e performance - Evonik Personal Care
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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 www.ceceditore.com • Cosmetic Technology ® 2011 • 14(3) 17-20 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 18 2011 Vol 14(3) 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). www.ceceditore.com 2011 Vol 14(3) 19 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