Ćwiczenie 1 Temat: Emulsje kosmetyczne. Preparatyka i badanie

- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna -
Ćwiczenie 1
Temat: Emulsje kosmetyczne. Preparatyka i badanie właściwości.
Cel ćwiczenia: Poznanie wymagań przemysłu kosmetycznego w stosunku do emulsji.
Nabycie umiejętności preparatyki emulsji typu O/W i W/O. Rozróżnianie typów emulsji i
poznanie ich podstawowych właściwości. Badanie stabilności emulsji.
I. Część teoretyczna
Emulsje są najczęściej spotykaną formą wyrobów kosmetycznych. Emulsją
nazywamy układ utworzony z dwóch cieczy wzajemnie w sobie nierozpuszczalnych,
przy czym jedna z tych cieczy jest zawieszona (rozproszona) w drugiej w postaci małych
kuleczek, zwykle o średnicach od 0,05 do 0,001 mm. Zawiesiny o wyższym stopniu
rozdrobnienia są zbliżone do koloidów.
W emulsjach kosmetycznych jedną z cieczy jest na ogół woda lub roztwory wodne
substancji w niej rozpuszczonych, np. gliceryny, alkoholu, boraksu, kwasu cytrynowego.
Drugą cieczą są zwykle tłuszcze płynne i stałe, oleje węglowodorowe (np. olej wazelinowy,
parafinowy), mieszaniny węglowodorów z innymi składnikami, np. woskami, parafiną
substancjami biologicznie czynnymi. W przypadku, gdy poszczególne składniki topią się w
różnych temperaturach, mieszaninę ogrzewa się do takiej temperatury, aby wytworzył się
jednolity roztwór.
Postać emulsji znana jest od stuleci. Większość baz kremowych wywodzi się z tzw.
kold kremów (cold cream - ang., unguentum leniens - łac.). Po raz pierwszy sposób
otrzymywania tego typu preparatu opisał już w II w. p.n.e. Claudius Galen w Methodus
Medendi vel de Morbis curandis. Wszystkie Farmakopee podają jego skład, który klasycznie
zawiera w różnych proporcjach wosk pszczeli, olej roślinny, olbrot i wodę. Warto tu
nadmienić, iż w postaci emulsji wytwarzane są nie tylko kosmetyki pielęgnacyjne do twarzy i
ciała, ale w formie tej produkuje się również wiele innych produktów: odżywki do włosów,
preparaty do trwałej ondulacji, dezodoranty, a ostatnio nawet wyroby perfumeryjne.
Powodem, dla którego większość kosmetyków produkuje się właśnie w formie emulsji jest to,
że za ich pomocą osiąga się homogeniczny układ wielu niemieszających się składników,
takich jak tłuszcze, woski, substancje zapachowe, woda. Dzięki temu przy ich pomocy można
wprowadzić do jednego układu recepturalnego zarówno rozpuszczalne w tłuszczach związki
niepolarne, jak i rozpuszczalne w wodzie surowce biologicznie aktywne o charakterze
1
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna polarnym. Ponadto wiele olejowych składników emulsji niezbędnych do prawidłowego
zabezpieczenia skóry przed nadmiernym wysuszeniem, zapewniających jej odpowiednią
elastyczność i miękkość, stosowanych samodzielnie, powoduje jej nadmierną tłustość i
lepkość. Ponieważ nie zawsze bywa to akceptowane przez konsumentów, stąd też są one
chętniej stosowane w postaci preparatu emulsyjnego. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż
udział wody w preparacie kosmetycznym w dużym stopniu obniża jego koszt. Opracowanie
receptury wyrobu polega na wyborze surowców odpowiednich do przeznaczenia i sposobu
działania preparatu kosmetycznego, a także typu emulsji, jaki chcemy uzyskać.
