SÍNTESE DE NANOPRATA VIA QUÍMICA VERDE UTILIZANDO A FOLHA DO GERGELIM (Sesamum indicum) COMO AGENTE COMPLEXANTE E
CARACTERIZAÇÃO POR TAMANHO DE PARTÍCULA
Bruna da Silveira Guimarães1, João Paulo Saraiva Morais2, Francisco Rubens Macedo de Queiroz3, Julyanna Damasceno Pessoa4, José Theódulo Fernandes Neto5, Robson Rogaciano Fernandes da Silva6
RESUMO - O gergelim (Sesamum indicum) é uma das mais importantes oleaginosas
quanto aos seus usos alimentares e industriais, tanto no mercado nacional como no internacional. A pesquisa foi realizada na EMBRAPA Algodão na cidade de Campina Grande, Paraíba, Brasil no período entre fevereiro e julho de 2011. A metodologia aplicada foi baseada na preconizada por Tripathy et al., (2010) para a preparação das nanopartículas de prata, utilizando a folha do gergelim como agente complexante. Na conclusão verificou-se que existe uma correlação entre o tempo de maturação ao longo do ciclo de vida das folhas de gergelim e a quantidade de partículas de prata em escala nano que foram obtidas. A partir dos resultados apresentados verificou-se, para o tamanho das partículas, que o período em que se obteve uma maior distribuição de freqüência da quantidade de partículas em escala nano foi entre 35 e 70 dias, que corresponde à fase de floração da planta. Como diferencial neste trabalho foi observada a ação complexante da folha do gergelim devido à presença de componentes carboxílicos e hidroxílicos na sua composição; que na área da nanotecnologia a chamada “química verde” e se revela como uma alternativa viável para a produção de nanopartículas de prata. Estas podem atuar como agente anti microbiano, sendo aplicada na área da saúde no tratamento de doenças, incorporando a tecidos utilizados em pacientes queimados, entre outros.
Unitermos: Oleaginosa, Nanotecnologia, Metal Prata, Antimicrobiano.
ABSTRACT: Sesame (Sesamum indicum) is one of the most important oilseed about their
food and industrial uses, both in domestic and international level. The research was performed at EMBRAPA Algodão in Campina Grande, Paraíba, Brazil in the period between February and July 2011. The methodology used was based on the recommended by Tripathy et al. (2010) for the preparation of silver nanoparticles, using as complexing agent sesame leaf. In conclusion it was found that there is a correlation between the aging time during the life cycle of sesame leaves and the amount of silver particles in the nano-scale that were obtained . From the results presented it was found for the particle size, the period in which the obtained frequency distribution greater the amount of nano-scale particles is between 35 and 70 days, which corresponds to the flowering of the plant. As this work was observed differential action complexing sesame leaf due to the presence of carboxyl and hydroxyl components in its composition, which in the area of nanotechnology called "green chemistry" and reveals itself as a viable alternative for the production of silver nanoparticles. They may act as anti microbial agent being applied in
1
Engenheira Química pela Universidade Federal de Campina Grande –[email protected];
2
Mestre em Bioquímica pela Universidade Federal do Ceará –[email protected]; 3Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande –
[email protected]; 4Mestranda em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande –[email protected]; 5Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande –[email protected]; 6Mestrando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Campina Grande –[email protected]
health care in the treatment of diseases, incorporating fabrics used on burn patients, among others.
Uniterms: Oilseed, Nanotechnology, Metal silver, Anti-microbial. INTRODUÇÃO
De acordo com Bezerra et al. (2010) as sementes do gergelim possuem quantidades de óleo entre 50 e 60% e 25% de antioxidantes. Entre outras aplicações o óleo tem sido utilizado como ingrediente para anti-sépticos e bactericidas, além de ter o seu valor na indústria farmacêutica. Sendo comestível, o mesmo tem importante papel no ramo alimentício, especialmente na panificação e ração animal. Na sua composição é fonte de cálcio, triptofano, metionina, minerais e ácidos graxos, sendo sua composição dependente da cultivar.
