Emulsionen sind eine weit verbreitete physikalisch-chemische Form, die in kosmetischen Produkten wie Cremes, Lotionen, Masken und Haarspülungen breite Anwendung findet. Sie entstehen durch die Verbindung zweier gegenseitig unlöslicher Phasen. Die eine Phase ist die Ölphase (unpolar), die verschiedene Öle, Fette und Butter umfasst. Die zweite Phase (die polare Phase) besteht aus Wasser und wässrigen Lösungen wie Extrakten und Glycerin. Die Verbindung dieser beiden Phasen erzeugt ein instabiles System, das nach dem Mischen dazu neigt, sich in zwei Schichten zu trennen. Da kosmetische Emulsionen über lange Zeit stabil und bei der Anwendung durch den Verbraucher beständig gegen Phasentrennung bleiben müssen, ist eine korrekte Stabilisierung entscheidend. Dies lässt sich erreichen, indem dem System Energie zugeführt und ein Stoff hinzugefügt wird, der die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verringert. Deshalb ist es zur Aufrechterhaltung thermodynamisch stabiler Emulsionen notwendig, beide Phasen mithilfe eines Emulgators und eines Homogenisierungsprozesses zu verbinden.
Charakteristik der Emulgatoren
Emulgatoren gehören zur Gruppe der Tenside, und ihre Haupteigenschaft ist die Verringerung der Oberflächenspannung durch die Anreicherung von Molekülen an der Phasengrenze. Diese Eigenschaft ergibt sich aus der Struktur der Emulgatoren, die aus zwei unterschiedlichen Teilen bestehen: einem hydrophoben (Kohlenwasserstoffkette) und einem hydrophilen (Kopfgruppe). Dank dieser beiden Teile können Emulgatoren zwei in Flüssigkeiten unlösliche Stoffe miteinander verbinden. Je nach der größeren Affinität des Emulgators zu einer der Phasen lassen sich unterschiedliche Emulsionstypen erzielen. Der häufigste Typ ist die O/W-Emulsion (Öl in Wasser), bei der Öl die disperse Phase und Wasser die kontinuierliche Phase bildet. Es gibt jedoch auch andere Typen, wie W/O-Emulsionen (Wasser in Öl) sowie mehrphasige O/W/O- und W/O/W-Emulsionen. Die Affinität des Emulgators zu einer der Phasen hängt eng mit dem HLB-Wert (Hydrophilic Lipophilic Balance) zusammen. HLB ist eine von Griffin vorgeschlagene Zusatzskala, die den Grad der Hydrophilie oder Lipophilie eines Tensids bestimmt. Diese Skala reicht von 0 bis 20, wobei 0 stark hydrophobe Stoffe bedeutet, während 20 Verbindungen mit stark hydrophilen Eigenschaften kennzeichnet. O/W-Emulgatoren liegen auf der HLB-Skala in der Regel zwischen 12 und 16, während W/O-Emulgatoren einen Bereich von 3 bis 6 aufweisen. Neben der Einteilung nach HLB-Wert und Hydrophilie lassen sich Emulgatoren auch nach der in dem Molekül vorhandenen Ladung klassifizieren: kationisch, anionisch, amphoter und nichtionisch. Nichtionische Emulgatoren bilden eine große Gruppe in der Kosmetik, da sie zuverlässig O/W-Emulsionen bilden.
Auswahl des Emulgators
Beispiele beliebter synthetischer Emulgatoren in der Kosmetik sind: Cetyl Alcohol, Cetearyl Alcohol, Ceteareth-20 und Ceteareth-25. Auch natürliche Emulgatoren spielen eine wichtige Rolle, darunter Lanolin, Lecithin, Bienenwachs (Cera Alba), Polyglycerine (z. B. Polyglyceryl-4 Diisostearate/Polyhydroxystearate/Sebacate) und Derivate des Olivenöls (z. B. Cetearyl Olivate, Sorbitan Olivate). Fertige Mischungen mehrerer Emulgatoren sind bei der Formulierung von Produkten von Bedeutung, da sie den Einkauf einzelner Rohstoffe auf eine bereits wirksame Mischung beschränken. Es ist erwähnenswert, dass das Erreichen einer langfristigen Stabilität die Zugabe eines Co-Emulgators zusammen mit einem hydrophilen Emulgator und einem lipophilen Emulgator zum System erfordert, was die Stabilität der Emulsion erheblich erhöht.
