PRODUKSI BIOHIDROGEL BERBASIS
CARBOXYMETHYL STARCH - KITOSAN
MOHAMAD IRSAN FEBRIAN
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Produksi Biohidrogel Berbasis Carboxymethyl Starch - Kitosan adalah benar karya saya dengan arahan dari 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 skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Mohamad Irsan Febrian
ABSTRAK
MOHAMAD IRSAN FEBRIAN. Produksi Biohidrogel Berbasis Carboxymethyl Starch - Kitosan. Dibimbing oleh TITI CANDRA SUNARTI.
Hidrogel merupakan struktur tiga dimensi dari polimer yang mampu menyerap dan menahan air di dalam matriksnya. Hidrogel dapat berasal dari polimer-polimer alami ataupun sintetik. Polimer alami bersifat biokompatibel dan biodegradable sehingga tidak menghasilkan efek samping. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisis pengaruh konsentrasi asam metakrilat terhadap parameter grafting serta karakteristik biohidrogel yang dihasilkan dari masing-masing jenis carboxymethyl starch. Carboxymethyl starch yang digunakan berasal dari sagu dan tapioka. Proses grafting asam metakrilat pada polimer backbone terjadi akibat adanya pembentukan gugus fungsional radikal, baik pada polimer backbone maupun pada asam metakrilat itu sendiri. Kesuksesan proses grafting telah terbukti terjadi berdasarkan analisis spektrum Fourier Transform Inframerah. Rendemen dan efisiensi grafting serta konversi monomer terbaik dicapai dengan penggunaan konsentrasi asam metakrilat sebesar 0,550 g/g. Karakteristik swelling, kelarutan, dan daya serap air biohidrogel dipengaruhi oleh konsentrasi asam metakrilat. Namun, karakteristik daya serap minyak tidak terpengaruh oleh konsentrasi asam metakrilat.
Kata kunci: biohidrogel, carboxymethyl starch, grafting, kitosan
ABSTRACT
MOHAMAD IRSAN FEBRIAN. Production of Carboxymethyl Starch – Chitosan Based Biohydrogel. Supervised by TITI CANDRA SUNARTI
Hydrogel is a three dimensional polymeric structure which has an ability to absorb and retain water within its structure. Hydrogel can be derived from natural and synthetic polymers. The natural polymers are usually biocampatible and biodegradable thus they do not produce adverse effects. The objective of this research is to analyze the effect of methacrylic acid concentration towards grafting parameter and biohydrogel properties which derived from carboxymethyl starch. Sago and tapioca were used as the raw material of carboxymethyl starch. The grafting process of methacrylic acid onto backbone polymer occured as a consequence of generating radical functional gruops, either in backbone polymer or in methacrylic acid itself. The grafting process had successfully occured based on Fourier Transform Infrared spectra analysis. The best grafting yield, grafting efficiency, and monomer conversion achieved with using 0,550 g/g methacrylic acid. Swelling, solubility, and water absorbtion property of biohydrogel are affected by methacrylic acid concentration. Meanwhile, oil absorbtion property is not affected by methacrylic acid concentration.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknologi Industri Pertanian
PRODUKSI BIOHIDROGEL BERBASIS
CARBOXYMETHYL STARCH - KITOSAN
MOHAMAD IRSAN FEBRIAN
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PRAKATA
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penelitian dan penyusunan karya ilmiah yang
berjudul “Produksi Biohidrogel Berbasis Carboxymethyl Starch-Kitosan” ini
berhasil diselesaikan tanpa menemui kendala yang berarti. Melalui kesempatan ini pula, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Dr Ir Titi Candra Sunarti, MSi selaku dosen pembimbing yang sangat sabar dan perhatian memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis selama masa penelitian dan penyusunan karya ilmiah ini.
2. Prof Dr Ir Nastiti Siswi Indrasti dan Prof Dr Ir Ani Suryani, DEA selaku dosen penguji yang memberikan masukan bermanfaat dalam karya ilmiah ini.
3. Orang tua dan adik-adik yang selalu memberikan doa-doa terbaik dan dukungannya.
4. Para laboran yang selalu membantu dalam teknis pelaksanaan penelitian. 5. Teman-teman TINformers yang selalu saling menguatkan dan
memberikan dukungan satu sama lain layaknya sebuah keluarga.
Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini merupakan sumbangan ilmu pengetahuan yang harus selalu dikembangkan dan disempurnakan. Oleh karena itu, penulis menyambut baik segala bentuk kritik dan masukan yang membangun demi kesempurnaan pengetahuan ini di masa yang akan datang.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2015
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL x
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR LAMPIRAN x
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 2
Tujuan Penelitian 2
Manfaat Penelitian 2
Ruang Lingkup Penelitian 2
METODE 3
Bahan 3
Alat 3
Prosedur Penelitian 3
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Karakteristik Pati Sagu dan Tapioka 5
Karakteristik Carboxymethyl Starch 7
Produksi Biohidrogel 8
Karakteristik Produk Biohidrogel 12
Aplikasi Produk Biohidrogel 14
PENUTUP 15
Simpulan 15
Saran 15
DAFTAR PUSTAKA 16
LAMPIRAN 19
DAFTAR TABEL
1 Kandungan pati sagu dan tapioka 6
2 Karakteristik pati alami dan pati termodifikasi CMS sagu dan tapioka 7
3 Parameter grafting asam metakrilat pada backbone CMS-kitosan 11
4 Karakteristik produk biohidrogel berbasis CMS-kitosan 12
DAFTAR GAMBAR
1 Diagram alir proses produksi biohidrogel 42 Struktur polimer carboxymethyl starch dan kitosan 8
3 Spektrum inframerah CMS sagu 10
4 Spektrum inframerah biohidrogel CMS sagu-kitosan dan biohidrogel CMS tapioka-kitosan 10
DAFTAR LAMPIRAN
1 Prosedur karakterisasi pati sagu dan tapioka serta pati termodifikasi 182 Prosedur karakterisasi parameter grafting dan biohidrogel 23
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Hidrogel merupakan polimer yang memiliki struktur tiga dimensi sehingga memiliki kemampuan untuk menyerap dan menahan air di dalam matriksnya. Selain itu, hidrogel juga memiliki tekstur lunak dan lembut. Terkait kemampuannya, hidrogel memiliki aplikasi yang menjanjikan di berbagai bidang, seperti matriks media nutrisi dalam pertanian (Ibrahim et al. 2007), aplikasi antibakteri dalam biomedis (Murthy et al. 2008), teknik jaringan (Kim et al. 2008), biosensor (Adhikari & Majumdar 2004), dan penghantaran obat (Saboktakin et al. 2010). Telah banyak penelitian mengenai hidrogel yang dihasilkan dari berbagai polimer alami maupun sintetik (Hoare & Kohane 2008). Akan tetapi, selama dua dekade terakhir, hidrogel alami secara bertahap digantikan oleh hidrogel sintetik yang memiliki daya pakai lebih lama serta berkapasitas serap air yang lebih tinggi (Ahmed et al. 2013). Meskipun demikian, penting untuk dipertimbangkan bahwa polimer alami memiliki keunggulan terkait biokompatibilitas dan tidak memiliki efek racun dibandingkan dengan polimer hidrogel sintetik (Wu et al. 2008) sehingga hidrogel alami lebih cocok sebagai biomaterial. Produksi ataupun sintesis hidrogel dapat dilakukan dengan berbagai cara, baik melalui ikat silang kimia (Denizli et al. 2004; Kiritoshi & Ishihara 2004), ikatan ionik (Kang et al.
2007), maupun grafting (Said et al. 2004) pada struktur polimer.
