Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
Hal: 9 - 14
JURNALTEKNIK DAN TEKNOLOGI Media Publikasi Ilmiah Baristand Industri Medan
ANALISA RESPON PERMUKAAN PADA SINTESA BIOMONOSTEARAT Eka Kurniasih Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe Email :
[email protected] Abstrak
Biomonostearat adalah nama yang diberikan pada mono-acilgliserinstearat yang diperoleh melalui reaksi esterifikasi antara asam stearat (C18) dengan gliserin melalui reaksi enzimatis. Biomonostearat tergolong dalam surfaktan non ionik dan banyak dimanfaatkan sebagai emulsifier dalam industri pangan, farmasi, tekstil dan kosmetik. Penelitian ini terdiri atas serangkaian perlakuan yang bertujuan untuk memperoleh kondisi optimum reaksi esterifikasi untuk mensintesa biomonostearat. Dalam penelitian ini, dirancang suatu perlakuan untuk mengoptimasi kondisi reaksi esterifikasi enzimatis untuk mensintesa biomonostearat menggunakan metode analisa respon permukaan. Reaksi enzimatis ini berlangsung dengan memanfaatkan kandungan enzim lipase yang terdapat dalam ekstrak biji wijen. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah rasio ekstrak biji wijen:asam stearat (% b/b), rasio mol gliserin:asam stearat, temperatur reaksi. Dari hasil analisa respon permukaan diketahui bahwa kondisi operasi untuk sintesa biomonostearat berada pada rasio ekstrak biji wijen:asam stearat 60% (b/b), rasio mol gliserin:asam stearat (2:1) dan temperatur reaksi 60oC Kata kunci : Biomonostearat, Enzimatis, Esterifikasi, Biji Wijen, Respon Permukaan
Abstract Biomonostearat is name given to the mono-acilglyserinstearat obtained through esterification reaction between stearic acid (C18) with glycerine through enzymatic reactions. Biomonostearat classified to non-ionic surfactant and widely used as an emulsifier in food industry, pharmaceuticals, textiles and cosmetics. This observation consists of a series of treatments that aim to obtain optimum conditions to synthesize biomonostearat by esterification reaction. In this study, a treatment designed to optimize the reaction conditions to synthesize biomonostearat by enzymatic esterification using response surface analysis methods. This enzymatic reaction takes place by using the enzyme lipase contained in sesame seed extract. The variables used in this study is the ratio of sesame seed extract:stearic acid (% w/w ), the mole ratio of glycerol:stearic acid, the reaction temperature. From the analysis of the response surface was known that the operating conditions for the synthesis biomonostearat be on a sesame seed extract ratio:stearate acid 60 % (w/w), the mole ratio of glycerol : stearic acid ( 2:1 ) and reaction temperature 60°C. Key Words : Biomonostearate, Enzymatic, Esterification, Sesame Seed, Surface Response
Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
Hal: 9 - 14
PENDAHULUAN Biomonostearat adalah senyawa kimia dalam kelompok surfaktan non ionik yang banyak digunakan dalam industri sebagai bahan emulsifier (industri makanan, industri minuman, dan industri kosmetik, pelarut obat (industri farmasi), penyempurna dalam penyebaran warna kain (industri tekstil), dan pelunak kulit (industri penyamakan kulit). Bahan baku pembuatan surfaktan biomonostearat adalah asam stearat dengan gliserin yang di peroleh dari minyak nabati. Indonesia merupakan salah satu penghasil minyak kelapa sawit terbesar setelah Malaysia. Impor surfaktan di Indonesia berjumlah 44.500 ton dan diprediksi jumlah impor tersebut setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan tumbuhnya industri makanan, industri minuman, industri kosmetik, industri farmasi, industri tekstil, dan industri kulit. Salah satu surfaktan (agen pengemulsi) yang banyak digunakan adalah gliserin monostearat (biomonostearat). Bahan pengemulsi yang dibuat dari bahan nabati memiliki keunggulan dibandingkan pengemulsi yang dibuat dari petrokimia. Agen pengemulsi dari bahan nabati lebih mudah terurai secara biologis (biodegradable) sehingga lebih ramah lingkungan dan lebih aman untuk dikonsumsi (Arbianti, 2008). Surfaktan gliserin monostearat dapat diperoleh melalui proses esterifikasi. Reaksi esterifikasi dengan menggunakan katalis asam bersifat reversible (bolakbalik). Dari reaksi ini akan dihasilkan produk monostearat dan air. Dalam proses ini, air merupakan hasil samping yang tidak diinginkan karena bila jumlahnya terlalu besar dapat menggeser reaksi kesetimbangan sehingga menyebabkan terjadinya reaksi hidrolisis. Mekanisme reaksi esterifikasi dapat dijelaskan melalui beberapa tahap reaksi berikut: (Prasetyo, 2012) a. Pembentukan senyawa proton pada asam karboksilat. Pada proses ini terjadi perpindahan proton dari katalis asam atom oksigen pada gugus karbonil
b. Alkohol nukleofilik menyerang karbon positif, dimana atom karbon karbonil kemudian diserang oleh atom oksigen dari alkohol, yang bersifat nukleofilik sehingga terbentuk ion oksonium. Pada proses ini terjadi pelepasan proton atau deprotonasi dari gugus hidroksil milik alkohol, menghasilkan senyawa kompleks teraktivasi.
c. Protonasi terhadap salah satu gugus hidroksil yang diikuti pelepasan molekul air menghasilkan ester
Mekanisme reaksi tersebut diatas dapat disederhanakan menjadi (Fessenden, 1989) :
Reaksi esterifikasi juga dapat dilakukan dengan menggunakan katalis basa, dan reaksi bersifat irreversible (satu arah) ke arah produk. (Widiyarti, 2008) Reaksi esterifikasi juga dapat dilakukan dengan memanfaatkan agen hayati (enzim) yang dapat bekerja pada substrat asam lemak dan gliserin. Enzim yang dapat bekerja pada system ini adalah golongan enzim lipase yang memiliki spesifisitas terhadap asam lemak rantai sedang hingga panjang. Salah satu sumber enzim lipase adalah biji wijen yang diketahui memiliki kandungan protein sekitar 20% (dari 100% biji wijen). Protein yang tersusun atas asam-asam amino merupakan komponen pembentuk enzim.
Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
Hal inilah yang mengindikasikan bahwa dalam ekstrak biji wijen terkandung enzim lipase. (Suhendra, 2006) Biomonostearat yang dihasilkan dengan melibatkan enzim lipase tentu saja lebih aman untuk digunakan bila dibandingkan dengan monostearat (reaksi kimia). Untuk itu dalam penelitian ini, dilakukan analisa respon permukaan menggunakan metode central composite design (CCD) untuk mengetahui satu kondisi optimum reaksi esterifikasi biomonostearat. Dalam penelitian ini digunakan 3 (tiga) variabel bebas yaitu rasio ekstrak biji wijen:asam stearat (% b/b), rasio mol gliserin:asam stearat, temperatur reaksi. Kondisi optimum reaksi merupakan hasil interaksi dari tiga variabel bebas. METODOLOGI PENELITIAN Bahan Bahan yang digunakan adalah biji wijen, asam stearat, gliserin 96%, n-heksana, KOH dan aquadest Ekstraksi Enzim Lipase dari Biji Wijen Biji wijen (Sesamun indicum) dicuci dengan menggunakan aquadest untuk menghilangkan kotoran-kotoran ringan yang terbawa. Kemudian biji wijen dikeringkan menggunakan oven pada temperatur 45oC50oC untuk menghilangkan kandungan air. Pengeringan ini dilakukan pada temperatur yang relatif rendah, untuk mencegah rusaknya spesifitas biokatalis ekstrak biji wijen. Setelah kandungan air hilang, biji wijen dihaluskan untuk memperluas permukaan kontak biji wijen, kemudian disaring. Serbuk biji wijen inilah yang digunakan sebagai enzim lipase. Esterifikasi Enzimatis Penelitian ini diawali dengan melarutkan asam stearat dalam n-heksana dengan perbandingan 1:2 (b/v) ke dalam reaktor berupa labu leher tiga yang dilengkapi dengan kondensor dan agitator. Penggunaan pelarut dalam reaksi ditujukan untuk meningkatkan homogenitas larutan Rancangan Central Composite Design Biomonostearat yang masih larut dalam n-heksana selanjutnya di distilasi pada 69oC untuk menguapkan pelarut. Biomonostearat bebas pelarut selanjutnya dianalisa bilangan asam untuk mengetahui
Hal: 9 - 14
campuran. Pemilihan n-heksana sebagai pelarut didasari pada beberapa penelitian. Diketahui bahwa n-heksana memiliki toksisitas yang rendah bagi aktifitas enzim lipase bila dibandingkan pelarut organik lainnya. Gliserol dengan rasio mol tertentu dimasukkan kedalam labu leher tiga. Campuran diaduk pada 400 rpm untuk mempercepat terjadi kontak antara enzim lipase (ekstrak biji wijen) dengan substrat. Pada awal reaksi dilakukan analisa bilangan asam. Kemudian enzim lipase dari ekstrak biji wijen ditambahkan sesuai rasio berdasarkan basis perhitungan berat asam stearat. Reaksi esterifikasi enzimatis ini berlangsung selama 8 jam, dimana aktifitas enzim lipase baik pada kondisi tersebut. Purifikasi Produk Purifikasi dilakukan dengan melarutkan produk dalam n-heksana. Hal ini didasarkan pada kemampuan melarut biomonostearat pada pelarut n-heksana. Selanjutnya dilakukan penyaringan untuk memisahkan ekstrak biji wijen dengan crude biomonostearat. n-Heksana
Asam Stearat
Ekstrak Biji Wijen
Esterifikasi
Gliserin
Crude Biomonostearat n-Heksana
Filtrasi
Ekstrak Biji Wijen
Crude Biomonostearat + n-Heksana Distilasi
n-Heksana
Pure Biomonostearat
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian konversi produk. Konversi produk biomonostearat dihitung berdasarkan selisih antara bilangan asam awal (bahan baku) dengan bilangan asam produk dibagi dengan bilangan asam awal. (Kaptriyani, 2008).Dalam penelitian ini
Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
dilakukan analisa respon permukaan menggunakan metode Central Composite Design (CCD) (Montgomery, 1997). Respon permukaan adalah teknik matematika dan statistika untuk pemodelan dan analisa masalah dimana responnya dipengaruhi oleh beberapa
variabel. Tujuannya adalah untuk mengoptimalkan respon reaksi. Melalui metode analisa permukaan diperoleh persamaan kuadratik yang dapat digunakan untuk memperkirakan hasil dari fungsi variabel bebas.
Tabel 1. Perhitungan Matriks Central Composite Design (CCD) Perlakuan Perlakuan Terkode -1,682 -1 0 1 Rasio Ekstrak Wijen : Asam Stearat (% b/b) (X1) 6,64 8 10 12 Rasio Mol Gliserin : Asam Stearat (X2) 4,96 7 10 13 Temperatur (oC) (X3) 33 40 50 60
No
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Hal: 9 - 14
1,682 13,36 15,04 67
Tabel 2. Rancangan Central Composite Design (CCD) Rasio Ekstrak Wijen: Asam Rasio Mol Gliserin : Asam Temperatur (oC) Stearat (% b/b) (X1) Stearat (X2) (X3) Aktual Kode Aktual Kode Aktual Kode 40 -1 1 -1 50 -1 80 1 1 -1 50 -1 40 -1 3 1 50 -1 80 1 3 1 50 -1 40 -1 1 -1 70 1 80 1 1 -1 70 1 40 -1 3 1 70 1 80 1 3 1 70 1 26,36 -1,682 2 0 60 0 93,64 1,682 2 0 60 0 60 0 0,318 -1,682 60 0 60 0 3,682 1,682 60 0 60 0 2 0 43 -1,682 60 0 2 0 77 1,682 60 0 2 0 60 0 60 0 2 0 60 0 60 0 2 0 60 0 60 0 2 0 60 0 60 0 2 0 60 0 60 0 2 0 60 0
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Respon Permukaan Pengaruh Rasio Ekstrak Biji Wijen Terhadap Rasio Mol Gliserin/Asam Stearat Interaksi antara rasio ekstrak biji wijen terhadap rasio mol gliserin/asam stearat berlangsung pada temperatur reaksi 60oC. Dari analisa respon permukaan diketahui bahwa respon optimum diberikan pada kondisi reaksi, rasio ekstrak wijen 60% (b/b) dan rasio mol gliserin/asam stearat 2:1 (center point). Respon dalam penelitian ini adalah
konversi produk berdasarkan penurunan kandungan asam lemak bebas yang dianalisa sesuai metode PORIM, 1995 (Herawan, 1999) atau 1,682) tidak memberikan respon yang signifikan terhadap konversi produk. Begitupula ketika rasio ekstrak biji wijen dan raio mol gliserin/asam stearat diturunkan, konversi produk juga mengalami peningkatan yang berarti. Hal ini terjadi karena adanya hambatan oleh dua substrat, yaitu asam stearat dan
Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
gliserin yang bekerja dalam sistem reaksi (Mangunwidjaja, 1994)
Gambar 2. Respon Permukaan Ekstrak Biji Wijen Terhadap Rasio Mol Gliserin/Asam Stearat Ketika rasio biji wijen dan rasio mol gliserin/asam stearat ditingkatkan (level 1. Konversi produk optimum yang diberikan pada kondisi ini berkisar 60%-70%. 2. Respon Permukaan Pengatuh Rasio Mol Gliserin/Asam Stearat Terhadap Temperatur Reaksi
Hal: 9 - 14
temperatur yang lebih tinggi dari 60oC, aktivitas enzim lipase (ekstrak biji wijen) tidak lagi mampu bekerja optimal sebab tidak lagi mampu menahan temperatur reaksi (reaksi denaturasi awal). Sedangkan pada temperatur lebih rendah dari 60oC, dimungkinkan enzim lipase (ekstrak biji wijen) belum beraktifitas optimal sehingga kinerja untuk mengubah substrat menjadi produk belum menunjukkan kondisi optimum. 3. Respon Permukaan Pengaruh Rasio Ekstrak Biji Wjen Terhadap Temperatur Dari hasil penelitian diketahui bahwa peningkatan rasio ekstrak biji wijen dan temperatur. tidak memberikan efek yang signifikan. Kondisi optimum reaksi diperoleh pada level 0 (center point), terlihat dari respon permukaan yang membentuk selubung, dengan titik pusat pada level 0. Pada kondisi ini, peningkatan temperatur telah menghambat kinerja enzim lipase (ekstrak biji wijen) karena peningkatan temperatur diatas level 0 dimungkinkan telah memberikan efek terjadinya denaturasi protein (asam-asam amino) penyusun enzim, sehingga peningkatan rasio ekstrak biji wijen tidak memberikan interaksi yang signifikan dalam sistem reaksi.
Gambar 3. Respon Permukaan Rasio Mol Gliserin dan Asam Stearat Terhadap Temperatur Respon permukaan ini dibentuk pada kondisi rasio ekstrak biji wijen sebagai center point (level 0). Diperoleh kondisi optimum reaksi pada rasio mol gliserin/asam stearat (2:1) dan temperatur 60oC. Sebab pada saat rasio mol gliserin/asam stearat ditingkatkan terlihat respon permukaan memberikan gambaran terjadinya penurunan konversi produk. Begitu pula dengan peningkatan temperatur, juga tidak memberikan peningkatan konversi produk yang signifikan sebab diperkirakan pada
Gambar 4. Respon Permukaan Rasio Biji Wijen Terhadap Temperatur KESIMPULAN Biomonostearat yang memiliki sifat sebagai emulsifier dapat disintesa dengan menggunakan reaksi esterifikasi. Esterifikasi dapat dilakukan dengan melibatkan enzim lipase sebagai biokatalis. Biji wijen mengandung asam
Eka Kurniasih, Jurnal Teknik dan Teknologi Vol. 9 No.16, Juni 2014:
amino yang merupakan penyusun enzim lipase sehingga dapat dimanfaatkan sebagai sumber enzim lipase yang berasal dari komponen nabati. Berdasarkan hasil penelitian dan analisa terhadp respon permukaan diketahui bahwa kondisi reaksi terbaik untuk sintesa biomonostearat dengan memanfaatkan kinerja enzim lipase yang terkandung dalam biji wijen, berada pada kondisi level 0 (center point), yaitu rasio ekstrak biji wijen 60% (b/b), rasio mol gliserin/asam stearat (2:1) dan temperatur 60oC. Kondisi yang menghambat peningkatan konversi produk berasal dari hambatan dua substrat (asan stearate dan gliserin) yang menyebabkan kinerja enzim lipase (ekstrak biji wijen) menjadi tidak optimal. Ucapan Terima Kasih Kepada Alfian Putra ST.,M.Agr dan Edi Saputra, Amd atas kerjasama dalam penyelesaian penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Arbianti, Rita., Tania S.Utami. (2008), Pemanfaatan Biji Wijen Sebagai Sumber Enzim Lipase Untuk Reaksi esterifikasi Gliserol-Asam Laurat Pada Pembuatan Agen Pengemulsi. Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses. ISSN : 1411-4216 Fessenden dan Fessenden. (1989), Kimia Organik. Edisi 3. Jilid 1. Erlangga. Jakarta Herawan, Tjahjono, Eka Nuryanto dan P.Guritno. (1999), Penggunaan Asam Lemak Sawit Distilat Sebagai Bahan Baku Superpalmamida. Jurnal Penelitian Kelapa Sawit 7 (1): 33-42. Kaptriyani, Marina. (2008), Pemanfaatan Gliserol Hasil Samping Pabrik Biodiesel dan Destilat Asam Lemak Sawit Sebagai Emulsifier Monopalmitat Secara Enzimatis. Tesis. Universitas Sumatera Utara Mangunwidjaja, Djumali. (1994), Teknologi Bioproses. Penebar Swadaya. Jakarta Montgomery, Douglas.C. (1997), Design And Analysis of Experiments. Edition-5. John Wiley and Son Inc.
Hal: 9 - 14
Prasetyo, Ari Eko Anggra Widhi dan Widayat (2012), Potensi Gliserol Dalam Pembuatan Turunan Gliserol Melalui Proses Esterifikasi. Jurnal Ilmu Lingkungan. Universitas Diponegoro, Vol.10, Issue 1, Hal 26-31. Suhendra, Lutfi, Tranggono dan Chusnul Hidayat. (2006), Aktivitas Hidrolisis dan Esterifikasi Lipase Ekstrak Kecambah Biji Wijen. Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian. Universitas Gadjah Mada. Widiyarti, Galuh dan Muhammad Hanafi. (2008), Pengaruh Konsentrasi Katalis dan Perbandingan Molaritas Reaktan Pada Sintesis Senyawa α-Monolaurin. Jurnal Reaktor. Vol.12, No.2, Hal 90-97.
