Perjanjian No.
INTEGRASI PROSES EKSTRAKSI STEVIOSE DARI DAUN STEVIA REBAUDIANA DAN PEMURNIAN DENGAN MEMBRAN
Disusun Oleh: Dr. Maria Theresia Judy Retti W.B. Andy Chandra S.T., M.M. Edo Indra Permana Ryan Jonathan
Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan 2016
ABSTRAK
Salah satu dari 9 jenis kebutuhan pokok masyarakat Indonesia yang sering menimbulkan banyak permasalahan adalah gula pasir. Tanaman andalan sebagai penghasil gula pasir adalah tebu, padahal dengan kondisi saat ini perluasan areal dan peningkatan produksi tebu sudah sulit dilakukan. Akibatnya nilai impor Indonesia untuk gula pasir meningkat terus. Disatu sisi Indonesia dengan kekayaan sumber alamnya mempunyai peluang untuk menggunakan bahan baku lain sebagai sumber pemanis. Potensi Stevia rebaudiana yang dapat tumbuh juga didaerah tropis akan dieksplorasi dalam penelitian ini. Kandungan steviosida (glikosida steviol) dalam daun keringnya sekitar 5-10% sehingga stevia mempunyai potensi untuk dikembangkan sebagai pemanis/gula. Selain itu karena tingkat kemanisannya cukup tinggi (250 – 300 x kemanisan gula tebu), mempunyai kandungan vitamin, mineral dan anti oksidan membuat gula yang dihasilkannya juga mempunyai fungsi teurapetik. Proses pemisahan steviosida dilakukan secara ekstraksi dengan pelarut air panas dan perlakuan pendahuluan terhadap daun menggunakan microwave. Pemekatan akan dilakukan menggunakan variasi penguapan vakum, membran nanofiltrasi, mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Analisa akan dilakukan terhadap perolehan steviosida dan rebaudiosida A menggunakan HPLC dan FTIR.
1
Bab I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Produk gula di Indonesia selama ini dipenuhi dari tanaman tebu dengan produk dalam bentuk granular yang biasa dikenal dengan nama gula pasir. Seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dan juga berkembangnya berbagai jenis industri makanan dan minuman, konsumsi gula dari tahun ke tahun meningkat terus. Sayangnya hal ini tidak diiringi dengan peningkatan produksi dalam negeri. Impor gula yang dilakukan oleh pemerintah sering menimbulakan dilematis bagi masyarakat khususnya petani. Karena sering kali gula impor lebih murah dari gula produksi dalam negeri. Disatu sisi kebutuhan akan gula harus dipenuhi, sedang disisi lain biaya produksi dalam negeri semakin tinggi. Kondisi produksi dan pengadaan gula di Indonesia antara tahun 2008 – 2012 dapat dilihat dalam table I.1. dibawah ini.
Tabel I.1. Konsumsi. Produksi dan Defisit Gula Nasional, 2008 – 2012 [1] Tahun
Konsumsi (000 ton) *) 3.521 4.302 4.091 4.503 5.335 8,77
Produksi (000 ton) 2.668 2.517 2.290 2.228 2.601 -1,73
Defisit (000 ton) 853 1.785 1.801 2.275 2.734 25,73
% 31,96 70,93 78,66 102,11 105,11 17,75
2008 2009 2010 2011 2012 Laju (%/thn) Keterangan *) Terdiri dari konsumsi rumah tangga, penggunaan untuk industri pengolahan (makanan dan minuman) dan tercecer (diolah dari NBM, BKP)
Bahan baku gula di Indonesia selama ini hanya mengandalkan tebu. Peremajaan tanaman tebu dan perluasan area penanamannya perlu dilakukan. Tetapi hal ini merupakan sesuatu yang sulit dilakukan karena selama ini konsentrasi penanaman tebu berpusat di pulau Jawa, dimana jumlah penduduk dan okupansi lahannya semakin meningkat terus dari tahu ke tahun. Oleh sebab itu perlu dilakukan pengembangan diversifikasi bahan baku produk gula di Indonesia yang proses penanamannya tidak sulit, masa panen singkat, dapat tumbuh dalam kondisi tanah dan cuaca yang bervariasi. Salah satunya adalah tanaman stevia. Bagian daun dari tanaman Stevia rebaudiana tidak hanya mengandung pemanis stevioside tetapi juga berbagai anti oksidan dan vitamin [2]. Hal inilah yang membuat bahan baku ini cocok untuk dikembangakan sebagai pemanis karena juga mempunyai unsur terapetik. 2
I.2. Urgensi Penelitian Masalah ketahanan pangan di Indonesia bukan hanya merupakan masalah pemerintah saja tetapi juga merupakan tanggung jawab kita bersama untuk memikirkannya. Banyak sumber bahan alam yang belum dikelola dengan benar dan baik sehingga sebenarnya masalah impor bahan pangan bisa dicegah. Teknologi pengolahan bahan pangan tsb. biasanya tidak perlu menggunakan teknolgi yang sophisticated tetapi membutuhkan kondisi operasi dan perancangan proses yang tepat. Untuk mendapatkan data yang akurat inilah perlu dilakukan penelitian menggunakan teori teori yang sudah ada dan mencari temuan temuan baru dari proses yang lebih efisien dan ekonomis.
I.3. Tujuan Penelitian Mengembangkan proses pemisahan stevioside (senyawa pemanis) melalui beberapa rangkaian proses dari daun Stevia rebaudiana sehingga diperoleh pemanis cair berbasis stevia dengan kemurnian tinggi.
Tujuan khusus: 1. Memperoleh kondisi operasi optimal (rasio pelarut, temperatur ekstraksi, metoda ekstraksi) dalam proses pemisahan daun Stevia rebaudiana terhadap perolehan stevioside. 2. Eksplorasi pemurnian stevioside.
I.4. Target Pencapaian Dengan memanfaatkan perolehan kondisi optimal pada proses ekstraksi daun stevia maka dapat dilakukan scale-up untuk proses pengolahan dalam skala komersial. Mengembangkan teknologi pemurnian stevioside yang paling efisien.
