Bioaktivitas Lima Minyak Atsiri Dan Nanopartikel Minyak Atsiri Cengkeh Terhadap Cryptolestes Ferrugineus Dan Tribolium Castaneum

Ikawati, Silvi and Dr. Ir Toto Himawan,, MS. and Prof. Dr. Ir. Abdul Latief Abadi,, MS. and Dr.Agr.Sc. Hagus Tarno,, SP., MP. (2020) Bioaktivitas Lima Minyak Atsiri Dan Nanopartikel Minyak Atsiri Cengkeh Terhadap Cryptolestes Ferrugineus Dan Tribolium Castaneum. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Hama kumbang karat padi, Cryptolestes ferrugineus (Steph.) dan kumbang tepung, Tribolium castaneum (Herbst) adalah hama penting pada produk simpanan. Kedua hama gudang tersebut adalah hama polifag dan kosmopolitan pada sereal dan bahan simpanan lainnya. Berbagai tindakan pengendalian hama gudang dapat diterapkan, akan tetapi yang banyak digunakan adalah penggunaan insektisida kimia sintetik. Penggunaan pestisida kimia sintetik yang berulang-ulang dapat menyebabkan berbagai dampak negatif, diantaranya berkembangnya resistensi, resurjensi, mempengaruhi musuh alami hama, dan cemaran lingkungan. Sehingga diperlukan alternatif pengendalian dengan produk-produk alami yang lebih ramah lingkungan, seperti penggunaan minyak atsiri sebagai insektisida nabati. Indonesia berpotensi dalam pengembangan insektisida nabati, karena terdapat banyak tumbuhan penghasil minyak atsiri. Untuk mempelajari berbagai mekanisme kerja minyak atsiri sebagai insektisida nabati, seringkali pada pengujian in vitro dan in vivo dibutuhkan waktu dan biaya yang cukup lama dan besar. Alternatif untuk hal tersebut adalah dengan pendekatan in silico atau pemodelan menggunakan teknik perhitungan- perhitungan kimia komputasi yaitu dengan molecular docking. Selain itu di dalam pengembangan minyak atsiri sebagai pestisida nabati, terdapat kelemahan terkait dengan sifat minyak atsiri sebagai bahan utamanya, dimana sangat volatil, tidak mudah larut di dalam air, dan faktor lingkungan mudah mendegradasi. Sehingga dibutuhkan formulasi yang mampu mempertahankan tingkat senyawa utama dalam jangka waktu lama, dan hal tersebut dapat dicapai melalui nanoformulasi. Penelitian ini bertujuan untuk: 1) mengevaluasi pengaruh minyak atsiri kayu manis, jeruk purut, serai wangi, zodia dan cengkeh sebagai fumigan dan antifidan, dan juga terhadap indeks nutrisi C. ferrugineus; 2) mengevaluasi penghambatan eugenol dan trans-caryophyllene terhadap aktivitas acetylcholinesterase T. castaneum melalui molecular docking; 3) menilai potensi PEG sebagai bahan nanopartikel dalam nanoformulasi minyak cengkeh yang dibuat dengan menggunakan strategi dispersi padat, beserta karakteristik dan kestabilan formulasinya; 4) mengevaluasi bioaktivitas nanopartikel minyak cengkeh berbasis polimer terhadap C. ferrugineus dan T. castaneum. Pada tahap pertama, minyak atsiri kayu manis, jeruk purut, serai wangi, zodia, dan cengkeh diekstraksi menggunakan metode maserasi dengan pelarut heksana. Selanjutnya dilakukan pengujian interaksi acetylcholinesterase T. castaneum dengan senyawa bioaktif minyak cengkeh yaitu trans-caryophylene dan eugenol melalui molecular docking. Penelitian selanjutnya, nanopartikel minyak cengkeh dibuat menggunakan strategi dispersi padat menggunakan metode fusi atau dispersi-pelelehan dengan polietilen glikol 6000 (PEG 6000) untuk membentuk sistem dispersi padat biner. Pengujian ketiga adalah uji toksisitas fumigan dan kontak nanoformulasi terhadap C. ferrugineus dan T. castaneum. Pengujian toksisitas kontak dilakukan dengan mencampurkan langsung minyak cengkeh atau nanoformulasinya dengan sampel beras. xi Pengujian dilakukan secara berkala selama 4 bulan dengan tiga kali ulangan. Untuk setiap periode, digunakan 20 ekor serangga pada setiap ulangan. Semua pengujian bioaktivitas menggunakan Rancangan Acak Lengkap. Penelitian pertama menunjukkan hasil untuk toksisitas fumigan jeruk purut, serai wangi, zodia, dan minyak cengkeh; telur dan pupa lebih rentan dibandingkan dengan imago dan larva, sedangkan untuk kayu manis, pupa dan imago lebih rentan dibandingkan telur dan larva. Median Lethal Concentration (LC50) kelima minyak atsiri untuk telur, larva, pupa, dan imago berturut-turut untuk kayu manis adalah 17, 24, 9, dan 12 ppm; untuk jeruk purut adalah 12, 17, 8, dan 15 ppm; pada serai wangi 11, 22, 8, dan 14 ppm; untuk zodia 16, 22, 10 dan 20 ppm; untuk cengkeh 11, 24, 7 dan 14 ppm. Hasil pada penelitian pertama juga menunjukkan tidak terdapat perbedaan toksisitas antara lima jenis minyak atsiri, yang kemudian dipilih minyak cengkeh untuk penelitian selanjutnya karena minyak cengkeh lebih mudah didapatkan dibandingkan ke-empat jenis minyak atsiri lainnya, terutama di Jawa Timur. Kelima minyak atsiri juga menunjukkan aktivitas antifidan dalam uji tanpa pilihan terhadap imago C. ferrugineus. Selain itu, kelima minyak atsiri secara signifikan mengurangi tingkat pertumbuhan (LPR), tingkat konsumsi (LKR), dan pemanfaatan pakan (EKC) imago C. ferrugineus. Hal tersebut menunjukkan bahwa kelima minyak atsiri memiliki potensi yang besar untuk dikembangkan sebagai insektisida nabati, terutama sebagai salah satu komponen pengendali hama gudang. Hasil docking menunjukkan senyawa trans-caryophyllene dan eugenol memiliki kekuatan ikatan lebih stabil pada enzim acetylcholinesterase T. castaneum daripada senyawa kontrol linalool. Selain itu terdapat sinergi antara eugenol dan trans-caryophylene ketika kedua senyawa berinteraksi dengan acetylcholinesterase. Hasil tersebut dapat dijadikan bahan prediksi bahwa trans- caryophyllene dan eugenol memiliki potensi sebagai inhibitor protein acetylcholinesterase T. castaneum. Hasil nanoformulasi minyak cengkeh menunjukkan nanopartikel memiliki bentuk tidak beraturan dengan dispersi yang baik. Rasio 10% adalah rasio optimal minyak cengkeh terhadap PEG yang memiliki PDI rendah, ukuran kecil, dan efisiensi pemuatan minyak cengkeh tertinggi. Rata-rata diameter nanopartikel <180 nm, dengan PDI rendah (<0,3). Untuk efisiensi enkapsulasi dapat mencapai 77%. Persentase komponen utama yaitu eugenol dan trans- caryophyllene tidak menunjukkan adanya perbedaan antara pra, pasca formulasi dan pasca penyimpanan. Setelah penyimpanan 24 minggu, ukurannya meningkat dari 179 menjadi 197 nm dan jumlah minyak cengkeh hanya berkurang sekitar 36%. Terjadi pengurangan ukuran nanopartikel setelah perlakuan pemanasan pada 40 °C selama 6 minggu dari 257 menjadi 173 nm dan tidak ada perbedaan dalam distribusi ukuran. Setelah pemanasan dan perlakuan sinar UV, kandungan eugenol pada minyak cengkeh menurun secara signifikan, sedangkan pada nanopartikel perubahan yang signifikan tidak ditemukan, hal ini menunjukkan stabilitas yang lebih baik pada nanoformulasi. Nanoformulasi tidak dapat meningkatkan toksisitas kontak minyak cengkeh pada C. ferrugineus dan T. castaneum, tetapi dapat melindungi minyak dari degradasi dan penguapan sekaligus memungkinkan pelepasan berkelanjutan selama 16 minggu penyimpanan

