BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Jagung digunakan sebagai salah satu makanan pokok di berbagai daerah di

Indonesia sebagai tumbuhan yang kaya akan karbohidrat. Potensi jagung telah

banyak dikembangkan menjadi berbagai jenis produk unggulan yang mampu

berperan penting bagi perekonomian nasional (Idradewa et al., 2005).

Produk jagung telah dapat memenuhi kebutuhan dalam maupun luar negri melalui industri makanan, minuman, kimia, dan farmasi. Berdasarkan komposisi kimia dan kandungan nutrisinya, jagung mempunyai prospek sebagai bahan pangan dan bahan baku industri Tanaman jagung termasuk jenis tanaman pangan yang diketahui banyak mengandung serat kasar karena tersusun atas senyawa kompleks lignin, hemiselulose dan selulose (lignoselulosa), dan masing-masing merupakan senyawa-senyawa yang potensial dapat dikonversi menjadi senyawa lain secara biologi.

2.1

Jagung dan Tongkol Jagung Tanaman

jagung

(Zea

mays

L.)

termasuk ke dalam famili rumput-rumputan (graminae). Tanaman ini (Gambar 2.1) di Indonesia sudah dikenal sejak 400 tahun lalu. Klasifikasi tanaman jagung (Zea mays L.) Divisi Sub Divisi

: Spermatophyta : Angiospermae

Gambar 2.1. Tanaman jagung 6

Bab II Tinjauan Pustaka

7

Kelas

: Monocotyledonae

Bangsa

: Graminales

Suku

: Graminae

Marga

: Zea

Jenis

: Zea mays L.

Tongkol jagung adalah tempat pembentukan lembaga dan gudang penyimpanan makanan untuk pertumbuhan biji. Jagung mengandung kurang

lebih 30% tongkol jagung sedangkan sisanya adalah kulit dan biji (Koswara,

1991). Tongkol jagung merupakan salah satu limbah lignoselulosa yang banyak terdapat di Indonesia, tercatat pada tahun 2008 tongkol jagung yang dihasilkan sebesar 4.456.215 ton (BPS,2008). Namun, tongkol jagung tersebut belum dimanfaatkan secara optimal terutama bagi keperluan industri. Tongkol jagung mengandung selulosa, hemiselulosa dan xilan yang memiliki potensi untuk pengembangan produk masa depan. Menurut Johnson (1991), limbah tongkol jagung merupakan limbah pertanian yang mengandung selulosa (40-60%), hemiselulosa (20-30%) dan lignin (15-30%). Tabel 2.1. Komposisi Kimia Tongkol Jagung No.

Parameter

Tongkol Jagung

1.

Kadar pentosan sebagai hemiselulosa (%)

30,91

2.

Kadar holoselulosa (%)

64,71

3.

Kadar α-selulosa (%)

28,93

4.

Kadar β-selulosa (%)

-

5.

Kadar γ-selulosa (%)

48,51

6.

Kadar lignin (%)

15,52

7.

Derajat polimerisasi

-

Sumber : Rispiandi, 2009

Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung Menggunakan Katalis Asam


8

2.1.1 Lignoselulosa

Lignoselulosa merupakan komponen utama tanaman yang tersusun

atas mikrofibril-mikrofibril selulosa yang membentuk kluster-kluster, dengan

ruang antara mikrofibril terisi dengan hemiselulosa, dan kluster-kluster

tersebut terbebat kuat menjadi satu kesatuan oleh lignin (Soerawidjaja, and

Z.I.E amiruddin, 2007).

Gambar 2.2 Konfigurasi Dinding Sel Tanaman (Perez et al., 2002) Biomassa lignoselulosa sebagian besar terdiri dari campuran polimer karbohidrat (selulosa dan hemiselulosa), lignin, ekstraktif, dan abu. Nama lainnya adalah holoselulosa, istilah yang digunakan untuk menyebutkan total karbohidrat yang dikandung di dalam biomassa dan meliputi selulosa dan hemiselulosa. 2.1.1.1 Selulosa Selulosa

mempunyai rumus

molekul (C6H10O5)n merupakan

komponen utama dari tumbuhan dan tidak dapat dicerna oleh manusia. Selulosa merupakan polimer rantai lurus glukosa yang tersusun atas unitunit D-glukosa dengan derajat polimerisasi mencapai 1.200-10.000 yang bergabung

dengan

ikatan konfigurasi

β-1,4

glikosida


(Sari,

Siti


9

Maryam.2011). Rantai polimer selulosa membentuk bermacam-macam

ikatan hidrogen yang sangat kuat dan membentuk struktur semikristalin

yang mengakibatkan selulosa tidak larut di dalam air atau pelarut organik

konvensional (Swatloski, et al., 2002).

