Bioadsorption of Hg(II) by Crosslinked Starch Phosphate

(1)

BIOADSORPSI Hg(II) OLEH PATI TAUT SILANG FOSFAT

JORION ROMENGGA

G451090381

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis dengan judul “Bioadsorpsi Hg(II) oleh Pati Taut Silang Fosfat” adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Agustus 2011

(3)

ABSTRACT

JORION ROMENGGA. Bioadsorption of Hg(II) by Crosslinked Starch Phosphate. Supervised by TUN TEDJA IRAWADI and SRI SUGIARTI.

Crosslinked sago starch phosphate (SgP) has been successfully synthesized from native sago starch (Sg) and mixed of Na2HPO4-NaH2PO4 in an acidic condition. It was used as a bioadsorbent to remove Hg(II) as an in vitro of a human digestion. Both of the Fourier transform infrared (FTIR) spectra showed the differences. Based on the dynamic study, the bioadsorption followed pseudo-second order kinetic and Freundlisch equation as chemisorption. As the results, 20,84% of Hg(II) was removed at pH of 6,80 and reached the isothermal equilibrium of the bioadsorption at pH of 5,80-8,60 for 29,95% and 31,39%, respectively.

(4)

RINGKASAN

JORION ROMENGGA. Bioadsorpsi Hg(II) oleh Pati Taut Silang Fosfat. Dibimbing oleh TUN TEDJA IRAWADI dan SRI SUGIARTI.

Pati sagu (Sg) berpotensi sebagai bahan baku bioadsorben merkuri (Hg(II)) melalui modifikasi menjadi pati sagu taut silang fosfat (SgP). Modifikasi tersebut dilakukan untuk meningkatkan resistensi SgP terhadap gangguan fisik, kimia, dan biologis. Hal ini diharapkan SgP mampu berperan sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hal ini disebabkan SgP memiliki gugus taut silang fosfat yang diduga mampu mengelat Hg(II) secara kimia. Hal ini diharapkan SgP mampu berperan dalam mengelat ion Hg(II) secara kimiawi dan dapat menghilangkannya dari sistem pencernaan manusia. Adapun penelitian ini bertujuan untuk (1) mengetahui karakteristik adsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam larutan berair (2) menentukan persentase adsorpsi Hg(II) oleh SgP sebagai bioadsorben dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Penelitian ini dibagi ke dalam dua tahap. Tahap pertama adalah sintesis dan karakterisasi fisikokimia SgP sebelum proses adsorpsi. Adapun karakterisasi fisikokimia yang dilakukan meliputi analisis perubahan gugus fungsi, absorbansi relatif TFIM, nilai DSp, morfologi granula, dan tipe-pola kristalinitas Tahap kedua adalah aplikasi SgP sebagai bioadsorben Hg(II), baik dalam larutan berair maupun dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Pada tahap kedua ini, bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dioptimasi berdasarkan 5 parameter: konsentrasi Hg(II), massa SgP, pH larutan, waktu agitasi, dan laju agitasi. Setelah nilai optimum diperoleh, SgP diuji resistansinya berdasarkan jumlah massa minimal terhadap sistem pencernaan manusia secara in vitro. Massa minimal SgP yang resisten tersebut selanjutnya diaplikasikan ke dalam media in vitro sistem pencernaan manusia yang mengandung ion Hg(II) pada konsentrasi tinggi.

Hasil penelitian ini menyatakan bahwa SgP berperan sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hal ini disebabkan SgP mampu mengelat ion Hg(II). Terikatnya ion Hg(II) oleh SgP tersebut terjadi pada gugus taut silang fosfat antarrantai polimer SgP. Kondisi ini menjelaskan bahwa bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP memenuhi persamaan Freundlisch yang menjelaskan tentang heterogenitas adsorpsi. Selain itu, kesetimbangan bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP memenuhi orde II semu dan bersifat kemisorpsi. Kemisorpsi tersebut juga lebih ditekankan pada metode pertukaran ion pada gugus fosfat taut silang sebagai sisi aktif SgP. Hal ini dibuktikan dengan nilai energi adsorpsi rata-rata (Ea) Hg(II) oleh SgP sebesar 8,392 kJ/mol yang memasuki kisaran Ea untuk suatu adsorpsi pertukaran ion. Pada sistem pencernaan manusia secara in vitro, SgP mampu mengadsorpsi optimum pada pH 6,80 (20,84%) dan setimbang pada 5,80-8,60 (29,95-31,39%).

(5)

@Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh Karya Tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber.

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah.

b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.

(6)

BIOADSORPSI Hg(II) OLEH PATI TAUT SILANG FOSFAT

JORION ROMENGGA

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Program Studi Kimia

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(7)

(8)

Judul tesis : Bioadsorpsi Hg(II) oleh Pati Taut Silang Fosfat Nama : Jorion Romengga

NIM : G451090381

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS Sri Sugiarti, Ph.D

Ketua Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Kimia Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Purwantiningsih Sugita, M.Si Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr

(9)

PRAKATA

Puji syukur ke hadirat Allah SWT karena rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan karya ilmiah ini. Judul yang dipilih dalam penelitian ini adalah Bioadsorpsi Hg(II) Oleh Pati Taut Silang Fosfat. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. DR. Ir. Tun Tedja Irawadi, M.S selaku pembimbing utama dan Sri Sugiarti, Ph.D selaku pembimbing kedua atas bimbingan, arahan, dan dorongan yang diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Semoga Allah SWT memberikan balasan yang terbaik atas segala waktu, tenaga, dan ilmu yang dicurahkan kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada DR. Zainal Alim Mas’ud, DEA atas kesediaannya selaku dosen penguji tesis penulis. Segala masukan yang Bapak/Ibu berikan memiliki arti untuk perbaikan naskah karya ilmiah ini.

Ucapan terima kasih dan penghargaan penulis sampaikan kepada Rektor IPB, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Ketua Departemen Kimia dan Kepala Laboratorium Kimia Analitik atas izin untuk menempuh pendidikan program Magister di Sekolah Pascasarjana IPB. Kepada Ketua Program Studi serta semua staf pengajar program studi Kimia IPB, penulis ucapkan banyak terima kasih atas ilmu yang diberikan.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada kedua orang tua: Ayahanda Rudy Afrizal Rani dan Ibunda Sunarti Sadeli serta saudaraku Randy Alfiandy dan Ganis Dinar Maharani yang selalu memberikan dorongan, semangat, dan do’a restu yang tidak ada hentinya. Semoga Allah selalu memberikan yang terbaik untuk kita semua.

(10)

mikroskopi pemayaran elektron dan difraksi sinar-X. Kepada staf Laboratorium Kimia Anorganik, Departemen Kimia, penulis mengucapkan terima kasih atas bantuan dan kerjasamanya. Akhirnya, penulis berharap semoga karya kecil ini bermanfaat bagi penulis juga para pembaca umumnya.

