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04.09.2019

Biobasierte Kosmetik

Die Kosmetik-Industrie setzt zunehmend auf Naturstoffe und bioaktive Inhaltsstoffe, die mithilfe biotechnologischer Verfahren gewonnen werden. Sie entsprechen nicht nur dem Wunsch der Verbraucher nach biobasierten, nachhaltigeren Produkten, sondern weisen ganz neue Eigenschaften und Wirkmechanismen auf. Dieses Dossier gibt einen Überblick über die vielfältigen Forschungsaktivitäten und Entwicklungen in der Biokosmetik-Branche – vom Start-up bis zum Global Player.

Kosmetiklabor
Quelle: 
paulynn/shutterstock.com

Pflanzliche Rohstoffe bilden seit der Frühzeit der Menschen eine wichtige Quelle für kosmetische Produkte. Das ist heute noch so, nur dass mit den Möglichkeiten der Biotechnologie auch Inhaltsstoffe nutzbar geworden sind, die sich noch vor wenigen Jahren nicht in der notwendigen Menge gewinnen oder herstellen ließen. Gleichzeitig ist die Branche bemüht, Inhaltsstoffe, die bislang auf petrochemische Verfahren zurückgehen, künftig aus biologischen Ressourcen zu gewinnen. Das verspricht mehr Nachhaltigkeit und neue Eigenschaften der Produkte.

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Naturkosmetik und biobasierte Kosmetik

Die Verbraucherwünsche nach mehr Nachhaltigkeit und „weniger Chemie“ in Konsumartikeln prägen längst auch die strategischen Entscheidungen in der Kosmetikbranche. Streng genommen kehren die Hersteller damit zu den Wurzeln ihrer Branche zurück, denn schon in prähistorischen Zeiten haben Menschen natürliche Wirkstoffe als Kosmetika oder Duftstoffe genutzt: So konnten Archäologen in einer Höhle im französischen Lascaux pflanzenbasierte Hautfärbemittel nachweisen. Und Assyrer wie Babylonier waren bekannt dafür, mit aromatischen Substanzen aus Blumen und Harzen ihren Tempeln eine spezielle Atmosphäre zu verleihen.

Mehrere Begriffe sollen heute im Marketing die Verbraucherwünsche nach natürlichen und nachhaltigen Produkten aufgreifen, doch trotz ähnlicher Formulierungen verbergen sich dahinter unterschiedliche Bedeutungen. „Natürlich“, „bio“ oder „pur“ – all diese Begrifflichkeiten sind im Kosmetikbereich nicht gesetzlich definiert. Allerdings dürfen die verwendeten Schlagwörter Verbraucher nicht in die Irre führen. Mit der ISO-Norm 16128-2:2017 existiert eine Definition, anhand derer der Anteil natürlicher Inhaltsstoffe für Natur- und Biokosmetik berechnet werden kann. Bislang ist die Norm jedoch nicht weit verbreitet. Zudem hat sie bereits Kritik erfahren, denn Wasser ist darin als natürlicher Inhaltsstoff definiert. Dies ermöglicht es, ein Produkt mit synthetischen Wirkstoffen als „natürlich“ zu vermarkten, wenn es nur genügend Wasser enthält. Weil anders als bei Lebensmitteln die Inhaltsstoffe nicht mit ihren Mengenanteilen auf der Verpackung aufgeführt werden müssen, bleibt für die Verbraucher manches intransparent. Allerdings gilt auch für Kosmetika, dass Hersteller die Zutaten nach Gewicht absteigend sortiert aufführen müssen.

Darüber hinaus existieren eine Reihe von Siegeln, mit denen Hersteller für die Natürlichkeit ihrer Produkte werben: Natrue, BDIH, Ecocert und der Cosmos-Standard. Gemein ist den Siegeln, dass sie Inhaltsstoffe auf Erdölbasis, Silikone, gentechnisch veränderte Organismen sowie synthetische Fette, Öle und Duftstoffe ausschließen. Teilweise werden zudem Mindestanteile ökologisch angebauter Rohstoffe vorgeschrieben.

Diese Inhaltsstoffe sind in zertifizierter Naturkosmetik tabu

Mineralöle kommen in der Kosmetik seit mehr als hundert Jahren zum Einsatz und sind laut Bundesinstitut für Risikobewertung gesundheitlich unbedenklich. In Produkten mit Siegeln für Naturkosmetik sind sie dennoch ausgeschlossen. Ebenfalls gesundheitlich unbedenklich sind Silikone. Weil sie jedoch gewässerökologisch bedenklich sind, sind die Stoffe bei zertifizierten Naturprodukten unzulässig. Als Konservierungsstoffe kommen in Kosmetika häufig Parabene zum Einsatz. Sie sind hautfreundlich und weisen nur ein geringes Allergierisiko auf. Aufgrund ihrer hormonellen Wirksamkeit hat die EU-Kommission allerdings Höchstwerte festgesetzt und zertifizierte Naturprodukte verzichten darauf. Auch Emulgatoren wie Polyethylenglykol sind in Naturkosmetik unzulässig, weil sie die Hautbarriere schädigen und dadurch Schadstoffe leichter in die Haut eindringen können. Nicht zuletzt unterbinden die Siegel für Naturkosmetik den Einsatz von Mikroplastik und Aluminium.

Genauso wie chemisch erzeugte Inhaltsstoffe können biobasierte Inhaltsstoffe im Einzelfall hautreizend sein oder Allergien hervorrufen. „Natürlich“ bedeutet somit nicht automatisch einen gesundheitlichen, wohl aber einen ökologischen Vorteil.

Neben Produkten, die insbesondere pflanzliche Rohstoffe verwenden, sind auch biotechnologische Kosmetikprodukte biobasiert. Entweder werden die biotechnologischen Möglichkeiten genutzt, um bestimmte Inhaltsstoffe aus pflanzlichen Rohstoffen zu erschließen, oder bestimmte natürliche Stoffe werden gezielt in Zellkulturen produziert. Gegenüber traditionellen Methoden eröffnet die Biotechnologie besonders nachhaltige Produktionsmethoden sowie eine gesicherte, gleichförmige Qualität, die bei Naturprodukten sonst oft nicht gegeben ist. Als Rohstoff kommen zudem neue Quellen wie pflanzliche Reststoffe und Algen infrage. Nicht zuletzt lassen sich biotechnologisch bioaktive Moleküle erzeugen und optimieren, die neuartige Pflegewirkungen ermöglichen.

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Biokosmetik als Branchentrend

Zur Kosmetik zählen alle Substanzen, die äußerlich mit dem Körper (Haut, Haare, Nägel, Mundhöhle) in Berührung kommen und dazu dienen, ihn zu reinigen, zu schützen, zu parfümieren und zu verschönern. Entsprechend vielfältig ist das Produktspektrum der Kosmetikindustrie – dazu zählen etwa Seife, Hautpflegemittel, Sonnencreme, Rasierschaum, Zahnpasta, Shampoo, Make-up, Parfüm, Deodorant und Antitranspirante.

Die Hersteller von Kosmetik werden als Subbranche der chemischen Industrie zugeordnet. In Deutschland zählte die Kosmetikbranche laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2018 rund 25.000 Beschäftigte, die in 137 Betrieben etwa 6,3 Mrd. Euro erwirtschafteten. Das Marktvolumen fällt indes größer aus: Laut Industrieverband Körperpflege- und Waschmittel (IKW) gaben die Deutschen im Jahr 2018 fast 13,8 Mrd. Euro für Schönheitspflegemittel aus. Europa ist laut Cosmetics Europe mit einem Volumen von 79 Mrd. Euro der weltweit größte Markt für Kosmetikprodukte.

Natürliche Inhaltsstoffe für kosmetische Produkte liegen hierbei im Trend: Immer mehr Kosmetikproduzenten gehen auf die Wünsche ihrer Kunden ein, indem sie auf Roh- und Wirkstoffe setzen, die aus der Natur stammen, nachhaltig angebaut und geerntet werden können. Oder sie werden mithilfe von Mikroorganismen oder Zellen als lebende Biofabriken hergestellt. Bei Körperpflegeprodukten greifen die Hersteller bereits seit längerer Zeit auf spezielle bioaktive Inhaltsstoffe zurück – und bedienen damit eine wachsende Nachfrage nach natürlicher Kosmetik. Laut aktuellen Verbraucheranalysen legen 31% der Deutschen großen Wert darauf, dass Körperpflegeprodukte keine chemischen Zusätze enthalten und auf natürlicher Basis hergestellt werden.

Der Marktanteil biobasierter Kosmetikprodukte ist zwar noch klein, das Segment wächst jedoch deutlich schneller als der gesamte Markt für Pflegeprodukte. 2017 lag der Umsatz der Branche mit Naturprodukten in Deutschland bei 1,19 Mrd. Euro, 3% höher als im Vorjahr. Die Zahl der verkauften Naturprodukte stieg gemäß dem „Naturkosmetik Jahresreport“ sogar um 7,9%. Der Anteil der Naturkosmetik am Kosmetikmarkt betrug 8,8%. Im Jahr 2018 beschleunigte sich das Wachstum weiter und der deutsche Markt wuchs auf 1,26 Mrd. Euro (+6,3%). Der weltweite Markt für Naturprodukte wird je nach Definition derzeit auf 8 bis 20 Mrd. US-Dollar geschätzt. Nach Angaben der Analysten von Persistence Market Research lag das globale Marktvolumen für natürliche und organische Körperpflegeprodukte im Jahr 2017 bei 12 Mrd. US-Dollar. Bis 2028 prognostiziert das Marktforschungsunternehmen einen Anstieg auf 29 Mrd. US-Dollar.