English Abstract

The rusty grain beetle, Cryptolestes ferrugineus (Steph.), and the flour beetle, Tribolium castaneum (Herbst) are important storage pests. The two storage pests are polyphagous and cosmopolitan in cereals and other storage materials. Various storage pest control measures can be applied, but the most widely used is synthetic insecticides. The repeated application of synthetic insecticides can cause various negative impacts, including the development of resistance, resurgence, affecting natural enemies of pests, and environmental pollution. So that an alternative control is needed with natural products that are more environmentally friendly, such as the use of essential oils as a botanical insecticide. Throughout the Indonesian archipelago, there are many types of plants that can produce essential oils which are Indonesia's potential in the development of botanical insecticides. To study the various mechanisms of action of essential oils as insecticides, it is often through in vitro and in vivo testing which takes a long time and is quite costly. An alternative to this is the in silico approach or modeling using computational chemical calculation techniques, namely molecular docking. In the development of essential oils as botanical insecticides, there are weaknesses related to the properties of essential oils as the main ingredient, where they have high volatility, are difficult to dissolve in water, and are easily degraded by the environment. So it takes a formulation that is able to maintain the level of the main compound in the long term, and this can be achieved through nanoformulation. This research aims to: 1) evaluate the effect of essential oils from cinnamon, kaffir lime, citronella, zodia, and cloves as fumigants and antifeedant, and also on the nutritional index of C. ferrugineus; 2) evaluate the inhibition of eugenol and trans-caryophyllene on acetylcholinesterase of T. castaneum activity through molecular docking; 3) asses the potential of PEG as nanoparticles material in clove oil nanoformulations made using a solid dispersion strategy, along with the characteristics and stability of the formulation; 4) evaluate the bioactivity of polymer-based clove oil nanoparticles against C. ferrugineus and T. castaneum. In the first research step, the essential oils of cinnamon, kaffir lime, citronella, zodia, and cloves were extracted using the maceration method with hexane solvent. Furthermore, the interaction test of T. castaneum acetylcholinesterase with clove oil bioactive compounds, namely trans- caryophylene and eugenol through molecular docking. Further research, clove oil nanoparticles were prepared using a solid dispersion strategy using the fusion or dispersion-melt method with polyethylene glycol 6000 (PEG 6000) to form a binary solid dispersion system. The third test was the fumigant toxicity test and contact nanoformulation against C. ferrugineus and T. castaneum. Contact toxicity testing is carried out by directly mixing clove oil or its nanoformulation with rice samples. The test was carried out periodically for 4 months with three replications. For each period, 20 insects were used for each replication. All bioactivity tests are arranged in a completely randomized design. xiii The results of the first research indicated the toxicity of kaffir lime fumigants, citronella, zodia, and clove oil; Eggs and pupae are more susceptible than adult and larvae, while for cinnamon, pupa and imago are more susceptible than eggs and larvae. Median Lethal Concentration (LC50) for the five essential oils for eggs, larvae, pupae, and adult for cinnamon, respectively, were 17, 24, 9, and 12 ppm; for kaffir lime are 12, 17, 8, and 15 ppm; at 11, 22, 8, and 14 ppm for citronella; for zodia 16, 22, 10 and 20 ppm; for cloves 11, 24, 7 and 14 ppm. The results in the first study also revealed that there was no variation in toxicity among the five types of essential oils, which was then selected for clove oil for further research because clove oil is easier to obtain than the other four types of essential oil, especially in East Java. The five essential oils also showed antioxidant activity in the no-choice test against C. ferrugineus adult. In addition, the growth rate (RGR), the consumption rate (RCR), and the food utilization (ECI) of C. ferrugineus adults have significantly reduced by the five essential oils. The results showed that the five essential oils have great potential to be developed as botanical insecticides, especially as a component of storage pest control. The docking results showed that the trans-caryophyllene and eugenol compounds had a more stable bond strength to the acetylcholinesterase of T. castaneum than the control compound linalool. In addition, there is a synergy between eugenol and trans-caryophylene when the two compounds interact with acetylcholinesterase. These results can be used as predictors that trans- caryophyllene and eugenol have potential as inhibitors of the protein acetylcholinesterase T. castaneum. The results of clove oil nanoformulation showed that the nanoparticles had an irregular shape with good dispersion. The 10% ratio is the optimal ratio of clove oil to PEG which has low PDI, small size, and highest clove oil loading efficiency. The mean nanoparticle diameter was <180 nm, with a low PDI (<0.3). The encapsulation efficiency can reach 77%. The percentage of the main components, namely eugenol and trans-caryophyllene, did not show any difference between pre, post formulation and post storage. After 24 weeks of storage, the size increased from 179 to 197 nm and the amount of clove oil only decreased by about 36%. The size of the nanoparticles was reduced after heating at 40°C for 6 weeks from 257 to 173 nm and there was no difference in size distribution. After heating and UV light treatment, the eugenol content in clove oil decreased significantly, whereas the nanoparticles did not change significantly, this indicates better stability in the nanoformulation. Nanoformulation could not increase the contact toxicity of clove oil to C. ferrugineus and T. castaneum, but it could protect the oil from degradation and evaporation while allowing sustained release over 16 weeks of storage

Other obstract

-

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	0620040003
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 632 Plant injuries, diseases, pests > 632.6 Animal pests
Divisions:	S2/S3 > Doktor Ilmu Pertanian, Fakultas Pertanian
Depositing User:	Nur Cholis
Date Deposited:	01 Aug 2022 02:54
Last Modified:	01 Aug 2022 02:57
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/192909

Text (DALAM MASA EMBARGO) Silvi Ikawati.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2023. Download (14MB)

Actions (login required)

View Item