BAB 3 MODFIKASI PATI DAN SIFAT FUNGSIONAL
3.1. Cara modifikasi pati
Pati alami pada umumnya memiliki kelemahan sifat-sifat yang menyebabkan penggunaannya terbatas, antara lain tidak tahan terhadap panas, asam dan proses mekanis (Xu dkk., 2004), karena itu perlu dilakukan modifikasi pati. Menurut Cereda dkk.
(2003), modifikasi pati dapat dilakukan dengan 4 cara, yaitu (i) modifikasi secara fisik (pragelatinisasi), (ii) modifikasi secara kimiawi (modifikasi asam, oksidasi, eterifikasi, esterifikasi, dan cross-linking), (iii) modifikasi secara enzimatis dan (iv) modifikasi dengan cara perlakuan ganda (kombinasi dari cara tersebut di atas).
3.1.1. Modifikasi secara fisik
Modifikasi pati secara fisik merupakan cara modifikasi yang relatif sederhana. Proses ini bisanya dilakukan dengan cara memberikan panas dengan suhu tertentu dan dengan lama tertentu pula, sesuai dengan karakteristik pati termodifikasi yang dikehendaki. Namun dalam tahap persiapan juga digunakan perlakukan tekanan atau jenis asam tertentu guna menghasilkan pati termodifikasi dengan spesifikasi khusus. Pada umumnya metode ini dipilih untuk menghasilkan jenis pati yang mudah larut dalam air dingin atau air panas (Cereda dkk., 2003).
3.1.2. Modifikasi secara kimiawi
Modifikasi secara kimia tergantung pada reaktivitas dari radikal yang terdapat di dalam molekul gula. Pati yang termodifikasi secara kimiawi disebut juga derivat pati. Modifikasi secara kimiawi dapat dilakukan dengan cara oksidasi, eterifikasi dan esterifikasi, tergantung dari karakteristik pati termodifikasi yang dikehendaki. Menurut Cereda dkk. (2003), proses modifikasi pati secara oksidasi biasanya dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan pati termodifikasi
dengan karakteristik: (1) memiliki viskositas rendah, (ii) memiliki kecepatan retrogradasi rendah, (iii) lebih cepat tergelatinisasi, (v) memiliki kejernihan lebih baik, dan (vi) pada suhu dingin tidak membentuk gel yang rigid.
Modifikasi secara eterifikasi biasanya dilakukan untuk mendapatkan pati termodifikasi dengan karakteristik: (i) memiliki kecepatan retrogradasi dan suhu gelatiniasasi yang rendah, (ii) stabil pada suhu beku, dan (iii) mudah dimasak. Modifikasi secara esterifikasi dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan pati termodifikasi dengan karakteristik: (i) memiliki kecepatan retrogradasi lebih lambat, stabil pada suhu rendah, panas dan kondisi asam, (ii) serta memiliki kejernihan pasta lebih baik dan mudah dimasak (Cereda dkk., 2003).
Pada modifikasi kimia pati secara esterifikasi, terdapat tiga gugus OH pada atom C2, C3 dan C6 pada satuan glukosa yang dapat disubstitusi oleh gugus asil melalui reaksi adisi-eliminasi dengan keberadaan senyawa intermediet yang terbentuk (Muljana dkk., 2010). Reaktivitas gugus OH berbeda pada atom C2, C3 dan C6, gugus OH pada atom C primer (C6) lebih reaktif daripada gugus OH pada atom C sekunder (C2 dan C3) (Xu dkk., 2004) dan gugus OH pada atom C2 lebih reaktif daripada C3 karena sifat sterik atom C3 (Diop dkk., 2011b). Pada Gambar 20, dapat dilihat mekanisme reaksi esterifikasi.
Gambar 20. Mekanisme reaksi esterifikasi (Muljana dkk., 2010)
Berbagai cara esterifikasi telah digunakan untuk membuat pati asetat, pati oktenil suksinat, dan pati butirat. Asetilasi maltodekstrin dengan vinil asetat menghasilkan maltodekstrin asetat yang mengalami substitusi pada atom C2, C3 dan C6 (Shogren dan Biswas, 2010). Modifikasi pati jagung ketan (waxy maize) dengan oktenil suksinat anhidrida menghasilkan pati oktenil suksinat yang mengalami substitusi pada atom C2 dan C3 (Bai dan Shi., 2011), sedangkan modifikasi maltodekstrin dengan oktenil suksinat anhidrida menghasilkan maltodekstrin oktenil suksinat yang mengalami substitusi pada atom C2, C3 dan C6 (Bai dkk., 2011).
Proses esterifikasi dengan menggunakan butirat anhidrida telah dilakukan oleh Annison dkk. (2003) dengan menggunakan pati jagung kaya amilosa. Sebelum dilakukan proses esterifikasi terlebih dulu dilakukan pelarutan pati jagung kaya amilosa di dalam larutan dimetil sulfoksida (DMSO) dengan maksud agar proses reaksi esterifikasi dapat berlangsung secara optimum. Walaupun DMSO diketahui memiliki daya larut yang tinggi, akan tetapi penggunaan DMSO juga memiliki banyak kelemahan, karena selain harganya yang cukup mahal, penggunaan DMSO sebagai pelarut akan menyebabkan pati termodifikasi yang diperoleh sulit untuk dimurnikan. Untuk menghilangkan bau yang tidak dikehendaki, setelah proses reaksi esterifikasi selesai, dilakukan pencucian dengan menggunakan etanol dan kemudian dilakukan pengeringan pada suhu 40oC. Karena itu pati aren butirat diduga sangat mungkin dapat dibuat dengan cara mirip dengan asetilasi dan oktenil suksinasi pati yang sudah lazim dilakukan.
Miyazaki dkk. (2006) mengemukakan teori reaksi kimia selama asetilasi pati seperti terlihat pada Gambar 21. Dalam reaksi asetilasi terjadi substitusi nukleofilik, “penyerangan” elektron dari pati menuju proton dari asam. Substitusi terjadi pada gugus OH bebas pada posisi
atom C2, C3, dan C6 dari molekul pati dengan reaktivitas berbeda- beda. Gugus OH pada atom C6 adalah yang paling reaktif dan lebih tersedia untuk reaksi substitusi, yang disebabkan oleh posisinya yang berada pada permukaan molekul pati. Sedangkan gugus OH pada atom C2 dan C3 berada di dalam permukaan dalam molekul pati, sehingga lebih terkena sifat sterik yang menjadikannya kurang reaktif.
Gugus OH pada atom C2 lebih reaktif dibandingkan dengan atom C3 karena lebih dekat atom Cα. Setelah esterifikasi, sifat pati ester akan berubah, dan besarnya perubahan tersebut sangat tergantung pada DS dan panjang rantai karbon yang menggantikan gugus OH.
Reaksi asetilasi dilakukan pada kondisi alkali dengan bantuan NaOH dimaksudkan untuk memberikan kondisi dengan polaritas yang maksimal, muatan negatif dari pati semakin negatif dan muatan positif dari asam semakin positif. NaOH berperan dalam penggelembungan molekul pati, sehingga memudahkan molekul asetat anhidrida untuk inkorporasi ke dalam molekul pati dan mengaktifkan gugus hidrofilik yang menyebabkan terjadinya serangan nukleofilik ke molekul asetat ahidrida (Xu dkk., 2004).
Asam asetat Pati asetat
Asetat anhidrida Pati
Pati asetat
Gambar 21. Reaksi kimia selama asetilasi pati (Miyazaki dkk., 2006)
3.1.3. Modifikasi secara ganda
Proses modifikasi ini dilakukan dengan cara memberikan perlakuan ganda. Misalnya perlakuan cross-linking dengan esterifikasi atau eterifikasi. Perlakuan ganda ini dilakukan karena bila hanya dilakukan dengan satu cara modifikasi belum diperoleh karakteristik pati termodifikasi sebagaimana yang diharapkan. Misalnya pati termodifikasi yang memiliki karakteristik: (i) retrogradasi pasta berlangsung lambat, (ii) memiliki radikal hidrophobik dan hidrophilik.
Untuk mendapatkan karakteristik tersebut maka pertama dilakukan modifikasi secara cross-linking dan kedua dilanjutkan dengan reaksi esterifikasi (Cereda dkk., 2003).
Pati alami dalam kondisi panas dan kondisi asam pada umumnya memiliki viskositas yang tinggi. Di samping itu juga memiliki retrogradasi yang tinggi, sehingga akan mudah membentuk gel dan mudah mengalami sineresis. Sifat tersebut sangat tidak dikehendaki dalam aplikasinya pada produk pangan. Untuk memperbaiki sifat tersebut tidak cukup hanya dilakukan modifikasi dengan cara esterifikasi, akan tetapi perlu dilakukan modifikasi ganda (dual modification), yaitu kombinasi antara modifikasi dengan cara cross-linking dan esterifikasi. Menurut Cereda dkk. (2003), untuk mendapatkan karakteristik tersebut maka pertama dilakukan modifikasi secara cross-linking dan kedua dilanjutkan dengan reaksi esterifikasi. Modifikasi ganda cukup sering dilakukan untuk memperbaiki sifat-sifat pati alami. Menurut Wu dan Seib (1990), tersubtitusinya gugus asetil kombinasi dengan cross-linking, terbukti dapat menghambat retrogradasi dan menghasilkan pati dengan perbaikan pada sifat stabilitas beku-cair.
3.2. Faktor-faktor yang mempengaruhi modifikasi pati 3.2.1. Derajat keasaman
Pada proses modifikasi pati, terutama proses modifikasi dengan cara esterifikasi, pH suspensi berperanan dalam proses keberhasilan reaksi. Hasil penelitian sebelumnya sebagaimana yang dilaporkan oleh Bentancur dkk. (1997), bahwa pH berpengaruh terhadap gugus asetil yang terikat pada molekul glukosa dan efisiensi reaksi.
Pada proses asetilasi pati Xanthosoma violaceum diketahui bahwa efisiensi reaksi tertinggi diperoleh pada pH 8,0–8,4, dengan lama waktu reaksi 30 menit. Menurut Wilkins (2003), makin banyak jumlah NaOH yang ditambahkan akan menyebabkan menurunnya efisiensi reaksi, pada penambahan NaOH dari 350 mL menjadi 450 mL. Hasil yang berbeda ditunjukkan dari hasil penelitian yang dilakukan Xu dkk., (2004), bahwa peningkatan jumlah NaOH yang ditambahkan dari 0,15 menjadi 0,29 (g NaOH/g pati) akan meningkatkan derajat substitusi pada proses asetilasi pati jagung.
Hal ini menunjukkan bahwa setiap jenis pati memiliki karakteristik tertentu (Clark, 2002).
Proses modifikasi pati jagung dan pati amaranth pada umumnya dilakukan pada pH antara 7,0-11,0. Menurut Bhosale dan Singhal (2006), bahwa untuk mendapatkan hasil yang optimum, proses modifikasi pati jagung dan pati amaranth dilakukan pada pH 8,0. Apabila reaksi esterifikasi dilakukan pada pH lebih dari 8,0, maka pati mudah mengalami hidrolisis, sedangkan apabila proses esterifkasi dilakukan pada pH kurang dari 8,0, maka tidak cukup efektif bagi gugus hidroksil dari pati untuk menyerang nukleofil dari anhidrida, sehingga proses esterifikasi tidak dapat terjadi secara efektif.
3.2.2. Konsentrasi Reaktan
Konsentrasi reaktan juga berpengaruh terhadap modifikasi pati. Kecepatan reaksi akan meningkat dengan meningkatnya konsentrasi reaktan yang dapat dijelaskan dengan teori tumbukan.
Bila konsentrasi reaktan meningkat, maka frekuensi benturan antara partikel akan meningkat. Berdasarkan teori tumbukan, konsentrasi reaktan memegang peranan penting di mana benturan antar partikel akan menghasilkan reaksi dan akan menghasilkan energi tumbukan sehingga akan memungkinkan terjadinya benturan antar partikel. Dua reaktan dapat bereaksi bersama bila antara satu reaktan dengan reaktan lainnya saling kontak. Pertama yang terjadi adalah benturan antara satu reaktan dengan reaktan lainnya, dan kedua adalah terjadinya reaksi. Namun demikian tidak semua benturan antar molekul dapat menyebabkan terjadinya reaksi. Benturan antar molekul dapat menyebabkan terjadinya reaksi bila memiliki energi aktivasi minimum. Energi aktivasi adalah energi minimum yang diperlukan sehingga memungkinkan terjadinya tumbukan antar molekul sehingga memungkinkan terjadinya reaksi (Solomons, 1990). Bila energi yang dihasilkan karena terjadinya benturan antar partikel lebih kecil bila dibandingkan dengan energi aktivasi, maka tidak akan terjadi reaksi.
Pada modifikasi pati dengan menggunakan oktenil suksinat anhidrida (OSA), peningkatan DS dapat terjadi seiring dengan peningkatan konsentrasi OSA. Menurut Bhosale dan Singhal (2006), bahwa makin meningkat konsentrasi OSA makin besar ketersediaan molekul OSA untuk bereaksi dengan molekul pati. Hal ini dikarenakan bahwa gugus hidroksil pati bersifat immobile sehingga reaksinya dengan molekul OSA sangat tergantung pada ketersediaan molekul OSA yang terdapat disekitar gugus OH, sebagaimana yang terjadi pada modifikasi pati dengan menggunakan dodeknil suksinik anhidrida dan oktadesenil anhidrida.
Konsentrasi reagent berbeda untuk mendapatkan pati ester yang berbeda, walaupun DS yang dikehendaki adalah sama.
Sebagaimana yang dilaporkan oleh Annison dkk. (2003) bahwa untuk mendapatkan pati jagung asetat, propionat dan butirat dengan DS 0,2 diperlukan asetat anhidrida, propionat anhidrida dan butirat anhidrida, berturut-turut sebanyak 19,17; 30,00 dan 38,33% (v/w).
3.2.3. Suhu
Suhu merupakan faktor ketiga yang berpengaruh terhadap proses modifikasi pati. Bila suhu meningkat, maka kecepatan reaksi akan meningkat karena makin banyak energi yang masuk ke dalam sistem. Di samping itu dengan meningkatnya suhu, maka dapat menyebabkan meningkatnya benturan antar partikel. Namun demikian untuk meningkatkan kecepatan reaksi tetap membutuhkan energi aktivasi, sehingga benturan antara partikel akan meningkat.
Suhu dalam proses esterifikasi sangat berpengaruh terhadap besar kecilnya DS pati ester. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya diketahui bahwa proses esterifikasi pada suhu tinggi dapat menghasilkan pati asetat dengan DS yang tinggi. Xu dkk. (2004) melaporkan bahwa esterifikasi pati jagung kaya amilosa dengan asetat anhidrida yang dilakukan pada suhu 123oC dapat diperoleh pati asetat dengan DS 2,23. Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa proses esterifikasi pati jagung kaya amilosa dengan asetat anhidrida yang dilakukan pada suhu 50, 65 dan 75oC dapat diperoleh pati asetat dengan DS masing-masing sebesar 0,85; 1,78 dan 2,89 (Chi dkk., 2004).
Hasil yang berbeda apabila proses esterifikasi dilakukan pada suhu kamar sebagaimana yang dilaporkan oleh Annison dkk. (2003).
Esterifikasi pati jagung kaya amilosa pada suhu 20oC, dengan menggunakan reagent asetat anhidrida, propionat anhidrida dan
butirat anhidrida diperoleh pati jagung asetat, pati jagung propionat dan pati jagung butirat dengan DS masing-masing sebesar 0,20; 0,16 dan 0,19. Hasil serupa juga dilaporkan oleh Wilkins dkk. (2003), esterifikasi pati jagung dengan asetat anhidrida pada suhu 30oC diperoleh pati asetat dengan DS kurang dari nilai 0,3.
Pemanasan dapat menyebabkan terjadinya perubahan struktur molekul pati. Menurut Takazawa dkk. (2004), bahwa pemanasan pada suhu 40oC dapat menyebabkan ikatan hidrogen yang terdapat di dalam amilosa dan amilopektin pada struktur kristalin granula pati mulai hilang. Pada suhu 50oC, air yang diabsorpsi permukaan granula pati lebih banyak, dan sebagian ikatan hidrogen yang terdapat di dalam granula pati hilang. Disamping itu air juga mulai masuk ke dalam granula pati sehingga pati akan mengembang dan banyak amilosa yang mulai terlepas dari granula pati sebagai dampak dari terbukanya struktur granula pati. Pemanasan pada suhu 60oC akan menyebabkan air masuk ke dalam granula pati dan akan menyebabkan hilangnya ikatan hidrogen diantara polimer pati.
Granula pati akan mengembang sehingga akan terjadi lebih banyak amilosa yang keluar dari granula pati. Dalam kasus ini amilosa akan berubah menjadi koloid yang terdispersi di dalam air. Bila dipanaskan pada suhu antara 70 – 90oC, granula pati akan mengembang secara penuh dan strukturnya akan terbuka sehingga amilosanya akan hilang. Pada suhu tersebut akan terjadi gelatinisasi, dan selama proses pemanasan akan terbentuk sol, setelah itu akan dipisahkan dari pasta pati dan kemudian gel yang terbentuk akan bebas berinteraksi dan membentuk fase padatan yang kontinyu. Pada suhu 90oC, ikatan hidrogen mengalami kerusakan total dan sudah tidak memiliki struktur yang dapat mempertahankan granula pati. Pada kondisi ini terjadi penurunan viskositas secara nyata. Mengingat bahwa pati aren butirat yang diperoleh akan diaplikasikan pada produk pangan
dengan nilai DS < 0,3 maka di dalam penelitian ini proses esterifikasi dilakukan pada suhu kamar.
3.2.4. Lama waktu reaksi
Lama waktu reaksi sintesis berpengaruh terhadap nilai DS pati asetat. Pada proses asetilasi pati Xanthosoma violaceum diketahui bahwa efisiensi reaksi tertinggi diperoleh pada konsentrasi asetat anhidrida 7,2% pada pH 8,0–8,4, dengan lama waktu reaksi 30 menit. Pada konsentrasi asetat anhidrida yang lebih tinggi dan lama waktu reaksi yang lebih lama diketahui akan menurunkan efisiensi reaksi, karena terjadi reaksi hidrolisis (Bentancur dkk., 1997). Hasil ini berbeda dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Xu dkk., (2004), yang menyatakan bahwa DS dan efisiensi reaksi pati jagung asetat makin meningkat dengan makin lamanya waktu reaksi, yaitu antara 30– 240 menit, walaupun peningkatannya tidak linier. Hasil ini menunjukkan bahwa setiap jenis pati memiliki karakteristik spesifik.
Pengaruh lama waktu reaksi terhadap DS pada berbagai jenis pati adalah berbeda, tergantung pada perbedaan morfologi dan bentuk granula pati. Pada sintesis pati oktenil suksinat dari pati jagung diketahui bahwa DS menurun dari 0,018 menjadi 0,013 seiring dengan makin meningkatnya lama waktu reaksi dari 6 jam menjadi 48 jam, sedangkan pada waxy corn starch DS maksimum diperoleh pada lama waktu reaksi 24 jam (Bhosale dan Singhal, 2006). Peningkatan suksinilasi oktenil dengan memperpanjang lama waktu reaksi berdampak langsung pada proses difusi dan adsorpsi antara oktenil dengan molekul pati.