Pati merupakan salah satu polimer alami yang sering dipilih sebagai basis polimer hidrogel terkait sifatnya yang tidak beracun, murah, dan ketersediannya berlimpah di alam. Produksi global pati pada tahun 2015 diperkirakan mencapai 85 juta ton dengan pertumbuhan sebesar 4% tiap tahunnya (ISI 2015). Pati merupakan polisakarida yang terdapat dalam tanaman sebagai hasil dari proses fotosintesis. Meskipun memiliki keunikan tersendiri untuk setiap jenisnya, pati sebagai polimer alami masih memiliki kekurangan, namun hal ini dapat diatasi dengan upaya modifikasi terhadapnya. Dengan demikian, pati diharapkan dapat memenuhi sifat-sifat produk yang diinginkan dalam sejumlah area penggunaannya. Salah satu pati hasil modifikasi yang secara luas digunakan adalah carboxymethyl starch (CMS). Selain pati, kitosan juga telah banyak diteliti sebagai basis polimer hidrogel terkait sifatnya yang mampu meningkatkan kualitas polimer alami lainnya (Park et al. 2006; Yun et al. 2005; Zhou et al. 2008; Kumar et al. 2008). Pencampuran CMS dengan kitosan merupakan suatu langkah yang dapat ditempuh untuk meningkatkan kualitas polimer alami sebagai basis biohidrogel.
Pengembangan kualitas biohidrogel gencar dilakukan demi menghasilkan biohidrogel yang responsif terhadap lingkungan sekitarnya, seperti pH, suhu, bahkan keberadaan elektrolit. Asam metakrilat merupakan monomer fungsional yang dapat membuat biohidrogel responsif terhadap perubahan pH (Nho et al.
2005). Kandungan asam metakrilat di dalam matriks hidrogel menyediakan lebih banyak ikatan hidrogen pada pH rendah dan lebih banyak penolakan elektrostatik pada pH tinggi (Ratner 1989). Meng-grafting asam metakrilat pada backbone
2
fungsional radikal sehingga monomer asam metakrilat dapat ter-grafting pada polimer backbone. Pemilihan asam metakrilat sebagai monomer fungsional yang akan di-grafting dan banyaknya asam metakrilat yang ter-grafting diduga akan mempengaruhi karakteristik produk biohidrogel yang dihasilkan. Oleh karena itu, karakteristik biohidrogel berbasis CMS-kitosan yang dikopolimerisasi oleh asam metakrilat perlu disesuaikan melalui rancangan yang tepat untuk mencapai karakter yang diinginkan sesuai dengan tujuan penggunaannya.
Perumusan Masalah
Biohidrogel dapat diproduksi dengan teknik grafting. Produksi biohidrogel dengan teknik grafting dipengaruhi oleh jenis polimer ataupun monomer yang terlibat. Monomer asam metakrilat yang ter-grafting pada backbone polimer CMS-kitosan mempengaruhi terbentuknya struktur biohidrogel sehingga berkorelasi dengan parameter grafting biohidrogel yang dihasilkan dari proses tersebut. Semakin banyak monomer asam metakrilat yang ditambahkan, diharapkan dapat meningkatkan rendemen grafting biohidrogel. Namun, kondisi asam yang terjadi akibat peningkatan konsentrasi asam metakrilat dapat mempercepat degradasi inisiator yang menginisiasi grafting asam metakrilat pada
backbone polimer CMS-kitosan.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian adalah menganalisis pengaruh konsentrasi asam metakrilat terhadap parameter grafting dan karakteristik biohidrogel yang dihasilkan dari masing-masing jenis carboxymethyl starch.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian bermanfaat untuk mengetahui rendemen dan efisiensi
grafting biohidrogel serta monomer yang terkonversi selama proses grafting
berlangsung. Rendemen grafting dan konversi monomer dapat digunakan sebagai acuan untuk memproduksi biohidrogel dalam skala yang lebih besar dengan lebih efektif dan efisien. Selain itu, analisis terkait karakteristik biohidrogel dapat dijadikan pertimbangan penggunaan biohidrogel yang tepat pada bidang tertentu.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian mencakup: 1) Bahan baku carboxymethyl starch
3
METODE
Bahan
Bahan baku yang digunakan adalah pati sagu dan tapioka yang diperoleh dari industri kecil di sekitar Bogor. Kitosan yang digunakan diperoleh dari Departemen Teknologi Hasil Perairan IPB. Bahan kimia yang digunakan adalah sodium monokloroasetat, asam metakrilat, dan cerric ammonium nitrate (CAN) dengan gradepro analysis (p.a.)yang dibeli dari Sigma-Aldrich. Isopropanol (p.a., Merck) digunakan sebagai medium dalam proses pembuatan carboxymethyl starch. Gas nitrogen digunakan untuk menghilangkan oksigen terlarut dalam medium saat proses grafting. Bahan kimia lainnya yang tidak disebutkan namun digunakan saat penelitian, semuanya juga merupakan bahan kimia dengan grade p.a.
Alat
Peralatan yang digunakan adalah labu leher tiga, erlenmeyer, hotplate stirrer, batang magnet pengaduk, oven, neraca analitik, dan spektrofotometer (HACH 2500). Fourier Transform Infra Red (ABB FTIR MB3000) digunakan untuk menganalisis gugus fungsional biohidrogel hasil grafting.
Prosedur Penelitian
Penelitian yang dilakukan terdiri dari empat tahap, yaitu tahap karakterisasi bahan baku, tahap modifikasi pati menjadi CMS, tahap produksi biohidrogel, serta tahap karakterisasi parameter grafting dan produk biohidrogel.
Karakterisasi Bahan Baku
Karakterisasi bahan baku meliputi analisis proksimat (kadar air, kadar abu, kadar lemak, kadar serat kasar, kadar protein, serta karbohidrat total), kadar amilosa, dan kadar pati. Prosedur analisis karakterisasi bahan baku dapat dilihat pada Lampiran 1.
Penyiapan Pati Termodifikasi Carboxymethyl Starch
4
Produksi biohidrogel
Produksi biohidrogel mengacu pada metode yang dilakukan oleh Saboktakin et al. (2010). CMS dan kitosan dengan perbandingan 12:1 (b:b) dilarutkan dalam asam format 1% dengan perbandingan 1:20 (b:v) pada suhu 40oC dan diaduk konstan 250 rpm menggunakan hotplate stirrer dalam kondisi atmosfer nitrogen. Setelah CMS dan kitosan larut dan homogen, dilakukan penambahan dengan inisiator cerric ammonium nitrate 0,005M (dalam asam nitrat 1M) sebanyak 25 mL kemudian diikuti dengan penambahan sejumlah asam metakrilat. Reaksi dilanjutkan selama 1 jam. Produk akhir dinetralkan dengan larutan NaOH 1,25 N kemudian dipresipitasi oleh metanol, disaring, lalu dikeringkan pada oven bersuhu 70oC hingga terbentuk crude product. Setelah itu, produk dicuci dengan etanol untuk menghilangkan kelebihan asam metakrilat kemudian disaring dan kembali dikeringkan pada suhu 70oC hingga didapatkan
pure product.
Gambar 1. Diagram alir proses produksi biohidrogel
Karakterisasi Parameter Grafting dan Biohidrogel
Karakterisasi parameter grafting meliputi persentase rendemen (%GY), persentase efisiensi (%GE), dan persentase konversi monomer (%MC). Selain itu, juga dilakukan analisis FTIR untuk melihat keberhasilan proses grafting. Karakterisasi biohidrogel meliputi sifat-sifat penting polimer hidrogel seperti kelarutan, swelling, daya absorbsi air, dan daya absorbsi minyak. Prosedur karakterisasi parameter grafting dan biohidrogel dapat dilihat pada Lampiran 2.
