Pemanfaatan Biji Nangka (Artocarpus Heterophyllus) pada Pembuatan Bioplastik Menggunakan Plasticizer Etilen Glikol dan Pengisi Kitosan

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Bahan Komposit

Bahan komposit menunjukkan artian bahwa dua atau lebih material digabung

pada skala makroskopis untuk membentuk material ketiga yang berbeda.

Material-material yang berbeda dapat digabung dalam skala mikroskopis seperti memadukan

logam. Bila suatu komposit dirancang dengan baik maka akan memberikan kualitas

yang bagus daripada komponen atau konstituen penyusunnya [16].

2.1.1 Konstituen Komposit

Pada prinsipnya, komposit dibentuk berdasarkan kombinasi antara dua atau

lebih material seperti bahan logam, organik ataupun nonorganik. Meskipun ada

terdapat kombinasi bahan yang tidak terbatas, tetapi bentuk konstituen lebih terbatas.

Bentuk konstituen yang umum digunakan dalam bahan komposit yaitu serat, partikel,

laminae (lapisan), serpihan (flakes), pengisi, dan matriks [17].

2.1.1.1 Pengisi

Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan bahan komposit. Klasifikasi

yang disebutkan di sini yaitu berdasarkan bentuk konstituen struktural. Hal ini

memberikan pembagian lima kelas dari komposit, yaitu:

1. Komposit serat (fiber composite), terdiri dari serat dengan atau tanpa matriks.

2. Komposit serpihan (flake composite), terdiri dari serpihan datar dengan atau tanpa matriks.

3. Komposit partikulat (particulate composite), terdiri dari partikel dengan atau tanpa matriks.

4. Komposit berpengisi (skeletal) (filled composite), terdiri dari matriks skeletal kontinu yang diisi dengan material kedua.

5. Komposit laminar (laminar composite), terdiri dari lapisan konstituen.

2.1.1.2 Antarmuka dan Antarfasa

Adanya pencampuran bahan yang berbeda dalam bahan komposit, maka

dalam komposit tersebut akan selalu terdapat daerah berdampingan (contiguous

region). Definisi sederhananya yaitu sebuah antarmuka (interfaces) atau dengan kata

lain permukaan membentuk batasan dalam konstituen. Pada beberapa kasus, daerah

berdampingan sering juga dianggap sebagai fasa tambahan yang dinamakan dengan

antarfasa (interphases). Sebagai contoh, pada lapisan serat gelas dalam plastik

berpengisi dan bahan adesif yang mengikat lapisan bersamaan. Ketika terdapat suatu

antarfasa maka akan terdapat dua antarmuka, yaitu pada permukaan antarfasa dan

konstituen di tengahnya [17]. Gambar 2..1 menunjukkan bentuk interface matriks

dengan serat.

Gambar 2.1 Bentuk Interface antara Matriks dengan Serat [17]

2.1.1.3 Matriks

Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi

volume terbesar (dominan). Matrik, umumnya lebih ulet tetapi mempunyai kekuatan

dan kekakuan yang lebih rendah (Porwanto dan Lizda, 2008). Matriks mempunyai

fungsi sebagai berikut :

•Mentransfer tegangan ke serat.

• Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.

• Melindungi serat.

• Memisahkan serat dan melepas ikatan.

• Tetap stabil setelah proses manufaktur

[18]

INTERPHASE (BONDING AGENT)

MATRIX

FIBE

2.2 Bioplastik

Bioplastik atau yang sering disebut plastik biodegradable, merupakan salah

satu jenis plastik yang hampir keseluruhannya terbuat dari bahan yang dapat

diperbarui, seperti pati dan minyak nabati. Ketersediaan bahan dasarnya di alam

sangat melimpah dengan keragaman struktur tidak beracun. Bahan yang dapat

diperbarui ini memiliki biodegradabilitas yang tinggi sehingga sangat berpotensi

untuk dijadikan bahan pembuat bioplastik. Titik awal dalam penemuan bioplastik

adalah sebuah fakta sederhana bahwa plastik sekarang begitu penting dan bioplastik

menjadi bagian yang tidak terlepaskan dari kehidupan sehari-hari [19]. Plastik

biodegradable berbahan dasar pati/amilum dapat didegradasi oleh bakteri

pseudomonas dan bacillus memutus rantai polimer menjadi monomer-monomernya.