I.5. Luaran Penelitian
Makalah ilmiah yang akan dipublikasikan dalam seminar nasional/internasional untuk mendapat masukan bagi publikasi berikutnya dalam journal terakreditasi. Publikasi dalam jurnal nasional.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Berdasarkan Surat Keputusan Menteri Perinndustrian dan Perdagangan No. 115/MPP/KEP/2/1998 tanggal 27 Februari 1998 ada sembilan jenis kebutuhan pokok masyarakat (sembako) yang pengadaannya menjadi prioritas utama pemerintah. Kesembilan bahan pokok tersebut adalah: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Beras Gula Pasir Minyak goreng dan mentega Daging sapi dan ayam Telur ayam Susu Jagung Minyak tanah Garam beryodium
Gula pasir/pemanis adalah salah satu bahan yang penting dalam produk pangan. Kebanyakan pemanis yang dikenal dengan sebutan umum gula diproduksi dari tebu, aren, kelapa, jenis umbi umbian seperti bit. Untuk Indonesia, tanaman andalan sebagai bahan baku gula selama ini adalah tebu. Padahal perluasan area penanaman tebu sudah sulit dilakukan di pulau Jawa. Hal itulah yang menyebabkan sejak beberapa tahun ini impor Indonesia untuk gula meningkat terus. Apalagi ditambah dengan berkembangnya industri pangan di Indonesia, kebutuhan akan gula/pemanis akan meningkat terus (lihat gambar I.1.). Berdasarkan kandungan nutrisinya, pemanis dapat dibagi menjadi dua yaitu pemanis nutritif dan pemanis non nutritif. Pemanis nutritif adalah pemanis yang dapat menghasilkan energi serta mengandung beberapa zat gizi lain seperti viamin dan mineral. Pemanis nutritif yang sering digunakan selain gula pasir (sukrosa) antara lain adalah madu, dekstrosa, levulosa, dan high-fructose corn syrup. Sedangkan pemanis non-nutritif adalah pemanis yang hanya sedikit mengandung energi dan tidak mengandung gizi lainnya. Pemanis non-nutritif ini banyak digunakan untuk kebutuhan diet karena tingkat kemanisannya sangat tinggi sehingga energi yang dihasilkan karena pengunaannya sedikit. Jenis pemanis non-nutritif antara lain adalah sakarin dan aspartam.
II.1. Stevia Stevia rebaudiana Bertoni (bentuk tanaman dapat dilihat pada gambar II.1.) adalah tananam asli Paraguay yang saat ini sudah menyebar kebanyak tempat termasuk Asia Tenggara termasuk Indonesia. Taksonomi tumbuhan Stevia ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut [3]: 4
Kingdom Subkingdom Divisi Subdivisi Kelas Subkelas Ordo Famili Genus Spesies
: Plantae (tumbuhan) : Tracheobionta : Spermatophyta (menghasilkan biji) : Magnoliophyta – Angiospermae (tumbuhan berbunga) : Magnoliopsida – Dicotyledonae (berkeping dua/dikotil) : Asteridae : Campanulatae (Asterales) : Compositae (Asteraceae) : Stevia Cav. : Stevia rebaudiana Bertoni M.
Dari 230 jenis tumbuhan yang memiliki genus Stevia, hanya jenis rebaudiana dan phlebophylla sajalah yang memproduksi steviosida.
Gambar II.1. Tanaman Stevia rebaudiana Bertoni [2] WHO [4] mendiskripsikan steviosida sebagai kumpulan senyawa senyawa alamiah glikosida steviol. Daun S. rebaudiana Bertoni mengandung 8 steviol glikosida yang berbeda. Komponen utama penyusun steviosida adalah triglucosylated steviol (5–10% dalam daun kering) sedang lainnya adalah rebaudiosida A (tetraglucosylated steviol), rebaudiosida C, dan dulcosida A. Stevioside tingkat kemanisannya dapat mencapai hingga 250 – 300 kali lipat dari sukrosa. 5
Komponen ini relatif stabil pada suhu tinggi (termostabil) hingga 2000 C. Steviosida memiliki range pH yang cukup luas yaitu sekitar 3-9, selain itu steviosida tidak menimbulkan warna gelap ketika dipanaskan sehingga ini merupakan suatu keuntungan secara estetika. Daun stevia telah lama digunakan oleh manusia tidak hanya sebagai pemanis tetapi juga dalam sistim pengobatan Ayurvedic untuk pengobatan penyakit baik kronis maupun tidak, seperti diabetes mellitus, obesitas, hipertensi, kanker, diare, inflamasi, diuretik serta pencegahan karies gigi [5]. Selain itu, steviosida tidak menyebabkan efek mutagenic, teratogenik, maupun karsinogenik.
II.2. Kandungan Biokimia Daun Stevia Daun Stevia mengandung komponen-komponen biokimia serta fitokimia. Contoh dari komponen biokimia yang dikandung oleh Stevia adalah karbohidrat, protein, mineral, lemak, dan vitamin. Tabel II.1. menunjukkan analisa proksimat dalam 100 gram daun Stevia yang telah dikeringkan (basis kering).
Tabel II.1 Analisa proksimat daun stevia (basis kering) per 100 g) [6]
Sedangkan untuk komposisi glikosida yang ada dalam daun kering stevia hasil analisa dari beberapa peneliti ditunjukkan dalam tabel II.2. Untuk vitamin dan mineral yang terkandung didalamnya ditunjukkan dalam tabel II.3.
6
Tabel II.2. Jumlah pemanis glikosida dalam daun kering stevia (% - berat kering) [6]
Tabel II.3. Vitamin yang larut dalam air yang terdapat dalam daun kering stevia [7]
Selain senyawa-senyawa biokimia yang telah disebutkan di atas, daun Stevia juga mengandung mineral, anti oksidan, minyak dan asam asam amino.
