Descobrir qual tensoativo e a quantidade certa que deve usar para qualquer fórmula específica é um desafio que todo formulador cosmético enfrenta. Portanto, hoje vamos falar sobre o método EHL para te ajudar a formular emulsões estáveis. Confira!
Apesar de existir uma grande quantidade de pesquisas sobre tensoativos e seu comportamento, ter que estudar as equações termodinâmicas e os diagramas de fase associados aos tensoativos pode ser uma tarefa assustadora, ou usar o bom e velho método da tentativa e erro pode acabar resultando em perca de tempo e matérias-primas, sem mencionar o vasto número de tensoativos disponíveis no mercado atualmente.
Mas para nossa sorte, William C. Griffin desenvolveu uma maneira de simplificar a seleção de tensoativos utilizando a proporção entre a porção hidrossolúvel (solúvel em água) e lipossolúvel (solúvel em matéria graxa) da molécula, de modo que a solubilidade final da substância é o resultado da combinação entre essas porções.
Este método afirma que toda molécula de tensoativo apresenta uma parte lipofílica e outra hidrofílica e o equilíbrio do tamanho da força destes dois grupos opostos é referido como EHL (Equilíbrio Hidrófilo-Lipófilo) ou HBL (Hydrophile Lipóphile Balance) em inglês, ou seja, uma razão entre sua afinidade e repulsão à água.
A ideia de Equilíbrio Hidrófilo – Lipófilo (EHL) para a classificação e seleção de emulsionantes foi publicado pela primeira vez pela Atlas Powder Company em 1948. E em 1949, William C. Griffin, químico da empresa, apresentou formalmente o conceito de EHL pela primeira vez na reunião do Chicago Chapter of the Society of Cosmetic Chemists e posteriormente publicou um artigo no Journal of the Society of Cosmetic Chemists, tornando o método uma ferramenta a disposição de formuladores para determinar a combinação ideal de emulsificantes necessária para obter uma formulação estável.
Dessa forma, o Equilíbrio Hidrófilo-Lipófilo (EHL) é uma propriedade importante que classifica numericamente os tensoativos e ajuda a prever o comportamento do processo de emulsificação, podendo ser usado como uma ferramenta para evitar alguns problemas de estabilidade em emulsões, tais como:
No método de Griffin cada tensoativo é classificado por um número que varia de 1 a 40, o qual aumenta à medida que a substância se torna mais afim da água.
Logo, se o valor de EHL é baixo, o número de grupos hidrofílicos no tensoativo é pequeno, o que significa que ele é mais solúvel em matéria graxa do que em água. Em contrapartida, se o valor do EHL é alto, significa que existe um grande número de grupos hidrofílicos na molécula, portanto o tensoativo é mais solúvel em água do que em óleos.
Dessa forma, o Equilíbrio Hidrófilo – Lipófilo de um tensoativo é uma importante propriedade no processo de emulsificação, pois é um excelente indicativo do tipo de emulsão que será formada. Emulsionantes de baixo EHL (EHL entre 4 e 8) propiciam a formação de emulsões A/O, enquanto que emulsionantes com altos valores de EHL (entre 10 e 16) formam emulsões O/A. Uma vez que tensoativos de EHL baixo têm maior afinidade pelo óleo que pela água, eles são mais eficientes em manter o óleo na fase externa. E o contrário também é correto para tensoativos de EHL alto.
Portanto, ao se conhecer os valores de EHL é possível predizer o comportamento esperado da emulsão, fornecendo assim orientação para as aplicações práticas.
A tabela abaixo relaciona o EHL de diversos agentes emulsificantes.
Tabela 1 – Valores aproximados de EHL de alguns emulsificantes:
Tabela 2 – Faixa de EHL versus Atividade dos Tensoativos
Tabela 3 – Valores de EHL requeridos por algumas substâncias lipídicas utilizadas em emulsões
Resumidamente, o sistema EHL permite atribuir um número a uma substância ou a uma combinação de substâncias que se deseja emulsionar e, em seguida, escolher um emulsionante ou mistura de emulsionantes com este mesmo valor.
Porém, pode ocorrer o emprego de um novo tipo de óleo ou tensoativo que ainda não teve seu valor do EHL determinado, sendo assim, necessário estabelecer previamente o EHL dessas substâncias experimentalmente.
No caso de uma substância oleosa, prepara-se uma série de emulsões contendo quantidades iguais da substância em análise, da fase aquosa e da mistura de dois emulsificantes de valor de EHL conhecido, combinados em proporções variáveis e lineares, de modo que resultem em sistemas com valores de EHL definidos.