Senyawa-senyawa hasil degradasi plastik biodegradable selain menghasilkan

karbondioksida dan air, juga menghasilkan senyawa organik dan aldehid sehingga

plastik ini aman bagi lingkungan. Sebagai perbandingan, plastik sintetik

membutuhkan waktu sekitar 100 tahun agar dapat terdekomposisi oleh alam,

sementara plastik biodegradable dapat terdekomposisi 10 hingga 20 kali lebih cepat.

Hasil degradasi plastik ini dapat digunakan sebagai makanan ternak atau sebagai

pupuk kompos. Plastik biodegradable yang terbakar tidak menghasilkan senyawa

kimia yang berbahaya. Ungkapan plastik biodegradable merujuk pada serangan

mikroorganisme pada material berbasis polimer yang tidak larut dalam air, yaitu

plastik. Oleh karena kurang larut dalam air dan ukuran molekul polimer,

mikroorganisme tidak mampu berpindah dalam material polimer secara langsung

kedalam sel sebagai tempat sebagian besar proses biokimia [5].

Plastik berbahan dasar tepung pati (amilum) dan polisakarida telah diproduksi

oleh beberapa perusahaan dunia. Plastik starch-based ini seringkali bersifat menyerap

air sehingga semakin mudah didegradasi. Beberapa plastik terdiri atas tepung pati

saja, ada juga yang memadukan tepung pati dengan komponen biodegradable lain.

Plastik ini dibentuk dari bahan-bahan alam yang dapat diperbaharui daripada dibuat

dari bahan bakar fosil yang sulit diperbaharui [4]. Bioplastik dewasa ini berkembang

sangat pesat. Berbagai riset telah dilakukan di negara maju seperti Jerman, Prancis,

Jepang, Korea, Amerika Serikat, Inggris dan Swiss dimana riset ini ditujukan untuk

Di Indonesia penelitian dan pengembangan teknologi kemasan plastik

bioplastik masih sangat terbatas. Hal ini terjadi karena selain kemampuan sumber

daya manusia dalam penguasaan ilmu dan teknologi bahan, juga dukungan dana

penelitian yang terbatas. Dipahami bahwa penelitian dalam bidang ilmu dasar

memerlukan waktu lama dan dana yang besar [14].

2.3 Buah Nangka dan Biji Nangka

Nangka merupakan tanaman buah berupa pohon yang berasal dari India dan

menyebar ke daerah tropis termasuk Indonesia [23]. Tanaman nangka (Artocarpus

heterophyllus Lamk.) merupakan salah satu jenis tanaman buah tropis yang

multifungsi dan dapat ditanam di daerah tropis dengan ketinggian kurang dari 1.000

meter di atas permukaan laut yang berasal dari India Selatan. Ciri-ciri buah nangka

yang sudah matang yaitu memiliki duri yang besar dan jarang, mempunyai aroma

nangka yang khas walaupun dalam jarak yang agak jauh, setelah dipetik daging

buahnya berwarna kuning segar, tidak banyak mengandung getah. Buah tersebut bisa

dimakan langsung atau diolah menjadi berbagai masakan [24].

Berat biji nangka sekitar 8-15 % dari berat buahnya. Biji nangka oval dan

tertutup lapisan coklat yang disebut spermoderm yang menutupi kotiledon berwarna

putih. Kotiledon ini mengandung pati yang sangat tinggi [25]. Dibawah ini adalah

tabel komposisi biji nangka per 100 gram.

Tabel 2.1 Komposisi Biji Nangka Per 100 Gram [26]

No Kandungan Gizi Unit Biji Nangka

1 Kalori Kal 165,0

2 Protein Gr 4,2

3 Lemak Gr 0,1

4 Karbohidrat Gr 36,7

5 Kalsium Mg 33,0

6 Besi Mg 200,0

7 Fosfor Mg 1,0

8 Vit. B1 Mg 0,20

9 Vit. C Mg 10,0

2.4 Pati

Pati dihasilkan oleh tanaman dibagian plastida dan tersimpan di berbagai

organ tanaman sebagai cadangan makanan, misalnya di batang, buah, akar, dan

umbi. Kandungan pati tapioka mencapai 90% dan tertinggi diantara sumber pati

lainnya. Pati terdapat di granula, granula pati berwarna putih, mengkilap, tidak

berbau dan tidak berasa [13].

Pati merupakan homopolimer glukosa dengan ikatan α-glikosidik, yang banyak terdapat pada tumbuhan terutama pada biji-bijian, umbi-umbian. Berbagai

macam pati tidak sama sifatnya, tergantung dari panjang rantai atom karbonnya, serta

lurus atau bercabang [20]. Pati terdiri dari dua fraksi yang dapat dipisahkan dengan

air panas. Fraksi terlarut disebut amilosa dan fraksi tidak larut disebut amilopektin.

Struktur amilosa merupakan struktur lurus dengan ikatan α-(l,4)-D-glukosa.

Amilopektin terdiri dari struktur bercabang dengan ikatan α-(l,4)-D-glukosa dan titik percabangan amilopektin merupakan ikatan α-(l,6). Amilosa memberikan sifat keras

sedangkan amilopektin menyebabkan sifat lengket. Konsentrasi kedua komponen ini

nantinya akan mempengaruhi sifat mekanik dari polimer alami yang terbentuk [21].

Dengan monomer penyusun yang lebih besar, amilopektin membentuk

polimer yang lebih besar dibandingkan dengan amilosa. Rasio amilosa dan

amilopekti berbeda-beda untuk setiap sumber pati, tetapi umumnya kandungan

amilopektin lebih besar dibandingkan dengan amilosa. Rasio amilosa dan

amilopektin akan berpengaruh pada kemampuan pasta pati dalam membentuk gel,

mengentalkan, atau membentuk film. Ikatan hidrogen antarmolekul penyusun pati

berperan dalam menentukan kekompakan gel atau film. Struktur amilosa yang linier

menyebabkan untuk lebih mudah berikatan dengan sesama sendiri melalui ikatan

hidrogen dibandingkan dengan amilopektin. Oleh karena itu kekuatan gel atau pati

lebih banyak ditentukan oleh kandungan amilosanya. Semakin tinggi kandungan

amilosanya maka kemampuan membentuk gel dan lapisan film akan semakin besar.

Sebaliknya amilopektin dengan struktur yang sangat besar membentuk ikatan

hidrogen yang relatif lemah. Pati dengan amilopektin yang tinggi cocok digunakan

2.5 Gelatinisasi Pati

Gelatinisasi pati melibatkan granul leleh dalam media larutan dengan

pemanasan. Dalam air, pembengkakan granul meningkat seiring dengan

bertambahnya suhu dan itu mengarah pada transfer air dalam suspensi air terkait

dengan komponen pati: amilosa dan amilopektin. Ketika suhu pati mencapai 60-70

ºC, butiran larut terganggu oleh energi yang disediakan, mengakibatkan hilangnya

susunan molekuler dan, akibatnya, kehilangan kristalinitas. Proses ini menyebabkan

peningkatan viskositas dan kelarutan pati, yang merupakan hasil dari perubahan

ireversibel seperti gangguan granular dan struktur semi kristal, juga dilihat sebagai

hilangnya radial [22].

2.6 Etilen Glikol

Etilen glikol yang memiliki nama lain 1, 2-Ethanediol memiliki rumus kimia

CH2CH2(OH)2. Etilen glikol ditemukan dalam wujud cairan yang tidak berwarna,

pada dasarnya tidak berbau, memiliki volatilisa rendah, hifroskopik. Etilena glikol

dapat terlarut sempurna dalam air dan beberapa cairan organik. Gugus hidroksil pada

glikol menjalani kimia alkohol umum, sehingga menghasilkan keragaman

turunan-turunan yang memungkinkan. Hidroksil dapat diubah menjadi aldehid, alkil halide,

amina, azida, asam karboksilat, eter, merkaptan, ester nitrat, nitril, ester nitril, ester

organik, peroksida, ester fosfat, dan ester sulfat. Kimia semacam ini memungkinkan

etilena glikol bertindak sebagai zat antara dalam berbagai reaksi kimia. Secara

siqnifikan etlena glikol terutama dapat berperan sebagai zat antara dalam

pembentukan resin, mencangkup kondensasi dengan dimetil terftalat atau asam

tereftalat yang dihasilkan dalam resin poliuretan. Reaktivitas dan kelarutan dari

etilena glikol menghasikan dasar bagi berbagai aplikasi. Penggunaan etilen glikol

sebagai zat antibeku secara luas adalah berdasar pada kemampuannya untuk

menurunkan titik beku jika dicampurkan dengan air. Karenanya, sifat-sifat fisik dari

campuran etilena glikol merupakan suatu hal penting [27].

2.7 Mekanisme Plastisasi

Interaksi antara polimer dengan pemlastis dipengaruhi oleh sifat afinitas

plastisasi antara struktur (molekul pemlastis hanya akan terdistrubusi diantara

struktur). Plastisasi ini hanya mempengaruhi gerakan dan mobilitas struktur.

