BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Surfaktan Surfaktan merupakan suatu molekul yang sekaligus memiliki gugus hidrofilik
dan gugus lipofilik sehingga dapat mempersatukan campuran yang terdiri dari air dan minyak. Surfaktan adalah bahan aktif permukaan. Aktifitas surfaktan diperoleh karena sifat ganda dari molekulnya. Molekul surfaktan memiliki bagian polar yang suka akan air (hidrofilik) dan bagian non polar yang suka akan minyak/lemak (lipofilik). Bagian polar molekul surfaktan dapat bermuatan positif, negatif atau netral. Sifat rangkap ini yang menyebabkan surfaktan dapat diadsorbsi pada antar muka udara-air, minyak-air dan zat padat-air, membentuk lapisan tunggal dimana gugus hidrofilik berada pada fase air dan rantai hidrokarbon ke udara, dalam kontak dengan zat padat ataupun terendam dalam fase minyak. Umumnya bagian non polar (lipofilik) adalah merupakan rantai alkil yang panjang, sementara bagian yang polar (hidrofilik) mengandung gugus hidroksil. (Jatmika, 1998) Permintaas surfaktan di dunia internasional cukup besar. Pada tahun 2004, permintaan surfaktan sebesar 11,82 juta ton per-tahun dan pertumbuhan permintaan surfaktan rata-rata 3 persen per-tahun (Widodo, 2004). Penggunaan surfaktan sangat bervariasi, seperti bahan deterjen, kosmetik, farmasi, makanan, tekstil, plastik dan lainlain. Beberapa produk pangan seperti margarin, es krim, dan lain-lain menggunakan surfaktan sebagai satu bahannya. Syarat agar surfaktan dapat digunakan untuk produk pangan yaitu bahwa surfaktan tersebut mempunyai nilai Hydrophyle Lypophyle Balance (HLB) antara 2-16, tidak beracun, serta tidak menimbulkan iritasi. Penggunaan surfaktan terbagi atas tiga golongan, yaitu sebagai bahan pembasah (wetting agent), bahan pengemulsi (emulsifying agent) dan bahan pelarut (solubilizing agent). Penggunaan surfaktan ini bertujuan untuk meningkatkan kestabilan emulsi dengan cara menurunkan tegangan antarmuka, antara fasa minyak dan fasa air. Surfaktan dipergunakan baik berbentuk emulsi minyak dalam air maupun berbentuk emulsi air dalam minyak. Emulsi didefinisikan sebagai suatu sistem yang terdiri dari dua fasa cairan yang tidak saling melarut, dimana salah satu cairan terdispersi dalam bentuk globula-globula cairan lainnya. Cairan yang terpecah menjadi globula-globula dinamakan fase terdispersi, sedangkan cairan yang mengelilingi globula-globula dinamakan fase
kontinu atau medium dispersi. Berdasarkan jenisnya emulsi dibedakan menjadi dua yaitu: 1) Emulsi
minyak
dalam
air
(O/W),
adalah
emulsi
dimana
bahan
pengemulsinya mudah larut dalam air sehingga air dikatakan sebagai fase eksternal. 2) Emulsi
air
dalam
minyak
(W/O),
adalah
emulsi
dimana
bahan
pengemulsinya mudah larut dalam minyak. Gugus hidrofilik pada surfaktan bersifat polar dan mudah bersenyawa dengan air, sedangkan gugus lipofilik bersifat non polar dan mudah bersenyawa dengan minyak. Di dalam molekul surfaktan, salah satu gugus harus lebih dominan jumlahnya. Bila gugus polarnya yang lebih dominan, maka molekul-molekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh air dibandingkan dengan minyak. Akibatnya tegangan permukaan air menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu. Demikian pula sebaliknya, bila gugus non polarnya lebih dominan, maka molekulmolekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh minyak dibandingkan dengan air. Akibatnya tegangan permukaan minyak menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu. Penambahan surfaktan dalam larutan akan menyebabkan turunnya tegangan permukaan larutan. Setelah mencapai konsentrasi tertentu, tegangan permukaan akan konstan walaupun konsentrasi surfaktan ditingkatkan. Bila surfaktan ditambahkan melebihi konsentrasi ini maka surfaktan mengagregasi membentuk misel. Konsentrasi terbentuknya misel ini disebut Critical Micelle Concentration (CMC). Tegangan permukaan akan menurun hingga CMC tercapai. Setelah CMC tercapai, tegangan permukaan akan konstan yang menunjukkan bahwa antar muka menjadi jenuh dan terbentuk misel yang berada dalam keseimbangan dinamis dengan monomernya (Genaro, 1990). Klasifikasi surfaktan berdasarkan muatannya dibagi menjadi empat golongan yaitu: 1) Surfaktan anionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu anion. Contohnya adalah garam alkana sulfonat, garam olefin sulfonat, garam sulfonat asam lemak rantai panjang. 2) Surfaktan kationik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu kation. Contohnya garam alkil trimethil ammonium, garam dialkil-dimethil ammonium dan garam alkil dimethil benzil ammonium.
3) Surfaktan nonionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya tidak bermuatan. Contohnya
ester gliserin asam lemak, ester sorbitan asam lemak, ester
sukrosa asam lemak, polietilena alkil amina, glukamina, alkil poliglukosida, mono alkanol amina, dialkanol amina dan alkil amina oksida. 4) Surfaktan amfoter yaitu surfaktan yang bagian alkilnya mempunyai muatan positif dan negatif. Contohnya surfaktan yang mengandung asam amino, betain, fosfobetain. Surfaktan pada umumnya disintesis dari turunan minyak bumi, seperti linier alkilbensen sulfonat (LAS), alkil sulfonat (AS), alkil etoksilat (AE) dan alkil etoksilat sulfat (AES). Surfaktan dari turunan minyak bumi dan gas alam ini dapat menimbulkan pencemaran terhadap lingkungan, karena surfaktan ini setelah digunakan akan menjadi limbah yang sukar terdegradasi. Disamping itu, minyak bumi yang digunakan merupakan sumber bahan baku yang tidak dapat diperbaharui. Masalah inilah yang menyebabkan banyak pihak mencari alternatif surfaktan yang mudah terdegradasi dan berasal dari bahan baku yang dapat diperbaharui (Herawan, 1998; Warwel, dkk. 2001). Penerapan bioteknologi pada sintesis surfaktan akhir-akhir ini mendapat perhatian yang besar. Bioteknologi dapat didefinisikan sebagai pemanfaatan jasad hidup dan proses biologis/kimia dalam suatu proses metabolisme untuk menghasilkan produk bernilai ekonomis lebih tinggi. Sejalan dengan definisi di atas serta didukung dengan jumlah minyak nabati sebagai pemasok bahan baku biosurfaktan maka penerapan bioteknologi pada sintesis biosurfaktan ini berpotensi besar untuk diaplikasikan. Biosurfaktan mempunyai sifat yang mirip seperti surfaktan sintetik, akan tetapi biosurfaktan lebih rendah tingkat toksisitasnya, mudah terurai secara biologi, lebih efektif pada suhu, pH dan kadar garam yang berlebihan, dan lebih mudah disintesis. Di samping itu, sifat aktif permukaan yang dimilikinya berbeda dengan surfaktan yang disintesis secara kimia. Biosurfaktan mempunyai banyak struktur. Sebagian besar adalah lemak, yang memiliki ciri struktur surfaktan amfifil. Bagian lipofil dari lemak hampir selalu gugus hidrokarbon dari satu atau lebih asam lemak jenuh atau tak jenuh dan mengandung struktur siklik atau gugus hidroksi. Sebagian besar biosurfaktan bermuatan netral atau negatif. Pada biosurfaktan anionik, muatan itu disebabkan oleh karboksilat dan/atau fosfat atau kelompok sulfat. Sejumlah kecil biosurfaktan kationik mengandung gugus amina.
