Abstrak
Selulosa diisolasi dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi. Delignifikasi dilakukan dengan metode peroksida bersuasana basa (H2O2 5% pH 12 T=70 °C, t=3 jam) pada contoh yang telah diberi perlakukan basa pekat (NaOH). Rendemen polisakarida yang dihasilkan dari ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi adalah 5, 41, 11%, yang mengandung α-selulosa sebesar 62,53-77,47% dan sisa lignin sebesar 0,81-1,62%. Isolat selulosa dikaji melalui teknik degradasi seperti analisis termal dan teknik non-degradasi seperti spektroskopi FTIR dan mikroskopi elektron pemayaran. Selain itu, juga ditentukan indeks kristalinitas dari masing-masing isolat selulosa. Spektrum FTIR, mikrograf, dan kurva analisis termal menunjukkan bahwa sebagian besar isolat yang dihasilkan adalah selulosa.
Kata kunci: selulosa, isolasi, hidrogen peroksida
Abstract
Cellulose were isolated from sago waste, sugarcane bagasse, and rice staw. Delignification was carried out by alkaline peroxide method (H2O2 5% pH 12 T=70°C, t=3 jam) after extraction with concentrated alkali (NaOH). The polysaccharide yields from sago waste, sugarcane baggase, and rice straw were 5, 41, 11%, which contained 62,53-77,47% α-cellulose and 0,81-1,62% remaining lignin. The cellulose isolates were comparatively studied by both degradation technique such as thermal analysis and non-degradation techniques such as FTIR spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM), and the cristallinity index was also comparatively estimated. FTIR spectrum, SEM micrograph, and thermal analysis curve confirmed that the isolates were cellulose.
Pendahuluan
Selulosa adalah komponen utama yang terdapat pada jaringan tanaman, yaitu sekitar 30-50% bagian jaringan tanaman. Secara kimia, selulosa adalah polimer alam berantai lurus dari monomer anhidroglukosa yang terikat secara β-1,4-glikosida. Selulosa merupakan komponen utama pada tumbuhan tinggi, seperti kayu, kapas, tebu, serat rami, jerami (Sun et al. 2004a).
Limbah hasil pertanian seperti ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi merupakan sumber selulosa yang potensial. Di Indonesia, ketiga limbah pertanian ini dapat ditemukan dalam jumlah yang cukup banyak. Limbah jerami padi mencapai 94,23 juta ton (Kim dan Dale 2004; BPS 2010), ela sagu sebesar 58,08 juta ton (Rumalatu 1981 yang diacu Matitaputty dan Alfons 2006; Papilaya 2009), dan bagas tebu 9,9 juta ton (Direktorat Jenderal Perkebunan 2010). Ketiga jenis limbah pertanian ini belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu, pemanfaatan limbah pertanian berbasis selulosa untuk mendapatkan nilai tambahnya menarik untuk terus dikaji lebih lanjut.
Kebutuhan selulosa sebagai bahan baku potensial yang banyak digunakan di sejumlah industri merupakan daya tarik dalam pengembangan kajian metode isolasinya. Berbagai kajian yang berkaitan dengan teknik isolasi selulosa dari kayu atau bahan organik lainnya terus dikembangkan. Umumnya selulosa ditemukan tidak dalam bentuk murni melainkan berada bersama-sama dengan senyawa lain seperti hemiselulosa dan lignin, oleh karena itu fokus kajian dalam pengembangan metode isolasinya adalah memperoleh metode isolasi yang efektif dan efisien untuk menghilangkan senyawa-senyawa selain selulosa tersebut.
Metode konvensional yang sering digunakan untuk menghilangkan lignin adalah metode yang dikembangkan oleh Green pada tahun 1963, yaitu menggunakan natrium klorit (NaClO2) dalam suasana asam sebagai tahap awal untuk mengisolasi selulosa. Namun, pereaksi yang mengandung klorin (ClO2-) ini menimbulkan masalah lingkungan yang cukup serius sehingga perlu dikembangkan metode penghilangan lignin yang lebih ramah lingkungan dengan menggunakan pereaksi yang tidak mengandung klorin, misalnya ozon, oksigen, hidrogen peroksida (Kham et al. 2005). Beberapa kajian penggunaan hidrogen peroksida pada tahap penghilangan lignin telah dilaporkan. Beberapa di antaranya
35
telah digunakan pada tahap isolasi selulosa dari jerami Barley (Sun et al. 2005), jerami gandum (Sun et al. 2004b), dan bagas tebu ( Sun et al. 2004a).
