Kimia dan Kemasan
Journal of Chemical and Packaging
Vol. 35 No. 1 April 2013 ISSN 2088 – 026X
KEMENTERIAN PERINDUSTRIAN
BADAN PENGKAJIAN KEBIJAKAN IKLIM DAN MUTU INDUSTRI
BALAI BESAR KIMIA DAN KEMASAN
Jurnal
Terakreditasi No : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013 J. Kimia
Kemasan
Vol. 35 No. 1Hal.
1 - 70
Jakarta April 2013
ISSN 2088 – 026X
ISSN 2088 – 026X Vol. 35 No.1 April 2013
JURNAL KIMIA DAN KEMASAN
(JOURNAL OF CHEMICAL AND PACKAGING) Terakreditasi Nomor : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013
Jurnal Kimia dan Kemasan memuat hasil penelitian dan telaah ilmiah bidang kimia dan kemasan yang belum pernah dipublikasikan. Jurnal Kimia dan Kemasan terbit dua nomor dalam setahun
(April dan Oktober)
Penanggungjawab Officially incharge
Ketua Kepala Balai Besar Kimia dan Kemasan Chairman Head of Center for Chemical and Packaging
Wakil Kepala Bidang Sarana Riset dan Standardisasi
Vice Chairman Head Field for Research Facilities and Standardization Dewan Redaksi DR. Rahyani Ermawati (Biokimia/Biochemistry, BBKK)
Editorial board Ir. Emmy Ratnawati (Kimia lingkungan/Environmental chemistry, BBKK) Ir. Hendartini, MSc (Kemasan/Packaging, BBKK)
Dra. Yemirta, M.Si (Kimia/Chemistry, BBKK)
Retno Yunilawati, SSi, MSi (Kimia/Chemistry, BBKK) Arie Listyarini, SSi, MSi (Polimer/Polymer, BBKK)
Mitra Bestari Prof. DR. Slamet, MT (Kimia/Chemistry, Universitas Indonesia) Peer Reviewer Drs. Sudirman, MSc, APU (Kimia/Chemistry, BATAN)
DR. Etik Mardliyati (Biokimia/Biochemistry, BPPT) DR. Rike Yudianti (Polimer/Polymer, LIPI)
DR. Sunit Hendrana (Polimer/Polymer, LIPI)
Redaksi Pelaksana Silvie Ardhanie Aviandharie, ST, MT Managing editor Chicha Nuraeni, ST
Agustina Arianita Cahyaningtyas, ST
Alamat (Address) Balai Besar Kimia dan Kemasan
Badan Pengkajian Kebijakan Iklim dan Mutu Industri, Kementerian Perindustrian Jl. Balai Kimia No. 1, Pekayon, Pasar Rebo, Jakarta Timur
Telepon : (021) 8717438, Fax : (021) 8714928, Email : [email protected]
Isi Jurnal Kimia dan Kemasan dapat dikutip dengan menyebutkan sumbernya (Citation is permitted with acknowledgement of the source)
ISSN 2088 – 026X Vol. 35 No.1 April 2013
JURNAL KIMIA DAN KEMASAN
(JOURNAL OF CHEMICAL AND PACKAGING) Terakreditasi Nomor : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013
Daftar Isi
Pengaruh Laju Transmisi Uap Air Polymer Blend Polibutilen Suksinat (PBS) dan Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) Terhadap Umur Simpan Sup Krim Instan Rasi ..…...
Wiwik Pudjiastuti, Arie Listyarini, Muhammad Idham Rizki
1 – 5
Potensi Penerapan Polimer Nanokomposit Dalam Kemasan Pangan ………..
Agus Sudibyo dan Tiurlan F.Hutajulu
6 – 19
Pemanfaatan Pati Biji Durian (Durio zibethinus Murr.) dan Pati Sagu (Metroxylon sp.) Dalam Pembuatan Bioplastik ………..…………...………...……….
Melanie Cornelia, Rizal Syarief, Hefni Effendi, Budi Nurtama
20 – 29
Peningkatan Stabilitas Emulsi Krim Nanopartikel Untuk Mempertahankan Kelembaban Kulit ...………..………..………..……...………
Dwinna Rahmi, Retno Yunilawati, Emmy Ratnawati
30 – 36
Sintesis dan Karakterisasi Nano Zero Valent Iron (NZVI) dengan Metode Presipitasi Siti Wardiyati, Adel Fisli, dan Saeful Yusuf
37 – 44
Fotodegradasi Fenol Dengan Katalis TiO2 P25 Berpenyangga Batu Apung …………
Agung Sri Hendarsa, Jessica Tanuwijaya, Catur Nitya V.N., Heri Hermansyah dan Slamet
45 – 51
Pengaruh Radiasi Berkas Elektron dan Kimia Pada Pembuatan Glukosa dari Tandan Kosong Sawit …...…...………...…………...
Darsono, Sugiarto Danu, Made Sumarti Kardha, dan Harsojo
52 – 57
Aktivasi Zeolit Secara Fisika dan Kimia Untuk Menurunkan Kadar Kesadahan (Ca dan Mg) Dalam Air Tanah ………...………….………...…………...
Novi Nur Aidha
58 – 64
Karakteristik Dinamik Sistem Koloid Magnetik Berbasis Nanopartikel Oksida Fe- Chitosan ………...…...……….………...…………...
Mujamilah dan Grace Tj. Sulungbudi
65 – 70
ISSN 2088 – 026X Vol. 35 No.1 April 2013
JURNAL KIMIA DAN KEMASAN
(JOURNAL OF CHEMICAL AND PACKAGING) Terakreditasi Nomor : 526/AU1/P2MI-LIPI/04/2013
Kata Pengantar
Jurnal Kimia dan Kemasan Volume 35 Nomor 1 April 2013 ini terbit dengan sembilan artikel yang merupakan terbitan pertama di tahun 2013. Penelitian dan pengembangan bahan polimer dengan cara memadukan bahan pengisi yang tepat, melalui interaksi matriks bahan pengisi dan strategi formula baru untuk pembuatan polimer nanokomposit mempunyai potensi untuk diterapkan dalam kemasan pangan. Oleh karena itu tiga artikel pertama pada terbitan ini menyajikan tentang kemasan yang ramah lingkungan, dua penelitian tentang laju transmisi uap air polimer blend dari polibutilen suksinat (PBS) dan linear low density polyethylene (LLDPE) serta pengaruhnya terhadap umur simpan sup krim instan rasi dan penelitian tentang pemanfaatan pati biji durian dan pati sagu dalam bentuk bioplastik serta satu tinjauan tentang potensi penerapan nanokomposit dalam kemasan pangan.
Enam artikel lainnya berasal dari berbagai disiplin ilmu, diantaranya tiga artikel tentang penerapan teknologi nano yaitu satu artikel tentang peningkatan stabilitas emulsi krim lemak padat nanopartikel, artikel tentang nano zero valent iron dengan metode presipitasi serta satu lagi artikel tentang karakteristik dinamik sistem koloid magnetik berbasis nanopartikel oksida Fe – chitosan. Materi lainnya yaitu tiga artikel tentang aktivasi zeolit untuk mengurangi kesadahan air (Ca, Mg), fotodegradasi fenol dengan katalis TiO2 P25 berpenyangga batu apung dan artikel tentang pengaruh radiasi berkas elektron dan kimi pada pembuatan glukosa dari tandan kosong sawit
Ke sembilan topik bahasan dalam terbitan ini semoga bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan bagi para pembaca.sekalian. Akhir kata redaksi sangat bersyukur atas makalah yang masuk dari berbagai latar belakang disiplin ilmu dan seiring dengan bertambahnya waktu, redaksi berharap akan semakin banyak makalah yang masuk untuk dapat diterbitkan dalam Jurnal Kimia dan Kemasan ini. Kritik dan saran untuk peningkatan kualitas penerbitan jurnal ini sangat kami harapkan.
DEWAN REDAKSI
PENGARUH LAJU TRANSMISI UAP AIR POLYMER BLEND POLIBUTILEN SUKSINAT (PBS) DAN LINEAR LOW DENSITY POLYETHYLENE (LLDPE) TERHADAP UMUR SIMPAN SUP KRIM
INSTAN RASI
(EFFECT OF WATER VAPOUR TRANSMISSION RATE OF POLYMER BLEND OF POLYBUTYLENE SUCCINAT (PBS) AND LINEAR LOW DENSITY POLYETHYLENE
(LLDPE) ON THE SELF LIFE OF CREAM SOUP INSTANT RASI)
Wiwik Pudjiastuti1, Arie Listyarini1, dan Muhammad Idham Rizki2
1)Balai Besar Kimia dan Kemasan, Kementerian Perindustrian RI Jl. Balai Kimia I Pekayon, Pasar Rebo, Jakarta Timur
2)Fakultas Teknologi Pertanian-Universitas Padjadjaran Bandung
E-mail: [email protected]
Received : 17 September 2012; revised : 24 September 2012; accepted : 29 April 2013 ABSTRAK
Penelitian tentang pengaruh Laju Transmisi Uap Air (WVTR) dari biopolimer blend Polibutilen Suksinat (PBS) dan Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) terhadap umur simpan sup krim instan rasi telah dilakukan pada berbagai komposisi campuran PBS/LLDPE. Persentase komposisi campuran PBS/LLDPE yang digunakan untuk mengemas sup krim instan rasi berturut-turut adalah 30/70%, 50/50%, dan 70/30%, dengan nilai WVTR berturut- turut adalah 9,06 g/m2 hari; 16,92 g/m2 hari; dan 25,08 g/m2 hari. Dengan menggunakan metode kadar air kritis diperoleh umur simpan terpanjang dari sup krim instan rasi adalah 13 hari yang dikemas dalam campuran PBS/LLDPE 30/70%.
Kata kunci : Laju transmisi uap air, Polibutilen suksinat, dan Linier Low Density Polyethylene ABSTRACT
Effect of Water Vapour Transmission Rate (WVTR) of polymer blend of Polybutylene Succinat (PBS) and Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) on the self life of cream soup instant rasi have been evaluated on several composition of PBS/LLDPE blend. Percentage of PBS/LLDPE blend composition used to package cream soup instant rasi was 30/70%, 50/50%, and 70/30%, with WVTR value of 9.06 g/m2.day, 16.92 g/m2.day, and 25.08 g/m2.day respectively. By using critical water content method, the maximum self life of the cream soup instant rasi was 13 days by using (PBS/LLDPE) blend with percent composition of 30/70%.
Key words : Water Vapour Transmission Rate, Polybutylene succinat, and Linear Low Density Polyethylene
PENDAHULUAN
Salah satu fungsi kemasan dalam produk pangan yaitu melindungi produk yang dikemas dari berbagai kerusakan, sehingga kualitas produk dapat dipertahankan dan memper- panjang umur simpan. Menurut Tung dkk (2001), umur simpan merupakan konsep yang kompleks yang bergantung pada sifat-sifat dasar dari produk makanan, teknologi pengawetan yang digunakan, dan kondisi lingkungan produk pangan tersebut digunakan. Pengemasan memegang peranan penting dalam memelihara kualitas dan umur simpan suatu produk pangan,
dimana menjadi bagian utuh dalam sistem pengawetan pangan.
Umur simpan atau masa kadaluarsa merupakan suatu parameter ketahanan produk selama penyimpanan. Secara umum dapat dikatakan bahwa kadar air dan aktivitas air (aw) sangat berpengaruh dalam menentukan umur simpan dari produk pangan, karena faktor-faktor ini akan mempengaruhi sifat-sifat fisik (kekerasan dan kekeringan) dan sifat-sifat fisiko kimia, perubahan-perubahan kimia (pencoklatan non enzimatis), kerusakan mikrobiologis dan
perubahan enzimatis terutama pangan yang tidak diolah (Winarno dan Jenie 1983).
Penentuan umur simpan suatu produk pangan dilakukan dengan mengamati produk pangan selama penyimpanan hingga terjadi perubahan yang tidak dapat diterima lagi oleh konsumen dalam selang waktu tertentu. Syarief dan Halid (1993) menyatakan bahwa perubahan mutu pangan terutama dapat diketahui dari perubahan faktor mutu tersebut. Oleh karena itu, dalam menentukan daya simpan suatu produk perlu dilakukan pengukuran terhadap atribut mutu produk tersebut.
Sup krim instan rasi merupakan salah satu produk pangan instan yang pada penentuan umur simpannya sangat bergantung pada aktivitas air dan kadar air. Hal ini disebabkan karena produk sup krim instan rasi memiliki sifat hidrofilik (sifat mudah mengikat air), tidak memiliki lapisan sel yang tidak permeabel sebelum digunakan yang dapat menghambat laju pembasahan, dan rehidrasi produk akhir tidak menghasilkan produk yang menggumpal dan mengendap (Hartono dan Widiatmo 1993). Untuk itu diperlukan suatu bahan pengemas dengan permeabilitas terhadap uap air rendah sehingga mampu memperpanjang umur simpan produk sup krim instan rasi.
Upaya lain yang saat ini sedang berkembang pesat adalah penggunaan polimer yang bersifat biodegradable. Menurut Matsumura (2005), material polimer biodegradable sudah banyak dikembangkan berdasarkan berbagai macam faktor, seperti struktur polimer, modifikasi kimia/enzimatik, blending, dan perlakuan mekanik. Faktor-faktor tersebut sangat berhubungan dengan mekanisme biodegradasinya. Beberapa jenis polimer biodegradable yang sudah banyak diproduksi di dunia diantaranya adalah asam polilaktat (PLA), polihidroalkanates (PHAs), polibutilen suksinat (PBS), dan polimer biodegradable sintetik lainnya, serta polimer berbahan baku pati, seperti jagung, kentang, dan sagu.
Salah satu polimer biodegradable sintetik adalah polibutilen suksinat atau PBS. PBS diproduksi dari hasil reaksi polikondensasi glikol seperti etilen glikol dan butanediol-1,4, dengan asam dikarboksilat alifatik seperti asam suksinat dan asam adipat (Fujimaki 1997). PBS yang dikenal dengan nama Biodegradable Aliphatic Polyester (“Bionolle”) ini bersifat termoplastik dengan titik leleh sekitar 90ºC sampai 120ºC (serupa dengan LDPE), temperatur transisi gelas sekitar -45ºC sampai 10ºC (antara PE dan PP), nilai tensile strength yang berkisar antara nilai tensile strength PP dan PE, serta nilai
stiffness (kekakuan) berkisar antara nilai kekakuan yang dimiliki oleh LDPE dan HDPE.
PBS dapat diproses dengan menggunakan mesin proses poliolefin pada temperatur 160ºC sampai 200ºC menjadi berbagai macam produk (Fujimaki 1997).
Permasalahan utama yang muncul dari biopolimer polibutilen suksinat menurut Fujimaki (1997) pada kemasan pangan adalah masih diperlukan pengembangan penelitian untuk memperbaiki sifat fisik dan mekanik yang dimiliki oleh biopolimer ini, seperti misalnya ketahanan pada gas oksigen. Untuk meningkatkan sifat- sifat tersebut, salah satu upayanya adalah membuat polimer blend dengan mencampur PBS dengan polimer lain yang mempunyai sifat yang diinginkan.
Maksud dan tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui umur simpan produk sup krim instan rasi yang dikemas menggunakan biopolimer blend (PBS/PE) pada berbagai komposisi.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat Penelitian
Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah biji/resin plastik polibutilen suksinat, biji/resin plastik poli etilen (LLDPE), dan sup krim instan rasi. Sedangkan alat yang digunakan meliputi rheomix single screw extruder, blown film climatic chamber, alat uji WVTR, neraca analitik, oven, dan peralatan gelas.
Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan adalah metode deskriptif (explanatory research).
Perlakuan dalam penelitian ini yaitu penyimpanan sup krim instan rasi yang dikemas menggunakan biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi sebagai berikut:
A : LLDPE murni
B : Biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS 30%
C : Biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS 50%
D : Biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS 70%
E : PBS murni.
Proses pencampuran dilakukan dengan menggunakan polylab rheomix merk Haake.
