OPTIMASI PROSES PRODUKSI DAN KARAKTERISASI MALTODEKSTRIN DERAJAT POLIMERISASI MODERAT (DP 3-9) DARI PAT1 GANDUM
OLEH: BEN1 HIDAYAT
PROGRAM PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2002
ABSTRAK BEN1 HIDAYAT. Optimasi Proses Produksi dan Karakterisasi Maltodekstrin DP Moderat (DP 3-9) dari Pati Gandum. Dibimbing oleh ADlL BASUKI AHZA dan SUGIYONO Maltodekstrin sangat berpotensi digunakan sebagai sumber karbohidrat pada minuman olahraga, khususnya minuman olahraga isotonik. Penggunaan maltodekstrin tersebut, terutama ditujukan agar pelepasan energi saat pelaksanaan aktivitas, lebih lambat serta untuk menurunkan derajat osmolalitas dan derajat kemanisan produk. Berdasarkan tujuan penggunaan tersebut, maka diperlukan upaya untuk mengembangkan maltodekstrin dengan komposisi sakarida spesifik, sehingga memiliki karakteristik ideal untuk digunakan sebagai sumber karbohidrat pada minuman olahraga isotonik. Penelitian ini ditujukan untuk melakukan optimasi proses produksi maltodekstrin DP moderat (DP 3-9) dari pati gandum, menggunakan teknik hidrolisis enzimatis dan separasi membran, serta karakterisasi maltodekstrin hasil optimasi proses yang berkaitan dengan potensi dan nilai tambah penggunaannya sebagai sumber karbohidrat pada minuman olahraga isotonik, dengan pembanding glukosa dan maltodekstrin komersial. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa optimasi proses hidrolisis terbaik berdasarkan kandungan dan rendemen oligosakarida DP 3-9 tertinggi dan kandungan sakarida DP 1-2 dan DP > 9 terendah, dihasilkan dari kombinasi perlakuan konsentrasi pati 200 gll, konsentrasi enzim 1207,50 unitll, dengan lama hidrolisis 30 menit yang dilanjutkan dengan proses separasi membran (kon&si operasional : konsentrasi sampel 5 %, suhu sampel 4S°C, tekanan 2 atm, dan disertai perlakuan filtrasi pendahuluan). Berdasarkan karakteristik kimiawinya dibandingh maltodekstrin komersil, maltodekstrin DP 3-9 yang dihasilkan akan memiliki kandungan sakarida DP 1-2 yang lebih rendah (10,87 % berbanding 16,07 %, p i0,05), kandungan oligosakarida DP 3-9 yang lebih tinggi (89,13 % berbanding 78,66 %, p < 0,05), kandungan oligosakarida DP > 9 yang lebih rendah (tidak terdeteksi berbanding 5,27 %, p < 0,05), serta tipe pembentukan kompleks warna dengan larutan Iodium (kuning berbanding ungu kemerahan). Dibandingkan glukosa, penggunaan maltodekstrin DP 3-9 sebagai sumber karbohidrat pada minuman olahraga isotonik memiliki beberapa keunggulan ditinjau dari karakteristik laju absorpsinya yang 2 kali lipat lebih lama (60 menit berbanding 30 menit), derajat osmolalitasnya yang 5,6 kali lebih rendah (178 mOsmol/kg berbanding 1000 mOsmoVkg), dan tingkat kemanisan reiatifnya yang 10 sampai 11 kali lebih rendah (6,15-7,20 berbanding 57,OO-61,00), tetapi memiliki faktor pembatas, yaitu karakteristik viskositasnya yang 5,70 sampai 6,20 % lebih tinggi (1,29 cSt dan 1,37 cSt berbanding 1,22 cSt dan 1,29 cSt).
Dibandingkan maltodekstrin komersil, maltodekstrin DP 3-9 &an lebib ideal digunakan sebagai sumber karbohidrat pada minuman olahraga isotonik, karena karakteristik laju absorpsinya lebih dari 2 kali lipat lebih cepat (60 menit berbanding lebih dan 120 menit) dan stabilitas penyimpanan pada suhu rendah yang lebih baik berdasarkan hasil uji pembentukan endapan (perlakuan tanpa sterilisasi, lebih dari 8 minggu berbanding 1 minggu; perlakuan sterilisasi, lebih dari 8 minggu berbanding 4 minggu).
