KOMBINASI SPEKTRUM ULTRAVIOLET DAN MODEL KALIBRASI MULTIVARIAT UNTUK PENENTUAN SIMULTAN KAFEIN, VITAMIN B1, B2, DAN B6
YULIA FATMAWATI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ABSTRAK YULIA FATMAWATI. Kombinasi Spektrum Ultraviolet dan Model Kalibrasi Multivariat untuk Penentuan Simultan Kafein, Vitamin B1, B2, dan B6. Dibimbing oleh MOHAMAD RAFI dan UTAMI DYAH SYAFITRI. Kombinasi spektrum ultraviolet dan model kalibrasi multivariat telah dikembangkan untuk penentuan simultan kadar kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dalam contoh minuman berenergi karena mempunyai kriteria cepat, mudah, dan tidak membutuhkan pemisahan terlebih dahulu. Teknik kalibrasi multivariat yang digunakan adalah regresi komponen berganda (principle component regression, PCR) dan kuadrat terkecil parsial (partial least square, PLS). Kemampuan pendugaan yang lebih baik diberikan oleh PCR yang ditentukan berdasarkan nilai parameter validasi koefisien determinasi (R2) yang tinggi, root mean square error of calibration (RMSEC), dan root mean square error of prediction (RMSEP) yang kecil. Hasil yang diperoleh untuk kafein, vitamin B1, B2, dan B6 menunjukkan nilai RMSEC secara berturut-turut sebesar 0.1572, 0.2184, 0.0979, dan 0.2735. Nilai R2 sebesar 0.9984, 0.7143, 0.9970, dan 0.9822. Sedangkan nilai RMSEP sebesar 0.0991, 0.1168, 0.0782, dan 0.1308. Kadar kafein vitamin B1, B2, dan B6 yang diperoleh dari contoh minuman berenergi dengan PCR adalah 50.0452, 1.5120, 5.2502, dan 5.0045 mg. Berdasarkan evaluasi kinerja analitik pada contoh minuman berenergi, model terbaik juga diberikan oleh PCR karena diperoleh hasil presisi dan akurasi yang lebih baik dibandingkan PLS.
ABSTRACT YULIA FATMAWATI. Combination of Ultraviolet Spectrum and Multivariate Calibration Models for Simultaneous Determination of Caffeine, B1, B2, and B6Vitamins. Supervised by MOHAMAD RAFI and UTAMI DYAH SYAFITRI. Combination of ultraviolet spectrum and multivariate calibration has been developed for simultaneous determination of caffeine, B1, B2, and B6-vitamins contents in energy drinks because it is a fast, easy, and simple method without any pre-separation. The multivariate calibration techniques were used principle component regression (PCR) and partial least square (PLS). Higher prediction capability was showed by PCR as indicated from the statistical parameters: higher coefficient of determination (R2), low root mean square error of calibration (RMSEC), and root mean square error of prediction (RMSEP). The result for caffeine, B1, B2, and B6-vitamins gave RMSEC values were 0.1572, 0.2184, 0.0979, and 0.2735. R2 values were 0.9984, 0.7143, 0.9970, and 0.9822. And also RMSEP values were 0.0991, 0.1168, 0.0782, and 0.1308, respectively. The content of caffeine, B1, B2, and B6-vitamins in one pack of energy drink for PCR was 50.0452, 1.5120, 5.2502, and 5.0045 mg, respectively. Based on analytical parameters evaluation in energy drink, the best model gave also by PCR because the result of precision and accuration better than PLS.
KOMBINASI SPEKTRUM ULTRAVIOLET DAN MODEL KALIBRASI MULTIVARIAT UNTUK PENENTUAN SIMULTAN KAFEIN, VITAMIN B1, B2, DAN B6
YULIA FATMAWATI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
Judul : Kombinasi Spektrum Ultraviolet dan Model Kalibrasi Multivariat untuk Penentuan Simultan Kafein, vitamin B1, B2, dan B6 Nama : Yulia Fatmawati NIM : G44203004
Menyetujui,
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Mohamad Rafi, S.Si NIP 132 321 454
Utami Dyah Syafitri, S.Si. M.Si NIP 132 311 922
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor,
Dr. drh. Hasim, DEA NIP 131 578 806
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Alhamdulillahi robbil’aalamin, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Karya ilmiah berjudul Kombinasi Spektrum Ultraviolet dan Model Kalibrasi Multivariat untuk Penentuan Simultan Kafein, Vitamin B1, B2, dan B6 merupakan hasil penelitian yang dilaksanakan mulai bulan Mei sampai Juli 2007 di Laboratorium Kimia Analitik dan Laboratorium Bersama Departemen Kimia FMIPA IPB. Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu terselesaikannya karya ilmiah ini, di antaranya Mohamad Rafi, S.Si. dan Utami Dyah Syafitri, S.Si. M.Si. selaku pembimbing yang memberikan masukan, pengarahan, dan dorongan selama pelaksanaan penelitian dan penulisan karya ilmiah ini. Terima kasih penulis ucapkan kepada Mama dan Papa tercinta, Kodet, dan Ewink atas segala cinta, kasih sayang, semangat, kesabaran, dan doa yang diberikan. Penghargaan dan terima kasih penulis sampaikan kepada Pusat Studi Biofarmaka LPPM IPB, Om Em, seluruh laboran Kimia Analitik, Mbak Siti, dan Mas Heri atas kemudahan yang diberikan kepada penulis. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Riko dan Rahayu yang telah pusing dengan datanya, Elin, Chia, Niken, Wina, Rahma, Max, Ratna, Iqo, dan semua teman-teman Kimia angkatan 40 atas kebersamaan dan semangatnya, serta semua pihak yang telah membantu. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Desember 2007
Yulia Fatmawati
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Solok, Sumatera Barat pada tanggal 23 Juli 1985 sebagai anak pertama dari pasangan Marion dan Etismawati. Tahun 2003 penulis menyelesaikan studi di SMU Negeri I Gunung Talang. Pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) pada Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Dasar 2 tahun ajaran 2004/2005, Spektroskopi D3 tahun ajaran 2006/2007, Kimia Analitik IV tahun ajaran 2006/2007, Kimia Layanan Biokimia tahun ajaran 2006/2007, Kimia Lingkungan tahun ajaran 2006/2007, Kimia Analitik Dasar D3 tahun ajaran 2006/2007, asisten praktikum matrikulasi Kimia Dasar D3 tahun ajaran 2007/2008, dan asisten praktikum Kimia Makanan dan Manajemen Laboratorium D3 tahun ajaran 2007/2008. Selain itu, penulis juga merupakan staf pengajar bimbingan belajar Nurul Ilmi. Tahun 2006 Penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatik, Bogor.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL .......................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................
viii
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................................
x
PENDAHULUAN ......................................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Kafein ............................................................................................................... Vitamin B ......................................................................................................... Spektrofotometer Ultraviolet ........................................................................... Rancangan Fraksional Faktorial ...................................................................... Kalibrasi Multivariat ........................................................................................ Kriteria Kebaikan Model .................................................................................
1 2 3 3 4 5
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ................................................................................................. Metode Penelitian ............................................................................................ Penentuan Panjang Gelombang Maksimum .................................................... Kalibrasi Satu Komponen ............................................................................... Penentuan Kadar Kafein, VitaminB1, B2, dan B6 dalam Contoh Sintetik ...... Penentuan Kadar Kafein, VitaminB1, B2, dan B6 dalam Contoh Minuman ...
6 6 6 6 6 7
HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Panjang Gelombang Maksimum .................................................... Kalibrasi Satu Komponen ............................................................................... Pembentukan Model dengan PCR dan PLS ..................................................... Perbandingan Model antara PCR dan PLS ...................................................... Penentuan Kadar Kafein, Vitamin B1, B2, dan B6 dalam Contoh Minuman .. Evaluasi Kinerja Analitik .................................................................................
7 8 9 11 11 12
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan .......................................................................................................... Saran ................................................................................................................
13 13
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................
13
LAMPIRAN ...............................................................................................................
16
DAFTAR TABEL Halaman 1
Prediksi komposisi set kalibrasi ..........................................................................
6
2
Prediksi komposisi set validasi .............................................................................
7
3
Koefisien determinasi dan DLD untuk kafein, vitamin B1, B2, dan B6 ..............
10
4
Hasil analisis lima komponen utama PCR ...........................................................
10
5
Hasil analisis regresi PLS .....................................................................................
10
6
Nilai PRESS dan R2 kafein, vitamin B1, B2, dan B6 .........................................
10
7
Perbandingan parameter kebaikan model validasi kafein, vitamin B1, B2, dan B6...................................................................................................................
11
8
Korelasi nilai Y sebenarnya dan Y prediksi kafein, vitamin B1, B2 dan B6.........
11
9
Hasil penentuan simultan kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dalam contoh minuman dengan selang kepercayaan 95% .........................................................
12
10 Kandungan Extra Joss® Active B7 ......................................................................
12
11 Hasil pengukuran kadar kafein, vitamin B2, dan B6 dengan metode HPLC .......
12
12 Hasi uji presisi dan akurasi kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dari contoh minuman berenergi ...............................................................................................
12
DAFTAR GAMBAR Halaman 1
Struktur kafein ......................................................................................................
2
2
Struktur tiamin ......................................................................................................
2
3
Struktur riboflavin ................................................................................................
2
4
Struktur piridoksin ................................................................................................
3
5
Bagan peralatan Spektrofotometer UV/Vis ..........................................................
3
6
Komponen utama prediktor X1, X2, dan X3 (Miller & Miller 2000) .....................
4
7
Panjang gelombang maksimum kafein dalam pelarut air deionisasi dengan konsentrasi 8.0 ppm pada daerah 200–400 nm.....................................................
8
7
Panjang gelombang maksimum vitamin B1 dalam pelarut air deionisasi dengan konsentrasi 1.0 ppm pada daerah 200–400 nm.....................................................
8
9
Panjang gelombang maksimum vitamin B2 dalam pelarut air deionisasi dengan konsentrasi 2.0 ppm pada daerah 200–400 nm.....................................................
8
10 Panjang gelombang maksimum vitamin B6 dalam pelarut air deionisasi dengan konsentrasi 2.0 ppm pada daerah 200–400 nm.....................................................
8
11 Hubungan antara konsentrasi kafein dan absorbans .............................................
8
12 Hubungan antara konsentrasi vitamin B1 dan absorbans .....................................
9
13 Hubungan antara konsentrasi vitamin B2 dan absorbans .....................................
9
14 Hubungan antara konsentrasi vitamin B6 dan absorbans .....................................
9
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Diagram alir penelitian .........................................................................................
16
2
Kurva kalibrasi kafein dari konsentrasi 2.0–62.0 ppm .........................................
17
3
Kurva kalibrasi vitamin B1 dari konsentrasi 0.2–4.8 ppm ...................................
17
4
Kurva kalibrasi vitamin B2 dari konsentrasi 1.0–36.0 ppm .................................
18
5
Kurva kalibrasi vitamin B6 dari konsentrasi 1.0–52.0 ppm .................................
18
6
Hasil analisis komponen utama (PC) (pada delapan PC pertama) .......................
19
7
Hasil analisis regresi kafein dengan PC 1, PC2, PC3, PC4, dan PC5 ..................
19
8
Hasil analisis regresi vitamin B1 dengan PC 1, PC2, PC3, PC4, dan PC5 ..........
20
9
Hasil analisis regresi vitamin B2 dengan PC 1, PC2, PC3, PC4, dan PC5 ..........
23
10 Hasil analisis regresi vitamin B6 dengan PC 1, PC2, PC3, PC4, dan PC5 ..........
25
11 Perhitungan parameter kebaikan RMSEC dan RMSEP pada PCR ......................
27
12 Perhitungan parameter kebaikan RMSEC dan RMSEP pada PLS .......................
30
13 Analisis simultan kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dalam contoh minuman berenergi ...............................................................................................................
33
14 Perhitungan kadar kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dalam contoh minuman berenergi dengan PCR dan PLS .........................................................................
34
15 Perhitungan uji presisi ..........................................................................................
35
16 Perhitungan uji akurasi .........................................................................................
35
1
PENDAHULUAN Kafein, vitamin B1, B2, dan B6 adalah senyawa organik yang banyak terdapat di berbagai jenis sediaan obat, makanan, dan minuman. Salah satu contohnya ialah minuman berenergi yang banyak beredar di pasaran. Kafein banyak digunakan sebagai obat sakit kepala, dan sebagai stimulan pembentukan energi dalam minuman berenergi (Nurachman 2004). Pemberian kafein secara berlebihan dapat menyebabkan gelisah, tremor, insomnia, gugup, hipertensi, kejang, dan mual. Vitamin B berperan penting dalam metabolisme pembentukan energi yang diperlukan sel-sel otak. Kekurangan atau kelebihan vitamin dapat menyebabkan masalah fisiologi yang serius. Pemberian vitamin B1 yang berlebihan dapat mempengaruhi sistem saraf, kelebihan vitamin B2 sejauh ini tidak menimbulkan efek yang berbahaya, tetapi pemberian vitamin B6 secara berlebihan dapat menimbulkan kerusakan saraf pada kaki dan tangan (ODS 2006). Oleh karena itu, kadar kafein, vitamin B1, B2, dan B6 yang ditambahkan dalam minuman berenergi perlu ditentukan agar tidak menimbulkan efek yang merugikan dan sebagai kendali mutu produk. Analisis kadar kafein dan vitamin B secara terpisah maupun simultan telah banyak dikembangkan. Salah satunya adalah kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) (Siong & Swan-Choo 1996) yang sangat luas penggunaannya, tetapi selalu membutuhkan preparasi contoh, waktu pengerjaan yang lama, serta peralatan dan bahan relatif mahal. Teknik spektrofotometri ultraviolet-visible (UV-Vis) juga telah dioptimalisasi untuk penentuan simultan kadar vitamin B1, B6, dan B12 dalam sirup dan tablet dengan spektrofotometri derivatif ultraviolet (SDUV) menggunakan teknik zero-crossing (Ozgur & Koyuncu 2002). Teknik analisis terpisah kafein juga telah banyak berkembang, seperti penentuan kafein dalam kopi, teh dan kola dengan spektrofotometri derivatif (Alpdogan et al. 2000) dengan hasil yang cukup baik. Safitri (2007) telah mengembangkan metode cepat penentuan simultan kafein, vitamin B2, dan B6 dalam minuman berenergi dengan teknik zero – crossing. Tetapi hasil yang diperoleh belum memuaskan karena teknik ini hanya dapat digunakan untuk pengukuran simultan kafein dan vitamin B6, tapi tidak dapat digunakan untuk pengukuran simultan kafein, vitamin B2, dan B6. Hal ini
disebabkan karena minuman berenergi memiliki matriks yang berbeda-beda, sehingga teknik SDUV yang telah dikembangkan oleh Safitri (2007) tidak bisa langsung diterapkan. Selain itu, semakin banyak derivatisasi spektrum yang dilakukan, nisbah sinyal terhadap derau (noise) akan menurun sehingga akan menurunkan pula ketelitian dan ketepatannya. Salah satu solusi yang bisa digunakan untuk penentuan simultan beberapa senyawa dalam contoh adalah dengan teknik kalibrasi multivariat yang merupakan bagian dari kemometrik. Kemometrik pada saat ini merupakan alternatif yang sangat cocok untuk prosedur pemisahan dan deteksi dalam analisis senyawa kimia. Analisis kemometrik dengan teknik regresi komponen utama (principle component regression, PCR) dan kuadrat terkecil parsial (partial least square, PLS), merupakan teknik kalibrasi multivariat yang bisa digunakan untuk penentuan multikomponen. Teknik PCR dan PLS dapat digunakan untuk menghubungkan spektrum absorpsi dengan konsentrasi kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dari minuman berenergi. Keuntungan teknik ini ialah dapat mengeliminasi spektrum pengganggu dalam kuantifikasi contoh, meningkatkan selektivitas, dan tidak memerlukan pemisahan atau prakonsentrasi terlebih dahulu (Lopezde-Alba et al. 2006). Oleh karena itu, diperlukan penelitian lebih lanjut untuk penentuan simultan kafein, vitamin B1, B2, dan B6 dari minuman berenergi. Penelitian ini mempelajari dan mengembangkan metode analitik dengan kriteria mudah, murah, dan cepat serta memiliki ketelitian dan ketepatan yang baik. Selain itu, penelitian bertujuan menentukan kadar kafein, vitamin B1, B2, dan B6 secara simultan dengan kombinasi spekrum UV dan model kalibrasi multivariat, juga dibandingkan kebaikan model PCR dan PLS dalam menduga kadar kafein, vitamin B1, B2, dan B6, dan evaluasi kinerja analitik melalui penentuan presisi dan akurasi.
TINJAUAN PUSTAKA Kafein Kafein atau 1,3,7-trimetilxantin merupakan senyawa golongan alkaloid purin (Hesse 2002) dengan rumus molekul C8H10N4O2 (Gambar 1). Senyawa ini mempunyai sifat fisik berupa serbuk putih atau bentuk jarum mengkilat putih, biasanya