Bogor, Agustus 2011

(11)

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

(12)

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR PERSAMAAN ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii PENDAHULUAN ... 1

Latar Belakang ... 1

Rumusan Masalah ... 3

Tujuan ... 3

Manfaat ... 3

Hipotesis ... 3

TINJAUAN PUSTAKA ... 4

Logam berat ... 4

Pati termodifikasi ... 4

Adsorpsi isoterm ... 6

BAHAN DAN METODE ... 7

Alat dan Bahan ... 7

Lokasi Penelitian ... 7

Metode Penelitian ... 7

Analisis data ... 11

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 12

Karakteristik fisikokimia ... 12

Studi dinamika bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP ... 14

Uji in vitro bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP ... 17

SIMPULAN DAN SARAN... 20

DAFTAR PUSTAKA ... 21

(13)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1 Struktur PTSF ... 5

Gambar 2 Geseran kimia 31P-RMI PTSF dan turunannya ... 5

Gambar 3 Spektra TFIM: A. Sg; B. SgP ... 13

Gambar 4 Morfologi granula: A. Sg; B. SgP ... 13

Gambar 5 Pola DSX: A. Sg; B. SgP ... 14

Gambar 6 Mekanisme terusulkan terhadap bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP ... 16

Gambar 7 Persentase bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro ... 19

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1 Absorbansi relatif ikatan C-O-P ... 13

Tabel 2 Kondisi optimum bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dan faktor penyebabnya 15 Tabel 3 Parameter kinetika bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP... 16

Tabel 4 Parameter isotermal bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP... 16

Tabel 5 Resistansi Sg dan SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro18 Tabel 6 Perbandingan nilai adsorpsi Hg(II) oleh beberapa bioadsorben termodifikasi ... 19

DAFTAR PERSAMAAN Halaman Persamaan 1 ... 6

Persamaan 2 ... 6

Persamaan 3 ... 6

Persamaan 4 ... 6

Persamaan 5 ... 6

Persamaan 6 ... 6

Persamaan 7 ... 8

Persamaan 8 ... 9

(14)

Persamaan 10 ... 10

DAFTAR LAMPIRAN

(15)

PENDAHULUAN

Latar belakang

Pencemaran logam berat merupakan salah satu jenis pencemaran lingkungan yang menjadi fokus utama dunia. Hal ini disebabkan pencemaran logam berat di antaranya melalui media air yang merupakan sumber utama kehidupan manusia. Selain itu, logam berat mampu berikatan dengan senyawaan organik yang terlarut di dalam air. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya proses bioakumulasi, biotransformasi, dan biomagnifikasi logam berat tersebut di alam melalui jalur rantai makanan pada tubuh manusia (Gyliene & Visniakova 2008; Wan et al.

2010).

Salah satu jenis logam berat bertoksisitas tinggi adalah merkuri. Merkuri umumnya berada dalam bentuk Hg(II) di dalam larutan berair. Hg(II) dapat bereaksi dengan senyawaan organik terlarut di dalam air membentuk metil merkuri dengan toksisitas yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan metil merkuri mampu diserap oleh sistem pencernaan manusia hingga 95% daripada dalam bentuk Hg(II) (Bizily et al. 2000). United State Environmental Protection Agency

menetapkan kandungan maksimum Hg(II) di dalam air sebesar 0,300 ppb. Hg(II) dapat terdeposit di dalam tubuh manusia, terutama pada bagian otak, kulit, hati, pankreas, dan miokardium. Adapun efek yang ditimbulkan dari bioakumulasi tersebut, seperti gangguan syaraf pusat, pencernaan, dan iritasi kulit (Farooq et al.

2010).

Beberapa metode untuk menghilangkan kontaminasi logam berat di dalam air telah dilakukan. Metode-metode yang dikembangkan tersebut di antaranya, koagulan-flokulasi, evaporasi, presipitasi kimia, elektrokoagulasi, pertukaran ion, separasi membran, filtrasi membran, dan bioadsorpsi (Aziz et al. 2008; Chen et al.

2011; Zakhama et al. 2011). Bioadsorpsi merupakan salah satu teknik yang paling

populer. Hal ini disebabkan bioadsorpsi memiliki kelebihan, seperti murah, ramah lingkungan, dan dapat digunakan kembali (Xing et al. 2006). Sekarang ini,

(16)

Penelitian terbaru menunjukkan limbah sagu taut silang fosfat (mengandung 50% pati) berperan sebagai adsorben ion Pb(II) dan Cd(II) (Igura & Okazaki 2010; Quek et al. 1998). Namun, keterulangan adsorben tersebut menurun pada

proses resorpsi pertama dan kedua sebesar 25% dan 50%, secara berturut-turut. Selain itu, adsorben tersebut hanya terbatas untuk penghilangan logam berat yang terlarut dalam pemurnian air. Hal ini tidak dapat diterapkan jika tubuh manusia telah terpapar logam berat melalui rantai makanan. Oleh sebab itu, perlu suatu tipe bioadsorben yang mampu bekerja secara simultan sebagai bahan pangan fungsional tak tercerna sekaligus bioadsorben logam berat dalam tubuh manusia.

Salah satu biomaterial prospektif tersebut adalah pati sagu (Metroxylon sago) (Sg). Hal ini disebabkan produksi Sg di Indonesia berkisar 5 juta ton/tahun

dan hanya 210 ton dikonsumsi sebagai bahan pangan (Ahmad et al. 1999;

Blennow et al.2002; BPBPI 2007). Hal ini membuka peluang adanya diverifikasi

Sg menjadi bioadsorben logam berat melalui modifikasi taut silang fosfat. Sintesis Sg menjadi pati sagu taut silang fosfat (SgP) diduga berpotensi sebagai bioadsorben Hg(II) melalui gugus fosfat taut silang yang resisten terhadap degradasi fisik, kimia, dan biologis (Haub et al. 2010; Le et al. 2009). Hingga saat

ini, belum ada kajian tentang aplikasi SgP sebagai bioadsorben Hg(II) yang terpapar dalam tubuh manusia melalui makanan. Hal ini disebabkan SgP baru marak disintesis dan diaplikasikan sebagai pati termodifikasi pada satu dekade ini (BeMiller & Whistler 2009; Manoi & Rizvi 2010).

(17)

yang didapat tersebut selanjutnya diaplikasikan sebagai massa SgP sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Rumusan masalah

SgP berpotensi sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hal ini diduga disebabkan adanya gugus taut silang fosfat yang mampu menyetabilkan SgP dan mengelat Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hingga saat ini, studi dinamika yang meliputi kinetika dan ekulibrium bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro belum pernah dilakukan. Oleh sebab itu, pada penelitian ini dilakukan studi dinamika adsorpsi Hg(II) oleh SgP dan aplikasinya sebagai bioadsorben Hg(II) oleh SgP tersebut ke dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Tujuan

Penelitian ini memiliki tujuan umum dan tujuan khusus. Adapun tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik adsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam larutan berair. Selain itu, tujuan khusus penelitian ini adalah untuk menentukan kapasitas adsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Manfaat

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah mengenai potensi SgP sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Hipotesis

(18)

TINJAUAN PUSTAKA

Logam berat

Logam berat adalah unsur-unsur kimia dengan bobot jenis lebih besar dari 5 gr/cm3 (Barakat in press). Kelompok logam berat mempunyai afinitas tinggi

terhadap atom S. Logam berat memiliki kisaran nomor atom 22-92 (perioda 4-7). Logam berat bersifat toksik dengan merusak sistem saraf, hati, ginjal, dan tulang. Toksisitas logam berat dapat dikelompokkan dalam 3 kelompok, yaitu toksik tinggi (Hg, Cd, Pb, Cu, dan Zn), toksik (Cr, Ni, dan Co), dan toksik rendah (Mn dan Fe) (Wan Ngah & Hanafiah 2008).

Merkuri (Hg) merupakan jenis logam berat dengan toksisitas tinggi (Pohl et al. 2011). Hg berada dalam bentuk Hg(II) di dalam air. United State Environmental Protection Agency menetapkan kadar maksimum Hg(II) di dalam

air sebesar 0,300 ppb. Hg(II) terdeposit pada tubuh manusia terutama di bagian otak, kulit, hati, pankreas, dan miokardium. Deposit Hg(II) di dalam tubuh dapat mengganggu sistem syaraf, sirkulasi, pencernaan, dan iritasi kulit. Toksisitas Hg(II) makin meningkat dalam bentuk metil merkuri. Hal ini disebabkan metil merkuri mampu diserap tubuh hingga 95% melalui ikatan dengan asam amino yang mengandung sulfur. Hal ini menyebabkan terjadinya akumulasi Hg(II) tersebut dalam tubuh manusia (Bizily et al. 2000; Farooq et al. 2010).

