KULIT BUAH MANGGIS SELAMA PENYIMPANAN
DINGIN DENGAN METODE NIR
SPECTROSCOPY
DWI DIAN NOVITA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Penentuan Pola Peningkatan Kekerasan Kulit Buah Manggis selama Penyimpanan Dingin dengan Metode NIR Spectroscopy adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Juni 2011
DWI DIAN NOVITA. Determination the Pattern of Pericarp Hardening of Mangosteen Fruit during Cold Storage using NIR Spectroscopy. Under direction of USMAN AHMAD, SUTRISNO, and I WAYAN BUDIASTRA.
Pericarp hardening of mangosteen fruit has correlation with the decrease in moisture content due to transpiration and respiration during storage. The change of pericarp moisture content during storage may be determined nondestructively using near infrared (NIR) spectroscopy. The objectives of this study were to build calibration model of NIR reflectance to predict the moisture content of the pericarp, and to determine the pattern of pericarp hardening based on change of moisture content during storage using NIR reflectance. NIR reflectance spectra were obtained from fruits stored at 8 ºC, 13 ºC, and room temperature. Calibration were built using partial least squares (PLS) and artificial neural network (ANN) models. Results of analysis indicated that pericarp moisture content could be predicted well by NIR reflectance using the calibration model of PLS for mangosteen stored at 8 ºC, 13 ºC, and room temperature. The pattern of pericarp hardening based on change of moisture content also could be determined using NIR reflectance for mangosteen stored at 13 ºC and room temperature.
Keywords: mangosteen fruit, pericarp hardening, moisture content, NIR spectroscopy, PLS, ANN
DWI DIAN NOVITA. Penentuan Pola Peningkatan Kekerasan Kulit Buah Manggis selama Penyimpanan Dingin dengan Metode NIR Spectroscopy. Dibimbing oleh USMAN AHMAD, SUTRISNO, dan I WAYAN BUDIASTRA.
Pengerasan kulit merupakan indikator kerusakan pada penyimpanan buah manggis yang berkaitan dengan kandungan air pada kulit buah. Selama penyimpanan, buah manggis terus bertranspirasi dan berespirasi yang menyebabkan kehilangan air pada kulit buah. Perubahan kadar air kulit pada buah yang sama selama penyimpanan tidak bisa diketahui dengan metode destruktif sebab setiap pengukuran menggunakan buah yang berbeda, namun hal tersebut bisa dilakukan dengan metode nondestruktif menggunakan NIR spectroscopy. Reflektan NIR dapat digunakan untuk memprediksi kadar air kulit pada buah yang sama dari awal sampai akhir penyimpanan. Dengan demikian, pola peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air selama penyimpanan dapat ditentukan menggunakan reflektan NIR. Penelitian ini bertujuan untuk (1) mengembangkan model kalibrasi NIR untuk memprediksi kadar air kulit buah manggis selama penyimpanan dengan metode PLS dan JST dan (2) menentukan pola peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air selama penyimpanan menggunakan reflektan NIR.
Penelitian ini terdiri dari dua tahap. Pada penelitian tahap pertama, total sampel yang digunakan berjumlah 304 buah manggis. Sebanyak 88 buah masing-masing disimpan pada 8 ºC dan 13 ºC selama 40 hari, dan sebanyak 128 buah manggis disimpan pada suhu ruang (27 ºC) selama 22 hari. Pengukuran reflektan, kadar air, dan kekerasan kulit buah dilakukan pada hari ke-0, 1, 2, 4, 8, 16, 24, 28, 32, 36, dan 40 penyimpanan pada 8 ºC dan 13 ºC, dan pada hari ke-0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, dan 22 penyimpanan pada suhu ruang. Setiap pengukuran menggunakan 8 ulangan. Pada penelitian tahap kedua, total sampel yang digunakan berjumlah 30 buah manggis. Sebanyak 10 buah manggis masing-masing disimpan pada 8 ºC, 13 ºC selama 28 hari, dan pada suhu ruang selama 16 hari sebagai sampel monitoring. Reflektan 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.
input, lapisan tersembunyi, dan lapisan output. Analisis data dilakukan dengan menggunakan 5 dan 10 PC sebagai input, 10 lapisan tersembunyi, dan 1 output yaitu kadar air kulit buah. Parameter pelatihan berupa konstanta laju pembelajaran bernilai 0,8; konstanta momentum bernilai 0,8; dan konstanta sigmoid bernilai 1. Optimasi dilakukan dengan kombinasi jumlah PC dan iterasi sebanyak 1.000-150.000 kali. Hasilnya menunjukkan bahwa penggunaan PC 10 sebagai input menghasilkan nilai korelasi kadar air kulit buah dan reflektan NIR yang lebih baik dibandingkan PC 5 pada ketiga suhu penyimpanan. Iterasi terpilih untuk ketiga suhu penyimpanan adalah 100.000 iterasi. Hasil kalibrasi dan validasi JST dengan arsitektur 10-10-1 dan 100.000 iterasi menunjukkan nilai r sebesar 0,757-0,807 artinya ada korelasi antara kadar air kulit buah dengan reflektan NIR pada ketiga suhu penyimpanan. Selisih nilai RMSEC dan RMSEP sebesar 0,33-0,66% dan nilai CV<5% yaitu 3,0-4,3% artinya akurasi dan kestabilan model kalibrasi baik. Dengan demikian model kalibrasi reflektan NIR dengan metode JST juga dapat memprediksi kadar air kulit buah manggis dengan baik pada penyimpanan 8 ºC, 13 ºC, dan suhu ruang.
Perbandingan hasil kalibrasi dan validasi menggunakan metode PLS dan JST menunjukkan bahwa koefisien korelasi (r) model kalibrasi PLS lebih tinggi (0,758-0,882) dibandingkan model kalibrasi JST (0,757-0,807). Berdasarkan nilai CV, kedua metode memiliki CV<5% tetapi CV PLS lebih rendah (2,5-3,3%) dibandingkan CV JST (3,0-4,3%). Hal ini berarti model kalibrasi PLS memberikan hasil prediksi yang lebih baik dibandingkan model kalibrasi JST.
Kadar air berkorelasi dengan kekerasan kulit buah pada penyimpanan 13 ºC dan suhu ruang tetapi tidak berkorelasi pada penyimpanan 8 ºC. Hubungan kadar
air dan kekerasan kulit buah manggis dapat ditentukan dengan persamaan y = 0,07972x2 – 9,833x + 305,9 (R2 = 82,3%) pada penyimpanan 13 ºC dan y = 0,1207x2 – 14,89x + 460,8 (R2 = 64,9%) pada suhu ruang. Selain itu, pola
peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air kulit
buah dapat ditentukan menggunakan reflektan NIR dengan persamaan y = 0,0045x2 – 0,126x + 3,64 (R2 = 87,4%) untuk penyimpanan selama 28 hari
pada suhu 13 ºC dan dengan persamaan y = 0,0138x2 – 0,218x + 2,69 (R2 = 70,1%) untuk penyimpanan selama 16 hari pada suhu ruang.
Hak Cipta milik IPB, tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah
b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
DINGIN DENGAN METODE NIR
SPECTROSCOPY
DWI DIAN NOVITA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Nama : Dwi Dian Novita
NRP : F153080021
Disetujui
Komisi Pembimbing
Ketua
Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr.
Dr. Ir. Sutrisno, M.Agr.
Anggota Anggota
Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr.
Diketahui
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Teknologi Pascapanen
Dr. Ir. Sutrisno, M.Agr. Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr.
Alhamdulillaahirobbil’aalamiin, segala puji bagi Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Tema penelitian yang dipilih adalah evaluasi nondestruktif pada komoditi pertanian, dengan judul Penentuan Pola Peningkatan Kekerasan Kulit Buah Manggis selama Penyimpanan Dingin dengan Metode NIR Spectroscopy.
Atas terselesaikannya tesis ini, penulis dengan rasa hormat menyampaikan ucapan terima kasih kepada Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr., Dr. Ir. Sutrisno, M.Agr., dan Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr., selaku komisi pembimbing serta kepada Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc. selaku penguji luar komisi yang telah memberikan ilmu, pemahaman, saran, dan arahan kepada penulis. Terima kasih kepada Ditjen Dikti Kemendiknas yang telah membiayai studi S2 ini serta kepada Badan Litbang Kementan dan Dinas Pendidikan Propinsi Lampung yang telah memberikan bantuan dana penelitian. Selain itu, penulis menyampaikan penghargaan kepada Bpk. Sulyaden dari Lab.TPPHP, Ibu Rus dan Bpk. Mul dari Dep.TMB, Bpk. Arisandi dari PT.Abadi Nusa, Bpk. Sugiyono dan Sdri. Ismi dari tim KKP3T yang telah memberikan bantuan selama penelitian, serta kepada
kolega di TEP Unila dan rekan-rekan TPP 2008: Ruri, Ibu Mila, Mba Erbi, Mba Fifi, Mba Novi, Mba Meivi, Mba Yosi, Pak Bambang, Pak Khamsi, dan Pak Amin atas kebersamaan dan dukungan selama studi.
Secara khusus, penulis menyampaikan penghormatan dan ucapan terima kasih kepada papa (alm) dan mama tercinta, adik-adik: Tia, Tendi, dan Ipan, serta kepada bapak dan emak di Magelang yang selalu memberikan kasih sayang dan doa terbaik. Terima kasih kepada suami tercinta: Asropi, atas segala pengertian, bantuan, dan motivasi yang selalu diberikan kepada penulis.
Semoga tesis ini bermanfaat bagi semua pembaca.
Bogor, Juni 2011
Penulis dilahirkan di Kalianda, Lampung Selatan, pada tanggal 24 September 1982 merupakan anak kedua dari lima bersaudara, putri pasangan
M. Ramli dan Nurhayati.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... iii
DAFTAR GAMBAR ... v
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
PENDAHULUAN ... 1
Latar Belakang ... 1
Perumusan Masalah ... 3
Tujuan Penelitian ... 3
Manfaat Penelitian ... 3
TINJAUAN PUSTAKA ... 5
Tanaman Manggis (Garcinia mangostana L.) ... 5
Buah Manggis ... 5
Fisiologi Pascapanen Buah Manggis ... 8
Jaringan Kulit Buah Manggis ... 9
Penyimpanan Dingin ... 11
Near Infrared (NIR) Spectroscopy ... 12
Partial Least Squares (PLS) ... 14
Analisis Komponen Utama (PCA) ... 16
Jaringan Saraf Tiruan ... 19
Analisis Regresi ... 23
METODOLOGI PENELITIAN ... 25
Tempat dan Waktu Penelitian ... 25
Bahan dan Alat ... 25
Prosedur Penelitian ... 25
Penelitian tahap pertama ... 25
Penelitian tahap kedua ... 32
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 35
Penelitian Tahap Pertama ... 35
Penurunan mutu buah manggis selama penyimpanan ... 35
Perubahan parameter mutu buah manggis selama penyimpanan ... 37
Analisis spektra NIR kulit buah manggis ... 39
Kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode PLS ... 44
Kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode JST ... 48
Perbandingan hasil kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS dan JST ... 56
Penelitian Tahap Kedua ... 59
Prediksi kadar air kulit buah manggis berdasarkan reflektan NIR ... 59
Prediksi kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air menggunakan reflektan NIR ... 61
Pola peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air menggunakan reflektan NIR ... 63
SIMPULAN DAN SARAN... 65
Simpulan ... 65
Saran ... 66
DAFTAR PUSTAKA ... 67
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Ciri fisik buah manggis berdasarkan umur panen (Prihatman 2000)... 7
2 Standar mutu buah manggis menurut SNI 01–3211-1992 (Deptan 2006) ... 8
3 Deskripsi data untuk kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS ... 45
4 Komponen evaluasi hasil kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode PLS ... 46
5 Deskripsi data untuk kalibrasi dan validasi NIR dengan metode JST ... 50
6 Hasil kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis
dengan metode JST pada penyimpanan 8 ºC ... 52
7 Hasil kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis
dengan metode JST pada penyimpanan 13 ºC ... 52
8 Hasil kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis
dengan metode JST pada penyimpanan suhu ruang ... 53
9 Komponen evaluasi hasil kalibrasi dan validasi NIR terhadap kadar air kulit buah manggis dengan metode JST ... 56
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Buah manggis. ... 6
2 Indeks kamatangan buah manggis (Direktorat Tanaman Buah 2003). ... 7
3 Penampang melintang kulit buah manggis (a) pada awal dan (b & c) pada akhir penyimpanan (Qanytah 2004). ... 11
4 Spektrum gelombang elektromagnetik (Osborne 1993). ... 13
5 Algoritma propagasi balik. ... 20
6 Prosedur penelitian tahap pertama. ... 26
7 (a) Spektrometer NIRFlex N-500 fiber optic solids dan (b) Pengukuran reflektan NIR kulit buah manggis. ... 27
8 Kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS. ... 29
9 Kalibrasi dan validasi NIR dengan metode JST. ... 30
10 Arsitektur JST. ... 31
11 Prosedur penelitian tahap kedua. ... 33
12 Kerusakan buah manggis (a) getah kuning, (b) bercak hitam pada kulit buah, dan (c) kerusakan daging buah. ... 35
13 Persentase kerusakan daging buah manggis selama penyimpanan. ... 36
14 Perubahan kadar air kulit buah manggis selama penyimpanan. ... 37
15 Perubahan kekerasan kulit buah manggis selama penyimpanan. ... 38
16 Reflektan kulit buah manggis pada penyimpanan (a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang. ... 40
17 Reflektan (a) sebelum normalisasi dan (b) setelah normalisasi. ... 41
18 Reflektan kulit buah setelah normalisasi 0-1 pada penyimpanan (a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang. ... 42
19 Absorban kulit buah manggis pada penyimpanan (a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang. ... 43
21 Hasil kalibrasi dan validasi NIR dengan metode PLS pada penyimpanan
(a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang. ... 47
22 Eigenvalue berdasarkan jumlah PC. ... 48
23 Variasi komulatif berdasarkan jumlah PC. ... 49
24 Arsitektur JST (a) 5-10-1 dan (b) 10-10-1. ... 51
25 Hasil kalibrasi dan validasi NIR dengan metode JST pada penyimpanan (a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang. ... 55
26 Hasil analisis regresi kadar air dan kekerasan kulit buah manggis. ... 58
27 Kadar air kulit buah 10 sampel monitoring selama penyimpanan pada (a) 8 ºC, (b) 13 ºC, dan (c) suhu ruang hasil prediksi berdasarkan reflektan NIR. ... 60
28 Perubahan kadar air rata-rata kulit buah manggis selama penyimpanan hasil prediksi berdasarkan reflektan NIR. ... 61
29 Prediksi kekerasan kulit buah manggis berdasarkan kadar air hasil prediksi menggunakan reflektan NIR... 62
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Buah manggis yang digunakan sebagai sampel dalam penelitian. ... 72
2 (a) Perendaman buah manggis dengan TBZ dan (b) penyimpanan dalam refrigerator. ... 72
3 Bagian-bagian NIRFlex N-500 Fiber Optic Solids (Anonim2008). ... 73
4 Pengukuran parameter mutu (a) sampel untuk pengukuran kadar air dan (b) pengukuran kekerasan kulit buah manggis. ... 73
5 Hasil pengukuran kadar air dan kekerasan kulit buah manggis pada penyimpanan 8 ºC dan 13 ºC ... 74
6 Hasil pengukuran kadar air dan kekerasan kulit buah manggis pada penyimpanan suhu ruang ... 76
7 Hasil kalibrasi dan validasi dengan metode PLS pada penyimpanan 8 ºC .... 80
8 Hasil kalibrasi dan validasi dengan metode PLS pada penyimpanan 13 ºC .. 82
9 Hasil kalibrasi dan validasi dengan metode PLS pada penyimpanan suhu ruang ... 84
10 Komponen utama sebagai input JST pada penyimpanan 8 ºC ... 89
11 Komponen utama sebagai input JST pada penyimpanan 13 ºC ... 92
12 Komponen utama sebagai input JST pada penyimpanan suhu ruang ... 95
13 Analisis regresi kadar air dan kekerasan kulit buah manggis pada penyimpanan 8 ºC ... 101
14 Analisis regresi kadar air dan kekerasan kulit buah manggis pada penyimpanan 13 ºC ... 101
15 Analisis regresi kadar air dan kekerasan kulit buah manggis pada penyimpanan suhu ruang ... 101
16 Kadar air kulit buah manggis hasil prediksi berdasarkan reflektan NIR pada penyimpanan 8 ºC ... 102
18 Kadar air kulit buah manggis hasil prediksi berdasarkan reflektan NIR pada penyimpanan suhu ruang ... 103
19 Prediksi kekerasan kulit buah manggis berdasarkan kadar air rata-rata hasil prediksi menggunakan reflektan NIR pada penyimpanan 13 ºC dan suhu ruang ... 103
20 Analisis regresi kekerasan kulit buah manggis dan lama penyimpanan pada penyimpanan 13 ºC ... 104
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Masyarakat dunia menjuluki buah manggis sebagai “queen of fruit”
disebabkan kekhasan bentuk dan cita rasanya. Susunan kelopak buah menyerupai
mahkota serta rasa daging buah yang unik yaitu perpaduan rasa manis, asam, dan
sedikit sepat menjadi kekhasan yang tidak dijumpai pada buah-buahan lainnya.
Buah ini merupakan salah satu buah eksotik yang sangat disukai oleh konsumen
dalam dan luar negeri.
Buah manggis merupakan salah satu komoditas ekspor unggulan dengan
kontribusi sebesar 34,4% dari total ekspor buah Indonesia. Pada tahun 2009,
volume ekspornya sebesar 4.285 ton dengan nilai US$ 2.781.712 lalu pada tahun
2010 mengalami peningkatan menjadi 8.225 ton dengan nilai US$ 6.310.272.
Negara tujuan ekspor buah manggis adalah Singapura, China, Hong Kong,
Taiwan, RRC, serta beberapa negara Timur Tengah seperti Uni Emirat Arab dan
Arab Saudi (Assibsindo 2011). Walaupun demikian, sebagian besar buah
manggis yang dihasilkan oleh petani masih memiliki mutu yang rendah.
Mutu buah manggis yang rendah disebabkan oleh beberapa hal antara lain
waktu panen yang tidak tepat, adanya getah kuning, lecet pada kulit dan tangkai,
serta pengerasan kulit buah (Satuhu 1999). Hal ini sangat mempengaruhi
penerimaan konsumen sebab mutu buah ditentukan oleh faktor eksternal dan
internal. Faktor eksternal meliputi warna, bentuk, ukuran, adanya noda getah, dan
kerusakan oleh serangga sedangkan faktor internal meliputi adanya daging
bening, getah kuning, dan pengerasan kulit buah (Dangcham et al. 2008).
Pengerasan kulit merupakan masalah utama yang dijumpai pada
penyimpanan buah manggis dan merupakan salah satu indikator kerusakan. Buah
yang kulitnya mengeras menjadi sulit dibuka sehingga tidak disukai oleh
konsumen. Pengerasan kulit diduga erat kaitannya dengan kandungan air pada
kulit buah. Hasil penelitian terdahulu menunjukkan bahwa kekerasan kulit
cenderung meningkat sedangkan kadar air kulit cenderung menurun selama
kulit terjadi akibat transpirasi dan respirasi buah selama penyimpanan (Hasbi
et al. 2005, Suyanti & Setyadjit 2007).
Kulit sebagai bagian terluar buah manggis yang berhubungan langsung
dengan lingkungan penyimpanan. Pada kulit inilah terjadi transpirasi melalui
mulut kulit dan kutikula. Hasil pengamatan penampang melintang kulit buah
manggis menunjukkan bahwa pada awal penyimpanan ruang-ruang antar sel
jaringan parenkim kulit luar dan tengah terisi oleh cairan, namun pada akhir
penyimpanan ruang-ruang antar sel tersebut rusak karena kehilangan cairan dan
terjadi penebalan dinding sel yang mengakibatkan kulit menjadi keras.
Transpirasi cairan di ruang–ruang antar sel menyebabkan sel menciut sehingga
ruang antar sel menyatu dan zat pektin saling berikatan (Qanytah 2004).
Perubahan kadar air kulit pada buah yang sama selama penyimpanan tidak
bisa diketahui dengan metode pengukuran yang bersifat merusak (destruktif)
sebab setiap pengukuran menggunakan buah yang berbeda. Oleh karena itu perlu
dikembangkan metode pengukuran secara tidak merusak (nondestruktif) dengan
metode near infrared (NIR) spectroscopy. NIR spectroscopy menghasilkan
informasi yang bersifat kualitatif dan kuantitatif yang berasal dari interaksi antara
gelombang NIR dengan senyawa organik penyusun komoditas seperti air, protein,
karbohidrat, atau lemak (Pasquini 2003). Informasi ini dapat diambil
menggunakan analisis multivariabel seperti partial least squares (PLS) dan
jaringan saraf tiruan (JST). Keunggulan metode NIR spectroscopy adalah
pengukuran cepat, tingkat presisi tinggi, tidak perlu penyiapan sampel secara
khusus, bebas bahan kimia, dan tanpa limbah (Osborne et al. 1993).
Analisis kandungan air dengan NIR spectroscopy merupakan salah satu
teknologi yang cepat dan telah berhasil diaplikasikan lebih dari 30 tahun pada
berbagai komoditi pertanian dan bahan makanan (Buning 2003). Penerapan NIR
spectroscopy dalam bidang pertanian pertama kali dilakukan oleh Norris untuk
memprediksi kadar air dalam biji-bijian pada tahun 1964 (Nicolai et al. 2007).
Selain itu, Cozzolino (2005) menggunakan NIR spectroscopy untuk memprediksi
kandungan air dalam minyak ikan, Uddin et al. (2006) memprediksi kandungan
air dalam surimi, dan Mireei et al. (2010) memprediksi kandungan air dalam
Perumusan Masalah
Pengerasan kulit merupakan indikator kerusakan pada penyimpanan buah
manggis yang berkaitan dengan kandungan air pada kulit buah. Selama
penyimpanan, buah manggis terus bertranspirasi dan berespirasi yang
menyebabkan kehilangan air pada kulit buah. Perubahan kadar air kulit pada buah
yang sama selama penyimpanan tidak bisa diketahui dengan metode destruktif
sebab setiap pengukuran menggunakan buah yang berbeda, namun hal tersebut
bisa dilakukan dengan metode nondestruktif menggunakan NIR spectroscopy.
Reflektan NIR dapat digunakan untuk memprediksi kadar air kulit pada buah yang
sama dari awal sampai akhir penyimpanan. Dengan demikian, pola peningkatan
kekerasan kulit buah manggis berdasarkan perubahan kadar air selama
penyimpanan dapat ditentukan menggunakan reflektan NIR.
Tujuan Penelitian
1. Mengembangkan model kalibrasi NIR untuk memprediksi kadar air kulit
buah manggis selama penyimpanan dengan metode PLS dan JST.
2. Menentukan pola peningkatan kekerasan kulit buah manggis berdasarkan
perubahan kadar air selama penyimpanan menggunakan reflektan NIR.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini bermanfaat dalam proses sortasi. Model kalibrasi NIR
dapat digunakan untuk memprediksi kadar air kulit buah manggis menggunakan
reflektan NIR dan pola peningkatan kekerasan kulit dapat dijadikan indikator
TINJAUAN PUSTAKA
Tanaman Manggis (Garcinia mangostana L.)
Tanaman manggis berasal dari hutan tropis di kawasan Malaysia dan
Kalimantan Timur, Indonesia. Tanaman ini menyebar dari Asia Tenggara ke
daerah Amerika Tengah dan daerah tropis lainnya seperti Srilanka, Malagasi,
Karibia, Hawaii, dan Australia Utara. Tanaman manggis diklasifikasikan sebagai
berikut (Prihatman 2000):
Kingdom : Plantae
Divisi : Spermatophyta
Sub-divisi : Angiospermae
Kelas : Dicotyledone
Buah manggis merupakan buah buni yang mempunyai kulit tebal berkisar
6-10 mm. Buah manggis berbentuk bulat dengan diameter 6-8 cm dan berat
rata-rata 80-130 g/buah (Pantastico 1989). Setiap buah memiliki rata-rata-rata-rata empat helai
kelopak yang melekat di antara tangkai dan kulit buah (Gambar 1). Keutuhan
kelopak menjadi salah satu standar mutu yang ditetapkan oleh masyarakat Eropa.
Buah ini dapat dikonsumsi dalam kondisi segar dan dapat dibuat produk olahan
berupa buah kaleng, sirup, atau sari buah. Biji buah manggis diselimuti oleh aril
berwarna putih susu, lunak, dan banyak mengandung sari buah (Satuhu 1999).
Daging buah bersegmen-segmen berkisar antara 5-8 segmen. Jika telah masak
daging berwarna putih dengan tekstur lembut dan rasa yang manis serta sedikit
rasa asam dan sepat (Juanda & Cahyono 2000). Dalam 100 g daging buah
terkandung 0,6 g protein, 0,6 g lemak, 15,6 g karbohidrat, 8 mg kalsium, 12 mg
Gambar 1 Buah manggis.
Warna kulit buah merupakan salah satu faktor mutu yang dipertimbangkan
oleh konsumen. Selama pematangan, warna kulit berubah dari hijau menjadi
ungu tua. Perubahan warna terjadi secara bertahap selama 30-45 hari (Palapol
et al. 2009). Hasil penelitian Chaverri et al. (2008) menunjukkan bahwa kulit
buah manggis merupakan sumber xanthones dan bahan bioaktif lain yang
bermanfaat sebagai antioksidan, anti tumor, anti alergi, anti inflamasi, anti bakteri
dan anti virus serta bermanfaat untuk mengobati diare, disentri, dan sengatan
lebah. Pada xanthones dan derivatnya diketahui terkandung adanya
3-isomangoestein, alpha mangostin, gamma-mangostin, Garcinone A, B, C, D,
dan E, maclurin dan mangostenol. Selain itu, kulit buah banyak mengandung
pektin, tanin katekin, rosin dan mangostin.
Sentra produksi buah manggis Indonesia terdapat di Kalimantan Timur,
Kalimantan Tengah, Jawa Barat (Jasinga, Ciamis, dan Wanayasa), Sumatera
Barat, Sumatera Utara, Riau, Jawa Timur dan Sulawesi Utara. Buah manggis
dipanen setelah berumur 104 hari sejak bunga mekar (SBM) hingga 114 SBM
(Tabel 1). Untuk konsumsi lokal, buah dipanen pada umur 114 SBM sedangkan
Tabel 1 Ciri fisik buah manggis berdasarkan umur panen
Umur panen (hari SBM)
Berat (gram)
Diameter
(mm) Warna kulit
104 80-130 55-60 Hijau bintik ungu
106 80-130 55-60 Ungu merah 10-25 %
108 80-130 55-60 Ungu merah 25-50 %
110 80-130 55-60 Ungu merah 50-75 %
114 80-130 55-65 Ungu merah > 75 %
Tingkat kematangan buah manggis setelah panen dibagi dalam 6 indeks
(Gambar 2). Indeks 0 kulit buah berwarna kuning kehijauan dan indeks 1
berwarna hijau kekuningan. Buah pada kedua indeks ini masih bergetah dan
belum siap panen. Indeks 2 kulit buah berwarna kuning kemerahan dengan
bercak merah, indeks 3 berwarna merah kecoklatan, indeks 4 berwarna merah
keunguan, indeks 5 berwarna ungu kemerahan, dan indeks 6 berwarna ungu
kehitaman. Buah dengan indeks kematangan 2 dan 3 dipanen untuk tujuan ekspor
sedangkan indeks 4, 5, dan 6 untuk pasar domestik (Direktorat Tanaman Buah
2003). Berdasarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) 01–3211-1992, buah
manggis digolongkan menjadi 3 kelas yaitu Mutu Super, Mutu I dan Mutu II
(Tabel 2).
Gambar 2 Indeks kamatangan buah manggis (Direktorat Tanaman Buah 2003).
Indeks 0 Indeks 1 Indeks 2
Tabel 2 Standar mutu buah manggis menurut SNI 01–3211-1992
Fisiologi Pascapanen Buah Manggis
Buah-buahan termasuk manggis merupakan struktur yang masih hidup
setelah dipanen sebab masih melakukan metabolisme untuk mempertahankan
sistem-sistem fisiologis seperti halnya ketika sebelum dipetik dari tanaman
induknya. Selama proses pematangan, buah mengalami beberapa perubahan
secara fisik dan kimia meliputi perubahan warna, tekstur, bau, tekanan turgor sel,
dinding sel, zat pati, protein, senyawa turunan fenol, dan asam-asam organik
(Winarno 2002).
Semua bahan hidup memerlukan energi untuk mempertahankan organisasi
selular, transportasi metabolit ke seluruh jaringan, dan mempertahankan
permeabilitas membran yang dihasilkan dari respirasi. Respirasi adalah suatu
proses metabolisme yang menggunakan oksigen (O2) untuk perombakan senyawa
molekul-molekul yang lebih sederhana yaitu karbondioksida (CO2), air (H2
C
O),
dan energi panas yang dapat digunakan untuk reaksi sintesa. Reaksi kimia
respirasi adalah sebagai berikut (Winarno 2002).
6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2
Respirasi terdiri dari 3 fase. Fase pertama yaitu perombakan polisakarida
menjadi gula-gula sederhana. Fase kedua yaitu oksidasi gula-gula sederhana
tersebut menjadi asam piruvat. Fase ketiga yaitu transformasi aerobik asam
piruvat dan asam-asam organik lainnya menjadi karbohidrat, air, dan energi
(Muhtadi 1992). Berdasarkan pola respirasinya, manggis termasuk golongan
buah klimakterik. Klimakterik adalah suatu periode mendadak yang unik pada
buah-buahan tertentu yang diawali dengan proses pembentukan etilen. Proses ini
ditandai dengan adanya pertumbuhan menjadi senescene, adanya peningkatan
pola pernafasan, dan dimulainya proses pematangan. Buah-buahan yang tidak
mengalami proses tersebut digolongkan sebagai buah nonklimakterik (Winarno
2002).
O + Energi
Jaringan Kulit Buah Manggis
Kulit merupakan bagian terluar buah manggis yang berhubungan langsung
dengan lingkungan penyimpanan. Pada kulit inilah terjadi proses transpirasi yaitu
proses penguapan air dari tanaman. Proses ini berlangsung melalui bagian mulut
kulit dan kutikula. Kehilangan air pada kulit manggis dipengaruhi oleh RH, suhu,
pergerakan udara, dan tekanan atmosfer. Kehilangan air menyebabkan
peningkatan susut bobot dan menurunkan mutu tekstur buah (Soesarsono 1988).
Sistem jaringan kulit yang terluar disebut epidermis. Salah satu ciri penting
sel-sel epidermis adalah adanya selaput kutikula. Berbagai proses fisika dan
fisiko-kimia pada buah-buahan yang telah dipanen bermula pada lapisan
epidermis. Kehilangan air, pertukaran gas, peresapan bahan-bahan kimia,
ketahanan terhadap tekanan suhu, kerusakan mekanis, penguapan
senyawa-senyawa atsiri, dan perubahan tekstural dimulai dari permukaan kulit buah
Pengerasan kulit merupakan masalah utama dalam penyimpanan buah
manggis. Selama penyimpanan terjadi proses kehilangan air sehingga kulit buah
menjadi kering, keras, dan sulit dibuka. Pengeringan disebabkan oleh transpirasi
yang terjadi pada mulut kulit dan kutikula. Pembukaan dan penutupan mulut kulit
menentukan jumlah air yang hilang. Laju transpirasi dipengaruhi oleh adanya
lapisan lilin pada kulit namun tidak dipengaruhi oleh ketebalan kutikula
(Pantastico 1989). Hasil penelitian Bunsiri et al. (2002) menunjukkan bahwa
peningkatan kekerasan kulit menjadi semakin cepat jika manggis mengalami
kerusakan mekanis yang dapat disebabkan oleh tekanan atau benturan selama
proses panen atau selama tranportasi. Total phenolic pada kulit yang rusak
jumlahnya lebih sedikit dibandingkan kulit yang tidak rusak. Sebaliknya, total
lignin kulit yang rusak lebih banyak dibandingkan kulit yang tidak rusak.
Parenkim adalah jaringan dasar yang paling umum dan utama yang terdapat
pada bagian buah-buahan. Sel-sel perenkim dapat pula menimbun zat pati,
protein, minyak, dan zat penyamak. Pada beberapa jenis buah, sel parenkim
memiliki kelenjar-kelenjar minyak berbentuk memipih atau bulat yang
menghasilkan minyak atsiri. Sel-sel jaringan parenkim dapat tersusun rapat atau
longgar. Jika tersusun longgar maka terdapat ruang-ruang antar sel (Pantastico
1989). Hasil pengamatan Qanytah (2004) terhadap penampang melintang irisan
kulit buah manggis menunjukkan bahwa pada awal penyimpanan ruang-ruang
antar sel jaringan parenkim kulit luar dan tengah manggis terisi oleh cairan
(Gambar 3a), namun pada akhir penyimpanan ruang-ruang antar sel tersebut rusak
karena kehilangan cairan dan terjadi penebalan dinding sel yang mengakibatkan
kulit menjadi keras. Transpirasi cairan di ruang–ruang antar sel menyebabkan sel
menciut sehinggga ruang antar sel menyatu dan zat pektin saling berikatan
(Gambar 3b & 3c). Tekstur buah dipengaruhi oleh ketegangan, ukuran, bentuk,
keterikatan sel-sel, adanya jaringan penunjang, dan susunan tanamannya.
Ketegangan disebabkan oleh tekanan isi sel pada dinding sel dan konsentrasi
zat-zat osmotik aktif. Difusi yang terus-menerus dapat meningkatkan jenjang energi
sel dan mengakibatkan meningkatnya tekanan yang mendorong sitoplasma ke
Gambar 3 Penampang melintang kulit buah manggis (a) pada awal dan (b & c) pada akhir penyimpanan (Qanytah 2004).
Penyimpanan Dingin
Penyimpanan dingin adalah proses pengawetan bahan pangan dengan cara
menyimpannya pada suhu diatas suhu pembekuan umumnya pada 2-13 ºC
tergantung pada bahan yang disimpan. Pada penyimpanan dingin, selain
pengendalian suhu juga dilakukan pengendalian atas sirkulasi dan kelembaban
relatif (RH) udara. Penggunaan suhu rendah dan RH tinggi dapat menghambat
aktifitas fisiologis, aktifitas mikroba, transpirasi, dan evaporasi sampai batas
waktu tertentu. Walaupun perubahan mutu buah tetap terjadi selama
penyimpanan dingin tetapi lajunya lebih lambat dibandingkan penyimpanan pada
suhu ruang. Pengaturan RH udara pada ruang penyimpanan sangat penting
dilakukan sebab RH yang jenuh akan menyebabkan pengembunan air pada
permukaan buah yang akan menjadi media bagi pertumbuhan mikroba.
Sedangkan jika RH rendah akan menyebabkan pengeriputan kulit (Pantastico
1989).
Kader (2005) menyampaikan bahwa suhu optimum penyimpanan manggis
yaitu 13 ºC. Suhu optimum penting untuk diperhatikan sebab jika buah
didinginkan pada suhu yang lebih rendah dari suhu optimum maka buah akan
mengalami kerusakan karena dingin (chilling injury). Choehom et al. (2003)
meneliti tentang chilling injury (CI) pada buah manggis. Penelitian tersebut
menggunakan buah manggis dengan indeks kematangan ungu-merah yang
disimpan pada suhu 3 ºC, 6 ºC, 12 ºC, dengan RH 88-90% dan suhu ruang
(29-30 ºC) dengan RH 65-70% sebagai kontrol. Gejala CI ditemukan setelah
buah manggis disimpan selama 5 hari pada suhu 3 ºC dan 6 ºC. Gejala CI berupa
pengerasan kulit, pencoklatan kulit bagian dalam dan pada daging buah, serta
kerusakan aroma. Pengerasan kulit buah tidak berkaitan dengan peningkatan
sintesis lignin pada tahap awal tetapi keduanya berkaitan pada tahap yang lebih
lanjut. Pada penyimpanan suhu 12 ºC, buah manggis dapat bertahan selama
20 hari sedangkan pada suhu ruang hanya bertahan 8 hari. Kerusakan yang terjadi
berupa pengeriputan mahkota, tangkai, dan kerusakan daging buah.
Dangcham et al. (2008) meneliti tentang CI buah manggis yang disimpan
pada suhu rendah. Gejala CI yang diamati berupa peningkatan kekerasan kulit
buah. Penelitian tersebut menggunakan buah manggis dengan indeks kematangan
merah-coklat dan merah-ungu yang disimpan pada suhu 6 ºC (RH 87%) dan 12 ºC
(RH 83,5%) selama 15 hari. Hasilnya, buah yang disimpan pada suhu 6 ºC
memiliki kulit yang lebih keras dibandingkan pada suhu 12 ºC dan indeks
kematangan merah-ungu kulit buahnya lebih keras dibandingkan merah-coklat.
Dengan demikian, buah manggis yang lebih matang lebih sensitif terhadap CI.
Saat kekerasan kulit buah meningkat, terjadi peningkatan lignin sementara total
phenolic acids menurun.
Near Infrared (NIR) Spectroscopy
Near infared (NIR) adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang
gelombang 780-2500 nm yang terletak diantara gelombang cahaya tampak (visible
light) dan cahaya inframerah (infrared) (Gambar 4). Spectroscopy adalah ilmu
yang mempelajari antaraksi cahaya dengan atom dan molekul. Radiasi cahaya
atau elektromagnetik dapat dianggap menyerupai gelombang (Creswell et al.
2005). Sedangkan spektrometer adalah instrumen yang digunakan untuk
mengaktifkan energi gelombang elektromagnetik tertentu. Spektrometer memiliki
detektor yang sesuai dengan daerah gelombang elektromagnetik yang berfungsi
untuk menangkap kembali tingkat absorbsi energi oleh sampel.
Gambar 4 Spektrum gelombang elektromagnetik (Osborne 1993).
Semua bahan organik terdiri dari atom-atom utama seperti karbon, oksigen,
hidrogen, pospor, dan sulfur. Atom-atom ini terikat secara kovalen dan
elektrovalen membentuk molekul-molekul. Ketika molekul-molekul tersebut
disinari dengan sumber energi dari luar maka terjadi perubahan energi potensial
dalam molekul. Radiasi elaktromagnetik dapat dinyatakan dalam bentuk
frekuansi (v), panjang gelombang (λ), atau bilangan gelombang (v1) yaitu ciri
gelombang yang berbanding lurus dengan energi. Bentuk yang paling umum
digunakan adalah panjang gelombang (nm) dan bilangan gelombang (cm-1
... (1)
Intensitas penyerapan dapat dinyatakan sebagai transmitan dengan persamaan: ).
Kedua satuan dapat dikonversi dengan persamaan:
... (2)
Nilai I adalah intensitas energi yang keluar dari sampel, dan I0 adalah energi yang
mengenai sampel. Hukum Beer-Lambert menyatakan bahwa penyerapan dapat
... (3)
Nilai A adalah absorban, k adalah konstanta proporsi, c adalah konsentrasi
penyerapan molekul, dan adalah jarak antara sumber energi ke sampel.
Saat radiasi mengenai partikel-partikel sampel maka radiasi dapat
dipantulkan, diserap atau diteruskan. Nilai yang terukur berupa nilai pancaran
pantulan (diffuse reflectance) yang secara empirik berkaitan dengan konsentrasi
penyerapan molekul (c). Dalam NIR spectroscopy, reflektan (R) dianalogikan
dengan transmitan, sehingga:
... (4)
Sebagian besar spektra NIR didominasi oleh ikatan hidrogen sebab atom hidrogen
merupakan atom yang paling kuat. Ikatan hidrogen dapat berupa ikatan C-H,
N-H, S-N-H, atau O-H (Osborne 1993, Blanco & Villarroya 2002, Pasquini 2003).
Partial Least Squares (PLS)
PLS merupakan metode olah data yang berbasis linear. Metode PLS hampir
sama dengan metode principal components regression (PCR). Perbedaannya
terletak pada proses penentuan komponen utama atau principal components (PC).
Dalam PCR, penentuan PC hanya berdasarkan variasi maksimum data spektra
sedangkan dalam PLS, PC ditentukan berdasarkan variasi maksimum data spektra
dan data destruktif secara bersamaan. Algoritma PLS adalah sebagai berikut
(William & Norris 1990):
Langkah awal adalah pemusatan data matriks X dengan vektor c dengan
Persamaan 5 dan 6:
... (5)
... (6)
Untuk masing masing faktor baru yaitu a = 1, 2, ..., A, melalui langkah 1 sampai 4
yaitu:
1. Residual data destruktif digunakan untuk menghitung loading vektor
... (7)
Hasilnya dinormalisasi dengan Persamaan 8:
... (8)
2. Menghitung faktor-faktor regresi (ta) dengan kuadrat terkecil dari nilai
dengan persamaan 9:
... (9)
3. Menghitung loading vektor data destruktif dengan Persamaan 10:
...(10)
4. Persiapan residual baru dengan Persamaan 11 dan 12:
...(11)
... (12)
Selanjutnya, kembali ke langkah 1 jika a<A.
Metode PLS telah banyak digunakan sebagai metode olah data spektra NIR.
Kawano dan McGlone (1998) memprediksi bahan kering, total padatan terlarut
(TPT), dan kekerasan buah kiwi menggunakan spektra NIR pada panjang
gelombang 800-1.100 nm dan PLS. Hasilnya, bahan kering dan TPT dapat
diprediksi dengan tingkat akurasi tinggi. Model kalibrasi untuk bahan kering
memiliki nilai R2 = 0,90; RMSEP = 0,42% dan untuk TPT memiliki R2 = 0,90;
RMSEP = 0,39 0Brix. Sedangkan kekerasan buah tidak dapat diprediksi dengan
baik oleh NIR, model kalibrasi yang diperoleh memiliki nilai R2 = 0,66; dan
RMSEP = 7,8 N.
Cozzolino et al. (2005) berhasil memprediksi free fatty acid (FFA) dan
kadar air dalam minyak ikan menggunakan spektra NIR pada panjang gelombang
1.100-2.500 nm dan PLS. Hasil kalibrasi dan validasi yang diperoleh untuk FFA
memiliki nilai R2 = 0,96; standard error of cross validation (SECV) = 0,59;
standard error of prediction (SEP) = 0,50 dalam g/kg dan untuk kadar air
memiliki nilai R2
Uddin et al. (2006) memprediksi protein dan kadar air dalam surimi
Hasilnya, protein dan TPT dapat diprediksi dengan sangat baik. Model kalibrasi
untuk protein memiliki nilai r = 0,98; RPD = 10,38 dan untuk kadar air memiliki
r = 0,98; RPD = 7,63.
Penchaiya et al. (2009) memprediksi TPT dan kekerasan buah lada
menggunakan reflektan NIR pada panjang gelombang 780-1690 nm dan PLS.
Model kalibrasi yang diperoleh untuk TPT memiliki r = 0,92; SEP = 0,70 0Brix.
Sedangkan kekerasan tidak dapat diprediksi dengan baik oleh NIR,
model kalibrasi yang diperoleh memiliki nilai r = 0,60; SEP = 4,49 N; dan bias =
5,59 N.
Mireei et al. (2010) berhasil memprediksi kadar air dan TPT pada buah
kurma mazafati menggunakan spektra NIR pada panjang gelombang
900-1.700 nm dan 1.332-1641 nm dengan metode olah data PLS. Hasilnya, kadar
air dan TPT dapat diprediksi dengan sangat baik. Model kalibrasi untuk kadar air
memiliki nilai R2 = 0,98; RPD = 7,1 dan untuk protein memiliki R2
Analisis Komponen Utama (PCA)
= 0,97;
RPD = 4,8.
Analisis komponen utama (PCA) digunakan untuk menghindari kasus
multikoleniaritas. Dalam analisis multivariabel, PCA dapat dijadikan dasar untuk
melakukan analisis faktor sehingga dapat digunakan untuk mendapatkan variabel
baru dalam jumlah yang lebih sedikit (Iriawan & Astuti 2006). Dalam analisis
spektra, PCA digunakan untuk mengurangi jumlah data spektra yang bertujuan
menghindari overfitting dan keragaman spektra yang disebabkan oleh perbedaan
ukuran partikel dan kadar air (Osborne et al 1993).
Prinsip dasar PCA adalah mendeskripsikan variasi suatu set data menjadi
sebuah set data baru yang terdiri dari variabel-variabel baru yang tidak
berkorelasi satu sama lain. Variabel-variabel baru tersebut merupakan kombinasi
linear dari variabel asal yang diturunkan dalam arah menurun sehingga beberapa
komponen pertama mengandung sebanyak mungkin variasi data asal. Dengan
data asal tanpa kehilangan informasi yang sangat berguna. Misalkan sebuah
ruang vektor data berdimensi n dituliskan dengan matriks Xp, xn
x
:
11 x12 … x1n
X = x21 x22 … x2n xp1 xp2 … xpn
1. Komponen utama pertama dipilih dalam arah variasi maksimum dengan
Persamaan 13.
dimana p adalah contoh ke-p dan n adalah parameter ke-n yang diukur. Analisis
PCA bertujuan untuk mendapatkan sebuah ruang vektor berdimensi m, dimana
m<n, sehingga ruang vektor berdimensi m mencakup hampir seluruh variasi data.
Untuk mendapatkannya, ruang vektor berdimensi n diproyeksikan ke ruang vektor
berdimensi m dengan memilih setiap arah variasi maksimum tetapi setiap arah
variasi data tersebut saling tegak lurus (orthogonal). Variasi-variasi data inilah
yang disebut komponen utama. Algoritma PCA adalah sebagai berikut (Peterson
1993):
y1 = Xw1 ...(13)
Nilai y1 dan w1 adalah vektor kolom. Nilai ini harus dibatasi karena variasi
data dapat dibuat semakin besar dengan cara menaikkan nilai w1
...(14) . Hal
tersebut dapat diatasi dengan normalisasi menggunakan Persamaan 14.
Nilai adalah vektor transpose w1
2. Jumlah kuadrat y
.
1
...(15)
Selanjutnya Persamaan 15 dimaksimumkan dengan persamaan Lagrange.
Fungsi komposit L pada Persamaan 16 dibentuk menggunakan Persamaan
14 dan 15 sebagai berikut:
dimaksimumkan dengan Persamaan 15.
Nilai λ1 adalah pengali Lagrange. Nilai maksimum L diperoleh dengan
mengambil turunan parsial terhadap w1 dan λ1
... (17) yang bernilai 0
menggunakan Persamaan 17. Hasilnya adalah Persamaan 18.
... (18)
Sehingga diperoleh Persamaan 19:
... (19)
Nilai y1
3. Komponen utama kedua (y
adalah komponen utama pertama dengan variasi maksimum
dimana juga merupakan eigenvalue
2) diperoleh dengan prosedur yang sama untuk
mendapatkan y1 dan nilainya juga tegak lurus terhadap y1
... (20) , sehingga:
4. Jumlah kuadrat y2
... (21)
Fungsi komposit Lagrange untuk memaksimumkan Persamaan 20 dengan
fungsi pembatas pada Persamaan 21 adalah:
dimaksimumkan dengan dua fungsi pembatas pada
Persamaan 21.
... (22)
Dimana dan adalah pengali Lagrange. Turunan parsial terhadap = 0
dilakukan seperti proses sebelumnya sehingga diperoleh:
... (23)
5. Eigenvalue λ1, λ2, λ3, …, λp
λ
yang berhubungan dengan matrik tegak lurus
Matriks A merupakan matriks diagonal maka komponen-komponen utama
yang diekstrak dari variabel asal saling tegak lurus atau tidak berkorelasi
satu sama lain.
6. Total variasi X dijelaskan dengan Persamaan 24.
...(24)
7. Proporsi variasi komponen utama ke-j dari X dihitung dengan Persamaan
25.
...(25)
8. Komulatif variasi X menggunakan komponen utama ke-m didapatkan
dengan menjumlahkan eigenvalue ke-m dibagi dengan total variasi X
dengan Persamaan 26.
...(26)
Jaringan Saraf Tiruan
Jaringan saraf tiruan (JST) merupakan sistem pemroses informasi yang
memiliki karakteristik mirip dengan jaringan saraf biologis di dalam otak manusia
yang diperkenalkan pertama kali oleh Mc Culloch dan Pitts pada tahun 1943.
Pada prinsipnya JST terdiri dari tiga lapisan, yaitu lapisan input, lapisan
tersembunyi, dan lapisan output. Jaringan saraf tiruan dibentuk sebagai
generalisasi model matematika dari jaringan saraf biologis dengan asumsi bahwa
(1) pengolahan informasi terjadi pada elemen-elemen pemrosesan
(neuron-neuron), (2) sinyal antara dua buah neuron diteruskan melalui
penghubung-penghubung, (3) setiap penghubung memiliki bobot terasosiasi, dan (4) setiap
neuron menerapkan sebuah fungsi aktivasi terhadap input jaringan untuk
menentukan sinyal output.
Metode pembelajaran JST terbagi menjadi tiga yaitu metode pembelajaran
learning), dan pembelajaran hibrida (hybrid). Pada metode pembelajaran terawasi
output yang diharapkan telah diketahui sebelumnya. Sedangkan disebut metode
pembelajaran tidak terawasi jika tidak memerlukan target ouput. Metode
pembelajaran hibrida merupakan kombinasi atau gabungan dari metode
pembelajaran terawasi dan tidak terawasi.
Salah satu algoritma dalam metode pembelajaran terawasi yang umum
digunakan adalah algoritma propagasi balik atau backpropagation (Gambar 5).
Ketika jaringan diberi pola masukan sebagai pola pelatihan maka pola tersebut
menuju ke unit-unit pada lapisan tersembunyi untuk diteruskan pada lapisan
output. Kemudian lapisan output memberikan tanggapan yang disebut sebagai
output jaringan. Jika nilai output tidak sama dengan nilai yang diharapkan maka
output akan menyebar mundur menuju lapisan tersembunyi kemudian diteruskan
ke lapisan input. Siklus ini terjadi terus menerus hingga tercapai kondisi yang
diinginkan atau kondisi berhenti terpenuhi misalnya dengan penetapan jumlah
iterasi (Puspitaningrum 2006).
Kemampuan dasar JST adalah mampu memepelajari contoh input dan
output yang diberikan (memorisasi), kemudian belajar beradaptasi dengan
lingkungan (generalisasi) sehingga dapat memecahkan masalah-masalah yang
tidak dapat dipecahkan dengan metode komputasi konvensional. Kinerja JST
ditentukan oleh tiga hal yaitu pola hubungan antar unit (arsitektur jaringan),
metode untuk menentukan bobot penghubung (metode pembelajaran), dan fungsi
aktivasi.
Algoritma pelatihan propagasi balik yang berlangsung dalam jaringan
adalah sebagai berikut (Kusumadewi 2003):
1. Inisialisasi pembobot
Mula-mula bobot dipilih secara acak kemudian setiap sinyal dikirim ke unit
lapisan input lalu sistem akan mengirim sinyal ke unit lapisan di atasnya.
2. Perambatan maju
Tiap unit masukan (xi, i = 1,…, n) menerima sinyal xi dan mengantarkan
sinyal ini ke semua unit lapisan tersembunyi. Setiap unit tersembunyi (xi, i
= 1,…, p) menjumlahkan bobot sinyal masukannya dengan Persamaan 27.
ij
Sinyal output teraktifasi ini dikirim ke semua unit lapisan di atasnya yaitu
lapisan output. Setiap unit output (yk, k = 1,…, m) menjumlahkan bobot
sinyal masukan dengan Persamaan 29.
yang masuk ke
lapisan tersembunyi selanjutnya diaktivasi dengan fungsi sigmoid
(Persamaan 28) untuk menghasilkan sinyal output pada lapisan ini.
jk
lapisan output diaktivasi dengan fungsi sigmoid (Persamaan 30) untuk
– ... (30)
3. Perambatan mundur
Setiap unit keluaran (yk , k = 1,…, m) menerima pola target yang saling
berhubungan pada masukan pola pelatihan. Error informasi dihitung
dengan Persamaan 31.
Error informasi ini selanjutnya digunakan sebagai faktor pengali untuk
memperhitungkan koreksi bobot yang nantinya digunakan untuk
memperbaharui wjk
. Koreksi pembobot di lapisan tersembunyi
menggunakan Persamaan 32.
... (32)
Koreksi bias untuk memperbaharui wok
k ok
w =
α
δ
∆
dihitung dengan Persamaan 33.
... (33)
Setiap unit lapisan tersembunyi (zj, j = 1,…, p) menerima sinyal input dari
lapisan terluar berupa nilai pembobot dengan Persamaan 34.
jk
Error informasi dihitung dengan Persamaan 35.
(
j)
Koreksi pembobot untuk memperbaiki vij
i
Koreksi bias untuk memperbaiki voj
jk
Metode JST telah banyak digunakan sebagai metode olah data spektra NIR.
Rejo et al. (2001) menduga tingkat kematangan buah durian dengan tingkat
akurasi 100% menggunakan densitas dan sifat-sifat akustik sebagai data input JST
serta iterasi sebanyak 5.000 kali. Senduk (2002) menduga tingkat kematangan
dan ketuaan buah sawo dengan kombinasi data input 5, 10, dan 15 PC spektra
NIR dan kombinasi jumlah lapisan tersembunyi sebanyak 4, 6, 8, 10, dan 12
dengan RMSE 0,0077-0,00073 dan tingkat akurasi 100%. Li et al. (2007)
menggunakan visible near infrared (VisNIR) dengan panjang gelombang
400-1.000 nm dan metode PCA-JST untuk menentukan varietas bayberry china
dengan tingkat akurasi 95%. Liu et a.l (2009) menggunakan VisNIR dan
algoritma propagasi balik untuk menentukan beberapa jenis teh susu instan
dengan error ± 0,1. Makino et al. (2010) memprediksi penyerapan oksigen buah
tomat menggunakan absorban NIR dan JST menghasilkan korelasi sebesar 0,79
dan RMSEP 0,091mmmol/kg/jam.
Analisis Regresi
Regresi adalah tempat kedudukan nilai tengah atau rataan, median, atau
rataan geometrik dari peubah y untuk berbagai nilai atau selang nilai peubah x.
Tempat kedudukan ini berupa kumpulan titik yang membentuk garis atau kurva
tertentu yang disebut sebagai persamaan regresi. Kurva ini dapat berbentuk
fungsi linear, kuadratik, atau logaritmik (Mosteller & Tukey 1977 dalam
Aunuddin 2005). Analisis regresi sangat berguna dalam penelitian karena regresi
dapat digunakan untuk mengukur kekuatan hubungan antara variabel respons (y)
dan variabel prediktor (x). Regresi juga dapat digunakan untuk mengetahui
untuk memprediksi pengaruh satu atau beberapa variabel x terhadap y (Aunuddin
2005).
Persamaan regresi memiliki variabel respons (y) dan variabel prediktor (x).
Variabel respons adalah variabel yang dipengaruhi oleh variabel prediktor dan
disebut juga sebagai variabel dependen karena tidak bisa bebas dikendalikan oleh
peneliti. Sedangkan variabel prediktor digunakan untuk memprediksi nilai
variabel respons dan disebut juga sebagai variabel independen karena bisa bebas
dikendalikan oleh peneliti. Kedua variabel dihubungkan dalam persamaan
matematika. Secara umum, persamaan regresi dinyatakan sebagai berikut:
... (40)
Nilai adalah intersep yaitu nilai variabel respons ketika variabel prediktor
bernilai 0. Nilai , , …, dan adalah parameter-parameter persamaan regresi
untuk variabel , , …, dan . Variabel respons dan prediktor dalam
persamaan regresi harus berskala kontinyu, artinya skala data kedua variabel
tersebut memiliki rasio atau interval. Dalam persamaan regresi juga terdapat
istilah yaitu error atau residual. Residual adalah jarak antara nilai sebenarnya
dengan garis model taksiran. Nilai residual diperoleh dengan menghitung selisih
nilai variabel respons yang sebenarnya terhadap nilai taksirannya. Asumsi dasar
yang harus dipenuhi dalam regresi adalah nilai residual diasumsikan terdistribusi
secara normal dengan rata-rata mendekati nol dan standar deviasi tertentu.
Asumsi tersebut merupakan syarat agar suatu persamaan regresi yang dibuat bisa
menggambarkan karakteristik data yang ada (Aunuddin 2005 dan Iriawan &
METODOLOGI PENELITIAN
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
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
Analisis regresi kadar air terhadap kekerasan
Persamaan regresi kadar air terhadap kekerasan kulit (B)
Selesai
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
Model kalibrasi PLS
Selesai
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
Model kalibrasi JST
Kadar air kulit buah
Analisis PCA Analisis PCA
Nilai r ≥ 0,75 CV < 5%
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
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,
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
