KARAKTERISASI MEMBRAN SELULOSA BAKTERI Acetobacter xylinum HASIL FERMENTASI DAGING KULIT BUAH SEMANGKA R. Frenando1, A. Dahliaty2, A. Linggawati3 Mahasiswa Program Studi S1 Kimia Bidang Biokimia Jurusan Kimia Bidang Kimia Fisika Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia
[email protected]
ABSTRACT Bacterial cellulose is be used as membrane filtration. This research was conducted to produce bacterial cellulose by using various concentrations of watermelon rind in the fermentation medium (30%, 40%, 50%, 60%, and 70%). The bacterial cellulose were produced then characterized for their morphology, functional groups, and selectivity analysis. Our result showed that the surface of the bacterial cellulose membrane and formed interwoven structure of microfibrils cellulose. The Cross-sectional observations of cellulose membrane showed many layers of bacterial cellulose with irregular pore and the layer had their own interbond. The FTIR spectra showed that the membrane has functional groups of C-H, O-H, C-O, C-O-C, and Pyranose which acted as specific functional groups of bacterial cellulose. These findings indicated that bacterial cellulose membrane of 70% watermelon rind concentration had the optimum selectivity value in 72.43% rejection. Keyword: bacterial cellulose, membrane, watermelon rind. ABSTRAK Selulosa bakteri memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai membran filtrasi. Penelitian ini bertujuan memproduksi selulosa bakteri dengan memvariasikan konsentrasi kulit buah semangka di dalam media fermentasi sebesar 30%, 40%, 50%, 60% ,dan 70% lalu dikarakterisasi dengan menggunakan beberapa parameter seperti analisis morfologi, gugus fungsi, dan selektivitas membran. Morfologi permukaan membran selulosa bakteri menunjukkan bentuk yang tidak rata dan membentuk jalinan benang mikrofibril selulosa. Pengamatan penampang melintang dari membran selulosa memperlihatkan bentuk membran yang berlapis, berongga, dan saling berikatan antar lapisannya. Berdasarkan analisis FTIR diketahui membran memiliki gugus fungsi C-H, O-H, C-O, C-O-C, dan piranosa yang merupakan gugus fungsi spesifik selulosa bakteri. Hasil penelitian ini
1
menunjukkan bahwa membran selulosa bakteri dari kulit semangka dengan konsentrasi 70% memiliki selektivitas yang optimum dengan nilai rejeksi sebesar 72,43 %. Kata kunci : kulit buah semangka, membran, selulosa bakteri. PENDAHULUAN Daging kulit buah semangka yang dihasilkan dari konsumsi masyarakat cukup besar namun belum dapat dimanfaatkan secara optimal sehingga kulit buah semangka hanya menjadi limbah yang mengotori lingkungan (Warisno, 2009). Buckel et al. (2007) menyatakan bahwa benda-benda buangan atau limbah dari pengolahan pangan terutama benda padat dan cair harus dibuang secara aman atau diolah menjadi bentuk yang dapat berguna dan memiliki nilai. Oleh karena itu, perlu dicarikan solusi pengolahan limbah kulit buah semangka sehingga tidak hanya menjadi limbah yang tidak berguna. Salah satu pemanfaatan limbah kulit buah semangka dapat dilakukan dengan memproduksi membran selulosa bakteri. Membran selulosa bakteri murni tergolong dalam membran mikrofiltrasi yang memiliki ukuran pori antara 0,1-10 µm (Ardiansyah, 2005). Filtrasi menggunakan membran mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan metode pemisahan secara konvensional antara lain pemisahan dapat dilakukan pada suhu kamar dan tidak memerlukan bahan kimia tambahan sehingga relatif hemat energi, lebih bersih, dan ramah lingkungan. Kemampuan pemisahan dengan menggunakan membran sangat dipengaruhi oleh sifat fisik, kimia, mekanis, dan struktur pori. METODE PENELITIAN a. Analisis morfologi membran selulosa bakteri Analisis morfologi membran dilakukan dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) yaitu pengambilan foto permukaan dan penampang melintang membran selulosa bakteri pada perbesaran 1000, 5000, dan 10000 kali. Hasil morfologi ini kemudian diamati penyebaran pori serta analisis lapisan membran selulosa bakteri. b. Analisis gugus fungsi menggunakan FTIR Membran selulosa bakteri yang dibuat dalam bentuk serbuk lalu dicampurkan dengan pelet KBr dan diletakkan pada tempat sampel ke arah sinar inframerah. FTIR dijalankan kemudian dihasilkan spektrum yang spesifik untuk gugus fungsi dari membran. e. Selektivitas dekstran Penentuan rejeksi dilakukan menggunakan dekstran dengan berat molekul 500 kDa dan dilarutkan hingga konsentrasinya 100 ppm. Larutan dekstran diedarkan pada membran dengan berbagai tekanan yaitu 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; dan 3,5 bar dengan laju adukan 500 rpm pada temperatur kamar. Permeat dan retentat pada berbagai tekanan tersebut diambil sebanyak 10 mL.
2
Konsentrasi permeat dan retentat diukur dengan metode kolorimetri, yaitu dengan menambahkan 5 mL asam sulfat pekat, dan 1 mL fenol 5% ke dalam 1 mL larutan dekstran. Sampel diguncang hingga homogen dan dibiarkan pada temperatur kamar. Konsentrasi ditentukan berdasarkan serapan dekstran yang diukur dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 490 nm (Yosephani, 2013). HASIL DAN PEMBAHASAN a. Analisis morfologi membran selulosa bakteri
(A) (B) Gambar 1. Morfologi permukaan membran selulosa bakteri perbesaran 1000x (A) morfologi penampang melintang selulosa bakteri perbesaran 5000x (B) Hasil pengamatan morfologi permukaan membran (Gambar 1.A) menunjukkan struktur permukaan selulosa bakteri yang kurang rata dan berserat. Bentuk serat dari permukaan membran selulosa bakteri diperjelas oleh pengamatan perbesaran penampang melintang 5000 kali (Gambar 1.B). Gambar 2.B. menunjukkan penampang melintang membran selulosa bakteri. Bentuk struktur yang terbentuk dengan metode pengeringan berupa jalinan benang selulosa yang berlapis, bertumpuk, dan terdapat rongga udara yang tidak teratur pada lapisan-lapisannya. Rongga udara yang terbentuk pada lapisan-lapisan benang selulosa dapat diakibatkan oleh tidak ada tekanan pada proses pembentukan membran sehingga lapisan benang selulosa pada membran yang terjadi tidak terlalu rapat dan padat. Bentuk membran selulosa bakteri yang berlapis dan memiliki rongga udara pada lapisannya mempengaruhi dalam kinerja membran. Rongga udara pada lapisan akan mengakibatkan tekanan yang tidak merata pada membran sehingga laju alir saat feed melewati permukaan membran menjadi berbeda-beda. Selektivitas pada membran selulosa bakteri juga dipengaruhi dari ketebalan pada permukaan membran semakin rapat dan tebal lapisan benang selulosa bakteri pada permukaan membran maka selektivitas membran juga semakin tinggi
3
(A) (B) Gambar 2. Morfologi penampang melintang selulosa bakteri (A)perbesaran (B) perbesaran 10000 kali
1000 kali
b. Analisis gugus fungsi menggunakan FTIR 105 %T 97,5
90
2081,28
82,5
75
4500 Selulosa BCSR
4000
3500
3000
2500
2000
397,35
537,20
657,75
881,51
821,71
701,15
1000
619,18
1058,00
1123,58
1311,65
1270,18
964,45
1500
1218,10
1402,31
1627,03
1530,58
1545,05
1742,76 1686,82
45
1674,28
2879,85
2984,97
3062,13
3082,38
3188,47
3275,27
52,5
3236,69
2943,50
60
2825,84
67,5
500 1/cm
Gambar 3. Spektrum FTIR selulosa bakteri Gambar 3. menunjukkan spektrum FTIR selulosa bakteri dari kulit buah semangka dengan serapan puncak-puncak bilangan gelombang pada 3275,27cm-1 yang menunjukkan adanya gugus (O-H). Bilangan gelombang 2943,50 cm-1 yang dihasilkan merupakan daerah spesifik gugus C-H. Rentangan gugus C-O ditunjukkan pada bilangan gelombang 1058 cm1 , bukti adanya ikatan C-O-C terdapat pada bilangan gelombang spesifik 1123,58 cm-1.
4
Bilangan gelombang 964,45 cm-1 merupakan daerah bilangan gelombang khas dari gugus Piranosa. Berdasarkan spektrum FTIR tersebut diketahui membran selulosa bakteri dalam penelitian ini merupakan membran selulosa murni. c. Selektivitas dekstran Pada membran selulosa bakteri, diketahui selektivitas (rejeksi) membran meningkat seiring dengan penggunaan jumlah konsentrasi kulit semangka pada media kultivasi. Pada membran yang menggunakan kulit semangka 70% persen rejeksi membran mencapai 72,43% pada tekanan 3,5 bar (Tabel 1). Kenaikan persen rejeksi seiring dengan naiknya tekanan yang digunakan. Selain itu kenaikan rejeksi juga dipengaruhi oleh ketebalan membran yang meningkat dengan semakin banyaknya terbentuk benang-benang mikrofibril selulosa.
Tabel 1. Nilai % rejeksi dekstran 500 kDa pada filtrasi membran selulosa bakteri dengan variasi tekanan Konsentrasi kulit semangka 30% 40% 50% 60% 70%
0,5 bar 41,38 34,90 35,38 33,86 41,72
1 bar 29,46 39,13 34,91 37,62 47,02
% rejeksi 1,5 bar 2 bar 2,5 bar 30,01 35,10 37,21 42,65 47,62 52,20 47,11 54,24 60,36 50,31 63,72 68,05 54,20 61,85 67,33
LP 3 bar 3,5 bar 39,86 45,21 48,98 45,33 63,74 65,19 67,70 68,81 70,64 72,43
mL/cm2.s bar
4 x 10-5 4 x 10-5 4 x 10-5 4 x 10-5 3 x 10-5
Peningkatan benang-benang mikrofibril selulosa dan tekanan yang diberikan pada saat filtrasi, mennyebabkan kerapatan pori-pori permukaan membran semakin tinggi, akibatnya kemampuan menahan dekstran melewati membran menjadi lebih tinggi. Hal ini juga didukung oleh gambar morfologi SEM (Gambar 2.B). Pada Gambar 2.B dapat dilihat adanya rongga udara pada setiap lapisan benang selulosa bakteri. Rongga pada lapisan tersebut dapat diminimalisir dengan peningkatan ketebalan atau pemberian tekanan yang lebih tinggi, sehingga kerapatan membran menjadi lebih baik dan rejeksi meningkat. Berdasarkan analisis ini dapat juga disimpulkan bahwa membran selulosa bakteri dari kulit buah semangka dapat digunakan untuk memfiltrasi zat dengan berat molekul besar dari 500.000 Dalton seperti lemak, protein dan bakteri (mikromolekul) KESIMPULAN DAN SARAN Morfologi permukaan membran selulosa bakteri menunjukkan bentuk yang tidak rata dan membentuk jalinan benang mikrofibril selulosa. Pengamatan penampang melintang dari membran selulosa memperlihatkan bentuk membran yang berlapis dan
5
saling berikatan antar lapisannya. Dari analisa FTIR gugus fungsi membran selulosa bakteri dari fermentasi daging kulit buah semangka diketahui memiliki panjang gelombang spesifik selulosa murni dengan nilai panjang gelombang gugus O-H, C-H, C-O, C-O-C dan gugus piranosa yang dihasilkan. Karakterisasi membran selulosa bakteri dengan menggunakan fermentasi daging kulit semangka telah berhasil dilakukan, membran selulosa bakteri dengan konsentrasi penggunaan kulit semangka 70% menghasilkan selektivitas paling tinggi (72,43%). UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih diucapkan kepada Ibu Dra.Andi Dahliaty, M.S. dan Ibu Dr. Amilia Linggawati, M.Si. sebagai dosen pembimbing yang telah begitu banyak memberi petnjuk, waktu, motivasi, dan sarannya selama menjalani penelitian dan penulisan artikel ini. DAFTAR PUSTAKA Ardiansyah, M. 2005. Sifat-Sifat Membran yang Terbuat dari Kulit Buah Nanas. Skripsi Departemen Kimia FMIPA IPB, Bogor. Buckel, K. A., Edwards, R. A., and Wouton, M. 2007. Ilmu Pangan. Terjemahan dari Food Science oleh Purnomo, H. dan Adiono. UI Press, Jakarta. Warisno. 2004. Mudah dan Praktis Membuat Nata de coco. Cetakan kedua. Agromedia Pustaka, Depok. Yosephani, G. 2013. Efektivitas Membran Hibrid Nilon 6,6-Kaolin pada Penyaringan Zat Warna Procion. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru.
6