Após 24h, procede-se ao exame das emulsões e identifica-se aquela que for mais estável. Assim, admite-se que a substância em estudo tem valor de EHL correspondente à mistura de emulsificantes que resultou na formulação mais estável.
No caso de uma substância emulsificante com EHL desconhecido, pode-se utilizar o mesmo procedimento experimental descrito acima, mas desta vez o problema será o EHL do novo emulsificante, em vez da substância oleosa:
CÁLCULO DO EHL EM FORMULAÇÕES DE EMULSÕES
A classificação dos métodos de determinação do EHL pode ser dividida em método teórico, que relaciona o EHL de um tensoativo com sua estrutura molecular; método direto, que compara visualmente o comportamento de tensoativos com padrões de EHL conhecidos e métodos indiretos, que relaciona o EHL dos compostos medindo seus componentes físico-químicos (ZANIN, 2002).
Dentro da metodologia teórica, no Sistema EHL são atribuídos valores requeridos de EHL para os óleos e substâncias semelhantes e os emulsificantes a serem empregados devem ter o EHL mais próximo ao da fase oleosa da emulsão pretendida.
Por exemplo, se olharmos a Tabela 3 acima, podemos ver que o ELH requerido para o óleo mineral é igual 5 para emulsões A/O e 11- 12 para emulsões O/A.
Portanto, tomando como base a formulação abaixo podemos calcular EHL da emulsão e quantidade de cada tensoativo pelas seguintes etapas:
EXEMPLO 1:
FÓRMULA:
1. Determinar a quantidade total da fase oleosa:
35g +1g + 1g = 37g de fase oleosa total
2. Calcular a fração de cada componente oleoso na fase oleosa:
Óleo Mineral: 35/37= 0,946
Lanolina: 1/37= 0,027
Álcool cetílico: 1/37= 0,027
3. EHL necessário para cada componente x fração do componente na fase oleosa:
Óleo Mineral: 0,946 x EHL óleo mineral (ver tabela 3) → 0,946 x 12 = 11,4
Lanolina: 0,027 x EHL lanolina (ver tabela 3) → 0,027 x 10 = 0,3
Álcool cetílico: 0,027 x EHL álcool cetílico (ver tabela 3) → 0,027 x 15 = 0,4
4. EHL final igual à soma de cada valor obtido na etapa 3:
11,4 + 0,3 + 0,4 = 12,1 (EHL total da emulsão)
5. Selecionar o tensoativo com valor de EHL mais próximo do obtido. Calcular a proporção de cada tensoativo que será utilizado para emulsificar a formulação apresentada:
Estabelecendo que o sistema emulsificante será formado por uma mistura de A=Span 80 e B= Tween 80, podemos calcular as quantidades de cada emulsificante.
Sabe-se que:
EHL requerido = 12,1
EHLA= 4,3 (ver tabela 3)
EHLB= 15 (ver tabela 3)
Sist. Emulsificante = 5 g
A e B são frações dos emulsificantes
12,1 = [(1-B) x 4,3] = B x 15
12,1 = 4,3 – 4,3B = 15B
12,1 – 4,3 = 15B = 4,3B
7,8 = 10,7B
7,8/ 10,7 =B
B= 0,73
A= 1- B
A = 1- 0,73
A = 0,27
Considerando que temos 5g total de tensoativo, temos:
A= 0,27 x 5g = 1,35 g de Span 80
B = 0,73 x 5g = 3,65 g de Tween 80
EXEMPLO 2:
FÓRMULA:
1. Determinar a quantidade total da fase oleosa:
25g +20g = 45g de fase oleosa total
2. Calcular a fração de cada componente oleoso na fase oleosa:
Petrolato: 25/45= 0,56
Álcool cetílico: 20/45= 0,44
3. EHL necessário para cada componente x fração do componente na fase oleosa:
Petrolato: 0,56 x EHL petrolato (ver tabela 3) → 0,56 x 8 = 4,5
Álcool cetílico: 0,027 x EHL álcool cetílico (ver tabela 3) → 0,44 x 15 = 6,6
4. EHL final igual à soma de cada valor obtido na etapa 3:
4,5 + 6,6 = 11,1 (EHL total da emulsão)
5. Selecionar o tensoativo com valor de EHL mais próximo do obtido. Depois, calcular a proporção de cada tensoativo que será utilizado para emulsificar a formulação apresentada:
Estabelecendo que o sistema emulsificante será formado por uma mistura de A= Tween 80 e B=Span 80, podemos calcular as quantidades de cada emulsificante.
