Karakteristik sifat Perintang Uap Air Lapisan Kertas Kemasan Ramah Lingkungan Berbasis Kanji dan Tanah Lempung Imam Syafei Jafar S1, Khairuddin2, Nanik Dwi Nurhayati3 1 2 3
Program Studi Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret
Dosen Program Studi Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret
Dosen Program Studi Pendidikan Kimia FKIP Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No. 36A, Kentingan, Jebres, Surakarta
ABSTRACT Research has been done on fabrication and characterization of water vapour barrier properties of packaging paper coating based on starch and montmorillonite clay. The purpose of this study was to determine the effect of clay water vapour barrier properties of starch. The concentration of clay were 5%, 10%, 15%, 23%, 30%, 40% and 50% w/w. The starch / clay composite were prepared by solvent casting method and then coated on paper as the substrate, and finally the barrier properties were measured. The results showed that the addition of clay improved the water vapour barrier properties of starch. The WVTR values of paper substrat was 928.00 g/m2day, and was decreased to 722.67 g/m2day when starch was coated. The WVTR values of paper coated with clay/starch composite decreased 709.33 g/m2day when 5% w/w clay was added the decreased to 400 g/m2day when 50% w/w was added. The most significant improvement of water barrier properties was observed when caly loading was from 5% w/w to 23% w/w. Keyword: Starch, Clay, WVTR. ABSTRAK Telah dilakukan penelitian mengenai fabrikasi dan karakterisasi lapisan kertas kemasan berbahan kanji singkong dan tanah lempung Na-Bentonite berjenis montmorillonite. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh penambahan tanah lempung pada sifat perintang lapisan kanji singkong terhadap uap air. Konsentrasi tanah lempung yang diberikan 5%, 10%, 15%, 23%, 30%, 40% dan 50% b/b. Komposit kanji/tanah lempung dibuat dengan metode solvent casting lalu dicoating pada permukaan kertas sebagai substratnya, dan sifat perintangnya diukur. Hasil penelitian menunjukkan penambahan tanah lempung dapat meningkatkan sifat perintang kanji terhadap uap air. Nilai WVTR kertas saja sebesar 928.00 g/m2hari, dan menurun menjadi 722.67 g/m2hari ketika kanji dicoating pada kertas. Nilai WVTR lapisan komposit menurun menjadi 709.33 g/m2hari ketika diberikan 5% b/b tanah lempung, lalu menurun menjadi 400.00 g/m2hari ketika diberikan 50% b/b tanah lempung. Peningkatan sifat perintang uap air teramati ketika tanah lempung diberikan dari 5% b/b hingga 23% b/b. Kata kunci : Kanji, Tanah lempung, WVTR.
PENDAHULUAN Penelitian dan pengembangan material kemasan untuk aplikasi makanan dan obatobatan berbahan material ramah lingkungan sedang banyak dilakukan [1]. Salah satu material kemasan tersebut adalah kertas minyak untuk kemasan atau pembungkus makanan. Material ini dikembangkan sebagai alternatif terhadap material konvensional berbahan polimer sintetis seperti Poly Ethylene (PE) dan Poly Vinly Chlorine (PVC) [2]. Polimer sintetis dari industri petrokimia merupakan material yang tidak dapat diuraikan secara alami (non biodegradable) yang dapat menyebabkan masalah lingkungan dan keamanan ekologi setelah digunakan, selain tidak dapat diperbaharui (non renewable) sehingga suatu ketika akan habis [2]. Salah satu bahan yang sangat potensial adalah kanji (starch) [3]. Kanji terdiri campuran dari amilum dan amilopeptin yang dapat diperoleh dari banyak tanaman seperti umbi-umbian, jagung dan sagu [3]. Struktur kanji diberikan pada Gambar 1.
