FR3044240A1 - Controle d'evaporation des emulsions stabilisees avec la lignine - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne l'utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l'émulsion, pour retarder l'évaporation de la phase huileuse et/ou pour augmenter la résistance mécanique de la couche d'adsorption formée par la lignine.

Description

La présente invention se rapporte à des émulsions, notamment des émulsions de type huile-dans-eau, et plus précisément à un procédé pour limiter la vitesse d’évaporation de la phase huileuse dans ces émulsions.
INTRODUCTION
Les émulsions sont largement produites et utilisées dans l'industrie soit comme matériaux à consommer, soit à appliquer sur des surfaces en tant que vecteurs d'agents non solubles dans l'eau. On retrouve des émulsions en pharmacie, en cosmétique (laits, crèmes, pommades), en cuisine (sauces, crèmes), en peinture, dans l'industrie routière, en agrochimie, en détergence, dans le laminage, la sidérurgie et dans la fabrication de dépôts divers (imprimerie, adhésifs ...).
En cosmétique et en pharmacie, les émulsions constituent un moyen efficace d’obtenir une combinaison harmonieuse d'ingrédients de nature et de propriétés différentes, notamment d’ingrédients lipophiles et hydrophiles, en une présentation homogène et facile d'emploi.
Une émulsion peut être définie comme un mélange intime de deux substances liquides, non miscibles, consistants en une phase aqueuse et une phase huileuse ou grasse. Par action mécanique et/ou chimique, la création d’une émulsion permet de mélanger ces deux phases, l’une des phases étant dite « dispersée » dans la seconde phase sous forme de petites gouttelettes.
On distingue les émulsions de type « huile dans l’eau » et « eau dans huile ». Ainsi, une émulsion huile-dans-eau (H/E ou O/W pour oil in water) est composée d'une phase huileuse dispersée dans une phase aqueuse. Il s'agit d'une émulsion « directe ». A l’inverse, une émulsion eau-dans-huile (E/H ou W/O pour water in oil) est composée d'une phase aqueuse dispersée dans une phase huileuse. Une émulsion E/H est plus grasse au toucher, car le toucher correspond majoritairement à la nature de la phase externe. Une telle émulsion est dite « inverse ». D’un point de vue thermodynamique, les émulsions sont par nature instables, notamment au cours du temps. Le mélange reste stable grâce à la présence d’un composé appelé émulsifiant ou émulsionnant, capable de maintenir la stabilité du mélange des deux phases aqueuse et huileuse.
Les émulsifiants peuvent être de nature ionique ou non-ionique. Les molécules utilisées peuvent être d’origine naturelle ou synthétique.
Les émulsifiants sont le plus souvent des agents tensioactifs ou des agents de surface. Les émulsifiants les plus utilisés à ce jour sont les sulfates et les sulfonates d'alkyle, les alcools, les acides, les esters gras éthoxylés, et les esters gras de sorbitan.
Le choix de l’émulsifiant pour maintenir la stabilité d’une émulsion particulière se fait en fonction de nombreux paramètres.
Aujourd’hui, l’utilisation de molécules d’origine naturelle est privilégiée.
Par ailleurs, compte-tenu des effets délétères de certains émulsifiants pour la santé humaine ou animale, la tendance actuelle est de diminuer les quantités d’émulsifiants utilisées.
Certains émulsifiants présentent des avantages spécifiques, additionnels à leurs propriétés de stabilisation. Ainsi, certains émulsifiants assurent la protection des principes actifs contre l’oxydation et/ou contre les rayons ultraviolets. D’autres émulsifiants permettent de stabiliser et de conserver l’intégrité physique et chimique des émulsions sur des périodes de temps très longues.
Une autre propriété avantageuse des émulsifiants est leur capacité à retarder l’évaporation des émulsions. De tels émulsifiants présentant cet avantage supplémentaire sont activement recherchés.
Pour limiter l’évaporation de la phase aqueuse des émulsions, il a été proposé de rajouter de la cire dans l’émulsion (US 5,780,409).
Pour limiter l’évaporation de la phase grasse au sein d’une émulsion huile-dans-eau, il a été proposé d’utiliser comme émulsifiant un polymère tel que l’alcool polyvinylique, ledit polymère permettant d’épaissir la couche d’eau en surface et donc de retarder l’évaporation de la phase grasse (Aranberri et al., 2003).
Il a aussi été montré que l’évaporation de la phase huileuse est retardée en présence d’une couche d’adsorption composée de nanoparticules de silice. La vitesse d’évaporation de cette phase peut encore être ralentie en compressant la couche d’adsorption composée de ces nanoparticules (Binks et al., 2010).
Les solutions proposées ci-dessus ne sont pas adaptées à des émulsions dites « concentrées », dans lesquelles le poids de la phase huileuse est au moins égal au poids de la phase aqueuse, voire supérieur à celui de la phase aqueuse.
Les inventeurs ont identifié un moyen pour retarder, au sein d’émulsions huile-dans-eau concentrées, l’évaporation de la phase grasse en utilisant un polymère naturel, la lignine.
Les inventeurs ont également identifié un moyen pour rendre résistantes aux contraintes mécaniques extérieures, notamment à une pression exercée sur l’émulsion, les couches d’adsorption entourant les gouttelettes d’huile, au sein d’émulsions huile-dans-eau concentrées.
RESUME DE L’INVENTION
La présente invention concerne l’utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau concentrée, caractérisée en ce que la phase huileuse représente au moins 50% en poids de l’émulsion, pour retarder l’évaporation de la phase huileuse.
La présente invention concerne aussi l’utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau concentrée, caractérisée en ce que la phase huileuse représente au moins 50% en poids de l’émulsion, pour augmenter la résistance mécanique de la couche d’adsorption.
