r la
Es
te
EiH,b%Eo$t4t
drfrip
wffi @@ffi
PROSIDING SEMINAR NASIONAL DAN RAPAT TAHUNAN BIDANG ILMU-ILMU PERTANIAN BKS _ PTN WILAYAH BARAT TAHUN 2012 Volrrme 3
la
r
Tema: "PENINGKATAN PRESISI MENUJU PERTANIAN BERKELANJUTAN" Sub Tema: "PENINGKATAN KETAHANAN PANGAN DAN ENERGI NASIONAL MELALUI PERAN IPTEKDAN MITIGASI PERUBAHAN IRI,IM"
Es
te
Medan,3-5APRIL2012
Fdit.r P.oa.D.-lr.Darha Aak,MS Prof, D.-Ir. RosDray2ri, MS Dr,l..l-ollicAHusrina P,Putri,tvlSi D.- lr. Ristika Handa.ini, Mp Siti L.tifaI,s.Hul lvsi, phl) Dr. h. Ma rufTafsih. [ISi Ir. Razali,MP Ir. T. Sdb.ina, M-Aer.Sc. phD DiIL llaDidahl{an!h, Mp
Ir.Elisa,ulianri,
D._
Nrsi Ir. Jonata. cimnrg, MS T. lrhansyah, lvtP Ir, Fauzi, lvlP
lr
Penyelenqqa.a
:
FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA SUPPORTED BY i
,
1,::
.
,:9i,
Ltj.1
art Design, PublXhitlg & Printihg ceduns F, PusatSistem llrornasi [PSI] Kampus J1. Unive.sitds No. 9 Medan 20155,lndonesia
USU
Telp.06l-8213737 j F ax 061-8273737
@ USU
Press2012
Pe rpu s ra ka a n N a s ian
o
I : Ka ta I Dp Dd I a
ini dalam
bahasa atau bentuk apaFun tanpa izin
la
sebagian atau seluruh bagian buku
r
Ilak cipta dilindungi oleh undang undang; dilarang menpe.banyak men€lir! me.ekan
n
Te rbi ta n
(RDT)
te
ProsidiigScminar Naslonal(hn ltrpatTrhunan Bidangllmu llnu Pertanian Bl$ FTN Wilayah tsarar'lahun 2012 Volume 2/ Ediror Da.fta Bakd [et.al.j.-Medan: USU xvii,342 p.; ilus: 29,2 cn
Es
Bibliog.a6 ISBN:979 458'608-0
Dicetak di lvledan, Indonesia
Es
te
la
r
D,\fTAlt tsl
vrcoR RENrHARENl^djg, pinini
l:f^jil'.'lq:':1qr
r
c'KosL
REf,D
-af cELULL^sEEN,lfN10As!IoETH
:l::1t:!-l
.Fo lo
i \rai.
Es
te
la
]Iivn'ddio.sjtiHifgl',J$slrL]ddii.''''.
tnNdr .rrd n)
r
PolNrr',\L
Mk)
ur,
Kinetika Ekstraksi Lemak Kakao Menggunakan Bantuan Ultrasonik 1
M. Dani Supardan1*, Hasnidar2 dan Eti Indarti3
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Banda Aceh 2 Balai Besar Pengawas Obat dan Makanan Banda Aceh 3 Jurusan Teknologi Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh *E-mail:
[email protected]
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kinetika ekstraksi lemak kakao dengan metode ekstraksi pelarut menggunakan bantuan ultrasonik. Lemak kakao diekstraksi dari biji kakao yang berasal dari Kabupaten Aceh Utara yang telah mengalami perlakuan awal dengan cara fermentasi dan pengeringan. Proses ekstraksi dilakukan dengan menggunakan pelarut n-heksan pada temperatur 40oC dan frekuensi ultrasonik 42 kHz. Variabel-variabel proses yang dipelajari yaitu rasio bahan kakao (gram) terhadap jumlah pelarut (mL) (1:10; 1:20; 1:30; 1:40) dan waktu proses ekstraksi (30; 60; 90; 120 menit). Hasil penelitian menunjukkan rendemen lemak kakao meningkat dengan bertambahnya waktu ekstraksi dan meningkatnya rasio bahan terhadap pelarut. Rendemen tertinggi hasil penelitian adalah 25,53%, diperoleh pada rasio bahan terhadap pelarut 1:40 dengan waktu ekstraksi 120 menit. Hasil penelitian menunjukkan ekstraksi terjadi dalam 2 (dua) tahap. Tahap pertama adalah pencucian (washing) dimana terjadi pelepasan bahan-bahan yang berada pada permukaan partikel. Tahap kedua adalah ekstraksi lambat (slow extraction) dimana terjadi difusi bahan ke larutan ekstrak. Berdasarkan mekanisme ini, kinetika ekstraksi lemak kakao dapat digambarkan dengan menggunakan model difusi unsteady-state dengan 2 (dua) parameter. Tahap penentu laju ekstraksi adalah tahap kedua. Laju ekstraksi cenderung meningkat dengan meningkatnya jumlah pelarut yang digunakan. Kata kunci: Ekstraksi; Kinetika; Lemak kakao; Ultrasonik.
1. PENDAHULUAN
Kakao (Theobroma cacao L) telah dikenal di Indonesia sejak tahun 1590, tetapi baru menjadi komoditi yang penting sejak tahun 1951 (Sunanto, 1994). Saat ini, Indonesia merupakan negara penghasil biji kakao terbesar di dunia setelah Pantai Gading dan Brasilia. Sentra produksi tanaman kakao di Indonesia adalah pulau Sulawesi, Sumatera dan Jawa. Produk hasil olahan yang utama dari biji kakao saat ini adalah lemak kakao, tepung dan pasta kakao. Kandungan lemak pada biji kakao Indonesia berkisar 49% - 52%. Pemanfaatan lemak kakao adalah untuk produk pangan, permen, gula-gula, bakery dan produk pangan penting lainnya. Lemak kakao juga dapat dimanfaatkan untuk membuat produk krim pelembab dan sabun coklat, yang memberikan hasil lebih baik dari aspek kemampuan menahan kelembaban yang dinilai secara organoleptik, dibanding tanpa lemak kakao. Keunggulan lemak kakao ini adalah sifat uniknya yang padat pada suhu ruang dan cair pada suhu tubuh. Perubahan ini sangat tajam. Berbagai cara telah dilakukan untuk melakukan subtitusi terhadap keunikan sifat lemak ini, tetapi tidak berhasil. Hal inilah yang menyebabkan nilai jual lemak kakao tetap tinggi. Sementara itu harga lemak kakao lebih kurang dua kali harga bubuk kakao. Melihat nilai tambah yang sangat signifikan ini, maka upaya untuk mendorong pengolahan kakao menjadi lemak dan tepung coklat merupakan salah satu prioritas di sektor pertanian dan perindustrian. Metode ekstraksi dengan menggunakan pelarut merupakan metode pengambilan lemak dari biji kakao yang banyak digunakan. Beberapa peneliti melaporkan penggunaan metode ekstraksi lainnya untuk pengambilan lemak kakao. Elkhori dkk. (2006) menggunakan proses dengan bantuan microwave untuk ekstraksi dan penentuan lemak dari serbuk kakao dan nibs. Venter dkk. (2006) menggunakan pengepresan mekanik berbantuan gas CO2 dalam menghasilkan lemak kakao dari biji kakao dan minyak goreng dari oilseeds. Dewasa ini telah dikembangkan teknik baru untuk ekstraksi padat-cair suatu produk yaitu dengan ekstraksi berbantuan gelombang ultrasonik. Pengolahan bahan makanan juga tak luput memanfaatkan efek gelombang ultrasonik untuk mempengaruhi perubahanperubahan yang terjadi pada proses kimia. Garcia dan Castro (2004) menyatakan aplikasi metoda ultrasonik terhadap sampel dapat mengurangi tahapan pada daur ekstraksi soxhlet yang dibutuhkan dalam ekstraksi kuantitatif minyak/lemak, sehingga akan mengurangi waktu ekstraksi sedikitnya separuh dari waktu yang diperlukan
154
oleh prosedur yang konvensional. Garcia dan Castro (2004) juga menyatakan bahwa ekstraksi dengan bantuan gelombang ultrasonik memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan ekstraksi konvensional. Sementara itu proses klasik pada ekstraksi bahan bioaktif dari material tanaman dengan cara pelarutan (maserasi) adalah melalui difusi pada bahan melalui dinding sel. Keseluruhan proses meliputi dua tahapan utama. Tahap pertama disebut pencucian yaitu kenaikan yang cepat pada konsentrasi ekstrak diawal proses. Tahap kedua disebut ekstraksi lambat yaitu perpindahan massa bahan terlarut dari material tanaman kedalam larutan melalui proses difusi dan osmosis. Biasanya, tahap kedua lebih lambat daripada tahap pertama. Mekanisme dari ektraksi ultrasonik diperkirakan memiliki fenomena yang sama seperti ekstraksi konvensional dan kedua tahap proses diyakini menjadi sensitif dengan adanya pengaruh ultrasonik. Kajian kinetika dapat dilakukan untuk memperkirakan mekanisme ekstraksi yang terjadi. Selain itu, kajian kinetika sangat diperlukan untuk melakukan analisis teknis maupun ekonomis terhadap suatu proses ekstraksi. Pemodelan kinetika tidak hanya berguna untuk mengetahui pemahaman fundamental tentang suatu proses, tetapi juga dapat digunakan untuk melakukan kontrol proses yang lebih baik guna memperoleh efisiensi proses yang lebih besar (Milojevic dkk., 2008). Penelitian ini bertujuan mempelajari kinetika proses ekstraksi lemak kakao menggunakan ultrasonik. Selain itu, akan dipelajari juga pengaruh rasio bahan terhadap pelarut terhadap kinetika ekstraksi.
