Makalah No. XXX XXX-XXX
Optimasi Proses Pembuatan Nata de coco dari Fermentasi Air Kelapa Menggunakan Response Surface Methodology Alwani Hamad*1, Noni Indriati1, Abdul Haris Mulyadi1, Endar Puspawiningtyas1 1
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto, Jl Raya Dukuh Waluh PO BOX 202 Purwokerto 53182 *E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Nata de coco adalah selulosa yang merupakan produk prebiotik berbahan dasar air kelapa yang diolah melalui proses fermentasi dengan memanfaatkan bakteri Acetobacter xylinum. Dalam pembentukan nata membutuhkan sumber C, H, N, serta mineral untuk nutrisi bakteri. Air kelapa sudah mengandung sebagian nutrisi yang dibutuhkan, tetapi masih perlu diperkaya dengan sumber nutrisi lain yang ditambahkan. Pengkajian optimasi dalam medium dan proses parameter perlu dilakukan agar meningkatkan produktifitas hasil nata. Kajian optimasi proses yang telah dilakukan selama ini masih meggunakan cara klasik dengan mengevaluasi satu parameter dengan menetapkan variabel yang lain. Response surface methodology adalah metode statistik yang telah diuji dapat digunakan untuk mengoptimasi beberapa variable dalam suatu proses. Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimasi tiga variabel yang berpengaruh dalam fermentasi nata de coco menggunakan bakteri Acetobacter xylinum yaitu jumlah sumber carbon (gula), pH dan lama fermentasi dengan respon berupa yield nata yang dihasilkan. Hasil respon surface surfa e methodology menggunakan central composite design menunjukkan bahwa untuk mendaptkan yield yang optimum komposisi yang digunakan untuk sumber karbon sebanyak 17,5 gram gula/500 ml air kelapa dengan pH medium 5 dan lama fermentasi selama 10 hari. Hasil penelitian ini diharapkan mampu memberi masukan kepada pembuat nata de coco komposisi yang paling sesuai dalam meningkatkan meningk produksi nata de coco secara optimal.
Kata kunci: nata de coco coco; respon surface method; central composite design;; Acetobacter xylinum
1. Pendahuluan Air kelapa merupakan salah satu limbah industri pertanian. Sangat disayangkan apabila limbah industri yang berlimpah ini dibuang begitu saja. Hal ini dikarenakan pada air kelapa masih terdapat nutrisi yang tersisa yaitu gula, lemak dan mineral [1]. [1] Air kelapa dapat dimanfaatkan untuk pembuatan produk
nata de coco, oco, sehingga meningkatkan nilai tambah dan nilai ekonomis. Kata nata berasal dari bahasa Spanyol yang berarti krim. Nata ta dalam bahasa latin diterjemahkan sebagai ‘natare’ yang berarti terapung – apung [2] [2]. Nata dapat dibuat dari air kelapa, santan kelapa, tetes tebu (molasses) dan sari buah. Nata yang
dibuat dari air kelapa dinamakan nata de coco [3].. Pertama kali nata diperkenalkan di Indonesia ndonesia pada tahun 1973 dan sering disebut sebagai sari air kelapa atau sari kelapa. Namun demikian nata de coco dikenal luas sejak tahun 1981[4]. Nata de coco adalah cellulose yang merupakan hasil aktifitas bakteri Acetobacter xylinum. Sebenarnya, nata adalah lapisan polisakarida ekstraseluler (selulosa) yang dibentuk oleh mikroba pembentuk kapsul. Nata berbentuk padat, berwarna putih, transparan, bertekstur kenyal, menyerupai gel dan terapung pada bagian permukaan cairan [3].. Cellulose hanya dihasilkan oleh bakteri di permukaan atas yang kontak dengan udara sebab sifat dari Acetobacter adalah aerob. Selama proses dijaga agar tidak goyang, maka lapisan gel yang terapung akan semakin tebal dan bakteri akan