Tahap penelitian ini bertujuan mendapatkan (1) selulosa dari berbagai limbah pertanian, yaitu ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi melalui tahap asidifikasi, pulping, dan delignifikasi menggunakan hidrogen peroksida (2) karakteristik isolat selulosa melalui analisis komponen kimia, analisis derajat polimerisasi dengan teknik viskometri, analisis gugus fungsi dengan teknik spektroskopi IR (infrared), analisis morfologi permukaan dengan teknik mikroskopi, analisis kristalinitas dengan teknik difraksi sinar X, dan analisis termal.
Bahan dan Metode Bahan dan Alat
Ela sagu diperoleh dari industri pengolahan sagu di daerah Cimahpar, Bogor. Bagas tebu diperoleh dari pabrik gula tebu Modjo Panggung, Tulungagung, Jawa Timur. Jerami padi diperoleh dari daerah Dramaga, Bogor. Pereaksi yang digunakan di antaranya HCl p.a (E-Merck), H2O2 p.a (E-Merck), pelet NaOH murni (E-Merck). Semua pereaksi langsung dipakai tanpa perlakuan awal terlebih dahulu. Peralatan yang dipakai adalah peralatan gelas, oven, dan peralatan instrumen yang digunakan pada tahap pencirian.
Metode Penelitian Tahap Isolasi
Isolasi Selulosa Ampas Sagu. Ampas sagu dikeringkan di bawah sinar matahari
kemudian digiling sampai berukuran sekitar 100 mesh (A1). Ampas sagu kering
selanjutnya dianalisis komponen kimianya. Contoh A1 ditambahkan sejumlah
akuades dan diaduk dengan pengaduk magnet selama 5 menit. Campuran disaring dan pencucian dilakukan tiga kali sehingga diperoleh residu A2. Contoh A2 ditambahkan HCl 3% untuk pembebasan pati. Campuran dipanaskan pada suhu 80 °C selama 30 menit sambil diaduk. Campuran disaring dan dinetralkan dengan akuades sehingga diperoleh residu A3. Contoh A3 kemudian ditambahkan larutan H2O2 5% pH = 12 untuk penghilangan lignin. Campuran lalu dipanaskan pada
suhu 70 °C sambil diaduk pada kecepatan 1000 rpm selama 3 jam. Selanjutnya, campuran disaring dan dinetralkan dengan akuades. Tahapan ini diulang berturut-turut untuk 3 jam dan 2 jam. Residu hasil perlakuan pada tahap ini adalah holoselulosa ampas sagu (A4). Kemudian contoh A4 ditambahkan larutan NaOH 10%, selanjutnya campuran dimaserasi pada suhu 20 °C selama 10 jam. Campuran disaring dan dinetralkan dengan akuades. Residu yang diperoleh pada tahap ini adalah selulosa ampas sagu (A5).
Isolasi Selulosa Ampas Tebu. Ampas tebu yang telah kering digiling sampai
berukuran 100 mesh (B1). Ampas tebu giling selanjutnya dianalisis komponen kimianya. Contoh B1 ditambahkan akuades dan diaduk dengan pengaduk magnet selama 5 menit. Campuran disaring dengan pencucian dilakukan tiga kali kemudian residu dikeringkan pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan. Residu hasil penyaringan tersebut telah bebas dari komponen polisakarida yang larut dalam air (B2). Contoh B2 ditambahkan NaOH 4% dan dipanaskan pada suhu 80 °C selama 4 jam. Campuran kemudian disaring dengan bantuan vakum. Kemudian, residu yang diperoleh dari penyaringan dicuci dengan akuades hingga pH filtratnya tidak berubah dan diperoleh contoh B3 yang selanjutnya dikeringkan
pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan. Contoh B3 ditambahkan 500 mL
larutan H2O2 5% pH 12 dan dipanaskan dalam penangas air bersuhu 70 °C yang dijaga konstan selama 3 jam kemudian campuran disaring dan endapannya dicuci dengan akuades sampai pH netral. Perlakuan dengan larutan peroksida diulang kembali 2 kali dengan penambahan waktu pemanasan berturut-turut 3 jam dan 2 jam. Setelah itu, campuran disaring dan endapan dicuci hingga pH netral dan dikeringkan dalam oven bersuhu 60 °C. Residu yang diperoleh adalah selulosa bagas tebu (B4).
Isolasi Selulosa Jerami Padi. Jerami padi kering digiling sampai berukuran 100
mesh (C1). Jerami padi giling selanjutnya dianalisis komponen kimianya. Contoh
C1 ditambahkan akuades dan diaduk dengan pengaduk magnet selama 5 menit.
Campuran disaring dan pencucian dilakukan tiga kali. Residu kemudian dikeringkan pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan. Contoh jerami padi tersebut telah bebas dari komponen polisakarida yang larut dalam air (C2). Contoh
37
jerami padi. Sejumlah contoh C2 ditambahkan larutan NaOH 20%, kemudian
campuran dipanaskan pada suhu 80 °C selama 2 jam. Campuran disaring dan endapannya dicuci dengan akuades hingga pH filtratnya netral. Residu
dikeringkan pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan (C3). Contoh C3
ditambahkan larutan H2O2 5% pH 12 dan dipanaskan dalam penangas air bersuhu
70 °C yang dijaga konstan selama 3 jam kemudian campuran disaring dan
endapannya dicuci dengan akuades sampai pH netral. Perlakuan dengan larutan peroksida diulang kembali 2 kali dengan penambahan waktu pemanasan berturut-turut 3 jam dan 2 jam. Setelah itu, campuran disaring dan endapan dicuci hingga pH netral dan dikeringkan dalam oven bersuhu 60 °C. Residu yang diperoleh adalah selulosa jerami padi (C4).
Pencirian
Analisis Komponen Kimia. Analisis komponen kimia dilakukan terhadap bahan
baku awal dengan analisis proksimat, seperti karbohidrat, protein, lemak, mineral, dan air dengan mengacu pada metode standar SNI (1992) dan AOAC (2005). Selain itu, komposisi selulosa, hemiselulosa, dan lignin juga ditentukan dengan mengacu pada metode standar TAPPI (1961) pada contoh bahan baku dan isolat selulosa.
Analisis Gugus Fungsi dengan Spektrometer FTIR. Spektra IR isolat selulosa
direkam melalui spektrometer FTIR Perkin Elmer Spectrum One menggunakan
pelet KBr dari bilangan gelombang 4000 cm-1 sampai 400 cm-1 dengan resolusi 8 cm-1 dan pemayaran 45 x per contoh.
Analisis Morfologi Permukaan dengan Mikroskop Elektron Pemayaran (Scanning Electron Microscope, SEM). Produk hasil isolat ditempelkan di atas
tempat contoh menggunakan perekat elektrokonduktif. Pengamatan morfologi dilakukan pada JEOL 6400 mikroskop elektron dengan tegangan 20 kV.
Analisis Kristalinitas dengan Difraktometer Sinar X. Difraksi sinar X
dihasilkan oleh difraktometer Rigaku D/Max 2500. Radiasi yang digunakan adalah Ni-filtered Cu Kα pada panjang gelombang 0,1541 nm. Difraktometer dioperasikan pada 40 kV dan 200 mA. Contoh dipayar pada kisaran 2θ = 10-60°. Kristalinitas dihitung berdasarkan: CrI (%) = [(I002-Iam)/I002] x 100, dengan CrI
adalah indeks kristalinitas, I002 adalah intensitas maksimum pada kisi difraksi 002, dan Iam adalah intesitas puncak fasa amorf.
Analisis Termal dengan TG/DTA. Thermogravimetric (TG) dan differential
thermogravimetric analysis (DTA) dilakukan dengan DTG-60H FC-60A
TA-60WS. Suhu yang digunakan mulai 27 sampai 600 °C dengan laju pemanasan 10 °C menit-1.
Hasil dan Pembahasan
Selulosa adalah polisakarida yang jumlahnya paling melimpah di alam. Oleh karena ketersediaannya yang banyak dan bersifat dapat diperbarui serta keteraturan strukturnya, selulosa merupakan polimer alami yang murah dengan sifat fisik dan kimia yang khas. Selulosa dapat diperoleh melalui: (1) pemisahan poliosa utama dan sisa lignin dari holoselulosa, (2) isolasi langsung dari kayu, dan (3) penentuan kandungan selulosa dengan hidrolisis total kayu, holoselulosa atau selulosa alfa diikuti dengan penentuan gula yang dihasilkan (Fengel dan Wegener 1984; Achmadi 1990).
