EMULGATORY W RECEPTURACH KOSMETYCZNYCH

Transkrypt

1 EMULGATORY W RECEPTURACH KOSMETYCZNYCH Aleksandra Flis, Katarzyna Pikul Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie Streszczenie W życiu codziennym często spotykamy się z pojęciem emulgatory, jednak nie zawsze jest nam ono znane. Emulgatory stosowane są zarówno w produktach żywnościowych jak i w preparatach kosmetycznych. W produktach kosmetycznych stanowią podstawowy składnik do produkcji m. in. kremów, balsamów, masek kremowych czy mleczek do demakijażu. Na rynku istnieje wiele rodzajów emulgatorów pochodzenia syntetycznego bądź naturalnego. Klasyfikowane są właśnie ze względu na pochodzenie lub uwzględniając ich budowę chemiczną. Emulgatory dodajemy do emulsji zawierających dwie niemieszające się ze sobą fazy tzn. fazę wodną i olejową w celu ich połączenia. Są to cząsteczki amfifilowe o różnej wartości HLB, która decyduje o zastosowaniu w poszczególnych rodzajach produktów kosmetycznych. 1. Substancje powierzchniowo czynne (SPC) W kosmetyce duża liczba produktów zalicza się do roztworów wodnych bądź wodno-alkoholowych, alkoholowych, tłuszczowych oraz węglowodorowych. Roztwory te się jednolite jednakże czasem dochodzi do sytuacji gdzie składniki rozdzielają się tworząc emulsję niejednolitą, aby zapobiec takiej sytuacji stosuje się substancje powierzchniowo czynne. ISSN , Nr 2 (14) 2013, s. 1-12

2 1.1. Substancje powierzchniowo czynne (SPC) inaczej zwane surfaktantem lub tenzydem Są to substancje chemiczne posiadające w swojej cząsteczce dwie części hydrofilową, czyli taką, która rozpuszcza się w wodzie, a nie w tłuszczach oraz część hydrofobową nierozpuszczalną w wodzie, lecz w tłuszczach. Do części hydrofilowej najczęściej należą podstawniki: grupa hydroksylowa OH (alkohole); grupa karboksylowa COOH (kwasy organiczne); grupa karboksylanowa COO - Na + i COO - K + ( sole sodowe i potasowe kwasów tłuszczowych); grupa aldehydowa CHO; grupa fosforanowa H 2 PO 4; grupa aminowa NH 2; grupa amoniowa NH 3 + ; fragment łańcucha CH 2 -CH 2 -O (oksyetylowane monoestry wyższych kwasów tłuszczowych); grupa sulfonowa SO 3 - Na + (sulfonian sodowy). Z kolei część hydrofobowa to długi łańcuch węglowodorowy (alifatyczny lub alkiloaromatyczny) składający się z 10 do 20 atomów węgla. SPC przede wszystkim zmniejszają napięcie powierzchniowe cieczy, do której zostają wprowadzone, na granicy dwóch niemieszających się ze sobą faz. Stosuje się je jako środki pianotwórcze, emulgujące, dyspergujące, solubilizujące oraz usuwające brud. Substancje powierzchniowo czynne zdolne są do tworzenia roztworów micelarnych, gdy zostanie przekroczone stężenie zwane krytycznym stężeniem micelarnym CMC; jego wartość jest charakterystyczna dla konkretnego środka powierzchniowo czynnego. Substancje te dzielą się na: 1. Jonowe anionowe; amfoteryczne; kationowe; 2. Niejonowe nieoksyetylenowe; oksyetylenowe Emulsje Emulsja to heterogenny układ, składający się, z co najmniej dwóch odrębnych (niemieszających się ze sobą lub mieszających się w ograniczonym zakresie) faz ciekłych, z których jedna jest rozproszona 1 Molski M., Chemia piękna, PWN, Warszawa 2010; Marzec A., Chemia kosmetyków; surowce półprodukty preparatyka wyrobów, wyd. Dom Organizatora, Toruń

3 (wewnętrzna lub nieciągła) w drugiej (zewnętrznej lub ciągłej) w postaci drobnych kropli. W dobrej, stabilnej emulsji górna granica rozmiarów kropel fazy rozproszonej wynosi 5 mikronów Typy emulsji Wyróżnia się różne typy emulsji: emulsje proste hydrofilowo-lipofilowe (H/L) lub lipofilowo-hydrofilowe (L/H), a nie tylko woda w oleju (W/O) lub olej w wodzie (O/W), ponieważ faza tłuszczowa nigdy nie składa się wyłącznie z oleju, a faza wodna nigdy wyłącznie z wody (zwykle jednak stosuje się określenie O/W i W/O); emulsje potrójne, złożone z fazy tłuszczowej, fazy wodnej i fazy stałej lub fazy jednocześnie hydrofobowej i lipofobowej (oleje fluorowane); emulsje wielokrotne, L/H/L lub H/L/H; emulsje submikronowe lub miniemulsje, w których rozmiar cząsteczek fazy rozproszonej jest mniejszy od 1 mikrometra (między około 500 nm. i 1µm); nanoemulsje (mikroemulsje), których rozmiar cząsteczek rozproszonych nie przekracza kilkuset nanometrów (między 100 i 500 nm.) 3. Rysunek 1 Typy emulsji Źródło: 2 Jurkowska S, Surowce kosmetyczne, Ośrodek Informatyczno-Badawczy Ekoprzem, Dąbrowa Górnicza Martini M.C., Kosmetologia i farmakologia skóry, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2007,

4 3. Emulgatory Zawiesina cząsteczek płynnej substancji niepolarnej w płynnej substancji polarnej jest mieszaniną bardzo nietrwałą mieszanina oleju i wody poddana nawet bardzo intensywnej homogenizacji ulega rozwarstwieniu w ciągu kilku minut. Wynika to z działania sił na granicy faz napięcie powierzchniowe ukierunkowane jest tak, aby jak najbardziej ograniczyć powierzchnię zetknięcia się ze sobą dwóch faz o różniej polarności. Aby uzyskać emulsję należy obniżyć napięcie na granicy tych dwóch faz, czyli zlikwidować siły odpychania prowadzące do rozwarstwienia się cieczy. W tym przypadku należy zastosować substancje, jakimi są emulgatory. Emulgatory to substancje stosowane do otrzymania jednorodnych układów, składających się z niemieszających się faz: hydrofobowej i hydrofilowej. Rysunek 2 Budowa cząsteczki emulgatora Źródło: nkrev4.shtml Cechą charakterystyczną emulgatorów jest jednoczesna obecność grup hydrofilowej i hydrofobowej 4. Grupa hydrofilowa emulgatora wnika w fazę wodną, a hydrofobowa w fazę olejową. Takie ruchy amfifilowych cząsteczek wokół fazy rozproszonej powodują powstanie charakterystycznych sferycznych agregatów, jakimi są micelle. 4 Molski M., Chemia piękna, dz. cyt. 4

5 Rysunek 3 1.Schemat tworzenia miceli w/o 2. Schemat tworzenia miceli o/w Źródło: Cząsteczki emulgatora spinają więc w sposób trwały dwie niemieszające się ciecze, doprowadzając emulsję do stabilnego układu 5. Dobór emulgatora do rodzaju emulsji zależy od jego budowy proporcji pomiędzy częścią hydrofilową i hydrofobową. Polarność jest dla danego SPC wartością stałą, wyrażaną za pomocą tzw. stałej równowagi hydrofilowo-hydrofobowej (HLB Hudrophilic-Lipophilic Balance). HLB jest systemem opracowanym przez Griffina w latach 40-tych. Do dzisiaj ułatwia dobór środków powierzchniowo czynnych do konkretnych emulsji. HLB substancji niejonowych obliczana jest z następującego wzoru: ęż ą ęś ęż ą Obliczane w ten sposób wartości tworzą skalę od 0 do 20 (zwaną skalą Griffina). HLB substancji jonowych, często przekraczające górną granicę skali, wyznacza się metodami eksperymentalnymi, poprzez porównanie z wartościami obliczonymi. Im większa jest przewaga części hydrofilowej, tym wyższa wartość HLB-emulsje O/W. Emulgatory o przewadze właściwości lipofilowych stosowane są do wytwarzania emulsji typu W/O i mają niskie wartości HLB. SPC o HLB 0-2 nie wykazują właściwości emulgujących SPC o HLB 3-8 tworzą emulsje typu O/W SPC o HLB 6-16 tworzą emulsje W/O SPC o HLB >14 tworzą mikroemulsje Emulgator ma lepsze działanie jeśli jego fragment tłuszczowy ma podobną strukturę do emulgowanych tłuszczów np. w cząsteczce emulgatora i tłuszczu występują wiązania podwójne. Uogólniając, 5 Marzec A., Chemia kosmetyków, dz. cyt. 5

6 należy podkreślić, iż dobry efekt działania zapewniają jedynie emulgatory dobrane do określonego układu składników. Najlepsze wyniki osiąga się stosując mieszaninę różnych emulgatorów (o HLB wyznaczonym w oparciu o procentowy udział poszczególnych składników mieszaniny). Stężenie emulgatora jonowego jest zawsze ograniczone odziaływaniem elektrostatycznym (odpychaniem się jego cząsteczek). Wprowadzenie dodatkowego emulgatora niejonowego (pozbawionego ładunku elektrostatycznego) umożliwia ściślejsze upakowanie cząsteczek emulgatora na granicy faz, a tym samym skuteczniejsze obniżenie napięcia powierzchniowego. Stabilizujące działanie koemulgatorów niejonowych polega na utworzeniu wokół cząsteczek fazy rozproszonej specyficznej struktury lamelarnej, przypominającej świetlisty żel, zbudowany z cienkich blaszek naprzemiennie ułożonych obydwu faz. Taka struktura może mieć właściwości ciekłokrystaliczne i wykazuje się wysoką lepkością, przez co uniemożliwia zbliżenie się kropelek fazy rozproszonej Podział emulgatorów ze względu na pochodzenie 1. Emulgatory naturalne: cholesterol; lanolina; wosk pszczeli; lecytyny; sole kwasu cholowego występujące w żółci ssaków w formie związanej z glicyną lub tauryną; 2. Emulgatory syntetyczne: oksyetylenowane pochodne alkoholi i amidów tłuszczowych, alkilofenoli i amin tłuszczowych; estry alkoholi polihydroksylowych i ich oksyetylenowane pochodne; sole amoniowe 7. 6 Tamże; Jurkowska S, Surowce kosmetyczne, dz. cyt. 7 Molski M., Chemia piękna, dz. cyt. 6

7 3.2. Podział emulgatorów ze względu na budowę Rysunek 4 Schemat budowy surfaktantów. Od góry: niejonowe, anionowe, kationowe i amfoteryczne. anionowe jonowe kationowe emulgatory niejonowe amofoferyczne nie badące SPC Źródło: 1. Jonowe a) Anionowe, są to cząsteczki amfifilowe posiadające ładunek ujemny. Są dobrymi odtłuszczaczami, pianotwórcze, tworzą emulsje typu O/W. Mają odczyn zasadowy jednak otrzymywane emulsje są nietrwałe w ph poniżej 10, w obecności kationów Ca 2+, Mg 2+ dochodzi do inwersji emulsji prowadzącej do jej złamania. Z tego powodu częściej używane są połączenia mono-, di- i tri etanoloaminy z kwasami tłuszczowymi, które mają odczyn obojętny o większej zdolności emulgowania. Należą do nich: 7