Naturellement, les deux utilisations indiquées ci-dessus peuvent s’additionner.
Selon un aspect particulier de l’invention, ladite lignine est couplée à des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une émulsion de type huile-dans-eau présentant une évaporation de la phase huileuse retardée, comprenant les étapes suivantes : - combinaison d’une phase huileuse et d’une phase aqueuse, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion ; - ajout de lignine couplée à des nanoparticules d’or et/ou d’argent, selon un ratio phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, de préférence entre 50 et 40; - émulsification par agitation.
La présente invention concerne également une composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, de préférence entre 50 et 40, la lignine étant couplée à des particules d’or et/ou d’argent.
La présente invention concerne également une composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, et dans laquelle la lignine a été préalablement blanchie par traitement à l’eau oxygénée.
Avantageusement, ces compositions, bien que concentrées c’est-à-dire contenant au moins 50% en poids de phase huileuse, restent fluide grâce à l’utilisation de lignine comme émulsifiant.
Un des avantages majeurs de l’invention est l’utilisation comme émulsifiant d’une molécule naturelle, biodégradable, qui présente un faible coût de revient ainsi qu’un faible impact sur l’environnement, et qui présente des propriétés supplémentaires de protection contre l’évaporation et contre les chocs mécaniques.
DESCRIPTION DES FIGURES
Figure 1 : Courbes d’évaporation, en fonction du temps, du système biphasique heptane/eau (6,5/3,5 v/v) et des émulsions heptane/eau stabilisées avec différents tensioactifs : 1- système biphasique n-heptane/eau sans tensioactif 2- émulsion n-heptane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 3- émulsion n-heptane/eau stabilisée avec 0,1 g de tensioactif polymère tribloc PEOi06-PPO30-PEO106 (F-127) 4- émulsion n-heptane/eau stabilisée avec 0,1 g de bromure de dodecyl triméthyl ammonium (DTAB)
Figure 2 : Courbes d’évaporation, en fonction du temps, du système biphasique décane/eau (6,5/3,5 v/v) et des émulsions décane/eau stabilisées avec des tensioactifs différents. 1- système biphasique décane/eau sans tensioactif 2- émulsion décane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 3- émulsion décane/eau stabilisée avec 0,1 g de tensioactif polymère tribloc PEO106-PPO30-PEO106 (F-127) 4- émulsion décane/eau stabilisée avec 0,1 g de bromure de dodecyl triméthyl ammonium (DTAB)
Figure 3 : Courbes d’évaporation, en fonction du temps, du système biphasique dodécane/eau (6,5/3,5 v/v) et des émulsions décane/eau stabilisées avec des tensioactifs différents. 1- système biphasique dodécane/eau sans tensioactif 2- émulsion dodécane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 3- émulsion dodécane/eau stabilisée avec 0,1 g de tensioactif polymère tribloc PEO106-PPO30-PEO106 (F-127) 4- émulsion dodécane/eau stabilisée avec 0,1 g de bromure de dodecyl triméthyl ammonium (DTAB).
Figure 4 : Courbes d’évaporation, en fonction du temps, des systèmes biphasiques précédents et des émulsions correspondantes stabilisées avec 0,1 g de lignine 1- système biphasique n-heptane/eau sans tensioactif 2- émulsion n-heptane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 3- émulsion décane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 4- système biphasique décane/eau sans tensioactif 5- émulsion dodécane/eau stabilisée avec 0,1 g de lignine 6- système biphasique dodécane/eau sans tensioactif.
Figure 5 : Photographies en microscopie optique de la couche d’adsorption à base de lignine, dans une émulsion composée de décane et eau, en proportions de 65/35 volume/volume. A- Emulsion sans contrainte physique, B- Emulsion soumise à une contrainte physique externe.
Figure 6 : Schéma de la technique de monocouche de Langmuir.
Figure 7 : Représentation schématique d’un tensiomètre à bulle. 1- Banc d’optique, 2 - Source lumineuse, 3 - Cellule de mesure Thermostatée et/ou pressurisée, 4 - Pousse seringue, 5 - Optique et caméra, 6 - Ordinateur, 7 - Ecran de contrôle.
Figure 8 : Courbe représentant la forme du contour apparent de la goutte, et les angles de contact (θ, M) entre la goutte et son support - x et z sont les coordonnées cartésiennes de chaque point sur le profil de la bulle.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La présente invention concerne une nouvelle utilisation de la lignine, pour retarder l’évaporation de la phase huileuse d’une émulsion concentrée de type huile-dans-eau.
La présente invention concerne également l’utilisation de la lignine, pour augmenter la résistance mécanique de la couche d’adsorption formée par ladite lignine, autour des gouttelettes de phase huileuse dispersées, d’une émulsion concentrée de type huile-dans-eau.
La présente invention est en particulier utile pour des applications cosmétiques. De nombreux composés lipophiles entrant dans la formulation des émulsions cosmétiques, tels que les parfums, sont fragiles : ils peuvent présenter une faible stabilité, être facilement dégradés et surtout ont tendance à s’évaporer rapidement.
Dans les émulsions selon la présente invention, la libération des actifs lipophiles est contrôlée et retardée grâce à la formation d’une couche d’adsorption de structure particulière à l’interface des deux phases aqueuse et huileuse.
Les termes employés dans la présente demande sont mieux définis ci-dessous, pour favoriser une bonne compréhension de l’invention.
Comme indiqué précédemment, une émulsion est une dispersion, sous forme de gouttelettes, de deux liquides non miscibles entres eux. Elle est constituée d’une phase aqueuse; et d’une phase dite grasse, huileuse, organique ou lipophile, ces adjectifs étant utilisés indifféremment et désignant la même phase dans la présente demande.
Une émulsion de type huile-dans-eau comprend une phase huileuse dispersée au sein d’une phase aqueuse.
Une émulsion comprend également, en faible quantité, un émulsifiant aussi désigné dans la présente demande comme étant un « tensioactif », permettant la formation de couches d’adsorption à l’interface des deux liquides non miscibles.
Au sens de l’invention, le terme ‘couche d’adsorption’ désigne la couche se formant à l’interface phase aqueuse / phase huileuse dans l’émulsion, et permettant de maintenir la dispersion des gouttelettes de la phase huileuse dans la phase aqueuse. Cette couche est ici composée de lignine.
La lignine
La lignine est un des principaux composants du bois, avec la cellulose et l'hémicellulose. Toutes les plantes vasculaires, ligneuses et herbacées, fabriquent de la lignine.
La lignine est le deuxième biopolymère renouvelable le plus abondant sur la Terre, après la cellulose. Ce polymère est constitué d’au moins trois types de monomères différents, les monolignols suivants : - alcool coumarylique, appelé unité H (hydroxyphényle), sans groupe méthoxy ; - alcool coniférylique, appelé unité G (guaïacyle), à un groupe méthoxy ; - alcool sinapylique, appelé unité S (syringyle), à deux groupes méthoxy.
La fraction de chaque monomère varie de façon importante en fonction de l’origine de la lignine : elle est différente en fonction de la lignée végétale (gymnosperme, angiosperme monocotylédone, angiosperme dicotylédone) ; de l’espèce ; de l’organe ; du tissu ; et d’une manière générale de l'environnement physico-chimique dans lequel le végétal croît.
Il n’y a donc pas une définition unique et précise de la lignine, du fait de sa grande variabilité et cela au sein même d'une espèce donnée.
La lignine est connue pour ses propriétés de stabilisation des émulsions, comme cela a été publié par Rojas et al. (2007).
La lignine utilisée pour la mise en œuvre de la présente invention est préférentiellement une lignine d’origine naturelle.
Les lignines naturelles sont préférentiellement extraites de plantes vasculaires ligneuses ou herbacées en réalisant une acidolyse dans un solvant organique. Par exemple, le mode d'extraction dans un milieu dioxane/eau, en présence d'acide chlorhydrique, permet d'obtenir des préparations de lignines relativement peu modifiées et pauvres en sucres associés (Monties, 1988).
Selon un aspect particulier de l’invention, la lignine utilisée est un sous-produit d’un procédé d’extraction de cellulose à partir de plantes.
Selon un autre aspect de l’invention, la lignine utilisée pour la mise en œuvre de la présente invention est d’origine synthétique.
La lignine d’origine synthétique, aussi appelée ‘DHP’ pour ‘dehydropolymere’, peut être synthétisée in vitro en deux étapes : (i) synthèse de l'alcool coniférylique ou autre monolignol et (ii) polymérisation des monolignols en présence d'eau oxygénée et de peroxydase.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention, la lignine est préalablement blanchie par traitement à l’eau oxygénée.
Ceci permet de s’affranchir de la couleur naturelle de la lignine, marron foncé, qui ne convient pas à une utilisation en cosmétique.
Suite à un traitement à l’eau oxygénée, consistant en un simple mélange des deux composés dans une solution aqueuse, la lignine devient blanche et peut ainsi être incorporée à des compositions cosmétiques sans modifier la couleur de la composition.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’eau oxygénée est présente à une concentration de 15% à 95% dans la solution aqueuse de traitement de la lignine.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, le traitement de la lignine avec de l’eau oxygénée dure une minute, deux minutes, trois minutes, quatre minutes, cinq minutes, dix minutes, quinze minutes, vingt minutes, trente minutes ou une heure.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, le mélange de lignine et d’eau oxygénée est exposé au rayonnement solaire pendant la durée indiquée ci-dessus, pour accélérer le processus de blanchiment.
De manière intéressante, il a été constaté que les propriétés tensioactives de la lignine ne sont pas affectées par ce traitement à l’eau oxygénée.
Retardement de l’évaporation
Au sens de l’invention, on entend par «retarder l’évaporation de la phase huileuse » le fait de diminuer la vitesse à laquelle la phase huileuse s’évapore au cours du temps. L’évaporation de cette phase peut être mesurée par différentes techniques bien connues de l’Homme du métier.
Avantageusement, cette technique se base sur l’utilisation d’une cuve de Langmuir-Blodgett, utilisée à l'intérieur d'une enceinte fermée permettant de supprimer tout courant d'air et d'ajuster la température, donc à pression de surface et température constantes.
La technique de monocouche de Languir, telle que représentée en figure 6, permet de suivre les quantités de l’espèce volatile par des méthodes de dosage analytique avant et après irradiation par des rayons UV (Ultra-Violet), IR (Infrarouge) et par RMN (résonnance magnétique nucléaire), dans une cuve de Langmuir-Blodgett.
La cinétique d’évaporation de l’émulsion est mesurée au cours du temps. Le taux d’évaporation est évalué en pesant les flacons contenant les émulsions au temps T0 puis au temps Ti, et le pourcentage d’évaporation est calculé en fonction du différentiel de poids mesuré entre To et Ti.
Augmentation de la résistance mécanique
Selon un aspect de l’invention, l’utilisation de lignine dans une émulsion concentrée permet d’augmenter la résistance mécanique de la couche d’adsorption constituée de lignine.
Sans vouloir être liés par la théorie exposée ci-après, les inventeurs considèrent que les nouvelles propriétés particulières observées lorsque de la lignine est présente dans des émulsions concentrées sont liées à la formation de couche(s) d’adsorption de structure spécifique. En effet, il apparaît que le polymère de lignine forme un ‘réseau en trois dimensions’, aussi appelé ‘grille’ ou ‘matrice’, ledit réseau permettant des interconnections entre les couches d’adsorption présentes autour de chaque gouttelette de phase huileuse. Ainsi, ce ‘réseau’ présente des propriétés mécaniques surprenantes, en prévenant la décantation ou en réduisant la vitesse de décantation des gouttelettes de la phase dispersée, et en réduisant la vitesse d’évaporation de la phase huileuse au sein de l’émulsion huile-dans-eau.
Cette propriété mécanique de la couche d’adsorption constituée de lignine est particulièrement avantageuse pour des émulsions qui sont susceptibles d’être soumises à des pressions extérieures supérieures à la pression atmosphérique. Notamment, ces émulsions peuvent être stockées dans des récipients tels que par exemple des tubes, qui devront être soumis à une pression, notamment par la main de l’utilisateur, pour permettre la distribution de l’émulsion.
Les gouttelettes de phase huileuse, recouvertes par une couche d’adsorption formée de lignine, tendent à être plus résistantes à la pression que des gouttelettes de phase huileuse similaires, recouvertes par une couche d’adsorption de nature distincte. Ceci est démontré dans les exemples et en particulier illustré par les résultats présentés dans la figure 5.
Les propriétés mécaniques des couches d’adsorption sont étudiées par les techniques bien connues de l’Homme du métier, notamment en utilisant des dispositifs permettant la mesure de la tension superficielle des liquides, tel que le tensiomètre à goutte et la balance de Langmuir.
Un tensiomètre à goutte, aussi appelé tensiomètre à bulle, est représenté schématiquement en figure 7. Avec ce dispositif, une goutte de liquide est formée automatiquement à l’extrémité de l’aiguille d’une seringue, dans une cuvette contenant un autre liquide. La goutte est éclairée par une source lumineuse uniforme, de type sphère intégrante, et l’image de son profil est projetée par un objectif télécentrique sur une caméra CCD (512x512 pixels), puis est numérisée. L’image obtenue est ensuite traitée par logiciel pour déterminer, et ce plusieurs fois par seconde, la tension interfaciale, la surface et le volume de la goutte.
Le calcul de la tension interfaciale est réalisé par l’application de l’équation de Laplace Young, c’est à dire à partir de l'étude du contour d'une goutte présentant une symétrie de révolution. La forme de la goutte est déterminée par la combinaison de la tension interfaciale et des effets de la gravitation. Les effets de la tension interfaciale forcent la goutte à prendre une forme sphérique tandis que les effets de la gravitation ont tendance à l'allonger pour lui donner une forme en poire dans le cas d'une goutte pendante, et à l'aplatir dans le cas d'une goutte posée. Lorsque l'importance de ces effets est du même ordre, on peut déterminer la forme du contour apparent et les angles de contact entre la goutte et son support (fig. 8).
Le traitement des données s'appuie sur deux équations fondamentales: • l'équation de Laplace -Young qui traduit que la différence de pression causée par la courbure de la surface est proportionnelle à la courbure moyenne, le coefficient de proportionnalité étant justement la tension interfaciale: équation qui résulte d'un équilibre thermodynamique. • la deuxième équation résulte de l'écriture d'un équilibre des forces au travers de tout plan horizontal: 2πχγ ήηθ= V(pk - p)g + πχ2ρ où ρ est la pression due à la courbure γ la tension interfaciale R et R' les rayons de courbures principaux de la surface x l'abscisse du point de la méridienne d'ordonnée z Θ l'angle entre la normale et l'axe de révolution V le volume du fluide sous le plan ph et pl les masses volumiques respectives des deux fluides, et g l'accélération terrestre.
Une autre technique classiquement utilisée pour mesurer la pression de surface (ΔΡ) des couches d’adsorptions formées aux interfaces liquide/air et liquide/liquide est basée sur l’utilisation de la balance de Langmuir.
La pression de surface est égale à ΔΡ = γΐ - γ2, - où γΐ est la tension superficielle du solvant pur (sans couche d’adsorption), et γ2 est la tension superficielle du même solvant avec la couche d’adsorption.
Le γ2 peut être déterminé via l’appréciation de la pression de surface du liquide (ΔΡ) avec la balance de Langmuir, et en connaissant la valeur du γΐ.
Couplage de la lignine avec des nanoparticules
Selon un aspect particulier de l’invention, la lignine utilisée pour stabiliser l’émulsion H/E concentrée, et pour retarder l’évaporation de la phase huileuse et/ou pour augmenter la résistance mécanique de la couche d’adsorption, est couplée avec des nanoparticules métalliques.
Ces nanoparticules sont en particulier des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
Selon un premier aspect de l’invention, la lignine est couplée avec des particules d’or.
Selon un deuxième aspect de l’invention, la lignine est couplée avec des particules d’argent.
Selon un troisième aspect de l’invention, la lignine est couplée avec une combinaison de particules d’or et de particules d’argent.
Ces nanoparticules sont couplées avec la lignine, c’est-à-dire qu’elles sont intégrées dans le polymère de lignine constitutif de la couche d’adsorption, et sont liées aux molécules de lignine, soit par des liaisons covalentes, soit par des liaisons non-covalentes.
Dans certains modes de réalisation, une partie des nanoparticules métalliques est liée aux molécules de lignine de la couche d’adsorption par des liaisons covalentes et la partie restante des nanoparticules métalliques est liée aux molécules de lignine de la couche d’adsorption par des liaisons non covalentes.
Au sens de l’invention, les liaisons non covalentes englobent les liaisons faibles telles que les liaisons hydrogène, les liaisons ioniques et les interactions de Van Der Waals.
Pour coupler des nanoparticules métalliques aux molécules de lignine par des liaisons covalentes, il est notamment possible de lier, sur les fonctions thiols présentes dans la molécule de lignine, des nanoparticules d’or et/ou d’argent, selon des méthodes connues de l’homme du métier (voir pour référence l’article de Jie Xu and Hu-Lin Li, 1995).
Avantageusement, ces nanoparticules sont présentes en une quantité de 10, 25 et 50 mg pour une quantité de 100 mg de lignine. Ainsi, les nanoparticules sont présentes en des proportions relatives par rapport à la quantité totale de lignine + nanoparticules, comprises entre 5% et 35% en poids, et plus particulièrement en des proportions respectives d’environ 9 %, 20% et 33% en poids.
Avantageusement, la présence de ces nanoparticules d’or et/ou d’argent au sein du polymère lignine constituant une couche d’adsorption, permet d’obtenir des couches d’adsorption présentant des propriétés anti-oxydantes.
Quantité de lignine dans l’émulsion
Un des principaux avantages de l’utilisation de la lignine comme émulsifiant, et pour les autres propriétés citées ci-dessus, est la possibilité d’utiliser une quantité réduite de lignine pour stabiliser de façon durable les émulsions ainsi constituées.
Il a notamment été observé que les émulsions de type huile-dans-eau concentrées, comprenant moins de 5% en poids de lignine par rapport au poids total de l’émulsion, sont stables pendant plusieurs mois.
Selon un aspect particulier de l’invention, la lignine est présente dans l’émulsion en une quantité inférieure à 5%, préférentiellement inférieure à 4%, 3% ou 2% en poids, comparativement au poids total de l’émulsion.
Selon un aspect particulier de l’invention, la lignine est utilisée en une quantité d’environ 1% en poids par rapport au poids total de l’émulsion. L’utilisation de la lignine dans les buts revendiqués, à savoir le retardement de l’évaporation de la phase huileuse, et/ou l’augmentation de la résistance mécanique de la couche d’adsorption formée autour de la phase huileuse, est avantageusement réalisée dans des conditions de ratio massique phase grasse / lignine particulières pour l’émulsion huile-dans-eau considérée.
Ainsi, il est préférable, selon l’invention, d’utiliser une quantité de lignine de manière à ce que le rapport en masse de la phase huileuse sur la lignine soit compris entre 50 et 10, de préférence entre 50 et 30, plus préférentiellement entre 50 et 40, voire entre 50 et 45.
Nature et quantité des phases huileuse et aqueuse
La présente invention concerne l’utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau concentrée, où la phase huileuse représente au moins 50% en poids de l’émulsion, par rapport au poids total de l’émulsion.
La quantité de phase huileuse dans l’émulsion selon l’invention représente au moins 50% en poids de l’émulsion, c’est-à-dire est soit présente à hauteur d’environ 50%, ou est présente en une proportion supérieure à 50% en poids par rapport au poids total de l’émulsion.
Notamment, l’émulsion décrite dans l’invention comprend au moins 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, ou 85% en poids de phase grasse, relativement au poids total de l’émulsion.
La quantité de phase huileuse dans l’émulsion selon l’invention est comprise notamment entre 50 à 80% en poids, de préférence entre 50 à 70 % en poids, et plus préférentiellement entre 50 à 60% en poids par rapport au poids total de l’émulsion.
Selon un aspect préféré de l’invention, la phase huileuse représente entre 50 et 70% en poids de l’émulsion.
Selon l’invention, la phase aqueuse de l’émulsion représente moins de 50 % en poids par rapport au poids total de l’émulsion dite « concentrée », de préférence de 20 % à 50% en poids, et mieux de 40 à 50 % en poids.
Dans certains cas, les proportions des différentes phases sont exprimées en volume par rapport au volume total de l’émulsion : il est alors nécessaire de calculer, grâce au poids moléculaire de chacune des phases, le poids (la masse) de chacune des phases pour distinguer la proportion en poids des phases, afin de déterminer si celles-ci sont telles que définies dans la présente invention.
Par exemple, en considérant les émulsions telles que décrites dans l’article (Aranberri et al, 2003), celles-ci étant caractérisées par un volume de 10% de solvants organiques tels que de l’heptane (C7H16), celui-ci ayant un rapport poids/volume de 0,6838 g/cm3, la masse relative de la phase huileuse dans cette émulsion est donc de 6,8% par rapport au poids total de l’émulsion.
La phase aqueuse de l’émulsion selon l'invention comprend principalement de l'eau et éventuellement un ou plusieurs composés miscibles à l'eau. La phase aqueuse peut comprendre aussi des espèces ioniques, des régulateurs de pH, et tous les principes actifs, conservateurs et colorants qui sont hydrosolubles ou hydrodispersibles.
La phase huileuse de l’émulsion selon l'invention est une phase grasse comprenant au moins un corps gras choisi parmi les corps gras liquides à température ambiante (20-25°C) ou huiles, volatiles ou non, d'origine végétale, minérale ou synthétique, et leurs mélanges. On entend par "huile" un corps gras liquide à la température ambiante (25°C). La phase huileuse peut comprendre aussi tout additif habituel liposoluble ou lipodispersible.
Pour une application dans le domaine cosmétique, ces huiles sont choisies parmi des huiles physiologiquement acceptables.
Comme huiles utilisables dans la composition de l'invention, on peut citer par exemple : • les huiles hydrocarbonées d'origine animale; • les huiles hydrocarbonées d'origine végétale; • les esters et les éthers de synthèse, notamment d'acides gras; • les hydrocarbures linéaires ou ramifiés, d'origine minérale ou synthétique, tels que les huiles de paraffine, volatiles ou non, et leurs dérivés; • les huiles fluorées partiellement hydrocarbonées et/ou siliconées; • les huiles de silicone; • et leurs mélanges.
Parmi les hydrocarbures de formule brute CnHm, avec n et m étant deux chiffres entiers, les hydrocarbures linéaires, aromatiques et cycliques peuvent être utilisés, et ce quel que soit leur point d’ébullition.
Les huiles essentielles, notamment extraites à partir de plantes, sont des hydrocarbures préférés pour la mise en œuvre de l’invention.
On citera plus particulièrement comme hydrocarbure pouvant être présent dans la phase huileuse de l’invention le cyclopentane (C5H10), l’hexane (CôHm), le méthylcyclohexane (C7H14), l’heptane (C7H16), le décane (C10H22), le dodécane (C12H26) et le toluène (07¾).
La phase huileuse dans l’émulsion selon l’invention pourra être composée d’une seule huile, en particulier d’un seul hydrocarbure, ou pourra également être constituée d’un mélange de deux, trois voire quatre huiles différentes.
Procédé de préparation d’une émulsion concentrée
La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une émulsion de type huile-dans-eau, comprenant les étapes successives suivantes : a) combinaison d’une phase huileuse et d’une phase aqueuse, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion ; b) ajout de lignine couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent selon un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10; c) émulsification par agitation. L’étape a) de combinaison de la phase huileuse et de la phase aqueuse se fait dans l’ordre le plus approprié, comme cela est bien connu par l’Homme du métier, notamment en additionnant la phase aqueuse à la phase huileuse. L'étape d’émulsification par agitation se fait de préférence avec un barreau aimanté, par ultrasons, ou par tout autre système d'agitation, à une température pouvant aller de 20° à 45°C. L’agitation est réalisée pendant une durée minimum de 1 minute, et est de préférence maintenue pendant au moins 3 minutes. L’agitation peut également être réalisée de façon séquentielle par à-coup successifs (up/ofï). La durée d’agitation sera adaptée en fonction du volume total de l’émulsion, en particulier sera rallongée si le volume de l’émulsion est important.
Avantageusement, l’émulsion ainsi obtenue présente une évaporation de la phase huileuse retardée, et une résistance mécanique de la couche d’adsorption qui est augmentée par rapport à des émulsions stabilisées avec d’autres émulsifiants que la lignine.
Composition sous forme d’émulsion concentrée
La présente invention concerne également une composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, et dans laquelle la lignine est couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
La présente invention concerne également une composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, et dans laquelle la lignine est préalablement blanchie par traitement avec de l’eau oxygénée.
De manière préférée, ladite composition sous forme d’émulsion comprend en tant que phase huileuse un seul hydrocarbure choisi parmi le cyclopentane (C5H10), l’hexane (CôHm), le méthylcyclohexane (C7H14), l’heptane (C7H16), le décane (C10H22), le dodécane (C12H26) et le toluène (¢7¾).
Selon un aspect préféré, le ratio massique phase huileuse/lignine de ladite composition est compris entre 40 et 50, et est plus préférentiellement compris entre 47 et 50.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, la lignine utilisée dans cette composition est présente en une quantité massique relative d’environ 1%, par rapport au poids total de l’émulsion.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, la lignine utilisée dans cette composition est couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, la composition décrite ci-dessus est destinée à être utilisée en cosmétique. Il est alors entendu que tous les constituants de la composition seront choisis parmi des constituants physiologiquement acceptables. Dans ce cas, les compositions selon l'invention pourront se présenter sous toutes les formes galéniques des émulsions de type huile-dans-eau, par exemple sous forme de sérum, de lait ou de crème, et elles seront préparées selon les méthodes usuelles.
Certaines de ces compositions sont en particulier destinées à une application topique et peuvent constituer notamment une composition dermatologique ou cosmétique, par exemple destinée au soin (anti-rides, anti-âge, hydratation, protection solaire, etc), au traitement, au nettoyage et au maquillage des matières kératiniques et notamment de la peau, des lèvres, des cheveux, des cils, des cheveux et des ongles des êtres humains. EXEMPLES Matériel et Méthodes
Produits utilisés
Les produits utilisés dans les exemples ci-dessous sont tous commercialisés par SIGMA-ALDRICH et sont utilisés sans purification complémentaire.
La lignine utilisée est de la lignine d’origine synthétique, commercialisée par SIGMA-ALDRICH sous la référence « Lignin, alkali low sulfonate content 471003 »
Le polymère Pluronic F-127 aussi nommé PEO106-PPO70-PEO106 est de formule chimique (H(OCH2CH2)i06(OCH2CHCH3)70(OCH2CH2)i06OH).
Le polymère DTAB (bromure de dodecyl triméthyl ammonium) est de formule chimique Ci2H23-N(CH3)3-Br.
Préparation de l’émulsion heptane/eau par sonication et suivi de la vitesse d’évaporation
Dans 4 flacons pesés (m0) et numérotés de 1 à 4, sont placés successivement 6.5 ml de n-heptane et de 3.5 ml d’eau millipore. 0,1g de lignine, de F-127 ou de DTAB sont rajoutés dans chacun des flacons 2, 3 et 4, respectivement. Ensuite, les contenus de chaque flacon sont agités par ultrasons (sonicateur de marque BIOBLOCK SCIENTIFIC Vibra cell 75115). Les conditions de sonication sont les suivantes : pendant 7 minutes, 1 seconde up, 1 seconde off, avec une amplitude de 30%, à T°=25°C.
Après l’agitation, les poids respectifs des flacons sont re-mesurés (m : masse du flacon avec la phase organique, la phase aqueuse et le tensioactif) et les masses des émulsions sont calculées pour chaque flacon (niémui= m-mo).
Puis, les flacons sont incubés à 20°C et les changements (diminutions) au cours du temps (mt) du poids de chacun de ces flacons sont mesurés (Am=mémui - mt). Ensuite, le pourcentage du liquide évaporé est calculé selon l’équation suivante : (Am/m) x 100, au cours du temps.
La préparation et le suivi de la vitesse d’évaporation des émulsions décane/eau et dodécane/eau avec les tensioactifs F-127 et DTAB sont réalisées de manière identique, selon le mode opératoire présenté ci-dessus.
Préparation des échantillons pour AFM (Atomic Force Microscope)
Un échantillon de 20 μΐ est délicatement déposé sur la surface de wafer de silicium (0.5x0.5 cm) avant de le faire tourner autour de son axe avec une vitesse égale à 3000 t/min (spin-coating). Pendant cette rotation, l’émulsion s’étale pour former une couche fine sur la surface du wafer. Après l’évaporation des phases organique et aqueuse, un film de tensioactif se forme sur la surface du wafer, qui peut être étudié par microscopie à force atomique (AFM).
Exemple 1. Emulsion heptane/eau
Nous avons étudié l’évaporation des émulsions heptane/eau, décane/eau et dodécane/eau stabilisées avec divers tensioactifs. En particulier, dans cette étude nous avons utilisé : - la lignine synthétique; - le tensioactif polymère tribloc PEO106-PPO30-PEO106 (nom technique F-127) ; et - le DTAB (bromure de dodecyl triméthyl ammonium) Ci2H23-N(CH3)3-Br.
Nous avons utilisé la même quantité de chacun de ces tensioactifs (0,1 g) pour stabiliser les émulsions.
Sur la figure 1, sont regroupées les courbes d’évaporation du système biphasique heptane/eau et des émulsions heptane/eau stabilisées avec des tensioactifs différents. La figure 1 montre que les émulsions stabilisées avec le F-127 (3) ou le DTAB (4), s’évaporent nettement plus vite que l’émulsion stabilisée avec la lignine (2).
Par ailleurs, cette vitesse d’évaporation est plus rapide dans le cas de l’émulsion stabilisée avec le DTAB, pour laquellle la courbe d’évaporation se rapproche de celle du système biphasique heptane/eau sans tensioactif (1).
En d’autres termes, contrairement à l’émulsion stabilisée avec la lignine, dans le cas des émulsions stabilisées avec le F-127 ou le DTAB, l’évaporation de l’eau et de l’heptane se font en même temps et l’évaporation des phases ne peut pas être contrôlée.
Une telle différence de vitesse d’évaporation des émulsions stabilisées avec différents types de tensioactif pourrait être liée aux différentes structures de la couche d’adsorption formées avec ces tensioactifs à l’interface heptane/eau.
Dans ce contexte, la structure de chacune de ces couches après une évaporation totale de ces émulsions a été visualisée par microscopie électronique (MEB).
Les images des couches d’adsorptions formées par les tensioactifs à l’interface heptane/eau indiquent clairement que : - la lignine forme une couche d’adsorption en forme de « réseau » ou de « grille » ; qui offre une résistance mécanique supérieure à celle des couches d’adsorption habituellement connues, et permet ainsi la protection des microgouttes de décane contre les chocs. - au contraire, les images des couches d’adsorptions formées par les tensioactifs F-127 et DTAB montrent des surfaces lisses, non enchevêtrées. - De plus, dans le cas des émulsions stabilisées avec de la lignine, on distingue la présence de pores dans les matériaux, de taille bien plus petite que pour les autres interfaces. En effet, dans le cas des émulsions stabilisées avec le DTAB, les pores sont inexistants, et les émulsions stabilisées avec le F-127 présentent des pores de taille intermédiaire.
Exemple 2. Emulsion décane/eau
Sur la figure 2, sont regroupées les courbes d’évaporation du système biphasique décane/eau (6.5/3.5 v/v) et des émulsions décane/eau en proportions identiques, stabilisées avec différents tensioactifs.
La figure 2 montre que les émulsions stabilisées avec le F-127 (3) ou le DTAB (4), s’évaporent plus vite que l’émulsion stabilisée avec la lignine (2).
Le système biphasique décane/eau sans tensioactif (1) présente une vitesse d’évaporation très inférieure à celle observée pour les émulsions stabilisées ; ceci s’explique par le fait que la phase organique de ces émulsions s’évapore en premier, selon la cinétique attendue pour ladite phase organique seule, non émulsionnée.
Les images des couches d’adsorptions obtenus avec les tensioactifs lignine, F-127 et DTAB formées à l’interface décane/eau montrent que la couche obtenue avec la lignine présente de nombreuses aspérités, alors que les couches formées avec le F-127 ou le DTAB sont bien plus lisses, et ne présentent pas de réseau ni de structure tridimensionnelle.
De plus, dans le cas des émulsions stabilisées avec de la lignine, on distingue la présence de pores dans les matériaux, de taille bien plus petite que pour les autres interfaces. En effet, dans le cas des émulsions stabilisées avec le DTAB, les pores sont inexistants, et les émulsions stabilisées avec le F-127 présentent des pores de taille intermédiaire.
Exemple 3. Emulsion dodécane/eau
Sur la figure 3, sont regroupées les courbes d’évaporation du système biphasique dodécane/eau et des émulsions dodécane/eau stabilisées avec des tensioactifs différents.
La figure 3 montre que les émulsions stabilisées avec le F-127 (3) ou le DTAB (4), s’évaporent plus vite que l’émulsion stabilisée avec la lignine (2).
Le système biphasique dodécane/eau sans tensioactif (1) présente une vitesse d’évaporation très inférieure à celle observée pour les émulsions stabilisées ; ceci s’explique par le fait que la phase organique de ces émulsions s’évapore en premier, selon la cinétique attendue pour ladite phase organique seule, non émulsionnée.
Les images des couches d’adsorptions obtenus avec les tensioactifs lignine, F-127 et DTAB formées à l’interface dodécane/eau montrent que la couche obtenue avec la lignine présente de nombreuses aspérités, alors que les couches formées avec le F-127 ou le DTAB sont bien plus lisses, et ne présentent pas de réseau ni de structure tridimensionnelle.