Metode isolasi selulosa yang umum digunakan (Metode A) melibatkan penghilangan senyawa lipid, gula, protein, serta senyawa minor lainnya dengan ekstraksi pelarut (tahap delipifikasi), penghilangan lignin melalui pemutihan (bleaching) pada suasana asam dengan larutan NaClO2 (tahap delignifikasi), selanjutnya penghilangan hemiselulosa dengan hidrolisis menggunakan larutan NaOH pekat. Dalam penelitian ini, terdapat modifikasi terhadap metode isolasi yang umumnya digunakan (Metode B), yaitu dengan melakukan tahap penghilangan hemiselulosa terlebih dahulu setelah tahap delipifikasi. Menurut Zhou et al. (2010), modifikasi metode isolasi dengan melakukan penghilangan hemiselulosa terlebih dahulu akan menghasilkan selulosa yang lebih murni. Selain itu, pereaksi yang digunakan pada tahap delipifikasi diganti dari benzena:etanol 2:1 v/v menjadi toluena:etanol 2:1 v/v. Pelarut benzena diketahui lebih bersifat karsinogenik dibandingkan dengan pelarut toluena. Selanjutnya, pereaksi pada tahap delignifikasi juga diganti dengan H2O2 yang telah banyak dilaporkan sebagai pereaksi yang lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan NaClO2.
39
Gambar 17 menyajikan metode isolasi selulosa secara umum (A) dan metode isolasi selulosa yang digunakan dalam penelitian ini (B).
Gambar 17 Metode isolasi selulosa secara umum (A) dan metode isolasi selulosa yang digunakan dalam penelitian ini (B).
Komponen Kimia
Analisis proksimat dilakukan terhadap 3 bahan baku, yaitu ela sagu, bagas tebu, dan jerami padi. Analisis proksimat yang dilakukan meliputi penentuan kadar air, kadar abu, kadar protein, kadar lemak, dan kadar karbohidrat total. Selanjutnya, dilakukan juga analisis komponen kimia seperti kandungan α-selulosa, holoα-selulosa, hemiα-selulosa, dan lignin. Jumlah kandungan komponen kimia bahan baku awal selanjutnya dibandingkan dengan isolat selulosa yang diperoleh untuk mengevaluasi keberhasilan tahap isolasi. Hasil analisis proksimat dan komponen kimia adalah karakteristik untuk setiap bahan baku.
Ela Sagu. Dari ketiga bahan baku yang digunakan, ela sagu memiliki kadar
air yang cukup tinggi, yaitu 10,17% (Lampiran 1). Menurut Silahooy (2006), kadar air ela sagu segar dapat mencapai 18%. Kadar air yang cukup tinggi ini menyebabkan penanganan bahan baku ela sagu menjadi lebih sulit dibandingkan dua bahan baku lainnya. Ela sagu segar tidak dapat langsung disimpan melainkan
A
Sumber Lignoselulosa
Holoselulosa + Lignin
Holoselulosa
Selulosa
Delipifikasi dengan pelarut
Delignifikasi dengan CH3COOH/NaClO2
Penghilangan hemiselulosa dengan NaOH pekat
B
Sumber Lignoselulosa
Holoselulosa + Lignin
Selulosa + Lignin
Selulosa
Delipifikasi dengan pelarut
Penghilangan hemiselulosa dengan NaOH pekat
harus segera dikeringkan sesaat setelah dilakukan pengambilan contoh karena ela sagu akan mudah menjadi media tumbuh jamur atau mikroorganisme. Berdasarkan komposisi komponen kimia, ela sagu memiliki komposisi komponen kimia yang paling kecil jika dibandingkan dari ketiga bahan baku yang digunakan (Gambar 18). Ela sagu memiliki kandungan selulosa alfa sebesar 22,45% dan lignin 11,52%. Ela sagu memiliki kandungan pati cukup besar, yaitu 47,03% (selisih kandungan karbohidrat total dan holoselulosa). Kandungan pati yang cukup besar ini menunjukkan bahwa proses ekstraksi pati sagu yang dilakukan di tempat pengambilan contoh masih belum efektif. Kandungan pati yang cukup besar ini menjadi pertimbangan khusus pada tahap awal isolasi selulosa dari ela sagu. Pemanfaatan air panas (ASTM D 1110-56) yang semula digunakan untuk menghilangkan polisakarida pati menjadi tidak efektif dan tidak efisien karena untuk mendapatkan preparat ela sagu yang bebas pati membutuhkan air panas dalam jumlah yang cukup besar dan waktu yang lama. Oleh karena itu, pada tahap awal isolasi pada ela sagu digunakan larutan asam encer untuk menghidrolisis pati tersebut. Selain dapat menghidrolisis pati, perlakuan dengan asam dapat juga digunakan untuk menghidrolisis hemiselulosa menjadi mono atau oligosakarida yang dapat larut sehingga lebih mudah untuk diekstraksi (Zhang et al. 2010).
Bagas Tebu. Berdasarkan kandungan komponen kimia bahan baku
(Gambar 18), bagas tebu memiliki kandungan selulosa alfa yang paling tinggi (43,06%), selanjutnya diikuti oleh jerami padi dan ela sagu. Kandungan selulosa alfa yang tinggi menjadikan bagas tebu sebagai sumber selulosa yang potensial. Namun demikian, kandungan lignin pada bagas tebu juga relatif tinggi. Hal ini menjadi pertimbangan khusus pada tahap penghilangan senyawa lignin untuk mendapatkan selulosa dari bagas tebu. Dalam penelitian ini, penghilangan senyawa lignin pada isolasi selulosa dari bagas tebu menggunakan larutan H2O2
5%. Konsentrasi H2O2 yang digunakan ini lebih tinggi dari yang telah digunakan oleh Sun et al. (2004a).
Jerami Padi. Jerami padi memiliki kadar abu yang tinggi (26,92%). Hal ini
menunjukkan banyaknya mineral yang terkandung di dalam jerami padi. Menurut Jahan et al. (2006), jerami padi mengandung silika dalam jumlah cukup tinggi. Kadar abu yang tinggi juga menjadi pertimbangan khusus pada tahap awal isolasi
41
selulosa dari jerami padi. Perlakuan dengan asam encer pada tahap awal isolasi selulosa dari jerami padi bertujuan melarutkan mineral yang terkandung di dalamnya. Kandungan lignin yang mencapai 32,07% pada jerami padi menyebabkan tahap penghilangan lignin dilakukan secara berulang menggunakan larutan H2O2 5%. Konsentrasi H2O2 yang digunakan ini mengacu pada tahap delignifikasi bagas tebu dengan pertimbangan bahwa kandungan lignin jerami padi yang juga cukup tinggi.
Gambar 18 Komposisi kimia bahan baku.
Evaluasi Keberhasilan Tahap Isolasi
Dari berbagai metode isolasi yang telah dilaporkan selama ini, untuk mendapatkan selulosa dalam bentuk murni sangat sulit dilakukan. Oleh karena itu, selulosa yang diperoleh adalah selulosa dalam bahan kasar (crude) berupa selulosa alfa (α-selulosa), yaitu selulosa yang tidak larut dalam larutan NaOH pekat. Evaluasi keberhasilan tahap isolasi dalam penelitian ini dapat dilihat dari rendemen hasil isolat, peningkatan kandungan α-selulosa, dan penurunan kadar lignin.
Rendemen Polisakarida. Rerata rendemen untuk ketiga bahan baku sangat
bervariasi (Tabel 3). Jumlah rendemen polisakarida yang dihasilkan bergantung pada komposisi awal dari bahan baku dan perlakuan yang diberikan selama tahap isolasi. Rerata rendemen dalam penelitian ini dihitung berdasarkan bobot kering dari bahan baku awal sebelum diberi perlakuan. Dari hasil penelitian, rerata
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P er se n ko m pos is i ( % )
Karbohidrat Selulosa alfa Hemiselulosa Lignin
rendemen polisakarida tertinggi dihasilkan oleh bagas tebu, yaitu mencapai 41%. Sun et al. (2004a) juga melaporkan rerata rendemen polisakarida yang diperoleh dari bagas tebu, yaitu sekitar 40%. Sementara itu, rerata rendemen polisakarida yang dihasilkan dari jerami padi pada penelitian ini (11%) lebih tinggi dari yang dilaporkan oleh Sun et al. (2000), yaitu 6,5%. Rerata rendemen polisakarida terendah dihasilkan oleh ela sagu (5%). Hal ini disebabkan tingginya kandungan pati pada bahan baku awal (47,03%), sehingga terjadi kehilangan bobot yang cukup besar pada tahap penghilangan pati, yaitu sekitar 80% dari bobot kering bahan baku awalnya. Sampai saat ini, belum ditemukan kajian terkait isolasi selulosa dari ela sagu sehingga rendemen polisakarida yang diperoleh dalam penelitian ini belum dapat dibandingkan dengan hasil penelitian dari peneliti lain.
