DESAIN TEKNOLOGI PEMBUATAN PLASTIK BIODEGRADABLE DARI PATI SAGU DENGAN PEMANFAATAN FERMENTASI ASAM LAKTAT (KAJIAN KONSENTRASI KITOSAN DAN GELATIN) TECHNOLOGY DESIGN OF BIODEGRADABLE PLASTIC FROM SAGO STARCH COMBINED WITH FERMENTATION OF LACTIC ACID (STUDY OF ADDITION OF CHITOSAN AND GELATIN) Vemy Suryo Qushayyi1*, Maimunah Hindun Pulungan2, Wignyanto2 Jurusan Teknologi Industri Pertanian-Fakultas Teknologi Pertanian-Universitas Brawijaya Jl. Veteran-Malang 65145 2Staff Pengajar Jurusan Teknologi Industri Pertanian-Fakultas Teknologi Pertanian-Universitas Brawijaya Jl. Veteran-Malang 65145 *email:
[email protected] 1Alumni
ABSTRAK Tujuan penelitian adalah menganalisa tingkat biodegradasi terbaik dan sifat mekanik (kuat tarik, elastisitas, dan swelling) dari plastik biodegradable pati sagu dan poli asam laktat dengan penambahan kombinasi konsentrasi kitosan dan gelatin. Rancangan yang digunakan adalah RAK dengan 2 faktor yang masing-masing terdiri dari 3 level dengan 2 ulangan yaitu kitosan (K) (0%, 1,5%, 2%) dan gelatin (G) (0%, 1,5%, 2%). Pengujian data menggunakan ANOVA, lalu BNT dan DMRT. Hasil penelitian menunjukkan penambahan kitosan dan gelatin berpengaruh nyata terhadap kuat tarik, elastisitas, swelling, dan tingkat biodegradasi plastik biodegradable pati sagu. Penambahan kitosan berpengaruh nyata terhadap kuat tarik dan penambahan gelatin berpengaruh nyata terhadap elastisitas plastik biodegradable pati sagu. Tingkat biodegradasi terbaik terjadi pada perlakuan kombinasi kitosan 2% dan gelatin 1,5% pada hari ke-12 dengan sifat mekanik meliputi nilai kuat tarik sebesar 9.75 Pa, elastisitas sebesar 49.5%, dan daya tahan terhadap air (swelling) sebesar 9.76%. Kata Kunci: Gelatin, Kitosan, Pati Sagu, Plastik Biodegradable, Poli Asam Laktat ABSTRACT The aims of this research is analyzing the best biodegradation rate and the mechanical properties (tensile strength, elasticity, and swelling) of biodegradable plastic from sago starch and poly lactic acid with addition of various concentration of chitosan and gelatin. This study used a RCBD, consist of 2 factors with 3 levels and 2 times repeat with chitosan (K) (0%, 1.5% and 2%) and gelatin (G) (0%, 1.5% and 2%), variable fixed are 5% glycerol and 4% poly lactic acid of the volume of sago starch. Tested data were using ANOVA followed by BNT and DMRT. The result showed that the addition of chitosan and gelatin had a real effect of tensile strength, elasticity, swelling, and biodegradability of biodegradable plastic. The addition of chitosan had a real effect in tensile strength and the addition of gelatin had a real effect in elasticity of biodegradable plastic. The best biodegradation rate occurred on 12th day with combinations of chitosan 2% and gelatin 1.5% and the mechanical properties are tensile strength 9,75 Pa, the elasticity 49,5%, and swelling 9,76%. Keywords: Biodegradable Plastic, Chitosan, Gelatin, Poly Latic Acid, Sago Starch PENDAHULUAN
Keberadaan bahan baku plastik dari minyak bumi semakin menipis, tidak dapat diperbaharui dan mencemari lingkungan. Perhatian dunia terhadap keberlangsungan alam semakin tinggi sehingga menuntut industri untuk lebih peduli dalam penggunaan bahan produksi yang ramah lingkungan (Rasmita, 2012). Plastik biodegradable menjadi alternatif bahan
Plastik berperan penting dalam kehidupan manusia yaitu sebagai kemasan karena keunggulannya yang ringan, kuat, transparan, dan harga yang terjangkau oleh semua kalangan masyarakat. Kebutuhan plastik di Indonesia semakin meningkat hingga mencapai 2,3 juta ton/tahun. 1
kemasan ramah lingkungan karena plastik biodegradable adalah polimer yang terbuat dari bahan terbarukan dan secara alamiah mudah terdegradasi oleh mikroorganisme maupun oleh cuaca (Ban, 2006). Bahan terbarukan yang melimpah keberadaannya di Indonesia adalah pati sagu yang memiliki potensi tinggi sebagai bahan baku plastik biodegradable. Areal sagu secara nasional diperkirakan mencapai 1 juta hektar sehingga potensi sagu nasional diperkirakan dapat mencapai 2,5 juta ton/tahun dan belum dimanfaatkan dengan optimal (Rahim, 2009). Pengembangan plastik biodegradable dari poli asam laktat (PLA) telah menarik perhatian dunia dan menjadi 2 produk yang paling penting sehingga kapasitas produksi akan mencapai 1,3 dan 0,8 juta metrik ton (Shen, 2009). PLA dari fermentasi asam laktat menggunakan produk agrikultur dan mikroorganisme (Tokiwa, 2009). PLA termasuk polimer terdegradasi yang diciptakan berdasarkan bioteknologi (hasil sintesis dari monomer alami). PLA lebih bagus daripada PCL, PHB, dan PBS dikarenakan termasuk dalam poliester alifatik dengan berat molekul yang kecil sehingga mikroorganisme mampu menguraikannya (Averous, 2012). Kualitas plastik biodegradable dapat dilihat dari sifat mekaniknya yang dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu konsentrasi padatan terlarut dalam larutan film, suhu, penambahan pemlastis, dan jenis polimer (Embuscado, 2009). Pemlastis yang digunakan; gliserol, kitosan, dan gelatin. Gliserol bersifat fleksibel dan mengurangi kekakuan dari kitosan. Kitosan memperkuat gelatin yang rapuh dalam pembuatan plastik biodegradable karena dapat mengikat biopolimer lainnya (Nadiah, 2010). Pada penelitian Christianty (2005), ditunjukkan bahwa perpaduan pati tapioka dengan PLA dari polimerisasi 100oC fermentasi asam laktat dengan kadar asam 12,07% serta gliserol sebesar 5% menunjukkan peningkatan pada sifat mekanik plastik biodegradable, namun bersifat hidrofilik (swelling rendah). Menurut Darmanto (2010), solusinya adalah penambahan kitosan dan gelatin yang memiliki sifat hidrofobik.
Penggantian bahan baku dari pati tapioka, yang merupakan hasil olahan dari singkong, menjadi pati sagu dikarenakan singkong telah menjadi bahan pangan utama dibeberapa daerah di Indonesia menjadi keripik, tape, gethuk, dan makanan tradisional lainnya. Persaingan bahan baku antara plastik biodegradable dan bahan pangan dapat diatasi dengan peggunaan pati sagu (Badan Litbang Pertanian, 2011). Kombinasi kitosan dan gelatin diharapkan meningkatkan sifat mekanik dan biodegradasi plastik biodegradable. BAHAN DAN METODE Bahan Bahan pembuatan plastik biodegradable yaitu pati sagu produksi UD. Puri Pangan Sejahtera Jakarta, asam laktat hasil fermentasi selama 72 jam, aquades, gliserol 5%, kitosan, dan gelatin. Pada fermentasi asam laktat terdapat penggunaan ekstrak tauge, Lactobacillus bulgaricus, dan air pati tapioka. Alat Alat yang digunakan adalah beaker glass, gelas ukur, erlenmeyer, kain saring, toples kaca, kaca bening, alumunium foil, kapas, tabung reaksi, hot plate, alat pengaduk, timbangan, inkubator, oven, pot plastik, dan tensile strength instrument. Rancangan Percobaan Rancangan Acak kelompok dengan 2 faktor, yaitu kitosan, terdiri dari 3 level, yaitu 0%; 1,5%; 2% dan gelatin, terdiri dari 3 level, yaitu 0%; 1,5%; 2%. Kombinasi perlakuan dilakukan perulangan sebanyak 2 kali. Pelaksanaan Penelitian Penelitian dilakukan dengan 2 tahap yaitu fermentasi asam laktat dengan metode Christianty (2005) dan pembuatan plastik biodegradable pati sagu menggunakan metode modifikasi Christianty (2005). Analisa tingkat biodegradasi (metode soil burial test) (Lardjane, 2009). Analisa sifat mekanik meliputi kuat tarik metode Lloyd (Guilbert (1996) dalam Bastioli (2005)), elastisitas metode Llyod (Guilbert (1996) dalam Bastioli (2005)), dan swelling (metode 2
penyerapan air) (Yuwono dan Susanto, 1998). Pengolahan data dilakukan dengan menggunakan analisa sidik ragam (ANOVA). Pengolahan data dilanjutkan dengan uji BNT dan DMRT dengan selang kepercayaan 5%. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 1 Grafik Kuat Tarik Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Interaksi Berbagai Kombinasi Perlakuan Konsentrasi Kitosan dan Gelatin
Kuat Tarik Kuat tarik plastik biodegradable dari hasil penelitian yang didapatkan berkisar antara 6,30 Pa sampai 10,95 Pa. Hasil ANOVA menunjukkan peningkatan konsentrasi gelatin tidak berpengaruh nyata terhadap nilai kuat tarik, peningkatan konsentrasi kitosan dan interaksi antara kitosan dan gelatin berpengaruh nyata terhadap kuat tarik plastik biodegradable pati sagu pada selang kepercayaan 0,05. Rerata kuat tarik plastik biodegradable pati sagu pada berbagai konsentrasi kitosan dapat dilihat di Tabel 1.
Pada Gambar 1 menunjukkan pola meningkat pada nilai kuat tarik plastik biodegradable seiring dengan meningkatnya konsentrasi kitosan karena plastik semakin bersifat kaku. Adapun pola penurunan kuat tarik disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi gelatin. Hal ini didukung oleh pernyataan Nadiah (2010) bahwa, gelatin memiliki sifat yang elastis dan rapuh sehingga harus dikombinasikan dengan pemlastis yang lebih kaku seperti kitosan yang bersifat pengikat terhadap biopolimer lainnya.
Tabel 1 Rerata Kuat Tarik Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Berbagai Konsentrasi Kitosan Konsentrasi Kitosan (%) 0 1,5 2 BNT 0,05 = 1,44
Rerata Kuat Tarik (Pa)
Notasi
6,62 8,64 9,65
a b b
Elastisitas Hasil penelitian dari elastisitas plastik biodegradable menunjukkan prosentase sebesar 40% sampai 84,67 %. Pada hasil ANOVA, peningkatan konsentrasi kitosan tidak berpengaruh nyata terhadap nilai elastisitas, peningkatan konsentrasi gelatin serta interaksi antara kitosan dan gelatin berpengaruh nyata terhadap elastisitas plastik biodegradable pati sagu pada selang kepercayaan 0,05. Rerata elastisitas plastik biodegradable pati sagu pada berbagai konsentrasi kitosan dapat dilihat di Tabel 2.
Keterangan: Nilai rerata yang didampingi oleh huruf yang sama menunjukkan tidak berbeda nyata
Pada Tabel 1 menunjukkan bahwa, kuat tarik terendah diperoleh pada konsentrasi kitosan 0% yaitu 6,62 Pa dan kuat tarik tertinggi diperoleh pada konsentrasi kitosan 2% yaitu 9,65 Pa. Konsentrasi kitosan 0% memberikan nilai kuat tarik berbeda nyata dengan konsentrasi kitosan 1,5% dan 2%. Konsentrasi kitosan 1,5% tidak memberikan nilai kuat tarik yang berbeda dengan konsentrasi kitosan 2%. Setiap kenaikan konsentrasi kitosan memberikan kenaikan pula pada nilai kuat tarik plastik biodegradable dari pati sagu. Hal ini didukung oleh Rokhati (2012) bahwa, prosentase kitosan terhadap nilai kuat tarik berbanding lurus karena terbentuk ikatan molekul yang kuat pada plastik biodegradable sehingga sulit putus. Perubahan nilai kuat tarik pada berbagai kombinasi perlakuan kitosan dan gelatin dapat dilihat pada Gambar 1.
Tabel 2 Rerata Elastisitas Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Berbagai Konsentrasi Gelatin Konsentrasi Gelatin (%) 0 1,5 2 BNT 0,05 = 12,87
Rerata Elastisitas (%)
Notasi
47,11 59,13 68,11
a a b
Keterangan: Nilai rerata yang didampingi oleh huruf yang sama menunjukkan tidak berbeda nyata
Pada Tabel 2 terlihat bahwa elastisitas terendah diperoleh pada gelatin 0% yaitu 3
47,11% dan elastisitas tertinggi diperoleh pada gelatin 2% yaitu 68,11%. Konsentrasi gelatin 2% memberikan nilai elastisitas berbeda nyata dengan konsentrasi kitosan 0% dan 1,5%. Pada konsentrasi kitosan 0% tidak memberikan nilai elastisitas yang berbeda nyata terhadap konsentrasi kitosan 1,5%. Penambahan gelatin memberikan kenaikan nilai pada elastisitas karena gelatin memberikan sifat lentur pada plastik biodegradable. Nadiah (2010) menyatakan, gelatin membuat film memiliki sifat yang fleksibel. Penambahan 2% konsentrasi gelatin pada pati dapat meningkatkan elastisitas film bila dicampur dengan pati. Perubahan nilai elastisitas pada berbagai kombinasi perlakuan kitosan dan gelatin dapat dilihat pada Gambar 2.
begitupula pada peningkatan konsentrasi gelatin. Pada interaksi antara kitosan dan gelatin berpengaruh nyata terhadap daya tahan terhadap air pada plastik biodegradable pati sagu dengan selang kepercayaan 0,05. Perubahan prosentase swelling pada berbagai kombinasi perlakuan kitosan dan gelatin untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Grafik Swelling Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Interaksi Berbagai Konsentrasi Kitosan dan Gelatin
Pada Gambar 3 menunjukkan pola menurun pada swelling seiring dengan meningkatnya konsentrasi kitosan dan gelatin. Penurunan tersebut menunjukkan semakin besarnya daya tahan terhadap air dari plastik biodegradable. Semakin besar konsentrasi kitosan dan gelatin, maka semakin besar daya tahan plastik biodegradable terhadap air sehingga resiko penggembungan plastik semakin kecil. Hal ini didukung oleh Siang (2012) yang menyatakan bahwa, gelatin berguna untuk memperkuat ikatan antar pati dan kitosan. Gelatin tidak mampu berdiri sendiri dalam mempertahankan kekuatan suatu film agar tidak menggembung, sehingga ditambahkan dengan kitosan agar daya tahan terhadap air meningkat. Hal ini didukung dengan pernyataan Lu (2009) bahwa, kitosan memiliki sifat penghalang air bila disatukan dengan pati.
Gambar 2 Grafik Elastisitas Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Interaksi Berbagai Konsentrasi Kitosan dan Gelatin
Pada Gambar 2 menunjukkan pola meningkat elastisitas plastik biodegradable seiring meningkatnya konsentrasi gelatin Pola penurunan elastisitas disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi kitosan. Hal ini didukung oleh pernyataan Darmanto (2010) bahwa, adanya penambahan konsentrasi kitosan yang semakin tinggi pada film gelatin membuat film menjadi kaku dan bertambahnya karbohidrat mebuat ikatan molekul pada plastik biodegradable semakin kuat.
Tingkat Biodegradasi Plastik Biodegradable Pati Sagu Hasil penelitian menunjukkan tingkat biodegradasi plastik biodegradable paling cepat pada hari ke-12 dan paling lama terjadi di hari ke-16. Tingkat biodegradasi plastik biodegradable pati sagu pada berbagai konsentrasi kitosan dan gelatin dapat dilihat pada Gambar 4.
Daya Tahan Terhadap Air (Swelling) Hasil penelitian dari daya tahan terhadap air (swelling) plastik biodegradable menunjukkan prosentase sebesar 6,74% sampai 19,02%. Berdasarkan hasil ANOVA, peningkatan konsentrasi kitosan tidak berpengaruh nyata terhadap swelling, 4
mikroorganisme. Hal ini didukung oleh Anita (2013) yang menyatakan bahwa, kitosan dan gelatin terhidrolisis dengan menyerap air didalam tanah, sehingga polimer plastik akan putus dan memecah, selain itu Hamastuti (2012) menyatakan bahwa, adanya mikroorganisme yang berperan pada aktivitas pemecah dalam tanah yaitu Pseudomonas fluorescens. Plastik biodegradable pati sagu dengan tingkat degradasi terbaik yaitu pada penambahan kitosan 2% dan gelatin 1,5% terdengaradasi paling cepat pada hari ke-12 dengan kuat tarik sebesar 9,75 Pa, elastisitas sebesar 49,5%, dan daya tahan terhadap air (swelling) sebesar 9,76%. Hal ini didukung oleh pernyataan Bourtoom (2007) bahwa, plastik biodegradable yang memiliki sifat menanik terbaik adalah perpaduan pati dan kitosan sebesar 2%, selain itu didukung pula oleh Nadiah (2010) bahwa penambahan 2% kitosan dan 1.5 % gelatin mempercepat biodegradasi plastik pati.
Gambar 4 Grafik Tingkat Biodegradasi Plastik Biodegradable Pati Sagu Pada Berbagai Kombinasi Perlakuan Konsentrasi Kitosan dan Gelatin
Pada Gambar 4 menunjukkan bahwa konsentrasi kitosan dan gelatin berpengaruh terhadap tingkat biodegradasi plastik biodegradable pati sagu. Kenaikan prosentase biodegradasi seiring dengan lamanya waktu penimbunan didalam tanah (soil burial test). Pada grafik terlihat garis yang merupakan error bar untuk mengetahui perbedaan kecepatan tingkat biodegradasi plastik pada variasi perlakuan. Degradasi dimulai pada hari ke-12 sampai hari ke-16. Pada hari ke-12 terdapat plastik yang telah terdegradasi sempurna pada plastik dengan perlakuan kombinasi konsentrasi kitosan 2% dan gelatin 1,5%. Pada hari ke-14 juga terjadi degradasi plastik biodegradable dengan sempurna. Hal tersebut terjadi pada perlakuan kombinasi kitosan 0% dan gelatin 0%, kitosan 0% dan gelatin 1,5%, serta kitosan 1,5% dan gelatin 2%. Adapula prosentase terdegradasi sempurna sebesar 50% pada perlakuan kombinasi kitosan 1,5% dan gelatin 0%, kitosan 1,5% dan gelatin 1,5%, kitosan 2%, dan gelatin 0%, serta kitosan 2% dan gelatin 2%. Pada hari ke-16, plastik dengan konsentrasi kitosan 0% dan gelatin 2% terdegradasi dengan prosentase 100%. Degradasi dengan prosentase sebesar 50% dikarenakan pada 2 ulangan soil burial test, plastik ulangan pertama telah terdegradasi sempurna namun, plastik kedua belum terdegradasi sempurna. Prosentase 100% menunjukkan bahwa kedua plastik terdegradasi sempurna pada hari yang sama. Penambahan kitosan dan gelatin mampu mempercepat degradasi plastik didalam tanah yang dilakukan oleh
KESIMPULAN Kesimpulan Plastik biodegradable dengan tingkat biodegradasi terbaik pada perlakuan kombinasi konsentrasi kitosan 2% dan gelatin 1.5% pada hari ke-12 dengan sifat mekanik meliputi nilai kuat tarik sebesar 9.75 Pa, elastisitas sebesar 49.5%, dan daya tahan terhadap air (swelling) sebesar 9.76%. DAFTAR PUSTAKA Anita, Z. 2013. Pengaruh Penambahan Gliserol terhadap Sifat Mekanik Film Plastik Biodegradasi dari Pati Kulit Singkong. Jurnal Teknik Kimia USU 2 (2): 37-41. Averous, L. 2012. Bioodegradable Polymers. Environmental Silicate NanoBiocomposites Journal ISBN: 978-14471-4101-3. Badan Litbang Pertanian, 2011. Inovasi Pengolahan Singkong Meningkatkan Pendapatan dan Diversifikasi Pangan. Agro Inovasi. Jakarta. Ban, W. 2006. Influence of Natural Biomaterials on The Elastic Properties of Starch Derived Films: An Optimization Study. Journal of Applied Polymer Science (15): 30-38 5
Bastioli, C. 2005. Handbook of Biodegradable Polymers. Rapra Technology Limited. ISBN: 1-85957389-4. Bourtoom, T. 2008. Plasticizer Effect on the Properties of Biodegradable Blend Film from Rice Starch-Chitosan. Songklanakarin Journal Science Technology 30 (1): 149-165. Christianty, M.U. 2005. Pembuatan Plastik Biodegradabel dari Limbah Tapioka melalui Fermentasi Asam Laktat (Kajian Lama Fermetasi dan Konsentrasi Gliserol). Minor Thesis Jurusan Teknologi Indutri Pertanian. Universitas Brawijaya. Malang. Darmanto, M. 2010. Studi Analisis Antibakteri dari Film Gelatin-Kitosan Menggunakan Staphylococcus aureus. Prosiding Kimia FMIPA. ITS. Embuscado, M.E. 2009. Edible Films and Coatings for Food Applications. Springer. New York. Lardjane, N. 2009. Migration of Additives in Simulated Landfills and Soil Burial Degradation of Plasticized PVC. Journal of Applied Polymer Science 111(1): 525-531. Hamastuti, H. 2012. Peran Mikroorganisme Azotobacter chroococcum, Pseudomonas fluorescens, dan Aspergillus niger pada Pembuatan Kompos Limbah Sludge Industri Pengolahan Susu. Jurnal Teknik POMITS 1(1): 1-5. Lu, D.R. 2009. Starch Based Completely Biodegradable Polymer Materials. eXPRESS Polymer Letters 3(6): 366–375. Nadiah, N. 2010. Biodegradable Biocomposite Starch Based Films Blended With Chitosan dan Gelatin. Thesis Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering. Universiti Malaysia Pahang. Rahim, A. 2009. Sifat Fisiokimia dan Sensoris Sohun Instan dari Pati Sagu. Jurnal Agroland 16 (2): 124 – 129. Rasmita, A.G. 2012. Pengaruh Waktu Interaksi Polimerisasi Asam Laktat terhadap Karakteristik Polimer Poly(L)-Lactic Acid (PLLA) dari LAsam Laktat Sebagai Bahan Baku Plastik Biodegradable. Prosiding Seminar Nasional Kimia. UNESA. Surabaya.
Rokhati, N. 2012. Pembuatan Film Komposit Kitosan-Tapioka: Pengaruh Komposisi Terhadap Karakteristik Film. Jurnal Teknik Kimia UNDIP. Shen. 2009. Product Overview and Market Projection of Emerging Bio-based Plastics (PRO-BIP 2009). www.european-bioplastics. Diakses pada tanggal 3 Januari 2014. Siang, A.L.W. 2012. Biodegradation of PolyLacticAcid/Starch Blends. Project Report of Chemical Engineering. Faculty of Engineering and Science Tunku Abdul Rahman University. Tokiwa, Y. 2009. Biodegradability of Plastics. International Journal of Molecular Sciences (10): 3722-3742.
Yuwono dan Susanto. 1998. Pengujian Fisik Pangan. Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Brawijaya. Malang.
6
