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Publicação
Development of multifunctional emulsions based on lignin and cellulose for cosmetic application
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The growing consumer demand for safer, more natural, and environmentally sustainable cosmetic products has driven the development of alternative formulation strategies. One promising approach involves emulsion systems stabilized by solid particles, rather than molecular surfactants, known as Pickering emulsions. These systems offer improved biocompatibility, enhanced stability, and eco-friendly character. Microcrystalline cellulose (MCC) containing residual lignin is an innovative material that has attracted industrial interest for high-value-added applications. In this context, the present work investigated the use of MCC at different lignin contents as a stabilizing agent in the development of multifunctional Pickering emulsions for cosmetic applications. The influence of lignin content on particle wettability and interfacial behavior was evaluated, as well as the effect of physical modification through high-pressure homogenization (HPH) and lignin particle precipitation within MCC samples. The MCC properties, including size distribution and wettability, were analyzed to correlate structural characteristics with emulsion performance. HPH modified the MCC structure and size, improving its dispersion behavior and Pickering-stabilizing performance. However, the processed samples also exhibited greater heterogeneity, and the significant increase in average particle diameter observed suggests the formation of fibrillar structures, particle aggregation, and/or re-agglomeration after processing. Pickering emulsions were successfully produced using MCC dispersions and Miglyol 812 as the oil phase under a 1:1 oil-to-water volume ratio. The resulting systems were characterized in terms of morphology, droplet size, emulsified layer formation, rheological behavior, and storage stability over time. The results showed that lignin content is a critical parameter governing the performance of MCC-based Pickering stabilizers, with small variations in residual lignin content significantly influencing particle hydrophobicity and emulsion stabilization efficiency. MCC Crude (18.7%) showed the highest stabilizing performance, indicating that the higher residual lignin content favored particle hydrophobicity and interfacial adsorption. In contrast, MCC White (4.0%) exhibited poor stabilization due to its highly hydrophilic nature, even after processing. MCC Blond (6.5%) provided intermediate stability while producing light-colored emulsions, a particular advantage for cosmetic applications. For the MCC Crude sample, the lignin particle precipitation approach altered the interfacial properties of the material; however, the results indicated that HPH processing was more advantageous for improving Pickering stabilization performance. Overall, this work demonstrated the innovative use of MCC samples containing residual lignin as Pickering stabilizers, advancing understanding of, and strategies to improve, their interfacial properties and stabilization mechanisms in high-value Pickering emulsions.
A crescente procura dos consumidores por produtos cosméticos mais seguros, mais naturais e ambientalmente sustentáveis tem impulsionado o desenvolvimento de estratégias alternativas de formulação. Uma abordagem promissora envolve sistemas de emulsão estabilizados por partículas sólidas, substituindo os surfactantes moleculares, conhecidos como emulsões Pickering. Esses sistemas oferecem melhor biocompatibilidade, maior estabilidade e menor toxicidade. Celulose microcristalina (MCC) contendo lignina residual é um material inovador que tem despertado interesse industrial para aplicações de alto valor agregado. Nesse contexto, o presente trabalho investigou o uso de MCC, na presença de diferentes teores de lignina, como agente estabilizante no desenvolvimento de emulsões de Pickering multifuncionais para aplicações cosméticas. A influência do teor de lignina na molhabilidade das partículas e no comportamento interfacial foi avaliada, assim como o efeito da modificação mecânica por homogeneização de alta pressão (HPH) e pela precipitação de partículas de lignina. As propriedades da MCC, incluindo a distribuição de tamanhos e a molhabilidade, foram analisadas para correlacionar as características estruturais ao desempenho das emulsões. O processamento por HPH modificou a estrutura e o tamanho da MCC, melhorando seu comportamento de dispersão e sua capacidade de estabilização por Pickering. Entretanto, as amostras processadas também apresentaram maior heterogeneidade, e o aumento significativo no diâmetro médio das partículas sugere a formação de estruturas fibrilares, agregação de partículas e/ou reaglomeração após o processamento. As emulsões de Pickering foram produzidas com sucesso utilizando amostras de MCC e Miglyol 812 como fase oleosa, na razão óleo/água de 1:1, seguidas de homogeneização sob alta pressão. Os sistemas resultantes foram caracterizados quanto à morfologia, tamanho de gota, formação de camada emulsificada, comportamento reológico e estabilidade de armazenamento ao longo do tempo. Os resultados demonstraram que o teor de lignina é um parâmetro crítico que governa o desempenho dos estabilizantes de Pickering à base de MCC, evidenciando que pequenas variações no teor de lignina residual influenciam significativamente a hidrofobicidade das partículas e a eficiência de estabilização das emulsões. A MCC Crude (18,7%) apresentou o maior desempenho estabilizante, indicando que o maior teor de lignina residual favoreceu a hidrofobicidade das partículas e a adsorção interfacial. Em contraste, a MCC White (4,0%) apresentou baixa capacidade de estabilização devido à sua natureza altamente hidrofílica, mesmo após as estratégias de processamento aplicadas. A MCC Blond (6,5%) apresentou estabilidade intermediária, porém produziu emulsões de coloração clara, o que é particularmente vantajoso para aplicações cosméticas. Para a amostra MCC Crude, a estratégia de precipitação de partículas de lignina promoveu alterações nas propriedades interfaciais do material; entretanto, os resultados indicaram que o processamento por HPH foi mais vantajoso para melhorar o desempenho de estabilização Pickering. De modo geral, este trabalho demonstrou o uso inovador de amostras de MCC contendo lignina residual como estabilizantes Pickering, ampliando a compreensão e as estratégias para a melhoria das propriedades interfaciais e dos mecanismos de estabilização voltados ao desenvolvimento de emulsões Pickering de alto valor agregado.
