防腐剂的依赖。水分活度和pH值之间的协同关系尤为重要，二者共同作用可增强微生物防护能力，即使在不含防腐剂的配方中亦是如此。

参考文献
[1] Beuchat, L. 1983. Influence of water activity on growth, metabolic activities and survival of yeasts and molds. Journal of Food Protection 46(2):135-141.

[2] Scott, W. 1957. Water relations of food spoilage microorganisms. Advances in Food Research 7:83-127.

[3[ Leistner, L. 1985. Hurdle technology applied to meat products of the shelf-stable product and intermediate- moisture food types. In Properties of Water in Foods pg. 309-329. Martinus Nijhoff Publishers, Boston, MA.