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul : OPTIMASI PROSES PRODUKSI DAN KARAKTERISASI MALTODEKSTRIN DERAJAT POLIMERISASI MODERAT (DP 3-9) DARI PAT1 GANDUM Adalah benar me~piikanhasil karya saya sendiri clan belum pernah dipublikasikan. Semua sumber data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, 4 Juli 2002
OPTIMASI PROSES PRODUKSI DAN KARAKTERISASI MALTODEKSTRIN DERAJAT POLIMERISASI MODERAT (DP 3-9) DARI PAT1 GANDUM
BEN1 HIDAYAT
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program stud^ Ilmu Pangan
PROGRAM PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2002
Judul Tesis
: Optimasi Proses Produksi dan Karakterisasi Maltodekstrin Demjat Polimerisasi Moderat (DP 3-9) dari Pati Gandum
Nama
: Beni Hidayat
NRP
: 99210
Program Studi
: Ilmu Pangan
Menyetujui 1. Komisi Pembimbing
Dr. Ir. H. Adil Basuki Ahza. MS ,v
V
Ketua
Prof Dr. Ir. Betty Sri Laksmi Jenie, M
Tanggal Lulus : 30 Mei 2002
Dr. Ir. Sueivono. MAouSc AWgota
yafrida Manuwoto, MSc
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Tanjung Karang Bandar Lampung, pada tanggal 14 Januari 1967; anak kedua dari lima bersaudara dari pasangan Almarhum Bustami Jacub dan Rohaila. Pendidikan sarjana ditempuh penulis pada Jurusan Teknologi Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas lampung, pada Tahun 1985-1989, dan sejak tahun 1992 penulis resmi diangkat sebagai staf pengajar pada Program Studi Telcnologi Pangan Politeknik Pertanian Negeri Bandar lampung. Pada tahun 1999, penulis memperoleh kesempatan untuk melanjutkan pendidikan magister di Program Studi Ilmu Pangan, Program Pasca Sarjana, lnstitut Pertanian Bogor. Penulis menikah dengan Ratu Dewi Anggraini, tahun 1986, dan saat ini telah dikaruniai tiga orang putra-putri, yaitu Alpha Akbar Raditya, Ratu Betha Instania, dan Ratu Chaterine Fajri. Sejak bertugas sebagai staf pengajar, penulis telah berhasil meraih berbagai penghargaan di bidang akademis, antara lain Dosen Teladan Politeknik Pertanian Universitas Lampung tahun 1997, juara pertama Lomba Cipta Produk Pangan Tingkat Nasional Tahun 1999, serta penerima anugerah Bogasari Nugraha Tahun 2001. Sebagai staf pengajar, penulis juga diberi amanah sebagai Kepala Laboratorium Teknologi Pangan 1994-1999, Ketua Koperasi 1997-2000, serta pembina Komisi I Senat Mahasiswa Politeknik Pertanian Negeri Bandar Lampung 1997-1999. Selain bertugas sebagai staf pengajar, penulis juga berprofesi sebagai konsultan pengolahan pangan di beberapa industri pangan kecil-menengah, antara lain di CV Putra Lampung, Lampung (1998-1999), dan di PT Trimatra, Jakarta (1999). Di bidang organisasi profesi, penulis juga tercatat sebagai Pengurus Cabang Lampung pada Perhimpunan Ahli Teknologi Pangan Indonesia (PATPI) dan Perhimpunan Mikrobiologi Indonesia (Permi).
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat serta hidayah-Nya sehingga penulisan laporan penelitian ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyarnpaikan ucapan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada (1) Istri penulis, Ratu Dewi Anggraini, serta putra-putri tercinta : Alpha Akbar
Raditya, Ratu Betha Instania, dan Ratu Chaterine Fajri, atas pengorbanan dan pengertiannya selama penulis menyelesaikan pendidikan magister. (2) Bapak Dr. Ir. H. Adil Basuki Ahza, M.S. dan Dr. Ir. Sugiyono, M.App.Sc. selaku ketua clan anggota komisi pembimbing atas saran dan perbaikannya yang sangat berarti pada penyusunan laporan penelitian ini.
(3) Bapak Roland Taunay dan Ibu Rafaini selaku Ketua dan Sekretaris Panitia Bogasari Nugraha 2001, yang telah memberikan apresiasi positif selama pelaksanaan kegiatan penelitian.
(4) Pimpinan PT ISM Bogasari Flour Mills, atas bantuan dana dan komitmen yang tinggi untuk menjalin kerja sama kegiatan penelitian dengan institusi peryuuan tinggi.
(5) Tim juri penilai proposal Bogasari Nugraha 2001 atas kepercayaan yang diberikan untuk mewujudkan proposal ini menjadi sebuah kegiatan penelitian.
(6) Seluruh pihak,
baik teknisi-teknisi laboratorium, rekan-rekan LPN angkatan
1999, rekan-rekan dosen Politeknik Pertanian, dan rekan-rekan seprofesi, yang
telah tumt menyumbang saran dan membantu penyelesaian kegatan penelitian; khususnya kepada Ir. Syamsu Udayana Nurdin, M.Si, atas bantuan dan saransarannya saat pelaksanaan pengujian laju absorpsi produk pada tikus percobaan. Akhimya penulis menyadari bahwa dengan segala keterbatasan yang ada, laporan penelitian ini di sana-sini masih memerlukan penyempumaan lebih lanjut. Oleh karenanya, saran dan kritik membangun dari semua pihak sangat pendis harapkan. Bogor, Penulis
Juli 2002
DAFTAR IS1 Halaman DAFTAR TABEL .......................................................
i ...
DAFTAR GAMBAR ...................................................
111
DAFTAR LAMPIRAN ................................................
v
I
PENDAHULUAN ....................................................... 1.1 Latar Belakang ............................................. 1.2 Tujuan Penelitian ..................... . . ................
1 1 4
n.
TINJAUAN PUSTAKA ........................... . . .............. 2.1 Pati Gandum ................................................. 2.2 Sifat Fisik dan Kimia Pati Gandum ............ 2.3 Hidrolisis Pati .............................................. 2.4 Sifat-sifat Fungsional Maltodekstrin ........... 2.5 Aplikasi Maltodekstrin pada Produk Minuman Olahraga ............................................... 2.6 Paktor-faktor yang Mempengaruhi Komposisi ........................... Sakarida Maltodekstrin 2.7 Separasi Membran ........................... . . .........
.
.
111
METODOLOGI PENELITIAN .................................... 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian ............................ 3.2 Bahan dan Alat Penelitian ................................. 3.2.1 Bahan ..................................................... 3.2.2 Alat ...................................................... 3.3 Metode Penelitian ................... . . ................... 3.3.1 Penelitian Pendahuluan .............................. 3.3.2 Optimasi Proses Separasi Membran ............... 3.3.3 Optimasi Parameter Hidrolisis ..................... 3.3.4 Karakterisasi Maltodekstrin ......................... 3.4 Metode Pengujian dan Pengamatan ........................ 3.4.1 Pengujian Aktivitas Enzim a-amylase ............ 3.4.2 Pengujian Selektifitas Membran .................. 3.4.3 Pengujian Permeabilitas Membran ............... 3.4.4 Pengamatan Produktivitas Membran ............ 3.4.5 Pengujian Komposisi Maltodekstrin ............. 3.4.6 Perhitungan Rendemen Maltodekstrin DP 3-9 ...
3.4.7 3.4.8 3.4.9 3.4.10 3.4.11 3.4.12
.
IV
V
.
Pengujian Viskositas Maltodekstrin DP 3-9 ...... Penpuiian Stabilitas Maltodekstrin DP 3-9 ...... ~ e n g u j i a nWarna Maltodekstrin DP 3-9 ........... Pengujian Derajat Osmolalitas Maltodekstrin DP 3-9 Pengujian Derajat Kemanisan Maltodekstrin DP 3-9 Pengujian Laju Absorpsi Maltodekstrin DP 3-9
HASIL DAN PEMBAHASAN .................................... 4.1 Komposisi Kimia Pati Gandnm .............................. 4.2 Pengujian Aktivitas Enzim a-amylase ...................... 4.3 Pengamatan Struktur Membran dan Prinsip Pemisahan Sampel .................................................... 4.4 Pengujian Selektifitas Membran ............................. 4.5 Pengujian Driving Force Separasi Membran .............. 4.6 Optimasi Proses Separasi Membran ........................ 4.6.1 Optimasi permeabilitas membran .................. 4.6.2 Optimasi produktivitas membran .................. 4.7 Optimasi Parameter Proses Hidrolisis ..................... 4.7.1 Optimasi Berdasarkan Kandungan Sakarida DP 1-2 4.7.2 Optimasi Berdasarkan Kandungan Sakarida DP > 9 4.7.3 Optimasi Berdasarkan Kandungan Sakarida DP 3- 9 4.7.4 Ootimasi Berdasarkan Rendemen Maltodekstrin 4.7.5 Pemilihan Perlakuan Terbaik ..................... 4.8 Karakterisasi Maltodekstrin DP 3-9 ......................... 4.8.1 Karakterisasi Kimia .................................. 4.8.2 Karakterisasi Fisik .................................... 4.8.3 Karakterisasi Biologis ................................. KESIMPULAN DAN SARAN .................................... 5.1 Kesimpulan .............................................. 5.2 Saran ...................................................... DAFTAR PUSTAKA ................................................... LAMPIRAN ................................................................
DAFTAR TABEL
No
Judul
halaman
1
Komposisi pati gandum (dalam basis berat kering) ... . .. ... . . . . . . .
5
2
Rasio amilosa dan amilopektin pati gandurn dlbandingkan pati Lainnya ... ... ... ... . . , , .. , , . , .. ., , ... ... ... ... . . . .. . ... ... ... ... ..
7
Tipe pembentukan kompleks warna pati-iodin pada berbagai derajat polimerisasi ... ... ... ... . . . .. . .. . .. . ... .. . ... .. . ... . . . .. . ... ... ... . . . ..
9
Pengaruh lama proses liquifikasi terhadap komposisi akhir produk ... .. , , , , . , , ... ., . ... ... ... . .. . .. . . . ... ... ... . . . .. h a i l liquifikasi
10
Perbandingan beberapa parameter fisik mtara proses liquifikasi dan sakarifikasi ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. ... ... ... . . . . . . ... ... .. . . . . . .. ..
11
3
4 5
. . . .., , , , ... ... . .. . . ...
20
6
Klasifikasi proses separasi membran
7
Aplikasi teknik separasi membran untuk pengolahan produk pangan
22
8
Kondisi operasional pengujian komposisi maltodekstrin dengan HPLC
36
9
Komposisi kimia pati gandum h a i l ekstraksi
10
Hasil uji selektifitas membran MWCO 1000 dan 3000 pada pemisahan senyawa oligosakarida DP 1-2, DP 3-9, dan DP > 9 ... ... ... .
48
Hubungan antara besar tekanan dan permeabilitas membran MWCO ... ... ... ... , ,. , . . ... ... ... ......... ... ... .... 3000 dan 1000
51
Hubungan antara besar tekanan, konsentrasi sampel, dan suhu sampel terhadap permeabilitas membran MWCO 1000 ... ... ... ... .
54
Kandungan sakarida DP 1-2 pada berbagai perlakuan parameter hidrolisis ... ... ... ... ... . .. . . . . .. . . . .. . ... ... . . . . . . . . . .. ..
57
11 12 13 14
... . . . . .. . . ...
Karakteristik komposisi sakanda perlakuan-perlakuan hasil optimasi . . . . . . . .. . . . . . , . . . .. . .. . ... ... ... ... . . . . . . . . . ... ... ...
44
15
Perbedaan komposisi sakanda antara maltodekstrin hail penelitian dan maltodekstrin komersil ........................................
66
16
Perbedaan karakteristik tipe pembentukan kompleks warna dengan larutan Iodium antara maltodekstrin DP 3-9 (maltodekstrin hasil penelitian) dan maltodekstrin komersil .................................................... 68
17
Kondisi pembentukan endapan maltodekstrin DP 3-9 (maltodekstrin hasil penelitian) dibandingkan dengan glukosa dan maltodekstrin komersil selama penyimpanan .................................................... 69
18
Hasil pengukuran derajat putih maltodekstrin DP 3-9 (maltodekstrin hasil penelitian) dibandingkan dengan maltodekstrin komersil .......
70
Hasil penentuan berat molekul rata-rata maltodekstrin DP 3-9 (maltodekstrin hasil penelitian) dan maltodekstrin komersil ............
71
Hasil penentuan nilai osmolalitas maltodekstrin DP 3-9 (maltodekstrin hasil penelitian dan maltodekstrin komersil dengan menggunakan basis lmol glukosa sebagai standar ........................................
72
19 20
21
Hasil pengujian viskositas maltodekstrin DP 3-9 dibandingkan glukosa dan 74 maltodekstrin komersil pada dua konsentrasi berbeda ...............
22
Rekapitulasi penilaian 20 panelis terhadap tingkat kemanisan glukosa, maltodekstrin DP 3-9, dan maltodekstrin komersil pada berbagai konsentrasi dengan menggunakan larutan sukrosa 2 % sebagai standar ... 76
23
Perbedaan tingkat kemanisan relatif maltodekstrin DP 3-9 dibandingkan dengan maltodekstrin komersil dan glukosa, dengan menggunakan Gngkat kemanisan sukrosa (100) sebagai standar .................... . ........... 77
24
Kondisi kadar glukosa darah Tikus Sprague Dawley jantan berumur 2,5 bulan, tanpa dan dengan perlakuan puasa .................... . . ....
79
Karakteristik laju absorpsi maltodekstrin DP 3-9 dibandingkan dengan glukosa dan maltodekstrin komersil ...........................................
83
25
DAFTAR GAMBAR
Judul Proses produksi tepung gluten dan pati gandum Struktur amilosa dan amilopektin
...
................................
Mekanisme pemutusan rantai polimer pati oleh enzim a-amylase dan glucoamylase ..................... . ........................... Prinsip dasar mekanisme pemisahan komponen dengan teknik .................................................. separasi membran Mekanisme ekstraksi produk maltodekstrin dengan menggunakan ........................... . ........... teknik separasi membran . Alat separasi membran skala laboratorium .................... Metode ekstraksi pati gandum skala laboratorium
.........
Proses produksi maltodekstrin pati gandum dengan menggunakan teknik hidrolisis enzimatis dan separasi membran ............... Susunan penyajian sampel per booth pada pengujian derajat ........................... . ......................... kemanisan Kurva standar pati untuk penentuan aktivitas enzim a-amylase Kromatograf maltodekstrin standar yang telah diseparasi dengan membran MWCO 1000 ......................................... Pola perubahan permeabilitas membran MWCO 1000 akibat perlakuan filtrasi pendahuluan pada sampel ....................... Histogram perbedaan kandungan sakarida DP 1-2 pada perlakuan hasil optimasi .................................................. Histogram perbedaan kandungan sakarida DP > 9 pada perlakuan hasil optimasi ...........................................................
15
16
17
Histogram perbedaan kandungan sakarida DP 3- 9 pada perlakuan hasil optimasi ...........................................................
61
Histogram perbedaan rendemen maltodekstrin DP 3- 9 pada perlakuan hasil optimasi ...........................................................
63
Pola perubahan kadar glukosa darah Tikus Sprague Dawley jantan berumur 2.5 bulan sebagai respon terhadap pemberian larutan maltodekstrin DP 3- 9 dlbandingkan dengan glukosa dan maltodekstrin ........................................................... komersil
80
DAFTAR LAMPIRAN
Judul
halaman
Data hasil pengamatan kandungan sakarida DP 1-2 maltodekstrin (% kromatograf, sebelum normalisasi) ...........................