A crescente procura dos consumidores por produtos cosméticos mais seguros, mais naturais e ambientalmente sustentáveis tem impulsionado o desenvolvimento de estratégias alternativas de formulação. Uma abordagem promissora envolve sistemas de emulsão estabilizados por partículas sólidas, substituindo os surfactantes moleculares, conhecidos como emulsões Pickering. Esses sistemas oferecem melhor biocompatibilidade, maior estabilidade e menor toxicidade. Celulose microcristalina (MCC) contendo lignina residual é um material inovador que tem despertado interesse industrial para aplicações de alto valor agregado. Nesse contexto, o presente trabalho investigou o uso de MCC, na presença de diferentes teores de lignina, como agente estabilizante no desenvolvimento de emulsões de Pickering multifuncionais para aplicações cosméticas. A influência do teor de lignina na molhabilidade das partículas e no comportamento interfacial foi avaliada, assim como o efeito da modificação mecânica por homogeneização de alta pressão (HPH) e pela precipitação de partículas de lignina. As propriedades da MCC, incluindo a distribuição de tamanhos e a molhabilidade, foram analisadas para correlacionar as características estruturais ao desempenho das emulsões. O processamento por HPH modificou a estrutura e o tamanho da MCC, melhorando seu comportamento de dispersão e sua capacidade de estabilização por Pickering. Entretanto, as amostras processadas também apresentaram maior heterogeneidade, e o aumento significativo no diâmetro médio das partículas sugere a formação de estruturas fibrilares, agregação de partículas e/ou reaglomeração após o processamento. As emulsões de Pickering foram produzidas com sucesso utilizando amostras de MCC e Miglyol 812 como fase oleosa, na razão óleo/água de 1:1, seguidas de homogeneização sob alta pressão. Os sistemas resultantes foram caracterizados quanto à morfologia, tamanho de gota, formação de camada emulsificada, comportamento reológico e estabilidade de armazenamento ao longo do tempo. Os resultados demonstraram que o teor de lignina é um parâmetro crítico que governa o desempenho dos estabilizantes de Pickering à base de MCC, evidenciando que pequenas variações no teor de lignina residual influenciam significativamente a hidrofobicidade das partículas e a eficiência de estabilização das emulsões. A MCC Crude (18,7%) apresentou o maior desempenho estabilizante, indicando que o maior teor de lignina residual favoreceu a hidrofobicidade das partículas e a adsorção interfacial. Em contraste, a MCC White (4,0%) apresentou baixa capacidade de estabilização devido à sua natureza altamente hidrofílica, mesmo após as estratégias de processamento aplicadas. A MCC Blond (6,5%) apresentou estabilidade intermediária, porém produziu emulsões de coloração clara, o que é particularmente vantajoso para aplicações cosméticas. Para a amostra MCC Crude, a estratégia de precipitação de partículas de lignina promoveu alterações nas propriedades interfaciais do material; entretanto, os resultados indicaram que o processamento por HPH foi mais vantajoso para melhorar o desempenho de estabilização Pickering. De modo geral, este trabalho demonstrou o uso inovador de amostras de MCC contendo lignina residual como estabilizantes Pickering, ampliando a compreensão e as estratégias para a melhoria das propriedades interfaciais e dos mecanismos de estabilização voltados ao desenvolvimento de emulsões Pickering de alto valor agregado.
Descrição
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Palavras-chave
Cosmetics Lignin Microcrystalline cellulose Pickering emulsions