Biossíntese de novos compostos emulsificantes para aplicação cosmética

Abstract

Nos dias de hoje, um mundo mais sustentável é cada vez mais um objetivo a atingir. Face a esta necessidade, a indústria cosmética tem vindo a desenvolver novos métodos de produção para satisfazer as necessidades do mercado. Deste modo, os ingredientes cosméticos têm sido substituídos por alternativas, produzidas através de processos sintéticos mais verdes (sem solvente, menor gasto energético e/ou com recurso a biocatalisadores). Nesta dissertação foram sintetizados seis compostos emulsificantes não iónicos O/A, utilizando n-heptano e a lipase modificada da Aspergillus oryzae como biocatalisador: o éster 2-(2- etoxietoxi)etiloctanoato (6a) (η=72%), o éster 2-(2-etoxietoxi)etildecanoato (6b) (η=68%), o éster 2-(2- etoxietoxi)etilpalmitato (6c) (η=68%), o éster 2-(2-etoxietoxi)etiloleato (6d) (η=68%), o éster 2-(2- etoxietoxi)etil(9Z,12Z)-octadeca-9,12-dienoato (6e) (η=75%) e o éster 2-etoxietiloctanoato (7a) (η=72%). As lipases nativas da Aspergillus oryzae, Candida rugosa e porcine pancreas foram também testadas, no entanto, revelaram baixa (Aspergillus oryzae) ou nenhuma atividade de esterificação (Candida rugosa e porcine pancreas). Estudos de modelação molecular foram realizados, tendo-se observado uma baixa afinidade dos substratos/produtos aos centros ativos destas enzimas. De modo a obter uma síntese mais verde, as reações com a lipase modificada foram efetuadas na ausência de solvente. Nestas foram apenas isolados os compostos 6d e 6e com um rendimento de 74% e 50%, respetivamente. Posteriormente os ésteres foram caracterizados, e foram estudadas as suas propriedades emulsificantes através da produção de nanoemulsões O/A com rácios de 2,5% e 5% de emulsificante em tampão PBS ou água. A estabilidade destas foi avaliada com recurso à técnica de DLS, que permitiu concluir que os compostos 6a e 6c não formam nanoemulsões estáveis, pelo balanço hidrofóbico-hidrofílico e pelo estado sólido do éster, respetivamente. As nanoemulsões formadas pelos restantes ésteres revelam-se estáveis durante, pelo menos, 4 meses, o que foi justificado com 60 ns de simulação de dinâmica molecular. Estas simulações revelaram que os ésteres 6b, 6e e 7a formam agregados com perfil micelar e o composto 6d forma agregados com perfil de bicamada fosfolipídica. Posteriormente foi encapsulado nestas nanoemulsões um corante hidrofóbico, o Nile Red. O corante foi eficientemente encapsulado nas nanoemulsões, o que foi confirmado através de microscopia confocal. No entanto, as nanoemulsões revelaram baixa capacidade na libertação do corante. O mesmo foi observado em estudos de permeação através de um sistema de transdermal.

A more sustainable world is an emerging goal to achieve. Considering this, the cosmetic industry has been developing new production methods to meet the requirements needs of the market. In this way, cosmetic ingredients have been replaced by alternatives, produced through greener synthetic processes (solvent-free, lower energy expenditure and/or using biocatalysts). In this dissertation, six non-ionic O/W emulsifying compounds were synthesized using n-heptane and a modified lipase from Aspergillus oryzae as biocatalyst, the 2-(2- ethoxyethoxy)ethyloctanoate ester (6a) (η=72%), the 2-(2-ethoxyethoxy)ethyldecanoate ester (6b) (η=68%), the 2-(2-ethoxyethoxy)ethylpalmitate ester (6c) (η=68%), the 2-(2-ethoxyethoxy)ethyloleate ester (6d) (η=68%), the 2-(2-ethoxyethoxy)ethyl(9Z,12Z)-octadeca-9,12-dienoate ester (6e) (η=75%) and the 2-ethoxyethyloctanoate ester (7a) (η=72%). Native lipases from Aspergillus oryzae, Candida rugosa e porcine pancreas were also tested, however, revealed low (Aspergillus oryzae) or no esterification activity (Candida rugosa e porcine pancreas). Molecular modelling studies were conducted, showing a low affinity of the substracts/products to the active site of these enzymes. In order to obtain a greener synthesis, reactions with modified lipase were performed in the absence of solvent. These reactions only allowed to synthesize the compounds 6d and 6e with a yield of 74% and 50%, respectively. Subsequently the esters were characterized and their emulsifying properties were studied through the production of O/W nanoemulsions with emulsifier ratios of 2.5% and 5% in PBS buffer or water. Their stability was evaluated using the DLS technique, which allowed us to conclude that compounds 6a and 6c don’t form stable nanoemulsions due to the hydrophobic-hydrophilic balance and the solid state of the ester, respectively. The nanoemulsions formed by the remaining esters are stable for at least 4 months, which was justified with 60 ns of molecular dynamics simulation. These simulations revealed that esters 6b, 6e and 7a form aggregates with micellar profile and the compound 6d forms aggregates with phospholipid bilayer profile. Subsequently, a hydrophobic model dye, Nile Red, was encapsulated in these nanoemulsions. The dye was efficiently encapsulated in nanoemulsions, which was confirmed by confocal microscopy. However, its release was not observed, nor its permeation through a transdermal system.