92
Data hasil pengamatan kandungan sakarida DP 1-2 maltodekstrin (% kromatograf, setelah normalisasi) ...........................
93
Tabel hasil analisis sidik ragam pengaruh parameter hidrolisis terhadap kandungan sakarida DP 1-2 maltodekstrin ........................
94
Tabel hasil analisis beda nyata terkecil terhadap kandungan sakarida DP 1-2 perlakuan hasil optirnasi ...............................
95
Data hasil pengamatan kandungan oligosakarida DP 3-9 maltodekstrin (% kromatograf, sebelum normalisasi)
13
..........................
96
Data hasil pengamatan kandungan oligosakarida DP 3-9 maltodekstrin (% kromatograf, setelah normalisasi) ...........................
97
Tabel hasil analisis sidik ragam pengaruh parameter hidrolisis terhadap kandungan oligosakarida DP 3-9 maltodekstrin ..................
98
Tabel hasil analisis beda nyata terkecil terhadap kandungan oligosakarida DP 3-9 perlakuan hasil optimasi ..................
99
Data hasil pengamatan kandungan oligosakarida DP > 9 maltodekstrin (% kromatograf, sebelum normalisasi) ...........................
100
Data hasil pengamatan kandungan oligosakarida DP > 9 maltodekstrin (% kromatograf, setelah normalisasi) ...........................
101
Tabel hasil analisis sidik ragam pengaruh parameter hidrolisis terhadap kandungan oligosakarida DP > 9 maltodekstrin ..................
102
Tabel hasil analisis beda nyata terkecil terhadap kandungan oligosakarida DP > 9 perlakuan hasil optimasi ..................
103
Data hasil perhitungan rendemen maltodekstrin DP 3-9 ............
104
Tabel hasil analisis si&k ragam pengaruh parameter proses hidrolisis terhadap rendemen maltodekstrin DP 3-9 .....................
105
Tabel hasil analisis beda nyata terkecil rendemen maltodekstrin DP 3-9 perlakuan hasil optimasi ...................................
106
Contoh cara perhitungan konsentrasi DP 1 (glukosa) pada pengujian komposisi sakarida maltodekstrin DP 3-9 .............................
107
Contoh cara perhitungan rendemen maltodekstrin DP 3-9 pada perlakuan AIBICl ulangan 1 .............................................
108
Data perubahan volume dan total padatan perlakuan. pada tahap optimasi parameter hidrolisis ........................................
109
Data hasil pengamatan kadar glukosa darah tikus (mgidl) ...........
110
.......
111
Susunan perlakuan pada pengujian laju absorpsi produk
..........................
112
Data pertambahan berat badan tikus selama pemeliharaan di laboratorium (3 minggu) .......................... . ...............
114
Contoh cara seleksi tikus berdasarkan pertambahan berat badan ...
116
Foto perubahan aktivitas tikus yang dipuasakan dan tidak dipuasakan
117
Foto alat untuk memberikan larutan secara oral pada tikus percobaan
118
Foto tabung reaksi steril-vakum + pengawet Na+. yang digunakan untuk menampung darah tikus perwbaan ............................
118
Foto metode pemberian larutan secara oral pada tikus percobaan ...
119
Foto metode pengambilan darah melalui vena abdominal pada ...................................................... tikus percobaan
120
Foto pati gandum hasil ekstraksi
121
Contoh cara penyusunan ransum tikus
..............................
Foto bahan-bahan utama pada proses hidrolisis pati ....................
121
Foto maltodekstrin hasil prosesing lanjutan ............................
122
. ........
122
Foto proses separasi membran
................................
Foto perbedaan reaksi pembentukan warna dengan larutan Iodiurn antara maltodekstrin DP 3-9 dm maltodekstrin komersil .............
123
34
Foto hasil uji stabilitas pada penyimpanan suhu dmgin ................
123
35
Foto maltodekstrin DP 3-9 setelah dikeringkan dibandingkan dengan maltodekstrin komersil ....................................................
124
33
