BAB 3 KARAKTERISTIK BUAH JERUK KEPROK GARUT MELALUI PEMODELAN RANGKAIAN LISTRIK YANG DIDASARKAN PADA SIFAT RESISTIF DAN KAPASITIFNYA
Pendahuluan Produk pertanian umumnya mudah rusak (Mohsenin 1986), waktu penyimpanan singkat, dan murah. Hal itu juga terjadi pada jeruk. Namun, permintaan untuk produk-produk pertanian tidak akan pernah berhenti selama pertumbuhan populasi manusia terus meningkat. Ini adalah masalah sekaligus kesempatan untuk meningkatkan nilai tambah dari produk tersebut. Untuk mencapai tujuan tersebut maka diperlukan penanganan berkelanjutan, termasuk dalam hal teknologi hortikultura, rekayasa, bahkan untuk bidang ilmu dasar. Pengukuran sifat produk pertanian umumnya bersifat merusak. Untuk mengatasi masalah ini, banyak peneliti mengembangkan metode yang tidak merusak. Sebagian besar teknik yang ditemukan oleh para peneliti sering mahal dan tidak praktis dalam industri pertanian. Pengukuran listrik memberikan kesempatan untuk mengatasi masalah ini. Spektroskopi impedansi listrik (EIS) pada dasarnya berpatokan pada sistem pengukuran dan kajian sifat listrik bahan sebagai fungsi dari frekuensi. Hal ini didasarkan pada interaksi medan listrik eksternal dengan momen dipol listrik dari bahan (Wu et al. 2008). Selain itu, EIS memungkinkan untuk pemodelan listrik yang dibangun dari rangkaian listrik resistor dan kapasitor, serta menganalisis responnya terhadap amplitudo sinyal dan frekuensinya (Vozáry dan Benkő 2010). Pemodelan listrik pada bahan biologi dari mulai sel sampai bahan pertanian lainnya sudah mulai dikaji oleh para peneliti. Namun prinsip dari model tersebut adalah kesederhanaan dan kecocokan dengan data eksperimen. Ellappan dan Sundararajan (2005) telah mencoba memodelkan sel biologi dengan bentuk rangkaian listrik yang terdiri dari resistor dan kapasitor. Masing-masing komponen tersebut mewakili dari bagian-bagian dari sel. Pemodelan berlandaskan kelistrikan ini umunya merupakan pendekatan arus listrik lemah yaitu sinyal listrik dengan nilai amplitudo yang kecil. Hal ini dilakukan agar pemberian listrik tidak merusak bahan yang diuji. Pemodelan listrik bisa dipakai dalam bidang pertanian, diantaranya pada model impedansi listrik dari pohon jeruk. Model ini dapat menjelaskan dan menggambarkan fenomena persediaan air yang terkait dengan mekanisme transportasi pada jaringan xilem (Muramatsu dan Hiraoka 2007). Wu et al. (2008) melaporkan bahwa spektroskopi impedansi dengan model terdistribusi yang didasarkan pada persamaan model impedansi Cole-Cole memberikan kecocokan dengan data impedansi hasil pengukuran pada terung segar. Pemodelan rangkaian listrik lain telah dilakukan oleh Bauchot et al. (2000) pada buah kiwi. Dasar pemodelannya adalah rangkaian resistor dan kapasitor yang didasarkan pada model yang telah diungkapkan oleh Zhang et al. (1990). Model yang dibangun cukup sederhana, representatif. Menurut Ozier-Lafontaine dan Bajazet pemodelan listrik yang dibangun untuk menjelaskan suatu fenomena produk harus didasarkan pada kesederhanaan, representasi terbaik, realistis dan
28
konfigurasi apakah elemen sirkuit yang terhubung secara seri atau paralel (OzierLafontaine dan Bajazet 2005). Pemodelan rangkaian listrik juga telah dilakukan oleh Wu et al. (2008) pada terung dan kentang. Model yang dipakai untuk menjelaskan fenomena kelistrikannya adalah model Hayden (Hayden et al. 1969). Model yang dibangun oleh Hayden merupakan model yang lebih sederhana daripada model Zhang. Pada bab ini akan membahas dan menganalisis perilaku sifat listrik dan pemodelan dari buah Jeruk Keprok Garut dengan menggunakan sinyal-sinyal listrik bertegangan rendah yang bersifat non-destruktif. Sifat listrik dan pemodelan dari buah Jeruk Keprok Garut juga dikorelasikan dengan tingkat keasaman dan kekerasan buah untuk mempelajari perilaku buah selama pematangannya.
Bahan dan Metode Waktu dan Lokasi Penelitian Penelitian ini dilakukan pada bulan Januari 2011 sampai Desember 2012 di beberapa tempat yaitu Laboratorium Biofisika Departemen Fisika, Laboratorium Kimia Analitik FMIPA IPB. Buah diambil dari perkebunan petani di Samarang dan Leuwigoong, Kabupaten Garut. Sistem Pengukuran Pengukuran dari semua parameter dilakukan ketika buah masih dalam kondisi segar. Buah yang diukur dikelompokan ke dalam 7 tingkat kematangan berdasarkan warna dan ukurannya. Buah yang belum matang biasanya sangat asam dan memiliki tekstur internal yang kasar. Dalam studi ini, perilaku kematangan dari buah jeruk ditandai dengan peningkatan pH dan penurunan kekerasan (Ladaniya, 2008). Masing-masing kelompok diambil tiga buah sampel. Sehingga secara total ada dua puluh satu sampel buah yang digunakan untuk pemodelan. Kekerasan buah jeruk diukur dengan menggunakan sensor gaya (CI6746, Pasco). Diameter probe sensor gaya adalah 10 mm. Kedalaman penetrasi dari sensor gaya pada buah dibuat konstan yaitu 5 mm. Berat buah jeruk diukur dengan menggunakan timbangan elektronik dengan akurasi 0.01 gram (Sartorius ED 822, Goettingen, Jerman). Berat buah ini dipakai untuk mengkonpensasi parameter pengukuran listrik. Hal ini seperti yang dilakukan oleh Zachariah dan Erickson (1965) pada penentuan kematangan buah alpukat. Keasaman jeruk diukur dengan menggunakan pH meter (YSI Ecosense pH 100, Xilem Inc, USA). Parameter listrik dari buah jeruk diukur dengan menggunakan LCR meter (3532-50 LCR HiTESTER, Hioki, Tokyo, Jepang). Parameter-parameter listrik ini adalah impedansi, konduktansi, reaktansi, resistansi dan kapasitansi listrik. Jeruk berperan sebagai bahan dielektrik dan ditempatkan di antara dua elektroda plat konduktif dari bahan tembaga seperti pada Gambar 3.1(Soltani et al. 2010). Tegangan sinyal sebesar 1 volt (rms) dan frekuensinya divariasikan dari 50 Hz sampai 1 MHz.
29
Gambar 3.1 Skema sistem pengukuran sifat listrik buah jeruk berbasis capacitive sensing Pemodelan Rangkain Listrik Berdasarkan hasil data eksperimen maka dilakukan prediksi model yang dapat menjelaskan fenomena sifat kelistrikan dari buah. Pemilihan model harus didasarkan pada kesederhanaan, representasi terbaik, realistis dan konfigurasi apakah elemen sirkuit yang terhubung secara seri atau paralel (Ozier-Lafontaine dan Bajazet 2005).
(a)
(b)
(c) Gambar 3.2 Model rangkaian listrik ekivalen untuk kajian kelistrikan dari buah jeruk: (a) model Hayden, (b) model Zhang, dan (c) model hasil pengembangan
30
Pemodelan rangkaian listrik didasarkan pada pemodelan buah kiwi (Bauchot et al. 2000) yang diadopsi dari model Zhang (Zhang et al. 1990), dan pemodelan terung (Wu et al. 2008) maupun kentang yang diadopsi dari model Hayden (Hayden et al. 1969). Model yang dibangun oleh Hayden memperhitungkan resistansi dari dinding sel (R4 pada model Gambar 3.2a), resistansi cytoplasma yang termasuk di dalamnya vakuola (R 3 pada model Gambar 3.2a), dan kapasitansi dari membran sel (C3 pada model Gambar 3.2a). Zhang et al. (1990) melakukan pengembangan dengan mengusulkan bahwa kapasitansi dari tonoplas (C2 pada model Gambar 3.2b) dan resistansi internal dari vakuola (R2 pada model Gambar 3.2b) memiliki kontribusi secara substansi terhadap total impedansi listrik buah, sehingga parameter ini harus ada secara independen. Kedua parameter tersebut terangkai secara paralel dengan R 3 (Gambar 3.2b). Struktur internal dari buah jeruk lebik kompleks daripada buah kiwi, kentang atau terung sehingga pemodelan harus lebih dikembangkan agar lebih sesuai. Model baru ini dibangun dari komponen resistansi bagian buah (biji, R 1 ; segment, R2; dinding segment, R3; dan dinding kulit luar, R4 pada model Gambar 3.2c) dan kapasitansi membrannya (segment, C1; albedo, C2; dan flavedo, C3 pada model Gambar 3.2c). Dengan memperhatikan struktur internal buah (Gambar 3.2 c), maka resistansi biji terkoneksi seri dengan kapasitansi segment. Resistansi segment terkoneksi paralel dengan resistansi biji maupun kapasitansi segment. Rangkaian gabungan ini terkoneksi seri dengan kapasitansi membran albedo dan terkoneksi paralel dengan resistansi dinding segment. Pada rangkaian berikutnya dibangun dari koneksi dengan flavedo dan dinding kulit terluar. Sehingga akhirnya rangkaian terkoneksi seri dengan kapasitansi membran flavedo dan paralel dengan resistansi kulit luar. Secara utuh keseluruhan model diilustrasikan seperti pada Gambar 3.2c. Selanjutnya persamaan parameter-parameter listrik diturunkan secara matematik dari ketiga model tersebut. Hasil penurunan dari persamaan tadi dikorelasikan dengan hasil data eksperimen dengan teknik kurva fitting sehingga didapat parameter listrik internal dari model (Gambar 3.3).
Gambar 3.3 Diagram alir prinsip karakteristik pemodelan spektroskopi impedansi (Macdonald 1987)
31
Penentuan tingkat linearitas dan parameter error untuk variabel komponen listrik hasil pemodelan dilakukan dengan menggunakan program SPSS dan add in optimasi pada microsoft exel. Selanjutnya semua parameter internal resistor dan kapasitor dikorelasikan dengan perubahan kekerasan dan pH buah.
Hasil dan Pembahasan Analisis Model Rangkaian Listrik Persamaan untuk kapasitansi, konduktansi dan impedansi listrik sebagai fungsi dari frekuensi anguler () telah diturunkan secara matematik dari rangkaian listrik pada Gambar 3.2. Model pada Gambar 3.2a merupakan model yang paling sederhana dan merupakan model rangkaian dasar untuk model lainnya. Model pada Gambar 3.2b terbangun atas model Gambar 3.2a dengan adanya penambangan satu buah kapasitor dan resistor. Begitu juga model baru pada model Gambar 3.2c merupakan susunan yang dibangun dari pengembangan model Gambar 3.2b yang ditambahkan rangkaian resistor dan kapasitor.
(a)
(b)
(c) Gambar 3.4 Penjabaran model rangkaian listrik untuk model Hayden (a), model Zhang (b), dan model hasil pengembangan (c)
32
Secara matematis pembentukan persamaan untuk model-model tadi saling berkelanjutan. Jadi analisanya bisa secara berurutan mulai dari model pada Gambar 3.2a sampai Gambar 3.2c. Keberlanjutan bentuk rangkaian ini diperlihatkan pada Gambar 3.4. Penjabaran model Gambar 3.2 dipecah menjadi satu- satu seperti Gambar 3.4a, 3.4b, dan 3.4c dengan tujuan untuk memudahkan dalam analisis matematiknya. Jika kita tinjau Gambar 3.4a untuk model Hayden. Maka analisis impedansi untuk Za adalah rangkaian seri resistor R3 dan kapasitor C3. Persamaannya dibentuk dari bilangan kompleks yaitu: (3.1) dengan j adalah bilangan imajiner. Nilai Za ini tergabung secara paralel dengan R4 sehingga didapatkan Zeq total sebagai berikut:
(
) ( (
) )
( (
(
)
( )(( ) ) ) ) )
( ( ( ( (
)
(
) )
( (
) )
)
)
(
)
Dengan mengacu persamaan umum impedansi maka ini merupakan impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk , dengan subskrip Hn menunjukkan notasi untuk model Hayden. Sehingga didapat komponen untuk resistansi total ( ) sebagai berikut: (
)
(
Nilai ini bisa dibentuk dalam konduktansi ( (
) (
)
dan reaktansi total (
(
(
)
(
)
)
)
) sebagai berikut:
) (
)
33
Dan persamaan ini bisa dibentuk dalam kapasitansinya sebagai berikut: (
)
(
)
Kondisi sifat resistif bisa ditinjau dengan mengacu pada parameter resistansi atau konduktansi. Sementara sifat kapasitif dapat ditinjau dari parameter reaktansi atau kapasitansinya. Parameter-parameter ini harus ditentukan kesesuaiannya dengan data eksperimen. Berdasarkan rangkaian dalam Gambar 3.4b untuk model Zhang. Maka penurunannya dapat berasal dari Gambar 3.4a tetapi variabelnya berbeda tanda. Sehingga nilai Zb menjadi sebagai berikut: ( ) ( ) atau (
)
(
(
)
)
Zb ini terhubung dengan kapasitor C3. Sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut: (
) (
(
)
(
)
)
(
)
)
((
)
)-
) ,
(
(
((
)
(
,
) (
-
)
(
)
)
selanjutnya paralel dengan R4 sehingga didapat persamaan Z total sebagai berikut:
{
(
) ( (
{ * ((
(
[
)
) )
]
)
)
(
) (
[ (
(
)
, )
}
)
]
}
( ,
) (
-+ )
-
ini merupakan impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk dalam bentuk sebagai berikut: * + ( )
34
Dengan parameter tambahan e, f, g, dan h sebagai berikut: [(
)
(
)
* ((
)
)
)
(
*
(
]
(
)
+
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)
+
Penyederhanaan impedansi ini dilakukan dengan mengalikan pada konjuget (g - jh) menjadi *(
) , -
( , -
)+
(
)
Dengan mengacu persamaan umum impedansi maka ini merupakan impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk , dengan subskrip Zn menunjukkan notasi untuk model Zhang. Selain itu, dengan meninjau hubungan persamaan , maka persamaan h ini bisa dihilangkan sehingga didapat komponen untuk resistansi total ( ) sebagai berikut: }
{ , -
(
)
(
)
(
)
(
)
[ ]
atau dalam bentuk konduktansinya yaitu: , -
[ ]
[
]
dan reaktansi total ( {
)
}
, -
[ ]
Dan bisa dibentuk dalam kapasitansinya menjadi sebagai berikut: , -
[ ] [
]
Pendekatan model baru untuk buah jeruk dilakukan dengan berdasarkan rangkaian dalam Gambar 3.4a dan 3.4b, baik model Hayden maupun untuk model Zhang. Ketika kedua model itu mau diaplikasikan pada buah jeruk maka perlu pertimbangan lain yang harus diperhatikan. Pendekatan pada Gambar 3.4c menjadi pendekatan yang lebih mempertimbangkan struktur buah. Jika kita tinjau Gambar 3.4c, maka penurunan rumusnya adalah kelanjutan dari Gambar 3.4b tetapi variabelnya berbeda tanda. Sehingga nilai Zd menjadi sebagai berikut:
35
,
-
) , , ( )( ) Zd ini seri dengan C3 pada Gambar 3.4c dan didapat Ze: , ,
(
, , ,
,
,
,
)-
(
,
)-
,
( ,
(
(
(
,
)
,
)( (
( (
, )) )-
,
( (
-
) )
(
-
-
) (
,
) )
,
) -
(
-
-
-
)
Untuk menyederhanakan penulisan maka dibuat lambang tambahan baru yaitu: a X 3 R2 R1 X 3 X 2 X 1 X 3 R3 R2 R1 X 2 R3 R2 R1 1 R3 R2 X 1
b X 3 R2 X 1 X 2 R2 R1 R3 X 1 R3 R2 R1 R3 X 2 X 1 c R2 R1 X 2 X 1 R3 R2 R1
d R2 X 1 X 2 R2 R1 R3 X 1 Atau dalam bentuk variabel kapasitansi dapat ditulis sebagai berikut: a
C C2 1 R2 R1 1 2 R3 R2 R1 3 ω C 3 ω C 3 C 2 C1 C3C 2
R 1 2 b R3 R2 R1 2 3 ω C C ω C3 2 1
R3 R2 C1
R2 R3 R2 R1 C2 C1
1 c R2 R1 2 R3 R2 R1 ω C 2 C1
(3.19) (3.20) (3.21)
1 R R2 R2 R1 d 3 ω C1 C2
(3.22)
Maka penulisannya menjadi lebih sederhana yaitu ia b Ze c id Nilai Ze ini disusun paralel dengan C4. Sehingga didapat Z eq total sebagai berikut:
ja b c jd 1 1 1 c jd 1 Z eq Z e R4 ja b R4
Z eq
cR4 b ja jdR4 1 ja b R4 Z eq
aa dR4 bcR4 b j acR4 b a dR4 b 1 Z eq a2 b2 R4
a 2 adR4 bcR4 b 2 j acR4 bdR4 1 Z eq a2 b 2 R4
36
Dengan mengacu pada Z eq
1 1 j Geq C eq
Maka nilai konduktansi dan kapasitansi untuk model baru ini menjadi
(
)
( ) dengan subskrip Nn menunjukkan notasi untuk model Baru.
(
)
(
)
Tinjauan Pemodelan Rangkaian Listrik pada Fenomena Sifat Resistif dan Kapasitif Buah Jeruk Keprok Garut Dalam pemodelan rangkaian listrik perlu ditinjau pembuktian secara eksperimental atau hasil pengukuran langsung pada bahan uji. Untuk menguji model itu apakah murni resistif atau tidak, maka dapat dilihat dari fenomena nilai impedansi dan tanggapannya terhadap frekuensi. Untuk bahan murni resistif seperti bahan resistor maka nilai impedansinya relatif tetap atau stabil walaupun adanya perubahan frekuensi. Sementara jika ada unsur kapasitif maka perubahan nilai frekuensi akan sangat mempengaruhi nilai impedansinya. Hal ini juga ditunjukan pada Gambar 3.5. Dengan memperhatikan bahwa banyak komponen alam ini yang memiliki hambatan yang besar atau relatif isolator, maka pengaruh terbesar adalah ketika rangkaiannya ada yang tergabung secara paralel atau seri. Komponen kapasitor juga berpengaruh pada nilai impedansi kapasitifnya. Hal ini bisa terjadi pada frekuensi yang sangat besar. Selain itu untuk menguji apakah komopen resistif saja yang muncul atau ada komponen reaktif, maka bagian – bagian buah dilakukan pengukuran parameter impedansinya. Hal itu juga menjadi pertimbangan bahwa biji dominan resistif, sementara kulit, SACS, dan buah utuh memiliki komponen kapasitif (Gambar 3.5). Gambaran ilustrasi hasil pengukuran ini bisa dijadikan pertimbangan dalam pemodelan rangkaian listrik. Hasil pengukuran impedansi buah Jeruk Keprok Garut diperlihatkan pada Gambar 3.6c. Gambar ini memiliki kemiripan profil dengan rangkaian gabungan RC. Sehingga dapat dikatakan bahwa model listrik dari buah jeruk akan terbangun dari resistor dan kapasitor yang paralel atau gabungan dengan seri. Pembahasan lebih mendalam untuk pembanding ketiga model tadi digunakan data pada pH 3.34 seperti pada Gambar 3.6. Hal itu dilakukan untuk mempermudah pengolahan data saja. Selanjutnya akan dibahas lebih terperinci untuk model baru yang dipromosikan dalam model Jeruk Keprok Garut. Kapasitansi menggambarkan kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi dan muatan listrik. Kehadiran bahan dielektrik dalam kapasitor menyebabkan peningkatan nilai kapasitansi. Ketergantungan parameter dielektrik telah diteliti dengan memplot kurva antara kapasitansi dan frekuensi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6a. Kapasitansi listrik buah Jeruk Keprok Garut berkurang dengan peningkatan frekuensi, yang menunjukkan dispersi dielektrik dalam buah jeruk. Besarnya perubahan kapasitansi tidak konstan yaitu sekitar 0.001 pF/Hz pada frekuensi rendah dan 0.05 pF/Hz pada frekuensi tinggi. Tingginya
37
kapasitansi pada frekuensi rendah (50 Hz) dapat dikaitkan dengan perubahan dipol yang dipengaruhi kandungan air dan polarisasi elektroda. Selain itu, perubahan frekuensi akan mempengaruhi kondisi ion dalam bahan. Kehilangan ionik (ionic loss ) berbanding terbalik dengan frekuensi dan menjadi kritis ketika frekuensi yang lebih rendah. Sementara disipasi energi dipol pada frekuensi yang lebih tinggi kurang dominan dan ionic loss menjadi hampir tidak terjadi (Singh et al. 2010). Kapasitansi listrik buah tidak linear terhadap besarnya frekuensi. Peningkatan frekuensi sinyal tidak dapat diikuti oleh perubahan momen dipol internal jeruk secara linier. Perubahan medan listrik eksternal akan diikuti oleh perubahan sifat listrik internal buah. Peningkatan frekuensi akan meningkatkan kecepatan perubahan posisi dipol. Dengan demikian, frekuensi sinyal listrik akan memiliki konsekuensi pada lamanya waktu untuk polarisasi. Nilai frekuensi tinggi berarti waktu yang singkat untuk peristiwa polarisasi. Dengan demikian, polaritas total akan menjadi rendah. Namun, untuk penjelasan yang tepat dari perilaku dielektrik dari buah jeruk dan bahan biologis lainnya, fenomena kontribusi selain relaksasi dipol juga perlu diperhitungkan seperti konduksi ion pada frekuensi yang lebih rendah, perilaku kandungan air, dan pengaruh komponen penyusun lainnya. Sifat resistif bahan bisa ditinjau dari resistansi atau konduktansinya. Hasil eksperimen untuk konduktansi listrik dari buah jeruk sebagai fungsi dari frekuensi tidak terjadi linear seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6b. Nilai konduktansi listrik untuk buah jeruk pada setiap rentang frekuensi yang diberikan memiliki nilai sangat kecil. Nilai konduktansi tertinggi adalah pada kisaran mS (pada 1 MHz). 1.E+08
1.E+06 1.E+04
1 M
1.E+02
12
1.E+00 0.E+00
3.E+04 6.E+04 Frekuensi (Hz)
Impedansi Listrik ()
Impedansi Listrik ()
1.E+08
1.E+06
0,33 mF
1.E+04
10 nF
1.E+02 1.E+00
1.E-02 0.E+00
9.E+04
(a)
3.E+04 6.E+04 Frekuensi (Hz)
9.E+04
(b)
1.2E+01 Impedansi listrik()
1.0E+01 8.0E+00 6.0E+00
4.0E+00
R,C 1 M; 0,33 m F
2.0E+00 0.0E+00 5.E+01
1.E+03 3.E+04 Frekuensi (Hz)
Impedansi / massa (/g)
1.00E+05 1.00E+04
buah utuh bagian jus SACS
bagian kulit bagian biji
1.00E+03 1.00E+02 1.00E+01 0.E+00 2.E+04 4.E+04 6.E+04 8.E+04 1.E+05 Frekuensi (Hz)
(c) (d) Gambar 3.5 Efek perubahan frekuensi terhadap nilai impedansi pada komponen standar dari resistor-R (a), kapasitor-C ( b), RC paralel (c), dan bagian penyusun buah jeruk pH 3.34 (d)
38
1.0E-05
Kapasitansi Listrik (F)
1.0E-06 1.0E-07 1.0E-08 1.0E-09 1.0E-10 1.0E-11 1.0E+02
2.0E+04
4.0E+04
6.0E+04
8.0E+04
Frekuensi(Hz)
(a) Konduktansi Listrik (S
1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 1.00E+02
2.00E+05
4.00E+05
6.00E+05
8.00E+05 1.00E+06 Frekuensi (Hz)
(b)
Impedansi Listrik ()
1.00E+07 1.00E+06 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 0.00E+00
2.00E+05
4.00E+05
6.00E+05
8.00E+05 1.00E+06 Frekuensi (Hz)
(c) Gambar 3.6 Perbandingan hasil eksperimen dan model-model yang digunakan sebagai pertimbangan pengembangan model untuk spektrum kapasitansi (a), konduktansi (b), dan impedansi (c) buah Jeruk Keprok Garut pada nilai pH 3.34. Hasil eksperimen ( ), model Zhang ( ), model Hayden ( ), dan model baru ( )
39
Resistansi/masa (/g)
1.00E+07
1.00E+06 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 1.00E+01 1.00E+00 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80 0.90 1.00 Frekuensi (MHz)
Reaktansi/massa (/g)
(a) 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 1.00E+01 1.00E+00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 Frekuensi (MHz)
(b) Impedansi/massa (/g)
1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03
1.00E+02 1.00E+01 1.00E+00 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80 0.90 1.00 Frekuensi (MHz)
(c) Gambar 3.7 Hasil eksperimen dan simulasi ( ) dari model baru untuk Jeruk Keprok Garut untuk spektrum resistansi/massa(a), reaktansi/massa(b), dan impedansi/massa(c) buah pada keasaman dengan pH 2.86 ( ), 3.34 ( ), dan 4.18 ( ) Nilai perubahan konduktansi listrik yang terjadi pada buah jeruk sangat kecil, yaitu sekitar 0.0011 mS/Hz pada frekuensi rendah dan 0.0002 mS/Hz pada frekuensi tinggi. Sehingga dapat dikatakan bahwa Jeruk Keprok Garut menunjukkan sifat resistif yang dominan hampir menyerupai bahan isolator. Dengan demikian, ion-ion dan elektron dalam buah jeruk, biji, kulit, dan daging terikat relatif kuat.
40
Frekuensi juga menjelaskan transmisi sinyal setiap detik dan perubahan arus bolak-balik per detiknya. Jika frekuensi diperbesar, laju pergantian arah arus dalam sirkuit eksternal akan lebih cepat. Ini adalah kondisi eksternal dari sinyal listrik yang akan mempengaruhi kondisi internal Jeruk Keprok Garut, terutama pada mobilitas muatan listrik. Nilai konduktansi listrik menyatakan kemampuan gerak muatan dalam material dan tergantung pada jumlah ion atau elektron bebas dari bahan. Elektron pada bahan konduktif mudah untuk mengikuti perubahan arus bolak-balik eksternal. Dengan demikian, peningkatan konduktansi listrik dengan mudah akan terjadi jika frekuensi meningkat. Sementara bahan resistif tidak mudah terjadi demikian. Jadi, peningkatan frekuensi hanya sedikit mengubah nilai konduktansi dari bahan resistif. Hal ini terjadi juga pada buah jeruk yaitu nilai konduktansi listrik sedikit meningkat ketika frekuensi membesar. Konsekuensi dari perubahan sifat resistif maupun kapasitif bahan akan mempengaruhi nilai impedansi total bahan tersebut. Jika frekuensi meningkat, maka nilai impedansi listrik dari buah jeruk menurun. Hal ini jelas terlihat pada Gambar 3.6c. Impedansi listrik menandakan adanya rintangan total untuk gerakan muatan listrik yang terjadi dalam bahan. Besaran impedansi listrik dipengaruhi oleh resistansi, reaktansi kapasitif, dan frekuensi. Pada frekuensi yang sangat rendah reaktansi akan menjadi besar, sehingga impedansi akan menjadi besar juga. Ketika frekuensi meningkat, reaktansi akan menurun. Ini berkorelasi dengan penurunan impedansi. Perubahan impedansi listrik yang terjadi pada interval frekuensi rendah sekitar 637.75 / Hz dan 0.0033 / Hz pada frekuensi tinggi. Nilai impedansi juga menandakan hambatan total arus bolak-balik yang berkorelasi dengan konduktansi dan kapasitansi sebagai fungsi dari frekuensi. Reaktansi kapasitif adalah impedansi bagian imajiner dan nilainya berbanding terbalik dengan perkalian kapasitansi dan frekuensi, sedangkan konduktansi berbanding terbalik dengan resistansi. Ketika frekuensi meningkat, nilai konduktansi juga meningkat. Hal ini akan berkorelasi dengan penurunan impedansi. Sementara peningkatan nilai kapasitansi dan frekuensi akan berkorelasi dengan penurunan nilai impedansi. Kedua fenomena kapasitansi dan konduktansi akan memperkuat sifat impedansinya. Secara keseluruhan, impedansi akan menurun jika frekuensi meningkat. Nilai impedansi secara terperinci bisa dijabarkan dalam bentuk resistansi dan reaktansinya. Untuk menguji lanjutan pemodelan baru yang telah dibangun maka dilakukan pengujian pada beberapa tingkat keasaman buah. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3.7. Dengan melihat gambar tersebut terlihat bentuk hasil simulasi pemodelan berimpit atau cocok dengan hasil eksperimen. Pendugaan Komponen Resistansi dan Kapasitansi Penyusun Model Baru pada Buah Jeruk Keprok Garut Sejumlah model telah digunakan untuk menggambarkan aliran arus melalui jaringan tanaman. Zhang dan Willison (1991) telah mencocokan model dengan data eksperimen dari blok jaringan akar wortel dan umbi kentang. Mereka menemukan bahwa model yang disajikan pada Gambar 3.2a cocok dengan data mereka. Model ini didominasi oleh sifat resistansi transmembran yang umumnya dianggap sangat tinggi (Zhang et al. 1990). Namun, dalam jaringan buah nectarine asumsi ini mungkin tidak benar sepenuhnya karena membran diketahui mengalami kebocoran ionik pada saat pematangan. Pembenaran untuk identifikasi
41
dinding sel dan resistansi vakuola cukup baik dilakukan oleh Harker dan Dunlop (1994) pada nactarine. Begitu juga diduga dalam jaringan buah jeruk semua asumsi ini mungkin tidak sepenuhnya benar karena jaringan internal yang lebih kompleks. Identifikasi dan interpretasi resistansi biji (R1), resistansi dari segmen (R2), resistansi dinding segmen (R3), resistansi kulit terluar (R4), kapasitansi segmen (C1), kapasitansi albedo (C2), dan kapasitansi dari flavedo (C3) pada model bisa lebih diterima dengan baik. Hasil pemodelan dari rangkaian listrik juga ditunjukkan pada Gambar 3.6. Simulasi hasil kapasitansi, konduktansi, dan impedansi menunjukkan kemiripan dengan hasil eksperimen. Ini diperoleh dengan memasukkan nilai-nilai tertentu dari kapasitor dan resistor untuk persamaan model. Hal ini menunjukkan bahwa nilai-nilai komponen listrik yang mewakili sifat listrik untuk internal jeruk bersifat spesifik. Nilai untuk masing-masing resistansi cukup besar. Hal ini dimungkinkan karena kondisi buah jeruk memiliki banyak bahan isolasi seperti minyak, gula, pati, pektin, dan vitamin (Ladaniya 2008). Sedangkan nilai untuk komponen kapasitansi sangat kecil. Hal ini juga mungkin karena beberapa membran pada buah memiliki sifat kapasitif yang relatif rendah selain itu membran mencakup permukaan yang kecil secara terpisah. Linieritas dan kesalahan antara pemodelan dan hasil eksperimen untuk konduktansi, kapasitansi dan impedansi ditunjukkan pada Tabel 3.1. Berdasarkan parameter koefisien deterministik (R2) dan kesalahan, model baru menunjukan kompatibilitas tertinggi untuk semua kapasitansi, konduktansi dan impedansi listrik. Ini berarti bahwa model baru menunjukan model dengan estimasi terbaik untuk Jeruk Keprok Garut. Berdasarkan Gambar 3.6a, kapasitansi listrik dari hasil model Hayden kurang cocok daripada yang lain, terutama pada frekuensi di bawah 10 kHz. Pada frekuensi ini, hasil pemodelan terlihat sangat menyimpang dari hasil percobaan. Namun, pada frekuensi di atas 10 kHz menunjukkan kecocokan dengan data eksperimen. Hal ini juga ditunjukkan dengan koefisien determinasi yang rendah. Sedangkan, kapasitansi berdasarkan model Zhang relatif lebih dekat dengan data eksperimen dibandingkan model Hayden. Perbaikan dalam model Zhang dilakukan dengan memasukkan sebuah sirkuit tambahan sesuai dengan kondisi fisik buah. Hasil keseluruhannya menunjukkan bahwa model baru memiliki kecocokan untuk data eksperimen di hampir setiap frekuensi. Hal ini juga ditunjukkan secara grafik serta dengan koefisien deterministik tertinggi dan error terkecil (Tabel 3.1). Konduktansi berdasarkan pada model Hayden untuk frekuensi di bawah 50 kHz menunjukkan kecocokan dengan data eksperimental, tetapi pada frekuensi di atas 50 kHz menunjukkan kompatibilitas yang rendah (Gambar 3.6b). Sedangkan hasil model Zhang dan model baru memiliki grafik yang sangat dekat dengan data eksperimen pada semua kisaran frekuensi yang diukur. Dalam rentang frekuensi 100 kHz sampai 1MHz, model Zhang tidak memiliki kecocokan yang baik. Pada frekuensi ini, hasil pemodelan dari Zhang terlihat lebih besar dari data eksperimen. Dengan demikian, korelasi antara model dengan hasil eksperimen tidak cukup tinggi, yaitu 0.7813. Hal ini berbeda dengan model baru. Model baru ini memiliki kompatibilitas tertinggi. Itu dibuktikan dengan tingginya nilai koefisien deterministik, yaitu 0.9734. Secara keseluruhan, semua model memiliki konduktansi yang cocok pada frekuensi yang lebih rendah dari 50 kHz sementara model baru memiliki kecocokan hampir di semua frekuensi.
42
Berdasarkan Gambar 3.6c, hasil simulasi memiliki kompatibilitas tinggi dengan hasil eksperimen untuk buah jeruk pada frekuensi yang sangat rendah. Namun, hasil simulasi menunjukkan penyimpangan dari hasil eksperimen pada rentang frekuensi 1 kHz sampai 50 kHz. Penyimpangan terbesar terjadi untuk model yang diadopsi dari Zhang. Pada frekuensi di atas 50 kHz itu menunjukkan kecocokan lagi. Dengan demikian, konsekuensi dari penyimpangan dalam beberapa frekuensi menyebabkan kurva fitting tidak baik. Hal ini dibuktikan dengan koefisien deterministik sangat rendah untuk model Zhang. Sementara itu, nilai impedansi dari model baru yang paling cocok untuk data eksperimen untuk semua frekuensi (Tabel 3.1). Tabel 3.1 Linearitas dan error dari parameter listrik hasil pengukuran buah Jeruk Keprok Garut dan hasil simulasi untuk tiga model pada pH 3.34 Impedansi Konduktansi Kapasitansi Model (µS) (pF) (M) Hayden R2 0.78130 0.43460 0.35120 RMSE 0.35864 0.22745 0.41433 0.23693 0.74914 0.85150 RMSE/ Zhang R2 0.98100 0.84240 0.75520 RMSE 0.45124 0.11638 0.24732 0.46471 0.38331 0.50827 RMSE/ Model baru R2 0.97340 0.93290 0.95400 RMSE 0.28788 0.08801 0.10077 0.29646 0.28984 0.20709 RMSE/ Tinjauan lebih lanjut terhadap model baru dilakukan dengan melihat kesesuaiannya pada beberapa tingkat keasaman buah. Koefisien deterministik untuk korelasi linier antara data pengukuran dan simulasi memiliki nilai yang tinggi. Selain itu dicek lagi dengan kesalahan dengang menghitung MAPE (Mean Absolute Percentage Error)dan RMSE( Root Mean Square Error) untuk memperkuat parameter koefisien deterministik tadi. Data tersebut diperlihatkan pada Gambar 3.8. Berdasarkan model resistansi internal, semua resistansi memiliki nilai yang tinggi. Hal ini berhubungan dengan sifat resistif Jeruk Keprok Garut. Nilai R4 (kulit terluar) adalah nilai tertinggi (Tabel 3.2). Hal ini dimungkinkan karena ukuran dan komposisinya. Sedangkan, biji jeruk (R1) memiliki nilai resistansi yang terendah. Hal itu dimungkinkan karena ukuran dan jumlah dalam buah yang relatif sedikit. Dalam jaringan tanaman, resistansi dari jalur ekstraseluler harus tinggi karena luas penampang lintasan elektron kecil dan konsentrasi ion pembawa rendah (Harker dan Dunlop 1994). Nilai-nilai untuk komponen kapasitor cukup kecil (Tabel 3.2). Kondisi ini menunjukkan bahwa buah memiliki sifat kapasitif relatif rendah. Dengan demikian reaktansi atau impedansi akan menjadi lebih besar ketika frekuensi kecil seperti yang ditunjukkan hasil eksperimen (Gambar 3.6c). Nilai terkecil dari kapasitansi adalah kapasitansi segmen. Hal ini dimungkinkan karena segmen
43
Koefisien deterministik (R2)
terdiri dari banyak bagian membran kantung jus (sacs) yang disusun secara seri (Ladaniya, 2008). 1.00 0.80 0.60 Z/m 0.40
X/m
0.20
R/m
0.00 2.86
3.15
3.34
3.96 pH
4.15
4.18
4.60
MAPE
(a) 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
Z/m X/m R/m
2.86
3.15
3.34
3.96 pH
4.15
4.18
4.6
(b) 10.00
RMSE
8.00 6.00 Z/m 4.00
X/m
2.00
R/m
0.00 2.86
3.15
3.34
3.96 pH
4.15
4.18
4.6
(c) Gambar 3.8 Koefisen deterministik (a), MAPE (b), dan RMSE (c) pada hasil simulasi untuk model baru pada beberapa tingkat keasaman (pH). Nilai parameter impedansi (Z/m), reaktansi (X/m), dan resistansi (R/m) dalam orde M/g
44
1.E+05 3
y = 71.274x - 602.71x + 1341.7x + 525.89
Resistansi R ()
1.E+03
2
2 Resistance of R 2 (Ohm)
Resistansi ofRR1 1() (Ohm) Resistance
1.E+03
R2 = 0.9973 9.E+02 7.E+02 5.E+02 2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
1.E+05
6.E+04 4.E+04
(a)
3.50
pH
4.00
4.50
5.00
2.E+07
6.E+06
R2 = 0.9983
4.E+06 2.E+06
3.00
3.50
pH
4.00
(c)
4.50
5.00
Resistansi R4 ()
8.E+06
y = 3E+06x3 - 3E+07x2 + 1E+08x 1E+08
Resistance of R4 (Ohm)
Resistansi R ()
3.00
(b)
1.E+07 Resistance of R3 3 (Ohm)
R2 = 0.9918
8.E+04
2.E+04 2.50
5.00
pH
0.E+00 2.50
y = -5959.8x3 + 94088x2 - 475076x + 828756
1.E+07
y=-4E+06x3 +5E+07x2 - 2E+08x + 3E+08 R2 = 0.9976
8.E+06 4.E+06 0.E+00 2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
pH
(d)
Gambar 3.9 Perubahan komponen resistansi hasil pemodelan listrik buah Jeruk Keprok Garut pada variasi tingkat keasaam. Nilai R1(a), R2(b), R3(c) dan R4(d) Perubahan Nilai Komponen Resistansi dan Kapasitansi selama Kematangan buah Jeruk Keprok Garut Buah jeruk termasuk buah non-klimakterik, tidak menunjukkan kenaikan respirasi yang disertai dengan perubahan rasa dan komposisi biokimia setelah dipanen (Ladaniya 2008). Buah yang belum matang biasanya sangat asam dan memiliki tekstur internal yang kasar. Dalam studi ini, perilaku kematangan dari buah jeruk ditandai dengan peningkatan pH dan penurunan kekerasan. Nilai pH jus jeruk juga memberikan indikasi tentang keasaman buah. Kekerasan buah menandakan informasi tekstur buah. Penurunan keasaman buah ditandai dengan penurunan konsentrasi ion hidrogen, disertai dengan penurunan kekerasan buah. Hal itu terjadi ketika buah mengalami peningkatan kematangan. Selama pematangan buah umumnya mengalami penurunan kekerasan dan teksturnya menjadi lebih lunak. Hal ini disebabkan oleh adanya perubahan dalam komposisi dan proses hidrasi pada dinding sel (Harker dan Dunlop 1994).
y = -0.1246x3 + 8.9178x2 - 185.72x + 2007
1.E+03
R2 = 0.9553
Resistansi R2 ()
1.E+03
9.E+02 7.E+02 5.E+02 2.50
12.50 22.50 Firmness (N) Kekerasan (N)
Resistance of R2 (Ohm)
Resistansi R11() ofR (Ohm) Resistance
45
1.E+05
y = 5.3354x3 - 198.61x2 + 3612.9x + 27145
1.E+05
R2 = 0.9933
8.E+04 6.E+04 4.E+04 2.E+04 2.50
32.50
32.50
(b)
1.E+07
y = -3011x3 + 186354x2 - 3E+06x + 2E+07
2.E+07
8.E+06
y=-4E+06x3 +5E+07x2 - 2E+08x + 3E+08
R2 = 0.9649
1.E+07
R2 = 0.9976
6.E+06 4.E+06 2.E+06 0.E+00 2.50
12.50 22.50 Firmness (N) Kekerasan (N)
(c)
Resistansi R44() of R (Ohm) Resistance
Resistansi R3 ()
Resistance of R3 (Ohm)
(a)
12.50 22.50 Firmness (N) Kekerasan (N)
32.50
8.E+06 4.E+06 0.E+00 2.50
12.50 22.50 Firmness (N)
32.50
Kekerasan (N)
(d)
Gambar 3.10 Perubahan komponen resistansi hasil pemodelan listrik buah Jeruk Keprok Garut dengan variasi kekerasan buah. Nilai R1(a), R2(b), R3(c) dan R4(d) Penurunan keasaman buah jeruk berkorelasi dengan adanya peningkatan ukuran buah dan jus content. Asam organik merupakan substrat dalam proses respirasi pada buah. Terjadinya respirasi (produksi CO2 / konsumsi O2) menunjukkan adanya penggunaan asam, terutama asam sitrat dan malat dalam proses siklus TCA (asam trikarboksilat). Asam mengalami oksidasi dan ATP dibentuk untuk sintesis komponen baru. Beberapa proses metabolisme juga terjadi selama proses ini (Ladaniya 2008). Jika dikaitkan dengan parameter kelistrikan hasil pemodelan, maka penurunan keasaman buah disertai dengan penurunan resistansi internal (R1-R4) dan peningkatan kapasitansi membran (C1-C3) sebagaimana terlihat dalam Gambar 3.9 dan 3.11. Seluruhnya menunjukkan hubungan yang tidak linier. Penurunan resistansi internal buah berkaitan dengan peningkatan konsentrasi mobile ion di dinding sel maupun peningkatan luas penampang dinding sel terkait dengan ketuaan buah. Resistansi sel dinding menurun selama kematangan buah dan penurunan ini terkait erat pula dengan perubahan tekstur buah. Secara grafik
46
dapat dilihat bahwa peningkatan nilai kekerasan dari buah disertai dengan meningkatkan nilai resistansi internal (Gambar 3.10) dan penurunan nilai kapasitansi membran (Gambar 3.12). Penurunan resistansi internal buah dapat terkait dengan pertambahan luas permukaan dinding sel yang diindikasikan dengan peningkatan ukuran buah (Harker dan Dunlop 1994). Selama pematangan, perubahan yang besar dapat terjadi pada dinding sel, membran dan komposisi sel (Bean et al. 1960). Semua perubahan ini akan mempengaruhi kapasitansi dari jaringan membran. Jika permeabilitas membran sitoplasma dipengaruhi sedemikian rupa oleh penghilangan polarisasi ion pada membran, maka perubahan besar akan terjadi pada kapasitansi. Dengan demikian, efek pada membran dan permukaan bisa menjadi penyebab utama pada perubahan resistansi dan impedansi listrik pada jeruk.
y =2E-11x3 -2E-10x2 +8E-10x -9E-10 2
R = 0.9972
1.E-10 9.E-11 6.E-11 3.E-11
2
y = 3E-9x - 3E-8x + 1E-7x - 2E-7 2
R = 0.9987 6.E-09 4.E-09 2.E-09 0.E+00
0.E+00 2.50
3
8.E-09
KapasitansiofCC 2 2(F) (Farad) Capacitance
Kapasitansi C (F)
Capacitance of C11 (Farad)
2.E-10
3.00
3.50
4.00
4.50
2.50
5.00
3.00
3.50
pH
(a)
4.50
5.00
(b)
2.E-09 Kapasitansi C (F) Capacitance of 3C3 (Farad)
4.00
pH
y=4E-10x3 -5E-09x2 +2E-08x -2E-08 2
1.E-09
R = 0.9935
9.E-10 6.E-10 3.E-10 0.E+00 2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
pH
(c) Gambar 3.11 Perubahan komponen kapasitor hasil pemodelan listrik buah Jeruk Keprok Garut pada variasi keasaman: Nilai C1(a), C2(b), dan C3(c)
47
R2 = 0.9972 9.E-11 6.E-11 3.E-11
8.E-09
Kapasitansi C (F)
1.E-10
y =2E-11x3 -2E-10x2 +8E-10x -9E10
6.E-09 4.E-09 y = 3E-9x3 - 3E-8x2 + 1E-7x - 2E-7
2.E-09
R2 = 0.9987
0.E+00
0.E+00 2.50
Capacitance of C22 (Farad)
KapasitansiofCC (F) 11 (Farad) Capacitance
2.E-10
12.50
22.50
2.50
32.50
12.50
(a)
32.50
(b)
2.E-09
Kapasitansi C3 (F) Capacitance of C3 (Farad)
22.50
Firmness (N) (N) Kekerasan
Firmness (N) Kekerasan (N)
3
2
y=4E-10x -5E-09x +2E-08x -2E08
1.E-09
2
R = 0.9935
9.E-10 6.E-10 3.E-10 0.E+00 2.50
12.50
22.50
32.50
Firmness (N)
Kekerasan (N)
(c) Gambar 3.12 Perubahan komponen kapasitor hasil pemodelan listrik buah Jeruk Keprok Garut pada variasi kekerasan. Nilai C1(a), C2(b), dan C3(c) Tabel 3.2 Nilai komponen internal yang digunakan dalam pemodelan rangkaian listrik buah Jeruk Keprok Garut pada beberapa tingkat keasaman Komponen model listrik
pH Jeruk Keprok Garut 2.86
3.15
3.34
3.96
4.15
4.18
4.60
1.10 100.00 8.00 15.00
1.00 80.00 7.00 10.00
0.94 69.60 6.18 7.71
0.81 51.00 2.30 5.00
0.80 55.00 1.50 4.70
0.82 50.00 1.00 4.00
0.88 54.00 0.90 3.00
segment, C1 (pF)
60.0
70.0
75.5
88.0
95.0
100.0
127.0
albedo, C2 (nF)
1.00
3.50
4.64
5.60
5.85
5.70
6.50
flavedo, C3 (nF)
0.10
0.40
0.56
0.87
0.85
0.90
1.25
Resistansi: biji, R1 (k ) segment, R2 (k) dinding segment, R3(M) kulit luar, R4 (M) Kapasitansi :
48
Kesimpulan Interpretasi sifat listrik memberi peluang dan kesempatan untuk meninjau perilaku kematangan Jeruk Keprok Garut. Tak satu pun dari model listrik mampu memprediksi semua perubahan perilaku secara sempurna. Pembentukan model listrik telah membantu pemahaman kita tentang karakteristik buah Jeruk Keprok Garut. Dari model didapatkan bahwa perubahan kekerasan dan keasaman dalam buah-buahan diikuti dengan perubahan kapasitansi membran dan resistansi komponen jaringan penyusun buah. Perubahan resistansi jaringan dan kapasitansi membran menunjukkan adanya perubahan mobilitas ion dalam sel dan perubahan fisiologis buah selama pematangan.