Każda emulsja kosmetyczna składa się z substancji tłuszczowo-woskowych,
emulgatorów, wody oraz związków biologicznie aktywnych, które za ich pomocą są
przenoszone. Wszystkie surowce stanowiące fazę tłuszczową preparatu kosmetycznego
określa się jako osnowę tłuszczowo-woskową (inaczej: bazę, a w farmacji – podłoże). Ze
względu na zasadniczy wpływ bazy tłuszczowej na właściwości kosmetyczne preparatu
emulsyjnego, musi ona spełnić szereg określonych wymagań zarówno pod względem
stabilności, jak i pewnej funkcjonalności. Właściwości penetrujące bazy tłuszczowej w
dużym stopniu zależą od budowy chemicznej, a w szczególności polarności poszczególnych
jej składników. Związki niepolarne typu wosków czy olejów mineralnych nie są wchłaniane
przez skórę. Ich rola polega głównie na wytworzeniu ochronnego filmu na powierzchni
naskórka, zabezpieczającego go przed działaniem czynników zewnętrznych i zapobiegającego
jego wysuszeniu. Ilość tych surowców w pielęgnacyjnym preparacie kosmetycznym powinna
być jednak ograniczona ze względu na utrudnione przenikanie substancji czynnych oraz
zatykanie ujścia przewodów gruczołów łojowych i potowych (działanie komedogenne).
Wywodzą się z następujących grup:
- triacyloglicerole - głównie oleje roślinne są składnikami, które generalnie
zapewniają działanie natłuszczające i zmiękczające skórę.
- alkohole (np. cetylowy, cetostearylowy) i kwasy tłuszczowe (m. in. palmitynowy,
stearynowy), to także czynniki natłuszczające, wpływające jednocześnie na konsystencję
emulsji oraz nadające jej wygląd perłowy.
- estry kwasów tłuszczowych i rozgałęzionych alkoholi, takie jak mirystynian czy też
palmitynian izopropylu należą do surowców, które dobrze rozprzestrzeniają się na skórze i
łączą się z hydrofobowymi składnikami emulsji. Posiadają one własności zmiękczające i
penetrujące naskórek (emolienty). Pokrywają skórę cienką warstewką, nie pozostawiającą na
niej uczucia lepkości, stwarzającą natomiast możliwość wymiany tlenowej i wodnej z
otoczeniem. Związki te umożliwiają dodatkowo wprowadzenie do receptury lanoliny i innych
2
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna wosków (pszczeli, olbrot, woski syntetyczne), które nadają skórze miękkość i elastyczność
oraz stabilizują emulsje i regulują jej konsystencję.
Przyrządzanie emulsji polega na dodawaniu oleju do roztworu wodnego przy silnym
mieszaniu. Otrzymuje się wtedy zawiesinę oleju w wodzie, tzn. olej jest substancją
rozproszoną (zdyspergowaną) w wodzie, a otrzymana w ten sposób emulsja jest nazywana
emulsją typu olej w wodzie (O/W). Natomiast przez dodawanie roztworu wodnego do
roztworu olejowego przy silnym mieszaniu, otrzymuje się zawiesinę wody w oleju, tzn. woda
jest rozproszona (zdyspergowana) w oleju. Tak otrzymana emulsja nazywa się emulsją typu
woda w oleju (W/O).
Trzecim typem emulsji są emulsje podwójne, w których krople wody rozproszonej
zawierają w sobie jeszcze mniejsze kropelki fazy rozpraszającej (dyspersyjnej). Wyróżnia się:
O/W/O – układ oleju w wodzie zdyspergowanego dodatkowo w oleju;
W/O/W – układ wody w oleju zdyspergowanego dodatkowo w wodzie.
Konsystencja lub gęstość emulsji zależy od wielu czynników: zawartości fazy
rozproszonej, rodzaju emulgatora, lepkości fazy rozpraszającej i obecności w tej fazie
substancji konsystencjotwórczych.
W tabeli zestawiono dane, z których wynika zależność pomiędzy zawartością
poszczególnych faz, typem emulsji a jej zastosowaniem.
Typ emulsji
O/W
Zawartość fazy rozproszonej
< 20 – 30%
O/W
> 20 – 30%
W/O
20 – 40%
Zastosowanie
Kremy nawilżające, znikające, podkładowe,
balsamy do ciała, maseczki, szampony
kremowe, dezodoranty, niektóre odżywki do
włosów
Kremy uniwersalne, niektóre cold-kremy,
kremy na noc, lekkie kremy pod oczy,
mleczka, niektóre odżywki do włosów
Kremy tłuste, na noc, pod oczy, kremy
uniwersalne, ochronne, do masażu, mleczka
do demakijażu.
Jak wynika z powyższego zestawienia, spotykamy się z różnymi kryteriami podziału
emulsji. Zależnie od konsystencji wyróżniamy:
kremy - emulsje na tyle gęste, że zachowują przez pewien czas kształt
powierzchni,
mleczka kosmetyczne - układy o własnościach typowych dla cieczy, dające
się przelewać,
balsamy - forma pośrednia pomiędzy mleczkiem i kremem.
3
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna Warto tu zwrócić uwagę na fakt, że w wielu wypadkach konsystencja emulsji nie
zależy ani od jej rodzaju, ani od zawartości fazy olejowej. I tak znane są typowe mleczka
W/O o wysokiej zawartości ciał tłuszczowych, jak i kremy W/O o zawartości tylko kilku
procent tłuszczu. Od składu i typu emulsji zależy stopień i szybkość resorpcji substancji
aktywnych. Ustalenie jednak dokładnych zależności pomiędzy tymi parametrami, podobnie
jak i w przypadku zdolności penetracyjnych jest sprawą bardzo skomplikowaną. Problem z
ustaleniem ich wynika między innymi z faktu, iż właściwości te w dużym stopniu
uwarunkowane są rodzajem skóry użytkownika, jego wiekiem czy płcią. Pod względem
typów zastosowań kosmetyki emulsyjne dzieli się na odżywcze, czyszczące, ochronne, tłuste,
półtłuste, nawilżające itp. Najwięcej kontrowersji budzi to ostatnie określenie, stosowane do
lekkich kremów i śmietanek, gdyż poza wyrobami o specjalnym przeznaczeniu wszystkie
kosmetyki o działaniu pielęgnacyjnym powinny zapewnić odpowiednie nawilżenie skóry.
Typ emulsji można rozpoznać przy pomocy prostej próby rozcieńczania wodą:
emulsja typu O/W daje się łatwo wymieszać z wodą na jednorodne mleczko;
emulsja typu W/O po wymieszaniu z wodą tworzy grudki i kłaczki.
Wszystkie dobrze oczyszczone tłuszcze płynne i stałe oraz węglowodory naftowe (olej
wazelinowy i parafinowy, wazelina, parafina) w wodzie trudno się emulgują, a wytworzone
emulsje są nietrwałe. Można je utrwalić przez dodanie substancji wytwarzających z wodą
roztwory koloidowe (np. kleiku skrobiowego, żelatyny, białka, kazeiny, agaru, pektyny,
tylozy) i wskutek tego przeszkadzających łączeniu się poszczególnych kuleczek oleju. W ten
sposób przyrządzane są niektóre płyny emulsyjne, np. mleczko kosmetyczne.
Większość emulsji jest sporządzana przy zastosowaniu emulgatorów, tj. substancji
ułatwiających otrzymanie emulsji.
Emulgatory stosowane do produkcji kosmetyków można podzielić na:
syntetyczne (otrzymywane w wyniku złożonych reakcji chemicznych),
naturalne.
W grupie emulgatorów syntetycznych największe znaczenie mają produkty
przyłączenia tlenku etylenu do alkoholi tłuszczowych zawierających 16-18 atomów węgla w
łańcuchu węglowodorowym. Liczbę cząsteczek połączonych z alkoholem określa się jako
stopień oksyetylenowania. Zależnie od stopnia oksyetylenowania otrzymuje się substancje o
różnej polarności. Związki o niskim stopniu oksyetylenowania (2-5) stosuje się do
wytwarzania emulsji typu W/O, a o wyższym stopniu oksyetylenowania (8-20) jako
emulgatory O/W. Stopień oksyetylowania wpływa na wielkość parametru HLB (Hydrophilic
4
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna Lipophilic Balance), tak więc o rodzaju emulsji (O/W czy W/O) decyduje przede wszystkim
rodzaj zastosowanego emulgatora.
