Erweiterung der Auswahl an natürlichen Emulgatoren durch den Einsatz von synergistischen Mischungen aus Fasern

Kristin Köhler – Berg+Schmidt

Einleitung

Bei der Entwicklung natürlicher kosmetischer Emulsionen können Formulierer aus einer breiten Palette von Emulgatoren wählen. Die Standard-Emulgatoren sind auf dem Markt bekannt, in der Regel leicht verfügbar und bieten typische Texturen und sensorische Eigenschaften, an die Verbraucher und Formulierer gleichermaßen gewöhnt sind. Die meisten sind jedoch nur heiß verarbeitbar, neigen zum Weißeln auf der Haut, sind durch chemische Reaktionen (Veresterung) entstanden und können ein relativ wachsartiges Hautgefühl verursachen. Faserbasierte Emulgatoren sind kalt verarbeitbar, was zu geringeren Prozesszeiten und Energiekosten führen kann. Die gewünschte Galenik kann in der Viskosität, z.B. von Gel bis Creme, sowie im Aussehen und Hautgefühl variiert werden. Je nach Zusammensetzung können Fasermischungen von der komplementären Funktionalität der verwendeten löslichen und unlöslichen Faserverbindungen profitieren.

Ballaststoffe aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie

Ballaststoffe werden aus Seitenströmen der Lebensmittelindustrie gewonnen und lassen sich in lösliche und unlösliche Ballaststoffe aus Obst und Gemüse, z.B. Äpfeln, Hülsenfrüchten, Vollkornprodukten und Kleie unterteilen.^[1] Wiederverwertete und wasserlösliche Ballaststoffe werden seit vielen Jahren als Kohlenhydratpolymere, so genannte Hydrokolloide, zur Verbesserung der Produktstabilität und -haltbarkeit sowie als stabilisierende Geliermittel, z. B. in Suppen oder Dressings, eingesetzt. Typische Beispiele für kosmetische Anwendungen sind Pektin oder Gummis, z. B. aus Guar oder Johannisbrot.

Pickering Emulsionen

Im Gegensatz zu den Hydrokolloiden sind die unlöslichen Ballaststoffe vor allem für die Herstellung von Pickering-Emulsionen interessant, die eine andere Technik der Emulsionsbildung verwenden. Anstelle der traditionellen oberflächenaktiven Emulgatoren sind feste Partikel für die Stabilisierung der Öl-Wasser-Grenzfläche verantwortlich, um eine Koaleszenz zu verhindern. Feste Partikel können organischen oder anorganischen Ursprungs sein, wie z.B. Titandioxid, Ton oder - Fasern. Unlösliche Fasern können Glucane aus Getreidekleie oder andere Glucoseketten sein. Nicht alle Fasern verhalten sich in formulierten Produkten gleich. Insbesondere die festen Fasern erfordern mehr Screening-Arbeiten, um geeignete Komponenten zu finden. Die Benetzbarkeit der Partikel, das Öl-Wasser-Phasenverhältnis, die Adsorption der Feststoffpartikel an der Grenzfläche und die Oberflächenbedeckung durch Partikel sind entscheidende Aspekte, um geeignete unlösliche Fasern zu identifizieren.^[2]

Auswahl der Fasern

In Kenntnis der unterschiedlichen Eigenschaften von löslichen und unlöslichen Ballaststoffen führt deren Kombination zu einem synergistischen Wirkmechanismus, bei dem die unlöslichen Fasern eine Pickering-Emulsion erzeugen und die wasserlöslichen Komponenten die Emulsionsstabilität durch den Aufbau eines umgebenden hydrokolloidalen Netzwerkes unterstützen. Für die Entwicklung einer synergistischen Fasermischung wurden unter anderem folgende Kriterien festgelegt: Sie sollte Emulsionen mit ca. 20 Gew.-% Öl stabilisieren, O/W-Emulsionen sollten kalt verarbeitbar sein, ohne hohe Scherraten herstellbar sein und bei 40°C mindestens 3 Monate Stabilität aufweisen.

Das Screening von insgesamt 42 potenziell geeigneten Fasern umfasste verschiedene Tests, wie z. B:

• Visuelle Inspektion und Gelierbarkeit
• Partikelgrößenverteilung und Partikelgröße
• Öl- und Wasserbindekapazität
• Fähigkeit zur Bildung von Emulsionen
• Messung des Kontaktwinkels

Die Messung des Kontaktwinkels ist ein wichtiger Bestandteil der Gesamtanalyse. Partikel für die Pickering-Stabilisierung sollten sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Der ideale Kontaktwinkel liegt nahe bei 90°, d. h. etwas unter 90° für O/W-Emulsionen (die Partikel werden hauptsächlich von der Wasserphase benetzt) und etwas darüber für W/O-Emulsionen.

Aufgrund der Ergebnisse der Kontaktwinkelmessung kann davon ausgegangen werden, dass sich das Benetzungsvermögen beim Mischen der Fasern ändert. Am Ende des Screening-Prozesses wurden die folgenden Fasern identifiziert, die wie gewünscht als effizientes und kalt verarbeitbares Compound funktionieren und weitere wichtige kosmetische Funktionen aufweisen:

• Haferfasern, die für ihre hautberuhigenden und feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften bekannt sind, enthalten Beta-Glucane, die hervorragende wasserbindende Eigenschaften besitzen und zu einer verbesserten Hydratation und Unterstützung der Hautbarriere beitragen.
• Guarkernmehl, ein pflanzlicher Inhaltsstoff, der aus Guarbohnen gewonnen wird, wird wegen seiner verdickenden und stabilisierenden Eigenschaften seit langem in verschiedenen Industrien eingesetzt. In kosmetischen Formulierungen spielt Guarkernmehl eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Textur und Viskosität von Emulsionen und sorgt für einen gleichmäßigen und angenehmen Produktauftrag.
• Holzfasern, die aus nachhaltigen Quellen gewonnen werden, bieten inhärente Vorteile für kosmetische Formulierungen. Ihre Mikrostruktur und ihre hydrophile Natur ermöglichen eine effiziente Stabilisierung der Öl- und Wasserphasen und erleichtern die Bildung stabiler Emulsionen.

Nicht alle Ballaststoffe sind für den Einsatz in kosmetischen Formulierungen geeignet. Einige sind nicht farblos, haben keine angenehme Textur oder besitzen keine verdickenden oder emulgierenden Eigenschaften.

Die Formulierung des Produkts

Die Textur von kosmetischen Emulsionen spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung des Benutzererlebnisses und der Wirksamkeit des Produkts. Durch Variation der Konzentration der Ölphase kann eine breite Palette von Texturen erzielt werden. Die typische Textur wird mit dem in der Tabelle dargestellten Formulierungsbeispiel erreicht.

Fazit

Angesichts des wachsenden Interesses der Verbraucher an natürlichen und recycelten Produkten sind Formulierer gut beraten, die Arbeit mit Emulgator-Blends auf Faserbasis in Betracht zu ziehen, um die Vorteile der einfachen Verarbeitung und der synergistischen Wirkungsweise zu nutzen, die zu stabilen O/W-Emulsionen mit modernen sensorischen Eigenschaften führen.

[1] Hussain, S.; Jõudu, I.; Bhat, R.: Dietary Fiber from Underutilized Plant Resources—A Positive Approach for Valorization of Fruit and Vegetable Wastes. Sustainability 2020, 12, 5401.

[2] Berg + Schmidt GmbH & Co KG, unpublished dissertation results of 2022