Der Trend zu biobasierter Kosmetik spiegelt sich auch beim weltweit größten Kosmetikhersteller L‘Oréal wider: Der französische Konzern bezieht inzwischen rund 1.500 unterschiedliche Rohmaterialien aus 300 verschiedenen Pflanzenarten. Rund 60% der Inhaltsstoffe, die das Unternehmen verwendet, sind pflanzenbasiert. Besonders deutlich fällt dieser Trend bei Produkten aus, die als „vegan“ vermarktet werden. So hat beispielsweise Henkel in einigen Ländern eine eigene Marke für „grüne“ Produkte eingeführt und bei zahlreichen Produkten die Formulierung so angepasst, dass diese vegan sind. Typische Inhaltsstoffe, die dazu ersetzt werden müssen, sind Milch, Honig, Keratin oder Seide. Prominentes Beispiel für diese Entwicklung ist die Shampoo-Marke Schauma, die in Deutschland einen Marktanteil von 20% aufweist und nun vegan ist.

Anspruchsvolle Beschaffung

Damit ein natürliches Produkt wirklich nachhaltig ist, muss das auch für den Anbau der Rohstoffe gelten. Die Verfügbarkeit transparenter Lieferketten für nachhaltige Rohstoffe ist teilweise noch begrenzt. Hinzu kommen bei Pflanzen saisonale Faktoren bei der Ernte.

Ähnlich ist die Situation bei bioaktiven Molekülen. Zwar schreiten Forschung und Entwicklung rasant voran, doch sind längst nicht für alle relevanten Moleküle biotechnologische Prozesse etabliert oder die Produktionskapazitäten so ausgebaut, dass der gesamte Bedarf der Kosmetikbranche gedeckt werden könnte.

Kosmetika in der Hautpflege dienen längst nicht mehr nur zum Schutz oder spenden Feuchtigkeit. Sie wirken vielmehr gezielt auf Stoffwechselprozesse der Haut ein.

Der Trend hin zu bioaktiven Inhaltsstoffen hat alle Segmente der Branche erfasst. Während es in der Körperpflege häufig um Anti-Aging-Effekte geht, steht bei der Haarpflege der Glanz im Vordergrund. Antitranspirante setzen nicht nur auf natürliche Duftstoffe, sondern beinhalten Wirkstoffe, die die Aktivität der Schweißdrüsen hemmen. Düfte und Aromen werden durch biotechnologische Prozesse leichter und in gleichbleibender Menge und Qualität verfügbar – und können dazu noch als vegan vermarktet werden.

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Biotechnologie und Kosmetik

Für die Gesundheit der Haut und den Schutz vor Umwelteinflüssen spielen spezielle Eiweiß- und Fettmoleküle eine wichtige Rolle. Die moderne Kosmetikindustrie setzt daher immer stärker auf die Kraft solcher Biomoleküle. Ob Ceramide, Coenzym Q10 oder Polyphenole – die Naturstoffe lassen sich biotechnologisch einfacher gewinnen und sie sind dazu noch stabiler.

Bei Körperpflegeprodukten greifen die Hersteller bereits seit Langem auf spezielle bioaktive Inhaltsstoffe zurück. Schon seit mehr als 30 Jahren sind rückfettende Naturstoffe wie Ceramide, Vitamine wie Folsäure oder spezielle Coenzyme wie Q10 in Kosmetik- und Pflegeprodukten enthalten. Damit sie für die industrielle Nutzung verfügbar sind, musste jedoch zunächst ihre Herstellung mithilfe biologischer Fabriken wie Zellen oder Bakterien entwickelt werden. Die Mikroorganismen produzieren dadurch die gewünschten Biomoleküle in großen Stahlbehältern. Diese Prozesse sind heute vielfach als Standard in der Kosmetikbranche etabliert. Zum Beispiel Q10: Das Coenzym ist für den Energiestoffwechsel der Haut wichtig, zudem macht es aggressive Sauerstoffmoleküle (freie Radikale) unschädlich. Q10 wurde noch in den 1970er Jahren aus Rinderherzen extrahiert. Mehr als 1.000 US-Dollar kostete ein Gramm des auch Ubichinon genannten Stoffes. Durch die fermentative Herstellung in Hefezellen fiel der Preis auf nur noch einen Bruchteil. Heute findet Q10 auch in preiswerten Kosmetika Anwendung.

Der Vorteil: Je nach ausgewähltem Produktionsorganismus lassen sich Produkte mit höchster Qualität selektiv herstellen. Zunehmend gefragt sind in der Kosmetikindustrie bioaktive Naturstoffe für den Einsatz in sogenannten Wirkkosmetika. Biomoleküle sind dabei jedoch sehr empfindlich. Sie stellen hohe Ansprüche an die Verarbeitung und die Formulierung von Kosmetikprodukten.

Wie wirken biotechnologisch hergestellte Kosmetika? Sie beeinflussen Stoffwechselprozesse der Haut: Inhaltsstoffe aus Bakterien und Pilzen sowie Naturstoffe haben antioxidative Eigenschaften und wirken als Radikalfänger, vermindern oxidativen Stress und treten der Hautalterung entgegen. Andere Wirkstoffe aktivieren die Mikrozirkulation der Haut und verbessern die Nähr- und Sauerstoffversorgung.