Pati Termodifikasi

(19)

O

Gambar 2 Geseran kimia 31P-RMI PTSF dan turunannya (Manoi & Rizvi 2010)

Salah satu jenis PR4 yang paling banyak disintesis adalah pati taut silang fosfat (PTSF) (Gambar 1) (Zhang & Wang 2010). Penelitian terdahulu telah membuktikan bahwa ikatan taut silang fosfat tersebut terjadi pada atom C3-C6 antarrantai pati (Gambar 2) (Manoi & Rizvi 2010). Syarat utama pati yang menjadi bahan baku PTSF adalah suatu pati harus memiliki kadar amilosa lebih dari 25%. Pati tipe ini umumnya terdapat pada pati jagung, kentang, ubi jalar, dan Sg (Ahmad et al.1999; Blennow et al.2002). Hal ini membuka potensi pati sagu

untuk dimodifikasi dan menambah nilai gunanya menjadi SgP.

Pada penelitian ini, SgP disintesis dengan reagen Na2HPO4-NaH2PO4 dalam suasana asam. Hal ini disebabkan sintesis SgP merupakan reaksi esterifikasi gugus fosfat. Beberapa penelitian terdahulu menunjukkan bahwa reaksi fosforilasi PTSF berjalan lebih efisien dalam suasana asam dengan reagen Na2HPO4 -NaH2PO4 (Bogaert 2010; Hawkins et al. 2011). Hal ini disebabkan reagen

(20)

Adsorpsi isoterm

Pada penelitian ini, adsorpsi Hg(II) oleh SgP memenuhi tiga persamaan, yaitu persamaan Freundlich (Persamaan 1), Langmuir (Persamaan 2), dan Dubinin-Radushkevich (Persamaan 3). Hal ini disebabkan adanya faktor sisi aktif pada gugus taut silang fosfat dan kondisi adsorpsi yang bersifat isotermal.

Ce/Qe = Ce/Qm + 1/(QmKL) Persamaan 1 ln Qe = (1/n) ln Ce + ln KF Persamaan 2 ln Qe = Kε2 + ln QDR Persamaan 3 di mana Ce merupakan konsentrasi kesetimbangan Hg(II) (mg/L); Qe merupakan kapasitas adsorpsi Hg(II) (mg/g); Qm (mg/g), KF (mg/g), dan QDR (mg/g) merupakan kapasitas sorpsi Hg(II) maksimum pada persamaan Langmuir, Freundlich, dan Dubinin-Radushkevich, secara berturut-turut. Adapun nilai Qe dihitung berdasarkan Persamaan 4:

Qe = (Ci– Cf).V/W Persamaan 4 di mana Ci dan Cf menyatakan konsentrasi awal dan akhir larutan Hg(II), secara berturut-turut; V menyatakan volume larutan (mL); dan W menyatakan massa SgP yang digunakan (g).

Pada Persamaan Dubinin-Radushkevich, nilai _{ε merupakan potensial} Polanyi yang dapat ditentukan dalam Persamaan 5.

_{ε =} RT ln (1 + 1/Ce) Persamaan 5 di mana R merupakan konstanta gas ideal (J/K.mol) dan T merupakan suhu kontak. Energi bebas rata-rata adsorpsi (Ea) (kJ/mol) dapat ditentukan berdasarkan Persamaan 6 dengan menyubstitusi nilai konstanta Dubinin-Radushkevich, K (kJ2/mol2), dari plot ln Qe terhadap ε2.

(21)

BAHAN DAN METODE

Alat dan bahan

Adapun instrumen analitik yang digunakan pada penelitian ini di antaranya, difraktometer sinar-X (DSX) (Shimadzu 4.5, filter Ni, sumber radiasi Cu-Kα, = 1.54060 Å, V = 40 kV, I = 30.0 mA), mikroskop pemayaran elektron (MPE) (Zeiss-7000), pH-meter (TOA HM-20S), spektrofotometer TFIM (Vector-33), dan spektrofotometer UV/Vis (Spectronic 20D+).

Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini di antaranya berupa Sg (~26% amilosa) yang dibeli dari pasar tradisional Laladon, Kabupaten Bogor, Jawa Barat. Reagen Hg(NO3)2.H2O, NaH2PO4.H2O, dan Na2HPO4.2H2O, diperoleh dari Merck (Darmstadt, Jerman). Enzyplex (α-amilase) diperoleh dari PT Medifarma Laboratories (Westmont Pharmaceuticals Ltd, USA). Semua reagen kimia umum yang digunakan pada penelitian ini memenuhi standar laboratorium.

Lokasi penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Bersama, Kimia Anorganik, dan Kimia Fisik-Lingkungan, Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Darmaga, Kabupaten Bogor, Jawa Barat. Waktu pelaksanaan penelitian berlangsung dari bulan Maret-Juni 2011.

Metode Penelitian

(22)

Fosforilasi pati sagu taut silang fosfat (SgP) (Romengga dkk. siap terbit)

Sg disuspensikan menjadi 35% dalam larutan 0,1 M Na2HPO4 dan larutan 0,1 M NaH2PO4 (3:2) (pH awal 6,89), serta diatur pH-nya hingga 6,50 dengan penambahan beberapa tetes 0,01 M HCl dan 0,01 M NaOH. Suspensi tersebut dipanaskan pada suhu 40oC dan diaduk dengan kecepatan 300 rpm selama 20 menit. Selanjutnya, endapan yang terbentuk dipisahkan dari filtrat dengan disaring menggunakan kertas saring Whatmann 40. Endapan tersebut dikeringkan di dalam oven (80 + 5oC) selama 24 jam, dan diayak dengan ayakan 10 m. Butiran SgP yang diperoleh selanjutnya disimpan dalam wadah kedap udara sebelum digunakan lebih lanjut selama penelitian berlangsung.

Penentuan nilai derajat substitusi fosfat (DSp) (Igura & Okazaki 2010, dengan sedikit modifikasi)

Penentuan nilai DSp juga dapat dihitung berdasarkan rasio absorbansi relatif regangan C-O-P yang didapat pada spektra TFIM SgP dengan menggunakan Persamaan 8.

DSp = A1200 cm-1/1325 cm-1 A990 cm-1_{/1325 cm}-1 Pembuatan larutan stok Hg(II)

Sebanyak 1,71 g Hg(NO3)2.H2O dan 10 g NaCl dilarutkan ke dalam wadah berisi 1 L akuades disertai penambahan beberapa tetes 0,1 M HNO3. Variasi konsentrasi setiap larutan sampel berkisar 50-250 mg/L diperoleh dengan metode pengenceran. Konsentrasi sampel sebelum dan sesudah adsorpsi ditentukan dengan spektrofotometer UV/Vis pada maks = 575 nm dengan penambahan larutan KI-I2 2%.

Pembuatan larutan stok α-amilase (Alias et al. 2008, dengan modifikasi pada komposisi larutan).

Sebanyak 1 butir salut Enzyplex (α-amilase ~10.000 IU) dilarutkan dalam air deionisasi hingga volume 500 mL. Selanjutnya, larutan tersebut ditambah 1 g NaCl-KCl (3:2), dan larutan buffer fosfat (pH = 6,60-6,80). Larutan tersebut diinkubasi dalam lemari es pada suhu 4oC dan dipanaskan pada suhu 38oC selama 30 menit sebelum digunakan dalam bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP secara in vitro.

(23)

Analisis spektrofotometer TFIM

Penentuan gugus fungsi dari sampel diuji dengan spektrofotometer TFIM dalam pelet KBr yang mengandung 1% sampel pada panjang gelombang 4000-400 nm.

Mikroskopi pemayaran elektron (MPE)

Pemayaran objek sampel diamati dengan perbesaran 500-1500 .

Analisis difraktometri sinar-X (DSX)

Sampel dilekatkan pada lempeng aluminium dengan ditambahkan beberapa tetes etanol dan dimampatkan ke dalam kaca objek. Selanjutnya, sampel tersebut dibiarkan mengering pada suhu ruang selama 20 menit sebelum pemayaran sampel dilakukan. Adapun derajat kristalinitas sampel ditentukan dengan metode Gaussian terhadap luas area di bawah pola DSX kedua sampel.

