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Stability and quality prediction of cosmetic emulsions


J Pharm Pharmacogn Res 9(1): 98-112, 2021.

Original Article

Prediction of the physical stability and quality of O/W cosmetic emulsions using full factorial design

[Predicción de la estabilidad física y calidad de emulsiones cosméticas O/W mediante diseño factorial completo]

Yisel M. Navarro-Pérez1, Elisa Cedeño-Linares2, Osvaldo Norman-Montenegro3, Vivian Ruz-Sanjuan1, Yunisley Mondeja-Rivera1, Ana M. Hernández-Monzón1, Mirtha M. González-Bedia1*

1Departamento de Farmacia. Facultad de Química y Farmacia. Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV), Santa Clara, Cuba.

2Laboratorio Provincial de Cosméticos de Villa Clara, Santa Clara, Cuba.

3Centro de Bioactivos Químicos, Santa Clara, Cuba.

*E-mail: mmayra@uclv.edu.cu

Abstract

Context: Full factorial design is effective in predicting the properties optimization and processing conditions of cosmetic emulsions. However, in most factorial designs, the technological quality and accelerated stability tests of emulsions are not included together as dependent variables.

Aims: To predict the technological quality and physical stability of model cosmetic emulsions from the combination of formulation and processing factors using a 23 full factorial design.

Methods: A 23 full factorial design with 95 % of confidence was generated in order to evaluate the influence of critical factors during the manufacture of cosmetic emulsions on their quality and physical stability. Emulsifier, concentration of stearic acid (formulation factors) and type of cooling (processing factor) were the independent variables, whereas spreadability, bulk density and pH were dependent variables for technological quality and centrifugation, heating-cooling and freeze-thaw cycles were dependent variables for physical stability of the emulsions. All cosmetic emulsions were prepared with a low stirring speed of 100 rpm.

Results: The formulation containing 1% w/w sodium lauryl sulfate, 1.05% w/w stearic acid and prepared with continuous cooling, did not show indicative changes of physical instability by visual inspection after accelerated physical stability tests. These results were confirmed with emulsions stored for 12 and 24 months using real storage conditions. However, formulations containing an emulsifier blend composition (Tween 80: Sodium lauryl sulfate, 2:1 w/w), showed signs of creaming after these tests.

Conclusions: Sodium lauryl sulfate at 1 % w/w, increased the physical stability of the emulsions by increasing their consistency and by other possible mechanisms. Real storage conditions confirmed the stability prediction performed using the combination of accelerated stability tests (centrifugation/cooling-heating/freeze-thaw cycles), aided by the purposed full factorial design.

Keywords: cosmetic emulsion; creaming; emulsifier; full factorial design; sodium lauryl sulfate.

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Resumen

Contexto: El diseño factorial completo es eficaz para predecir la optimización de las propiedades y las condiciones de proceso de las emulsiones cosméticas. Sin embargo, en la mayoría de diseños factoriales no se incluyen las pruebas de calidad tecnológica y estabilidad acelerada de las emulsiones, ambas como variables dependientes.

Objetivos: Predecir la calidad tecnológica y la estabilidad física de emulsiones cosméticas modelo a partir de la combinación de factores operacionales y de formulación utilizando un diseño factorial completo 23.

Métodos: Se realizó un diseño factorial completo 23 con un 95% de confianza para evaluar la influencia de factores críticos durante la elaboración de emulsiones cosméticas en su calidad y estabilidad física. Variables independientes: emulsionante, concentración de ácido esteárico (factores de formulación) y tipo de enfriamiento (factor de proceso). Variables dependientes: extensibilidad, densidad aparente y pH para la calidad tecnológica, y la centrifugación, ciclos frío-calor y ciclos congelación-descongelación fueron las variables dependientes para la estabilidad física de las emulsiones. Todas las emulsiones cosméticas se elaboraron con una velocidad de agitación de 100 rpm.

Resultados: La formulación que contenía lauril sulfato de sodio al 1% m/m, ácido esteárico al 1.05% m/m y con un enfriamiento continuo, no mostró cambios indicativos de inestabilidad física a simple vista, tras las pruebas de estabilidad física acelerada. Estos resultados se confirmaron a los 12 y 24 meses de almacenadas las emulsiones en condiciones reales de almacenamiento. Sin embargo, las formulaciones que contenían la mezcla de emulsionante (Tween 80: lauril sulfato de sodio, 2:1 m/m), mostraron presencia de cremado tras estas pruebas.

Conclusiones: La presencia de lauril sulfato de sodio al 1% m/v incrementó la estabilidad física de las emulsiones aumentando su consistencia, y también por otros mecanismos. Las condiciones reales de almacenamiento confirmaron la predicción de la estabilidad mediante la combinación de las pruebas de estabilidad aceleradas (centrifugación/ciclos frío calor/ciclos congelación-descongelación), lo que se logró mediante el diseño factorial completo.

Palabras Clave: cremado; diseño factorial completo; emulsión cosmética; emulsionante; lauril sulfato de sodio.

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Citation Format: Navarro-Pérez YM, Cedeño-Linares E, Norman-Montenegro O, Ruz-Sanjuan V, Mondeja-Rivera Y, Hernández-Monzón AM, González-Bedia MM (2021) Prediction of the physical stability and quality of O/W cosmetic emulsions using full factorial design. J Pharm Pharmacogn Res 9(1): 98–112.

© 2021 Journal of Pharmacy & Pharmacognosy Research (JPPRes)