Selulosa tidak berwarna, tidak mempunyai rasa dan bau, tidak larut dalam air atau larutan basa, relatif stabil terhadap panas, tidak meleleh jika dipanaskan, mulai terurai pada temperature 260-270oC, tetapi akan larut dalam larutan mineral dengan konsentrasi tinggi akibat hidrolisis.

Hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan monomer selulosa yaitu glukosa, sedangkan hidrolisis tidak sempurna akan menghasilkan disakarida dari selulosa yaitu selobiosa (Fan et al.,1982). Jika hidrolisis belum berlangsung terlalu jauh maka selulosa dapat diendapkan kembali membentuk padatan polimer dengan berat molekul yg lebih kecil melalui pengenceran larutan dalam asam kuat tersebut dan air. Selulosa baru mengalami hidrolisis dalam asam mineral encer pada temperatur yang tinggi. (>100OC) (Oktavia, 2011).

Gambar 2.3. Struktur Selulosa (Cole dan Fort, 2007) a. Selobiosa Selobiosa merupakan disakarida yang dihasilkan dari hidrolisis parsial selulosa dalam asam encer. Disakarida ini terdiri dari molekul D-glukosa seperti maltosa, tetapi ikatan glikosida (1 → 4) yang menghubungkan kedua monosakarida ialah beta. Selobiosa tidak dihidrolisis oleh enzim maltase.



10

Gambar 2.4 Struktur Selobiosa (Cole dan Fort, 2007)

b.

Glukosa Glukosa (C6H12O6) adalah gula sederhana (monosakarida). Glukosa

adalah salah satu produk utama fotosintesis dan merupakan komponen struktural pada tanaman. Glukosa merupakan gula C-6 yang memiliki beberapa bentuk, yang biasanya digambarkan sebagai cincin piranosa. Dalam cincin ini, tiap karbon terikat pada gugus samping hidroksil dan hidrogen kecuali atom kelimanya, yang terikat pada atom karbon keenam di luar cincin, membentuk suatu gugus CH2OH. Struktur cincin ini berada dalam kesetimbangan dengan bentuk yang lebih reaktif.

β-D-glukosa

α-D-glukosa

D-glukosa Gambar 2.5 Struktur Molekul D-glukosa



11

2.1.1.2 Hemiselulosa

Hemiselulosa merupakan suatu polisakarida lain yang terdapat dalam

tanaman dan tergolong senyawa organik (Simanjuntak,1994). Terdiri atas 2

7 residu gula yang berbeda (Gambar 2.6). Molekul hemiselulosa lebih mudah menyerap air, bersifat plastis, dan mempunyai permukaan kontak antar molekul yang lebih luas dari selulosa (Oshima, 1965). Hemiselulosa berbeda dengan selulosa karena komposisinya terdiri atas berbagai unit gula, disebabkan rantai molekul yang pendek dan percabangan rantai

molekul. Unit gula yang membentuk hemiselulosa dapat dibagi menjadi kompleks seperti pentosa dan heksosa (Fengel dan Wegener, 1995; Nishizawa, 1989).

Gambar 2.6 Struktur Hemiselulosa (Cole dan Fort, 2007). Hemiselulosa relatif lebih mudah larut dalam larutan alkali dan dapat di hidrolisis dengan asam menjadi monomer yang mengandung glukosa, mannose, galaktosa, xylosa dan arabinosa. Xylosa merupakan gula terbanyak kedua di biosfer setelah glukosa. Hemiselulosa mengikat lembaran serat selulosa membentuk mikrofibril yang meningkatkan stabilitas dinding sel. Hemiselulosa juga berikatan silang dengan lignin membentuk jaringan kompleks dan memberikan struktur yang kuat. a. D-mannosa D-manosa (C6H12O6) merupakan salah satu sakarida yang memiliki atom karbon enam. D manosa terdapat pada sejumlah glikokonjugat Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung Menggunakan Katalis Asam


12

termasuk glikosilasi protein berantai-n. D-manosa juga terdapat

pada

beberapa jenis karbohidrat termasuk hemiselulosa dalam jumlah yang

sedikit. Adapun gambar struktur molekul D-manosa seperti terlihat pada

gambar berikut :

Gambar 2.7 Struktur Molekul D-manosa (Cole dan Fort, 2007) b. D-galaktosa, Galaktosa merupakan suatu aldoheksosa. Monosakarida ini jarang terdapat bebas di alam. Umumnya berikatan dengan glukosa dalam bentuk laktosa, yaitu gula yang terdapat dalam susu. Galaktosa mempunyai rasa kurang manis jika dibandingkan dengan glukosa dan kurang larut dalam air. Seperti halnya glukosa, galaktosa juga merupakan gula pereduksi.

Gambar 2.8 Struktur Molekul D-galaktosa (Cole dan Fort, 2007) c. D-xylosa Merupakan gula berkarbon lima yang dijumpai dalam tumbuhan. Gula ini berikatan dengan sesamanya untuk membentuk semacam polimer. Dxylosa berasal dari kayu yang kadang-kadang dinamakan gula kayu



13

Gambar 2.9 Struktur Molekul D-xylosa (Cole dan Fort, 2007) d. D-arabinosa D-arabinosa merupakan gula berkarbon lima yang kadang-kadang disebut gula pektin. Pektin adalah polisakarida yang tersusun dari gula yang membentuk gel yang berguna dalam pembuatan agar-agar (jelly).

Gambar 2.10 Struktur Molekul D-arabinosa (Cole dan Fort, 2007) 2.1.1.3 Lignin Komponen lignin pada sel tanaman berpengaruh terhadap pelepasan dan hidrolisis polisakarida. Di dalam jaringan tanaman, lignin sulit didegradasi karena mempunyai struktur yang kompleks dan heterogen yang berikatan dengan hemiselulosa. Fungsi utama lignin adalah memperkuat struktur tanaman dalam menahan terhadap serangan mikroba dan tekanan oksidasi (Anindyawati, 2009). Berbeda dengan selulosa yang terbentuk dari gugus karbohidrat, struktur kimia lignin sangat kompleks dan tidak berpola sama. Gugus Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung Menggunakan Katalis Asam


14

aromatik ditemukan pada lignin, yang saling dihubungkan dengan rantai

alifatik, yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin tersusun atas jaringan polimer

fenolik yang berfungsi merekatkan serat selulosa dan hemiselulosa sehingga

menjadi sangat kuat. (Sun dan Cheng, 2002) 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 (Taherzadeh dan Karimi, 2008).

Gambar 2.11 Struktur lignin (Cole dan Fort, 2007) 2.2

Delignifikasi Delignifikasi merupakan suatu proses pembebasan lignin dari suatu

senyawa kompleks. Proses ini penting dilakukan sebelum hidrolisis selulosa, sebab lignin dapat menghambat penetrasi asam atau enzim sebelum hidrolisis berlangsung sehingga mempermudah pelepasan glukosa (Gunam, et. Al.,2010).Berbagai perlakuan pendahuluan atau delignifikasi dapat dilakukan seperti perlakuan secara fisik (penggilingan, pemanasan dengan uap, radiasi atau pemanasan dengan udara kering) dan secara kimia (pelarut, larutan pengembang, gas SO2) (Frida, 1998). Dalam proses delignifikasi secara kimia, pelarut yang digunakan harus mampu melarutkan sebagian besar lignin dan kemudian dapat dipisahkan kembali dengan mudah.



15

Tabel 2.2 Kelarutan Masing-Masing Komponen

Senyawa

Larut dalam

Referensi

Selulosa

Asam kuat

Dietric Fengel, 1984

Hemiselulosa

Basa (Alkalin)

Sjostrom, 1998

Asam

Sjostrom, 1998

Dimetilsulfoksida

Sjostrom, 1998

Basa

Sjostrom, 1998

Ion bisulfit

Sjostrom, 1998

Lignin

Sumber : Oktavia, 2011

Delignifikasi dilakukan dengan larutan NaOH, karena larutan ini dapat menyerang dan merusak struktur lignin, bagian kristalin dan amorf, memisahkan

sebagian

lignin

dan

hemiselulosa

serta

menyebabkan

penggembungan struktur selulosa (Enari, 1983; Marsden dan Grey, 1986; Gunam dan Antara 1999). Selulosa tidak akan rusak saat proses pelarutan lignin jika konsentrasi larutan pelarut yang digunakan rendah dan suhu yang digunakan sesuai. Pemakaian suhu di atas 180oC menyebabkan degradasi selulosa lebih tinggi, dimana pada suhu ini lignin telah habis terlarut dan sisa bahan pemasak akan mendegradasi selulosa (Casey 1980).

Gambar 2.12 Pengaruh Pretreatment (Mosier et al., 2005)



16

2.3

Hidrolisis Asam

Hidrolisis asam merupakan penguraian polisakarida secara kimiawi

di dalam biomassa lignoselulosa, yaitu selulosa dan hemiselulosa menjadi

monomer gula penyusunnya. Hidrolisis sempurna selulosa menghasilkan glukosa, sedangkan hemiselulosa menghasilkan beberapa monomer gula pentose (C5) dan heksosa (C6), serta degradasi produk dari pemecahan monomer gula menjadi aldehid dan keton (Taherzadeh & Karimi, 2007).

Degradasi senyawa lignin akan menghasilkan senyawa-senyawa fenol yang

sangat berbahaya bagi mikroorganisme khususnya bagi membran dan matrik enzim dalam sel (Palmqvist dan Hahn-Hägerdal, 2000).

Gambar 2.13 Mekanisme hidrolisis asam (Xiang et al.,2003) Dalam proses hidrolisis, selulosa diubah menjadi gula glukosa, reaksi yang terjadi : (C6H10O5)n + nH2O HCl n C6H12O6 Reaksi ini dikatalis oleh asam encer, asam pekat atau enzim (selulase). Kelemahan dari hidrolisis asam encer adalah degradasi gula yang dihasilkan melalui proses hidrolisis dan pembentukan produk samping yang tidak diinginkan. Degradasi gula dan produk samping ini tidak hanya akan mengurangi hasil panen gula, tetapi produk samping juga dapat menghambat Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung Menggunakan Katalis Asam


17

pembentukan etanol pada tahap fermentasi selanjutnya (Taherzadeh & Karimi, 2007).

Gambar 2.14 Produk samping hasil degradasi lanjut monosakarida (Palmqvist, dan Hahn-Hägerdal; Taherzadeh dan Niklasson, 2003) Keuntungan utama penggunaan asam encer adalah reaksinya yang cepat sehingga mempercepat proses berikutnya. Mengingat hidrolisis asam encer efektif untuk menghidrolisis hemisellulosa tanpa proses pretreatment terlebih dahulu, proses ini masih tetap digunakan (Iranmahboob et al., 2002). Untuk meminimalisasi terbentuknya produk inhibitor dari degradasi gula-gula sederhana dan degradasi lignin diperlukan penelitian lebih lanjut terhadap parameter parameter proses hidrolisis asam serta proses detoksifikasi (Mussatto dan Roberto, 2004; Iranmahboob et al., 2002; Palmqvist dan HahnHägerdal, 2000; Szczodrak dan Fiedurek, 1996). Oleh karena itu, hidrolisat hasil hidrolisis asam harus dinetralisasi terlebih dahulu untuk meminimalisasi produk inhibitor dan untuk mengkondisikan hidrolisat supaya siap digunakan pada proses selanjutnya (Mussatto dan Roberto, 2004).



18

2.4

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses hidrolisis

1.

Konsentrasi asam Berdasarkan penelitian Ashadi (1988), kadar glukosa yang dihasilkan

dari proses hidrolisis dipengaruhi oleh konsentrasi asam. Peningkatan

konsentrasi asam yang terlalu ekstrim akan menurunkan glukosa yang

dihasilkan karena glukosa yang terbentuk akan terdegradasi lebih lanjut. Menurut Grethlein (1984), pada hidrolisis dengan menggunakan asam pada konsentrasi tinggi, gula yang dihasilkan akan diubah menjadi senyawasenyawa furfural yang akan menghambat proses fermentasi.

2.

Waktu Hidrolisis Lama waktu hidrolisis mempengaruhi proses degradasi selulosa menjadi

glukosa dan juga mempengaruhi degradasi glukosa sebagai produk. Waktu hidrolisis yang melebihi waktu optimum akan mendegradasi glukosa menjadi komponen-komponen yang lebih sederhana yang biasanya bersifat racun terhadap mikroorganisme (Grethlein, 1984). 3.

Suhu Dari kinetika reaksi, semakin tinggi suhu reaksi makin cepat pula

jalannya reaksi. Tetapi apabila proses berlangsung pada suhu yang tinggi, konversi akan menurun. Hal ini disebabkan adanya glukosa yang pecah menjadi arang.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents