e performance - Evonik Personal Care

ARTICOLI
Naturalità, sostenibilità
e performance
Nuovi Ingredienti
per il Personal Care
Brajesh Jha, Juergen Meyer, Gabriele Polak
Evonik Goldschmidt GmbH, Essen, Germany
INTRODUZIONE
I consumatori di cosmetici sono sempre di più alla ricerca di prodotti che non solo migliorino il loro benessere personale, ma che abbiano anche
un minore impatto sull’ambiente. I prodotti che
vantano caratteristiche di naturalità (verdi) e di
sostenibilità sono in continua crescita ed è sempre più facile incontrarli nel mercato cosmetico.
Per andare incontro alle esigenze dei consumatori, d’altro canto, è importante conoscere sia le
opportunità che le limitazioni della formulazione
dei prodotti naturali, con un approccio che trovi
il giusto equilibrio fra ecocompatibilità e prestazioni, mantenendo comunque allo stesso tempo
i costi ad un livello ragionevole.
La tendenza verso la sostenibilità sta cambiando sensibilmente il modo in cui coloro che formulano vedono le materie prime, i processi di
produzione e il packaging.
Per selezionare gli ingredienti, i formulatori devono considerare la natura del prodotto in sé e
il suo impatto ambientale. Inoltre deve essere
esaminato anche il processo di produzione dell’ingrediente cosmetico.
La produzione di sostanze chimiche tramite biocatalisi, conosciuta anche come ‘biotecnologia
bianca’ ha riscosso molto successo negli ultimi
anni. Per esempio, se per la produzione di un
estere di elevata purezza derivato da materie
prime vegetali, si impiega un metodo di produzione biotecnologico, i consumi di energia e le
emissioni possono essere ridotti fino al 75%.
Dal punto di vista della formulazione, la sfida più
grande quando si sviluppano prodotti naturali,
in accordo con i requisiti degli enti certificatori
come NaTrue o Cosmos, è di ottenere profili
sensoriali piacevoli, schemi formulativi flessibili
e compatibilità con i sistemi conservanti natu-
Parole chiave
Naturale
Sostenibile
Emollienti
Emulsionanti
Evonik Goldschmidt GmbH,
Goldschmidtstrasse 100,
45127 Essen, Germany
email [email protected]
rali in un ampio intervallo di pH, oltre alla stabilità dei prodotti e a costi ragionevoli, pur disponendo di una scelta limitata di materie prime
approvate.
PRODUZIONE SOSTENIBILE
DI ESTERI EMOLLIENTI
Il processo di produzione convenzionale di esteri emollienti porta a consumi di grandi quantità
di energia e a notevoli emissioni di anidride carbonica, poiché sono necessarie temperature
elevate e una serie di lavorazioni e processi di
purificazione. Un processo di esterificazione enzimatica ottimizzato include molti meno passaggi di produzione e avviene a temperature significativamente inferiori (Fig 1). Per confrontare
quantitativamente un processo di esterificazione enzimatica con il processo convenzionale, è
stato eseguito un Life Cycle Assessment (LCA)
nel quale sono stati quantificati tutti i potenziali
impatti ambientali dovuti ai processi di produzione.
Sono state studiate le 5 seguenti categorie di
impatto:
• Consumo di energia (MJ);
• Potenziale riscaldamento globale (Kg di CO2
equivalenti);
• Potenziale di acidificazione (Kg di SO2 equivalenti);
• Potenziale di arricchimento in nutrienti (Kg di
PO4 3- equivalenti);
• Potenziale di formazione di smog (Kg di etilene equivalenti).
La valutazione è stata condotta secondo le norme ISO 14040 ed è stata basata sui principi
descritti da Wenzel et al (1). Come ingrediente
per il LCA è stato usato l’estere emolliente
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Naturalità, sostenibilità e performance
Brajesh Jha, Juergen Meyer, Gabriele Polak
Esterificazione tradizionale
Esterificazione enzimatica
Materie prime
Materie prime
Componenti
volatili
deodorizzazione
Rifiuti acquosi
reazione
Vapore
decolorazione
Rifiuti acquosi
Catalizzatore
riciclato
Catalizzatore
reazione
Decolorante
drying
temperature
Rifiuti solidi
> 180°C
140°C
100°C
60°C
20°C
Sostanze
Filtranti
filtrazione
confezionamento
confezionamento
Figura 1 Confronto tra produzione tradizionale ed enzimatica di esteri emollienti
Tabella 1 Risparmi ottenuti con il processo enzimatico nella produzione di 5 ton di Myristyl Myristate, mediante Life Cycle Assessment
Parametri
Unità di
Tradizionale Enzimatico Risparmio
misura
Energia
(%)
MJ
22.500
8.630
62
kg CO2 eq
1518
582
62
Acidificazione
kg SO2 eq
10.58
1.31
88
Arricchimento in nutrienti
kg PO4 eq
0.86
0.24
74
kg C2H4 eq
0.49
0.12
76
Riscaldamento globale
Formazione di smog
to al processo convenzionale. Nella
produzione di ingredienti con il metodo
enzimatico, i consumi di energia e gli
effetti sul riscaldamento globale possono essere ridotti di più del 60%, il contributo all’acidificazione può essere ridotto fino al 90% e l’arricchimento in
nutrienti e la formazione di smog possono essere ridotti approssimativamente del 75%.
Myristyl Myristate (2), un prodotto di
largo impiego nell’industria cosmetica
(3). I risultati ottenuti per questo prodotto possono poi essere estrapolati
facilmente a tutti gli esteri cosmetici similari. Per ogni passaggio di entrambi
i processi produttivi sono stati calcolati i risultati relativi alle cinque categorie
di impatto sopra descritte.
I risultati del LCA (Tab 1) indicano chiaramente che il processo biocatalitico è
significativamente più ecologico rispet-
Oltre ad avere un ridotto impatto ambientale, i processi con catalisi enzima-
Cetyl Ricinoleate
OH
O
O
Produzione tradizionale
Produzione enzimatica
GC Signal
GC Signal
Prodotto
Prodotto
tica danno origine a esteri caratterizzati da una più elevata purezza (4). Alcuni prodotti come il Cetyl Ricinoleate,
per esempio, sono ottenibili solo con il
processo enzimatico, che minimizza la
formazione di sottoprodotti indesiderati. Se si usa un processo convenzionale di esterificazione, la funzione idrossilica nell’acido ricinoleico può dare origine alla formazione di esteri dimeri (Ricinyl Ricinoleate). Un processo biocatalitico è in grado di differenziare meglio tra gruppi OH primari e secondari
e di conseguenza porta ad un Cetyl Ricinoleate di elevata purezza (Fig 2).
Cetyl Ricinoleate (5) è un emolliente ceroso che ‘fonde’ sulla pelle e conferisce
un tocco setoso e vellutato alle formulazioni cosmetiche per la cura della pelle.
La tecnologia sostenibile a catalisi enzimatica è stata recentemente impiegata per la produzione di Oleyl Erucate (6), un estere proveniente al 100%
da materie prime vegetali, simile per
struttura e proprietà all’olio di jojoba
naturale. L’olio di jojoba è costituito da
una miscela di esteri, con catene che
vanno da 36 a 46 atomi di carbonio.
Ogni molecola di estere è formata da
un acido grasso e da un alcol grasso
legati da legame estereo. Il 98% delle
molecole di acido grasso mostra un’insaturazione al 9° carbonio (omega-9)
(7). L’Oleyl Erucate (Fig 3) è un estere
ceroso liquido dell’alcol oleilico (C18:1)
e dell’acido erucico (C22:1) ed è molto
simile ad uno dei componenti lipidici degli oli di jojoba. Per di più, grazie al fatto che la reazione enzimatica avviene a
temperature basse ed è molto semplificata, si ottiene un Oleyl Erucate di una
purezza estremamente elevata. Il colore del prodotto è significativamente più
chiaro rispetto a quello degli oli di Jojoba naturali (Fig 4) e ciò lo rende adatto all’uso in formule ‘sensibili’ al colore.
Per quanto riguarda l’applicazione sulla
pelle, Oleyl Erucate è un emolliente prezioso e dotato anche di buone proprietà di assorbimento e asciugatura: infatti lascia sulla pelle una sensazione di
morbidezza e non unge. In più è un so-
Cetyl Alcohol
Dimero
Cetyl Alcohol
23 %
61 % 12 %
Tempo
4%
Dimero
93 % 3 %
Figura 2 Purezza di Cetyl Ricinoleate prodotto per via tradizionale od enzimatica
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www.ceceditore.com
Tempo
Figura 3 Struttura chimica di Oleyl Erucate
cat., - H2O
OH
HO
ΔT
OH
Glicerina
O
HO
OH
+ stearic acid
+ citric acid
H
ΔT
OH
R1
O
n
R1
O
R1
O
Poliglicerolo-3
R1 = OH o
n = 3-4
O
OR2
R2
O R2 = H or
COC17 H35
n
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate
Oleyl Erucate
(enzimatico)
Jojoba Oil
(spremuto a freddo)
Jojoba Oil
(ecologico)
Figura 5 Descrizione schematica della sintesi di Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate
Figura 4 Confronto fra Oleyl Erucate prodotto
per via enzimatica, Jojoba Oil spremuto a freddo e Jojoba Oil ecologico
stituto ideale dell’olio di Jojoba: è stato
dimostrato che le proprietà sensoriali,
sia di emulsioni O/A che A/O, non
cambiano se si sostituisce l’olio di Jojoba con Oleyl Erucate.
Tabella 2 Confronto di alcuni emulsionanti naturali in un sistema di emulsione fluida O/A
Nomi INCI
A
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate
B
C
Polyglyceryl-3 Distearate
3.0%
Sorbitan Stearate; Sucrose Cocoate
3.0%
Stearyl Alcohol
NUOVO EMULSIONANTE
PER FORMULE NATURALI
Per poter offrire un vero cosmetico naturale e non solo un prodotto che vanta eco-compatibilità basandosi solo su
alcuni componenti ’verdi’, tutti gli ingredienti di una formula devono derivare
da fonti rinnovabili. Gli oli naturali e i
principi attivi naturali come gli estratti
di piante sono ampiamente disponibili,
e devono solo essere purificati prima di
essere incorporati in un cosmetico. Invece ingredienti dalle proprietà emulsionanti e stabilizzanti che siano naturali e con un profilo di prestazioni convincente sono ancora difficili da trovare
sul mercato delle materie prime cosmetiche.
Inoltre, per conservare i cosmetici naturali si usano principalmente acidi, come l’acido benzoico e l’acido sorbico, in
un intervallo di pH che va da 4.0 a 5.5
e alcuni emulsionanti naturali, come ad
esempio Glyceryl Stearate SE o Glyceryl
Stearate Citrate, non sono utilizzabili a
questi valori di pH.
Sodium Cetaryl Sulfate, un emulsionante ancora comunemente impiegato nelle formulazioni naturali, rappresenta
una scelta discutibile in termini di delicatezza e caratteristiche naturali.
D
3.0%
0.8%
Glyceryl Stearate
0.5%
Isopropyl Palmitate
2.5%
2.5%
2.5%
2.8%
Caprylic/Capric Triglyceride
4.5%
4.5%
4.5%
5.0%
Persea gratissima (Avocado) Oil
5.0%
5.0%
5.0%
5.0%
3.0%
3.0%
3.0%
3.0%
Sodium Cetearyl Sulfate
1.0%
Glycerin
Aqua (demineralizzata)
a 100%
a 100%
a 100%
a 100%
Xanthan Gum
0.5%
0.5%
0.5%
0.5%
Benzyl Alcohol,Benzoic Acid, Sorbic Acid
1.0%
1.0%
1.0%
1.0%
NaOH (sol 5%) (pH a 5.0)
qs
qs
qs
qs
Viscosità [Pas]
17
18
15
15
do stearico e quantitativi sub-stechiometrici di acido citrico (Fig 5). Dal momento che l’estere di poliglicerolo è solo parzialmente esterificato con acido
citrico, l’emulsionante è impiegabile anche a pH che vanno da 4.0 a 5.5,
quindi in formulazioni in cui siano presenti conservanti naturali come gli acidi organici. Inoltre, Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate è completamente biodegradabile.
La struttura e la composizione di
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate sono
state ottimizzate per supportare la formazione di strutture a cristalli liquidi
nelle emulsioni, pertanto il nuovo emulsionante è in grado di formare creme
ed emulsioni fluide O/A caratterizzate
da un profilo di stabilità eccellente senza la necessità di utilizzare viscosizzanti a base di poliacrilato (carbomer).
Polyglyceryl-3
Dicitrate/Stearate
Confronto con altri emulsionanti
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate (8) è
un nuovo emulsionante O/A, completamente a base di materie prime rinnovabili, ottenuto mediante condensazione del glicerolo a poliglicerolo-3 e
una successiva esterificazione con aci-
La ‘robustezza’ di Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate è dimostrata dal confronto con vari emulsionanti a base naturale in emulsioni fluide O/A, senza poliacrilati, conservate con una combinazione di alcol benzilico, acido benzoico
e acido sorbico a pH 5 (Tab 2).
Come emulsionanti per il confronto sono stati usati: Polyglyceryl-3 Distearate, Sodium Cetearyl Sulfate e la combinazione Sorbitan Stearate/Sucrose
Cocoate.
Nel caso di Sodium Cetearyl Sulfate,
un emulsionante anionico molto forte,
per ottenere un’emulsione fluida O/A
con una viscosità paragonabile alle altre emulsioni testate, è stato necessario abbassare la quantità di emulsionante ed aumentare la quantità dei fattori di consistenza.
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate produce emulsioni dalla stabilità eccellente, mentre le emulsioni a base di
Polyglyceryl-3 Distearate, Sorbitan
Stearate/Sucrose Cocoate e Sodium
Cetearyl Sulfate mostrano una stabilità
insufficiente alle alte temperature e
danno separazione di acqua nel sistema esaminato.
Inoltre, l’emulsione con Sodium Cetearyl Sulfate a temperatura ambiente
mostra un aspetto viscido e le emulsioni basate su Sorbitan Stearate/Sucrose Cocoate mostrano significative cadute di viscosità (Tab 3).
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Naturalità, sostenibilità e performance
Brajesh Jha, Juergen Meyer, Gabriele Polak
Tabella 3 Risultati delle prove di stabilità di emulsioni fluide O/A formulate con alcuni emulsionanti
naturali
Emulsioni
Stabilità a
Stabilità
Stabilità
T ambiente
al calore
al freddo
(40 e 45°C)
(-5°C (1 mese) e
3 x -15°C/RT)
A
(Polyglyceryl-3 Dicitrate /Stearate)
Stabile
Stabile
per > 3 mesi
per > 3 mesi
B
Stabile
Separazione di acqua
(Polyglyceryl-3 Distearate)
per > 3 mesi
dopo 1mese a 45°C
C
Caduta di
Separazione completa
viscosità
dopo 1mese a 45°C
Aspetto viscido
Separazione di acqua
(Sorbitan Stearate, Sucrose Cocoate)
D
(Sodium Cetearyl Sulfate)
Stabile
Stabile
Stabile
Stabile
dopo 2 mesi a 45°C
Tabella 4 Esempio di un’emulsione fluida O/A con Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate e Oleyl Erucate
eco-compatibilità dei prodotti cosmetici senza comprometterne le prestazioni.
Gli esteri prodotti con il metodo enzimatico sono caratterizzati da un’elevata purezza e consentono di risparmiare sui consumi di energetici e di ridurre in maniera significativa gli impatti sul
riscaldamento globale e sulla formazione di smog dovuti alla produzione degli
stessi.
L’Oleyl Erucate è un nuovo emolliente
enzimatico. Può essere impiegato in alternativa all’olio di Jojoba e rispetto a
quest’ultimo è più puro, meno giallo e
caratterizzato da una qualità più costante.
Latte naturale per il corpo (F 11/10-16)
Fase
A
Ingredienti (nomi INCI)
Nome commerciale
%
Polyglyceryl-3Dicitrate/Stearate
TEGO® Care PSC 3
3.0
Caprylic/Capric Triglyceride
TEGOSOFT® CT
4.0
Oleyl Erucate
TEGOSOFT® OER
Prunus amygdalus dulcis Oil
B
3.0
5.0
Aqua
80.5
Glycerin
3.0
C
Xanthan Gum
D
Sodium Hydroxide (10 % in acqua)
E
Benzyl Alcohol, Glycerin,
Z
Parfum
Benzoic Acid, Sorbic Acid
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate è un
emulsionante O/A versatile e robusto
che facilita notevolmente lo sviluppo di
formulazioni naturali.
Keltrol CG-SFT, CPKelco
0.5
0.2
Rokonsal BSB-N, ISP
Entrambe le tecnologie descritte illustrano come, mediante l’innovazione,
sia possibile soddisfare le sempre
maggiori esigenze di prodotti naturali
da parte dei consumatori.
0.8
qs
BIBLIOGRAFIA
Preparazione
1 Scaldare le fasi A e B separatamente a 70 - 75°C
1 Wenzel H, Haushild M, Alting L (1997)
2 Aggiungere A a B sotto agitazione1
Environmental Assessment of Products Vol 1,
3 Omogeneizzare
Kluver Academic Publishers, Dordrecht,
The Neterlands
4 Raffreddare agitando moderatamente
2 Evonik (2005)
5 Aggiungere C a 40°C
Report on TEGOSOFT® MM
6 Omogeneizzare brevemente
7 Aggiungere D
Essen, Germany
8 Aggiungere E e regolare il pH a 5.0 - 5.5.
3 Thum O, Oxenboll KM (2008)
Biocatalys-A Sustainable Method for the
Importante Se la fase A deve essere caricata nel miscelatore per prima, la fase B va aggiunta senza agitare
1
Production of Emollient Esters
SOFW J 134(1/2) 44-47
4 Thum O (2005)
L’utilizzo di Polyglyceryl-3 Dicitrate/
Stearate in combinazione con Oleyl Erucate è illustrato in un esempio di emulsione fluida O/A (Tab 4).
Il profilo sensoriale delle emulsioni a base di Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate
può essere modificato cambiando la
quantità e gli ingredienti della fase oleosa. Si può in generale ottenere un’ampia
gamma di strutture, dalla più soffice alla più ricca. In generale, il profilo sensoriale di questo nuovo emulsionante è simile a quello dei noti emulsionanti
Polyglyceryl-3 Distearate e Polyglyceryl3 Methylglucose Distearate.
20
2011 Vol 14(3)
www.ceceditore.com
Applicazioni
Polyglyceryl-3 Dicitrate/Stearate è compatibile con un’ampia gamma di principi
attivi e con gli elettroliti. La versatilità e
la robustezza che lo caratterizzano lo
rendono una scelta interessante per
formulare emulsioni nell’ambito dei
prodotti naturali.
Biokatalyse: Nachaltige Produktion kosmetischer Inhaltstoffe SOFW J 131(8) 20-23
5 Evonik (2005)
Report on TEGOSOFT® CR
Essen, Germany
6 Evonik (2010)
Report on TEGOSOFT® OER
Essen, Germany
7 Spencer GF, Plattner RD, Miwa TJ (1977)
Jojoba oil analysis by high pressure liquid
CONCLUSIONI
chromatography and gas chromatography/
mass spectrometry
I progressi tecnologici nella produzione
di materie prime cosmetiche innovative
basate sulla sostenibilità, permettono
a chi formula di migliorare il profilo di
J Am Oil Chem 54 187-189
8 Evonik (2010)
Report on TEGO® Care PSC3
Essen, Germany