Zu den bioaktiven Inhaltsstoffen, die biotechnologisch hergestellt werden, gehören Peptide, Lipide, Vitamine und Zucker. Während diese Moleküle prinzipiell auch mit chemischen Methoden hergestellt oder aus Pflanzen gewonnen werden können, sind die Moleküle häufig zu komplex, um sie chemisch zu synthetisieren. In der Natur sind sie selten in einer Konzentration vorhanden, ab der eine Aufreinigung wirtschaftlich wäre. Die Biotechnologie kann Mikroorganismen jedoch so optimieren, dass sie bestimmte Enzyme in hoher Konzentration herstellen – und diese dann ein bestimmtes bioaktives Produkt.

Haben Forscher ein Molekül identifiziert, das eine kosmetische Funktion besitzt, müssen sie zunächst herausfinden, welche Enzyme in den Zellen dieses Molekül herstellen. Anschließend ist es mit molekularbiologischen Methoden möglich, dieses Enzym zu optimieren oder in Datenbanken nach verwandten, möglicherweise besser geeigneten Enzymen aus anderen Organismen zu suchen. Letztlich ist dabei das Ziel, ein Enzym bereitzustellen, das unter definierten Prozessbedingungen (Temperatur, Druck, pH-Wert) eine möglichst hohe Aktivität entfaltet und möglichst spezifisch das gewünschte Molekül produziert. Als Produktionsorganismen kommen viele Lebewesen infrage: Bakterien, Pilze, pflanzliche Zellen und Algen – selten auch ganze Pflanzen. Entscheidend ist meist, in welchem Organismus das Enzym gut funktioniert, welcher Organismus auf einem günstigen Substrat wächst und bei welchem Organismus sich das Produkt schließlich möglichst unkompliziert isolieren und aufreinigen lässt.

Neben den zahlreichen neuen Möglichkeiten, die sich so eröffnen, ersetzt die biotechnologische Herstellung vielfach etablierte chemische Prozesse. Die Prozessbedingungen für Bioreaktoren sind nicht nur wesentlich milder und energiesparender. Meist erledigt ein Enzym auch mehrere herkömmliche Reaktionsschritte auf einmal und verkürzt so den Prozess. Nicht zuletzt sorgt die hohe Spezifität der enzymatischen Reaktion dafür, dass es weniger Abfallstoffe gibt.

Innovative Kosmetikprodukte

Stöbern Sie durch unseren Web-Katalog mit biobasierten Produktinnovationen

Zahnpasta
Hautcreme
Nagellack
Gesichtsmaske

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Biobasierte Produkte in der Körperpflege

Ob aus natürlichen Ressourcen gewonnen oder aber mithilfe grüner Chemie produziert: Die Hersteller von Körperpflegeprodukten suchen biobasierte Inhaltsstoffe, die genauso gut funktionieren wie die petrochemischen Pendants. Typischerweise bestehen Kosmetika aus Tensiden, Alkohol, Fetten und Ölen, Farbstoffen, Duftstoffen sowie weiteren Zusätzen.

Pflegelotionen und Hautcremes

Ein häufiger Zusatz in Lotionen und Cremes ist das Polymer Isobuten. Es ist ein sogenannter Rheologie-Modifizierer, das heißt es verändert die sensorischen Merkmale des Produkts. Das Spezialchemie-Unternehmen Clariant und das Biotechnologie-Unternehmen Global Bioenergies haben ein Bio-Isobuten entwickelt, das mithilfe von Bakterien hergestellt wird. Weil es Viskosität und Textur der Kosmetikprodukte nicht verändert, kann es problemlos petrochemisches Isobuten ersetzen.

Um in Hautcremes die Vermengung von Wasser und Ölen zu ermöglichen, sind Tenside erforderlich. Neben Erdöl als dominierendem Rohstoff können Tenside auch aus pflanzlichen Ölen wie Raps- und Palmöl gewonnen werden. Auch eine biotechnologische Produktion durch Bakterien ist möglich, wie das Karlsruher Unternehmen Biotensidon GmbH mit Rhamnolipid-Tensiden zeigt.

Ähnlich wichtig wie Tenside sind Konservierungsmittel. Das Zwingenberger Biotechnologie-Unternehmen Brain AG verwendet Terpene aus Orangenschalen, um daraus mithilfe von Bakterien Perillasäure herzustellen. In Anti-Schuppen-Shampoos hat sie einen zusätzlichen Effekt: Sie tötet jene Bakterien, die mit für die Schuppenbildung verantwortlich sind. Bei weiteren biobasierten Konservierungsmitteln von Brain handelt es sich um bioaktive Moleküle der essbaren Pflanze Perilla frutescens. Sie werden in Kosmetikprodukten, aber auch in Lebensmitteln eingesetzt.

