ULTRASONIC-ASSISTED EXTRACTION ANTIOKSIDAN DARI
KULIT MANGGIS
MAR’ATUS SHOLIHAH
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Ultrasonic-assisted Extraction Antioksidan dari Kulit Manggis adalah benar 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.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, November 2016 Mar’atus Sholihah
RINGKASAN
MAR’ATUS SHOLIHAH. Ultrasonic-assisted Extraction Antioksidan dari Kulit Manggis. Dibimbing oleh USMAN AHMAD dan I WAYAN BUDIASTRA.
Manggis (Garcinia mangostana L.) adalah salah satu buah eksotis Indonesia yang tersusun atas komponen kulit 70-75%, daging buah 10-15% dan biji 15-20%. Kulit manggis tersusun atas senyawa polifenol salah satunya adalah antosianin yang memiliki kemampuan sebagai antioksidan kuat. Metode ekstraksi yang paling umum digunakan untuk memperoleh antosianin dalam kulit manggis adalah maserasi. Maserasi umumnya berjalan lambat dan menghasilkan rendemen yang rendah. Oleh karena itu, diperlukan metode ekstraksi yang lebih cepat salah satunya dengan ultrasonic-assisted extraction (UAE). Gelombang ultrasonik adalah gelombang suara yang memiliki frekuensi di atas pendengaran manusia (≥ 20 kHz). UAE dikategorikan menjadi dua yaitu UAE sonikasi langsung dan tidak langsung. UAE sonikasi langsung belum digunakan pada ekstraksi kulit manggis.
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengaruh amplitudo dan waktu eksitasi dalam UAE sonikasi langsung pada proses ekstraksi antioksidan dari kulit manggis. Perangkat UAE yang digunakan adalah Sonicator Q700 yang terdiri dari generator, transduser dan probe dengan daya 700 watt dan frekuensi 20 kHz. Eksitasi gelombang utrasonik pada waktu yang lama dapat meningkatkan suhu larutan yang menyebabkan percepatan oksidasi antioksidan. Oleh karena itu, pengontrol suhu digunakan untuk menjaga konsistensi suhu ekstraksi dengan prinsip heat exchanger. Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan acak lengkap dua faktor. Kedua faktor tersebut adalah waktu eksitasi (15, 30, 45 menit) dan amplitudo ultrasonik (35, 50, 65%). Parameter yang diamati adalah kadar air, rendemen, kadar antosianin total dan aktivitas antioksidan. Ekstraksi dengan metode maserasi pada suhu 35 oC selama 7 jam digunakan sebagai kontrol.
Ekstraksi berbantu ultrasonik mengalami kenaikan suhu khususnya pada amplitudo 50% dan 65%. Penggunaan pengontrol suhu mampu menjaga suhu diantara 34 – 36.2 oC. Kadar air rata-rata hasil pengeringan sebesar 10.17% telah memenuhi kadar air pengeringan yaitu 9-11%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode UAE dapat meningkatkan rendemen, kadar antosianin total dan aktivitas antioksidan secara signifikan terhadap kontrol. Fenomena kavitasi pada UAE berfungsi meningkatkan kelarutan dan transfer massa yang diekstrak dengan waktu yang lebih singkat. Tidak ada interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap parameter yang diamati. Setiap kenaikan amplitudo 15% dan waktu eksitasi 15 menit tidak menunjukkan perbedaan yang nyata pada parameter yang diamati sedangkan setiap kenaikan amplitudo 30% dan waktu eksitasi 30 menit menunjukkan perbedaan yang nyata.
Perlakuan UAE terbaik adalah amplitudo 65% dengan waktu eksitasi 45 menit yang menghasilkan rendemen 6.71%, kadar antosianin total 558.76 ppm dan aktivitas antioksidan IC50 4.93 ppm. Metode UAE mampu meningkatkan rendemen 1.02-2.66 %, kadar antosianin total 23-88% dan aktivitas antioksidan 17-40% dari kulit manggis. Metode UAE dapat meningkatkan efektivitas ekstraksi dan mengurangi waktu ekstraksi antioksidan dari kulit manggis.
SUMMARY
MAR’ATUS SHOLIHAH. Ultrasonic-assisted Extraction on Antioxidant from Mangosteen Rind. Supersived by USMAN AHMAD and I WAYAN BUDIASTRA
Mangosteen is one of exotic fruit from Indonesia that consists of rind 70-75%, pulp 10-15% and seed 15-20%. Mangosteen rind contains polyphenol compounds, one of which is anthocyanin. Anthocyanin has a potency as strong antioxidant. Maceration is one of the common extraction methods used to obtain antioxidant of mangosteen rind. However, this method spends more time and produces low extraction yield. Therefore, one of potential methods to improve extraction process is ultrasonic-assisted extraction (UAE). Ultrasonic wave is sound wave transmitted above the human-detectable frequency range (≥ 20 kHz). UAE can be classified into two types: UAE indirect sonication and UAE direct sonication. UAE direct sonication didn’t used yet on extraction of mangosteen rind.
The aim of the research was to observe the effect of amplitude of ultrasonic wave and excitation time of UAE direct sonication on extraction process from mangosteen rind. UAE device used was Sonicator Q700 with power 700 watt and frequency 20 kHz. It was arranged from generator, transducer and probe. Excitation of ultrasonic wave in a long time can increase the temperature that led to accelerate oxidation of antioxidant. Therefore, temperature control was used to maintain extraction temperature using heat exchanger system. Experimental design chosen was completely randomized design 2 factors. The factors were amplitude of ultrasonic wave (35, 50, 65%) and excitation time (15, 30, 45 minutes). Parameters tested are moisture content, extraction yield, total anthocyanin content and antioxidant activity. As the control was maceration method at 35 oC for 7 hours.
The temperature was increasing during UAE process particularly on the amplitude of 50% and 65%. Application of temperature control can mantain temperature between 34 – 36.2 oC. Moisture content of mangosteen rind powder was 10.17%. This result had qualified drying moisture content in the range 9-11%. The result showed that the extraction yield, total anthocyanin content (TAC) and antioxidant activity (IC50) of all ultrasonic treatments were significantly different
from that of control. The formation of cavitation in UAE method can increase solubility and mass transfer of extracted component in shorter time. There is no interaction between amplitude of ultrasonic and excitation time toward quality parameters obtained. Any increment in the amplitude of 15% and excitaion 15 minutes did not show significantly different while any increment in the amplitude of 30% and excitaion 30 minutes showed significantly different for all parameters tested.
The optimal condition of UAE was obtained from amplitude of 65% and excitation time 45 minutes resulting 6.71% of extraction yield, TAC 558.76 ppm and IC50 4.93 ppm. UAE can increase 1.02-2.66 % of yield, 23-88% of TAC and
17-40% of IC50 from mangosteen rind.UAE can enhance the effectiveness of
antioxidant extraction and reduce extraction time from mangosteen rind.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknologi Pascapanen
ULTRASONIC-ASSISTED EXTRACTION ANTIOKSIDAN DARI
KULIT MANGGIS
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2016
PRAKATA
Puji dan syukur penulis aturkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala nikmat-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2016 ini ialah ekstraksi antioksidan, dengan judul Ultrasonic-assisted Extraction Antioksidan dari Kulit Manggis.
Penulis ingin mengucapkan terimakasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua yang saya hormati Bapak MH Purwoko dan umi Siti Rohmatun, suami tercinta Ali Akbar dan keluarga besar yang senantiasa memberikan do’a dan kasih sayang sehingga studi ini dapat terselesaikan. 2. Bapak Dr Ir Usman Ahmad, MAgr dan Bapak Dr Ir I Wayan Budiastra,
MAgr selaku pembimbing yang sudah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis.
3. Ibu Dr Nanik Purwanti, STP MSc selaku penguji luar komisi yang telah memberikan saran dan koreksi untuk perbaikan tesis.
4. Ketua PS Teknologi Pascapanen IPB Bapak Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr yang telah memberikan saran dan koreksi untuk perbaikan tesis.
5. Ibu Rusmawati dan Bapak Ahmad Muyatullah atas segala dukungan dan layanan selama penulis menjalani perkuliahan dan penelitian.
6. Rekan-rekan seperjuangan S2 TPP IPB 2013 dan 2014 selaku rekan diskusi dalam penelitian.
7. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan, Republik Indonesia yang telah memberikan beasiswa selama perkulihan dan penelitian melalui beasiswa BPPDN.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL vii
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR LAMPIRAN vii
1 PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 2
Tujuan Penelitian 2
Manfaat Penelitian 3
2 TINJAUAN PUSTAKA 3
Manggis (Garcinia mangostana. L) 3
Antioksidan pada kulit manggis 3
Uji Aktivitas Antioksidan dengan Metode DPPH 4
Gelombang ultrasonik 5
Jenis-jenis pemanfaatan gelombang ultrasonik 5
Transduser Ultrasonik 7
Mekanisme UAE 8
Parameter pada proses sonokimia 10
3 METODE 12
Waktu dan Tempat Penelitian 12
Bahan 12
Alat 12
Prosedur Penelitian 12
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 17
Pengontrol suhu ekstraksi 17
Kadar air serbuk kulit manggis 17
Rendemen ekstrak kulit manggis 18
Kadar antosianin total 20
Aktivitas antioksidan 22
5 SIMPULAN DAN SARAN 25
Simpulan 25
Saran 26
DAFTAR TABEL
1 Klasifikasi botani buah manggis 3
2 Tingkat kekuatan antioksidan dengan metode DPPH 5
3 Kadar air serbuk kulit manggis (%) 18
4 Rendemen ekstrak kulit manggis (%) 18
5 Kadar antosianin total ekstrak kulit manggis (ppm) 20
6 Contoh perhitungan kadar antosianin total 20
7 Aktivitas antioksidan ekstrak kulit manggis IC50 (ppm) 22
8 Absorbansi dan inhibisi vitamin C 22
9 Perhitungan nilai IC50 dari vitamin C 23
10 Nilai koefisien korelasi Pearson antar parameter pengujian 25
DAFTAR GAMBAR
1 Indirect cleaning bath 6
2 Direct cleaning bath 6
3 Submersible transducers 7
4 Horn ultrasonic 7
5 Jenis dan ukuran probe Sonicator Q700 8
6 Fenomena kavitasi 9
7 Diagram alir penelitian 13
8 Metode ekstraksi berbantu ultrasonik 14
9 Perangkat Sonicator Q700 15
10 Interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap rendemen 19 11 Interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap kadar antosianin
total 21
12 Kurva penentuan nilai IC50 dari vitamin C 23
13 Interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap aktivitas
antioksidan 24
DAFTAR LAMPIRAN
1 Spesifikasi Sonicator Q700 32
2 Energi ultrasonik yang digunakan (Joule) 32
3 Indeks Polaritas Berbagai Pelarut 33
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Manggis (Garcinia mangostana L.) adalah salah satu buah eksotis yang berasal dari hutan tropis Asia Tenggara khususnya Malaysia dan Indonesia. Terdapat sekitar 100 jenis tanaman manggis yang tumbuh di Indonesia dari sekitar 400 jenis yang dijumpai di dunia. Menurut Rencana Strategis Kementan tahun 2015-2019, manggis merupakan salah satu buah yang memiliki peluang ekspor cukup menjanjikan. Berdasarkan penelitian Iswari dan Sudaryono (2007), komponen manggis yang paling besar adalah kulitnya yakni 70-75% sedangkan daging buahnya hanya 10-15% dan bijinya 15-20%. Kulit manggis diketahui mengandung antioksidan yang tinggi karena tersusun atas senyawa polifenol yang cukup banyak diantaranya adalah antosianin, tanin, xanthone dan senyawa asam fenolat.
Antosianin merupakan senyawa flavonoid yang memiliki kemampuan sebagai antioksidan kuat. Kemampuan antioksidatif antosianin timbul dari reaktivitasnya yang tinggi sebagai pendonor hidrogen atau elektron, kemampuan radikal turunan polifenol untuk menstabilkan dan mendelokalisasi elektron tidak berpasangan serta kemampuannya mengikat ion logam (terminasi reaksi Fenton) (Rice-Evans et al. 1997). Antosianin dalam kulit manggis dapat diperoleh dengan metode ekstraksi. Ekstraksi adalah suatu proses pemisahan dari bahan padat maupun cair dengan bantuan pelarut. Ekstraksi menggunakan pelarut didasarkan pada kelarutan komponen terhadap komponen lain dalam campuran (Miryanti 2011).
Untuk mendapatkan antioksidan dari tumbuh-tumbuhan dilakukan ekstraksi dengan pelarut berdasarkan tingkat kelarutan senyawa tersebut. Senyawa alkoholik seperti etanol, metanol dan propanol merupakan pelarut untuk mengekstraksi semua golongan flavonoid. Metode ekstraksi yang paling umum digunakan adalah maserasi yaitu merendam sampel menggunakan pelarut dengan atau tanpa pengadukan. Perendaman bahan yang dilakukan pada proses maserasi akan dapat menaikkan permeabilitas dinding sel melalui tiga tahapan: (1) masuknya pelarut ke dalam dinding sel dan membengkakannya, (2) senyawa yang terdapat pada dinding sel akan lepas dan masuk ke dalam pelarut, (3) difusi senyawa yang terekstraksi oleh pelarut keluar dari dinding sel. Maserasi umumnya berjalan lambat, membutuhkan banyak pelarut dan menghasilkan rendemen yang rendah. Suhu yang cukup tinggi digunakan untuk meningkatkan kelarutan senyawa yang diekstrak sehingga dapat mempercepat proses oksidasi antioksidan.
2
konvensional menggunakan maserasi yaitu efisiensi lebih besar dan waktu operasinya lebih singkat.
Metode UAE dapat dibagi menjadi dua yaitu UAE sonikasi langsung dan UAE sonikasi tidak langsung. Metode sonikasi tidak langsung menggunakan medium air atau dikenal dengan ultrasonic water bath. Metode sonikasi tidak langsung adalah metode sonikasi yang tidak membutuhkan probe untuk kontak langsung dengan sampel. Energi ultrasonik ditransmisikan lewat horn menggunakan medium air sehingga mengenai tube beberapa sampel. UAE sonikasi tidak langsung lebih sering digunakan untuk sampel yang sangat kecil atau sedikit karena dapat menghambat foaming dan losses. Metode ini juga digunakan untuk sampel yang steril atau berpatogen karena aerosol dan kontaminasi silang dapat dicegah. Metode UAE sonikasi langsung adalah metode yang memasukkan probe secara langsung ke dalam wadah sampel. Energi ditransmisikan langsung dari probe ke sampel dengan intensitas yang tinggi dan sampel diproses secara cepat.
Studi UAE untuk peningkatan rendemen dan efektivitas ekstraksi sudah banyak dilakukan. Di Indonesia, aplikasi ultrasonik telah dilakukan Supardan et al. (2011) untuk me-recovery minyak dari limbah pabrik kelapa sawit dengan rendemen yang berbeda nyata terhadap ekstraksi tanpa bantuan ultrasonik. Penelitian menggunakan metode sonikasi langsung telah dilakukan oleh Golmohamadi et al. (2013) yang meneliti pengaruh frekuensi ultrasonik pada puree raspberry merah dan Gonzalez-centeno et al. (2015) mengenai pengaruh daya ultrasonik terhadap ekstraksi senyawa fenolik dari grape pomace. Di Indonesia metode UAE sonikasi langsung belum banyak dilakukan. Untuk itu, perlu adanya suatu studi yang mengkaji penggunaan metode UAE sonikasi langsung terutama untuk ekstraksi senyawa-senyawa fenol seperti antosianin yang akan mengalami degradasi pada suhu di atas 35 oC. Kajian tersebut dapat difokuskan pada pengaruh karakteristik UAE seperti frekuensi dan amplitudo terhadap rendemen dan aktivitas antioksidan yang dihasilkan.
Perumusan Masalah
Ekstraksi kulit buah manggis dengan metode maserasi membutuhkan waktu 24 jam (lama) untuk kapasitas 700 mL dengan rendemen 12.61% (rendah) dan aktivitas antioksidan 27.24 ppm (lemah). Diperlukan metode ekstraksi baru yang mampu mempercepat waktu ekstraksi, meningkatkan rendemen dan aktivitas antioksidan yang dihasilkan, salah satunya dengan menggunakan metode UAE.
Tujuan Penelitian
3
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah menjadi solusi untuk proses ekstraksi kulit manggis yang membutuhkan waktu lama dan membantu meningkatkan rendemen, kadar antosianin total dan aktivitas antioksidan yang terekstrak sehingga hasil ekstraksi menjadi lebih menguntungkan.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Manggis (Garcinia mangostana. L)
Manggis adalah buah yang berasal dari hutan tropis yang teduh di kawasan Asia Tenggara, yaitu hutan belantara Indonesia atau Malaysia. Manggis dikenal sebagai Queen of Fruits karenamemiliki warna kulit, daging buah dan rasa yang unik yaitu manis dan asam. Pertumbuhan terbaik dicapai pada daerah dengan ketinggian diantara 500-600 m dpl. Derajat keasaman tanah yang dikehendaki adalah 5-7 (agak masam sampai netral). Curah hujan 1270-2500 mm/tahun dengan 10 bulan basah dalam satu tahun dan kelembaban udara sekitar 80% dan intensitas cahaya matahari yang optimum. Buah manggis dalam perdagangan dikenal sebagai ratu buah dengan klasifikasi botani pohon manggis pada Tabel 1.
Tabel 1 Klasifikasi botani buah manggis
Divisi Spermotophyta
Subdivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledone
Family Guttiferae
Genus Garcinia
Species Garcinia mangostana
Buah manggis terdiri atas bagian-bagian seperti tangkai atau mahkota, perikarp, daging buah dan biji. Buah manggis juga mengandung mineral yang bermanfaat bagi tubuh. Komposisi mineral buah manggis yang dimakan dalam 100 gram berat basah meliputi 1.1 mg Na, 101.3 mg K, 13.2 mg Mg, 12.3 mg Ca, 512.6 μg Fe, 112.6 μg Mn, 31.6 μg Zn dan 8.7 μg Cu (Haruenkit et al. 2007). Secara tradisional buah manggis digunakan sebagai obat sariawan, wasir dan luka. Batang pohon dipakai sebagai bahan bangunan, kayu bakar/ kerajinan (Prihatman 2000). Kulit manggis dapat digunakan sebagai zat pewarna alami yang aman untuk makanan serta memiliki fungsi antioksidan, antidiare dan antikanker.
Antioksidan pada Kulit Manggis
0.7-4
34.9 mg/g (Permana 2010). Secara kimiawi antosianin bisa dikelompokkan dalam golongan flavonoid (Harborne 1996) dan fenolik (Steed dan Truong 2008). Antosianin adalah pigmen yang bisa larut dalam air. Sifat antosianin termasuk perubahan warna dan aktivitas antioksidan dipengaruhi oleh pH dan struktur dari antosianin (Marco et al. 2011). Antosianin dapat berfungsi sebagai antioksidan karena flavonoid merupakan salah satu antioksidan sekunder atau antioksidan non enzimatis (Jordheim 2007).
Antioksidan adalah zat yang dapat menangkal atau mencegah reaksi oksidasi dari radikal bebas (Chang, et al., 2002). Oksidasi adalah jenis reaksi kimia berkenaan dengan pengikatan oksigen, pelepasan hidrogen, atau pelepasan elektron. Reaksi oksidasi dapat menghasilkan radikal bebas dan memicu reaksi berantai sehingga menyebabkan kerusakan sel dalam tubuh. Radikal bebas adalah atom atau gugus apa saja yang memiliki satu atau lebih elektron tidak berpasangan. Suatu radikal bebas dapat bermuatan positif atau negatif, maka spesies semacam ini sangat reaktif karena adanya elektron tidak berpasangan.
Antioksidan dapat mencegah terjadinya peroksidasi lipid baik pada tahap inisiasi, propagasi maupun pada tahap terminasi seperti berikut:
LH + oksidan L• + oksidan-H (inisiasi) ganda. Peroksidasi dimulai (inisiasi) dari abstraksi atom hidrogen pada gugus metilen oleh ROS membentuk radikal karbon (L•). Apabila radikal karbon bereaksi dengan oksigen maka akan terbentuk radikal peroksil (LOO•). Reaksi berikutnya adalah abstraksi atom hidrogen lipid lain oleh radikal peroksil membentuk lipid hidroperoksida yang bersifat sitotoksik (LOOH), sehingga terjadi reaksi berantai. Reaksi akan berakhir (terminasi) jika radikal karbon yang terbentuk pada tahap inisiasi ataupun radikal lain yang terbentuk pada reaksi propagasi bereaksi dengan radikal lain menjadi produk non radikal (Setiawan dan Suhartono 2007). Pada tahap inisiasi, peroksidasi lipid dapat dicegah oleh peredam radikal bebas. Sementara pada tahap propagasi diputus oleh peredam radikal peroksi seperti antioksidan flavonoid (LH adalah flavonoid) sedangkan pada tahap terminasi radikal lipid (L•) dan radikal lipid peroksi (LOO•) dan radikal alkosil (LO•diredam oleh antioksidan fenol (seperti α-tocopherol, flavonoid) (LOO•/L•/LO•+ A-OH LOOH/LH/LOH + AO•, A-OH adalah senyawa fenol seperti α-tocopherol, flavonoid, dan AO•adalah radikal fenoksil) (Middleton et al. 2000).
Uji Aktivitas Antioksidan dengan Metode DPPH
difenil-1-5 pikrilhidrazil) merupakan radikal bebas yang dapat bereaksi dengan atom hidrogen yang berasal dari suatu antioksidan membentuk DPPH tereduksi (Simanjuntak et al. 2004). Penambahan senyawa antioksidan pada DPPH akan menurunkan konsentrasi dan absorbansinya jika dibandingkan dengan absorbansi kontrol. Penyerapan sinar oleh larutan diukur pada panjang gelombang 517 nm. Penggolongan kekuatan antioksidan metode DPPH ditunjukkan dalam Tabel 2.
Tabel 2 Tingkat kekuatan antioksidan dengan metode DPPH Nilai IC50 Aktivitas antioksidan
Gelombang akustik seperti bunyi merupakan salah satu gelombang mekanik yang dapat merambat baik di dalam fluida maupun di dalam padatan. Di dalam fluida gelombangnya merupakan longitudinal sedangkan dalam padatan gelombangnya dapat berupa gelombang longitudinal dan gelombang transversal. Gelombang ultrasonik adalah gelombang suara dengan frekuensi lebih tinggi daripada kemampuan pendengaran telinga manusia (di atas 20 kHz).
Berdasarkan kegunaannya bunyi dapat dibedakan menjadi: 1. Bunyi yang bisa didengar oleh manusia (16 Hz-18 Hz)
2. Tenaga ultrasonik konvensional (20 kHz - 2 MHz) 3. Sonokimia (20 kHz- 2 MHz)
4. Diagnostic ultrasound (5 MHz- 10 MHz)
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik sehingga dalam perambatannya membutuhkan medium perantara. Gelombang ultrasonik tidak dapat merambat pada ruang hampa sehingga proses transmisi pada ruang hampa tidak pernah terjadi. Perambatan gelombang ultrasonik merupakan perambatan dari gelombang tekanan.
Jenis-jenis Pemanfaatan Gelombang Ultrasonik
Pemanfaatan gelombang ultrasonik dapat dibedakan berdasarkan jenis ultrasonik, yaitu (Wardiyati 2004):
1. Cleaning bath ultrasonic
6
transducer 1-5 W/cm2, frekuensi biasanya 20-400 kHz dan menggunakan medium cairan pembersih khusus minimal seperti aquades dan air surfaktan atau detergen untuk menurunkan tegangan permukaan. Cleaning bath ultrasonic terbagi menjadi dua macam yaitu tidak langsung (indirect) dan langsung (direct). Indirect cleaning bath ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Indirect cleaning bath
Indirect cleaning bath ultrasonic digunakan untuk bahan yang mudah menguap sehingga wadah (Erlenmeyer atau gelas beker) perlu dilengkapi dengan penutup. Model ultrasonik ini sesuai untuk pembersihan bagian yang kecil atau sempit. Metode indirect sangat ideal luntuk digunakan sebagai persiapan sampel. Jenis ultrasonik yang lainnya adalah Direct cleaning bath yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Direct cleaning bath
Direct cleaning bath ultrasonic sesuai digunakan pada proses kimia dengan bahan yang bersifat tidak volatile atau tidak mudah menguap dan volumenya relative besar karena gelombang suara secara langsung dapat menembus partikel dan menimbulkan efek kavitasi. Bath dapat digunakan sebagai tempat reaksi. Kelebihan penggunaan cleaning bath ultrasonic adalah mudah didapat, tidak mahal, daerah akustik terdistribusi merata dan dapat digunakan untuk gelas reaksi biasa. Kekurangan cleaning bath ultrasonic adalah daya kurang besar (maksimum 5 W/cm2); energi masuk harus dikaji pada setiap sistem karena tenaga yang diperlukan bergantung pada ukuran bath, jenis wadah, posisi wadah dalam bath; frekuensi ultrasonik tidak sama secara universal; sulit
massa ekstraksi aquades
tangki stainless steel
transduser
pengaduk mekanik massa ekstraksi
tangki stainless steel
7 mengontrol suhu dan secara umum tidak mempunyai adjustable power (Wardiyati 2004).
2. Submersible transducers ultrasonic
Submersible transducers adalah salah satu jenis ultrasonik cleaning bath dengan transduser yang tercelup di dalam sistem. Alat ini digunakan apabila larutan tidak korosif. Kelebihan jenis adalah letak transduser bisa dipindah-pindah, wadah apapun dapat dijadikan sebagai bath, dan penggunaan transduser dapat lebih dari satu. Submersible transducers ultrasonic ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Submersible transducers 3. Ultrasonik jenis probe
Ultrasonik jenis probe memiliki kelebihan bahwa dayanya dapat dikontrol karena menggunakan horn atau tanduk yang telah dimodifikasi. Dengan demikian, tidak ada kontaminasi oleh fragmen logam dari probe yang dicelup. Kekurangan dari metode ini adalah ukuran wadah reaksi terbatas. Ultrasonik jenis probe ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Horn ultrasonic
Transduser Ultrasonik
Transduser adalah suatu alat yang mengubah suatu energi ke dalam bentuk energi lainnya. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk suara dan sebaliknya transduser ultrasonik juga dapat mengubah energi mekanik seperti suara menjadi energi listrik. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Besarnya gelombang ultrasonik yang dapat dibangkitkan tergantung pada jenis transdusernya. Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoelektrik yaitu terbuat dari bahan quartz (SiO3) dan barium titanat (BaTiO3) yang akan
pengaduk mekanik tanduk ultrasonik
massa ekstraksi termometer
pendingin/pemanas massa ekstraksi
tutup
transduser tercelup
8
menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat dari gaya mekanik. Hal tersebut sering disebut efek piezoelektrik.
Bahan piezoelektik yang digunakan pada transduser ultrasonik mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanik dan mengubah kembali getaran mekanik menjadi energi listrik. Komponen utama pada transduser ultrasonik adalah elemen aktif, backing, dan wear plate. Elemen aktif terbuat dari bahan piezo atau ferroelectric yang mengubah energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit pulsa menjadi energi ultrasonik. Backing mempunyai penguatan yang tinggi. Wear plate berfungsi untuk melindungi bagian elemen aktif serta sebagai medium yang kontak langsung dengan material yang akan diuji.
Pemilihan jenis transduser yang tepat sangat penting untuk mendapatkan kinerja UAE yang optimal. Diameter tip (ujung probe) dari probe berperan terhadap keefektivitasan proses pada cairan. Diameter tip yang lebih kecil (microtip probes) menghantarkan intensitas sonikasi yang tinggi dan energi fokus pada area yang kecil. Diameter tip yang lebih besar dapat memproses volume yang lebih besar tetapi dengan intensitas yang lebih rendah. Booster dan high gain horn dapat digunakan untuk meningkatkan output dari diameter probe yang besar. Tip dari probe tersedia dalam bentuk yang dapat diganti (replaceable) maupun yang tetap (solid). Jenis dan ukuran probe ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Jenis dan ukuran probe Sonicator Q700
Mekanisme UAE
9 yaitu acoustic streaming dan fenomena kavitasi. Acoustic streaming adalah gelombang suara yang dipindahkan ke dalam cairan sehingga terbentuk gerakan cairan searah dengan propagasi gelombang (longitudinal) (Dolatowski dan Zbigniew 2007). Acoustic streaming menyebabkan semakin tipisnya lapisan batas antara cairan dan partikel sehingga dapat meningkatkan kemampuan penetrasi pelarut seiring meningkatnya difusibilitas dan solvensi senyawa aktif dalam sel.
Kavitasi adalah penguapan zat cair yang sedang mengalir hingga membentuk gelembung-gelembung uap berenergi tinggi akibat kurangnya tekanan pada cairan sampai di bawah titik jenuh uapnya. Ledakan dari gelembung kavitasi menghasilkan makro turbulensi. Akibatnya, kecepatan tabrakan antar partikel tinggi dan gangguan dalam mikro pori partikel biomassa besar yang dapat menyebabkan kerusakan dinding sel sehingga membebaskan kandungan senyawa yang ada di dalamnya. Pada bagian interface cairan-padatan, kavitasi menghasilkan aliran yang bergerak dengan cepat melalui rongga di permukaan.
Gerakan tersebut mengakibatkan pengelupasan permukaan terluar dan kerusakan partikel sehingga terbentuk permukaan baru atau pengecilan ukuran partikel. Hal ini terjadi terus menerus dalam waktu yang cepat sehingga penetrasi pelarut menjadi lebih baik terhadap material sel. Selain itu, terjadi pemanasan lokal pada cairan sehingga meningkatkan difusi ekstrak (mempercepat difusi eddy dan difusi internal). Intensitas penetrasi yang tinggi dapat meningkatkan perpindahan massa pada jaringan serta memfasilitasi perpindahan senyawa aktif dari sel ke pelarut. Mekanisme kavitasi ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Fenomena kavitasi
10
senyawa-senyawa. Kemampuan ultrasonik untuk menghasilkan kavitasi dipengaruhi oleh karakteristik ultrasonik (frekuensi dan intensitas), sifat bahan (viskositas dan tegangan permukaan) dan kondisi lingkungan (suhu dan tekanan).
Parameter pada Proses Sonokimia
Sonokimia adalah salah satu proses kimia menggunakan teknologi suara dengan frekuensi yang tinggi (ultrasonik). Gelombang ultrasonik yang menjalar di dalam medium cair memiliki kemampuan membangkitkan semacam gelembung atau rongga pada proses kavitasi di dalam medium tersebut. Hal-hal yang mempengaruhi kemampuan ultrasonik untuk menimbulkan efek kavitasi yang diaplikasikan pada produk pangan antara lain karakteristik ultrasonik seperti frekuensi, intensitas, amplitudo, daya, karakteristik produk (seperti viskositas dan tegangan permukaan) dan kondisi sekitar seperti suhu dan tekanan (Williams 1983). Intensitas daya yang tinggi dan frekuensi antara 18-100 kHz dapat mengubah karakteristik dari suatu bahan seperti gangguan fisik dan percepatan reaksi kimia tertentu (Jayasooriya et al. 2007).
1. Frekuensi
Meningkatnya frekuensi akan memperkecil tekanan minimum sehingga energi lebih banyak diperlukan untuk pembentukan kavitasi dalam sistem. Sebagai contoh, energi yang diperlukan untuk membuat kavitasi dalam air sepuluh kali lebih besar dengan menggunakan frekuensi 400 kHz dibandingkan dengan menggunakan frekuensi 10 kHz. Dengan alasan inilah frekuensi yang biasa digunakan pada sonokimiaberkisar antara 20-40 kHz.
2. Viskositas pelarut
Viskositas pelarut berpengaruh terhadap terjadinya proses kavitasi. Semakin kental pelarut maka kavitasi semakin sulit terbentuk sehingga efesiensi proses berkurang.
3. Tegangan permukaan dan tekanan uap
Tegangan permukaan dan tekanan uap berpengaruh terhadap terjadinya proses kavitasi. Semakin rendah tegangan permukaan pelarut kavitasi akan semakin sulit terjadi. Pelarut yang lebih volatil sering digunakan dalam proses sonokimia karena pelarut ini mempunyai tekanan uap yang tinggi yang bisa memudahkan terbentuknya gelembung. Uap pelarut ini akan mengisi gelembung tadi sehingga energi yang diperlukan untuk terbentuknya kavitasi lebih kecil.
4. Tekanan luar
Kenaikan tekanan luar berarti kenaikan fase reaction (indeks bias) yang diperlukan untuk mengawali terjadinya kavitasi. Lebih penting lagi bahwa kenaikan tekanan luar akan menyebabkan bertambah besarnya intensitas untuk menimbulkan fenomena pecahnya kavitasi dan secara konsekuensi akan meningkatkan pengaruh sonokimia.
5. Suhu
11 tinggi disertai dengan pengurangan kekentalan dan tegangan permukaan mengakibatkan gelembung yang pecah hanya sedikit. Pada suhu mendekati titik didih, gelembung kavitasi timbul secara bersamaan dalam jumlah yang besar. Ini akan menghalangi transmisi suara dan mengurangi efektivitas energi yang masuk ke media ciran sehingga proses sonokimia kurang efisien.
6. Intensitas
Intensitas sonikasi secara langsung sebanding dengan kuadrat amplitudo vibrasi sumber ultrasonik. Tinggi rendahnya amplitudo dipengaruhi oleh tenaga ultrasonik yang digunakan di dalam sistem. Dengan demikian, besarnya intensitas berhubungan langsung dengan besarnya energi yang diberikan. Secara umum, bertambahnya intensitas sonikasi akan meningkatkan proses sonokimia akan tetapi hal ini dibatasi oleh energi ultrasonik yang masuk pada sistem.
Aplikasi UAE
Ultrasonik dapat diaplikasikan pada berbagai disiplin ilmu yang dikelompokkan berdasarkan frekuensi dan intensitas suara. Terdapat dua jenis ultrasonik berdasarkan energinya yaitu low energy dan high energy (Thompson dan Doraiswamy 1999). Ultrasonik low energy dengan intensitas rendah (< 1 W/cm2) dan frekuensi tinggi (> 100 kHz) umumnya digunakan untuk proses-proses yang tidak merubah keadaan fisik maupun kimia suatu bahan. Umumnya kategori ini digunakan untuk analisis fisiko kimia non destruktif seperti analisis komposisi. Budiastra et al. (1998) melakukan pengujian pada mutu buah-buahan tropik (manggis utuh dan durian utuh) dengan beberapa frekuensi yang terpancar dari transduser yaitu 1 MHz, 500 kHz, dan 50 kHz. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada frekuensi lebih besar dari 50 kHz dapat digunakan untuk menentukan sifat gelombang ultrasonik pada buah manggis.
12
3
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan mulai bulan Januari sampai April 2016, yang bertempat di LaboratoriumLapangan Siswadi Soepardjo Departemen Teknik dan Biosistem IPB dan Laboratorium Nano Teknologi Balai Besar Pascapanen Cimanggu Bogor.
Bahan
Bahan utama yang digunakan adalah kulit manggis yang berasal dari kebun petani manggis di daerah Leuwiliang, Kabupaten Bogor. Bahan lain yg digunakan adalah kertas saring dan ethanol 96%. Selain itu juga digunakan air dan ice gel sebagai media pendingin.
Alat
Alat yang digunakan adalah pisau, timbangan mettle PM-, cabinet dryer, termokopel, hammer mill, grinder, ayakan mesh 60, gelas beker 1 L, pengaduk, botol vial 300 ml dan 30ml, corong, heater dan rotary vacuum evaporator. Sonikator yang digunakan adalah merek QSonica model Q700 buatan USA dengan probe berdiameter 1” tipe replaceable tip part 4210. Spesifikasi sonikator terdapat pada lampiran 1. Perangkat yang digunakan sebagai pengontrol suhu ekstraksi adalah termostat, water bath, selang akuarium, pipa tembaga diameter ¼”, ice box, pompa akuarium dan kabel.
Prosedur Penelitian
Rancangan percobaan
Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan acak lengkap dua faktor. Kedua faktor tersebut adalah waktu eksitasi (15, 30, 45 menit) dan amplitudo ultrasonik (35, 50, 65%). Amplitudo adalah jarak yang dilalui ujung probe yang outputnya dapat diatur dari 1-100%. Amplitudo yang diukur pada output 100% dari probe yang digunakan adalah 30 µm. Setiap kombinasi perlakuan diulang sebanyak 2 kali sehingga terdapat 18 unit percobaan. Ekstraksi dengan metode maserasi pada suhu 35 oC selama 7 jam digunakan sebagai kontrol (Miryanti 2011). Analisis varian rancangan percobaan dilakukan untuk mengetahui perbedaan perlakuan ultrasonik terhadap kontrol, pengaruh 2 faktor terhadap parameter uji dan interaksi diantara kedua faktor. Untuk uji lanjut dilakukan dengan uji Duncan’s Multiple Range Test (DMRT) pada taraf nyata 95% atau pada p-value 0.05.
13
Gambar 7 Diagram alir penelitian
Preparasi bahan
Kulit manggis yang digunakan berasal dari buah manggis yang telah matang. Kematangan buah manggis disortasi berdasarkan warna kulit manggis dari kemerahan hingga keungu-unguan sebagai karakteristik keberadaan antosianin. Kulit manggis yang telah bersih selanjutnya mengalami proses pemisahan antara bagian kulit yang keras, bagian kulit yang lunak dan daging buah. Bagian kulit manggis yang lunak dijadikan sebagai bahan baku utama. Kulit manggis dicuci dan dipotong kecil-kecil kemudian dilakukan pengeringan dengan cabinet dryer pada suhu 50-60 oC sampai kadar air mencapai 9-11% (Farida dan Nisa 2015). Alasan digunakan temperatur pengeringan yang tidak terlalu tinggi adalah untuk mencegah kemungkinan rusaknya senyawa antioksidan hilangnya warna antosianin pada suhu 60-70 oC (Isnaini 2010). Kulit manggis yang telah mengering kemudian digiling hingga menjadi serbuk kulit manggis dengan ukuran mesh 60. Serbuk kulit manggis kemudian disimpan dalam kemasan plastik sebelum digunakan.
Pembuatan serbuk kulit manggis
Persiapan metode ultrasonik dengan pengontrol suhu mulai
Penelitian pendahuluan
Pemekatan ekstrak dengan rotary vacuum evaporator
Perhitungan (rendemen, kadar antosianin total, aktivitas antioksidan)
selesai
Ekstraksi kulit manggis dengan ultrasonik dengan faktor amplitudo gelombang (20, 35, 50%), lama eksitasi (15, 30, 45
menit) dan suhu 35 ± 2 oC Ekstraksi metode maserasi
(35 oC) selama 7 jam tanpa pengadukan sebagai kontrol perlakuan
14
Preparasi alat
Perangkat sonikator terdiri dari generator, transduser dan probe. Generator digunakan untuk mentransmisi arus AC menjadi energi listrik yang memiliki frekuensi 20 kHz dan daya 700 watt. Jenis sonikator ini memiliki frekuensi yang tetap sedangkan amplitudo dan waktu eksitasi dapat diatur. Jenis ini digunakan untuk sonokimia karena gelembung kavitasi sukar dihasilkan dari frekuensi ultrasonik yang tinggi (Mason dan Lorimer 2002). Frekuensi ultrasonik yang digunakan untuk ekstraksi berkisar antara 20-40 kHz. Transduser mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (vibrasi) oleh pengaruh kristal piezoelektrik. Vibrasi diperkuat dan ditransmisikan ke permukaan larutan oleh probe yang dapat dicelupkan pada larutan dan tidak menyebabkan korosi.
Eksitasi gelombang utrasonik pada waktu yang lama dapat meningkatkan suhu larutan sehingga mempercepat oksidasi antioksidan. Oleh karena itu, digunakan pengontrol suhu untuk menurunkan suhu ekstraksi dengan prinsip heat exchanger. Thermostat diatur pada suhu 35 oC sebagai suhu optimum untuk ekstraksi antosianin (Golmohamadi et al. 2013). Suhu larutan yang semakin tinggi akan membuat air dalam water bath juga menjadi panas. Pada suhu larutan di atas 35 oC termostat akan menyala sehingga menggerakkan pompa air sebagai sirkulator. Air disirkulasikan melalui selang yang disambung dengan pipa tembaga berkelok dan dibenamkan pada ice gel. Pipa tembaga berfungsi sebagai media pindah panas sehingga dapat mendinginkan air yang akan dikembalikan ke water bath untuk menurunkan suhu larutan. Percobaan pendahuluan dilakukan untuk melihat keakuratan suhu yang dicapai dengan toleransi ± 2 oC.
Gambar 8 menunjukkan susunan perangkat ultrasonik yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 8 Metode ekstraksi berbantu ultrasonik
3
5 4
6
2
10
8
15 Keterangan:
1 = generator 6 = water bath
2 = sensor suhu 7 = pipa tembaga
3 = transduser 8 = ice box
4 = probe 9 = ice gel
5 = gelas beker 10 = pompa air submersible
Ekstraksi metode maserasi
Ekstraksi dilakukan dengan melarutkan 150 gram serbuk kulit manggis dalam 600 mL ethanol 96% di gelas beker (perbandingan sampel dan pelarut 1:4) (Muslimah dan Guntarti 2014). Ekstraksi dijaga pada suhu konstan 35 oC menggunakan heater selama 7 jam. Dilakukan pengadukan secara manual setiap satu jam sekali. Ekstraksi dilakukan secara tertutup pada kondisi gelap (gelas beker dilapis alumunium foil).
Ekstraksi berbantu ultrasonik
Ekstraksi dilakukan dengan melarutkan 150 gram serbuk kulit manggis dalam 600 mL ethanol 96% di gelas beker (perbandingan sampel dan pelarut 1:4) (Muslimah dan Guntarti 2014). Waktu eksitasi dan amplitudo diatur melalui generator sedangkan transduser, probe dan sensor suhu dicelupkan pada larutan. Waktu eksitasi gelombang ultrasonik diartikan sebagai waktu ekstraksi. Suhu larutan akan dijaga konstan pada 35 oC oleh termostat. Sonikator dilengkapi dengan sound enclosure untuk meredam kebisingan suara yang dihasilkan oleh transduser selama proses ekstraksi berjalan. Hasil ekstraksi disaring dan dipekatkan dengan rotary vacuum evaporator pada suhu 50 oC (Suryadi 2013) hingga didapatkan ekstrak kental. Sonikator yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9 Perangkat Sonicator Q700
Kadar air serbuk kulit manggis
16
Pengeringan dilakukan sampai diperoleh berat konstan. Penetapan kadar air dihitung dengan Persamaan 1.
Rendemen menunjukkan jumlah ekstrak kulit manggis yang diperoleh dari setiap gram sampel serbuk kulit manggis yang diekstrak (%w/w). Rendemen dihitung dengan Persamaan 2.
Keterangan:
MS = massa serbuk kulit manggis (g) ME = massa hasil ekstraksi (g)
Kadar antosianin total
Analisis kandungan antosianin total dilakukan dengan modifikasi metode pH Differential Method (Giusti dan Wrolstad 2001). Ekstrak kulit manggis dilarutkan dalam dua larutan buffer yang berbeda. Sampel dilarutkan dalam buffer KCl pH 1,0 dan buffer CH3COONa.3H2O pH 4,5. Absorbansi larutan diukur pada panjang gelombang 510 nm. Faktor pengenceran sampel ditentukan dengan melarutkan sampel dalam buffer KCl pH 1,0 sampai absorbansi pada panjang gelombang 510 nm mencapai kurang dari 0,8. Sampel kemudian dilarutkan dalam buffer KCl pH 1,0 (didiamkan 15 menit) dan buffer CH3COONa.3H2O pH 4,5 (didiamkan 5 menit). Absorbansi larutan kemudian dibaca pada panjang gelombang 510 nm dan 700 nm. Absorbansi akhir dihitung dengan Persamaan 3.
–
Kandungan antosianin total atau TotalAnthocyanin Content (TAC) dihitung dengan Persamaan 4.
ε = Absortivitas molar sianidin-3-glukosida (26900 L(mol.cm)–1) l = panjang sel kuvet (1 cm)
MW = (Molecular weight)berat molekul sianidin-3-glukosida (449.2 g/mol) DF = (Dilution factor)faktor pengenceran
17
Aktivitas antioksidan
Uji aktivitas antioksidan penangkap radikal pada ekstrak kulit manggis dilakukan dengan metode DPPH menggunakan spektrofotometri berdasarkan Leu et al. (2006). Ekstrak kulit manggis diencerkan kembali pada ethanol (1 mg mL-1) pada berbagai konsentrasi yang berbeda (0.3125, 0.625, 1.25, 2.5, 5, 10 dan 20 ppm) untuk setiap sampel yang digunakan. Setiap 1 mL larutan akhir terdiri dari 500 μl ekstrak dan 500 μl larutan DPPH (125 μM dalam ethanol). Larutan kemudian divorteks dan didiamkan selama 30 menit pada ruangan gelap. Penyerapan sinar oleh larutan diukur pada panjang gelombang 517 nm menggunakan spektrofotometri. Larutan DPPH tanpa sampel dan tanpa standar digunakan sebagai kontrol. Asam askorbat digunakan untuk membuat kurva standar. Aktivitas penangkapan radikal DPPH dinyatakan sebagai % penghambatan terhadap radikal DPPH. Persentase penghambatan dihitung dengan Persamaan 5.
Keterangan:
A = absorbans tanpa penambahan sampel/standar (DPPH dan ethanol) B = absorbans dengan penambahan sampel/standar (DPPH, ethanol dan sampel/standar)
Besarnya aktivitas antioksidan ditandai dengan nilai IC50. Nilai IC50 merupakan konsentrasi suatu larutan sampel yang dibutuhkan untuk menghambat DPPH sebesar 50% (Molyneux, 2004). IC50 dihitung dari kurva regresi linear antara ekstrak kulit buah manggis dan pembanding vitamin C pada berbagai konsentrasi uji versus aktivitas antioksidan (%).
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengontrol Suhu Ekstraksi
Ekstraksi berbantu ultrasonik mengalami kenaikan suhu yang bervariasi hingga mencapai suhu 40 oC pada pengaturan amplitudo 50% dan 65%. Penggunaan pengontrol suhu mampu menjaga suhu diantara 34-36.2 oC sehingga sesuai untuk ekstraksi antosianin. Antosianin yang diekstrak di atas suhu 35 oC akan mengalami degradasi karena bersifat termo labil. Ekstraksi yang berjalan dibawah suhu tersebut juga akan menjadi kurang efektif karena suhu yang lebih tinggi adalah salah satu faktor pembentuk kavitasi.
Kadar Air Serbuk Kulit Manggis
18
karena itu kulit manggis yang digunakan terlebih dahulu diolah menjadi serbuk. Produk dalam bentuk serbuk memiliki beberapa kelebihan diantaranya terbebas dari pengotor, umur simpan panjang, mudah dalam penyimpanan, dan transportasi. Pengukuran kadar air tidak berkaitan langsung dengan proses ekstraksi namun tetap diukur untuk dibandingkan dengan kadar air pengeringan yang dianjurkan. Kadar air mempengaruhi kualitas serbuk kulit manggis. Pengukuran kadar air ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Kadar air serbuk kulit manggis (%)
Ulg. Berat awal (g) Berat akhir (g) Kadar air (%) Rerata
Kondisi sampel sangat berpengaruh dalam menghasilkan % rendemen antosianin yang terbaik, semakin rendah kandungan air maka proses ekstraksi semakin baik. Salah satu indikator kulit manggis yang telah kering adalah mudah hancur/tidak liat ketika dilewatkan hammer mill. Dari tabel diketahui bahwa kadar air rata-rata yang didapat dari hasil pengeringan adalah 10,17%. Kadar air ini telah sesuai dengan persyaratan Syarat Mutu Tepung Jagung (SNI 01-3727-1995)
yang kurang dari 11%. Kadar air yang terlalu tinggi dapat menyebabkan timbulnya jamur selama penyimpanan sebelum digunakan yang dapat menurunkan kualitas hasil ekstraksi.
Rendemen Ekstrak Kulit Manggis
Rendemen ekstrak kulit manggis didapatkan setelah melalui pengentalan selama 9 jam menggunakan rotary vacuum evaporator hingga ethanol tidak lagi menetes dan ekstrak berubah menjadi pasta kental. Rendemen bewarna coklat gelap. Warna coklat gelap ini mencirikan adanya degradasi antosianin di dalam bahan selama proses pemekatan. Semua kombinasi perlakuan ekstraksi berbantu ultrasonik berbeda nyata terhadap kontrol. Rendemen ekstrak kulit manggis ditunjukkan pada Tabel 4.
19 rendemen yang dihasilkan. Rendemen amplitudo 50% tidak berbeda nyata terhadap amplitudo 35% dan 65% sedangkan amplitudo 35% berbeda nyata terhadap amplitudo 65% dilihat dalam waktu eksitasi yang sama. Rendemen tertinggi dihasilkan dari amplitudo 65% selama 45 menit yaitu sebesar 6.71%. Rendemen tertinggi dicapai dari kombinasi perlakuan ultrasonik pada amplitudo 65% selama 45 menit sebesar 6.71%. Nilai rendemen yang relatif kecil dari hasil penelitian ini dapat disebabkan karena perbandingan antara jumlah pelarut dan sampel yang digunakan terlalu kecil sehingga belum semua bahan terekstrak sempurna oleh pelarut. Dari hasil penelitian tersebut, ekstraksi berbantu ultrasonik dapat meningkatkan rendemen sebesar 1.02-2.66 %. Hubungan antara amplitudo dan waktu eksitasi dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap rendemen Hasil analisis sidik ragam menunjukkan bahwa tidak ada interaksi yang terjadi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap rendemen. Dari grafik di atas dapat dikatakan bahwa amplitudo lebih berpengaruh terhadap rendemen yang dihasilkan dibandingkan dengan waktu ekstraksi. Rendemen cenderung tinggi pada amplitudo yang tinggi walaupun dengan waktu eksitasi yang lebih singkat. Sebaliknya, rendemen cenderung rendah pada amplitudo yang kecil walaupun dieksitasi pada waktu yang lama.Vinatoru (2001) menyatakan semakin tinggi amplitudo ultrasonik yang melewati suatu medium maka pemecahan gelembung kavitasi dapat terjadi disekitar atau dipermukaan membran sampel sehingga menyebabkan mikrofraktur yang lebih besar. Terdapat hubungan antara amplitudo dengan energi (Joule) yang digunakan. Energi berbanding lurus dengan kuadrat amplitudo sehingga dapat dikatakan semakin tinggi amplitudo yang digunakan maka semakin besar enegi yang terpakai. Energi ultrasonik yang digunakan terdapat pada Lampiran 2.
Amplitudo tinggi yang melewati medium dapat menyebabkan tekanan dan gaya geser oleh molekul pelarut. Kondisi ini dapat menghasilkan perubahan densitas dan modulus elastisitas secara lokal serta perpindahan massa antar fase meningkat sehingga rendemen meningkat pada waktu yang singkat (Price et al. 1995). Faktor-faktor yang mempengaruhi laju ekstraksi meliputi tipe persiapan sampel, waktu ekstraksi, kuantitas pelarut, suhu pelarut dan tipe pelarut. Semakin
20
lama waktu ekstraksi maka akan semakin meningkatkan rendemen karena kesempatan kontak antara pelarut dan bahan menjadi lebih besar. Kelarutan bahan tersebut akan terus meningkat hingga pelarut mengalami kejenuhan (Ketaren dan Suastawa 1995). Castro dan Garcia (2004) melaporkan bahwa waktu ekstraksi dengan bantuan ultrasonik lebih singkat dibandingkan dengan ekstraksi tanpa ultrasonik untuk menghasilkan jumlah rendemen produk yang sama. Hal ini dapat terjadi karena ekstraksi berbantu ultrasonik menyebabkan timbulnya panas dan proses difusi meningkat sehingga proses ekstraksi semakin dipercepat (Rusli dan Rahmawan 1988).
Kadar Antosianin Total
Salah satu senyawa flavonoid dalam kulit buah manggis adalah antosianin. Antosianin merupakan pigmen yang menyebabkan warna merah sampai warna biru pada kulit buah-buahan maupun sayuran. Antosianin berada di dalam vakuola yang terletak di bagian intra seluler. Dibutuhkan energi yang besar seperti energi pada gelembung kavitasi untuk dapat memecah dinding sel, memudahkan penetrasi pelarut dan difusi antosianin.
Maserasi dapat digunakan untuk mendapatkan kondisi tersebut namun dengan waktu yang lebih lama karena menggunakan prinsip kesetimbangan konsentrasi antara pelarut (ethanol) dan senyawa yang berada di dalam intra sel. Dari hasil penelitian, semua kombinasi perlakuan ekstraksi berbantu ultrasonik berbeda nyata terhadap kontrol. Semakin tinggi amplitudo dan semakin lama waktu eksitasi menghasilkan kadar antosianin total yang semakin besar. Kadar antosianin total ditunjukkan pada Tabel 5.
Tabel 5 Kadar antosianin total ekstrak kulit manggis (ppm) Maserasi Contoh perhitungan kadar antosianin total pada amplitudo 35% selama 15 menit ditunjukkan pada Tabel 6 :
21
Hasil analisis sidik ragam menunjukkan bahwa perlakuan amplitudo dan waktu eksitasi berpengaruh nyata terhadap kadar antosianin total yang dihasilkan. Pada waktu eksitasi yang sama, amplitudo 35%, 50% dan 65% menunjukkan hasil yang saling berbeda nyata. Pada amplitudo yang sama, waktu eksitasi 30 menit tidak berbeda nyata terhadap 15 menit dan 45 menit namun waktu eksitasi 15 menit berbeda nyata terhadap 45 menit. Kadar antosianin total tertinggi didapatkan dari kombinasi perlakuan ultrasonik pada amplitudo 65% selama 45 menit yaitu sebesar 558.76 ppm. Dari hasil penelitian tersebut, ekstraksi berbantu ultrasonik dapat meningkatkan kadar antosianin total sebesar 23-88%.
Kestabilan antosianin dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain suhu, perubahan pH, sinar dan oksigen, serta faktor lainnya seperti ion logam. Selain itu, proses analisis pada sampel tidak langsung dilakukan setelah didapatkan ekstrak kental. Kondisi dan masa penyimpanan sampel yang kurang baik (terpapar sinar matahari dan suhu ruangan) diduga dapat menyebabkan senyawa antosianin mengalami degradasi. Untuk menghindari kerusakan, sampel disimpan pada refrigerator dengan menggunakan botol kaca gelap karena dianalisis 20 hari setelah perlakuan. Semakin besar penggunaan jumlah ethanol pada proses ekstraksi maka senyawa antosianin yang ikut terekstrak akan semakin besar pula. Hal ini dikarenakan proses ekstraksi akan sangat dipengaruhi oleh tingkat kepolaran dari senyawa yang akan diekstrak. Hubungan antara amplitudo dan waktu eksitasi dapat dilihat pada Gambar 11.
22
Tidak ada interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap kadar antosianin total. Dari grafik dapat diketahui bahwa amplitudo lebih berpengaruh terhadap kadar antosianin total dibandingkan dengan waktu eksitasi. Kadar antosianin total cenderung sedikit pada amplitudo yang kecil meskipun dieksitasi pada waktu yang lebih lama. Kandungan antosianin yang didapatkan juga dipengaruhi oleh jenis pelarut yang digunakan. Ethanol merupakan pelarut organik yang bersifat polar dengan indeks polaritas yang cukup tinggi yakni sebesar 5.2. Golongan ini lebih baik dibanding pelarut organik lainnya seperti aseton karena mempunyai kepolaran lebih tinggi sehingga mudah untuk melarutkan senyawa resin, lemak, minyak, asam lemak, karbohidrat, dan senyawa organik lainnya seperti flavonoid (antosianin). Pelarut lain yang sering digunakan untuk melarutkan antosianin adalah methanol namun alkohol jenis ini termasuk fuel grade dan bila digunakan untuk bahan pangan residunya tidak boleh lebih dari 50 ppm. Indeks polaritas berbagai pelarut lainnya terdapat pada Lampiran 3.
Aktivitas Antioksidan
Pengujian aktivitas antioksidan dengan metode DPPH merupakan prosedur yang sederhana untuk mengetahui suatu kemampuan senyawa yang berfungsi sebagai antioksidan. Uji DPPH memiliki beberapa kelebihan antara lain uji ini tidak spesifik untuk keterangan komponen antioksidan tetapi digunakan untuk pengukuran aktivitas antioksidan total pada bahan pangan. Pengukuran total aktivitas antioksidan akan membantu untuk memahami sifat-sifat fungsional bahan pangan. Aktivitas antioksidan ekstrak kulit manggis dicerminkan melalui nilai IC50 yang ditunjukkan pada Tabel 7.
Tabel 7 Aktivitas antioksidan ekstrak kulit manggis IC50 (ppm) Maserasi Contoh perhitungan aktivitas antioksidan vitamin C ditunjukkan pada Tabel 8.
Tabel 8 Absorbansi dan inhibisi vitamin C Konsentrasi
(ppm)
Absorbansi Absorbansi terkoreksi Inhibisi (%)
23
Contoh perhitungan inhibisi (%) pada 20 ppm, U1=0.02 A = 0.30; B = U1 = 0.02
Hasil perhitungan kemudian dibuat grafik dengan konsentrasi sebagai sumbu x dan inhibisi (%) sebagai sumbu y. Kurva penentuan IC50 dari vitamin C disajikan pada Gambar 12.
Gambar 12 Kurva penentuan nilai IC50 dari vitamin C
Dari kurva tersebut, didapatkan persamaan yang akan digunakan untuk menentukan IC50 dari vitamin C seperti pada Tabel 9.
Tabel 9 Perhitungan nilai IC50 dari vitamin C
y a b ln (x) x
50 28.73 31.23 0.65 1.92
50 27.28 36.47 0.50 1.64
IC50 1.78
Besarnya nilai IC50 bukan mewakili besarnya kandungan antioksidan pada bahan tetapi hanya menggolongkan tingkat kekuatan antioksidan. Semua kombinasi perlakuan ekstraksi berbantu ultrasonik berbeda nyata terhadap kontrol. Pada waktu yang sama, amplitudo 35% berbeda nyata dengan amplitudo 50% dan 65% sedangkan amplitudo 50% tidak berbeda nyata dengan 65%. Pada amplitudo yang sama, waktu eksitasi 30 menit tidak berbeda nyata dengan 15 menit dan 45 menit sedangkan waktu eksitasi 15 menit berbeda nyata dengan 45 menit. Dari hasil penelitian tersebut, ekstraksi berbantu ultrasonik dapat meningkatkan aktivitas antioksidan sebesar 17-40%.
Nilai rerata IC50 serbuk kulit manggis pada penelitian ini telah memenuhi syarat mutu yang ditetapkan oleh Balai Besar Penelitian dan Pengembangan
24
Pascapanen Pertanian 2012 dengan nilai IC50 maksimal 44.49 ppm. Menurut Kurniawati et al. (2010), kualitas buah manggis juga mempengaruhi aktivitas antioksidan pada kulitnya. Buah dengan kulit burik akibat serangan hama atau kerusakan fisik membutuhkan peran antioksidan yang lebih besar sehingga aktivitas antioksidannya berkurang. Hubungan antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap aktivitas antioksidan dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap aktivitas antioksidan
Tidak ada interaksi antara amplitudo dan waktu eksitasi terhadap aktivitas antioksidan. Dari grafik dapat dilihat bahwa amplitudo yang lebih berpengaruh terhadap aktivitas antioksidan. Nilai aktivitas antioksidan cenderung lebih tinggi pada amplitudo yang lebih besar walaupun dieksitasi pada waktu yang lebih singkat. Semakin tinggi amplitudo dan semakin lama waktu eksitasi maka menghasilkan IC50 yang semakin kecil. Menurut Molyneux (2004) suatu senyawa dikatakan sebagai antioksidan yang sangat kuat apabila nilai IC50 kurang dari 50 ppm sehingga antioksidan pada kulit manggis tergolong antioksidan yang kuat. Nilai IC50 rata-rata kulit manggis yang mendekati IC50 Vitamin C (1.78 ppm) juga dapat menunjukkan bahwa kulit manggis memiliki antioksidan yang kuat karena vitamin C merupakan salah satu antioksidan kuat yang terkandung dalam buah-buahan. Aktivitas antioksidan terkuat didapatkan dari kombinasi perlakuan amplitudo 65% selama 45 menit yaitu sebesar 4.93 ppm.
25 Fenomena kavitasi selain memiliki efek secara fisik juga memiliki efek kimiawi pada proses ekstraksi. Kavitasi dapat menghasilkan radikal yang sangat reaktif seperti H▪ dan OH▪ketika sonikasi menggunakan medium air (Henglein 1993). Efek kimia tersebut dapat memberikan dampak yang positif atau negatif tergantung pada proses. Pembentukan radikal OH▪ selama kavitasi dapat mempengaruhi kualitas beberapa makanan. Ashokkumar et al. (2008) mengobservasi penurunan 20% aktivitas antioksidan cyanidin-3-glucoside dari nilai awalnya pada proses sonikasi selama 4 jam sebaliknya radikal tersebut juga dapat digunakan untuk meningkatkan fungsi bahan makanan. Studi yang dilakukan Ashokkumar dan Grieser (1999) menunjukkan bahwa proses sonikasi pada senyawa fenol menyebabkan perubahan posisi hydroksilasi menjadi ortho-, meta- dan para- sehingga dapat dikatakan pembentukan OH▪ akibat proses sonikasi dapat meningkatkan sifat antioksidan dari senyawa tumbuhan seperti flavonoid. Hubungan antar parameter uji dapat diketahui dengan uji Korelasi pearson yang ditunjukkan pada Tabel 10.
Tabel 10 Nilai koefisien korelasi Pearson antar parameter pengujian Variabel Rendemen Aktivitas antioksidan Total antosianin
Rendemen 1
Aktivitas antioksidan -0,61 1
Total antosianin 0,49 -0,80 1
Aktivitas antioksidan memiliki korelasi positif dengan kandungan antosianin. Nilai negatif terbentuk karena grafik aktivitas antioksidan menunjukkan penurunan nilai dimana semakin kecil nilai IC50 maka aktivitas antioksidannya semakin kuat. Penyusun utama dari antioksidan adalah antosianin (Liu et al. 2002) yang ditunjukkan oleh warna gelap pada kulit manggis. Penelitian Setyaningrum (2010) juga menyebutkan bahwa aktivitas antiradikal ekstrak buah salam memiliki korelasi yang tinggi terhadap kadar antosianinnya. Dapat dikatakan bahwa semakin tinggi aktivitas antioksidan maka semakin tinggi antosianin yang terkandung di dalam ekstrak. Total antosianin dan aktivitas antioksidan tidak berkorelasi dengan rendemen karena terdapat senyawa bioaktif lainnya yang terkandung di dalam rendemen kulit manggis seperti karbohidrat (85.50%), protein (3.02%), dan lemak (6.45%) yang memiliki proporsi lebih tinggi dibanding antioksidan yang terkandung di dalamnya.
5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
26
aktivitas antioksidan dari UAE berbeda nyata terhadap kontrol. Tidak ada interaksi antara amplitudo dan waku eksitasi terhadap parameter mutu yang diuji. Setiap kenaikan amplitudo 15% dan waktu eksitasi 15 menit tidak menunjukkan perbedaan yang nyata sedangkan setiap kenaikan amplitudo 30% dan waktu eksitasi 30 menit menunjukkan perbedaan yang nyata untuk setiap parameter uji. Kombinasi perlakuan UAE terbaik adalah pada amplitudo 65% dengan waktu eksitasi 45 menit yang menghasilkan rendemen 6.71%, kadar antosianin total 558.76 ppm dan aktivitas antioksidan IC50 4.93 ppm. Penggunaan metode UAE mampu meningkatkan rendemen 1.02-2.66 %, kadar antosianin total 23-88% dan aktivitas antioksidan 17-40% dari kulit manggis.
Saran
27
DAFTAR PUSTAKA
[AOAC] Association of Official Analytical Chemists. 1995. Official Methods of Analysis, 16thed. 45:5-6. Washington DC (US).
Ashokkumar M, Grieser F. 1999. Ultrasound assisted chemical process. Reviews in Chemical Engineering. 15: 41-83.
enhancement of the supercritical extraction from ginger. Ultrason Sonochem.
13:471-479.
Budiastra IW. 1998. Laporan Kemajuan II Pengembangan Teknologi Gelombang Ultrasonik untuk Penentuan Kematangan dan Kerusakan Buah-buahan Tropika Secara Non-destruktif. Bogor (ID): IPB.
Chang C, Yang M, Wen H, Chern J. 2002. Estimation of total flavonoid content in propolis by two complementary colorimetric methods. J Food Drug Analysis. 10: 178-182.
Castro MDL, Garcia JLL. 2004. Ultrasonic-assisted soxhlet extraction : an expeditive approach for solid sample treatment, application to the extraction of total fat from oleaginous seeds. J Chromatogr A. 1034:237-242.
Dolatowski, Zbigniew J. 2007. Applications of ultrasound in food technology. Acta Sci Pol Technol Aliment. 6(3): 88-99.
Farida R, Nisa FC. 2015. Ekstraksi antosianin limbah kulit manggis metode microwave assisted extraction (lama ekstraksi dan rasio bahan : pelarut). J Pangan dan Agroindustri. 3(2) : 362-373.
Ginting E. 2011. Potensi ekstrak ubi jalar ungu sebagai bahan pewarna alami sirup. Prosiding Seminar Nasional Hasil Penelitian Tanaman Aneka Kacang dan Umbi. ISBN: 978-979-1159-56-2.
Giusti MM, Wrolstad RE. 2001. Characteristic and measurement of anthocyanins by UV-Visible Spectroscopy. Curr Protoc Food Analyt Chem. F1.2.1-F1.2.13.doi: 10.1002/0471142913.
Golmohamadi G, Moller G, Powers J, Nindo C. 2013. Effect of ultrasonic frequency on antioxidant activity, total phenolic and anthocyanin content of red raspberry puree. Ultrason Sonochem. 20:1316-1323.
Gonzalez-Centeno MR, Comas-Serra F, Femenia A, Rosello C, Simal S. 2015. Effect of power ultrasonic application on aqueous extraction of phenolic compounds and antioxidant capacity from grape pomace (Vitis vinifera L.): Experimental kinetics and modeling. Ultrason Sonochem. 22:506-514. Harborne JB. 1996. Metode Fitokimia. Ed. ke-2. Padmawinata K, penerjemah.
Bandung (ID): ITB. Terjemahan dari: Phytochemical Methods.
28
Henglein A. 1993. Contributions to various aspects of cavitation chemistry. Advances in Sonochem. 3: 17-83.
Heyne K. 1987. Tumbuhan Berguna Indonesia III. Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan. Jakarta (ID): Yayasan Sarana Wahajaya. 1385 – 1386.
Isnaini L. 2010. Ekstraksi pewarna merah cair alami berantioksidan dari kelopak bunga rosella (Hibiscus sabdariffa L.) dan aplikasinya pada produk pangan. J Teknol Pertanian. 11(1): 18-28.
Iswari K, Sudaryono T. 2007. Empat jenis olahan manggis, si ratu buah dunia dari Sumbar. Di dalam: Tabloid Sinar Tani. BPTP Sumbar.
Jayasooriya SD, Torley PJ, D’Arcy BR, Bhandari BR. 2007. Effect of high power ultrasound and ageing on the physical properties of bovine Semitendinosus and Longissimus muscles. Meat Sci. 75: 628-639.
Jordheim M. 2007. Isolation, identification and properties of Pyranoanthocyanins and Anthocyanin form [disertasi]. Norway : Department of Chemistry University of Bergen.
Jun M, Fu HY, Hong J, Wan X, Yang CS, Ho CT. 2003. Comparison of antioxidant activities of isoflavones from kudzu root (Pueraria Iobata Ohwi). The Journal of Food Science. Institute of food technologist. 68 Keil FJ. 2007. Modeling of process intensification. Ultrasonic vs. microwave
extraction intensification of active principles from medicinal plants.AIDIC Conference Series. 9: 1-8.
Ketaren S, Suastawa IGM. Pengaruh tingkat mutu buah panili dan nisbah bahan dengan pelarut terhadap rendemen dan mutu oleoresin yang dihasilkan. J Teknol Indust Pertanian. 3:161-171.
Kurniawati A, Poerwanto R, Sobir, Effendi D, Cahyana H. 2010. Evaluation of fruit characters, xanthones content and antioxidant properties of various qualities of mangosteens (Garcinia mangostana L.). J Agron Indonesia. 38 (3): 232 -7.
Leu SJ, Lin YP, Lin RD, Wen CL, Cheng KT, Hsu FL, Lee MH. 2006. Phenolic constituents of Malus doumeri var. formosana in the field of skin care. Biol Pharm Bull. 29(4):740–745.
Liu QM, Yang XM, Zhang L, Majetich G. 2010. Optimization of ultrasonic-assisted extraction of chlorogenic acid from Folium eucommiae and evaluation of its antioxidant activity. J Med Plants Res. 4(23):2503–2511. Marco PH, Poppi RJ, Scarminio IS, Tauler R. 2011. Investigation of the pH effect
and UV radiation on kinetic degradation of anthocyanin mixtures extracted from Hibiscus acetosella. Food Chem. 125:1020-1027.
Mason TJ. 1990. Sonochemistry:The Use of Ultrasonic in Chemistry. Volume ke-1. Cambridge (UK):Royal Society of Chemistry.
Mason TJ, Lorimer JP. 2002. Applied Sonochemistry: The uses of power ultrasonic in chemistry and processing. Weinheim (DE): Wiley- VCH Verlag GmBH and Co.