II. Część doświadczalna
Ćwiczenie polega na wykonaniu 2 preparatów, wskazanych przez prowadzącego zajęcia,
spośród 5 zaproponowanych receptur. Należy obliczyć ilość składników, przyjmując końcową
masę preparatu 20 g.
Odczynniki:
Nazwa
Wosk pszczeli
Ilość
4,0 g
Olej parafinowy
20,0 g
Olej sojowy (oliwa z oliwek)
15,0 g
PEG-7 glyceryl cocoate
Polysorbate - 80
1,5 g
0,2 g
Dimethicone
0,3 g
Kwas stearynowy
Alkohol cetylowy
Alkohol stearylowy
Lanolina
Mirystynian izopropylu
Wosk Carnauba
Boraks Na2B4O7 x 10 H2O
(stały)
Trójetanoloamina (C2H5)3N
Wodorotlenek potasowy stały
Gliceryna C3H5(OH)3
Glikol propylenowy
Guma ksantanowa
Alantoina
Wyciąg
ziołowy
(np.
rumianek, lipa), ew. suche
zioła
Ester metylowy kwasu phydroksybenzoesowego 10 %
r-r w etanolu (10 g + 90 g
(112,5 cm3) etanolu
Zapach, antyutleniacz
7,0 g
0,5 g
0,5 g
1,0 g
0,7 g
0,8 g
0.2 g
Sprzęt:
Nazwa
Zlewka 50 cm3
100 cm3
Mieszadło
mechaniczne
Termometr
(do
100oC)
Pipeta 10 cm3
Mikroskop Boetius +
szkiełka
Probówki
Pipetka polietylenowa
Ilość
4 szt
4 szt
1 szt
1 szt
1 szt.
2 szt.
1 szt.
5,0 g
0,2 g
10,0 g
2,0 g
0,1 g
0,1 g
100,0 g
1,0 g
q.s.
5
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna 1. Otrzymywanie emulsji
W procesie emulgowania podczas łączenia fazy wodnej i tłuszczowej przyjmuje się
następującą zasadę: Fazę wodną dodaje się do fazy tłuszczowej dla emulsji W/O a fazę
tłuszczową do fazy wodnej dla emulsji O/W. Jednak w praktyce laboratoryjnej, ze
względu na niewielkie ilości składników i znaczną lepkość fazy tłuszczowej, w
przypadku obu rodzajów emulsji fazę wodną dodaje się do fazy tłuszczowej.
Ćwiczenie 1. Otrzymywanie kremu tłustego typu cold krem – emulsja typu W/O
Składnik/Nazwa INCI
Paraffinum liquidum
Bees wax
Olive Oil / Soia oil
Tetraborate
Aqua
Preservatives,
fragrances
Wykonanie:
pigments,
Ilość [% wagowe]
30
16
20
Ilość [g]
0,8
do 100
q.s.
Do zlewki 50 cm3 odmierzyć składniki fazy wodnej (obliczoną ilość wody i boraks).
W drugiej zlewce odważyć obliczone ilości składników fazy tłuszczowej (wosk pszczeli, olej
roślinny i olej parafinowy). Fazę tłuszczową ogrzać na łaźni wodnej do stopienia, zmierzyć
temperaturę i do takiej samej temperatury ogrzać wodę z boraksem. Całość mieszać do
ostygnięcia do temperatury 35 – 40 oC i dodać olejek zapachowy. Mieszanie końcowe
powinno być dość intensywne w całej masie. Najlepiej stosować mieszadło mechaniczne
(łopatkowe, kotwicowe). Mieszać należy do momentu ustabilizowania się konsystencji
kremu. Nie wolno dopuścić do zapowietrzenia mieszaniny. Konserwant i antyutleniacz,
zależnie od ich rozpuszczalności, wprowadza się na początku mieszania do fazy wodnej lub
tłuszczowej.
Ćwiczenie 2. Otrzymywanie kremu tłustego – emulsja typu O/W
Składnik/Nazwa INCI
Paraffinum liquidum
Olive Oil
Stearic acid
Triethanolamine
Glicerin
Aqua
Preservatives,
fragrances
6
pigments,
Ilość [% wagowe]
20
25
15
5
3
do 100
q.s.
