Structure‐function relationship of phenolic antioxidants in topical skin health products

• Published in: International journal of cosmetic science Vol. 39; no. 2; pp. 217 - 223
• Main Authors: Jung, K., Everson, R. J. C., Joshi, B., Bulsara, P. A., Upasani, R., Clarke, M. J.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: England Wiley Subscription Services, Inc 01.04.2017
• Subjects: Antioxidants; Antioxidants - pharmacology; electron spin resonance spectroscopy; emulsions; formulation/stability; Humans; Phenols; Phenols - pharmacology; Skin - drug effects; skin physiology/structure; Structure-Activity Relationship; electron spin resonance spectroscopy; formulation/stability; antioxidants; emulsions; skin physiology/structure
• ISSN: 0142-5463; 1468-2494
• DOI: 10.1111/ics.12367

Objectives The present work analysed the antioxidative activity of phenol‐based antioxidants using an electron spin resonance method to predict the activity and stability of these antioxidants in cosmetic products. Methods The antioxidative power (AP) method was chosen to measure both the capacity and kinetics of an antioxidative reaction by detecting the DPPH (diphenylpicrylhydrazyl) radical. The antioxidative capacity (wc) relates to the amount of free radicals that can be reduced, whereas the antioxidative reactivity (tr) relates to the reaction speed and offers a fingerprinting of the redox state of the antioxidant molecules. Fifteen phenolic molecules have been analysed. They differed in the position of the hydroxyl groups and substituents on the aromatic ring. The AP of two distinct formulations containing hydroxytyrosol is presented as well as three phenol‐based antioxidants within the same formulation vehicle. Results The rate at which phenol (ArOH) reacts with DPPH radicals, defined by the term reactivity (tr) in this paper, was dependent upon the bond dissociation enthalpy (BDE) of the OH bond. Molecules having weak OH bonds and consequently low BDE values showed high antioxidant reactivity. On the other hand, the capacity factor (wc), which is the concentration of phenol required to reduce a fixed concentration of DPPH radical, depends on the number and position of hydroxyl groups. The results showed that ortho and para positions of the two hydroxyl groups are important for higher capacity. If one of the two hydroxyl groups is blocked by methylation, both the antioxidative capacity and reactivity are reduced, mainly for ortho disubstituted compounds. The presence of a vinylic side chain improved reactivity and capacity tremendously. AP values may be useful in formulation design when identifying antioxidants that are likely to be physically and chemically stable. The importance of optimization of the formulation vehicle itself for a given antioxidant is also illustrated. Conclusion Based on the presented findings, it is possible to predict the antioxidative performance of a phenol‐based molecule and its stability and oxidation resistance within a cosmetic formulation. This is essential for antioxidant containing dermal formulations designed to combat skin ageing. Résumé Objectifs Le présent travail a analysé l'activité anti‐oxydante des antioxydants à base de phénol en utilisant une méthode de Résonance du Spin Electronique pour prédire l'activité et la stabilité de ces antioxydants dans les produits cosmétiques. Methodes La méthode de la puissance anti‐oxydante (AP) a été choisie pour mesurer à la fois la capacité et la cinétique d'une réaction anti‐oxydante par la détection du radical DPPH (diphénylpicrylhydrazyl). La capacité anti‐oxydante (wc) se rapporte à la quantité de radicaux libres qui peuvent être réduits, alors que la réactivité anti‐oxydante (tr) se rapporte à la vitesse de réaction et offre une identification (“fingerprint”) de l’état des molécules anti‐oxydantes redox. Quinze molécules phénoliques ont été analysées. Elles diffèrent par la position des groupes hydroxyle et des substituants sur le noyau aromatique. L’AP de deux formulations distinctes contenant hydroxytyrosol sont présentés ainsi que trois antioxydants à base de phénol dans le même véhicule de formulation. Resultats La vitesse à laquelle le phénol (ArOH) réagit avec des radicaux DPPH, définie par la réactivité à long terme (tr) dans le présent document, dépendait de l'enthalpie de dissociation de liaison (BDE) de la liaison OH. Les molécules ayant de faibles liaisons OH et par conséquent des valeurs faibles BDE ont montré une réactivité élevée en antioxydants. D'autre part, le facteur de capacité (wc), qui est la concentration de phénol nécessaire pour réduire une concentration fixe de radicaux DPPH, dépend du nombre et de la position des groupes hydroxyle. Les résultats ont montré que les positions ortho et para des deux groupes hydroxyles sont importants pour une plus grande capacité. Si l'un des deux groupes hydroxyle est bloqué par méthylation, à la fois la capacité anti‐oxydante et la réactivité sont réduites, principalement pour les ortho‐ composés di‐substitués. La présence d'une chaîne latérale vinylique améliore la réactivité et la capacité considérablement. Les valeurs AP peuvent être utiles dans la conception de la formulation lors de l'identification des antioxydants qui sont susceptibles d’être physiquement et chimiquement stable. L'importance de l'optimisation du véhicule lui‐même pour la formulation d'un antioxydant donné est également illustrée. Conclusion D'après les résultats présentés, il est possible de prédire la performance d'une molécule antioxydante à base de phénol et de sa stabilité et sa résistance à l'oxydation dans une formulation cosmétique. Cela est essentiel pour des formulations dermiques contenant des antioxydants destinés à lutter contre le vieillissement de la peau. The antioxidative activity of phenol‐based antioxidants was determined by using electron spin resonance. The method was used to predict the activity and stability of the phenolic antioxidants in cosmetic products. Based on the findings, it may be possible to predict the antioxidative performance of a phenol‐based molecule and its stability and oxidation‐resistance within a cosmetic formulation.