Die Bedeutung der Wasseraktivität für die Sicherheit und
Qualität kosmetischer Produkte
Dieser leistungsstarke, aber bisher wenig genutzte Qualitätsparameter gewinnt mit der Veröffentlichung der ISO 29621 zunehmend an Bedeutung in der Kosmetikindustrie.
Die Kosmetikindustrie hat einen geschätzten Wert von 511 Milliarden US-Dollar und umfasst Hunderte von Marken und Produkttypen. Das Produktspektrum ist immens und reicht von Seifen und Shampoos bis zu Eyelinern und Lidschatten. Jedes dieser Produkte ist einzigartig in seiner Funktion, Zusammensetzung und seinen physikalischen Eigenschaften. Alle werden in irgendeiner Form äußerlich auf die Haut aufgetragen – daher ist es entscheidend, dass sie sicher sind und die beworbene Funktion erfüllen.
Da kosmetische Produkte eine breite Spanne an Wasseraktivitäten aufweisen können (siehe Tabelle 1), ist die Messung der Wasseraktivität eines kosmetischen Produkts entscheidend, um festzustellen, wie anfällig es für mikrobiologische Kontaminationen ist, und um eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen.
Einführung
Im Jahr 2017 wurde die ISO 29621 „Kosmetik — Mikrobiologie — Leitlinien für die Risikobewertung und Identifizierung mikrobiologisch gering gefährdeter Produkte“ veröffentlicht. Darin wird die Wasseraktivität als einer der wichtigsten Faktoren zur Bestimmung des mikrobiellen Wachstumspotenzials in Kosmetika hervorgehoben.
Nicht der Feuchtigkeitsgehalt, sondern die Wasseraktivität entscheidet darüber, ob Mikroorganismen in Kosmetika Zugang zu Wasser für ihr Wachstum haben. Jeder Mikroorganismus benötigt ein bestimmtes Niveau an Wasseraktivität, um zu wachsen, während bei Wasseraktivitäten unter 0,600 aw kein Wachstum mehr stattfindet.
Die Wasseraktivität steht auch in engem Zusammenhang mit der chemischen und physikalischen Stabilität von Kosmetika. Allgemein gilt: Wenn die Wasseraktivität sinkt, verlangsamen sich chemische Reaktionen wie Oxidation und Hydrolyse, was die Haltbarkeit des Produkts verlängert.
Allerdings führt eine Verringerung der Wasseraktivität oft zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften, was unerwünscht sein kann. Ziel ist es daher, für jedes kosmetische Produkt den optimalen Bereich der Wasseraktivität zu bestimmen und diesen als verbindliche Freigabespezifikation festzulegen. Zudem sollte die Wasseraktivitätsmessung als regelmäßiger Bestandteil der Qualitätskontrolle (QA) eingeführt werden, um sicherzustellen, dass jedes Produkt diesen Sollwert einhält.
Tabelle 1. Wasseraktivität typischer Kosmetikprodukte
(adaptiert nach Fontana und Schmidt, 2020)
| Produkttyp | aw-Wert |
|---|---|
| Foundation | 0,68 |
| Handcreme | 0,96 |
| Körperpuder (lose) | 0,76 |
| Lippenstift | 0,68 |
| Mascara | 0,96 |
| Lidschatten (gepresst) | 0,76 |
| Shampoo | 0,99 |
| Conditioner | 0,97 |
| Zahnpasta | 0,86 |
| Lidschatten (feucht/trocken) | 0,57 |
Was ist Wasseraktivität?
Die Wasseraktivität beschreibt den energetischen Zustand des Wassers in einem System und beruht auf den thermodynamischen Grundlagen der Gibbs’schen freien Energie. Sie gibt das relative chemische Potenzial des Wassers an, das durch Oberflächen-, kollektive und kapillare Wechselwirkungen innerhalb einer Matrix bestimmt wird.
Praktisch wird sie gemessen als das Verhältnis des Partialdampfdrucks von Wasser (P) im Gleichgewicht mit der Probe zu dem Sättigungsdampfdruck (P₀) von Wasser bei derselben Temperatur (T).
Die Wasseraktivität entspricht der Gleichgewichtsrelativen Luftfeuchtigkeit (ERH), geteilt durch 100:
Der Wert reicht von 0 (knochentrocken) bis 1,00 (reines Wasser).