Gewinnung von Emulgatoren
Emulgatoren für die Kosmetikproduktion können mit verschiedenen Methoden gewonnen werden. Natürliche Emulgatoren tierischen Ursprungs, wie Lanolin oder Bienenwachs, sind relativ leicht zu gewinnen. Lanolin, das aus Schafwolle stammt, wird bei der Wollreinigung mithilfe von Kaliumhydroxid oder organischen Lösungsmitteln abgetrennt und wird bei der Herstellung von Salben, Lippenstiften, Cremes und Haarspülungen verwendet, wobei es feuchtigkeitsspendende Eigenschaften aufweist und Lippenstiften Glanz verleiht. Bienenwachs wird von Drüsen am Hinterleib der Arbeitsbienen unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen im Bienenstock produziert und wird am häufigsten in Lippenstiften und Kinderprodukten verwendet, wo es einen Film auf der Haut bildet, der sie glättet und pflegt. Es kann jedoch bei Personen, die auf Pollen allergisch reagieren, Allergien auslösen. Lecithine, die sowohl aus tierischen als auch aus pflanzlichen Quellen gewonnen werden können, sind eine weitere Art von Emulgatoren. Sie können aus Hühner- oder Fischeiern isoliert werden, doch die derzeit wirtschaftlichste Methode ist die Gewinnung von Lecithin aus Soja. Lecithin kommt auch in menschlichen Zellmembranen vor, macht die Haut geschmeidig und stabilisiert Schaum in Reinigungsprodukten. Ein wesentlicher Vorteil von Lecithin ist seine Fähigkeit, in Cremes eine liposomale Struktur zu bilden, was ein tieferes Eindringen aktiver Substanzen, wie Vitamine, in die Hautschichten für eine höhere Wirksamkeit ermöglicht.
Synthetische Emulgatoren werden durch die Oxethylierung von Fettalkoholen gewonnen. Die Oxethylierung ist eine Reaktion, bei der Ethylenoxid an die Kohlenstoffkette angelagert wird, katalysiert durch NaOH oder KOH. Ethylenoxid, das einfachste Epoxid, kann in saurer oder alkalischer Umgebung gespalten werden und mit ausgewählten hydrophoben Rohstoffen Oxethylene bilden. Diese Reaktion ist stark exotherm und erfordert eine entsprechende Vorbereitung des Reaktors sowie eine Temperaturkontrolle. Zu den Produkten dieser Reaktion gehören oxethylierte Cetylstearylalkohole mit unterschiedlicher Anzahl von Ethylenoxidgruppen, die Emulgatoren wie Ceteareth-2, Ceteareth-3, Ceteareth-10, Ceteareth-20 und Ceteareth-25 oder PEGs (z. B. PEG-40 Hydrogenated Castor Oil) bilden.
Der wachsende Trend zu Natürlichkeit und der Suche nach nachhaltigen Lösungen führt dazu, dass Reaktionen mit Ethylenoxid zunehmend weniger erwünscht sind. Infolgedessen können oxethylierte Emulgatoren in Naturkosmetik durch Polyglycerinester ersetzt werden. Polyglycerine sind Polymere aus Glycerin, die durch Etherbindungen verbunden sind und sich im Polymerisationsgrad unterscheiden. Polyglycerine mit höherem Molekulargewicht sind hydrophiler als solche mit niedrigerem Molekulargewicht. Dank ihrer Fähigkeit zur Veresterung mit verschiedenen organischen Säuren sind Polyglycerinester in der Kosmetik beliebt. Sie können zur Herstellung von Nanoemulsionen (z. B. Polyglyceryl-4 Laurate) oder als Emulgatoren in kalt hergestellten O/W-Emulsionen (z. B. Hydrogenated Sunflower Seed Oil Polyglyceryl-3 Esters) verwendet werden. Sie eignen sich auch für niedrigviskose W/O-Emulsionen (z. B. Polyglyceryl-4 Diisostearate/Polyhydroxystearate/Sebacate) und als aktive Co-Emulgatoren (z. B. Polyglyceryl-3 Caprylate). Darüber hinaus bildet eine geeignete Mischung aus Polyglyceryl-6 Stearate und Polyglyceryl-6 Behenate niedrigviskose Emulsionen, die sich für die Sprühanwendung eignen und die Stabilität anspruchsvoller Produkte wie Sonnenschutzcremes mit hohem LSF in Zerstäuberflaschen aufrechterhalten.
Eine weitere umfangreiche Gruppe natürlicher Emulgatoren sind Substanzen, die aus Olivenöl gewonnen werden. Olivenöl ist ein bekanntes Öl aus dem Olivenbaum mit einer Lipidzusammensetzung, die eine Affinität zum menschlichen Talg aufweist (Biokompatibilität). Olivenöl wird durch Kalt- oder Warmpressung von Oliven gewonnen. Aus diesem Öl gewonnene Emulgatoren besitzen einzigartige sensorische und anwendungstechnische Eigenschaften sowie einen hohen Anteil natürlichen Ursprungs. In der Regel bilden sie leichte Emulsionen mit zusätzlichen hautpflegenden Eigenschaften. Die Mischung aus Cetearyl Olivate und Sorbitan Olivate, gewonnen durch Veresterung von Olivenöl, wirkt hervorragend als eigenständiger Emulgator für O/W-Emulsionen. Sie hat die Fähigkeit, flüssigkristalline Strukturen zu bilden, die dem Stratum corneum der Haut ähneln, wodurch die Lipidbarriere der Haut gestärkt und der TEWL reduziert wird. Zusätzlich kann sie als beruhigender und anti-aging wirkender Inhaltsstoff wirken. Sorbitan Olivate selbst hat einen niedrigen HLB-Wert von etwa 4,7 und kann für W/O-Emulsionen verwendet werden.