Ilość [g]
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna Wykonanie: j.w.
Ćwiczenie 3. Otrzymywanie kremu o małej zawartości tłuszczu – emulsja typu O/W
Krem alantoinowy
Składnik/Nazwa INCI
Stearic acid
Lanolin
Cetyl alcohol
Propylene glycol
Potassium hydroxide
Alantoin
Aqua
Preservatives,
pigments,
fragrances
Wykonanie:
Ilość [% wagowe]
10
2
0,5
Ilość [g]
6
0,4
0,2
do 100
q.s.
Do zlewki 50 cm3 odmierzyć składniki fazy wodnej: obliczoną ilość wody i alantoinę.
Mieszać do rozpuszczenia alantoiny. Następnie dodać odważoną ilość KOH oraz glikol
propylenowy i wymieszać. W drugiej zlewce odważyć składniki fazy tłuszczowej, stopić.
Obie fazy podgrzać do takiej samej temperatury i połączyć. Mieszać do ostygnięcia.
Ćwiczenie 4. Otrzymywanie emulsji o małej zawartości tłuszczu – emulsja typu O/W
Balsam ziołowy
Składnik/Nazwa INCI
Paraffinum liquidum
Stearic acid
Lanolin
Cetyl alcohol
Glycerin
Triethanolamine
Ziołowy wyciąg wodny (lipa,
rumianek)
Preservatives,
pigments,
fragrances
Wykonanie:
Ilość [% wagowe]
15
4
1
0,5
Ilość [g]
3
0,7
do 100
q.s.
Przygotować ziołowy wyciąg wodny (napar). W tym celu 10 g ziół zalać 500 cm3
wrzącej wody (2 g czyli jedną saszetkę zaparzać w 100 cm3 wrzątku). Ogrzewać w zależności
od stopnia rozdrobnienia ziół 10 – 30 minut, nie dopuszczając do wrzenia. Następnie napar
odcedzić i schłodzić do wymaganej temperatury. Odmierzyć wymaganą ilość i dodać
pozostałe składniki fazy wodnej. Dalsze czynności wykonać jak dla emulsji w poprzednich
ćwiczeniach.
7
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna Ćwiczenie 5. Otrzymywanie emulsji o małej zawartości tłuszczu i małej lepkości –
emulsja typu O/W
Mleczko do demakijażu
Składnik/Nazwa INCI
Paraffinum liquidum
Glyceryl Cocoate
Isopropyl myristate
Carnauba wax
Polysorbate - 80
Dimethicone
Stearyl alcohol
Glycerin
Xanthan gum
Aqua
Preservatives,
fragrances
Wykonanie:
Ilość [% wagowe]
5
5
3
3
1
1
0,5
pigments,
Ilość [g]
5
0,1-0,3
do 100
q.s.
Przygotować fazę wodną począwszy od rozpuszczenia gumy ksantanowej w części
wody przy intensywnym mieszaniu, dolać pozostałą ilość wody oraz glicerynę. W drugiej
zlewce odważyć składniki fazy tłuszczowej, stopić poprzez ogrzewanie na łaźni wodnej.
Dalsze czynności wykonać jak dla emulsji w poprzednich ćwiczeniach.
2. Badanie otrzymanych emulsji
Po zakończeniu mieszania ocenić jednorodność otrzymanych emulsji. W tym celu
należy pobrać niewielką ilość mieszaniny (wielkości kropli), umieścić ją na szkiełku
mikroskopowym, nakryć drugim szkiełkiem, umieścić na stoliku aparatu. Włączyć aparat i
obejrzeć preparat w powiększeniu. Wykonać odręczny rysunek obrazu spod mikroskopu.
Włączyć podgrzewanie stolika i ponowić obserwacje. Jeżeli widać jakieś zmiany,
opisać ich charakter oraz zanotować temperaturę, przy której zmiany mają miejsce. W
opisany powyżej sposób zbadać próbkę dowolnej emulsji „fabrycznej” (np. kremu do rąk).
Zanotować obserwacje.
Pobrać niewielką ilość (ok. 0.5 g) otrzymanych emulsji do probówek, dodać 5 cm3
wody i wymieszać. Zanotować obserwacje.