Efek parameter adsorpsi Hg(II) dalam larutan berair (Amitava 2010, dengan sedikit modifikasi)

a. Efek konsentrasi adsorbat

Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) (50, 100, 150, 200, dan 250 ppm) pada wadah terpisah diatur pada pH 4,00. Larutan tersebut ditambahkan sebanyak 0,1 gram SgP dan diaduk dengan kecepatan 150 rpm selama 1 jam. Sebanyak 0,1 M larutan HNO3 digunakan untuk mengatur nilai pH larutan tersebut. Setelah proses adsorpsi, supernatan disaring dan konsentrasi Hg(II) ditentukan secara spektrofotometri UV/Vis _pada maks 575 nm. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi oleh SgP dihitung berdasarkan selisih konsentrasi Hg(II) yang tersisa di dalam filtrat. Persentase adsorpsi Hg(II) oleh SgP dihitung berdasarkan Persamaan 8.

Hg(II) teradsorpsi = 100% x [Hg(II)] teradsorpsi (mg/L) [Hg(II)] awal(mg/L)

b. Efek massa adsorben

Sebanyak 0,05; 0,075; 0,10; 0,15; dan 0,20 g SgP diaduk dalam 25 mL larutan sampel Hg(II) (konsentrasi optimum poin (a)) diatur pada pH 5,0, kecepatan 150 rpm, dan waktu kontak selama 1 jam pada wadah terpisah. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi tersebut dihitung dengan cara yang sama pada Persamaan 8.

(24)

c. Efek pH

Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) (konsentrasi optimum poin (a)) pada wadah terpisah diatur pada variasi pH 2,0; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; dan 6,0. Larutan tersebut ditambahkan massa optimum SgP yang didapat pada poin (b). suspensi tersebut diaduk dengan laju pengadukan 150 rpm selama 1 jam. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi tersebut dihitung dengan cara yang sama pada Persamaan 8.

d. Efek waktu agitasi

Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) (konsentrasi optimum poin (a)) pada wadah terpisah masing-masing diatur pH-nya pada kondisi optimum pada poin (c) dengan penambahan sejumlah massa optimum SgP yang didapat pada poin (b). Larutan tersebut diaduk pada kecepatan 150 rpm selama 0, 5, 10, 20, 30, 45, dan 60 menit. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi tersebut dihitung dengan cara yang sama pada Persamaan 8.

e. Efek laju agitasi

Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) (konsentrasi optimum poin (a)) pada wadah terpisah dan diatur pH-nya pada kondisi optimum (poin (c)). Larutan tersebut ditambahkan SgP sebanyak massa optimum (poin (b)), diaduk dengan variasi laju agitasi 50, 100, 150, 200, dan 400 rpm selama waktu kontak optimum (poin (d)). Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi tersebut dihitung dengan cara yang sama pada Persamaan 8.

Kinetika adsorpsi Hg(II)

Sebanyak 0,1 g SgP dilarutkan ke dalam 50 mL larutan Hg(II) 100 ppm, diatur pH-nya = 3,00 dengan interval waktu 0-60 menit. Selanjutnya, larutan tersebut disaring dan diambil filtratnya untuk menentukan konsentrasi Hg(II) secara kolorimetrik. Adapun persamaan yang digunakan, yaitu Persamaan 9 untuk orde I dan Persamaan 10 untuk orde II.

(25)

Kesetimbangan adsorpsi

Sebanyak 50 mL larutan Hg(II) dengan variasi konsentrasi awal (0-250) ppm diatur pada pH = 3,00 sambil diaduk dengan laju pengadukan selama 1 jam. Larutan tersebut selanjutnya disaring dan ditentukan konsentrasi akhirnya ditentukan secara spektrofotometri UV/Vis pada maks 575 nm. Jumlah kapasitas adsorpsi Hg(II) oleh SgP dihitung berdasarkan Persamaan 4. Data yang diperoleh selanjutnya dihitung dan diolah secara grafik berdasarkan Persamaan 1, 2, dan 3.

Bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan tiruan

Sebanyak 5 mL larutan Hg(II) (100 ppm) ditambahkan 0,300 g SgP dan diencerkan hingga 100 mL. Selanjutnya, pH media bioadsorpsi Hg(II) yang dijaga konstan pada pH 1,50 selama 3 jam; 6,80 selama 2 jam (dengan penambahan 500 IU α-amilase); 5,80 selama 2 jam; dan 8,60 selama 1 jam, secara berturut-turut. Suspensi tersebut diaduk dengan laju 300 rpm pada suhu 38oC. Selanjutnya, suspensi tersebut disaring untuk memisahkan filtrat dan residunya. Residu yang didapat dikeringanginkan dan dilarutkan ke dalam larutan HNO3 (0,1 M; 25 mL) pada suhu ruang selama 1 jam. Konsentrasi Hg(II) teradsorpsi dalam SgP tersebut setara dengan konsentrasi Hg(II) yang terdesorpsi ke dalam larutan 0,1 M HNO3. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi tersebut dihitung dengan cara yang sama pada Persamaan 8.

Analisis data

(26)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakteristik fisikokimia

Sintesis Sg menjadi SgP menyebabkan perubahan karakteristik fisikokimia. Hal ini disebabkan terjadinya substitusi gugus fosfat anorganik terhadap gugus hidroksil bebas pada komponen pati. Subsitusi tersebut terjadi pada C3 dan C6 monomer D-glukosa antarantai polimer pati (Manoi & Rizvi 2010). Perubahan karakteristik fisikokimia tersebut dianalisis berdasarkan perubahan gugus fungsi, absorbansi relatif TFIM, nilai DSp, morfologi granula, dan tipe-pola kristalinitas. Perubahan karakteristik fisikokimia tersebut dapat menjadi indikator bahwa sintesis SgP dalam suasana asam pada penelitian ini telah berhasil dilakukan.

Perubahan gugus fungsi antara Sg dan SgP ditampilkan pada spektra TFIM keduanya (Gambar 3). Kedua spektra TFIM tersebut menunjukkan adanya pita serapan lebar pada 3400 cm-1 (regangan O-H), 2900-2980 cm-1 (regangan C-H), dan 1159-1080 cm-1 (regangan C-O) (Silverstein et al. 2005). Pada Gambar

3B, terdapat puncak serapan spesifik pada 2362 cm-1 yang merujuk sebagai gugus diester fosfat anorganik yang terjadi pada atom C3 dan C6 pada monomer D-glukosa antarrantai polimer karbohidrat (Wanrosli et al. 2011). Pada area sidik jari,

terjadi peningkatan intensitas absorbansi relatif pada 1200 cm-1_{(P=O) dan 990} cm-1_{(C-O-P) yang dibandingkan terhadap puncak pada 1325 cm}-1_{(ayunan C-H),} secara berturut-turut (Tabel 1) (Igura & Okazaki 2010; Passauer et al. 2010;

Zhang & Wang 2009). Hal ini membuktikan bahwa sintesis SgP pada penelitian ini menghasilkan PTSF berderajat substitusi tinggi.

(27)

Gambar 3 Spektra TFIM: A. Sg; B. SgP

Gambar 4 Morfologi granula: A. Sg; B. SgP Tabel 1 Absorbansi relatif ikatan C-O-P

Baik Sg maupun SgP terjadi perbedaan morfologi granula pati (Gambar 4). Sg memiliki granula bulat, oval, mencekung, dan berbentuk kubah secara tidak seragam. Pada sisi lain, SgP memiliki bentuk granula yang bulat mengembung dengan seragam. Substitusi ikatan taut silang gugus HPO3 antarrantai pati diduga membentuk pilarisasi atau jembatan sehingga terjadi pengembungan granula pati. Gugus HPO3 tersebut juga bersifat higroskopis sehingga granula SgP mengalami pengembungan karena mengikat air secara intramolekuler. Hal ini dibuktikan

Sampel Absorbansi relatif

1200 cm-1/1325 cm-1 990 cm-1/1325 cm-1

Sg 1,04 0,05

(28)

dengan meningkatnya nilai absorbansi pada 1650 cm-1 yang merujuk adanya molekul air terikat secara intramolekuler (Lampiran 2A) (Luo et al. 2009).

Baik Sg maupun SgP memiliki perbedaan pola DSX (Gambar 5). Gambar 5A menyatakan bahwa Sg memiliki tipe kristal A sebagai ciri khas tipe kristal pati yang terbentuk pada umbi dan batang di dalam tanah (Jiang et al. 2010). Pada

Gambar 5B, terdapat puncak spesifik pada 26o (d = 1,757) yang menandakan

bahwa SgP memiliki tipe kristal B. Perbedaan tersebut menyatakan bahwa SgP yang terbentuk pada penelitian ini telah mengalami gelatinisasi (Htoon et al.

2010). Adanya gugus taut silang fosfat dibuktikan pada Gambar 5B melalui puncak berintensitas medium pada 44o (d = 1,109) (Li et al. 2009; Li et al. 2010).

Selain itu, fosforilasi Sg menjadi SgP meningkatkan derajat kristalinitas granula pati (Lampiran 2B). Hal ini diduga gugus fosfat meningkatkan kerapatan antarrantai polimer pati (BeMiller & Whistler 2009).

Studi dinamika bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP

Ada 5 parameter bioadsorpsi yang digunakan untuk mengetahui efek yang ditimbulkan terhadap proses bioadsorpsi Hg(II). Kelima efek tersebut dilakukan secara metode lompok untuk menentukan kapasitas optimum bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP (Lampiran 3). Hasil pengujian menunjukkan bahwa bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP mencapai kondisi optimum pada konsentrasi Hg(II) 100 ppm; massa SgP 0,100 g; pH 3,00; waktu agitasi 10 menit; dan laju agitasi 150 rpm (Tabel 2).

(29)

Tabel 2 Kondisi optimum bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dan faktor penyebabnya

Parameter Variasi Nilai Optimum Alasan Literatur

(30)

Pada penelitian ini, kinetika adsorpsi Hg(II) mengikuti kinetika adsorpsi orde kedua semu (Tabel 3; Lampiran 4). Hal ini menunjukkan terjadinya kemisorpsi yang melibatkan daya tarik valensi atom logam dan gugus fungsi fosfat melalui pengelatan dan pengompleksan antara SgP dan Hg(II) (Chen et al.

2011; Gupta et al. 2010). Hal ini disebabkan adanya sisi koordinasi multidentat

pada gugus fosfat (Wan Ngah et al. 2011). Ikatan P=O, P-O, dan OH diduga

mengelat dengan ion Hg(II) (Gambar 6).

Tabel 3 Parameter kinetika bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP

Kinetika orde pertama semu Kinetika orde kedua semu

Qe k1 R2 Qe k2 R2

86,834 -0,238 0,833 66,667 0,0014 0,975

Tabel 4 Parameter isotermal bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP

Langmuir Freundlich Dubinin-Radushkevich

Qm KL R2 KF 1/n R2 ln QDR K R2

8,333 0,120 0,833 1,022 0,036 0,999 3,316 -0,007 0,985

(31)

Pada penelitian ini, ekuilibrium bioadsorpsi Hg(II) memenuhi persamaan Freundlich (Tabel 4; Lampiran 5). Hal ini menyatakan bahwa bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP bersifat heterogen. Berdasarkan hal itu pula, persamaan Dubinin-Radushkevich berperan dalam penentuan Ea dari bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP yang bersifat heterogen pada penelitian ini. Adapun nilai Ea dari proses bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP yang diturunkan dari Persamaan 6 sebesar 8,452 kJ/mol. Hal ini menyatakan bahwa bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP merupakan kemisorpsi. Ditambahkan pula, bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP pada penelitian ini diduga melalui reaksi pertukaran ion karena nilai Ea berkisar 8,0-16,0 kJ/mol (Chen et al. 2011; Güney et al. 2007; Gupta et al. 2010).

Uji in vitro bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP

Sistem in vitro pencernaan manusia yang digunakan pada penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan nilai pH serupa dengan sistem pencernaan manusia (Murray et al. 2003). Adapun resistansi SgP yang digunakan pada

penelitian ini diuji secara in vitro (Tabel 5). Hal ini menunjukkan bahwa SgP memiliki resistansi tinggi terhadap perubahan ekstrem pH, suhu, pengadukan, dan aktivitas enzimatis (BeMiller & Whistler 2009; Haub et al. 2010). Keadaan

tersebut menjadikan SgP berpotensi sebagai suatu bioadsorben Hg(II). Bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP minimum pada pH 1,50 (asam lambung). Hal ini disebabkan pada pH tersebut terjadi kompetisi ion Hg(II) dengan ion H+ dan Na+ terhadap gugus fosfat (Igura & Okazaki 2010). Hal ini diduga disebabkan ion H+ dan Na+ tersebut merupakan asam keras yang lebih mudah berinteraksi dengan gugus fosfat pada SgP sebagai pasangan asam-basa keras (Lippard & Berg 1994).

Pada penelitian ini, kesetimbangan bioadsorpsi terjadi pada pH ~5,80-8,60. Hal ini diduga pada pH tersebut ion-ion Hg(II) telah jenuh terikat pada gugus HPO3. Faktor lainnya yang dapat diduga adalah terjadinya hidrolisis sebagian rantai polimer SgP menjadi D-glukosa (Tabel 5). Tercapainya kondisi maksimum bioadsorpsi Hg(II) pada pH ~8,60 diduga akibat terjadinya hidrolisis ester fosfat yang umumnya terjadi pada pH ~8,60 dalam sistem pencernaan manusia yang biasanya dikatalisis oleh fosfatase (Murray et al. 2003). Berdasarkan hal di atas,

(32)

Tabel 5 Resistensi Sg dan SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro

Perlakuan pH =1,50 pH = 6,80 pH = 5,80 pH = 8,60 Perlakuan pH =1,50 pH = 6,80 pH = 5,80 pH = 8,60 D-glukosa D-glukosa D-glukosa D-glukosa D-glukosa D-glukosa D-glukosa D-glukosa

Sampel Sampel

Sg1* +** + +++ +++ SgP1 + + ++ -

Sg2 + ++ +++ +++ SgP2 + + - -

Sg3 + ++ +++ +++ SgP3 - - - -

Sg4 + +++ ++++ ++++ SgP4 - - - -

Sg5 + ++ ++ +++ SgP5 - - - -

Sg6 + ++ ++ +++ SgP6 - - - -

Sg + ++ +++ +++ SgP - - - -

Keterangan: * angka 1-6 menyatakan kesetaraan nilai dengan 0,100-0,600 gram Sg dan SgP yang digunakan.

(33)

Gambar 7 Persentase bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP secara in vitro sistem

pencernaan manusia

Persentase bioadsorpsi optimum dan maksimum tersebut sebesar 20,84% dan 31,39%, secara berturut-turut (Gambar 7). Hal ini disebabkan bahwa pH efektif tercapainya kondisi bioadsorpsi optimum dan maksimum Hg(II) umumnya terjadi serentak pada pH ~5,00 dalam larutan berair (Farooq et al. 2010).

Pada penelitian ini, kapasitas bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP secara in vitro memiliki kinerja yang baik. Hal ini dapat dibandingkan dengan beberapa penelitian sebelumnya seputar bioadsorpsi Hg(II) oleh adsorben termodifikasi dalam larutan berair (Tabel 6). Hal ini disebabkan bioadsorpsi Hg(II) pada penelitian ini tidak hanya dilakukan pada larutan berair, tetapi juga bioadsorpsi Hg(II) ini dilakukan pada sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Tabel 6 Perbandingan nilai adsorpsi Hg(II) oleh beberapa adsorben termodifikasi

Bioadsorben Qe (mg/g) Referensi

Serabut kelapa termodifikasi tiol 909,09 Igwe et al. 2008

Asam poli-γ-glutamat 96,79 Inbaraj et al. 2009

Karbon aktif 18,87 Amitava 2010

Karbon aktif termodifikasi sulfur 380,00 Silva et al. 2010

(34)

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Kesimpulan yang dapat ditarik dari penelitian ini ada 2. Pertama, bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP memenuhi kinetika adsorpsi orde kedua semu yang memenuhi persamaan Freundlich sebagai suatu kemisorpsi melalui reaksi pembentukan kompleks. Bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP tersebut mencapai kondisi optimum pada saat konsentrasi Hg(II) 100 ppm; massa SgP 0,100 g; pH 3,00; waktu agitasi 10 menit; dan laju agitasi 150 rpm. Kedua, kapasitas bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro adalah sebesar 104,63 mg/g.

Saran

(35)

DAFTAR PUSTAKA

[BPBPI] Balai Penelitian Bioteknologi Perkebunan Indonesia. 2007. Tanaman sagu sebagai sumber energi alternatif. Warta Penelitian dan Pengembangan Pertanian. 29(4). 3-4.

Ahmad FB, Williams PA, Doublier JL, Durand S, Buleon A. 1999. Physico-chemical characterization of sago starch. Carbohydr. Polym. 38. 361-370.

Alias J, Silva I, Goni I, Gurruchaga M. 2008. Hydrophilic amylose-based graft copolymers for controlled protein release. Carbohydr. Polym. 74. 31-40.

Amitava S. 2010. Exploitation of activated carbon materials for the sorption of mercury. [dissertation]. Chennai. Department of Chemistry. Indian Institute of Technology Madras.

Anwar J, Shafique U, Zaman W-u, Salman M, Dar A, Anwar S. 2010. Removal of Pb(II) and Cd(II) from water by adsorption on peels of banana. J. Bior. Tech.

101. 1752-1755. Elsevier App. Sci. Publisher. New York. p646.

Bizily SP, Rugh CH, Meagher RC. 2000. Phytodetoxification of hazardous organomercurials by genetically engineered. Plants. Nat. Biotechnol. 18.

213-2170.

Blennow A, Engelsen SB, Nielsen TH, Baunsgaard L, Mikkelsen R. 2002. Starch phosporylation: a new front line in starch research. TRENDS in Plants Science. 7. 445-446.

Bogaert P. 2010. Process for preparing cold water swelling phosphate-cross-linked gelatinised starch. US Patent 2010/0210834 A1.

Chen CY, Yang C-Y, Chen A-H. 2011. Biosorption of Cu(II), Zn(II), Ni(II) and Pb(II) ions by cross-linked metal-imprinted chitosans with epichlorohydrin.

J. Env. Man. 92. 796-802.

Demirbas E, Kobya M, Oncel S, Sencan S. 2002. Removal of Ni(II) from aqueous solution by adsorption onto hazelnut shell activated carbon: equilibrium studies. J. Bior. Tech. 84. 291-293.

Fahmy HM, Fouda MMG. 2008. Crosslinking of alginic acid/chitosan matrices using polycarboxylic acids and their utilization for sodium dichlorofenac release. Carbohydr. Polym. 73. 606-611.

Farooq U, Kozinski JA, Khan MA, Athar M. 2010. Biosorption of heavy metal ions using wheat based bioadsorbents-A review of the recent literature. J. Biortech. 101. 5043-5053.

(36)

Gupta N, Amritphale SS, Chandra N. 2010. Removal of Zn(II) from aqueous solution by using hybrid precursor of silicon and carbon. J. Biortech. 101.

3355-3362.

Gyliene O, Visniakova S. 2008. Heavy metal removal from solution using natural and synthetic sorbent. Env. Res. Eng. Manag. 43. 28-34.

Haub MD, Hubach KL, Al-tamimi EK, Ornelas S, Seib PA. 2010. Different types of resistant starch elicit different glucose responses in humans. J. Nutr. Metabol. 1-4.

Hawkins CM, Chen L, Hernandez-Torez JM, Downey WE. 2011. Modified starch based binder. US 2011/0021101 A1.

Htoon AK, Uthayakumaran S, Piyasiri U, Appelqvist IAM, López-Rubio A, Gilbert EP, Mulder RJ. 2010. The effect of acid dextrinisation on enzyme-resistant starch content in extruded maize starch. Food. Chem. 120. 140-149.

Igura M, Okazaki M. 2010. Cadmium sorption characteristics of phosphorylated sago starch-extraction residue. J. Hazard. Mater. 178. 686-692.

Igwe JC, Abia AA, Ibeh CA. 2008. Adsorption kinetic and intraparticulate diffusivities of Hg, As, and Pb ions on unmodified and thiolated coconut fiber. Int. J. Environ. Sci. Tech. 5 (1). 83-92.

Inbaraj BS, Wang JS, Lu JF, Siao FY, Chen BH. 2009. Adsorption on toxic mercury(II) by an extracellular biopolymer poly(γ-glutamic acid). Bior. Tech.

100. 200-207.

Javaid A, Bajwa R, Shafique U, Anwar J. 2011. Removal of heavy metals by adsorption on Pleurotus ostreatus. Biom. Bioe. In press.

Jiang Q, Gao W, Li X, Zhang J. 2010. Characteristics of native and enzymatically hydrolyzed Zea mays L., Fritillaria ussuriensis Maxim. and Dioscorea opposita Thunb. starches. Food. Hydrocoll. 25. 521-528.

Le Q-t, Lee C-K, Kim Y-W, Lee S-J, Zhang R, Withers SG, Kim YR, Auh JH, Park KH. 2009. Amylolitically-resistant tapioca starch modified by combined treatment of branching enzyme and maltogenic amylase.

Carbohydr. Polym. 75. 9-14.

Li B-z, Wang L-j, Li D, Chiu YL, Zhang Z-j, Shi J, Chen XD, Mao Z-h. 2009. Physical properties and loading capacity of starch based microparticles crosslinked with trisodium trimetaphospate. J. Food. Eng. 92. 255.-260.

Li X, Gao W-y, Huang L-j, Wang Y-l, Huang L-q, Liu C-x. 2010. Preparation and physicochemical properties of carboxymethyl Fritillaria ussuriensis Maxim.

Starches. Carbohydr. Polym. 80. 768-773.

Lippard SJ, Berg JM. 1994. Principles of Bioinorganic Chemsitry. University Science Books. California. pp.22.

Luo F-x, Quang H, Xiong F, Zhang, L-x, Yu S-j. 2009. Preparation and characterization of crosslinked waxy potato starch. J. Food Chem. 115.

563-568.

Manoi K, Rizvi SSH. 2010. Physicochemical characteristics of phosphorylated cross-linked starch produced by reactive supercritical fluid extrusion.

Carbohydr. Polym. 81. 687-694.

Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW. 2003. Biokimia Harper. Edisi ke-25. Hartono A (alih bahasa). EGC. Jakarta. Hal. 660.

(37)

Quek SY, Wase DAJ, Forster CF. 1998. The use of sago waste for the sorption of lead and copper. Water SA. 24 (3). 251-256.

Rao MM, Reddy DHKK, Venkateswarlu P, Seshaiah K. 2009. Removal of mercury from aqueous solutions using activated carbon prepared from agricultural by-product/waste. J. Env. Man. 90. 634-643.

Reddy N, Yang Y. 2010. Citric acid cross-linking of starch films. Food. Chem. 2011. Heavy metal removal from industrial effluents by sorption on cross-linked starch: Chemical study and impact on water toxicity. J. Environ. Manage. 92. 765-772.

Silva DA, Feitosa JPA, Maciel JS, Paula HCB, de Paula RCM. 2006. Characterization of crosslinked cashew gum derivatives. Carbohydr. Polym.

66. 16-26.

Silva HS, Ruiz SV, Granados DL, Santángelo JM. 2010. Adsorption of mercury(II) from liquid solutions using modified activated carbon. Mat. Res.

13(2). 129-134.

Silverstein RM, Webster FX, Kiemle DJ. 2005. Spectrometric Identification of Organic Compounds. 7th editions. John Wiley & Sons. New Jersey. pp. 124. Sun X, Hwang J-Y, Xie S. 2011. Density functional study of elemental mercury

adsorption on surfactants. Fuel. 90. 1061-1068.

