BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 KAKAO Kakao merupakan satu-satunya di antara 22 jenis marga Theobroma, suku Sterculiaceae yang diusahakan secara komersial. Menurut Tjitrosoepomo (1988) tata nama tanaman ini sebagai berikut: Divisi :Spermatophyta Anak divisi :Angiospermae Kelas :Dicotyledoneae Anak kelas :Dialypetalae Bangsa :Malvales Suku :Sterculiaceae Marga :Theobroma Jenis :Theobroma cacao [9] Kakao merupakan salah satu komoditas unggulan sub sektor perkebunan dari 15 komoditas yang dicanangkan untuk dikembangkan secara besar-besaran di Indonesia. Perkembangan luas areal panen dan produksi kakao Indonesia relatif berfluktuatif, namun cenderung meningkat. Contoh dari tanaman kakao dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut :
Gambar 2.1 Tanaman Kakao
5
Kakao merupakan tanaman industri dengan produk utama berupa biji yang memiliki nilai ekonomi tinggi, yang dalam proses penanganan hasilnya juga menghasilkan produk ikutan (limbah) berupa cangkang atau kulit buah kakao. Secara garis besar produksi kakao tersebut dalam bentuk biji, maka akan diperoleh limbah yang sangat melimpah. Misalnya saja pada tahun 2008 Indonesia dapat menghasilkan biji kakao 803.594 ton maka limbah yang tersedia sekitar 3.214.367 ton [2]. Kulit buah kakao merupakan limbah lignoselulosa yang mengandung komponen utama berupa lignin, selulosa, dan hemiselulosa.Berdasarkan penelitian mengenai pembuatan gula cair dari kulit kakao didapatkan data mengenai komposisi buah kakao dan kandungan kimia kulit kakao. Hasil penelitian tersebut menyatakan bahwa kulit kakao mengandung 20,11% lignin, 31,25% selulosa, dan 48,64% hemiselulosa. Kandugan selulosa pada kulit kakao cukup potensial untuk diolah lebih lanjut. Dengan demikian, kulit buah kakao sangat berpotensi digunakan sebagai bahan baku pembuatan BBN yang berupa bioetanol [9]. Kulit buah kakao mengandung senyawa kompleks yang bisa dijadikan sebagai bahan senyawa bioetanol seperti lignin, selulosa dan hemiselulosa (pentosan).Struktur kimia lignin mengalami perubahan di bawah kondisi suhu yang tinggi dan asam.Pada reaksi dengan temperatur tinggi mengakibatkan lignin terpecah menjadi partikel yang lebih kecil dan terlepas dari selulosa [10]. Setelah lignin terlepas dari selulosa maka selulosa tersebut akan lebih mudah dihidrolisis, sehingga kadar gula reduksi yang terukur menjadi bertambah. Molekul selulosa merupakan mikrofibil dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya membentuk rantai polimer yang sangat panjang.Hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan monomer selulosa yaitu glukosa sedangkan hidrolisis tidak sempurna akan menghasilkan disakarida dari selulosa yaitu selobiosa [11]. 2.2 SELULOSA Selulosa merupakan senyawa organik yang paling melimpah di bumi. Diperkirakan sekitar 1011 ton selulosa dibiosintesis setiap tahun. Kira-kira 50% berat kayu dan 90% berat kapas tersusun dari selulosa [12].
6
Pada tanaman, selulosa dilapisi oleh polimer yang sebagian besar terdiri dari xilan dan lignin. Xilan dapat didegradasi oleh xilanase, akan tetapi lignin sangat sulit terdegradasi. Jika xilan dan lignin dihilangkan, maka selulosa dapat didegradasi oleh selulase dari bakteri atau kapang selulolitik untuk menghasilkan selobiosa dan glukosa. Selobiosa sering berfungsi menghambat sistem kerja dari selulase dan proses selulolitik akan cepat berhenti bila tidak ada mikroba sakarolitik lainnya dalam ekosistim tersebut. Kelebihan selobiosa yang dihasilkan akan dimanfaatkan oleh mikroba sakarolitik tersebut sehingga mikroba selulolitik dapat melanjutkan degradasi selulosa [13].
Gambar 2.2 Struktur molekul selulosa [14]. Selulosa adalah struktur dasar sel-sel tanaman, oleh karena itu merupakan bahan alam yang paling penting yang dibuat oleh organisme hidup. Selulosa merupakan komponen tanaman yang terbesar dan merupakan komponen penting yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan kertas dan merupakan polimer linear dengan berat molekul tinggi yang tersusun seluruhnya atas ß-D-glukosa dan dapat memenuhi fungsinya sebagai komponen struktur utama dinding sel tumbuhan karena sifat-sifat kimiadan fisiknya maupun struktur molekulnya [15]. Selulosa merupakan polisakarida yang tersusun dari polimer glukosa yang dihubungkan oleh ikatan glikoksida yang membentuk rantai lurus. Selulosa banyak terdapat pada dinding sel tumbuhan. Disakarida akan dihasilkan dengan hidrolisa parsil dari selulosa dan pada hidrolisis yang sempurna akan dihasilkan D-glukosa [5].
7
2.3 BIOETANOL Minyak bumi merupakan sumber daya alamyang tidak dapat diperbaharui. Semakin banyakpemakaian, maka kelangkaan minyak bumi tidakakan dapat dihindari. Di samping itu,meningkatnya jumlah kendaraan bermotor diberbagai belahan dunia akan
menimbulkantimbulnya
masalah
pencemaran
lingkungan.
Emisigas
karbondioksida (CO2) sebagai hasilpembakaran telah meningkatkan kandungan CO2 diatmosfir, yang mengakibatkan pemanasan global.Oleh karena itu, diperlukan adanya bahan bakaralternatif yang dapat menggantikan peran minyakbumi. Salah satu solusi yang dapat digunakanadalah dengan pemanfaatan biomassa. Produkbiomassa yang dapat mensubtitusi peran minyakbumi tersebut adalah bioetanol [16]. Bioetanol merupakan salah satu biofuel yang hadir sebagai bahan bakar alternatif yang lebih ramah lingkungan dan sifatnya yang terbarukan. Bioetanol (C2H5OH) adalah cairan biokimia dari proses fermentasi gula dari sumber karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme. Bioetanol bersifat multi-guna karena jika dicampur dengan bensin pada komposisi berapapun memberikan dampak yang positif.[16].Bioetanol adalah bahan bakar alternatif yang diolah dari tumbuhan, dimana memiliki keunggulan mampu menurunkan emisi CO2 hingga 18 %[12]. Bioetanol berupa cairan hasil proses fermentasi gula dari sumber karbohidrat (pati) menggunakan bantuan mikroorganisme.Produksi bioetanol dari tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat, dilakukan melalui proses konversi karbohidrat menjadi gula (glukosa) dengan beberapa metode diantaranya dengan hidrolisis asam dan hidrolisis secara enzimatis. Glukosa yang diperoleh selanjutnya dilakukan proses fermentasi atau peragian dengan menambahkan yeast atau ragi sehingga diperoleh bioetanol [18]. Bioetanol dapat dibuat dari berbagai bahan hasil pertanian. Secara umum bahan-bahannya dapat dibagi dalam 3 golongan yaitu : 1. Bahan yang mengandung gula atau disebut juga substansi sakarin yangrasanya manis, seperti misalnya gula tebu, gula bit, molase (tetes), macam-macam sari buah-buahan dan lain-lain. Molase mengandung 50-55% gulayang dapat difermentasi, yang terdiri dari 69% sukrosa dan 30% gulainversi.
8
2. Bahan yang mengadung pati misalnya: padi-padian, jagung, gandum,kentang sorgum, malt, barley, ubi kayu dan lain-lain. 3. Bahan-bahan
yang
mengandung
selulosa,
misalnya:
kayu,
jerami,
tongkoljagung, cairan buangan pabrik pulp dan kertas (waste sulfire liquor) [19]. Keuntungan penggunaan bioetanol, yaitu bahan bakar bioetanol memiliki nilai oktan tinggi sehingga dapat digunakan sebagai bahan peningkat nilai oktan (octane enhancer) menggantikan penggunaan senyawa eter dan penggunaan TEL yang mengandung logam berat Pb sebagai ’anti-knocking agent’ yang memiliki dampak buruk terhadap lingkungan. Dengan nilai oktan tinggi, proses pembakaran menjadi lebih sempurna dan emisi gas buang lebih baik [20].
2.4 HIDROLISIS SELULOSA Pembuatan bahan-bahan lignosellulosa hingga menjadi etanol melalui empat proses utama: pretreatment/hidrolisa, fermentasi, dan terakhir adalah pemisahan serta pemurnian produk etanol. Bahan-bahan lignosellulosa umumnya terdiri dari sellulosa, hemisellulosa dan lignin. Selulosa secara alami diikat oleh hemiselulosa dan dilindungi oleh lignin. Adanya senyawa pengikat lignin inilah yang menyebabkan bahan-bahan lignosellulosa sulit untuk dihidrolisa. Oleh sebab itu, proses pretreatment dan hidrolisa merupakan tahapan proses yang sangat penting yang dapat mempengaruhi perolehan yield etanol [21]. Proses
pretreatmentdilakukan
untuk
mengkondisikan
bahan-bahan
lignoselulosa baik dari segi struktur dan ukuran. Proses ini adakalanya dilaksanakan bersama-sama dengan proses hidrolisa, proses pretreatment yang sekaligus proses hidrolisa meliputi: perlakuan secara fisik, fisik-kimiawi, kimiawi dan enzimatik. Proses ini bertujuan memecah ikatan lignin, menghilangkan kandungan lignin dan hemiselulosa, merusak struktur krital dari selulosa serta meningkatkan porositas bahan [22].Metode praperlakuan fisik dapat dilakukan dengan pengecilan ukuran secara mekanik dengan dicacah, ditumbuk, atau digiling, dan radiasi berenergi tinggi. Metode pengecilan ukuran bahan baku bertujuan untuk merusak kristalinitas , menurunkan
9
derajat polimerisasi, dan meningkatkan luas permukaan molekul sehingga proses hidrolisis dapat berlangsung lebih cepat dan mudah [3]. Rusaknya struktur kristal selulosa akan mempermudah terurainya selulosa menjadi glukosa. Selain itu, hemiselulosa turut terurai menjadi senyawa gula sederhana: glukosa, galaktosa, manosa, heksosa, pentosa, xilosa dan arabinosa. Selanjutnya senyawa-senyawa gula sederhana tersebut yang akan difermentasi oleh mikroorganisme menghasilkan etanol [23]. Adabeberapa hidrolisa yaitu: 1. Hidrolisa murni, sebagai reaktan hanya air. 2. Hidrolisa dengan katalis larutan asam, bisaberupa asam encer atau asam pekat. 3. Hidrolisa dengan katalis larutan basa, bisaberupa basa encer atau basa pekat. 4. Hidrolisa dengan menggunakan katalis enzim. 5. Alkali fussion, dengan sedikit atau tanpa airpada temperatur tinggi. [24]. Di dalam metode hidrolisis asam, biomassa lignoselulosa dipaparkan dengan asam pada suhu dan tekanan tertentu selama waktu tertentu, dan menghasilkan monomer gula dari polimer selulosa dan hemiselulosa. Beberapa asam yang umum digunakan untuk hidrolisis asam antara lain adalah asam sulfat (H2SO4), asam perklorat, dan HCl. Asam sulfat merupakan asam yang paling banyak diteliti dan dimanfaatkan untuk hidrolisis asam. Hidrolisis asam dapat dikelompokkan menjadi: hidrolisis asam pekat dan hidrolisis asam encer [25]. Pada hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan glukosa, sedangkan pada hidrolisis parsial akan menghasilkan disakarida yang disebut selobiosa, yang dapat dihidrolisis lebih lanjut menjadi glukosa. Hidrolisis dapat dilakukan secara kimia (asam) maupun enzimatik.Pada metode hidrolisis asam, biomassa lignoselulosa dihidrolisa oleh air dengan katalis asam kuat disertai pemanasan. Selama hidrolisis, air akan terdisosiasi membentuk ion H+ dan OH- yang dikatalisasi oleh asam pada suhu 80oC. Ion H+ dari air ini akan memutuskan rantai polimer selulosa sehingga membentuk radikal bebas yang akhirnya akan bereaksi dengan ion OH- yang berasal dari air membentuk monomer-monomer glukosa[26].
10
Gambar 2.3 Hidrolisis Glukosa [10] Faktor fator yang mempengaruhi hidrolisis selulosa, yaitu : 1. Suhu Suhu mempengaruhi jalanya reaksi hidrolisis, terutama pada kecepatan reaksinya.Hidrolisis dari pati mengikuti persamaan reaksi orde satu dengan kecepatan reaksiyang berbeda-beda untuk setiap jenis pati. Untuk kisaran suhu 90100 °C,kecepatan reaksi meningkat dua kali lebih cepat setiap kenaikan suhu 5 °C.Sedangkan secara keseluruhan, pada umumnya kecepatan reaksi hidrolisis akanmeningkat dua kali lebih cepat setiap kenaikan suhu 10 °C. Dengan penggunaansuhu yang lebih tinggi, maka waktu reaksi dapat di minimalkan. Penggunaan suhutinggi juga dapat meminimalkan penggunaan katalisator sehingga biayaoperasional lebih ekonomis. 2. Katalisator Penggunaan katalisator pada reaksi hidrolisis dilakukan pertama kali olehBraconnot pada 1819. Beliau menghidrolisis linen (selulosa) menjadi gulafermentasi dengan menggunakan asam sulfat pekat. Setelah itu ditemukan bahwaasam dapat digunakan sebagai katalisator untuk mempercepat reaksi hidrolisis.Katalisator yang biasa di gunakan berupa asam, yaitu asam klorida, asam sulfat,asam sulfit, asam nitrat, atau yang lainnya. Makin banyak asam yang di pakaisebagai katalisator, makin cepat jalannya reaksi hidrolisa. Penggunaan katalisatordengan konsentrasi kecil (larutan encer) lebih disukai karena akan memudahkanpencampuran sehingga reaksi dapat berjalan merata dan efektif. Penggunaankonsentrasi katalisator yang kecil dapat mengurangi kecepatan reaksi. Namun halini dapat diatasi dengan menaikkan suhu reaksi.
11
3. Waktu Waktu reaksi mempengaruhi konversi yang dihasilkan. Semakin lama waktureaksi, maka semakin tinggi pula konversi yang di hasilkan. Hal ini disebabkanoleh kesempatan zat reaktan untuk saling bertumbukan dan bereaksi semakinbesar, sehingga konversi yang di hasilkan semakin tinggi [27]. 4. Konsentrasi katalisator Pernambahan katalisator bertujuan untuk memperbesar kecepatan reaksi. Jika semakinbanyak jumlah katalisator yang dipakai makin cepat reaksi hidrolisis. 5. Kadar suspensi selulosa Perbandingan antara air dan selulosa yang tepat akan membuat reaksi hidrolisis berjalan lebih cepat. Bila air berlebih maka tumbukan antara selulosa dan air akan berkurang sehingga memperlambat jalannya reaksi [11]. 6. Kecepatan Pengadukan Dengan
adanya
pengadukan
dalam
reaksi
hidrolisis
akan
menambah
jumlahtumbukan antar zat pereaksi sehingga nilai frekuensi tumbukan (A) padapersamaaan Arrhenius bertambah besar. Persamaan Arrhenius : k = A. e- E / RT
(2.1)
dengan k : konstanta kecepatan reaksi A : faktor frekuensi tumbukan E : energi aktivasi R : konstanta gas T : suhu absolut [28]. 2.5 ANALISA GULA REDUKSI Gula reduksi yang dihasilkan dari proses hidrolisis dianalisis dua cara, yaitu analisis secara kualitatif dan kuantitatif. Analisis gula reduksi secara kualitatif digunakan untuk mengidentifikasi apakah sampel mengandung gula reduksi atau tidak,
12
sedangkan analisis gula reduksi secara kuantitatif digunakan untuk menentukan kadar gula reduksi [29]. 2.5.1
Analisa Kualitatif 1. Uji Molisch Ikatan glikosida pada karbohidrat oleh asam sulfat akan dihidrolisis menjadi monosakarida dan selanjutnya monosakarida mengalami dehidrasi oleh asam sulfat menjadi furfural dengan α-naftol akan berkondensasi membentuk senyawa kompleks yang berwarna. 2. Uji Fehling Perekasi Fehling terdiri atas dua larutan yaitu Fehling A (larutan CuSO4 dalam air) dan Fehling B (larutan garam KNatartrat dan NaOH dalam air). Keduanya disimpan terpisah dan dicampur menjelang digunakan. Dalam pereaksi ini ion Cu2+ direduksi menjadi ion Cu+ yang dalam suasana basa akan diendapkan sebagai Cu2O. 3.
Uji Benedict Gula reduksi dengan larutan Benedict (campuran garam kuprisulfat, natrium sulfat, natrium karbonat) akan terjadi reaksi reduksi oksidasi dan dihasilkan endapan berwarna merah dari kuprioksida.
4. Uji Barfoed Pereaksi ini terdiri dari kupri asetat dan asam asetat yang akan bereaksi dengan monosakarida sehingga dihasilkan endapan merah kuprooksida [30]
2.5.2. Analisa Kuantitatif 2.5.2.1. Titrasi Luff-Schoorl Metode Luff Schoorl sering juga disebut metode oksidasai kupri. Dalammetode ini prinsip kerjanya adalah titrasi iodium bebas dalam larutan, denganNa2S2O3 dan natrium sitrat bereaksi membentuk CuO yang berada dalam suasana basa Na2CO3 seperti reaksi berikut ini ; CuSO4 (aq) + Na2CO3 (aq) CuCO3 (aq) + Na2SO4 (aq)
13
CuCO3 (aq)CuO (aq) + CO2 (aq) Kemudian CuO ini bereaksi dengan monosakarida untuk membebtukendapan Cu2O. Endapan Cu2O bereaksi dengan asam kuat menjadi CuSO4direaksikan dengan KI menjadi CuI2. karena CuI2≈ I2, maka I2 bebas inikemudian bereaksi dengan Na2S2O3 sampai warna berubah menjadi kuningpucat. Pada saat warna telah menjadi kuning pucat, segera ditambahkanamilum sehingga terbentuk kompleks iod-amilum yang berwarna biru tua.Reaksi yang terjadi sebagai berikut : R-COH (aq) + CuO (aq) Cu2O (s) + R-COOH H2SO4 (aq) + Cu2O (aq) CuSO4 (aq) + H2O (aq) CuSO4 (aq) + 2 KI (aq) CuI2 (aq) + K2SO4 (aq) 2 CuI2 (aq) Cu2I2 (aq) + I2 (aq) I2 (aq) + Na2S2O3 (aq) Na2S2O6 (aq) + I2 (aq) I2 (aq) + amilum warna biru tua I2 dititrasi dengan Na2S2O3 sampai warna biru hilang. Untuk penentuan kadar gula reduksi ditentukan dengan perhitunganselisih dari titrasi blanko dengan titrasi sampel yang kemudian hasil dikorelasidengan tabel Luff Schoorl [20]. 2.6 FERMENTASI Fermentasi merupakan salah satu upaya untuk mengubah senyawa karbohidrat menjadi etanol dengan bantuan mikroorganisme.Fermentasi merupakan proses perubahan kimia yang disebabkan oleh aktivitas mikroorganisme untuk memperoleh energi dengan memecah substrat untuk pertumbuhan dan metabolismedari mikroorganisme tersebut. Proses fermentasi yang terjadi pada pembentukan etanol adalah fermentasi anaerob atau tanpa oksigen [31]. Mikroorganisme yang sangat potensial untuk fermentasi etanol adalah Saccharomyces cereviseae karena memiliki daya konversi menjadi etanol sangat tinggi,
metabolismenya
sudah
diketahui,
metabolit
utama
berupa
karbondioksida, dan air dan sedikit menghasilkan metabolit lainnya[8].
14
etanol,
Penggunaan ragi Saccharomyces cerevisiae banyak digunakan untuk hasil produksi bioetanol dari gula karena tidak membutuhkan sinar matahari dalam pertumbuhannya. Saccharomyces cerevisiae dalam bentuk ragi dapat langsung digunakan sebagai inokulum pada kultivasi
etanol sehingga tidak diperlukan
penyiapan inokulum secara khusus [32]. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses fermentasi: 1. Substrat Substrat merupakan bahan baku fermentasi yang mengandung nutrien-nutrienyang dibutuhkan oleh mikroba untuk tumbuh maupun menghasilkan produkfermentasi. Nutrien yang paling dibutuhkan oleh mikroba baik untuk tumbuhmaupun untuk menghasilkan produk fermentasi adalah karbohidrat. Karbohidratmerupakan sumber karbon yang berfungsi sebagai penghasil energi bagi mikroba,sedangkan nutrient lain seperti protein dibutuhkan dalam jumlah lebih sedikitdaripada karbohidrat. 2. Suhu Suhu
fermentasi
mempengaruhi
lama
fermentasi
karena
pertumbuhan
mikrobadipengaruhi suhu lingkungan fermentasi. Mikroba memiliki kriteria pertumbuhanyang berbeda-beda. Menurut Fardiaz [26], Saccharomyces cerevisiae memlikikisaran suhu pertumbuhan antara 20-30 °C. Tetapi Kumalasari [34] menyatakanbahwa Saccharomyces cerevisiae akan tumbuh optimal dalam kisaran suhu30-35°C dan puncak produksi alkohol dicapai pada suhu 33 °C. Jika suhu terlalurendah, maka fermentasi akan berlangsung secara lambat dan sebaliknya jika suhu34terlalu tinggi maka Saccharomyces cerevisiae akan mati sehingga prosesfermentasi tidak akan berlangsung. 3. pH Derajat keasaman (pH) merupakan salah satu faktor penting yang perlu untukdiperhatikan
pada
saat
proses
fermentasi.
pH
mempengaruhi
pertumbuhanSaccharomyces cerevisiae. Oleh karena itu, pada awal pelaksanaan penelitian,substrat yang akan dipakai terlebih dahulu diuji pH nya.
15
4. Oksigen Oksigen secara tidak langsung mempengaruhi lama fermentasi yang dilakukanoleh Saccharomyces cerevisiae. Saccharomyces cerevisiae dapat tumbuh denganbaik pada kondisi aerob, tetapi untuk melakukan proses fermentasi alkohol,dibutuhkan kondisi anaerob. Saccharomyces cerevisiae tumbuh dengan baik pada kondisi aerob. Pada kondisi aerob, Saccharomyces cerevisiae menghidrolisis gulamenjadi air dan CO2, tetapi dalam keadaan anaerob gula akan diubah olehSaccharomyces cerevisiae menjadi alkohol dan CO2. 5. Mikroba yang digunakan Mikroba sebagai pelaku fermentasi tentu sangat berpengaruh terhadap lamafermentasi. Dalam fermentasi alkohol umumnya digunakan khamir karena khamirdapat mengkonversi gula menjadi alkohol dengan adanya enzim zimase.Saccharomyces cerevisiae memiliki beberapa kelebihan dibandingkan mikrobalain yang juga dapat membentuk alkohol. Kluyveromyces fragilis juga merupakankhamir yang dapat memproduksi alkohol. tetapi, Saccharomyces cerevisiae dapatmengkonversi gula lebih cepat daripada Kluyveromyces fragilis. Dalam 72 jamSaccharomyces cerevisiae dapat menghasilkan alkohol hingga 2% sedangkanKluyveromyces fragilis membutuhkan waktu hingga 1 minggu untuk dapatmemproduksi etanol hingga 2%. Namun, Saccharomyces cerevisiae tidak dapat memanfaatkan galaktosa [35].
16
