53
PENGEMBANGAN SISTEM DETEKSI KEMATANGAN
TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA SAWIT
BERBASIS SPEKTRUM CAHAYA TAMPAK
AHMAD THORIQ
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Sistem Deteksi Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Spektrum Cahaya Tampak adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2013
Ahmad Thoriq
RINGKASAN
AHMAD THORIQ. Pengembangan Sistem Deteksi Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Spektrum Cahaya Tampak. Dibimbing oleh SAM HERODIAN dan AGUS SUTEJO.
Kelapa sawit kini menjadi komoditas primadona di Indonesia, terlihat dari pertumbuhan luas areal yang cukup signifikan. Sejak tahun 2005, Indonesia menyusul Malaysia sebagai eksportir minyak kelapa sawit terbesar dan saat ini memegang lebih dari 50% pangsa pasar global (USDA 2012). Namun yang masih menjadi kendala utama ekspor ke luar negeri adalah kualitas minyak kelapa sawit atau crude palm oil (CPO) (Suprapto dan Nurlaila 2008), dimana kandungan asam lemak bebas (ALB) yang dimiliki masih di atas rata-rata 5%, jauh dibawah standar internasional yang mensyaratkan agar CPO yang diekspor memiliki nilai ALB kurang dari 3%. Hal ini mengakibatkan terjadinya pemotongan harga atau lebih dikenal dengan discount rate bagi CPO asal Indonesia.
Syarat pemanenan buah kelapa sawit yang baik dilakukan pada saat kandungan minyak maksimal dan kandungan asam lemak bebas (ALB) minimal. Apabila pemanenan buah dilakukan pada keadaan lewat matang, maka minyak yang dihasilkan mengandung ALB dalam persentase tinggi (lebih dari 5%) sebaliknya, jika pemanenan dilakukan dalam keadaan buah belum matang, maka ALB dan rendemen minyak yang dihasilkan rendah (Fauzi et al. 2007). Hal ini sangat sulit dicapai apabila dilakukan dengan mengandalkan tenaga manusia yang berpedoman pada jumlah brondolan yang jatuh ke tanah yang dinyatakan dengan fraksi, yang mana sering kali ditemukan di lapangan terdapat beberapa brondolan yang jatuh dan tersangkut pada pelepah. Selain itu ketika musim penghujan, buah akan lebih cepat jatuh karena TBS terkena air hujan, sehingga metode tersebut kurang tepat. Alternatif yang perlu dikembangkan adalah penggunaan sensor dalam mendeteksi tingkat kematangan TBS. Untuk menentukan sensor yang tepat maka diperlukan kajian karakteristik optik dari TBS kelapa sawit menggunakan spektrofotometer Uv – Vis. Data hasil pengukuran berupa sifat pantulan dari spektrum TBS digunakan sebagai acuan dalam perancangan sistem deteksi kematangan TBS kelapa sawit.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik spektrum TBS berdasarkan tingkat kematangan dengan metode reflektansi gelombang cahaya tampak, membangun hubungan antara kandungan kimia dengan spektrum cahaya tampak TBS kelapa, dan membuat sistem deteksi kematangan TBS yang terdiri atas sensor, peraga dan perekam.
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah tandan buah segar (TBS) kelapa sawit sebanyak 87 buah yang berasal dari klon Marihat, Dumpy dan Selapan Jaya. Jumlah sampel dari setiap klon adalah 29 buah yang terdiri atas 4 (empat) tingkat kematangan yaitu mentah (fraksi 0), kurang matang (fraksi 1) matang (fraksi 2 dan fraksi 3), lewat matang (fraksi 4).
iv
Langkah awal yang dilakukan pada pengukuran reflektan TBS adalah menentukan integration time dengan mengukur reflektan reference putih dan
reference hitam pada jarak pengukuran. Penggunaan reference dilakukan untuk standarisasi pengukuran. Citra TBS ditangkap oleh digital spotting scope dan reflektan TBS akan dibaca oleh spektrometer ocean optics USB 650 (fiber optic solids) pada panjang gelombang 200-850 nm. Untuk memastikan titik pengukuran TBS, maka digunakan laser pointer sebagai penunjuk dan citra dari TBS dapat ditampilkan oleh display yang terdapat pada digital spotting scope. Pembacaan spektrum dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ocean optics spektrumsuite yang terhubung dengan spectrometer USB 650 - fiber optic solids.
Analisis kadar minyak dan asam lemak bebas (ALB) dilakukan di laboratorium kimia PT. Nirmala Agro Lestari. Pengambilan sampel untuk pengujian ALB dilakukan secara langsung setelah buah jatuh terpanen sedangkan pengambilan sampel untuk analisa kadar minyak TBS dilakukan setelah pengukuran reflektan menggunakan spektrofotometer.
Hasil penelitian menunjukkan setiap klon menghasilkan karakteristik yang berbeda – beda, pada klon marihat kematangan tidak dapat dibedakan pada F2 dan F3 hal ini karena menghasilkan pola spektrum yang berhimpit yang mengindikasikan sampel uji F2 dan F3 memiliki karakteristik warna yang sama namun pada F0, F1, dan F4 kematangan dapat dibedakan pada rentang panjang gelombang 665 – 687 nm. Pada klon Dumpy pola spektrum yang berhimpit terjadi pada F3 dan F4 dan kematangan dapat dibedakan untuk F0, F1 dan F2 pada rentang panjang gelombang 660 – 685 nm. Sedangkan pada klon Selapan Jaya kematangan dapat dibedakan pada rentang panjang gelombang 630 – 688 nm. Kadar minyak akan meningkat sampai batas tertentu kemudian menurun, pada klon Marihat kadar minyak optimal terjadi pada fraksi 2, sedangkan pada klon Dumpy dan Selapan Jaya kadar minyak optimal terjadi pada fraksi 1. Hal ini karena setiap klon mempunyai karakteristik yang berbeda selama proses pematangan. Hubungan kurang baik antara data reflektan dan kadar minyak TBS dengan R2 untuk klon Marihat, Dumpy dan Selapan Jaya secara berurutan masing – masing sebesar 0,288 ; 0,614 dan 0,516. Sedangkan hasil pengujian sistem deteksi kematangan TBS untuk klon Marihat, Dumpy dan Selapan Jaya menunjukkan ketepatan pendugaan pada model kalibrasi sebesar 100% sedangkan pada model validasi masing – masing sebesar 50%, 60%, dan 70%. Hal ini menunjukkan sistem deteksi yang dibangun belum dapat membedakan kematangan terutama pada klon Marihat dan Dumpy.
SUMMARY
AHMAD THORIQ. Development of Detection System Maturity of Fresh Fruit Bunches (FFB) Palm Oil Based on Visible Spectrum. Supervised by SAM HERODIAN and AGUS SUTEJO.
Palm oil is one of the most famous commodities in Indonesia, seen from the growth area significantly. Since 2005, Indonesia overtake Malaysia as the largest palm oil exporter and currently holds more than 50% global market share (USDA 2012). But the problem is the crude palm oil (CPO) quality with the content of free fat acid (FFA) more than 5%, it means that FFA content more than the international standard which required less than 3%. This problem caused decreasing of the price or discount rate for CPO from Indonesia.
The best harvesting time of palm oil is when the CPO maximum and FFA minimum. Harvesting of palm oil in the over maturity stage caused FFA content more than 5%, and if the harvesting of palm oil in the under maturity stage, the content of both FFA and CPO low (Fauziet al.2007). The precision of harvesting time would be very difficult if using human resources which considered on the fraction or percentage of palm oil fruits which fall in the soil surface. These human resources methods was low accuracy, it was caused by many external factors like as the fruit would be hold on the palm oil stems and in the rainy season FFB would release from the bunches before maturity stages. One of the best ways to solve these problems is using censors for maturity detection of FFB. To get the precise censor would need optical characteristics tests of palm oil FFB using Uv-Vis spectrophotometer. Resulted data from these measurements was in the reflectance characteristics from the FFB spectrum, and then these data would be used for maturity detections system of palm oil FFB.
The objectives of this research are studying of FFB spectrum characteristics based on the maturity stages using visible wave reflectances method, studying about the interactions between chemical contents with visible wave spectrum of palm oil FFB, and creating oil palm FFB maturity detection system using censors, displays, and recorders.
Materials used for this research are 87 palm oil FFB from the Marihat, Selapan Jaya, and Dumpy clones. Number of samples of each clone is 29 pieces consisting of four (4) level of maturity that is raw (fraction 0), less mature (fraction 1) mature (fraction 2 and fraction 3), over-mature (fraction 4).
vi
be done using ocean optic spectarsuite which connected to spectrometre USB 650 of fiber optic solids.