Além dos constituintes citados, foi observado por Citil et al. (2011) que o óleo de gergelim contém cerca de 42% de ácido oléico (18:1), 41% de ácido linoléico (18:2), 10% de ácido palmítico (16:0), 1% de ácido linolênico (18:3) e 6% de outros tipos de ácidos graxos. O teor de tais ácidos é dependente de fatores tais como fisiológicos, ecológicos e culturais. Ácidos graxos insaturados são mais comumente encontrados em cultivares de regiões temperadas do que em regiões tropicais. Além dos fatores citados fatores genótipos também influenciam na concentração de ácidos graxos, por isso para cada genótipo tem-se uma diferente concentração de ácidos graxos.
Uma das características relevantes da planta é a propriedade que a folha da mesma pode desempenhar, funcionando como agente complexante para íons metálicos, tais como a prata. A reação de complexação se dá basicamente quando um íon simples é transformado em um íon complexo. Os íons metálicos reagem com doadores de pares de elétrons para, assim, formar o complexo ou composto de coordenação. Para que a ligação seja bem sucedida, o ligante, ou seja, a espécie que tem a capacidade de doar elétrons tem de possuir no mínimo um par de elétrons desemparelhados livres. O ligante que tiver apenas um grupo doador de elétrons é chamado de unidentado; já os que possuem dois grupos disponíveis a se ligarem por ligações covalentes são chamados de bidentados. Já se tem o conhecimento de compostos tridentados, tetradentados, pentadentados e hexadentados. Os ligantes são seletivos quanto aos íons metálicos para a formação do complexo em se tratando da estabilidade dos mesmos. Desse modo, a reação ocorre quando acontece a substituição de moléculas do solvente, que estão ligadas ao íon por outros grupos ligantes. Com relação ao gergelim, o fenômeno de formação de complexos, especificadamente os quelantes, é explicado pela propriedade que os compostos orgânicos têm de envolver um elemento metálico, tornando-o pinçado, seqüestrado ou quelado. O termo quelado vem do grego “chele”, em inglês “chela” e em português quela, significando a garra ou pinça dos artrópodes (Skoog et al., 2007).
Aliando os conhecimentos relativos à química verde, com relação à planta do gergelim e à nanotecnologia é importante ressaltar que as nanopartículas de prata (nanoprata) possuem relevantes propriedades antibacterianas, já que tais partículas podem facilmente penetrar no interior de células dos microrganismos, inibindo a atividade de algumas enzimas. As áreas em que se pode aplicar a tecnologia da nanoprata são inúmeras. Dentre elas podem-se destacar o tratamento têxtil, médico e de drogas. Tais partículas também podem ser utilizadas na conservação de alimentos por plásticos filme, com atividade antimicrobiana para a embalagem de materiais entre outras aplicações (Khaydarov et al., 2009; Li et al., 2011) citam também aplicações nos ramos da catálise, Engenharia Têxtil, Biotecnologia e Bioengenharia, tratamento de água e eletrônica.
Diante disso, desenvolver pesquisas fazendo uso da nanobiotecnologia, utilizando aspectos da nanotecnologia, é um ramo da ciência que merece destaque nos dias atuais, haja vista a busca por conhecimento e novas descobertas ser um dos objetivos principais do homem no atual contexto da sociedade. Dessa forma, a presente pesquisa se insere, seja como processo de aprendizagem, seja como contribuição para ciência.
O presente trabalho apresenta uma pesquisa, que consistiu em observar as propriedades complexantes da folhas do gergelim (Sesamum indicum L.) sobre o metal pesado prata (obtido do sal de nitrato de prata, padrão analítico). A obtenção do material consistiu na preparação das nanopartículas de prata a partir de extratos das folhas do gergelim colhidas em intervalos regulares de sete dias desde a primeira semana após a germinação das plantas até a senescência das mesmas. Para avaliar a eficiência do processo realizado foram feitas análises das nanopartículas na dispersão, por meio da distribuição do tamanho das partículas. Tal parâmetro determina se o material gerado está realmente em escala nano, o que lhe confere uma grande área superficial e abre possibilidade de melhor efeito antimicrobiano. Outro parâmetro que foi considerado trata-se do tempo de vida da planta, analisando se o mesmo influencia na quantidade de partículas em escala nanométrica que foram produzidas e qual o período do ciclo de vida que se mostra mais favorável para a obtenção de nanopartículas de prata em maior frequência.