Der niedersächsische Duftstoff- und Aromenhersteller Symrise besitzt einen eigenen Geschäftsbereich für Kosmetikinhaltsstoffe. 2018 stellte das Unternehmen das Produkt „Hydrolite 5 green“ vor, ein Pentylenglykol, das aus dem Nebenprodukt Bagasse aus der Zuckerrohrverarbeitung hergestellt wird. Kosmetikfirmen verwenden das bisher petrochemisch erzeugte Pentylenglykol in vielen Produkten für die Haut- und Haarpflege. Der multifunktionale Wirkstoff spendet Feuchtigkeit, verbessert das sensorische Profil der Formulierungen sowie die Wirksamkeit der Inhaltsstoffe und trägt zur Stabilität der Produkte bei. Entwickelt haben die Holzmindener die grüne Alternative zusammen mit dem Leibniz-Institut für Katalyse der Universität Rostock.

Der Probiotik-Spezialist Belano medical AG aus Hennigsdorf hat aus Milchsäurebakterien der Gattung Lactobacillus den Wirkstoff namens „stimulans“ entwickelt. Als probiotischer Zusatz in Hautpflegeprodukten unterstützt er die Ansiedlung einer vielfältigen Bakteriengemeinschaft, die die Haut positiv beeinflussen und vor Rauheit sowie Trockenheit schützt. Eine klinische Studie untermauert diese Wirkung. Der Spezialchemiekonzern Evonik vermarktet den Inhaltsstoff exklusiv für den Einsatz in Hautpflegeprodukten.

Sonnencremes

Covestro, Hersteller von Hightech-Polymerwerkstoffen, hat als neues Betätigungsfeld die Kosmetikbranche entdeckt: Die Firma vertreibt Polyurethan-Dispersionen für Sonnencremes. Für biobasierte Cremes ist es teilweise schwierig, die gleiche Textur und Haltbarkeit zu erreichen wie etablierte petrochemische Produkte. Sogenannte Filmbildner tragen zur gewohnten Textur der Cremes bei, sind aber umstritten, weil sie im Verdacht stehen, den Stoffwechsel zu beeinflussen und ökologische Folgen zu haben, da sie in Kläranlagen nicht vollständig herausgefiltert werden können. Die Polyurethan-Dispersion von Covestro ist mehrheitlich biobasiert und vor allem innerhalb weniger Tage biologisch abbaubar. Das soll die Auswirkungen auf marine Ökosysteme minimieren.

Haarpflege

Viele der zuvor genannten Inhaltsstoffe verbessern auch Haarpflegemittel. Eine weitere Substanz, die häufig in Shampoos vorkommt, ist Butylenglykol, das unter anderem für die Konsistenz wichtig ist, als Feuchthaltemittel dient und dafür sorgt, dass das Shampoo erst beim Kontakt mit Wasser zu fließen beginnt. Dem US-Biotech-Unternehmen Genomatica ist es gelungen, anstelle von erdölbasierten Rohstoffen pflanzliche Zucker einzusetzen, aus denen Mikroorganismen biobasiertes Butylenglykol produzieren. 

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Biobasierte Duftstoffe und Make-up

Neben Hautpflegemitteln bildet die dekorative Kosmetik die zweite große Säule der Branche. Dazu zählen auch Duftstoffe. Sie können entweder auf Basis von ätherischen Ölen oder aus synthetischen Ölen erzeugt werden. Da die Herstellung ätherischer Öle aus Pflanzenteilen aufwendig ist, basieren die meisten ätherischen Öle heute auf synthetischen Rohstoffen. Laut einer 2014 veröffentlichten Marktanalyse der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) werden rund 8% aller Parfümöle auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt. Viele innovative Ansätze für die Welt der Düfte und Aromen kommen indes aus den Biotech-Laboren.

Parfüms

Natürliche Duftstoffe sind nicht leicht zu sammeln oder zu extrahieren. Das dänische Start-up Mosspiration Biotech hat mit molekularbiologischen Mitteln Moos dazu gebracht, gezielt bestimmte Duftmoleküle zu produzieren. Moos lässt sich in Tanks anbauen und benötigt weniger Fläche als andere Pflanzen, aus denen Duftstoffe gewonnen werden. Darüber hinaus kommt Moos mit einigen Nährstoffen, Wasser und Licht aus – die umweltfreundliche Produktion ist garantiert.

Als Raumerfrischer gibt es das komplette Moos bereits zu kaufen, über Kooperationen mit Parfümherstellern verhandelt das Start-up noch. Drei andere Duftstoffe, die mithilfe von Mikroorganismen produziert werden, sind bereits am Markt: Sowohl die Schweizer Evolva als auch Solvay mit Hauptsitz in Brüssel bieten biotechnisch gewonnenes Vanillin an, beide verwenden Hefe als Produktionsorganismus, die niederländische Firma Isobionics setzt auf Bakterien.

Exkurs: Drei Wege zum Vanille-Aroma

Vanillin ist der charakteristische Aromabestandteil der Vanilleschote. Bei der Lebensmittel- und Parfümherstellung ist er einer der am häufigsten eingesetzten Aromastoffe. Es gibt drei Wege der Herstellung:

Natürliches Vanillin: Der Aroma-Mix wird als Extrakt aus der Vanilleschote gewonnen. Das Produkt darf mit der Kennzeichnung „mit natürlichem Aroma“ vermarktet werden. Aufgrund von Schwankungen in der Ernte und gestiegener Nachfrage sind in den vergangenen Jahren die Rohstoffpreise explodiert.

Biotechnologisches Vanillin: Aus den Rohstoffen Eugenol aus Gewürznelkenöl oder Ferulasäure können Mikroorganismen Vanillin herstellen. Die mikrobielle Herstellung im Bioreaktor ahmt den natürlichen Prozess der Vanillinherstellung nach, daher darf das Biotech-Vanillin nach EU-Recht ebenfalls als „natürliches Aroma“ vermarktet werden. Eugenol und Ferulasäure sind jedoch teure Rohstoffe. Mit Methoden der Synthetischen Biologie wollen Bioingenieure Hefen oder Bakterien mit Stoffwechselwegen ausstatten, die es ihnen ermöglichen, aus einfachen Zuckermolekülen Vanillin zu produzieren.

Chemisch-synthetisches Vanillin: Dabei dienen Guajacol aus der petrochemischen Industrie oder der Naturstoff Lignin aus der Papierindustrie (zum Beispiel die norwegische Firma Borregaard ASA) als Rohstoff. In beiden Fällen muss die Produktkennzeichnung „mit Aroma“ lauten.

Einen Rosenduft, der mittels Hefe entsteht, hat die US-Firma Gingko Bioworks mithilfe der Synthetischen Biologie entwickelt. Und sowohl die Schweizer Evolva als auch Isobionics liefern Orangenduft, dessen Moleküle von Hefezellen erzeugt werden. Die Kölner Phytowelt GreenTechnologies GmbH ist als Pflanzenbiotechnologie-Unternehmen auf die Herstellung terpen- und phenylpropanbasierter Substanzen spezialisiert. Ein wichtiges Produkt des Unternehmens ist das Himbeeraroma R-(alpha)-Ionon. Der Schweizer Dufthersteller Firmenich setzt ebenfalls auf Biotechnologie und die mikrobielle Herstellung von Aromen.

Nagellacke und Glitzer

Nagellack ist meist nicht atmungsaktiv. Die Martinsrieder AMSilk GmbH hat eine biobasierte Alternative geschaffen: In umprogrammierten Bakterien produziert die Firma Spinnenseide-Proteine. Der darauf basierende Nagellack ist atmungsaktiv und verhindert so, dass sich im Nagel Schadstoffe bilden und sich die Nägel verfärben. Einen zusätzlichen Schutz bietet der Mikroalgenwirkstoff Spiralin des Entwicklungspartners Ocean Pharma. Die Substanz wirkt keimhemmend, antiviral und zellregenerierend. Spinnenseide-Proteine sind zudem Bestandteil einer ganzen Pflegeserie, die Tagescreme und Nachtcreme, Spezialprodukte wie Augencreme, Liftingserum und Narben-Gel umfasst. Im Mai 2019 übernahm das Schweizer Spezialchemie-Unternehmen Givaudan mit Sitz in Vernier das Kosmetikgeschäft der AMSilk GmbH.

Als natürliche Substanz für Glitzereffekte gilt das Mineral Mica. Allerdings stammt es vor allem aus Indien, wo der Abbau mit Kinderarbeit unter Tage und Umweltproblemen in Zusammenhang gebracht wird. Eine verbreitete Alternative ist Polymilchsäure aus Maisstärke oder Zuckerrohr.

Spinnenseideprotein für die Kosmetik
Quelle: 
AmSilk GmbH

Die Spinnenseidenproteine von AMSilk eignen sich auch für den Einsatz in der Kosmetik.

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Kosmetische Produkte mit medizinischen Versprechen

Kosmetika sind Stoffe, die äußerlich am Menschen zur Reinigung oder Pflege angewendet werden. Liegen bei einem kosmetischen Mittel Eigenschaften zur Heilung oder Verhütung von Krankheiten vor, so handelt es sich um ein Arzneimittel. Die Abgrenzung zu Kategorien wie Arzneimittel oder Medizinprodukt, die zulassungspflichtig sind, ist nicht immer einfach. Das gilt auch für die „Cosmeceuticals“ – eine Wortkombination aus Cosmetics und Pharmaceutical. Der Begriff wird für Produkte verwendet, die eine nachgewiesene spezifische Wirkung haben. Sie enthalten effektivere Inhaltsstoffe als herkömmliche Kosmetika. Somit sind sie genau an der Grenze zwischen Kosmetik und Medikament einzuordnen, es sind aber keine klinischen Studien erforderlich. Typische verwendete Wirkstoffe in Produkten, die vor allem über die Apotheken vertrieben werden, sind Hyaluronsäure oder das Coenzym Q10.

Anti-Aging-Produkte

Bei den Cosmeceuticals liegen besonders Produkte im Trend, die einer vorzeitigen Hautalterung entgegenwirken. Solche Produkte müssen entweder Alterungsprozesse ausbremsen oder die Erneuerung der Zellen anstoßen. L‘Oréal verwendet dazu in vielen Produkten das bioaktive Molekül Proxylan, das der Konzern auf der Grundlage von Xylose aus Buchenholz herstellt. Auf molekulare Wirkstoffe aus extremophilen Mikroorganismen spezialisiert ist die Dortmunder Firma Bitop. Extremophile Mikroorganismen überstehen hohe Salzkonzentrationen, starke UV-Strahlung, Hitze und Trockenheit. Die von diesen Bakterien gewonnenen Extremolyte kommen in Anti-Aging-Produkten zum Einsatz, aber auch gegen Hautkrankheiten und Allergien.

Der Wachstumsfaktor FGF2-STAB erhöht die Elastizität der Haut und verbesserte ihre Feuchtigkeit. Die tschechische Firma Enantis möchte diesen Wachstumsfaktor nutzen, damit er in Anti-Aging-Produkten Hautzellen verjüngt. Weil FGF2-STAB auch Haarfollikel aktiviert und so das Haarwachstum anregt, könnten Shampoos ein zweites Anwendungsfeld werden. Auch L-Fucose, ein Einfachzucker aus Braunalgen, hat in dermatologischen Studien einen Anti-Aging-Effekt gezeigt. Das Molekül verringert die altersbedingte Hautverdünnung und beugt Falten vor. Darüber hinaus hält L-Fucose die Haut feucht und hilft gegen allergische Reaktionen. Eine günstige Wirkung bei Schuppenflechte wird derzeit untersucht. Die Jennewein Biotechnologie GmbH hat ein biotechnisches Herstellungsverfahren für L-Fucose entwickelt.

Die Vitamine C und E sind daran beteiligt, das Kollagen in der Haut zu erhalten, das im Alter weniger wird. Abgebaut wird Kollagen durch Metalloproteinasen. Weihrauchextrakt blockiert diese Enzyme und ist deshalb ebenso wie die beiden Vitamine Bestandteil von Anti-Aging-Kosmetik. In Nanopartikel verpackter Weihrauchextrakt kommt zudem gegen entzündliche Hautkrankheiten zum Einsatz, weil er auch das Enzym 5-Lipoxygenase blockiert, dem bei Entzündungen eine Schlüsselfunktion zukommt. Ein weiterer Bestandteil mancher Anti-Aging-Produkte ist das Enzym Superoxid-Dismutase, das freie Radikale zerstört.

Zahnpflege

Das Berliner Biotech-Unternehmen Organobalance, das seit 2016 zu Novozymes A/S gehört, hat vor einigen Jahren für einen großen Chemiekonzern ein Verfahren entwickelt, mit dem sich natürliche Milchsäurebakterien für die Zahnpflege nutzen lassen. Integriert in die Zahnpasta lagern sich die Mikroorganismen im Mund an Karieserreger an und verklumpen mit ihnen. Diese Aggregate können beim Zähneputzen leicht aus dem Mund entfernt werden. Damit helfen die probiotischen Mikroben, die Karieserreger besser zu entfernen als konventionelle Produkte. Die natürlichen Mikroorganismen der Art Lactobacillus casei werden nach den Standards der Lebensmittelindustrie hergestellt und erfüllen damit hohe Ansprüche an Sicherheit und Verträglichkeit. Im Testmarkt Kroatien ist das entwickelte Produkt bereits erhältlich.

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Die Entwicklungsabteilungen der Kosmetikkonzerne haben ebenso wie viele staatliche Forschungseinrichtungen das Potenzial der Naturstoffe und der biotechnologischen Verfahren für die Kosmetikindustrie erkannt. Dementsprechend viele Entwicklungen befinden sich auf dem Weg zur Marktreife. Aktuelle Forschungstrends widmen sich zum Beispiel effizienteren biotechnologischen Produktionswegen – etwa der Gewinnung von Substanzen aus Zellkulturen anstelle des Anbaus, der Ernte und Extraktion aus kompletten Pflanzen. Durch die Nutzung moderner biologischer Verfahren und Technologien, wie Genome Editing, System- und Synthetische Biologie sowie der hohen Selektivität biokatalytischer Prozesse entstehen biobasierte Inhaltsstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Mit diesem Methodenmix können biologische Produktionssysteme entwickelt werden, die sich durch ein neuartiges Substratspektrum, eine erhöhte Produktvielfalt oder eine hohe Produktionseffizienz auszeichnen. Biologische Ressourcen können so als biochemische „Fabriken“ für die Erzeugung maßgeschneiderter Inhaltsstoffe von hoher Qualität genutzt werden. Gleichzeitig trägt die Erforschung der globalen Biodiversität dazu bei, neue Ressourcen für die Kosmetik zu erschließen. Zudem sind Abfallströme oder agrarische Reststoffe als bisher ungenutzte Ressource ins Visier der Forschung in Wissenschaft und Wirtschaft geraten.

Hier nur eine kleine Auswahl an Projekten, die für die Kosmetikforschung von morgen stehen: Das Gewebehormon Prostaglandin lässt die Wimpern wachsen – gelangt es jedoch ins Auge, kann das gefährliche Folgen haben. Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam haben einen pflanzlichen Wirkstoff entdeckt, der ebenfalls das Wimpernwachstum anregt – und zwar ohne Nebenwirkungen.

Das Forschungsinstitut Biopol hat den schon seit Jahrhunderten in der Naturheilkunde bekannten Baumpilz namens Zunderschwamm wiederentdeckt. Er besitzt einen hohlfaserartigen Proteinkomplex aus Beta-(1,3)-(1,6)-D-Glucan, Melanin und Chitin. Der Komplex stärkt die natürliche Abwehr der Haut, beseitigt Hautirritationen, wirkt antiviral gegen Herpes simplex und schützt vor UV-Strahlung. Anwendungsfelder können daher Anti-Aging-Cremes sein, Gesichtsmasken und Trockenshampoos. Ein angenehmes Gefühl beim Eincremen ist das Ziel einer aktuellen Entwicklung von Brain. Sogenannte TRP-basierte bioaktive Moleküle sollen in Lotionen die Temperaturwahrnehmung beeinflussen und eine Lotion so entweder angenehm warm oder kühlend wirken lassen.

Papain, das aus dem Saft des Melonenbaums gewonnen wird, kann ebenso wie Bromelain, das in der Ananas vorkommt, bestimmte Proteine spalten. In Form sogenannter Enzym-Peelings entfernen diese Enzyme auf sanfte und gleichförmige Weise oberflächliche Hornzellen. Einen neuen Ansatz für Antitranspirante verfolgt die Brain AG. Das Biotech-Unternehmen hat ein Schlüsselmolekül identifiziert, das für die Aktivität von Schweißdrüsen essenziell ist. Unterschiedliche biobasierte Moleküle können dieses Molekül blockieren und so die Schweißdrüsen inaktivieren. Eines dieser Moleküle soll bald den Weg in Pflegeprodukte finden.

BMBF-Förderprojekte mit Relevanz für die biobasierte Kosmetik

Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie: Im Rahmen dieser Fördermaßnahme wird die Entwicklung biologischer Produktionssysteme gefördert, die als lebende Fabriken für maßgeschneiderte Inhaltsstoffe – unter anderem für Kosmetika – dienen. In dem Projekt„Biocatpol“ werden Lipasen entwickelt, mit denen neuartige amphiphile Mehrfachzucker hergestellt werden sollen, die sich auch für die Kosmetikbranche eignen. Der VerbundBioFlex beschäftigt sich damit, verschiedene Terpene auf Basis von unterschiedlichen Kohlenstoffquellen mittels des vielseitigen Mikroorganismus Cupriavidus necator herzustellen. Im Verbundvorhaben CIP geht es um biobasierte Olefine und Komplexnährmedien, die aus Insekten gewonnen werden. Ausgehend von einem kostengünstigen Nährsubstrat aus Reststoffströmen sollen hochwertige Insektenproteine und -fette gewonnen werden, die einer Vielzahl von Verwertungspfaden zugeführt werden können, auch der Kosmetik. Das Projekt SusPackaging wiederum dreht sich um biobasierte Verpackungen aus Polyhydroxyalkanoaten (PHA) für die Kosmetikbranche. Im Verbund PRO-SUGAR stehen Pilze als Produktionssysteme zur Nutzung von pektinhaltigen Reststoffen für die Herstellung von Polyhydroxysäuren im Vordergrund.

Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie: Im Bereich Kosmetik aktiv ist die strategische Unternehmensallianz „GOBI – Good Bacteria and Bioactives in Industry“. Hier werden Forschungserkenntnisse zu Mikrobiota, Mikrobiomen, Metabolomen und Genomen gebündelt und für die industrielle Anwendung erschlossen. Eine weitere strategische Allianz ist das „Natural Life Excellence Network 2020“ (NatLifE 2020). Ein Forschungsschwerpunkt dieses Netzwerks sind biologisch aktive Naturstoffe für sogenannte Wirkkosmetika. Sie sollen etwa in Antitranspiranten und Bräunungskosmetika zum Einsatz kommen.

Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“: Für die Kosmetikbranche relevant ist hier unter anderem das Forschungsprojekt SucroLevan. Ein Konsortium unter Koordination von Forschern der Universität Halle-Wittenberg beschäftigt sich mit der biotechnologischen Herstellung des Fructosepolymers Levan in sehr reiner Form. Die Substanz hat mit ihrer hydrokolloidalen Struktur, stark adhäsiven Filmgebung und Sauerstoffbarriere unterschiedliche Anwendungsspektren, vor allem im Cosmeceutical-Bereich. Als Kosmetikhersteller ist die artefactum GmbH aus Rudolstadt beteiligt.

Redaktion: Björn Lohmann, Philipp Graf

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