De plus, dans le cas des émulsions stabilisées avec de la lignine, on distingue la présence de pores dans les matériaux, de taille bien plus petite que pour les autres interfaces. En effet, dans le cas des émulsions stabilisées avec le DTAB, les pores sont inexistants, et les émulsions stabilisées avec le F-127 présentent des pores de taille intermédiaire.
En conclusion, la comparaison des images en microscopie électronique (MEB) des couches d’adsorption après une évaporation totale des émulsions stabilisées avec différent tensioactifs, met en évidence une bonne corrélation entre la structure de ces couches d’adsorption et les mécanismes d’évaporation des phases organique et aqueuse.
Le tableau 1 ci-dessous présente les pourcentages de phase organique, de phase aqueuse et de lignine utilisés dans les émulsions présentées ci-dessus.
Tableau 1
Par ailleurs, la porosité et la structurelle tridimensionnelle des couches d’adsorptions formées avec de la lignine varient avec les points d’ébullitions des phases organiques utilisées dans les émulsions, telles que présentées dans le tableau 1 ci-dessus. Donc, cette approche pourrait être intéressante dans le domaine de préparation des matériaux poreux, car elle permettrait un contrôle de la taille des pores.
Exemple 4. Comparaison de la cinétique d’évaporation des émulsions et des systèmes biphasiques non stabilisés
Les différentes courbes obtenues précédemment pour les systèmes biphasiques et les émulsions stabilisées avec de la lignine sont regroupées sur un même schéma, présenté en Figure 4. Cette figure permet de mettre en évidence deux cinétiques d’évaporation distinctes, en fonction de la présence ou non de lignine.
En absence de lignine (courbes 1, 4 et 6, système non émulsionné), on observe très nettement deux cinétiques successives d’évaporation, le changement de la pente de la courbe s’effectuant au moment où la masse évaporée du système atteint un point situé entre 55 et 57% (voir trait en petits pointillés). Il est à noter que pour la courbe (6) ce point se trouve en dehors du graphique. Ce point de « rupture de courbe » correspond au moment où toute la phase organique, présente en une masse de 55 à 57%, est évaporée. Il est cohérent que cette phase organique s’évapore en premier lieu, cette phase étant la plus légère et donc étant située au-dessus de la phase aqueuse.
En présence de lignine (courbes 2, 3 et 5), le mécanisme d’évaporation est complètement changé. L’évaporation commence à une vitesse constante jusqu’au moment où la masse évaporée de l’émulsion s’égalise à 43-45% de la masse totale du système (trait en grands pointillés). Ensuite, pour chaque émulsion, l’évaporation continue à une vitesse sensiblement égale à celle des phases organiques présentes ; ceci est visible en comparant les courbes deux à deux : - la pente du début (avant le point de changement) de la courbe 1 est la même que la pente de la courbe 2, après le point de changement ; - la pente du début de la courbe 4 est la même que la pente de la courbe 3, après le point de changement ; - la pente de la courbe 6 est la même que la pente de la courbe 5, après le point de changement.
Ces observations démontrent que l’évaporation des émulsions stabilisées avec la lignine se fait d’abord par l’évaporation de la phase aqueuse, et que la phase organique ne commence à s’évaporer qu’après l’évaporation complète de la phase aqueuse.
Ce résultats étonnant est probablement lié à la structure tridimensionnelle des couches d’adsorption composée de lignine, qui s’interconnectent et forment un réseau tridimensionnel au sein de l’émulsion.
Exemple 5. Résistance de la couche d’adsorption aux contraintes physiques externes
La figure 5 montre des photos de la couche d’adsorption composée de lignine, en microscopie optique, avant (A) et pendant (B) l’application d’une pression mécanique importante sur l’émulsion.
Il apparaît clairement sur ces photos que les gouttelettes résistent à cette pression, et reviennent en place dès que la pression s’atténue.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES US 5,780,409
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Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, pour retarder l’évaporation de la phase huileuse.
  2. 2. Utilisation de lignine dans une émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, pour augmenter la résistance mécanique de la couche d’adsorption.
  3. 3. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la lignine est d’origine naturelle.
  4. 4. Utilisation selon la revendication 3, dans laquelle la lignine est un sous-produit d’un procédé d’extraction de cellulose à partir de plantes.
  5. 5. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la lignine est d’origine synthétique.
  6. 6. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la lignine est préalablement blanchie par traitement à l’eau oxygénée.
  7. 7. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle la lignine est couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
  8. 8. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la lignine est présente dans l’émulsion en une quantité inférieure à 5%, préférentiellement inférieure à 2% en poids, comparativement au poids total de l’émulsion.
  9. 9. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle le rapport en masse de la phase huileuse sur la lignine est compris entre 50 et 10, de préférence entre 50 et 40.
  10. 10. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle la phase huileuse représente entre 50 et 70% en poids de l’émulsion.
  11. 11. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle la phase huileuse comprend au moins un hydrocarbure choisi parmi le cyclopentane, l’hexane, le méthylcyclohexane, l’heptane, le décane, le dodécane et le toluène.
  12. 12. Procédé de préparation d’une émulsion de type huile-dans-eau comprenant les étapes successives suivantes : a) combinaison d’une phase huileuse et d’une phase aqueuse, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion ; b) ajout de lignine couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent, selon un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10; c) émulsification par agitation.
  13. 13. Composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, et dans laquelle la lignine est couplée avec des nanoparticules d’or et/ou d’argent.
  14. 14. Composition sous forme d’émulsion de type huile-dans-eau, la phase huileuse représentant au moins 50% en poids de l’émulsion, contenant de la lignine dans un ratio massique phase huileuse/lignine compris entre 50 et 10, et dans laquelle la lignine a été préalablement blanchie par traitement à l’eau oxygénée.
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