8 mydła zasadowe sodowe oraz potasowe: R-COOM, gdzie M: Na, K, NH 4; alkilosarkozyniany: R-CO-N-CH 2 (CH 3 )-COOM; alkilosulfooctany: R-SO 3 -CH 2 -COOM; alkilotauryniany: CH 3 -NH-CH 2 -CH 2 -SO 3 M; siarczany alkoholi tłuszczowych o oksyetylenowanych alkoholi tłuszczowych: sole sodowe, potasowe R-SO 4 M i R-(C 2 H 4 O)n SO 4 M M-Na, K; sulfoniany parafin i olefin; izetioniany R-COO-CH 2 -CH 2 -SO 3 Na; fosforany alkilowe i oksyetylenowane fosforany alkilowe: R-O-PO 3 Na 2 i R- (C 2 H 4 O)n-O-PO 3 Na 2; R oznacza alkilową resztą tłuszczową b) Kationowe to cząsteczki amfifilowe posiadające ładunek dodatni. Mają słabe właściwości pianotwórcze oraz myjące, działają bakteriobójczo i grzybobójczo, dlatego stosowane są, jako środki konserwujące. Jeśli łańcuch alkilowy jest długi są antyseptyczne, działają również dezynfekująco. Najważniejsze jest jednak to, że mają zdolność wiązania się z keratyną, wykazują działanie nawilżające, kondycjonujące włosy. Tworzą emulsje typu O/W czwartorzędowe sole amoniowe; pochodne czwartorzędowych zasad heterocyklicznych; Rysunek 5 Kationowe czasteczki amfofilowe Źródło: rysunek własny c) Amfoteryczne to cząsteczki amfifilowe posiadające zarówno ładunek dodatni jak i ujemny, charakter cząsteczki jest zależny od ph. Należą do nich między innymi proteiny (żelatyna, kazeina), które są emulgatorami O/W pochodzenia naturalnego. Najbardziej powszechna w tej grupie emulgatorów jest lecytyna. Lecytyna jest mieszaniną fosfolipidów, w której dwie grupy hydroksylowe glicerolu są zestryfikowane resztami kwasów 8

9 tłuszczowych, a jedna kwasem fosforowym w polaczeniu z choliną. Otrzymywana jest z roślin oleistych bądź jaj, stosowana jest, jako emulgator w emulsjach typu O/W. 2. Niejonowe są to cząsteczki amfifilowe nieposiadające ładunku. Są to dobre emulgatory O/W oraz W/O. Jedną z ich zalet jest to, że nie są wrażliwe na zmiany w szerokim zakresie ph 4-9 oraz na dodatek elektrolitów. Z powodzeniem mogą być łączone z emulgatorami jonowymi. Są mniej drażniące od emulgatorów jonowych. Należą do nich: N-tlenki amin tłuszczowych; wyższe alkohole; cholesterol; lanolina; monoesterynian glicerolu; spany; tweeny; proteiny. 3. Emulgatory nienależące do środków powierzchniowo czynnych. Są to koloidy lipofilowe i pseudoemulgatory sproszkowane. bentonit; kaolin; stearyniany; wapniowy, magnezowy i glinowy Charakterystyka wybranych grup emulgatorów Estry tłuszczowe sorbitanu (Spany) Sorbitan powstaje z heksahydroksylowego alkoholu cukrowego, czyli, sorbitolu, który jest produktem redukcji grupy aldehydowej w glukozie. Podczas estryfikacji sorbitanu kwasami tłuszczowymi (laurynowy, palmitynowy, stearynowy, oleinowy) otrzymuje się estry sorbitanu, które są stosowane jako emulgatory W/O, stabilizatory emulsji, substancje zagęszczające i natłuszczające. Monoestry sorbitanu mają różną konsystencje, są znakomicie tolerowane przez skórę i błony śluzowe. HLB tych związków waha się pomiędzy 2-8. Podobne właściwości posiadają również triestry sorbitanu 9. 8 Tamże; Brud W.S. Glinka R., Technologia kosmetyków, Oficyna Wydawnicza MA,Łódź 2001; Marzec A., Chemia kosmetyków, dz. cyt. 9 Tamże; Molski M., Chemia piękna, dz. cyt. 9

