Trendy i Technologie w produkcji kosmetyków zgodne z założeniami Gospodarki Obiegu Zamkniętego (GOZ)

Kategoria: Artykuł Surowce kosmetyczne
7 min. czytania

Najnowsze doniesienia literaturowe wskazują, że przemysł kosmetyczny należy do kluczowych i najszybciej rozwijających się sektorów gospodarki globalnej, generując przychody w wysokości 100,49 miliarda dolarów amerykańskich na całym świecie [1]. Jednocześnie, najważniejszym surowcem prężnie rozwijającego się przemysłu kosmetycznego jest woda stanowiąca zazwyczaj ponad 2/3 objętości formuły kosmetycznej [2]. Z drugiej strony, wiadomo, że woda jest najcenniejszym zasobem na Ziemi, regulującym ekosystemy, chroniącym jakość środowiska i podtrzymującym życie. Mimo że woda pokrywa około 70% powierzchni planety, większość z niej to słona woda oceanów i słonych złóż wód gruntowych, a mniej niż 3% to woda słodka [1]. Ograniczony dostęp do wody słodkiej w skali światowej sprawia, że produkcja kosmetyków, a w szczególności surowców kosmetycznych powinna być realizowana zgodnie z założeniami Gospodarki Obiegu Zamkniętego (GOZ). W szerokim rozumieniu produkcja surowców kosmetycznych zgodna z GOZ obejmuje przetwarzanie odpadów z innych gałęzi przemysłu oraz ich ponowne wykorzystywanie w tworzeniu nowych produktów.

Przykładowo, z recyklingu odpadów, takich jak pulpy, wytłoki, serwatki i filtraty, można pozyskać wodę oraz cenne bio-składniki (witaminy, kwasy karboksylowe i poliole, polifenole, białka, biodegradowalne polimery etc.) o właściwościach nawilżających, przeciwutleniających, zagęszczających i konserwujących [3]. Szczególnie ważne z punktu widzenia nowoczesnego przemysłu kosmetycznego projektowanego zgodnie z zasadami GOZ jest także zastosowanie metod mikrobiologicznej konwersji odpadowych źródeł węgla z wykorzystaniem wyspecjalizowanych mikroorganizmów [4]. Do szeroko stosowanych od lat w przemyśle kosmetycznym składników, które mogą być wytwarzane poprzez fermentację zaliczyć należy np. kwas hialuronowy, resweratrol (syntezowany przez drożdże Saccharomyces cerevisiae lub Pichia pastoris), gumę ksantanową oraz kwas mlekowy [5]. Nie można również zapomnieć, że współczesny rozwój inżynierii procesowej pozwala na projektowanie przyjaznych dla środowiska metod odzysku składników aktywnych i wody z odpadowych materiałów roślinnych i roztworów pofermentacyjnych przy użyciu „zielonych rozpuszczalników” np. cieczy głęboko eutektycznych (DES) lub zaawansowanych procesów filtracji membranowej [6]. Niewątpliwie kluczowe jest to, że pozyskiwanie surowców kosmetycznych z odpadów ogranicza zużycie tradycyjnych zasobów naturalnych oraz zmniejsza emisję zanieczyszczeń związanych ze składowaniem i utylizacją odpadów, przyczyniając się do zrównoważonego zarządzania zasobami i ochrony środowiska. Mając powyższe na uwadze, w niniejszej pracy zaprezentowano wybrane przykłady surowców kosmetycznych wytwarzanych w sposób zrównoważony zgodnie z zasadami GOZ.

Przykłady surowców kosmetycznych z zastosowaniem technologii wytwórstwa w obiegu zamkniętym

