Production and characterization of nanocapsules of geranil cinnamate and its evaluation as possible antimicrobial additive

Abstract

Óleos essenciais têm apresentado novas perspectivas de soluções para a indústria de alimentos. Estes são misturas complexas de uma grande variedade de moléculas voláteis que podem ser facilmente decompostas, dependendo da aplicação industrial. O geraniol é um álcool terpênico encontrado em muitos óleos essenciais de plantas aromáticas e sua propriedade antimicrobiana aumenta sua utilização como aditivo para a indústria alimentar. No entanto, a utilização de seus efeitos benéficos é limitada devido à sua instabilidade frente às degradações químicas do ambiente, causadas pela oxidação e temperatura. Através de um planejamento experimental foi estudada a reação do geraniol e o ácido cinâmico para obtenção do éster geranil cinamato, o qual foi obtido numa conversão de 97% nas condições de reação de 80 °C, 20% em peso de Candida antarctica NS88011 imobilizada, e para proporção molar de geraniol e ácido cinâmico de 5:1. A atividade antimicrobiana do éster geranil cinamato foi testada frente as bactérias Staphylococcus aureus e Escherichia coli e três tipos de fungos: levedura Candida albicans, Penicillium variabile e Aspergillus niger. Pelo teste de difusão em ágar o composto mostrou uma excelente atividade antimicrobiana para todos os microrganismos testados. A nanoencapsulação pode ser uma alternativa para proteger o éster geranil cinamato de um ambiente desfavorável, além de promover uma liberação controlada deste composto. Para isso, nanocápsulas poliméricas de éster de geranil cinamato e policaprolactona (PCL) foram obtidas pela técnica de nanoprecipitação com a evaporação do solvente. Os resultados mostraram que nanocápsulas com tamanho médio de 177,6 nm e índice de polidispersão menor que 0,200 foram obtidas, mostrando a formação de nanocápsulas com tamanho homogêneo. Os resultados de microscopia de transmissão eletrônica (TEM) mostraram a formação de nanoparticulas esféricas e os resultados de TGA mostraram a proteção térmica pelo revestimento de PCL do éster, sendo que a encapsulação aumentou a temperatura para a liberação do éster de geranil cinamato em 20 oC. Dispersões aquosas de nanopartículas de PCL carregadas com geranil cinamato armazenadas a 4 oC apresentaram boa estabilidade coloidal ao longo de 60 dias. Os testes de Concentração Inibitória Mínima (CIM) mostraram que o geranil cinamato não foi liberado das nanopartículas de PCL em solução aquosa, mesmo após 72 horas, exigindo o uso de um gatilho (fase oleosa, lipase para degradar a matriz polimérica, por exemplo) para liberar o composto ativo. Testes mostraram que temperaturas elevadas em processos industriais pode ser um gatilho para liberar o composto ativo de dentro das cápsulas. Testes de toxicidade sistêmica aguda em camundongos mostraram que o éster de geranil cinamato não é tóxico até a concentração de 300 mg kg-1.

Abstract : Essential oils present new opportunities for solutions for the food industry. These are complex mixtures of a variety of volatile molecules that can easily be decomposed, depending on the industrial application. The geraniol is a terpenic alcohol found in many essential oils of herbs and their antimicrobial property increases its use as an additive for the food industry. However, the use of its beneficial effects is limited due to their instability opposite to environmental chemical degradation caused by oxidation and temperature. Through an experimental design the reaction was studied of geraniol and cinnamic acid to obtain geranyl cinnamate ester which was obtained at a conversion of 97% under the conditions of 80 °C reaction, by Candida Antarctica immobilized NS88011 20% weight, and molar ratio of geraniol and cinnamic acid 5:1. The antimicrobial activity of geranyl cinnamate ester was tested on Staphylococcus aureus and Escherichia coli and three types of fungi: yeast Candida albicans, Penicillium variabile and Aspergillus niger. The agar diffusion test compound showed excellent antimicrobial activity for all the microorganisms. The nanoencapsulation can be an alternative to protect the cinnamate geranyl ester of an unfavorable environment, and to promote a controlled release of this compound. For this, nanocapsules with geranyl cinnamate ester polymer and polycaprolactone (PCL) were obtained by nanoprecipitation technique with solvent evaporation. The results show that nanocapsules with an average size of 177.6 nm and a polydispersity index of less than 0.200 were obtained, showing the formation of nanocapsules with a homogeneous size. Electron microscopy results showed the formation of spherical nanocapsules and the TGA results showed the thermal protection by the PCL coating of the ester, and the encapsulation increased the temperature for the release of the geranyl cinnamate ester at 20 oC. Aqueous dispersions of geranyl cinnamate loaded PCL nanoparticles stored at 4oC presented good colloidal stability over 60 days. Minimum inhibitory concentration (MIC) tests showed that the geranyl cinnamate was not released from the PCL nanoparticles in aqueous solution even after 72 hours, requiring the use of a trigger (oil phase, lipase to degrade the polymer matrix e.g) to release the active compound. Tests have shown that raising the temperature in industrial processes can be a trigger for releasing the active compound from within the capsules. Acute systemic toxicity tests in mice showed that the geranyl cinnamate ester is non-toxic up to the concentration of 300 mg kg-1.