SINTESIS PATI JAGUNG TERFOSFORILASI
MELALUI TEKNIK GELOMBANG MIKRO
A T E P D I A N S U P A R D A N
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Sintesis Pati Jagung Terfosforilasi Melalui Teknik Gelombang Mikro adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Mei 2013
ABSTRACT
ATEP DIAN SUPARDAN. Microwave-Assisted Synthesis Of Phosphorylated Corn Starch. Supervised by SUMINAR SETIATI ACHMADI and TUN TEDJA IRAWADI.
Phosphorylated starch is one of modified starches which is commonly imported. In general, starch resource to be modified must have more than 25% amylose. This study aimed to synthese phosphorylated starch and evaluate its potency as adosrbent. Corn starch was subjected to phosphorylation through microwave-assisted reaction of starch with a mixture of sodium dihydrogen orthophosphate and disodium hydrogen phosphate. The experiment was designed tooptimizeparameter of pH, microwave power irradiation, and microwave irradiation time. The results showed that the maximumphosphate substitution degree was obtained at a pH of 6, microwave irradiation of 500 W, and a reaction time of 10 minutes. The degree of subtitution ranged from 0.567 to 0.787. The physicochemical properties of the product as swelling capacity, solubility, water binding capacity, and paste clarity were significantly different than that of the unmodified corn starch. The infrared spectrum showed a high peak absorption in the wavenumber of 1651 cm-1, indicating hydrogen bonding formation phosphoric group-water- phosphoric group. In the fingerprint area, there were two new absorption peaks at 1200 and 990 cm-1, which were assigned for the P=O and C-O-P vibrations, respectively. The phosphorylated corn starch adsorbed methylene blue up to 73.3% and mercury up to 73.6%, indicating the prospect of the microwave-assisted synthetic phosphorylated corn starch as an effective adsorbent for heavy metals.
RINGKASAN
ATEP DIAN SUPARDAN. Sintesis Pati Jagung Terfosforilasi Melalui Teknik Gelombang Mikro. Dibimbing oleh SUMINAR SETIATI ACHMADI dan TUN TEDJA IRAWADI.
Pati merupakan salah satu polimer alami yang melimpah. Sifat mekanik pati yang rapuh dan keberadaan gugus hidrofilik menjadi masalah tersendiri dalam penggunaan pati. Sifat fisik dan kimia pati dapat diperbaiki dengan memodifikasi pati secara fisik, kimia, dan enzimatis. Pati yang telah dimodifikasi dapat digunakan dalam industri pangan maupun non-pangan. Salah satu modifikasi pati secara kimia yang mudah dilakukan adalah reaksi esterifikasi pati menggunakan reagen fosforilasi.Pati terfosforilasi didapat dengan membentuk ikatan ester antara fosfat dan gugus hidroksil pati menghasilkan pati fosfat monoester dan pati fosfat diester.Seiring berkembangnya keperluan industri akan pati terfosforilasi, maka derajat subtitusi fosfat (DSP) pati terfosforilasi yang diperlukan harus tinggi, yaitu lebih besar dari 0.12. Salah satu reagen yang banyak dikembangkan untuk sintesis pati terfosforilasi adalah campuran NaH2PO4−Na2HPO4.
Pati yang digunakan sebagai pati terfosforilasi adalah pati dengan kadar amilosa lebih dari 25%, misalnya jagung. Teknik gelombang mikro merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk memodifikasi pati karena dapat dilakukan dengan cepat, tidak memerlukan pelarut, meningkatkan rendemen, dan membutuhkan energi yang relatif kecil. Hingga saat ini, belum ada kajian mengenai sintesis dan pencirian pati jagung terfosforilasi (PJT) dengan teknik gelombang mikro serta evaluasinya terhadap penyerapan logam berat. Pati jagung (PJ) difosforilasi dengan mengoptimasi kondisi reaksi meliputi pH, daya, dan waktu reaksi menggunakan teknik gelombang mikro. Pati jagung terfosforilasiyang memiliki DSP optimum dicirikan dari perubahan fisiko-kimianya meliputi kadar air, pH, daya mengembang, kelarutan, kapasitas absorpsi air, kepadatan total, kejernihan, spektrum inframerah, dan evaluasi PJT sebagai adsorben logam merkuri dan biru metilena.
Pati jagung terfosforilasi memiliki kandungan air yang lebih besar (12.7%) dibandingkan PJ (7.7%). Hal ini disebabkan oleh penambahan HCl pada PJT, mengakibatkan pH campuran 6.33. Nilai ini lebih rendah dibandingkan pH PJ, yaitu 6.67. Sifat daya mengembang dan kapasitas absorpsi air menurun, sedangkan kelarutan dan kepadatan total mengalami kenaikan secara nyata. Hal ini disebabkan campuran air, asam, pati, dan fosfat menyerap gelombang mikro yang menyebabkan gesekan antarmolekul, menimbulkan panas, dan merusak ikatan hidrogen yang lemah. Akibatnya ikatan hidrogen yang terdapat di kulit luar granula pati menjadi rusak sehingga granula pati menjadi hancur dan beraglomerasi menjadi satu. Rusaknya ikatan hidrogen di kulit luar granula PJ dan teragregasinya granula pati jagung menyebabkan proses penyerapan air menjadi lebih sulit sehingga daya mengembang dan kapasistas absorpsi air PJT berkurang dibandingkan PJ. Akan tetapi, rusaknya granula dan lamela amilopektin menjadikan kelarutan PJT meningkat seiring dengan naiknya nilai kepadatan total.
Pati jagung terfosforilasi memiliki kejernihan lebih tinggi dibandingkan kejernihan PJ. Penurunan nilai turbiditas PJT diduga adanya gugus fosfat yang terikat pada molekul pati. Terjadinya penurunan kejernihan pati diduga disebabkan oleh gaya tolak-menolak dari gugus fosfat antarmolekul PJT di dalam suspensi. PJT dapat menyerap biru metilena sampai 73.3% lebih tinggi 47.3% dibandingkan PJ. PJT memiliki gugus fosfat yang dapat digunakan sebagai adsorben logam berat ataupun zat warna. Hal ini dibuktikan dengan kemampuan PJT dalam menyerap logam [Hg2+] sebesar 73.6% dan nilai ini lebih tinggi 35.3% dibandingkan PJ.
© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2013
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan pustaka suatu masalah; pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
SINTESIS PATI JAGUNG TERFOSFORILASI
MELALUI TEKNIK GELOMBANG MIKRO
A T E P D I A N S U P A R D A N
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Penelitian : Sintesis Pati Jagung Terfosforilasi Melalui Teknik Gelombang Mikro
Nama : Atep Dian Supardan
NIM : G451100031
Disetujui oleh,
Komisi Pembimbing
Prof Ir Suminar S Achmadi, PhD Ketua
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS Anggota
Diketahui oleh,
Ketua Program Studi S2 Kimia Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Purwantiningsih Sugita, MS Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
PRAKATA
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih adalah Sintesis Pati Jagung Terfosforilasi Melalui Teknik Gelombang Mikro.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini telah banyak mendapatkan bantuan berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof Ir Suminar S Achmadi, PhDdan Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS Selaku komisi pembimbing yang telah memberikan arahan, saran, dan bantuan. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr Ir Feri Kusnandar, MSc sebagai penguji luar komisi pada ujian sidang tesis dan Prof Dr Ir Zairin Junior MSc sebagai Direktur Program Diploma Institut Pertanian Bogor yang telah memberikan beasiswa pendidikan selama kuliah. Ucapan terimaksih penulis sampaikan pulakepada Budi Riza Putra, Jaya Hardi Zain, Awan Purnawan, Nurlaila, dan Maiyani Hartono yang telah memberikan dukungan selama pelaksanaan penelitian. Penghargaan khusus penulis sampaikan kepada ayahanda H Atjeng Rochiman (Alm), Ibunda Aas Aisyah, istri tercinta Jihan Farikha, ananda Mohammed Farrih Abdurrahman,dan keluarga besar Program Keahlian Analisis Kimia Program Diploma Institut Pertanian Bogor atas segala doa dan kasih sayang. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Mei2013
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR ... (vi)
DAFTAR LAMPIRAN ... (vi)
PENDAHULUAN Latar Belakang ... 1
Tujuan Penelitian ... 2
BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan ... 2
Prosedur Penelitian ... 2
HASIL DAN PEMBAHASAN Kenampakan dan Tekstur PJT ... 5
DSP PJT ... 5
Reagen Na2HPO4-NaH2PO4 ... 5
Pengaruh Daya Gelombang Mikro Pada Reaksi Fosforilasi ... 6
Pengaruh pH Pada Reaksi Fosforilasi ... 6
Pengaruh Waktu Pada Reaksi Fosforilasi ... 7
Analisis DSP dengan Metode Permukaan Respons ... 7
Spektrum FTIR PJT ... 9
Pencirian Fisiko-Kimia PJT ... 10
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 12
Saran ... 13
DAFTAR PUSTAKA ... 13
DAFTAR GAMBAR
1.Pati jagung (kiri) dan PJT (kanan) ... 5 2. Kontur dan grafik (A) interaksi pH-daya terhadap nilai DSP,
(B) Kontur dan grafik interaksi pH-waktu terhadap nilai DSP
dan (C) Kontur dan grafik interaksi daya-waktu terhadap nilai DSP ... 8 3. Spektrum FT IR PJT (A) dan PJ (B) ... 9 4. Hubungan persen transmitans dan waktu pada kejernihan PJT ... 12
DAFTAR LAMPIRAN
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pati merupakan polimer alam yang melimpah, dapat mengembang,dan stabil pada berbagai suhu dan pH. Banyak material baru yang dapat dihasilkan dengan membuat turunan pati. Namun, sifat mekanik pati yang rapuh dan gugus hidrofiliknya menjadi masalah tersendiri dalam penggunaan pati. Sifat fisik dan kimia pati dapat diperbaiki dengan memodifikasi pati secara fisik (Landerito & Wang 2005), kimia (Neelam et al. 2012), dan enzimatis (Ribotta et al. 2012). Modifikasi pati secara kimia dapat dilakukan dengan mengubah gugus hidroksil pati secara intra- dan inter-molekul,melalui reaksitaut silang (Xiao & Yang 2006), eterifikasi (Huijbrechts et al. 2008), esterifikasi (Biswas et al. 2008), aldehidisasi (Fiedorowicz & Para 2006), pencangkokan (Rui-He et al. 2006), kationisasi (Wang et al. 2009), dan oksidasi (Adebowale et al.2006). Salah satu modifikasi pati yang paling mudah dilakukan adalah esterifikasi pati menggunakan reagen fosforilasi(Aziz et al. 2004).Pati terfosforilasi mempunyai sifat fisikokimia yang lebih baik daripada pati alami.Pati terfosforilasi dapat digunakan sebagai pengental (Steeneken et al. 2011), penstabil (Abbas et al. 2010), dan pengemulsi (Timgren et al. 2011) dalam berbagai produk makanan dan minuman. Sifat anion fosfat pada pati terfosforilasi dapat digunakan sebagai flokulan, penukar ion (Hebeish et al. 2010), koagulan (Linggawati et al. 2002), adsorben (Zhang et al.2006).
Pati yang digunakan sebagai pati terfosforilasi adalah pati dengan kadar amilosa tinggi, misalnya pati gandum (Sang et al. 2010), pati jagung (Murúa-Pagola et al. 2009), pati kentang (Alvaniet al. 2011), dan pati sagu (Nor-Nadiha et al. 2010).Jagung merupakan serealia yang memiliki kandungan amilosa tinggi, yaitu 27% (O’Brien & Wang 2009).Funami et al. (2008) telah meneliti kemampuan pati jagung dalam menjerap ion logam.Pati jagung (PJ) yang telah difosforilasi oleh POCl3
Reaksi fosforilasi pati biasanya dilakukan pada suhu 140−160°C dengan waktu yang lama (Passauer et al. 2010) sehingga dapat menyebabkan reaksi samping. Oleh karena itu metode seperti ekstrusi panas(Manoi & Rizvi 2010), pemanasan vakum (Sang & Seib 2006),danteknik gelombang mikro(Shogren & Biswas 2006)dapat dijadikan alternatif dalam menyintesis pati terfosforilasi.Teknik gelombang mikro dapat digunakan dalam sintesis pati terfosforilasi pada kondisi reaksi kering menggantikan metode konvensional yang memerlukan pelarut, suhu tinggi, dan waktu reaksi yang lama (Jyothiet al. 2008). Gelombang mikro dapat digunakan untuk menyintesis pati terfosforilasi dengan cepat (Biswas et al. 2008), tidak memerlukan pelarut, meningkatkan rendemen, produk yang lebih bersih, membutuhkan energi yang relatif kecil, dan tidak mengubah struktur pati yang dimodifikasi (Lewandowicz 2000). Gelombang mikro telah digunakan untuk membuat pati asetat dengan waktu pemanasan hanya 4−7 menit (Shogren & Biswas 2006).Rivero et al. (2009) telah memodifikasi pati singkong dengan oktenil suksinat anhidrida dalam gelombang mikro selama 7
2
menit menghasilkan DS sebesar 0.045.Maneesriraj et al. (1998) telah melakukan sintesis pati terfosforilasi dengan mencampurkan pati singkong dengan natirum heksametafosfat lalu dipanaskan dalam gelombang mikro, namun DSP yang dihasilkan masih rendah berkisar 0.0037−0.0068.Teknik gelombang mikro dapat meningkatkan nilai DS sampai 2.93 pada pembuatan pati asetat (Diop et al. 2011).Hingga saat ini, belum ada kajian mengenai sintesis dan pencirian pati jagung terfosforilasi (PJT) dengan teknik gelombang mikro dan potensinya sebagai adsorben logam berat dan zat warna.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan menyintesis PJT dengan teknik gelombang mikro untuk mendapatkan nilai DSP > 0.12 dan mengevaluasi perubahan ciri fisiko-kimianya.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alatyang digunakan ialah Sharp Microwave MW71C, spektrofotometer sinar tampak Hitachi model U-2810, spektrofotometer inframerah Tensor 37 Bruker, pH meter Eutech Instruments pH 510, sentrifus Digisystem Laboratory Instruments DSC 300SD, danprogram Minitab 14. Bahan yang digunakan ialah pati jagung non-transgenik Maizenaku MD 828009001443(PJ), natrium dihidrogen fosfat p.a Merck No 106346.1000, NaCl p.a Merck No 104936.0500, kalium bromidep.a. Merck No 104907.0100, etanol p.a. Merck No 100983.2500, larutan iodin, dan dinatrium hidrogen fosfat p.a. Merck No 106586.0500.
Prosedur Penelitian
Fosforilasi Pati Jagung (Jyothi et al. 2008 dengan Modifikasi)
Sebanyak 10 g pati jagung dimasukkan ke dalam gelas kaca, ditambahkan 5 mL larutan HCl (pH 4.0, 5.0, dan 6.0) dan Na2HPO4-NaH2PO4kemudian diaduk sampai homogen. Campuran kemudian dimasukkan ke dalam oven gelombang mikro (daya 500 dan 800 W) selama 3, 5, 7, dan 10 menit, setelah itu didinginkan dan disimpan dalam plastik kedap udara.Sintesis PJT dilakukan sebanyak 2 ulangan.
Penentuan DSP (Igura & Okazaki 2010 dengan Modifikasi)
3 Kadar Air (AOAC2006)
Sebanyak 2 g PJT ditimbang dan dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama 24 jam. Setelah dingin, sampel ditimbang hingga massanya konstan. Persentase kadar air dihitung dengan persamaan:
Derajat Keasaman (AOAC2006)
Sebanyak 2 g PJT disuspensikan dan dihomogenkan dalam 100 mL akuades. Elektrode pH meter dicelupkan ke dalam suspensi kemudian pH dan suhu pengukuran dicatat.
Daya Mengembang (Wanrosliet al. 2011 dengan Modifikasi).
Sebanyak 1 g PJTdimasukkan ke dalam tabung sentrifus dan ditimbang, kemudian ditambahkan air sebanyak 5 mL, dibiarkan selama 30 menit lalu disentrifus pada kecepatan 4000 rpm selama 15 menit.Supernatan yang diperoleh dipindahkan, residu beserta tabung sentrifusnya ditimbang kembali. Daya mengembang dihitung dengan persamaan:
Kelarutan (Stahl et al. 2007)
Sebanyak 0.2 g PJT dilarutkan ke dalam larutan NaCl 0.1 M. Selanjutnya, kelarutan diukur dengan mengeringkan supernatan yang terbentuk pada suhu 110°C selama 24 jam. Kelarutan dihitung dengan persamaan:
Kapasitas Absorpsi Air (Stahl et al. 2007)
Sebanyak 5 g PJT ditambah 30 mL akuades lalu disentrifus pada kecepatan 4000 rpm selama 15 menit. Supernatan yang terbentuk didekantasi dan residunya kemudian ditimbang. Massa air yang diserap oleh sampel adalah
4
Kepadatan Total (Houssou & Ayernor 2002)
Sebanyak 15 g PJT dimasukkan ke dalam cawan lalu dipanaskan dalam oven pada suhu 130 °C selama 1 hari, kemudian dipindahkan ke desikator dan ditimbang setelah mencapai suhu kamar. Selanjutya, sampel dimasukkan ke dalam piknometer 10 mL, diukur massanya, dan dibandingkan dengan rapat massa akuades.
Kejernihan (Stahl et al. 2007)
Kejernihan dilakukan dengan mengukur transmitans larutan PJT 1 g/100 mL.Larutan kemudian dipanaskan selama 30 menit pada suhu 95 °C.Pengukuran dilakukan secara spektrofotometri pada 650 nm dengan penambahan larutan I2 2% setelah didinginkan selama 27 hari pada penyimpanan suhu 5°C.
Evaluasi PJT sebagai Adsorben Biru Metilena (Ozmen et al. 2008 dengan Modifikasi)
Sebanyak 25 mL larutan biru metilena konsentrasi 25 ppm dimasukkan ke dalam erlenmeyer kemudian ditambahkan 0.2 g PJT, lalu diaduk dengan kecepatan 150 rpm selama 10 menit. Selanjutnya supernatan dan residu dipisahkan dan konsentrasi biru metilena ditentukan secara spektrofotometri pada panjang gelombang 664 nm. Jumlah biru metilena yang teradsorpsi oleh PJT dihitung berdasarkan persamaan:
Evaluasi PJT sebagai Adsorben Hg(II) (Amitava 2010)
Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) 100 ppm dimasukkan dalam erlenmeyer dan pH diatur menjadi 5.00, kemudian ditambah 0.1 gram PJT lalu campuran diaduk dengan kecepatan 150 rpm selama 15 menit. Selanjutnya campuran disaring dan ditambahkan larutan I2 2%. Konsentrasi Hg(II) ditentukan secara spektrofotometri pada panjang gelombang 575 nm. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi oleh pati jagung fosfat dihitung berdasarkan persamaan:
Analisis statistik
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kenampakan dan Tekstur PJT
Pati jagung yang digunakan berupa serbuk putih halus, yang sesudah dicampur dengan HCl dan NaH2PO4−Na2HPO4 membentuk pasta, tetapi setelah dikenai gelombang mikro berubah menjadi kering.Hal ini mengindikasikan telah terjadi reaksi taut silang fosfat pada kondisi basah (Fang et al. 2008) dan reaksi fosforilasi pada kondisi kering (Deetae et al. 2008).Panas yang timbul akibat gelombang mikro membuat air yang terdapat dalam campuran, baik yang ditambahkan maupun hasil reaksi esterifikasi menguap sehingga PJT membentuk granul kecil yang kasar (Gambar 1).Apabila digerus PJT menghasilkan serbuk yang lebih padat dibandingkan PJ. Gelombang mikro meningkatkan getaran air yang dapat menghancurkan susunan kristal lamelar amilopektin dan memecahkan granul PJ menjadi lebih rapat sebagaimana dilaporkan oleh Palav &Seetharaman (2007).
