SOSTENIBILITÀ

L'esterificazione enzimatica fornisce un'alternativa sostenibile alla produzione convenzionale di emollienti. Utilizzando materie prime di origine vegetale e di biocatalisi a bassa temperatura, questo metodo riduce significativamente il consumo di energia, le emissioni di gas serra e la formazione di sottoprodotti. Un'analisi cradle-to-gate di una tipica crema O/A ha dimostrato che l'uso di emollienti enzimatici al posto di quelli convenzionali comporta una riduzione del potenziale del riscaldamento globale fino al 67%. Oltre ai benefici ambientali, questi emollienti sono di maggiore purezza e di qualità più riproducibile grazie alla precisione delle reazioni enzimatiche. Questo approccio innovativo supporta lo sviluppo di prodotti per la cura della persona ad alte prestazioni ed eco-efficienti, in linea con la crescente domanda di sostenibilità da parte dei consumatori.

L'urgente necessità di azioni per il clima e il trend che ci porta verso prodotti per la cura della pelle più sostenibili stanno trasformando il modo in cui vengono fabbricati gli ingredienti cosmetici. La catalisi enzimatica, come processo biotecnologico, offre un modo per migliorare il profilo ecologico di una specifica formulazione. Questo aiuta a ridurre l'impatto climatico delle formulazioni cosmetiche, consentendo ai produttori cosmetici di progettare prodotti per la cura della pelle e personali eco-efficaci.

LETTERIA GRECO

Business manager – care solutions, Evonik | Italia

MEMBRO DEL COMITATO SCIENTIFICO 

di BEAUTY HORIZONS ITALIA

Letteria Greco
Farmacista con Master in Scienze Cosmetiche, comincia la sua esperienza in un’azienda di fragranze in Germania. Tornata in Italia, lavora nel settore delle materie prime, prima come tecnico di laboratorio RD, poi nel marketing e infine nelle vendite.
Approda in Evonik, dove approfondisce il suo interesse per la sostenibilità in cosmesi.

Gli emollienti sono ingredienti cosmetici che possono aiutare a migliorare la ritenzione di umidità della pelle e fornire una texture liscia e morbida. Svolgono un ruolo cruciale nelle formulazioni per la cura personale, in particolare nei prodotti per la cura della pelle e dei capelli, dove la loro funzione principale è migliorare l'esperienza sensoriale e le prestazioni complessive del prodotto. In una tipica formulazione olio-in-acqua (O/A), gli emollienti hanno di gran lunga il maggiore impatto sull'impronta climatica rispetto a tutti gli altri ingredienti. La Figura 1 mostra il peso degli ingredienti in una tipica formulazione O/A rispetto al contributo degli equivalenti CO₂ di questi ingredienti. Migliorando l'impronta climatica degli emollienti, è quindi possibile migliorare l'impronta complessiva della formulazione finale.

Figura 1. Impatto ambientale di un prodotto di mercato per tipo di ingrediente

Gli emollienti esteri sono stati tradizionalmente prodotti utilizzando un processo di esterificazione ad alta energia in combinazione con una materia prima a base fossile. La produzione di materiali precursori e ausiliari come i catalizzatori metallici, insieme a processi ad alta temperatura, può causare un carico maggiore di emissioni di gas serra. Utilizzando la biotecnologia, è possibile produrre emollienti esteri con una materia prima green e un processo enzimatico a bassa temperatura. Questo approccio genera anche meno sottoprodotti e meno rifiuti, portando a un'impronta climatica complessivamente inferiore.

Innanzitutto, si basa su materie prime vegetali. In secondo luogo, il processo è energeticamente efficiente, operando a basse temperature, il che contribuisce a una riduzione dell'impronta di carbonio rispetto ai metodi convenzionali. In terzo luogo, l'approccio non richiede solventi, minimizzando i potenziali inquinanti nel processo di produzione. I processi enzimatici producono tipicamente meno sottoprodotti, il che semplifica le operazioni di lavorazione successive. I prodotti risultanti mostrano alta purezza e qualità, e sono anche facilmente biodegradabili, allineandosi con le attuali aspettative ambientali.

La valutazione e la quantificazione degli impatti ambientali di una formulazione con un emolliente convenzionale rispetto a uno prodotto enzimaticamente, possono essere effettuate con valutazioni del ciclo di vita. Un'analisi "gate-to-gate" (Scope 2) esamina il processo di produzione all'interno dei confini operativi di un'azienda, dal punto in cui i materiali entrano nell'impianto di produzione fino al momento in cui i prodotti sono completati e lasciano l'impianto (input e output delle risorse durante la fase di produzione, senza processi a monte e a valle). Un'analisi "cradle-to-gate" (Scope 3 + 2) valuta gli impatti ambientali di un prodotto dall'estrazione iniziale delle materie prime fino alla produzione, fino al punto in cui il prodotto lascia l'impianto di produzione (senza processi a monte). I seguenti esempi delineano analisi gate-to-gate e cradle-to-gate per i processi di esterificazione convenzionali rispetto a quelli enzimatici.

Per l'esterificazione convenzionale, una temperatura superiore ai 200 °C è tipica, mentre la temperatura durante l'esterificazione enzimatica è inferiore ai 90 °C. Questa temperatura più bassa porta a una riduzione del consumo energetico di circa il 60% utilizzando l'esterificazione enzimatica invece di un processo convenzionale. Grazie all'uso di elettricità rinnovabile, il potenziale di riscaldamento globale può essere ridotto del 100% utilizzando l'esterificazione enzimatica invece dell'esterificazione convenzionale. Manca il parametro tempo in quanto questo è un processo integralmente energetico. L’energia è infatti la chiave del metodo. Energia e tempo performano insieme e il tempo è nell’energia utilizzata. In figura 2 possiamo vedere due processi, convenzionale ed enzimatico, per produrre lo stesso ingrediente, il Fenossietil Caprilato.