Rancangan Percobaan
Rancangan percobaan yang digunakan pada penelitian adalah rancangan acak lengkap untuk masing-masing jenis CMS (CMS sagu dan CMS tapioka) dengan faktor konsentrasi asam metakrilat. Faktor perlakuan terdiri dari 3 taraf,
A
5 yaitu 0,275 g/g, 0,550 g/g, dan 0,825 g/g CMS-kitosan yang digunakan. Setiap unit percobaan diulangi sebanyak 3 kali. Pada rancangan percobaan ini akan dilihat pengaruh faktor tersebut terhadap parameter grafting serta karakter biohidrogel yang dihasilkan. Hipotesis yang akan diuji adalah:
H0 : Konsentrasi asam metakrilat tidak berpengaruh nyata H1 : Konsentrasi asam metakrilat berpengaruh nyata Model matematika untuk rancangan percobaan ini adalah:
� = �+� +� Keterangan:
Yij = variabel yang akan dianalisis µ = nilai rata-rata umum
Pi = perlakuan terhadap satuan percobaan ke-i
� = galat
i = taraf perlakuan, i = 1,2,3 j = ulangan, j = 1,2,3
Prosedur Analisis Data
`Analisis ragam (ANOVA) terhadap data yang diperoleh dari hasil penelitian, dianalisis menggunakan perangkat lunak SPSS versi 19.0 untuk mengetahui pengaruh faktor konsentrasi asam metakrilat terhadap parameter
grafting dan karakteristik biohidrogel yang dihasilkan dari masing-masing jenis CMS. Uji lanjut Duncan dilakukan jika hasil analisis ragam menunjukkan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan. Hasil analisis data dapat dilihat pada Lampiran 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Pati Sagu dan Tapioka
Pati adalah polimer yang tersusun atas unit-unit glukosa yang terhubung
6
sebagai bahan baku penelitian memiliki kandungan seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Kadar air merupakan kandungan air di dalam pati. Berdasarkan hasil karakterisasi, kadar air pada sagu lebih tinggi daripada tapioka. Hal ini menyebabkan sagu diduga memiliki kerentanan yang lebih tinggi terhadap pertumbuhan mikroba dibandingkan dengan tapioka ketika dalam masa penyimpanan. Kadar air yang dimiliki oleh pati sagu masih di bawah standar SNI 3729:2008 tentang karakterisasi sagu, yang memiliki nilai kadar air maksimum sebesar 13%. Nilai kadar air tapioka sudah memenuhi standar SNI 3451:2011 tentang karakterisasi tapioka, yang juga memiliki nilai maksimum sebesar 13%. Meskipun demikian, dilakukan penurunan kadar air pada sagu dan tapioka hingga pada kisaran 10% melalui pengeringan lanjutan sebelum keduanya siap digunakan sebagai bahan baku penelitian. Kadar air juga berkaitan dengan sifat hidrofilik pati akibat adanya tiga gugus hidroksil pada tiap unit glukosa anhidrat penyusunnya. Karena sifat hidrofilik inilah pati memiliki kecenderungan menyerap air, meskipun dari udara.
Karbohidrat Total 80,05% 85,69%
Kadar Pati 97,81% 96,76%
7 yang tinggi. Kadar pati sagu dan tapioka berturut-turut adalah 97,81% dan 96,76%, yang nilainya juga telah sesuai dengan SNI.
Karakteristik Carboxymethyl Starch
Carboxymethyl starch (CMS) merupakan pati termodifikasi yang telah diproduksi dalam skala industri. CMS adalah pati modifikasi eter kelompok anionik yang dapat dipertimbangkan sebagai biopolimer yang sangat penting digunakan dalam bidang farmasi, obat-obatan, dan industri pangan. Pembentukan CMS dihasilkan melalui proses karboksimetilasi terhadap pati, yaitu dengan menyubstitusi gugus hidroksil (-OH) dalam molekul pati dengan gugus karboksimetil (CH2COOH). Secara umum, CMS akan menurunkan suhu pengentalan suatu larutan, meningkatkan kelarutan, dan meningkatkan ketahanan produk untuk waktu yang lebih lama dibandingkan dengan pati alaminya (Spychaj
et al. 2013).
Berdasarkan hasil karakterisasi terhadap CMS (Tabel 2), terlihat bahwa terjadi peningkatan kelarutan pada CMS, baik CMS sagu maupun CMS tapioka, jika dibandingkan terhadap pati alaminya. Peningkatan nilai kelarutan ini diduga akibat adanya peningkatan sifat hidrofilik gugus hidroksil sehingga mampu menyerap air lebih banyak. Menurut Wurzburg (1986), sifat hidrofilik gugus hidroksil pada molekul pati yang lebih tinggi akan menghasilkan kelarutan maksimum dalam air. Peningkatan sifat hidrofilik gugus hidroksil ini diakibatkan oleh adanya proses alkalinisasi yang mengubah bentuk granula pati dan mengurangi kristalinitasnya (Cardoso et al. 2007). Akibatnya, granula pati yang termodifikasi menjadi lebih lemah dan lebih larut dalam air dingin (Chen & Jane 1994). Berubahnya bentuk granula dan berkurangnya kristalinitas pati akibat proses alkalinisasi menyediakan akses yang lebih tinggi bagi agen eterifikasi untuk menyubstitusi gugus hidroksil pada molekul pati selama proses karboksimetilasi (Lawal et al. 2008).
Peningkatan swelling power juga terjadi pada CMS sagu dan CMS tapioka jika dibandingkan dengan pati alaminya, seperti yang dapat dilihat pada hasil karakterisasi CMS di Tabel 2. Hal ini juga diduga diakibatkan oleh adanya proses alkalinisasi. Kondisi basa yang kuat mengubah gugus hidroksil pada molekul pati menjadi gugus alkoksida (Lefnaoui & Moulai-Mostefa 2015). Akibatnya, terdapat gaya tolak di antara gugus negatif yang mengakibatkan swelling dan menciptakan desakan tegangan kristalit-kristalit pada molekul pati yang berdekatan. Peningkatan swelling power juga berakibat terhadap kemampuan daya serap air dan minyak pada CMS terhadap pati alaminya.
Tabel 2. Karakteristik pati alami dan pati termodifikasi CMS sagu dan tapioka
Parameter Sagu Tapioka
8
Produksi Biohidrogel
Hidrogel merupakan susunan tiga dimensi rantai polimer yang mampu menyerap dan menahan air di dalam matriksnya. Hidrogel dapat berbasis polimer alami yang biasanya merupakan golongan polisakarida. Monomer penyusun polisakarida ini berpengaruh terhadap sifat hidrofilik dari hidrogel terkait adanya gugus hidroksil (-OH). CMS dan kitosan diketahui memiliki gugus hidroksil pada polimernya, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.
(a)
(b)
Gambar 2. Struktur polimer carboxymethyl starch (a)dan kitosan (b) Hidrogel berbasis polimer alami secara umum memiliki sifat tidak beracun, biokompatibel, dan biodegradable sehingga dapat disebut sebagai biohidrogel. Biohidrogel mengandung ikatan yang labil, oleh karena itu merupakan suatu keuntungan dalam penggunaannya di bidang pertanian, biomedis, dan penghantaran obat. Ikatan ini dapat berada di dalam polimer backbone ataupun pada pengikat silang yang digunakan untuk membentuk struktur biohidrogel. Ikatan labil dapat dirusak melalui kondisi-kondisi tertentu, baik secara enzimatis maupun kimia (Hennink & Nostrum 2002). Namun dalam banyak kasus, ikatan labil ini dapat dirusak melalui proses hidrolisis (Hoffman 2002).
Biohidrogel dapat diproduksi melalui berbagai cara, baik secara fisik maupun secara kimia. Dalam penelitian ini, biohidrogel diproduksi melalui cara ikat silang kimia. Cara ini meliputi grafting monomer ke polimer backbone
9
backbone CMS-kitosan ditempuh melalui pembentukan radikal bebas pada gugus fungsional CMS-kitosan menggunakan perlakuan kimia. Pembentukan gugus radikal ini akan memicu terbentuknya kopolimer dan ikatan silang antara polimer
backbone. Pembentukan radikal bebas secara kimia pada gugus fungsional polimer backbone dapat menggunakan garam cerium (Mino & Ksizerman 1958), sistem ion hidrogen peroksida-besi (Li et al. 2010), persulfat (Lanthong et al.
2006), potasium permanganat (Mostafa et al. 2011), dan mangan pirofosfat (Gao
et al. 1994). Keberhasilan proses grafting dapat diidentifikasi salah satunya menggunakan spektroskopi inframerah.
Substitusi gugus karboksimetil pada molekul pati sagu dan tapioka dapat diidentifikasi dengan adanya kemunculan puncak serapan gugus karbonil dalam spektrum inframerah pada rentang bilangan gelombang 1300-860 cm-1. Puncak serapan pada rentang ini merupakan karakteristik serapan akibat adanya vibrasi ulur C-O pada C-O-C dan C-O-H dalam molekul glikosidik CMS (Zhou et al. 2007). Spektrum inframerah CMS juga harus menunjukkan kemunculan puncak baru sebagai bukti yang mengindikasikan adanya substitusi gugus karboksilat setelah proses eterifikasi. Serapan ini diidentifikasi sebagai vibrasi ulur gugus karboksilat simetris (COO- simetris) pada bilangan gelombang 1400 cm-1 dan vibrasi gugus karboksilat asimetris (COO- asimetris) pada bilangan gelombang 1600 cm-1 (Kittipongpatana et al. 2006). Spektrum inframerah CMS dapat dilihat pada Gambar 3.
Puncak serapan inframerah biohidrogel CMS-kitosan ditunjukkan oleh Gambar 4. Puncak serapan yang lebar pada kisaran 3600 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur -OH, -NH, dan C-H pada polimer CMS-kitosan. Puncak serapan inframerah pada area sidik jari di rentang 1300-1000 cm-1 memperlihatkan adanya kemunculan gugus karbonil yang merupakan ikatan glikosidik (C-O-C) antar gugus amilosa dan amilopektin, serta ikatan C-OH pada rantai piranosil CMS dan kitosan. Adanya puncak serapan pada kisaran rentang 1500-1750 cm-1 dan 1400 cm-1 berturut-turut merupakan indikasi adanya vibrasi ulur asimetris COO- dan vibrasi ulur simetris COO- yang diduga berasal dari COOH pada CMS dan asam metakrilat. Hasil pembacaan spektrum inframerah biohidrogel CMS-kitosan hampir sama seperti spektrum inframerah pada CMS (Gambar 3). Akan tetapi, bukti kuat terjadinya proses grafting asam metakrilat pada backbone CMS-kitosan dapat dilihat pada puncak serapan infamerah baru yang muncul pada kisaran 2700 cm-1 yang menandakan adanya vibrasi ulur ikatan rangkap dua atom karbon (C=C) yang dimiliki oleh asam metakrilat terminus. Tidak adanya puncak serapan inframerah yang diharapkan terdapat pada bilangan gelombang 3250 cm-1 menimbulkan dugaan bahwa asam metakrilat tidak
ter-grafting pada gugus -NH kitosan karena rentang tersebut merupakan indikasi adanya gugus amina primer.
10
Gambar 3. Spektrum inframerah CMS (Purwanto et al. 2013)
Gambar 4. Spektrum inframerah biohidrogel CMS sagu-kitosan (a) dan biohidrogel CMS tapioka-kitosan (b)
Proses grafting asam metakrilat pada backbone CMS-kitosan menghasilkan kopolimer CMS/kitosan-g-poli(asam metakrilat). Kesuksesan proses grafting ini dapat dievaluasi dengan parameter grafting seperti rendemen, efisiensi, dan konversi monomer (Tabel 3). Persentase rendemen grafting (%GY) merupakan perbandingan jumlah asam metakrilat yang ter-grafting terhadap jumlah bahan awal yang tidak mengandung asam metakrilat. Persentase efisiensi grafting
11 perbandingan asam metakrilat yang ter-grafting terhadap banyaknya asam metakrilat yang digunakan.
Tabel 3. Parameter grafting asam metakrilat pada backbone CMS-Kitosan Parameter Konsentrasi Asam Metakrilat (g/g)
0,275 0,550 0,825
Berdasarkan hasil analisis ragam (Lampiran 3) pada tingkat kepercayaan 95%, terlihat bahwa terjadi perbedaan %GY yang signifikan pada setiap taraf konsentrasi asam metakrilat, dengan %GY tertinggi sebesar 46,12±0,91% untuk biohidrogel CMS sagu dan 47,09±0,64% untuk biohidrogel CMS tapioka. Nilai %GE juga terlihat mengalami perbedaan yang signifikan dengan nilai %GE tertinggi sebesar 88,37±1,76% untuk biohidrogel CMS sagu dan 89,21±0,65% untuk biohidrogel CMS tapioka. Perbedaan yang signifikan juga terlihat pada %MC dengan nilai tertinggi sebesar 98,04±1,15% dan 98,80±0,17% berturut-turut untuk biohidrogel CMS sagu dan tapioka.
Perlu diperhatikan bahwa baik pada biohidrogel CMS sagu-kitosan maupun biohidrogel CMS tapioka-kitosan terjadi penurunan %GY dan %MC yang signifikan ketika digunakan asam metakrilat melampaui konsentrasi 0,550 g/g. Fenomena ini dapat terjadi diduga karena peningkatan konsentrasi monomer memicu akumulasi monomer di dekat backbone polimer CMS-kitosan sehingga menghalangi pembentukan gugus radikal pada polimer backbone. Ketika akumulasi monomer menghalangi polimer backbone maka reagen inisiator diduga tidak akan membuat gugus fungsional polimer backbone menjadi radikal, melainkan membuat radikal gugus fungsional pada asam metakrilat sehingga cenderung membentuk homopolimer asam metakrilat. Selain itu, peningkatan penambahan asam metakrilat akan menurunkan pH medium yang membuat reagen inisiator lebih cepat terdegradasi (Tahlawy et al. 2006) sehingga diduga berdampak pada penurunan nilai %MC.
Penurunan nilai %MC merupakan sebuah pertanda bahwa monomer asam metakrilat tidak lagi melakukan polimerisasi yang diduga akibat tidak terdapatnya gugus radikal, baik pada gugus polimer backbone maupun pada asam metakrilat itu sendiri. Ketiadaan reagen inisiator akan menghentikan proses radikalisasi gugus fungsional sehingga tidak terjadi proses polimerisasi. Hal yang berbeda dapat terlihat pada %GE yang nilainya selalu meningkat signifikan seiring dengan penambahan asam metakrilat. Hal ini merupakan tanda bahwa dari sekian banyak asam metakrilat yang ter-grafting, sebagian besar telah ter-grafting pada polimer
12
homopolimer asam metakrilat selama proses kopolimerisasi berlangsung, diduga jumlahnya sedikit. Tingginya nilai %GE dipengaruhi oleh penggunaan inisiator yang baik, yang dalam penelitian ini menggunakan inisiator cerric ammonium nitrate (CAN). Menurut Liu et al. (1993) dan Kutsevol et al. (2006), CAN merupakan inisiator yang digunakan secara luas dalam proses grafting polimer pada pati karena memiliki energi aktivasi yang rendah, waktu pembentukan radikal yang tidak lama, dan memiliki efisiensi grafting yang tinggi dibandingkan dengan inisiator lainnya, namun demikian memiliki harga yang mahal.
Masing-masing parameter grafting memiliki peranan yang penting dalam proses produksi biohidrogel. Namun, parameter terpenting yang perlu diperhatikan adalah %MC karena parameter ini memperlihatkan efektivitas reaksi polimerisasi. Peningkatan konsentrasi monomer melampaui batas maksimum efektivitas reaksi polimerisasi akan menurunkan efektivitas reaksi polimerisasi itu sendiri karena monomer yang akan di-grafting tidak terpolimerisasi dan pada akhirnya akan terbuang secara percuma selama proses pemurnian produk. Dalam kegiatan produksi, hal ini dapat dipertimbangkan sebagai salah satu bentuk kerugian biaya produksi. Parameter lainnya seperti %GY dan %GE dapat digunakan sebagai parameter pemantau proses polimerisasi karena melalui %GY dan %GE, dapat dilihat banyaknya monomer yang ter-grafting pada polimer
backbone dan banyaknya homopolimer yang terbentuk.
Karakteristik Produk Biohidrogel
Karakteristik penting yang perlu dimiliki oleh biohidrogel antara lain adalah kemampuan menggembung (swelling), kelarutan, serta daya serap. Hasil pengamatan terhadap karakteristik produk biohidrogel berbasis CMS-kitosan dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Karakteristik produk biohidrogel berbasis CMS-kitosan
Parameter Konsentrasi Asam Metakrilat (g/g)
0,275 0,550 0,825
13 berbasis CMS-kitosan yang dihasilkan memiliki sifat responsif terhadap pH karena dikopolimerisasi dengan asam metakrilat. Hal ini menyebabkan adanya penggembungan yang tinggi ketika biohidrogel didispersikan ke dalam air karena gugus -COOH terionisasi. Penggembungan ini terjadi sebagai hasil adanya relaksasi secara ekstensif akibat gaya tolak muatan yang sama (Shaikh et al 2014). Berdasarkan hasil analisis ragam (Lampiran 3) pada tingkat kepercayaan 95%, terlihat bahwa terdapat perbedaan swelling dan kelarutan biohidrogel yang signifikan pada setiap taraf konsentrasi asam metakrilat untuk kedua jenis biohidrogel. Terjadi penurunan swelling yang signifikan pada kedua jenis biohidrogel tersebut ketika digunakan konsentrasi asam metakrilat pada taraf 0,825 g/g. Hal ini terkait dengan %GY yang juga mengalami penurunan signifikan pada taraf tersebut sehingga mengurangi jumlah gugus -COOH yang berasal dari asam metakrilat. Berkurangnya gugus -COOH akan mengurangi penggembungan biohidrogel akibat adanya ionisasi pada gugus tersebut. Kelarutan memiliki korelasi negatif terhadap swelling karena pengukuran kelarutan pada hidrogel didasarkan pada pengukuran bobot kering bagian tak larut setelah hidrogel di rendam dalam air (Katayama et al. 2006).
Berdasarkan data karakteristik swelling dan kelarutan produk biohidrogel yang terdapat pada Tabel 4, terlihat bahwa telah terjadi peningkatan nilai swelling
dan penurunan nilai kelarutan jika dibandingkan dengan nilai swelling dan kelarutan dari produk CMS nya (Tabel 2). Hal ini terjadi karena adanya ikatan silang yang terbentuk pada produk biohidrogel CMS-kitosan diduga membuat struktur polimer lebih mampu menggembung dan mengurangi kelarutannya akibat membentuk struktur polimer tiga dimensi. Polimer amilosa yang berperan dalam kelarutan diduga telah terikat silang sehingga menyebabkan nilai kelarutan produk biohidrogel menurun. Banyaknya ikatan silang yang terbentuk juga merupakan faktor yang menurunkan nilai swelling karena ikatan silang membuat sulitnya penetrasi air ke dalam struktur polimer biohidrogel.
Daya Serap Air dan Minyak
14
dengan produk CMS nya (Tabel 2). Hal ini dikarenakan terciptanya struktur tiga dimensi pada biohidrogel akibat adanya ikatan silang oleh asam metakrilat membuat polimer biohidrogel memiliki gaya tolak ketika terionisasi. Proses ini diduga membuat air lebih banyak terjerab di dalam matriks biohidrogel. Jika dibandingkan dengan rendemen grafting (Tabel 3), nilai daya serap air produk biohidrogel berbanding lurus dengan %GY. Semakin tinggi %GY maka akan meningkatkan daya serap air pada produk biohidrogel yang dihasilkan terkait adanya dugaan bahwa adanya proses ionisasi yang terjadi pada gugus –COOH asam metakrilat.
Kemampuan biohidrogel untuk menyerap minyak menandakan bahwa pada struktur biohidrogel tersebut tidak hanya mengandung gugus yang bersifat hidrofilik, namun juga gugus lipofilik. Hal ini dikarenakan pada produk biohidrogel berbasis CMS-kitosan yang dihasilkan terdapat gugus amina (-NH) yang berasal dari penambahan kitosan sehingga memberikan tempat terikatnya minyak pada pati. Selain itu, adanya kandungan amilosa pada struktur polimer pati dapat mempengaruhi daya serap minyak karena amilosa memiliki kemampuan untuk membentuk kompleks dengan minyak menghasilkan amilosa-lipid. Berdasarkan hasil analisis sidik ragam (Lampiran 3) pada tingkat kepercayaan 95%, terlihat bahwa pengaruh penambahan asam metakrilat tidak menyebabkan perbedaan daya serap minyak yang signifikan. Hal ini diduga karena tidak ada asam metakrilat yang ter-grafting pada gugus amina kitosan (dibuktikan dengan tidak adanya puncak serapan inframerah yang menunjukkan keberadaan amina primer) sehingga banyaknya gugus amina tempat melekatnya minyak tidak berbeda jumlahnya secara signifikan. Nilai tertinggi daya serap minyak untuk biohidrogel CMS sagu adalah sebesar 255,15±10,72% sedangkan untuk biohidrogel CMS tapioka adalah sebesar 256,84±18,91%.
Aplikasi Produk Biohidrogel
Kemampuan biohidrogel untuk menyerap dan mempertahankan air di dalam matriksnya, menjadikannya banyak digunakan di berbagai bidang, seperti pertanian (Ibrahim et al. 2007), biomedis (Murthy et al. 2008), teknik jaringan (Kim et al. 2008), biosensor (Adhikari & Majumdar 2004), dan penghantaran obat (Saboktakin et al. 2010). Hal ini menuntut produk biohidrogel harus memiliki sifat-sifat ideal polimer hidrogel, beberapa diantaranya adalah memiliki kapasitas serap yang tinggi, kelarutan rendah, mengandung sedikit residu monomer, dan
biodegradable (Ahmed 2013). Aplikasi biohidrogel untuk produk-produk higienis seperti dalam bidang biomedis dan penghantaran obat menyaratkan produk biohidrogel memiliki kapasitas serap yang tinggi dan mengandung sedikit residu monomer. Selain itu, dibutuhkan pula sifat-sifat tambahan seperti sifat responsif terhadap pH atau suhu. Namun secara umum, sifat utama yang dikehendaki dari sebuah produk hidrogel adalah memiliki daya serap air yang tinggi (superabsorbent polymer). Produk biohidrogel CMS sagu-kitosan dan biohidrogel CMS tapioka-kitosan yang dihasilkan melalui teknik grafting dalam penelitian ini memiliki kemampuan daya serap air berkisar ±1000% atau setara dengan 10 kali lipat (Tabel 4). Hal ini telah mencapai kategori produk biohidrogel dapat dikatakan sebagai superabsorbent polymer. Menurut Turakhiya et al. (2013),
15 yang memiliki kemampuan untuk menyerap air ataupun cairan lainnya sebanyak 10-1000 kali bobot awalnya. Meskipun termasuk dalam kategori superabsorbent polymer, produk biohidrogel yang dihasilkan melalui penelitian ini dirasa masih belum optimum untuk digunakan dalam bidang-bidang yang menghendaki sifat daya serap yang tinggi, seperti dalam bidang pertanian, pemurnian limbah dan produk-produk popok.
Sifat swelling produk biohidrogel juga dapat dijadikan sebagai pertimbangan penggunaan produk biohidrogel tersebut. Produk biohidrogel yang dihasilkan melalui penelitian ini memiliki nilai swelling tertinggi pada kisaran ±250% (Tabel 4). Nilai ini sesuai bagi produk biohidrogel untuk digunakan sebagai matriks pembawa obat, seperti yang telah dilaporkan oleh Saboktakin et al. (2010) dan Shaikh et al. (2014). Tingkatan swelling ini perlu dicapai agar matriks hidrogel dapat melepaskan substansi obat yang dikandungnya.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Produksi biohidrogel berbasis CMS-kitosan dapat dilakukan melalui teknik
grafting menggunakan inisiasi pembentukan radikal bebas pada gugus fungsional CMS-kitosan. Konsentrasi asam metakrilat mempengaruhi persentase rendemen dan efisiensi grafting serta persentase konversi monomer asam metakrilat itu sendiri secara signifikan. Persentase rendemen grafting tertinggi terdapat pada taraf konsentrasi asam metakrilat sebesar 0,550 g/g CMS-kitosan yang digunakan. Terjadi penurunan persentase konversi monomer secara signifikan ketika asam metakrilat melampaui konsentrasi 0,550 g/g CMS-kitosan. Akan tetapi, persentase efisiensi grafting meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan konsentrasi asam metakrilat. Hal-hal tersebut mempengaruhi karakteristik produk biohidrogel yang dihasilkan. Konsentrasi asam metakrilat berpengaruh secara signifikan terhadap swelling, kelarutan, dan daya serap air biohidrogel CMS-kitosan. Akan tetapi daya serap minyak tidak terpengaruh secara signifikan oleh konsentrasi asam metakrilat.
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
[AOAC] Association of Analytical Chemist. 1995. Official Methods of Analysis. Washington DC (US): Association of Analytical Chemist.
[AOAC] Association of Analytical Chemist. 1998. Official Methods of Analysis. Washington DC (US): Association of Analytical Chemist.
[AOAC] Association of Analytical Chemist. 2000. Official Methods of Analysis. Washington DC (US): Association of Analytical Chemist.
[BSN] Badan Standardisasi Nasional. 1992. SNI 01-2891: Cara Uji Makanan Minuman. Jakarta (ID): Badan Standardisasi Nasional.
[BSN] Badan Standardisasi Nasional. 2008. SNI 3729: Tepung Sagu. Jakarta (ID): Badan Standardisasi Nasional.
[BSN] Badan Standardisasi Nasional. 2011. SNI 3451: Tepung Tapioka. Jakarta (ID): Badan Standardisasi Nasional.
[ISI] International Starch Institute. 2015. Global production of starch. [internet]. [diakses 6 Juni 2015]. Tersedia pada: http://starch.dk/isi/stat/rawmaterial.asp Adhikari B, Majumdar S. 2004. Polymers in sensor applications. Prog Polym Sci.
29: 699-766.
Ahmed EM. 2013. Hydrogel: preparation, characterization, and application. J Adv Res. [internet]. [diunduh 28 September 2014]. Tersedia pada: http://dx.doi.org/10.1016/j.jare.2013.07.006
Ahmed EM, Aggor FS, Awad AM, El-Aref AT. 2013. An innovative method for preparation of nanometal hydroxide superabsorbent hydrogel. Carbohydr Polym. 91: 693-698.
Bello-Perez LA, Acevedo EA, Zamudio-Flores PB, Mendez-Montealvo G, Rodriguez AS. 2010. Effect of high acetylation degree in morphological, physicochemical, and structural characteristics of barley starch. LWT-Food Sci Technol. 43:1434-1440.
Cardoso MB. Putaux JL, Samios D, da Silveira NP. 2007. Influence of alkali concentration on the deproteinization and/or gelatinization of rice starch.
Carbohydr Polym. 70: 160-165.
Chen J, Jane J. 1994. Preparation of granular cold-water-soluble starches by alcoholic-alkaline treatment. Cereal Chem. 71: 618-622.
Denizli BK, Can HK, Rzaev ZMO, Guner A. 2004. Preparation conditions and swelling equilibria of dextran hydrogels prepared by some crosslinking agents. Polymer. 45: 6431-6435.
El-Mohdy HL, Hegazy EA, El-Nesr EM, El-Wahab MA. 2012. Synthesis, characterization, and properties of radiation-induced starch/(EG-co-MAA) hydrogels. Arab J Chem. [internet]. [diunduh 28 September 2014]. Tersedia pada: http://dx.doi.org/10.1016/j.arabjc.2012.04.022
Gao J, Tian R, Yu J, Duan M. 1994. Graft copolymer of MAA onto canna starch using manganic pyrophosphate as an initiator. J App Polym Sci. 53: 1091-1102.
17 Hennink WE, Nostrum CF. 2002. Novel crosslinking methods to design hydrogels.
Adv Drug Deliv Rev. 54: 13-36.
Hoare TR, Kohane DS. 2008. Hydrogels in drug delivery: progress and challenges.
Polymer. 49:1993-2007.
Hoffman AS. 2002. Hydrogels for biomedical application. Adv Drug Deliv Rev.
43: 3-12.
Ibrahim SM, El Salmawi KM, Zahran AH. 2007. Synthesis of crosslinked superabsorbent carboxymethylcellulose/acrylamide hydrogels through electron-beam irradiation. J Appl Polym Sci. 104: 2003-2008.
Kang HS, Park SH, Lee YG, Son TI. 2007. Polyelectrolyte complex hydrogel composed of chitosan and poly(γ-glutamic acid) for biological application: Preparation, physical properties, and cytocompatibility. J App Polym Sci.
103: 386-394.
Katayama T, Nakauma M, Todoriki S, Philips GO, Tada M. 2006. Radiation-induced polymerization of gum arabic (Acacia sengal) in aqueous solution.
Food Hydrocoll. 20: 983-989.
Kim J, Lee K, Hefferan T, Currier B, Yaszemski M, Lu L. 2008. Synthesis and evaluation of novel biodegradable hydrogels based on poly(ethylene glycol) and sebaic acid as tissue engineering scaffolds. Biomacromolecules. 9: 149-157.
Kiritoshi Y, Ishihara K. 2004. Synthesis of hydrophilic cross-linker having phosphorylcholine-like linkage for improvement of hydrogel properties.
Polymer. 45: 7499-7504.
Kittipongpatana O, Burapadaja A, Kittipongpatana N. 2008. Development of pharmaceutical gel base containing sodium carboxymethyl mungbean starch.
Chiang Mai J Sci. 7: 23-32.
Kutsevol N, Guenet J, Melnik N, Sarazin D, Rochas C. 2006. Solution properties of dextran-polyacrylamide graft copolymer. Polymer. 47: 2061-2068.
Lanthong P, Nuisin R, Kiatkamjornwong S. 2006. Graft copolymerization, characterization, and degradation of cassava starch-g-acrylamide/itaconic acid superabsorbents. Carbohydr Polym. 66: 229-245.
Lawal OS, Lechner MD, Kulicke WM. 2008. Single and multistep carboxymethylation of water yam (Dioscorea alata) starch: synthesis and characterization. Int J Biol Macromol. 42: 429-435.
Lefnaoui S, Moulai-Mostefa N. 2015. Synthesis and evaluation of th structural and physicochemical pregelatinized starch as a pharmaceutical excipient.
Saud Pharm J. [internet]. [diunduh 4 Juli 2015]. Tersedia pada: http://dx.doi.org/10.1016/j.jsps.2015.01.021
Li M, Zhu Z, Jin E. 2010. Graft copolymerization of granular allyl starch with carboxyl-containing vinyl monomers for enhancing grafting efficiency. Fib Polym. 11: 683-688.
Liu M, Cheng R, Wu J, Ma C. 1993. Graft copolymerization of methyl acrylate onto potato starch initiated by ceric ammonium nitrate. J App Polym Sci. 31: 3181-3186.
18
Medcalf DG, Gilles KA. 1965. Wheat starches: Comparison of physicochemical properties. Cereal Chem. 42: 558-568.
Mino G, Ksizerman S. 1958. A new method for the preparation of graft copolymer polymerization initiated by ceric ion redox systems. J Polym Sci.
31: 242-243.
Mostafa KM, Samarkandy AR, El-Sanabary AA. 2011. Preparation of poly(DMAEM)-cross linked pregelled starch graft copolymer and its application in waste water treatments. Carbohydr Polym. 86: 491-498. Murthy PSK, Mohan YM, Varaprasad K, Sreedhar B, Raju KM. 2008. First
successful design of semi-IPN hydrogel-silver nanocomposites: a facile appoach for antibacterial application. J Coll Int Sci. 318: 217-224.
Pomeranz Y. 1991. Functional properties of food component. 2nd ed. London: Academic Press Inc.
Purwanto S, Hambali E, Suprihatin. 2013. Sintesis flokulan dari pati sagu dan akrilamida menggunakan microwave initiated technique untuk aplikasi penurunan kadar padatan tersuspensi dalam air. J Teknol Indust Pert. 23: 46-60.
Ratner BD. 1989. Comprehensive Polymer Science: The Synthesis, Characterisation, Reactions, & Applications of Polymers. Oxford (UK): Pergamon Pr.
Rizkiana W. 2015. Produksi pati tapioka nanokristalin terasetilasi [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Saboktakin MR, Tabatabaie RM, Maharramov A, Ramazanov MA. 2010. Synthesis and characterization of chitosan-carboxymethyl starch hydrogels as nano carriers for colon-specific drug delivery. J Pharm Educ Res. 1: 1-11.
Said HM, Alla SGA, El-Naggar AWM. 2004. Synthesis and characterization of novel gels based on carboxymethyl cellulose/acrylic acid prepared by electron beam irradiation. React Func Polym. 61: 397-404.
Sangseethong K, Ketsilp S, Sriroth K. 2005. The role of reaction parameters on the preparation and properties of carboxymethyl cassava starch. Starch. 57: 84-93.
Sauyana Y. 2014. Produksi pati asetat dengan menggunakan pati sagu nanokristalin [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Shaikh MM, Patil AS, Ajure PL, Lonikar SV. 2014. Starch-acrylic hydrogel: Preparation and swelling characteristic. Res J Sci Tech. 6: 75-78.
Spychaj T, Zdanowicz M, Kujawa J, Schmidt B. 2013. Carboxymethyl starch with high degree of substitution: synthesis, properties, and application. Polimery. 58: 503-511.
Turakhiya JM, Savani HD, Patel JM, Akbari BV, Prajapati NG, Shah VS. 2013. A review superporous hydrogel (SPH) – an approach for controlled drug delivery. Univ J Pharm. 2: 47-58.
Wu Y, Sasaki T, Irie S, Sakurai K. 2008. A novel biomass-ionic liquid platform for the utilization of native chitin. Polymer. 49: 2321-2327.
Wurzburg OB. 1986. Modified Starches: Properties and Uses. Florida (US): CRC Pr.
19
LAMPIRAN
Lampiran 1. Prosedur karakterisasi pati sagu dan tapioka serta pati termodifikasi
Kadar Air (AOAC 2000)
Cawan alumunium dipanaskan dalam oven bersuhu 130oC selama 1 jam kemudian didinginkan di dalam desikator selama 30 menit dan ditimbang sebagai W1. Sampel sebanyak 2 g kemudian dimasukkan ke dalam cawan alumunium (W). Cawan yang berisi sampel dimasukkan ke dalam oven pada suhu 130oC selama 1 jam kemudian didinginkan di dalam desikator selama 30 menit kemudian ditimbang sebagai W2. Kadar air ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
% Kadar air = �2− �1
Cawan porselen dipijarkan dalam tanur pada suhu 550oC yang sebelumnya cawan tersebut terlebih dahulu dipanaskan pada penangas listrik dengan nyala api kecil selama 1 jam. Setelah itu, cawan didinginkan di dalam desikator selama 1 jam kemudian ditimbang sebagai W1. Sebanyak 3-5 g sampel (W) dimasukkan ke dalam cawan kemudian diarangkan di atas penangas listrik dengan nyala api kecil. Setelah itu, diabukan dalam tanur pada suhu 550oC sampai putih kelabu selama 5-8 jam. Cawan didinginkan di dalam desikator selama 30 menit kemudian ditimbang sebagai W2. Kadar abu ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
20
juga telah diketahui bobotnya, kemudian dikeringkan pada suhu 105oC. Setelah itu, sampel yang telah kering didinginkan di dalam desikator dan ditimbang (W1). Kadar serat kasar ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
% Serat kasar = �1
� × 100
Keterangan:
W = Bobot sampel (g)
W1 = Bobot endapan pada kertas saring (g)
Kadar Lemak (SNI 01-2891-1992)
Kadar lemak dianalisis dengan menggunakan soxhlet. Labu lemak dikeringkan di dalam oven 105oC selama 15 menit, didinginkan di dalam desikator, dan ditimbang sebelum digunakan. Sebanyak 1-2 g sampel dimasukkan ke dalam selongsong kertas saring yang dialasi dengan kapas. Selongsong kertas yang berisi sampel disumbat dengan kapas kemudian dikeringkan di dalam oven pada suhu tidak lebih dari 80oC selama 1 jam. Selongsong kertas tersebut kemudian dimasukkan ke dalam alat soxhlet yang telah dihubungkan dengan labu lemak. Lemak yang terkandung dalam sampel diekstraksi dengan heksan selama 6 jam. Ekstrak lemak di dalam labu lemak kemudian dikeringkan dalam oven 105oC selama 12 jam. Didinginkan di dalam desikator, dan ditimbang beratnya. Kadar lemak dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
% Kadar lemak =a−b
c × 100
Keterangan:
a = bobot labu lemak setelah proses ekstraksi b = bobot labu lemak sebelum proses ekstraksi c = bobot sampel
Kadar Protein (AOAC 1998)
21 diperoleh volume larutan HCl 0,02N untuk blanko. Kadar protein dihitung berdasarkan kadar nitrogen (%N)
% Kadar N = v1−v2 × NHCl × 14,007
w × 100
% Kadar protein = % kadar N × 6,25
Keterangan:
v1 = volume larutan HCl untuk titrasi sampel (mL) v2 = volume larutan HCl untuk titrasi blanko (mL) w = bobot sampel (mg)
Kadar Amilosa (AOAC 1995)
1. Pembuatan Kurva Standar
Sebanyak 40 mg amilosa standar ditambahkan dengan 1 mL etanol 95% dan 9 mL NaOH 1N lalu dipanaskanpada suhu 80-100oC selama 10 menit sampai tergelatinisasi. Kemudian larutan didinginkan lalu dimasukkan ke dalam labu takar 100 mL dan ditera dengan akuades. Selanjutnya dari labu takar tersebut dibuat beberapa konsentrasi mulai dari 50, 100, 150, sampai 300 ppm. Sampel diambil sebanyak 1 mL dari masing-masing konsentrasi lalu ditambahkan 0,1 mL iod 0,2%, 0,2 mL asam asetat 1N, dan 3 mL akuades. Setelah didiamkan selama 20 menit, diukur nilai absorbansi pada spektrofotometer dengan panjang gelombang 620 nm.
2. Analisis Sampel
22
ditambahkan 0,1 mL iod 0,2%, 0,2 mL asam asetat 1N, dan 3 mL akuades. Setelah didiamkan selama 20 menit, diukur nilai absorbansi pada spektrofotometer dengan panjang gelombang 620 nm. Kadar amilosa ditentukan melalui persamaan sebagai berikut.
% Amilosa = konsentrasi pati × faktor pengenceran
bobot sampel × 100
Kadar Pati (Metode Luff Schroll)
Sebanyak 1 g sampel dimasukkan ke dalam erlenmeyer 500 mL lalu ditambahkan dengan 200 mL HCl 3% kemudian dilanjutkan dengan hidrolisis di dalam otoklaf selama 1 jam pada suhu 121oC. Sampel kemudian didinginkan dan setelahnya dinetralkan dengan NaOH 40%. Sampel yang telah netral dimasukkan ke dalam labu takar 250 mL dan ditera dengan akuades hingga batas tera. Sebanyak 10 mL dari larutan ini kemudian dimasukkan ke dalam erlenmeyer 250 mL dan ditambahkan dengan 25 mL larutan luff schroll. Sampel dididihkan di bawah pendingin tegak selama 10 menit kemudian didinginkan. Setelah dingin. Ke dalam sampel ditambahkan 20 mL larutan KI 20% dan 25 mL H2SO4 25% secara perlahan. Sampel kemudian dititrasi mengunakan larutan natrium tiosulfat 0,1N dengan indikator kanji. Kadar pati ditentukan melalui persamaan berikut.
% Kadar pati = 0,9 × pengenceran × mg monosakarida
mg sampel × 100
Kelarutan dan Swelling Power (Modifikasi metode Bello-Perez et al. 2010)
Sebanyak 0,5 g sampel dicampur dengan 50 mL akuades dalam labu erlenmeyer 250 mL. Sampel ditempatkan pada penangas air pada suhu 70oC selama 2 jam dengan pengadukan secara kontinyu. Pada suspensi tersebut diambil 30 mL larutan yang jernih kemudian diletakkan pada cawan petri yang telah diketahui bobotnya. Cawan petri dikeringkan pada oven 100oC hingga bobotnya tetap, kemudian ditimbang dan dihitung kenaikan bobotnya.
% Kelarutan = b−a × 50mL
0,5 g × 30 mL × 100
% �� �� � � �= d−c
g sampel × (100−%kelarutan)× 100
Keterangan:
23
Daya Serap Air dan Minyak (Medcalf & Gilles 1965)
Sebanyak 5 g pati dimasukkan ke dalam tabung sentrifugasi, kemudian ditambahkan 50 mL akuades atau minyak. Suspensi pati didiamkan selama 1 jam kemudian disentrifugasi (3000 rpm) selama 10 menit. Bobot endapan dihitung sebagai daya serap air atau minyak mengikuti persamaan sebagai berikut.
% Daya serap air atau minyak = bobot endapan
24
Lampiran 2. Prosedur karakterisasi parameter grafting dan biohidrogel
Penentuan Parameter Grafting (Guo et al. 2015)
Parameter grafting meliputi rendemen (%GY) dan efisiensi grafting (%GE) serta konversi monomer (%MC). Penentuan parameter grafting mengikuti persamaan sebagai berikut dengan terlebih dahulu mengukur W0, W1, W2, dan Wn.
%GY = �2− �1
�0 × 100% %GE =
(�2− �0)
(�1− �0) × 100
%MC = (�1− �0)
� × 100
Keterangan:
W0 = bobot CMS-kitosan W1 = bobot crude product W2 = bobot pure product
Wn= bobot asam metakrilat
Kelarutan dan Swelling (Katayama et al. 2006)
Penentuan kelarutan dan swelling hidrogel mengacu pada Japanese Industrial Standard (JIS) K7223. Hidrogel kering dicelupkan dalam akuades selama 16 jam pada suhu ruang. Setelah swelling, hidrogel disaring menggunakan saringan stainless-steel berukuran 100 mesh. Kelarutan dan swelling dihitung mengikuti persamaan sebagai berikut.
%Kelarutan = �
� × 100
%�� �� �= �
� × 100
Keterangan:
Wi = bobot awal sampel hidrogel kering
Wd = bobot kering bagian tak larut setelah perendaman
Daya Serap Air dan Minyak (El-Mohdy et al. 2012)
Sebanyak 1 g sampel hidrogel direndam dengan 15 mL akuades atau minyak di dalam botol (vial) selama 1 jam. Daya absorbsi air atau minyak dihitung mengikuti persamaan sebagai berikut.
% Daya serap air atau minyak = Ww
Wi × 100
Keterangan:
25 Lampiran 3. Hasil analisis data menggunakan perangkat lunak SPSS versi 19.0
26
Kelarutan Perlakuan 1632,085 2 816,043 168,023 0,000
Galat 72,851 15 4,857
Total 1704,936 17
Swelling Perlakuan 38234,821 2 19117,41 161,866 0,000
Galat 1771,596 15 118,106
c. Uji Homogenitas Swelling
Perlakuan N Subset for alpha = 0,05
3. Daya Serap Air dan Daya Serap Minyak a. Analisis Ragam
Daya Serap Air Perlakuan 448187,639 2 224093,820 113,791 0,000
27
b. Uji Homogenitas Daya Serap Air
Perlakuan N Subset for alpha = 0,05
1 2 3
0,825 6 669,942
0,275 6 781,8167
0,55 6 1046,2850
sig. 1,0000 1,0000 1,0000
c. Uji Homogenitas Daya Serap Minyak
Perlakuan N
Subset for alpha = 0,05
1
0,550 3 250,1200
0,825 3 251,2767
0,275 3 255,1500
sig. 0,5660
Analisis Ragam Parameter Grafting dan Karakteristik Biohidrogel CMS Tapioka-Kitosan
1. Parameter Grafting
a. Analisis Ragam
Jumlah Kuadrat
Derajat bebas
Kuadrat
Tengah F Sig.
%GY Perlakuan 1480,975 2 740,488 3873,744 0,000
Galat 1,147 6 0,191
Total 1482,122 8
%GE Perlakuan 35,093 2 17,546 7,386 0,024
Galat 14,254 6 2,376
Total 49,347 8
%MC Perlakuan 3526,726 2 1763,363 3843,890 0,000
Galat 2,752 6 0,459
29
3. Daya Serap Air dan Daya Serap Minyak a. Analisis Ragam
Daya Serap Air Perlakuan 154320,794 2 77160,397 56,741 0,000
Galat 20398,019 15 1359,868
b. Uji Homogenitas Daya Serap Air
Perlakuan N Subset for alpha = 0,05
c. Uji Homogenitas Daya Serap Minyak
30
RIWAYAT HIDUP
Mohamad Irsan Febrian, lahir di Jakarta tanggal 9 Februari 1993 dari ayah M. Syamsi Utiarahman dan Ibu Euis Komala. Penulis adalah anak pertama dari 3 bersaudara. Pada tahun 2011 penulis lulus setelah menyelesaikan pendidikan menengah atas di SMA Negeri 81 Jakarta sebelum melanjutkan pendidikan di Institut Pertanian Bogor (IPB) pada tahun yang sama. Penulis diterima di Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB melalui jalur tertulis Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri.
Selama menjalani masa kuliah, penulis berpartisipasi dalam beberapa kegiatan kemahasiswaan seperti Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian IPB tahun 2013 dan International Association of Students in Agriculture and Related Sciences IPB (IAAS IPB) tahun 2011-2013. Penulis juga aktif dalam beberapa kegiatan kepanitiaan seperti 3rd IAAS olympic tahun 2011, 4th IAAS
olympic tahun 2012, dan Hari Warga Industri 2013. Selain itu, penulis menjadi asisten mata kuliah Praktikum Bioproses pada tahun 2015. Penulis melaksanakan Praktik Lapangan pada bulan Juni-Agustus 2014 di PT Badranaya Putra, Bandung, Jawa Barat dengan topik “Penerapan Statistical Process Control sebagai Upaya Peningkatan Mutu Proses Produksi dan Produk Sosis di PT Badranaya Putra”. Selanjutnya, pada tahun 2015 penulis melaksanakan penelitian dengan judul
“Produksi Biohidrogel Berbasis Carboxymethyl Starch-Kitosan” di bawah