Jika terjadi interaksi polimer-polimer cukup kuat maka molekul pemlastis

akan terdisfusi ke dalam rantai polimer (rantai polimer amorf membentuk satuan

struktur globular yang disebut bundle) menghasilkan plastisasi sampai batas kompatibilitas yaitu sejumlah yang dapat terdispersi (terlarut) dalam polimer. Jika

jumlah pemlastis melebihi batas ini, maka akan terjadi sistim yang heterogen dan

plastisasi melebihi tidak efisien lagi.

[21]

2.8 Metode Pembuatan Bioplastik

Pengkajian pemanfaatan sumberdaya pati Indonesia untuk produksi plastik

biodegradabel dapat dilakukan melalui 3 cara yaitu [21]:

1. Pencampuran (blending) antara polimer plastik dengan pati, dimana pati yang

digunakan dapat berupa pati mentah berbentuk granular maupun pati yang

sudah tergelatinisasi, dan plastik yang digunakan adalah PCL, PBS, atau PLA

maupun plastik konvensional (polietilen). Pencampuran dilakukan dengan

menggunakan extruder atau dalam mixer berkecepatan tinggi (high speed

mixer) yang dilengkapi pemanas untuk melelehkan polimer plastik.

2. Modifikasi kimiawi pati, dimana untuk menambahkan sifat plastisitas pada

pati, metode grafting sering digunakan. Sifat biodegradabilitas dari produk

plastik yang dihasilkan tergantung daripada jenis polimer yang dicangkokkan

pada pati.

3. Penggunaan pati sebagai bahan baku fermentasi menghasilkan

monomer/polimer plastik biodegradabel.

Metode yang dilakukan dalam pembuatan bioplastik pada penelitian ini

merujuk pada metode Weiping Band. Proses pencampuran antara pati, pengisi dan

plasticizer dilakukan bertahap, dimana larutan pati dipanaskan pada suhu 88,82 oC

dan ditambahkan pengisi secara perlahan-lahan selama 25 menit sambil diaduk pada

2.9 Pengujian dan Karakteristik Bioplastik

Berbagai pengujian dan karakteristik bioplastik yang dihasilkan adalah :

2.9.1 Densitas Bioplastik

Kerapatan merupakan sifat fisik suatu polimer. Kerapatan suatu bahan

berpengaruh terhadap sifat mekanik bahan tersebut, semakin rapat suatu bahan maka

semakin meningkatkan sifat mekaniknya. Sehingga film bioplastik yang dihasilkan

mempunyai kekuatan tarik yang baik. Kerapatan atau densitas ini dapat

didefinisi-kan sebagai berat per satuan volume bahan. Densitas dapat ditentudidefinisi-kan dengan

metode kenaikan fluida dalam gelas ukur [29]. Penentuan rapat massa (densitas) film

dilakukan dengan pemotongan film dengan ukuran dan tebal tertentu, kemudian

dihitung volume daripada film tersebut. Potongan film ditimbang dan rapat massa

film ditentukan dengan membagi massa potongan uji dengan volumenya (g/cm3)

[30]. Pada pengujian densitas plastik sampel film diuji berdasarkan standar ASTM

D792-91, 1991 [31].

ρ= m_v

Dimana : ρ = rapat massa/densitas (g/cm3)

m = massa sampel (g)

v = volume sampel (cm3)

[32]

2.9.2 Kekuatan Tarik

Sifat mekanik suatu material berupa kuat tarik dan pemanjangan

menunjukkan kekuatan material tersebut. Penggunaan suatu material di dalam

industri maupun kehidupan sehari-hari sangat tergantung pada sifat mekanik

material. Sifat mekanik ini meliputi kuat tarik yang tinggi dan elastisitas yang baik

[33]. Kuat tarik adalah tegangan regangan maksimum yang dapat diterima sampel

[34]. Kuat tarik dapat dipengaruhi oleh bahan pemlastis yang ditambahkan dalam

proses pembuatan film [35]. Pengujian ini sangat sederhana dan sudah mengalami

standarisasi di seluruh dunia. Pada uji kekuatan tarik ini, dengan menarik suatu

bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap

tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang [29].

Kuat tarik dapat diukur berdasarkan beban maksimum (Fmaks) yang digunakan untuk

memutuskan material dibagi dengan luas penampang awal (Ao) yang ditunjukkan

pada Persamaan berikut:

Ao = luas penampang awal (cm2)

[37]

2.9.3 Pemanjangan Saat Putus

Pemanjangan saat putus (elongation at break) atau proses pemanjangan

merupakan perubahan panjang maksimum pada saat terjadi peregangan hingga

sampel film terputus. Pada umumnya adanya penambahan plasticizer dalam jumlah

lebih besar akan menghasilkan nilai persen pemanjangan suatu film semakin lebih

besar. Menurut Liu dan Han pada tahun 2005, tanpa penambahan plasticizer, amilosa

dan amilopektin akan membentuk suatu film dan struktur dengan satu daerah kaya

amilosa dan amilopektin. Interaksi-interaksi antara molekul-molekul amilosa dan

amilopektin mendukung formasi film, menjadikan film pati jadi rapuh dan kaku [38].

Pengujian pemanjangan saat putus menggunakan standar ASTM D 638 [36].

Karakterisasi uji tarik suatu material dilakukan dengan penarikan material

dengan penjepit pada alat tensometer hingga spesimen putus. Pada waktu yang

bersamaan, pertambahan panjang material dapat diukur. Pertambahan panjang (Δl)

yang terjadi akibat beban atau gaya yang diberikan pada material disebut dengan

deformasi. Sedangkan elastisitas suatu material (elongasi) dapat dicari dengan

perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang semula seperti

ditunjukkan dalam Persamaan 2.3 berikut :

�

=

∆l_l

o

x 100%

Keterangan:

ε = elastisitas / regangan (%)

lo = panjang mula-mula material yang diukur (cm) …….. (2)

Δl = pertambahan panjang (cm)

[37]

2.9.4 Karakterisasi SEM (Scanning Electron Microscopy)

Struktur morfologi film dianalisis menggunakan scanning electron

microscopy. Sampel dipotong dengan ukuran yang kecil dan di letakkan pada carbon tape [39]. Hasil analisis SEM juga memperlihatkan penyebaran partikel pengisi pada matriks sehingga dapat diketahui distribusi partikel pengisi pada matriks tersebar

dengan merata atau tidak [37].

2.9.5 Ketahanan Air Bioplastik

Uji ketahanan air adalah uji yang dilakukan untuk mengetahui seberapa besar

daya serap bahan tersebut terhadap air. Pada bioplastik diharapkan air yang terserap

pada bahan sangat sedikit atau dengan kata lain daya serap bahan tersebut terhadap

air harus rendah. Jika nilai penyerapan air oleh plastik tinggi, ini berarti plastik

bersifat hidrofilik. Adapun penyebab plastik bersifat hidrofilik ialah penambahan

sorbitol dan faktor kecepatan pengadukan. Darni dan Herti (2010) menyatakan

bahwa sifat ketahanan air suatu molekul berhubungan dengan sifat dasar molekul

penyusunnya [14]. Bahan pati disini bersifat hidrofilik dan penambahan plasticizer

sorbitol menambah sifat hidrofilik dari plastik. Kecepatan pengadukan yang semakin

cepat membuat nilai pecerapan air dari plastik menjadi kecil. Hal ini disebabkan oleh

ikatan antar komponen-komponen penyusun dipengaruhi oleh kecepatan

pengadukan. Semakin cepat kecepatan pengaduknya, semakin homogen dan semakin

kuat ikatan antar komponen-komponen penyusun tersebut. Jika ikatan antar

komponen itu semakin kuat, maka akan sulit untuk air memutuskan ikatan tersebut.

Hal inilah yang menyebabkan kecilnya nilai penyerapan air [29]. Pengujian ketahana

2.9.6 Karakterisasi FT-IR (Fourier Transform Infra Red)

FT-IR (Fourier Transform Infra Red) merupakan metode yang menggunakan

spektroskopi inframerah. Pada spektroskopi infra merah, radiasi inframerah

dilewatkan pada sampel. Sebagian radiasi inframerah diserap oleh sampel dan

sebagian lagi dilewatkan/ditransmisikan. Hasil dari spektrum merupakan besarnya

absorbsi molekul dan transmisi yang membentuk pola molekul dari suatu sampel.

Seperti pola pada umumnya, struktur pola dari spektrum inframerah yang dihasilkan

tidak ada yang sama. Inilah yang membuat spektroskopi inframerah berguna untuk

beberapa jenis analisis. Manfaat informasi/data yang dapat diketahui dari FT-IR

untuk dianalisis adalah identifikasi material yang tidak diketahui, menentukan

kandungan gugus fungsi dan menentukan banyaknya komponen dalam suatu