L-Arginin

Arginine

L-Arginin ist ein Metabolit (ein Zwischenprodukt) in der Harnstoffsynthese im Körper und spielt eine große Rolle bei der Wundheilung, der Unterstützung des Herz-Kreislauf-Systems, als blutdrucksenkendes Mittel und in der Stärkung des Immunsystems. Es gehört zu den proteinogenen Aminosäuren, den genetisch vorgegebenen Bausteinen der Proteinsynthese. In Pflanzen kommt L-Arginin besonders häufig in Nüssen, Hülsenfrüchten und Samen vor, wo es als Stickstoff-Reserve dient. L-Arginin ist ein chirales Molekül, d. h. es existiert in zwei spiegelbildlichen molekularen Strukturen. Die in der Natur primär vorkommende, biologisch aktive Form ist L-Arginin, welches auch in kosmetischen Produkten als Rohstoff verwendet wird. Handelsprodukte sind u. a. L-Arginine C von Ajinomoto und BioEssence™ ARG von Sino Lion.

L-Arginin wird bevorzugt durch mikrobielle, enzymatische Fermentation hergestellt, wobei spezialisierte Mutanten von Bakterienstämmen wie Corynebacterium glutamicum, Corynebacterium crenatum, aber auch Escherichia Coli verwendet werden. Dabei werden die Mikroorganismen in einem kontrollierten Fermentationsprozess kultiviert, bei dem sie aus Kohlenstoffquellen (z. B. Glucose aus Mais oder Tapioka) und Stickstoffquellen L-Arginin synthetisieren. [4] Anschließend erfolgt eine Aufreinigung über mehrere Schritte (Membranfilterung oder Zentrifugierung, Filtration durch Aktivkohle oder Ionenaustauscherharz) und eine Aufkonzentration zu einem reinweißen, kristallinen Pulver.

Wirkung und kosmetischer Einsatz

L-Arginin in der Hautpflege

L-Arginin gehört mit ca. 4 % zu Natural Moisturizing Factor (NMF). Interessant ist, dass L-Arginin in der Haut enzymatisch zu Harnstoff metabolisiert wird und die gleichen positiven Wirkungen zeigt wie topisch aufgetragenes Urea. Die kosmetische Wirkung von L-Arginin beruht auf seiner »Schlüsselfunktion bei der Bildung und Aufrechterhaltung der epidermalen Barrierefunktion« und seiner Eigenschaft als »Harnstoffquelle« [1]: Keratinozyten sind in der Lage, aus L-Arginin enzymatisch durch die Hydrolase Arginase Harnstoff zu erzeugen. Dieses Enzym ist primär in unteren Schichten der Haut (im Stratum basale und im unteren Stratum spinosum) konzentriert. L-Arginin bietet demnach vergleichbare Eigenschaften wie Harnstoff, fördert jedoch seine Präsenz in Hautregionen, die Harnstoff – lokal aufgetragen – nur in hohen Einsatzkonzentrationen erreicht, mit all seinen damit verbundenen Nachteilen wie irritativen Hautreaktionen oder unangenehmem Brennen (»stinging«) bei entzündlicher oder verletzter Haut. Gleichzeitig zeigt L-Arginin bei üblichen Einsatzkonzentrationen keine zellschädigenden Wirkungen auf lebende Keratinozyten. [2]

Neben der reinen Form wird L-Arginin auch in Form eines Salzsäure-Salzes (Arginin Hydrochloride, CAS-Nr. 1119-34-2) eingesetzt. Die Einarbeitung setzt jedoch eine sorgsam geplante Emulsion voraus, die elektrolyte-tolerant ist. In einer klinischen Studie zeigte eine 2,5%ige Einsatzkonzentration in einer Salbe innerhalb eines Anwendungszeitraums von 4 Wochen einen signifikanten Anstieg des Harnstoffgehalts in der Hornschicht sowie einen »kontinuierlichen Anstieg der Hautfeuchtigkeit« bei Patienten mit atopischem Ekzem sowie Altershaut. [3]

L-Arginin in der Haarpflege

Typisch für kationische Substanzen ist ihre Affinität zu negativ geladenen Oberflächen, z. B. den Hornzellen der Haut oder Haarkeratin. Bekannt ist dies insbesondere für die Guanidinogruppe. Aus dieser Eigenschaft resultiert auch die Eignung von L-Arginin für glättende, antistatisch wirkende Haarfluids, -seren und -conditioner: Es lagert sich an die negativ geladenen Seitenketten der geschädigten Haarstruktur an und neutralisiert die Ladung. Daneben wirkt L-Arginin als »Anker« für Wirkstoffe mit geringerer Affinität zur Haaroberfläche. In Kombination mit L-Arginin weist Pyrrolidoncarbonsäure (in ihrer Form als Natriumsalz als Sodium PCA eingesetzt) eine gesteigerte feuchtigkeitsbindende Wirkung und mindert den Farbverlust durch Haarwäsche bei chemisch gefärbtem Haar [5].

L-Arginin als pH-Wert-Korrektor

Neben wertvollen kosmetischen Eigenschaften wird L-Arginin pur als Pulver oder in Form einer 10%igen wässrigen Lösung tropfenweise zur pH-Wert-Korrektur eingesetzt. Die 10%ige wässrige Lösung können Sie einfach selbst herstellen: Verrühren Sie 1 g L-Arginin-Pulver homogen in 9 g Wasser ein und füllen Sie die klare, farblose Mischung in eine 10-ml-Pipettenflasche. Der pH-Wert liegt bei ca. 10–12,5. In der Praxis ist eine Erhöhung des pH-Werts in einem kosmetischen Endprodukt selten notwendig (meistens ist der pH-Wert eher zu hoch und muss mit Milch- oder Zitronensäure gesenkt werden), kommt jedoch gelegentlich vor. Im Vergleich zu einer NaOH-Lösung ist L-Arginine allerdings deutlich weniger effektiv: Um den pH-Wert einer 5%igen wässrigen Gluconolacton-Lösung von < 2 auf einen gewünschten Wert von pH 3,5 zu heben, benötigen Sie lediglich 1,25 g (2,5 %) einer 20%igen NaOH-Lösung, aber 1,0 g (2 %) reinen L-Arginin-Pulvers.

Der Einsatz einer L-Arginin-Lösung zur pH-Wert-Korrektur wird kontrovers diskutiert. Ich verlinke Ihnen zwei Online-Beiträge seriöser Fachautorinnen, damit Sie sich selbst eine Meinung bilden können. Meine Zitate sind kurz und sollen lediglich eine der Kernaussagen wiedergeben:

Chemically speaking, arginine has the capacity for introducing to the formula a level of chaos and vulnerability that sodium hydroxide simply doesn’t possess as we shall soon see.

[7] Amanda Foxon-Hill: Amino Acids for pH Adjustment? Blogbeitrag auf realizebeauty.wordpress.com

Ähnlich argumentiert Valerie George:

Arginine is not compatible with all systems. Arginine is a basic amino acid with an extremely high pKa (for an amino acid); studies estimate it to be anywhere from 12 to 13.8. This means that at any pH below this pKa, arginine will have a positively-charged side group. Your thickeners, emulsifiers and any other actives must be cationic-friendly. This makes it great for haircare since formulations typically use cationic materials. But in skincare, one must adjust the formulation to ensure anionic thickeners or emulsifiers do not interfere. Once you have cleared this hurdle, employing arginine for pH adjustment wreaks less havoc in your system.

[8] Valerie George: L-Arginin als pH-Booster. Beitrag auf happi.com

Fachlich sind diese Aussagen richtig: L-Arginin ist in dem in der Kosmetikherstellung bevorzugten pH-Wert-Bereich von pH 4,5–5,5 nicht mit allen anderen Rohstoffen kompatibel. Fakt ist auch, dass seine pH-Wert-erhöhende Wirkung (ich berichtete weiter oben) deutlich schwächer ausgeprägt ist als die einer NaOH-Lösung.

Für mich persönlich ist diese Tatsache jedoch kein Grund, nicht mit der Lösung zu arbeiten: Gleiches gilt auch für andere Rohstoffe, die durch ihren kationischen oder anionischen Charakter Besonderheiten in ihrer Verarbeitung mitbringen. Für einen kommerziell agierenden Kosmetikchemiker, der kostengünstig formulieren muss, ist eine NaOH-Lösung sicher die beste Wahl: Sie ist billig, effektiv, und Fachleute haben die notwendige Erfahrung, mit starken Laugen zu arbeiten. Allerdings hat eine NaOH-Lösung u. a. den Nachteil, als Elektrolyt zu fungieren und damit theoretisch zu einer Destabilisierung des Endprodukts beitragen zu können. Dies zeigt: Die verantwortungsvolle Herstellung kosmetischer Produkte erfordert immer den Blick auf die gesamte Formulierung. Meine Haltung ist: Wenn Sie L-Arginin einsetzen, sollten Sie es immer mit Blick auf seine kosmetischen Eigenschaften tun. Sind Ihnen diese wichtig, lohnt es sich, einer L-Arginin-Lösung vor einer NaOH-basierten den Vorzug zu geben.

L-Arginin in Kombination mit α-Hydroxycarbonsäuren

Ein besonderer Einsatzbereich ist die Verarbeitung und Anwendung von L-Arginin z. B. in Kombination mit α-Hydroxycarbonsäuren (Alpha-Hydroxy-Säuren; engl.: Alpha hydroxy acids, kurz »AHA«). Zu diesen kosmetisch eingesetzten AHA-Säuren zählen u. a. Glycolsäure, Milchsäure, Apfel- und Zitronensäure sowie Mandelsäure. Allen α-Hydroxycarbonsäuren gemeinsam ist, dass neben ihrer Einsatzkonzentration ein saurer pH-Wert um pH 3–3,5 des kosmetischen Endprodukts notwendig ist, damit sie als freie Säuren vorliegen und wirken können. Viele senken den Ph-Wert jedoch deutlich stärker ab und können zu Brennen und Hautirritationen führen. L-Arginin fungiert hier zum als pH-Wert-Korrektor, um einen zu niedrigen pH-Wert »nach oben« zu korrigieren. Daneben mindert L-Arginine die reizende Wirkung der Säuren und macht sie besser verträglich. Achten Sie auf die INCI-Liste kommerzieller Produkte: Standard ist das kostengünstige Natriumhydroxid (Sodium Hydroxide); nicht wenige Anbieter arbeiten jedoch mit L-Arginin. Die BASF bietet übrigens Kombinationen von α-Hydroxysäuren mit L-Arginine an, z. B. AH-CARE^® G-60 (INCI: Aqua (and) Glycolic Acid (and) Arginine), einem »[m]ild keratolytic AHA complex of glycolic acid and arginine«. Dieser Rohstoff bietet »Exfoliation for all skin types, including problem skin and men’s skin with efficacy similar to glycolic acid, but with significantly reduced stinging sensation and irritation«.

Verarbeitung

L-Arginin ist nicht hitzeempfindlich (< 100 °C) und löst sich sehr gut in der kalten oder erhitzten Wasserphase. Es kann als Pulver eingearbeitet werden oder in Form einer 10%igen Lösung.

Bisweilen sieht man Formulierungen, in denen L-Arginin in kleinen Anteilen vor allen anderen Ingredienzien in die Wasserphase eingearbeitet wird. In der Regel geschieht dies dann, wenn Ingredienzien eingeplant sind, die den pH-Wert deutlich senken, z. B. Alpha-, Beta- oder Poly-Hydroxysäuren. Der Grund für diese »Überkompensation« ist, dass ein Absenken eines zu alkalischen pH-Werts auf pH 5–5,5 am Ende des Herstellungsprozesses mit Milch- oder Zitronensäure leichter ist, als einen zu sauren pH-Wert mit L-Argininsäure zu erhöhen. Bei der Formulierungsentwicklung ist es sinnvoll, jede Zugabe zu notieren, um sich an die optimale Einsatzkonzentration heranzutasten.

Einsatzkonzentration

Je nach Einsatzbereich und Kombination haben sich folgende Einsatzkonzentrationen bewährt:

Pflegeemulsionen	0,1–0,5 % (Pulver)
Haar-Conditioner	0,5 % (Pulver)
PH-Wert-Korrektur	quantum satis (so viel wie nötig)

Quellen

1. J. Wohlrab: Der epidermale Arginin-Stoffwechsel und dessen therapeutische Beeinflussung. Akt Dermatol 2002; 28: 13–20
2. J. Wohlrab, C. Siemes, W. C. Marsch: The Influence of L-Arginine on the Regulation of Epidermal Arginase. Skin Pharmacol Appl Skin Physiol 2002; 15:44–54
3. P. Nenoff, K. Donaubauer, T. Arndt, U.-F. Haustein: Topisch appliziertes Argininhydrochlorid. Einfluss auf den Harnstoffgehalt des Stratum corneum und die Hautfeuchtigkeit bei atopischem Ekzem und Altershaut. In: Der Hautarzt, Volume 55, pages 58–64 (2004)
4. Utagawa Takashi: Production of Arginine by Fermentation. The Journal of Nutrition, Volume 134, Issue 10, October 2004
5. Eiko Oshimura, Hiroshi Abe, Rina Oota: Hair and amino acids: the interactions and the effects. Journal of Cosmetic Science, 2007 Jul–Aug; 58(4): 347–357.
6. Yong Chool Boo: Up- or Downregulation of Melanin Synthesis Using Amino Acids, Peptides, and Their Analogs. Biomedicines 2020, 8, 322
7. Amanda Foxon-Hill: Amino Acids for pH Adjustment? Blogbeitrag auf realizebeauty.wordpress.com, abgerufen am 18.12.2024