Oft wird Wasseraktivität als „freies Wasser“ bezeichnet, was aber irreführend ist, da „frei“ wissenschaftlich nicht eindeutig definiert ist. Eine Wasseraktivität von 0,50 bedeutet nicht, dass 50 % des Wassers frei sind, sondern dass das Wasser in der Probe 50 % der Energie besitzt, die reines Wasser unter denselben Bedingungen hätte.
Je niedriger die Wasseraktivität, desto weniger verhält sich das Wasser im System wie reines Wasser.
Messung der Wasseraktivität
Zur Bestimmung der Wasseraktivität wird das Gleichgewicht zwischen flüssigem Wasser in der Probe und Wasserdampf in der Kopfraumatmosphäre hergestellt. Anschließend wird die relative Luftfeuchtigkeit (ERH) mithilfe eines Sensors gemessen.
Es gibt verschiedene Sensortypen:
- Resistive elektrolytische Sensoren
- Gespiegelte Taupunktspiegel-Sensoren (chilled mirror)
- Kapazitive Polymer-Sensoren
Novasina-Instrumente, wie der LabMaster NEO, verwenden einen elektrolytischen Sensor, um die ERH in einer geschlossenen Messkammer zu bestimmen. Veränderungen der ERH werden durch Änderungen des elektrischen Widerstands im Elektrolytsensor gemessen.
Vorteile dieser Methode:
- Sehr stabil und resistent gegen Verunreinigungen (im Gegensatz zum empfindlichen Taupunktspiegel)
- Hohe Präzision und Genauigkeit
- Wartungsfrei und seltene Kalibrierung nötig
Damit ist diese Methode ideal für die kosmetische Qualitätsprüfung.
Wasseraktivität ist eine intensive Eigenschaft (sie beschreibt die Energie des Wassers), während der Feuchtigkeitsgehalt eine extensive Eigenschaft ist (sie beschreibt die Menge an Wasser).
Obwohl beide Parameter zusammenhängen, sind sie nicht identisch. Der Feuchtigkeitsgehalt wird üblicherweise durch Trocknungsverlust oder chemische Titration bestimmt. Diese Messung ist zwar nützlich zur Bestimmung der Reinheit, korreliert aber weniger gut mit mikrobiologischem Wachstum oder chemischer Stabilität als die Wasseraktivität. Der Zusammenhang zwischen beiden wird durch die Feuchtesorptionsisotherme beschrieben.
Rechtliche Rahmenbedingungen
Federal Food, Drug, and Cosmetic Act (FD&C)
Das FD&C-Gesetz definiert, was als kosmetisches Produkt gilt, und ist derzeit die einzige relevante Regulierung. Es verbietet den Verkauf verfälschter oder falsch deklarierter Kosmetika, enthält jedoch keine spezifischen Sicherheitsanforderungen.
Die Verantwortung für die Produktsicherheit liegt vollständig beim Hersteller, der gesetzlich verpflichtet ist, alle erforderlichen Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit zu treffen.
Die FDA empfiehlt, die Sicherheit durch toxikologische oder andere geeignete Tests nachzuweisen (Federal Register, 3. März 1975, S. 8916).
Obwohl die Wasseraktivität eine valide Methode ist, um die mikrobielle Anfälligkeit von Kosmetika zu bewerten, ist sie in der Praxis noch wenig bekannt oder erfordert zusätzliche Validierung, um als anerkannter Sicherheitsparameter zu gelten.
ISO 29621 „Kosmetik — Mikrobiologie — Leitlinien zur Risikobewertung und Identifizierung mikrobiologisch gering gefährdeter Produkte“
Diese Norm liefert den Herstellern die notwendige Validierung auf Basis der vom FD&C vorgegebenen Kriterien. Sie definiert, welche kosmetischen Produkte ein geringes mikrobielles Risiko aufweisen und daher keiner Konservierungsbelastungsprüfung (Challenge Test) unterzogen werden müssen. Abschnitt 4.2.2 besagt, dass Produkte mit einer Wasseraktivität unterhalb der Grenze für mikrobielles Wachstum keine solche Prüfung benötigen, da ihre geringe Wasseraktivität bereits ausreichenden Schutz bietet.