Analysis of oil content and free fatty acid (FFA) conducted in the chemical
laboratory PT. Nirmala Agro Lestari. Sampling for testing ALB performed directly after harvest TBS while sampling for analysis of oil content TBS performed after measurement of reflectance using a spectrophotometer.The results of this research showed that maturity stage of Marihat, Dumpy, and Selapan Jaya clone could be determinated in the wave legth rate from 650 to 690 nm. On this wave length indicated the diffferences of maturity and immaturity fruit color. Differences characteristics was occured in the maturity stages of each clone. Optimal oil content of Marihat clone was occured in fraction 2, and for Dumpy and Selapan Jaya clones was occured on fraction 1. Β caroten contents would increased and then decreased on the spesifics stages, optimum β caroten for Marihat and Selapan Jaya was occured on fraction 3 and Dumpy clone was occured on fraction 2. Based of reflectances data in indoor measurements, the most affected wave length to predict the FFB oil contents the wavelength range of 650 - 690 nm. Based of reflectances data in indoor measurements, the most affected wave length to predict the FFB oil contents the wavelength range of 650 - 690 nm for Marihat clone was in 672 nm with R2 0,407, Dumpy clone 685 nm with R2 0,638, and Selapan Jaya clone 685 nm with R2 0,795. While the wavelength of the most influential in predicting FFB oil content in the wavelength range 650-690 nm to 663 nm Marihat clones with R2 values of 0.764, clone Dumpy 685 nm with R2 values of 0.984 and 669 clones of Jaya Selapan nm with R2 values of 0.878 . System test results for clone detection TBS Marihat maturity, Dumpy and Selapan Jaya shows the calibration model prediction accuracy of 100%, while the validation of models each - amounting to 50%, 60%, and 70%.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2013
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
PENGEMBANGAN SISTEM DETEKSI KEMATANGAN
TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA SAWIT
BERBASIS SPEKTRUM CAHAYA TAMPAK
AHMAD THORIQ
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ii
iii
Judul Tesis : Pengembangan Sistem Deteksi Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Spektrum Cahaya Tampak
Nama : Ahmad Thoriq NIM : F151100011
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr Ir Sam Herodian, MS Ketua
Ir Agus Sutejo, MSi Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr Ir Y. Aris Purwanto, MSc
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
v
PRAKATA
Alhamdulillahi rabbil ‘alamin, puja dan puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah, SWT yang telah memberikan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan tesis yang berjudul Pengembangan Sistem Deteksi Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Spektrum Cahaya Tampak.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih kepada Dr Ir Sam Herodian, MS (Ketua Komisi Pembimbing) dan Ir Agus Sutejo, MSi (Anggota Komisi pembimbing) atas bimbingan dan saran selama penelitian dan penulisan tesis ini serta Dr Ir Usman Ahmad, MAgr yang telah meluangkan waktu untuk menjadi dosen penguji luar komisi dan Dr Ir Y. Aris Purwanto, MSc selaku ketua Program Stusi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan yang telah memberikan saran dan arahan untuk perbaikan tesis ini.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada PT. Astra Agro Lestari, Tbk yang telah menyediakan bantuan fasilitas dan lokasi penelitian dan Drs. Kombespol Sam Budigusdian, MH yang telah membantu menyediakan sarana penunjang atas penelitian ini serta beasiswa LPDP yang telah memberikan bantuan biaya penelitian ini.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Muhammad Makky, Msi, Dinah Cherie, MSi, Wahid Muthowal, MSc, dan Teman - teman seperjuangan di S2 Teknik Mesin Pertanian dan Pangan (2010) : Abdul Roni Angkat, Pandu Gunawan, Cecep Saepul Rahman, Lilis Sucahyo, Jhoni Firdaus, Irriwad Putri, Ismi Mahmudah Edris, Annisa Nur Ichniarsyah yang selalu memberikan semangat dan inspirasi.
Secara khusus, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Ibunda Istikana, Ayahanda Johari, Adinda Novi Purnama Sari, Adinda Nurvia Stiani dan Adinda Okta Danik Nugraheni, atas bantuan dan dukungannya selama ini.
Harapan penulis semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi semua pihak yang memerlukannya.
Bogor, Agustus 2013
vii
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN ix
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 2
Perumusan Masalah 4
Tujuan Penelitian 4
Manfaat Penelitian 5
Ruang Lingkup Penelitian 5
TINJAUAN PUSTAKA 5
Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit 5
Proses Pematangan Buah Sawit 7
Kadar Minyak dan Asam Lemak Bebas (ALB) 8
Spektroskopi Ultraviolet - Visible 9
Aplikasi Ultraviolet Visible untuk Penentuan Tingkat Kematangan TBS 10
Mikrokontroler 11
METODE PENELITIAN 12
Waktu dan Tempat 12
Bahan dan Alat 12
Prosedur Penelitian 13
HASIL DAN PEMBAHASAN 26
Pola Spektrum Reflektan Cahaya Tampak Berdasarkan Klon Kelapa Sawit 26
Korelasi Sifat Optik dan Sifat Fisikokimia TBS 31
Pembuatan Sistem Deteksi Kematangan TBS Kelapa Sawit 35 Pengujian Sistem Deteksi Kematangan TBS Kelapa Sawit 37 Hasil Pengujian Sistem Deteksi Kematangan TBS Kelapa Sawit 38
5 SIMPULAN DAN SARAN 44
Simpulan 44
Saran 44
DAFTAR PUSTAKA 45
DAFTAR TABEL
1 Kandungan minyak dan ALB TBS berdasarkan umur (%) 8 2 Kandungan senyawa asam lemak bebas pada beberapa umur tandan buah
sawit (%) 8
3 Jumlah sampel penelitian berdasarkan klon dan tingkat kematangan 12 4 Beberapa tingkatan fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawit 15 5 Pengaturan perbesaran berdasarkan jarak pengukuran 16
6 Integration time berdasarkan jarak pengukuran 17
7 Klasifikasi pengelompokaan TBS klon Marihat berdasarkan tingkat
kematangan 39
8 Klasifikasi pengelompokaan TBS klon Dumpy berdasarkan tingkat
kematangan 39
9 Klasifikasi pengelompokaan TBS klon Selapan Jaya berdasarkan tingkat
kematangan 40
10 Nilai Mean Absolute Percentage Error (MAPE) dan R2 hasil kalibrasi
dan validasi kadar minyak minyak TBS 40
11 Nilai Mean Absolute Percentage Error (MAPE) dan R2 hasil kalibrasi
dan validasi ALB minyak TBS 42
DAFTAR GAMBAR
1 Luas areal dan produksi perkebunan kelapa sawit di Indonesia (1967 -
2012) 1
2 Produksi minyak sawit dunia 1
3 Morfologi tandan buah sawit 6
4 Penampang buah sawit 6
5 Spektrum elektromagnetik 9
6 Diagram alir penelitian tahap pertama 13
7 Hasil pengukuran reflektan kertas warna menggunakan spektrofotometer
UV Vis berdasarkan jarak 14
8 Spotting scope, spectrofotometer USB 650 dan perlengkapannya 15 9 Pengukuran reflektanTBSdi dalam ruangan tampak depan 16 10 Pengukuran reflektanTBSdi dalam ruangan tampak atas 17 11 Sampel buah sawit untuk analisa asam lemak bebas (ALB) 18
12 Diagram alir penelitian tahap kedua 19
13 Karakteristik sensor cahaya (a) Fotodioda, (b) Fototransistor,(c) LDR 20
14 Rangkaian unit detector 21
15 Rangkaian unit pengendali 22
16 Rangkaian unit pengolah data (a) rangkaian mikrokontroler ATMega32,
(b) luaran hasil pengukuran 22
17 Rangkaian penyimpan data (a), rangkaian card multimedia, (b) rangkaian
pewaktu 23
ix
19 Model jaringan saraf tiruan tiga lapis (backpropagation method). 25
20 Warna TBS berdasarkan tingkat kematangan 26
21 Pengaruh pencahayaan terhadap hasil pengukuran 27
22 Pengaruh penggunaan reference sesuai dengan tingkat pencayaan yang
digunakan 28
23 Pengaruh jarak terhadap hasil pengukuran 28
24 Pengaruh penggunaan reference sesuai dengan jarak pengukuran 29 25 Pola spekra setiap klon berdasarkan tingkat kematangan pada panjang
gelombang 400 – 850 nm dan 600 – 700 nm 30
26 Pola spekra pada titik pengukuran yang berbeda dalam satu TBS yang
sama berdasarkan tingkat kematangan 31
27 Hubungan kadar minyak minyak TBS setiap klon berdasarkan tingkat
kematangan 32
28 Korelasi antara reflektansi dan kandungan minyak TBS; (a) klon Marihat pada panjang gelombang 673 nm, (b) klon Dumpy pada panjang gelombang 685 nm, (c) klon Selapan Jaya pada panjang gelombang 635
nm 33
29 Hubungan kandungan ALB TBS setiap klon berdasarkan tingkat
kematangan 34
30 Korelasi antara reflektansi dan ALB TBS; (a) klon Marihat pada panjang gelombang 673 nm, (b) klon Dumpy pada panjang gelombang 685 nm, (c) klon Selapan Jaya pada panjang gelombang 630 nm 35
31 Bagian luar alat ukur deteksi kematangan TBS 36
32 Bagian dalam alat ukur deteksi kematangan TBS 36
33 Pengujian sistem deteksi kematangan TBS berbasis 38 34 Hasil kalibrasi dan validasi kadar minyak TBS setiap klon dengan
metode JST 41
35 Hasil kalibrasi dan validasi ALB TBS setiap klon dengan metode JST 43
DAFTAR LAMPIRAN
1 Instruksi kerja penentuan kadar asam lemak bebas (ALB) 48 2 Standar operasional prosedur (SOP) fruit set dan analisa kadar minyak
TBS 49
3 Gambar standar operasional prosedur (SOP) fruit set dan analisa kadar
minyak TBS 50
4 Spesifikasi mikrokontroler ATmega 32 Spesifikasi mikrokontroler
ATmega 32 52
5 Rangkaian elektronik alat ukur deteksi kematangan TBS 54
6 Spesifikasi lampu halogen 54
7 Kadar minyak dan ALB TBS berdasarkan klon dan tingkat kematangan
(fraksi) 55
8 Hasil kalibrasi dan validasi alat ukur deteksi kematangan TBS klon
9 Hasil kalibrasi dan validasi alat ukur deteksi kematangan TBS klon
Dumpy dengan metode JST 57
10 Kalibrasi dan validasi alat ukur deteksi kematangan TBS klon Selapan
Jaya dengan metode JST 58
53
PENDAHULUAN
Kelapa sawit kini menjadi komoditas primadona di Indonesia, terlihat dari pertumbuhan luas areal yang cukup signifikan (Gambar 1). Pada tahun 2012 luas areal lahan kelapa sawit di Indonesia mencapai 9 074 621 hektar dengan produksi minyak sawit sebanyak 23 521 071 ton. Sejak tahun 1967 sampai 2012 terjadi pertumbuhan rata - rata luas areal sebesar 10,39% atau terdapat peningkatan jumlah luasan sebesar 194.974,20 hektar pertahun (Ditjenbun 2012).