Gambar 1 Pati jagung (kiri) dan pati jagung terfosforilasi (kanan)
DSP PJT
Berdasarkan hasil perhitungan serapan relatif C−O−P spektrum inframerah diperoleh kisaran DSP 0.573−0.787. Nilai DSP maksimum sebesar 0.787 didapat pada kondisi pH 6, daya gelombang mikro 500 W selama 10 menit (Lampiran 1). Hal ini menunjukkan bahwa DSP yang dihasilkan tinggi karena menurut Stahl et al. (2007) DSP tinggi melebihi nilai 0.12. Nilai ini lebih tinggi daripada yang telah dilakukan Jyothi et al. (2008)yang telah menyintesis pati singkong terfosforilasi dengan mencampurkan pati singkong dengan larutan Na2HPO4−NaH2PO4 menghasilkan DSP 0.017−0.084, sehingga fosfat yang tersedia lebih sedikit dibandingkan dengan penelitian ini yang menggunakanpadatan Na2HPO4−NaH2PO4.
Reagen Na2HPO4−NaH2PO4
Campuran Na2HPO4−NaH2PO4dipilih sebagai reagen fosforilasi karena tidak beracun, dapat menghasilkan DSP tinggi pada suasana asam dan basa (Stahl
6
sehingga tumbukan lebih kuat (Ryyniinen 1995), dan memiliki nilai pH reaksi mendekati pH suspensi pati yang berkisar pada pH netral. Campuran Na2HPO4−NaH2PO4memiliki efisiensi reaksi yang lebih baik (Luo et al. 2009;Passauer et al.2010) apabila dibandingkan dengan natrium heksametafosfat (Maneesriraj et al. 1998), POCl3 (Yoneya et al. 2003), epiklorohidrin (Ackar et al. 2010), trinatrium tripolifosfat (TNTPP) (Błaszczak et al. 2010), dan trinatrium trimetafosfat (TNTMP) (Sang et al. 2010). POCl3 sangat efisien jika digunakan pada suspensi pati dengan keberadaan garam netral pada pH > 11.Epiklorohidrin sukar larut dalam air dan memiliki ukuran yang tidak seragam.Selain itu POCl3 dan epiklorohidrin beracun, mudah terbakar,dan dapat mencemari lingkungan (Nor-Nadiha et al. 2010).Natrium heksametafosfat, TNTPP, dan TNTMPmerupakan agen penaut silang yang efisien untuk patitetapi masih menghasilkan derajat substitusi yang rendah (Sang et al. 2010).
Pengaruh Daya Gelombang Mikro pada Reaksi Fosforilasi
Pati jagung terfosforilasi disintesis dengan mengatur daya gelombang mikro, waktu, dan pH reaksi fosforilasi untuk mendapatkan kondisi reaksi fosforilasi yang menghasilkan DSP maksimum. Pati jagung, HCl, dan campuran Na2HPO4−NaH2PO4 apabila diberi gelombang mikro akan memposisikan diri terhadap gelombang mikrodalam hitungan detik sehingga bertumbukan dan bereaksi membentuk ikatan ester fosfat. Gelombang mikro menjadikan gugusfosfatmenjadi lebih reaktif terhadap pati dibandingkan pemanasan konvensional (Yu et al. 1996).Semakin tinggi daya, semakin tinggisuhu yang ditimbulkan.Oleh karena itu daya yang digunakan dalam sintesis PJT tidak boleh terlalu tinggi karena dapat menghanguskan campuran. Pada penelitian ini digunakan daya 500 dan 800 W. Pada daya 500 W dihasilkan DSP maksimumsebesar 0.787 karena gelombang mikro yang diberikan dapat mereaksikan fosfat dengan gugus hidroksil pati dan menguapkan air tanpa merusak ikatan ester fosfat yang terbentuk (Luo et al. 2009). Hal berbeda ditunjukkan ketika daya gelombang mikro 800 W menyebabkan penurunan DSP PJTdibandingkan daya 500 W. Pemberian daya gelombang mikro lebih dari 800 W dapatmenghanguskan PJT dan memutuskan ikatan ester fosfat yang terbentuk.Teknik gelombang mikro digunakan untuk memberikan energi maksimum melalui tumbukan (Deetae et al. 2008), menguapkan air yang dihasilkan,dan menghindari kemungkinan hidrolisis ikatan ester yang terbentuk.
Pengaruh pHPada Reaksi Fosforilasi
7 jagung dapat terhidrolisis sehingga protonasi fosfat berkurang. Akibatnya reaksi esterifikasi fosfat dengan gugus hidroksil pati jagung menjadi kurang optimum.Hal ini dibuktikan dengan menurunnya nilai DSP pada saat pH campuran 4 dan 5.Reaksi fosforilasi pati secara umum terjadi pada pH basa, yaitu 8-11, apabila menggunakan pereaksi TNTMP dan TNTPP.Kondisi basa tersebut dibutuhkan untuk memutuskan fosfat dari senyawa TNTMP dan TNTPP yang dapat terjadi pada kondisi basa, selanjutnya bereaksi dengan gugus hidroksil pati. Gelombang mikro memungkinkan reaksi fosforilasi pati jagung terjadi pada pH netral, karena perekasi Na2HPO4−NaH2PO4 dapat bereaksi dengan bantuan gelombang mikro pada kondisi netral. Pati fosfat dapat diklasifikasikan menjadi pati fosfat monoester dan pati fosfat diester. Pati fosfat monoester dapat dibuat dengan cara mereaksikan serbuk pati dengan TNTPPpada pH 7 dengan suhu 150−160 ºC. Reaksi taut silang dapat dipercepat pada pH 8−10 menghasilkan pati fosfat diester.Pada pH di bawah 9 gugus fosfat TNTPPmengalami protonasi membentuk pati monofosfat. Pada pH diatas 10, gugus –OH pati dapat terionisasi menyerang pusat fosfat pada TNTPPmembentuk pati pirofosfat dan bereaksi lebih lanjut dengan menyerang gugus –OH pati yang lain membentuk pati difosfat (Lim & Seib 1993).
Pengaruh Waktupada Reaksi Fosforilasi
Fosforilasi PJ dengan bantuan gelombang mikro memerlukan waktu 10 menit. Hal ini lebih cepat daripada yang dilakukan oleh Błaszczak et al. (2011) yang memerlukan waktu 2 jam untuk fosforilasi pati pada kondisi basa dan 45 menit jika dilakukan pada kondisi asam. Bahkan Sang et al. (2007) memerlukan waktu 3 jam untuk fosforilasi pati pada pH 11.5 dan suhu 45ºC.Waktu reaksi lebih dari 10 menit menunjukkan penurunan nilai DSP.Hal ini disebabkan setelah 10 menit campuran mendapatkan energi gelombang mikro yang berlebihan (Banik et al. 2003) yang dapat memutuskan ikatan ester fosfat yang terbentuk dan menghanguskan campuran (Luo et al.2009).
Analisis DSP dengan Metode Permukaan Respons
Berdasarkan hasil metode permukaan respons,faktor pH, daya gelombang mikro, dan waktu mempengaruhi keragaman nilai DSP fosforilasi PJ sebesar 72.6%. Ketiga faktor tersebut mempunyai pengaruh yang berbeda terhadap DSP PJT, semakin kecil nilai P, semakin kuat pengaruhnya. Daya gelombang mikro (P
8
DSP PJT yang lebih kecil ±0.030 dibandingkan DSP PJT akibat pengaruh interaksi sinergis pH–waktu, yaitu sebesar 0.720.
A
B
C
Gambar 2 Kontur dan grafik (A) interaksi pH–daya terhadap nilai DSP, (B) kontur dan grafik interaksi pH–waktu terhadap nilai DSP dan (C) kontur dan grafik interaksi daya–waktu terhadap nilai DSP
9 penelitian PJT, yaitu 0.787.Terdapat pengaruh faktor lain sebesar 27.4% yang mempengaruhi nilai DSP PJT yang tidak dapat dijelaskan oleh daya gelombang mikro, pH dan waktu reaksi. Faktor lain ini dapat berupa ukuran partikel PJ, luas wadah reaksi, konsentrasi Na2HPO4−NaH2PO4
Fosforilasi PJ lebih mudah terjadi pada amilosa dibandingkan amilopektin (Blennow et al. 2002).Teknik gelombang mikro menjadikan fosforilasi dapat terjadi pada keduanya karena selain membantu mereaksikan ion fosfat dengan gugus hidroksil pati melalui tumbukan, gelombang mikro juga dapat memotong struktur amilopektin dan menjadikannya lebih mudah bereaksi dengan ion fosfat (Palav & Seetharaman 2007).Dengan demikian, fosforilasi pati dapat diperkirakan melalui panjangnya rantai amilopektin (Blennow et al. 2000).Pati memiliki gugus –OH bebas dengan posisi ekuatorial pada C2, C3, dan C6 (Leszczyñski 2004). Posisi –OH pada C3 dan C6 memungkinkan serangan ion fosfat lebih tinggi karena kedudukannya yang terbuka, namun apabila mempertimbangkan struktur 3–dimensi amilosa maka serangan ion fosfat akan lebih mudah mengenai –OH pada C3 yang mengarah keluar ulir dibandingkan –OH pada C6 yang berada dalam ulir amilosa (Ritteet al. 2006).
, dan komposisi amilosa-amilopektin dalam PJ. Hal ini menunjukkan bahwa untuk mendapatkan nilai DSP maksimum diperlukan desain reaksi yang lebih detil untuk memperjelas pengaruh tiap-tiap faktor dalam mempengaruhi nilai DSP.
Spektrum Inframerah PJT
Ikatan ester fosfat yang terbentuk akibat reaksi antara gugus fosfat dengan gugus hidroksil pati terlihat pada serapan spectrum inframerah PJT pada daerah 990 cm-1yang menunjukkan regangan ikatan C−O−P.Spektrum inframerah PJTmenunjukkan kenaikan puncak serapan dibandingkan spektrum inframerahPJ(Gambar 3), yaitu pada bilangan gelombang 3409 cm-1 (regangan O-H), 2933 cm-1 (regangan C–H), dan 1158 cm-1 (regangan C–O). Gambar 3 tidak memperlihatkankenaikan serapan yang signifikan pada 2360 cm-1 yang menunjukkan taut silang fosfat pada pati (Wanrosli et al. 2011).
