FL-37
APLIKASI SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK LASER CO2
UNTUK DETEKSI GAS ETILEN (C2H4) PADA GAS HEMBUS
RELAWAN PENGONSUMSI GORENGAN
MAMILA ZIYYIT TUQO*, MITRAYANA Prodi S-2 Ilmu Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada Bulaksumur, Daerah Istimewa Yogyakarta, 55281
Abstrak. Spektroskopi fotoakustik laser CO2 telah diaplikasikan untuk pendeteksian gas etilen (C2H4) pada gas hembus relawan pengonsumsi gorengan. Sampel divariasi terhadap usia dan gender. Berdasarkan penelitian, untuk relawan berusia <15 tahun, konsentrasi gas etilen tertinggi terdapat pada relawan wanita usia 8 tahun sebesar 5.903±0,05 ppm pada saat 30 menit setelah mengonsumsi gorengan. Untuk relawan berusia 15-30 tahun, konsentrasi gas etilen tertinggi terdapat pada relawan pria usia 25 tahun sebesar 6.176±0,05 ppm pada saat 120 menit setelah mengonsumsi gorengan. Sedangkan untuk relawan berusia >30 tahun, konsentrasi gas etilen tertinggi terdapat pada relawan pria usia 45 tahun sebesar 7.346±0,05 ppm pada saat 120 menit setelah mengonsumsi gorengan. Hasil penelitian yang diperoleh menunjukkan terdapat perbedaan konsentrasi gas etilen terhadap variasi usia.
Kata kunci : Spektrometer fotoakustik laser CO2, pengonsumsi gorengan, gas etilen.
Abstract. CO2 laser photoacoustic spectroscopy has been applied to the detection of ethylene gas (C2H4) in fried foods consumer breath. Samples were variated for ages and genders. Based on research, for <15 years volunteers, the highest concentration of ethylene gas was presented in 8th years old female volunteer amounted to 5.903 ± 0.05 ppm during 30 minutes after eating fried foods. For volunteers aged 15-30 years, the highest concentration of ethylene gas was presented in 25th years old male volunteer amounted to 6.176 ± 0.05 ppm during 120 minutes after eating fried foods. For volunteers aged> 30 years, the highest concentration of ethylene gas present in 45th years old male volunteer amounted to 7,346 ± 0.05 ppm during 120 minutes after eating fried foods. The results shoeed that there are differences in the concentration of ethylene gas to variations in age.
Keywords : CO2 laser photoacoustic spectrometer, friedfood consumer, ethylene gas. 1. Pendahuluan
Manusia telah menikmati makanan yang digoreng selama ribuan tahun, alasan utama adalah bahwa makanan ini memiliki karakteristik sensorik yang unik dan lezat. Gorengan merupakan makanan yang mengalami proses penggorengan dengan menggunakan minyak goreng. Minyak goreng bukan hanya sebagai media transfer panas ke makanan, tetapi juga sebagai makanan. Selama penggorengan, sebagian minyak akan teradsorbsi dan masuk ke bagian luar bahan yang digoreng dan mengisi ruang kosong yang semula diisi oleh air. Hasil penggorengan biasanya mengandung 5-40 % minyak [1].
Minyak atau lemak yang mengandung presentase asam lemak dengan kadar tinggi, kurang baik untuk kesehatan, karena bila digunakan untuk menggoreng (deep fried atau dipanaskan), disamping akan mengalami polimerisasi
*
FL-38 Mamila, dkk
(penggumpalan), juga membentuk trans fatty acids (asam lemak trans) dan free radicals (radikal bebas) yang bersifat toksik dan karsinogenik. Oksidasi asam lemak (fatty acids) melalui proses lipid oxidation akan menghasilkan etilen. Dalam proses tersebut, asam lemak polyunsaturated bereaksi dengan radikal bebas untuk membentuk berbagai produk, termasuk pentane, etana dan etilen [2]. Penumpukan gas etilen hasil dari proses lipid oxidation akan terakumulasi di paru-paru yang kemudian menjadi komposisi gas hembus.
Lebih dari 1000 senyawa yang dihasilkan oleh tubuh manusia dikeluarkan sebagai gas hembus yang dapat digunakan sebagai biomarker [3]. Akan tetapi, karena konsentrasi yang rendah dan adanya sejumlah besar spesies kimia di udara yang dihembuskan, analisis nafas memerlukan instrumentasi sensitif yang dapat mendeteksi gas-gas kelumit berorde lebih kecil dari sub ppb (1:109)[4]. Metode Spektroskopi Fotoakustik (SFA) dengan sumber laser CO2 merupakan sebuah
instrumen yang mempunyai sensitifitas dan selektifitas tinggi hingga dalam orde ppb (part per billion) sehingga dapat menghasilkan data yang lebih akurat [5]. Pada penelitian ini, metode SFA dengan sumber radiasi laser CO2
diaplikasikan untuk mengukur konsentrasi gas etilen pada sampel nafas relawan pengonsumsi gorengan dengan variasi usia dan gender, serta pengambilan sampel dilakukan dalam rentang waktu yang berbeda, yaitu sebelum mengonsumsi gorengan, 0 menit, 30 menit, 60 menit, 120 menit, 150 menit, serta 180 menit setelah memakan gorengan. Penelitian ini juga diharapkan bisa menambah literatur studi tentang konsentrasi etilen menggunakan teknik SFA dengan sensitifitas yang lebih baik, mudah dan cepat di dalam tubuh manusia, dengan berbagai variasi usia dan gender. Sehingga dapat dijadikan acuan untuk keperluan medis
2. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini digunakan spektrometer fotoakustik laser CO2
intrakavitas. Untuk memaksimalkan kinerja alat tersebut, perlu dilakukan optimasi daya laser CO2 terlebih dahulu, mengukur sinyal latar dan derau, menentukan
Batas Deteksi Terendah (BDT), menentukan kestabilan daya, menentukan frekuensi resonansi gas etilen dan faktor kualitas, serta menentukan kurva linearitas terhadap sistem SFA.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 -20 -10 0 10 20 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 si n yal (m V) d ay a ( m W) posisi gratting (mm)
garis serapan etilen
9P
Objek pengambilan sampel dibagi berdasarkan kelompok usia dan gender. Usia dibagi menjadi 3 golongan yaitu usia <15tahun, usia 15-30 tahun, dan usia >30 tahun dengan 5 relawan tiap golongan. Pengukuran untuk masing-masing relawan diambil gas hembusnya pada waktu pagi hari saat relawan belum terkontaminasi oleh makanan apapun. Kemudian diberikan perlakuan untuk memakan gorengan sejumlah + 4 buah gorengan, kemudian sampel gas hembus diambil dengan rentang waktu yang berbeda, yaitu awal setelah memakan gorengan (0 menit), 30 menit dan 60 menit, 120 menit, 150 menit dan 180 menit. Sampel gas hembus diambil melalui scrubber CaCl2 dan KOH yang kemudian
disimpan pada sample bag kedap udara. Sampel tersebut dialirkan ke dalam sel fotoakustik kemudian discan sinyal serapan gas etilen dari sampel pada garis 10P14 selama + 10 menit. Sinyal akustik dari gas etilen yang terserap akan terlihat pada Software LabVIEW bersama dengan daya radiasi laser yang kemudian menghasilkan sinyal ternormalisasi. Sinyal ternormalisasi ini akan diolah untuk mencari nilai konsentrasi dari cuplikan gas etilen antara relawan pemakan gorengan variasi usia dan gender.
Sinyal FA dapat dinyatakan sebagai:
Tetapan sel F mencakup besaran-besaran geometri sel. Tetapan sel tidak bergantung pada daya laser I0 dan koefisien serapan, tetapi merupakan perbandingan tetap antara tekanan (pascal=N/m2) dengan koefisien serapan (cm-1) dan daya laser (watt).
3. Hasil dan Pembahasan Hasil optimasi daya laser CO2
Spektrometer fotoakustik laser CO2 intrakavitas dioperasikan pada arus listrik
sebesar 11,98-12,70 mA, dan tegangan operasional laser berkisar 8,95 - 9,14 kV, sensitivitas lock-in 300 mV, daya intrakavitas maksimum 300 mW dengan komposis gas helium (He), nitrogen (N2) dan karbondioksida (CO2)
adalah 30:70:55. Daya yang optimal ditandai dengan munculnya 4 grup laser CO2 seperti pada gambar 3.
9R
10R
10P 10P14
10,53
FL-40 Mamila, dkk
Gambar 2 menunjukan hubungan garis-garis laser dengan daya intrakavitas sebesar (36) watt , sinyal FA yang merupakan fungsi dari posisi grating beserta serapan garis gas etilen. Gas etilen terlihat kuat menyerap pada garis 10P14 pada grup 10P dengan panjang gelombang 10.53 μm [6].
Adapun untuk nilai sinyal latar ternormalisasi adalah (2,0+0,2)x10-3 (mV/W) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Tingkat kelinieran sebesar R2=0.9803, dengan variasi konsentrasi gas etilen 2-11 ppm. Sinyal derau bernilai (0.56+0.1)x10-3 (mV/√ ). BDT memiliki nilai sebesar (18.5+0.3)ppbV. Untuk kestabilan daya, frekuensi resonansi, dan faktor kualitas berturut-turut bernilai 20+1(W), 1650+5 Hz, dan 14,35+0.6.
Gambar 3. Grafik linieritas hubungan antara sinyal ternormalisasi dengan konsentrasi gas etilen
Secara kuantitatif, Gambar 4 menunjukkan terdapat perbedaan konsentrasi gas etilen antara sebelum dan setelah mengonsumsi gorengan. Untuk relawan berusia <15 tahun, konsentrasi etilen terendah dihasilkan oleh Relawan A, yaitu pria berusia 8 tahun dengan tingkat konsentrasi sebesar 1,228±0,05 ppm pada saat sebelum mengonsumsi gorengan, dan untuk konsentrasi gas etilen tertinggi dihasilkan oleh Relawan E, yaitu wanita berusia 8 tahun dengan tingkat konsentrasi sebesar 5.903±0,05 ppm pada saat 30 menit setelah mengonsumsi gorengan.
Pada relawan berusia 15-30 tahun (Gambar 5), konsentrasi etilen terendah didapatkan pada relawan wanita usia 25 tahun sebesar 0.664 ±0,05 ppm pada saat sebelum mengonsumsi gorengan, dan untuk konsentrasi gas etilen tertinggi terdapat pada relawan pria usia 25 tahun sebesar 6.176±0,05 ppm pada saat 120 menit setelah mengonsumsi gorengan.
y = 0,0295x - 0,0065 R² = 0,9803 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 2 4 6 8 10 12 S/ D (m V/ W)
Gambar 4. Perbandingan antara konsentrasi gas etilen pada relawan sebelum dan sesudah
mengonsumsi gorengan usia <15 tahun.
Gambar 5. Perbandingan antara konsentrasi gas etilen pada relawan sebelum dan sesudah
mengonsumsi gorengan usia 15-30 tahun
Gambar 6 menunjukkan bahwa untuk relawan berusia >30 tahun, konsentrasi etilen terendah didapatkan pada relawan wanita usia 33 tahun sebesar 0.742 ±0,05 ppm pada saat sebelum mengonsumsi gorengan, dan untuk konsentrasi gas etilen tertinggi terdapat pada relawan pria usia 45 tahun sebesar 7.346±0,05 ppm pada saat 120 menit setelah mengonsumsi gorengan.
0 1 2 3 4 5 6 7 SM 0 30 60 120 150 180 Ko n sen tr asi (p p m ) Waktu (menit) Relawan A Relawan B Relawan C Relawan D Relawan E 0 1 2 3 4 5 6 7 8 SM 0 30 60 120 150 180 Ko n sen tr asi (p p m ) Waktu (menit) Relawan F Relawan G Relawan H Relawan I Relawan J
FL-42 Mamila, dkk
Gambar 6. Perbandingan antara konsentrasi gas etilen pada relawan sebelum dan sesudah
mengonsumsi gorengan usia >30 tahun
Pada tabel 1 menunjukkan rata-rata selisih konsentrasi terendah dan tertinggi pada semua relawan variasi usia. Dari tabel menunjukkan konsentrasi terendah terdapat pada relawan usia <15 tahun, dan konsentrasi tertinggi terdapat pada relawan usia >30 tahun.
Tabel 1. Tabel rata-rata selisih konsentrasi terendah dan tertinggi
Usia Relawan (tahun)
Rata-rata selisih konsentrasi terendah dan tertinggi (ppm) <15 1.593 + 0.05 15-30 1.832 + 0.05 >30 2.810 + 0.05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SM 0 30 60 120 150 180 Ko n sen tr asi (p p m ) Waktu (menit) RELAWAN K RELAWAN L RELAWAN M RELAWAN N RELAWAN O 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Rata-rata selisih konsentrasi terendah dan tertinggi (ppm)
<15 tahun 15-30 tahun >30 tahun
4. Kesimpulan
Berdasarkan uraian diatas, didapatkan beberapa kesimpulan bahwa mengonsumsi gorengan mempengaruhi peningkatan konsentrasi etilen di dalam tubuh. Usia juga mempengaruhi kadar etilen dalam tubuh. Semakin tinggi usia, metabolisme semakin lambat, sehingga etilen akan mengalami kenaikan yang semakin melambat, ditunjukkan dengan kenaikan yang terjadi antara usia <15 dan usia >15 tahun yang terjadi pada rentang waktu yang berbeda. Tidak adanya perbedaan yang signifikan antara konsentrasi gas etilen dalam tubuh manusia dengan gender. Perlu dilakukan penelitian lanjut terhadap variasi usia diatas 50 tahun serta rentang waktu pengambilan di atas 180 menit.
Ucapan terima kasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Jurusan Fisika dan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan dukungan finansial untuk pelaksanaan penelitian ini.
Daftar Pustaka
1. M. Ghidurus, M. Turtoi, G. Boskou, P. Niculita, V. Stan, Nutritional and health aspects related to frying, Romanian Biotechnological Letters, Vol. 15, No. 6, 2010
2. S. Ketaren, Pengantar Teknologi Minyak dan Lemak Pangan, Jakarta: Universitas Indonesia, 1986.
3. I Bayrakli, A. H, Breath analysis with Photoacoustic Spectrometer, Global Journal on Technology(Issue 7 (2015) 21-29), 1. 2015.
4. Mitrayana, M. W, Deteksi Gas C2H4 Pernafasan sebagai Bio-marker Proses
Lipid Peroksidasi dengan metode spektroskopi Fotoakustik LAser. Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA (hal. F-153), 2009, Yogyakarta: FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta.
5. Dumitras, dkk. Measurements of Ethylene Concentration by Laser Photoacoustic Techniques with Applications at Breath Analysis, 2008, Romania: Romanian Report in Physics
6. Popa, C.,M., Photoacoustic assessment of oxidative stress in dialysis and radiotherapy by LPAS system. Optoelectronics and advanced materials-rapid communications vol.5, No 11 (1237-1242), 2011