O diferencial deste trabalho se comparado a outros da área é que nestes foram analisados fatores tais como pH, concentração do extrato da planta, temperatura, relação de mistura do extrato da folha com solução de nitrato de prata, entre outros, mas nada se menciona sobre como o tempo do ciclo de vida de plantas pode afetar a formação de nanopartículas [por exemplo, extratos da folha de nin (Azadirachta indica), Pimentão (Capsicum annuum L.) e folhas de eucalipto (Eucalyptus hybrida)], enquanto que nesta pesquisa a formação de nanopartículas é relacionada ao tempo de maturidade do ciclo de vida das folhas de gergelim, tornando-a, assim inovadora.
Como objetivo geral da pesquisa pode-se destacar o desenvolvimento estudo teórico-prático a fim de produzir nanopartículas de prata a partir do extrato das folhas do gergelim (Sesamum indicum L.) em diversos graus de maturação dessas. Os objetivos específicos são a avaliação da distribuição do tamanho de partículas das suspensões produzidas, verificando se existe a possibilidade de correlação entre o tempo de maturação do ciclo de vida das folhas do gergelim e o diâmetro das nanopartículas de prata e qual o período do ciclo de vida da planta em que se pode obter partículas de prata em escala nanométrica em maior quantidade.
MATERIAIS E MÉTODOS
O desenvolvimento metodológico das atividades realizadas está apresentado em
duas etapas sequenciais: obtenção do material vegetal e preparo das nanopartículas de prata. As duas etapas foram desenvolvidas nas dependências do Laboratório Avançado de Tecnologia Química (LATECQ), na EMBRAPA Algodão, localizado na cidade de Campina Grande, Estado da Paraíba, Brasil, no período de fevereiro a julho de 2011.
Na primeira etapa foram utilizadas folhas de gergelim cultivar Seda, sete dias de idade, após a germinação, devido ao fato de ser o tempo hábil para realização do primeiro desbaste da planta. O gergelim foi plantado por funcionário da EMBRAPA Algodão – PB na vitrine ecológica da unidade. Foram realizadas colheitas de folhas a intervalos de sete dias, desde o primeiro mês após a germinação até a senescência das plantas (aproximadamente 90 dias). A Figura 1 apresenta a planta com poucos dias de idade ainda na planta para serem recolhidas.
O preparo das nanopartículas de prata foi baseado em metodologia preconizada por Tripathy et al., (2010). Em que o princípio consistiu no recorte e pesagem das folhas de gergelim em balança semi-analítica até o valor de 10 g de folha e depois foram lavadas com água destilada. Após a pesagem as folhas foram trituradas em um liquidificador comum, juntamente com 100 mL de água deionizada.
Em seguida, o suco foi filtrado em peneira simples, com orifícios de 1 mm2 de área, obtendo-se cerca de 90 mL de suco. Após o mesmo foi submetido a aquecimento, a uma temperatura de aproximadamente 1000ºC, e agitação até a fervura e depois de fervido, o suco foi retirado da fonte de calor até resfriar à temperatura ambiente.
O preparo do suco, assim como seu aquecimento objetivaram o aumento da velocidade da reação de redução dos íons Ag+ para a prata elementar (Ag0), além de, pelo fato do aquecimento das proteínas do extrato maximizar a propriedade complexante do mesmo.
Paralelamente, em um “erlenmeyer” foram adicionados 15 mL de solução de nitrato de prata (AgNO3) 0,01 M (previamente padronizado), que foi submetido à agitação
magnética, para facilitar a reação de complexação da prata. À solução de AgNO3 0,01 M
foram adicionados 15 mL do extrato da folha do gergelim, gota a gota, para que desse modo sempre houvesse excesso de íons de prata, facilitando a complexação através das proteínas e propiciando melhores condições para a reação de complexação. Depois os 30 mL do material em suspensão foram agitados em mesa agitadora durante 4 horas, a uma velocidade de 120 rotações por minuto (rpm), objetivando-se ter uma maior certeza de que toda a prata metálica formada fosse complexada. Tudo isso foi realizado à temperatura ambiente, tal como na adição do extrato à solução de nitrato de prata.
Depois da solução ser agitada, foi observado na mesma uma mudança na sua coloração original para a cor marrom, indicando a formação de íons Ag0, tal como mostrado na Figura 2.
Figura 1 – Planta com 30 dias de idade
As partículas de prata obtidas foram separadas do sobrenadante através de centrifugação em Centrifuga Marca Sigma (Figura 3), durante 20 minutos a 10000 rpm, de acordo com a metodologia de Tripathy et al, (2009), em que foi baseada o experimento.
A análise das emulsões foi feita utilizando o analisador de tamanho de partículas Zetasizer NanoZS 3000, (Malvern Instruments, UK). Objetivando-se obter a faixa de tamanho das nanopartículas de prata na emulsão do extrato das folhas de gergelim, bem como sua distribuição de tamanho. Tais análises foram repetidas cinco vezes, com três replicatas, com o objetivo de aumentar a confiabilidade estatística dos dados. A Figura 4 mostra o equipamento em que foram as mesmas foram realizadas. O tamanho de partículas foi realizado diluindo-se as amostras na proporção de 1:100 (v/v) com água deionizada em microtubos. Os materiais diluídos foram mantidos em repouso por 24 horas, à temperatura ambiente, e posteriormente recolheram-se alíquotas do sobrenadante para a realização das análises.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
No tratamento dos dados obtidos foi utilizado o delineamento inteiramente casualizado. Para a análise do tamanho de partículas, foram realizadas 3 repetições triplicata. O comportamento das nanopartículas ao longo do tempo foi analisado por regressão linear no programa Curve Expert 1.4, e também foi utilizado o Excel da Microsoft 2007. Os dados são expressos em porcentagem de volume ao longo de uma faixa de diâmetro de 0,4 a 8635 nm, configurando a escala nano (0 – 100 nm), sub-micro (100 – 1000 nm) e micro (1000 – 10000 nm).
Figura 3 – Amostra sofrendo centrifugação.
A seguir a Tabela 1 apresenta as médias dos diâmetros das partículas de prata, obtidas, de acordo com o estágio de maturação das folhas do gergelim, com sete dias sendo o número mínimo de dias e 91 dias o número máximo.
Tabela 1 – Médias dos diâmetros das nanopartículas de prata no extrato das folhas de gergelim de acordo com o número de dias de maturação das folhas.
Dias Diâmetro médio (nm)
7 147,55 14 141,26 21 85,02 28 82,62 35 11,98 40 22,44 49 32,7 56 34,04 63 32,97 70 557,47 84 5.343,14 91 4.689,69
Abaixo, na Figura 5 é mostrado o diâmetro das partículas em função do tempo, ao longo de todo o ciclo de vida da planta.
Nota-se claramente nesse gráfico que há um ponto de inflexão aos 35 dias (data da floração), mostrando que há uma mudança bioquímica nas folhas da planta. A figura 6 apresenta o gráfico da correlação linear entre a variável preditora (idade de maturação da folha do gergelim) e a variável dependente (tamanho do diâmetro médio das nanopartículas), compreendendo o intervalo do sétimo dia até o 35º.
Já a Figura 7 apresenta o gráfico da correlação quadrática entre a variável preditora (idade de maturação da folha do gergelim) e a variável dependente (tamanho do diâmetro médio das nanopartículas), compreendendo o intervalo do 350 até o 700 dia.
Analisando a Tabela 1 e as Figuras 6 e 7 observa-se que ao longo do tempo há um decrescimento no diâmetro médio das partículas, entre os dias sete e 35. Dos dias 35 ao 70 é notado que o tamanho das partículas aumenta até por volta do dia 55 e depois começa a diminuir. A partir de 700 dia o diâmetro médio das partículas dá uma salto para 557,47 nm. Isso se deve ao fato de que a planta nesse período já está na fase da maturação, indicando que tal período não é propício para a formação de partículas em escala nanométrica.
A Tabela 2 apresenta a distribuição percentual de frequência das partículas com relação à faixa de tamanho (nano, sub-micro ou micro) com relação à variável tempo de maturidade.
Figura 6 – Correlação linear entre o estágio de maturação das folhas de gergelim e o diâmetro das partículas medidas por meio do Potencial zeta.
Figura 7 – Gráfico da correlação quadrática entre o estágio de maturação das folhas de gergelim e o diâmetro das partículas.
Tabela 2 – Distribuição de frequências da porcentagem dos diâmetros das nanopartículas de prata nas faixas de tamanho nano, sub-micro e micro, obtidas a partir do extrato das folhas de gergelim de acordo com o número de dias de maturação das folhas.
Dias Porcentagem de partículas em escala nanométrica (%) Porcentagem de partículas em escala sub-micro (%) Porcentagem de partículas em escala micrométrica (%) 7 36,42 60,93 2,64 14 29,17 69,91 0,87 21 64,43 34,96 0,61 28 70,9 29,02 0,02 35 83,03 2,99 2,76 40 91,8 3,45 5,53 49 58,64 21,51 25,13 56 79,39 14,16 6,39 63 73,91 11,74 15,0 70 78,21 10,92 10,83 84 13,41 10,31 66,44 91 44,89 13,21 41,89
Também foi plotado o gráfico da porcentagem de partículas versus a quantidade de dias em escala nano. O modelo que melhor se ajustou aos dados foi o Modelo Gaussiano, mostrado na Figura 8.
A figura 8 mostra que o período em que se teve uma maior distribuição de freqüência da quantidade de partículas em escala nano foi entre 35 e 70 dias, ou seja, há uma maior população de nanopartícula neste período. Levando-se em conta que o período de floração começa por volta do dia 35, tal período revela ser o melhor para a produção de uma maior quantidade de partículas de prata em escala nanométrica. A partir de 70 dias se dá início à fase de maturação e começa a cair a quantidade de partículas em escala nano, e
aumentando nas escalas sub-micro e micro, tal como mostrado nas Figuras 9 e 10.
A curva da distribuição da faixa submicro segue uma distribuição do tipo MMF (Multiple Media Factor). A faixa micro segue uma equação do tipo exponencial, mostrando um aumento no quatidade de partículas em escala micro.
A figura 10 mostra que nos primeiros dias em que a planta foi colhida a quantidade de partículas em escala sub-micro foi grande e ao longo do tempo a porcentagem de partículas em escala sub-micro vai diminuindo. Revela também que ao final do ciclo de vida da planta a população das partículas fica praticamente constante.
A figura 11 mostra que nos primeiros dias do ciclo de vida do gergelim a freqüência de partículas em escala micro é baixa, mostrando que poucas partículas estão compreendidas nessa faixa de tamanho. Ao passar do tempo a porcentagem de partículas vai aumentando exponencialmente. Isso ratifica que o melhor período para um maior número de partículas em escala nano é realmente entre os dias 35 e 70.
CONCLUSÃO
Após a produção das nanopartículas de prata, ao longo do ciclo de vida da planta do gergelim, observou-se que o tempo é um fator preponderante, revelando que, no caso do
Figura 9 – Porcentagem do diâmetro das partículas versus o tempo em dias (em escala sub-micro).
Figura 10 – Porcentagem do diâmetro das nanopartículas versus o tempo em dias (em escala micro).
gergelim na variedade Seda a fase de floração é o período mais propício para que se tenha uma quantidade máxima de partículas de prata em escala nanométrica. As suspensões de partículas de prata que apresentaram melhores resultados com relação ao diâmetro em nanoescala foram aquelas obtidas a partir do extrato das folhas de gergelim entre o 350 e 700 dias.
Como sugestão para trabalhos posteriores tem-se a aplicação das nanopartículas sintetizadas em tecidos utilizados no tratamento queimados, por exemplo, o que diminuiria o risco de infecções nos pacientes, já que exploraria a propriedade antimicrobiana da prata. Com a utilização da folha do gergelim como agente complexante, as nanopartículas não seriam tão facilmente perdidas na lavagem dos tecidos utilizados, se comparados com a lavagem de tais materiais com partículas livres dos agentes complexantes.
REFERÊNCIAS
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Khaydarov, R.R.; Khaydarov, R.A.; Estrin, Y.; Evgrafova, S.; Endres,
C.; Scheper, T.; CHO, S.Y. (2009). Silver Nanoparticles - Environmental and Human Health Impacts. Nanomaterials: Risks and Benefits, p.287-297.
Li, X.; Zhang, M.; Duan, X.; Mujumdar, A.S. (2011). Effect of Nano-Silver Coating on Microbial Control of Microwave-Freeze Combined Dried Sea Cucumber. International Agrophysics, v.25, p.181-186.
Skoog; West; Holler; Crouch (2007). In: Fundamentos de Química Analítica - Reações e Titulações de Complexação. 8. ed. USA: Editora Thomson. p. 427-430.
Tripathy, A.; Raichur, A.M.; Chandrasekaran, N.; Prathna, T.C.; Mukherjee, A. (2010). Process Variables in Biomimetic Synthesis of Silver Nanoparticles by Aqueous Extract of Azadirachta Indica (Neem) Leaves. Journal of Nanoparticle Research, v.12, n.1, p.237-246.