10
Serapan pada 1651cm-1 menunjukkan pembentukan ikatan hidrogen secara intramolekuler antara air dan gugus fosfatpada PJT (Liu et al. 2012).Pada daerah lain spektrum inframerah PJT, terdapat serapan pada 1325 (regangan C-H), 1200 (P=O), dan 990 cm-1 (C−O−P) yang merujuk pada ikatan fosfat pada pati monoester fosfat (Zhang & Wang 2009). Hal ini diperkuat oleh penelitian Passauer et al. (2010) pada pati terfosforilasi TNTPP–TNTMP yang memiliki puncak serapan yang sama.
Pencirian Fisiko-Kimia PJT
Pencirian fisiko-kimia PJTdilakukan untuk melihat pengaruh reaksi fosforilasi terhadap perubahan struktur PJ menjadi PJT.Granula pati dapat mengalami perubahan morfologi akibatreaksi esterifikasi fosfat dengan gugus hidroksil PJ. Hasil pencirian fisiko-kimia PJT ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil pencirian fisiko-kimia PJT
Sifat Fisiko-Kimia Satuan PJT PJ Kadar air (%) 12.5 5.0 Nilai pH - 6.33 6.67 Daya mengembang (%) 35.4 67.3 Kapasitas absorpsi air (mg/g) 430.00 673.33 Kepadatan total (g/mL) 0.747 0.506 Kelarutan (%) 1.32 0.07 Adsorben [Hg]2+ (%) 73.3 47.3 Adsorben biru metilena (%) 73.6 35.3
Kadar Air
11 Nilai pH
Pati jagung terfosforilasi mempunyai pH 6.33, lebih rendah dibandingkan pH PJ, yaitu 6.67.penurunan nilai pH PJT dikarenakan penambahan larutan HCl. Pati jagung terfosforilasi diharapkan mempunyai pH netral sehingga aman apabila diaplikasikan dalam produk pangan. Berdasarkan hasil tersebut, untuk mendapatkan DSP tinggi maka fosforilasi PJ dapat dilakukan pada kondisi pH netral.Hal ini berbeda sekali dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan pada kondisi basa (Stahl et al. 2007). Fosforilasi pati dalam kondisi basa dapat menyebabkan warna pati menjadi kekuning-kuningan (Manoi & Rizvi 2010) dan muatan negatif pada ion fosfat akan bertolakan dengan gugus –OH pada pati, sehingga dapat menurunkan DSP (Lim & Seib 1993).Perubahan nilai pH pada PJ dan PJT akan mempengaruhi morfologi granula pati (Nor-Nadiha et al.2010). Daya Mengembang dan Kapasitas Absorpsi Air
Daya mengembang PJT sebesar 35.4% lebih kecil dibandingkan PJT, yaitu 67.3%. Campuran air, asam, PJ, dan Na2HPO4−NaH2PO4akan menyerap gelombang mikro dan memposisikan diri. Perubahan orientasi ini menyebabkan tumbukan, menimbulkan panas, dan merusak ikatan hidrogen (Palav & Seetharaman 2006). Granula PJT hancur dan menjadi lebih rapat sehingga proses penyerapan air menjadi lebih sulit (Palav & Seetharaman 2007). Hal inilah yang mengakibatkan kapasitas absorpsi PJT sebesar 430.00 mg/g lebih kecil dibandingkan PJ, yaitu 673.33 mg/g. Hal ini sangat berbeda apabila sintesis dilakukan pada kondisi basah dan pH basa. NaOH dapat merusak dan menghidrolisis bagian amorf pada granula pati sehingga granula pati menjadi terstabilkan oleh ikatan hidrogen yang terbentuk, kondisi ini akan menyebabkan pertambahan daya mengembang granul pati (Karim et al. 2008).
Kepadatan Total dan Kelarutan
Kepadatan total PJT lebih tinggi (0.747 g/mL) dibandingkan PJ (0.506 g/mL).Gelombang mikro dapat masuk sampai tingkat molekuler PJ (Banik et al. 2003) sehingga tumbukan air, ion fosfat, dan PJ dapat menyebabkan hancurnya sisi amorf granul pati. Gugus fosfat dalam PJT mengakibatkan tertariknya struktur 3−dimensi pati sehingga granula PJ menjadi lebih padat (Palav &Seetharaman 2007). Hal ini menjadikan PJT lebih mudah larut dalam air dibandingkan PJ.Kelarutan PJT lebih besar (1.32%) dibandingkan kelarutan PJ (0.07%). Peningkatan nilai kelarutan PJT disebabkan oleh gugus fosfat mampu berikatan hidrogen secara intramolekuler dengan molekul air, sehingga kelarutan PJT meningkat sejalan dengan pendapat Sang et al. (2010).
Kejernihan
12
teratur (Stahl et al. 2007). Gugus fosfat yang terikat antarrantai pati akan mereduksi interaksi kelarutan amilosa di dalam air (Lim & Seib 1993) sehingga fosfat yang terikat menstabilkan struktur 3−dimensi PJT (Anwar et al. 2006) dan menaikkan kejernihan (Landerito & Wang 2005). Oleh sebab itu, PJT sampai jam ke-27 masih mengalami kenaikan turbiditas sampai tercapai kesetimbangan (Singh et al. 2004).
Gambar 4 Hubungan persen transmitans dan waktu pada kejernihan PJT
Evaluasi PJT sebagai Adsorben Biru Metilena dan [Hg2+
PJT dapat menyerap biru metilena sampai 73.3% lebih tinggi 47.3% dibandingkan PJ.Hal ini lebih baik jika dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh Fang et al.(2008), pati terfosforilasinyahanya mampu menyerap biru metilena sebesar 70.3%.PJT memiliki gugus fosfat yang dapat digunakan sebagai adsorben logam berat ataupun zat warna (Delval et al. 2005).Hal ini dibuktikan dengan kemampuan PJT dalam menyerap logam [Hg
]
2+
] sebesar 73.6% dan nilai ini lebih tinggi 35.3% dibandingkan PJ. Pada penelitian ini PJT diradiasi dengan gelombang mikro selama 10 menit, hal ini menunjukkan bahwa gelombang mikro efektif dalam pembuatan adsorben logam [Hg2+] (Foo & Hameed 2012).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
PJT menghasilkan DSP 0.787 dengan kondisi pH 6.00, gelombang mikro 500 W selama 10 menit. Hasil pencirian fisiko-kimia daya mengembang, kelarutan, kapasitas absorpsi air, dan kejernihan menunjukkan perbedaan yang nyata antara PJT dan PJ. Kapasitas penyerapan biru metilena sebesar 73% dan merkuri sebesar 74% menunjukkan bahwa teknik gelombang mikro sangat efektif digunakan untuk menyintesis PJT sebagai adsorben logam berat dan zat warna.
13 Model permukaan respons dapat dimanfaatkan untuk memodifikasi PJT dengan berbagai nilai DSP untuk penggunaan yang diinginkan misalnya sebagai adsorben logam berat.
DAFTAR PUSTAKA
[AOAC] Association of Analytical Chemist. 2006. Official Methods of Analysis of the Association of official Analytical Chemists. AOAC Int., Washington DC. Abbas KA, Khalil SK, Hussin ASM. 2010. Modified starches and their usages in
selected food products: a review study. J Agric Sci. 2:90-100.
Ackar D, Babic´ J, Šubaric´ D, Kopjar M, Milicˇevic B. 2010. Isolation of starch from two wheat varieties and their modification with
epichlorohydrin.Carbohyd Polym.
81:76-82.doi
Adebowale KO, Afolabi TA, Olu-Owolabi BI. 2006. Functional, physicochemical and retrogradation properties of sword bean (Canavalia gladiata) acetylated and oxidized starches. Carbohyd Polym.65: 93-101.
Alvani K, Qi X, Tester RF, Snape CE. 2011. Physico-chemical properties of potato starches.Food Chem. 125: 958–965.
Amitava S. 2010. Exploitation of avtivated carbon material for the sorption of mercury.[Dissertation].Chennai.Departement of chemistry.Indian Institute of Tecnology Madras.
Anwar E, Yusmarlina D, Rahmat H, Kosasih. 2006. Phosphorylation of pregelatinized maranta starch (Maranta arundinaceae L.) as theophyllin tablet matrix controlled release. Majalah Farmasi Indonesia. 17(1):37-44. Aziz A, Daik R, Ghani MA, Daud NIN, Yamin BM. 2004. Hydroxypropylation
and acetylation of sago starch. Malays J Chem. 6(1):48-54.
Banik S, Bandyopadhyay S, Ganguly S. 2003. Bioeffects of microwave-a brief review.Bioresource Technol.
87:155-Biswas A, Shogren RL, Selling G, Salch J, Willett JL, Buchanan CM.2008. Rapid and environmentally friendly preparation of starch esters. Carbohyd Polym.74:137-141.doi
Błaszczak W, Bidzin´ka E, Dyrek K, Fornal J, Michale M, Wenda E. 2011. Effect of phosphorylation and pretreatment with high hydrostatic pressure on radical processes in maize starches with different amylose contents.Carbohyd Polym.85:86-96.doi
Błaszczak W, Bidzin´ska E, Dyrek K, Fornal J, Wenda E. 2010. EPR study of the influence of high hydrostatic pressure on the formation of radicals in phosphorylated potato starch. Carbohyd Polym.82:1256-1263.doi:10.1016/ j.carbpol.2010.07.006.
14
Blennow A, Engelsen SB, Nielsen TH, Baunsgaard L, Mikkelsen R. 2002. Starch phosporylation: a new front line in starch research. Trends Plants Sci. 7:445-446.doi
Deetae P, Shobsngob S, Varanyanond W, Chinachoti P, Naivikul O, Varavinit S. 2008. Preparation, pasting properties and freeze-thaw stability of dual modified crosslink-phosphorylated rice starch. Carbohyd Polym .73:351-358.doi:10.1016/j.carbpol.2007.12.004.
Delval F, Crini G, Bertini S, Filiatre C, Torri G. 2005. Preparation, characterization and sorption properties of crosslinked starch-based exchangers.Carbohyd Polym.60:67-75.doi
Diop CIK, Li HL, Xie B, Shi J. 2011. Effects of acetic acid/acetic anhydride ratios on the properties of corn starch acetates. Food Chem. 126:1662-1669.doi:
Fang Y, Wang LJ, Li D, Li BZ, Bhandari B, Chen XD, Mao ZH. 2008. Preparation of crosslinked starch microspheres and their drug loading and releasing properties.Carbohyd Polym.74:379-384.doi
Fiedorowicz M & Para A. 2006. Structural and molecular properties of dialdehyde starch. Carbohyd Polym.63: 360-366.
Foo KY, Hameed BH. 2012. Microwave-assisted regeneration of activated carbon. Bioresource Technol. 119:234–240.doi
Funami T, Noda S, Hiroe M, Asai I, Ikeda S, Nishinari K. 2008. Functions of iota-carrageenan on the gelatinization and retrogradation behaviors of corn starch in the presence or absence of various salts. Food Hydrocolloids.
22:1273-1282.doi
Guo L, Zhang SF, Ju BZ, Yang JZ. 2006. Study on adsorption of Cu(II) by water-insoluble starch phosphate carbamate. Carbohyd Polym.63:487-492.doi
Hebeish A, Higazy A, El-Shafei A, Sharaf S. 2010.Synthesis of carboxymethyl cellulose (CMC) and starch-based hybrids and their applications in flocculation and sizing.Carbohyd Polym.79:60-69.doi
Houssou P, Ayernor GS. 2002. Appropriate processing and food functional properties of maize fluor. Afr J Sci Tec. 3(1):126-131.
Huijbrechts AML, Desse M, Budtova T, Franssen MCR, Visser GM, Boeriu CG, Sudholter EJR. 2008. Physicochemical properties of etherified maize starches. Carbohyd Polym.74: 170-184.
Igura M, Okazaki M. 2010.Cadmium sorption characteristics of phosphorylated sago starch-extraction residue.J HazardMater. 178:686-692.doi
Jyothi AN, Sajeev MS, Moorthy SN, Sreekumar J, Rajasekharan KN. 2008.Microwave-assisted synthesis of cassava starch phosphates and their characterization.J Root Crops. 34(1):34-42.
15 Kim BS, Lim ST. 1999. Removal of heavy metal ions from water by cross-linked carboxymethyl corn starch.Carbohyd Polym.39:217-223.doi
Landerito NA, Wang YJ. 2005. Preparation and properties of starch phosphates using waxy, common, and high-amylose corn starches. Cereal Chem. 82(3):271-276.
Leszczyñski W. 2004.Resistant starch-classification, structure, production.PolJ Food Nutr Sci. 13(54):37-50.
Lewandowicz G, Fornal J, Walkowski A, Maczynski M, Urbaniak G, Szyman´ska G. 2000. Starch esters obtained by microwave radiation-structure and functionality. Ind Crop Prod. 11:249-257.doi
Lim S, Seib PA. 1993. Preparation and pasting properties of wheat and corn starch phosphates. Cereal Chem. 70:137-144.
Liu J, Chen J, Dong N, Ming J, Zhao G. 2012. Determination of degree of substitution of carboxymethyl starch by Fourier transform mid-infrared spectroscopy coupled with partial least squares. Food Chem.
Luo FL, Q Huang, X Fu, L Zhang, S Yu. 2009. Preparation and characterisation of crosslinked waxy potato starch. Food Chem. 115:563-568.doi
Maneesriraj M, Phetkoa S, Narkrugsa W. 1998. Starch phosphate production by microwave technique.Kasetsart J Nat Sci. 32:234-241.
Manoi K & Rizvi SSH. 2010. Physico-chemical characteristics of phosphorylated cross-linked starch produced by reactive supercritical fluid extrusion.
Carbohyd Polym. 81: 687–694.
Manoi K, Rizvi SSH. 2010. Physico-chemical characteristics of phosphorylated cross-linked starch produced by reactive supercritical fluid extrusion.
Carbohyd Polym.81:687-694.doi
Murúa-Pagola B, CI Beristain-Guevara & F Martínez-Bustos. 2009. Preparation of starch derivatives using reactive extrusion and evaluation of modified starches as shell materials for encapsulation of flavoring agents by spray drying. Food Eng. 91: 380-386.
Neelam K, Vijay S, Lalit S. 2012. Various techniques for the modification of starch and the applications of its derivatives.Int Research J Pharm. 3(5):25-31.
Nor-Nadiha MZ, Fazilah A, Bhat R, Karim AA. 2010. Comparative susceptibility of sago, potato and corn starches to alkali tretment. Food Chem. 121: 1053-1059.
O’Brien S, YJ Wang. 2009. Effects of shear and pH on starch phosphates prepared by reactive extrusion as a sustained release agent. Carbohyd Polym. 77:464-471.doi
Ozmen EY, Sezgin M, Yilmaz A, Yilmaz M. 2008. Synthesis of β-cyclodextrin and starch based polymers for sorption of azo dyes from aqueous solutions.
Bioresource Technol. 99:526-531.doi
Palav T, Seetharaman K. 2006. Mechanism of starch gelatinization and polymer
16
Palav T, Seetharaman K. 2007. Impact of microwave heating on the physico-chemical properties of a starch-water model system.Carbohyd Polym.67:596-604.doi
Passauer L, Bender H, Fischer S. 2010.Synthesis and characterisation of starch phosphate.Carbohyd Polym. 82:809-814.doi
Ribotta PD, Colombo A, Rosell CM. 2012. Enzymatic modifications of pea protein and its application in protein cassava and corn starch gels. Food Hydrocolloids. 27: 185-190.
Ritte G, Heydenreich M, Mahlow S, Haebel S, Kotting O, Steup M. 2006. Phosphorylation of C6- and C3-positions of glucosyl residues in starch is catalysed by distinct dikinases. FEBS Letters. 580:4872-4876.doi
Rivero IE, Balsamo V, Müller AJ. 2009. Microwave-assisted modification of starch for compatibilizing LLDPE/starch blends. Carbohyd Polym .75:343-9350.do
Rui-He, Wang XL, Wang YZ, Yang KK, Zeng JB, Ding SD. 2006. A study on grafting poly(1,4-dioxan-2-one) onto starch via 2,4-tolylene diisocyanate.
Carbohyd Polym.65: 28-34.
Ryyniinen S. 1995. The Electromagnetic Properties of Food Materials: A review of the basic principles. Food Eng. 26:409-429.
Sang Y, Prakash O, Seib PA. 2007. Characterization of phosphorylated cross-linked resistant starch by 31P nuclear magnetic resonance (31P NMR) spectroscopy. Carbohyd Polym.67:201-212.doi
Sang Y, Seib PA, Herrera AI, Prakash O, Shi YC. 2010. Effects of alkaline treatment on the structure of phosphorylated wheat starch and its
digestibility. Food Chem.
Sang Y, Seib PA. 2006. Resistant starches from amylose mutants of corn by simultaneousheat-moisture treatment and phosphorylation. Carbohyd Polym. 63: 167–175. doi:10.1016/j.carbpol.2005.07.022.
Shogren RL, Biswas A. 2006.Preparation of water-soluble and water-swellable starch acetates using microwave heating.Carbohyd Polym.64:16-21.doi:
Shogren RL. 2003. Rapid preparation of starch esters by high temperature/ pressure reaction. Carbohyd Polym.52:319-326.doi
Singh N, Sandhu KS, Kaur M. 2004. Characterization of starches separated from Indian chickpea (Cicer arietinum L.) cultivars. Food Eng. 63:441-449.doi: Stahl JA, Lobato LP, Bochi VC, Kubota EH, Gutkoski LC, Emanuelli T. 2007. Physico-chemical properties of Pinhao (Araucaria angustifolia, Bert O. Ktze) starch phosphate. LWT. 40:1206-1214.doi
Staroszczyk H. 2009. Microwave-assisted silication of potato starch.Carbohyd Polym.77:506-515.doi
Steeneken PAM, Woortman AJJ, (Lizette)-Oudhuis AACM. 2011. Processing stability of cross-linked starches in acid sauce applications and identification
17 of some of the molecular factors involved. Food Hydrocolloids. 25:410-418.doi
Timgren A, Rayner M, Sjöö M, Dejmek P. 2011. Starch particles for food based pickering emulsions. Procedia Food Sci. 1:95-103.doi
Wang PX, Wu XL, Dong-hua X, Kun X, Ying T, Xi-bing D, Wen-bo L. 2009. Preparation and characterization of cationic corn starch with a high degree of substitution in dioxane-THF-water media. Carbohyd Res. 344: 851-855. Wanrosli WD, Rohaizu R, Ghazali A. 2011. Synthesis and characterization of
cellulose phosphate from oil palm empty fruit bunches microcrystalline
cellulose. Carbohyd Polym.84:262-267.doi
Xiao C, Yang M. 2006.Controlled preparation of physical cross-linked starch-g-PVA hydrogel.Carbohyd Polym.64: 37-40.
Yoneya T, Ishibashi K, Hironaka K, Yamamoto K. 2003. Influence of cross-linked potato starch treated with POCl3 on DSC, rheological properties and granule size. Carbohyd Polym.53:447-457.doi
Yu HM, Chen ST, Suree P, Nuansri R, Wang KT. 1996. Effect of Microwave Irradiation on Acid-Catalyzed Hydrolysis of Starch.J Org Chem. 61:9608-9609.
