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Das Handbuch

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Beiträge für Einsteiger

Online-Shops: Wo bekommt man all die beschriebenen Zutaten? In dieser Liste finden Sie eine Auswahl an bewährten Bezugsquellen.
Emulgator-Tabelle: Jeder Emulgator hat bestimmte Eigenschaften: diese Tabelle zeigt Ihnen auf einen Blick, welche.
Wirkstoff-Tabelle: Diese Tabelle listet die Eigenschaften von Wirkstoffen auf und gibt Hinweise zu ihrer Dosierung und Verarbeitung.

Emulsionstypen

Wenn wir eine Lotion oder Creme rühren, stellen wir chemisch betrachtet eine Emulsion her. Eine Emulsion ist eine Mischung (korrekt nennt man diese Dispersion) aus Substanzen, die nicht mischbar sind. In der Kosmetik verwenden wir Emulsionen aus Wasser und Fett (Öle, Pflanzenbuttern und Wachse). Im normalen Zustand trennen sich beide Phasen: Das leichtere Öl schwimmt oben und grenzt sich klar definiert ab – Emulsionen sind daher von Natur aus zunächst instabil. Wenn man sie kräftig schüttelt (physikalisch gesehen also Energie zuführt), zersprengen die beiden Phasen in unzählige Tröpfchen, die sich vorübergehend mischen, und es bildet sich eine so genannte Kurzzeitemulsion. Allerdings trennen sich beide Phasen wieder, da Wasser- und Öltröpfchen die Neigung haben, so lange zu großen Wasser- bzw. Öltropfen zusammenzufließen, bis beide Phasen wieder vollkommen getrennt vorliegen: Wasser unten, Fett oben.
Um die wässrige und die ölige Phase zu einer Emulsion zu verbinden, benötigen wir einen Emulgator: Emulgatoren sind Substanzen mit einem wasserliebenden (hydrophilen) und einem fettliebenden (lipophilen) Teil. Sie haben die Eigenschaft, die Grenzflächenspannung beider Substanzen zu verringern, so dass sie sich leichter mischen; daher nennt man sie auch »grenzflächenaktive Substanzen«, zu denen auch die stark hydrophilen, waschaktiven Tenside subsummiert werden. Sie verhalten sich beiden Phasen gegenüber so, dass ihr hydrophiler Teil sich an Wassermoleküle, ihr lipophiler Teil an Fettmoleküle bindet. (Auch unsere Haut arbeitet mit natürlichen Emulgatoren, die Hauttalg und Schweiß zu einem Hydro-Lipid-Film verbinden; hier sind es freie Fettsäuren, Diglyceride und Cholesterole.) Sie bilden um die Tröpfchen einen Grenzflächenfilm, der ihr Zusammenfließen verhindert.

: Ein Emulgatormolekül mit hydrophilem »Kopf« und lipophilem »Schwanz«

Emulsionstypen: W/O und O/W

Wir arbeiten im Wesentlichen mit zwei Typen an einfachen Emulsionen, Öl-in-Wasser-(O/W) und Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O), daher werde ich die beiden zuerst darstellen. Die beiden folgenden Abbildungen sollen die Wirkungsweise verdeutlichen.
Beginnen wir mit einer Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W). Hier löst sich der Emulgator in Wasser – der äußeren (kontinuierlichen) Phase – und hüllt die kleinen Öltröpfchen (die innere, disperse Phase) ein, so dass sie nicht mehr zusammenfließen können.

Unten: Wie Sie in der unteren Abbildung sehen, weisen O/W-Emulsionen viele kleine (hier gelbe) Öltröpfchen in einer wässrigen Phase auf: Der Emulgator weist mit seinem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf (dem kleinen runden Teil) in die Wasserphase, während sein lipophiler (fettliebender) Schwanz im Öltröpfchen steckt.

: Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W) (© H. Käser)

Bei einer Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O) ist der Emulgator im Öl gelöst und umhüllt die kleinen Wassertröpfchen, damit sie nicht zusammenfließen können:

Unten: Die untere Abbildung zeigt eine W/O-Emulsion: viele kleine (hier blaue) Wassertröpfchen sind in einer öligen Phase verteilt: Der Emulgator weist mit seinem lipophilen (fettliebenden) Ende in die Ölphase, während sein hydrophiler (wasserliebender) Kopf im Wassertröpfchen steckt.

: Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O) (© H. Käser)

Ausschlaggebend dafür, welcher Emulsionstyp sich bildet, ist – neben dem Volumen-Verhältnis der beiden Phasen (Fett und Wasser) und dem Herstellungsverfahren – in erster Linie der verwendete Emulgator. Es gibt die sog. Bancroft-Regel, die aussagt, dass diejenige Phase zur Außenphase (der so genannten kontinuierlichen Phase) wird, in der sich der Emulgator besser löst. Lipophile Emulgatoren bilden also eher Wasser-in-Öl- und hydrophile eher Öl-in-Wasser-Emulsionen. Der Emulsionstyp wird auch durch den sogenannten HLB-Wert gekennzeichnet, der hydrophilic-lipophilic Balance, die die Neigung des Emulgators beschreibt, sich eher in wässriger oder in öliger Phase zu lösen. Ein HLB-Wert über 10 charakterisiert in der Regel einen O/W-Emulgator, ein HLB-Wert unter 10 einen W/O-Emulgator. Es gibt daneben auch Mischemulgatoren, die sich je nach Phasenverhältnis von Fett und Wasser mal so, mal so verhalten – Lamecreme gehört z. B. dazu.
Ein weit verbreiteter Irrtum ist übrigens, dass Wasser-in-Öl-Emulsionen grundsätzlich mehr Fett beinhalten würden als Öl-in-Wasser-Emulsionen, da doch Öl die äußere Phase sei. Das stimmt wirklich nicht. Sie können aus 75 % Wasser und 25 % Öl eine Wasser-in-Öl-Emulsion machen – mit dem entsprechenden Emulgator. Sie haben dann ultraviele, kleine Tröpfchen Wasser dicht gepackt in wenig Öl, wie die untere Grafik zeigt:

: Beide Emulsionen weisen die gleichen Phasen-Verhältnisse von ca. 25 % Fett und 75 % Wasser auf. Links erzeugen wir mit dem entsprechenden Emulgator eine O/W-Emulsion, rechts eine W/O-Emulsion. Sie sehen, wie dicht die innere Phase in der WO-Emulsion gepackt ist. Ein klassisches Beispiel für eine solche Creme ist übrigens Nivea™. (© Heike Käser)

Das erweiterte 4-Phasen-Modell von Junginger

Das oben beschriebene »Tröpfchen-Modell« der Emulsionstypen (bekannt als 2-Phasen-Modell) ist bereits durch Forschungsergebnisse Anfang der 70er Jahre durch B.W.Barry, in Folge insbesondere von H. Junginger erweitert worden, die ein anderes Modell kosmetischer O/W-Emulsionen zeichnen: die »Gelnetzwerk-Theorie« bzw. das 4-Phasen-Modell einer Emulsion. Es ist einfach zu verstehen; die folgende Grafik (Abbildung 4) soll Ihnen zeigen, wie sich Öle, Wasser, Emulgatoren und Koemulgatoren in einer Emulsion verhalten und wie sie wirken. Gezeigt wird eine Öl-in-Wasser-Emulsion:

Sie sehen die vom Emulgator ummantelten Öltröpfchen (1) in Wasser (2) – und nun kommt die Erweiterung des klassischen Modells:
Ko-Emulgatoren (z. B. Cetylalkohol, Cetylpalmitat (Walratersatz), Myristylmyristat und nicht selbst emulgierendes Glycerinstearat) bilden zusammen mit überschüssigem Emulgator Phase (3) einer O/W-Emulsion, eine flüssig-kristalline Gelphase aus, in der dazwischen (daher sagt man interlamellar, also zwischen den wasserliebenden Polen der Moleküle, die sich lamellenartig ausrichten) Wasser aus der äußeren Phase eingebunden wird. Der Begriff »flüssig-kristallin« beschreibt einen Zustand, in dem die Moleküle wie in einem Kristall einer festen, räumlichen Ordnung unterliegen, jedoch beweglich bleiben.
Diese Gelstrukturen (das Mischkristallisat aus Emulgator und Koemulgator) durchziehen die Emulsion wie ein Netz oder ein Schwamm. Wasser, das nicht mehr in dieses Gel-Gerüst passt, wird als freies Wasser, so genanntes Bulkwasser, mechanisch gebunden. In der kosmetischen Anwendung ist es das freie (das so genannte Bulk-)Wasser, das sofort hydratisiert, Wirkstoffe abgibt und kühlt, während das interlamellar gebundene Wasser wie ein Feuchtigkeits- und Wirkstoff-Depot wirkt, also erst nach und nach frei gegeben wird. Im »Vergleich zu einem System ohne Flüssigkristalle« ist »die Wirkstofffreisetzung aus einer derartigen Emulsion bis zu 1000mal langsamer. Der Effekt wird den lamellaren flüssigkristallinen Schichten zugeschrieben, welche den Transport der in den Öltröpfchen gelösten Wirkstoffe über die Grenzschicht Öl-Wasser einschränken.« (Horst Stegemeyer: Lyotrophe Flüssigkristalle. Grundlagen, Entwicklung, Anwendung. Steinkopf Verlag: Darmstadt 1999, S. 117).
Phase (4) schließlich besteht aus überschüssigem, auskristallisierten Koemulgator, der – zusammen mit Lipiden – die so genannte lipophile Gelphase bildet.
Mit Dosierung des Ko-Emulgators haben wir u. a. in der Hand, wieviel Wasser unsere Emulsion interlamellar oder als Bulkwasser speichert. Versuche mit unterschiedlichen Verhältnissen zwischen Emulgator und Koemulgator zeigten erstaunliche Ergebnisse:

Emulgatoren alleine (also ohne Zugabe von Koemulgatoren) scheinen eine unterschiedlich stark ausgeprägte Eigenfähigkeit zu besitzen, flüssig-kristalline Gelphasen zu bilden, die Wasser interlamellar binden. In Emulsionen nur aus Öl, Wasser und Emulgator liegt das Wasser, abhängig vom Emulgator, in unterschiedlichen Verhältnissen frei oder gebunden vor.
Das Verhältnis zwischen Emulgator und Koemulgator bestimmt offenbar, wieviel Wasser interlamellar gebunden wird oder als freies Bulkwasser vorliegt. Interessanterweise wird zunächst, mit Ausbildung des Mischkristallisats aus Emulgator und Koemulgator, Wasser bevorzugt interlamellar gebunden. Aber (!): steigt der Koemulgatoranteil weiter, steigt auch der Anteil an Bulkwasser, während der Anteil interlamellar gebundenen Wassers sinkt.

Zu hohe Emulgator-Konzentrationen in einem Pflegeprodukt haben negative Folgen: neben der Tendenz des Emulgators, auf der Hautoberfläche weiter zu emulgieren und bei Wasserkontakt (z. B. Waschen, Duschen) Hautfett herauszulösen und die Haut auszutrocknen, wirkt auskristallisierter (Ko-) Emulgator stumpf oder inhomogen. Nutzen können wir die fettlösende Wirkung von hohen Emulgatoranteilen gezielt in Reinigungs-Präparaten: Eine Reinigungscreme mit z. B. 25 % Emulgatoranteil auf die Fettphase hat eine vergleichbare Wirkung wie eine Reinigungsmilch mit optimal dosiertem Emulgator und einem geringen Tensid-Anteil. Kosmetische Präparate für trockene Haut arbeiten oft mit leicht erhöhtem Emulgatoranteil, um den Einsatz von Tensiden zu vermeiden.

»Emulgatorfreie« Rezepturen: Quasiemulsionen und natürliche Emulgatoren

Neben den klassischen Emulsionstypen W/O und O/W können wir auch ohne grenzflächenaktive Substanzen stabile Emulsionen erzeugen. Ein bekannter Emulsionstyp ist die Cold Cream, auch Kühlsalbe oder, im pharmazeutischen Kontext nach dem Deutschen Arzneibuch (DAB) Unguentum leniens genannt: sie besteht aus 7 Teilen gelbem Wachs, 8 Teilen Cetylpalmitat (Walratersatz), 60 Teilen Erdnussöl und 25 Teilen Wasser; je nach Anbieter werden andere Ingredienzien wie Hydrolate, Mandelöl usw. verarbeitet. Das Prinzip dieser »Emulsion« basiert auf der hohen Viskosität der äußeren Phase (hier durch Bienenwachs und Cetylpalmitat erreicht, die die innere Phase festhält, »immobilisiert«, d. h. verhindert, dass sich die Teilchen der inneren Phase zusammenfinden. Wir nennen einen solchen Emulsionstyp Quasiemulsion. Es ist keine echte Emulsion, in der die innere Phase durch Grenzflächenfilme der Emulgatoren von der äußeren Phase getrennt werden. Typische Hilfsmittel für Quasiemulsionen sind Wachse und Wachsester (denken Sie an Jojobaöl), aber auch Fette mit hohem Schmelzpunkt (z. B. Pflanzenbuttern). Weitere Quasiemulsionen liegen auch vor, wenn wir eine geringe Menge an Lipiden in eine Gelphase geben und ein Hydrodispersionsgel erzeugen.

Neben den Quasiemulsionen können wir natürliche Emulgatoren nutzen. In erster Linie sind dies Lecithine, hautphysiologische Emulgatoren, die als hautfreundliche und physiologisch verträgliche Alternative zu den klassischen Emulgatoren auf Glucosebasis gelten.

Wie dem auch sei: Wir befinden uns also auf einem »Drahtseil«: wir benötigen in der Regel Emulgatoren (dazu zählen nicht nur klassische Emulgatoren, wie wir sie kennen, sondern auch leicht emulgierende Fettalkohole wie eben Cetylalkohol usw.), um einer Emulsion eine gewisse Konsistenz zu verleihen und sie damit stabil zu halten, zu viel verringert jedoch die pflegende und haptische Qualität unserer Cremes. Was können wir tun? Möglichkeiten, unsere Emulsionen zu verbessern, zeigt der nächste Beitrag.

Quellenangaben und weiterführende Informationen

Christina Ballmann, Entwicklung und Charakterisierung halbfester Zubereitungen auf der Basis von Triglyceriden. Dissertation, Kiel 2006
M. Gloor, K. Thoma, J. Fluhr: Dermatologische Externatherapie. Berlin: Springer-Verlag, 2000
Gert Kutz, Rolf Daniels, Hagen Trommler: Emulsionen. Entwicklung, Herstellung, Prüfung. Editio Cantor Verlag, 2011
Horst Stegemeyer, Lyotrophe Flüssigkristalle. Darmstadt: Steinkopff-Verlag, 1999
Seminarunterlagen von Frau Prof. Ortanderl zur Vorlesung »Emulsionstechnologie«, FH Bonn-Rhein-Sieg, 2006