Biopolimer blend yang telah dicampur dibuat dalam bentuk kantong plastik menggunakan single screw extruder dan blown film. Kantong plastik yang dihasilkan digunakan untuk pengujian sifat fisik, mekanik, sifat barrier (WVTR), dan mengemas sup krim instan rasi
yang selanjutnya dilakukan pengujian untuk penentuan umur simpan. Penentuan umur simpan dilakukan dengan metode kadar air kritis menggunakan alat climatic chamber.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Laju Transmisi Uap Air/WVTR
Laju transmisi uap air merupakan suatu pengukuran kemudahan suatu bahan untuk dilalui uap air tanpa memperhitungkan ketebalan bahan dan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar bahan. Hasil dari pengujian laju transmisi uap air disajikan pada Tabel 1.
Berdasarkan hasil pengamatan pada Tabel 1, dapat dilihat LLDPE murni memiliki nilai laju transmisi uap air terendah yaitu sebesar 8,31 g/m2 hari, PBS murni memiliki nilai laju transmisi uap air tertinggi yaitu sebesar 150,62 g/m2 hari, serta campuran biopolimer blend (PBS-LLDPE) yang memiliki nilai laju transmisi uap air yang semakin tinggi seiring dengan meningkatnya komposisi PBS pada campuran tersebut, yaitu sebesar 9,06 g/m2 hari, 16,92 g/m2 hari, dan 25,08 g/m2 hari.
Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat pula bahwa biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS 30% memiliki laju transmisi uap air yang paling rendah dibandingkan komposisi campuran lainnya, yaitu sebesar 9,06 g/m2 hari.
Biopolimer blend (PBS-LLDPE) pada komposisi PBS sebesar 30% ini memiliki nilai laju transmisi uap air yang sedikit lebih tinggi daripada laju transmisi uap air LLDPE murni yaitu sebesar
8,31 g/m2 hari. Hal ini berarti jika plastik ini digunakan untuk mengemas produk pangan, maka akan terjadi penambahan berat sebanyak 9,06 g pada produk makanan yang dikemas setiap harinya. Hal serupa juga dapat dilihat pada biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS sebesar 50% dan 70%, dimana jika plastik tersebut digunakan untuk mengemas produk makanan, maka akan terjadi penambahan berat sebesar 16,92 g dan 25,08 g setiap harinya.
Bertambahnya berat produk makanan yang dikemas ini disebabkan karena uap air yang berdifusi melewati dinding plastik sehingga terjadi transfer uap air dari lingkungan ke produk makanan. Faktor yang menyebabkan uap air dapat berdifusi adalah kerapatan yang dimiliki oleh plastik. Biopolimer blend (PBS-LLDPE) dengan komposisi PBS sebesar 30% memiliki kerapatan plastik yang tinggi daripada campuran lainnya, akan tetapi masih dibawah kerapatan yang dimiliki LLDPE murni. Kerapatan plastik yang tinggi akan membuat uap air sulit menembus dinding plastik tersebut dan membuat plastik tersebut memiliki nilai laju transmisi uap air yang rendah (Suparno 1993).
Semakin rendah laju transmisi uap air yang melewati dinding plastik maka bahan pangan yang dikemas didalamnya akan memiliki umur simpan yang lebih lama. Laju transmisi uap air biopolimer blend (PBS-LLDPE) pada berbagai komposisi ini masih lebih rendah daripada laju transmisi uap air beberapa jenis biopolimer. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 1. Hasil pengamatan laju transmisi uap air
Jenis plastik Tebal (mm)
Luas (m2)
Perubahan berat perhari
(g/hari)
WVTR (g/ m2 hari)
LLDPE Murni 0,06 0,005 0,042 8,31
PBS Murni 0,03 0,005 0,757 150,62
PBS/LLDPE ( 30/70%) 0,07 0,005 0,045 9,06
PBS/LLDPE ( 50/50%) 0,09 0,005 0,085 16,92
PBS/LLDPE ( 70/30%) 0,10 0,005 0,125 25,08
Tabel 2. Perbandingan nilai laju transmisi uap air beberapa biopolimer dengan hasil penelitian Jenis biopolimer Nilai laju transmisi uap air
(g/m2 hari)
(a)Poly (lactic acid) (PLA) 172
(a)Polyhydroxyalkanoates (PHB) 21
(a)Polycaprolactone (PCL) 177
(a)Polyesteramide (PEA) 680
(a)Polybutylene Succinate (PBS) 330
(a)Aromatic copolyesters (PBAT) 550
(b)PBS murni 150,62
(b)Biopolimer blend (PBS-LLDPE) komposisi PBS 30% 9,06
(b)Biopolimer blend (PBS-LLDPE) komposisi PBS 50% 16,92
(b)Biopolimer blend (PBS-LLDPE) komposisi PBS 70% 25,08 Sumber: (a) Averous (2011), (b) Hasil Penelitian (2011)
Umur Simpan Sup Krim Instan Rasi
Pada penentuan suatu umur simpan metode kadar air kritis pada produk yang akan dikemas yaitu sup krim instan rasi, perlu diketahui nilai kadar air awal, kadar air kritis, dan kadar air kesetimbangan, sedangkan pada plastik yang akan digunakan untuk mengemas juga terlebih dahulu dilakukan uji global migrasi untuk dinyatakan bahwa plastik tersebut aman untuk mengemas produk pangan. Hasil pengujian kadar air awal, kadar air kritis, dan kadar air kesetimbangan disajikan pada Tabel 3.
Pengukuran kadar air bahan pangan ini penting sekali dalam menentukan daya awet dari bahan pangan. Hal ini karena kadar air dapat mempengaruhi sifat fisik seperti pengerasan atau penggumpalan pada produk bubuk atau serbuk (Buckle et.al 1987). Berdasarkan Tabel 3, kandungan air pada sup krim instan rasi cukup rendah yaitu 4,26%, kadar air tersebut telah sesuai dengan Standar Nasional Indonesia (1999) untuk kadar air produk sup krim instan yaitu maksimal 8%.
Hasil nilai kadar air kritis sup krim instan rasi dapat dilihat pada Tabel 3, dimana kadar air kritis sup krim instan rasi adalah 10,93%.
Menurut Syarief, Santausa, dan Isyana (1989), kadar air kritis adalah kadar air produk dimana secara organoleptik sudah tidak dapat diterima oleh konsumen. Parameter kritis untuk produk- produk bubuk dan tepung adalah peng- gumpalan. Kadar air kesetimbangan merupakan suatu keadaan dimana produk sup krim instan rasi sudah mengalami kejenuhan dan tidak akan mengalami penambahan kadar air.
Berdasarkan Tabel 3, nilai kadar air kesetimbangan sup krim instan rasi adalah sebesar 55,60%. Interaksi molekul air dengan sup krim instan rasi terjadi karena adanya perbedaan kadar air sup krim instan rasi dan RH lingkungan (climatic chamber). Transfer uap air dari lingkungan ke sampel atau sebaliknya akan terjadi selama penyimpanan tertentu sampai terjadi kondisi kesetimbangan. Proses difusi akan terjadi hingga tekanan uap air bahan sama dengan tekanan uap air lingkungannya. Proses difusi dapat terjadi secara adsorpsi dan desorpsi. Proses adsorpsi adalah proses penyerapan uap air oleh bahan dari lingkungan, sedangkan proses desorpsi adalah proses pelepasan uap air bahan ke lingkungan (Man 1997). Pada pengamatan kadar air kesetimbangan yang terjadi penyerapan uap air oleh bahan dari lingkungan, hal tersebut disebabkan sup krim instan rasi memiliki kadar air yang lebih rendah dibandingkan kadar air yang ada dalam lingkungan (ERH).
Parameter lain yang dibutuhkan selain kadar air awal, kadar air kritis, dan kadar air kesetimbangan dalam menentukan umur simpan sup krim instan rasi pada metode kadar air kritis adalah dengan mengetahui nilai K atau konstanta laju pertambahan kadar air. Nilai K merupakan slope dari ln (Me-M) dan waktu dalam grafik penyimpanan sup krim instan rasi yang dikemas menggunakan berbagai macam komposisi biopolimer blend (PBS-LLDPE) hingga sup krim instan rasi tersebut mencapai kadar air kritis.
