Rekayasa Proses Ekstraksi dan Nanoenkapsulasi Ekstrak Buah Malaka sebagai Sumber Antioksidan

Abstract

Buah malaka (Emblica officinalis syn. Phyllanthus emblica) memiliki kandungan bioaktif utama berupa senyawa fenolik yang berfungsi sebagai sumber antioksidan. Buah malaka dapat diperoleh di sejumlah daerah di Indonesia dan belum dimanfaatkan maksimal. Ekstraksi sebagai proses utama untuk memperoleh komponen bioaktif perlu dioptimalkan menggunakan teknik non-konvensional seperti ultrasonikasi yang memiliki kelebihan dalam perolehan senyawa fenolik dengan waktu ekstraksi singkat. Senyawa fenolik dalam bentuk ekstrak memiliki keterbatasan dari segi stabilitas rendah karena faktor lingkungan dan memiliki bioavailibilitas rendah sehingga efek bagi kesehatan akan berkurang saat dikonsumsi. Keterbatasan tersebut dapat diatasi dengan nanoenkapsulasi ekstrak yang melindungi komponen bioaktif sehingga dapat meningkatkan stabilitas dalam saluran pencernaan (pelepasan terkendali dalam saluran usus halus) dan stabilitas selama penyimpanan. Kitosan diketahui dapat mengenkapsulasi ekstrak dengan tujuan tersebut. Nanoenkapsulasi ekstrak menggunakan kitosan dengan teknik gelasi ionik menggunakan polianion STPP (sodium tripolyphosphate) dan alginat dapat memperbaiki kekurangan sifat kitosan. Perancangan proses nanoenkapsulasi yang tepat akan menghasilkan produk sesuai dengan tujuan penggunaannya. Tujuan umum dari penelitian ini adalah pengembangan desain proses ekstraksi komponen bioaktif buah malaka dan nanoenkapsulasi ekstrak untuk sistem penghantaran komponen bioaktif sebagai antioksidan. Tujuan khusus penelitian ini adalah (1) memperoleh desain teknik ekstraksi ultrasonikasi yang menghasilkan ekstrak buah malaka dengan total fenol dan aktivitas antioksidan optimal, serta karakteristik senyawa fenolik ekstrak, (2) memperoleh desain proses nanoenkapsulasi ekstrak buah malaka menggunakan kitosan dengan teknik gelasi ionik yang memenuhi kriteria sifat fisik produk nano dengan aktivitas antioksidan tinggi, dan (3) memperoleh informasi stabilitas produk nanopartikel kitosan-ekstrak dalam saluran pencernaan in vitro (pelepasan terkendali ekstrak) dan selama penyimpanan. Secara keseluruhan penelitian ini dirancang dalam tiga tahap. Tahap pertama adalah optimasi proses ekstraksi ultrasonikasi terhadap kandungan fenolik dan aktivitas antioksidan ekstrak buah malaka, serta karakterisasi ekstrak buah malaka. Pada tahap ini diperoleh ekstrak buah malaka hasil ekstraksi ultrasonikasi pada kondisi optimum dan profil senyawa fenolik ekstrak. Tahap kedua adalah perancangan proses nanoenkapsulasi ekstrak buah malaka menggunakan kitosan dengan teknik gelasi ionik berdasarkan parameter analisis sifat fisik dan aktivitas antioksidan. Pada tahap ini diperoleh nanopartikel kitosan-ekstrak terbaik berdasarkan sifat fisik dan aktivitas antioksidan tertinggi. Pada tahap ketiga dilakukan kajian kualitas produk nanopartikel kitosan-ekstrak melalui studi pelepasan komponen bioaktif in vitro dan kestabilannya selama penyimpanan. Optimasi ekstraksi ultrasonikasi menggunakan Respon surface metodology menghasilkan model polinomial orde kedua yang memiliki validitas tinggi untuk memprediksi kandungan total fenol dan aktivitas antioksidan. Kondisi optimum ekstraksi ultrasonikasi diperoleh pada konsentrasi etanol 71,00 % dan waktu ekstraksi 10,38 menit. Teknik ultrasonikasi efektif untuk menghasilkan ekstrak dengan kandungan fenolik dan kapasitas antioksidan lebih besar dengan waktu singkat (10 menit), dibandingkan dengan ekstraksi refluks (3 jam) dan maserasi (24 jam). Ekstrak buah malaka berwarna kuning kecoklatan dihasilkan dengan rendemen ekstrak dengan pelarut 3,93 g ekstrak/g bubuk buah (ekstrak tanpa pelarut 39,07%), memiliki total fenol 39,58 mg GAE/g ekstrak, total flavonoid 3,48 mg QE/g ekstrak, total tanin 34,83 mg TE/g ekstrak, vitamin C 1,013 mg AA/g ekstrak, dan aktivitas antioksidan berupa aktivitas penangkapan radikal bebas kuat (IC50 50,08 µg/ml) serta kemampuan reduksi logam (FRAP 133,51 mg/g). Senyawa fenolik terbesar pada ekstrak berturut-turut metil galat, asam mukat metil ester galat, asam mukat dimetil ester galat, asam mukat galat, asam mukat-lakton-O-galat, emblikanin B, asam galat, asam mukat lakton metil ester galat, digaloil glukosa, dan galoil glukosa. Pada proses nanoenkapsulasi, metode pemecahan partikel menggunakan sonikasi selama 60 menit cukup mampu mengurangi ukuran produk nanopartikel kitosan-ekstrak, tetapi memiliki total fenol dan aktivitas antioksidan lebih rendah dibandingkan dengan produk hasil pengadukan magnetik selama 3 jam. Penggunaan polianion alginat dan STPP-alginat menghasilkan nanopartikel kitosan-ekstrak dengan ukuran lebih besar, polidispersitas tinggi, kestabilan rendah, dan kurang mampu menjerap senyawa fenolik ekstrak dibandingkan dengan polianion STPP. Pada nanopartikel kitosan-STPP-ekstrak, konsentrasi kitosan mempengaruhi indeks polispersitas dan stabilitas nanopartikel kitosan-ekstrak, sedangkan konsentrasi ekstrak berpengaruh terhadap ukuran partikel. Masing-masing faktor (konsentrasi kitosan dan ekstrak) dan interaksi keduanya berpengaruh terhadap kemampuan penjerapan ekstrak. Desain proses terbaik untuk pembentukan nanopartikel kitosan-ekstrak berdasarkan sifat fisik (ukuran, keragaman, dan stabilitas yang baik) serta memiliki aktivitas antioksidan tinggi diperoleh pada konsentrasi kitosan 0,3%, konsentrasi ekstrak 0,4%, polianion STPP, dan menggunakan pengaduk magnetik. Karakteristik nanopartikel kitosan-ekstrak berupa serbuk berwarna putih kecoklatan dengan ukuran partikel rata-rata 460,10 nm, indeks polidispersitas 0,471, zeta potensial 30,6 mV, efisiensi enkapsulasi 60,54%, kapasitas muatan 6,37%, total fenol 24,83 mgGAE/g, dan IC50 96,95 µg/ml. Nanopartikel kitosan-ekstrak mampu mengendalikan pelepasan senyawa fenolik dalam simulasi cairan saluran pencernaan. Persentase senyawa fenolik yang dilepaskan di cairan lambung (pH 1,2) selama 2 jam hanya 24,80% (polianion STPP) dengan model kinetika orde nol dan 16,91% (polianion STPP-alginat) dengan model Hixson-Crowell, dan selama 22 jam pada cairan usus halus (pH 7) melepaskan 58,27% (polianion STPP) dan 69% (polianion STPP-alginat) dengan model Korsmeyer-peppas. Ekstrak tanpa enkapsulasi telah melepaskan senyawa fenolik hingga 64,01% selama 2 jam pada cairan lambung. Produk nanoenkapsulasi ekstrak memiliki kemampuan mengurangi degradasi senyawa fenolik selama penyimpanan lebih baik dibandingkan ekstrak tanpa enkapsulasi yang ditunjukkan melalui nilai total fenol dan aktivitas antioksidan. Waktu paruh senyawa fenolik pada produk nanoenkapsulasi dengan suhu penyimpanan 30oC mencapai 2,4–3 kali (polianion STPP) dan 2,2-2,9 kali (polianion STPP-alginat) lebih lama dibanding dengan waktu paruh ekstrak tanpa enkapsulasi.

Malacca fruit (Emblica officinalis syn. Phyllanthus emblica) has the main bioactive content, namely phenolic compounds, which function as a source of antioxidants. Malacca fruit can be obtained in varios region of Indonesia and has not been utilized optimally. Extraction as the main process for obtaining bioactive components needs to be optimized through non-conventional extraction techniques such as ultrasound-assisted extraction which has the advantage of obtaining high phenolic compounds with a short extraction time. Phenolic compounds in extract form have limitations such as low stability due to environmental factors and low bioavailability, so the health effects will decrease when consumed. This limitation can be overcome by nanoencapsulating the extract to protect the bioactive components so that they can produce nanoparticle-extract with higher stability in the gastrointestinal (controlled release) and during storage. Chitosan is a biopolymer that is known to be able to encapsulate extracts for this purpose. The nanoencapsulation process of the extract using chitosan was carried out by ionic gelation technique using STPP (sodium tripolyphosphate) and alginate polyanions. The ionic gelation process can improve the properties of chitosan, so that the chitosan-extract nanoparticles will be more stable. The optimal nanoencapsulation design will produce a product according to its purpose. The general objective of this research is to develop extraction and nanoencapsulation technology of malacca fruit extract for delivery systems of bioactive components as antioxidants. The specific objectives of this study were (1) to obtain ultrasound-assisted extraction technology which produces malacca fruit extract with optimal total phenol and antioxidant activity, and to characterize the profile of the phenolic compounds of the extract, (2) to obtain nanoencapsulation technology of malacca fruit extract using chitosan with ionic gelation technique by considering the physical properties of products with high antioxidant activity, and (3) to obtain information on the stability of chitosan-extract nanoparticles in the gastrointestinal in vitro (controlled released of the extract) and during storage. Overall, this research was designed in three stages. The first step is to optimize the ultrasound-assisted extraction based on the maximum phenolic content and antioxidant activity of the extract, and to characterize the malacca fruit extract. At this stage, the extract was obtained under the optimum conditions of the ultrasound-assisted extraction process and the profile of phenolic compounds in the extract. The second stage is the design of the nanoencapsulation process of malacca fruit extract using chitosan with ionic gelation technique based on parameters of physical properties and antioxidant activity. At this stage, the best chitosan-extract nanoparticle formulation was obtained based on the physical properties and the highest antioxidant activity. In the third stage, a product quality study of chitosan-extract nanoparticles was carried out by studying the release of bioactive components in the digestive tract in vitro and stability during storage. Optimization of ultrasonic extraction using the response surface methodology produces a second-order polynomial model that has high validity for predicting total phenolic content and antioxidant activity. The optimum conditions for ultrasonic extraction were obtained at an ethanol concentration of 71.00% and an extraction time of 10.38 minutes. The ultrasonication technique is effective in producing extracts with greater phenolic content and antioxidant capacity in a short time (10 minutes), compared to reflux (3 hours) and maceration (24 hours). Malaka fruit extract obtained by yielding 3.93 g extract/g fruit powder (with solvent) or 39.07% (without solvent) contains total phenol 39.58 mg GAE/g extract, total flavonoids 3.48 mg QE/g extract, total tannin 34.83 mg TE/g extract, vitamin C 1.013 mg AA/g extract, and has strong free radical scavenging activity (IC50 50.08 µg/ml) and metal reduction ability (FRAP 133.51 mg/g). The largest phenolic compounds in the extract were methyl gallate, mucic acid methyl ester gallate, mucic acid dimethyl ester gallate, mucic acid gallate, mucic acid-lactone-O-gallate, emblicanin B, asam galat, mucic acid lactone methyl ester gallate, digalloyl glucose, and galloyl glucose. In the nanoencapsulation process, the particle reduction method using sonication for 60 minutes was sufficient to reduce the size of the chitosan-extract nanoparticles, but had lower total phenol and antioxidant activity, compared to the product of magnetic stirring for 3 hours. Alginate polyanion and STPP-alginate combination produced chitosan-extract nanoparticles with larger size, higher polydispersity, lower stability, and lower ability to encapsulate phenolic compounds than STPP polyanion. In the chitosan-STPP-extract nanoparticles, the concentration of chitosan affects the polyspersity index and product stability of the chitosan-extract nanoparticles, while the concentration of the extract affects the particle size. Each factor (concentration of chitosan and extract) and their interactions affect the encapsulation ability of the extract. The best formulation for the formation of chitosan-extract nanoparticles based on the physical properties of the particles (small size, low diversity, and high stability) and high antioxidant activity, was obtained at 0.3% chitosan concentration, 0.4% extract concentration, STPP polyanion, and reduction particle size by magnetic stirring. The characteristics of the chitosan-extracted nanoparticles were brownish yellow powder, particle size 460.10 nm, polydispersity index 0.471, zeta potential 30.6 mV, encapsulation efficiency 60.54%, loading capacity 6.37%, total phenol 24.83 mgGAE/ g, and IC50 96.95 µg/ml. Chitosan-extracted nanoparticles were able to control the release of phenolic compounds in simulated gastrointestinal fluids. The percentage of phenolic compounds released in gastric fluid was only 24.80% (STPP polyanion) with zero order kinetics model and 16.91% (STPP-alginate polyanion) with Hixson-Crowell model for 2 hours in gastric fluid (pH 1.2) and for 22 hours in small intestine fluid (pH 7) releasing 58.27% (STPP polyanion) and 69% (STPP-alginate polyanion) with the Korsmeyer-peppas model. The extract without encapsulation released phenolic compounds up to 64.01% for 2 hours in gastric juice. Nanoencapsulated extract products (chitosan-STPP or chitosan-STPP-alginate) have the ability to reduce degradation of phenolic compounds during storage compared to non-encapsulated extracts as measured by total phenolic value and antioxidant activity. The half-life of phenolic compounds in chitosan-extracted nanoparticle with a storage temperature of 30oC reached 2.4–3 times (STPP polyanion) and 2.2-2.9 times (STPP-alginate polyanion), longer than the half-life of extracts without encapsulation.