Surowce kosmetyczne z przerobu odpadów spożywczych

Okara to produkt uboczny powstający podczas obróbki termicznej ziaren soi. Dane literaturowe wskazują, że akumulacja okary jest jednym z głównych problemów w przemyśle przetwórstwa soi, ponieważ 1 kg soi użytej do produkcji tofu lub mleka sojowego generuje 1,2 kg mokrej okary [7]. W przemyśle spożywczym okara stanowi m. in. źródło przeciwutleniaczy chroniących przed utlenianiem kwasy omega-3 we wzbogaconym mleku poprzez zahamowanie produkcji sprzężonych dienów i malonaldehydu [8]. Z punktu widzenia przemysłu kosmetycznego okara zawiera cenne składniki bioaktywne, w tym: izoflawony sojowe, związki fenolowe, fitosterole, saponiny i kwasy fitynowe [7-8]. Zastosowanie okary jako surowca kosmetycznego umożliwia odzysk substancji aktywnych oraz zagospodarowanie odpadu generowanego w przemyśle spożywczym, co idealnie wpisuje się w założenia GOZ. Przykładem dostępnego w handlu surowca kosmetycznego na bazie okary jest Bio-toforyou OKARA (INCI: Lactobacillus/Soybean Pulp Ferment Lysate Filtrate). Surowiec ten powstał w wyniku fermentacji prowadzonej przy użyciu konsorcjum trzech gatunków bakterii fermentacji mlekowej (Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus acidophilus, Lactobacilus reuteri). Dobór odpowiednich parametrów procesowych pozwala na ukierunkowanie procesu fermentacji do średnio- i małocząsteczkowych metabolitów w tym: kwasu mlekowego, czy też peptydów bakteryjnych/bakteriocyn. Ważnym etapem przygotowania surowca na bazie okary jest liza komórek bakterii stanowiący cenny postbiotyk do pielęgnacji skóry atopowej. Dzięki zastosowaniu filtracji membranowej na ostatnim etapem przygotowania surowca możliwe jest przyjazne dla środowiska zatężanie biofermentu przy jednoczesnym odseparowaniu związków wielkocząsteczkowych. Należy zaznaczyć, że Bio-toforyou OKARA może stanowić surowiec stosowany w kosmetykach do pielęgnacji skóry i łagodzenia świądu w atopowym zapaleniu skóry (AZS).

Rys. 1 Badania aparaturowe na probantach z wywiadem AZS, suchą skórą, skarżących się na umiarkowany świąd (gdzie: skóra bardzo sucha + silny świąd <30; skóra sucha + świąd 30<45; skóra dostatecznie nawilżona + sporadyczny świąd >45; skóra niemowlaka, brak świądu =100).

 Na Rys. 1 przedstawiono wyniki badań aparaturowych wykonanych na 20 probantach z wywiadem AZS i obecnym objawem suchej skóry ciała, skarżących się na umiarkowany świąd. Stwierdzono, że zastosowanie surowca na bazie okary o stężeniu 2% w kremie referencyjnym wpływa na znaczną poprawę nawilżenia i prowadzi do znacznego ustąpienia objawów świądu z <45 do 80 już w pierwszym tygodniu oraz wzrost wskaźnika do 87 w kolejnych tygodniach. W przypadku testów Placebo zaobserwowano wzrost wskaźnika z 42 do 55, co wskazuje na poprawę i utrzymanie dostatecznego nawilżenia, jednakże bez ustąpienia świądu.

Surowce kosmetyczne z roztworów pofermentacyjnych

W ostatnich latach procesy mikrobiologicznej konwersji węgla odpadowego do małocząsteczkowych metabolitów (tzw. „zielonych chemikaliów”) stają się alternatywą dla tradycyjnych procesów opartych na surowcach nieodnawialnych [5]. Procesy stanowiące podstawę białej biotechnologii są postrzegane jako szansa na uniezależnienie od surowców limitowanych, redukcję odpadów poprodukcyjnych i kosztów energii. Ponadto procesy biosyntezy przy użyciu wyspecjalizowanych mikroorganizmów znajdują swoje szerokie zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym do produkcji czynnych substancji farmaceutycznych (API) i probiotyków [9-10]. Zwyczajowo ostatnim z etapów obróbki roztworów pofermentacyjnych jest selektywna izolacja i oczyszczanie bio-składników funkcjonalnych przy użyciu zaawansowanych metod separacyjnych [11]. Należy jednak podkreślić, że na poszczególnych etapach oczyszczania powstają odpadowe strumienie roztworu pofermentacyjnego, bogate w cenne składniki aktywne, takie jak kwasy karboksylowe (np. kwas mlekowy, cytrynowy, pirogronowy), istotne dla przemysłu kosmetycznego.

Przykładem surowca kosmetycznego, którego bazę stanowi skoncentrowany bionatant otrzymany po mikrobiologicznej produkcji probiotyku przy użyciu opatentowanego szczepu bakterii z gatunku Lactobacillus Plantarum jest Bionatant NMF (INCI: Lactobacillus Ferment Filtrate, Lactic Acid, Urea, PCA, Panthenol, Sodium Lactate, Gluconolactone, Calcium Lactate, Sodium Hyaluronate). Warto zaznaczyć, że zastosowany supernatant z punktu widzenia przemysłu farmaceutycznego jest produktem ubocznym, natomiast po dodatkowym wzbogaceniu stanowi wyjątkowy surowiec kosmetyczny o właściwościach nawilżających, pełniący rolę aktywatora Naturalnego Czynnika Nawilżającego (NMF) (ang. Natural Moisturizing Factor).

Rys. 2 Wartość nawilżania podczas stosowania Bionatantu NMF (gdzie: skóra bardzo sucha <30; Sucha skóra 30-45; Skóra dostatecznie nawilżona >45).

Skuteczność Bionatantu NMF (100%) potwierdzono w testach aparaturowych na probantach ze suchą skórą. Wyniki zmiany nawilżenia naskórka przedstawiono na Rys. 2. Wartość nawilżania wzrosła od 20 (sucha skóra) do wartości 80 (skóra nawilżona) po 24 godzinach od zastosowania skoncentrowanego Bionatantu NMF. Na podstawie oceny sensoryczno-hedonistycznej potwierdzono, że zastosowanie surowca na bazie skoncentrowanego bionatantu prowadzi do ustąpienia świądu, poprawy nawilżenia i ukojenia przy jednoczesnym braku łuszczenia naskórka. Dzięki tym właściwościom, w zależności od zawartości procentowej Bionatant NMF może być użyty w różnych formułach kosmetycznych w tym: szamponach, żelach, wcierkach (1-10%), kremach nawilżających do twarzy (10-30%), serum nawilżającym do twarzy (5-50%), balsamach nawilżających do ciała (10-50%) lub serum nawilżającym do ciała (10-100%).

Wody Upcyclingowe

W ostatnim czasie w literaturze przedmiotu coraz częściej spotkać można określenie Woda Upcyclingowa (ang. Upcycled Water) w odniesieniu do wody powstałej jako produkt uboczny procesów przemysłowych lub rolniczych stosowanej w przemyśle kosmetycznym jako zamiennik wody technologicznej. Szczególnie ważnym sektorem gospodarki jest przemysł spożywczy będący źródłem odpadów bogatych w związki aktywne, w tym: przeciwutleniacze, polifenole, białka, witaminy, karotenoidy, polisacharydy i polimery naturalne [3]. Zastosowanie odpadów spożywczych pozwala nie tylko na wzbogacenie produktów kosmetycznych w związki naturalne o znaczeniu funkcjonalnym, ale wpływa istotnie na ograniczenie zużycia wody i emisji CO2. Jest to szczególnie ważne biorąc po uwagę, że utylizacja produktów odpadowych przemysłu agro-spożywczego odpowiada za produkcję 3.3 miliarda ton ekwiwalentów CO2 rocznie [12].

Przykładem Wody Upcyclingowej jest filtrat wody kolagenowej powstałej w procesie obróbki skór łososia [13]. W wyniku procesu zatężania techniką ultrafiltracji (UF) generowany jest filtrat zawierający krótkie peptydy kolagenowe o masie cząsteczkowej >3000 Da (hydrosyprolina) i kwas mlekowy. Ten ważny z punktu widzenia produktu kosmetycznego surowiec został zastosowany w produktach serii HISHER Back to Comfort (Symbiosis Sp. z o.o.). Badania opisane w literaturze [13] skazują, że produkty kosmetyczne wzbogacone w odpadową wodę kolagenową wykazują się skutecznością w zakresie zwiększenia grubości i gęstości włosów.

Innym przykładem surowca kosmetycznego powstałego w oparciu o zagospodarowanie wody odpadowej powstałej w procesie przerobu jabłek jest Hairpect Upcycled Water (Laboratorium Symbiosis Sp. z o.o.) (INCI: Hydrolyzed Pyrus Malus Pectin Extract). Takie podejście do zagospodarowania wody jest szczególnie ważne biorąc pod uwagę fakt, że Polska jest jednym z największych producentów jabłek w Europie z szacowaną roczną produkcją w roku 2023 wynoszącą ok. 4,8 mln ton [14]. Wytłoki jabłkowe stanowiące główny odpad w produkcji koncentratów jabłkowych zawierają od 10-15% pektyn, w kosmetyce pełniących rolę naturalnych zagęszczaczy i stabilizatorów w produktach do pielęgnacji skóry i włosów. Należy jednak wspomnieć, że w przypadku przerobu wytłoków jabłkowych ukierunkowanego na odzysk pektyn w procesie hydrolizy i filtracji powstaje woda odpadowa stanowiąca źródło kwasów organicznych, witamin i przeciwutleniaczy o silnych właściwościach antyoksydacyjnych. Na podstawie wykonanego testu antyoksydacyjnego przy użyciu stabilnego wolnego rodnika DPPH, wykonanego zgodnie z metodyką opisaną w literaturze [15] stwierdzono, że odpadowa woda jabłkowa będąca główną składową surowca Hairpect Upcycled Water wykazuje właściwości antyoksydacyjne (stopień wymiatania rodnika ok. 80%) zbliżone do referencyjnego 10% roztworu Etylowanej Witaminy C (94%). W związku z tym, surowiec Hairpect Upcycled Water na bazie odpadowej wody jabłkowej może być z powodzeniem zastosowany jako kondycjoner do skóry i włosów, składnik bazowy antyoksydacyjny oraz alternatywa hydrolatów.

Podsumowanie

W niniejszym artykule przedstawiono wybrane przykłady surowców kosmetycznych pozyskiwanych zgodnie z zasadami Gospodarki Obiegu Zamkniętego (GOZ). Pokazują one, że współczesny przemysł kosmetyczny może skutecznie wdrażać zasady recyklingu odpadów oraz ponownego wykorzystania surowców, przetwarzając je w wysokiej jakości składniki kosmetyczne. Takie podejście zmniejsza marnotrawstwo zasobów naturalnych, w tym wody oraz ogranicza emisję zanieczyszczeń, przyczyniając się do ochrony środowiska.

Bibliografia

1. Mondello A., Salomone R., Mondello G., Exploring circular economy in the cosmetic industry: Insights from a literature review, 2024, 105, 107443.
2. Aguiar J. B., Martins A. M., Almeida C., Riberio H. M., Marto J., Water sustainability: A waterless life cycle for cosmetic products, Sust. Prod. Consumpt., Environ. Impact Assess. Rev. 2022, 32, 35-51.
3. Krzyżostan M., Wawrzyńczak A., Nowak I., Use of Waste from the Food Industry and Applications of the Fermentation Process to Create Sustainable Cosmetic Products: A Review, Sustainability, 2024, 16, 2757.
4. Majchrzak W., Motyl I., Śmigielski K., Biological and Cosmetical Importance of Fermented Raw Materials: An Overview, Molecules, 2022, 27, 4845.
5. Pérez-Rivero C., López-Gómez J. P., Unlocking the Potential of Fermentation in Cosmetics: A Review, Fermentation 2023, 9,2023.
6. Martins A. M., Marto J. M., A sustainable life cycle for cosmetics: From design and development to post-use phase, Sustain. Chem. Pharm., 2023, 35, 101178.
7. Feng J-Y., Wang R., Thakur K., Ni Z-J.,Zhu Y-Y., Hu F., Zhang J-G., Wei Z-J., Evolution of okara from waste to value added food ingredient: An account of its bio-valorization for improved nutritional and functional effects, Trends Food Sci. Technol., 2021, 116, 669-680.
8. Pelaes Vital A. C., Croge C., Felix da Silva D., Araújo P. J., Gallina M. Z., Matumoto-Pintro P. T., Okara residue as source of antioxidants against lipid oxidation in milk enriched with omega-3 and bioavailability of bioactive compounds after in vitro gastrointestinal digestion, J. Food Sci. Technol., 2018, 55, 1518-1524.
9. Kumar V., Bansal V., Madhavan A., Kumar M., Sindhu R., Awasthi M. K., Binod M., Saran S., Active pharmaceutical ingredient (API) chemicals: a critical review of current biotechnological approaches, Bioengineered, 2022, 13, 4309-4327.
10. Lacroix C. Yildrim S., Fermentation technologies for the production of probiotics with high viability and functionality, Curr. Opin. Biotechnol., 2007, 18, 176-183.
11. Szczygiełda M. Prochaska K., Separation and concentration of succinic acid from post-fermentation broth by bipolar membrane electrodialysis (EDBM), Sep. Purif. Technol., 2017, 181, 53-59.
12. Machado M., Silva S., Costa E. M., Byproducts as a Sustainable Source of Cosmetic Ingredients, Appl. Sci., 2024, 14, 10241.
13. J. Igielska-Kalwat, E. Kilian-Pieta, M. Siedlecki, Application of the upcycling trend using ultrafiltrate of water from the production of collagen from fish skin in hair care cosmetics, Int. j. Cosmet. Sci,. 2024, 00, 1-15.
14. Andrzejewski A., Krajewska M., Zheng L., Nghiem L.D., Oleskowicz-Popiel P. Prochaska K., Szczygiełda M., Pectin recovery from apple pomace by forward osmosis–assisted technology, J. Membr. Sci., 2024, 706, 122956.
15. Wilczyńska A., Metody oznaczania aktywności antyoksydacyjnej miodów pszczelich, Bromat. Chem. Toksykol., 2009, 3, 870-874.

Dodatkowe informacje

Artykuł został opublikowany w kwartalniku „Świat Przemysłu Kosmetycznego” 4/2024

Autorzy

  • Ewa Kilian-Pięta

    Laboratorium Symbiosis
  • Mateusz Szczygiełda

    Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej