Jurnal Kimia Indonesia Vol. 5 (1), 2010, h. 17-21
Deasetilasi Kitin secara Bertahap dan Pengaruhnya terhadap Derajat Deasetilasi serta Massa molekul Kitosan L.O.A.N. Ramadhan,1,2 C. L. Radiman,1 D.Wahyuningrum,1 V. Suendo,1 L. O. Ahmad,2 S. Valiyaveetiil3 1 Kelompok Penelitian Kimia Fisik dan Anorganik, Institut Teknologi Bandung 2 Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Haluoleo 3 Material Research Laboratory, Department of Chemistry, National University of Singapore E-mail:
[email protected] Abstrak. Polimer alam saat ini menjadi perhatian peneliti untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku berbagai keperluan industri. Kitosan merupakan suatu senyawa poli (N-amino-2 deoksi β-Dglukopiranosa) yang banyak terdapat di alam. Preparasi kitosan secara bertahap telah dilakukan.
Tujuan penelitian adalah untuk mempelajari pengaruh proses deasetilasi kitin secara bertahap terhadap derajat deasetilasi dan massa molekul kitosan. Kitosan dikarakterisasi untuk mengetahui gugus fungsi dan derajat deasetilasi secara spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) dan Nuclear Magnetic Resonance (NMR 1H), massa molekul dengan kromatografi permeasi gel (GPC). Hasil analisis menunjukan bahwa kitin mengalami deasetilasi menjadi kitosan secara bertahap. Kitosan dengan derajat deasetilasi dan massa molekul yang berbeda dihasilkan dari proses deasetilasi kitin secara bertahap. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan aseton menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 99%) dan massa molekul 407,38 kDa. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan natrium hipoklorit menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 100%), namun demikian menurunkan massa molekul sebesar 161,99 kDa. Kitosan hasil deasetilasi kitin secara bertahap dari limbah kulit udang putih (Litopenaeus vannamei) berpotensi untuk berbagai aplikasi yang memerlukan bahan dasar kitosan dengan derajat deasetilasi dan massa molekul yang tinggi. Kata kunci: Kitosan, deasetilasi bertahap, derajat deasetilasi, massa molekul.
Pendahuluan Polimer alam saat ini menjadi perhatian peneliti untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku berbagai keperluan industri. Kitosan adalah polisakarida yang banyak terdapat di alam setelah selulosa. Kitosan merupakan suatu senyawa poli (N-amino-2 deoksi β-D-glukopiranosa) atau glukosamin hasil deasetilasi kitin/poli (N-asetil-2 amino-2-deoksi βD-glukopiranosa) yang diproduksi dalam jumlah besar di alam, yaitu terdapat pada limbah udang dan kepiting yang cukup banyak terdapat di Indonesia. Pemanfaatan limbah kulit udang sebagai kitosan selain dapat mengatasi masalah lingkungan juga dapat menaikan nilai tambah bagi petani udang. Hasil isolasi kulit udang akan menghasilkan senyawa kitin yang merupakan polimer dari glukosamin yaitu polisakarida yang mengandung gugus asetatamida, sedangkan kitosan merupakan hasil proses hidrolisa kitin dengan alkali sehingga