2. METODOLOGI 2.1. Alat-alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah Timbangan (Sartorius Cp 224.S), Ultrasonc Cleaner Bath (Branson 1510 E-MT)), Water bath (Memmert WB 22), Oven (Memmert UNE-500) dan Centrifuge BR4i multifunction (Thermo). Sedangkan alat penunjang yang digunakan adalah thermometer dan alat-alat gelas. Biji kakao yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari Perkebunan Rakyat Desa Seureuke Blok A, Kecamatan Langkahan Kabupaten Aceh Utara yang telah mengalami perlakuan awal dengan cara fermentasi dan pengeringan. Pelarut yang digunakan adalah n-heksan.
Ultrasonic cleaning bath
Gambar 1. Skema peralatan penelitian
2.2. Prosedur Penelitian
Biji kakao yang telah dihaluskan ditimbang dengan seksama ± 5 gram, kemudian dimasukkan kedalam beaker 500 ml ditambahkan pelarut n-heksan sesuai variabel rasio bahan terhadap pelarut (1:10; 1:20; 1:30 dan 1:40). Beaker ditutup dengan menggunakan plastik untuk menghindari kehilangan pelarut selama proses ekstraksi. Selanjutnya beaker yang berisi sampel dimasukkan ke dalam ultrasonik bath untuk diekstraksi dengan waktu ekstraksi (30, 60, 90 dan 120 menit). Ekstraksi berbantuan gelombang ultrasonik dilakukan dengan menggunakan ultrasonic bath merk Branson 1510 E-MT dengan frekwensi 42 kHz pada temperatur 40oC. Hasil ekstraksi kemudian disaring dengan menggunakan kertas saring whatman no 1 dan hasil saringan diuapkan di atas water bath untuk memisahkan lemak dan pelarut. Lemak kakao yang diperoleh dikeringkan di dalam oven dengan temperatur 110oC selama 2 jam 155
selanjutnya ditimbang sampai konstan untuk menentukan rendemen dan dilakukan analisis. Adapun skema peralatan proses ekstraksi lemak kakao berbantuan ultrasonik dapat dilihat pada Gambar 1.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Mekanisme ekstraksi
Rendemen lemak kakao yang diperoleh terhadap waktu ekstraksi untuk berbagai rasio bahan terhadap pelarut ditunjukkan pada Gambar 2. Bentuk kurva yang diperoleh menunjukkan kecenderungan yang sama untuk tiap rasio bahan terhadap pelarut yang digunakan. Ada dua tahap ekstraksi yang dapat diamati. Tahap pertama adalah pencucian (washing) dimana terjadi suatu peningkatan yang cepat pada rendemen yang diperoleh seiring dengan bertambahnya waktu ekstraksi. Hal ini disebabkan karena terjadinya pelepasan bahan-bahan yang berada pada permukaan dan di sekitar permukaan partikel padatan. Kecenderungan yang sama diperoleh untuk seluruh variabel rasio bahan terhadap pelarut dan temperatur ekstraksi yang digunakan. Tahap pencucian diperkirakan terjadi pada 30 menit pertama. Velickovic dkk. (2008) telah melaporkan terjadinya tahap pencucian pada 10 menit awal pada proses ekstraksi ultrasonik Salvia officinalis L. dan Salvia gluitnosa L. Tahap kedua adalah tahap ekstraksi lambat (slow extraction) yang dicirikan peningkatan rendemen yang lambat dengan bertambahnya waktu ekstraksi. Pada tahap ini, perpindahan massa dari bahan yang berada di bagian dalam (interior) menuju permukaan luar (exterior) yang selanjutnya diikuti proses ekstraksi bahan-bahan tersebut. Hal ini terjadi melalui proses difusi dan osmosis. Tahap kedua ini merupakan tahap penentu laju ekstraksi karena berjalan lebih lambat dibandingkan dengan tahap pertama.
Gambar 2. Hubungan antara rendemen lemak kakao dengan waktu ekstraksi pada berbagai rasio bahan terhadap pelarut Secara umum, semakin lama waktu ekstraksi akan meningkatkan rendemen lemak kakao yang dapatkan. Hal ini disebabkan semakin lama waktu ekstraksi akan memberikan kesempatan kontak antara pelarut dengan bahan yang semakin besar. Kelarutan bahan akan terus meningkat seiring dengan semakin bertambahnya waktu ekstraksi hingga timbulnya kejenuhan pada pelarut (Ketaren dan Suastawa, 1995). Selain itu, semakin lama waktu ekstraksi, maka semakin banyak panas yang diterima oleh bahan dan proses diffusi akan meningkat sehingga proses ektraksi semakin dipercepat (Rusli dan Rahmawan, 1988). Sementara itu, hasil penelitian menunjukkan rendemen tidak mengalami perubahan yang signifikan untuk waktu ekstraksi diatas 30 menit. Hal ini disebabkan pengaruh ultrasonik sudah maksimal pada waktu ekstraksi sekitar 30 menit, sehingga perubahan waktu ekstraksi tidak memberikan perubahan rendemen yang signifikan. Kecenderungan yang sama juga telah dilaporkan oleh Balachandran dkk. (2006). Gambar 2 juga menunjukkan kecenderungan meningkatnya rendemen lemak kakao dengan meningkatnya rasio bahan terhadap pelarut yang digunakan. Hal ini disebabkan semakin tingginya rasio bahan terhadap pelarut maka jumlah pelarut yang digunakan semakin banyak sehingga lemak kakao yang 156
dapat diekstrak juga semakin banyak. Velickovic dkk. (2006) menyatakan bahwa rasio bahan terhadap pelarut merupakan salah satu variabel penting dalam proses ekstraksi menggunakan ultrasonik. Rendemen tertinggi hasil penelitian adalah 25,53% yang diperoleh pada rasio bahan terhadap pelarut 1:40 dengan waktu ekstraksi 120 menit.
Gambar 3. Bentuk linierisasi dari persamaan kinetika teori difusi unsteady-state pada berbagai rasio bahan terhadap pelarut 3.2. Kinetika ekstraksi Mekanisme dari ektraksi ultrasonik diperkirakan memiliki fenomena yang sama seperti ekstraksi konvensional dimana terjadi 2 (dua) tahap proses. Kedua tahap proses diyakini menjadi sensitif dengan adanya pengaruh ultrasonik. Berdasarkan mekanisme ini, dapat dimodelkan kinetika ekstraksi ultrasonik berdasarkan teori difusi unsteady-state dengan 2 (dua) parameter. Persamaan kinetika model tersebut adalah (Milojevic, 2008):
q 0 - qt (1 b) e kt q0
(1)
q - qt ln(1 b) kt ln 0 q0
(2)
Bentuk linearisasi persamaan (1) adalah:
Dimana q 0 adalah kandungan lemak kakao awal yang terdapat dalam bahan, qt adalah jumlah lemak kakao hasil ekstraksi pada waktu t, b adalah koefisien pencucian (washing) dan k adalah koefisien ekstraksi lambat. Konstanta b dan k pada model teori difusi unsteady-state dapat ditentukan dengan
q 0 - qt terhadap waktu (t) sehingga diperoleh slope –k dan intersep ln (1 – b). q 0
memplotkan ln
Gambar 3 menunjukkan bentuk linier dari persamaan kinetika sesuai teori difusi unsteady-state. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3, model kinetika yang digunakan telah menunjukkan kesesuaian yang cukup baik untuk menggambarkan periode ekstraksi kedua yaitu periode ekstraksi lambat dimana nilai koefisien korelasi untuk seluruh variabel rasio bahan terhadap pelarut yang digunakan adalah lebih besar dari 0,9. Nilai-nilai konstanta pada model kinetika yang diperoleh untuk keseluruhan variabel percobaan yang digunakan ditunjukkan pada Tabel 1. Dari Tabel 1, terlihat bahwa untuk seluruh variabel rasio bahan terhadap pelarut yang digunakan harga k jauh lebih kecil dibandingkan harga b. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa tahap penentu laju ekstraksi adalah tahap kedua (slow extraction). Selain itu, harga k cenderung meningkat dengan meningkatnya jumlah pelarut yang digunakan. Hal ini menunjukkan bahwa laju ekstraksi cenderung meningkat dengan meningkatnya jumlah pelarut yang digunakan. 157
Tabel 1.
Nilai-nilai parameter kinetika ekstraksi Rasio bahan terhadap pelarut [g:ml] 1:10 1:20 1:30 1:40
b [-]
k [menit-1]
0,2492 0,2469 0,3103 0,3177
0.0008 0,0016 0,0016 0,0039
4. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat diambil kesimpulan: 1. Rendemen lemak kakao yang diperoleh cenderung meningkat dengan meningkatnya waktu ekstraksi dan jumlah pelarut yang digunakan. 2. Mekanisme ekstraksi terjadi dalam 2 (dua) tahap yaitu tahap pencucian (washing) dan tahap ekstraksi lambat (slow extraction). Tahap penentu proses ekstraksi adalah tahap kedua (ekstraksi lambat). Hal ini dapat dilihat dari nilai parameter kinetika harga k jauh lebih kecil dari harga b.
DAFTAR PUSTAKA
Balachandran, S., Kentish, S.E., Mawson, R., Ashokkumar, M., (2006), Ultrasonic enhancement of the supercritical extraction from ginger, Ultrasonics Sonochemistry, 13, 471-479 Elkhori, S., Pare, J.R.J., Belanger, J.M.R., Perez, E., (2007), The microwave-assisted process: Extraction and determination of fat from cocoa powder and cocoa nibs. Journal of Food Engineering, 79, 1110-1114 Garcia, J.L.L., Castro, M.D.L., (2004), Ultrasound –assisted soxhlet extraction: an expeditive approach for solid sample tratment. Application to the extraction of Total Fat from oleagginous seeds. Journal of Chromatography A, 1034, 237-242. Ketaren, S., Suastawa, I.G.M., (1995), Pengaruh tingkat mutu buah panili dan nisbah bahan dengan pelarut terhadap rendemen dan mutu oleoresin yang dihasilkan, Jurnal Teknologi Industri Pertanian, 3, 161-171 Milojevic, S.Z., Stojanovic, T.D., Palic, R., Lazic, M.L., Veljkovic, V.B. (2008) Kinetics of distillation of essential oil from comminuted ripe juniper (Juniperus communis L.) berries, Biochemical Engineering Journal, 39, 547-553 Rusli, S., Rahmawan, D., (1988) Pengaruh cara pengirisan dan tipe pengeringan terhadap mutu jahe kering, Bulletin Penelitian dan Tanaman Rempah dan Obat, 3, 80-83. Sunanto, H., (1994). Coklat, Budidaya, Pengolahan hasil, dan Aspek Ekonominya. Kanisius, Yogyakarta Velickovic, D.T., Milenovic, D.M., Ristic, M.S., Veljkovic, V.B., (2006), Kinetics of ultrasonic extraction of extractive substances from garden (Salvia officinalis L.) and glutinous (Salvia glutinosa L.) sage, Ultrasonic Sonochemistry, 13, 150-156 Velickovic, D.T., Milenonic, D.M., Ristic, M.R., Veljkovic, V.B., (2008), Ultrasonic extraction of waste solid residues from the Salvia sp. Essential oil hydrodistillation. Biochemical Engineering Journal, 42, 97-104 Venter, M.J., Willems, P., Kuipers, N.J.M., de Haan, A.B., (2006), Gas assisted mechanical expression of cocoa butter from cocoa nibs and edible oils from oilseeds, Journal of Supercritical Fluids, 37, 350-358
158