Tabel 3. Data pengujian beberapa parameter sup krim instan rasi dan umur simpan sup krim instan rasi setelah pengemasan
Sup krim instan rasi sebelum pengemasan
Pengujian
Kadar air
(%, b/k) Rata-rata kadar air (%, b/k)
I II
Kadar air awal 4,29 4,23 4,26
Kadar air kritis 10,51 11,36 10,93
Kadar air kesetimbangan 55,18 56,03 55,60
Sup krim instan rasi setelah pengemasan
Jenis plastik
Laju transmisi
uap air (g/m2 hari)
Nilai K rata- rata
Umur simpan sup krim instan rasi
yang dikemas (hari)
LLDPE murni 8,31 0,010 14
PBS/LLDPE ( 30/70%) 9,06 0,011 13
PBS/LLDPE ( 50/50%) 16,92 0,031 5
PBS/LLDPE ( 70/30%) 25.08 0,046 3
PBS murni 150,62 0,236 0,6
KESIMPULAN
Laju transmisi uap air (WVTR) polimer blend (PBS-LLDPE) semakin kecil dengan bertambahnya komposisi LLDPE pada campuran. Nilai WVTR pada komposisi 30/70, 50/50, dan 70/30 berturut-turut adalah 9,06 g/m2 hari, 16,92 g/m2 hari, dan 25,08 g/m2 hari dengan nilai laju transmisi uap air LLDPE dan PBS murni adalah 8,31 g/m2 hari dan 150,62 g/m2 hari. Semakin kecil nilai WVTR dari polimer blend maka umur simpan sup krim instan rasi yang dikemas semakin panjang. Umur simpan maksimal dari sup krim instan rasi adalah 13 hari yang dikemas dalam campuran PBS-LLDPE dengan komposisi 30/70.
DAFTAR PUSTAKA
Budiman, N. 2003. Polimer biodegradable.
http://smk3ae.wordpress.com/2008/08/
20/polimer-biodegradable/. (Diakses pada : 21 Desember 2010)
Donhowe, I.G. dan O. Fennema. 1994. Edible films and coatings : characteristics, formation, definitions, and testing method. Dalam Krochta, J.M., E.A.Baldwin, dan M.O. Nisperos- Carriedo. Edible coatings and film to improve food quality. Bazel : Technomic Publishing Company, Inc.
Ellis, M. J. 1994. The methodology of self life determination. Dalam C. M. D. Man dan A. A. Jones. Self life evaluation foods. hal 27. London : Blackie Academic & Professional.
Floros, J.D. dan V. Gnanasekharan. 1993. Self life prediction of packaged food : chemical, biological, physical, and nutrional aspect. New York : Charalambous, G. (ed.) Elsevier.
Fujimaki, T. 1997. Processability and properties of aliphatic polyester, ‘BIONOLLE’, synthesized by polycondensation reaction. Polymer Degradation and Stability 59.
Hartono, A. dan M.C. Widiatmoko. 1993. Emulsi dan pangan instan Berlesitin.
Yogyakarta : Andi Offset.
Herudiyanto, M.S. 2008. Teknologi pengemasan pangan. Bandung : Widya Padjadjaran.
Labuza, T. P. 1982. Self life dating of foods.
Connecticut, Westport : Food Nutrition Press Inc.
Labuza, T. P. dan M. L. Schmidl. 1985.
Accelerated self life testing of food.
West Prt CT : Food and Nutrition Press.
Latief, R. 2001. Teknologi kemasan plastik biodegradable. Dalam : Makalah falsafah sains (PPs 702). Program Pasca Sarjana/S3. Institut Pertanian Bogor.
Man, J. M. de. 1997. Kimia makanan.
Penerjemah Kosasih Padmawinata.
Bandung : Institut Teknologi Bandung.
Massey, L.K. 2004. Film properties of plastics and elastomers. Norwich : Plastics Design Library.
Matsumura, S. 2005. Mechanism of biodegradation. Dalam : R. Smith.
Biodegradable polymers for industrial applications. New York : CRC Press.
Nikham, F. Yoshii. dan K. Makuuchi. 2000.
Studi perbandingan degradasi secara enzimatik campuran CPP/BIONOLLE dan CPP/PCL dengan Modic. Risalah Pertemuan Ilmiah Penelitian dan Pengembangan Teknologi Isotop dan Radiasi.
Nolan-ITU. 2002. Environment Australia:
biodegradable plastic-development and environment impact. Melbourne:
Nolan-ITU Pty Ltd.
Peraturan Kepala Badan Pengawas Obat dan Makanan Republik Indonesia No: HK 00.05.55.6497. 2007.
Pranamuda, H. 2001. Pengembangan plastik biodegradabel berbahan baku pati tropis.
http://bersihplanet.multiply.com/journal
?&page_start=20 (Diakses pada 21 Desember 2010)
Shah, V. 2007. Handbook of plastics testing and failure analysis. New Jersey : Wiley- Intersience.
Suparno. 1993. Struktur kimia dan fisik plastik.
Dalam : Editor Sudarmadji.
Pengemasan bahan makanan dengan plastik. Bahan Kursus Singkat Pengemasan Bahan Makanan dengan Plastik. Yogyakarta : Fak. Teknologi Pertanian UGM.
Syarief, R. dan Y. Halid. 1993. Teknologi penyimpanan pangan. Bandung : Penerbit Aecan.
Tung, M.A., I.J. Britt, dan S. Yada. 2001.
Packaging considerations. Dalam:
Eskin, N.A.M dan D.S. Robinson. Food self life stability. Chemical, Biochemical and Microbiological Changes. Boca Ranton, London, New York and Washington, D.C. : CRC Press LLC : p.129 -145.
Vegt, A. K.van der. 2005. From polymers to plastics. VSSD. ISBN: 9071301621
POTENSI PENERAPAN POLIMER NANOKOMPOSIT DALAM KEMASAN PANGAN
(POTENTIAL APPLICATIONS OF POLYMERIC NANO-COMPOSITES IN FOOD PACKAGING)
Agus Sudibyo dan Tiurlan F.Hutajulu Balai Besar Industri Agro (BBIA) Kementerian Perindustrian
Jl. Ir. H. Juanda No. 11, Bogor 16122 E-mail: [email protected]
Received : 13 Februari 2013 ; revised : 28 Februari 2013; accepted : 29 April 2013 ABSTRAK
Hingga saat ini bahan yang digunakan untuk kemasan pangan merupakan bahan yang tidak mudah diurai dan menimbulkan permasalahan terhadap lingkungan. Sifat permeabilitas dan mekanis serta hambatannya yang rendah terhadap uap dan gas yang dimiliki oleh matriks polimer, telah mendorong ketertarikan dalam strategi baru untuk mengembangkan perbaikan sifat-sifat tersebut. Penelitian dan pengembangan bahan polimer dengan cara memadukan bahan pengisi yang tepat, melalui interaksi matriks bahan pengisi dan strategi formula baru untuk pembuatan polimer nanokomposit mempunyai potensi untuk diterapkan dalam kemasan pangan. Partikel nano secara proporsional mempunyai luas permukaan lebih besar dibandingkan dengan bentuk skala mikronya, sehingga lebih sesuai digunakan sebagai matriks bahan pengisi untuk menjaga kinerja bahan nanokomposit yang dihasilkan. Pada tulisan ini, beberapa potensi penerapan bahan polimer nanokomposit dalam kemasan pangan telah dibahas, termasuk : bahan nanokomposit untuk kemasan dan teknologi pembuatannya, nanokomposit tanah liat-polimer sebagai bahan kemasan yang mempunyai sifat penghambat terhadap uap dan gas yang tinggi, partikel nano perak, dan partikel lain yang berpotensi sebagai antimikroba dalam kemasan pangan, sebagai integrator dan sensor nano serta sebagai material nanokomposit yang berbasis pengujian untuk mengidentifikasi dan mendeteksi bahan-bahan yang dianalisis pada produk pangan (misalnya : gas, uap, dan bakteri patogen penyebab keracunan).
Kata kunci : Nanokomposit, Polimer, Kemasan pangan ABSTRACT
Currently materials used for food packaging are generally non-degradable and therefore generating environmental problems. Inherent permeability of polymeric materials to gases and vapors, and poor barrier and mechanical properties of biopolymers have boosted interest in developing new strategies to improve those properties. Research and development in polymeric materials coupled with appropriate fillers, matrix filler interaction and new formulation strategies to develop forming polymeric nanocomposites have potential applications in food packaging. Nano-particles have proportionally larger surface area than their microscale, which favors the filler matrix interaction and the performance of the resulting materials. In this article, several potential applications of polymeric nanomaterials in food packaging are reviewed, including : nanocomposites for packaging and its preparation technology, polymer/clay nanocomposites as high barrier packaging materials, silver and other nanoparticles as potent antimicrobial agents in food packaging, and nanosensor and nanomaterials based on assays for the detection and identification of food relevant analytes (gases, vapors and food-borne pathogens) .
Keywords : Nanocomposites, Polymers, Food packaging
PENDAHULUAN
Pada beberapa tahun terakhir ini, permintaan konsumen terhadap produk pangan yang diolah dengan prinsip minimal (minimally processed), mudah disajikan dan/atau siap santap (ready-to-eat) dalam keadaan segar, serta adanya pengaruh globalisasi perdagangan pangan dan distribusi dari pengolahan yang terpusat merupakan salah satu tantangan utama
yang dihadapi oleh industri pangan untuk meningkatkan jaminan mutu dan keamanan pangan. Sebagai konsekuensinya, akhir-akhir ini banyak kegiatan penelitian dan pengembangan yang dilakukan secara ekstensif oleh industri pangan untuk mengembangkan teknik/teknologi pengolahan pangan secara non-thermal (tanpa proses pemanasan) seperti penggunaan
teknologi PEF (Pulse Electric Field), HHP (Hydraulic High Pressure), IR (Infra Red), UV (Ultra Violet) and US (Ultra Sonic) sebagai pengganti untuk pengolahan pangan secara thermal (menggunakan panas) agar diperoleh produk pangan yang masih segar dengan umur simpan produk yang lebih panjang (lama).
Namun, beberapa jenis teknologi pengolahan pangan non-thermal tersebut, meskipun kemungkinannya kecil dapat menyebabkan adanya kontaminasi pada pangan; teknologi tersebut juga relatif memerlukan energi yang intensif tinggi dan perlu menggunakan peralatan yang sangat mahal, sehingga implementasinya secara komersial masih terbatas. Oleh karena itu, perlu dicari pemecahannya dengan cara lain agar produk pangan yang dibutuhkan konsumen berdasarkan kriteria di atas dapat dipenuhi, tetapi juga dengan biaya yang kompetitif. Salah satu teknologi yang dapat membantu untuk tujuan tersebut adalah pengembangan penggunaan teknologi kemasan pangan untuk meminimisasi terjadinya susut produk pangan, sekaligus menjamin produk pangan tetap terjaga keamanan pangan dan mutunya.
Saat ini, dengan berkembangnya teknologi nano dengan membuat material/
bahan menjadi berukuran atau berskala nano, maka penggunaan teknologi nano untuk pengembangan kemasan pangan yang dapat menjamin keamanan pangan dan mutu produk, menjadi menarik perhatian dan berpengaruh besar terhadap industri kemasan pangan.
Sebagai contoh, adanya inovasi pada skala nano dan aplikasi teknologi nano pada senyawa polimer membuka peluang baru untuk perbaikan tidak hanya pada sifat-sifat polimer yang bersangkutan, tetapi juga tehadap biaya pembuatannya yang lebih efisien (Sorrentino et al. 2007). Bahkan inovasi teknologi nano telah dikembangkan dalam bentuk aplikasi untuk mendeteksi bakteri pathogen, pengemas/
kemasan aktif, kemasan antimikroba dan penghambat formasi terbentuknya racun telah banyak dikembangkan implementasinya pada senyawa atau bahan komposit nano polimer (Emamifar et al. 2010; 2011; Brody et al. 2008).
Mengingat kemasan pangan penting untuk melindungi produk pangan dari pengaruh lingkungan yang dapat menyebabkan adanya kerusakan pada produk pangan seperti : panas, cahaya, uap air, oksigen, kotoran, partikel debu, emisi gas dan lain-lain; maka dalam tulisan ini akan dibahas tentang polimer nano-komposit dalam kemasan pangan dan teknologi pembuatannya serta potensi penerapan komposit nano polimer dalam kemasan pangan.
PEMBAHASAN
Polimer Nano-Komposit Dalam Kemasan Pangan Dan Teknologi Pembuatannya
Komposit nano oleh Azeredo et al. (2008) didefinisikan sebagai suatu material multi-fase yang berasal dari kombinasi dua komponen atau lebih, yaitu : pertama, suatu komponen matriks sebagai suatu fase kontinu dan kedua, fase dimensional nano sebagai fase tidak kontinyu yang berukuran satu dimensi ukuran nano dengan diameternya kurang dari 100 nm.
Beberapa jenis komposit telah dikembangkan dengan cara memperkuat senyawa komposit tersebut ke polimer untuk meningkatkan sifat ketahanannnya terhadap panas, mekanis dan hambatan lainnya. Namun kebanyakan materi- materi komposit yang sudah diperkuat ini masih ada kelemahan pada kedua sisi antar muka komponen-komponen tersebut (Azeredo 2009).
Sebagai hasilnya, bagi industri polimer termasuk industri kemasan pangan masih tetap perlu mengembangkan material lain yang lebih baik untuk kemasan pangan. Salah satu material terakhir yang dapat menjawab masalah di atas adalah pembuatan komposit polimer lalu dikembangkan menjadi komposit nano polimer (Duncan 2011).
Polimer nano-komposit adalah campuran antara senyawa polimer dengan bahan pengisi (filler) senyawa organik atau anorganik dalam bentuk geometri tertentu (Misalnya dalam bentuk serat/fiber, flakes, spheres dan particulate). Bila bahan pengisi (filler)nya ini mengandung partikel nano, maka akan menghasilkan sutau bahan matriks komposit nano polimerik (Alexandre dan Dubois 2000).
Menurut Luduena et al. (2007), dinyatakan bahwa polimer nano-komposit mempunyai keunggulan interaksinya yang lebih antara senyawa (bahan) polimer dengan bahan pengisinya daripada komposit konvensional. Hal ini disebabkan karena larutan dispersi yang didalamnya terdapat partikel nano yang seragam menyebabkan luas area antar muka matriks bahan pengisi menjadi luas dan besar, sehingga akan mengubah sifat mobilitas/pergerakan molekuler, tingkah laku yang lebih fleksibel serta sifat-sifat thermal dan mekanis materialnya.
Bahan pengisi atau filler yang digunakan dalam pembuatan matriks polimer nano- komposit dapat mencakup tanah liat (clay) dan platelet silikat nano, partikel silika (SiO2) (Wu et al. 2002; Vladimirov et al. 2007), nanotube carbon (Zhoe et al. 2004; Chen et al. 2005; Zing et al. 2006; Kim et al. 2008; Prashantha et al.
2009), grafen atau graphene, kristal nano pati
(Chen et al. 2008; Kristo dan Biliaderis 2007);
serat nano berbasis sellulosa (Azeredo et al.
2009; Azeredo et al. 2010; Dufresne et al. 2000;
Podsiadlo et al. 2005 dan Oksman et al. 2006);
partikel nano khitin dan khitosan (Lu et al. 2004;
Srinpayo et al. 2005; De Moura et al. 2009) dan senyawa anorganik lainnya (Zhang and Rong 2003).
Bahan pengisi yang mempunyai nisbah atau ratio perbandingan yang tinggi, yaitu antara bahan pengisi yang mempunyai dimensi tinggi dengan bahan pengisi yang dimensinya paling rendah adalah merupakan sifat penting dari komposit nano polimer; karena bahan pengisi yang mempunyai aspek perbandingan lebih tinggi akan mempunyai area permukaan spesifik yang lebih tinggi pula, sehingga bahan tersebut menyediakan pengaruh penguatan yang lebih baik (Azizi-Samir et al. 2005; Dalmas et al.
2007). Disamping itu, pengaruh terhadap penguatan kembali partikel nano atau nano- reinforcement sendiri, suatu wilayah antar muka yang mobilitasnya turun di sekitar masing- masing bahan pengisi nano akan menghasilkan persekutuan jaringan antar muka pada komposit yang berperan penting dalam memperbaiki sifat- sifat komposit nano (Qiao dan Brinson 2009).
Untuk kandungan bahan pengisi yang bersifat stabil, penurunan terhadap ukuran partikel akan meningkatkan jumlah partikel bahan pengisi, dan membawa mereka saling mendekat satu
dengan lainnya; sehingga lapisan antar muka yang berasal dari partikel-partikel berdekatan akan saling meliputi dan mengubah sifat bulk (kamba)nya menjadi lebih signifikan (Jordan et al. 2005).
Ada tiga metode yang umum digunakan untuk membuat komposit nano polimer, yaitu cara pelarutan/pemecahan, teknik polimerisasi interlamellar atau polimerisasi in situ, dan pengolahan dengan cara pencairan atau peleburan (melting processing). Cara pelarutan/pemecahan dapat digunakan untuk membentuk bahan/material komposit nano saling tersusup dan terkelupas (exfoliated).
Pada cara ini, komposit tanah liat (clay) dikembungkan dalam suatu pelarut. Kemudian ditambahkan larutan polimer dan molekul- molekul polimer akan memperluas area di antara lapisan-lapisan bahan pengisi. Pelarut yang didapat (solvent) diuapkan dengan cara evaporasi (Emamifar 2011).
Untuk cara kedua, yaitu teknik polimerisasi interlamellar atau polimerisasi secara alamiah (in situ), menggembungkan bahan pengisi dengan absorpsi dari larutan monomernya. Setelah bahan monomer tersebut dipenetrasikan ke dalam di antara lapisan- lapisan silikat, maka polimerisasi akan diinisasi oleh panas, radiasi atau penyatuan (inkorporasi) dari inisiator pemulanya.
Tabel 1. Teknologi proses pembuatan komposit nano polimer dan sistemnya (*)
Proses Sistem Prosedur
Pelarutan melalui proses penyisipan/
interkalasi prapolimer atau monomer
Tanah liat (clay) dengan asam polilaktik, HDPE (High Density Poly Ethilene), PVA (Poly Vynil Acide)
- Digunakan untuk melapis m ateri yang diperkuat dalam polimer yang mengalami penyisipan (interkalasi)
- Terutama untuk pelapisan silikat yang mengalami penyisipan/interkalasi dengan polimer/prapolimer dalam pelarutan
- Menggunakan pelarut, dimana senyawa polimer/prapolimer (mono-mer) dapat larut dan lapisan silikat dapat menggelembung
Polimerisasi
penyisipan secara alamiah (in situ)
Tanah liat (clay) montmorillorate dengan N6/
Poly Chloro Lactic/Epoksi
- Penyarungan lapisan silikat dalam cairan atau larutan monomer sehingga membentuk polimer di antara lembar penyisipan/interkalasi
- Polimerisasi dilakukan dengan panas atau irradiasi, dengan adanya difusi dari iniator yang sesuai atau dengan suatu katalis tetap melalui proses pertukaran kation di dalam antar lapisan, sebelum dilakukan tahap penggelembungan
Penyisipan/interkalasi secara peleburan
Montmorillonate dengan poli stirene, poli propilen, poli vinil propelin, tanah liat (clay) Poly Vinyl Phenyl Hydroksi (PVPH)
- Penguatan dan pemanasan campuran polimer dan bahan pelapis yang digunakan di atas titik pelunakan dari polimer secara statis atau di bawah pemotongan;
- Terjadi difusi ikatan polimer dari pelelehan polimer kamba ke dalam serambi/bilik di antara kelompok lapisan selama proses penguatan
Sintesis dalam Baki (Template)
Tanah liat (clay) Hektorit dengan Poly Vinyil Phenyl Rubber (PVPR), Hectorite Poly Montmorillonate Clay (HPMC)
- Pembentukan secara alamiah (in situ) struktur lapisan materi inorganik dalam larutan/air yang berisi polimer;
- Polimer yang larut dalam air bertindak sebagai tempat penampung (baki) untuk pembentukan formasi lapisan-lapisan
;
- Banyak digunakan untuk sintesis Low Density Hektorit komposit nano, tetapi masih sedikit digunakan untuk melapisi silikat.
(*) Sumber : Camargo et al. (2009)
Tabel 2. Keuntungan dan keterbatasan penggunaan teknologi yang digunakan di atas dalam pembuatan komposit nano polimer (*)
Proses Keuntungan Keterbatasan Pelarutan melalui proses
penyisipan/
interkalasi atau prapolimer (monomer)
- Sintesis komposit nano yang disipkan berdasarkan polimer dengan polarisasi rendah atau tanpa polarisasi sam a sekali;
- Penyisipan larutan dispersi yang homogen dari bahan pengisi
Di dalam industri diperlukan pelarut dalam jumlah yang besar atau banyak
Polimerisasi penyisipan secara alamiah (in situ)
Prosedurnya mudah berdasarkan dispersi dari bahan pengisi dalam prekursor polimer
- Sulit mengendalikan proses polimerisasi intra-serambi atau antar bilik ;
- Penggunaan terbatas Penyisipan dengan cara
peleburan
- Tidak berbahaya terhadap lingkungan ; - Penggunaan polimer tidak sesuai untuk
cara lain ;
- Cocok/sesuai untuk proses industri polimer
Terbatas penggunaannya terhadap senyawa poli-olefin ; yang merepresentasikan penggunaan terbesar dari polimer
Sintesis dalam Baki (Template)
- Skala produksi besar - Prosedur mudah
- Keterbatasan dalam penggu-naannya, berdasarkan polimer yang mudah larut dalam air;
- Dapat terkontaminasi oleh produk sampingan lain
(*) Sumber : Camargo et al. (2009)
Metode/cara peleburan atau cara ketiga merupakan cara yang biasa (umum) dipakai sebagai akibat karena kurangnya bahan pelarut (solvent). Dalam hal ini, pada cara peleburan, bahan pengisi komposit nano direaksikan atau disatukan dengan polimer yang sudah dilebur, lalu dibentuk ke dalam material akhir (Brody et al. 2008).
Informasi secara lengkap dan ringkas tentang metode/cara dan teknologi pembuatan sistem polimer berdasarkan komposit nano disajikan pada Tabel 1; sedangkan keuntungan dan keterbatasan dalam pembuatan senyawa komposit nano polimer menggunakan teknologi atau cara di atas disajikan pada Tabel 2.
Potensi Penerapan Polimer Nano-Komposit Dalam Kemasan Pangan
Potensi penerapan polimer nano-komposit dalam kemasan pangan sebenarnya cukup luas, namun secara garis besar pada prinsipnya mencakup 4 (empat) hal sebagai berikut : (1) Aplikasi komposit nano polimer tanah liat, (2) Aplikasi polimer matriks nano-komposit, (3) Aplikasi polimere nano-komposit sebagai bahan antimikroba dan (4) Aplikasi polimer nano- komposit sebagai alat sensor dan pendeteksi gas pada kerusakan pangan.
Aplikasi Polimer Nano-Komposit Tanah liat Aplikasi polimer nano-komposit-tanah liat untuk kemasan pangan pertama kali diilhami hasil temuan dan teori yang dikembangkan oleh Nielsen (1967) tentang sistem permeabilitas pada bahan komposit nano tanah liat-polimer yang menunjukkan dapat mencapai kurang dari 1 persen; kemudian diperkuat oleh hasil temuan penelitian Adame dan Beall (2009) yang
menyatakan bahwa biostruktur polimer yang digabung/dipadu dengan tanah liat nano dapat mengurangi/meminimisasi atau pembatasan gas atau uap pada lapisan tipis biopolimer.
Selanjutnya, banyak hasil penelitian lain melaporkan pula bahwa tanah liat nano efektif dalam mengurangi gas oksigen untuk masuk ke dalam kemasan (Koh et al. 2008; Lotti et al.
2008) dan permeabilitas uap air (Jawahar dan Balasubramanian 2006; Lotti et al. 2008).