terjadi proses deasetilasi dari gugus asetamida menjadi gugus amina. Pada prinsipnya, proses transformasi kitin menjadi kitosan dapat melalui hidrolisis dengan asam dan basa.5 Hidrolisis dalam suasana basa terdiri atas dua metode, secara homogen dan heterogen. Perlakuan secara heterogen dalam suasana basa kuat merupakan metode yang umum dilakukan dalam proses deasetilasi kitin menjadi kitosan dan menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi dan massa molekul yang bervariasi, namun sampai saat ini belum ada metode baku untuk proses deasetilasi kitin. Kitosan mempunyai sifat spesifik yaitu adanya sifat bioaktif, biokompatibel, pengkelat, anti bakteri dan dapat terbiodegrasi.2,4 Kualitas kitosan dapat dilihat dari sifat intrinsiknya, yaitu kemurniannya, massa molekul, dan derajat deasetilasi. Umumnya kitosan mempunyai derajat deasetilasi 75-100%.1 Massa molekul kitosan dan
Dapat dibaca di journal.kimiawan.org/jki
L.O.A.N. Ramadhan, C. L. Radiman, D. Wahyuningrum, V. Suendo, L. O. Ahmad, S. Valiyaveetiil
distribusinya berpengaruh terhadap sifat-sifat fisiko-kimia polisakarida, seperti sifat reologi kitosan, fleksibilitas rantai.1 Derajat deasetilasi dan massa molekul kitosan hasil deasetilasi kitin pada dasarnya dipengaruhi oleh konsentrasi alkali/basa, rasio larutan terhadap padatan, suhu dan waktu reaksi, lingkungan/kondisi reaksi selama deasetilasi.7 Konsentrasi alkali, rasio padatan dan larutan yang tinggi dapat menfasilitasi proses deasetilasi menghasilkan kitosan yang memiliki sifat fisiko-kimia yang memenuhi syarat untuk berbagai aplikasi. Oleh karena itu, untuk memperoleh informasi tentang metode deasetilasi kitin menjadi kitosan, telah dilakukan studi tentang proses deasetilasi kitin menjadi kitosan secara bertahap dan pengaruhnya terhadap derajat deasetilasi dan massa molekul kitosan. Tujuan penelitian adalah mendapatkan informasi yang berguna tentang pengaruh proses deasetilasi kitin secara bertahap terhadap derajat deasetilasi dan massa molekul kitosan hasil deasetilasi. Metode Penelitian Bahan. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : kulit udang putih (Litopenaeus vannamei), natrium hidroksida teknis, asam klorida, asam asetat, natrium asetat, kalium bromida, deuterium oksida, asam trifluoroasetat, dekstran standar. Metode. Preparasi kitosan dari kulit udang dilakukan melalui beberapa proses antara lain penghilangan protein, penghilangan mineral, dan deasetilasi merujuk pada metode No dkk dan Tolaimate dkk dengan sedikit modifikasi.3,6 Kitin diisolasi dari kulit udang (Litopenaeus vannamei) dengan proses deproteinasi dalam NaOH 3,5% (b/v) dengan rasio massa kulit uang terhadap larutan 1: 10 selama 2 jam pada suhu 650C, kemudian dilanjutkan demineralisasi dengan HCl 1 N (rasio 1:15 b/v) selama 1 jam pada suhu kamar. Proses deasetilasi kitin menjadi kitosan dilakukan dengan pengerjaan secara bertahap dalam larutan NaOH 50% tingkat spesifikasi teknik (technical grade) rasio massa kitin dan larutan 1:20 (b/v), pada suhu 1200C, dengan variasi waktu deasetilasi 2 x 3 jam, 3 x 3 jam (penghilangan warna dengan natrium hipoklorit/NaOCl), dan 3 x 3 jam (penghilangan warna dengan aseton). Karakterisasi. Untuk memastikan hasil transformasi kitin menjadi kitosan, hasil deasetilasi dikarakterisasi melalui analisis gugus fungsi secara spektrometri infra merah (FTIR) dan resonansi magnetik inti (RMI) atau nuclear magnetic
18
