Sistem emulsi polimer surfaktan
METODOLOGI PENELITIAN
Bahan dan Alat Penelitian
Bahan baku yang digunakan pada pembuatan skin lotion meliputi polietilen glikol monooleat (HLB12,2), polietilen glikol dioleat (HLB 8,9), sorbitan monooleat (HLB 4,1) (diperoleh dari Pusat Penelitian Kimia LIPI Serpong), trietanol amin, cetil alkohol, minyak silikon, minyak mineral (dibeli dari Bratachem), virgin coconut oil (diperoleh dari Pusat Penelitian Kimia LIPI Serpong), gliserin, air destilasi, metil paraben, selulosa, chitosan (dibeli dari Bratachem), 3-kloro 2-hidroksipropiltrimetil amonium klorida p.a (dari Aldrich) , iso propanol, propilen glikol dan sodium hidroksida (dibeli dari Bratachem).
Alat yang digunakan meliputi peralatan gelas, oven vakum merk Heraeus Vacutherm, pengaduk magnetik, pipet, cawan porselen, pemanas listrik, pH-meter, neraca timbangan, viskometer Ostwald, viskosimeter Brookfield, alat fotomikroskop merk Zeiss, alat untuk mengukur tegangan permukaan dan tegangan antar muka merk Tensiomart 21, alat FTIR merk Shimadzu, alat NMR, alat Spektrofotometer UV-Visible
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Polimer, Pusat Penelitian Kimia LIPI Serpong dengan waktu penelitian mulai bulan September 2006 sampai bulan Mei 2007. Analisa sampel dilakukan di Laboratorium Polimer dan Surfaktan, Pusat Penelitian Kimia LIPI, Serpong dan Laboratorium Teknologi Kimia Departemen Teknologi Industri Pertanian, FATETA IPB, Bogor.
Metode Penelitian
Penelitian dilakukan dalam tiga tahap, yaitu tahap pertama pembuatan sistem emulsi. Pada pembuatan sistem emulsi tersebut digunakan 3 jenis minyak (minyak silikon, minyak mineral dan virgin coconut oil) dan 3 jenis surfaktan (polietilen glikol 400 monooleat, polietilen glikol 400 dioleat dan sorbitan monooleat) sebagai emulsifier. Tahap selanjutnya adalah sintesis polimer alami
(selulosa dan chitosan) dan tahap terakhir adalah aplikasi polimer kationik pada sistem emulsi skin lotion.
Secara garis besarnya diagram alir tahapan penelitian adalah sebagai berikut.
Gambar 15. Diagram alir tahapan penelitian
Pembuatan Sistem Emulsi
Dalam penelitian ini digunakan tiga jenis surfaktan yaitu sorbitan monooleat, polietilen glikol (400) monooleat dan polietilen glikol (400) dioleat dan tiga jenis minyak, yaitu minyak mineral, minyak silikon dan virgin coconut
oil, sehingga dapat dikelompokkan menjadi tiga formula.
Formula A adalah formula menggunakan surfaktan polietilen glikol (400) dioleat, formula B menggunakan surfaktan polietilen glikol (400) monooleat dan formula C menggunakan surfaktan sorbitan monooleat. Ketiga formula menggunakan variasi tiga jenis minyak yaitu minyak mineral, minyak silikon dan
virgin coconut oil.
Pembuatan sistem emulsi tipe minyak dalam air menggunakan perbandingan fasa internal/ fasa terdispersi sekitar 20% dan fasa eksternal/fasa pendispersi sekitar 80%, dengan formulasi yang digunakan sebagai berikut : fase minyak (surfaktan 4%, cetil alkohol 1%, asam stearat 2%, minyak 13%), fase air ( metil paraben 0,1%, trietanolamin 0,1%, propilen glikol 2%, air destilasi 77,8%).
Pembuatan sistem emulsi
Sintesis polimer kationik
Aplikasi polimer kationik pada formula skin lotion
Fase air dan fase minyak masing-masing dipanaskan pada suhu 75oC dan di aduk, kemudian fase air ditambahkan sedikit-sedikit ke dalam fase minyak sambil diaduk selama 1 jam dengan kecepatan pengadukan 75 rpm.
Sintesis Polimer Alami
Sintesis polimer alami dilakukan dengan menggunakan bahan dari alam yaitu selulosa dan chitosan. Sebelum dilakukan sintesis chitosan, maka dilakukan penentuan derajat deasetilasi dan berat molekul untuk mengetahui kemurnian chitosan yang dipakai.
Sintesis polimer chitosan dilakukan dengan melarutkan chitosan dalam asam asetat 1%, kemudian ditambahkan sodium hidroksida sampai pH 9,5 pada suhu 25oC. Selanjutnya ditambahkan 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida sambil dipanaskan selama 18 jam pada suhu 60oC. Tahap selanjutnya adalah penambahan aseton untuk penetralisir pH campuran, kemudian dilakukan penyaringan, pencucian dan pengeringan dalam oven vakum pada suhu Perbandingan antara chitosan dengan 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida adalah 1:3, 1:4 dan 1:6. Diagram alir sintesis polimer chitosan kationik dapat dilihat pada Gambar 16.
Sintesis polimer selulosa dilakukan dilakukan dengan melarutkan selulosa dalam iso propanol sambil diaduk selama 30 menit kemudian ditambahkan larutan sodium hidroksida, setelah diaduk selama 30 menit tambahkan larutan 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida, campuran reaksi tersebut dipanaskan pada suhu 50oC selama 2 jam dan pemanasan dilanjutkan sampai suhu 76oC selama 15 menit.. Setelah itu tambahkan larutan asam asetat yang berfungsi sebagai penetralisir pH campuran. Tahap selanjutnya adalah penyaringan hasil campuran reaksi, pencucian dan pengeringan dalam oven vakum pada suhu 45oC. Perbandingan antara selulosa dengan 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida adalah 1:3, 1:4 dan 1:6. Diagram alir sintesis polimer selulosa kationik dapat dilihat pada Gambar 17.
Gambar 16. Diagram alir sintesis polimer chitosan kationik (Cho et al., 2006)
Gambar 17. Diagram alir sintesis polimer selulosa kationik (US Patent No 3,472,840)
2,5 g Chitosan + asam asetat 1% + NaOH sampai pH 9,5 dimasukkan dalam reaktor suhu 25oC
Pengadukan selama 30 menit
Penambahan 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida
Pemanasan T=60oC 18jam
Ditambahkan 20 ml aseton
Penyaringan dan pencucian dengan air sebanyak 3x
Pengeringan pada T=50oC dalam oven vakum
Analisis NMR dan FTIR
34,3 g Selulosa + 480 ml isopropanol + 45,3 ml sodium hidroksida dimasukkan kedalam reaktor
Pengadukan selama 30 menit
Penambahan 45 ml 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida
Dipanaskan T=50oC, 2 jam kemudian dinaikkan sampai T=76oC, 15 min
Penambahan 15 ml asam asetat
Penyaringan dan pencucian dengan air sampai pH=7
Pengeringan pada T=45oC dalam oven vakum
Aplikasi Polimer Kationik Pada Formula Skin Lotion
Polimer kationik selulosa amonium kuartener dengan konsentrasi 0,1%, 0,5%, 1% dan kontrol ditambahkan pada sistem emulsi dalam pembuatan skin
lotion, sehingga diperoleh skin lotion yang mempunyai kestabilan tinggi dengan
diameter globula emulsi tertentu. Untuk polimer kationik chitosan amonium kuartener digunakan konsentrasi 0,01%, 0,05%, 0,1% dan kontrol. Polimer kationik dari selulosa atau chitosan dilarutkan dalam fase air kemudian dipanaskan pada suhu 75oC dan diaduk dengan kecepatan 75 rpm selama 30 menit. Fase minyak yang sudah dipanaskan pada suhu 75oC dan diaduk dengan kecepatan 75 rpm selanjutnya ditambahkan secara pelan-pelan ke dalam fase air sambil diaduk hingga terbentuk skin lotion.
Analisis dan Karakterisasi
Analisis Sistem Emulsi Yang Dihasilkan
Pengujian terhadap stabilitas emulsi dilakukan dengan mengamati penampakan fisik emulsi tersebut, yaitu sebagai berikut.
1. Pengamatan Terhadap Ukuran Partikel
Pengamatan ini dapat dilakukan dengan menggunakan Fotomikroskop.
2. Pengukuran Stabilitas Relatif Emulsi (Suryani et al., 2000)
Stabilitas emulsi relatif dapat diukur dengan menggunakan tabung reaksi. Sistem emulsi dimasukkan ke dalam tabung reaksi sebanyak 10 ml kemudian didiamkan kira-kira satu minggu. Selanjutnya diamati krim yang terbentuk dan dihitung volume krim berdasarkan perhitungan berikut.
Stabilitas (%) = (10 – volume skim)/10 x 100%
3. Viskositas (Reddy et al., 1981)
Viskositas emulsi juga dapat menunjukkan kestabilan sistem emulsi. Perubahan viskositas emulsi dari viskositas semula menunjukkan bahwa telah terjadi perubahan pada sistem emulsi. Emulsi yang tidak stabil cenderung mengalami penurunan viskositas selama penyimpanan. Hal ini terjadi karena kerusakan emulsi menyebabkan fasa internal
terpisah dengan fasa eksternal. Viskositas produk diukur dengan menggunakan Viskometer Brookfield dengan laju rotasi 6 rpm pada suhu 25 oC.
4. Tegangan Permukaan dan Tegangan Antar Muka
Pengukuran tegangan permukaan dan tegangan antar muka menggunakan Surface Tensiomat Model 21 Cat No 59951-14.
Tegangan permukaan berkaitan dengan gaya bebas yang bekerja di antara molekul-molekul di permukaan cairan. Molekul-molekul yang berada di dalam cairan akan mengalami gaya kohesi dengan molekul cairan lain yang mengelilinginya, sehingga molekul tersebut mengalami gaya resultan yang seimbang. Namun molekul yang berada pada permukaan cairan akan mengalami gaya resultan yang tidak seimbang. Karena gaya molekul permukaan yang lebih lemah dibandingkan gaya kohesi antara molekul cairan, dengan demikian molekul cairan tersebut mengalami gaya yang mengarah ke dalam cairan, sehingga energi bebas lebih besar pada permukaan cairan.
Tegangan permukaan diasumsikan sesuai dengan jumlah gaya kohesi yang bekerja antar molekul pada permukaan atau batas antar muka dari dua cairan.
Analisis Hasil Sintesis Polimer Kationik
Analisis terhadap hasil sintesis polimer kationik alami meliputi derajat deasetilasi dan berat molekul chitosan, analisis FTIR dan NMR chitosan dan selulosa kationik, dan kelarutan chitosan kationik.
1. Derajat Deasetilasi dan Berat Molekul Chitosan (Bastaman, 1989)
Film chitosan dibuat dengan cara melarutkan 1% (b/v) chitosan dalam 1% larutan asam asetat. Larutan dikeringkan di atas “glass plate” pada suhu 40oC dalam pengering vakum selama 12 jam. Film chitosan di simpan dalam desikator selama 12 jam sebelum diukur spektrum infra merahnya. Derajat deasetilasi chitosan ditentukan dengan metode “base line” dihitung dengan mengukur absorbansi pada frekuensi (angka gelombang) 1655 cm-1 dengan absorbansi pada frekuensi 3450 cm-1.
Penentuan berat molekul menggunakan persamaan Mark Houwink-Sakurada. Chitosan kationik dilarutkan dalam pelarut air pada konsentrasi 0,5 sampai 2,5 M, kemudian di ukur nilai rata-rata waktu turunnya larutan chitosan kationik tersebut dalam viskometer pada suhu kamar.
2. Analisis FTIR (Fourier Transform Infra Red) dan NMR (Nuclear Magnetic Resonance)
Analisis gugus fungsi dilakukan dengan metode FTIR menggunakan alat Shimadzu-IR Prestige. Sampel di ukur pada panjang gelombang 500-4000 cm-1. Kromatogram hasil FTIR di analisa dan dibandingkan dengan standar dari literatur, sehingga diketahui gugus fungsi yang ada. Selain dengan metoda FTIR, dilakukan pula analisis dengan NMR (Nuclear Magnetic Resonance) untuk melihat ikatan antara atom C dan H dengan adanya pergeseran kimia yang khas untuk masing-masing senyawa atau komponen.
3. Analisis Kelarutan Chitosan Kationik
Analisis kelarutan chitosan kationik menggunakan alat spektrofotometer UV-Visible. Chitosan kationik dilarutkan dalam air dengan konsentrasi mulai dari 0,2 sampai 20 gram/liter. Kemudian larutan tersebut diukur trasmitannya menggunakan spektrofotometer UV-Visible pada panjang gelombang 600 nm.
Analisis Hasil Aplikasi Polimer Kationik Pada Formula Skin Lotion
Analisis sistem emulsi formula skin lotion meliputi ukuran partikel, derajat keasaman (pH), stabilitas produk, dan total mikroba.
1. Ukuran Partikel menggunakan alat fotomikroskop 2. Derajat Keasaman (pH) (SNI 16-4952-1998)
Nilai pH merupakan nilai yang menunjukkan derajat keasaman suatu bahan, standar nilai pH untuk produk lotion bayi menurut SNI 16-4952-1998 adalah berkisar antara 4,0 – 7,5. Sejumlah sampel dilarutkan ke dalam aquades kemudian diukur derajat keasamannya dengan pH-meter. 3. Stabilitas Produk (Barnett, 1962)
Uji stabilitas lotion dilakukan dengan cara menyimpan produk
lotion pada suhu yang berbeda yaitu suhu kamar, 45oC dan 50oC selama
satu bulan. Menurut Barnett (1962), emulsi suatu produk kosmetik harus stabil pada suhu 45 oC sampai 50oC dan suhu kamar. Lotion yang telah di simpan selama satu bulan harus tetap stabil dan dapat dituang. Sejumlah bahan emulsi dimasukkan ke dalam wadah dan ditimbang beratnya. Wadah dan bahan tersebut dimasukkan dalam oven dengan suhu 45oC dan 50oC selama satu jam kemudian dimasukkan ke dalam pendingin bersuhu di bawah 0oC dan dibiarkan sampai beratnya konstan. Stabilitas emulsi dapat dihitung berdasarkan rumus berikut :
% 100 × = emulsi bahan total Berat tersisa yang fasa Berat SE
4. Total Mikroba (Tim Mikrobiologi Industri, 1993)
Uji total mikroba adalah uji untuk mengetahui ada atau tidaknya mikroba dalam produk lotion. Uji bakteri ini merupakan salah satu uji yang penting karena kontaminasi dari bakteri dapat menyebabkan pemisahan, penyusutan berat produk dan bau yang tidak sedap. Secara aseptis ditimbang 1 gram lotion dan dimasukkan ke dalam larutan pengencer (garam fisiologis) kemudian dikocok. Pengenceran dilakukan sampai 104. Sebanyak 1 ml dari sampel tersebut diinokulasikan pada cawan petri dan ditambahkan media PCA (Plate Count Agar) sebanyak 10 sampai 15 ml. Cawan petri digoyang dan dibiarkan membeku. Inkubasi dilakukan pada suhu kamar selama 48 jam. Jumlah koloni yang tumbuh dilaporkan sebagai total mikroba.
Rancangan Percobaan
Kajian Pengaruh Penggunaan Polimer Kationik Pada Formula Skin Lotion
Untuk pengujian stabilitas emulsi formula skin lotion digunakan Rancangan Acak Lengkap dengan dua faktor yaitu konsentrasi polimer kationik (chitosan kationik dan selulosa kationik) dan suhu penyimpanan.
Kajian suhu penyimpanan dan konsentrasi chitosan kationik terhadap stabilitas emulsi (Mattjik dan Sumertajaya, 2002)
Pengaruh suhu penyimpanan dan konsentrasi chitosan kationik terhadap parameter stabilitas digunakan 3 taraf konsentrasi chitosan kationik yaitu 0,01%, 0,05% dan 0,1% serta suhu penyimpanan terdiri dari 3 taraf (suhu 25 oC, 45 oC dan 50 oC ) sebanyak dua kali ulangan, sehingga terdapat 12 satuan percobaan.
α: Suhu penyimpanan
β: Variasi konsentrasi chitosan kationik
Model rancangan percobaan adalah sebagai berikut.
Yijk = μ + αi + βj + (αβ)ij + εijk Keterangan : i = 1,2,3
j = 1,2,3 k = 1,2
Yijk = Hasil pengamatan pada ulangan ke-k dalam konsentrasi chitosan kationik ke-j pada suhu ke-i
μ = Rata-rata sebenarnya
αi = Efek taraf ke-i faktor suhu penyimpanan
βj = Efek taraf ke-j faktor konsentrasi chitosan kationik
(αβ)ij = Efek interaksi antara faktor αtaraf ke-i dan faktor βtaraf ke-j ijk = Pengaruh acak yang menyebar normal
Kajian suhu penyimpanan dan konsentrasi selulosa kationik terhadap stabilitas emulsi (Mattjik dan Sumertajaya, 2002)
Pengaruh suhu penyimpanan dan konsentrasi selulosa kationik terhadap parameter stabilitas digunakan 3 taraf konsentrasi selulosa kationik yaitu 0,1%, 0,5% dan 1% serta suhu penyimpanan terdiri dari 3 taraf (suhu 25 oC, 45 oC dan 50 oC ) sebanyak dua kali ulangan, sehingga terdapat 12 satuan percobaan.
α: Suhu penyimpanan
β: Variasi konsentrasi selulosa kationik
Model rancangan percobaan adalah sebagai berikut.
Yijk = μ + αi + βj + (αβ)ij + εijk Keterangan : i = 1,2,3
j = 1,2,3
k = 1,2
Yijk = Hasil pengamatan pada ulangan ke-k dalam konsentrasi selulosa
kationik ke-j pada suhu ke-i
μ = Rata-rata sebenarnya
αi = Efek taraf ke-i faktor suhu penyimpanan
βj = Efek taraf ke-j faktor konsentrasi selulosa kationik
(αβ)ij = Efek interaksi antara faktor αtaraf ke-i dan faktor βtaraf ke-j ijk = Pengaruh acak yang menyebar normal