EFEK RASIO ENZIM PAPAIN TERHADAP KONVERSI METIL ESTER BERBASIS MINYAK AMPAS KOPI
Eka Kurniasih Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe Jalan Banda Aceh-Medan Km 280,3 Buketrata-Lhokseumawe Email :
[email protected], 0813-62492498
ABSTRAK Ampas kopi memiliki kandungan minyak nabati yang relatif tinggi dan dapat dimanfaatkan sebagai sumber trigliserida dalam sintesa metil ester. Ampas kopi memiliki kandungan minyak nabati berkisar 11% - 20% dari beratnya. Metil ester adalah senyawa alkil asam lemak yang diperoleh dari reaksi transesterifikasi atau alkoholisis. Reaksi transesterifikasi terjadi dengan penambahan katalis untuk mempercepat reaksi. Dalam penelitian ini, digunakan enzim papain sebagai pengganti katalis kimiawi yang berasal dari getah buah pepaya. Rasio enzim papain yang digunakan adalah 4%; 8%; 12% (b/b) dari berat minyak ampas kopi. Minyak ampas kopi diperoleh melalui ekstraksi dengan pelarut n-heksana pada temperatur 69oC. Minyak ampas kopi dari dari hasil ekstraksi memiliki berat jenis 0,823 gr/ml. Sintesa metil ester dilakukan dengan mereaksikan minyak ampas kopi dengan enzim papain selama 4 jam, kemudian dilanjutkan dengan reaksi transesterifikasi menggunakan metanol pada temperatur 40oC-50oC selama 2 jam dengan rasio biokatalis yang telah ditetapkan. Dari hasil analisa kromatografi gas diketahui, konversi metil ester untuk rasio enzim papain berturutturut 4%, 8%, 12% adalah 48,8245%, 49,731%, dan 42,3188%. Kata kunci : ampas kopi, enzim papain, ekstraksi, metil ester, transesterifikasi
EFFECT OF PAPAIN ENZYME RATIO FOR CONVERTION METHYL ESTER BASED COFFEE GROUND OIL ABSTRACT Coffee ground containshigh vegetable oil and can be used as a source in the synthesis of methyl ester. It contain about 11% - 20% of vegetable oil fromits weight. Methyl ester is a fatty acid alkyl compounds obtained from transesterification or alcoholysis reaction. Transesterification reaction is occured with the addition of a catalyst to accelerate the reaction. In this research, the papain enzyme was used as a substitute for chemical catalysts derived from papaya latex. The ratio of papain enzyme used was 4 % ; 8 % ; 12 % ( w/w ) of heavy oil coffee ground. Oil coffee groundwas obtained through solvent extraction with n-hexane at temperature of 69oC. The Oil from the coffee ground from the extraction has 0.823 g/ml density. Synthesis of methyl ester is made by reacting offee ground oil with papain enzyme for 4 hours, then followed by transesterification using methanol at temperature of 40oC-50oC for 2 hours with a determined ratio of biocatalyst. From the results of gas chromatographic analysis, it was known that the convertion of methyl ester for papain enzyme ratio were respectively 4% , 8 % , 12 % is 48.8245 % , 49.731 % and 42.3188 % . Key Words : Coffee ground, extraction, papain enzyme, methyl ester, transesterification
PENDAHULUAN Metil ester atau lebih dikenal sebagai biodiesel merupakan bahan bakar alternatif menjanjikan yang dapat diperoleh dari minyak tumbuhan, lemak binatang ataupun minyak bekas, melalui proses transesterifikasi dengan alkohol. Biodiesel memberikan sedikit polusi dibandingkan bahan bakar petroleum, selain itu biodiesel dapat digunakan tanpa harus memodifikasi ulang mesin diesel.Tetapi bahan bakar biodiesel berharga lebih mahal dibandingkan bahan bakar petroleum. Harga biodiesel yang tinggi disebabkan mahalnya harga bahan baku, katalis. Bahan baku memberikan kontribusi sebesar 60-70% dari harga produk (Fukuda, 2001). Oleh sebab itu diperlukan penelitian lebih lanjut guna mencari bahan baku alternatif yang menghasilkan biodiesel berharga murah. Ampas kopi adalah salah satu bahan yang dapat dimanfaatkan. Dimana ampas kopi banyak ditemukan dan dibuang menjadi sampah. Khususnya untuk wilayah Aceh, yang merupakan penghasil ampas kopi terbesar sebab terdapat banyak warung kopi tersebar sepanjang wilayah ini sehingga dikenal sebagai negeri seribu warung kopi.Para petani kopi telah menghasilkan lebih dari 16 milyar pon kopi di seluruh dunia setiap tahunnya. Ampas kopi dari produksi espresso, cappuccino, dan kopi jawa sering kali berakhir ditempat sampah atau digunakan sebagai pupuk. Menurut Narasimharao (2008), dalam ampas kopi terkandung minyak yang terdiri dari asam lemak bebas, monogliserida, digliserida dan trigliserida. Ekstraksi ampas kopi dapat menghasilkan minyak sekitar 11–20% dari beratnya (Rustamiaji, 2009). Tabel 1. Komposisi Ampas Kopi Parameter Nilai (%) 13,00 Moisture 1,02 Protein 27,90 Total sugars 0,90 Fiber 3,00 Cafein 4,70 Tannin Parameter Nilai (%) 7,23 Fat 16,29 Total Ash Sumber : Murthy, P.S dkk, 2008
Sintesa metil ester (biodiesel) telah dilakukan dengan berbagai macam metode, diantaranya melalui proses transesterifikasi dengan menggunakan katalis basa. Penggunaan katalis basa seperti NaOH, KOH, CaCO3memiliki kekurangan karena sifat toksisitas yang dimiliki oleh katalis basa. Bila ditinjau dari aspek ekonomi, penggunaan biokatalis lebih hemat dibandingkan katalis kimia, karena dengan menggunakan enzim, operasi berlangsung
pada suhu yang rendah. Sedangkan katalis kimia, operasi berlangsung pada suhu tinggi, sehingga biaya penyediaan energi yang dibutuhkan lebih murah pada penggunaan biokatalis di bandingkan penggunaan katalis kimia. Sedangkan dari sisi produk yang dihasilkan, pengguanaan biokatalis akan memberikan perolehan produk yang lebih murni karena hasil samping yang di peroleh hanya gliserol, sedangkan pada penggunaan katalis kimia, diperoleh hasil samping berupa gliserol dan sabun. Sehingga dibutuhkan tahap purifikasi lebih lanjut untuk memisahkan produk biodiesel dari sabun. Beberapa penelitian dikembangkan untuk menggantikan katalis basa dengan katalis biologis (biokatalis) yang lebih ramah lingkungan. Tetapi penggunaan biokatalis selalu terbentur pada harganya yang relatif lebih mahal. Untuk itu dibutuhkan penelitian lebih lanjut untuk menemukan jenis biokatalis yang aman, mudah didapat dan relatif murah. Salah satu jenis biokatalis yang mudah didapat dan banyak dimanfaatkan adalah enzim papain yang diperoleh dari getah buah pepaya (Carica papaya Linn). Dalam getah pepaya terkandung enzim-enzim lipase (pengurai lipida) yaitu papain, kimopapain dan lisozim. Kadar papain, kimopapain dan lisozim dalam buah pepaya muda berturut-turut 10 %, 45 % dan 20% (Winarno, 2010). Enzim merupakan senyawa yang dapat mempercepat laju reaksi dan ikut bereaksi didalamnya, sedang pada saat akhir proses, enzim akan melepaskan diri seolah-olah tidak ikut bereaksi dalam proses tersebut. Bila dibandingkan dengan katalis kimia, enzim mampu bekerja secara spesifik dalam hal menentukan reaksi mana yang akan dipacu. Sehingga reaksi dapat berlangsung dengan tidak menghasilkan produk samping yang tidak diinginkan.Enzim lipase ini mempunyai kemampuan menguraikan ikatan-ikatan dalam melekul protein sehingga protein terurai menjadi polipeptida dan dipeptida. Enzim papain yang terdapat dalam getah buah pepaya mempunyai daya tahan terhadap perubahan suhu yang baik. Kestabilan enzim papain hanya menurun 20% pada pemanasan 70oC selama 30 menit pada pH 7,0. Selain menguraikan protein, papain mempunyai kemampuan untuk membentuk protein baru atau senyawa yang menyerupai protein yang disebut plastein. Bahan pembentuk plastein berasal dari hasil peruraian protein daging. Pembentukan plastein inilah yang
dapat lebih
mengempukan daging (Koswara, 2011). Kimopapain merupakan enzim yang paling banyak terdapat dalam getah pepaya. Daya kerjanya menyerupai dengan papain, tetapi mempunyai daya tahan panas yang lebih besar. Kimopapain juga lebih tahan terhadap keasaman tinggi, bahkan stabil dan masih aktif pada pH 2,0. Getah buah pepaya, disamping mempunyai aktifitas preteolitik juga memiliki aktifitas lipolitik. Lipase dari getah buah pepaya diketahui mempunyai aktifitas hidrolitik terhadap asam lemak rantai pendek. Aktifitas hidrolitik enzim lipase dari getah buah pepaya
berbeda terhadap beberapa jenis lemak dengan komposisi asam lemak yang bervariasi (Sidabutar, 2011). Beberapa penelitian mengenai penggunaan minyak ampas kopi sebagai sumber bahan bakar alternatif telah dilakukan. Dalam penelitian ini dilakukan sintesa metil ester melalui reaksi transesterifikasi enzimatis. Bahan baku trigliserida berupa minyak ampas kopi yang diperoleh dari proses ekstraksi. Enzim lipase yang berasal dari getah buah pepaya digunakan sebagai biokatalis dengan variasi tertentu, yang bertujuan untuk mengetahui efek rasio enzim lipase getah pepaya terhadap konversi metil ester yang terbentuk.
METODE Penelitian ini terdiri atas beberapa tahapan, yaitu ekstraksi minyak ampas kopi, isolasi enzim papain getah papaya dan sintesa metil ester melalui reaksi transesterifikasi enzimatis.
Bahan Bahan yang digunakan adalah ampas kopi, n-heksana, metanol, enzim papain (getah pepaya).
Ekstraksi Minyak Ampas Kopi Ampas kopi yang diperoleh dari warung kopi lokal dikeringkan dengan sinar matahari selama 3 (tiga) hari berturut-turut. Tujuan pengeringan adalah untuk mengurangi kadar air yang ikut bersama dengan ampas kopi yang berasal dari proses penyeduhan pada saat pembuatan kopi. Ampas kopi kering kemudian di ekstraksi dengan n-heksana dengan rasio 2 : 3 (b/v) pada temperatur 69oC menggunakan ekstraktor skala pilot plant. Pemilihan temperatur ekstraksi didasarkan pada titik didih dari n-heksana. Senyawa n-heksana memiliki kemampuan yang baik untuk melarutkan golongan trigliserida dan asam-asam lemak. Ekstraksi berlangsung selama 4 jam. Minyak ampas kopi dipisahkan dari pelarut dengan metode distilasi. Dari hasil analisa diketahui minyak ampas kopi memiliki densitas sebesar 0,823 gram/ml.
Isolasi Enzim Papain dari Getah Pepaya Isolasi enzim papain dari getah pepaya dilakukan pada buah pepaya yang berumur 2,5 hingga 3 bulan. Buah yang disadap getahnya, harus tetap tergantung di pohonnya. Getah buah pepaya dapat disadap sebanyak 7 kali penyadapan dengan interval waktu penyadapan 4 hari.
Waktu terbaik untuk penyadapan adalah pagi hari sebelum matahari terbit (05.3008.00 WIB) atau sore hari sebelum matahari terbenam (17.30-18.30 WIB). Penyadapan dilakukan dengan cara menorehkan alat sadap pada kulit buah mulai dari ujung pangkal ke ujung buah dengan kedalaman 1-2 mm dan jarak antar torehan 1 – 2 cm. Getah buah diperoleh ditampung dengan alat penampung. Getah buah pepaya yang diperoleh dikeringkan anginkan. Setelah kering, untuk menjaga aktifitas enzim lipase disimpan pada temperatur 4oC (Koswara, 2011).
Transesterifikasi Enzimatis Reaksi transesterfikasi enzimatis diawali dengan mereaksikan minyak ampas kopi yang diperoleh dari proses ekstraksi dengan enzim papain selama 4 jam, dengan kecepatan penngadukan 180 rpm. Hal ini bertujuan untuk memberikan peluang bagi enzim papain untuk memutuskan rantai trigliserida sehingga memudahkan reaksi tranesterifikasi. Setelah 4 jam reaksi, dilakukan penambahan metanol untuk membentuk reaksi transesterifikasi (alkoholisis). Gugus CH3 yang ada dalam metanol akan berikatan dengan R-COO dari trigliserida sesuai reaksi berikut :
H
O
O H – C – O – C – R1 R2 – C– O – C – H
O
+ 3CH3OH
3CH3COOR
+ C3H6O3
H – C – O – C – R2 H Trigliserida
Metanol
Metil Ester
Gliserol
Rasio mol antara minyak ampas kopi dengan metanol yang digunakan adalah 1:5. Reaksi transesterifikasi enzimatis ini dilanjutkan selama 2 jam. Pada akhir reaksi akan diperoleh dua lapisan produk, yaitu crudemetil ester (lapisan atas) dan gliserol (lapisan bawah). Gliserol dan crude metil ester dipisahkan dengan teknik dekantasi. Metil ester di cuci dengan aquadest untuk menghilangkan alkohol yang belebih.
MinyakAmpas Kopi
Enzim Papain
Mixing (4 jam)
Metanol
Transesterifikasi
Dekantasi
Pencucian
Pengadukan 180 rpm
Gliserol Enzim Papain
Metil Ester
Analisa
Gambar 1. Proses Transesterifikasi Enzimatis
HASIL DAN PEMBAHASAN Reaksi transesterifikasi umumnya melibatkan basa sebagai katalisnya. Tetapi posisi katalis basa ini dapat digantikan oleh katalis biologis (biokatalis). Biokatalis yang digunakan harus memiliki spesifisitas terhadap senyawa asam lemak yang terkandung dalam minyak ampas kopi. Enzim papain yang tergolong dalam pada enzim lipase dan terdapat dalam getah buah pepaya diketahui memiliki spesisitas terhadap asam lemak. Pada awal reaksi, minyak ampas kopi direaksikan dengan enzim papain pada temperatur 40oC-50oC selama 4 jam. Selama proses mixing, dilakukan pengadukan 180 rpm untuk membantu aktifitas enzim lipase dalam memecah rantai trigliserida dalam minyak ampas kopi. Kecepatan putaran pengaduk sangat mempengaruhi aktifitas enzim lipase. Bila putaran pengaduk terlalu tinggi, maka enzim lipase akan mengalami kerusakan (lisis). Rasio enzim lipase yang digunakan berturut-turut adalah 4%, 8% dan 12% (b/b) dari berat minyak ampas kopi. Setelah 4 jam reaksi, dilakukan reaksi tranesterifikasi atau alkoholisis dengan menambahkan metanol dengan rasio mol 1:5 terhadap minyak ampas kopi. Pembentukan metil ester terjadi selama 2 jam. Setelah reaksi transesterifikasi selesai, akan diperoleh produk yang terdiri dari dua lapisan. Lapisan atas adalah crude metil ester dan lapisan bawah adalah gliserol yang bercampur dengan sisa enzim papain. Crude metil ester dipisahkan dari campurannya dengan metode dekantasi, kemudian dicuci dengan aquadest untuk
menghilangkan sisa metanol berlebih. Produk metil ester yang telah dipurifikasi, selanjutnya dianalisa menggunakan kromatografi gas untuk mengetahui kandungan ester yang terbentuk. Hasil analisa kromatografi gas terhadap produk akhir disajikan berikut ini Tabel 2. Konversi Metil Ester Ampas Kopi Rasio Enzim Papain (b/b) 4% 8% 12%
Konversi(%) 48,8245 49,731 42,3188
G ambar 1. Hasil Analisa GC Metil Ester Ampas Kopi (Enzim Papain 8%)
Dari hasil analisa kromatografi gas terlihat bahwa kenaikan rasio enzim papain memberikan efek terhadap peningkatan konversimetil ester hingga batas rasio enzim 8% (b/b), tetapi peningkatan rasio enzim lipase diatas 8% akan memberikan penurunan konversi metil ester yang diperoleh. Kondisi ini menunjukkan bahwa dalam reaksi transesterifikasi enzimatis ini telah terjadi hambatan substrat (Mangunwidjaja, 1994). Hal ini disebabkan oleh tidak tersedianya substrat (trigliserida) yang diubah menjadi asam lemak yang selanjutnya diteruskan menjadi metil ester melalui reaksi transesterifikasi.
KESIMPULAN Metil ester (biodiesel) dapat disintesa melalui transesterifikasi enzimatis menggunakan minyak ampas kopi. Ampas kopi mengandung minyak nabati yang relatif tinggi sekitar 11%-20%. Asam lemak terbanyak dalam minyak ampas kopi adalah asam palmitat. Asam palmitat adalah asam lemak rantai panjang yang baik dan banyak digunakan dalam pembuatan metil ester (biodiesel). Hasil analisa kromatografi gas menunjukkan bahwa peningkatan rasio enzim papain dari 4% hingga 8% memberikan peningkatan konversi metil ester. Konversi produk tertinggi berada 49,731 % diberikan oleh rasio enzim lipase 8% (b/b). Sedangkan pada rasio enzim 12% (b/b) terjadi penurunan konversi metil ester yang signifikan hingga 42,3188%. Hal ini disebabkan oleh adanya batasan aktifitas enzim papain karena terbatasnya jumlah substrat (minyak ampas kopi) yang tersedia. Hal ini menggambarkan bahwa peningkatan konversi masih mungkin terjadi, apabila rasio substrat ditingkatkan.
UCAPAN TERIMA KASIH Pembiayaan berasal IM HERE Project dan terima kasih kepada Sdri Faridah ST.,MSc dan Zulkhadijah, AMd atas kerjasama dan pertisipasinya dalam penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA Fukuda, Hideki. 2001. Biodiesel Fuel Production by Transesterification of Oil. Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol.92 No.5, 405 – 416 Koswara. Ebook pangan.com (diakses 15 April 2011) Mangunwidjaja, Djumali dan Ani Suryani. 1994. Teknologi Bioproses. Penebar Swadaya. Jakarta Narasimharao Kondamudi, Susanta K., Mohapatra, and Mano Misra. Spent Coffe Ground as a Versatile Source of Green Energy. Jurnal Agriculture and Food Chemistry (JAFA). Vol. 56. No. 24, 2008 Rustamiaji,
Tomi.
2009.
Pemanfaatan
Ampas
Kopi
MenjadI
Biosolar.
http://yudiprasetyo.info/, (diaksese 23 Oktober 2010) Sidabutar, Gokman U. 2011. Aktifitas Lipase dari Getah Pepaya. Tesis Magister.Universitas Sumatera Utara Winarno, F.G. 2010. Enzim Pangan. M-Brio Press. Bogor