Gambar 1 Luas areal dan produksi perkebunan kelapa sawit di Indonesia (1967 - 2012)
Pada tahun 2005, Indonesia menyusul Malaysia sebagai eksportir minyak kelapa sawit terbesar dan saat ini memegang lebih dari 50% pangsa pasar global seperti dapat di lihat pada Gambar 2. Produksi minyak sawit mentah (CPO) mencapai 25,9 juta metrik ton(MMT) dan diprediksi akan mengalami peningkatan hingga 28 MMT tahun 2012 (USDA 2012).
Gambar 2 Produksi minyak sawit dunia 0
1965 1975 1985 1995 2005 2015
Luas
Ekspor minyak sawit Indonesia meningkat sebesar 1,7 MMT menjadi 18,2 MMT tahun 2011 dan mengharapkan ekspor minyak sawit akan terus tumbuh menjadi 19,6 MMT tahun 2012. Stok minyak sawit Indonesia juga meningkat secara signifikan dari 1,27MMT tahun 2010 menjadi 2,091 MMT tahun 2011 dan diharapkan akan meningkat menjadi 2,784 MMT tahun 2012 karena tingkat produksi jauh melampaui apa yang dapat diserap oleh permintaan dalam negeri (USDA 2012).
Selain memegang peranan yang penting sebagai sumber penerimaan devisa Negara, perkebunan kelapa sawit memiliki dampak secara langsung terhadap peningkatan kesejahteraan pekebun. Menurut Ditjenbun (2010) indeks nilai tukar petani pada tahun 2008, tertinggi dibandingkan dengan petani pangan, hortikultura maupun peternakan. Pendapatan pekebun kelapa sawit sepanjang tahun 2005-2009 menunjukkan peningkatan dengan rata-rata laju pertumbuhan mencapai 14,47% per tahun. Kedepan, peranan perkebunan tetap penting, bahkan semakin penting untuk mengurangi kemiskinan,menyerap tenaga kerja, menjaga kelestarian lingkungan hidup dan sumber energi (Suswono 2012).
Berdasarkan pemaparan sebelumnya, dapat di lihat bahwa kelapa sawit sangat memegang peranan penting dalam kehidupan Bangsa Indonesia. Namun disisi lain, kualitas minyak kelapa sawit atau crude palm oil (CPO) masih menjadi kendala utama ekspor ke luar negeri (Suprapto dan Nurlaila 2008), dimana kandungan asam lemak bebas (ALB) yang dimiliki masih diatas rata-rata 5%, jauh dibawah standar internasional yang mensyaratkan agar CPO yang diekport memiliki nilai ALB kurang dari 3%. Hal ini mengakibatkan terjadinya pemotongan harga atau lebih dikenal dengan discount rate bagi CPO asal Indonesia. Oleh sebab itu, sangat penting bagi kita untuk melakukan langkah-langkah yang dapat membantu industri kelapa sawit Indonesia.
Latar Belakang
3
potensi produksi minyak, mengganggu kelestarian produksi, sehingga tanaman kelapa sawit mengalami stress.
Menurut Muchtadi (1992) warna telah diduga menjadi panduan penting apakah kandungan minyak telah mencapai maksimum dimana buah siap dipanen. Buah sawit muda yang berumur 3 minggu, berwarna unggu sampai hitam di bagian apikal dan berwarna kuning muda atau putih di bagian basal. Pada buah berumur 10 sampai 13 minggu, buah berwarna jingga merata dan sel mesokarp dan inti sawit mulai terisi globula lemak. Buah yang berumur 16 minggu akan berwarna merah dan sel mesokarp dan inti sawit terisi penuh oleh globula lemak sedangkan pada buah yang berumur 20 minggu, buah mulai jatuh dari tandan, dinding sel mesokarp dan inti sawit retak dan pecah, kantung lemak tersobek serta minyak keluar dari sel. Sedangkan menurut Junkwon et al. (2009) pigmen minyak buah sawit seperti karotenoid dan klorofil mempengaruhi warna dari buah kelapa sawit, dimana buah mentah memiliki proporsi klorofil yang lebih tinggi yang secara bertahap menurun pada saat matang dan tidak terdapat pigmen klorofil pada buah matang.
berdasarkan tingkat kematangan dapat diamati dengan memanfaatkan spektrum reflektan yang dipancarkan oleh buah.
Perumusan Masalah
Penentuan kematangan TBS secara umum yang dilakukan selama ini adalah berdasarkan jumlah brondolan yang jatuh ke tanah yang dinyatakan dengan fraksi, namun seringkali ditemukan di lapang terdapat beberapa brondolan yang jatuh tersangkut pada pelepah dan ketika musim penghujan, buah akan lebih cepat jatuh karena TBS yang terkena air hujan.
Pemanenan yang masih mengandalkan tenaga manusia menyebabkan kualitas panen dipengaruhi pengalaman, keahlian, dan pengetahuan. Pengaruh faktor eksternal seperti : kelelahan, emosi, rasa bosan, faktor usia, kondisi mental, kesehatan dan cacat bawaan akan berdampak negatif pada hasil panen. Kesalahan yang paling sering dilakukan oleh pemanen adalah pemotongan buah mentah dan meninggalkan brondolan di piringan. Kerugian akibat memotong buah mentah yaitu kehilangan sebagian potensi produksi minyak, dan mengganggu kelestarian produksi. Untuk itu diperlukan sistem yang dapat melakukan identifikasi tingkat kematangan TBS kelapa sawit sebelum dilakukan pemanenan.
Tujuan Penelitian
Secara umum tujuan penelitian ini adalah memprediksi secara cepat, otomatis dan objektif pada tingkat kematangan TBS berdasarkan karakteristik optiknya. Secara spesifik tujuan penelitian ini adalah :
1. Mempelajari karakteristik spektrum TBS berdasarkan tingkat kematangan dengan metode reflektansi gelombang cahaya tampak
2. Membangun hubungan antara kandungan kimia dengan spektrum cahaya tampakTBS kelapa sawit
5
Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai tingkat kematangan buah sawit melalui hubungan antara kharakteristik spektrum reflektan dengan kandungan kimia TBS kelapa sawit berdasarkan tingkat kematangan serta diharapkan digunakan sebagai acuan dalam penelitian lebih lanjut untuk pengembangan sistem deteksi kematangan buah secara portable
berbasis spektrum cahaya tampak.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian yang telah dilaksanakan ini difokuskan pada perancangan sistem deteksi kematangan TBS kelapa sawit. Adapun batasan dari penelitian ini antara lain :
1. Data penelitian yang digunakan didapat dari penggukuran menggunakan spektrofotometer ocean optics USB 650 berupa data spektruml reflektan dari spektrum TBS sedangkan data kandungan kimia TBS kelapa sawit berasal dari hasil pengujian di laboratorium kimia PT. Nirmala Agro Lestari (Group PT. Astra Agro lestari, Tbk).
2. Sampel uji penelitian berupa TBS kelapa sawit yang berasal dari klon Marihat, Selapan Jaya, dan Dumpy dan masing – masing varietas tersebut terdiri atas 4 (empat) tingkat kematangan yaitu mentah (fraksi 0), kurang matang (fraksi 1) matang (fraksi 2 dan fraksi 3) dan lewat matang (fraksi 4).
3. Perancangan sistem yang dikembangkan berdasarkan hubungan antara spektrum reflektansi dengan kandungan kimia TBS kelapa sawit.
TINJAUAN PUSTAKA
Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit
Gambar 3 Morfologi tandan buah sawit
Pada bagian tengah tandan terdapat buah-buah yang besarnya merata, berukuran lebih besar daripada bagian atas atau bawah.Sedangkan bagian bawah tandan terdapat buah-buah yang lebih kecil daripada bagian atas atau tengah, terutama pada bagian pangkalnya karena pertumbuhannya terdesak oleh pangkal batang daun atau ketiak pelepah daun pada tempat kedudukan tandan tersebut (Muchtadi 1992). Sebaris buah terlekat oleh setiap kelopaknya, yang disebut karpel, pada ranting, dan sejumlah baris ranting berpangkal pada hati (core), berupa tangkai tandan. Pada setiap ranting juga berlaku istilah apikal (bagian atas ranting), bagian tengah (middle) serta basal (bagian bawah) ranting (Gian dan Chan 1987 dalam Muchtadi 1992)
Dalam satu tandan sawit, terdapat 46% buah yang berukuran panjang sekitar 2 - 5 cm dan berat 3 - 30 gram, berwarna untuk hitam pada saat muda, kemudian akan berwarna kuning merah pada saat matang, buah sawit terdiri atas bagian buah (perikarp) termasuk kulit luar (eksokarp), dan daging buah (mesokarp) serta bagian biji (endokarp) yang meliputi tempurung dan inti (endospera) atau kernel. Pada ujung apikal buah terdapat bagian yang tajam, seperti duri, yang disebut apex dan tempat melekatnya buah pada tangkai tandan diselaputi oleh kelopak buah yang disebut karpel seperti yang tersaji pada Gambar 4 (Muchtadi 1992).
Gambar 4 Penampang buah sawit
Tempurung
(Endokarp)
Daging buah (Mesokarp)
Inti (endospera)
Kulit buah
(eksokarp )
7
Proses Pematangan Buah Sawit
Buah sawit muda yang berumur 3 minggu, berwarna unggu sampai hitam di bagian apikal dan berwarna kuning muda atau putih di bagian basal, pigmen klorofil masih mendominasi sedangkan pigmen karotenoid akan tersentesa bersamaan dengan terbentuknya lemak dalam sel.Pada buah berumur 10 sampai 13 minggu, sel mesokarp dan inti sawit mulai terisi globula lemak jumlahnya dalam proporsi yang merata meskipun ukuran globulanya masih sangat kecil dan buah berwarna jingga merata. Buah yang berumur 16 minggu akan berwarna merah dan sel mesokarp dan inti sawit terisi penuh oleh globula lemak sedangkan pada buah yang berumur 20 minggu, buah mulai jatuh dari tandan, dinding sel mesokarp dan inti sawit retak dan pecah, kantung lemak tersobek, minyak keluar dari sel, serta pigmen klorofil disini sudah tidak ada sama sekali sedangkan karotenoid sudah terbentuk, jumlahnya mencapai 700 - 800 ppm. Berdasarkan pengamatan histologi jaringan mesokarp atau inti sawit maka umur buah yang tepat untuk dipanen adalah pada saat buah berumur 15 sampai 17 minggu atau terdapat 2 brondolan piringan (Muchtadi 1992).
Pada buah sawit yang masih muda (umur 3 minggu) sudah terdapat kadar minyak meskipun masih sedikit (5,29 %bb / 22,56 %bk) karena masih banyak mengandung air. Sedangkan pada buah yang dewasa (umur 10 minggu) dan tua (umur 13 minggu), ternyata diperoleh kadar minyak sawit yang makin meningkat sampai umur 16 minggu (42,10 %bb / 54,65 %bk), yaitu saat buah matang. Demikian pula kadar minyak inti sawitnya, meskipun pada umur 3 minggu sudah terdapat minyak (4,20 %bb / 20,36 %bk), meningkat pada umur 10 dan 13, sampai 16 minggu (34,32 %bb / 45,02 %bk), setelah itu terjadi penurunan terus sampai pada kondisi buah lewat matang yaitu umur 20 minggu (Muchtadi 1992).
Selama proses pematangan buah, terjadi perubahan fisik dan kimia seperti tekanan turgor pada dinding sel.Warna yang ada pada buah-buahan disebabkan oleh pigmen yang dikandungnya. Pigmen tersebut antara lain; warna hijau disebabkan oleh pigmen klorofil, warna biru atau purple disebabkan oleh pigmen anthocianin, warna merah disebabkan oleh pigmen likopen, warna jingga disebabkan oleh pigmen karoten, dan warna kuning disebabkan oleh xantofil. Selama proses pematangan, klorofil pada kulit buah mengalami degradasi yang menyebabkan munculnya karoten dan xantofil. Secara umum konsentrasi karoten dan xantofil hanya mengalami sedikit perubahan selama pematangan (Winarno dan Wirakartakusumah 1981). Proses perubahan warna dari hijau menuju merah menunjukkan bahwa kandungan klorofil dan daya serap cahaya menurun seiring dengan semakin meningkatnya umur buah. Buah-buahan atau sayur-sayuran yang mengalami pengurangan kandungan klorofil akan berubah warna, kenaikan kandungan pigmen karotenoid menyebabkan perubahan warna dari hijau menjadi kuning, merah muda (orange) atau merah. Sedangkan pigmen antosianin menyebabkan perubahan warna dari merah menjadi ungu (Novianty 2008).
Kreteria matang panen ditentukan pada saat kandungan minyak maksimal dan kandungan asam lemak bebas (ALB) minimal. Kreteria umum yang banyak dipakai adalah berdasarkan jumlah brondolan, yaitu tanaman dengan umur kurang dari 10 tahun jumlah brondolan kurang lebih 10 butir dan tanaman berumur lebih dari 10 tahun jumlah brondolan sekitar 15 – 20 butir (Fauzi et al.2007 ; Kiswanto
matang harus mempunyai sedikitnya satu brondolan dipiringan sebagai tanda buah tersebut dapat dipanen, namun standar panen berdasar 1 brondolan dipiringan bersifat relative, dan tergantung pada iklim dan pengalaman pekebun.
Kadar Minyak dan Asam Lemak Bebas (ALB)
TBS menghasilkan dua jenis minyak yang sangat berlainan, yaitu minyak yang berasal dari sabut (mesokarp) kelapa sawit disebut minyak sawit kasar (CPO/crude palm oil) dan minyak yang berasal dari inti kelapa sawit yang dinamakan minyak inti sawit (PKO/palm kernel oil) (Ketaren 2008). Minyak sawit mengandung trigliserida (94%), asam lemak (3-5%) dan komponen yang jumlahnya sangat kecil (1%), termasuk karotenoid, tokoferol, tokotrienol, sterol, triterpen alkohol, fosfolipida, glikolipida dan berbagai komponen trace element.
Kadar minyak dan ALB berdasarkan tingkat kematangan dapat di lihat pada Tabel 1. Kadar minyak tertinggi yaitu pada umur 13 dan 16 minggu dan kadar ALB dalam buah sawit meningkat seiring bertambahnya umur buah seperti dapat di lihat pada Tabel 2. Hal ini karena aktivitas enzim lipase yang muncul pada buah sawit berumur 20 minggu yang menggurai lemak menjadi asam lemak (Muchtadi 1992).
Tabel 1 Kandungan minyak dan ALB TBS berdasarkan umur (%) Umur
9
Spektroskopi Ultraviolet - Visible
Interaksi energi radiasi dengan bahan adalah merupakan dasar teori spektroskopi. Radiasi yang berasal dari sinar terdiri dari panjang gelombang dari yang sangat pendek sampai yang sangat panjang seperti pada Gambar 5. Ada dua persmaan dasar yang digunakan di dalam spektroskopi, yaitu :
v = C...(1)
Dimana :
= panjang gelombang radiasi (cm) v = frekuensi radiasi (putaran/detik) C = kecepatan sinar (3 x 1010 cm/detik) dengan panjang gelombangnya. Makin tinggi panjang gelombang maka energi radiasi makin lemah dan sebaliknya.
Gambar 5 Spektrum elektromagnetik
Menurut Lambert, fraksi penyerapan sinar tidak bergantung pada intensitas cahaya (I), sedangkan Beer menyatakan bahwa serapan sebanding dengan jumlah molekul yang menyerap. Jika suatu berkas sinar melewati suatu medium homogen, sebagian dari sinar datang (Io) akan diabsorpsi dan sisanya akan di transmisikan (It). Menurut Lambert dan Beer serta Bauger :
Panjang
106 50000 26300 12800 4000 660
...(3)
Spektrofotometri UV/Vis adalah teknik analisis spektroskopi yang memakai sumber radiasi elektromagnetik ultra violet dekat (190 –380) dan sinar tampak (380 –780) dengan menggunakan instrumen spetrofotometer. Spektrofotometri UV-Vis melibatkan energi elektronik yang cukup besar pada molekul yang dianalisis, sehingga spektrofotometer UV - Vis lebih banyak dipakai untuk analisis kuantitatif dibanding kualitatif. Peralatan Spektrofotometer UV - Vis terdiri dari sumber cahaya, monokromator, sel (kuvet), detektor, amplifier dan rekorder (Purwati 1987).
Aplikasi Ultraviolet Visible untuk Penentuan Tingkat Kematangan TBS
11
penginderaan optik menggunakan empat-band sistem sensor dapat berguna untuk klasifikasi tingkat kematangan minyak sawit dalam kondisi lapangan.
Lebih lanjut Hazir et al. (2011) menganalisis potensi flavonoid dan antosianin sebagai prediktor untuk mengklasifikasikan tingkat kematangan TBS minyak sawit menggunakan sensor fluoresensi multi-parametrik, dikendalikan oleh komputer dengan empat sumber cahaya (eksitasi Light Emitting Diode
(LED)) pada panjang gelombang 375 nm UV-A (UV), 530 nm Hijau (G), dan 630 nm Merah (R) dan tiga fotodioda untuk mendeteksi emisi fluoresensi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kandungan flavonoid dan antosianin menurun dari tingkat kematangan tandan buah segar kelapa sawit yang belum matang ke tandan buah segar kelapa sawit yang matang. Secara keseluruhan, hubungan menggunakan korelasi Pearson antara flavonoid dan antosianin adalah R2 = 0,84 dan ketepatan hubungan yang paling menonjol adalah pada tahap terlalu-matang, sebesar 90%. Analisis statistik menggunakan analisis varians (ANOVA) dan
pair-wise testing membuktikan bahwa kedua prediktor memberikan perbedaan yang signifikan antara tingkat kematangan kurang matang, matang, dan terlalu-matang. Analisis klasifikasi dilakukan dengan menggunakan kedua prediktor bersama-sama dan secara terpisah melalui beberapa metode. Ketepatan klasifikasi tertinggi secara keseluruhan adalah 87,7% menggunakan Gradient Stochastic. Metode klasifikasi lainnya digunakan baik independen atau kedua prediktor bersama-sama dan memberikan hasil yang berbeda, antara 50 hingga akurasi 85%. Penelitian ini membuktikan bahwa flavonoid dan antosianin dapat digunakan sebagai prediktor klasifikasi tingkat kematangan tandan buah kelapa sawit segar.
Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan komputer mikro yang dibuat dalam bentuk chip semikonduktor. Mikrokontroler telah banyak digunakan di berbagai peralatan elektronik, dari peralatan rumah tangga, perangkat audio-video, pengendali mesin-mesin industri sampai pesawat ruang angkasa. Sebuah komputer mikro memiliki tiga komponen utama, unit pengolah pusat, memori, dan sistem input/output untuk dihubungkan dengan perangkat luar (Usman 2008).
Mikrokontroler yang ada saat ini salah satunya adalah mikrokontroler jenis AVR (Advanced Virtual RISC ) yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1996 oleh dua orang mahasiswa Norwegian Institute of Technology yaitu Alf-Egil Bogen dan Vegard Wollan. Mikrokontroler AVR kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Atmel. Saat ini mikrokontroler AVR memiliki banyak seri. Setiap seri memiliki perbedaan kemampuan, feature- feature, ukuran chip dan harga. Dimana pada beberapa seri mikrokontroler ini telah memiliki ADC dan PWM. Mikrokontroler AVR menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computer), yang memberikan kemampuan untuk melaksanakan instruksi dengan cepat karena mengurangi jumlah instruksi level mesin. Pengurangan jumlah instruksi ini berpengaruh pada kecepatan yang disebabkan karena dengan jumlah instruksi mesin yang terbatas, kebanyakan dapat berjalan dalam satu putaran dari
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dimulai pada bulan Juni 2012 – Juni 2013. Penelitian untuk pengambilan data spektrum cahaya tampak dan analisa kandungan kimia TBS dilakukan di PT. Nirmala Agro Lestasi, Site Lamandau Propinsi Kalimantan Tengah. Sedangkan pengolahan data dan desain sistem deteksi kematangan TBS dilaksanakan di Laboratorium Ergonomika dan Elektronika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah tandan buah segar (TBS) kelapa sawit sebanyak 87 buah yang berasal dari klon Marihat, Dumpy dan Selapan Jaya dengan rincian seperti disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3 Jumlah sampel penelitian berdasarkan klon dan tingkat kematangan Tingkat Kematangan
Alat - alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain :
a. Spektrometer ocean optics USB 650 dengan panjang gelombang 200 - 850 nm yang dilengkapi dengan fiber optic solids digunakan untuk mengambil data reflektan dari spektrum TBS kelapa sawit.
b. Digital spotting scope merk Bushnell dengan perbesaran 15 – 45x, LCD 22x untuk menangkap citra TBS
c. Laser pointer merah pada panjang gelombang 660 - 670 nm, daya 100 mW sebagai penunjuk titik pengukuran
d. Lux meter untuk mengukur intensitas cahaya
e. Lampu halogen (1000, 600) Watt dan Lampu Ultraviolet 300 watt untuk simulasi cahaya matahari (spesifikasi pada Lampiran 6)
f. Kain hitam sebagai latar homogen g. Meteran : pengukuran jarak
h. Distance meter : pengukuran jarak dari spektofotometer ke TBS sawit pada pengambilan reflektan diluar ruangan
13
k. Komponen elektronika antara lain ; mikrokontroler Atmega 32, sensor fotodioda 5 V, LCD display 16 x 2, rangkaian unit penyimpan data, dan komponen lainya untuk pembuatan sistem deteksi kematangan TBS
l. Komputer dan perlengkapannya untuk pengambilan data dan mengolah data dilengkapi dengan perangkat lunak spectasuite, visual basic 6 dan mechanical desktop 6.
Prosedur Penelitian Penelitian Tahap Pertama
Penelitian tahap pertama merupakan proses pembuktian kemampuan
spektrofotometer Uv-Vis dalam memprediksi tingkat kematangan, kandungan minyak dan asam lemak bebas TBS. Diagram alir penelitian tahap pertama dapat di lihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Diagram alir penelitian tahap pertama Penelitian pendahuluan
Persiapan sampel uji (40 sampel TBS)
Pengukuran reflektan di dalam ruangan Jarak (2,7,10,15)m & lampu Halogen (600,1000)W Pengujian kandungan kimia TBS (kadar
minyak dan ALB) sebagai referensi
Mulai
Selesai Persamaan regresi
(kandungan kimia dan reflektan TBS)
Korelasi tingkat kematangan, kandungan kimia dan reflektan
Penelitian Pendahuluan
Penelitian pendahuluan merupakan proses pembuktian bahwa digital spotting scope yang tehubung dengan probe fiber optik spektrofotometer Uv-Vis
dapat digunakan dalam pengukuran reflektan TBS. Uji coba awal dilakukan dengan melakukan pengukuran reflektan dari beberapa kertas warna dengan jarak dan tingkat pencahayaan yang berbeda. Hasil pengukuran beberapa kertas warna dapat di lihat pada Gambar 7.
Gambar 7 Hasil pengukuran reflektan kertas warna menggunakan spektrofotometer UV Vis berdasarkan jarak
Dari hasil pengukuran reflektan kertas warna tersebut, tampak terjadi perbedaan pola spektrum dari setiap warna yang diukur pada panjang gelombang
visible (400 - 850) nm sehingga dapat disimpulkan bahwa teleskop dapat digunakan untuk pengukuran spektrum visible dari TBS. Hal ini karena terdapat perbedaan warna berdasarkan tingkat kematangan TBS. Penggunaan digital spotting scope pada pengukuran reflektan bertujuan sebagai media penangkap citra dari TBS dan pantulan dari citra tersebut dibaca oleh perangkat lunak ocean optics spektrum suite.
Persiapan Sampel TBS
15
Tabel 4 Beberapa tingkatan fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawit
Pengambilan Spektrum Ultraviolet - Visible TBS
Pada penelitian ini reference putih yang digunakan adalah melamin dan
reference hitam melamin yang dicat menggunakan cat pilok dull black. Citra TBS ditangkap oleh digital spotting scope dan reflektan TBS akan dibaca oleh
spektrometer ocean optics USB 650 (fiber optic solids) pada panjang gelombang 200-850 nm. Untuk memastikan titik pengukuran TBS, maka digunakan laser sebagai penunjuk dan citra dari TBS dapat ditampilkan oleh display yang terdapat pada digital spotting scope. Pembacaan spektrum akan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ocean optics spektrumsuite yang terhubung dengan
spectrometer USB 650 - fiber optic solids (Gambar 8).