10 Rysunek 6 Budowa estrów tłuszczowych sorbitanu Źródło: rysunek własny Monolaurynian sorbitanu Span 20 Monopalmitynian sorbitanu Span 40 Monostearynian sorbitanu Span 60 Monooleinian sorbitanu Span Oksyetylenowane estry sorbitanu (Tweeny) Otrzymywane są przez działanie tlenkiem etylenu na estry sorbitanu. Są to substancje hydrofilowe, emulgatory typu O/W stosowane są, jako środki zwilżające, natłuszczające, stabilizatory olejków perfumeryjnych i innych olejowych składników preparatów. Wartość ph 5 % roztworu zbliżone jest do ph skóry. Są trwałe tylko w obecności środków konserwujących 11. Rysunek 7 Budowa oksyetylenowanych estrów sorbitanu Źródło: 1y34k Euceryna Euceryna jest mieszaniną cholesterolu i innych alkoholi lanolinowych wydzielonych z lanoliny z waze- 10 Marzec A., Chemia kosmetyków, dz. cyt. 11 Tamże 10

11 lina i dodatkiem tłuszczów naturalnych. Jest to żółtawa substancja, topiąca się w 50 C. Stanowi bazę dla kremów i maści, emulgator emulsji typu W/O i pomocniczy emulgator O/W. Jest dobrze tolerowany przez skórę 12. Rysunek 8 Budowa cholesterolu Źródło: rysunek własny 3.4. Przykładowe emulgatory emulsji O/W i W/O alkohol cetylowy (C 16 H 33 OH) jest głównym emulgatorem w emulsjach typu W/O i pomocniczym w emulsjach O/W; bentonit jest dobrym stabilizatorem wodnych zawiesin i emulsji O/W; cerezyna stanowi ważny składnik stałych roztworów tłuszczowych i fazy tłuszczowej emulsji; cholesterol jest głównym emulgatorem emulsji W/O i pomocniczym w O/W; euceryna składnik pielęgnacyjnych emulsji W/O; guma arabska jest naturalnym polimerem hydrofilowym, emulgator O/W; sole kwasu oleinowego (tzw. mydła oleinowe) doskonałe emulgatory emulsji O/W; lanolina emulgator emulsji W/O i pomocniczy w emulsjach O/W; stearyna emulgator emulsji O/W; trójetanoloamina (N(CH 2 -CH 2 -OH) 3) dobry emulgator typu O/W stosowany w recepturze mleczek kosmetycznych, śmietanek i kremów; lecytyna oczyszczona jest stabilizatorem emulsji typu O/W, nieoczyszczona może utrwalać emulsje W/O; estry oksyetylenowe i oksypropylenowe kwasów tłuszczowych i alkoholi wielowodorotlenowych o nazwie handlowej Spany i Tweeny Tamże 13 Tamże 11

12 4. Podsumowanie Istnieje wiele substancji stosowanych, jako emulgatory w recepturze kosmetycznej. Są to substancje zarówno pochodzenia naturalnego takie jak lecytyna jak syntetycznego. Ich wspólnym zadaniem jest homogenizacja co najmniej dwóch niemieszających się ze sobą substancji, poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego w wyniku czego otrzymujemy trwałą emulsję. Dobór odpowiedniego emulgatora jest trudnym zadaniem, w jego doborze kierujemy się między innymi wartościami parametru HLB. Ważne jest, aby emulgator był dostosowany zarówno do przeznaczenia kosmetyku, jak i jego formy oraz współdziałał z innymi składnikami preparatu. Bibliografia 1. Brud W.S., Glinka R., Technologia kosmetyków, Oficyna Wydawnicza MA, Łódź Jurkowska S, Surowce kosmetyczne, Ośrodek Informatyczno-Badawczy Ekoprzem, Dąbrowa Górnicza Martini M.C., Kosmetologia i farmakologia skóry, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2007, Marzec A., Chemia kosmetyków, surowce półprodukty preparatyka wyrobów, Dom Organizatora, Toruń Molski M., Chemia piękna, PWN, Warszawa