Γιατί θερμαίνω τις φάσεις των καλλυντικών στους 70°C;

Μετά από ερώτηση αναγνώστριας έψαξα και βρήκα ένα πολύ ωραίο άρθρο που αιτιολογεί τη σημαντικότητα της θέρμανσης των φάσεων των καλλυντικών στους 70°C και τη παραμονή της θερμοκρασίας σε αυτό το επίπεδο για μερικά λεπτά της ώρας, πριν την ανάμιξη τους. Σας το μεταφράζω και σας το παραδίδω για μελέτη.

Υπάρχουν δύο βασικοί λόγοι που ακολουθούμε τη συγκεκριμένη διαδικασία: Ο πρώτος είναι για να "παστεριώσουμε" τα υγρά μας, δηλαδή να εξολοθρεύσουμε τυχόν παθογόνους μικροοργανισμούς που μπορεί να υπάρχουν μέσα τη μάζα τους. Ο δεύτερος λόγος είναι γιατί οι δύο φάσεις απαιτούν να είναι σε μια συγκεκριμένη και ίδια θερμοκρασία όταν θα αναμιχθούν, ώστε να γίνει η γαλακτωματοποίηση πλήρως. Η γαλακτωματοποίηση είναι μια διαδικασία που οφείλεται στα μικύλλια. Η "κρίσιμη μικυλλιακή συγκέντρωση" (Critical Micelle Concentration, CMC) είναι απαραίτητη διεργασία για να επιτευχθεί γαλακτωματοποίηση και την οποία θα (προσπαθήσω να) αναλύσω παρακάτω.

Τι είναι το μικύλλιο;

ALERT! Ακολουθούν κινέζικα...

Το μικύλλιο σχηματίζεται από τη συσσωμάτωση των επιφανειοδραστικών μορίων που είναι διαλυμένα σε ένα κολλοειδές υγρό. Η μικυλλιοποίηση (σχηματισμός μικυλλίων) οφείλεται στον σχηματισμό συσσωματωμάτων από τα μόρια της επιφανειοδραστικής ουσίας.

Χημεία: Τα μικύλλια σχηματίζονται στη συγκέντρωση της απότομης μεταβολής της φυσικής ιδιότητας μιάς ουσίας, διεργασία που ονομάζεται κρίσιμη μικυλλιακή συγκέντρωση (critical micelle concentration, CMC). Ο αριθμός των μορίων που αποτελούν το μικύλλιο κυμαίνεται συνήθως από 50-100 και είναι κυρίως σφαιρικά και υπό προϋποθέσεις μεταπίπτουν σε κυλινδρικά, ελλειψοειδή, δισκοειδή ή ακόμη σχηματίζουν διπλοστιβάδες. Το υδρόφιλο τμήμα του επιφανειοδραστικού μορίου ονομάζεται κεφαλή (head group), ενώ η υδρόφοβη υδρογονανθρακική αλυσίδα αποκαλείται ουρά (tail). Όσο μεγαλύτερη είναι η υδρογονανθρακική αλυσίδα, τόσο ενεργειακά λιγότερο ευνοϊκή είναι η παρουσία του στο υδατικό περιβάλλον και συνεπώς ευνοϊκότερος ο σχηματισμός μικυλλίων.

Τι είναι κολλοειδές; Είναι ένας τύπος μίγματος όπου η μια ουσία είναι διαλυμένη ομοιογενώς σε μια άλλη. Τυπικά ένα κολλοειδές παρουσιάζει δύο φάσεις: τη συνεχή φάση και τη φάση διασποράς. Στη περίπτωση των γαλακτωμάτων oil-in-water το έλαιο είναι η φάση διασποράς και το νερό η συνεχής φάση.
Όλες οι επιφανειοδραστικές ουσίες έχουν τη λεγόμενη υδρόφοβη (λιπόφιλη) ουρά και τη υδρόφιλη (λιπόφοβη) κεφαλή. Η υδρόφοβη ουρά μετακινείται προς το κέντρο ώστε να αποφύγει το νερό και η υδρόφιλη κεφαλή προσπαθεί να φτάσει στο νερό και απομακρύνεται από το κέντρο (όπου υπάρχει το λίπος). Για να δημιουργήσουμε μικύλλια πρέπει να προσθέσουμε ικανή ποσότητα επιφανειοδραστικής ουσίας, ώστε να φτάσουμε στη λεγόμενη "κρίσιμη μικυλλιακή συγκέντρωση" και έπειτα να φτάσουμε στη λεγόμενη θερμοκρασία Krafft.