Zhang J, Li A, Wang A. 2006. Study on superabsorbent composite. VI. Preparation, characterization and swelling behaviors of starch phosphate-graft-acrylamide/attapulgitesuperabsorbent composite. Carbohyd
Polym.65:150-158.doi
Zhang J, WangZW. 2009. Optimization of reaction conditions for resistant Canna edulis Ker starch phosphorylation and its structural characterization. Ind
18
Lampiran 1 Formulasi dan nilai DSP pati jagung terfosforilasi
Formula
Lampiran 2 Hasilperhitungan DSP menggunakan metode permukaan respons Response Surface Regression: DSP versus PH; DAYA; WAKTU
19 Analysis of Variance for DSP
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Regression 6 0,120169 0,120169 0,020028 21,80 0,000 Linear 3 0,103737 0,010619 0,003540 3,85 0,016 Interaction 3 0,016432 0,016432 0,005477 5,96 0,002 Residual Error 41 0,037668 0,037668 0,000919
Lack-of-Fit 17 0,037162 0,037162 0,002186 103,79 0,000 Pure Error 24 0,000506 0,000506 0,000021
Total 47 0,157836 Unusual Observations for DSP
Obs StdOrder DSP Fit SE Fit Residual St Resid 7 7 0,564 0,629 0,010 -0,065 -2,28 R 18 18 0,731 0,666 0,011 0,065 2,29 R 31 31 0,569 0,629 0,010 -0,060 -2,11 R
R denotes an observation with a large standardized residual. Response Optimization
Parameters
Goal Lower Target Upper Weight Import DSP Target 0,70,78 0,9 1 1
Global Solution PH = 6 DAYA = 500 WAKTU = 10 Predicted Responses
20
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pangalengan Kabupaten Bandung, Provinsi Jawa Barat pada tanggal 3 Januari 1980.Penulis merupakan anak kelima dan merupakan anak lelaki satu-satunya dari tujuh bersaudara dari pasangan H Atjeng Rochiman (Alm) dan Aas Aisyah.
ABSTRACT
ATEP DIAN SUPARDAN. Microwave-Assisted Synthesis Of Phosphorylated Corn Starch. Supervised by SUMINAR SETIATI ACHMADI and TUN TEDJA IRAWADI.
Phosphorylated starch is one of modified starches which is commonly imported. In general, starch resource to be modified must have more than 25% amylose. This study aimed to synthese phosphorylated starch and evaluate its potency as adosrbent. Corn starch was subjected to phosphorylation through microwave-assisted reaction of starch with a mixture of sodium dihydrogen orthophosphate and disodium hydrogen phosphate. The experiment was designed tooptimizeparameter of pH, microwave power irradiation, and microwave irradiation time. The results showed that the maximumphosphate substitution degree was obtained at a pH of 6, microwave irradiation of 500 W, and a reaction time of 10 minutes. The degree of subtitution ranged from 0.567 to 0.787. The physicochemical properties of the product as swelling capacity, solubility, water binding capacity, and paste clarity were significantly different than that of the unmodified corn starch. The infrared spectrum showed a high peak absorption in the wavenumber of 1651 cm-1, indicating hydrogen bonding formation phosphoric group-water- phosphoric group. In the fingerprint area, there were two new absorption peaks at 1200 and 990 cm-1, which were assigned for the P=O and C-O-P vibrations, respectively. The phosphorylated corn starch adsorbed methylene blue up to 73.3% and mercury up to 73.6%, indicating the prospect of the microwave-assisted synthetic phosphorylated corn starch as an effective adsorbent for heavy metals.
RINGKASAN
ATEP DIAN SUPARDAN. Sintesis Pati Jagung Terfosforilasi Melalui Teknik Gelombang Mikro. Dibimbing oleh SUMINAR SETIATI ACHMADI dan TUN TEDJA IRAWADI.
Pati merupakan salah satu polimer alami yang melimpah. Sifat mekanik pati yang rapuh dan keberadaan gugus hidrofilik menjadi masalah tersendiri dalam penggunaan pati. Sifat fisik dan kimia pati dapat diperbaiki dengan memodifikasi pati secara fisik, kimia, dan enzimatis. Pati yang telah dimodifikasi dapat digunakan dalam industri pangan maupun non-pangan. Salah satu modifikasi pati secara kimia yang mudah dilakukan adalah reaksi esterifikasi pati menggunakan reagen fosforilasi.Pati terfosforilasi didapat dengan membentuk ikatan ester antara fosfat dan gugus hidroksil pati menghasilkan pati fosfat monoester dan pati fosfat diester.Seiring berkembangnya keperluan industri akan pati terfosforilasi, maka derajat subtitusi fosfat (DSP) pati terfosforilasi yang diperlukan harus tinggi, yaitu lebih besar dari 0.12. Salah satu reagen yang banyak dikembangkan untuk sintesis pati terfosforilasi adalah campuran NaH2PO4−Na2HPO4.
Pati yang digunakan sebagai pati terfosforilasi adalah pati dengan kadar amilosa lebih dari 25%, misalnya jagung. Teknik gelombang mikro merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk memodifikasi pati karena dapat dilakukan dengan cepat, tidak memerlukan pelarut, meningkatkan rendemen, dan membutuhkan energi yang relatif kecil. Hingga saat ini, belum ada kajian mengenai sintesis dan pencirian pati jagung terfosforilasi (PJT) dengan teknik gelombang mikro serta evaluasinya terhadap penyerapan logam berat. Pati jagung (PJ) difosforilasi dengan mengoptimasi kondisi reaksi meliputi pH, daya, dan waktu reaksi menggunakan teknik gelombang mikro. Pati jagung terfosforilasiyang memiliki DSP optimum dicirikan dari perubahan fisiko-kimianya meliputi kadar air, pH, daya mengembang, kelarutan, kapasitas absorpsi air, kepadatan total, kejernihan, spektrum inframerah, dan evaluasi PJT sebagai adsorben logam merkuri dan biru metilena.
Pati jagung terfosforilasi memiliki kandungan air yang lebih besar (12.7%) dibandingkan PJ (7.7%). Hal ini disebabkan oleh penambahan HCl pada PJT, mengakibatkan pH campuran 6.33. Nilai ini lebih rendah dibandingkan pH PJ, yaitu 6.67. Sifat daya mengembang dan kapasitas absorpsi air menurun, sedangkan kelarutan dan kepadatan total mengalami kenaikan secara nyata. Hal ini disebabkan campuran air, asam, pati, dan fosfat menyerap gelombang mikro yang menyebabkan gesekan antarmolekul, menimbulkan panas, dan merusak ikatan hidrogen yang lemah. Akibatnya ikatan hidrogen yang terdapat di kulit luar granula pati menjadi rusak sehingga granula pati menjadi hancur dan beraglomerasi menjadi satu. Rusaknya ikatan hidrogen di kulit luar granula PJ dan teragregasinya granula pati jagung menyebabkan proses penyerapan air menjadi lebih sulit sehingga daya mengembang dan kapasistas absorpsi air PJT berkurang dibandingkan PJ. Akan tetapi, rusaknya granula dan lamela amilopektin menjadikan kelarutan PJT meningkat seiring dengan naiknya nilai kepadatan total.
Pati jagung terfosforilasi memiliki kejernihan lebih tinggi dibandingkan kejernihan PJ. Penurunan nilai turbiditas PJT diduga adanya gugus fosfat yang terikat pada molekul pati. Terjadinya penurunan kejernihan pati diduga disebabkan oleh gaya tolak-menolak dari gugus fosfat antarmolekul PJT di dalam suspensi. PJT dapat menyerap biru metilena sampai 73.3% lebih tinggi 47.3% dibandingkan PJ. PJT memiliki gugus fosfat yang dapat digunakan sebagai adsorben logam berat ataupun zat warna. Hal ini dibuktikan dengan kemampuan PJT dalam menyerap logam [Hg2+] sebesar 73.6% dan nilai ini lebih tinggi 35.3% dibandingkan PJ.
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pati merupakan polimer alam yang melimpah, dapat mengembang,dan stabil pada berbagai suhu dan pH. Banyak material baru yang dapat dihasilkan dengan membuat turunan pati. Namun, sifat mekanik pati yang rapuh dan gugus hidrofiliknya menjadi masalah tersendiri dalam penggunaan pati. Sifat fisik dan kimia pati dapat diperbaiki dengan memodifikasi pati secara fisik (Landerito & Wang 2005), kimia (Neelam et al. 2012), dan enzimatis (Ribotta et al. 2012). Modifikasi pati secara kimia dapat dilakukan dengan mengubah gugus hidroksil pati secara intra- dan inter-molekul,melalui reaksitaut silang (Xiao & Yang 2006), eterifikasi (Huijbrechts et al. 2008), esterifikasi (Biswas et al. 2008), aldehidisasi (Fiedorowicz & Para 2006), pencangkokan (Rui-He et al. 2006), kationisasi (Wang et al. 2009), dan oksidasi (Adebowale et al.2006). Salah satu modifikasi pati yang paling mudah dilakukan adalah esterifikasi pati menggunakan reagen fosforilasi(Aziz et al. 2004).Pati terfosforilasi mempunyai sifat fisikokimia yang lebih baik daripada pati alami.Pati terfosforilasi dapat digunakan sebagai pengental (Steeneken et al. 2011), penstabil (Abbas et al. 2010), dan pengemulsi (Timgren et al. 2011) dalam berbagai produk makanan dan minuman. Sifat anion fosfat pada pati terfosforilasi dapat digunakan sebagai flokulan, penukar ion (Hebeish et al. 2010), koagulan (Linggawati et al. 2002), adsorben (Zhang et al.2006).
Pati yang digunakan sebagai pati terfosforilasi adalah pati dengan kadar amilosa tinggi, misalnya pati gandum (Sang et al. 2010), pati jagung (Murúa-Pagola et al. 2009), pati kentang (Alvaniet al. 2011), dan pati sagu (Nor-Nadiha et al. 2010).Jagung merupakan serealia yang memiliki kandungan amilosa tinggi, yaitu 27% (O’Brien & Wang 2009).Funami et al. (2008) telah meneliti kemampuan pati jagung dalam menjerap ion logam.Pati jagung (PJ) yang telah difosforilasi oleh POCl3
Reaksi fosforilasi pati biasanya dilakukan pada suhu 140−160°C dengan waktu yang lama (Passauer et al. 2010) sehingga dapat menyebabkan reaksi samping. Oleh karena itu metode seperti ekstrusi panas(Manoi & Rizvi 2010), pemanasan vakum (Sang & Seib 2006),danteknik gelombang mikro(Shogren & Biswas 2006)dapat dijadikan alternatif dalam menyintesis pati terfosforilasi.Teknik gelombang mikro dapat digunakan dalam sintesis pati terfosforilasi pada kondisi reaksi kering menggantikan metode konvensional yang memerlukan pelarut, suhu tinggi, dan waktu reaksi yang lama (Jyothiet al. 2008). Gelombang mikro dapat digunakan untuk menyintesis pati terfosforilasi dengan cepat (Biswas et al. 2008), tidak memerlukan pelarut, meningkatkan rendemen, produk yang lebih bersih, membutuhkan energi yang relatif kecil, dan tidak mengubah struktur pati yang dimodifikasi (Lewandowicz 2000). Gelombang mikro telah digunakan untuk membuat pati asetat dengan waktu pemanasan hanya 4−7 menit (Shogren & Biswas 2006).Rivero et al. (2009) telah memodifikasi pati singkong dengan oktenil suksinat anhidrida dalam gelombang mikro selama 7
2
menit menghasilkan DS sebesar 0.045.Maneesriraj et al. (1998) telah melakukan sintesis pati terfosforilasi dengan mencampurkan pati singkong dengan natirum heksametafosfat lalu dipanaskan dalam gelombang mikro, namun DSP yang dihasilkan masih rendah berkisar 0.0037−0.0068.Teknik gelombang mikro dapat meningkatkan nilai DS sampai 2.93 pada pembuatan pati asetat (Diop et al. 2011).Hingga saat ini, belum ada kajian mengenai sintesis dan pencirian pati jagung terfosforilasi (PJT) dengan teknik gelombang mikro dan potensinya sebagai adsorben logam berat dan zat warna.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan menyintesis PJT dengan teknik gelombang mikro untuk mendapatkan nilai DSP > 0.12 dan mengevaluasi perubahan ciri fisiko-kimianya.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alatyang digunakan ialah Sharp Microwave MW71C, spektrofotometer sinar tampak Hitachi model U-2810, spektrofotometer inframerah Tensor 37 Bruker, pH meter Eutech Instruments pH 510, sentrifus Digisystem Laboratory Instruments DSC 300SD, danprogram Minitab 14. Bahan yang digunakan ialah pati jagung non-transgenik Maizenaku MD 828009001443(PJ), natrium dihidrogen fosfat p.a Merck No 106346.1000, NaCl p.a Merck No 104936.0500, kalium bromidep.a. Merck No 104907.0100, etanol p.a. Merck No 100983.2500, larutan iodin, dan dinatrium hidrogen fosfat p.a. Merck No 106586.0500.
Prosedur Penelitian
Fosforilasi Pati Jagung (Jyothi et al. 2008 dengan Modifikasi)
Sebanyak 10 g pati jagung dimasukkan ke dalam gelas kaca, ditambahkan 5 mL larutan HCl (pH 4.0, 5.0, dan 6.0) dan Na2HPO4-NaH2PO4kemudian diaduk sampai homogen. Campuran kemudian dimasukkan ke dalam oven gelombang mikro (daya 500 dan 800 W) selama 3, 5, 7, dan 10 menit, setelah itu didinginkan dan disimpan dalam plastik kedap udara.Sintesis PJT dilakukan sebanyak 2 ulangan.
Penentuan DSP (Igura & Okazaki 2010 dengan Modifikasi)
3 Kadar Air (AOAC2006)
Sebanyak 2 g PJT ditimbang dan dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama 24 jam. Setelah dingin, sampel ditimbang hingga massanya konstan. Persentase kadar air dihitung dengan persamaan:
Derajat Keasaman (AOAC2006)
Sebanyak 2 g PJT disuspensikan dan dihomogenkan dalam 100 mL akuades. Elektrode pH meter dicelupkan ke dalam suspensi kemudian pH dan suhu pengukuran dicatat.
Daya Mengembang (Wanrosliet al. 2011 dengan Modifikasi).
Sebanyak 1 g PJTdimasukkan ke dalam tabung sentrifus dan ditimbang, kemudian ditambahkan air sebanyak 5 mL, dibiarkan selama 30 menit lalu disentrifus pada kecepatan 4000 rpm selama 15 menit.Supernatan yang diperoleh dipindahkan, residu beserta tabung sentrifusnya ditimbang kembali. Daya mengembang dihitung dengan persamaan:
Kelarutan (Stahl et al. 2007)
Sebanyak 0.2 g PJT dilarutkan ke dalam larutan NaCl 0.1 M. Selanjutnya, kelarutan diukur dengan mengeringkan supernatan yang terbentuk pada suhu 110°C selama 24 jam. Kelarutan dihitung dengan persamaan:
Kapasitas Absorpsi Air (Stahl et al. 2007)
Sebanyak 5 g PJT ditambah 30 mL akuades lalu disentrifus pada kecepatan 4000 rpm selama 15 menit. Supernatan yang terbentuk didekantasi dan residunya kemudian ditimbang. Massa air yang diserap oleh sampel adalah
4
Kepadatan Total (Houssou & Ayernor 2002)
Sebanyak 15 g PJT dimasukkan ke dalam cawan lalu dipanaskan dalam oven pada suhu 130 °C selama 1 hari, kemudian dipindahkan ke desikator dan ditimbang setelah mencapai suhu kamar. Selanjutya, sampel dimasukkan ke dalam piknometer 10 mL, diukur massanya, dan dibandingkan dengan rapat massa akuades.
Kejernihan (Stahl et al. 2007)
Kejernihan dilakukan dengan mengukur transmitans larutan PJT 1 g/100 mL.Larutan kemudian dipanaskan selama 30 menit pada suhu 95 °C.Pengukuran dilakukan secara spektrofotometri pada 650 nm dengan penambahan larutan I2 2% setelah didinginkan selama 27 hari pada penyimpanan suhu 5°C.
Evaluasi PJT sebagai Adsorben Biru Metilena (Ozmen et al. 2008 dengan Modifikasi)
Sebanyak 25 mL larutan biru metilena konsentrasi 25 ppm dimasukkan ke dalam erlenmeyer kemudian ditambahkan 0.2 g PJT, lalu diaduk dengan kecepatan 150 rpm selama 10 menit. Selanjutnya supernatan dan residu dipisahkan dan konsentrasi biru metilena ditentukan secara spektrofotometri pada panjang gelombang 664 nm. Jumlah biru metilena yang teradsorpsi oleh PJT dihitung berdasarkan persamaan:
Evaluasi PJT sebagai Adsorben Hg(II) (Amitava 2010)
Sebanyak 25 mL larutan Hg(II) 100 ppm dimasukkan dalam erlenmeyer dan pH diatur menjadi 5.00, kemudian ditambah 0.1 gram PJT lalu campuran diaduk dengan kecepatan 150 rpm selama 15 menit. Selanjutnya campuran disaring dan ditambahkan larutan I2 2%. Konsentrasi Hg(II) ditentukan secara spektrofotometri pada panjang gelombang 575 nm. Jumlah Hg(II) yang teradsorpsi oleh pati jagung fosfat dihitung berdasarkan persamaan:
Analisis statistik
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kenampakan dan Tekstur PJT
Pati jagung yang digunakan berupa serbuk putih halus, yang sesudah dicampur dengan HCl dan NaH2PO4−Na2HPO4 membentuk pasta, tetapi setelah dikenai gelombang mikro berubah menjadi kering.Hal ini mengindikasikan telah terjadi reaksi taut silang fosfat pada kondisi basah (Fang et al. 2008) dan reaksi fosforilasi pada kondisi kering (Deetae et al. 2008).Panas yang timbul akibat gelombang mikro membuat air yang terdapat dalam campuran, baik yang ditambahkan maupun hasil reaksi esterifikasi menguap sehingga PJT membentuk granul kecil yang kasar (Gambar 1).Apabila digerus PJT menghasilkan serbuk yang lebih padat dibandingkan PJ. Gelombang mikro meningkatkan getaran air yang dapat menghancurkan susunan kristal lamelar amilopektin dan memecahkan granul PJ menjadi lebih rapat sebagaimana dilaporkan oleh Palav &Seetharaman (2007).
Gambar 1 Pati jagung (kiri) dan pati jagung terfosforilasi (kanan)
DSP PJT
Berdasarkan hasil perhitungan serapan relatif C−O−P spektrum inframerah diperoleh kisaran DSP 0.573−0.787. Nilai DSP maksimum sebesar 0.787 didapat pada kondisi pH 6, daya gelombang mikro 500 W selama 10 menit (Lampiran 1). Hal ini menunjukkan bahwa DSP yang dihasilkan tinggi karena menurut Stahl et al. (2007) DSP tinggi melebihi nilai 0.12. Nilai ini lebih tinggi daripada yang telah dilakukan Jyothi et al. (2008)yang telah menyintesis pati singkong terfosforilasi dengan mencampurkan pati singkong dengan larutan Na2HPO4−NaH2PO4 menghasilkan DSP 0.017−0.084, sehingga fosfat yang tersedia lebih sedikit dibandingkan dengan penelitian ini yang menggunakanpadatan Na2HPO4−NaH2PO4.
Reagen Na2HPO4−NaH2PO4
Campuran Na2HPO4−NaH2PO4dipilih sebagai reagen fosforilasi karena tidak beracun, dapat menghasilkan DSP tinggi pada suasana asam dan basa (Stahl
6
sehingga tumbukan lebih kuat (Ryyniinen 1995), dan memiliki nilai pH reaksi mendekati pH suspensi pati yang berkisar pada pH netral. Campuran Na2HPO4−NaH2PO4memiliki efisiensi reaksi yang lebih baik (Luo et al. 2009;Passauer et al.2010) apabila dibandingkan dengan natrium heksametafosfat (Maneesriraj et al. 1998), POCl3 (Yoneya et al. 2003), epiklorohidrin (Ackar et al. 2010), trinatrium tripolifosfat (TNTPP) (Błaszczak et al. 2010), dan trinatrium trimetafosfat (TNTMP) (Sang et al. 2010). POCl3 sangat efisien jika digunakan pada suspensi pati dengan keberadaan garam netral pada pH > 11.Epiklorohidrin sukar larut dalam air dan memiliki ukuran yang tidak seragam.Selain itu POCl3 dan epiklorohidrin beracun, mudah terbakar,dan dapat mencemari lingkungan (Nor-Nadiha et al. 2010).Natrium heksametafosfat, TNTPP, dan TNTMPmerupakan agen penaut silang yang efisien untuk patitetapi masih menghasilkan derajat substitusi yang rendah (Sang et al. 2010).
Pengaruh Daya Gelombang Mikro pada Reaksi Fosforilasi
Pati jagung terfosforilasi disintesis dengan mengatur daya gelombang mikro, waktu, dan pH reaksi fosforilasi untuk mendapatkan kondisi reaksi fosforilasi yang menghasilkan DSP maksimum. Pati jagung, HCl, dan campuran Na2HPO4−NaH2PO4 apabila diberi gelombang mikro akan memposisikan diri terhadap gelombang mikrodalam hitungan detik sehingga bertumbukan dan bereaksi membentuk ikatan ester fosfat. Gelombang mikro menjadikan gugusfosfatmenjadi lebih reaktif terhadap pati dibandingkan pemanasan konvensional (Yu et al. 1996).Semakin tinggi daya, semakin tinggisuhu yang ditimbulkan.Oleh karena itu daya yang digunakan dalam sintesis PJT tidak boleh terlalu tinggi karena dapat menghanguskan campuran. Pada penelitian ini digunakan daya 500 dan 800 W. Pada daya 500 W dihasilkan DSP maksimumsebesar 0.787 karena gelombang mikro yang diberikan dapat mereaksikan fosfat dengan gugus hidroksil pati dan menguapkan air tanpa merusak ikatan ester fosfat yang terbentuk (Luo et al. 2009). Hal berbeda ditunjukkan ketika daya gelombang mikro 800 W menyebabkan penurunan DSP PJTdibandingkan daya 500 W. Pemberian daya gelombang mikro lebih dari 800 W dapatmenghanguskan PJT dan memutuskan ikatan ester fosfat yang terbentuk.Teknik gelombang mikro digunakan untuk memberikan energi maksimum melalui tumbukan (Deetae et al. 2008), menguapkan air yang dihasilkan,dan menghindari kemungkinan hidrolisis ikatan ester yang terbentuk.
Pengaruh pHPada Reaksi Fosforilasi
7 jagung dapat terhidrolisis sehingga protonasi fosfat berkurang. Akibatnya reaksi esterifikasi fosfat dengan gugus hidroksil pati jagung menjadi kurang optimum.Hal ini dibuktikan dengan menurunnya nilai DSP pada saat pH campuran 4 dan 5.Reaksi fosforilasi pati secara umum terjadi pada pH basa, yaitu 8-11, apabila menggunakan pereaksi TNTMP dan TNTPP.Kondisi basa tersebut dibutuhkan untuk memutuskan fosfat dari senyawa TNTMP dan TNTPP yang dapat terjadi pada kondisi basa, selanjutnya bereaksi dengan gugus hidroksil pati. Gelombang mikro memungkinkan reaksi fosforilasi pati jagung terjadi pada pH netral, karena perekasi Na2HPO4−NaH2PO4 dapat bereaksi dengan bantuan gelombang mikro pada kondisi netral. Pati fosfat dapat diklasifikasikan menjadi pati fosfat monoester dan pati fosfat diester. Pati fosfat monoester dapat dibuat dengan cara mereaksikan serbuk pati dengan TNTPPpada pH 7 dengan suhu 150−160 ºC. Reaksi taut silang dapat dipercepat pada pH 8−10 menghasilkan pati fosfat diester.Pada pH di bawah 9 gugus fosfat TNTPPmengalami protonasi membentuk pati monofosfat. Pada pH diatas 10, gugus –OH pati dapat terionisasi menyerang pusat fosfat pada TNTPPmembentuk pati pirofosfat dan bereaksi lebih lanjut dengan menyerang gugus –OH pati yang lain membentuk pati difosfat (Lim & Seib 1993).
Pengaruh Waktupada Reaksi Fosforilasi
Fosforilasi PJ dengan bantuan gelombang mikro memerlukan waktu 10 menit. Hal ini lebih cepat daripada yang dilakukan oleh Błaszczak et al. (2011) yang memerlukan waktu 2 jam untuk fosforilasi pati pada kondisi basa dan 45 menit jika dilakukan pada kondisi asam. Bahkan Sang et al. (2007) memerlukan waktu 3 jam untuk fosforilasi pati pada pH 11.5 dan suhu 45ºC.Waktu reaksi lebih dari 10 menit menunjukkan penurunan nilai DSP.Hal ini disebabkan setelah 10 menit campuran mendapatkan energi gelombang mikro yang berlebihan (Banik et al. 2003) yang dapat memutuskan ikatan ester fosfat yang terbentuk dan menghanguskan campuran (Luo et al.2009).
Analisis DSP dengan Metode Permukaan Respons
Berdasarkan hasil metode permukaan respons,faktor pH, daya gelombang mikro, dan waktu mempengaruhi keragaman nilai DSP fosforilasi PJ sebesar 72.6%. Ketiga faktor tersebut mempunyai pengaruh yang berbeda terhadap DSP PJT, semakin kecil nilai P, semakin kuat pengaruhnya. Daya gelombang mikro (P
8
DSP PJT yang lebih kecil ±0.030 dibandingkan DSP PJT akibat pengaruh interaksi sinergis pH–waktu, yaitu sebesar 0.720.
A
B
C
Gambar 2 Kontur dan grafik (A) interaksi pH–daya terhadap nilai DSP, (B) kontur dan grafik interaksi pH–waktu terhadap nilai DSP dan (C) kontur dan grafik interaksi daya–waktu terhadap nilai DSP
9 penelitian PJT, yaitu 0.787.Terdapat pengaruh faktor lain sebesar 27.4% yang mempengaruhi nilai DSP PJT yang tidak dapat dijelaskan oleh daya gelombang mikro, pH dan waktu reaksi. Faktor lain ini dapat berupa ukuran partikel PJ, luas wadah reaksi, konsentrasi Na2HPO4−NaH2PO4
Fosforilasi PJ lebih mudah terjadi pada amilosa dibandingkan amilopektin (Blennow et al. 2002).Teknik gelombang mikro menjadikan fosforilasi dapat terjadi pada keduanya karena selain membantu mereaksikan ion fosfat dengan gugus hidroksil pati melalui tumbukan, gelombang mikro juga dapat memotong struktur amilopektin dan menjadikannya lebih mudah bereaksi dengan ion fosfat (Palav & Seetharaman 2007).Dengan demikian, fosforilasi pati dapat diperkirakan melalui panjangnya rantai amilopektin (Blennow et al. 2000).Pati memiliki gugus –OH bebas dengan posisi ekuatorial pada C2, C3, dan C6 (Leszczyñski 2004). Posisi –OH pada C3 dan C6 memungkinkan serangan ion fosfat lebih tinggi karena kedudukannya yang terbuka, namun apabila mempertimbangkan struktur 3–dimensi amilosa maka serangan ion fosfat akan lebih mudah mengenai –OH pada C3 yang mengarah keluar ulir dibandingkan –OH pada C6 yang berada dalam ulir amilosa (Ritteet al. 2006).
, dan komposisi amilosa-amilopektin dalam PJ. Hal ini menunjukkan bahwa untuk mendapatkan nilai DSP maksimum diperlukan desain reaksi yang lebih detil untuk memperjelas pengaruh tiap-tiap faktor dalam mempengaruhi nilai DSP.
Spektrum Inframerah PJT
Ikatan ester fosfat yang terbentuk akibat reaksi antara gugus fosfat dengan gugus hidroksil pati terlihat pada serapan spectrum inframerah PJT pada daerah 990 cm-1yang menunjukkan regangan ikatan C−O−P.Spektrum inframerah PJTmenunjukkan kenaikan puncak serapan dibandingkan spektrum inframerahPJ(Gambar 3), yaitu pada bilangan gelombang 3409 cm-1 (regangan O-H), 2933 cm-1 (regangan C–H), dan 1158 cm-1 (regangan C–O). Gambar 3 tidak memperlihatkankenaikan serapan yang signifikan pada 2360 cm-1 yang menunjukkan taut silang fosfat pada pati (Wanrosli et al. 2011).
10
Serapan pada 1651cm-1 menunjukkan pembentukan ikatan hidrogen secara intramolekuler antara air dan gugus fosfatpada PJT (Liu et al. 2012).Pada daerah lain spektrum inframerah PJT, terdapat serapan pada 1325 (regangan C-H), 1200 (P=O), dan 990 cm-1 (C−O−P) yang merujuk pada ikatan fosfat pada pati monoester fosfat (Zhang & Wang 2009). Hal ini diperkuat oleh penelitian Passauer et al. (2010) pada pati terfosforilasi TNTPP–TNTMP yang memiliki puncak serapan yang sama.
Pencirian Fisiko-Kimia PJT
Pencirian fisiko-kimia PJTdilakukan untuk melihat pengaruh reaksi fosforilasi terhadap perubahan struktur PJ menjadi PJT.Granula pati dapat mengalami perubahan morfologi akibatreaksi esterifikasi fosfat dengan gugus hidroksil PJ. Hasil pencirian fisiko-kimia PJT ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil pencirian fisiko-kimia PJT
Sifat Fisiko-Kimia Satuan PJT PJ Kadar air (%) 12.5 5.0 Nilai pH - 6.33 6.67 Daya mengembang (%) 35.4 67.3 Kapasitas absorpsi air (mg/g) 430.00 673.33 Kepadatan total (g/mL) 0.747 0.506 Kelarutan (%) 1.32 0.07 Adsorben [Hg]2+ (%) 73.3 47.3 Adsorben biru metilena (%) 73.6 35.3
Kadar Air