resonance (1H-NMR), penentuan derajat deasetilasi (DD) dengan metode 1H-NMR, serta penentuan massa molekul dengan Kromatografi Permeasi Gel (GPC). Analisis struktur dengan FTIR dan NMR1 H. Spektrofotometer FTIR Shimadzu 8400 digunakan untuk merekam spektra FTIR kitosan untuk menentukan struktur kimia. Cuplikan padat berbentuk butiran diukur spektranya dengan cara dibuat dalam bentuk pellet KBr. Pengukuran 1 spektra H-NMR dilakukan dengan spektrofotometer NMR Bruker 300 MHz untuk analisis struktur kimia dan penentuan derajat deasetilasi kitosan. Penentuan massa molekul polimer kitosan. Massa molekul dihitung berdasarkan data hasil analisis dengan kromatografi permeasi gel (GPC) dengan dekstran sebagai senyawa standar menggunakan alat instrumentasi kromatografi cair tekanan tinggi (HPLC) 515 Water®, detektor indeks refraktif 2414 Water®. Suhu detektor 33 0C, sensitivitas 128, tekanan 1035 Psi, laju alir 1 ml/menit, running time 42 menit. Kolom yang digunakan adalah PL-Aquagel 30, PL-Aquagel 40, PL-Aquagel 50. Hasil dan Pembahasan Preparasi dan Identifikasi Kitosan dari Limbah Kulit Udang. Untuk ketersediaan kitosan, telah dilakukan isolasi kitin dan preparasi 3 (tiga) jenis kitosan dengan sifat fisiko-kimia yang berbeda. Rerata kulit udang sebanyak 600 g menghasilkan 95,32 g kitosan, rincian berat tiap proses dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Rincian Berat Tiap Proses Pembuatan Kitosan* Material
Proses
Kulit
Penghilang
udang
an Protein
Kitin
Penghilang an Mineral
Berat (gram)
Rendemen
260,00
43,33%
110,40
18,40%
95,32
15,88%
Hasil Pengamatan Visual Kuning Kecoklatan Putih Kecoklatan Putih
Kitosan
Deasetilasi
kekuningan (off-white)
*Berat limbah udang : 600 g
Proses transformasi kitin menjadi kitosan dilakukan dengan proses penghilangan gugus asetil dari kitin menjadi amina pada kitosan yang dikenal dengan proses deasetilasi. Proses ini dilakukan dengan cara hidrolisis gugus asetoamida oleh basa kuat yaitu NaOH 50% spesifikasi teknis. Kitosan yang dihasilkan mempunyai warna putih
Jurnal Kimia Indonesia Vol. 5(1), 2010
Deasetilasi Kitin secara Bertahap dan Pengaruhnya terhadap Derajat Deasetilasi serta Massa Molekul Kitosan
kekuningan (off-white). Struktur kimia kitosan terlihat pada Gambar 1. NHCOCH3 HO O
O
O
HOH2C HO
O NH2
CH2OH
O n
(a) CH2OH H
O OH
NH2
O
n
(b) Gambar 1 Struktur molekul (a) kitosan terasetilasi parsial dan (b) kitosan unit pengulangan poli Dglukosamin
Identifikasi struktur kimia kitosan dilakukan menggunakan FTIR dan 1H-NMR. Hasil pembacaan dari kitosan tersebut ditunjukan dalam Gambar 2 Spektrum infra merah kitosan
menunjukkan adanya gugus OH, NH2, C=O amida, dan CH3. Pada spektrum FTIR dapat dilihat adanya puncak pada daerah 3000-3500 cm-1 yang menunjukkan adanya gugus OH dan NH2. Puncak lainnya adalah CO amida yang terdapat pada 1656 cm-1 (Amida I) , vibrasi C-N-H (Amida II) pada 1566 cm-1, deformasi NH2 pada 1195 cm-1, vibrasi C-O-C pada 1159 cm-1, deformasi CH3 simetri pada 1379 cm-1, dan vibrasi regang C-H pada 2920 cm-1. Spektrum FTIR hasil deasetilasi kitin menunjukan perubahan selama proses deasetilasi yang ditunjukan oleh variasi serapan inframerah kitosan. Pada daerah bilangan gelombang 1566 cm1 yang merupakan daerah serapan amina yang meningkat ketika waktu proses deasetilasi ditingkatkan.selama 3 x 3 jam. Perubahan serapan pada bilangan gelombang 1665 cm-1 yang semakin lemah. Spektra FTIR menunjukan bahwa deasetilasi kitosan secara bertahap dengan waktu 2 x 3 jam dan 3 x 3 jam dapat menghasilkan kitosan dengan spektrum serapan infra merah yang berbeda.
(a) % Transmitans
(b)
4000
(c) (d)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Bilangan gelombang (cm ) Gambar 2 Spektrum Infra Merah (a) Kitin (b) Kitosan hasil deasetilasi 3 x 3 jam penghilangan warna dengan NaOCl, (c) Kitosan hasil deasetilasi 2 x 3 jam (d) Kitosan hasil deasetilasi 3 x 3 jam penghilangan warna dengan aseton
19
L.O.A.N. Ramadhan, C. L. Radiman, D. Wahyuningrum, V. Suendo, L. O. Ahmad, S. Valiyaveetiil
1H NMR CS
0 .0 1 9 5
3 .0 8 0 3
3 .6 0 5 7
3 .7 9 4 2
4 .7 6 3 3
6 .0 8 7 5 6 .0 2 0 6 5 .9 5 3 2 5 .8 8 7 5
Bruker *** Current Data Parameters *** NAME
:
ma27dp
EXPNO
:
1
PROCNO
:
1
*** Acquisition Parameters *** DATE_t
:
DATE_d
:
NS
:
SFO1
:
SOLVENT
:
23:53:06 Mar 26 2009 8 300.1318534 MHz D2O
*** Processing Parameters *** SF
:
XDIM
:
300.1297360 MHz 8192
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
Start
:
Stop
:
YScale
:
100.00 %
7.50 ppm
SR
:
-264.47 Hz
Hz_cm
:
-0.50 ppm
115.44
0 .0 4 5 3
0 .1 0 8 2
6 .0 6 1 6
2 7 .0 0 5
4 .0 4 8 8
In te g r a l
*** 1D NMR Plot Parameters ***
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
(ppm)
Gambar 3 Spektrum 1H-NMR Kitosan (pelarut D2O+trifluoroasetat) Karakterisasi Kitosan dengan NMR. Sebagai pendukung hasil yang sudah ditunjukan oleh data-data FTIR, juga dilakukan pengukuran spektra 1H-NMR Hasil karakterisasi kitosan secara spektrometri resonansi magnetik inti proton (1H-NMR) terlihat pada Gambar 2. Spektrum 1H-NMR menunjukkan pergeseran kimia (δ) proton gugus fungsi yang terdapat pada kitosan hasil sintesis adalah sebagai berikut: δ = 1,9 ppm merupakan spektra asetil, δ = 3,0 ppm, spektra H-2 dari unit GlcN (glukosamin), δ = 3,5-4,0 ppm spektra H-3,H4,H-5,H-6 dari unit GlcN, δ = 4,8 ppm spektra H-1 dari unit GlcN. Spektrum 1H-NMR juga digunakan untuk menentukan derajat deasetilasi kitosan. Derajat Deasetilasi dan Massa molekul Kitosan. Derajat deasetilasi (DD) kitosan hasil sintesa variasi waktu deasetilasi dihitung melalui perbandingan nilai integral/jumlah proton pada pergeseran kimia δ = 1,9 ppm (gugus asetil) dan δ = 3,5-4,0 ppm spektra H-3,H-4,H-5,H-6 dari unit glukosamin. Massa molekul kitosan dianalisis menggunakan kromatografi permeasi gel dengan larutan standar polimer dekstran. Hasil penentuan derajat deasetilasi dan massa molekul pada waktu deasetilasi yang berbeda terlihat pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2, terlihat bahwa pada waktu deasetilasi kitin yang lebih lama dihasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi dan
20
massa molekul yang bervariasi. Hal ini menunjukan bahwa peningkatan waktu deasetilasi secara bertahap berpengaruh terhadap sifat fisiko-kimia kitosan. Waktu deasetilasi kitin selama 2 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan natrium hipoklorit menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 88 %) dan massa molekul 501,19 kDa. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan aseton menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 99%) dan massa molekul 407,38 kDa. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan natrium hipoklorit menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 100%), namun demikian menurunkan massa molekul yang cukup berarti sebesar 161,99 kDa. Penurunan massa molekul kitosan ini diduga disebabkan kitosan mengalami degradasi pada saat penghilangan warna dengan natrium hipoklorit. Dari proses deasetilasi kitin secara bertahap, faktor pendorong terjadinya peningkatan derajat deasetilasi kitosan adalah faktor morfologi rantai kitin yang gugus asetamidanya semakin berkurang pada saat waktu deasetilasi meningkat. Pada setiap tahap perlakuan deasetilasi, kitin dengan gugus asetamida yang berkurang mengalami perubahan morfologi, sehingga memungkinkan proses hidrolisis oleh basa kuat.
Jurnal Kimia Indonesia Vol. 5(1), 2010
Deasetilasi Kitin secara Bertahap dan Pengaruhnya terhadap Derajat Deasetilasi serta Massa Molekul Kitosan
Selain itu, proses pencucian secara bertahap dapat mempengaruhi sifat penggembungan kitin dengan alkali, oleh karena itu efektivitas proses hidrolisis basa terhadap gusus asetamida pada rantai kitin semakin baik.6 Tabel 2 Derajat deasetilasi dan Massa molekul Kitosan Kode Kitosan
Waktu Deasetilasi
CS-23
2x3 jam
Derajat Deasetilasi (%DD) 88
Massa molekul (kDa) 501,19
CS-33
3x3 jam
100
161,99
CS-33A
3x3 jam
99
407,38
Keterangan: CS-23 dan CS33 = kitosan hasil deasetilasi kitin dengan penghilangan warna menggunakan NaOCl, CS-33a= kitosan hasil deasetilasi kitin dengan penghilangan warna menggunakan aseton
Keunggulan dari penelitian ini adalah hanya dengan natrium hidroksida 50% spesifikasi teknis yang harganya relatif murah, dapat menghasilkan kitosan dengan DD yang cukup tinggi, tanpa mengalami penurunan massa molekul yang cukup berarti. Kitosan hasil deasetilasi kitin bertahap secara heterogen dalam suasana basah kuat dari limbah kulit udang putih (Litopenaeus vannamei) pada penelitian ini berpotensi untuk berbagai aplikasi yang memerlukan bahan dasar kitosan dengan derajat deasetilasi dan massa molekul yang tinggi.
Pustaka 1. Kurita, K., Controlled Functionalization of Polysaccharides Chitin, Progress in Polymer Science, 2001, 26, 1921-19715. 2. Muzzarelli, R. A. A., Chitin and Its Derivatives: New Trends of Applied Research, Carbohydrate Polymers, 1983, 3, 53-75. 3. No, H. K., Meyers, S. P., Lee, K. S., Isolation and Characterization of Chitin from Crawfish Shell Waste, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1989, 37(3), 575-579. 4. Ravi Kumar, M. N. V., A Review of Chitin and Chitosan Application, Reactive and Functional Polymers, 2000, 46, 1-27. 5. Rinaudo, M., Chitin and Chitosan: Properties and Application, Progress in Polymer Science, 2006, 31, 603-632. 6. Tolaimate, A., Desbrieres, J., Rhazi, M., Alagui, A., Contribution to the Preparation of Chitins and Chitosans with Controlled Physico-chemical Properties, Polymer, 2003, 44, 7939-7952. 7. Tolamaite, A., Desbrieres, J., Rhazi, M., Alagui, A., Vincendon, M., Vottero, P., On Influence of Deacetilation Process on Physicochemical Characteristics of Chitosan from Squid Chitin, Polymer, 2000, 41, 2463-2469.
Kesimpulan Kitosan dengan derajat deasetilasi dan massa molekul yang berbeda telah dihasilkan dari proses deasetilasi kitin secara bertahap. Proses deasetilasi selama 2 x 3 jam menghasilkan derajat deasetilsasi sebesar 88% dan massa molekul sebesar 501,19 kDa. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan aseton menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 99%) dan massa molekul 407,38 kDa. Peningkatan waktu deasetilasi kitin selama 3 x 3 jam dengan penghilangan warna menggunakan natrium hipoklorit menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi (DD = 100%), namun demikian menurunkan massa molekul sebesar 161,99 kDa. Penghargaan. Terima kasih kepada pihak Islamic Development Bank-Universitas Haluoleo (IDB-UNHALU) atas beasiswa S3 dan Dirjen DIKTI atas dana Hibah Bersaing. Jurnal Kimia Indonesia Vol. 5(1), 2010
21