Analisi cradle-to-gate: combinazione di materia prima biogenica con esterificazione enzimatica.

Figura 2. Confronto gate-to-gate dei processi di esterificazione convenzionali e enzimatici. Produzione di 1000 kg di Fenossietil Caprilato.

Figura 3. Confronto cradle-to-gate di C12-C15 Alchil Benzoato, Butylene Glycol Dicaprylate/Dicaprate chimicamente prodotto e TEGOSOFT^® BC MB prodotto enzimaticamente.

Nella Figura 3, vengono confrontati tre esempi: il benchmark C12-15 Alchil Benzoato a base fossile, l'emolliente Butylene Glycol Dicaprylate/Dicaprate prodotto tramite l'esterificazione di 1,3 Butylene Glycol e Acido Caprilico/Caprico di origine fossile in parte in quanto il Butylene Glycol è a base fossile, e il prodotto TEGOSOFT^® BC MB di Evonik di origine completamente naturale, realizzato tramite esterificazione enzimatica. Utilizzando una materia prima biogenica o vegetale insieme al processo di esterificazione enzimatica, le emissioni di equivalenti CO₂ possono essere ridotte del 70%.

Il livello di sostenibilità di una tipica crema O/W può essere migliorato con emollienti enzimatici. In una formulazione di prova, abbiamo sostituito un'emulsione per la cura della pelle che utilizza esteri convenzionali con esteri prodotti enzimaticamente.

Figura 4. Esempio, emulsione per la cura della pelle realizzata con esteri convenzionali confrontata con un'emulsione per la cura della pelle realizzata con esteri enzimatici.

Utilizzando prodotti che contribuiscono alla produzione di palma sostenibile (RSPO MB) invece della palma convenzionale nell'emulsione per la cura della pelle, il potenziale di riscaldamento globale può essere ridotto del 47%. Inoltre, cambiando anche il processo di produzione, il potenziale di riscaldamento globale può essere ridotto ulteriormente del 37%. Infine, l'impatto totale sul riscaldamento globale nell'emulsione per la cura della pelle, confrontando emollienti esteri convenzionali, è ridotto del 67%. Per avere più chiaro il concetto, tutti gli step sono uguali eccetto per l’ultimo, in cui viene usato il processo enzimatico. Il colore azzurro indica l’ultimo step enzimatico, il viola l’emulsionante. Questo è mostrato nella Figura 5.

Figura 5. Confronto cradle-to-gate di un'emulsione per la cura della pelle con esteri convenzionali in confronto a una formulazione simile con esteri enzimatici in combinazione con materie prime del Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO MB). L'impatto complessivo sul riscaldamento globale può essere ridotto del 67%. Tutti i parametri di ogni ingrediente sono noti ma si tratta di un’informazione confidenziale.

Oltre ai benefici ambientali, gli emollienti prodotti tramite esterificazione enzimatica possono anche avere una purezza e una qualità superiori. Il processo di produzione enzimatico utilizza enzimi specifici che catalizzano la sintesi a livello molecolare, risultando in meno sottoprodotti rispetto ai metodi chimici convenzionali (1). Inoltre, la precisione delle reazioni enzimatiche consente un miglior controllo sulle caratteristiche del prodotto, contribuendo a una qualità e prestazioni costanti degli emollienti nelle formulazioni (2).

Nella Figura 6, viene confrontata la quantità di fenolo come sottoprodotto per l'esterificazione convenzionale rispetto all'esterificazione enzimatica per TEGOSOFT^® XC MB (INCI: Fenossietil Caprilato).

Figura 6. Contenuto di fenolo per catalisi enzimatica vs. esterificazione convenzionale per TEGOSOFT^® XC MB. *Contenuto di fenolo misurato con gas cromatografia, 5 ppm è il limite di rilevamento del metodo.

Passando dal processo di esterificazione convenzionale alla sintesi enzimatica, la quantità di sottoprodotto fenolo può essere ridotta al di sotto del limite di rilevamento del metodo. Inoltre, grazie all'alta regioselettività del processo enzimatico, la quantità di sottoprodotto e materia prima Alcool Cetilico e i dimeri possono essere ridotti significativamente. Questo porta a un prodotto con una purezza migliorata.

Come illustrato nella Figura 7, i cromatogrammi gas dimostrano le differenze tra il Cetyl Ricinoleate prodotto convenzionalmente e il TEGOSOFT^® CR MB prodotto enzimaticamente. I cromatogrammi mostrano una riduzione dei picchi corrispondenti alla materia prima Alcool Cetilico e ai sottoprodotti dimerici nel prodotto enzimatico, indicando una purezza migliorata del prodotto.

Figura 7. Cromatogrammi gas che confrontano il prodotto Cetyl Ricinoleate prodotto tramite un processo di esterificazione convenzionale e TEGOSOFT® CR MB prodotto enzimaticamente.

Poiché la domanda dei consumatori favorisce sempre più ingredienti cosmetici di alta qualità e prodotti in modo più sostenibile, gli emollienti prodotti enzimaticamente offrono ai formulatori una soluzione per creare formulazioni efficaci e rispettose dell'ambiente che si allineano alle sfide climatiche. Questo articolo dimostra che gli emollienti prodotti enzimaticamente possono contribuire a cosmetici con un minore onere ambientale, ma sono anche altamente puri e di alta qualità.