Sintesis Nanopartikel Perak dengan Reduktor Ekstrak Kulit Salak (Salacca sumaterana): Analisis Kinetika Reaksi dan Potensinya sebagai Bahan Antimikroba

Abstract

Nanopartikel perak (NPAg) merupakan salah satu nano material yang telah digunakan secara luas sebagai antimikroba dalam berbagai kemasan pangan aktif untuk meningkatkan umur simpan produk pangan. Sintesis nanopartikel perak menggunakan ekstrak tanaman telah banyak dikaji sebagai pilihan yang lebih ramah lingkungan (green synthesis) melalui reduksi ion logam perak oleh molekul aktif dari ekstrak tanaman. Kulit buah salak merupakan salah satu sumber komponen aktif yang terdiri dari flavonoid, sejumlah besar karbohidrat, asam amino, protein, dan senyawa fitokimia lainnya. Komponen-komponen ini merupakan biomolekul dengan gugus fungsional karbonil, hidroksil, aldehid, dan amina yang berpotensi sebagai pereduksi ion logam dan capping agent partikel logam yang terbentuk selama proses sintesis. Sifat inheren NPAg pada dasarnya ditentukan oleh ukuran, bentuk, komposisi dan strukturnya. Bentuk dan ukuran ini sangat dipengaruhi oleh karakteristik proses sintesisnya. Kondisi reaksi seperti suhu, periode waktu, jumlah prekursor dan adanya ion alkali akan menentukan karakteristik tersebut. Pemahaman karakteristik proses sintesis ini dapat diperoleh dengan mengamati kinetika reaksi yang terjadi. Dengan mempelajari kinetika reaksi pembentukan nanopartikel perak maka proses sintesis dapat dikendalikan untuk mendapatkan bentuk dan ukuran nanopartikel yang diharapkan. Oleh karenanya tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari karakteristik proses pembentukan nanopartikel perak dengan bahan reduktor alami dari ekstrak kulit salak, melalui pendekatan kinetika reaksinya dan menguji potensi antimikrobanya. Penelitian dilaksanakan dalam tiga tahap meliputi (1) pengukuran potensi ekstrak kulit salak sebagai bio-reduktor sintesis NPAg, (2) kajian kondisi reaksi yang mempengaruhi proses pembentukan NPAg, dan (3) pengujian antimikroba nanopartikel perak yang dihasilkan. Pada tahap I dilakukan persiapan bahan baku serbuk dan ekstrak kulit salak (KS) serta analisis proksimat, kadar fenolik dan flavonoid. Sintesis tahap awal dilakukan pada tahap I untuk melihat potensi ekstrak kulit salak sebagai bioreduktor serta gambaran kondisi proses pembentukan NPAg. Pada tahap ini karakterisasi dengan FTIR dilakukan untuk pengujian gugus fungsional KS, ekstrak KS, dan NPAg. Tahap II merupakan proses sintesis utama untuk mempelajari pengaruh kondisi proses seperti suhu, kehadiran ion alkali, waktu reaksi, dan jumlah reaktan terhadap karakteristik pembentukan NPAg termasuk kinetika reaksinya. Proses pembentukan NPAg diamati dengan pengukuran spektrum absorbansi pada panjang gelombang 300-650 nm dengan spektrofotometer UV-Vis. Karakterisasi NPAg hasil sintesis juga dilakukan untuk melihat distribusi ukuran partikel metode dynamic light scattering (DLS) dengan menggunakan PSA (Particle Size Analyzer) serta konfirmasi struktur mikroskopis dan ukuran dengan TEM (Transmission Electron Microscopy). Tahap III adalah pengujian potensi antimikroba dari koloid NPAg partikel perak hasil reduksi dengan ekstrak KS tehadap bakteri Eschericia coli (Gram negatif) dan Staphylococcus aereus (Gram positif) dengan metode difusi sumur. Pengujian terhadap kapang dilakukan dengan teknik tetes permukaan dan pour plate pada media potato sucrose agar. Hasil penelitian membuktikan bahwa ekstrak kulit salak kaya akan komponen yang dapat digunakan sebagai bahan pereduksi Ag+ menjadi Ag0 dan terbukti mampu menghasilkan koloid NPAg. Komponen utama yang terkandung dalam kulit salak terutama senyawa fenolik dan flavonoid masing-masing sebesar 0,082 dan 0,031% b.k berperan dalam proses sintesis NPAg yang terkonfirmasi dari analisis FTIR. Pengamatan terbentuknya NPAg dilakukan secara visual dengan perubahan warna larutan dari tidak berwarna menjadi kuning, kuning kemerahan, sampai cokelat gelap dengan mengamati absorbansi pada rentang panjang gelombang 300-650 nm dengan metode spektrofotometer. Karakteristik NPAg memiliki profil absorbansi puncak (SPR) pada rentang 400-450 nm. Karakteristik proses yang berbeda, seperti suhu, jumlah reaktan, dan kehadiran alkali akan mempengaruhi hasil pengukuran SPR tersebut. Peningkatan suhu hingga 90oC dan jumlah prekursor Ag+ hingga dua kalinya dalam suasana basa, dapat meningkatkan intensitas absorbansi puncak hingga hampir 4 kalinya. Bentuk NPAg yang dihasilkan berbentuk spherical yang diamati dengan menggunakan TEM, sedangkan distribusi ukuran partikel dapat dikonfirmasi dengan teknik dynamic light scattering (DLS) dengan PSA. Suhu dan kehadiran ion alkali berpengaruh terhadap nilai Z-average dan Polydispersity Index (PI). Distribusi ukuran partikel Ag0 yang dihasilkan relatif beragam dengan nilai Polydispersity Index (PI) 0,172 – 0,540, dan nilai Z-average adalah 76,4 – 254 nm. Berdasarkan aspek kinetika, suhu, konsentrasi reaktan, dan kondisi alkali dapat mempercepat laju reaksi terbentuknya NPAg yang dapat diamati dengan menerapkan Hukum Lambert-Beer dan model kinetika reaksi pseudo orde satu dengan konstanta laju reaksi (k) = 0,0003/menit dan energi aktivasi (Ea) = 665,02 J/mol untuk reaksi tanpa melibatkan alkali, dan konstanta laju reaksi (k) = 0,0059/menit dan energi aktivasi (Ea) = 440,86 J/mol untuk reaksi yang melibatkan alkali. Kondisi basa banyak diterapkan dalam proses sintesis NPAg, yang terbukti mampu mempercepat laju pembentukan NPAg melalui mekanisme autokatalitik, yaitu menghasilkan produk antara Ag2O sebagai lokasi pengikatan kompleks Ag dan komponen pereduksi. Koloid NPAg pada konsentrasi prekursor 0,5 mM mampu memberikan penghambatan aktivitas bakteri Escherichia coli (Gram negatif) dan Staphylococcus aureus (Gram positif), namun pada konsentrasi precursor 0,1 mM belum mampu memberikan penghambatan.

Silver nanoparticles (AgNP) are a nanomaterial that has been widely used as an anti-microbial in various active food packaging to increase the shelf life of food products. Synthesis of silver nanoparticles using plant extracts has been widely considered a more environmentally friendly option (green synthesis) by reducing silver metal ions by active molecules from plant extracts. Salak fruit peel is a source of active components consisting of flavonoids, large amounts of carbohydrates, amino acids, proteins, and other phytochemical compounds. These components are biomolecules with carbonyl, hydroxyl, aldehyde, and amine functional groups which have the potential as reducing metal ions and capping agents for metal particles formed during the synthesis process. The unique properties of AgNPs are mainly determined by their size, shape, composition, and structure. Shape and size are greatly influenced by the characteristics of the synthesis process. Reaction conditions such as temperature, length of time, amount of precursors, and the presence of alkali ions determine these properties. An understanding of the characteristics of this synthesis process can be obtained by observing the kinetics of the reactions that occur. By studying the kinetics of the reaction for the formation of silver nanoparticles, the synthesis process can be controlled to obtain the desired shape and size of the nanoparticles. Therefore the aim of this study was to study the characteristics of the process of forming silver nanoparticles with a natural reducing agent from salak peel extract, through the reaction kinetics approach and to test its antimicrobial potential. The research was carried out in three stages including measuring the potential of salak peel extract as a bio-reducing agent for AgNP synthesis, studying the reaction conditions that affect the formation of AgNP, and testing the anti-microbial silver nanoparticles produced. In the first stage, the preparation of raw materials for powder and peel extract (KS) was carried out as well as proximate analysis, phenolic, and flavonoid content. The initial synthesis was carried out in stage I to see the potential of salak peel extract as a bioreductor and to describe the conditions for the formation of AgNP. FTIR characterization was carried out at this stage to test the KS functional groups, KS extracts, and AgNP. The main synthesis process was conducted in the second stage. In this stage, the effect of process conditions such as temperature, presence of alkaline ions, reaction time, and the number of reactants on the characteristics of AgNPs formation including the kinetics was studied. The process of AgNP formation was observed by measuring the absorbance spectrum at a wavelength of 300-650 nm with a UV-Vis spectrophotometer. The characterization of the synthesized AgNP was also carried out to see the particle size distribution using the dynamic light scattering (DLS) method using PSA (Particle Size Analyzer) and to confirm the microscopic structure and size with TEM (Transmission Electron Microscopy). The last stage was testing the antimicrobial potential of silver nano colloid particles reduced with KS extract against Escherichia coli (Gram-negative) and Staphylococcus aureus (Gram-positive) bacteria using the diffusion method. Tests for mold/fungus were carried out using surface drop and pour plate techniques on potato sucrose agar media. The results of the study indicate that the salak peel extract is rich in components that can be used as a reducing agent for Ag+ to Ag0 and are proven to be able to produce colloidal AgNPs. The main components contained in the salak peel, especially phenolic compounds and flavonoids respectively at 0.082 and 0.031 % dry basis played a role in the process of AgNPs synthesis which was confirmed from FTIR analysis. The formation of AgNPs was observed visually by changing the color of the solution from colorless to yellow, reddish yellow, to dark brown by observing the absorbance at a wavelength range of 300-650 nm using a spectrophotometer method. Characteristics of AgNPs have a peak absorbance profile (SPR) in the range of 400-450 nm. Different process characteristics, such as temperature, number of reactants, and presence of alkali will affect the results of the SPR measurement. Increasing the temperature up to 90oC and doubling the amount of Ag+ precursors in alkaline conditions, can increase the intensity of the peak absorbance by almost 4 times. The resulting AgNPs shape is spherical which was observed using TEM, while the particle size distribution can be confirmed by the dynamic light scattering (DLS) technique with PSA. Temperature and the presence of alkaline ions affect the Z-average and Polydispersity Index (PI) values. The resulting Ag0 particle size distribution is relatively diverse with a Polydispersity Index (PI) value of 0.172 – 0.540 and a Z-average value of 76.4 – 254 nm. Based on the kinetics aspect, temperature, reactant concentrations, and alkaline conditions can accelerate the rate of reaction for the formation of AgNPs which can be observed by applying the Lambert-Beer Law and a pseudo-first-order reaction kinetics model with a reaction rate constant (k) = 0.0003/minute and activation energy (Ea) = 665.02 J/mol for reactions without involving alkali, and the reaction rate constant (k) = 0.0059/minute and activation energy (Ea) = 440.86 J/mol for reactions involving alkalis. Alkaline conditions are widely applied in the AgNPs synthesis process, which is proven to be able to accelerate the rate of AgNPs formation through an autocatalytic mechanism, namely to produce an intermediate product Ag2O as a binding site for Ag complexes and reducing components. AgNPs colloid at a precursor concentration of 0.5 mM was able to inhibit the activity of Escherichia coli bacteria (Gram-negative) and Staphylococcus aureus (Gram-positive, but at a precursor concentration of 0.1 mM it was not able to provide inhibition.