8
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna Po
zakończonych
ćwiczeniach
otrzymane
preparaty
przedstawić
do
oceny
prowadzącemu, a następnie zabezpieczyć je do następnych zajęć i przedstawić ponownie
do oceny.
III. Sprawozdanie
Opisać przeprowadzone procesy, podać własne obserwacje, np. czas ucierania, objawy
zapowietrzenia emulsji, konsystencję produktu końcowego, jednorodność otrzymanej
mieszaniny. Należy umieścić także opis wykonania preparatu, wyjaśnić wszystkie obserwacje
dokonane podczas pracy laboratoryjnej (np. szybkość łączenia się składników, zmętnienie,
pienienie itp.). Scharakteryzować rolę poszczególnych składników emulsji. Wskazać
składniki, które pełnią rolę emulgatorów. Umieścić rysunek obrazu emulsji spod mikroskopu.
Dodać komentarz. Opisać zmiany zachodzące pod wpływem podwyższonej temperatury oraz
zachowanie emulsji pod wpływem wody. Opis poszczególnych składników należy podać
według poniższego wzoru (patrz także: Karta pracy ucznia). Zawartość procentową należy
obliczyć biorąc pod uwagę faktycznie dokładnie naważone ilości składników, bowiem w
recepturze podane są ilości orientacyjne.
Nazwa preparatu:……………………………………………………………………………...
Rola składnika w
Składnik/Nazwa
INCI/handlowa/chemiczna recepturze
Działanie
Zaw. % składnika
kosmetyczne
w recepturze
składnika
Opis wykonania i obserwacje: ………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………..
Ocena preparatu
Bezpośrednio po wykonaniu:
Minimum tydzień po wykonaniu
Data:
Data:
Podpis
Podpis
9
- Chemia w kosmetologii dla liceum - Preparatyka kosmetyczna IV. Wymagania teoretyczne:
Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe. Rodzaje emulsji. Podział emulsji ze
względu na rodzaje faz. Podział emulsji ze względu na wielkość cząstek. Składniki emulsji
kosmetycznych i ich właściwości. Rodzaje emulgatorów i ich rola w emulsjach.
Charakterystyka emulgatorów za pomocą HLB. Lepkość i jej charakterystyka. Zastosowanie
emulgatorów w emulsjach kosmetycznych. Kryteria doboru emulgatorów. Lepkość emulsji.
Stabilność emulsji i metody jej badania. Śmietankowanie, sedymentacja, flokulacja,
koalescencja i złamanie emulsji. Mechanizmy stabilizacji emulsji. Konserwanty preparatów
kosmetycznych – przykłady. Przykłady emulsji w wyrobach kosmetycznych. Charakterystyka
kold-kremów.
V. Utylizacja
Po zakończeniu ćwiczenia otrzymane emulsje składować w pojemniku na odpady
komunalne.
VI. Zalecana literatura
1.
W. S. Brud, R. Glinka, Technologia kosmetyków. Wybrane zagadnienia, Łódź, 2001.
2.
M. Mrukot, Receptariusz kosmetyczny, Małopolska Wyższa Szkoła Zawodowa w
Krakowie, Kraków 2004.
3.
M. Molski, Chemia piękna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.
4.
E. Fink, Kosmetyka. Przewodnik po substancjach czynnych i pomocniczych, MedPharm
Polska, 2007.
5.
W. Malinka, Zarys chemii kosmetycznej, Volumed, Wrocław, 1999.
6.
J. Arct, O kosmetykach praktycznie, WN-T, Warszawa, 1987.
7.
A. Marzec, Chemia kosmetyków – surowce, półprodukty, preparatyka wyrobów, Dom
Organizatora, Toruń, 2001.
8.
J. Gilewicz, Emulsje, PWN, Warszawa, 1957.
9.
J. Ogonowski, A. Tomaszkiewicz-Potępa, Związki powierzchniowo czynne, Politechnika
Krakowska, Kraków, 1999.
VII. Opracowanie ćwiczenia i instrukcji: Danuta Kroczewska (wrzesień 2004,
uzupełnienie – wrzesień 2009)
10