Gambar 8 Spotting scope, spectrofotometer USB 650 dan perlengkapannya
Fraksi Jumlah brondolan Tingkat kematangan
00 tidak ada, buah berwarna hitam sangat mentah 0 1 - 12,5% buah luar membrondol mentah 1 12,5 - 25 % buah luar membrondol kurang matang 2 25 - 50 % buah luar membrondol matang 1 3 50 - 75% buah luar membrondol matang 2 4 75 - 100% buah luar membrondol lewat matang 1 5 buah dalam juga membrondol, ada
yang membusuk lewat matang 2
Jarak pengukuran akan mempengaruhi perbesaran dari digital spotting scope, diameter objek yang ditangkap oleh digital spotting scope diatur sebesar 20 cm sehingga perubahan jarak pengukuran akan berpengaruh pada perubahan perbesaran dari digital spotting scope. Pengaturan perbesaran berdasarkan jarak pengukuran dapat di lihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Pengaturan perbesaran berdasarkan jarak pengukuran
Pengukuran reflektan dilakukan dalam ruangan tertutup, hal ini bertujuan untuk mengontrol factor eksternal yang dapat mempengaruhi hasil pengukuran bila proses pengukuran dilakukan di lapang. Sumber cahaya yang digunakan adalah lampu halogen 600 Watt, dan halogen 1000 Watt yang dipasang pada posisi membentuk sudut 450 terhadap TBS yang diukur. Lampu halogen digunakan untuk mengantikan sinar matahari langsung yang juga memancarkan radiasi inframerah. Pengukuran dilakukan pada perlakuan jarak 2 m, 7 m, 10 m dan 15 m dan posisi TBS yang diukur adalah pada bagian yang tampak mata ketika TBS masih berada pada pohonnya. Pengukuran dilakukan sebayak tiga kali ulangan pada titik pengukuran yang berbeda dalam satu TBS yang sama. Metode pengukuran reflektan di dalam ruangan tampak depan dapat di lihat pada Gambar 9 dan tampak atas seperti pada Gambar 10.
Gambar 9 Pengukuran reflektanTBSdi dalam ruangan tampak depan
Jarak pengukuran (m)
Perbesaran
digital spotting scope
2 12
7 25
10 40
17
Gambar 10 Pengukuran reflektanTBSdi dalam ruangan tampak atas Langkah awal yang dilakukan pada pengukuran reflektan TBS adalah mencari integration time dengan mengukur reflektan reference putih dan
reference hitam berdasarkan jarak pengukuran. Integration time merupakan waktu yang dibutuhkan sampai pada terbentuknya pola spektrum pada pengukuran TBS. Pada pengukuran reflektan TBS spektrofotometer Uv – Vis diatur scans to averages : 10, boxcar width : 5 dan integration time berdasarkan Tabel 6.
Tabel 6 Integration time berdasarkan jarak pengukuran Pencahayaan Halogen 600 watt Halogen 1000 watt Jarak (meter) Integration time
(miliseconds)
Integration time (miliseconds)
2 350 193
7 910 490
10 940 760
15 2640 1444
Pengukuran ALB dan Kadar Minyak TBS
Gambar 11 Sampel buah sawit untuk analisa asam lemak bebas (ALB) Pengambilan sampel untuk analisa kadar minyak TBS dilakukan setelah pengukuran reflektan menggunakan spektrofotometer. Pada analisis ini mengikuti standar operasional prosedur (SOP) PT. Nirmala Agro Lestari yang telah sesuai dengan standar ditetapkan oleh Komite Akreditasi Nasional (LP-323-IDN). Prosedur analisa kadar minyak secara lebih rinci dapat di lihat pad Lampiran 2 dan Lampiran 3.
Analisa dan Pengolahan Data
Data hasil pengukuran reflektan TBS dianalisa untuk memperoleh panjang gelombang tertentu yang dapat membedakan kematangan TBS. Panjang gelombang yang dipilih tersebut akan dijadikan dasar pembuatan perangkat lunak sistem deteksi kematangan TBS berbasis sensor cahaya. Untuk mendapatkan korelasi hubungan antara reflektan dengan kadar minyak dan ALB berdasarkan tingkat kematangan dilakukan dengan menggunakan Microsoftt excel. Korelasi hubungan yang dipilih adalah yang memiliki akurasi (R2) terbaik pada rentang panjang gelombang yang dapat membedakan kematangan.
Penelitian Tahap Kedua
19
Penentuan Sensor Berdasarkan Karakteristik Spektrum TBS
Penentuan sensor yang dapat membedakan kematangan berdasarkan karakteristik spektrum TBS yang telah dilakukan pada penelitian tahap pertama. Berdasarkan hasil pengukuran menggunakan spektrofotometer Uv – Vis, tingkat kematangan untuk klon Marihat, dampy dan Selapan Jaya dapat dibedakan pada kisaran panjang gelombang 650 – 690 nm, untuk itu sensor yang digunakan adalah yang mempunyai sensitivitas pada rentang panjang gelombang tersebut. Menurut Rivas et al. (2013) sensitivitas dari sensor fotodioda (Gambar 13.a), sensor fototransistor (Gambar 13.b) dan sensitivitas dari LDR seperti pada Gambar 13 (c).
Gambar 13 Karakteristik sensor cahaya (a) Fotodioda, (b) Fototransistor,(c) LDR Berdasarkan karakteristik seperti pada Gambar 14, maka sensor yang dipilih adalah fotodioda hal ini dikarenakan panjang gelombang yang cukup sensitif dalam pendugaan tingkat kematangan sawit berada pada panjang gelombang 650-690 nm.
Perancangan Sistem Deteksi Kematangan TBS
21
reflektan TBS pada panjang gelombang yang paling berpengaruh pada penentuan kematangan TBS dengan tingkat kematangan (fraksi), ALB dan kadar minyak TBS. Pembuatan program menggunakan software Code Vision AVR Evaluation V2.05.0 yang sekaligus berfungsi sebagai compiler program. Selanjutnya program tersebut dimasukkan ke dalam sebuah mikrokontroler ATmega 32 untuk otomatisasi pembacaan dan penyimpanan data sementara dari pengukuran tingkat kematangan TBS yang dilakukan. Spesifikasi mikrokontroler ATmega 32 disajikan pada Lampiran 4. Sistem deteksi kematangan yang rancang terdiri atas beberapa bagian antara lain : unit detektor, unit pengendali, unit pengolah data, unit penyimpan data, luaran hasil pembacaan. Kemudian setiap unit dirangkai menjadi satu kesatuan seperti dapat di lihat pada lampiran 5. Secara lebih rinci dijelaskan sebagai berikut :
Unit detektor
Rangkaian ini terdiri dari rangkaian fotodioda (Gambar 14) yang berfungsi sebagai pengukur reflektan yang dipantulkan oleh TBS. Pada rangkaian ini dilengkapi laser berwarna merah (100 mW) yang mempunyai panjang gelombang 660 nm yang berfungsi sebagai sumber cahaya yang dipancarkan ke TBS. Rangkaian ini dihubungkan dengan baterai 9 V.
Gambar 14 Rangkaian unit detector Unit pengendali
Gambar 15 Rangkaian unit pengendali Unit pengolah data
Menggunakan mikrokontroler ATmega 32 seperti pada Gambar 16 (a) yang dipilih karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan yang lain. Spesifikasi mikrokontroler ATmega 32 dapat di lihat pada lampiran 4. Unit pengolah data berfungsi untuk mengolah data hasil pengukuran unit detektor, data yang terukur berupa tegangan analaog yang diubah menjadi data digital yang ditampilkan pada display 16 x 2 (16 karakter dengan 2 baris) seperti pada Gambar 16(b).
Gambar 16 Rangkaian unit pengolah data (a) rangkaian mikrokontroler ATMega32, (b) luaran hasil pengukuran
Unit penyimpan data
Rangkaian unit penyimpan data seperti pada Gambar 17 (a) berfungsi sebagai penyimpan data yang dilengkapi dengan Card multimedia, sehingga memudahkan dalam memindahkan data hasil pengukuran. Data yang tersimpan diatur berdasarkan waktu pengambilan data dengan menggunakan rangkaian pewaktu (RTC) menggunakan IC DS1307 seperti pada Gambar 17 (b).
23
Gambar 17 Rangkaian penyimpan data (a), rangkaian card multimedia, (b) rangkaian pewaktu
Uji Kinerja Sistem Deteksi Kematangan TBS
Pengujian sistem deteksi dimulai dari persiapan sampel TBS, pengukuran reflektan dan pengujian ALB dan kadar minyak TBS. Adapun mekanisme kerja sistem deteksi kematangan TBS dapat di lihat pada Gambar 18.
Gambar 18 Diagram alir prinsip kerja sistem deteksi kematangan TBS
Mulai
i = 1
Ukur reflektan
i = i + 1 Input varietas
ya
tidak
Penentuan fraksi, ALB dan kadar minyak
Fraksi, ALB dan kadar minyak Simpan data (i)
n = n + 1 tidak
ya
Penentuan perkiraan hasil
Hasil
Simpan data hasil
Stop
Data hasil pengujian sistem deteksi kematangan berupa nilai tegangan dari spektrum TBS berdasarkan tingkat kematangan yang diterima oleh sensor fotodioda kemudian dianalisis menggunakan jaringan syaraf tiruan (JST) untuk mendapatkan ketepatan pendugaan kematangan, pendugaan ALB dan pendugaan kadar minyak TBS. Penggunaan JST dilakukan karena terdapat hubungan yang tidak linier antara reflektan spektrum TBS berdasarkan tingkat kematangan dengan ALB dan kadar minyak.
Pengembangan Model Jaringan Saraf Tiruan (JST)
Data hasil pengukuran adalah berupa data reflektan selanjutnya dinormalisasi menggunakan persamaan 8 berikut :
...8 Dimana :
xi = data ke-i
DataMin = nilai minimum dari seluruh data DataMin = nilai maksimum dari seluruh data
JST dilatih dengan menggunakan algoritma backpropagation (penjalaran balik). Fungsi transfer yang dipilih adalah fungsi sigmoid. Dalam pembelajaran
backpropagation semua data input sudah dinormalisasi. Sampel yang digunakan sebagai pembelajaran (training) dalam JST berjumlah 19 sampel sedangkan 10 sampel sisanya digunakan sebagai validasi (testing) untuk memperoleh nilai prediksi.
25
Gambar 19 Model jaringan saraf tiruan tiga lapis (backpropagation method).
Analisa Data
Nilai prediksi ALB dan kadar minyak TBS akan divalidasi dengan nilai ALB dan kadar minyak TBS yang dilakukan secara kimia (nilai referensi). Untuk menentukan hubungan antara keduanya maka dihitung beberapa parameter yang dapat menjelaskan sejauh mana hasil prediksi itu baik atau kurang memuaskan. Parameter yang digunakan adalah Mean Absolute Percentage Error (MAPE) dengan menggunakan persamaan 9 (Makridakis, 1999 dalam Anugerah, 2007) :
∑| | ...9
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola Spektrum Reflektan Cahaya Tampak Berdasarkan Klon Kelapa Sawit
Pada penelitian ini pengukuran reflektan TBS dilakukan pada klon Marihat, Selapan Jaya dan Dampy. TBS dari setiap tingkat kematangan(fraksi) menghasilkan warna yang berbeda – beda dan warna tersebut direpresentasikan dalam bentuk pola sesuai dengan karakter warna dari tiap TBS. Secara umum warna dari setiap fraksi berdasarkan klon dapat di lihat pada Gambar 21.
(a) klon Marihat
(b) klon Dumpy
(c) klon Selapan Jaya
Gambar 20 Warna TBS berdasarkan tingkat kematangan
Berdasarkan Gambar 20 terlihat bahwa fraksi 0 berwarna ungu kehitaman, dan pada fraksi 1 sampai fraksi 4 warna TBS akan semakin cerah. Degradasi warna dari fraksi 1 sampai fraksi 4 tidak terlalu signifikan, yang membedakannya adalah tingkat kecerahan dari buah, hal ini diduga dipengaruhi oleh kandungan minyak yang terdapat pada TBS. Menurut Muchtadi (1992) pembentukan minyak mulai terjadi pada buah berumur 10 minggu, berbentuk globula lemak. Globula lemak dalam sel mesokarp ataupun inti mencapai maksimum mengisi seluruh
F0 F1 F2 F3 F4
F0 F1 F2 F3 F4
27
bagian sel pada saat buah berumur 16 minggu (fraksi 1), setelah lewat 16 minggu dinding sel mulai retak dan pada umur 20 minggu kantung lemak sudah pecah, hal ini sehubungan dengan kadar lemak yang meningkat sampai umur 16 minggu (54,65 %bk dalam mesocarp dan 45,02 %bk dalam inti) setelah itu menurun sampai umur 20 minggu.
Pengukuran menggunakan spektrofotometer UV Vis dan digital spotting scope dilakukan pada TBS berdasarkan tingkat kematangan dengan pola warna seperti pada Gambar 20. Citra TBS ditangkap oleh digital spotting scope dan reflektan TBS akan dibaca oleh spektrometer ocean optics USB 650 (fiber optic solids) pada panjang gelombang 200 - 850 nm. Standarisasi pengukuran (reference) pada penelitian ini digunakan warna putih dan hitam. Reference putih yang digunakan adalah melamin dan reference hitam yang digunakan adalah melamin yang dicat menggunakan cat pilok dull black. Langkah awal yang dilakukan pada pengukuran reflektan TBS adalah mencari integration time
dengan mengukur reflektan reference putih dan reference hitam berdasarkan pencahayaan dan jarak pengukuran. Integration time merupakan waktu yang dibutuhkan sampai pada terbentuknya pola spektrum pada pengukuran TBS. Kemudian pengukuran reflektan TBS dilakukan dengan melihat faktor yang mempengaruhi hasil pengukuran. Pengaruh pencahayaan terhadap hasil pengukuran dapat di lihat pada Gambar 21.
Gambar 21 Pengaruh pencahayaan terhadap hasil pengukuran
Pencahayaan yang digunakan pada penelitian ini adalah lampu halogen 1000 watt (17460 lux) dan lampu halogen 600 watt (10095 lux). Gambar 21. menunjukkan semakin tinggi intensitas maka semakin tinggi reflektan yang terukur, oleh karena itu diperlukan standarisasi pengukuran (reference)
berdasarkan tingkat pencahayaan seperti disajikan pada Gambar 22 yang menunjukkan penggunaan reference harus disesuaikan dengan tingkat pencayaan yang digunakan artinya jika sumber cahaya yang digunakan 600 watt maka
reference yang digunakan 600 watt dan jika sumber cahaya 1000 watt maka
Gambar 22 Pengaruh penggunaan reference sesuai dengan tingkat pencayaan yang digunakan
Gambar 22 terlihat bahwa pola spektrum yang terbentuk dan reflektan yang terukur cenderung identik antara pencahayaan lampu halogen 1000 watt dengan lampu halogen 600 watt, hal ini menunjukkan pengukuran telah terstandarisasi menggunakan reference disesuaikan berdasarkan sumber cahaya yang digunakan. Faktor lain yang mempengaruhi hasil pengukuran adalah jarak, pengaruh jarak pengukuran terhadap hasil pengukuran dapat di lihat pada Gambar 23.
Gambar 23 Pengaruh jarak terhadap hasil pengukuran
Gambar 24 menunjukkan pola spektrum relektan yang semakin kecil seiring bertambahnya jarak pengukuran, untuk itu diperlukan standarisasi pengukuran berdasarkan jarak. Pola spektrum yang terbentuk apabila digunakan reference
29
Gambar 24 Pengaruh penggunaan reference sesuai dengan jarak pengukuran
Gambar 24 menunjukkan pola spektrum yang terbentuk pada penggunaan
reference sesuai dengan jarak pengukuran tidak terlalu berbeda secara signifikan, hal ini menunjukkan pada jarak pengukuran berapapun apabila menggunakan
reference yang sesuai maka akan menghasilkan pola spektrum yang sama. Pada pengukuran reflektan TBS dari tiap klon berdasarkan tingkat kematangan (fraksi) selanjutnya yang digunakan adalah sumber cahaya 1000 watt hal ini karena pola spektrum yang dihasilkan lebih baik dari pada sumber cahaya 600 watt. Pola yang terbentuk dari tiap klon berdasarkan tingkat kematangan dapat di lihat pada Gambar 25.
(b) klon Dumpy
(c) klon Selapan Jaya
Gambar 25 Pola spekra setiap klon berdasarkan tingkat kematangan pada panjang gelombang 400 – 850 nm dan 600 – 700 nm
Berdasarkan Gambar 25 terlihat bahwa setiap klon menghasilkan karakteristik yang berbeda – beda, pada klon marihat terdapat pola spektrum yang berhimpit pada F2 dan F3 dari klon Marihat, hal ini berarti kematangan tidak dapat dibedakan pada F2 dan F3 namun pada F0, F1, dan F4 kematangan dapat dibedakan pada rentang panjang gelombang 665 – 687 nm. Pada klon Dumpy pola spektrum yang berhimpit terjadi pada F3 dan F4 dan kematangan dapat dibedakan untuk F0, F1 dan F2 pada rentang panjang gelombang 660 – 685 nm. Sedangkan pada klon Selapan Jaya kematangan dapat dibedakan pada rentang panjang gelombang 630 – 688 nm.
31
Gambar 26 Pola spekra pada titik pengukuran yang berbeda dalam satu TBS yang sama berdasarkan tingkat kematangan
Korelasi Sifat Optik dan Sifat Fisikokimia TBS
Penentuan tingkat kematangan TBS secara umum yang dilakukan selama ini adalah berdasarkan jumlah brondolan yang jatuh ke tanah yang dinyatakan dengan fraksi. Tingkatan fraksi kematangan TBS sangat berimplikasi pada perubahan warna pada buah sawit. Menurut Muchtadi (1992) pada buah sawit muda yang berumur 3 minggu akan berwarna unggu kehitaman, pada umur 10 sampai 13 minggu, buah sawit berwarna jingga merata dan pada buah yang berumur 16 minggu akan berwarna merah. Menurut Saeed et al. (2012) perubahan warna buah sawit berdasarkan tingkat kematangan dapat diamati dengan memanfaatkan spektrum reflektan yang dipancarkan oleh buah.
Korelasi Reflektan Terhadap Kadar Minyak TBS
Pada buah sawit yang masih muda (umur 3 minggu) sudah terdapat kadar minyak meskipun masih sedikit karena masih banyak mengandung air. Sedangkan pada buah yang dewasa (umur 10 minggu) dan tua (umur 13 sampai 16 minggu) ternyata diperoleh kadar minyak sawit yang makin meningkat, setelah itu terjadi penurunan terus sampai pada kondisi buah lewat matang yaitu umur 20 minggu (Muchtadi, 1992). Sebagaimana terlihat pada Gambar 27 yang menunjukkan pola perubahan kadar minyak berdasarkan tingkat kematangan untuk klon Marihat, Selapan Jaya dan Dumpy.
Gambar 27 Hubungan kadar minyak minyak TBS setiap klon berdasarkan tingkat kematangan
Secara umum kadar minyak meningkat dari TBS mentah ke TBS matang kemudian menurun secara bertahap sampai pada kondisi TBS lewat matang. Hal ini karena pada buah sawit lewat matang dinding sel mesokarp dan inti sawit retak dan pecah, kantung lemak tersobek dan minyak keluar dari sel (Muchtadi 1992). Peningkatan kadar minyak dari setiap klon berbeda, pada klon Marihat kadar minyak optimal terjadi pada fraksi 2, sedangkan pada klon Dumpy dan Selapan Jaya kadar minyak optimal terjadi pada fraksi 1. Hal ini karena terdapat perbedaan karakteristik dari setiap klon selama proses pematangan. Berdasarkan data reflektan pada pengukuran di dalam ruangan, panjang gelombang yang paling berpengaruh dalam memprediksi kadar minyak TBS pada rentang panjang gelombang 665 – 687 nm untuk klon Marihat adalah 673 nm dengan nilai R2 sebesar 0,407, pada rentang panjang gelombang 660 – 685 nm untuk klon Dumpy adalah 685 nm dengan nilai R2 sebesar 0,614 dan pada rentang panjang gelombang 630 – 688 nm untuk klon Selapan Jaya adalah 635 nm dengan nilai R2 sebesar 0,516 Hubungan antara kadar minyak dan spektrum reflektan TBS pada pengukuran di dalam ruangan berdasarkan klon dapat di lihat pada Gambar 28.
33
Gambar 28 Korelasi antara reflektansi dan kandungan minyak TBS; (a) klon Marihat pada panjang gelombang 673 nm, (b) klon Dumpy pada panjang gelombang 685 nm, (c) klon Selapan Jaya pada panjang gelombang 635 nm
Pada Gambar 28 tersebut terlihat bahwa hubungan kurang baik dalam memprediksi kadar minyak TBS dari setiap klon hal ini diduga dipengaruhi oleh pola spektrum pada rentang panjang gelombang 650 – 690 nm yang berhimpit antara fraksi 2 dan fraksi 3 untuk klon marihat dan pada F3 dan F4 untuk klon Dumpy seperti dapat di lihat pada Gambar 26 yang mengindikasikan kemiripan karakter warna dari sampel uji. Faktor lain yang mempengaruhi hubungan regresi antara reflektan dan kadar minyak TBS adalah besarnya nilai kadar minyak hasil analisa kimia. Pola yang terbentuk seperti pada Gambar 28 merupakan pendekatan dalam memprediksi kadar minyak secara tidak langsung, menggingat pada rentang panjang gelombang 650 – 690 ada indikasi terhadap penentuan tingkat kematangan TBS dan kadar minyak mempengaruhi proses kematangan TBS. Pendekatan secara langsung dapat dilakukan dengan menggunakan metode NIR untuk melihat struktur ikatan kimia pada buah sawit berdasarkan tingkat kematangan. Menurut Williams dan Norris (1990) kadar lemak yang terdiri atas
y = -0,0127x3 + 1,9364x2 - 96,89x + 1602,4
R² = 0,288
0 10 20 30
40 45 50 55 60
Ref
lek
ta
n
(%)
Kadar minyak (%)
ikatan C-H menyerap pada panjang gelombang 1037 nm, 1620 – 1765 nm, dan 2310 – 2323 nm.
Korelasi Reflektan Terhadap ALB TBS
Menurut Muchtadi (1992) terdapat hubungan antara tingkat kematangan dan kandungan ALB TBS. Pada TBS berumur 13 minggu terdapat ALB dalam jumlah rendah, kemudian meningkat pada umur buah 16 minggu dan makin tinggi pada buah lewat matang (umur 20 minggu). Hal ini terjadi karena aktivitas enzim lipase yang muncul pada umur buah menjelang 20 minggu yang mengguraikan lemak menjadi asam lemak. Pada penelitian ini pengambilan sampel untuk pengujian ALB dilakukan secara langsung setelah buah jatuh terpanen dengan mengambil 30 butir brondolan menggunakan kampak kecil dengan komposisi 10 butir bagian dalam, 10 butir bagian tengah dan 10 butir bagian luar. Sampel 30 butir tersebut dipilih dan dipastikan tidak terdapat luka, hal ini dilakukan untuk menghindari terjadinya peningkatan ALB yang disebabkan oleh enzim lipase kemudian sampel tersebut langsung dilakukan pengukusan selama 90 menit menggunakan rice cooker. Hasil yang diperoleh dari pengujian 29 sampel setiap klon dapat di lihat pada Gambar 29.
Gambar 29 Hubungan kandungan ALB TBS setiap klon berdasarkan tingkat kematangan
Gambar 29 memperlihatkan bahwa ALB pada TBS berdasarkan tingkat kematangan lebih kecil dari 1% hal ini karena belum terdapat aktivitas dari enzim lipase untuk memecah lemak menjadi asam lemak dan gliserol. ALB tertinggi pada klon Marihat dan Dumpy terdapat pada fraksi 2 sedangkan pada klon Selapan Jaya tertinggi pada fraksi 3. Tinggi rendahnya nilai ALB pada TBS berdasarkan tingkat kematangan lebih dipengaruhi oleh teknik pengambilan sampel yang tidak seragam. Menurut Setyamidjaja (1991) buah kelapa sawit yang sudah matang dan masih segar hanya mengandung 0,1% asam lemak. Tetapi buah kelapa sawit yang telah memar atau pecah dapat mengandung ALB samapi 50%
35
hanya dalam waktu beberapa jam saja. Untuk mencegah terjadinya ALB buah kelapa sawit harus segera dipanaskan dengan suhu antara 900 sampai 100 0C sebelum pelepasan daging buah. Berdasarkan data reflektan, hubungan terbaik antara ALB dan reflektan TBS pada rentang panjang gelombang dari setiap klon dapat di liahat pada Gambar 30.
Gambar 30 Korelasi antara reflektansi dan ALB TBS; (a) klon Marihat pada panjang gelombang 673 nm, (b) klon Dumpy pada panjang
gelombang 685 nm, (c) klon Selapan Jaya pada panjang gelombang 630 nm
Pada Gambar 30 terlihat bahwa hubungan kurang baik terjadi pada klon Marihat dan Selapan Jaya, hal ini diduga karena asam lemak bebas tidak terlalu signifikan dalam mempengaruhi proses kematangan TBS.
Pembuatan Sistem Deteksi Kematangan TBS Kelapa Sawit
Sistem deteksi kematangan TBS dibuat dalam suatu hardware yang porteble untuk dibawa ke lapangan yang dilengkapi dengan SD card untuk menyimpan data, display LCD 16 x 2 (16 karakter 2 baris) yang menampilkan nilai digital tegangan berdasarkan tingkat kematangan TBS, tombol on/off untuk menghidupkan power, tombol run untuk menghentikan perekaman data dan
y = 0,638x3 + 10,982x2 + 4,6556x + 8,0453
R² = 0,403
0 10 20 30
0 0,2 0,4 0,6
Ref
lek
ta
n
(%)
Asam lemak bebas (%)
