Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan dan Hasil Pertanian (TPPHP), Departemen Teknik Mesin dan Biosistem (TMB), Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, pada Maret sampai November 2010.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan adalah buah manggis segar berasal dari kebun petani di Purwakarta dengan bobot 80-100 g dan indeks kematangan 2 dengan warna kulit kuning-merah (Lampiran 1). Selain itu digunakan Teobendazole (TBZ) sebagai fungisida. Peralatan yang digunakan adalah spektrometer NIRFlex N-500
fiber optic solids dari Buchi Switzerland, timbangan digital Mattler PM4800, timbangan analitik Adam PW184, oven temperatur konstan Isuzu 2-2120, rheometer Sun CR-300, refrigerator, termometer & hygrometer digital, cawan, aluminium foil, desikator, cutter, baskom, dan keranjang buah.
Prosedur Penelitian
Penelitian tahap pertama
Penelitian tahap pertama bertujuan untuk mengembangkan model kalibrasi NIR untuk memprediksi kadar air kulit buah manggis dan menentukan persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit berdasarkan data destruktif. Bahan utama yaitu buah manggis dengan indeks kematangan 2 (kuning-merah) disortasi dan dipilih sebanyak 304 buah yang bentuknya normal, permukaan kulit bersih, bebas cacat, jamur, dan penyakit. Kemudian buah dicuci dan direndam dalam larutan TBZ 5 ppm selama 5 menit lalu ditiriskan dan dikering anginkan (Lampiran 2a). Setelah kering, masing-masing sebanyak 88 buah disimpan pada 8 ºC dan 13 ºC selama 40 hari, dan sebanyak 128 buah disimpan pada suhu ruang (27 ºC) selama 22 hari (Lampiran 2b). Pengukuran spektra reflektan, kadar air,
dan kekerasan kulit buah dilakukan sebanyak 11 kali yaitu hari ke-0, 1, 2, 4, 8, 16, 24, 28, 32, 36, dan 40 untuk penyimpanan pada 8 ºC dan 13 ºC, dan sebanyak 16 kali yaitu pada hari ke-0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, dan 22 untuk penyimpanan pada suhu ruang. Setiap pengukuran menggunakan 8 sampel sebagai ulangan. Data yang dianalisis adalah data yang diperoleh selama masa simpan optimum yang masih dapat mempertahankan mutu buah (Gambar 6).
Gambar 6 Prosedur penelitian tahap pertama.
Pengukuran reflektan NIR Pengukuran kadar air Pengukuran kekerasan
Analisis regresi kadar air terhadap kekerasan
Persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit (B)
Selesai Mulai Buah manggis
Sortasi
Perendaman dengan TBZ
Penyimpanan pada 8 ºC, 13 ºC, dan suhu ruang Pengambilan sampel
Validasi
Model kalibrasi terbaik untuk memprediksi kadar air pada penyimpanan
8 ºC, 13 ºC, dan suhu ruang (A)
Metode PLS Metode JST
Pengukuran reflektan NIR kulit buah manggis
Reflektan NIR kulit buah diukur pada 3 titik yang berbeda pada bagian
tengah buah menggunakan spektrometer NIRFlex N-500 fiber optic solids pada panjang gelombang 1000-2500 nm dengan interval 0,4 nm (Gambar 7). Setiap
buah memiliki 3 set data reflektan. Dengan demikian, total data reflektan sebanyak 264 data pada penyimpanan 8 ºC dan 13 ºC serta 384 data pada penyimpanan suhu ruang.
Data reflektan tersimpan di database NIRCal 5.2 yang merupakan program
olah data yang terintegrasi dengan spektrometer NIRFlex N-500. Spektrometer
ini menggunakan detektor extended range lnGaAS dengan kontrol temperatur
(Lampiran 3). Prinsip pengukuran spektra adalah menembakkan cahaya dari lampu halogen ke sampel. Sebagian energi akan diserap dan sebagian lainnya dipantulkan. Energi yang dipantulkan akan diterima oleh detektor sebagai data frekuensi getaran dan ditransformasi dengan metode Fourier menjadi grafik data reflektan (Anonim 2008).
Gambar 7 (a) Spektrometer NIRFlex N-500 fiber optic solids dan (b) Pengukuran reflektan NIR kulit buah manggis.
Pengukuran kadar air kulit buah manggis
Kulit buah manggis diambil dengan ukuran 2 cm x 2 cm x 0,4 cm sebanyak 3 potong pada bagian yang diukur reflektannya (Lampiran 4a). Kadar air diukur
dengan metode oven. Mula-mula, cawan alumunium yang digunakan ditimbang beratnya, lalu dipanaskan dalam oven pada suhu 105 ºC sampai beratnya konstan (A). Potongan kulit manggis diletakkan di cawan yang telah diketahui beratnya
kemudian ditimbang (B). Selanjutnya sampel bersama cawan diletakkan di dalam oven listrik pada suhu 105 ºC selama 20 jam kemudian didinginkan dalam
desikator lalu ditimbang (C). Kadar air kulit buah dihitung dengan persamaan: ... (41) Nilai KAbb
Pengukuran kekerasan kulit buah manggis
Pengukuran kekerasan dilakukan pada 3 titik yang berbeda pada bagian tengah buah menggunakan rheometer dengan mode 20, beban maksimum 10 kg, kedalaman tekan 4 mm, kecepatan penurunan beban 60 mm/menit, dan diameter plunger 2,5 mm (Lampiran 4b). Nilai yang dipakai dalam analisis data adalah nilai rata-rata dari 3 titik tersebut.
Kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode PLS
Olah data spektra NIR dengan metode PLS dilakukan menggunakan program NIRCal 5.2 yang terintegrasi dengan spektrometer. Data spektra dibagi menjadi dua yaitu kelompok kalibrasi dan kelompok validasi menggunakan spektra yang berasal dari sampel yang berbeda. Jumlah data yang digunakan dalam kelompok kalibrasi sekitar 2/3 dan validasi 1/3 dari total data pada setiap suhu penyimpanan. Total data reflektan sebanyak 264 data pada penyimpanan 8 ºC dan 13 ºC serta 384 data pada penyimpanan suhu ruang (Gambar 8).
Model kalibrasi merupakan model yang menunjukkan tingkat korelasi kadar air dengan reflektan NIR sedangkan validasi merupakan uji terhadap model kalibrasi. Validasi dilakukan dengan memasukkan sampel data yang berbeda ke dalam model kalibrasi tujuannya untuk menguji ketepatan model kalibrasi.
Pengolahan awal (pretreatment) berupa normalisasi 0-1 dilakukan untuk
mengurangi error yang disebabkan perbedaan ukuran partikel (Persamaan 42). adalah kadar air basis basah (%), A adalah berat cawan (g), B adalah
berat cawan dan bahan sebelum dikeringkan (g), dan C adalah berat cawan dan
bahan setelah dikeringkan (g).
Gambar 8 Kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS.
Kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode JST
Data spektra yang digunakan sebagai input dalam program JST harus dipersiapkan terlebih dahulu. Langkah pertama adalah memperlebar interval data reflektan hasil pengukuran untuk mengurangi overfitting. Data reflektan memiliki interval 0,4 nm lalu diperlebar menjadi 6 nm. Kemudian reflektan dinormalisasi
0-1 dan dianalisis komponen utama dengan metode Principle Component Analysis
(PCA) menggunakan program Minitab 14 dan Excel 2007. Nilai PC yang diperoleh dijadikan faktor pengali nilai reflektan NIR. Selanjutnya data reflektan yang telah dikalikan dengan PC dibagi dalam kelompok kalibrasi dan validasi secara acak dengan menempatkan seluruh nilai maksimum parameter input (PC) dan output (kadar air sampel destruktif) dalam kelompok kalibrasi. Sebanyak 2/3 dan 1/3 bagian dari total data digunakan untuk kalibrasi dan validasi. Total data
Reflektan NIR kulit buah
Kadar air kulit buah (Metode Oven)
Proses kalibrasi
Model kalibrasi PLS
Kadar air kulit buah prediksi NIR
Validasi Mulai Validasi Kalibrasi Normalisasi reflektan Model kalibrasi PLS Selesai
Evaluasi hasil kalibrasi dan validasi (nilai r≥0,75 dan CV<5%)
Kadar air kulit buah (Metode Oven) Normalisasi
reflektan Reflektan NIR
reflektan sebanyak 264 data pada penyimpanan 8 ºC dan 13 ºC serta 384 data pada penyimpanan suhu ruang. Data untuk kalibrasi dan validasi berasal dari buah yang berbeda (Gambar 9).
Model JST yang digunakan adalah model jaringan feed-forward multi layer
dan algoritma terlatih back propagation (BP) atau propagasi balik (Setiawan et al. 2003). Arsitektur JST yang dikembangkan terdiri dari 3 lapisan yaitu lapisan input yaitu reflektan NIR, lapisan tersembunyi, dan 1 lapisan output yaitu kadar air kulit buah. Jumlah lapisan input ditentukan berdasarkan hasil analisis komponen utama (PCA). Jumlah lapisan tersembunyi yang digunakan sebanyak 10 buah (Senduk 2002). Kombinasi iterasi dilakukan sebanyak 1.000-150.000 kali (Gambar 10).
Gambar 9 Kalibrasi dan validasi NIR dengan metode JST.
Reflektan NIR kulit buah
Kadar air kulit buah (Metode Oven)
Proses kalibrasi kalibrasi JST Model
Kadar air kulit buah prediksi NIR
Validasi Mulai Validasi Kalibrasi Normalisasi reflektan Model kalibrasi JST
Kadar air kulit buah (Metode Oven) Reflektan NIR
kulit buah Normalisasi
reflektan
Analisis PCA Analisis PCA
Nilai r ≥ 0,75
CV < 5%
Selesai Ya Tidak
Gambar 10 Arsitektur JST.
Evaluasi hasil kalibrasi dan validasi NIR
Hasil kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS dan JST dievaluasi berdasarkan nilai koefisien korelasi (r), root mean standard error (RMSE), dan
coefficient of variation (CV). Nilai r menyatakan hubungan antara variabel x
(peubah bebas) dan y (peubah tak bebas). Nilai RMSE merupakan selisih antara
nilai hasil prediksi NIR dengan nilai hasil pengukuran. RMSE pada kelompok kalibrasi disebut RMSEC dan pada kelompok validasi disebut RMSEP. Untuk
mengetahui besar error secara proposional, maka RMSEP dibandingkan dengan
nilai tengah data yang dinyatakan oleh CV. Model kalibrasi yang baik memiliki nilai r yang tinggi, nilai CV yang rendah, serta nilai RMSEC dan RMSEP yang hampir sama (William & Norris 1990). Nilai RMSE dan CV dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
...
(43)...(44)
Nilai x adalah kadar air kulit buah hasil pengukuran dengan metode oven, y adalah kadar air kulit buah hasil prediksi NIR, n adalah jumlah data dan i adalah urutan data dari ke-1 sampai ke-n.
Lapisan input (reflektan NIR)
Lapisan tersembunyi
Lapisan output (kadar air kulit) PC1 PC2 PC3 PCn Bias H1 H2 H3 Hn Bias O
Pada penelitian ini, model kalibrasi dinyatakan baik jika memiliki nilai r≥0,75 dan nilai CV<5%. Nilai r berkisar antara 0-1. Semakin besar nilai r artinya hubungan variabel x dan y semakin erat. Model kalibrasi terbaik yang diperoleh digunakan untuk memprediksi kadar air kulit buah berdasarkan reflektan NIR pada penelitian tahap kedua.
Penentuan persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit
Hubungan kadar air dan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan data destruktif ditentukan dengan analisis regresi menggunakan program Minitab 14. Data yang akan dianalisis regresi terlebih dahulu diuji kenormalan distribusi
residualnya menggunakan normality test Kolmogorov-Smirnov. Residual data
terdistribusi normal jika hasil ujinya menunjukkan p-value>5%. Sedangkan
persamaan regresi dapat digunakan jika hasil analysis of variance (Anova)
menunjukkan p-value<5%. Persamaan yang diperoleh selanjutnya digunakan
untuk memprediksi kekerasan berdasarkan perubahan kadar air kulit buah pada penelitian tahap kedua.
Penelitian tahap kedua
Penelitian tahap kedua bertujuan untuk menentukan pola peningkatan kekerasan kulit buah selama penyimpanan berdasarkan perubahan kadar air kulit menggunakan reflektan NIR. Buah manggis dengan indeks kematangan 2 (kuning-merah) disortasi dan dipilih sebanyak 30 buah yang bentuknya normal, permukaan kulit bersih, bebas cacat, jamur, dan penyakit. Kemudian buah dicuci dan direndam dalam larutan TBZ 5 ppm selama 5 menit lalu ditiriskan dan dikering anginkan. Setelah kering, masing-masing sebanyak 10 buah manggis sebagai sampel monitoring disimpan pada 8 ºC, 13 ºC selama 28 hari, dan pada suhu ruang (27 ºC) selama 16 hari. Lama penyimpanan optimum ditentukan berdasarkan hasil penelitian tahap pertama. Reflektan kulit buah diukur pada hari ke-0, 2, 4, 8, 16, 24 dan 28 pada penyimpanan dingin dan pada hari ke-0, 2, 4, 6, 8,10,12,14, dan 16 pada suhu ruang (Gambar 11).
Gambar 11 Prosedur penelitian tahap kedua. Output penelitian tahap pertama
Mulai Buah manggis (Sampel monitoring)
Sortasi
Perendaman dengan TBZ
Penyimpanan selama 28 hari pada 8 ºC & 13 ºC, dan selama 16 hari pada suhu ruang Pengukuran reflektan NIR kulit buah pada:
hari ke-0,2,4,8,16,24, & 28 (8 ºC & 13 ºC) hari ke-0,2,4,6,8,10,12,14, &16 (suhu ruang)
Model kalibrasi NIR terbaik untuk memprediksi kadar air
kulit pada penyimpanan 8 ºC, 13 ºC, dan suhu ruang (A)
Persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit (B)
Data reflektan NIR Normalisasi reflektan NIR
Kekerasan kulit buah prediksi NIR
Selesai
Analisis regresi lama penyimpanan terhadap kulit buah prediksi
Pola peningkatan kekerasan kulit buah selama penyimpanan berdasarkan perubahan
kadar air menggunakan reflektan NIR Kadar air kulit buah prediksi NIR
Prediksi kadar air kulit buah manggis berdasarkan reflektan NIR
Data reflektan NIR kulit buah manggis yang berasal dari 10 buah sampel monitoring pada setiap tingkat suhu penyimpanan dinormalisasi 0-1 lalu digunakan untuk memprediksi kadar air kulit buah dengan model kalibrasi NIR terbaik yang diperoleh pada tahap pertama. Kadar air kulit buah hasil prediksi 10 buah sampel monitoring diamati untuk mengetahui pola perubahannya selama penyimpanan.
Prediksi kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air menggunakan reflektan NIR
Data kadar air kulit buah hasil prediksi NIR digunakan untuk memprediksi kekerasan kulit buah dengan persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit yang diperoleh pada tahap pertama. Nilai kadar air kulit buah yang digunakan dalam analisis adalah nilai rata-rata dari 10 sampel monitoring pada masing-masing suhu penyimpanan.
Pola peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air menggunakan reflektan NIR
Pola peningkatan kekerasan kulit buah selama penyimpanan ditentukan berdasarkan hubungan lama penyimpanan dan kekerasan kulit buah hasil prediksi dengan analisis regresi menggunakan Minitab 14. Data yang akan dianalisis regresi terlebih dahulu diuji kenormalan distribusi residualnya menggunakan
normality test Kolmogorov-Smirnov. Residual data terdistribusi normal jika hasil ujinya menunjukkan p-value>5%. Sedangkan persamaan regresi dapat digunakan jika hasil analysis of variance (Anova) menunjukkan p-value<5%.