TEKNIKA: JURNAL SAINS DAN TEKNOLOGI
Homepage jurnal: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/ju-tek/Sintesis dan karakterisasi plastik
biodegradable
berbasis pati nasi aking
dan kitosan cangkang udang
Nia Sasria
a,1,
Asrilsyah Asrilsyah
a, Muthia Putri Darsini Lubis
a, Ainun Zulfikar
a, Rifqi Aulia
Tanjung
aaProgram Studi Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Kalimantan, Jl. Soekarno Hatta KM. 15 Karang Joang Balikpapan Utara, Kalimantan
Timur, 76127 Indonesia
1E-mail: [email protected]
INFO ARTIKEL
Riwayat artikel:
Diajukan pada 30 Juli 2020 Direvisi pada 06 Agustus 2020 Disetujui pada 10 Oktober 2020 Tersedia daring pada 15 November 2020
Kata kunci:
Pati, kitosan, plastik, biodegradable.
Keywords:
Starch, chitosan, plastic, biodegradable.
ABSTRAK
Bahan plastik memiliki sifat yang sulit terurai, sehingga diperlukan jenis plastik baru yaitu plastik
biodegradable yang dapat didaur ulang secara biologis karena terbuat dari bahan organik seperti kitosan dari limbah cangkang udang dan amilosa dari pati. Cangkang udang digunakan sebagai bahan dasar karena
mengandung kitosan yang memiliki beberapa sifat menguntungkan yakni biocompatibility,
biodegradabillity, hydrophilicity dan antibacterial. Sedangkan limbah nasi aking juga dapat diolah
menjadi plastik biodegradable karena kandungan polimernya yakni amilosa dan amilopektin yang bisa
membentuk lapisan tipis. Tujuan penelitian ini adalah mensintesis dan mengkarakterisasi plastik
biodegradable berbasis pati beras aking dan kitosan cangkang udang. Kedua bahan tersebut dicampur
menggunakan plasticizer gliserol agar menghasilkan lapisan plastik yang elastis melalui sistem solution
casting. Variabel yang digunakan berupa komposisi kitosan 2, 1.5 dan 1 gr serta konsentrasi gliserol 1%, 1.5% dan 2%. Dalam penelitian ini diperoleh hasil struktur mikro pada variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol yang memiliki nilai persentase degradasi paling besar terdapat lekukan dan sedikit gelembung udara (pinhole) dibandingkan dengan struktur mikro dari plastik biodegradable dengan variasi kitosan 2 gr : 2% gliserol. Hal ini menandakan bahwa spesimen plastik dengan variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol memiliki sifat fisik yang lebih baik untuk diaplikasikan sebagai plastik konvensional.
ABSTRACT
The plastic material has properties that are difficult to decompose, so a new type of plastic is needed, namely biodegradable plastic that can be recycled biologically because it is made from organic materials such as chitosan from shrimp shell and amylose from starch. Shrimp shells are used as basic ingredients because they contain chitosan which has several beneficial properties namely biocompatibility, biodegradability, hydrophilicity and antibacterial. Meanwhile, aking rice waste can also be processed into biodegradable plastic because of its polymer content, namely amylose and amylopectin, which can form a thin layer. The purpose of this research is to synthesize and characterize biodegradable plastics based on aking rice starch and shrimp shell chitosan. Both materials are mixed using a glycerol plasticizer to produce an elastic-plastic layer through a solution casting system. The variables used were the composition of chitosan 2, 1.5 and 1 g and the glycerol concentration of 1%, 1.5% and 2%. In this study, the results of the microstructure of the chitosan variation of 1 gr: 1% glycerol with the greatest percentage degradation value were indentations and a few air bubbles (pinhole) compared to the microstructure of biodegradable plastic with a variation of chitosan 2 gr: 2% glycerol. This indicates that plastic specimens with a variation of 1 gr: 1% glycerol chitosan have better physical properties to be applied as conventional plastics.
Tersedia pada: http://dx.doi.org/10.36055/tjst.v16i2.8700
1.
Pendahuluan
Plastik adalah salah satu contoh polimer kimia yang sangat bermanfaat dalam memenuhi kebutuhan sehari-hari sebagai kemasan makanan, tas tangan, botol minuman, mainan anak, wadah peralatan, furnitur, bahan pakaian dan lain-lain [1]. Bahan ini banyak digunakan karena memiliki sifat yang ringan, praktis
Teknika: Jurnal Sains dan Teknologi is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
dan harganya pun terjangkau untuk seluruh kalangan masyarakat Indonesia. Namun, bahan plastik ini juga memiliki sifat yang sukar terurai atau terdegradasi secara sempurna dalam jangka waktu yang lama di lingkungan bumi [2], bahkan ada yang membutuhkan berpuluh-puluh tahun agar dapat terurai. Selain itu, pengurangan limbah plastik juga tidak dapat dilakukan dengan cara pembakaran karena dapat mengeluarkan gas berbahaya yang dapat merusak lingkungan dan kesehatan [3].
Berdasarkan hal tersebut, maka dibutuhkan jenis plastik baru yaitu plastik biodegradable atau plastik yang dapat di daur ulang secara biologi karena mengandung bahan organik [4]. Plastik biodegradable merupakan jenis plastik yang bisa dimanfaatkan sebagai pengganti plastik konvensional karena tergolong jenis plastik yang dapat terurai di alam [5]. Plastik biodegradable ini dapat didaur ulang karena adanya senyawa-senyawa dari bahan pembentuknya seperti pati, selulosa, dan lignin [6]. Selain itu, ada beberapa jenis polimer alam yang dapat pula dijadikan bahan pembentuk plastik biodegradable seperti tapioka dan kitosan, serta biasanya diperlukan penambahan senyawa lain untuk memperbaiki sifat mekaniknya seperti gliserol yang berperan sebagai plasticizer [2].
Penambahan kitosan dan amilosa dari pati sangat dibutuhkan dalam pembuatan plastik biodegradable agar diperoleh plastik yang lebih kuat, plastis dan licin. Kitosan yang ditambahkan dalam pembuatan plastik biodegradable akan mempengaruhi jumlah porositas pada strukturnya. Pori tersebut menyebabkan plastik bersifat hidrofilik karena mudah menyerap air. Selain itu, juga dipengaruhi oleh jumlah kandungan amilosa pati, karena amilosa banyak mengandung gugus hidroksil yang bersifat hidrofilik. Sedangkan struktur plastik biodegradable yang tidak menambahkan kitosan terlihat lebih rapat (dense) sehingga lebih susah terdegradasi karena kurang efektif dalam menyerap air. Namun, bahan kitosan tersebut bersifat keras dan kaku sehingga dibutuhkan plasticizer seperti gliserol agar menjadi lebih fleksibel. Selain itu, juga diperoleh sifat mekanik plastik berupa transparan, elastis, hidrofilik, dan mudah terdegradasi. Beberapa penelitian pembuatan plastik biodegradable telah dilakukan, salah satunya yang menggunakan bahan dasar limbah plastik polipropilena dan pati dari biji durian, dengan memvariasikan massanya, hasil optimum pada rasio 94:6 antara limbah plastik polipropilena dengan pati, serta kekuatan tarik 25,722 N/m2 dan nilai perpanjangan putus 5,292%, tetapi campuran kedua bahan dasar tersebut tidak merata [7].
Karena hal-hal tersebut, penting untuk dilakukan penelitian tentang pembuatan plastik biodegradable yang ramah lingkungan yang menggunakan bahan dasar pati dari nasi aking yang telah diketahui kandungan patinya dari ekstraksi karbohidrat yaitu sebesar 83,19% [8] dan kitosan dari cangkang udang, dimana telah diketahui kandungan kitosan dalam cangkang udang sebesar 70% [9], kemudian dianalisis morfologinya menggunakan mikroskop optik dan gugus fungsi patinya dengan menggunakan FTIR. Selain itu, menggunakan plasticizer gliserol dengan variabel penelitian berupa komposisi kitosan 2, 1.5 dan 1 gr serta konsentrasi gliserol 1%, 1.5% dan 2%, dan juga lama waktu pengujian biodegradasi di dalam media tanah selama satu minggu. Plastik biodegradable ini dibuat agar dapat digunakan sebagai pengganti plastik konvensional sehingga dapat mengurangi masalah pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh limbah plastik yang sukar terurai.
2.
Metodologi Penelitian
2.1. Sintesis Pati Nasi Aking
Pengambilan limbah nasi diambil dari rumah-rumah makan yang ada di daerah Kelurahan Karang Joang, Balikpapan Utara, Kalimantan Timur. Kemudian limbah nasi ini dibersihkan dari kotoran atau sisa makanan lainnya. Selanjutnya, pengeringan nasi aking menggunakan oven pada temperatur 70°C selama 2 jam agar kadar airnya berkurang. Setelah itu, nasi aking yang telah kering dihaluskan dengan menggunakan blender kemudian diayak dengan ayakan mesh 60 agar menghasilkan partikel yang seragam.
2.2. Sintesis Plastik Biodegradable
Pelarutan tepung nasi aking dalam 20 ml asam asetat 3% sambil diaduk pada temperatur 65°C selama 15 menit. Selanjutnya pelarutan kitosan dengan 50 ml asam asetat 3% sambil diaduk selama 30 menit pada temperatur 65°C. Kemudian pencampuran larutan pati nasi aking dalam akuades dengan larutan kitosan sambil diaduk selama 15 menit agar homogen. Selanjutnya ditambahkan dengan plasticizer gliserol sambil diaduk selama 15 menit pada temperatur 65°C. Cetakan teflon dibersihkan dengan alkohol 96% kemudian larutan plastik dituang ke cetakan tersebut. Lalu, dimasukkan ke dalam oven pada temperatur 70°C selama 5 jam. Setelah kering, cetakan dikeluarkan dari oven dan diangin-anginkan pada temperatur ruang. Dalam pembuatan plastik ini digunakan pati nasi aking sebanyak 2 gr dengan variabel berupa komposisi kitosan 2, 1.5 dan 1 gr serta konsentrasi gliserol 1%, 1.5% dan 2%, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Variabel pembuatan plastik biodegradable.
No. Sampel Komposisi kitosan (gr) Konsentrasi gliserol (%)
1 A 2 2 2 B 2 1.5 3 C 2 1 4 D 1.5 2 5 E 1.5 1.5 6 F 1.5 1 7 G 1 2 8 H 1 1.5 9 I 1 1
2.3. Karakterisasi Material
Pati yang dihasilkan diuji gugus fungsinya menggunakan spektroskopi Fourier transform infrared (FTIR). Spesimen plastik biodegradable diuji kemampuan biodegradabilitas-nya dengan menggunakan media tanah yang disebut dengan teknik soil burial test [10]. Dalam tes ini digunakan variabel lama penanaman sampel dalam tanah yaitu 1 minggu. Sampel yang diuji sebanyak 9 sampel yaitu sampel A hingga I yang telah dipreparasi dengan ukuran
3 × 2 cm kemudian ditimbang berat awalnya lalu ditanam dalam pot berisi tanah selama seminggu. Setelah seminggu semua spesimen plastik diambil lalu
ditimbang massa akhirnya. Kemudian sampel dengan kemampuan biodegradasi terbaik dianalisis morfologi permukaannya menggunakan mikroskop optik dengan perbesaran 10 kali.
3.
Hasil dan Pembahasan
3.1. Hasil Analisis Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR)
Analisis FTIR dilakukan pada sampel 1 gr pati nasi aking untuk mengidentifikasi senyawa, mendeteksi gugus fungsi, dan menganalisis campuran pada sampel yang dianalisis. Hasil pengujian FTIR pada 1 gr pati nasi aking dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1.Spektrum FTIR pati nasi aking.
Berdasarkan Gambar 1 terdapat beberapa gugus fungsional yang muncul pada sampel pati nasi aking. Gugus tersebut dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Gugus fungsi pati nasi aking.
Gugus fungsional Ikatan gugus fungsional Bilangan gelombang (cm-1) Hidroksil O-H 3274
Alkana -C-H 2924, 1363 Karbonil C=O 1636 Alkena -C-H 995, 929, 857 Ester C-O 1147, 1076
Berdasarkan data pada Tabel 2 dan spektrum pada Gambar 1 dapat diketahui bahwa pada pati nasi aking terdapat gugus aktif berupa gugus O-H yang muncul pada bilangan gelombang 3274 cm-1. Gugus ini menandakan bahwa di dalam pati terdapat senyawa selulosa dengan gugus hidroksil. Selain itu, gugus fungsional -C-H alkana yang muncul pada bilangan gelombang 2924 dan 1363 cm-1, sedangkan gugus fungsi –C-H alkena muncul pada bilangan gelombang 995, 929 dan 857 cm-1, dilanjutkan adanya serapan pada bilangan gelombang 1636 cm-1 yang menunjukkan adanya gugus fungsi C=O dan gugus
fungsi C-O pada bilangan gelombang 1147 dan 1076 cm-1. Adanya gugus-gugus fungsional tersebut menandakan bahwa pati telah dibuat dengan baik sehingga dapat digunakan untuk membuat plastik biodegradable.
3.2. Hasil Uji Biodegradasi
Hasil uji biodegradasi dengan media tanah ini dilakukan selama 1 minggu, dimana memberikan informasi mengenai kemampuan degradasi dari spesimen plastik biodegradable yang dikubur dalam tanah selama 1 minggu. Hasil uji biodegradasi dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasiluji biodegradasi dalam 1 minggu.
Berat spesimen uji biodegradasi Awal (gram) Akhir (gram) Persen degradasi (%)
Spesimen A (2 gr kitosan : 2% gliserol) 0,44 0,43 2,272 % Spesimen B (2 gr kitosan : 1,5% gliserol) 0,44 0,42 4,545 % Spesimen C (2gr kitosan : 1% gliserol) 0,52 0,49 5,769% Spesimen D (1,5 gr kitosan : 2% gliserol) 0,28 0,27 3,571% Spesimen E (1,5 gr kitosan : 1,5% gliserol) 0,28 0,26 7,142% Spesimen F (1,5 gr kitosan : 1% gliserol) 0,27 0,25 7,407% Spesimen G (1 gr kitosan : 2% gliserol) 0,26 0,25 3,846% Spesimen H (1 gr kitosan : 1,5% gliserol) 0,25 0,23 8% Spesimen I (1 gr kitosan : 1% gliserol) 0,30 0,28 10%
Pengujian biodegradasi polimer melalui penentuan penurunan massa merupakan metode kuantitatif yang paling banyak digunakan. Tahapan metode ini adalah menimbang massa sampel sebelum dan sesudah proses biodegradasi dalam rentang waktu tertentu, dimana semakin besar penurunan massanya maka menujukkan bahwa sampel tersebut semakin cepat terdegradasi [2]. Dalam pengujian ini digunakan teknik soil burial test atau penanaman spesimen plastik biodegradable pada media tanah yang dilakukan selama 1 minggu dengan tujuan agar dapat diukur tingkat kemampuan penguraian spesimen di dalam tanah. Berdasarkan data pada Tabel 3, berat spesimen uji biodegradasi rata-rata mengalami penurunan dengan laju persentase degradasi yang paling tinggi yaitu pada spesimen I yaitu sebesar 10%. Sedangkan laju persentase degradasi yang paling rendah ada pada sampel A yaitu sebesar 2,272%. Hal ini menunjukan adanya pengaruh komposisi kitosan dan gliserol dalam proses degradasi, dimana semakin rendah komposisi kedua bahan tersebut maka semakin cepat terurai di dalam tanah. Selain itu, biodegradasi plastik ini terjadi karena adanya bakteri di dalam tanah seperti Pseudomonas sp., Streptococcus sp., Staphylococcus sp., Bacillus sp., dan Moraxella sp. yang dapat mengurai polimer [11]. Penguraian rantai polimer juga terjadi pada pati singkong pada bagian hidroksil (OH) karbonil (CO), serta ester (COOH) menjadi monomer [12].
Gambar 2. Pengaruh persentase kitosan dan gliserol terhadap persentase degradasi.
Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa pengaruh berat kitosan terhadap nilai persentase degradasi berbanding terbalik. Nilai persentase degradasi spesimen akan semakin kecil seiring dengan semakin berat kandungan kitosannya. Hal ini didukung dengan hasil penelitian sebelumnya yang menyatakan bahwa plastik dengan penambahan chitosan-graft-poly (N-Isopropylacrylamid) memiliki penurunan massa terkecil. Hal ini disebabkan oleh pencangkokan kitosan dan poli yang dapat menaikkan kemampuan biodegradabilitas plastik sebagai struktur percabangan yang lebih banyak membutuhkan enzim untuk memutus rantai polimer sehingga lebih lama terdegradasi [2]. Selain itu, hal ini juga disebabkan oleh lambatnya proses penyerapan air karena kadar kitosan yang tinggi. Kitosan sendiri bersifat hidrofobik sehingga dapat menghambat proses penyerapan air yang memudahkan bakteri dalam proses pembusukkan plastik. Hal ini juga berlaku pada penambahan gliserol, dimana dengan bertambahnya konsentrasi gliserol maka nilai persentase degradasi spesimen akan semakin kecil.
3.3. Hasil Pengujian Mikroskop Optik
Terdapat dua hasil dari pengujian mikroskop optik yaitu plastik biodegradable yang mempunyai persentase degradasi yang paling kecil dan yang paling besar. Hasil dari pengujian mikroskop optik ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4.
Gambar 3. Hasil mikroskop optik spesimen plastik dengan perbandingan konsentrasi 2 gr kitosan : 2% gliserol.
Berdasarkan hasil uji mikroskop optik, diperoleh hasil struktur mikro pada variasi kitosan 2 gr : 2% gliserol yang memiliki persentase degradasi paling rendah. Dapat dilihat bahwa struktur mikronya terdapat lekukan dan banyak gelembung udara (pinhole). Hal ini bisa terbentuk pada saat pembuatan larutan plastik biodegradable terdapat gelembung udara yang terbentuk dan juga disebabkan oleh campuran kitosan yang kurang homogen [13]. Hal ini dapat diatasi pada saat penuangan larutan pada cetakan dibiarkan ditempat terbuka agar gelembung udara yang terbentuk dapat keluar.
Gambar 4. Hasil mikroskop optik spesimen plastik dengan perbandingan konsentrasi 1 gr kitosan : 1% gliserol.
Berdasarkan hasil uji mikroskop optik pada plastik biodegradable diperoleh hasil struktur mikro pada variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol yang memiliki nilai persentase degradasi paling besar. Dapat dilihat bahwa struktur mikronya terdapat lekukan dan sedikit gelembung udara (pinhole) dibandingkan dengan struktur mikro dari plastik biodegradable dengan variasi kitosan 2 gr : 2% gliserol. Hal ini menandakan bahwa spesimen plastik dengan variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol memiliki sifat fisik yang lebih baik.
4.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa dari analisis FTIR telah dihasilkan pati nasi aking yang mengandung senyawa selulosa dengan gugus –OH. Berdasarkan hasil pengujian biodegradable diketahui bahwa nilai persentase degradasi plastik biodegradable akan semakin kecil seiring dengan semakin beratnya kandungan kitosannya. Begitupun dengan penambahan gliserol, dimana dengan bertambahnya konsentrasi gliserol maka nilai persentase degradasi plastik biodegradable akan semakin kecil. Hal ini juga didukung oleh hasil uji mikroskop optik yaitu diperoleh hasil struktur mikro pada variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol yang memiliki nilai persentase degradasi paling besar terdapat lekukan dan sedikit gelembung udara (pinhole) dibandingkan dengan struktur mikro dari plastik biodegradable dengan variasi kitosan 2 gr : 2% gliserol. Hal ini menandakan bahwa spesimen plastik dengan variasi kitosan 1 gr : 1% gliserol memiliki kondisi fisik yang paling baik untuk diaplikasikan sebagai plastik konvensional.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada kampus Institut Teknologi Kalimantan (ITK) yang telah membantu pendanaan dalam penelitian ini melalui Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat ITK.
Lekukan pada permukaan Gelembung udara Lekukan pada permukaan
DAFTAR PUSTAKA
[1] Bayer, I. S., Guzman-Puyol, S., Heredia-Guerrero, J. A., Ceseracciu, L., Pignatelli, F., Ruffilli, R., Cingolani, R., & Athanassiou, A. (2014). Direct transformation of edible vegetable waste into bioplastics. Macromolecules, vol. 47, no. 15, pp. 5135-5143.
[2] Syaubari, Safwani, S., & Riza, M. (2018). Synthesis of biodegradable plastic from tapioca with N-Isopropylacrylamid and chitosan using glycerol as plasticizer. ICOOPChe 2017, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., vol. 345, pp.012049.
[3] Muhsin, M. S., Sudrajat, & Kusuma, R. (2016). Pemanfaatan limbah kulit buah lai Durio kutejensis (Hassk) Becc. sebagai antibakteri dari bakteri Staphylococcus aureus dan Salmonella enterica Serovar Typhi (S.Typhi). Prosiding Seminar Sains dan Teknologi FMIPA Unmu, Samarinda. pp. 399-403. ISBN: 978-602-72658-1-3.
[4] Lazuardi, G. P., & Cahyaningrum, S. E. (2013). Pembuatan dan karakterisasi bioplastik berbahan dasar kitosan dan pati singkong dengan plasticizer gliserol. Journal of Chemistry, vol. 2, no. 3, pp. 161-166.
[5] Pranamuda H. (2001). Pengembangan bahan plastik biodegradabel berbahan baku pati tropis.. In Disampaikan pada Seminar On-Air Bioteknologi untuk Indonesia Abad (Vol. 21, pp. 1-14).
[6] Averous, L. (2014). Biodegradable multiphase systems based on plasticized starch: A review. Journal of Macromolecular Science, vol. C44, no. 3, pp. 231–274.
[7] Nirmala, D., Pelita, E., & Hidayani, T. R. (2014). Interaksi fisika plastik biodegradabel dari limbah polipropilen dengan bahan pengisi pati biji durian. Laporan Penelitian ATIP.
[8] Kumoro, A. C., & Purbasari, A. (2014). Sifat mekanik dan morfologi plastik biodegradable dari limbah tepung nasi aking dan tepung tapioka menggunakan gliserol sebagai plasticizer. Teknik, vol. 35, no. 1, pp. 8-16.
[9] Permanasari, A., et al. (2010). Uji kinerja adsorben kitosan-bentonit terhadap logam berat dan diazinon secara simultan. Jurnal Sains dan Teknologi Kimia, vol. 1, no. 2, pp. 121-134.
[10] Subowo, W. S., & Pujiastuti, S. (2003). Plastik yang terdegradasi secara alami (biodegradable) terbuat dari LDPE dan pati jagung terlapis. Prosiding Simposium Nasional Polimer IV, Bandung, pp. 203-208. ISSN 1410-8720.
[11] Maran, J. P., Sivakumar V., Thirugnanasambandham K., & Sridhar R. (2014). Degradation behavior of biocomposites based on cassava starch buried under indoor soil conditions. Carbohydr. Polym., vol. 101, pp. 20–28.
[12] Wahyuningtiyas, N. E., & Suryanto, H. (2017). Analysis of biodegradation of bioplastics made of cassava starch. Journal of Mechanical Engineering Science and Technology, vol. 1, no. 1, pp. 24-31.
[13] Coniwanti, P., Laila, L., & Alfira, M. R. (2014). Pembuatan film plastik biodegredabel dari pati jagung dengan penambahan kitosan dan pemplastis gliserol. Jurnal Teknik Kimia, vol. 20, no. 4, pp. 22-30.