Tabel 3 Kondisi isolasi dan rendemen polisakarida Bahan
Baku
Kondisi Isolasi Rendemen
(%)
Ela Sagu HCl 3% (1 g:10 ml), T=80 °C, t = 3 jam
NaOH 20% (1 g:25 ml), T=80 °C, t = 2 jam;
H2O2 5% pH=12 (1 g:25 ml), T= 70 °C, t= 3, 3, 2 jam
5
Bagas Tebu NaOH 4% (1 g:19 ml), T=80 °C, t=4 jam,
H2O2 5% pH=12 (1 g:25 ml), T= 70 °C, t= 3, 3, 2 jam
41
Jerami Padi HCl 3% (1 g:10 ml), T=80 °C, t = 3 jam NaOH 20% (1 g:25 ml), T=80 °C, t = 2 jam;
H2O2 5% pH=12 (1 g:25 ml), T= 70 °C, t= 3, 3, 2 jam
11
Komponen Kimia. Analisis komponen kimia pada isolat selulosa yang diperoleh
dari ketiga bahan baku merupakan salah satu indikator keberhasilan tahap evaluasi. Untuk ela sagu, kandungan selulosa alfa pada isolat selulosa (72,80%) meningkat lebih dari 2 (dua) kali kandungan selulosa alfa bahan baku awal (22,45%). Kadar lignin pada isolat selulosa dari ela sagu (1,62%), yaitu 0,14 kali kandungan lignin bahan baku awal (11,52%) atau berkurang hampir 93%. Sementara itu, kandungan selulosa alfa pada isolat selulosa dari bagas tebu (77,47%) meningkat hampir 0,8 kali, sedangkan untuk jerami padi meningkat lebih dari 0,8 kali dari kandungan selulosa alfa bahan baku awalnya. Kandungan lignin isolat selulosa bagas tebu (0,96%) berkurang hampir 96% dari kandungan
43
lignin bahan baku awal (22,28%). Sementara itu, kandungan lignin pada jerami padi berhasil berkurang hampir 97% dari kandungan lignin awal, yaitu dari 32,07% menjadi 0,81%. Komposisi selulosa alfa dan lignin berturut-turut disajikan pada Gambar 19 dan 20.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Pe rs en kompos is i ( % )
Ela Sagu Bagas Tebu Jerami Padi
Bahan Baku Isolat Selulosa
Gambar 19 Komposisi selulosa alfa.
0 5 10 15 20 25 30 35 Pe rs en kompos is i ( % )
Ela Sagu Bagas tebu Jerami Padi Bahan Baku Isolat Selulosa
Gambar 20 Komposisi lignin
Delignifikasi
Lignin adalah polimer alam multifungsi yang dibangun melalui kopling oksidatif unit-unit fenilpropanoid membentuk kerangka tridimensional dengan ikatan antar-unit seperti β-O-4, β-5, dan β-β (Gambar 21). Lignin, khususnya pada jerami, tidak terdeposit di dalam dinding sel tumbuhan melainkan berasosiasi dengan karbohidrat (selulosa dan hemiselulosa) melalui ikatan kimia seperti ikatan eter, jembatan fenil glikosida, jembatan asetal, atau ikatan ester dan membentuk kompleks karbohidrat-lignin. Ikatan antara lignin dan selulosa yang diajukan oleh Zhou et al. (2010) disajikan pada Gambar 22.
Ikatan β-O-4 Ikatan β-5 (open loop) Ikatan β-5 (closed loop) Ikatan β-β Gambar 21 Jenis ikatan yang terdapat pada lignin.
Gambar 22 Ikatan antara lignin dan selulosa (Zhou et al. 2010).