Biosurfaktan sebagian besar diproduksi oleh mikroorganisme seperti bakteri, ragi (khamir) dan kapang secara biotransformasi sel. Beberapa mikroba dapat menghasilkan surfaktan pada saat tumbuh pada berbagai substrat yang berbeda, mulai dari karbohidrat sampai hidrokarbon. Perubahan substrat seringkali mengubah juga struktur kimia dari produk sehingga akan mengubah sifat surfaktan yang dihasilkan. Pengetahuan mengenai surfaktan akan sangat berguna dalam merancang produk dengan sifat yang sesuai dengan aplikasi yang diinginkan. Beberapa mikroorganisme juga ada yang menghasilkan enzim dan dapat digunakan sebagai katalis pada proses hidrolisis, alkoholisis, kondensasi, asilasi atau esterifikasi. Proses ini digunakan dalam pembuatan berbagai jenis produk surfaktan termasuk monogliserida, fosfolipida dan surfaktan asam amino. (Herawan, 1998; Ee Lin Soo, dkk. 2003) Biosurfaktan paling banyak digunakan pada produk-produk yang langsung berhubungan dengan tubuh manusia seperti kosmetika, obat-obatan dan makanan, selain itu ada juga yang digunakan pada pengolahan limbah untuk mengendalikan lingkungan (Herawan, 1998). Pada saat ini penggunaan biosurfaktan pada industri pangan dan non pangan (kimia) secara umum masih belum kompetitif karena masih tingginya biaya produksi. Namun demikian, masalah lingkungan yang diakibatkan oleh surfaktan sintetik memacu produksi dan aplikasi biosurfaktan untuk berkembang. Oleh sebab itu, agar biosurfaktan dapat bersaing dengan surfaktan kimia, harus ditemukan proses produksi yang lebih ekonomis. Kajian proses produksi biosurfaktan secara fermentasi maupun biotransformasi untuk mengurangi biaya produksi harus dilakukan, seperti upaya untuk mendapatkan perolehan (yield) yang tinggi, akumulasi produk serta penggunaan bahan baku yang murah atau malah tidak bernilai jual. Salah satu strategi untuk memproduksi biosurfaktan adalah dengan menggunakan bahan baku dari industri pertanian dan hasil sampingnya termasuk limbah yang dihasilkannya.
2.2
Surfaktan Alkanolamida Amida adalah turunan asam karboksilat yang paling tidak reaktif, karena itu
golongan senyawa ini banyak terdapat di alam. Amida yang terpenting adalah protein. Amida dapat bereaksi dengan asam dan reaksi ini tidak membentuk garam karena amida merupakan basa yang sangat lemah. Selain itu senyawa amida merupakan nukleofilik yang lemah dan bereaksi sangat lambat dengan alkil halida. Amida asam lemak pada industri oleokimia dapat dibuat dengan mereaksikan amina dengan trigliserida, asam lemak atau metil ester asam lemak. Senyawa amina yang digunakan
dalam reaksi amidasi sangat bervariasi seperti etanolamina dan dietanolamina, yang dibuat dengan mereaksikan amonia dengan etilen oksida. Alkanolamina seperti etanolamina, jika direaksikan dengan asam lemak akan membentuk suatu alkanolamida dan melepaskan air. Alkanolamida merupakan kelompok surfaktan nonionik yang berkembang dengan pesat.
Beberapa contoh
surfaktan alkanolamida ditunjukkan pada Gambar 2.1.
O
O
O
OH R
N
OH R
H
N
H
Monoetanolamida
OH R
N
CH3
Monoisopropanolamida
OH
Dietanolamida
Gambar 2.1 Beberapa Jenis Surfaktan Alkanolamida Surfaktan alkanolamida tidak bermuatan atau tidak terjadi ionisasi daripada molekul. Keberadaan gugus metil amida didalam alkanolamida bermanfaat untuk meningkatkan kelarutan surfaktan (Burczyk, dkk. 2001). Disamping itu alkanolamida dapat digunakan pada rentang pH yang luas, biodegradabel, lembut dan bersifat noniritasi, baik untuk kulit maupun mata. Surfaktan ini juga menghasilkan reduksi tegangan permukaan yang besar, toksisitas yang rendah dan pembusaan yang bagus serta stabil. Surfaktan alkanolamida juga sangat kompatibel dengan ketiga jenis surfaktan lainnya yaitu surfaktan anionik, kationik dan amfoterik. Sebagaimana surfaktan nonionik lainnya, alkanolamida menunjukkan performa yang baik seperti kelarutan yang tinggi, stabil terhadap berbagai enzim dan media yang alkali. Karena sifat-sifatnya tersebut maka surfaktan ini dapat digunakan sebagai bahan pangan, obat-obatan, kosmetika dan aplikasi industri serta dapat digunakan pada rentang penggunaan surfaktan anionik. Produk-produk yang menggunakan surfaktan alkanolamida diantaranya shampo non iritasi, sabun mandi cair, produk perawatan rambut, losion, cream, produk pembersih serta produk kosmetika, produk farmasi, biokimia dan biomedikal. Pilawoska, dkk. (2004) menyebutkan bahwa alkanolamida asam lemak dapat diproduksi dengan dua cara, yaitu pada Gambar 2.2 sintesis alkanolamida dari asam laurat atau Gambar 2.3 sintesis alkanolamida dari ester asam. Pada reaksi pertama sebagai produk samping akan dihasilkan air, sedangkan pada reaksi kedua dihasilkan alkohol.
O + OH
H2N
etanol amina
O
CH3
OH
H 3C
OH N
10
n
asam lemak
Gambar 2.2
+ H2O
H
etanolamida
air
Sintesis Alkanolamida dari Asam Lemak O
OH H 2N
CH3
+ H 3C
Etanol amina
O
n
metil ester asam lemak
O H 3C
OH N
n
+
CH3
OH
H
etanolamida
metanol
Gambar 2.3 Sintesis Alkanolamida dari Ester Asam Lemak Menurut Holmberg (2001) monoetanolamida dan dietanolamida digunakan secara
luas
sebagai
surfaktan,
penstabil
dan
pengembang
busa.
Meskipun
monoetanolamida bersifat lebih efektif baik sebagai penstabil busa, pengental dan boster busa, namun karena berbentuk padatan berlilin menyebabkan sulit untuk diinkorporasikan karena titik cairnya yang tinggi. Ditambahkan bahwa diperlukan temperatur reaksi yang tinggi untuk menginkorporasikan monoetanolamida ke dalam campuran produk kosmetika. Sebaliknya, dietanolamida selain mampu menstabilkan busa juga dapat meningkatkan tekstur kasar busa dan dapat mencegah terjadinya proses penghilangan minyak yang berlebihan pada kulit dan rambut. Wujudnya yang cair menyebabkan dietanolamida lebih mudah ditangani dan diinkorporasikan ke dalam suatu produk kosmetika yang berbentuk cairan. Pemanfaatan turunan senyawa nitrogen ini dapat ditemukan pada pembuatan deterjen, foam-fire extinguisher, agen emulsifier, dan kosmetika. Jenis surfaktan yang biasanya digunakan pada produk-produk kosmetika dan pangan adalah lemak/asam lemak yang berasal dari minyak kelapa, dan saat ini seluruhnya diimpor dari negara lain. Surfaktan alkanolamida yang berasal dari minyak
kelapa contohnya coconut dietanolamida. Coconut dietanolamida dimanfaatkan sebagai penstabil busa, bahan pendispersi, dan viscosity builder pada produk-produk toiletries dan pembersih seperti shampo, emulsifier, bubble bath, detergen bubuk dan cair, stabilizer skin conditioner dan sebagainya.
2.2.1
Dietanolamida Dietanolamida
pertama
kali
diperoleh
dengan
mereaksikan
dua
mol
dietanolamina dengan satu mol asam lemak. Senyawa ini diberi nama Kritchevsky amida sesuai dengan nama penemunya. Bahan baku yang digunakan dalam produksi dietanolamida dapat berupa asam lemak, trigliserida atau metil ester. Dietanolamida biasanya diproduksi secara kimia konvensional pada temperatur 150oC selama 6-12 jam (Herawan, dkk. 1999). Dari hasil reaksi akan dihasilkan dietanolamida dan hasil samping berupa sabun amina. Kehadiran sabun amina ini, tentu saja akan menaikkan pH produk. Pada tahap pemurnian diperlukan pemisahan produk utama dengan sabun amina. Dietanolamida merupakan salah satu surfaktan alkanolamida yang paling penting. Dietanolamida berfungsi sebagai bahan penstabil dan pengembang busa. Hal ini disebabkan karena adanya kotoran berminyak seperti sebum menyebabkan stabilitas busa sabun cair atau shampo akan berkurang secara drastis. Untuk mengatasi hal tersebut, diperlukan penstabil busa yang berfungsi untuk menstabilkan dan mengubah struktur busa agar diperoleh busa yang lebih banyak, pekat dengan buih yang sedikit. Pada pembuatan sabun, dietanolamida digunakan agar sabun menjadi lembut. Pemakaian dietanolamida pada formula shampo dapat mencegah terjadinya proses penghilangan minyak yang berlebihan pada rambut (efek perlemakan berlebihan) dan produk yang dihasilkan tidak menyebabkan rasa pedih di mata, sehingga cocok untuk digunakan sebagai produk sabun dan shampo bagi bayi (Holmberg, 2001). Sintesis dietanolamida menggunakan bahan baku dietanolamina dan asam laurat. Dietanolamina adalah senyawa yang terdiri dari gugus amina dan dialkohol. Dialkohol menunjukkan adanya dua gugus hidroksil pada molekulnya. Sifat-sifat dietanolamina adalah sebagai berikut (E Merck, 2008): Rumus molekul Berat Molekul Densitas Titik Lebur Titik Didih Kelarutan
: : : : : :
C4H11NO2 105,1364 gr/mol 1,090 gr/cm3 28oC (1 atm) 269 - 270oC (1 atm) H2O, alkohol dan eter
Sintesis alkanolamida dari dietanolamina akan menghasilkan alkanolamida yang memiliki tingkat kepolaran yang lebih baik dibandingkan amida lainnya karena adanya dua gugus hidroksil dalam molekul alkanolamida yang dihasilkan.
2.2.2
N-metil glukamida N-metil glukamida diperoleh dari reaksi antara asam lemak, metil ester asam
lemak atau trigliserida dengan N-metil glukamina. N-metil glukamida banyak digunakan sebagai produk farmasi dan biokimia lainnya. N-metil-glukamida termasuk pada kelompok alkyl-glukamida surfaktan dimana kelompok surfaktan ini diproduksi dalam jumlah besar sebagai bahan pembersih, contohnya adalah N-dodekanoil-N-metil glukamida (Holmberg, 2001). Penelitian ini menggunakan asam laurat sebagai sumber asam lemak. Kedua substrat yaitu asam laurat dan n-metil glukamina mempunyai polaritas dan kelarutan yang berbeda, asam laurat larut dalam pelarut hidrofilik sedangkan N-metil glukamina sedikit larut. Sebagai pelarut pada reaksi amidasi ini dipilih isopropanol, tert butanol, tert-amil alkohol dan n-heksana
karena
alkohol ini dapat melarutkan N-metil
glukamina, merupakan pelarut yang non toksik serta bukan merupakan substrat lipase. Katalis lipase yang immobil dari Candida antarctica dan Rhizomucor meihei dapat digunakan karena enzim immobilisasi ini mudah diperoleh, stabil dalam pelarut serta mudah direcovery (Maugard, dkk. 1998). Sintesis N-metil glukamida menggunakan bahan baku N-metil glukamina dari golongan gula amina. Senyawa-senyawa gula amina memegang peran penting dalam pembentukan dan perbaikan tulang rawan. Mekanisme kerja senyawa-senyawa gula amina adalah dengan menghambat sintetis glikosaminoglikan dan mencegah destruksi tulang rawan. Gula amina dapat merangsang sel-sel tulang rawan untuk pembentukan proteoglikan dan kolagen yang merupakan protein esensial untuk memperbaiki fungsi persendian. Gula amina dapat diperoleh dari reaksi glukosa, laktosa atau gula lainnya dengan amonia atau alkil amina. N-metil glukamina merupakan salah satu senyawa gula amina yang penting. N-metil glukamina diperoleh dari reaksi glukosa dengan monometil amina. Sifat-sifat N-metil glukamina adalah sebagai berikut (E Merck, 2008): Rumus Molekul Rumus Kimia Berat Molekul Densitas Titik Lebur Titik Didih Kelarutan
: : : : : : :
C7H17NO5 CH3NHCH2(CHOH)4CH2OH 195,22 gr/mol 1,090 gr/cm3 128 - 131oC (1 atm) 210oC (1 atm) H2O, alkohol dan eter
2.3
Asam Lemak Asam lemak adalah asam karboksilat yang gugus alkilnya adalah rantai
hidrokarbon, yang mempunyai atom C panjang dan tidak bercabang. Asam lemak merupakan komponen dari molekul lemak dimana asam lemak tersebut mempunyai jumlah atom C genap termasuk atom C pada karboksil mulai dari atom C4. Secara umum struktur asam karboksilat dapat digambarkan sebagai berikut:
O R
C OH
R = CnH2n+1 = bersifat nonpolar COOH = bersifat polar Di dalam air, ion asam lemak bergabung dengan ion-ion yang lain membentuk kelompok yang disebut misel. Rantai nonpolar yang ada di dalam misel membantu terjadinya dispersi zat yang tidak larut. Pembentukan misel ini sangat penting pada fungsi biologi untuk transport lemak yang tidak larut dalam darah. Asam lemak yang tidak mempunyai ikatan rangkap atom C dengan C adalah lurus, sedangkan asam lemak yang mempunyai ikatan rangkap, maka bentuk ikatan atom C dengan C agak bengkok. Asam lemak jenuh mempunyai titik lebur lebih tinggi daripada asam lemak tidak jenuh (Seager dan Slabaugh, 1994). Sebagai contoh asam stearat (18 karbon) adalah asam lemak jenuh dengan titik lebur 71oC, asam oleat (18 karbon dengan satu ikatan rangkap cis) titik leburnya 13oC, dan asam linoleat (18 karbon dengan 2 ikatan rangkap) mempunyai titik lebur -5oC. Selain asam lemak yang tersebut di atas ada juga yang kita kenal dengan asam lemak esensial. Asam lemak esensial adalah asam lemak yang ditandai dengan ikatan rangkap atom C-7 terakhir (dan terutama pada atom C6 dan C7) di dalam asam lemak ke arah gugus metil ujung. Asam linoleat merupakan salah satu contoh asam lemak esensial, dimana asam lemak ini banyak dibutuhkan oleh tubuh untuk pembentukan prostaglandin dan trombosan. Prostaglandin adalah zat yang mempunyai hormon yang antara lain berguna untuk mengatur tekanan darah. Asam lemak ditemukan sebagai hasil hidrolisis lemak. Suatu lemak tertentu biasanya mengandung campuran dari trigliserida yang berbeda panjang dan derajat ketidakjenuhan asam-asam lemaknya. Disamping adanya komposisi asam lemak yang spesifik untuk setiap sumber lemak dan minyak, juga terdapat perbedaan distribusi
posisi asam-asam lemak dalam molekul gliserol pada triasilgliserolnya. Untuk menggambarkan distribusi asam lemak molekul triasilgliserolnya, setiap karbon dalam molekul gliserol diberi nomor -1, -2 dan -3 atau α, β dan α’. Posisi setiap asam lemak dalam molekul gliserol dinyatakan sesuai dengan tempatnya. Karena gliserol mengandung dua gugus hidroksil primer, dua asam lemak yang berbeda akan dapat diesterkan pada masing-masing posisi tersebut. Kemudian pusat asimetri terbentuk dan trigliserida yang terbentuk dari digliserida ini akan menunjukkan bentuk enantiomorpik. Posisi asam lemak dalam triasilgliserol dinyatakan dengan penomoran spesifik yaitu sn-1, sn-2, sn3, dimana pusatnya adalah gugus hidroksil sekunder yang selalu menunjukkan posisi 2, sedangkan atom karbon C-1 dan C-3 berada pada posisi 1 dan 3. Huruf sn- ditempatkan sebelum nama senyawa, dan untuk menggambarkan struktur ini digunakan formula proyek Fisher sebagai berikut:
Sn-1 R2COO Sn-3
2HC CH 2HC
COOR' Sn-1 COOR3
Distribusi posisi asam-asam lemak ini dapat diketahui dengan melakukan hidrolisis asam-asam lemak pada posisi sn-1 dan sn-3 oleh lipase pankreatik sehingga tinggal 2-monoasilgliserol yang dapat diisolasi dan ditransesterefikasi untuk penentuan asam lemaknya pada posisi sn-2 dengan kromatografi gas. Untuk penentuan asam lemak pada posisi sn-3 dilakukan hidrolisis triasilgliserol dengan reagent Grignard (EtMgBr) sehingga dihasilkan diasilgliserol (isomer sn-1,2 dan sn-2,3). Diasilgliserol disintesa hingga menjadi fosfolipid yang kemudian dihidrolisis dengan fosfolipase A yang spesifik terhadap 1,2-diasilgliserofosfatida hingga menghasilkan lipofosfatida yang mengandung
asam lemak pada posisi sn-1. Selanjutnya dilakukan transesterifikasi
untuk penentuan asam lemak pada posisi sn-1 dengan kromatografi gas. Asam lemak pada posisi sn-3 ditentukan dengan menganalisis 2,3-diasilgliserofofatida. Menurut panjang rantainya terdapat asam lemak rantai pendek (Short Chain Fatty Acids/SCFA), asam lemak rantai sedang (Medium Chain Fatty Acids/MCFA) dan asam lemak rantai panjang (Long Chain Fatty Acids/LCFA). Berdasarkan ada tidaknya ikatan rangkap pada rantai atom C, LCFA dapat dibedakan atas asam lemak jenuh (Saturated Fatty Acids/SFA) dan asam lemak tidak jenuh (Unsaturated Fatty Acids/UFA) yang terdiri atas asam lemak tidak jenuh tunggal (Mono Unsaturated Fatty
Acids/MUFA) dan asam lemak poliena (Poli Unsaturated Fatty Acids/PUFA). Berdasarkan isomer geometriknya terdapat isomer cis dan isomer trans dari UFA. Trans jarang sekali terdapat di alam tetapi sering ditemukan pada hasil olahan lemak dan minyak yang mengandung UFA yang dihidrogenasi seperti margarin (Ketaren, 1986). Penggunaan terbesar dari asam lemak adalah dengan mengubahnya menjadi alkohol asam lemak, amida, garam asam lemak dan juga plastik termasuk nilon (hampir mencapai 40% dari total penggunaannya). Penggunaan terbesar berikutnya sebesar 30% untuk dijadikan detergen, sabun dan kosmetik. Asam lemak juga dapat digunakan sebagai dasar pembuatan resin dan cat sekitar 15%, sisa daripada penggunaan asam lemak adalah sebagai bahan pembantu dalam industri pembuatan ban, tekstil, kulit kertas, pelumas, gemuk dan lilin (Richtler dan Knaut, 1984). Pengembangan turunan asam lemak sangat diperlukan sebagai material baru yang penting dan diperlukan dalam jumlah besar pada teknologi kosmetika. Industri kosmetika dan toiletries selama ini sangat bergantung pada suplai yang besar dan bervariasi dari turunan asam lemak, untuk digunakan pada seluruh jenis produknya. Bidang teknologi kosmetika yang memberikan banyak manfaat dari perkembangan turunan asam lemak yaitu untuk pembersih kulit, tangan dan produk emulsi, untuk losion dan krem, bahan pencukur, sampo dan dentifries. Turunan asam lemak yang diaplikasikan pada industri kosmetika dibagi pada tiga kategori: 1) Produk asam lemak itu sendiri dan esternya. Contohnya adalah surfaktan non ionik yang diperoleh dari etoksilasi dan esterifikasi asam lemak. 2) Fatty nitrogen dari asam lemak. Contohnya termasuk keempat kategori surfaktan yaitu anionik, kationik, non ionik dan amfoterik. 3) Turunan mengandung sulfur dari asam lemak. Salah satu keuntungan utama dari pengembangan turunan asam lemak adalah menggunakan sumber bahan baku yang terbarukan. Setiap turunan asam lemak yang akan digunakan pada industri kosmetik harus aman dan memenuhi persyaratan berikut yaitu tidak iritasi, stabil secara fisika, bebas dari kontaminasi mikrobial, stabil secara kimia tanpa mudah terhidrolisis dan rendah toksisitas oralnya.(Johnson dan Fritz, 1989)
2.4
Asam Laurat dari Minyak Inti Sawit Potensi Indonesia sebagai produsen surfaktan yang disintesis dari minyak sawit
sangat besar (Nuryanto, 1997). Hal ini mengingat luas areal perkebunan kelapa sawit di
Indonesia yang semakin meningkat dengan pesat tiap tahunnya. Hingga tahun 2006, Indonesia merupakan produsen terbesar kedua minyak sawit setelah Malaysia dengan total produksi pada tahun 2005 mencapai 13,5 juta ton, dan diproyeksikan Indonesia akan menjadi negara produsen terbesar dalam satu dua tahun ke depan (Latif, 2007). Pengembangan industri kelapa sawit di Indonesia hingga saat ini masih didominasi oleh produk CPO dan minyak goreng. Produk sawit Indonesia lebih cenderung diekspor dalam bentuk CPO (crude palm oil). Produk CPO yang tidak diekspor sekitar 90 persen dimanfaatkan sebagai produk pangan, hanya sekitar 10 persen minyak sawit yang dimanfaatkan sebagai produk nonpangan. Padahal nilai tambah terbesar yang diperoleh adalah pada produk-produk nonpangan yang dimanfaatkan oleh industri kosmetika, oleokimia, sabun, deterjen, dan masih banyak lagi. Saat ini untuk menutupi kebutuhan industri-industri akan produk-produk hilir minyak sawit seperti gliserin, surfaktan, metallic soap, dan produk oleokimia turunan lainnya, Indonesia mengimpor dari negara lain dalam jumlah yang tidak sedikit dengan harga mahal. Hal ini merupakan salah satu peluang bagi Indonesia untuk mengembangkan potensi minyak sawit dan minyak inti sawit yang dimiliki (Herawan dan Nuryanto, 1996; Herawan, 2004). Ketersediaan minyak sawit dan minyak inti sawit dalam jumlah besar dan berkesinambungan merupakan faktor yang sangat mendukung bagi pendirian industri oleokimia. Oleokimia sendiri merupakan hasil proses kimia dari minyak dan lemak nabati atau hewani yang mencakup oleokimia dasar (fatty acid, methyl ester, fatty alcohol, fatty amine, dan glycerol) dan turunannya (sabun, oksida amina, alfa-metil ester, dan sebagainya). Di Indonesia, industri oleokimia menggunakan minyak nabati seperti minyak kelapa sawit (crude palm oil), minyak inti sawit (palm kernel oil), dan minyak kelapa. Minyak nabati yang digunakan sebagai sumber komponen minyak adalah yang banyak mengandung asam laurat (C12 : 0), asam miristat (C14 : 0), asam palmitat (C16 : 0), asam stearat (C18 : 0), asam oleat (C18 : 1) dan asam linoleat (C18 : 2). Komponen-komponen tersebut umumnya berasal dari minyak kelapa, sehingga timbul pemikiran untuk mencoba memanfaatkan minyak inti sawit sebagai bahan baku pembuatan senyawa alkanolamida untuk digunakan pada industri pangan, kosmetika dan obat-obatan. Prospek penggunaan minyak inti sawit, yang dianggap sebagai produk samping pengolahan minyak sawit, cukup besar, karena lebih dari 60% produksi minyak inti sawit telah digunakan sebagai bahan baku pembuatan asam lemak atau ester asam lemak (Herawan, 2004).
2.4.1
Minyak inti sawit Minyak inti sawit sangat potensial digunakan sebagai sumber trigliserida, metil
ester asam lemak maupun asam lemak pada industri pangan, kosmetika dan farmasi karena mengandung trigliserida rantai sedang yang dominan seperti C12
dan C14.
Lipida seperti ini disebut sebagai Medium Chain Triglycerides (MCT), yang bersifat rendah kalori dan dapat digunakan untuk mengobati pasien pengidap HIV, gagal pencernaan, liver maupun bagi seseorang yang dalam proses penyembuhan dari pembedahan serta dapat juga digunakan untuk orang yang memiliki permasalahan alergi terhadap bahan makanan tertentu (O Brien, 1998). Minyak inti sawit mengandung asam laurat (50%) dan asam miristat (18%). Kedua jenis asam lemak ini merupakan dua diantara beberapa jenis asam lemak yang biasa digunakan sebagai bahan baku surfaktan. Dengan diubah menjadi surfaktan, nilai tambah produk turunan minyak inti sawit akan bisa ditingkatkan.
2.4.2
Asam laurat Asam lemak yang digunakan pada sintesis ini adalah asam laurat. Asam laurat
(12:0) adalah satu diantara tiga asam lemak jenuh yang paling banyak dijumpai (14:0, 16:0, dan 18:0). Asam laurat paling banyak dijumpai pada minyak cinnamon (80-90%), minyak kelapa (40-60%) dan minyak inti sawit (40-50%). Asam laurat banyak digunakan pada pembuatan sabun, sampo, kosmetika dan bahan aktif permukaan lainnya, termasuk pelumas khusus. Asam laurat juga digunakan pada industri obatobatan karena sifat antimikrobialnya yang baik. Sifat-sifat asam laurat adalah sebagai berikut (E Merck, 2008): Rumus molekul Rumus kimia Berat Molekul Densitas Titik Lebur Titik Didih Kelarutan dalam air
2.5
: : : : : : :
C12H24O2 CH3(CH2)10COOH 200,32 gr/mol 0,883 gr/cm3 43 - 45oC (1 atm) 299oC (1 atm) 0,058 g/l (20oC)
Sintesis Alkanolamida secara Enzimatik Beberapa penelitian telah dilakukan pada sintesis alkanolamida secara
enzimatik. Sumber lemak/asam lemak yang digunakan antara lain metil ester asam lemak, etil ester asam lemak, asam oleat, asam laurat, serta trigliserida dari minyak sawit, inti sawit dan berbagai sumber minyak lainnya. Pelarut yang lazim digunakan
pada sintesis alkanolamida adalah heksan dan tert-amil alkohol. Heksan adalah pelarut non polar, dimana n-metil-glukamina tidak larut. Maugard, dkk. (1997) mengamati bahwa jika campuran yang stoikiometris antara asam oleat dengan N-metil-glukamina menggunakan Novozym pada 55 oC dan tekanan atmosfi, maka 40 % dari asam lemak akan terkonversi setelah 130 jam dengan yield produk campuran terdiri dari 80% amida dan 20% turunan monoester. Jika reaksi dijalankan pada 90 oC dan tekanan atmosfir, 100 % konversi asam oleat akan dicapai hanya dalam waktu 50 jam dan yield konversi amida sebesar 97 % akan diperoleh. Pada kondisi ini akan diperoleh 3% produk samping dari diasilasi amida-ester. Produk ini terbentuk dari mono ester yang merupakan produk antara yang akan seluruhnya habis pada akhir reaksi. Jika reaksi dijalankan pada 90 oC dan tekanan 500 mbar, 100 % konversi asam oleat akan diperoleh dalam 12 jam, akan tetapi campuran akhir mengandung 75 % amida, 10 % amida-ester, 5% ester dan 10 % amina yang tidak bereaksi. Substrat amina tidak seluruhnya bertransformasi pada kondisi seperti itu. Penelitian lanjutan yang dilakukannya mencoba untuk membatasi terbentuknya sejumlah ko-produk dan menemukan bahwa trigliserida cukup baik untuk digunakan sebagai ester asam lemak. Rasio asam lemak/amina tidak hanya menentukan jumlah amin yang terlarut di dalam fasa organik akan tetapi juga keselektifan dari reaksi enzimatik. Maugard, dkk. (1998) mengamati bahwa dengan adanya asam lemak, n-metilglukamina akan dilarutkan dengan membentuk pasangan ion.
O
CH3
OH n
OH CH2OH
H H OH
H
H H
H H
OH
NH OH CH3
H
H H
Gambar 2.4
O
CH2OH
H OH H OH
NH2
CH3
O n
N-Metil Glukamida Membentuk Pasangan Ion dengan Adanya Asam Lemak (Sumber: Maugard, dkk. (1998))
Lebih lanjut Maugard, dkk. (1998) menambahkan bahwa jika digunakan imobil lipase dari Rhizomucor Miehei (Lipozym) sebagai katalis pada sintesis asam oleat dengan N-metil-glukamina, kemoselektivitas reaksi akan bervariasi bergantung pada rasio asam/amina. Untuk rasio asam/amin 8 (asam berlebih), maka sebahagian besar
akan membentuk ester. Sebanyak 100% N-metil glukamina akan bertransformasi menjadi 6-O-oleoiyl-N-metil-glukamina. Jika rasio adalah lebih kecil dari 1 (amina berlebih), maka hanya akan terbentuk oleoil-N-metil glukamida. Hasil ini menunjukkan bahwa pentingnya menjaga kondisi asam-basa terutama jika molekul subtrat mengandung gugus ionik, karena kondisi asam-basa menentukan tempat ionik kedua substrat dan katalis enzim, dan kemudian juga efisiensi dan kemoselektivitas dari sintesis yang dilakukan. Maugard, dkk. (1998) juga menyelidiki
perubahan komposisi produk
disepanjang reaksi dan menemukan bahwa berkurangnya metil ester asam lemak sejalan dengan terbentuknya amida dan ester di awal reaksi. Pada awal reaksi, baik amida maupun ester telah terbentuk, dan setelah 3 jam ester yang terbentuk berubah menjadi amida ester. Diakhir reaksi ester yang terbentuk menghilang dan bersamaan dengan itu diperoleh produk baru sebesar 10% yang diidentifikasi sebagai amida ester, yang kemungkinan terbentuk dari ester. Setelah 10 jam reaksi, 100% metil ester asam lemak akan terkonversi secara sempurna dan yield amida mencapai 80%. Kondisi optimum yang diperoleh untuk produksi amida adalah pada tekanan atmosfir, temperatur 90oC menggunakan rasio Metil Ester Asam Lemak:N-metil-glukamina 1:1. Pada kondisi ini campuran surfaktan yang diperoleh mengandung 80% (b:b) amida, 15% amida ester dan 5% N-metil-glukamina. Pada komposisi ini, untuk bahan baku industri, tidak diperlukan pemisahan campuran dan dapat langsung digunakan untuk formulasi kosmetika. Burczyk, dkk. (2001) mengamati sintesis dan sifat-sifat permukaan dari surfaktan nonionik N-alkil-n-metil gluconamida dan n-alkil-n-metil laktobionamida. Substrat yang digunakan adalah n-alkil-n-metil amin dengan d-D-glukolakton dan asam laktobionik. Pada penelitian ini digunakan suhu 20 oC dan diamati sifat-sifat permukaan seperti konsentrasi surfaktan berlebih, luas permukaan permolekul, efisiensi reduksi tegangan permukaan dan konsentrasi misel kritikal. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa masuknya gugus metil ke dalam nitrogen amida akan meningkatkan kelarutan surfaktan. Laktobionamida lebih mudah larut dibandingkan glukonamida. Dengan kata lain permukaan surfaktan n-alkil-N-metil glukonamida lebih aktif dibandingkan n-alkilN-metil laktobionamida. Pengamatan ini didasarkan pada penentuan parameter adsorbsi dan miselisasi. Adanya satu ikatan rangkap dari rantai hidrokarbon seperti pada oleoil amida akan meningkatkan karakter hidrofiliknya dibandingkan dengan turunan C18 yang jenuh. Akan tetapi tidak ada perbedaan yang signifikan dari nilai Amin yang diperoleh dari kedua surfaktan yang disintesis. Surfaktan n-alkil-N-metil glukonamida yang disintesis mempunyai kemurnian 73 – 92%.
Maria dan Holmberg (2005) mengamati sintesis dan sifat-sifat permukaan dari surfaktan yang mempunyai ikatan amida, ester dan karbonat. Kestabilan surfaktan karbonat
ini
ditentukan
dengan
mengamati
karakteristik
hidrolisis
dan
biodegradabelnya. Hidrolisis dilakukan dengan katalis alkali atau enzim dan diamati menggunakan 1H NMR. Hasil pengamatan mereka menunjukkan bahwa kestabilan yang lebih tinggi diperoleh oleh surfaktan karbonat
dibadingkan surfaktan
yang
mengandung ester sebagai ikatan yang lemah. Hasil uji biodegradasi menunjukkan bahwa surfaktan ini akan terurai lebih dari 60% setelah 28 hari untuk karbonat surfaktan. Sifat-sifat fisikomikia seperti konsentrasi misel kritikal, cloud point, luas permukaan permolekul dan tegangan permukaan.ditentukan dan dibandingkan dengan surfaktan yang mengandung ikatan ester, amida atau eter. Pilakowska, dkk. (2004) mengamati sintesis N,N-di-n-alkilaldonamida dan sifatsifat permukaan dari surfaktan ini pada permukaan udara/air. Substrat yang digunakan adalah d-D-glukonolakton dan a-D-glukoheptonik-g-lakton. Dasar dari penelitian ini adalah karena akhir-akhir ini aspek ekologi menjadi sangat penting bagi lingkungan manusia sehingga surfaktan yang biodegradabel dan sedikit efeknya terhadap lingkungan banyak dikembangkan. Ada dua grup komponen yang cukup menjanjikan, yang pertama komponen dengan asetal moiety yaitu turunan 1,3-dioksalan dan 1,3dioksan, sedangkan komponen kedua adalah turunan sakarida. Turunan sakarida banyak diminati untuk diteliti karena jenisnya bervariasi dan dapat disintesis dengan biaya rendah karena berasal dari tumbuhan yang murah dan terbarukan. Surfaktan berbasis sugar ini banyak digunakan sebagai bagian dari kosmetik, bahan farmasi dan makanan, juga industri tekstil. Karena strukturnya yang mirip dengan komponen dalam tubuh manusia, surfaktan sakarida cukup menjanjikan untuk berfungsi dengan lebih baik pada antar muka. Beberapa kajian mengenai sistesis surfaktan berbasis sugar dapat diperoleh dari literatur. Turunan sakarida yang digabungkan dengan gugus amida kebanyakan diperoleh dari reaksi asam aldonik atau aldolakton dengan amin atau turunan amin. Pada pengamatan Pilawoska, dkk. (2004) sintesis surfaktan berbasis sugar ini yang dipilih adalah yang mempunyai dua rantai n-alkil yang simetrik sebagai gugus hidrofobiknya. Surfaktan dengan dua residu rantai panjang alkil, yang dikenal dengan nama glikolipid, dapat diaplikasikan sebagai sel atau unit membran . Meskipun pelarut organik memberi beberapa manfaat pada sintesis enzimatik, namun penggunaannya pada industri proses menjadi tidak diharapkan karena beberapa sebab. Diantara sebab-sebab tersebut adalah pelarut organik adalah komponen yang
mudah menguap sehingga mengakibatkan pencemaran udara, serta penggunaannya memerlukan tambahan biaya proses untuk menguapkan dan menggunakannya kembali. Selain itu, penggunaan pelarut organik memerlukan reaktor dan peralatan pendukung yang lebih banyak. Oleh sebab itu proses tanpa pelarut (solvent free process) merupakan alternatif sintesis yang memberikan manfaat bagi lingkungan dan efisiensi proses (Herawan, 2004). Biaya enzim merupakan faktor yang penting dalam menentukan ekonomi proses. Enzim dengan kestabilan tinggi serta kemungkinan recycle yang tinggi menjadi sangat diharapkan. Penelitian tentang epoksidasi toluene menggunakan enzim mendapatkan bahwa efisiensi enzim menjadi 75% setelah 15 siklus reaksi (Warwel, dkk. 2001). Akan tetapi, jika enzim dioperasikan pada proses tanpa pelarut pada kondisi optimum, enzim ditemukan kehilangan banyak aktivitasnya, sehingga membatasi jumlah recycle. Karena itu pemilihan kondisi reaksi yang tepat merupakan hal yang sangat krusial dalam penggunaan kembali Novozym 435. Pengetahuan yang mendalam terhadap faktorfaktor yang menyebabkan enzim terdeaktivasi sangat diperlukan dalam menyiapkan lipase dengan stabilitas yang ditingkatkan untuk desain proses yang optimal. Kondisi yang lunak, meminimalkan keperluan untuk memproteksi gugus-gugus, penguncian produk samping, regio dan enantio selektif yang tinggi, dan biaya sintesis yang rendah menjadikan sintesis amida secara enzimatik lebih disukai dibandingkan reaksi kimiawi. Selain dari lipase, protease seperti termolisin dan subti-lisin ada juga digunakan pada produksi amida skala besar, akan tetapi diketahui enzim tersebut spesifik untuk asam amino tertentu dan cukup sensitif untuk di inaktifkan oleh pelarut organik. Diantara asam hidrolase, lipase merupakan katalis yang menjanjikan untuk sintesis peptida, polimer dan surfaktan baru dengan biaya rendah, karena lipase telah dibuktikan, dapat mengkatalisa pembentukan ikatan amida dalam pelarut organik. Dalam pembentukan ikatan amida terdapat dua cara yang dipertimbangkan dapat meningkatkan yield amida: 1) Kontrol termodinamika. Pada pendekatan termodinamika, kesetimbangan diarahkan kepada sintesisnya, kecuali hidrolisisnya dan ini dicapai dengan menvariasikan kondisi reaksi. Sebagai contoh, peningkatan konsentrasi dari material awal atau pengendapan dari produk, menunjukkan reaksi amidasi, dengan menggantikan molekul air dengan pelarut organik. 2) Kontrol kinetika. Pada pendekatan kinetika yang mengontrol reaksi, material awal adalah mengaktifkan komponen karboksil seperti ester. Ester diaktifkan oleh enzim melalu intermediet asil-enzim, dimana kemudian
dapat diserang oleh amina atau molekul air. Karena sistesis yang dikontrol secara kinetika memerlukan intermediet asil-enzim, hanya serine atau thiol hidrolase, seperti lipase, subtilisin dan papain yang dapat digunakan. Metalo protease seperti termolisin hanya sesuai untuk reaksi yang dikontrol secara termodinamika (Maria dan Holmberg, 2005).
2.6
Lipase Lipase (triasil-gliserol ester hidrolese, EC 3.1.1.3) merupakan bagian dari enzim
hidrolisa yang dapat menyerang ikatan karboksilat, misalnya menghidrolisa trigliserida menjadi digliserida, monogliserida, asam lemak dan gliserol (Villeneuve, dkk. 2000; Hasan, dkk. 2005). Hal ini menyebabkan lipase dapat menjadi pilihan sebagai katalis pada industri makanan, deterjen, farmasi dan kosmetik. Pada tahun 1856, Claude Bernard pertama kali menemukan lipase dalam ekstrak pankreas sebagai enzim yang dapat menghidrolisa minyak dan mengubahnya ke produk lain yang memiliki kemampuan melarut. Dahulu enzim lipase diperoleh melalui cara tradisional, yaitu dari pankreas hewan dan digunakan sebagai obat saluran pencernaan. Ketertarikan terhadap lipase mikrobial diawali dengan kekurangan pankreas dan sulitnya menemukan material dengan karakteristik yang sama. Enzim dikenal sebagai katalis alam, dimana saat ini sebagian besar enzim diperoleh melalui proses fermentasi bahan-bahan alami. Pemanfaatan mikroorganisme telah lama digunakan untuk memproduksi emulsifier dan biosurfaktan, untuk membantu kelarutan dalam lemak (Hasan, dkk. 2005). Ratusan enzim telah diketahui spesifisitasnya terhadap substrat yang berbeda, tetapi hanya beberapa yang diisolasi dalam bentuk murni dan dikristalkan, serta hanya sedikit yang diketahui strukturnya. Keunggulan penggunaan protein dalam bioteknologi, menjadikan industri enzim menjadi penting. Misalnya protease dan lipase digunakan dalam industri deterjen, amilase dan glukosa isomerisasi digunakan dalam industri pati atau dalam sintesa senyawa organik lainnya. Hal ini mendorong dilakukannya klasifikasi enzim yang rasional dan juga nomenklatur. Lipase mampu mengkatalisis sintesis ikatan amida maupun ester. Beberapa jenis lipase yang digunakan pada reaksi amidasi antara lain : 1) Fungal lipase a) Rhizomucor miehei lipase (SP524) yang diimobilisasi dengan resin anionik Duolite A568. b) Rhizopus niveus lipase (Newlase F)
c) Humicola lanuginosa lipase (SP523) 2) Yeast lipase a) Candida antarctica lipase B (SP525) b) Candida antarctica lipase yang diadsorbsi pada Lewatit E (Novozym 435) c) Candida antarctica lipase A (SP526) 3) Bakterial lipase a) Pseudomonas cepacia lipase (PS) b) Pseudomonas fluorescens lipase (AK) 4) Mamalia lipase a) Porcine pancreatic lipase (PPL) Soledad, dkk. (2000) mengamati kemamputan katalitik dari beberapa jenis lipase komersial yaitu fungal lipase, yeast lipase, bacterial lipase dan mamalian lipase untuk reaksi amidasi vinil karbonat dengan fenil-etil amin dan menemukan bahwa yield lebih dari 70 % diperoleh jika menggunakan Rhizomucor miehei lipase, SP524 (80%) dan lipase
B dari Candida antarctica, Novozym 435 (79%).
Pada tahun 1961,
International Union of Biochemistry menetapkan kiasifikasi enzim menjadi enam kelas dasar (Manitto, 1981) yaitu: 1) Oksidoreduktase. Enzim-enzim yang termasuk dalam golongan ini dapat dibagi dalam dua bagian yaitu dehidrogenasi dan oksidase. Dehidrogenasi bekerja pada reaksi-reaksi dehidrogenase, yaitu reaksi pengambilan atom hidrogen dan suatu senyawa (donor). Hidrogen yang dilepas akan diterima oleh senyawa lain (akseptor). Oksidase juga bekerja sebagai katalis pada reaksi pengambilan hidrogen dan suatu substrat. Dalam hal ini yang bertindak sebagai akseptor hidrogen adalah oksigen.
2) Transferase. Enzim yang termasuk golongan ini bekerja sebagai katalis pada reaksi pemindahan suatu gugus dari suatu senyawa kepada senyawa lain. Beberapa contoh enzim yang termasuk golongan ini adalah metiltransferase, hidroksimetil
transferase,
karboksiltransferase,
asiltransferase
dan
aminotransferase atau disebut juga transaminase. Enzim transaminase bekerja pada reaksi transaminasi yaitu suatu reaksi pemindahan gugus amino.
3) Hidrolase. Enzim yang termasuk dalam kelompok ini bekerja sebagai katalis pada reaksi hidrolisis. Ada tiga jenis hidrolase, yaitu yang memecah ikatan ester, memecah glikosida dan yang memecah ikatan peptida. Beberapa enzim sebagai contoh ialah esterase, lipase, fosfatase, amilase, amino peptidase, karboksi peptidase, pepsin, tripsin, kimotripsin. Lipase adalah enzim yang memecah ikatan ester pada lemak, sehingga terjadi asam lemak dan gliserol. Lipase dapat mengkatalisasi reaksi hidrolisa dari trigliserida rantai panjang. Sejak berkembangnya bioteknologi, lipase mendapatkan perhatian yang besar. Lipase merupakan kelas biokatalis yang penting dalam aplikasi bioteknologi.
4) Liase. Meningkatkan terjadinya pemisahan (secara non hidrolitik) suatu gugus atom dan substrat, sehingga terbentuk suatu ikatan rangkap atau penambahan
suatu gugus atom pada suatu ikatan rangkap. Contoh enzim golongan ini antara lain dekarboksilase, aldolase,hidratase.
5) Isomerase. Enzim yang termasuk golongan ini bekerja pada reaksi perubahan intramolekuler, misalnya reaksi perubahan glukosa menjadi fruktosa, perubahan senyawa L menjadi senyawa D, senyawa cis menjadi senyawa trans. Contoh enzim yang termasuk golongan isomerase antara lain ialah ribulofosfat epimerase dan glukosafosfat isomerase.
6) Ligase. Enzim yang termasuk golongan ini bekerja pada reaksi-reaksi penggabungan dua molekul. Oleh karenanya enzim-enzim tersebut juga dinamakan sintetase. Ikatan yang terbentuk dan penggabungan tersebut adalah ikatan C-O, C-S atau C-C. Contoh enzim golongan ini antara lain glutamine sintetase dan piruvat karboksilase.
2.6.1
Lipase dalam industri oleokimia Lipase merupakan bagian dari enzim hidrolisa yang dapat menyerang ikatan
karboksilat. Psikologis lipase adalah menghidrolisa trigliserida menjadi digliserida, monogliserida, asam lermak dan gliserol (Hasan, dkk. 2005). Sebagai tambahan dan fungsi alami hidrolisa ikatan ester karboksilat, lipase dapat menjadi katalis reaksi esterifikasi, interesterifikasi dan transestenifikasi tanpa pelarut. Kemampuannya ini menjadikan lipase sebagai pilihan dalam aplikasinya pada industri makanan, deterjen, farmasi, penyamakan kulit tekstil, kosmetik dan kertas. Beberapa jenis lemak memiliki
nilai yang lebih tinggi dibandingkan yang lainnya, karena bentuk dan strukturnya. Lemak dapat diubah menjadi jenis yang lain dengan mengkombinasikan metode kimia, tetapi menghasilkan produk yang acak. Lain halnya dengan lipase, yang dapat mengkatalisasi reaksi transesterfikasi minyak dan lemak yang lebih murah, seperti produksi cocoa butter dan palmitat yang berasal dan satu kali fraksinasi. Dalam perkembangannya, lipase dapat menjadi katalis reaksi transesterifikasi dalam pelarut organik. Rhizomucor meihei dan Candida antarctica adalah jenis lipase yang dapat digunakan dalam reaksi sterifikasi asam lemak tanpa pelarut atau menggunakan pelarut. De Zoete, dkk. (1999) sebelumnya telah mengamati toleransi beberapa lipase terhadap amina dan menemukan bahwa lipase dari C. Antarctica
menunjukkan
toleransi yang sangat tinggi dibandingkan lipase dari Rhizomucor miehei (Lipozym RM IM). R.miehei lebih sensitif terhadap etanolamina sehingga tidak menunjukkan laju konversi yang tinggi untuk asilasi etanolamina.
2.6.2
Fungsi dan cara kerja lipase Fungsi suatu enzim ialah sebagai katalis untuk proses biokimia yang terjadi
dalam sel maupun diluar sel. Suatu enzim dapat mempercepat reaksi 108 sampai 1011 kali lebih cepat daripada apabila reaksi tersebut dilakukan tanpa katalis. Jadi enzim dapat berfungsi sebagai katalis yang sangat efisien, disamping mempunyai kekhasan (spesifik) yang tinggi. Seperti juga katalis yang lainnya, maka enzim dapat menurunkan energi aktivasi suatu reaksi kimia. Reaksi kimia ada yang membutuhkan energi (reaksi endergonik) dan ada pula yang menghasilkan energi atau mengeluarkan energi (eksergonik). Sifat spesifik (kekhasan) enzim menyebabkan enzim hanya dapat bekerja pada satu reaksi saja. Untuk dapat bekerja terhadap suatu zat atau substrat harus ada hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat. Suatu enzim mempunyai ukuran yang lebih besar daripada substrat. Oleh karena itu tidak seluruh bagian enzim dapat berhubungan langsung dengan substrat. Hubungan antara substrat dengan enzim hanya terjadi pada bagian atau tempat tertentu saja. Tempat atau bagian enzim yang mengadakan hubungan atau kontak dengan substrat dinamai bagian aktif (active site). Hubungan hanya mungkin terjadi apabila bagian aktif mempunyai ruang yang tepat untuk menampung substrat. Apabila substrat mempunyai bentuk atau konformasi lain, maka tidak dapat ditampung pada bagian aktif suatu enzim. Dalam hal ini enzim tidak dapat berfungsi terhadap substrat ini adalah penjelasan mengapa tiap enzim mempunyai kekhasan (sifat spesifik) terhadap substrat tertentu. Hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat menyebabkan terjadinya
kompleks enzim substrat. Kompleks ini merupakan kompleks yang aktif, yang bersifat sementara dan akan terurai lagi apabila reaksi yang dlinginkan telah terjadi.
2.7
Reaktor berpengaduk multi-tahap Reaktor multitahap adalah beberapa reaktor tangki berpengaduk (Continuous
Stirred Tank Reactor, CSTR) yang disusun seri dengan tujuan mendekati sifat-sifat reaktor alir tubular (Plug Flow Reactor, PFR). Reaktor berpengaduk multitahap dapat diartikan juga sebagai reaktor yang disusun seri. Namun disini, reaktor seri telah ditempatkan dalam satu kolom dimana terdapat tingkatan atau pembatas antara satu kolom dengan kolom yang lain sehingga terdiri dari beberapa kolom. Reaktor multitahap didesain untuk mendekati sifat atau cara kerja dari PFR. Semakin banyak jumlah dan tahap reaktor itu maka sistem akan semakin mendekati reaktor aliran tubular (PFR). MSAC banyak digunakan di dalam proses absorpsi, adsorpsi, polimerisasi dan kristalisasi serta reaksi kimia yang memerlukan waktu tinggal dan keseragaman yang tinggi (Levenspiel, 1999). Reaktor MSAC dapat diterapkan untuk berbagai fasa, baik fasa cair maupun fasa gas. Alirannya dapat berupa co-current atau counter-current.
C0, x 0 = 0
C1, x 1
C2, x 2
Ci-1, xi-1
Ci, xi CN-1, xN-1
F0, υ ... 1 V1, τ1
2 V2, τ2
... i Vi, τi
N VN, τN
CN , x N , υ
Gambar 2.5 Gambar Reaktor CSTR Seri (Sumber: Mohd Sobri Takrif, dkk. 1998) Dari gambar di atas yaitu CSTR yang disusun seri, membutuhkan tempat yang cukup banyak dan untuk pembuatannya membutuhkan biaya yang besar, oleh karena itu dirancanglah suatu reaktor CSTR bertingkat yang terdiri dari satu kolom dan satu poros pengaduk namun terdiri dari beberapa tahap. Reaktor MSAC mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan reaktor berpengaduk yang disusun seri. Sejumlah kelebihan reaktor MSAC adalah: 1) Reaktor MSAC mempunyai harga yang lebih murah per-unit volume yang diproses. Impeler yang terhubung pada satu proses mengakibatkan kebutuhan poros, motor penggerak dan perlengkapan lainnya dapat dikurangi.
2) Pipa-pipa yang diperlukan dapat dikurangi karena tahap di dalam reaktor MSAC saling bersambung. 3) Reaktor MSAC memerlukan ruang yang lebih kecil dibandingkan kedua jenis reaktor lainnya. 4) Reaktor MSAC dapat digunakan untuk mengalirkan sistem, baik secara searah maupun lawan arah. Kelebihan ini tidak dijumpai pada tangki berpengaduk yang disusun seri maupun pada kompartemen berpengaduk horizontal jika kedua unit tersebut tidak menggunakan pompa atau pun kompresor diantara setiap tangki/kompartemen. (Xu, 1994, Balcao, dkk. 1996)
Gambar 2.6
Reaktor Berpengaduk Multitahap (Multistage Mechanically Agitated Compartmented, MSAC)
Pengadukan dalam reaktor MSAC dilakukan pada tiap-tiap tahap untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Impeler-impeler yang sejenis diletakkan di tengah tiap tahap, dan dihubungkan pada sebatang poros dari puncak reaktor.
Pemilihan
impeler bergantung kepada hasil proses yang diharapkan. Sebagai contoh, impeler aliran radial (radial flow impeller) adalah sesuai untuk sistem gas-cair dan impeler aliran aksial (axial flow impeller) adalah sesuai untuk sistem padat-cair (Tatterson, 1991). Berdasarkan bentuknya, impeler dapat dikelompokkan pada tiga jenis, yaitu propeler (baling-baling), dayung (paddle) dan turbin. Penelitian ini menggunakan impeler(pengaduk) jenis turbin. Pemilihan jenis impeler ini didasarkan bahwa impeler turbin dapat bekerja pada kecepatan putar yang tinggi, efektif untuk rentang viskositas yang cukup luas, merupakan impeler aliran radial, dan sangat sesuai untuk mendispersikan gas atau mensuspensikan padatan (Geankoplis, 2003).
Untuk menyatakan jenis aliran disekitar pengaduk, yaitu apakah aliran disekitar pengaduk adalah laminar, turbulen atau transisi, digunakan suatu bilangan tidak berdimensi yaitu bilangan Reynolds agitasi. Bilangan Reynolds agitasi, Rea , didefinisikan : Rea =
Da 2 .n.ρ
(2.1)
μ
dimana: Da = Diameter impeller (m) n
= kecepatan putar (put/detik) = densitas fluida (kg/m3) = viskositas (kg/m.detik)
Berdasarkan nilai bilangan Reynolds agitasi, jenis aliran dalam tangki dapat dikelompokkan sebagai berikut: Tabel 2.1 Jenis Aliran dalam Tangki Rea Jenis Aliran dalam Tangki <10 Laminar 10 – 10000 Transisi > 10000 Turbulen (Sumber: Geankoplis, 2003)
2.8 Penentuan Nilai HLB Sebagai gambaran untuk perimbangan hidrofil-lipofil bahan-bahan aktif permukaan, dapat digunakan skala keseimbangan hidrofil-lipofil yang sering disebut HLB (Hidrophile-Lipophile Balance) yang ditemukan oleh Griffin pada tahun 1949. Dengan bantuan harga keseimbangan ini, maka kita dapat membentuk rentang HLB setiap surfaktan secara optimal. Makin besar nilai HLB
suatu bahan maka bahan
tersebut semakin bersifat hidrofilik (Brahmana, dkk. 1998). Secara teori harga HLB suatu bahan dapat dihitung berdasarkan gugus fungsi hidrofil, lipofil dan derivatnya, seperti dapat dilihat pada Tabel 2.2. Berdasarkan harga HLB pada Tabel 2.2 dapat ditentukan harga HLB secara teori dengan menggunakan rumus sebagai berikut: HLB = ∑ ( gugus hidrofil ) − ∑ ( gugus lipofil ) + 7
(2.2)
Tabel 2.2 Nilai HLB berdasarkan gugus fungsi Gugus Hidrofil -SO4Na+ -COO-Na+ N (amina tersier) Ester (cincin sorbitan) Ester (bebas) Hidroksil (bebas) Hidroksil (cincin sorbitan) Gugus Lipofil -CH-CH2=CH-
Harga HLB 38,7 19,1 9,4 6,8 2,4 1,9 0,5 Harga HLB 0,475 0,475 0,475
Harga HLB dapat juga ditentukan dari harga konsentrasi misel kritikal (CMC). Harga CMC diperoleh dengan menggunakan alat tensiometer. Kemudian dengan menggunakan rumus berikut akan diperoleh harga HLB (Brahmana, dkk. 1998):
HLB = 7 − 0,36 ln(
Co ) Cw
(2.3)
dimana Cw = Harga CMC; dan Co = 100 – Cw Penentuan harga HLB dapat juga diperoleh berdasarkan harga bilangan penyabunan dan bilangan asam, yakni dengan menggunakan rumus sebagai berikut: ⎛ S⎞ HLB = 20⎜1 − ⎟ A⎠ ⎝
(2.4)
dimana S = Bilangan Penyabunan dan A = Bilangan Asam
2.9
Metode Permukaan Sambutan
Penelitian ini menggunakan Metode Permukaan Sambutan (Response Surface Methodology, RSM) untuk optimasi proses. RSM merupakan teknik matematika dan statistika yang berguna untuk pemodelan dan analisis masalah dimana responnya dipengaruhi oleh beberapa variabel (Montgomery, 1997). Tujuannya adalah untuk mengoptimalkan respon tersebut. Adapun metode RSM meliputi perancangan percobaan, pengembangan model matematis dan penentuan kondisi optimum untuk variabel bebas sehingga diperoleh hasil maksimum dan minimum dari percobaan ini. Langkah awal dalam desain RSM adalah dengan menentukan perkiraan yang sesuai untuk relasi fungsi yang tepat antara respon dan variabel bebas. Dengan metode RSM diperoleh persamaan kuadratik yangserta seperti interaksinya. Untuk menentukan level optimum pada variabel penelitian digunakan Rancangan Susunan Terpusat (Central
Composite Design, CCD) dimana desain eksperimen dalam perhitungan statistika dikodekan dengan X1 dan aktual (X1) seperti ditunjukkan dalam persamaan berikut:
X1 =
(Xi − X i ) ΔX j
(i = 1,2,3,...)
(2.5)
dimana: X1
: nilai dimensi dari variabel bebas
Xi
: nilai aktual dari variabel bebas
Xi
: rata-rata nilai nyata variabel bebas pada taraf rendah (low) dan tinggi (high)
ΔX j
: selisih antar rentang
Secara umum hasil yang diperoleh dapat dianalisis dengan menggunakan multiple regression yang memenuhi persamaan berikut (Montgomery, 1997)
Y =β1+ β2 X1 +β3 X2 +β4 X3 +β5 X1 X2+ β6 X2 X3 +β7 X1 X3 +β8 X12 +β9 X22 +β10 X32 + ε
(2.6)
dimana: Y
= variabel respon yang diukur yaitu % konversi asam laurat atau persen yield alkanolamida
β1 - β10 = konstanta linier, kuadratik dan hasil regresi koefisien diagonal. ε
= error term Penyelesaian persamaan multi regresi dilakukan dengan metode Sum of Square
of Error (SSE) menggunakan perangkat lunak MINITAB R.14® untuk mendapatkan
regresi dan plot-plot dimensi hasil perhitungan. Faktorial CCD digunakan untuk optimasi amidasi asam lemak menjadi amida menggunakan lipase dalam menganalisis variabel yang berpengaruh yaitu temperatur, konsentrasi biokatalis dan rasio mol amina terhadap asam lemak. Matriks eksperimental untuk rancangan tiga faktor dengan dua level (2) yang terdiri dan 8 run pertama (1-8) dengan variabel terkode (± 1) untuk masing-masing faktor (factorial point). Selanjutnya 6 run yang disebut star point dengan level terkode (± α) sebagai significant curvature effect (9-14), sedangkan 6 run tambahan (run 15-20) memuat titik pusat (center point) sebagai perkiraan daerah lekukan kurva dengan kode 0 untuk masing-masing faktor. Jarak star point dengan center point adalah α = 2n/4 (untuk 3 faktor, α = 1,682).
Hasil statistik 20 set run desain optimasi RSM, analisis regresi dan signifikansi statistikal dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak MINITAB R.14® untuk memberikan perkiraan pengaruh level optimum dari ketiga variabel dan interaksinya masing-masing yang diperoleh dari penyelesaian persamaan regresi, analisis kontur dan plot respon permukaan (contour and surface response). Cara dalam menentukan besarnya harga perlakuan setiap komposit sebelah kiri dan kanan dan komposit pusat (kode 0) adalah: 1) Menetapkan terlebih dahulu perkiraan besarnya harga perlakuan tiap variabel yang dianggap optimal (informasi tentang kondisi optimal dapat diperoleh dari literatur atau melalui penelitian awal atau orientasi). Misal: 10% untuk konsentrasi katalis pada pusat (kode 0). 2) Harga komposit berikutnya (kode 1) ditetapkan sembarang (dengan harga yang wajar). Misal ditetapkan 12, berarti sebelah kiri (kode -1) ditetapkan 8 supaya selisih sama berharga 2. Untuk menentukan keakuratan model matematis terhadap data hasil percobaan diperiksa dengan analisis variansi (ANAVA). Ketepatan parameter persamaan untuk masing-masing variabel dilihat dari nilai P. Respon permukaan tiga dimensi dan grafik kontur digunakan untuk mengetahui pengaruh variabel percobaan terhadap hasil yang diperoleh.