Gambar 1.struktur kimia kanji (a) amilosa dan (b) amilopektin [5] Molekul kanji membentuk butiran semicrystalline dimana amilosa amilopektin dihubungkan dengan ikatan hidrogen. Ketika kanji dipanaskan akan menghasilkan butiran air, akibatnya hidrat akan mengembang dan memicu proses gelatinisasi yang ditandai dengan hilangnya kristalinitas dan keberaturan molekul, serta viskositas yang meningkat drastic [5]. Suhu saat kanji mengalami proses gelatinisasi bergantung pada beberapa faktor seperti pH dari suspensi, laju pemanasan, adanya kandungan garam dan spesifikasi produk yang dipakai. Kondisi tersebut yang akan menentukan berapa suhu gelatinisasi dari kanji, karena suhu gelatinisasi akan dapat berbeda [6]. Oleh karena itu, pemilihan suhu fabrikasi kanji sangat mempengaruhi karakteristik akhir kanji termasuk sifat perintangnya. Akan tetapi, polimer yang berasal dari kanji murni masih memiliki kekurangan terutama di sifat mekanik dan sifat perintang terhadap air [6][7]. Selain itu, kemampuan kanji juga kurang baik pada kondisi dengan kelembaban yang tinggi [6]. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk memperbaiki dan menutupi kekurangan dari bahan kanji. Salah satu teknik yang digunakan adalah dengan mencampur kanji dengan polimer lain, seperti polycaproalactone, polylactic acid dan poly vinyl alcohol (PVA) [8][9]. Teknik lain yang
dapat digunaka adalah dengan menambahkan kanji dengan bahan nanokomposit yang dapat berupa silika dan tanah lempung [6]. Tanah lempung menjadi bahan yang paling potensial untuk ditambahkan pada bahan polimer kanji [10]. Struktur tanah lempung Montmorillonite diberikan pada Gambar 2. Tanah lempung merupakan mineral alam yang melimpah, bebas racun dan dapat digunakan sebagai salah satu bahan makanan, media, kosmetik dan perawatan kesehatan[10]. Secara umum dengan menambahkan 5% b/b tanah lempung pada bahan polimer dapat memperbaiki dan meningkatkan sifat mekanin serta sifat perintang terhadap uap air dan termal dibandingkan dengan polimer murni [11]. Terdapat tiga metode yang digunakan untuk membuat polimertanah lempung nanokomposit, antara lain adalah metode interkalasi dalam larutan, metode polimerisasi in-situ dan fase leleh [12][13]. Untuk aplikasi kemasan makanan, karakteristik utama yang harus diketahui adalah sifat perintang uap air. Hal ini menjadi penting karena keadaan lingkungan yang memiliki kelembaban udara yang tinggi, uap air memiliki laju perembesan yang lebih tinggi dibanding molekul lain, serta pertumbuhan mikroorganisme (Salmonella spp, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus , dll) dalam makanan memerlukan air [14]. Oleh karena itu, pada penelitian ini dibahas pengaruh penambahan tanah lempung pada sifat perintang uap air dari kanji.
Gambar 2. Struktur tanah lempung Montmorillonite [12]. MATERIAL DAN METODE Pada penelitian ini kanji yang digunakan adalah jenis amylum manihot atau kanji yang dihasilkan dari tanaman singkong dan tanah lempung Na-bentonite jenis montmorillonite sebagai bahan komposit. Larutan yang dibuat terdiri dari 1 gr kanji yang dilarutkan pada 15 mL aquadest, dan kemudian diberikan tanah lempung dengan variasi konsentrasi 5%, 10%, 15%, 23%, 30%, 40% dan 50% b/b dari berat kanji. Larutan kanjitanah lempung distirrer dan dipanaskan pada suhu 80o C selama 60 menit dengan laju pemanasan selama 30 menit. Larutan kanji-tanah lempung hasil pengolahan dituangkan dan diratakan pada permukaan kertas berukuran 15x20 cm. kertas yang sudah diberi lapisan kanji-tanah lempung selanjutnya di oven pada suhu 40o C selama 12 jam.
Lapisan kanji-tanah lempung yang dibuat diuji laju transmisi uap air dengan metode payne cup analysis. Metode ini dilakukan dengan memotong kertas sesuai ukuran payne cup. Kertas diletakkan dalam payne cup yang telah berisi 8 gr silica gel, dan kemudian ditimbang berat payne cup. Payne cup berisi sampel dan silica gel disimpan dalam desikator yang berisi larutan KCL jenuh dengan kelembaban 85% RH. Sampel ditimbang dua jam kemudian, dan penimbangan selanjutnya dilakukan dalam rentang waktu yang memenuhi syarat minimal penambahan berat minimal 5 mg. Nilai WVTR diukur dengan persamaan 1: 𝑊𝑉𝑇𝑅 =
240 × 𝑚 𝑠×𝑡
Dimana m merupakan pertambahan berat (mg) dalam waktu satu jam, s adalah luas permukaan film yang di uji dan t adalah waktu antara penimbangan terakhir.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada Gambar 3 menunjukkan kurva kumulasi uap air yang melewati kertas kemasan dari lapisan komposit tanah lempung/kanji dengan substrat kertas sebagai fungsi dari waktu.
Grafik kumulasi uap air Kumulasi uap air (gram)
0.14
Kertas Buram
0.12
Kanji + Clay (0%)
0.1
Kanji + Clay (5%)
0.08
Kanji + Clay (10%)
0.06
Kanji + Clay (15%)
0.04
Kanji + Clay (23%)
0.02
Kanji + Clay (30%)
0 100
150
200
250
Waktu (menit)
300
350
Kanji + Clay (40%) Kanji + Clay (50%)
Gambar 3. Grafik penyerapan uap air kertas buram/kanji/kanji-tanah lempung Pada kurva menunjukkan bahwa kumulasi uap air yang melewati lapisan kemasan semakin meningkat seiring dengan lamanya waktu penyimpanan. Menurut teori perembesan, uap air dapat melewati lapisan komposit polimer karena adanya gaya dorong yang ditimbulkan oleh perbedaan konsentrasi uap air pada kedua sisi (lapisan) [18]. Kumulasi uap air yang semakin besar menandakan sifat perintang lapisan terhadap uap air semakin buruk. Kuantifikasi sifat perintang uap air dinyatakan dengan laju transmisi uap air (water vapour transmission rate – WVTR) yang dihitung dengan persamaan 1, dan hasilnya di tampilkan pada Tebel 1. Nilai WVTR menunjukkan banyaknya uap air dalam gram yang melewati lapisan polimer per hari untuk luasan 1 m2.
Tabel 1. Nilai WVTR kanji-tanah lempung Variasi konsentrasi tanah lempung (%) Kertas Biasa 0 5 10 15 23 30 40 50
nilai VWTR (g/m2hari) 928.00 722.67 709.33 562.67 525.33 450.67 434.67 416.00 400.00
Persentase WVTR (%) 100.00 77.87 76.44 60.63 56.61 48.56 46.84 44.83 43.10
Pada gambar 4, grafik nilai WVTR menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi tanah lempung yang ditambahkan pada kanji, maka nilai WVTR yang dihasilkan semakin kecil. Ini berarti sifat perintang lapisan terhadap uap air semakin baik sebanding dengan penambahan konsentrasi tanah lempung.
Grafik Konsentrasi Clay Terhadap Nilai WVTR 800.00 700.00
WVTR
600.00 500.00
Series1
400.00 300.00
0
20 40 Konsentrasi Clay (%)
60
Gambar 4. Grafik penambahan konsentrasi lempung terhadap nilai WVTR. Tanah lempung memiliki struktur dasar berbentuk lembaran, dimana diantara lembaran tanah lempung terdapat ruang yang disebut sebagai gallery. Jika terjadi interkalasi dimana molekul kanji masuk ke dalam gallery tanah lempung, maka molekul kecil atau uap air harus melewati lintasan yang lebih panjang, sehingga waktu tempuh menjadi lebih lama dalam lapisan polimer sehingga nilai WVTR semakin kecil. Secara sederhana pengaruh tanah lempung terhadap panjang lintasan diberikan pada gambar 5. Karena itu, dari hasil pengukuran nilai WVTR menunjukkan semakin banyak penambahan variasi tanah lempung, nilai sifat perintang uap air dari lapisan semakin baik.
Gambar 5. Ilustrasi lintasan uap air pada lapisan (a) polimer, (b) tanah lempung dalam matriks polimer [15] Nilai WVTR pada kertas buram tanpa lapisan kanji diperoleh nilai 928,00 gr/m2hari. Dengan memberi lapisan kanji pada kertas buram nilai WVTR mengalami penurunan pada nilai 722,67 gr/m2hari. Dari pengukuran nilai WVTR penambahan tanah lempung pada kanji sebesar 5% b/b dapat menurunkan nilai WVTR sebesar 709,33 gr/m2hari, dan nilai WVTR dari kanji semakin turun seiring dengan penambahan clay hingga konsentrasi 50% b/b yaitu sebesar 400,00 gr/m2hari. Secara presentase pada penambahan 5% b/b lempung pada kanji akan menurunkan nilai WVTR dinilai 77,87%. Dan pada penambahan tanah lempung 23% b/b nilai WVTR dapat turun dinilai 48,56%, dan terus turun hingga penambahan lempung 50% b/b dinilai 43,10%. Penambahan tanah lempung dari 5% b/b hingga 23% b/b meningkatkan sifat perintang uap air secara signifikan dengan presentase penurunan 29,31%, sedangkan penambahan konsentrasi tanah lempung lebih lanjut (hingga 50% b/b) meningkatkan sifat perintang komposit secara lambat dengan presentase penurunan sebesar 5,46%. Pada penelitian yang dilakukan oleh Lopez [16] dengan menggunakan kanji dari jagung dan tanah lempung jenis talc, menunjukkan bahwa penambahan lempung sebesar 3% b/b dapat menurunkan nilai WVTR dari kanji murni. Serta dari penelitian Anibal [17] dengan bahan kanji jagung dan tanah lempung jenis montmorillonite, menunjukkan penurunan nilai WVTR pada kanji yang diberi penambahan 6% b/b clay. Dan nilai WVTR semakin turun seiring dengan penambahan konsentrasi lempung pada bahan kanji. Secara umum menandakan bahwa penambahan tanah lempung pada kanji memperbaiki sifat perintang uap air dari kanji.
KESIMPULAN Dengan memberi tambahan bahan tanah lempung pada lapisan yang dibuat dengan bahan polimer kanji, diperoleh bahwa semaik besar variasi konsentrasi tanah lempung yang diberikan dapat meningkatkan sifat perintang lapisan terhadap uap air. Peningkatan tersebut terjadi secara signifikan ketika tanah lempung diberikan dari 5% b/b hingga 23% b/b.
DAFTAR PUSTAKA [1]
Jayasekara, R., Harding, L., Christie, G.B.Y., Lonergan, G.T. (2004). Preparation, surface and modification and characterization of solution cast starch PVA blended film. Polymer Test, 23, 17-27.
[2]
Elizondo, N.J., Sobral, P.J.A., Menegalli, F.C. (2009). Development of film based on blends of amaranthus cruentus flour and poly(vinly alcohol). Carbohydrat Polymer, 75, 592-598.
[3]
Gonera, A., & Cornillon, P. (2002). Gelatinization of starch/gum/sugar system studiedby using DSC, NMR, and CSLM. Starch/starke, 54, 508-516.
[4]
Croghan, M. 1998. 100 years of starch innovation. Food cience & Technologi Today, March, 17-24.
[5]
Ali, S.S., Tang, X., Alavi, S., Faubion, J. (2011). Structure and physical properties of starch/ poly vinyl alcohol/ sodium montmorillonite nanocomposite films. Journal of Agrotecnolgy Food Chemistry, 59, 12384-12395.
[6]
Tang, X.Z., Alavi, S., Herald, T.J. (2008). Barrier and mechanical properties of starch-clay nanocomposite films.Cereal Chemistry, 85, 433-439.
[7]
Dean, K., Yu, L., Wu, Y.D. (2007). Preparation and characterization of melt-extruded thermoplastic starch/clay nanokomposites. Composit Science Technology, 67, 413-421.
[8]
Averous, L., Moro, L., Dole, P., Fringant, C. (2000). Properties of thermoplastic blends: starch-polycaprolactone. Polymer, 41, 4157-4167.
[9]
Zou, G.X., Qu, J.P., Zou, X.L. (2008). Extruded starch/PVA composites: water resistance, thermal properties and morphology. Journal of Elastomers Plastic, 40, 303-316.
[10]
Bakraji, E.H., & Karajou, J. (2003). Determination of trace elements in Syrian bentonite tanah lempung using X-ray fluorescence technique and discussion on the health implication on pregnant women. Tace nad Microprobe Techniques, 2J(2), 397405.
[11]
Yang, S.Y., Huang, C.Y. (2008). Plasma treatment for enhancing mechanical and thermal properties of biodegradable PVA/starch blends. Journal of Application Polymer Science, 109, 2452-2459.
[12]
Ray, S. (2006). The potentian use of polymer-clay nanocomposite in food packaging. International Journal of Food Engineering, Vol. 2, No.5.
[13]
Olad, A., & Rashidzadeh, A. (2008). Preparation and anticorrosive properties of PANI/Na-MMT and PANI/O-MMT nanocomposite. Polymer Organic Coating, Vol. 62, 293-298.
[14]
Ruben, J.H. (2002). Plastics in Packaging.Michigan State University: Michigan.
[15]
Timothy., & Ducan, V. (2011). Application of nanotechnology in Food Packaging and Food Safety: Barrier Materials and Sensors. Journal of Colloid and Interface Science, xxx(2011), xxx-xxx.
[16]
Lopez, O.V. (2004). Food Packaging Bags Based on Thermoplastic Corn Starch reinforced With Talc Nanoparticles. Food Hydrocolloids. 43, 18-24.
[17]
Anibal, M.S., & Bertuzzi, M.A. (2012). A Phenomenological and Thermodynamic Study of the Water Permeation Process in Corn Starch/MMT Film. Carbohydrate Polymer. 90, 551-557.
[18]
Siracusa. V. (2012). Food Packaging Permeabillity Behaviour. International Journal of Polymer Science. 302029.
