Jednym z największych wyzwań w formulacji emulsji kosmetycznych jest zapewnienie ich wysokiej stabilności przez cały okres przydatności produktu. Kluczem do sukcesu jest zrozumienie równowagi między fazą olejową a wodną, którą opisuje system HLB. Jak go wykorzystać do projektowania stabilnych emulsji?
Czym jest system HLB i jak go interpretować?
System HLB (hydrophilic-lipophilic balance; równowaga hydrofilowo-lipofilowa) wprowadzony w 1949 roku przez Griffina to liczbowy wskaźnik określający powinowactwo surfaktantu (emulgatora) do wody lub oleju. W oparciu o polarność cząsteczki określa w jakim stopniu jest ona hydrofilowa (rozpuszczalna w wodzie) lub lipofilowa (rozpuszczalna w oleju).
Skala ta tradycyjnie mieści się w zakresie od 1 do 20, gdzie:
- Emulgatory w zakresie 4-8 są lipofilowe i stabilizują emulsje woda w oleju (w/o):
- HLB 4-6 – emulsje mało stabilne
- HLB 6-8 – mleczne emulsje po silnym wytrząśnięciu
- Emulgatory w zakresie 8-18 są hydrofilowe i stabilizują emulsje olej w wodzie (o/w):
- HLB 8-10 – stabilne mleczne emulsjeHLB 10-13 – emulsje od półprzezroczystych do przezroczystych
- HLB >13 – stabilne, przezroczyste emulsje
Jednakże współcześnie, naukowcy skłaniają się ku rozszerzaniu tej skali. W przypadku surfaktantów kationowych, wykorzystywanych m.in. w produktach do pielęgnacji włosów, wartości HLB mogą wykraczać poza zakres 20. Przykładowo, CT-Cl (cetrimonium chloride) wykazuje HLB na poziomie 22, a HBD-Cl (hydroxyethyl-behenamidopropyl-diammonium chloride) aż 32. Należy jednak pamiętać, że dla wielu związków niejonowych wartości te są obliczane teoretycznie (np. jako masa procentowa grup oksyetylenowych podzielona przez 5), co technolog powinien traktować jako wytyczną przybliżoną, wymagającą weryfikacji laboratoryjnej.
Strategie doboru układu emulgującego
W praktyce stabilne emulsje kosmetyczne opierają się nie na pojedynczym emulgatorze, a starannie dobranym układzie kilku substancji. Zastosowanie mieszaniny pozwala na utworzenie bardziej zwartego filmu ochronnego wokół kropel fazy rozproszonej. Najczęściej w tym celu wykorzystywane są pary surfaktantów – jednego o niskim HLB, drugiego o wysokim HLB (np. stearynian glicerylu i stearynian PEG-100).
Koncepcja wymaganego HLB fazy olejowej
Kluczem w opracowaniu stabilnego systemu HLB jest dopasowanie układu emulgatorów do wymaganego HLB (rHLB; required HLB) fazy olejowej. Jak wskazują autorzy tej koncepcji, każdy składnik tłusty – oleje roślinne, woski, estry – posiada specyficzną wartość rHLB niezbędną do jego skutecznego zemulgowania.
W celu uzyskania stabilnej emulsji należy więc:
- Obliczyć rHLB fazy olejowej – jeśli składa się ona z kilku składników, jej rHLB jest sumą udziałów procentowych rHLB poszczególnych olejów i wosków
- Dopasować układ emulgujący – HLB mieszaniny emulgatorów powinno być identyczne lub bardzo zbliżone do rHLB fazy olejowej
- Zweryfikować stabilność – wartości HLB często mają wymiar teoretyczny, ich dopasowanie i stabilność emulsji zawsze należy dodatkowo potwierdzić w testach przyspieszonej stabilności oraz analizie reologicznej.
Synergia mieszanin i addytywność HLB
Kluczową zaletą systemu HLB jest jego addytywność. Wartość HLB mieszaniny oblicza się jako średnią ważoną jej składników. Dzięki temu technolog może precyzyjnie zaprojektować układ o oczekiwanej wartości HLB, poprzez odpowiedni dobór proporcji składników. W przypadku układu dwóch emulgatorów do obliczenia dokładnych proporcji potrzebnych do osiągnięcia docelowego rHLB można posłużyć się wzorem: %A = 100 (rHLB − HLB B) / HLB A − HLB B; %B = 100 − %A.
Obecnie w celu przyśpieszenia i ułatwienia procesu coraz częściej sięga się po modelowanie komputerowe (np. w arkuszu Excel), które pozwala na teoretyczne ustalenie składu przed przystąpieniem do prób laboratoryjnych.
Ograniczenia systemu HLB
Wykorzystanie systemu HLB pozostaje jedną z najbardziej racjonalnych metod projektowania emulsji kosmetycznych. Należy jednak pamiętać, że stanowi on jedynie punkt wyjścia – ostateczną stabilność emulsji zawsze należy dodatkowo potwierdzić w próbach laboratoryjnych.
System HLB bywa także zawodny w przypadku emulsji kationowych, wykorzystywanych m.in. w odżywkach do włosów. Ze względu na specyficzny charakter ich ładunków elektrycznych i bardzo wysokie wartości HLB (często powyżej 20), w takich układach kluczową rolę odgrywa tworzenie strukturalnych sieci zagęszczających z wykorzystaniem polimerów i alkoholów tłuszczowych.
Literatura:
- Agredo P, Rave MC, Echeverri JD i wsp. An Evaluation of the Physicochemical Properties of Stabilized Oil-In-Water Emulsions Using Different Cationic Surfactant Blends for Potential Use in the Cosmetic Industry. Cosmetics 2019; 6(1): 12
- Alam S, Algahtani MS, Ahmad MZ, Ahmad J. Investigation Utilizing the HLB Concept for the Development of Moisturizing Cream and Lotion: In-Vitro Characterization and Stability Evaluation. Cosmetics 2020; 7(2): 43
- Pant A, Jha K, Singh M. Role of excipient’s HLB values in microemulsion system. Journal of Pharmacy and Biological Sciences 2019; 14(2): 1-6.
- Pasquali RC, Taurozzi MP, Bregni C. Some considerations about the hydrophilic-lipophilic balance system. International Journal of Pharmaceutics 2008; 356: 44-51.
- Revyatskyy IY, Pelekh-Bondaruk IR, Bilous SB. Modeling of the process of emulsifiers selecting in emulsion medicines and cosmetics. PharmacologyOnLine 2021; 3: 139-150.
- Xavier-Junior FH, Silva KGH, Farias IEG i wsp. Prospective study for the development of emulsion systems containing natural oil products. Journal of Drug Delivery Science and Technology 2012; 22(4): 367-372.