Polimer nano-komposit tanah liat dilaporkan pula dapat memperbaiki sifat kekuatan mekanis biopolimer (Cyras et al. 2008), membuat komposit nano tanah liat-polimer tersebut menjadi lebih memungkinkan dapat dikerjakan dengan mudah (Weiss et al. 2006). Manfaat lain dari polimer nano komposit tanah liat dalam kemasan pangan adalah terhadap kinerja berbagai jenis polimer yang lebih baik karena adanya partikel nano tanah liat, termasuk meningkatnya transisi gelas/glass trancisition (Peterson dan Oksman, 2006/ serta suhu degradasi thermal polimer (Bertini et al. 2006).
Karena bahan pengemas dari polimer nano-komposit tanah liat biasanya relatif tidak mahal untuk diproduksi dalam skala industri;
maka telah terdapat sejumlah perusahaan industri kemasan yang memproduksi material/bahan tersebut secara komersial.
Beberapa perusahaan industri tersebut adalah Nanocor yang menghasilkan beragam jenis polimer nano-komposit tanah liat dalam bentuk pelet; dan terdapat beberapa produk yang telah bermerk seperti Aegis (Honeywell Polymers), Durethan (Lanxess Deutschands), Imperm (Color Matrix Corp.), Tuff (Nylon Corporation of America) dan Nano-seal (Nano Park Inc.) (Duncan 2011). Bahkan perusahaan
industri Nanocor Inc. dan perusahaan industri Southern Clay Products, Inc. melakukan kerjasama dalam memperoduksi bahan kemasan plastik dari bahan polimer nano- komposit dicampur tanah liat jenis montmorillonite sehingga menghasil;kan kemasan plastik polimer yang lebih ringan, lebih kuat, lebih tahan panas serta mampu memperbaiki dan meningkatkan hambatan terhadap gas, uap air dan senyawa volatil yang mudah menguap (Moraru et al. 2003).
Pada umumnya secara komersial produk- produk polimer nano-komposit tanah liat saat ini diperdagangkan untuk tujuan penerapan khusus; termasuk di dalamnya pada beberapa industri makanan dan minuman. Kemasan polimer nano-komposit tanah liat misalnya menjadi populer/terkenal untuk digunakan pada industri manufaktur minuman bir, seperti pada perusahaan minuman bir Miller Brewing Company (Lagaron dan Lopez-Rubio 2010), yang dimanfaatkan sebagai bahan dalam pembuatan botol plastik dengan sifat mempunyai hambatan tinggi terhadap transmisi gas oksigen dan karbon dioksida.
Berbagai jenis/tipe polimer nano-komposit tanah liat telah dikembangkan untuk memenuhi persyaratan aplikasi khusus. Sebagai contoh saat ini beberapa polimer nano-komposit tanah liatr (poli-laktida) telah dapat diperoleh secara komersial (Alexadre dan Dubois 2000) dan diaplikasikan sebagai ablatif (ablatives) serta sebagai komposit yang mudah didegradasi (Ray et al. 2003; Ray dan Okamoto 2003; Mohanty et al. 2003). Hal ini mencakup Nylon-6 (misal : Durethan LDPU/Low Density Poly-Urythane) yang diproduksi oleh Bayern Food Package dan polipropilen untuk kemasan pangan. Polimer nano-komposit tanah liat yang sudah diproduksi secara komersial dan target masing-masing pasar disajikan pada Tabel 3.
Perusahaan industri Nanocor Inc. dan Mitsubitshi Chemical di New York berhasil mengembangkan suatu produk kemasan dengan merk Imperm, yaitu suatu produk komposit nano-polimer nilon MXD 6 yang dapat memperbaiki dan meningkatkan kemampuan yang lebih baik terhadap sifat hambatan penahan gas, uap air dan senyawa volátil yang digunakan pada kemasan lapisan tipis dan botol plastik dari PET/Polietilen tetrakhlorida (Brody 2006; 2007). Kemasan dari bahan/material polimer nano-komposit tanah liat ternyata juga mampu digunakan sebagai bahan pelapis untuk menghambat gas oksigen dalam proses ekstrusi pembuatan botol plastik di industri manufaktur untuk produk jus dari buah-buahan, produk susu dan hasil olahannya, bir dan minuman berkarbonat. Bahkan dapat digunakan pula sebagai suatu lapisan komposit nano tanah liat- polimer dalam lapisan berganda tipis kemasan
botol plastik untuk memperkuat dan memperpanjang umur simpan/daya simpan (shelf life) berbagai produk olahan pangan seperti: produk olahan daging, keju, konfeksioneri, serealia dan produk siap saji yang dikemas plastik khusus untuk proses pemanasan (Brody 2007; Moraru et al. 2003).
Aplikasi Matriks Polimer Nano-Komposit Aplikasi matriks polimer nano-komposit untuk kemasan pangan dimulai sejak serat sellulosa diketahui sebagai senyawa polimer alami yang tinggi kekuatannya. Disamping itu, sellulosa mempunyai keunggulan, yaitu : murah atau kompetitif, mudah diperoleh, ramah lingkungan dan menggunakan enerji yang rendah dalam proses pabrikasinya (Podsiadlo et al. 2005). Proses dan teknologi pembuatan komposit nano matriks polimer sendiri pada prinsipnya berdasarkan 2 jenis penguatan kembali nano (nano-reinforcements), yakni serat sellulosa-mikrofibril dan serat rambut atau whiskers (Azizi-Samir et al. 2005). Hal ini disebabkan karena penguatan kembali nano serat sellulosa dilaporkan telah dapat menghasilkan pengaruh yang sangat besar terhadap perbaikan sifat modulus matriks polimer (Bhatnagar dan Sain 2005; Wu et al.
2007). Bahkan serat sellulosa sangat efektif untuk memperbaiki sifat modulus dan kekuatan polimer, khususnya pada suhu di atas suhu transisi gelas dari matriks polimer yang bersangkutan (Dufresne et al. 2000).
Dalam hal ini, ikatan senyawa sellulosa yang berasal dari tanaman atau hewan disintesa membentuk mikrofibril atau serat nano, yang dibundel dalam suatu molekul yang diperpanjang dan distabilisasi melalui ikatan hidrogen (Azizi-Samir et al. 2005; Wang dan Sain 2007). Mikrofibril mempunyai diameter berukuran nano (2 nm sampai 20 nm;
tergantung asal bahan sellulosa) dan panjang dalam rentang mikrometer (Oksman et al. 2006).
Setiap mikrofibril dibentuk oleh agregasi elemen-elemen fibril sehingga membentuk struktur dalam bentuk kristalin dan amorf.
Bagian kristal ini dapat diisolasi dengan beberapa perlakuan menghasilkan serat rambut halus (whiskers) yang dikenal dengan nama nanorods atau balok mikrokristal sellulosa (Azizi-Samir et al. 2004, Dujardin et al. 2003) dengan rentang panjang dari 500 nm hinggá 1 μm sampai 2 μm dan diameter 8 nm sampai 20 nm atau kurang (Lima dan Barsoli 2004) sehingga menghasilkan aspek perbandingan (ratio) yang tinggi. Namun serat rambut halus sellulosa hinggá saat ini belum dapat dibuat secara komersial, kecuali serat sellulosa mikrokristalin (SMK) yang sudah dapat dibuat secara komersial.
Tabel 3. Polimer nano-komposit tanah liat komersial dan target pasar yang dituju (*) Pemasok dan Nama dagang
(merk) Matriks resin Bahan pengisi
nano Target pasar yang dituju Bayer AG (Durethan LDPU/Low
Density Poly Urethane)
Nylon 6 Tanah liat organik
(Organoclay)
Untuk Hambatan pada lapisan tipis
Clariant PP (Poli propilen) Tanah liat organik
(Organoclay)
Untuk Kemasan
Honey Well Nylon-6 Barrier nylon Tanah liat organik (Organoclay)
- Manfaat ganda (multipurpose) - Botol dan lapisan tipis
Nanocor (Imperm) Nylon 6,12 Tanah liat organik
(Organoclay)
Manfaat ganda (*) Sumber : Camargo et al. (2009)
Dalam hal ini, sellulosa mikrokristalin dibentuk dari partikel-partikel sellulosa yang sudah terhidrolisis dan berisi mikrokristalin dalam jumlah yang banyak bersama-sama area tempat amorf-nya (Peterson dan Oksman 2006 a).
Proses untuk mendapatkan sellulosa mikrokristalin ini dilakukan dengan cara menghilangkan pada bagian area/daerah amorf berdasarkan perusakan oleh asam sehingga meninggalkan area kristalin yang kurang mudah diakses dalam bentuk kristal-kristal murni dengan ukuran panjang 200 nm sampai 400 nm dan mempunyai ukuran nilai aspek perbandingan 10 serta derajat polimerisasi kurang lebih 140 – 400; tergantung pada sumber asal sellulosa dan prosedur perlakuannya (Wu et al. 2007).
Potensi penerapan matriks polimer nano- komposit yang cukup menarik ádalah dalam pengembangan kemasan plastik berbasis pati untuk produk pangan yang mudah didegradasi secara alamiah. Namun, sifat kerapuhan pati memerlukan penggunaan bahan plasticisers seperti senyawa polimer poliol yang dapat memperbaiki sifat fleksibelitas pati (Azeredo 2009). Menurur Lima dan Borsali (2004), penambahan serat rambut halus polimer dalam sistem pati dapat memperkuat sifat-sifat thermomekanis, mengurangi sensitivitas terhadap uap air dan menjaga sifat kemampuan biodegradasinya. Perbaikan sifat komposit nano matriks polimer untuk kemasan pangan dengan cara/teknologi penguatan kembali (reinforcement) serat nano sellulosa telah dilakukan pula oleh Svagan et al. (2009).
Dengan adanya serat-serat kristalin dalam komposit nano matriks polimer dapat meningkatkan sifat kemampuan turtositas (turtoisity) dalam bahan sehingga berdampak pada lebih lambatnya proses diffusi dan akhirnya lebih menurunkan sifat permeabilitasnya (Sanchez-Garcia et al. 2008).
Aplikasi Polimer Nano-Komposit Sebagai Bahan Antimikroba
Potensi penerapan polimer nano-komposit sebagai bahan antimikroba dalam kemasan
pangan menarik untuk dikembangkan sejak bahan berukuran nano diketahui mempunyai nisbah/ ratio perbandingan permukaan terhadap isi yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan tersebut pada skala usuran mikro. Bahan/
material komposit nano secara umum diketahui telah digunakan sebagai lapisan tipis antimikroba pada kemasan pangan berdasarkan penggunaan partikel perak (Ag) yang telah diketahui dengan baik sebagai bahan beracun yang kuat pada berbagai jenis mikroorganisme (Liau et al. 1997), dengan keunggulan mempunyai stabilitas pada suhu tinggi dan sifat volatilitasnya yang rendah (Kumar dan Munstedt 2005). Perak atau Argentum (Ag) juga telah lama digunakan sebagai bahan antimikroba pada penyimpanan produk makanan dan minuman (Duncan 2011).
Mekanisme polimer nano-komposit sebagai bahan antimikroba dalam lapisan tipis untuk kemasan pangan berdasarkan penggunaan partikel nano perak (Ag) digambarkan dalam beberapa keterangan mekanisme yang berbeda sebagai berikut : (1) Adanya adhesi pada permukaan sel, dan terjadinya perusakan/ degradasi dari lipopolisakarida sehingga membentuk formasi
“pits” didalam membran, lalu meningkatkan sifat permeabilitas yang lebih besar (Sandi dan Salopek-Sandi 2004), (2) Adanya penetrasi ke dalam sel bakteri lalu merusak DNA bakteri (Li et al. 2008), (3) Melepaskan partikel ion Ag+
antimikroba sebagai akibat terputusnya/
terlepasnya dari partikel-partikel nano perak atau Ag (Morones et al. 2005).
Mekanisme berikutnya ádalah konsisten dengan pendapat/temuan Kumar dan Munstedt (2005) yang dinyatakan bahwa partikel ion Ag+
yang sudah terlepas dari partikel nano perak dapat bereaksi dengan gugus/kelompok thiol dalam senyawa protein, sehingga menyebabkan bakteri menjadi terinaktifasi, mengalami kondensasi molekul DNA dan kehilangan kemampuan untuk bereplikasi (Emamifar et al.
2010). Beberapa mekanisme aktifitas antimikroba dari bahan komposit nano dapat dilihat pada Gambar 1.
.
Gambar 1. Beberapa mekanisme aktifitas antimikroba yang digunakan oleh bahan komposit nano (Sumber:
Emamifar, 2010)
Meskipun ada perbedaan pendapat atau pemikiran tentang mekanisme aktifitas antimikroba dari bahan nano-komposit pada Gambar 1 tersebut; tetapi secara kuantitatif toksisitas partikel nano perak terhadap berbagai jenis bakteri dari hasil penelitian ke penelitian lain yang dilakukan, ternyata diketahui bahwa aktifitas antimikroba tersebut tergantung pada beberapa faktor.
Misalnya, daya racun atau toksisitas partikel nano perak (Ag) meningkat secara signifikan bila diameter partikel nano-nya menurun (Morones et al. 2005) karena partikel nano yang berukuran lebih kecil mempunyai area permukaan yang relatif lebih besar untuk melepaskan ion Ag+ dan mempunyai efisiensi pengikatan protein yang lebih tinggi dan melewatkan melalui pori-pori dalam membran bakteri yang lebih mudah (Duncan 2011).
Bentuk partikel nano berpengaruh penting terhadap aktifitas antimikroba; misalnya partikel nano perak (Ag) dalam bentuk triangular mempunyai sifat bakterisidal yang lebih baik dari pada bentuk bola (spherical) atau bentuk batang/balok untuk melawan bakteri Escherichia coli. Selain itu, hal ini berhubungan pula dengan variasi persentase keberadaan masing-masing bentuk partikel nano yang dimilki (Morones et al.
2005). Fenomena ini diduga terjadi karena adanya permukaan yang luas sehingga mempunyai efisiensi pengikatan terhadap gugus sulfur dari komponen selular, beban permukaan partikel nano perak, kelarutan, dan derajat aglomerasi (Sondi dan Salopek-Sondi 2004), penutupan bagian permukaan atau surface coating (Kvitek et al. 2008), serta mempengaruhi juga terhadap sifat-sifat antimikroba dan sinergisitas partikel nano perak dengan keberadaan senyawa kimia yang ada (misalnya senyawa ampicilin) untuk memperkuat pengaruh bakterisidal.
Bahan polimer nano-komposit perak sebagai bahan antimikroba untuk kemasan pangan belum banyak diproduksi secara komersial, namun bahan tersebut telah dibuat dan dihasilkan oleh beberapa peneliti, dan efektifitas antimikrobanya telah dilaporkan.
Sebagai contoh Damm et al. (2008) membuat bahan kemasan pangan dari komposit nano polimer untuk menguji keefektifan sebagai bahan antimikroba dengan cara membandingkan antara polimer nano-komposit poliamida 6/perak nano dengan bentuk mikro- kompositnya. Hasilnya menunjukkan bahwa polimer nano-komposit dengan kandungan perak yang rendah lebih baik dalam meningkatkan efektifitasnya untuk melawan bakteri E. coli dari pada bentuk mikro-komposit dengan kandungan partikel perak yang lebih tinggi.
Lebih lanjut Damm et al. (2007) melaporkan bahwa kemasan pangan dari bahan komposit nano polimer seperti poliamida 6 yang diisi dengan 2% (bobot/bobot) partikel nano perak, efektif melawan bakteri E. coli, meskipun setelah dibenamkan/direndam dalam air selama 100 hari. Bahkan menurut Hu dan Fu (2003) dinyatakan bahwa partikel nano perak (Ag) dapat mengabsorbsi dan menguraikan gas etilen sehingga berkontribusi memberikan pengaruh dalam memperpanjang masa simpan buah dan sayuran. Li et al. (2009) juga melaporkan penerapan komposit nano polimer lapisan tipis untuk kemasan pangan jenis poli-etilen (PE) dengan partikel nano perak yang dapat memperlambat proses pematangan (senescence) buah Jujube di China. Selain itu, penerapan komposit nano polimer untuk kemasan pangan sebagai bahan antimikroba dengan cara pelapisan (coating) yang mengandung partikel nano perak, ternyata juga efektif untuk menurunkan pertumbuhan atau