Sabe-se que:
EHL requerido = 11,1
EHLA= 15 (ver tabela 3)
EHLB= 4,3 (ver tabela 3)
Sist. Emulsificante = 2 g
A e B são frações dos emulsificantes
% (a) = 100 (11,1 – 4,3) / (15 – 4,3)
% (a) = 100 x 6,8/ 10,7
% (a) = 680/ 10,7
% (a) = 64% ou 0,64
% (b) = 100 – 64
% (b) = 36% ou 0,36
Considerando que temos 2g total de tensoativo, temos:
A= 0,64 x 2g = 1,28 g de Tween 80
B = 0,36 x 2g = 0,72 g de Span 80
EXEMPLO 3:
FÓRMULA:
1. Determinar a quantidade total da fase oleosa:
8 + 4 + 3 + 35 = 50g de fase oleosa total
2. Calcular a fração de cada componente oleoso na fase oleosa:
Cera de abelha: 8/50= 0,16
Cera de carnaúba: 4/50= 0,08
Lanolina: 3/50= 0,06
Óleo mineral: 35/50= 0,70
3. EHL necessário para cada componente x fração do componente na fase oleosa:
Cera de abelha: 0,16 x EHL cera de abelha (ver tabela 3) → 0,16 x 9 = 1,44
Cera de carnaúba: 0,08 x EHL cera de carnaúba (ver tabela 3) → 0,08 x 12 = 0,96
Lanolina: 0,06 x EHL lanolina (ver tabela 3) → 0,06 x 12 = 0,72
Óleo mineral: 0,70 x EHL óleo mineral (ver tabela 3) → 0,70 x 12 = 8,4
4. EHL final igual à soma de cada valor obtido na etapa 3:
1,44 + 0,96 + 0,72 + 8,4 = 11,5 (EHL total da emulsão)
5. Selecionar o tensoativo com valor de EHL mais próximo do obtido. Depois, calcular a proporção de cada tensoativo que será utilizado para emulsificar a formulação apresentada:
Estabelecendo que o sistema emulsificante será formado por uma mistura de A= Span 60 e B= Tween 80, podemos calcular as quantidades de cada emulsificante.
Sabe-se que:
EHL requerido = 11,1
EHLA= 4,7 (ver tabela 3)
EHLB= 15 (ver tabela 3)
Sist. Emulsificante = 5 g
A e B são frações dos emulsificantes
% (a) = 100 (11,52 – 4,7) / (15 – 4,7)
% (a) = 100 x 6,8/ 10,3
% (a) = 680/ 10,3
% (a) = 66% ou 0,66
% (b) = 100 – 66
% (b) = 34% ou 0,34
Considerando que temos 5g total de tensoativo, temos:
A= 0,66 x 5g = 3,30 g de Span 80
B = 0,34 x 5g = 1,70g de Tween 80
Normalmente, é mais comum exemplificar com misturas de apenas dois emulsificantes, mas nada impede que os formuladores utilizem o método de EHL para trabalhar com 1, 2, 3 ou mais emulsificantes.
Lembrem-se: o objetivo é encontrar uma combinação de emulsificantes que corresponda ao EHL final da emulsão!
Porém, embora seja uma ferramenta muito útil, o sistema HLB apresenta algumas limitações. Por exemplo, ingredientes adicionais da fase aquosa não são considerados, mas ainda podem afetar a estabilidade.
QUANTO EMULSIONANTE DEVE TER UMA FÓRMULA BALANCEADA PELO MÉTODO EHL (HLB)?
É evidente que, além de escolher o emulsificante ou uma mistura de emulsificantes compatíveis e suas devidas proporções de acordo com o EHL requerido pela fase oleosa, é preciso determinar a quantidade do emulsionante escolhido.
Uma quantidade insuficiente para recobrir completamente as gotículas da fase interna prejudica a estabilidade da emulsão, enquanto o excesso pode ocasionar a formação indesejável de espuma e maior incorporação de ar na fórmula. Além disso, o excesso abusivo de emulsificantes pode ser irritante para a pele e representa um custo desnecessário.
Na prática, por regra, utiliza-se de 0,5 a 5% em peso da formulação total de tensoativo primários, ajustando experimentalmente a concentração ideal.
Mas, a quantidade precisa de emulsificante nas emulsões também pode ser calculada através da seguinte equação: