191
OPTIMASI REAKSI AMIDASI ENZIMATIS DIETANOLAMIDA
MENGGUNAKAN Rhizomucor Meihei
Eka Kurniasih1* dan Tjahjono Herawan2
1
Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh-Medan km. 280 Buketrata-Lhokseumawe
*Email : echakurniasih@yahoo.com
Abstrak
Surfaktan adalah senyawa yang memiliki dua gugus yaitu hidrofobik (lipofilik) dan hidrofilik (lipopobik) dalam satu molekul. Salah satu jenis surfaktan adalah dietanolamida yang dapat disintesa dari asam lemak sawit dengan senyawa dietanolamina melalui reaksi amidasi menggunakan aktifitas enzim lipase. Jenis enzim lipase yang dipilih adalah Rhizomucor meihei karena memiliki aktifitas yang baik terhadap asam lemak rantai sedang hingga panjang (C12-C18). Optimasi
sintesa dietanolamida dilakukan terhadap tiga variabel yang mempengaruhi reaksi amidasi. Variabel yang digunakan dalam metode ini adalah konsentrasi Rhizomucor meihei (b/b), rasio mol dietanolamina dan temperatur reaksi. Hasil penelitian memberikan respons optimal pada konsentrasi Rhizomucor meihei 10% (b/b), rasio mol dietanolamina terhadap asam lemak (10:1) dan temperatur 50oC dengan konversi 80,83%.
Kata kunci : Amidasi, Enzim, Lipase, Optimasi, Rhizomucor meihei
Pendahuluan
Dietanolamida adalah golongan senyawa alkanolamida yang diperoleh melalui reaksi amidasi. Sintesa alkanolamida secara kimiawi konvensional dilangsungkan dengan menggunakan katalis basa pada temperatur 120oC-150oC. Pada akhir produk akan diperoleh kandungan sabun amina yang akan menaikkan pH produk, sehingga dibutuhkan tahapan purifikasi lebih lanjut. Oleh sebab itu dikembangkan proses enzimatis untuk menghasilkan dietanolamida dari asam lemak dan minyak nabati dengan menggunakan biokatalisator. Biokatalisator yang digunakan dapat berupa enzim lipase. Enzim lipase yang digunakan harus memiliki sifat spesifik pada substrat asam lemak sawit. Sifat spesifik adalah kemampuan suatu enzim untuk beraktifitas pada satu jenis substrat tertentu [1].
Rhizomucor meihei adalah satu dari banyak lipase yang biasa digunakan dalam reaksi
esterifikasi asam lemak untuk produksi metil ester asam lemak (FAME), kosmetik (palm oil emulsifier) yang mengandung asam palmitat yang tinggi, industri makanan (cocoa butter), industri minyak nabati seperti minyak jagung, minyak bunga matahari, minyak zaitun [2].
Penggunaan reaksi enzimatis pada asam lemak dan minyak nabati memiliki beberapa keuntungan yaitu (i) sifat spesifik lipase yang tinggi sehingga akan dihasilkan produk yang murni (ii) penggunaan suhu dan tekanan yang relatif rendah, (iii) biaya pengelolaan limbah yang relatif lebih murah dan (iv) produk yang dihasilkan lebih aman dibandingkan dengan proses kimia konvensional [3].
192 Dietanolamida yang diperoleh dari asam lemak (fatty acid) sering dikenal sebagai fatty amida dan merupakan surfaktan non ionik yang banyak digunakan sebagai bahan pembuatan shampoo, busa mandi (shower foam), pemantap lateks, zat penghambat karat, produk pembersih peralatan rumah tangga dan deterjen cair [4].
Surfaktan adalah senyawa yang memiliki dua gugus yaitu hidrofobik (lipofilik) dan hidrofilik (lipopobik) dalam satu molekul, sehingga disebut sebagai senyawa amphilic [5].
Dietanolamida pertama kali diperoleh dengan mereaksikan dua mol dietanolamina dengan satu mol asam lemak. Senyawa ini diberi nama Kritchevsky amida sesuai dengan nama penemunya. Bahan baku yang digunakan dalam produksi dietanolamida dapat berupa asam lemak, trigliserida atau metil ester. Dietanolamida biasanya diproduksi secara kimia konvensional pada temperatur 150oC selama 6-12 jam [6]. Dari hasil reaksi akan dihasilkan produk dietanolamida dan hasil samping berupa sabun amina. Kehadiran sabun amina ini, tentu saja akan menaikkan pH produk. Pada tahap selanjutnya akan dilakukan pemurnian produk untuk memisahkan produk utama dengan sabun amina. Dietanolamida termasuk dalam surfaktan non ionik, yang memiliki kemampuan untuk menurunkan tegangan permukaan cairan, atau antar permukaan dua cairan yang tidak saling bercampur. Aktifitas suatu surfaktan terjadi karena sifat ganda dari molekulnya, yang terdiri dari bagian hidrofil (suka air) dan lipofil (suka lemak). Bagian polar (hidrofil) molekul surfaktan dapat bermuatan positif (surfaktan kationik), negatif (surfaktan anionik), memiliki kedua muatan positif dan negatif (surfaktan amfoterik) ataupun netral (surfaktan non ionik) sedangkan bagian lipofilnya merupakan rantai alkil [7]
Proses produksi dietanolamida melalui reaksi amidasi enzimatis, melibatkan dietanolamina akan menghasilkan senyawa alkanolamida yang memiliki tingkat kepolaran yang lebih baik dibandingkan alkanolamina lainnya. Hal ini disebabkan oleh adanya dua gugus hidroksil dalam molekul alkonolamida yang dihasilkan.
Berikut adalah reaksi pembentukan dietanolamida
R-C-OH + H-N-CH2CH2OH R-C-N-CH2CH2OH + H2O
ALSD Dietanolamina Dietanolamida Air
Metode Penelitian
Metode Response Surface Methodology (RSM) digunakan untuk mendesain percobaan dalam menentukan kondisi optimum proses amidasi asam lemak sawit distilat menjadi dietanolamida dengan menggunakan tiga faktor sebagai variabel bebas, yaitu :
1. Konsentrasi biokatalis (Rhizomucor meihei)
2. Rasio mol dietanolamina terhadap asam lemak sawit distilat (ALSD) 3. Temperatur reaksi O CH2CH2OH O CH2CH2OH Enzim Lipase
193 Percobaan dirancang mengikuti bentuk Central Composite Design (CCD). Titik pusat (center point) dalam rancangan percobaan CCD merupakan konversi terbaik dari masing-masing variabel yang diperoleh melalui percobaan pendahuluan [8]
Titik pusat tersebut akan disusun sebagi level terkode percobaan yang disajikan pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Perlakuan Terkode Untuk Amidasi ALSD
Perlakuan Perlakuan Terkode
-1,682 -1 0 1 1,682
Konsentrasi Rhizomucor meihei (b/b) 6,64 8 10 12 13,36
Rasio Mol Dietanolamina/ALSD 4,96 7 10 13 15,04
Temperatur reaksi (oC) 33 40 50 60 67
Hasil Penelitian
Penelitian utama dilakukan untuk mengetahui konversi optimum yang dapat diperoleh dari amidasi asam lemak sawit distilat menggunakan lipase Rhizomucor meihei. Penelitian utama dilakukan dengan menggunakan aturan rancangan percobaan central
composite design (CCD) dengan tiga variabel bebas dan dua level, yaitu rendah (low)
dan tinggi (high), sehingga diperoleh 20 run percobaan optimasi. Penelitian ini memilih CCD sebagai bentuk desain eksperimen disebabkan oleh CCD memberikan rancangan yang sistematik untuk memperoleh interaksi antar variabel. Dari rancangan CCD ini akan diperoleh interaksi dari ketiga variabel yaitu konsentrasi Rhizomucor
meihei (X1), rasio mol dietanolamina terhadap asam lemak sawit distilat (X2) dan
temperatur (X3) Berikut adalah hasil percobaan optimasi yang telah dilakukan. Tabel 2. Hasil Percobaan Optimasi
No Konsentrasi R.meihei (X1) Rasio Mol Dietanolamina/ALSD (X2) Temperatur (X3) Konversi (%)
Aktual Kode Aktual Kode Aktual Kode
1 8 -1 7 -1 40 -1 70,40628 2 12 1 7 -1 40 -1 75,39498 3 8 -1 13 1 40 -1 78,18018 4 12 1 13 1 40 -1 78,24793 5 8 -1 7 -1 60 1 75,61983 6 12 1 7 -1 60 1 79,79074 7 8 -1 13 1 60 1 78,64413 8 12 1 13 1 60 1 80,12671 9 6,64 -1,682 10 0 50 0 75,15567 10 13,36 1,682 10 0 50 0 78,09618 11 10 0 4,96 -1,682 50 0 72,02944 12 10 0 15,04 1,682 50 0 79,17355 13 10 0 10 0 33 -1,682 76,02739 14 10 0 10 0 67 1,682 74,05766 15 10 0 10 0 50 0 80,67154 16 10 0 10 0 50 0 80,83069 17 10 0 10 0 50 0 80,74823 18 10 0 10 0 50 0 80,48579 19 10 0 10 0 50 0 80,46677 20 10 0 10 0 50 0 80,50477
194
Analisa Pengaruh Variabel
Pengaruh signifikansi variabel-variabel yang digunakan dapat diobservasi dari hasil analisa statistika untuk signifikansi pengaruh dari ketiga variabel
Tabel 3. Hasil Statistika Response Surface Methodology (RSM)
Parameter Hasil Analisa Statistika
Koefisien Nilai p
Konstanta 80,5666 0,000
Konsentrasi Rhizomucor meihei (X1) 1,1463 0,022
Rasio mol ALSD/Dietanolamina (X2) 1,9040 0,001
Temperatur (X3) 0,6326 0,165
Konsentrasi Rizhomucor meihei (X1*X1) -1,0760 0,026
Rasio mol ALSD/Dietanolamina (X2*X2) -1,4381 0,006
Temperatur (X3*X3) -1,6358 0,003 X1*X2 -0,9512 0,115 X1*X3 0,0746 0,895 X2*X3 -0,9083 0,131 R2 0,867 Nilai p Pemodelan 0,003
Keterangan : * Faktor signifikansi (p<0,05)
Berdasarkan hasil analisa statistika diatas, dapat diketahui bahwa konsentrasi biokatalis (Rhizomucor meihei) memberikan pengruh yang positif sebesar 1,1463 dan signifikan terhadap pembentukan produk. Tetapi kuadrat variabel konsentrasi biokatalis
Rhizomucor meihei dan interaksinya dengan rasio mol dietanolamina memberikan
efek negatif sebesar -1,0760 dan -0,9512 meskipun tidak signifikan. Begitu pula interaksi konsentrasi Rhizomucor meihei dengan temperatur yang memberikan efek positif 0,0746 dengan nilai p 0,895. Hal ini menunjukkan adanya batasan dalam penggunaan Rhizomucor meihei, rasio mol dietanolamina dan temperatur yang dilibatkan pada reaksi. Rasio mol dietanolamina terhadap ALSD turut memberikan pengaruh yang signifikan dan positif 1,9040. Tetapi interaksinya dengan temperatur (X2.X3) memberikan efek negatif yang tidak signifikan. Variabel temperatur, turut
memberikan efek positif yang relatif kecil dibandingkan variabel lainnya dan tidak signifikan sebesar 0,6326. Interaksi temperatur dengan variabel reaksi lainnya juga tidak signifikan. Ini menunjukkan bahwa laju reaksi enzimatis antara asam lemak sawit distilat dengan dietanolamina banyak dipengaruhi oleh besarnya konsentrasi
Rhizomucor meihei dan rasio mol dietanolamina terhadap asam lemak sawit distilat,
sedangkan peningkatan temperatur memberikan pengaruh yang tidak signifikan terhadap laju pembentukan produk dietanolamida. Namun penggunaan variabel konsentrasi biokatalis dan rasio mol dietanolamina terhadap ALSD juga memiliki batasan tertentu, sebab dalam reaksi enzimatis dikenal adanya hambatan oleh substrat. Selanjutnya, model persamaan yang dapat menunjukkan hubungan variabel reaksi dan interaksinya terhadap % konversi dietanolamida dengan nilai toleransi galat sebesar p >| T | = 0,005 diperoleh sebagai berikut :
Y = 80,5666 + 1,1463X1 + 1,9040X2 + 0,6326X3 – 1,0760X12 – 1,4381X22 –1,6358X32
Model orde dua yang diperoleh akan diplot sebagai respon permukaan dan kontur permukaan tiga dimensi untuk mengekspresikan respon % konversi dari percobaan.
195 1 Konversi (%) 65 0 70 75 80 Kons R.meihei (b/b) -2 -1 -1 0 1 -2
Rasio Mol Dietanolamina/ALSD
Analisa Respon Variabel
Respon Konsentrasi Rhizomucor meihei Terhadap Rasio Mol Dietanolamina/ALSD
Interaksi dari tiga variabel percobaan dalam desain central composite design (CCD) dianalisa melalui respon permukaan (surface response) dan countur. Respon permukaan dan grafik kontur tiga dimensi untuk pengaruh konsentrasi Rhizomucor
meihei terhadap rasio mol dietanolamina/ALSD dapat diplot dengan menggunakan Rhizomucor meihei sebagai sumbu y dan rasio mol dietanolamina terhadap ALSD
sebagai sumbu x dan respon konversi pada sumbu z dengan temperatur reaksi tetap. Dari respon tersebut akan diketahui level variabel yang dapat digunakan untuk mendapatkan konversi dietanolamida optimum. Respon permukaan menunjukkan bahwa konversi dietanolamida meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi biokatalis dan rasio mol dietanolamina hingga batasan tertentu.
Gambar 1. Respon Permukaan dari Plot Konsentrasi Rhizomucor meihei Terhadap Rasio Mol Dietanolamina/ALSD
Plot permukaan ini mengekspresikan bahwa peningkatan konversi dietanolamida lebih tajam pada peningkatan rasio mol dietanolamina dibandingkan dengan bertambahnya konsentrasi Rhizomucor meihei. Bertambahnya rasio dietanolamina akan menyebabkan peningkatan konsentrasi campuran. Pada konsentrasi substrat yang tinggi peluang terjadinya tumbukan antar partikel semakin besar, sehingga kemungkinan terjadinya reaksi amidasi semakin besar.
Respon Temperatur Terhadap Konsentrasi Biokatalis
Respon berikut menunjukkan ekspresi respon permukaan % konversi dietanolamida pada rasio mol dietanolamina terhadap asam lemak sawit distilat tetap. Terlihat bahwa peningkatan konsentrasi Rhizomucor meihei sangat mempengaruhi perolehan % konversi, sedangkan temperatur pada level tertentu. Ekspresi permukaan kurva menunjukkan bahwa kondisi optimum reaksi terhadap temperatur terdapat pada pusat lengkungan kurva. Hal ini memungkinkan penggunaan temperatur yang moderat yaitu 50oC–55oC pada reaksi untuk perolehan produk optimum yang diwujudkan oleh pengaruh positif sebesar 0,6326. Untuk penggunaan konsentrasi biokatalis yang tinggi pada temperatur yang moderat dapat meningkatkan perolehan produk, yang diekspresikan dari interaksi bernilai positif dari variabel konsentrasi Rhizomucor meihei
196 1 Konversi (%) 70 0 75 80 Kons R.meihei (b/b) -2 -1 -1 0 1 -2 Temperatur (oC) 1 Konversi (%) 65 0 70 75 80 Temperatur (oC) -2 -1 -1 0 1 -2
Rasio Mol Dietanolamina/ALSD
dan temperatur (X1.X3). Tetapi pengaruh yang diberikan oleh biokatalis lebih besar dari
pada variabel temperatur.
Gambar 2. Respon Permukaan dari Plot Konsentrasi Rhizomucor meihei Terhadap Temperatur
ResponTemperatur Terhadap Rasio Mol ALSD/Dietanolamina
Respon permukaan menggambarkan, bahwa pada temperatur rendah (pada level 2), perolehan % konversi dietanolamida meningkat seiring dengan tingginya penggunaan rasio mol dietanolamida/ALSD pada reaksi. Hal ini diwujudkan oleh analisa statistik yang memberikan nilai positif pada variabel rasio mol dietanolamina dan temperatur. Tetapi pengaruh yang signifikan dan tajam lebih diberikan oleh variabel rasio mol dibandingkan dengan temperatur. Hal ini juga ditunjukkan oleh interaksi antara dua variabel tersebut (X2.X3) yang memberikan respon negatif tetapi tidak signifikan. Grafik
tiga dimensi untuk pengaruh temperatur terhadap rasio mol ini, memperlihatkan bahwa perolehan produk terbesar berada pada kondisi temperatur pada titik pusat (center
point)
Gambar 3. Respon Permukaan dari Plot Rasio Mol Dietanolamina/ALSD Terhadap Temperatur
197 Gambar 4. Hasil Spektrofotometer Infra Red Pada Produk Optimum
Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil antara lain::
1. Kondisi optimum reaksi diperoleh pada konsentrasi Rhizomucor meihei 10% (b/b), rasio mol dietanolamina/ALSD 10:1 dan temperatur 50oC dengan konversi reaksi sebesar 80,83 %.
2. Pada percobaan optimasi, pengaruh yang signifikan diberikan oleh peningkatan rasio mol dietanolamina/ALSD, diikuti oleh peningkatan konsentrasi Rhizomucor
meihei. Sedangkan kenaikan temperatur tidak memberikan pengaruh yang
signifikan terhadap konversi reaksi
Referensi
[1] Poedjiadi, A,. 1994. Dasar-Dasar Biokimia. Penerbit Universitas Indonesia
[2] Hasan, F.; A. Ali Shah, dan A. Hameed. 2005. Industrial Application of Microbial Lipase. Microbiology Research Laboratory, Pakistan
[3] Elisabeth, J.; Jatmika, A.; E.Nainggolan, dan D.M Malau. 1998. Preparasi Mono-dan Digliserida Dari Minyak Sawit Dengan Gliserolisis Enzimatik. Jurnal Penelitian Kelapa Sawit 6(1): 79-94
[4] Rahman, A.; M.B. Yap.; C.L. K.Dzulkefly, dan R.N.Z. Abdul Rahman. 2003. Synthesis of Palm Kernel Oil Alkanolamide Using Lipase. Journal of Oleo Science (JOS) Vol 52 No.2, 65-72
[5] Gautam, K.K. dan Tyagi, V.K. 2005. Microbial Surfactant. Journal of Oleo Science (JOS) Vol 55 No.4, 155-166
[6] Herawan, T.; E. Nuryanto, dan P. Guritno. 1999. Penggunaan Asam Lemak Sawit Distilat Sebagai Bahan Baku Superpalmamida. Jurnal Penelitian Kelapa Sawit 7(1) : 33-42
[7] Genaro, R.A. 1990. Rhemington’s Pharmaceutical Science. Edisi 18. Macle Printing Company, Easton, Pennsilvania, USA
[8] Montgomery, Douglas C. 1997. Design And Analysis Of Experiments. Edition-5. John wiley And Son Inc.