Perlakuan dengan basa dapat memutus ikatan ester antara lignin dan selulosa atau hemiselulosa melalui reaksi hidrolisis (He et al. 2008). Pada salah satu tahapan isolasi dalam penelitian ini digunakan larutan NaOH untuk memutus ikatan antara lignin dan selulosa atau hemiselulosa. Tong dan Hamzah (1989)
melaporkan bahwa dari berbagai larutan basa seperti NaOH, KOH, Ca(OH)2,
Na2CO3, NH3, dan CO(NH2)2 yang dapat digunakan untuk delignifikasi maka larutan NaOH merupakan basa yang paling efektif untuk menghilangkan lignin
45
dari serat alam. Larutan NaOH dapat menghilangkan lignin sebanyak 60%. Skema reaksi kompleks karbohidrat-lignin dengan NaOH disajikan pada Gambar 23.
Gambar 23 Skema reaksi kompleks karbohidrat lignin dengan NaOH (Tong dan Hamzah 1989).
Metode delignifikasi konvensional umumnya menggunakan natrium klorit
(NaClO2) dalam suasana asam. Namun, metode ini menimbulkan masalah
lingkungan yang serius karena penggunaan klorin dan senyawa turunan klorin yang dapat menghasilkan sejumlah senyawa organik terklorinasi lainnya. Dengan berbagai pertimbangan terhadap keamanan lingkungan dan semakin meningkatnya kebutuhan akan pulp yang bebas klorin maka berbagai metode alternatif untuk mengganti pereaksi NaClO2 banyak dikaji. Pada akhirnya, proses delignifikasi yang menggunakan pereaksi klorin atau turunan klorin akan ditinggalkan. Metode delignifikasi menggunakan pereaksi bebas klorin seperti
elemental chlorine-free (ECF) dan totally chlorine-free (TCF) saat ini banyak
dikembangkan (Nascimento et al. 1995; Sun et al. 2000; Kuznetsova et al. 2003; Sun et al. 2004a; Sun et al. 2004b; Sun et al. 2005; Kham et al. 2005; Jahan et al. 2011). Pereaksi utama yang digunakan dalam delignifikasi TCF adalah ozon, oksigen, dan hidrogen peroksida (H2O2). Kondisi delignifikasi dengan hidrogen peroksida dan oksigen dilakukan dalan suasana basa, sedangkan untuk pereaksi ozon dilakukan dalam suasana asam (Kham et al. 2005). Dalam penelitian ini, pereaksi yang digunakan untuk metode delignifikasi adalah H2O25%dalam media basa pada pH=12.
Hidrogen peroksida adalah senyawa oksidator kuat yang dapat digunakan pada tahap pemutihan dan delignifikasi. Efisiensi pemutihan dan delignifikasi yang tinggi terjadi apabila reaksi berlangsung dalam media basa (Nascimento et
al. 1995). Di dalam media basa, spesi aktif H2O2 dihasilkan melalui reaksi disosiasi, yaitu anion hidroperoksida (HOO−). Anion ini merupakan spesi aktif pada tahap pemucatan (Nascimento et al. 1995; Sun et al. 2000). Anion HOO− akan mengeliminasi gugus kromofor dari senyawa lignin. Di samping itu, spesi radikal aktif seperti radikal hidroksil (HO•) dan radikal anion superoksida (O2•−) yang dihasilkan melalui dekomposisi H2O2 dalam suasana basa akan terlibat dalam proses delignifikasi dan pelarutan hemiselulosa (Sun et al. 2000). Radikal-radikal yang diperoleh dari dekomposisi awal senyawa H2O2 selanjutnya akan menghasilkan radikal-radikal aktif sekunder lainnya. Selain itu, radikal aktif yang terbentuk juga dapat bereaksi dengan radikal aktif lainnya menghasilkan oksigen dan anion hidroksil. Terbentuknya anion hidroksil (HO−) sebagai salah satu produk akhir menyebabkan pH reaksi akan meningkat. Sun et al. (2000) melaporkan dengan meningkatnya pH reaksi maka hemiselulosa yang ikut terlarut juga akan semakin banyak. Jadi, perlakukan dengan H2O2 dalam suasana basa juga dapat digunakan untuk melarutkan sebagian hemiselulosa, selain fungsi utamanya sebagai pereaksi pada tahap delignifikasi dan pemucatan. Spesi-spesi radikal aktif dari H2O2 dihasilkan melalui berbagai reaksi berikut ini:
H2O2 + HO− ↔ HOO− + H2O (1)