Clasificación de los tensioactivos y sus aplicaciones

En resumen: los tensioactivos (surfactantes, agentes de superficie, SPC) son compuestos cuyas moléculas tienen una parte hidrófila («cabeza») y otra hidrófoba («cola»). Gracias a ello se concentran en la interfase, reducen la tensión superficial y actúan como agentes limpiadores, espumantes, humectantes, emulsionantes y solubilizantes. Según la carga de la parte hidrófila se dividen en cuatro grupos: aniónicos (p. ej., SLS, SLES), catiónicos (p. ej., cloruro de benzalconio), anfóteros (p. ej., cocamidopropyl betaine) y no iónicos (p. ej., polisorbato 20, glucósidos, PEG-6 caprylic/capric glycerides). Se utilizan en cosmética, productos de limpieza del hogar, alimentación, farmacia e industria.

¿Qué son los tensioactivos?

Los tensioactivos, también llamados surfactantes (en inglés, surfactants, de surface active agents) o agentes de superficie, son compuestos químicos que reducen la tensión superficial de los líquidos y la tensión interfacial, p. ej., entre el agua y el aceite. El agua pura tiene una tensión superficial de aprox. 72 mN/m, y la adición de un tensioactivo puede reducirla hasta aprox. 25–35 mN/m.

Este efecto se debe a la estructura de la molécula, denominada anfifílica. Cada molécula de tensioactivo tiene:

• una parte hidrófila («cabeza») – polar, que interactúa bien con el agua; puede tener carga negativa, positiva, ambas cargas o ser neutra,
• una parte hidrófoba («cola») – apolar, normalmente una cadena hidrocarbonada de 8–18 átomos de carbono que «huye» del agua y se une a las grasas.

Los tensioactivos también existen en la naturaleza. Un ejemplo es el surfactante pulmonar, una mezcla de fosfolípidos y proteínas que recubre los alvéolos pulmonares e impide que colapsen durante la espiración. También son compuestos tensioactivos naturales la lecitina, las saponinas y los ácidos biliares.

¿Cómo actúan los tensioactivos?

En una solución acuosa, las moléculas de tensioactivo se concentran primero en la superficie del agua y en la interfase, con las «cabezas» orientadas hacia el agua y las «colas» hacia fuera o hacia el aceite. Cuando la superficie se satura y la concentración supera la llamada concentración micelar crítica (CMC), las moléculas empiezan a agruparse en micelas: agregados esféricos con un interior hidrófobo. En las micelas quedan atrapadas la grasa y la suciedad, que después se pueden aclarar con agua.

De este mecanismo se derivan las principales funciones de los tensioactivos:

• limpieza y lavado – desprendimiento y eliminación de la suciedad grasa,
• humectación – el líquido se extiende con más facilidad sobre la superficie y penetra en los poros,
• emulsión – formación y estabilización de emulsiones de aceite en agua (O/W) o de agua en aceite (W/O),
• formación o eliminación de espuma – estabilización de la espuma o su ruptura,
• solubilización – disolución en agua de aceites esenciales, aromas o vitaminas,
• dispersión – mantenimiento de partículas sólidas, p. ej., pigmentos, en suspensión,
• acondicionamiento y efecto antiestático – principalmente los tensioactivos catiónicos.

¿Cómo se clasifican los tensioactivos?

La clasificación más utilizada se basa en la estructura química, concretamente en la carga de la parte hidrófila. Los tensioactivos se dividen en iónicos y no iónicos, y los iónicos, en tres tipos: aniónicos, catiónicos y anfóteros. En conjunto, esto da cuatro grupos básicos:

Los tensioactivos también pueden clasificarse según su origen (petroquímicos, oleoquímicos a partir de aceites vegetales, biosurfactantes producidos por microorganismos), su biodegradabilidad, el número de grupos hidrófilos (p. ej., tensioactivos diméricos, los llamados gemini) o su aplicación.

¿Qué son los tensioactivos aniónicos?

Los tensioactivos aniónicos tienen en su parte hidrófila un grupo con carga negativa, normalmente sulfato, sulfonato o carboxilato. Es el grupo de tensioactivos más utilizado, ya que son baratos, limpian muy bien y generan abundante espuma. Los ejemplos más importantes son:

• SLS (Sodium Lauryl Sulfate, laurilsulfato sódico) – potente agente limpiador y espumante,
• SLES (Sodium Laureth Sulfate, laurilétersulfato sódico) – variante etoxilada y más suave del SLS, base de muchos champús y geles,
• LAS (alquilbencenosulfonatos lineales de sodio) – componente principal de los detergentes en polvo y líquidos para la ropa,
• jabones – sales sódicas y potásicas de ácidos grasos, de las que hablamos en el artículo Jabón sódico: propiedades y aplicaciones,
• tensioactivos aniónicos cosméticos más suaves: Sodium Cocoyl Isethionate, Sodium Lauroyl Sarcosinate, Disodium Laureth Sulfosuccinate.

Los tensioactivos aniónicos son sensibles al agua dura: con los iones de calcio y magnesio forman sales poco solubles, lo que reduce su eficacia. También pueden resecar e irritar la piel, por lo que en cosmética se combinan con tensioactivos anfóteros o no iónicos más suaves.

Para la sulfonación del LAS y la sulfatación de alcoholes grasos se utilizan, entre otros, el trióxido de azufre y el óleum, que describimos en el artículo El Ácido Sulfúrico: producción, usos y medidas de seguridad.

¿Qué son los tensioactivos catiónicos?

Los tensioactivos catiónicos tienen carga positiva en su parte hidrófila; normalmente son sales de amonio cuaternario (los llamados QUAT). Algunos ejemplos son el cloruro de benzalconio, el bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB), Cetrimonium Chloride, Behentrimonium Chloride y los esterquats utilizados en los suavizantes para la ropa.

La mayoría de las superficies (cabello, piel, fibras textiles) tienen carga negativa en el agua, por lo que los tensioactivos catiónicos se depositan bien sobre ellas. Reducen la electricidad estática del cabello y los tejidos, los alisan y facilitan el peinado. Muchos de ellos tienen además acción bactericida, por lo que forman parte de desinfectantes y conservantes. Limpian y forman espuma de forma deficiente, y con los tensioactivos aniónicos forman complejos insolubles, por lo que normalmente no se combinan en un mismo producto.

Los tensioactivos catiónicos más antiguos eran difícilmente biodegradables y tóxicos para los organismos acuáticos. Por ello, en los suavizantes se sustituyeron por esterquats, que se degradan con mayor facilidad.

¿Qué son los tensioactivos anfóteros?

Los tensioactivos anfóteros (zwitteriónicos) tienen en su molécula a la vez un grupo con carga positiva y otro con carga negativa. Su carácter depende del pH: en medio ácido se comportan como tensioactivos catiónicos y en medio alcalino, como aniónicos.

El ejemplo más importante es la cocamidopropyl betaine (CAPB, cocamidopropil betaína), un tensioactivo anfótero obtenido a partir de los ácidos grasos del aceite de coco. A este grupo pertenecen también Coco-Betaine, Cocamidopropyl Hydroxysultaine, Sodium Cocoamphoacetate y Sodium Lauroamphoacetate. La lecitina natural también es anfótera.

Los tensioactivos anfóteros son suaves con la piel y los ojos, forman buena espuma y espesan las soluciones de tensioactivos aniónicos. Añadidos al SLES reducen su efecto irritante, por lo que la combinación SLES + cocamidopropyl betaine es la base de la mayoría de champús y geles de ducha. También se utilizan en cosmética infantil, productos de higiene íntima y limpiadores suaves.

¿Qué son los tensioactivos no iónicos?

Los tensioactivos no iónicos no tienen carga eléctrica. Su parte hidrófila está formada normalmente por cadenas de polioxietileno (PEG), restos de glicerol o de azúcares. Ejemplos:

• alcoholes grasos etoxilados – p. ej., Laureth-7, Ceteareth-20, componentes de detergentes y emulsiones,
• polisorbatos – p. ej., polisorbato 20 y polisorbato 80, emulsionantes y solubilizantes en cosmética, medicamentos y alimentos (E432–E436),
• alquilpoliglucósidos (APG) – Decyl Glucoside, Coco-Glucoside, Lauryl Glucoside, tensioactivos suaves obtenidos a partir de azúcar y alcoholes grasos,
• PEG-6 Caprylic/Capric Glycerides – tensioactivo no iónico utilizado como solubilizante y componente de aguas micelares y aceites limpiadores,
• ésteres de glicerol y de azúcares – mono- y diglicéridos de ácidos grasos (E471) y ésteres de sacarosa (E473), emulsionantes alimentarios,
• ésteres de sorbitán – p. ej., Sorbitan Oleate (Span 80), emulsionantes para emulsiones W/O.

Los tensioactivos no iónicos no reaccionan con los iones del agua dura, son compatibles con otros grupos de tensioactivos y suelen ser suaves con la piel. Por lo general forman menos espuma, pero emulsionan y humectan bien. A temperaturas más altas, las soluciones de etoxilados se enturbian (el llamado punto de enturbiamiento), lo que debe tenerse en cuenta en las formulaciones.

¿Qué es la escala HLB y cómo ayuda a elegir un tensioactivo?

El HLB (hydrophilic-lipophilic balance) es un número que describe el equilibrio entre la parte hidrófila y la parte lipófila de una molécula. Según la escala de Griffin para tensioactivos no iónicos, toma valores de 0 a 20: cuanto mayor es el HLB, más hidrófilo y soluble en agua es el compuesto.

Al elegir un tensioactivo también cuentan la CMC (cuanto más baja, menos tensioactivo se necesita para formar micelas), el punto de Krafft (temperatura por debajo de la cual un tensioactivo iónico se disuelve mal), el rango de pH de estabilidad y la compatibilidad con otros ingredientes. En las emulsiones suelen combinarse dos emulsionantes, uno de HLB bajo y otro de HLB alto, para obtener el valor necesario para una fase oleosa determinada. Puede leer más sobre los emulsionantes en el artículo Emulsionantes en cosmética: qué son y qué funciones cumplen.

¿A partir de qué se fabrican los tensioactivos?

Los tensioactivos se obtienen a partir de tres grupos principales de materias primas:

• petroquímicas – a partir de etileno, benceno y parafinas se producen, entre otros, el LAS y los alcoholes sintéticos para etoxilados,
• oleoquímicas – a partir de aceites vegetales (de coco, de palma, de palmiste, de colza) se obtienen ácidos y alcoholes grasos, y de ellos SLS, SLES, betaínas, glucósidos y ésteres; a menudo se combinan con materias primas derivadas del azúcar, p. ej., la glucosa en los alquilpoliglucósidos,
• biotecnológicas – los biosurfactantes, p. ej., ramnolípidos, soforolípidos y surfactina, son producidos por bacterias y levaduras; son fácilmente biodegradables, pero todavía más caros que los tensioactivos convencionales.

Las crecientes exigencias medioambientales hacen que los fabricantes opten cada vez más por tensioactivos de origen vegetal, fácilmente biodegradables y con certificaciones ecológicas.

¿Dónde se utilizan los tensioactivos?

Los tensioactivos figuran entre las materias primas más importantes de la industria química. Principales ámbitos de aplicación:

• cosmética – champús, geles, jabones, aguas micelares (tensioactivos limpiadores), cremas y lociones (emulsionantes), acondicionadores (tensioactivos catiónicos); sobre el papel de cada ingrediente hablamos en el artículo Tipos de ingredientes en cosmética y sus funciones,
• productos de limpieza del hogar – detergentes en polvo y líquidos para la ropa, lavavajillas a mano, limpiadores, suavizantes para la ropa,
• industria alimentaria – emulsionantes, p. ej., lecitina (E322), mono- y diglicéridos (E471), ésteres de sacarosa (E473) y polisorbatos; más información en el artículo sobre la lecitina,
• farmacia y medicina – emulsionantes y solubilizantes en medicamentos, preparados de surfactante pulmonar para prematuros, desinfectantes,
• agricultura – coadyuvantes que mejoran la humectación de las hojas y la eficacia de los productos fitosanitarios,
• construcción – aditivos aireantes y agentes espumantes para hormigón, entre otros para la producción de hormigón espumado y hormigones celulares ligeros,
• industria textil, pinturas y barnices – agentes humectantes, dispersantes y colorantes,
• industria petrolera y metalúrgica – desemulsionantes en la desalación del crudo, agentes para la recuperación mejorada de petróleo, desengrase de metales, refrigerantes.

Sobre la situación del mercado y las tendencias del sector hablamos en el artículo Tensioactivos: sustancias clave en el mercado cosmético e industrial.

¿Ablandan el agua dura los tensioactivos?

No. Los tensioactivos no eliminan del agua los iones de calcio y magnesio responsables de su dureza. Al contrario: el agua dura reduce la eficacia de los tensioactivos aniónicos, ya que estos forman sales insolubles con dichos iones. Se aprecia bien en el caso del jabón, que en agua dura forma poca espuma y deja un depósito (la llamada cal jabonosa).

Por ello, a los detergentes en polvo y líquidos para la ropa y a las pastillas para lavavajillas se añaden sustancias ablandadoras del agua, los llamados builders: zeolitas, citratos, policarboxilatos (p. ej., copolímeros acrílico-maleicos) y fosfonatos. En la UE, el contenido de fosfatos en los detergentes para ropa y lavavajillas de uso doméstico está limitado por la normativa. Los tensioactivos no iónicos no son sensibles al agua dura, por lo que a menudo se combinan con los aniónicos.

¿Son perjudiciales los tensioactivos?

La nocividad de los tensioactivos depende de su tipo, concentración y forma de uso. Para el ser humano, lo más importante es su efecto sobre la piel y los ojos:

• aniónicos – son los que más desengrasan y pueden irritar la piel, especialmente el SLS en contacto frecuente; el SLES es más suave,
• catiónicos – pueden irritar los ojos y la piel en concentraciones más altas, por lo que en cosmética se utilizan en dosis bajas,
• anfóteros y no iónicos – son los más suaves y reducen el efecto irritante de los tensioactivos aniónicos; las reacciones alérgicas a la cocamidopropyl betaine son poco frecuentes y se asocian principalmente a impurezas del proceso de producción.

Los tensioactivos en cosmética están autorizados en concentraciones seguras, y en los productos que se aclaran el contacto con la piel es breve. Los tensioactivos etoxilados (p. ej., SLES, polisorbatos) pueden contener trazas de 1,4-dioxano, por lo que los fabricantes de materias primas controlan su nivel.

Para el medio ambiente, la clave es la biodegradabilidad. Los tensioactivos que no se han degradado son tóxicos para los organismos acuáticos y provocan la formación de espuma en las aguas. En las décadas de 1950 y 1960 el problema eran los alquilbencenosulfonatos ramificados, que se sustituyeron por LAS biodegradables. Actualmente, en la UE los tensioactivos de los detergentes deben ser completamente biodegradables en condiciones aerobias, y el uso de etoxilados de nonilfenol (NPE), que actúan como disruptores endocrinos, está muy restringido. En las depuradoras modernas la mayoría de los tensioactivos se degradan biológicamente, y en las plantas industriales su exceso y la formación de espuma se limitan con antiespumantes.

¿Cómo elegir un tensioactivo para la producción?

Al seleccionar un tensioactivo para un cosmético, un detergente o un producto alimentario, conviene tener en cuenta:

• la función – limpieza, emulsión, solubilización, humectación, formación de espuma o acondicionamiento,
• la compatibilidad de cargas – los tensioactivos aniónicos y catiónicos no suelen combinarse,
• HLB, CMC y rango de pH – adaptados a la fase oleosa y a la formulación,
• la suavidad – en cosmética, el tensioactivo principal suele combinarse con uno anfótero o no iónico,
• el origen y la biodegradabilidad – materias primas vegetales, certificaciones ecológicas, cumplimiento de los requisitos para detergentes,
• las autorizaciones – estatus de aditivo alimentario (número E) o conformidad con la normativa cosmética y farmacéutica.

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