II.2.1. Glikosida Glikosida adalah senyawa yang mengandung molekul karbohidrat (gula) yang terikat pada molekul non-karbohidrat. Senyawa ini biasanya ditemukan pada tumbuhan dan dapat dikonversi menjadi komponen gula (glikon) dan non-gula (aglikon). Senyawa-senyawa ini dinamakan secara spesifik berdasarkan tipe gula yang dikandungnya, seperti glukosida untuk glikon yang berupa glukosa, pentosida untuk glikon yang berupa pentosa, fruktosida untuk glikon yang berupa fruktosa, dan sebagainya. Dengan kata lain, glikosida merupakan senyawa gabungan antara komponen gula dan non-gula yang dihubungkan oleh suatu ikatan. Berdasarkan ikatan yang menghubungkan glikon dan aglikon tersebut, glikosida dapat dibagi menjadi berikut:
7
1. Glikosida dengan jembatan oksigen: O-glikosida, seperti dioscin,
Gambar II.2. Struktur dioscin
2. Glikosida dengan jembatan nitrogen (N-glikosida, seperti adenosine),
Gambar II.3. Struktur adenosine
3. Glikosida dengan jembatan sulfur S-glioksida, sinigrin,
Gambar II.4. Struktur sinigrin
8
4. Glikosida dengan jembatan karbon C-glikosida, barbaloin.
Gambar II.5. Struktur barbaloin
II.2.2. Glikosida dalam daun stevia Komponen glikosida yang terdapat dalam daun stevia terutama adalah steviosida, steviol, rebaudiosida A, B, C, D, E, F dan dulkosida (lihat gambar II.6.)
Gambar II. 6. Glikosida dalam daun kering stevia [8]
9
Tabel II.7. menyajikan data tentang perbandingan kemanisan glikosida steviol terhadap sukrosa dan table II.8. menyajikan jenis jenis glikosida dalam stevia beserta kualitas rasanya.
Tabel II.7 Perbandingan kemanisan glikosida dengan sukrosa Glikosida Steviol Dulkosida A Rebaudios ida A Rebaudios ida B Rebaudios ida C Rebaudios ida D Rebaudios ida E Steviolbio sida Steviosida
Tingkat kemanisan (dibandingkan sukrosa) 50-120 kali 250-450 kali 300-350 kali 50-120 kali 240-450 kali 150-300 kali 100-125 kali 300 kali
Tabel II.8. Glikosida dalam Stevia Glikosi da Steviosida Rebaudiosida A
Rumus empiris C38H60O18 C44H70O23
Berat molekul (gr/mol)
Rebaudiosida B Rebaudiosida C Rebaudiosida D Rebaudiosida E Rebaudiosida F Dulkosida A Steviolbiosida
C38H60O18 C44H70O22 C50H80O28 C44H70O23 C43H68O22 C38H60O17 C32H50O13
804.88 951.01 1129.15 967.01 936.99 788.87 642.73
804.88 967.01
10
Kualitas rasa Sangat pahit Tidak terlalu pahit Pahit Pahit Seperti sukrosa Seperti sukrosa Sangat pahit Tidak enak
II.3. Proses Ekstraksi Steviosida dari daun kering stevia Teknik ektraksi steviosida yang paling sederhana dan biasa dilakukan adalah ekstraksi dengan pelarut. Pelarut air (panas) merupakan medium untuk ekstraksi yang banyak diminati, hal ini disebabkan karena rebaudiosida A (yang memiliki rasa lebih baik dibandingkan steviosida) lebih mudah larut dalam air panas. Beberapa peneliti menyatakan bahwa pelarut pelarut organic seperti etanol, methanol/kloroform, gliserin, sorbitol atau propilen glikol memberikan perolehan yang lebih besar dibandingkan menggunakan air. Namun bila dipandang dari sudut produk makanan yang layak konsumsi (food grade) dan teknologi bersih maka air tetap menjadi pilihan. Proses pemisahan steviosida dari daun kering stevia selain ekstraksi dengan pelarut, mulai dikembangkan juga proses proses seperti adsorpsi kromatografis, pertukaran ion, presipitasi selektif, proses membran [9], dan superkritik CO2 [10]. Beberapa teknik untuk ekstraksi dengan pelarut adalah: 1. Maserasi Metode ini melibatkan perendaman dan pengadukan (agitasi) pelarut dan bahan tumbuhan. Pelarut kemudian dikuras. Miscella yang tersisa kemudian diambil dan disentrifugasi atau dapat juga disaring. Kelemahan dari metode ini adalah tidak dapat secara total mengekstrak tumbuhan, atau dengan kata lain hasil ekstraksi kurang sempurna. Maserasi yang dilakukan dengan pengadukan secara terus-menerus disebut maserasi kinetik sedangkan maserasi yang dilakukan dengan panambahan pelarut secara berulang setelah dilakukan penyaringan terhadap miscella pertama dan seterusnya disebut remaserasi. 2. Perkolasi Dalam metode ini, tumbuhan dibasahi dan dialirkan oleh pelarut dan dibiarkan sebelum tumbuhan tersebut ditempatkan dalam beberapa bilik perkolasi. Tumbuhan ini terus dibilas dengan pelarut sampai terjadi ekstraksi sempurna. Pelarut digunakan terus menerus hingga jenuh. Pelarut yang baru digunakan untuk tumbuhan yang hampir terekstrak habis dan kemudian digunakan untuk tumbuhan yang belum terekstrak. Proses ini lebih efektif daripada maserasi. 3. Perkolasi dingin Metode ekstraksi tradisional yang sangat sederhana. Sebuah tabung kerucut digantungkan terbalik di atas gelas kimia. Dasar dari tabung terdapat lubang yang berfungsi untuk menahan padatan. Pelarut dituangkan dari atas tabung yang kemudian akan jatuh membasahi padatan di dalam tabung, mengekstrak padatan tersebut, lalu mengalir ke dasar tabung dan akhirnya jatuh ke dalam gelas yang terletak di bawah tabung tersebut. Tabung perkolasi dapat dibungkus dengan heating tape yang dapat memberikan kondisi ekstraksi yang lebih diinginkan. 4. Ekstraksi lawan arah Proses ini sangat efektif, pelarut mengalir di arah yang berlawanan dengan bahan tumbuhan. Tidak seperti maserasi dan perkolasi yang merupakan proses batch, metode ini merupakan
11
proses kontinu. Contoh alat yang digunakan untuk ekstraksi lawan arah adalah ekstraktor sekrup (screw extractor) dan carousel extractor. 5. Digesti Metode ekstraksi ini dilakukan secara maserasi yang disertai pemanasan. Pemanasan dilakukan pada suhu 40-50 ˚C. Metode ini tidak cocok untuk bahan aktif yang tidak tahan pada panas. 6. Ekstraktor soklet Ekstraktor soklet pertama kali dikembangkan oleh Franz Von Soxhlet, seorang ahli kimia agrikultural yang berasal dari Jerman pada awal abad ini. Dalam ekstraktor soklet ini, terdapat kondensor terbalik yang dipasang di atas sebuah labu tertutup. Di bawah kondensor terdapat alat yang disebut soklet. Terdapat air yang bersirkulasi dalam kondensor yang berfungsi untuk menjaga kondensor dingin. Pelarut terdapat dalam labu. Untuk melakukan proses ekstraksi, padatan dimasukkan ke dalam soklet yang memiliki sisi dan dasar yang berlubang agar cairan dapat mengalir melalui lubang tersebut. Ketika wadah dipanaskan, pelarut akan menguap. Uap pelarut akan menuju ke kondensor yang berada dalam kondisi dingin, sehingga pelarut akan dikondensasikan kembali menjadi cairan dan akan jatuh menetes ke bawah kondensor di mana berada soklet yang berisi padatan yang akan diekstrak. Pelarut kemudian mengalir kembali melewati lubang yang terdapat di dasar soklet, kembali ke labu di mana pelarut mula-mula ditampung. Pelarut yang mengandung banyak ekstrak yang mengalir dari soklet ini memiliki warna yang lebih gelap. Ketika proses ekstraksi selesai, kita dapat: Menghentikan operasi dan menuang pelarut yang mengandung ekstrak dari labu, dengan demikian proses ekstraksi telah selesai, atau mengganti alat soklet dengan bejana penampungn yang berfungsi untuk menampung pelarut, ketika uap pelarut dikondensasikan oleh kondensor, tetesan pelarut akan tertampung dalam bejana ini. Dengan demikian pelarut dapat dipisahkan dari ekstrak dengan sendirinya sehingga hasil ekstrak akan berbentuk pasta, atau mengganti padatan yang berada dalam soklet dengan padatan baru dan melanjutkan proses ekstraksi menggunakan pelarut yang sama. Metode sokletasi ini kurang cocok untuk bahan aktif yang tidak tahan panas. 7. Refluks Refluks adalah metode ekstraksi yang menggunakan alat pada temperatur titik didihnya, selama waktu tertentu dan jumlah pelarut terbatas yang relatif konstan dengan adanya pendingin balik. 8. Infudasi Infudasi adalah metode ekstraksi yang menggunakan pelarut air pada temperatur 90°C selama 15 menit. 9. Dekoktasi 12
Dekoktasi adalah metode ekstraksi yang menggunakan pelarut air pada temperatur 90°C selama 30 menit.
II.4 Proses Pemisahan dengan Membran Membran merupakan alat pemisah berupa penghalang yang bersifat selektif yang dapat memisahkan dua fase dari berbagai campuran. Campuran tersebut dapat bersifat homogen atau heterogen dan dapat berupa padatan, cairan atau gas. Transportasi pada membran terjadi karena adanya driving force yang dapat berupa konveksi atau difusi dari masing-masing molekul, adanya tarik menarik antar muatan komponen atau konsentrasi larutan, dan perbedaan suhu atau tekanan [11]. Berdasarkan ukuran pori, membran dapat dibedakan dibagi menjadi 2 yaitu: 1.
Membran berpori (porous membrane) Prinsip pemisahan membran berpori didasarkan pada perbedaan ukuran partikel dengan ukuran pori membran. Membran jenis ini biasanya digunakan untuk proses mikrofiltrasi (melewatkan air, menahan mikroba) dan ultrafiltrasi (melewatkan air menahan garam mineral). Dan berdasarkan besarnya pori, membran dapat dibedakan sbb. [12]
2.
Membran non pori (non-porous membrane) Prinsip pemisahannya didasarkan pada perbedaan kelarutan dan kemampuan berdifusi. Membran dengan jenis ini digunakan untuk proses permeasi gas, pervaporasi dan dialisis. 13
Pemisahan dengan membran dilakukan dengan mengalirkan feed ke dalam membran kemudian akan terpisah sesuai driving force yang digunakan. Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permeate dan retentate. Permeate merupakan hasil pemisahan yang diinginkan sedangkan retentate merupakan hasil sisa. Driving force pada pemisahan menggunakan membran ada 4 macam. Kinerja (performance) instalasi membran tergantung pada jenis driving force yang digunakan. Macam – macam aplikasi pemisahan dengan membran berdasarkan driving force dan kinerja instalasinya antara lain: 1.
Driving force gradien tekanan (∆P) Aplikasi penggunaan antara lain: mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, reverse osmosis. Besarnya fluks dihitung dari besarnya laju alir yang melewati setiap luas permukaan membran. Semakin besar laju alir permeate dan semakin kecil luas permukaan membrane, maka fluks yang dihasilkan semakin besar. Rejeksi merupakan ukuran perbandingan konsentrasi permeate dan retentate yang berhasil dipisahkan
2.
Driving force gradien Konsentrasi (∆C) Aplikasi penggunaan: pervaporasi, permeasi gas, permeasi uap, dialisis, dialisis – difusi.
3.
Driving force gradien Temperatur (∆T) Aplikasi penggunaan: thermo-osmosis, distilasi membran. Kinerja instalasi berupa fluks (J) dan selektivitas (α).
4.
Driving force gradien Potensial Listrik (∆E) Aplikasi penggunaan: elektrodialisis, elektro-osmosis, membran-elektrolisis. Kinerja instalasi berupa fluks (J) dan selektivitas (α).
Penelitian yang mulai memanfaatkan membran dalam pemekatan dan pemurnian steviose hasil ekstraksi dengan pelarut sudah mulai dilakukan, seperti oleh Rao et al. [9] yang menggunakan secara simultan ultrafiltrasi dan nanofiltrasi. Hanya sampai saat ini pemanfaatan membran yang dapat menghasilkan kemurnian tinggi 100% dengan proses yang lebih efisien belum berhasil dilakukan.
II.5 Metode Analisis Ada beberapa metode yang dapat dilakukan untuk menentukan komposisi glikosida dalam tumbuhan. Nishiyama et al. [13] menyatakan bahwa analisa dengan menggunakan HighPerformance Liquid Chromatography (HPLC) dan NIR spectroscopy [13] cukup memberikan hasil yang memuaskan untuk mengukur komposisi steviosida dan rebaudiosida A dalam daun Stevia. Sedangkan Shirwaikar et al. [14] menggabungkan juga analisa dengan High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC).
14
Bab III METODE PENELITIAN Penelitian yang akan dilakukan mengikuti roadmap penelitian tentang teknologi pengolahan gula stevia dari daun Stevia rebaudiana seperti yang ditunjukkan oleh gambar III.1.
Ekstrak si
- Pelarut - Penukar ion - Chelating agent - Adsorpsi - Microwave
- Penukar ion - Membran - Adsorpsi Pemurnian
Pembesaran ukuran - Granulasi - impregnasi
Teknologi Pengolahan gula stevia
- Evaporasi - Pengeringan - Membran Perubahan fasa
Gambar III.1. Skema alur penelitian pengolahan gula Stevia
Tahapan dalam penelitian ini adalah sbb.: 1. Sortikasi dan pembersihan daun Stevia rebaudiana kering. 2. Ekstraksi steviosida menggunakan metoda pelarut dan microwave dengan variasi kondisi operasi sesuai premis-premis. 3. Penentuan kondisi optimum dalam aplikasi kedua metoda yang digunakan.
III.1 Bahan-Bahan Penelitian Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi bahan baku utama dan bahan analisis. III.1.1 Bahan Baku Utama Bahan baku utama yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: 15
1. Daun Stevia rebaudiana kering (diperoleh dari PT Tigapilar Argo Utama) 2. Aquadest
III.1.2 Bahan Analisis Stevioside hydrate 98% (HPLC) dari SIGMA.
III.2 Peralatan Penelitian Peralatan-peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dibagi menjadi: 1. Peralatan ekstraksi Peralatan yang digunakan untuk mengekstraksi daun Stevia kering, yaitu: a. Ekstraktor batch dengan kapasitas volume sebesar 1 liter, beserta alat-alat pendukung untuk ekstraktor seperti: waterbath, kondensor, motor pengaduk, impeller, thermostat, thermometer, dan pengambil sampel. Ekstraktor ini adalah alat yang digunakan untuk melakukan ekstraksi. Air pendingin masuk
pengambil sampel
kondensor Air pendingin keluar
termostat
ekstraktor waterbath pengaduk
Gambar III.2. Ekstraktor batch
b. Microwave oven rumah tangga merk Panasonic seri NN-MX21WF dengan power = 800W.
16
Gambar III.3. Microwave oven
c. Rotary Vacuum Evaporator Rotary Vacuum Evaporator adalah alat yang digunakan untuk memisahkan antara ekstrak dengan pelarut.
Gambar III.4. Rotary vacuum evaporator 2. Peralatan analisis Peralatan analisis yang digunakan untuk menganalisa hasil dari penelitian ini antara lain colorimeter, turbiditymeter, Moisture Analyzer, HPLC, dan FTIR. 3. Peralatan pendukung Peralatan pendukung yang digunakan dalam penelitian ini antara lain adalah oven, blender, neraca analitik, dan pompa vakum.
17
III.3. Prosedur Percobaan III.3.1. Persiapan Bahan Baku dan Perlakuan Awal Daun stevia yang diperoleh dari penjual dibersihkan dari pengotor seperti ranting-ranting, daun yang sudah busuk, dan pengotor lainnya. Kemudian stevia dikeringkan dalam oven untuk mengurangi kadar air yang ada dalam daun tsb. Selanjutnya, ukuran daun diperkecil dengan cara diblender menjadi serbuk halus dan dilakukan penyeragaman ukuran dengan mesh -20+30. Sedang, kadar air yang tersisa dalam daun tevia dianalisis dengan moisture analyzer. Di bawah ini disajikan diagram alir dari tahap persiapan bahan baku dan perlakuan awal daun stevia. Daun Stevia dibersihkan dari pengotor Daun Stevia dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 40 ˚C selama 24 jam
Daun Stevia diblender menjadi ukuran yang lebih kecil
Daun Stevia diayak dengan mesh berukuran -20+30 Kadar air daun Stevia dianalisis dengan moisture analyzer hingga kadar air yang tersisa di bawah 10% Daun Stevia siap untuk diekstraksi Gambar III.5. Diagram alir perlakuan awal daun stevia
III.3.2. Ekstraksi Daun Stevia Proses ekstraksi daun Stevia dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan kondisi optimum dari penelitian yang terdahulu [15]. Pengadukan dilakukan dengan bantuan microwave. Mula-mula daun Stevia yang telah diayak dengan mesh berukuran -20+30 dicampurkan ke dalam aquadest dengan perbandingan F:S tertentu. Campuran tersebut diekstraksi dengan menggunakan ekstraktor batch dan dengan menggunakan microwave. Ekstrak kemudian diambil untuk dianalisa dalam tiga waktu berbeda yaitu 1 jam, 90 menit, dan 2 jam. Ekstrak ini dipisahkan dengan rafinat menggunakan filtrasi vakum agar filtrasi berjalan dengan lebih cepat. Ekstrak daun Stevia yang dihasilkan kemudian dianalisa menggunakan Fourier Transfor Infra-Red (FTIR). Prosedur yang dilakukan dalam penelitian terdahulu dapat dilihat dalam gambar III.6.
18
Daun Stevia yang telah siap diekstraksi dicampurkan dalam aquadest dengan variasi perbandingan F:S tertentu yaitu 1:10, 1:15, dan 1:20
Proses ekstraksi dilakukan dalam ekstraktor batch dan microwave dengan variasi suhu sebesar 45 ˚C, 50 ˚C, dan 55 ˚C dengan kecepatan pengadukan sebesar 250 rpm (untuk ekstraksi dengan pengaduk)
Ekstrak di-sampling pada menit ke120
Ekstrak dipisahkan dari rafinat dengan cara filtrasi vakum menggunakan pompa vakum
Ekstrak daun Stevia diperoleh dan dianalisis Gambar III.6. Diagram alir proses ekstraksi dan analisis daun Stevia
III.3 Analisa terhadap bahan baku, produk antara dan produk akhir 1. Kadar air menggunakan moisture analyzer dan oven. 2. Jenis komponen kimia dan konsentrasinya menggunakan High Performance Liquid Chromatography (HPLC) dengan detector UV dan kolom Aminex C-18. 3. Warna menggunakan colorimeter. 4. Kekeruhan menggunakan turbiditymeter. 5. Gugus organik menggunakan FTIR.
19
Bab IV JADWAL PELAKSANAAN Penelitian dilakukan di Laboratorium Rekayasa Kimia Universitas Katolik Parahyangan, Bandung. Pengumpulan bahan baku penelitian berupa daun kering Stevia rebaudiana dilakukan di derah daerah penghasil yang kebanyakan berlokasi disekitar Yogyakarta/ Tawangmangu. Analisa HPLC akan dilakukan di FMIPA – ITB, karena yang dibutuhkan adalah HPLC dengan detektor UV sedangkan yang dimiliki oleh UNPAR adalah HPLC dengan detektor IR. Untuk analisa FTIR, kadar air dan kadar abu akan dilakukan di laboratorium Polimer – UNPAR. Pelaksanaan penelitian direncanakan selama 10 bulan yaitu dari bulan Februari 2016 sampai dengan bulan November 2016. Dimana bulan Januari 2015 digunakan sebagai survey awal untuk penelitian dan tinjauan pustaka. Jadwal kerja penelitian secara terperinci disajikan pada tabel IV.1.
Tabel IV. Jadwal Kerja Penelitian tahun 2016 Kegiatan Persiapan alat dan bahan Ekstraksi menggunakan pelarut & microwave Pengujian kadar stevioside (I) Penentuan koagulan terbaik Pengujian kadar stevioside (II) Pengolahan data Penyelesaian laporan
Feb.
Mar.
Apr.
Mei
20
Jun.
Jul.
Ags.
Sep.
Okt.
Nov.
Bab V HASIL DAN PEMBAHASAN
V.1. Persiapan Bahan Baku Daun Stevia yang digunakan adalah daun kering. Oleh sebab itu pengotor berupa batu dan ranting-ranting harus dipisahkan terlebih dahulu. Kemudian daun Stevia tsb. disamakan kadar airnya sehingga 10%. Berikutnya adalah proses pengecilan ukuran menggunakan blender dan pengayak (laboratory test sieve) sehingga didapat ukuran mesh -20+30 dan mesh -40+60. Daun Stevia pada berbagai ukuran dapat dilihat pada Gambar V.1 dibawah ini.
(a)
(b)
(c)
Gambar V.1 (a) daun Stevia kering, (b) mesh -20+30, (c) mesh -40+60
V.2. Ekstraksi Daun Stevia Pelarut yang selama ini dianggap cukup murah dan tidak beracun adalah air. Sedang proses ekstraksi ekstraksi yang dilakukan dalam percobaan ini yaitu metode perendaman yang disertai pemanasan dan pengadukan di dalam tangki. Variabel yang dianggap berpengaruh pada proses ekstraksi ini adalah perbandingan umpan dan pelarut, temperatur, waktu dan ukuran bahan baku. Penelitian awal [16] dilakukan dalam ekstraktor batch (rangkaian ekstraktor dapat dilihat pada gambar V.2) dengan variasi perbandingan umpan dan pelarut (F:S) = 1:10, 1:15 dan 1:20; temperatur ekstraksi 100 ºC dan kecepatan pengadukan 250 rpm. Sedangkan daun kering yang digunakan tanpa melewati proses pengecialan ukuran. Ekstraki dilakukan dengan variasi waktu 60, 90 dan 120 menit. Hasil ekstraksi dapat dilihat pada gambar V.3. dibawah ini. Proses pemisahan kemudian diikuti dengan filtrasi vakum untuk memisahkan rafinat dari residu daun. Sedang ekstrak daun stevia dipisahkan dari pelarutnya dalam rotary vacuum evaporator pada suhu 50°C, kecepatan 50 rpm dan tekanan 7,2 mbar sampai tidak ada pelarut 21
yang menetes lagi kira-kira ±2,5-3,5 jam bergantung dari banyaknya pelarut yang digunakan. Untuk menentukan perolehan dari hasil ekstraksi, sample kering yang didapat kemudian ditimbang dan dibandingkan terhadap berat daun kering stevia awal.
Gambar V.2. Set up peralatan ekstraksi
Gambar V.3. Hasil Ekstraksi Daun Stevia
Pemanis stevia yang diperoleh (seperti ditunjukkan dalam gambar V.4) memperlihatkan bahwa semakin besar rasio F : S, maka berat pemanis yang diperoleh semakin tinggi dan semakin lama waktu ekstraksi, maka berat pemanis yang diperoleh semakin tinggi juga. Hal ini menunjukkan bahwa dengan rasio F:S yang semakin besar, maka semakin banyak juga pelarut yang digunakan pada jumlah umpan yang sama sehingga semakin banyak pemanis yang dapat terekstrak dalam jangka waktu yang sama. Dan semakin lama waktu ekstraksi, maka waktu
22
Berat Pemanis (gram)
kontak antara pelarut dengan umpan akan semakin lama juga sehingga produk yang dapat terekstraksi akan semakin banyak.
8,26 8,16 8,06 7,96 7,86 7,76 7,66 7,56 7,46 7,36
F:S = 1:10 F:S = 1:15 F:S = 1:20
60
70
80
90
100
waktu (menit)
110
120
Gambar V.4. Perolehan pemanis stevia (basis kering) terhadap rasio umpan dan pelarut dan waktu ekstraksi Dari penelitian awal dapat terlihat bahwa perolehan pemanis stevia masih menunjukkan kenaikan sampai pada ratio umpan dan pelarut yang tertinggi yang dipilih dalam penelitian ini. Hal ini menunjukkan bahwa perolehan pemanis tsb. masih dapat ditingkatkan dengan menggunakan ratio yang semakin besar. Dengan kata lain dengan ratio yang rendah belum semua pemanis stevia yang ada dalam daun terekstraksi semua. Untuk membuktikan adanya gugus steviosida dan rebaudiosida-A dari sample hasil ekstraksi maka dilakukan juga analisis FTIR. Sampel pemanis stevia yang dibandingkan adalah sample dengan kondisi F:S dan waktu (1) 1:10, 60 menit, (2) 1:15, 90 menit (3) 1:20, 120 menit dan sample pemanis stevia komersial. Dari hasil analisis FTIR pada gambar V.5. terlihat bahwa untuk sample (1), (2), (3) dan pemanis komersial pada rentang 3200-3550 cm-1 terdapat puncak/peak yang menandakan keberadaan gugus OH. Spektrum inframerah dari pemanis yang dianalisis juga menunjukkan adanya puncak/peak pada spektrum 2850-3000 cm-1 yang menandakan terdeteksinya gugus CH, CH2, CH3 dan pada spektrum 1600-1700 cm-1 juga terdapat puncak/peak yang menunjukan terdeteksinya gugus C=O. Dengan adanya gugus yang sama antara ketiga sampel dan juga pada pemanis komersial, hal ini membuktikan bahwa kandungan stevioside dan rebaudioside A ditemukan pada sample yang dihasilkan. Sedangkan adanya puncak puncak tambahan pada sample yang dihasilkan diprediksi karena adanya tambahan zat lain yang disebabkan belum dilakukannya proses pemurnian pada sample sample tsb.
23
4500 ks
4000
3500
3000
2000
1750
1250
929.69
1161.15 1161.15 1161.15 1157.29
1500
1074.35 1074.35 1035.77
1271.09 1269.16 1238.30 1271.09
1716.65
2500
1080.14 1074.35 1022.27
0
1417.68 1386.82 1382.96 1373.321384.89
1517.98 1517.98 1517.98
1643.35
15
1602.85 1600.92 1600.92
3444.87 3392.79 3392.79 3392.79 3408.22
30
2927.94 2926.012926.01 2926.01
45
1442.75
60
576.72
761.88 707.88 665.44 665.44
75
850.61
2372.44 2374.37 2372.44
90
609.51609.51 609.51
891.11 891.11 891.11
%T
Baselinecorrection Baselinecorrection Baselinecorrection Baselinecorrection
813.96 813.96 812.03 773.46 775.38 771.53
Multipoint Multipoint Multipoint Multipoint
524.64
105
1000
750
500 1/cm
Gambar V.5. Spektra FTIR sample (1) merah, (2) biru, (3) hijau dan pemanis stevia komersial
Penelitian selanjutnya dilakukan dengan menggunakan dua buah variabel, yaitu variasi ukuran daun Stevia kering (U) dan rasio umpan terhadap pelarut (F:S) [17]. Variasi ukuran daun yang digunakan adalah ukuran mesh -20+30 dan -40+60, serta daun yang tanpa melewati proses pengecilan ukuran. Sedangkan variasi rasio umpan terhadap pelarut lebih tinggi, yaitu 1:100, 1:150, dan 1:200. Perolehan pemanis stevia (crude) pada berbagai perbandingan umpan terhadap pelarut yang dipilih dan ukuran daun kering dapat dilihat pada gambar V.6 dibawah ini. Dari grafik tsb. dapat terlihat bahwa semakin besar ratio umpan terhadap pelarut (massa daun kering dalam volume pelarut yang sama makin kecil), perolehan produk semakin berkurang. Dapat disimpulkan bahwa ratio 1:100 merupakan ratio yang optimal mengingat dari kemudahan proses ekstraksi menggunakan daun kering dalam ukuran kecil dan perolehan pemanis. Juga semakin kecil ukuran daun perolehan pemanis semakin tinggi.
24
Gambar V.6. Perolehan pemanis stevia cair terhadap ukuran daun kering dan ratio F:S
Selanjutnya untuk mengetahui pengaruh temperatur pada ekstraksi dan juga metode ekstraksi, penelitian dilanjutkan dengan menggunakan microwave oven (Low, Medium, MedHigh, dan High) [18]. Perkiraan temperatur yang dicapai pada setiap kondisi tsb. dapat dilihat dalam table V.1.
Tabel V.1. Perkiraan temperatur pada berbagai kondisi pemanasan dalam micowave Waktu (menit) 0 1 2 3
Low 27 28 30,5 35
Perkiraan temperatur (°C) Medium Med-High 27 27 34 43 47 55 53,5 63
High 27 48 59 72
Perolehan pemanis cair dari daun kering stevia dengan menggunakan microwave menunjukan perolehan hasil yang lebih tinggi dibandingkan dengan ekstrasi maserasi. Hasil dapat dilihat pada grafik V.2 dibawah ini. Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan sampai saat ini, maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan microwave sangat membantu didalam proses ekstraksi pemanis stevia dari daun utuh. Sehingga dapat dikatakan proses ini juga dapat mereduksi proses pengecilan ukuran sebagai pretreatment dalam proses ekstraksi secara maserasi. Hal ini sejalan dengan penelitian terhadap pemanfaatan microwave dalam teknologi pangan khususnya bahan yang berbentuk fluida [19]. 25
Tabel V.2. Konsentrasi pemanis pada berbagai variasi temperatur microwave menggunakan daun stevia utuh Konsentrasi gula (x10-2) %berat
55°C
63°C
72°C
5,7113
10,4373
12,3833
V.3. Pemurnian Pemanis Stevia Berhubung pemanis stevia mengandung berbagai macam senyawa glikosida yang mempunyai ukuran dan karakteristik molekul yang hampir sama, proses separasi berbagai senyawa glikosida khususnya stevioside dan Rabaudioside A menjadi faktor penting. Apalagi harga jual dari masing masing jenis glikosida tsb. berbeda. Untuk itu penelitian yang saat ini masih sedang berjalan difokuskan pada proses pemurniannya dengan menggunakan beberapa metoda.
26
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
1.
Proses pemisahan senyawa glikosida dari daun stevia dapat dilakukan menggunakan metoda yang sederhana dengan pelarut yang ramah lingkungan dan tidak bersifat toxic pada makanan yaitu air.
2.
Untuk mendapatkan perolehan yang lebih besar, penggunaan microwave oven sangat membantu. Untuk itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut, agar dapat diperoleh kondisi optimum untuk memperoleh hasil setinggi mungkin tanpa merusak senyawa glikosidanya.
3.
Proses pemurnian masih memerlukan penelitian lebih jauh.
27
DAFTAR PUSTAKA
1.
Rusono, N., Suanri, A., Candradijaya,A., Muharam, A., Martino, I., Tejaningsih, Hadi,P.U., Susilowati, Maulana Studi Pendahuluan - Rencana Pembangunan Jangka Menengah Nasional (RPJMN) Bidang Pangan dan Pertanian 2015 - 2019, 2013, Direktorat Pangan dan Pertanian - Kementerian Perencanaan Pembangunan Nasional/Badan Perencanaan Pembangunan Nasional Jakarta.
2.
De, S., Mondal, S., Banerjee, S., Stevioside - Technology, Applications and Health. 2013: John Wiley & Sons, Ltd.
3.
Anomim. Informasi species Stevia. Data tumbuhan [cited 2016 Jan.31]; Available from: www.plantamor.com.
4.
Safety Evaluation of Certain Food Additives, in Stevioside(2000), WHO - World Health Organisation. Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives.: Geneva.
5.
Megeji, N.W., Kumar, J.K., Singh, V., Kaul, V.K., Ahuja, P.S., Introducing Stevia rebaudiana, a natural zero - calorie sweetener. Research Communications, 2005. 88(5).
6.
Gupta, E., Purwar, S., Sundaram, S., Rai, G.K., Nutritional and the therapeutic values of Stevia rebaudiana: A Review. Journal of Medicinal Plants Research, 2013. 7(46): p. 3343-3353.
7.
Kim, I., Yang, M., Lee, O., Kang, S., The antioxidant activity and the bioactive compound content of Stevia rebaudiana water extracts. LWT - Food Science Technology, 2011. 44: p. 1328-1332.
8.
Carakostas, M.C., Curry, L. L., Boileau, A. C., Brusick, D. J., Overview: The history, technical function and safety of rebaudioside A, a naturally occurring steviol glycoside, for use in food and beverages. Food and Chemical Toxicology, 2008. 46(7, Supplement): p. S1-S10.
9.
Rao, A.B., et al., An improvised process of isolation, purification of steviosides from Stevia rebaudiana Bertoni leaves and its biological activity. International Journal of Food Science & Technology, 2012. 47(12): p. 2554-2560.
10.
Pasquel, A., Meireles, M.A.A., Marques, M.O.M., Petenate, A.J., Extraction of stevia glycosides with CO2 + water, CO2 + ethanol, and CO2 + water + ethanol. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2000. 17: p. 271-282.
11.
Pabby, A.K., Rizvi, S.S.H., Requena, A.M.S., Handbook of Membrane Separations: Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological Applications, ed. 2nd. 2009, USA.: CRC Press.
12.
Pressure-driven membrane filtartion Processes. [cited 2016 Jan.31]; Available from: www.synderfiltration.com. 28
13.
Nishiyama, P., Alvarez, M., Vieira, L.G. , Quantitative analysis of stevioside in the leaves of Stevia rebaudiana by near infrared reflectance spectroscopy. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1992. 59: p. 277-281.
14.
Shirwaikar, A., Parmar, V., Bhagat, J., Khan, S., Identification and estimation of stevioside in the commercial samples of stevia lef and powder by HPTLC and HPLC. International Journal of Pharmacy and Life Sciences, 2011. 2(9): p. 1050-1058.
15.
Novalia, C., A., Studi Ekstraksi Batch Daun Stevia Rebaudiana Bertoni dengan Variabel Jenis Pelarut dan Temperatur, 2014, Universitas Katolik Parahyangan: Bandung.
16.
Chandra, A., Tirtobudi, K.R. Studi Awal Proses Ekstraksi Daun Stevia Rebaudiana Dengan Variabel Perbandingan Umpan dengan Pelarut dan Waktu Ekstraksi in Seminar Nasional Teknoin. 2014. Yogyakarta.
17.
Jessica, Chandra, A., Pembuatan Gula Cair Stevia Dengan Variasi Daun Stevia Terhadap Air Dan Ukuran Stevia Dengan Tangki Berpengaduk, 2016, Universitas Katolik Parahyangan.
18.
Steffany, I.M., Chandra, A., Pengaruh Ukuran Daun Dan Temperatur Dalam Ekstraksi Daun Stevia Dengan Microwave Terhadap Produk Gula Cair, 2016, Universitas Katolik Parahyangan.
19.
Rahman, M.S., Handbook of Food Preservation. 2007: CRC Press.
29
