1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Lidah merupakan salah satu indera manusia yang memiliki kemampuan untuk mengecap dan mengklasifikan rasa. Lidah manusia memiliki reseptor khusus yang dapat merespon perubahan substansi kimia, hal ini membuat lidah dapat mengenali berbagai jenis rasa. Namun, lidah manusia tidak mampu mengenali substansi kimia yang terkandung dalam sampel. Hasil dari tanggapan lidah terhadap substansi kimia tersebut diklasifikasikan kedalam lima kualitas rasa dasar, yaitu rasa manis, asin, asam, pahit, dan gurih (umami). Sejauh ini, tester manusia dikatakan metode yang paling realistis untuk mendapatkan informasi rasa, namun masih terdapat beberapa kelemahan diantaranya memiliki objektivitas yang rendah, kurang konsisten (inconcistency) dan sulit diprediksi (unpredictability) yang disebabkan oleh pengaruh faktor-faktor manusiawi seperti keragaman individual, kurang sensitif, kelelahan dan mental (Banerjee, et. al, 2011). Sebagai alternatif, digunakan tester lain berupa penggunaan metode analitik kimia konvensional. Namun, pada kenyataannya metode ini sulit diterapkan secara langsung dikarenakan adanya senyawa dalam suatu larutan yang kompleks. Sedangkan instrumen-instrumen canggih yang memiliki kinerja yang sangat tinggi seperti HPLC (high performance liquid chromatography) (Zuo, et. al., 2002), GC (gas chromatography) (Togari, et., al., 1995) dan CE (capillary electrophoresis) (Horie, et. al., 1997) kurang cocok untuk bidang ini karena dibutuhkan biaya yang besar dan memerlukan seorang ahli untuk mengoperasikannya (Sinha, et. al.,2012).
Berdasarkan permasalahan-permasalahan tersebut diperlukan penerapan sains dan teknologi yang dapat menjadi instrument alternatif dalam mengevaluasi rasa secara objektif, akurat, dan repeatable. Instrumen yang dimaksud adalah sistem sensor rasa elektronik atau electronic-tongue (e-tongue) yang dibangun atas sensor kimia berbasis membran selektif ion. Setiap membran dibuat dengan mengkombinasikan lipid dan polimer. Sifat selektif dari setiap membran ditentukan oleh jenis lipid yang digunakan (Toko, 1996).
Beberapa dekade terakhir, perkembangan sistem sensor rasa mengalami peningkatan yang pesat. Electronic-tongue merupakan sistem yang mempunyai selektivitas global. Sensor rasa (electronic-tongue) terdiri dari beberapa sensor yang dipasang dalam bentuk larik sensor (array sensor) dan dapat menghasilkan sinyal. Sinyal yang dihasilkan tidak spesifik untuk setiap komponen bahan kimia tertentu dalam sampel. Namun, sinyal tersebut berupa pola gabungan sinyal yang dihasilkan, terkait dengan fitur tertentu atau kualitas dari sampel, dalam hal ini, rasanya. Kualitas ini dapat ditentukan dengan algoritma, seperti JST, kemudian dilatih untuk mengenali kelas pola respon yang berkaitan dengan sampel yang diteliti. Hal ini semisal dengan pola sinyal yang dihasilkan oleh indera manusia yang secara kualitatif diinterpretasikan oleh otak manusia (Krantz, et. al., 2001). Dalam sistem sensor rasa ini, masing-masing sampel larutan yang diumpankan kepada larik sensor menghasilkan delapan sinyal listrik yang membentuk karakteristik pola, dimana pola yang terbentuk merupakan kombinasi dari semua komponen kimia dari sampel. Dengan cara menyajikan berbagai sampel larutan berbeda yang dikenal oleh larik sensor, maka database sinyal pelacak kimia terbangun.
Implementasi e-tongue telah berhasil dilakukan pada klasifikasi produk-produk makan seperti jus buah (Ciosek, et. al., 2006), lemak yang terkandung di dalam susu (Lawton dan Pethig, 1993), air mineral (Kundu, et al., 2011), tanaman herbal pasak bumi (Eurycoma longifolia) (Abdul Rahman, et. al., 2004), menentukan kualitas rasa teh hitam (Sarkar et. al., 2011), identifikasi grid teh hijau (Chen, et. al., 2008), mengklasifikasi beberapa jenis madu (Wei, et. al., 2009), pengenalan rasa manis dan prediksi rasa dari minuman Coke melibatkan PCA (Principle Component Analysis) dan LDA (Linier Discriminant Analysis) (Szollosi et. al., 2012), klasifikasi beer jus buah dan susu dengan LVQ (Learning Vector Quantization) (Zhou et. al., 2010), klasifikasi rasa teh hitam dengan DWT (Dicrete Wavelet Transform), PCA dan LDA serta tiga topologi JST yaitu BP-MLP (Backpropagation Multilayer Perceptron), RBF (Radial Basis Function) dan PNN (Probabilistic Neural Network) (Palit, et. al., 2010).
Dalam dunia industri makanan dan farmasi mutu dan kualitas rasa suatu makanan sangatlah diperlukan. Deteksi rasa makanan yang dilakukan selama ini masih menggunakan tester manusia, biosensor dan kromatografi. Pemakaian biosensor dan kromatografi membutuhkan biaya yang sangat mahal sehingga sulit dijangkau oleh industri menengah ke bawah. Sedangkan penggunaan tester manusia dinilai sangat subyektif dan bergantung pada keadaan manusia itu sendiri. Untuk itu diperlukan sebuah instrumen elektronik yang dapat mendeteksi substansi rasa dasar sebagaimana lidah manusia yang dikenal dengan lidah elektronik. Sistem sensor rasa yang telah dikembangkan tersebut hanya memiliki satu kanal dan hanya dapat digunakan untuk mendeteksi lima rasa dasar secara terpisah. Sistem tersebut sulit untuk dapat menentukan kualitas lima rasa dasar secara bersamaan apalagi jika kelima rasa tersebut telah terintegrasi secara homogen ke dalam makanan atau minuman. Untuk itu diperlukan sebuah sistem sensor rasa dengan sensor multikanal yang dapat digunakan sebagai detektor kualitas rasa suatu makanan.
Untuk mengembangkan penelitian mengenai sistem sensor rasa, maka dilakukan penelitian di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi UGM yang bekerjasama dengan Laboratorium Fisika Material, Laboratorium Penelitian dan Pengujian Terpadu (LPPT) UGM yang memfokuskan pembuatan dan variasi membran selektif ion serta rancang bangun pengkondisi sinyal sehingga mampu mengklasifikasikan rasa dengan baik. Pada setiap larik sensor memiliki respon potensial yang berbeda terhadap larutan uji. Perbedaan respon petensial terjadi dikarenakan oleh perbedaan jenis lipid dan plasticizer yang digunakan sebagai penyusun membran. Dengan memperbanyak larik sensor, diharapkan sistem sensor rasa mampu bekerja optimal dalam membedakan rasa. Selain itu, diperlukan uji karakterisasi sensor untuk mengetahui kinerja dari sistem yang dibuat.
Berdasarkan latar belakang yang ada, maka dilakukan penelitian mengenai pengembangan rancang bangun lidah elektronik menggunakan sensor rasa berbasis membran selektif ion dan melakukan uji karakterisasi untuk mengukur respon potensial larutan lima rasa dasar.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah tersebut, dapat dirumuskan masalah penelitian ini yaitu bagaimana instrumen lidah elektronik (electronic tongue)dapat bekerja meniru prinsip kerja lidah manusia dalam mendeteksi rasa lima rasa dasar. Lima rasa dasar tersebut adalah rasa asin, manis, pahit, asam, dan gurih.
1.3 Batasan Masalah
Berdasarkan rumusan masalah yang diuraikan sebelumnya maka diambil batasan -batasan masalah sebagai berikut:
1. Menggunakan delapan jenis membran berbasis selektif ion yang terdiri dari : empat jenis lipid Dodecylamine (DDC), Decyl Alcohol (DA), Methyltrioctylammonium Chloride (TOMA), dan Oleic Acid (OA) yang dikombinasikan dengan dua plasticizer Dioctyl Pthalate (DOP1) dan Dioctyl Phosphate (DOP2).
2. Objek penelitian yang dibatasi adalah larutan Sakarin (manis), NaCl (asin), NaOH (pahit), NaCH3COOH (asam), dan Monosodium glutamat (umami).
3. Sistem sensor rasa ini tidak dapat digunakan untuk menentukan kuantitas dan komposisi kimia yang terkandung dalam larutan uji.
4. Suhu larutan uji dan dan lingkungan dianggap konstan.
5. Tidak dilakukan pengukuran konduktivitas air yang digunakan sebagai pelarut zat dasar dan untuk mencuci membran.
6. Untuk data penunjang digunakan metode Principle Component Analysis (PCA).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah merancang dan mengimplementasikan sistem sensor rasa berbasis membran selektif ion yang dapat melakukan uji karakterisasi sensor pada lima rasa dasar.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah dapat mengetahui kinerja lidah elektronik yang dapat dijadikan acuan bagi para peneliti lainnya yang ingin mengembangkan sistem lidah elektronik.
1.6 Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian yang digunakan dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Studi Literatur
Langkah pertama dalam penelitian ini adalah dengan mengumpulkan data-data dari artikel, makalah, karya tulis, jurnal ilmiah, serta buku – buku yang berkaitan dengan rancang bangun e-tongue, sistem sensor, dan prinsip kerja membran selektif ion guna memperkuat landasan teori untuk merancang alat e–tongue ini. Kemudian juga melakukan studi pada cabang ilmu kimia analitik mengenai karakteristik larutan uji yang bersifat polar, dan tidak bersifat pelarut.
2. Konsultasi dan diskusi
Tahap ini dilakukan dengan konsultasi bersama dosen pembimbing serta diskusi dengan para ahli yang mengerti dalam bidang elektronika, fisika, kimia organik untuk mendapatkan arahan serta saran yang bermanfaat selama penelitian.
3. Penentuan alat dan bahan
Pada tahap ini, dilakukan penentuan komponen – komponen elektronika yang dapat digunakan dalam sistem e-tongue. Baik dari segi kualitas maupun dari biaya operasional yang dibutuhkan. Alat dan bahan dapat memanfaatkan fasilitas lab, sedangkan barang khusus yang hanya dapat didatangkan di luar daerah akan dipesan.
4. Tahap Perancangan
Pada tahap ini meliputi pembuatan delapan membran selektif ion, perancangan elektronis sistem e-tongue dan perancangan pada perangkat lunak meliputi GUI (Graphical User Interface), analisa data pada software LabVIEW dan PCA.
5. Pengambilan dan pemrosesan data
Pengambilan data dilakukan dengan menggunakan delapan membran terhadap larutan uji lima yang mewakili lima rasa dasar.
6. Implementasi sistem
Implementasi sensor rasa multikanal yang menggunakan software pengolah data, pembuatan GUI.
7. Pembahasan dan kesimpulan
Membahas kinerja dari kombinasi delapan sensor rasa terhadap sampel lima rasa dasar, menyajikan hasil yang diperoleh dari setiap tahap penelitian, dan mengambil kesimpulan dari sistem yang diimplementasikan.
1.7 Sistematika Penulisan
Laporan penelitian tugas akhir ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini membahas tentang latar belakang yang diteliti, perumusan masalah, tujuan pembuatan tugas akhir, manfaat penelitian, batasan masalah pada penelitian ini, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Menguraikan informasi hasil penelitian sebelumnya yang mendasari penelitian ini, serta menghubungkannya dengan penelitian yang dilakukan.
BAB III LANDASAN TEORI
Memuat tentang landasan teori mengenai lidah manusia, penjelasan dan prinsip kerja membran, sensor rasa, elektroda, sistem akuisisi data, PCA, karakteristik sensor serta gambaran komponen yang menunjang dalam pembuatan dan pembahasan tugas akhir ini.
BAB IV ANALISIS DAN PERANCANGAN SISTEM
Berisi gambaran secara keseluruhan dan perancangan sistem baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Menjelaskan tentang metode penelitian yang mencakup alat penelitian, bahan penelitian, tata laksana penelitian, pengujian, dan sistem pengukuran dan penyimpanan data. BAB V IMPLEMENTASI
Berisi penjelasan tentang penerapan sistem dari rancangan yang telah dibuat sebelumnya, meliputi implementasi rancangan hardware dan software.
BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Menyajikan hasil yang diperoleh dari setiap pengujian baik sistem kerja alat pengukuran dan pengujian alat secara keseluruhan, termasuk pembahasan sistem untuk kemudian dibahas dan dianalisis hasilnya. BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi tentang kesimpulan atas penelitian yang telah dilakukan dan memberikan saran untuk pengembangan sistem lebih lanjut.