mendapatkan pasokan udara melalui difusi di lapisan nata tersebut [5]. Dalam pembuatan nata de coco, untuk mendapatkan hasil yang optimal harus ada standarisasi medium dan proses operasi. Ada beberapa sumber reference yang telah mengkaji optimasi dalam fermentasi nata de coco. Dalam 1 liter air kelapa optimal gula yang dibutuhlkan dibutuhkan 7,5 % (w/v) dan 0,25% (w/v) untuk urea [1].. [5] mengkaji optimasi lama fermentasi dengan hasil 10 hari dengan menggunakan 50 gram ram sukrosa dan 5 gram amonium sulfat dan beberapa sumber phosfat dalam 1 liter air kelapa. Begitu juga [4] mengoptimasi penambahan pati untuk sumber karbon dengan hasil 0,25% (w/v) memberi hasil terbaik. aik. Beberapa peneliti tersebut telah melakukan optimasi untuk meningkatkan produksi nata akan tetapi semua penelitian dilakukan dengan menggunakan cara klasik yaitu memvariasikan satu varibel dan membuat tetap variabel yang lain. Meskipun satu variabel yang ng dikaji untuk
menetukan kondisi optimum bisa dilakukan, akan tetapi interaksi antar variabel yang lain menjadi terkunci dan tidak teramati sehingga akan terjadi interpretasi data yang berbeda beda. Problem ini dapat diatasi dengan metode statistik [6, 7].. Salah satu metode yang digunakan dalam optimasi proses dan mediunm dalam proses fermentasi adalah Response Surface Method (RSM) [6-8] Pada penelitian ini akan dikaji optimasi fermentasi nata de coco dari air kelapa dengan menggunakan Response Surface Method (RSM). Ada 3 variabel yang berpengaruh untuk menentukan fermentasi nata de coco yang akan dikaji yaitu jjumlah sumber karbon dan lama fermentasi serta pH.
2. Metodologi Penelitian A. Fermentasi A.1 Alat Fermentasi
Wadah fermentasi berupa baki baki-baki plastic yang tahan asam dengan dimensi 30 x 20 x 5 cm. Wadah perebus media digunakan untuk merebus media yang akan diinokulasi dengan starter. wadah harus tahan asam, atau menggunakan gelas kimia Ruang fermentasi digunakan untuk fermenaasi. ruang ini harus bersih, telah dicuci hamakan. tidak berserangga, bersera dan tidak mudah dimasuki debu. angin dan serangga. Timbangan Kompor PH meter untuk mengatur p pH
A.2 Bahan Fermentasi
Gula Urea Asam Asetat glacial KH2PO4 Vitamin B syrup
Stater
A.3 Cara Pembuatan Fermentasi nata: a. Air kelapa disaring sampai tidak ada padatan atau impuritas yang terikut dalam fermentasi b. Hasil saringan yang sudah didapat, kemudian dipanaskan sampai mendidih dengan api besar sambil diaduk diadukaduk.setelah mendidih, tambahkankan variable yang akan dikaji yaitu gula, urea, asam asetat untuk mengatur pH, vitamin dan KH2PO4. c. campuran in diaduk sampai ampai gula larut . larutan ini disebut air asam bergula dan selanjutnya didinginkan d. media nataa ditambahkan dengan starter (sesuai sesuai dengan variabel), kemudian dipindahkan didalam wadah fermentasi dengan ketinggian media kultur (plastic baki) Wadah ditutup dengan kertas Koran yang telah disterilkan dipanaskan e. Fermentasi selama 6 – 14 hari sesuai variable samapi terbentuk lapiasan nata yang cukup tebal A.4 Analisa hasil
Analisa moisture content dan berat kering dilakukan dengan memotong kecil nata dengan ukuran 2 x 2 cm. Kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 105 o C sampai beratnya nya konstan. 4. WHC WHC ditentukan berdasarkan pada metode Jiang et al (1985) [9]. Nata dipotong berbentuk kotak dengan ukuran yang sama, kemudian dibungkus dengan kertas filter dan mesin pemisah (sentrifuge) dengan ngan putaran 5 5000 g tiap 10 menit. Selama dalam mesin pemisah, air yang dikeluarkan akan diserap oleh kertas filter. Persentase perbandingan dari kelembaban mengandung WHC [9] B. Experimental Design menggunakan Method Surface Method RSM (Response Response Surface Method Method) adalah suatu metode statistik untuk perancangan percobaan, pemodelan matematik, optimasi dan analisis statistik dalam penelitian. Dengan menggunakan RSM, sebuah persamaan polinomial kuadratik dikembangkan untuk memperkirakan hasil asil percobaan sebagai fungsi dari interaksi antara variabel bebas. Koefisien dari model empirik diestimasi dengan menggunakan teknik analisa regresi multiarah yang ada dalam RSM. Secara umum persamaan empirik yang akan digunakan adalah:
Nataa yang telah terbentuk dianalisa dianalis dengan ketentuan sebagai berikut : 1. Yield nata (berat nata basah tiap volume air kelapa) Yield nata dapat didifinisikan sebagai berat basah nata de coco yang dihasilkan dalam wadah kultur per volume air kelapa yang digunakan untuk fermentasi [3, 5]. 2. Tebal nata Tebal nata diukur dengan menggunakan jangka sorong. Tebal nata digunakan untuk mengetahui tebal lapisan pellicle yang dihasilkan oleh bakteri Acetobacter xylinum [5]. 3. Moisture content dan berat kering
dimana Y = hasil yang diperkirakan/response , β0 = koefisien intercept, βj = koefisien linier Xj ,βjj= koefisien kuadrat Xj, βij = koefisien interaksi, Xi dan Xj = variabel bebas. Adapun rentang variabel bebas dan levelnya ditunjukan di Tabel 3, sedangkan rancangan percobaan berdasarkan metode Central Composite Design ditunjukan pada Tabel 4.
Tabel 1.. Rentang dan Level Variabel Bebas Variabel bebas
Star
Low
Range dan level Center High
Star
C (%v/v) pH LF
point (-α) 0,41%
level (-1) 1%
level (0) 10%
level (+1) 20%
point (+α) 21,5%
7 4 hari
6 6 hari
4,5 10 hari
3 14 hari
2 16 hari
Tabel 2.. Tempuhan Berdasarkan Design Eksperiment Menggunakan Central Composite Design Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Variabel C -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 +1 0 0 0 0 0 0 -α +α
Variabel pH -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0 0 -α +α 0 0 0 0 0 0
Variabel LF -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 0 -α +α 0 0 0 0
Kurva tiga dimensi (Three Three dimensional response surface and contour plot plot) digunakan untuk menguji kebenaran pengaruh variabel percobaan pada hasil yang diperoleh. Koefisien-koefisien koefisien pada model empirik diestimasi dengan menggunakan analisis regresi multiarah. Kesesuaian model empirik dengan data eksperimen dapat ditentukan dari koefisien determinasi (R2). Untuk menguji signifikan atau tidaknya model empirik yang dihasilkan digunakan ANOVA ((Analysis of Variance) [10]. 3. Hasil dan Pembahasan A. Permodelan Empirik Yield Nata de Coco menggunakan Response Surface Method Hasil optimasi dengan metode Response Surface Method menggunakan
Central Composite Design ditunjukkan pada Tabel 4. Percobaan dilakukan berdasarkan matriks rancangan seperti pada Tabel 1 Tabel 3.. Matriks Rancangan Percobaan dan Hasil Percobaan Hasil Yield nata de coco (%) 1 2,5 (-1) 6 (-1) 6 (-1) 31,62±3,54c a,b 2 2,5 (-1) 6 (-1) 14 (+1) 78,99±10,75 3 2,5 (-1) 3 (+1) 6 (-1) NA 4 2,5 (-1) 3 (+1) 14 (+1) NA 5 17,5 (+1) 6 (-1) 6 (-1) 74,25±22,68a,b a,b 6 17,5 (+1) 6 (-1) 14 (+1) 72,33±1,42 7 17,5 (+1) 3 (+1) 6 (-1) NA a,b 8 17,5 (+1) 3 (+1) 14 (+1) 82,24±1,54 9 2,5 (-1) 4,5 (0) 10 (0) 65,23±17,94b a 10 17,5 (+1) 4,5 (0) 10 (0) 85,19±2,46 a,b 11 10 (0) 7 (-α) 10 (0) 80,63±3,37 12 10 (0) 2 (+α) 10 (0) NA 13 10 (0) 4,5 (0) 4 (-α) NA a,b 14 10 (0) 4,5 (0) 16 (+α) 71,88±2,35 a,b 15 10 (0) 4,5 (0) 10 (0) 76,08±13,92 a,b 16 10 (0) 4,5 (0) 10 (0) 84,05±4,27 17 1,5 (-α) 4,5 (0) 10 (0) 81,56±2,69a,b a,b 18 25,6 (+α) 4,5 (0) 10 (0) 74,32±2,94 Keterangan: NA = Not Available (tidak terbentuk lapisan nata de coco). Satuan konsentrasi gula (gr/500 ml air kelapa), lama fermentasi (hari), pH (volume asam cuka/500 ml). Tanda a, b, c merupakan keterangan untuk nilai rata-rata ± SD didalam satu kolom, apabila memiliki superscript yang ng berbeda maka dinyatakan
Run
C
Variabel bebas pH
LF
significant different.
Dari hasil pengolahan dengan menggunakan software Minitab 11, dapat diperoleh hasil estimasi koefisien regresi terhadap yield d yang disajikan dalam Tabel 4. Tabel 4. Estimasi Koefisien Regresi Terhadap Model Term Constant C pH LF C*C pH*pH LF*LF C*pH C*LF pH*LF
Coef 80.30 7.76 -22.74 18.20 -2.28 -15.58 -17.13 5.78 4.12 4.60
StDev 7.615 5.052 5.052 5.052 4.918 4.918 4.918 6.601 6.601 6.601
T 10.545 1.537 -4.501 3.603 -0.463 -3.168 -3.482 0.876 0.624 0.697
P 0.000 0.155 0.000 0.005 0.653 0.010 0.006 0.401 0.547 0.502
S = 18.67
R-Sq = 85.2%
R-Sq(adj) Sq(adj) = 71.8%
Dari Tabel 4 model empiris dari Respons Surface Method untuk persentase perolehan yield nata de coco sesuai persamaan: Maka diperoleh: Y = 80,30 + 7,76 (X1) – 2,28 (X1)2 + 5,78 (X1) (X2) + 4,12 (X1) (X3) – 22,74 (X2) – 15,58 (X2)2 + 4,60 (X2) (X3) + 18,20 (X3) – 17,13 (X3)2 …………………………………………. (1) Tabel 5 Hasil ANOVA terhadap Model Source Regressi on Linear Square Interacti on Residual Error Lack-ofFit Pure Error Total
D F 9
3
572.5
572.5
Adj MS 2224.4 2 4136.4 2 2346.0 3 190.82
10
3486.1
3486.1
348.61
5
3390.8
3390.8
678.17
3 3
5
Seq SS
Adj SS
20019. 8 12409. 3 7038.1
20019. 8 12409. 3 7038.1
95.3
95.3
F
P
6.38
0.00 4 0.00 1 0.00 9 0.66 1
11.8 7 6.73 0.55
35.5 9
faktor (variabel). Suku yang berpangkat dua menunjukkan efek kuadratik terhadap hasil. Nilai p dan t digunakan untuk mengetahui signifikan atau tidaknya masing-masing masing suku. Semakin kecil nilai p, semakin signifikan harga koefisiennya, dan semakin berpe berperan terhadap hasil yang diperoleh [11] [11]. B. Optimasi Yield Produk Nata de Coco Pengaruh pemberian asam cuka (jumlah asam cuka) dengan maksud untuk mengatur pH dan jumlah sumber karbon menggunakan gula (C) terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 1
100
50
yield 0
-2
0.00 1
-2
-1
C
19.06
-1
0
0
1 2
19
23505. 9
Keakuratan model ini dapat diketahui dari harga koefisien determinasi, R2, yang mencapai 85,2%. Dari harga R2 ini dapat disimpulkan bahwa nilai yang diperkirakan dengan model mendekati nilai yang diperoleh dari hasil percobaan. Ini menandakan bahwa 85,2% dari total variasi pada hasil yang diperoleh terwakili dalam model. Keakuratan model ini juga diketahui dari hasil ANOVA seperti ditunjukkan pada Tabel 4.8. Dari Tabel 4.9 diketahui bahwa nilai P yang dihasilkan memberikan pengaruh significant different karena rena nilai P < 0,05. Signifikansi koefisien regresi terhadap model disajikan dalam Tabel 4.8. Pada tabel tersebut, suku yang terdiri dari satu faktor menunjukkan efek linier, sedangkan suku yang terdiri dari dua faktor menunjukkan efek interaksi antara kedua ke
pH
1 2
Gambar 1. Surface Plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari pH dan jumlah sumber karbon, gula (C) berdasarkan hasil dari experiment central composite design.
Pengaruh penambahan jumlah karbon, gula (C) dan lama fermentasi (LF) terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 2.
100
50
yield 0 -2 -2
-1
C
0
-1 0
medium pada pH 5 dan lama fermentasi selama 10 hari. Berdasarkan model pada Persamaan 1, ketika nilai optimum dipakai maka akan diperoleh hasil persentasi yield nata de coco sebesar 90,365%.
Gambar 2. Surface plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari LF (lama fermentasi fermentasi, hari) dan jumlah sumber karbon, gula (C) berdasarkan hasil dari experiment central composite design.
Pengaruh lama fermentasi (LF) dan jumlah asam cuka dengan maksud untuk mengatur pH terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 3. Dari ketiga surface plot diatas dapat disimpulkan bahwa persentase yield dari fungsi jumlah sumber karbon bon (gula), jumlah asam cuka (pH) dan lama fermentasi (LF) dengan menggunakan central composite design untuk mendapat yield yang optimum maka jumlah sumber karbon yang digunakan adalah 17,5 gr/500 ml air kelapa, kondisi
Gambar 3 Surface plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari LF (lama fermentasi,, hari) dan pH berdasarkan hasil dari experiment central composite design.
Tabel 6. Hasil Model Response Surface Method dengan Respon WHC, Moisture, dan Ketebalan nata de coco yang dihasilkan Run
C
pH
LF
1
2,5 (-1)
5 (-1)
6 (-1)
2
2,5 (-1)
5 (-1)
3
2,5 (-1)
4
2,5 (-1)
WHC (%)
Moisture (%)
a,b,c,d
a,b
Ketebalan (mm)
95,98±1,00
14 (+1)
56,11±3,96b,c,d
96,40±1,08a
8,68±1,08c
40 (+1)
6 (-1)
NA
NA
NA
40 (+1)
14 (+1)
NA
NA a
4,77±0,65
e
57,95±6,52
NA
92,43±0,90
c,d
17,5 (+1)
5 (-1)
6 (-1)
64,90±7,49
6
17,5 (+1)
5 (-1)
14 (+1)
56,61±3,48b,c,d
94,98±0,29a,b,c
8,27±0,58c
7
17,5 (+1)
40 (+1)
6 (-1)
NA
NA
NA
a,b,c
8
17,5 (+1)
40 (+1)
14 (+1)
60,18±6,94
9
2,5 (-1)
20 (0)
10 (0)
61,83±6,68
a,b
17,5 (+1)
20 (0)
10 (0)
58,21±4,99
11
10 (0)
2,5 (-α)
10 (0)
54,19±5,48
12
10 (0)
60 (+α)
10 (0)
NA
NA
13
10 (0)
20 (0)
4 (-α)
NA
NA
10 (0)
20 (0)
16 (+α)
55,99±3,35
b,c,d
b,c,d
10 (0)
16
10 (0)
20 (0)
10 (0)
54,11±4,19
b,c,d
17
1,5 (-α)
20 (0)
10 (0)
55,98±5,88
b,c,d
10 (0)
50,99±7,26
c,d
52,97±3,14
4. Kesimpulan Dari optimasi jumlah sumber karbon (gula, C), jumlah asam cuka (pH) dan lama fermentasi (LF)
8,93±1,70
b,c
91,88±1,94
d,e
a,b,c,d
94,45±0,80
10,02±0,29a a,b
9,52±0,51 NA NA
a,b
7,27±0,83d
b,c,d
9,93±1,03
a
a,b,c
9,98±0,35
a
a,b
8,43±0,49
95,94±0,20 95,19±0,54
20 (0)
20 (0)
a,b,c,d
93,42±1,21
10 (0)
25,6 (+α)
b,c
d
15
18
8,77±0,49
93,35±0,71
10
14
b,c,d
93,48±2,62
a,b,c,d
8,52±1,83
c
5
95,48±0,30
89,42±0,95
e
7,10±0,00
c
d
dengan menggunakan central composite design untuk mendapat yield yang optimum maka jumlah sumber karbon, gula (C) yang digunakan adalah
17,5 gr/500 ml air kelapa, kondisi medium pada pH 5 dan lama fermentasi (LF) selama 10 hari. Berdasarkan model pada persamaan, ketika nilai optimum dipakai maka akan diperoleh hasil persentasi yield nata de coco sebesar 90,365%.
8.
Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih ditujukan kepada pihakpihak LPPM Universitas Muhammadiyah Purwokerto yang telah mendanai penelitian ini
9.
Daftar Pustaka 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Edria, D., M. Wibowo, and K. Elvita, Pengaruh penambahan kadar gula dan kadar nitrogen terhadap ketebalan, tekstur dan warna nata de coco. coco 2008, Jurusan Ilmu dan Teknologi Pangan , IPB: Bogor. Collado, L.S. Processing and problem of the industry in the Philipines. Philipines in Traditional Food and Their Processing in Asia. 1986. Tokyo. Iguchi, M., S. Yamanaka, and A. Budhiono, Bacterial cellulose a masterpiece of nature's arts. Journal of Material Science 2000. 35 p. 261 - 270. Effendi, N.H., Pengaruh penambahan variasi massa pati (soluble starch) pada pembuatan nata de coco dalam medium fermentasi bakteri Acetobacter xylinum xylinum. 2009, Departemen Kimia MIPA USU: Medan. Budhiono, A., et al., Kinetic aspects of bacterial cellulose formation in nata de coco culture system. Carbohydrate polymer, 1999. 40: p. 137 - 143. Haaland, P.D., Experimental Design in Biotechnology.. 1989, New York: Marcell Dekker. Lotfy, W.A., K.M. Ghanem, and E.R. Elhelow, Citric acid production by novel Aspergilus niger isolate: II Optimization of
10.
11.
12.
process parameter through statistical experiment designs. Bioresouechnology, 2007. 98: p. 3470 - 3477. Ambati, P. and C. Ayyanna, Optimizing medium constituens and fermentation condition for citric acid production from palmira jaggery using respon surface method. World Journal Microbiology and Biotechnology, 2001. 17: p. 331- 335. Jagannath, A., et al., The effect of pH, sucrose and ammonium sulphate concentrations on the production of bacterial cellulose (Nata (Nata-de-coco) by Acetobacter xylinum. World J Microbiol Biotechnol 2008. 24 24: p. 2593–2599. Ilham and J.A. M, OPTIMASI VARIABEL PROSES PEMBUATAN KARAGINAN DARI RUMPUT LAUT (Eucheuma Cottonii) DENGAN RESPONSE SURFACE METHODOLOGY. Ulfah, E.M., F.A. Yasnur, an and Istadi, Optimasi Pembuatan Katalis Zeolit X dari Tawas, NaOH dan Water Glass Dengan Response Surface Methodology. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 2006. 1(3) 1(3): p. 26-32. Susanti, L., Perbedaan Penggunaan Jenis Kulit Pisang terhad terhadap Kualitas Nata, in Fakultas Teknik.. 2006, Universitas Negeri Semarang: Semarang.