Wan M-W, Kan C-C, Rogel BD, Dalida MLP. 2010. Adsortion of copper (II) and lead(II) ions from aqueous solution on chitosan-coated sand. Carbohydr. Polym. 80. 891-899.

Wan Ngah WS, Hanafiah MAKM. 2008. Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: A review. J. Biortech. 99. 3935-3948.

Wan Ngah WS, Teong LC, Hanafiah MAKM. 2011. Adsorption of dyes and heavy metal ions by chitosan composites: A review. Carbohydr. Polym. 83.

1446-1456.

Wanrosli WD, Rohaizu R, Ghazali A. 2011. Synthesis and characterization of cellulose phosphate from oil palm empty fruit bunches microcrystalline cellulose. Carbohydr. Polym. 84. 262-267.

Xing G-x, Zhang S-f, Ju B-z, Yan J-z. 2006. Study on adsorption behavior of crosslinked cationic starch maleate for chromium(VI). Carbohydr. Polym.

66. 246-251.

Zakhama S, Dhaouadi H, M’Henni F. 2011. Nonlinear modelisation of heavy metal removal from aqueous solution using Ulva lactuca algae. J. Biortech.

102. 786-796.

Zhang J, Wang Z-W. 2009. Optimization of reaction condition for resistant Canna edulis Ker starch phosphorylation and its dtructural characterization. Ind.Crop. 30. 105-113.

(38)

- disuspensikan menjadi 35% dalam larutan 0,1M Na2HPO4 dan 0,1M NaH2PO4 (3:2 v/v).

- diatur pH-nya hingga 6,50 dengan penambahan beberapa tetes 0,01 M HCl dan 0,01 M NaOH.

- dipanaskan pada suhu 40oC.

- diaduk dengan kecepatan 300 rpm selama 20 menit.

- dikeringkan di dalam oven (80 + 5oC) selama 24 jam. - diayak dengan ayakan 10 m.

- ditentukan nilai DSp.

- dianalisis perubahan gugus fungsi dengan TF-IM. - dianalisis perubahan morfologinya dengan MPE. - dianalisis perubahan struktur kristalnya dengan

DS-X.

- ditinjau efek parameter adsorpsi: konsentrasi adsorbat, massa adsorben, pH, waktu kontak, dan laju agitasi.

- dihitung nilai kinetika, ekulibrium, dan energi adsorpsi Hg(II) rata-rata oleh SgP. - diaplikasikan sebagai bioadsorben Hg(II)

dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

- dihitung massa minimal SgP yang resistan terhadap hidrolisis enzimatik.

- diaplikasikan dalam proses bioadsorpsi Hg(II) dalam

(39)

LAMPIRAN 2

Analisis nilai karakteristik fisikokimia Sg dan SgP

A. Data absorbansi gugus fungsional spektrum TFIM

Sampel ν (cm-1) A Gugus fungsi

Sg

2362 0,006 regangan HPO3 1650 0,315 H2O intramolekuler

1325 0,569 regangan C-H

1200 0,592 regangan P=O

990 0,029 regangan C-O-P

SgP

2362 0,086 HPO3

1650 0,439 H2O intramolekuler

1325 0,597 regangan C-H

1200 0,709 regangan P=O

990 1,999 regangan C-O-P

B. Data DSX: derajat kristalinitas

(40)

LAMPIRAN 3

(41)

(42)

LAMPIRAN 4

(43)

LAMPIRAN 5

Grafik ekuilibrium bioadsorpsi isotermal Hg(II) oleh SgP 1. Persamaan Freundlich

-0.600 -0.100 0.400 0.900 1.400 1.900 2.400

(44)

ABSTRACT

JORION ROMENGGA. Bioadsorption of Hg(II) by Crosslinked Starch Phosphate. Supervised by TUN TEDJA IRAWADI and SRI SUGIARTI.

Crosslinked sago starch phosphate (SgP) has been successfully synthesized from native sago starch (Sg) and mixed of Na2HPO4-NaH2PO4 in an acidic condition. It was used as a bioadsorbent to remove Hg(II) as an in vitro of a human digestion. Both of the Fourier transform infrared (FTIR) spectra showed the differences. Based on the dynamic study, the bioadsorption followed pseudo-second order kinetic and Freundlisch equation as chemisorption. As the results, 20,84% of Hg(II) was removed at pH of 6,80 and reached the isothermal equilibrium of the bioadsorption at pH of 5,80-8,60 for 29,95% and 31,39%, respectively.

(45)

PENDAHULUAN

Latar belakang

Pencemaran logam berat merupakan salah satu jenis pencemaran lingkungan yang menjadi fokus utama dunia. Hal ini disebabkan pencemaran logam berat di antaranya melalui media air yang merupakan sumber utama kehidupan manusia. Selain itu, logam berat mampu berikatan dengan senyawaan organik yang terlarut di dalam air. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya proses bioakumulasi, biotransformasi, dan biomagnifikasi logam berat tersebut di alam melalui jalur rantai makanan pada tubuh manusia (Gyliene & Visniakova 2008; Wan et al.

2010).

Salah satu jenis logam berat bertoksisitas tinggi adalah merkuri. Merkuri umumnya berada dalam bentuk Hg(II) di dalam larutan berair. Hg(II) dapat bereaksi dengan senyawaan organik terlarut di dalam air membentuk metil merkuri dengan toksisitas yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan metil merkuri mampu diserap oleh sistem pencernaan manusia hingga 95% daripada dalam bentuk Hg(II) (Bizily et al. 2000). United State Environmental Protection Agency

menetapkan kandungan maksimum Hg(II) di dalam air sebesar 0,300 ppb. Hg(II) dapat terdeposit di dalam tubuh manusia, terutama pada bagian otak, kulit, hati, pankreas, dan miokardium. Adapun efek yang ditimbulkan dari bioakumulasi tersebut, seperti gangguan syaraf pusat, pencernaan, dan iritasi kulit (Farooq et al.

2010).

Beberapa metode untuk menghilangkan kontaminasi logam berat di dalam air telah dilakukan. Metode-metode yang dikembangkan tersebut di antaranya, koagulan-flokulasi, evaporasi, presipitasi kimia, elektrokoagulasi, pertukaran ion, separasi membran, filtrasi membran, dan bioadsorpsi (Aziz et al. 2008; Chen et al.

2011; Zakhama et al. 2011). Bioadsorpsi merupakan salah satu teknik yang paling

populer. Hal ini disebabkan bioadsorpsi memiliki kelebihan, seperti murah, ramah lingkungan, dan dapat digunakan kembali (Xing et al. 2006). Sekarang ini,

(46)

Penelitian terbaru menunjukkan limbah sagu taut silang fosfat (mengandung 50% pati) berperan sebagai adsorben ion Pb(II) dan Cd(II) (Igura & Okazaki 2010; Quek et al. 1998). Namun, keterulangan adsorben tersebut menurun pada

proses resorpsi pertama dan kedua sebesar 25% dan 50%, secara berturut-turut. Selain itu, adsorben tersebut hanya terbatas untuk penghilangan logam berat yang terlarut dalam pemurnian air. Hal ini tidak dapat diterapkan jika tubuh manusia telah terpapar logam berat melalui rantai makanan. Oleh sebab itu, perlu suatu tipe bioadsorben yang mampu bekerja secara simultan sebagai bahan pangan fungsional tak tercerna sekaligus bioadsorben logam berat dalam tubuh manusia.

Salah satu biomaterial prospektif tersebut adalah pati sagu (Metroxylon sago) (Sg). Hal ini disebabkan produksi Sg di Indonesia berkisar 5 juta ton/tahun

dan hanya 210 ton dikonsumsi sebagai bahan pangan (Ahmad et al. 1999;

Blennow et al.2002; BPBPI 2007). Hal ini membuka peluang adanya diverifikasi

Sg menjadi bioadsorben logam berat melalui modifikasi taut silang fosfat. Sintesis Sg menjadi pati sagu taut silang fosfat (SgP) diduga berpotensi sebagai bioadsorben Hg(II) melalui gugus fosfat taut silang yang resisten terhadap degradasi fisik, kimia, dan biologis (Haub et al. 2010; Le et al. 2009). Hingga saat

ini, belum ada kajian tentang aplikasi SgP sebagai bioadsorben Hg(II) yang terpapar dalam tubuh manusia melalui makanan. Hal ini disebabkan SgP baru marak disintesis dan diaplikasikan sebagai pati termodifikasi pada satu dekade ini (BeMiller & Whistler 2009; Manoi & Rizvi 2010).

(47)

yang didapat tersebut selanjutnya diaplikasikan sebagai massa SgP sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Rumusan masalah

SgP berpotensi sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hal ini diduga disebabkan adanya gugus taut silang fosfat yang mampu menyetabilkan SgP dan mengelat Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro. Hingga saat ini, studi dinamika yang meliputi kinetika dan ekulibrium bioadsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro belum pernah dilakukan. Oleh sebab itu, pada penelitian ini dilakukan studi dinamika adsorpsi Hg(II) oleh SgP dan aplikasinya sebagai bioadsorben Hg(II) oleh SgP tersebut ke dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Tujuan

Penelitian ini memiliki tujuan umum dan tujuan khusus. Adapun tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik adsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam larutan berair. Selain itu, tujuan khusus penelitian ini adalah untuk menentukan kapasitas adsorpsi Hg(II) oleh SgP dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Manfaat

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah mengenai potensi SgP sebagai bioadsorben Hg(II) dalam sistem pencernaan manusia secara in vitro.

Hipotesis

(48)

TINJAUAN PUSTAKA

Logam berat

Logam berat adalah unsur-unsur kimia dengan bobot jenis lebih besar dari 5 gr/cm3 (Barakat in press). Kelompok logam berat mempunyai afinitas tinggi

terhadap atom S. Logam berat memiliki kisaran nomor atom 22-92 (perioda 4-7). Logam berat bersifat toksik dengan merusak sistem saraf, hati, ginjal, dan tulang. Toksisitas logam berat dapat dikelompokkan dalam 3 kelompok, yaitu toksik tinggi (Hg, Cd, Pb, Cu, dan Zn), toksik (Cr, Ni, dan Co), dan toksik rendah (Mn dan Fe) (Wan Ngah & Hanafiah 2008).

Merkuri (Hg) merupakan jenis logam berat dengan toksisitas tinggi (Pohl et al. 2011). Hg berada dalam bentuk Hg(II) di dalam air. United State Environmental Protection Agency menetapkan kadar maksimum Hg(II) di dalam

air sebesar 0,300 ppb. Hg(II) terdeposit pada tubuh manusia terutama di bagian otak, kulit, hati, pankreas, dan miokardium. Deposit Hg(II) di dalam tubuh dapat mengganggu sistem syaraf, sirkulasi, pencernaan, dan iritasi kulit. Toksisitas Hg(II) makin meningkat dalam bentuk metil merkuri. Hal ini disebabkan metil merkuri mampu diserap tubuh hingga 95% melalui ikatan dengan asam amino yang mengandung sulfur. Hal ini menyebabkan terjadinya akumulasi Hg(II) tersebut dalam tubuh manusia (Bizily et al. 2000; Farooq et al. 2010).

Pati Termodifikasi

(49)

O

Gambar 2 Geseran kimia 31P-RMI PTSF dan turunannya (Manoi & Rizvi 2010)

Salah satu jenis PR4 yang paling banyak disintesis adalah pati taut silang fosfat (PTSF) (Gambar 1) (Zhang & Wang 2010). Penelitian terdahulu telah membuktikan bahwa ikatan taut silang fosfat tersebut terjadi pada atom C3-C6 antarrantai pati (Gambar 2) (Manoi & Rizvi 2010). Syarat utama pati yang menjadi bahan baku PTSF adalah suatu pati harus memiliki kadar amilosa lebih dari 25%. Pati tipe ini umumnya terdapat pada pati jagung, kentang, ubi jalar, dan Sg (Ahmad et al.1999; Blennow et al.2002). Hal ini membuka potensi pati sagu

untuk dimodifikasi dan menambah nilai gunanya menjadi SgP.

Pada penelitian ini, SgP disintesis dengan reagen Na2HPO4-NaH2PO4 dalam suasana asam. Hal ini disebabkan sintesis SgP merupakan reaksi esterifikasi gugus fosfat. Beberapa penelitian terdahulu menunjukkan bahwa reaksi fosforilasi PTSF berjalan lebih efisien dalam suasana asam dengan reagen Na2HPO4 -NaH2PO4 (Bogaert 2010; Hawkins et al. 2011). Hal ini disebabkan reagen

(50)

Adsorpsi isoterm

Pada penelitian ini, adsorpsi Hg(II) oleh SgP memenuhi tiga persamaan, yaitu persamaan Freundlich (Persamaan 1), Langmuir (Persamaan 2), dan Dubinin-Radushkevich (Persamaan 3). Hal ini disebabkan adanya faktor sisi aktif pada gugus taut silang fosfat dan kondisi adsorpsi yang bersifat isotermal.

Ce/Qe = Ce/Qm + 1/(QmKL) Persamaan 1 ln Qe = (1/n) ln Ce + ln KF Persamaan 2 ln Qe = Kε2 + ln QDR Persamaan 3 di mana Ce merupakan konsentrasi kesetimbangan Hg(II) (mg/L); Qe merupakan kapasitas adsorpsi Hg(II) (mg/g); Qm (mg/g), KF (mg/g), dan QDR (mg/g) merupakan kapasitas sorpsi Hg(II) maksimum pada persamaan Langmuir, Freundlich, dan Dubinin-Radushkevich, secara berturut-turut. Adapun nilai Qe dihitung berdasarkan Persamaan 4:

Qe = (Ci– Cf).V/W Persamaan 4 di mana Ci dan Cf menyatakan konsentrasi awal dan akhir larutan Hg(II), secara berturut-turut; V menyatakan volume larutan (mL); dan W menyatakan massa SgP yang digunakan (g).

Pada Persamaan Dubinin-Radushkevich, nilai _{ε merupakan potensial} Polanyi yang dapat ditentukan dalam Persamaan 5.

_{ε =} RT ln (1 + 1/Ce) Persamaan 5 di mana R merupakan konstanta gas ideal (J/K.mol) dan T merupakan suhu kontak. Energi bebas rata-rata adsorpsi (Ea) (kJ/mol) dapat ditentukan berdasarkan Persamaan 6 dengan menyubstitusi nilai konstanta Dubinin-Radushkevich, K (kJ2/mol2), dari plot ln Qe terhadap ε2.

(51)

BAHAN DAN METODE

Alat dan bahan

Adapun instrumen analitik yang digunakan pada penelitian ini di antaranya, difraktometer sinar-X (DSX) (Shimadzu 4.5, filter Ni, sumber radiasi Cu-Kα, = 1.54060 Å, V = 40 kV, I = 30.0 mA), mikroskop pemayaran elektron (MPE) (Zeiss-7000), pH-meter (TOA HM-20S), spektrofotometer TFIM (Vector-33), dan spektrofotometer UV/Vis (Spectronic 20D+).

Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini di antaranya berupa Sg (~26% amilosa) yang dibeli dari pasar tradisional Laladon, Kabupaten Bogor, Jawa Barat. Reagen Hg(NO3)2.H2O, NaH2PO4.H2O, dan Na2HPO4.2H2O, diperoleh dari Merck (Darmstadt, Jerman). Enzyplex (α-amilase) diperoleh dari PT Medifarma Laboratories (Westmont Pharmaceuticals Ltd, USA). Semua reagen kimia umum yang digunakan pada penelitian ini memenuhi standar laboratorium.

Lokasi penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Bersama, Kimia Anorganik, dan Kimia Fisik-Lingkungan, Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Darmaga, Kabupaten Bogor, Jawa Barat. Waktu pelaksanaan penelitian berlangsung dari bulan Maret-Juni 2011.

Metode Penelitian

(52)