Green synthesis of silver nanoparticles using extract of seed skins of guaraná (Paullinia cupana)

Abstract

Nanopartículas de prata (AgNPs) têm recebido grande atenção em virtude de suas propriedades únicas com aplicações em comésticos, medicamentos, tratamento de água, entre outros. Tradicionalmente, nanopartículas metálicas podem ser sintetizadas usando reagentes tóxicos e perigosos por processos altamente energéticos. Como alternativa, a síntese verde mediada por extrato de plantas é eficiente, sustentável e barata. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo otimizar a síntese verde de AgNPs utilizando o extrato da pele da semente (casquilho) do guaraná (Paullinia Cupana) e avaliar sua atividade antibacteriana. Um planejamento experimental de Taguchi foi utilizado com propósito de otimizar a síntese e estimar a variabilidade da variável-resposta em termos dos parâmetros controláveis como também dos ruídos do processo. Nove experimentos (L9) foram realizados sendo avaliados três níveis de 4 propriedades (fatores controláveis): temperatura de reação, pH, concentração de AgNO3 e concentração do extrato do casquilho do guaraná. O tamanho médio das AgNPs foi escolhida como variável-resposta. O extrato do casquilho do guaraná foi caracterizado pelo espectrômetro de massas por ionização por electrospray por ionização direta (DI-ESI-MS) e pela ténica de espectroscopia de fluorescência de raio (FRX). As AgNPs foram caracterizadas por técnicas de Espectroscopia Ultravioleta-Visível (UV-Vis), Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios-X (DRX), além de Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Emissão Atômica por Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-OES). A atividade antibacteriana foi avaliada pela técnica de difusão em ágar contra Sthaphylococcus aureus e Escherichia coli e pela técnica de microdiluição em caldo para determinar a concentração inibitória mínima (CIM). A partir dos experimentos baseado em Taguchi, as AgNPs foram produzidas em condições otimizadas a pH = 11, concentração de AgNO3 = 5 mM, temperatura de reação = 50°C, concentração do extrato do casquilho do guaraná = 1% (m/v). Nessas condições, foram obtidos menores tamanhos de AgNPs (26.11 nm com zeta potencial de -11.2 mV), como também uma menor variabilidade em termos de razão sinal/ruído (S/N). Pela técnica DI-ESI-MS, o extrato do casquilho do guaraná apresentou a cafeína como um dos possíveis compostos majoritário com subprodutos, como também, óxido de potássio como maior composição como apontado pelo FRX. Além disso, foi possível confirmar a presença de polifenois, alcaloides, flavonoides e de compostos aromáticos, apontados como possíveis agentes redutores/estabilizadores. As AgNPs monodispersas com um formato quaseesférico foram observadas com a presença do extrato do casquilho do guaraná ao redor das partículas. Um alta concentração de nanopartículas de prata in a concentration of 180 ± 0.15 ppm foi detectado pela técnica da ICP-OES. Pela técnica da difusão em ágar, E.coli (15.7 ± 0.4 mm) demonstrou menor resistência sendo avaliados pelo halo de inibição quando comparados com a S. aureus (13.3 ± 0.2) e obtendo os mesmos valores de CIM (50 ?g/mL). Finalmente, a síntese verde apresentou robustez e eficácia, como também mostrou ser uma alternativa sustentável frente aos métodos tradicionais.

Abstract: Silver nanoparticles (AgNPs) have been standing out due to their unique properties being applied in cosmetics, medicines, water treatment, among others. Traditionally, metallic nanoparticles can be synthesized using toxic and harmful reactants by high-energy processes. As an alternative, green synthesis mediated by plant extracts is efficient, sustainable, and cheap. In this context, this work aims to optimize the green synthesis of AgNPs using the extract of the seed skin of guaraná (Paullinia Cupana) extracts and to evaluate their antibacterial activity. Taguchi experimental design was used to optimize the synthesis and to estimate the variability of the system response in terms of controllable parameters and noises in the process. Nine experiments (L9) were carried out at three levels of 4 properties (controlled factors): reaction temperature, pH, AgNO3 concentration, and guaraná seed skin extract concentration. The average size of AgNPs was chosen as the response variable. The guaraná seed skins extract was characterized by the direct infusion electrospray ionization mass spectrometer (DI-ESI-MS) and by the ray fluorescence spectroscopy (XRF) technique. AgNPs were characterized by spectroscopy techniques, such as Ultraviolet-Visible spectroscopy (UV-Vis), FourierTransform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), as well as Dynamic Light Scattering (DLS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron microscopy (SEM) and Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES). Antibacterial activity was evaluated using well-agar diffusion against Staphylococcus aureus and Escherichia coli by the broth microdilution method to determine the minimum inhibitory concentration (MIC). From Taguchi experiments, the AgNPs were produced the optimized conditions at pH = 11, AgNO3 concentration = 5 mM, reaction temperature = 50 °C and concentration of guaraná seed skin = 1% (m/v). At those conditions, AgNPs were obtained with the smallest size (26.11 nm and zeta potential of -11.2 mV), as well as with less variability in terms of signal-to-noise ratio (S/N). By the DI-ESI-MS technique, the guarana seed skins extract showed caffeine as one of the possible major compounds with by-products, as well as potassium oxide as the highest composition as pointed out by the XRF. In addition, the presence of polyphenols, alkaloids, flavonoids, and aromatic compounds was detected as possible reducing or/and stabilizing agents. Monodisperse, quasi-spherical AgNPs were observed with the presence of guaraná seed skin extract around the particles. A high concentration of silver nanoparticles of 180 ± 0.15 ppm was detected using ICP-OES. In the well-agar diffusion method, E.coli (15.7 ± 0.4 mm) demonstrated lower resistance being evaluated by the zone of inhibition when compared with S. aureus (13.3 ± 0.2) and achieved the same value of CIM (50 ?g/mL). Finally, the green synthesis presented robustness and efficiency and it was shown to be a sustainable alternative to the traditional methods.