Η κρίσιμη μικυλλιακή συγκέντρωση και η θερμοκρασία είναι διαφορετική για κάθε προϊόν και είναι μια αρκετά περίπλοκη χημική διαδικασία. Θα αρκεστούμε στην ιδέα πως αν προσθέσουμε την απαιτούμενη ποσότητα του γαλακτωματοποιητή και θερμάνουμε τις φάσεις στους 70˚C για 20 λεπτά θα φτάσουμε στη κρίσιμη μικυλλιακή συγκέντρωση.

Και τι με νοιάζουν εμένα τα μικύλλια;
Μας νοιάζουν γιατί αυτά είναι που δημιουργούν το γαλάκτωμα. Στα γαλακτώματα oil-in-water η λιπαρή φάση προσκολλάται στην υδρόφοβη ουρά μέσα στο μικύλλιο και το νερό προσκολλάται στην υδρόφιλη κεφαλή. Ακριβώς το αντίστροφο συμβαίνει στα γαλακτώματα water-in-oil. Χωρίς τα μικύλλια δεν υπάρχει γαλακτωματοποίηση.

Όταν φτάνουμε στη "κρίσιμη θερμοκρασία μικυλλιοποίησης" ή αλλιώς "σημείο Krafft", η οποία προτείνεται στους 70˚C με 80˚C, βλέπουμε τα μικύλλια να σχηματίζονται σωστά, γεγονός που σημαίνει πως η γαλακτωματοποίηση έγινε σωστά και πως το γαλάκτωμα δε θα διαχωριστεί. Αν πχ. η λιπαρή φάση μας είναι στους 70˚C και η υδατική στους 100˚C δε θα ενωθούν σωστά και η γαλακτωματοποίηση θα είναι ατελής. Αν η λιπαρή φάση είναι κάτω από τους 70˚C τότε θα πάρουμε ένα πολύ ασταθές γαλάκτωμα.

Αναστροφή των φάσεων
Σε ένα γαλάκτωμα έχουμε τη συνεχή φάση και τη φάση διασποράς, όπως είπαμε πιο επάνω. Για παράδειγμα σε ένα γαλάκτωμα oil-in-water το νερό είναι η συνεχής φάση και το λάδι η φάση διασποράς. Όταν τελειώσουμε με τη θέρμανση των φάσεων προχωρούμε στην ανάμιξη τους. Γνωρίζουμε πως όταν θερμαίνουμε μια ουσία αυξάνουμε τη διαλυτότητα της. Οι μη ιονικοί γαλακτωματοποιητές, όπως το emylsifying wax, είναι υδατοδιαλυτοί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ενώ καθίστανται λιποδιαλυτοί σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε χαμηλές θερμοκρασίες το e-wax δημιουργεί γαλάκτωμα oil-in-water, ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες παράγει water-in-oil γαλάκτωμα.

Ρωτάω εγώ: Γιατί να μη κάνουμε τη διαδικασία σε χαμηλότερη θερμοκρασία αφού θέλουμε να φτιάξουμε γαλάκτωμα oil-in-water;

Η παρασκευή ενός water-in-oil γαλακτώματος το οποίο τελικά θα μετατραπεί σε γαλάκτωμα oil-in-water είναι μια διαδικασία που ονομάζεται "αναστροφή των φάσεων".

Πως λειτουργεί η "αναστροφή των φάσεων";
Οι περισσότεροι γαλακτωματοποιητές που χρησιμοποιούμε είναι αιθοξυλιωμένες λιπαρές ύλες και αλκοόλες. Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ του αιθοξυλιωμένου μορίου και του νερού είναι αυτός που βοηθά στη δημιουργία του γαλακτώματος. Όταν αυτά τα δύο υλικά θερμαίνονται δύο πράγματα συμβαίνουν:

1. Η τιμή HLB μειώνεται από περίπου 12 στο 5, το οποίο σημαίνει πως γίνονται κατάλληλα για γαλάκτωμα water-in-oil.
2. Μειώνεται η δυνατότητα τους να αναπτύσσουν τέτοιους δεσμούς υδρογόνου με το νερό.

Δηλαδή στη πραγματικότητα λειτουργούν σαν water-in-oil γαλακτωματοποιητές όταν θερμαίνονται.

Όσο το γαλάκτωμα ψύχεται, το HLB των γαλακτωματοποιητών επανέρχεται στην αρχική του τιμή και συνεπώς αυξάνεται η δυνατότητα των μορίων να φτιάχνουν δεσμούς υδρογόνου με τα μόρια του νερού. Το γαλάκτωμα δηλαδή από water-in-oil γίνεται oil-in-water.

Αυτή η διαδικασία έχει σαν αποτέλεσμα ένα πιο σταθερό γαλάκτωμα, καθώς τα σταγονίδια ελαίου που έχουν γαλακτωματοποιηθεί είναι πιο μικρά από ότι σε ένα γαλάκτωμα που δεν έχει υποστεί την αναστροφή των φάσεων. Ένας από τους πιο βασικούς λόγους διαχωρισμού των συστατικών σε ένα γαλάκτωμα είναι η συσσωμάτωση των μορίων της λιπαρής φάσης. Όσο πιο μικρά είναι αυτά τα "σταγονίδια" ελαίου τόσο πιο εύκολο είναι να τα κρατήσουμε ξέχωρα και άρα μειώνουμε τον κίνδυνο διαχωρισμού. Η αναστροφή των φάσεων επιτυγχάνεται μόνο με τη θέρμανση στην απαιτούμενη θερμοκρασία των δύο φάσεων. Για αυτό το λόγο είναι κατανοητό σε όλους πως ο μπακαλίστικος τρόπος παρασκευής γαλακτωμάτων "με το μάτι", όπως το βράσιμο του νερού και η θέρμανση των λιπαρών συστατικών στο φούρνο μικροκυμάτων, θα μας δώσει μεν γαλάκτωμα όχι όμως όσο σταθερό θα ήταν αν θερμομετρούσαμε τις φάσεις και ακολουθούσαμε πιστά τους κανόνες θέρμανσης και ψύξης.

Συμπέρασμα

Αν θερμάνουμε τα υλικά μας στους 70˚C για 20 λεπτά, είμαστε σίγουροι πως έχουμε αυξήσει τη λιποδιαλυτότητα τους, το οποίο με τη σειρά του σημαίνει πως θα φτιάξουμε ένα γαλάκτωμα water-in-oil, το οποίο με τη ψύξη θα μετατραπεί σε πολύ σταθερό γαλάκτωμα oil-in-water. Θα έχουμε εξασφαλίσει πως τα μικύλλια θα έχουν το σωστό μέγεθος, ώστε να αποτραπεί ο διαχωρισμός του γαλακτώματος και τέλος θα έχουμε παστεριώσει τα υλικά του γαλακτώματος, ώστε να αποφύγουμε τη πρόωρη σήψη του αλλά και τυχόν μολύνσεις πάνω στο δέρμα μας. Γιαυτό λοιπόν είναι σημαντικό να θερμαίνουμε τις φάσεις.

Credits: jupiter.chem.uoa.gr, wikipedia, swiftcraftymonkey1, swiftcraftymonkey2, swiftcraftymonkey3