SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA

1

PROSIDING SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA 2006 AUDITORIUM REKTORAT IPB DRAMAGA 12 SEPTEMBER 2006

DEPARTEMEN KIMIA FMIPA INSTITUT PERTANIAN BOGOR

HIMPUNAN KIMIA INDONESIA CABANG JAWA BARAT DAN BANTEN BOGOR 2006

2

PROSIDING SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA 2006 AUDITORIUM REKTORAT IPB DRAMAGA 12 SEPTEMBER 2006 Peranan Kimia Memacu Kemajuan Industri Penyunting: Budi Arifin Tuti Wukirsari Steven Gunawan Wulan Tri Wahyuni Diterbitkan oleh Departemen Kimia FMIPA Institut Pertanian Bogor bekerja sama dengan Himpunan Kimia Indonesia Cabang Jawa Barat dan Banten dalam rangka Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 Bogor, 12 September 2006

ISBN No.: 978-979-25-0984-7 Hak cipta dilindungi oleh undang-undang. Dilarang mencetak dan menerbitkan sebagian atau seluruh isi buku dengan cara atau bentuk apapun tanpa seizin penerbit.

3

PRAKATA Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia-Nya sehingga Prosiding Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 ini akhirnya berhasil diterbitkan. Prosiding ini merupakan kumpulan sambutan dan makalah yang disajikan dalam Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia yang diselenggarakan tanggal 12 September 2006. Dalam seminar tersebut, Menteri Perindustrian RI hadir sebagai pembicara kunci, dan sebanyak 6 orang pembicara utama yang berasal dari kalangan perguruan tinggi, lembaga penelitian, dan industri hadir memaparkan presentasinya. Tujuan seminar ini ialah menghimpun para ilmuwan yang berkecimpung dalam bidang kimia dan bidang ilmu lain yang terkait dari berbagai lembaga pendidikan, penelitian, dan industri di Indonesia, untuk bertukar informasi dan pengalaman tentang hasil-hasil penelitian mutakhir yang telah dilaksanakan. Telah terhimpun sebanyak 32 makalah yang dipresentasikan secara oral dan 22 makalah lainnya yang disajikan dalam bentuk poster. Terima kasih kami kepada semua penulis yang telah menyumbangkan makalahnya untuk dikompilasikan dalam prosiding ini. Terima kasih pula kepada seluruh dosen dan mahasiswa Departemen Kimia FMIPA IPB yang telah terlibat dalam perencanaan dan penyelenggaraan seminar. Terima kasih secara khusus bagi Tuti Wukirsari dan Riki Ariwanda yang telah bekerja keras merapikan prosiding ini, baik dari segi naskah agar memenuhi kaidah penulisan ilmiah dan ejaan bahasa Indonesia yang disempurnakan maupun dari segi tampilan format dan gambar-gambar yang ada agar seragam dan tersaji dengan apik. Akhir kata, tak ada gading yang tak retak, kami mohon maaf atas segala kesalahan yang disengaja ataupun tidak, selama penyuntingan naskah prosiding ini. Kami juga mohon maaf atas keterlambatan dalam penerbitan prosiding ini. Semoga prosiding ini bermanfaat. Budi Arifin

Tuti Wukirsari

Steven Gunawan Oktober 2007

4

Wulan Tri Wahyuni

DAFTAR ISI Daftar Isi Sambutan Ketua Panitia Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 Sambutan Ketua Departemen Kimia Institut Pertanian Bogor Sambutan Rektor Institut Pertanian Bogor Sambutan Kunci Menteri Perindustrian Republik Indonesia

1 2 3 5

Makalah Pembicara Utama 1. Pengkajian Teknologi Proses dalam Lingkup Agroindustri dan Bioteknologi untuk Meningkatkan Daya Saing Industri di Indonesia Wahono Sumaryono – Deputi Bidang Teknologi Agroindustri dan Bioteknologi BPPT

8

2. 2010 Challenges for Chemical Society in Indonesia M Saleh – Ketua Himpunan Kimia Indonesia Pusat

23

3. Challenges and Opportunities in Applying Temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb.) for Industrial Oral Care Products Jae-Kwan Hwang, Yaya Rukayadi – Department of Biotechnology, Yonsei University, Seoul

25

4. Peranan Kimia Komputasi dalam Desain Senyawa Baru dan Optimalisasi Proses Industri Harno Dwi Pranowo – Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Gajah Mada

33

5. Kinetic Study of Enzymatic Hydrolysis of Starch Granules and Crystalline Cellulose Hirosuke Tatsumi – Department of Bioscience, Fukui Perfectural University, Jepang

40

6. Kimia dalam Industri Berbasis Minyak Nabati. Kasus: Konversi Asam Lemak ke Aditif Pelumasan Batas Zainal Alim Mas’ud – Departemen Kimia, FMIPA, Institut Pertanian Bogor

44

Makalah Presentasi Oral 1. Kinerja Fenil α-Naftilamina pada Penghambatan Oksidasi Ester Poligliserol-Estolida Asam Oleat Dicky Dermawan, Arry Kusnadi, Ilowati Kurniawan

49

2. Alkaloid Eritrina yang Bersifat Anthelmintik dari Biji Dadap Ayam (Erythrina variegata) Tati Herlina, Unang Supratman, Anas Subarnas, Supriyatna Sutardjo, Hideo Hayashi

55

3. Antibiotika Baru dari Actinomycetes dan Jamur Desak Gede Sri Andayani, Linar ZU, LBS Kardono, M Hanafi

59

4. Aktivitas Sitotoksik Ekstrak Rizoma Tumbuhan Spesies Zingiberaceae Jasril

66

5. The Effect of Ce3+ on The Crystallinity of Nano-Sized Yttrium Aluminum Garnet Enrico F. Joland, I Made Joni, Camellia Panatarani

70

1

6. Keterkaitan Kadar Logam-logam Transisi dengan Variasi Warna Batu Merah (Studi Eksploratif Pigmen Anorganik Alami dari Batu Merah di Desa Tajun, Kabupaten Buleleng, Bali) I Wayan Karyasa

73

7. Pengaruh Kandungan Silika Terhadap Sifat Termal Membran Hibrida Poli(metil metakrilat)/SiO2 Muhammad Ali Zulfikar, Abdul Wahab Mohammad, Amir H. Khadum

79

8. The Crystal Structure of An Octahedral Niobium Oxychloride Cluster Compound, Cs2GdNb6Cl15O3 (Abstract) Fakhili Gulo

86

9. Sintesis Itrium Aluminium Garnet (YAG)-Ce3+ dengan Metode Sol-Gel Loli Yusastri, I Made Joni, Camellia Panatarani

87

10. Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada Hibrid Amino-Silika dari Abu Sekam Padi Nuryono, L Dewi, MR Kurniasari, Narsito

90

11. Prakonsentrasi dan Analisis Kelumit Selektif Spesies Cr(VI) Berdasarkan Teknik Analisis Injeksi Alir Ni Luh Gede Ratna Juliasih, Muhammad Bachri Amran

101

12. Pemisahan Selektif Pr(III) dan Nd(III) dari Larutan Encer Menggunakan Resin Terimpregnasi yang Mengandung Asam Di-2-etilheksilfosfat Ibnu Khaldun, Buchari, Muhammad Bachri Amran, Amminuddin Sulaeman

108

13. Penerapan Metode Spektrofotometer Serapan Atom Nyala-Pembangkitan Hidrida untuk Penentuan Sn(II) pada Level ng dalam Larutan A. Sentosa Panggabean, Muhammad Bachri Amran, Buchari, Sadijah Achmad

115

14. Alumina-Asam Termodifikasi untuk Prakonsentrasi dan Analisis Kelumit Timbel Berbasis Analisis Injeksi Alir Muhammad Iqbal, Muhammad Bachri Amran

122

15. Prakonsentrasi dan Analisis Kelumit Selektif Ion Timbel Berbasis Analisis Injeksi Alir Menggunakan Resin XAD Termodifikasi Muhammad Bachri Amran

132

16. Isolasi dan Analisis Senyawa Antioksidan Spons Petrosia sp. dan Beberapa Soft Coral dari Perairan Kepulauan Seribu Ifah Munifah, Thamrin Wikanta, Hedi Indra Januar

140

17. Penggunaan Kitosan untuk Meningkatkan Permeabilitas (Fluks) dan Permselektivitas (Koefisien Rejeksi) Membran Selulosa Asetat Maria Erna, T Ariful Amri, Resti Yevira

149

2

18. Studi Pendahuluan: Penggunaan Berulang Larutan Natrium Hidroksida dalam Pembuatan Kitosan Ariyanti Suhita Dewi, Yusro Nuri Fawzya

154

19. The Effect of Cinnamon on Bacterial Growth, Protein Degradation, and Amino Acid and Fatty Acid Contents of Milks at Storage Tatik Khusniati, Yantyati Widyastuti

162

20. Pengaruh pH dan Konsentrasi Awal pada Proses Ozonisasi Limbah Pabrik Asam Tereftalat Murni Indar Kustiningsih, Yeyen Maryani, Devi Sri Grahayu, Qoriatun Hasanah

171

21. Pentadekanal, Senyawa Antimikrob Hasil Sekresi Kimia Pertahanan Rayap Tanah Coptotermes curvignathus Holmgren (Isoptera: Rhinotermitidae) Farah Diba

177

22. Isolasi dan Identifikasi Steroid dari Tumbuhan Ciplukan (Physalis angulata) Susilawati, Herdini, Lusia Wilza

183

23. In Vitro Antifungal Activity of Xanthorrhizol Isolates from Curcuma xanthorrhiza Roxb. Against Pathogenic Candida, Opportunistic Filamentous Fungi and Malassezia Yaya Rukayadi, Jae-Kwan Hwang

191

24. Keladi Tikus (Typhonium flagelliforme) sebagai Antikanker: Mekanisme Inhibisi Ekstrak Etanol dan Ekstrak Air terhadap Aktivitas Enzim Tirosin Kinase (Abstrak) Dyah Iswantini, Gustini Syahbirin, Yusuf Affandi

203

25. Uji Aktivitas Antibakteri Propolis Lebah Madu Trigona spp. AE Zainal Hasan, I Made Artika, Kasno, AD Anggraini

204

26. Pengolahan Limbah Fotografi Menggunakan Pirolisis Semprot Nyala Arif Jumari, Sperisa Distantina, A Purwanto

216

27. Analisis Spesies Boron dalam Cairan Floem Tanaman Jarak (Ricinus communis L.) dengan Metode PNC PAGE-ICP MS Noor Fitri, Björn Thiele, Klaus Günther, Buchari

223

28. Ekstraksi Xilan dari Tongkol Jagung untuk Medium Pertumbuhan Bacillus pumilus RXAIII-5 Penghasil-Xilanase Nur Richana, Tun Tedja Irawadi, M Anwar Nur, Illah Sailah, Khaswar Syamsu, Yandra Arkenan

229

29. Beberapa Senyawa Heterosiklik yang Berpotensi sebagai Inhibitor Korosi pada Baja Karbon dalam Larutan NaCl 1% Deana Wahyuningrum, Sadijah Ahmad, Yana Maolana Syah, Buchari, Bambang Ariwahjoedi

237

3

30. Peningkatan Kandungan Unsur Hara Kalium dan pH Tanah Gambut Menggunakan Dregs (Limbah Bagian Recauticizing Pabrik Pulp) Roza Linda, Rini, Admin Alif, Teguh Budi Santoso, Akmal Mukhtar

246

31. Pemanfaatan Kertas Bekas sebagai Bahan Baku Alternatif Pembuatan Etanol Agus Rochmat, Indar Kustiningsih, Dedik Dermady, Asih Suharsih

252

32. Sintesis dan Pencirian Surfaktan Berbasis-inyak Sawit dan Karbohidrat untuk Aditif Produk Pangan dan Detergen Komar Sutriah, Tun Tedja Irawadi, M Farid, M Khotib, Betty M. Soebrata, Henny Purwaningsih

259

Makalah Penyaji Poster 1. Senyawa Difenil Eter Terpolibrominasi dari Spons Microciona sp. dari Mentawai, Sumatera Barat Irmanida Batubara, Latifah K Darusman, Anggia Murni, Ekowaty Chasanah

271

2. Perbandingan Sistem Ekstraksi dalam Penentuan Kadar Xantorizol Temulawak Irmanida Batubara, Latifah K Darusman, Sri Wahyuni Nur

279

3. Identifikasi Fraksi Daging Buah Picung (Pangium edule Reinw.) yang Aktif sebagai Insektisida Botani terhadap Ulat Grayak (Spodoptera litura F. [Lepidoptera: Noctuidae]) Zulhan Arief, Elly Suradikusumah, Irmanida Batubara

288

4. Uji Aktivitas Antidiabetes Ekstrak Air Biji Jengkol (Pithecellobium jiringa [Jack] Prain ex King [Leguminosae]) pada Tikus Putih Irma R Kartika, Muktiningsih Nurjayadi, Fera Kurniadewi, Dwianantyo Setyadi

298

5. Aktivitas Antioksidan Ekstrak Mahkota Dewa, Temu Putih, Sambiloto, dan Keladi Tikus Secara In Vitro (Abstrak) Dyah Iswantini, Dedy Irawan, Gustini Syahbirin

303

6. Kajian Teknik Ekstraksi dan Identifikasi DHA, Sterol, dan Kuinon dalam Minyak Schizochytrium sp. Galur SR21 Tri Marwati

304

7. Spektrofotometri Derivatif Ultraviolet untuk Analisis Kuantitatif Kuinin dalam Tablet Obat M Rafi, E Suradikusumah, I Batubara, E Daryadi

311

8. Konversi Eugenol dari Minyak Daun Cengkeh Menjadi Isoeugenol dengan Pemanasan Gelombang Mikro Tatang Hidayat, Edy Mulyono

316

9. Daya Inhibisi Ekstrak Kasar Flavonoid Sambiloto (Andrographis paniculata [Burm. F] Ness) dan Temu Putih (Curcuma zedoaria Roscoe) terhadap Aktivitas Tirosin Kinase secara In Vitro 323 Gustini Syahbirin, Dyah Iswantini Pradono, Tri Rahayu

4

10. Perbandingan Metode Ekstraksi Daging Biji Picung (Pangium edule Reinw.) dan Uji Toksisitas terhadap Artemia salina Leach. Tuti Setiawati Sudjana, Eti Rohaeti, Filia Candra Yunita

330

11. Adsorption of Amine Species on Nano-Ball Allophane and Its Molecular Orbital Mechanism (Abstract) Zaenal Abidin, Naoto Matsue, Henmi Teruo

334

12. Pemanfaatan Zeolit Alam Cikalong sebagai Adsorben Kromium Limbah Cair Proses Penyamakan Kulit Eti Rohaeti, Muhammad Sri Saeni, Astiana Sastiono

335

13. Teknik Separasi dan Aplikasinya pada Industri Agro Edy Mulyono, Tri Marwati

340

14. Pengaruh Kapur terhadap Pelepasan Gas H2S dan Unsur Hara pada Manur Ayam Petelur Charlena, Irma H Suparto, Aldi Eka Praja

348

15. Pengaruh Penambahan Kapur terhadap Pelepasan Gas NH3 pada Manur Ayam Petelur Charlena, Irma H Suparto, M Farid Humaidi

361

16. Adsorpsi Karbon Aktif Termodifikasi-Zink Klorida terhadap Surfaktan Anionik pada Berbagai pH Tetty Kemala, Ahmad Sjachriza, Dyah Pratama Puspitasari

372

17. Kajian Tanaman Anting-anting (Acalypha indica L.) sebagai Penurun Glukosa Darah (Abstrak) Purwantiningsih Sugita, Latifah K Darusman, Abadi Soetisna, Nurlaila, Danang Widya Wardhana

379

18. Sintesis dan Optimalisasi Gel Kitosan-Karboksimetil Selulosa Purwantiningsih Sugita, Achmad Sjachriza, Rachmanita

380

19. Pencirian Membran Selulosa dari Kulit Nanas Menggunakan SEM, FTIR, dan Nilai Fluks Betty Marita Soebrata, Sri Mulijani, Tya Prawesti Diana Putri

387

20. Modifikasi Kulit Singkong sebagai Bioremoval Logam Pb(II) dan Cd(II) Betty Marita Soebrata, Muhammad Sri Saeni, Indiah Ratna Dewi

398

21. Potensi Beberapa Pakan Ikan Laut Alami dalam Pengadaan Asam Lemak Esensial pada Ikan Baronang (Siganus canaliculatus) Anna Priangani Roswiem 407 22. Efek Androgenik dan Anabolik Madu pada Anak Ayam Jantan (Tidak ada naskah) Anna Priangani Roswiem

413

5

SAMBUTAN KETUA PANITIA SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA 2006

Assalamualaikum wr.wb. Puji syukur alhamdullillah kita panjatkan ke hadirat Allah Yang Mahaesa, atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 ini dapat berlangsung sesuai dengan tempat dan waktu yang telah direncanakan. Seminar nasional ini dapat terselenggara atas kerja sama Departemen Kimia FMIPA IPB dengan Himpunan Kimia Indonesia (HKI) Cabang Jawa Barat dan Banten, sebagai salah satu acara dalam rangkaian peringatan Dies Natalis IPB ke-43 sekaligus sebagai bagian dari Program Hibah Kompetensi A2 Departemen Kimia IPB. Adapun tema yang diangkat dalam seminar nasional ini ialah Peranan Kimia Memacu Kemajuan Industri. Pada kesempatan yang baik ini kami menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Menteri Perindustrian RI, Bapak Rektor IPB, para pembicara tamu, Ketua Departemen Kimia IPB, Ketua HKI Cabang Jabar dan Banten, para donatur dan sponsor, serta seluruh peserta seminar dan para undangan, atas segala partisipasi dan bantuannya. Rasa bangga dan terima kasih juga kami haturkan kepada seluruh anggota panitia dan Himpunan Profesi Imasika yang telah bekerja keras dan bahu-membahu demi suksesnya acara ini. Akhirnya kami ucapkan selamat mengikuti seluruh rangkaian kegiatan seminar ini. Semoga bermanfaat. Wassallamu’alaikum wr. wb.

Bogor, 12 September 2006 Panitia Pelaksana,

Dr. Purwantiningsih S, MS

1

SAMBUTAN KETUA DEPARTEMEN KIMIA INSTITUT PERTANIAN BOGOR Assalamualaikum Warrahmatullahi Wabarakatuh Selamat pagi dan salam sejahtera Yang terhormat Bapak Menteri Perindustrian RI, Bapak Rektor IPB, Bapak Ketua HKI Cabang Jabar dan Banten, para pembicara tamu, serta undangan sekalian. Pertama-tama, marilah kita panjatkan puji syukur ke hadirat Ilahi karena atas perkenan-Nya kita boleh bertemu dan berkumpul pada kegiatan Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 ini dalam keadaan sehat walafiat. Sehubungan dengan tema yang diangkat dalam seminar nasional ini, yaitu Peranan Kimia Memacu Kemajuan Industri, sebagai Ketua Departemen Kimia, saya berharap tema ini bermanfaat bukan hanya bagi kalangan dosen dan peneliti kimia, melainkan juga bagi masyarakat dan para pelaku industri. Melalui penelitian, pengembangan, dan penerapan ilmu kimia, bidang industri dapat mengeksplorasi proses yang lebih efektif dan efisien dan menghasilkan produk baru yang bernilai jual tinggi, sehingga dapat menciptakan lapangan kerja baru dan juga menarik minat investor, yang pada akhirnya dapat meningkatkan perekonomian Indonesia. Untuk itu, saya menyampaikan terima kasih dan penghargaan kepada panitia penyelenggara atas segala usaha dan upaya yang telah dilakukan. Saya sangat berharap seminar ini tidak hanya ditindaklanjuti dengan penelitian lanjutan, tetapi yang terpenting ialah untuk pengembangan industri baik industri besar maupun usaha kecil dan menengah. Pada kesempatan ini saya juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Bapak Menteri Perindustrian RI yang berkenan hadir sebagai pembicara kunci, dan kepada Bapak Rektor, saya mohon berkenan memberi sambutan dan secara resmi membuka acara Seminar Nasional HKI 2006. Demikian sambutan saya, mudah-mudahan seminar nasional ini berjalan baik dan lancar. Selamat mengikuti seminar nasional, semoga bermanfaat. Wassalamu’alaikum warrahmatullahi wabarokaatuh. Ketua Departemen Kimia FMIPA IPB

Prof. Dr. Tun Tedja Irawadi, MS.

2

SAMBUTAN REKTOR INSTITUT PERTANIAN BOGOR PADA SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA Selasa, 12 September 2006

Yang terhormat, Menteri Perindustrian Saudara sekalian peserta seminar yang berbahagia, Assalamu'alaikum Wr.Wb., Selamat pagi dan Salam sejahtera. Segala puji dan syukur marilah kita panjatkan kepada Allah SWT, Tuhan Yang Maha Pengasih dan Penyayang, atas izin-Nya, sehingga kita semua dapat berkumpul untuk bersama-sama mengikuti acara yang penting bagi kita semua, yaitu Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia, dengan tema Peranan Kimia Memacu Kemajuan Industri. Pada hari ini juga akan dilakukan Pelantikan DPP Himpunan Kimia Indonesia periode 2006–2009 dan Pemilihan Ketua Himpunan Kimia Indonesia Cabang Jawa Barat dan Banten periode 2006–2009. Mewakili sivitas akademika IPB, saya mengucapkan terima kasih atas kepercayaannya menjadikan IPB sebagai tuan rumah pada acara yang penting ini. Saya ucapkan selamat datang kepada seluruh peserta seminar di Kampus IPB Darmaga, Bogor. Pada bulan September 2006 ini IPB sedang merayakan Dies Natalisnya yang ke-43. Dalam rangka Dies Natalis tersebut, selama satu bulan penuh diselenggarkan berbagai macam kegiatan seperti seminar, ekspos hasil-hasil penelitian, orasi guru besar, pesta sains, open house, berbagai aksi pelayanan dan pemberdayaan masyarakat, serta kegiatan penunjang seperti pertandingan olah raga, lomba-lomba, dan atraksi kesenian. Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia yang diselenggarakan di IPB ini telah turut serta mengisi dan memeriahkan kegiatan Dies Natalis IPB ke-43 tersebut. Saudara sekalian yang saya hormati Indonesia dikenal sebagai negara yang mempunyai potensi sumber daya alam hayati dan non hayati yang sangat besar dan beragam untuk digali serta dikembangkan ke arah pengembangan produksi industri kimia. Seperti kita ketahui bahwa sumber daya alam Indonesia sangat kaya, baik dalam jumlah maupun jenisnya, termasuk aneka ragam produk pertanian. Salah satu sumber daya alam yang berpotensi besar untuk dikembangkan dan digali adalah laut. Indonesia dengan luas lautan yang mencakup hampir 2/3 luas wilayahnya seharusnya bisa memanfaatkannya sebagai bahan baku untuk kebutuhan industri kimia dasar. Pengelolaan dan pemanfaatan produk tersebut sampai saat ini masih belum optimal, karena masih dipasarkan dalam bentuk bahan mentah yang nilai tambahnya sangat rendah. Salah satu cara yang andal dalam meningkatkan nilai tambah produk tersebut adalah mengembangkan industri kimia.

3

Sebagai contoh nilai tambah produk kelapa sawit di Indonesia masih relatif lebih rendah dibandingkan dengan di Malaysia. Melalui teknologi kimia sederhana sebenarnya CPO dapat dijadikan bahan baku untuk menghasilkan turunan-turunannya yang dapat menghasilkan nilai tambah lebih tinggi. Saudara sekalian yang saya hormati. Industri kimia dan farmasi adalah salah satu sektor yang diminati oleh investor. Dengan cakupan yang sangat Iuas, industri ini diramalkan akan terus berkembang pesat di Indonesia pada masa-masa mendatang. Sementara itu, industri kimia ini ke depan akan semakin kompleks dibandingkan dengan sebelumnya, karena mencakup berbagai proses kimia yang lebih kompleks dalam berbagai skala dan kombinasi serta diatur dengan undang-undang, termasuk masalah keselamatan kerja. Persaingan global yang makin tinggi membuat konsumen menuntut kualitas produk terbaik dengan harga yang terjangkau. Untuk itu, teknologi kimia yang feasible harus terus-menerus dikembangkan agar produk-produk yang dihasilkan dapat bersaing di pasar internasional. Untuk itu peran pemerintah, akademisi/perguruan tinggi, dan industri sangat penting dalam meningkatkan peran kimia dalam menunjang industrialisasi di Indonesia. Ketiga pihak tersebut harus bersinergi sesuai dengan perannya. IPB sebagai salah satu perguruan tinggi di Indonesia akan selalu mendukung penuh berbagai upaya peningkatan peran kimia terutama melalui penyediaan SDM yang berkualitas dan teknologi yang andal. Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia yang diselenggarakan pada hari ini adalah salah satu cara untuk meningkatkan peran tersebut. Seminar ini diharapkan dapat menjadi wahana untuk berinteraksi, melakukan pertukaran informasi hasil penelitian antara ilmuwan dan stakeholder dalam rangka pemberdayaan potensi kimiawi bahan hayati dan non hayati di Indonesia. Melalui fokus penelitian dan pengembangan yang baik, berbagai masalah yang ada dapat diselesaikan dengan tuntas. Untuk itu perlu kerja sama dengan berbagai pihak. Saya berharap agar seminar ini dapat memfasilitasi tumbuhnya jejaring antara pemerintah, perguruan tinggi/akademisi, dan industri, serta stakeholder lainnya baik di dalam maupun di luar negeri. Mudah-mudahan Seminar Nasional ini dapat berjalan dengan sukses sesuai dengan tujuan dan sasaran yang diinginkan. Semoga Allah SWT merestui dan selalu menunjukkan jalan yang terbaik bagi kita semua. Terima kasih atas perhatiannya, Billahi taufik wal hidayah, Wassalamu'alaikum wr.wb. Rektor IPB

Prof. Dr. Ir. H. Ahmad Ansori Mattjik, MSc

4

Menteri Perindustrian Republik Indonesia

SAMBUTAN KUNCI MENTERI PERINDUSTRIAN RI PADA SEMINAR NASIONAL HIMPUNAN KIMIA INDONESIA DENGAN TEMA PERANAN KIMIA MEMACU KEMAJUAN INDUSTRI Bogor, 12 September 2006

Assalamu’alaikum Wr. Wb Salam sejahtera bagi kita semua. Hadirin yang terhormat, Pertama-tama marilah kita panjatkan puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga hari ini kita dapat berkumpul bersama untuk menghadiri acara Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia. Kegiatan ini bertujuan sebagai usaha bersama untuk memberikan kontribusi dan pemikiran berharga bagi perkembangan industri nasional, khususnya dalam peningkatan peranan kimia memacu kemajuan industri. Dalam kesempatan ini saya sampaikan apresiasi kepada Himpunan Kimia Indonesia dan Institut Pertanian Bogor serta semua pihak yang telah bekerja keras sehingga acara Seminar Nasional Himpunan Kimia Indonesia 2006 ini dapat terselenggara dengan baik. Saudara-saudara yang terhormat Seperti yang kita ketahui bersama bahwa Ilmu kimia sangat berperan dalam kehidupan umat manusia. Penerapan ilmu kimia secara nyata diwujudkan dengan adanya berbagai macam produk yang dikembangkan oleh industri kimia. Dalam kehidupan sehari-hari, umat manusia tidak lepas dari penggunaan produk kimia dengan volume yang sangat besar, mulai dari sandang, pangan, dan papan tidak lepas dari proses kimia. Oleh karena itu, ilmu kimia mempunyai nilai ekonomi yang sangat besar dan potensinya sangat strategis untuk dikembangkan di Indonesia. Bahkan, kualitas, kuantitas, dan nilai ekonomi penggunaan produk kimia dapat dijadikan sebagai tolok ukur kemandirian suatu bangsa dalam percaturan dunia. Ilmu kimia dapat dikategorikan sebagai ilmu yang dinamis dan berkembang menyesuaikan perkembangan kualitas serta kuantitas kehidupan umat manusia. Peningkatan jumlah penduduk dan kesejahteraan masyarakat Indonesia mendorong perkembangan ilmu kimia nasional ke arah yang mutakhir. Dalam hal ini, peneliti dan praktisi ilmu kimia nasional harus berperan sebagai ujung tombak dari perkembangan ilmu kimia di Indonesia. Hal tersebut merupakan tantangan bagi peneliti dan praktisi kimia nasional agar selalu berkarya dengan performa yang unggul. Peneliti atau praktisi

5

kimia harus mempunyai keterkaitan yang kuat dengan praktisi industri agar mempunyai keterpaduan yang erat dalam pemanfaatan ilmu kimia di industri nasional. Perkembangan industri khususnya kimia sangat bertumpu pada keberhasilan peneliti dan praktisi kimia dalam mengembangkan ilmu dan produk kimia. Dengan kata lain, ilmu kimia adalah landasan bagi konsep perancangan/conceptual design bagi industri kimia. Pola penelitian ilmu kimia diupayakan dapat memenuhi kebutuhan peningkatan teknologi industri kimia nasional. Pola yang dapat dikembangkan meliputi rekayasa inovasi produk, optimalisasi proses reaksi kimia, pengembangan alur proses baru, akurasi analisis produk kimia, pemanfaatan limbah industri, serta integrasi teknologi komputasi dan informasi dalam ilmu kimia. Tentunya, peningkatan kualitas penelitian ilmu kimia tidak lepas dari keterkaitannya dengan ilmu alam Iainnya seperti ilmu fisika, matematika, bioteknologi, dan teknologi informasi. Peneliti dan praktisi kimia diharapkan membuka wawasan terhadap perkembangan ilmu-ilmu alam tersebut serta memadukannya dalam rangkaian keilmuan yang harmonis. Dengan demikian, kehadiran terobosan ilmu kimia dapat memberikan solusi dalam perkembangan industri kimia nasional khususnya yang berorientasi pasar komersial. Hadirin sekalian, Pemerintah berharap bahwa peneliti kimia nasional hendaknya melakukan penelitian yang saling mendukung dan menguntungkan antara peneliti dan sektor industri nasional. Kriteria mendukung dan menguntungkan berbeda-beda bergantung pada sisi stakeholder penelitian dan pengembangan kimia nasional. Dilihat dari sisi peneliti, angka kredit dan finansial dapat dijadikan sebagai motivasi agar terus berkarya dengan performa prima. Dari sisi industri, penelitian dan pengembangan kimia nasional diharapkan dapat menemukan inovasi baru yang dapat menjawab perkembangan zaman. Sementara dari sisi pemerintah, penelitian yang menguntungkan berarti mendongkrak taraf hidup masyarakat, menggerakkan sektor perekonomian, dan memperluas penguasaan teknologi dan kualitas SDM. Penelitian dan pengembangan ilmu kimia dharapkan dapat menghasilkan produk dan teknologi unggul yang dapat diterapkan di industri nasional. Kriteria unggul berarti mengandung terobosan baru sekaligus bernilai ekonomi tinggi dan bermanfaat bagi kemajuan masyarakat. Dengan demikian, investor dapat tertarik untuk membeli lisensi teknologi dan mengembangkannya melalui investasi di bidang tersebut. Dengan masuknya investasi industri berbasis pengetahuan (knowledgebased industry), maka sektor penelitian dan pengembangan produk dan teknologi bidang ilmu kimia menjadi garda terdepan dalam perindustrian nasional. Selain itu, upaya ini dapat mengurangi kebergantungan nasional pada lisensi produk dan teknologi dari Iuar negeri. Dalam melahirkan inovasi dan terobosan baru dalam industri nasional, peneliti kimia harus selalu melihat perkembangan industri dan hendaknya disesuaikan dengan skala prioritas yang sedang dibutuhkan oleh industri nasional. Penentuan skala prioritas ini bertujuan sebagai pengaturan agar hasil penelitian dapat Iangsung diterapkan untuk menjawab kebutuhan aktual sektor industri. Pemerintah bertugas sebagai fasilitator dalam penentuan skala prioritas penelitian bekerja sama dengan pihak-pihak terkait. Dalam menentukan skala prioritas tersebut, pemerintah menggunakan dasar kebijakan pengembangan industri nasional yang tercantum dalam Rencana Pembangunan Jangka Menengah. Pemerintah telah menetapkan kebijakan pengembangan industri nasional dengan pendekatan klaster. Pengertian klaster adalah sebagai aglomerasi industri inti, pendukung, dan penyedia Iayanan secara terintegrasi di lingkungan kawasan tertentu. Pemerintah telah menetapkan 7 fokus klaster yang akan dikembangkan di bidang industri agro dan kimia. Fokus tersebut adalah industri makanan dan minuman, hasil taut, kelapa sawit, kayu, karet, pulp dan kertas, petrokimia, dan pengolahan bahan galian non logam. Kontribusi aktif peneliti dan praktisi kimia nasional dalam pengembangan fokus klaster tersebut sangat dinantikan oleh pemerintah sebagai fasilitator klaster dan sektor swasta sebagai pelaku usaha.

6

Hadirin yang saya hormati, Pertemuan yang membahas tentang peranan kimia dalam memacu industri nasional seperti ini sangat penting dalam menunjang industrialiasi Indonesia, khususnya industri kimia. Pokok pikiran dan bahasan yang akan dikaji dalam pertemuan ini hendaknya disesuaikan dengan perkembangan terkini dan isu aktual yang berkembang, terutama di bidang produk kimia yang akhir-akhir ini mengemuka. Sebagai contoh saat ini pemerintah gencar menggalakkan pemakaian energi alternatif pengganti BBM (biofuel) seperti biodiesel, bioetanol, biooil, dan biomassa. Praktisi kimia hendaknya memandang ini sebagai peluang berkontribusi melalui penelitian yang inovatif dan menguntungkan. Bidang yang dapat dikaji mendalam meliputi sistem produksi biofuel, pemanfaatan Iimbah industri biofuel, hingga peningkatan keekonomian biofuel melalui inovasi pengembangan produk samping biofuel seperti gliserol. Analog dengan bidang biofuel, tidak menutup kemungkinan pengembangan bidang industri kimia lainnya seperti industri berbasis CPO, karet, dan kakao. Sektor industri tersebut menunggu langkah nyata dari peneliti dan praktisi kimia nasional untuk berkontribusi melalui penelitian ilmu kimia yang inovatif dan menguntungkan. Pemerintah menyambut balk usaha-usaha yang dilakukan pihak-pihak terkait dalam memacu industri nasional melalui penelitian di bidang ilmu kimia. Dalam hal itu, pemerintah mengharapkan agar selalu menempatkan segi teknologi, ekonomi, dan lingkungan dalam menentukan langkah penelitian ilmu kimia. Pertemuan ini diharapkan dapat menghasilkan sinergi yang menguntungkan, khususnya bagi peneliti dan praktisi kimia dan praktisi industri kimia nasional. Selain itu, pemerintah mengharapkan pertemuan ini dapat digunakan sebagai momen untuk membuka saluran komunikasi antara peneliti, praktisi kimia, praktisi industri kimia, pihak perguruan tinggi, pihak pemerintah maupun swasta yang selama ini dirasakan belum berjalan secara optimal. Pertemuan ini diharapkan juga memberikan kesadaran akan pematenan hasil penelitian dan pengembangan kimia agar tidak terjadi penjiplakan bahkan pengakuan hasil penelitian oleh pihak-pihak yang tidak seharusnya mematenkan hasil penelitian. Bagaimanapun juga, kesadaran atas Hak atas Kekayaan Intelektual (HaKI) harus ditanamkan dengan balk oleh para peneliti dan praktisi kimia nasional. Hadirin yang saya hormati, Dalam kesempatan ini saya mengharapkan kepada seluruh peserta seminar untuk memberikan dukungan yang penuh dan sumbang saran yang bermanfaat bagi perkembangan ilmu kimia dalam memacu kemajuan industri nasional. Manfaatkanlah acara Seminar Himpunan Kimia Indonesia ini sebagai ajang berkumpul, berdiskusi, dan mengkaji bersama tentang terobosan inovasi dan teknologi kimia nasional. Pada kesempatan ini pula, saya mengharapkan agar seminar ini berjalan dengan lancar dan menghasilkan berbagai pemikiran serta langkah-langkah nyata dalam memacu kemajuan industri kimia nasional. Akhirnya dengan mengucapkan "Bismillahirrohmanirrohim" acara Seminar Himpunan Kimia Indonesia ini, resmi saya buka dan selamat berseminar Sekian dan terima kasih Wassalamualaikum Wr.Wb MENTERI PERINDUSTRIAN

FAHMI IDRIS

7

PENGKAJIAN TEKNOLOGI PROSES DALAM LINGKUP AGROINDUSTRI DAN BIOTEKNOLOGI UNTUK MENINGKATKAN DAYA SAING INDUSTRI INDONESIA Wahono Sumaryono Deputi Kepala BPPT Bidang Teknologi Agroindustri dan Bioteknologi

PENDAHULUAN Indonesia dikaruniai kondisi geografis dan sumber daya alam yang sangat potensial untuk dikembangkan menjadi aneka jenis industri, mulai dari industri yang bersifat ekstraktif, pengolahan, manufaktur, sampai dengan industri jasa. Untuk pengembangan industri, mutu sumber daya manusia dan penguasaan teknologi serta modal kerja merupakan peubah determinan. Indonesia memiliki luas daratan lebih dari 1.9 juta km2 dan sekitar 70%-nya dapat dimanfaatkan untuk kegiatan pertanian, perkebunan, dan kehutanan. Indonesia juga memiliki lautan teritorial seluas 2.8 juta km2, dengan 8.36 juta ha di antaranya sangat potensial untuk budi daya perikanan laut. Selain itu, perairan darat seluas 14 juta ha juga potensial untuk budi daya perikanan air tawar dan payau. Oleh karena itu, pengembangan kawasan berbasis agroindustri merupakan pilihan yang tepat bagi Indonesia karena lebih dari separuh penduduknya tinggal di pedesaan. Dengan jumlah pengangguran yang relatif tinggi dan iklim investasi asing yang belum kondusif, pengembangan agroindustri dan penerapan bioteknologi untuk pertanian akan memberikan solusi bagi peningkatan nilai tambah produk-produk agro. Hal tersebut juga akan berpengaruh terhadap penyerapan tenaga kerja maupun kontribusi yang cukup signifikan bagi pertumbuhan ekonomi. Dampak positif juga akan terjadi pada peningkatan produk domestik bruto (PDB) tingkat nasional. Dalam rangka peningkatan daya saing industri, segi peningkatan produktivitas perlu diperhatikan. Hal-hal yang bersifat spesifik daerah terkait dengan produk-produk agro, dukungan pemerintah melalui kebijakan industri, dan perdagangan yang efektif juga perlu diperhatikan.

KONDISI AKTUAL Kondisi Pertanian Nasional Pembangunan pertanian dalam arti luas dilakukan untuk mendukung pencapaian sasaran penciptaan lapangan kerja terutama di pedesaan dan mendukung pertumbuhan ekonomi nasional. Pada tahun 2004, sektor pertanian, mencakup tanaman bahan makanan, peternakan, hortikultura, perkebunan, perikanan, dan kehutanan, menyerap 44.04% tenaga kerja dari total angkatan kerja dan memberikan kontribusi sebesar 15.23% dari PDB nasional. Sektor pertanian juga berperan besar dalam penyediaan pangan untuk mewujudkan ketahanan pangan dalam rangka memenuhi hak atas pangan. Tingkat kesejahteraan, antara lain tercermin dari nilai tukar petani/nelayan, termasuk masyarakat yang tinggal di sekitar dan bergantung pada hutan, menunjukkan bahwa pada tahun 2003 di sebagian besar wilayah, nilai tukar petani/nelayan masih di bawah nilai tukar tahun 1983. Artinya, meskipun kontribusi sektor pertanian secara keseluruhan sangat besar terhadap perekonomian nasional, kesejahteraan petani dan nelayan tidak mengalami perubahan. Selanjutnya, sekitar 70−80% kelompok masyarakat ini termasuk golongan miskin dengan usaha pertanian, perikanan, dan kehutanan yang masih bersifat tradisional dan subsisten. Minimnya akses terhadap informasi, sumber permodalan,

8

dan penguasaan pasar menyebabkan masyarakat petani/nelayan dan masyarakat pesisir tidak dapat mengembangkan usahanya secara layak. Lahan pengusahaan petani semakin sempit sehingga pendapatan yang diperoleh tidak mencukupi kebutuhan dan kurang mendorong upaya peningkatan produksi. Berdasarkan hasil Sensus Pertanian, jumlah petani dalam kurun waktu 1983−2003 meningkat, tetapi jumlah lahan pertanian justru menurun. Akibatnya, rata-rata pemilikan lahan per petani menyempit dari 1.30 menjadi 0.70 ha. Dengan luasan lahan usaha tani seperti ini, meskipun produktivitas per luas lahan tinggi, tidak dapat memberikan pendapatan yang cukup bagi petani untuk menghidupi rumah tangga dan mengembangkan usaha mereka. Hal ini merupakan tantangan besar dalam rangka mengamankan produksi padi/beras dalam negeri untuk mendukung ketahanan pangan nasional pada khususnya dan peningkatan daya saing, serta komoditas pertanian pada umumnya. Akses petani dan nelayan ke sumber daya produktif, permodalan, dan layanan usaha masih sangat terbatas. Dukungan kredit untuk usaha pertanian dalam mendukung kebutuhan modal petani dan nelayan masih terbatas. Keterbatasan modal kurang mendorong petani dan nelayan untuk menerapkan teknologi tepat guna dalam meningkatkan produktivitas, membatasi peningkatan nilai tambah, dan berakibat pada kebergantungan terhadap penyedia modal informal (pengijon). Akses terbatas petani dan nelayan terhadap prasarana dan sarana transportasi juga menghambat pemasaran produk pertanian dan perikanan sehingga menekan harga produk. Masih rendahnya sistem alih teknologi dan diseminasi teknologi pengolahan produk pertanian dan perikanan berakibat pada rendahnya produktivitas serta nilai tambah produk pertanian dan perikanan. Dalam sepuluh tahun terakhir, subsektor perkebunan, peternakan, dan perikanan masingmasing tumbuh sekitar 4.9, 3.6, dan 5.8% per tahun. Namun demikian, nilai tambah komoditas ini masih rendah karena pada umumnya dipasarkan dalam bentuk segar (produk primer) dan olahan sederhana. Kondisi ini diperberat oleh semakin tingginya persaingan produk dari luar negeri, baik yang masuk melalui jalur legal maupun ilegal. Dalam tiga tahun terakhir, Indonesia sudah menjadi importir neto untuk komoditas tanaman bahan makanan, hasil ternak dan pakan ternak, beras, jagung, dan gula. Suatu ilustrasi tentang aneka jenis industri dan kontribusinya terhadap PDB tahun 2004 serta gambaran distribusi tenaga kerja per sektor untuk tahun 2005 digambarkan secara berurutan pada Tabel 1 dan 2. Tabel 1 Produk domestik bruto tahun 2004 berdasarkan harga pasar No 1

2 3 4 5 6 7 8 9

Jenis Industri Pertanian, Peternakan, Kehutanan, dan Perikanan a. Pertanian Tanaman Pangan b. Pertanian Non Pangan c. Peternakan dan Produknya d. Kehutanan e. Perikanan Pertambangan dan Quarrying Industri Manufaktur Listrik, Gas, dan Air Konstruksi Perdagangan, Hotel, dan Restoran Transportasi dan Komunikasi Keuangan dan Jasa Bisnis Jasa (Services) Total PDB

Rp Miliar

%

252,953 124,579 39,920 32,158 18,396 37,900 160,655 469,118 11,066 97,467 271,177 95,772 150,936 151,435 1,660,579

15.23 7.50 2.40 1.94 1.11 2.28 9.67 28.25 0.67 5.87 16.33 5.77 9.09 9.12 100.00

Sumber: BPS (2006)

9

Tabel 2 Komposisi penduduk dengan umur di atas 15 tahun yang bekerja menurut sektor (tahun 2005) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Main Industry Agriculture, Forestry, Hunting, and Fishery Mining and Quarrying Manufacturing Industry Electricity, Gas, and Water Construction Wholesale Trade, Retail Trade, Restaurants, and Hotels Transportation, Storage, and Communications Financing, Insurance, Real Estate, and Business Services Community, Social, and Personal Services Total

Jumlah Tenaga Kerja (orang) (%) 41,814,197 808,842 11,652,406 186,801 4,417,087 18,896,902 5,552,525 1,042,786 10,576,572 94,948,118

44.04 0.85 12.27 0.20 4.65 19.90 5.85 1.10 11.14 100.00

Komponen Sistem Pembangunan Pertanian Sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya, sistem pembangunan pertanian pada dasarnya merupakan suatu kesatuan yang terdiri atas bagian-bagian yang saling berinteraksi satu sama lain dan secara keseluruhan memiliki tujuan tertentu. Dalam sistem pembangunan pertanian (agribisnis) paling tidak terdapat 4 subsistem yang saling berinteraksi, yaitu subsistem pembibitan, budi daya, pengolahan, dan pemasaran. Kinerja (performance) sistem secara keseluruhan akan sangat menentukan keberhasilannya dalam menghasilkan luaran (output) yang diharapkan. Pembibitan merupakan subsistem yang akan menentukan mutu dan jumlah produk yang dihasilkan oleh subsistem budi daya, dan selanjutnya dijadikan bahan baku agroindustri dan siap dipasarkan. Mutu produk yang dipasarkan pada rantai terakhir tidak hanya ditentukan oleh kinerja dari subsistem pemasaran, tetapi juga oleh kinerja subsistem-subsistem di hulunya. Hal ini menunjukkan adanya interaksi antarsubsistem yang terlibat dalam sistem agribisnis, yang secara keseluruhan akan menentukan keberhasilan pencapaian tujuan sistem (dalam hal ini menghasilkan produk pertanian bermutu tinggi dan berdaya saing tinggi di pasar). Subsistem budi daya merupakan kegiatan-kegiatan yang dilakukan petani yang menggunakan masukan berupa bibit dan prasarana produksi lainnya yang disediakan oleh subsistem di hulu dan menghasilkan luaran yang akan digunakan oleh subsistem di hilir. Kinerja subsistem ini akan menentukan kinerja sistem secara keseluruhan, sehingga setiap subsistem memiliki kontribusi terhadap luaran yang dihasilkan oleh sistem secara keseluruhan. Subsistem pengolahan dapat dibedakan menjadi pengolahan pascapanen dan hasil pertanian. Pengolahan pascapanen adalah proses pengolahan bentuk fisik produk sehingga lebih tahan lama dan memberikan nilai tambah yang lebih tinggi, misalnya bagaimana mengubah kedelai menjadi beras kedelai atau tepung kedelai, atau jagung menjadi tepung maizena. Sementara pengolahan hasil pertanian lebih diarahkan pada pengolahan produk pertanian menjadi produk-produk baru yang memiliki nilai tambah tinggi. Hal tersebut dapat dilakukan melalui teknologi fermentasi, kimiawi, fisikokimiawi, biokimiawi/bioteknologi, farmasi, dan sebagainya. Subsistem pemasaran merupakan rantai akhir subsistem yang ada pada sistem pembangunan pertanian. Subsistem ini merupakan ujung tombak dari upaya meningkatkan ekspor produk pertanian dalam rangka meningkatkan penghasilan devisa. Penyempurnaan subsistem pemasaran diharapkan dapat menghasilkan akses yang lebih besar tarhadap pemasaran produk di pasar domestik maupun internasional.

10

DAYA SAING-PRODUKTIVITAS-KOMPETISI INDUSTRI Pengertian Daya Saing Dalam perspektif tingkatan yang berbeda (mikro, meso, makro), istilah daya saing (competitiveness) memiliki pengertian yang berbeda walaupun saling berkaitan satu dengan lainnya. Pada tingkat mikro (perusahaan), daya saing diartikan sebagai kemampuan untuk mengatasi perubahan dan persaingan pasar dalam memperbesar dan mempertahankan keuntungan (profitability), pangsa pasar, dan/atau ukuran bisnisnya (skala usahanya). Tingkatan meso (industri) mendefinisikan daya saing sebagai kemampuan suatu industri (agregasi perusahaan dan keterkaitan di antaranya) untuk menghasilkan produktivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan industri pesaingnya. Sementara itu, pengertian daya saing pada tingkat makro ialah daya tarik (attractiveness) atau kemampuan membentuk (menawarkan) lingkungan paling produktif bagi bisnis (termasuk menarik talenta/talented people), investasi dan mobile factors lain, serta determinan lain dan kinerja unggul yang berkelanjutan.

Unsur-unsur Produktivitas Kemampuan menghasilkan produktivitas yang lebih tinggi merupakan salah satu prasyarat bagi peningkatan daya saing di tingkat mikro maupun meso. Untuk mencapai produktivitas tersebut, unsurunsur yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut: Biaya (cost): a. Tenaga kerja langsung (direct labor) b. Overhead c. Material dan energi d. Penjualan dan distribusi e. Biaya modal (cost of capital) Nilai (value): a. Desain b. Mutu c. Pelayanan d. Kompetensi (competence) e. Citra (image) Waktu (time): a. Ketanggapan (responsiveness) b. Inovasi c. Keandalan (reliability) d. Teknologi

Kompleksitas dan Kompetisi Industri Kemampuan industri untuk mencapai dan mempertahankan daya saing pada sisi internal dipengaruhi oleh tekanan pada biaya investasi dan biaya produksi, regulasi, tuntutan dari pemangku kepentingan (stakeholders) untuk memperoleh keuntungan secara cepat, serta tingginya biaya dan risiko untuk melaksanakan penelitian dan pengembangan. Dari sisi eksternal, kemampuan sangat dipengaruhi oleh pasar dan persaingan yang terus berubah, cepatnya perubahan teknologi,

11

kompleksitas teknologi dan/atau produk, serta tekanan globalisasi. Diagram pada Gambar 1 menunjukkan gambaran komprehensif mengenai segi-segi yang memengaruhi kemampuan suatu industri untuk mencapai dan mempertahankan daya saingnya.

Gambar 1 Dinamika kompleksitas dan kompetisi industri. Beberapa pakar terkemuka mengemukakan pendapatnya tentang kiat-kiat untuk memenangkan persaingan dalam era globalisasi yang ditunjukkan dengan cepatnya perubahan. Kutipan dua pakar tersebut adalah sebagai berikut: Peter F. Drucker (Pakar Manajemen Industri) 1. “…….. in technology (GLOBALIZATION) …… we are entering a period of turbulence, period of rapid innovation. But, such condition is also one of great opportunity for those who can understand, accept and exploit the new realities. It is, above all, a time of opportunity for leadership” 2. .“…….. The greatest danger in times of turbulence is not the turbulence itself ……., but to act with yesterday’s logic” Marcel Proust “The real voyage of DISCOVERY consist not in seeking new lands, but in seeing with new eyes Æ VISION Æ MISION Æ STRATEGY“

Faktor Lokal dan Kemampuan Daya Saing Sejarah menunjukkan bahwa kemampuan daya saing suatu bangsa lebih banyak ditentukan oleh kemampuan menghasilkan produk yang sarat dengan pengetahuan/teknologi (knowledge/technology intensive) dibandingkan dengan yang mengandalkan sumber daya alam (resource base). Meskipun demikian, daya saing juga dapat dicapai dengan mengedepankan keunikan yang erat kaitannya dengan konteks “daerah” (lokalitas). Daya saing global semakin ditentukan oleh faktor-faktor lokalitas, dan agenda peningkatan daya saing perlu beriringan dengan upaya penguatan kohesi sosial masyarakat yang semakin maju. Perspektif hubungan antara konteks daerah dan jangkauan global ditunjukkan pada Gambar 2.

12

Internasional Regional Nasional Daerah/ Lokal

Kohesi Sosial • Kecukupan • Pembangunan Masyarakat • Identitas Budaya • Nilai Keluarga

Daya Saing Global • Efektivitas • Efisiensi • Produktivitas • Inovasi

Gambar 2 Perspektif daya saing. Dalam membangun daya saing agroindustri, beberapa segi kelembagaan dan komunikasi potensi daerah merupakan faktor sangat penting berdasarkan pertimbangan sebagai berikut: 1. Pergeseran pola pemerintahan: desentralisasi, dekonsentrasi, dan tugas perbantuan dalam kerangka otonomi daerah (UU No. 32 tahun 2004); 2. Pemerintah daerah berfungsi menumbuhkembangkan motivasi, menstimulasi, dan memfasilitasi pengembangan iptek sebagai unsur peningkatan daya saing; 3. Perlunya memberikan perhatian terhadap konteks spesifik daerah sebagai unsur peningkatan daya saing; 4. Koordinasi dengan mitra kerja atau institusi terkait untuk peningkatan kinerja inovasi dan daya saing.

Kerjasama ABG Untuk mengembangkan kemampuan daya saing, sinergi potensi dari produk masing-masing lembaga perlu digalang. Berdasarkan hal tersebut, konsep kerjasama ABG (Academia, Pengusaha/Business, Pemerintah/Government) perlu ditumbuhkembangkan (Gambar 3). Melalui sinergi “ABG”, keterbatasan sumber daya yang ada (SDM, dana, sarana-prasarana) serta iklim pengembangan industri yang kondusif (kebijakan-kebijakan terkait) dapat dicarikan solusinya.

13

Trilateral Network dan Organisasi Hibrid

Academia (A)

Business (B)

Government (G)

Gambar 3 Konsep kerjasama ABG.

TEKNOLOGI PROSES PRODUK AGRO Aneka produk pertanian yang relevan sebagai bahan baku dapat dikembangkan sekurangkurangnya ke arah 4 kelompok industri, yaitu industri pangan, bioenergi, kesehatan (obat-obatan herbal dan produk bioteknologi), serta bahan baku industri lainnya. Beberapa contoh teknologi proses untuk keempat jenis industri tersebut adalah sebagai berikut: 1. Industri pangan. Teknologi proses pengembangan pati-patian menjadi tepung, gula-gula monomer (fruktosa, glukosa, dsb.), asam sitrat, dan asam laktat. 2. Industri bioenergi. Teknologi proses produksi etanol, pure plant oil, dan biodiesel. 3. Industri kesehatan. a. Teknologi pengembangan obat-obat herbal. b. Teknologi proses bioteknologi untuk produk obat-obatan dan bahan baku industri. 4. Aneka bahan baku industri lainnya yang bernilai ekonomi tinggi. a. Teknologi produksi enzim. b. Teknologi produksi poli(laktat). Uraian singkat teknologi proses secara skematis dari berbagai jenis industri di atas akan disampaikan sebagai berikut:

14

15

16

17

18

19

20

21

DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2005. Alcohol, Citric Acid, and HFS Technology. Jerman: Vogelbusch Leaflet. Anonim. 2005. Hasil Penelitian dan Pengembangan Unit-unit Kerja di Deputi Bidang Teknologi Agroindustri dan Bioteknologi (laporan teknis, tidak dipublikasikan). Anonim. 2006. Program Pengembangan Bahan Bakar Nabati (Biooil, Biodiesel, Bioetanol) di BPPT (laporan teknis, tidak dipublikasikan). Badan Pusat Statistik (website: www.bps.go.id). Bappenas. 2005. Rencana Pembangunan Jangka Menengah (RPJM) Republik Indonesia 2005-2009. Departemen Kelautan dan Perikanan (website: www.dkp.go.id). Departemen Perindustrian dan Perdagangan (website: www.dprin.go.id). Departemen Pertanian (website: www.deptan.go.id). Food and Agricultural Organization (website: www.fao.org). Stace D, Dunphy, D. 1994. Beyond the Boundaries, Leading and Re-Creating the Succesful Enterprise. Sydney: McGraw Hill. Taufiq, Tatang A. 2003. Pemetarencanaan (Roadmapping): Konsep, Metode, dan Implikasi Kebijakan. Jakarta: Pusat Pengkajian Kebijakan Teknologi-Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi.

22

2010 CHALLENGES FOR CHEMICAL SOCIETY IN INDONESIA M. Saleh ICS/HKI Chairman People Concerns Facing 2010 People nowadays are increasingly concerned about how our environment is changing over the time as a result of man’s activities in exploiting earth. People reckon growing concern on social issues globally. The gap between those who have and who do not have is widening, plus how now epidemic in one country would become a global concern as a result of people travel and migration. We still see evidence of starvation e.g. in Africa and developing countries, while natural disasters and terrorism are also haunting people’s life and fears. People are also becoming aware of what goes into products and very selective upon it. The bottom line is, we see increasing concern on how the earth would evolve to in the future with all those changes and significantly less and less energy and good quality water on earth. This is why at the same time frustration is also escalating because of the inability of global leaders to handle the case collaboratively. Business in 2010 With people mobility and connectivity, we can see corporation has started to work as a global community than before, as evidenced from many corporate restructuring, merger, and acquisition. At the same time, spread of technology capability around the world is also happening, where basically external orientation is necessary to watch out the trend and to survive the business. Innovation remains a key to thrive the business, where fast track new technology acquisition will be essential in order to be ahead in competition. However, what make one corporation excels relies on how they come up with their implementation strategy as well as disruptive business models. 2010 Challenges for Chemical Profession in Indonesia – 3P (Planet, Profit, People) We still need to establish strong local industries, which do not only support our national development, but also environmentally responsible to our planet, yet profitable and competitive in regional and global battle. We need to re-ignite our local innovation as part of our competitiveness, generating better link and synergy to industries as the end user, which is challenging in order to make it sustainable. At the very core, we also need to have a clear direction from our national research strategy facing 2010, which is aligned and supported by our national chemical education policy. People is power -- It is very obvious that chemical profession readiness facing 2010 will be a crucial element to prepare for. Capability is just one thing which any standard education can provide, but being passionate, open minded with full of integrity, are other important elements which need to be injected into our educational curriculum. These kinds of quality people will hopefully also bring benefit for majority of Indonesian people as a whole.

23

Contribution of ICS/HKI We have established our new framework to mobilize potencial of chemical professions in Indonesia, in relation to Industry, Academia & Innovation, Solution for Health-Safety-Environment. How we can maximize our potencial and contribution in those three areas would be very challenging, given it has never been easy to really consolidate intellectual power which is spreading all over the nation. Hopefully with a newly formed ICS/HKI’s central committee, who have been working under 7 key agenda, in three years we can shape up the organization better and better. We are consolidating… but indeed we welcome you to join and to participate in this chemical professional’s media, to together be part of the nation’s effort and strengthen our social and national economy.

24

CHALLENGES AND OPPORTUNITIES IN APPLYING TEMULAWAK (Curcuma xanthorrhiza Roxb.) FOR INDUSTRIAL ORAL CARE PRODUCTS Jae-Kwan Hwang1*, Yaya Rukayadi1,2 1Department

2Biopharmaca

of Biotechnology, Yonsei University Research Center, Bogor Agricultural University

ABSTRACT Curcuma xanthorrhiza Roxb., commonly known as temulawak or java turmeric, is an indigenous plant from Java, Bali, and Mollucas, Indonesia. It has been used by Indonesian ancestors for food, medicinal purposes, and as a tonic. C. xanthorrhiza has been traditionally used to treat stomach diseases, liver disorders, constipation, bloody diarrhea, dysentery, children’s fevers, haemorrhoid, and skin eruptions. Recently, it has been reported that temulawak confers various biological activities such as antitumor, hypotriglyceridaemic, anti-inflammatory, hepatoprotective, and antibacterial. In our research, we found that xanthorrhizol (1,3,5,10-bisabolatetraen-3-ol), isolated from the rhizome of C. xanthorrhiza, possessed remarkable anticariogenic activity against oral pathogens. Xanthorrhizol exhibited the highest antibacterial activity against Streptococcus species causing dental caries and also demonstrated antibacterial potential against Actinomyces viscosus and Porphyromonas gingivalis which are responsible for periodontitis. Xanthorrhizol killed completely Streptococcus mutans in a minute. This bactericidal activity is of practical significance, since applications of xanthorrhizol in mouthwash or toothpaste should be effective within a few minutes. Xanthorrhizol also showed a promising activity as an antibacterial agent for inhibiting and removing S. mutans biofilms. Clinical test analysis showed that xanthorrizol was active in vivo and was not toxic to the host cells. In Korea, temulawak oil has been developed and marketed as xanthorrhizol-containing toothpaste. Thus, there are some challenges and opportunities in applying temulawak for industrial oral care products.

INTRODUCTION Java turmeric is classified to the kingdom Plantarum, division Spermatophyta, sub-division Angiospermae, class Monocotyledonae, order Zingiberales, family Zingiberaceae, genus Curcuma, and species Curcuma xanthorrhiza Roxb., synonym Curcuma javanica. Vernacular names of java turmeric are koneng gede (Sundanese), temu lawak (Javanese), temo labak (Madurese) (Indonesia); temu lawas, temu raya (Malaysia); and wan chakmotluk (Thailand). C. xanthorrhiza is native to Java, Bali, and the Moluccas. It is commonly cultivated in Java, Peninsular Malaysia, Philippines, and Thailand, occasionally also in India. C. xanthorrhiza Roxb. is a herb with branched rhizome, dark yellow to reddish-brown at the exterior, orange or orange-red in the interior; leaf sheaths up to 75 cm long, blades elliptical-oblong to oblong-lanceolate, 25–100 cm × 8–20 cm, green with reddish-brown band along the midrib; inflourescence on a separate shoot, bracts pale green, coma bracts purple; corolla 4−6 cm long, pale red; labellum 2–2.5 cm × 1.5–2 cm, yellowish with a darker yellow median band, other staminodes longitudinally folded, yellowish-white, anther with long spurs. C. xanthorrhiza Roxb. is found in thickets

* Correspondence author: Jae-Kwan Hwang, Department of Biotechnology, Yonsei University, 134 Shinchon-dong, Seodaemun-gu, Seoul 120749, South Korea. Tel: +82-2-2123-5881, Fax: 82-2-362-7265. E-mail: [email protected]

25

and teak forest, mainly on moist, fertile, humus-rich soils, up to 750 m altitude (Wardini & Prakoso 1999). C. xanthorrhiza has been traditionally used in Indonesia for food and medicinal purposes (Lin et al. 1995). For food, temulawak produces starch and a yellow dye. Young stem and rhizome parts are eaten as a vegetable, either raw or cooked. The inflourescences are eaten cooked. In Java, a soft drink called ‘bir temulawak’ is prepared by cooking dried pieces of the rhizome. For medicinal purposes, rhizomes of temulawak are used to treat various abdominal complaints and liver disorders (jaundice, gall-stones, promoting the flow of bile). A decoction of the rhizome is also used as a remedy for fever and constipation, and is taken by women as a galactagogue and to lessen uterine inflammation after giving birth. Others applications are against bloody diarrhea, dysentery, inflammation of the rectum, haemorrhoids, stomach disorders caused by cold, infected wounds, skin eruptions, acne vulgaris, ecxema, smallpox, and anorexia. In Indonesia, rhizome is used as an important ingredient into many “jamus” (Wardini & Prakoso 1999). Modern researches done by various overseas researchers found that temulawak has the following effects: antihepatotoxic, antioxidant, antitumor, anti-inflammation, etc.

PYTHOCHEMISTRY OF TEMULAWAK The fresh rhizomes of C. xanthorrhiza Roxb. contain terpenoids, one monoterpenoid, and curcuminoids. There are 9 sesquiterpenoids (α-curcumene, arturmerone, xanthorrhizol, germacrone, βcurcumene, β-sesquiphellandrene, curzerenone, α-turmerone, and β-turmerone) and 3 curcuminoids (curcumin, mono-demethoxycurcumin, and bis-demethoxycurcumin) (Uehara et al. 1992). Dried rhizomes of C. xanthorrhiza Roxb. contain on average 3.8% of essential oil, with ar-curcumene, xanthorrhizol, α-, β-curcumene, and germacrene as major constituents. Cyclo-isopren-emyrcene and ptolylmethylcarbinol, which are often mentioned as essential oil constituents in older literature, are artifacts which originated from distillation and fractionation of oils at higher temperatures. The phenolic sesquiterpene xanthorrhizol is species specific: its presence can thus be used to distinguish C. xanthorrhiza Roxb. from e.g. Curcuma longa. Three nonphenolic diarylheptanoids isolated from C. xanthorrhiza Roxb. have been identified as trans, trans-1,7-diphenyl-2,3-heptadien-4-one (alnustone), trans-1,7-diphenyl-1,3-hepten-5-ol, and trans, trans-1,7-diphenyl-1,3-heptadien-5-ol (Wardini & Prakoso 1999).

XANTHORRHIZOL ISOLATED FROM THE RHIZOME OF TEMULAWAK Xanthorrhizol, a natural sesquiterpenoid (Figure 1), can be isolated as a pure form from ethyl acetate fraction of the methanol extract of C. xanthorrhiza Roxb., according to the method of Hwang et al. (2000b). Briefly, the rhizomes (100 g) were ground and extracted with 400 ml methanol 75% (v/v), and further fractionations were carried out consecutively with ethyl acetate (4.8 g), n-butanol (1.7 g), and water (1.1 g). Xanthorrhizol (0.2 g) was isolated from the ethyl acetate fraction by using a silica gel column chromatography (Merck; 70−230 mesh; 5 × 43 cm; n-hexane/ethyl acetate, 10:1). Xanthorrhizol was identified by direct comparison of the 1H-nuclear magnetic resonance (NMR), 13C-NMR, and electron ionization (EI)-mass spectral results with the published data (Itokawa et al. 1985). The specific rotation of xanthorrhizol was determined as [α]D20 : −50.2o (c = 0.65, CHCl3). Our study has led to the isolation of xanthorrhizol, and the compound had a powerful activity against oral pathogens and Streptococcus mutans biofilms (Hwang et al. 2000a,b; Rukayadi & Hwang 2006a,b). Other results related to xanthorrhizol have been published by our group and showed an anticandidal activity of this compound (Rukayadi et al. 2006), a suppressive effect of natural

26

sesquiterpenoids on inducible cyclooxygenase (COX-2) and nitric oxide synthase (iNOS) activities in mouse macrophage cells (Lee et al. 2002), an effect of cisplatin-induced hepatotoxicity abrogation on the regulation of gene transcription in mice (Kim et al. 2004), a potential to attenuate the high dose cisplatin-induced nephrotoxicity in mice (Kim et al. 2005a), a natural sesquiterpenoid and an antimetastatic potential in experimental mouse lung metastasis model (Choi et al. 2005). Our findings demonstrated that xanthorrhizol is a compound with multibioactive functions. In the future, a single drug for variously therapeutic will be very important in order to reduce drug-drug interactions. 14

4

OH

5

3 2

6

12

1 9

7 15

8

11 10

13

Figure 1 Structure of xanthorrhizol.

ANTIBACTERIAL ACTIVITY OF XANTHORRHIZOL AGAINST ORAL PATHOGENS The antibacterial activity of xanthorrhizol was evaluated against oral microorganisms in comparison with chlorhexidine. Antibacterial activity was determined in terms of minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC). Xanthorrhizol exhibited the highest antibacterial activity against Streptococcus species causing dental caries and also demonstrated antibacterial potential against Actinomyces viscosus and Porphyromonas gingivalis which are responsible for periodontitis (Table 1). Table 1 Antibacterial activity of xanthorrhizola (Hwang et al. 2000a)

MIC of xanthorrhizol against S. mutans, which is known to be a major causative organism for dental plaque and can also be a source of infective endocarditis (Banas 2004), was determined to be 2 µg/ml, which was much lower than other natural anticariogenic agents such as 16 µg/ml of sangunarine, 125 µg/ml of tea polyphenol, 125 µg/ml of carvacrol, 250 µg/ml of isoeugenol, 500 µg/ml of eucalyptol, and 500 µg/ml of thymol. Figure 2 shows that 5 µg/ml treatment of xanthorrhizol killed completely S. mutans in a minute. This bactericidal activity is of practical significance, since applications of xanthorrhizol in mouthwash or toothpaste should be effective within a few minutes. These results suggested that xanthorrhizol could be employed as a potential anticariogenic agent.

27

6

logCFU/ml

5 4 3 2 1 0 0

1

2 3 Treatment time (min)

4

Figure 2 Bactericidal activity of xanthorrhizol against S. mutans (-♦-: control; -■-: 1 µg/ml; -▲-: 3 µg/ml; -×-: 5 µg/ml).

ANTI-BIOFILM ACTIVITY OF XANTHORRHIZOL S. mutans and other oral streptococci are colonizers of the surface of the tooth, where, together with many other bacterial species, they build a biofilm also known as dental plaque. Plaque development commences with the adhesion of microorganisms to acquired salivary pellicles on the enamel’s surface. Therefore, inhibition of pathogenic bacterial adherence can yield benefits in controlling caries and periodontal disease (Liljemark & Bloomquist 1996). Sharma et al. (2005) reported that prevention of microbial adhesion and detachment of adhering microorganisms from the surface of the tooth is important. Moreover, microbial adhesion in the oral cavity occurs under highly unfavorable conditions, and flow of saliva and movement of the tongue, lips, and cheeks, for instance, cannot prevent adhesion. This indicates that the forces involved in microbial adhesion to the surface of the tooth are quite strong. Hence, interest has increased in studying prevention of microbial adhesion and reducing plaque development. A widely adopted approach to reduce and remove plaque development is the topical application of bactericides, e.g. triclosan, chlorhexidine, and cetylpyridinium chloride, by inhibiting the plaque development and lowering the number of microorganisms in saliva (Eley 1999). In general, they are nonselective in their efficacy, and their frequent use can potentially lead to a change in the oral microbiota and the occurrence of resistant strains (McMurry et al. 1998). An alternative approach for controlling plaque formation is to select molecules that can block or reduce bacterial adherence. Coating of the substratum surfaces by biomaterial is highly effective in the prevention of bacterial adhesion (Roosjen et al. 2004). Vaccines against major cariogenic oral bacteria and chemical agents for coating the tooth surface or interfering with bacterial binding, have been investigated (Wade et al. 1994; Hajshengallis & Michalek 1999; Kato et al. 1999). In principle, the vaccine approach is more efficient, but its limitations are high in cost. Chemical agents can offer an alternative means of reducing plaque formation. However, these chemicals possess many adverse effects such as microorganisms building tolerance, vomiting, diarrhea, and teeth staining (Chen et al. 1989). We have evaluated the effect of coating the wells of a polystyrene plate with xanthorrhizol on S. mutans biofilm formation. Coating with xanthorrhizol resulted in significant (up to 60%) reduction of adherent cells compared to that of cells in uncoated wells, and similar result was found in the chlorhexidin-coated wells (Figure 3).

28

Absorbance (595 nm)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 02 0

0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 Incubation time (h)

Figure 3 Effect of xanthorrhizol impregnation on subsequent biofilm formation by S. mutans ATCC 27351 on the wells of uncoated- (♦), xanthorrhizol-coated- (■), and chlorhexidine-coated (▲) microtiter plates at 37 oC during 24 h. The concentration of xanthorrhizol or chlorhexidine was 5 µg/ml. *Significantly different (p < 0.05) (Rukayadi & Hwang 2006b). We determined the effect of xanthorrhizol on the S. mutans biofilms in vitro. The biofilms of S. mutans at different phases of growth were exposed to xanthorrhizol at different concentrations (5, 10, and 50 µmol/ml) and for different time exposures (1, 10, 30, and 60 min). The results demonstrated that the activity of xanthorrhizol in removing S. mutans biofilm depended on the concentration, exposure time, and growth phase of biofilm (Table 2). A concentration of 5 µmol/ml of xanthorrhizol completely inhibited biofilm formation by S. mutans at adherent phases of growth, whereas 50 µmol/ml of xanthorrhizol removed 76% of biofilm at plateau accumulated phase when exposed to S. mutans biofilm for 60 min (Table 2). Table 2 The effect of xanthorrhizol at different concentrations and exposure time on biofilms of S. mutans at different phases of growth (Rukayadi & Hwang 2006a)

29

CLINICAL TEST OF XANTHORRHIZOL Some clinical tests of oral hygiene products containing C. xanthorrhiza Roxb. extract (Cx) have been determined and published. Gingivalis suppression effect of the de novo dentifrice containing C. xanthorrhiza Roxb., bamboo salt, and various additives was investigated (Hwang et al. 2005). The results showed that the dentifrice containing bamboo salt, C. xanthorrhiza Roxb., ursodeoxycholic acid, and various additives could be a useful dentifrice in reducing gingivalis. Other test was a highly selective antibacterial effect of Cx extract against oral pathogens and clinical effectiveness of a dentifrice containing Cx in controlling bad breath (Kim et al. 2005b). The summary of this test showed that Cx with its highly selective antibacterial activity appeared to be an attractive candidate to replace chemicals, and oral hygiene products with Cx will be a new paradigm delivering natural benefit for consumers.

CHALLENGES AND OPPORTUNITIES INDUSTRIAL ORAL CARE PRODUCTS

IN

APPLYING

TEMULAWAK

FOR

Some plant extracts clearly demonstrate antibacterial properties although the mechanism of their activities are still poorly understood (Dorman & Deans 2000). The spice extracts, cinnamon bark oil, papua-mace extract, and clove bud oil were all reported to inhibit the growth of many oral bacteria (Saeki et al. 1989). Sanguinarine, an alkaloid extract from the rhizome of Sanguinaria canadensis, has been reported to possess a broad spectrum against a wide variety of oral bacteria (Joann & Sigmund 1985). In particular, green tea extract, which is customarily drunk after every meal in Japan, is known to contain several polyphenols that inhibit the growth of S. mutans (Sakanaka et al. 1989). However, they have relatively mild effects against oral pathogens compared to that of commercial synthetic anticariogenic agents. Our study showed that temulawak extract or xanthorrhizol has more powerful activity against oral pathogens compared to that of anticariogenic agents. In Korea, temulawak extract has been developed and marketed as xanthorrhizol-containing toothpaste (Figure 4). Thus, there are some challenges and opportunities in applying temulawak for industrial oral care products. Error!

Figure 4 Temulawak extract-containing toothpaste.

REFERENCES Chen CP, Lin CC, Namba T. 1989. Screening of Taiwanese crude drugs for antibacterial activity against Streptococcus mutans. J Ethnopharmacol 27:285-295. Choi MA, Kim SH, Chung WY, Hwang JK, Park KK. 2005. Xanthorrhizol, a natural sesquiterpenoid from Curcuma xanthorrhiza, has an anti-metastatic potential in experimental mouse lung metastasis model. Biochem Biophys Res Commun 326:210-217.

30

Dorman HJD, Deans SG. 2000. Antimicrobial agents from plants: Antibacterial activity of plant volatile oils. J Appl Microbiol 88:308-316. Eley BM. 1999. Antibacterial agents in the control of supragingival plaque-A review. Br Dent J 186:286296. Hajshengallis G, Michalek SM. 1999. Current status of a mucosal vaccine against dental caries. Oral Microbiol Immunol 14:1-20. Hwang JK, Shim JS, Pyun YR. 2000a. Antibacterial activity of xanthorrhizol from Curcuma xanthorrhiza against oral pathogens. Fitoterapia 71:321-323. Hwang JK, Shim JS, Baek NI, Pyun YR. 2000b. Xanthorrhizol: a potential agent from Curcuma xanthorrhiza against Streptococcus mutans. Planta Med 66:196-197. Hwang SJ et al. 2005. Gingivalis suppression effect of the de novo dentifrice containing Curcuma xanthorrhiza, bamboo salt and various additives. J Korean Acad Dent Health 29:222-236. Itokawa H, Hirayama F, Takeya K. 1985. Studies on the antitumor bisabolane sesquiterpenoids isolated from Curcuma xanthorrhiza. Chem Pharm Bull 33:3488-3492. Joann LD, Sigmund SS. 1985. Comparative in vitro activity of sanguinarine against oral microbial isolates. Antimicrob Agents Chemother 27:663-665. Kato H et al. 1999. The immunogenicity of various peptide antigens inducing cross-reacting antibodies to a cell surface protein antigen of Streptococcus mutans. Oral Microbiol Immunol 14:213-219. Kim SH, Hong KO, Chung WY, Hwang JK, Park KK. 2004. Abrogation of cisplatin-induced hepatotoxicity in mice by xanthorrhizol is related to its effect on the regulation of gene transcription. Toxicol Appl Pharmacol 196:346-355. Kim SH, Hong KO, Hwang JK, Park KK. 2005a. Xanthorrhizol has a potential to attenuate the high dose cisplatin-induced nephrotoxicity in mice. Food Chem Toxicol 43:117-22. Kim BI et al. 2005b. A highly selective antibacterial effect of Curcuma xanthorrhiza extract against oral pathogens and clinical effectiveness of a dentifrice containing Curcuma xanthorrhiza extract for controlling bad breath. J Korean Acad Dent Health 35:1053-1069. Lee SK et al. 2002. Suppressive effect of natural sesquiterpenoids on inducible cyclooxygenase (COX2) and nitric oxide synthase (iNOS) activity in mouse macrophage cells. J Environ Pathol Toxicol Oncol 21:141-148. Liljemark WF, Bloomquist C. 1996. Human oral microbial ecology and dental caries and periodontal diseases. Crit Rev Oral Bio Med 7:180-198. Lin SC, Lin CC, Lin YH, Supriyatna S, Teng CW. 1995. Protective and therapeutic effects of Curcuma xanthorrhiza on hepatotoxin-induced liver damage. Am J Chin Med 23:243-254. McMurry LM, Oethiger M, Levy SB. 1998. Triclosan targets lipid synthesis. Nature 394:531-532. Rukayadi Y, Hwang JK. 2006a. In vitro activity of xanthorrhizol against Streptococcus mutans biofilms. Lett Appl Microbiol 42:400-404. Rukayadi Y, Hwang JK. 2006b. Effect of coating the wells of a polystyrene microtiter plate with xanthorrhizol on the biofilm formation of Streptococcus mutans. J Basic Microbiol 46:411-416. Rukayadi Y, Yong D, Hwang JK. 2006. In vitro anticandidal activity of xanthorrhizol isolated from Curcuma xanthorrhiza Roxb. J Antimicrob Chemother 57:1231-1234.

31

Roosjen A, de Vries J, Mei HC van der, Busscher HJ. 2005. Stability and effectiveness against bacterial adhesion of poly(ethylene oxide) coatings in biological fluids. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 73B:347-354. Saeki Y, Ito Y, Okuda K. 1989. Antibacterial action of natural substances on oral bacteria. Bull Tokyo Dent Coll 30:129-135. Sakanaka S, Kim M, Taniguchi M, Yamamoto T. 1989. Antibacterial substances in Japanese green tea extract against Streptococcus mutans, a cariogenic bacterium. Agric Biol Chem 53:2307-2311. Sharma PK, Gibcus MJ, Mei HC van der, Busscher HJ. 2005. Influence of fluid shear and microbubbles on bacterial detachment from a surface. Appl Environ Microbiol 71:3668-3673. Wardini TH, Prakoso B. 1999. Curcuma L. In: de Padua LS, Bunyapraphatsara N, Lemmens RHMJ, editors. Plant Resources of South-East Asia 12. (1) Medicinal and Poisonous Plants 1. 1st Volume. Bogor: Prosea. pp. 210-219. Uehara S, Yosuda I, Takeya K, Itokawa H. 1992. Terpenoids and curcuminoids of the rhizome of Curcuma xanthorrhiza Roxb. Yakugaku Zasshi 112:817-823.

32

PERANAN KIMIA KOMPUTASI DALAM DESAIN SENYAWA BARU DAN OPTIMALISASI PROSES INDUSTRI Harno Dwi Pranowo* Jurusan Kimia, FMIPA, UGM, Yogyakarta

ABSTRAK Perkembangan kemampuan komputer dalam mengolah data telah memberikan andil yang besar dalam perkembangan kimia komputasi. Hal ini juga didukung oleh ketersediaan perangkat lunak dan bahasa pemrograman yang semakin mudah diaplikasikan dalam penyelesaian masalah- masalah kimia. Pengakuan terhadap peran kimia komputasi dalam sains dan teknologi ditandai dengan penganugerahan hadiah nobel bidang kimia tahun 1998 kepada John A. Pople yang telah mengembangkan metode komputasi dalam kimia kuantum dan Walter Kohn yang mengembangkan teori fungsional-rapatan (density-functional theory). Desain senyawa baru yang mempunyai aktivitas tertentu dapat dilakukan melalui studi QSAR (quantitative structure and activity relationship = hubungan kuantitatif struktur dan aktivitas) dengan menggunakan prediktor teoretis, seperti muatan atom neto, yang dapat dihasilkan dari perhitungan kimia komputasi. Prediksi senyawa aktif telah mampu mengurangi secara signifikan biaya produksi obat tertentu karena senyawa yang disintesis hanyalah yang diprediksi memiliki aktivitas tinggi. Docking molekular yang mampu memodelkan interaksi antara suatu senyawa dan reseptor juga banyak memberikan informasi tentang rekayasa senyawa baru. Bidang lain yang menjadi topik kajian kimia komputasi adalah spektroskopi, mekanisme reaksi, simulasi dinamika molekular, simulasi Monte Carlo, dan termokimia. Kemampuan komputer dalam menyelesaikan permasalahan kimia juga telah dimanfaatkan dalam bidang kemometri, yang banyak menggunakan konsep statistika dalam kimia serta kemoinformatika untuk mengembangkan database kimia dalam menghasilkan informasi baru. Pendekatan diskoneksi dalam sintesis juga difasilitasi oleh keandalan dan kecepatan proses komputer dalam mengolah database reaksi kimia. Pengembangan perangkat lunak yang mengatur proses produksi bahan kimia tidak hanya menjadi bidang kajian kimiawan, tetapi juga ahli pemrograman, statistika, dan teknik.

PENDAHULUAN Teknologi komputasi diperlukan hampir di setiap segi penelitian kimia, baik dalam pengembangan desain maupun produksi, yang dapat diaplikasikan mulai dari pemodelan molekul sampai simulasi dan pengaturan suatu proses kimia. Bidang kimia komputasi mempunyai definisi luas, yang meliputi komputasi molekular, korelasi empiris, seperti hubungan energi bebas linear (linear free energy relationship, LFER) dan hubungan kuantitatif struktur-sifat (quantitative structure-property relationships, QSPR), serta segi proses pemodelan dan simulasi. Kemajuan kimia komputasi telah memberikan kontribusi yang besar dalam bidang proses kimia terutama dalam efisiensi desain proses dan produk baru, optimalisasi proses yang sedang berjalan, peningkatan efisiensi energi, peminimuman produksi yang menghasilkan limbah, penyempurnaan mekanisme reaksi, pemodelan lingkungan, dan peningkatan produksi dengan tetap mempertimbangkan bidang kesehatan, keselamatan, dan lingkungan hidup. * Alamat korespondensi: [email protected]

33

Keberadaan perangkat keras komputer yang mampu menangani perhitungan dengan kompleksitas tinggi telah mengalami peningkatan yang luar biasa dalam 10 tahun terakhir. Pengembangan sistem komputasi paralel memungkinkan untuk menemukan jawaban atas permasalahan yang sebelumnya tidak mungkin terselesaikan. Ketersediaan komputer dengan daya guna yang sangat tinggi memberi peluang bagi pengembangan algoritme dan metode teoretis baru. Tahap yang ingin dicapai oleh para peneliti bidang komputasi adalah pengembangan komputer dengan biaya murah tetapi berdaya guna tinggi sehingga memudahkan penyusunan data input, analisis, dan visualisasi hasil perhitungan. Upaya yang lain adalah agar perhitungan yang kompleks dapat dilakukan pada desktop sehingga dapat dilakukan siapa saja tanpa dibebani biaya operasional yang tinggi.

PENGERTIAN KIMIA KOMPUTASI Kimia komputasi melibatkan penjelasan matematis dari suatu sistem kimia. Tujuan kimia komputasi adalah menyelesaikan persamaan kompleks seperti persamaan Schrödinger untuk gerakan elektronik dan inti yang dapat digambarkan secara akurat seperti fenomena aslinya. Dalam aplikasi praktis kimia komputasi, persamaan matematika atau algoritme digunakan untuk menggambarkan suatu fenomena fisika dan kimia (energi, struktur, posisi atom, dll.) secara kuantitatif. Algoritme ini kemudian diubah menjadi suatu program dengan menggunakan bahasa pemrograman komputer yang sesuai sehingga komputer dapat menjalankan perhitungan yang efektif dan cepat dalam menggambarkan fenomena kimia tersebut. Hasil akhir yang ingin dicapai adalah perhitungan menggunakan metode komputasi yang dapat memrediksi sifat dan kelakuan sistem kimia. Kimia komputasi dapat digunakan untuk menjelaskan beragam sistem kimia dengan kompleksitas yang sangat luas. Tiga metode kimia komputasi yang sering digunakan adalah ab initio, semiempiris, dan mekanika molekular. Metode ab initio dapat digunakan untuk memrediksi sifat sistem kimia yang melibatkan sedikit atom, sementara metode semiempiris mampu melakukan perhitungan untuk sistem kimia yang lebih besar. Sistem kimia yang terdiri dari jutaan atom masih mungkin dianalisis dengan metode mekanika molekular. Kemampuan perhitungan dengan metode kimia komputasi bergantung juga pada kemampuan (platform) komputer dalam melakukan perhitungan. Banyak aplikasi kimia komputasi yang dapat dimanfaatkan untuk memrediksi sifat dan kelakuan sistem kimia dalam proses kimia. Dengan mengetahui kelakuan sistem, efisiensi dari sistem operasi yang sedang digunakan berpotensi untuk ditingkatkan. Bahkan dapat didesain sistem baru yang lebih andal untuk mengoptimumkan proses dan meningkatkan efisiensi energi. Kimia komputasi juga memainkan peran dalam desain molekul. Kajian termokimia – energi yang berhubungan dengan terjadinya reaksi – dapat dimanfaatkan untuk menguji kebolehjadian suatu mekanisme reaksi sehingga keberlangsungan suatu reaksi secara termodinamika dapat diprediksi. Kimia komputasi juga dapat digunakan secara cermat untuk memrediksi sifat spektroskopi seperti inframerah, Raman, ultraviolet-tampak (UV-Vis), resonansi magnet inti (NMR), dan fotoelektron, sehingga memudahkan elusidasi struktur suatu spesies kimia, baik sebagai produk maupun sebagai zat antara reaksi. Perhitungan struktur elektronik dapat dimanfaatkan dalam mengeksplorasi jenis ikatan, energi, dan bentuk orbital, yang dapat digunakan untuk menentukan target dalam desain senyawa baru dengan reaktivitas yang diinginkan (Hofer et al. 2004).

PERKEMBANGAN KIMIA KOMPUTASI Kimia komputasi diawali oleh para peneliti di bidang kimia dan fisika yang melakukan kajian mekanika kuantum untuk sistem kimia dengan jumlah elektron yang terbatas. Hadiah nobel bidang kimia telah diberikan kepada Pauling dan Mulliken atas jasanya dalam mengembangkan teori ikatan

34

valensi dan teori orbital molekul. Pada tahun 1998, hadiah nobel bidang kimia diberikan kepada Pople dan Kohn yang telah mengembangkan metode kimia komputasi dan teori fungsional-rapatan (densityfuctional theory, DFT). Perubahan dramatis yang terjadi pada dunia akademik dan pada bidang teknik kimia adalah pengembangan dan penerapan perangkat kimia komputasi dalam proses kimia, khususnya pada skala atomik. Di masa depan, peningkatan kolaborasi antara industri dan peneliti universitas dan lembaga penelitian pemerintah akan mendorong pemanfaatan kimia komputasi pada industri kimia. Peneliti bidang teknik kimia akan semakin berperan dalam aplikasi dan penyusunan metode pemodelan molekul serta dalam penyelesaian permasalahan praktis di industri. Teknik komputasi telah berkembang secara dramatis dalam dua dekade ini sejalan dengan kemajuan yang revolusioner dari kemampuan komputasi (perangkat keras). Pada saat ini sangat dimungkinkan menggunakan metode komputasi untuk menyelesaikan permasalahan di bidang teknik dan desain baru dalam proses kimia. Teknik komputasi dapat digunakan sebagai pelengkap, petunjuk, dan kadang-kadang dapat menggantikan perhitungan eksperimental, sehingga mampu mengurangi waktu dan biaya penelitian yang dibutuhkan untuk membawa ide dari skala laboratorium ke dalam aplikasi praktis. Keunggulan potensial akibat penggunaan teknik komputasi adalah telah terbentuknya kelompok kimia komputasi di perusahaan kimia dan farmasi. Hal ini terjadi karena banyak perusahaan perangkat lunak yang menyediakan program pemodelan molekul yang mudah digunakan dalam bidang kimia, farmasi, biokimia, dan aplikasi biologi lainnya. Pada industri farmasi, metode komputasi sangat berperan penting dalam desain obat berbasis struktur, misalnya penelitian tentang inhibitor protease HIV. Dalam industri kimia, penelitian telah dikembangkan pada teknik komputasi yang diaplikasikan pada katalis homogen dan heterogen, misalnya ketersediaan perangkat lunak untuk pemodelan zeolit. Hal ini diperkuat dengan keberadaan perangkat lunak mekanika kuantum yang dilengkapi visualisasi 2D dan 3D. Dalam industri kimia, kimia komputasi digunakan untuk mendesain proses kimia, mendesain pabrik kimia, memrediksi toksisitas bahan kimia, dan juga mendapatkan informasi yang berkaitan dengan keselamatan kerja. Komputasi molekular juga digunakan dalam pemodelan kimia atmosfer, yaitu keadaan spesies kimia setelah berada dalam atmosfer, yang tentunya sangat bermanfaat untuk kajian perubahan cuaca. Kemajuan dalam simulasi dan pemodelan, terutama kimia komputasi, dapat memberikan pengaruh yang berarti dalam menurunkan biaya dan waktu yang diperlukan untuk mendesain proses kimia dan senyawa baru. Pemodelan molekul yang akurat memungkinkan peneliti lebih cepat memrediksi sifat dan spesies kimia yang terlibat dalam suatu proses kimia. Desain katalis baru untuk suatu proses kimia akan menaikkan keunggulan produksi, mereduksi emisi dan limbah, serta membangun proses kimia yang berkategori green chemistry. Pemodelan dan simulasi akan memainkan peranan yang penting dalam pengembangan teknologi baru untuk produksi dan desain material/produk.

KOMPONEN KIMIA KOMPUTASI Kimia komputasi menjelaskan sistem kimia pada berbagai skala ukuran, yaitu skala kuantum, skala atomik atau molekular, skala meso, dan jembatan antarskala.

Skala Kuantum Skala kuantum menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk gerakan elektronik dalam atom dan molekul dengan menggunakan metode orbital molekul dan DFT. Beberapa perangkat lunak kimia kuantum yang dikenal antara lain Gaussian, Games, Mopac, dan Turbomol yang tersedia untuk para akademisi dan industriawan melalui vendor komersial, atau dapat diperoleh secara gratis untuk institusi pendidikan. Hampir tidak ada bagian dalam kimia yang tidak dapat disentuh oleh kimia komputasi. Peningkatan berkelanjutan dalam teori dan algoritme sejalan dengan peningkatan ukuran sistem kimia

35

yang dapat dianalisis oleh kimia kuantum komputasional. Pada saat ini, metode perhitungan dengan menggunakan teori orbital molekul ab initio masih menghasilkan prediksi terbaik dari sifat molekular. Metode korelasi seperti teori coupled cluster dengan menggunakan himpunan basis yang besar dapat menghasilkan akurasi sifat kimia untuk molekul yang kecil. Perhitungan dengan DFT dan perlakuan korelasi yang lain menghasilkan prediksi yang lebih rendah, tetapi masih cukup bermakna untuk sistem kimia yang lebih besar. Perhitungan skala kuantum dapat memrediksi struktur molekul, energi ikatan, laju reaksi, dan data spektroskopi. Metode kimia komputasi pada skala kuantum ini mampu memrediksi geometri dan energi keadaan transisi untuk reaksi pada fase gas. Walaupun demikian, perhitungan yang harus dilakukan masih terlalu kompleks jika sistem reaksi yang dianalisis mempunyai efek pelarut yang tinggi. Perhitungan kimia komputasi dengan memasukkan efek pelarut masih membutuhkan waktu dan biaya yang besar, karena harus memperhitungkan konfigurasi dari semua molekul pelarut dalam sistem. Metode yang sering digunakan adalah model dielektrik kontinu yang mengeliminasi kebutuhan akan konfigurasi pelarut, tetapi dengan memasukkan cukup banyak parameter. Metode yang banyak dikembangkan saat ini adalah kombinasi perhitungan mekanika kuantum dan mekanika molekular yang dikenal dengan metode QM/MM (Armunanto et al. 2004).

Skala Atomik atau Molekular Skala atomik atau molekular menghitung interaksi antaratom atau gugus menggunakan mekanika Newton klasik dan medan gaya yang dihasilkan dari data empiris (mekanika molekular). Pada skala molekular ini, perhitungan melibatkan sifat struktur, termodinamika dan transpor ― perpindahan massa dan panas ―, serta kebergantungan struktur pada perubahan waktu. Metode yang sering digunakan adalah simulasi Monte Carlo dan dinamika molekular yang hasil perhitungannya dapat digunakan untuk menjelaskan perilaku sistem kimia pada skala makroskopik. Banyak kelompok industri juga menggunakan metode ini, mulai dari komoditas bahan kimia sampai industri farmasi (Rode et al. 2005). Salah satu konsekuensi dari beragamnya keperluan para peneliti ialah para peneliti pada skala atomik lebih banyak membuat perangkat lunak yang bersifat spesifik daripada yang bersifat komersial. Beberapa perangkat lunak yang digunakan dalam skala atomik atau molekular adalah Gromos, Amber, Charmm, dan Discover yang kebanyakan difokuskan pada sistem hayati dalam fase larutan dengan pelarut air. Komponen penting yang terus meningkat pada skala atomik adalah penyusunan potensial interaksi yang sesuai untuk berbagai senyawa dan kondisi tekanan/suhu. Potensial interaksi ini sangat penting dalam memrediksi sifat sistem kimia yang terkait dengan desain proses kimia dan produk. Perhitungan dengan sistem komputasi paralel banyak digunakan pada skala atomik untuk mengetahui gerakan molekul dalam sistem kimia, yang memerlukan kemampuan komputer tinggi. Sifat termofisika dari gas dapat diprediksi dengan akurasi yang tinggi berdasarkan potensial interaksi dimer dan teori transpor. Untuk sistem cairan, sifat termofisika dapat diprediksi menggunakan simulasi Monte Carlo atau dinamika molekular. Akurasi prediksi keduanya sangat bergantung pada mutu potensial interaksi yang digunakan (Pranowo 2003; Pranowo et al. 2006).

Skala Meso Perhitungan skala meso menjelaskan kelakuan dan sifat sistem yang mencerminkan komposisi molekular suatu material. Perhitungan ini umumnya diterapkan pada sistem dengan jutaan atom, yang masih mencerminkan fenomena skala molekular. Penerapan hasil perhitungan pada tingkat molekular kepada permasalahan tingkat makrosopik sangat penting untuk mempelajari material seperti senyawa polimer dan katalis. Banyak sistem kimia mempunyai struktur yang lebih besar dibandingkan dengan yang dapat dipelajari pada skala atomik, dan ternyata memberikan pengaruh yang besar pada sifat

36

struktur pada skala makroskopik. Metode kimia komputasi pada skala meso masih sangat jarang. Beberapa metode pendekatan yang sering dilakukan adalah pemodelan statistika linear, model fraktal, model re-normalisasi, pendekatan kisi-Boltzmann, wavelets, dan teori medan rerata konsistem mandiri.

Jembatan Antarskala Teknik jembatan antarskala adalah metode komputasi yang digunakan sebagai jembatan dari skala atomik ke skala meso, dan dari skala femtodetik ke menit atau jam. Tujuan teknik ini adalah menggunakan hasil perhitungan dari suatu skala sebagai input bagi perhitungan pada skala yang lain. Dua metode yang banyak dikaji adalah seamless data interfaces yang memungkinkan terjadinya interaksi antara perhitungan pada skala ukuran yang berbeda-beda (skala kuantum dan atomik) serta coarse-graining techniques, teknik yang memungkinkan untuk memperoleh informasi dari skala kecil untuk dimanfaatkan pada skala yang lebih besar.

HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR DAN AKTIVITAS (QSAR) Hal yang penting dalam kimia adalah konsep yang menyatakan adanya hubungan antara sifat meruah dari senyawa dan struktur molekul senyawa tersebut. Hal ini penting dalam hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis materi yang menjadi bahan kajian dalam bidang termodinamika statistik. Hal ini juga merupakan landasan berpikir untuk mengidentifikasi hubungan struktur molekul dengan aktivitas/sifat. Ada dua pendekatan yang tersedia untuk menentukan sifat fisika dan kimia. Yang pertama adalah menghitung secara langsung melalui penerapan metode mekanika kuantum dan mekanika klasik. Walaupun jumlah sifat yang dihasilkan dengan cara ini berkembang pesat, data tersebut masih cukup terbatas, terutama pada keterbatasan besarnya molekul yang dianalisis. Pendekatan kedua adalah penggunaan LFER dan hubungan kuantitatif aktivitas/sifat dengan struktur (quantitative structure-activity/property relationship, QSAR/QSPR) yang lebih bersifat empiris sehingga memerlukan data eksperimen sebagai himpunan penguji. Metode ini ternyata lebih fleksibel untuk menghitung sifat fisis, kimiawi, dan biologis. Deskriptor berdasar empiris masih banyak digunakan walaupun literatur saat ini dipenuhi oleh contoh QSAR/LFER dengan deskriptor yang diturunkan dengan perhitungan kimia komputasi (Hansch et al. 2002). Desain obat merupakan proses iteratif yang dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat aktif biologis penting dan diakhiri dengan mengoptimumkan profil aktivitas molekul dan sintesis kimianya. Proses ini dapat berjalan jika kimiawan menghipotesiskan kaitan antara struktur kimia suatu molekul (sederet molekul) dan aktivitas biologis tertentu. Tanpa pengetahuan yang rinci tentang proses biokimia yang bertanggung jawab terhadap aktivitas, hipotesis umumnya akan diambil atas dasar kemiripan struktur dan perbedaan antara molekul aktif dan takaktif. Pemilihan senyawa untuk sintesis melibatkan keberadaan gugus fungsi atau konformasi tertentu dalam struktur molekul yang bertanggung jawab terhadap aktivitas (Hansch et al. 1996). Kebolehjadian kombinatorial dari strategi ini akan sangat besar sekalipun hanya berhadapan dengan sistem yang sederhana. Alternatif yang dapat ditempuh adalah bekerja secara intensif pada optimalisasi senyawa dalam molekul deskriptor yang dapat diprediksi sifatnya secara mudah. Perangkat QSAR dapat membantu menunjukkan sintesis kimia dari senyawa yang berdaya guna. Paradigma umum untuk menyatakan dan mengolah data adalah membuat tabel dan menyatakan suatu senyawa pada setiap baris sesuai dengan sifat molekul (deskriptor) yang didefinisikan pada kolom yang berisi jenis senyawa. QSAR bermaksud mencari hubungan yang konsisten antara variasi harga suatu besaran sifat molekul dan aktivitas biologis untuk sederet senyawa sedemikian rupa sehingga “aturan” dapat digunakan untuk mendesain suatu bahan baru yang mirip dengan sederet molekul yang dimodelkan. Secara umum QSAR menyatakan bentuk persamaan linear sebagai berikut:

37

Aktivitas biologis = tetapan +(C1.P1) +(C2.P2) +(C3.P3) + … Pi adalah parameter yang dihitung untuk setiap molekul dan Ci merupakan koefisien yang dihitung dengan variasi fitting parameter dan aktivitas biologis. Hubungan ini secara umum dicari melalui penerapan teknik statistika, maka diperlukan pengetahuan statistika kimia yang memadai untuk memahami QSAR. Persamaan QSAR merupakan model linear yang menyatakan hubungan antara variasi aktivitas biologis dan variasi sifat yang dihitung (atau diukur) untuk sederet senyawa tertentu. Jika data aktivitas biologis telah terkumpul, sering didapati fakta bahwa data tersebut dinyatakan dalam suatu besaran yang tidak dapat digunakan dalam analisis QSAR. QSAR didasarkan pada hubungan energi bebas dengan tetapan keseimbangan, maka data untuk mempelajari QSAR harus dinyatakan dalam besaran perubahan energi bebas yang terjadi pada proses respons biologis. Jika pengujian potensi suatu obat dinyatakan dengan suatu dosis tertentu yang dapat menghasilkan pengaruh biologis, maka perubahan energi bebas berbanding terbalik dengan logaritme konsentrasi senyawa. Pada tahun 1979, Marshall mengembangkan pendekatan 3-D untuk QSAR dengan secara eksplisit mempertimbangkan fleksibilitas konformasi dari suatu sederet yang diasumsikan oleh bentuk 3-D sistem kimia. Langkah awal dari pendekatan analog-aktif adalah pencarian konformasi senyawa yang mempunyai aktivitas sangat besar dalam uji biologis. Hasil pencarian ini dipetakan dari jarak antaratom yang digunakan sebagai penapis pencarian konformasi yang menggambarkan profil kemiripan aktivitas yang dapat diambil sebagai konformasi yang mirip. Jika konformasi aktif telah ditentukan, volume setiap molekul dihitung dan dibandingkan. Analisis regresi dari volume digunakan untuk menyatakan hubungan terhadap aktivitas biologis. Marshall mengomersialkan pendekatan analog-aktif ini dan teknik desain obat yang lain dalam program pemodelan molekul dengan nama Sybyl. Perkembangan penelitian dalam bidang QSAR telah banyak memberikan manfaat bagi industri farmasi, karena desain senyawa obat akan dapat dilakukan dengan akurasi yang tinggi. Hal ini akan memberikan kepastian bahwa rancangan jalur sintesis hanya dilakukan untuk senyawa yang secara teoretis telah diyakini mempunyai aktivitas seperti yang diinginkan, dan secara automatis telah menghilangkan langkah coba-coba dalam menentukan aktivitas suatu senyawa. Perlu ditekankan bahwa kajian QSAR harus disertai dengan penguasaan yang baik dalam bidang statistika ― secara spesifik tercakup dalam bidang kemometri ― serta keterampilan analisis dan sintesis senyawa, misalnya penguasaan dalam bidang retrosintesis.

CATATAN AKHIR Kimia komputasi dapat membantu desain dan optimalisasi proses yang baru atau proses yang sedang berjalan maupun produknya. Kimia komputasi dapat mereduksi biaya pengembangan, meningkatkan efisiensi energi dan daya guna lingkungan, serta menaikkan produktivitas dan keuntungan. Walaupun kimia komputasi dapat diterapkan pada bidang industri, ukuran permasalahan industri yang dapat dimodelkan masih terbatas. Demikian pula validasi dan kesesuaian dari hasil pemodelan molekulnya. Hambatan yang lain adalah keterbatasan perangkat lunak komersial yang mudah digunakan oleh masyarakat. Keterbatasan ini disebabkan masih rendahnya kualifikasi masyarakat pengguna, sedikitnya peminat, serta kurangnya publikasi informasi dan pendidikan tentang keuntungan penggunaan kimia komputasi dalam bidang yang digeluti masing-masing individu. Idealnya, kimia komputasi dalam bidang industri harus 1. Dapat diterapkan pada sistem yang bervariasi, yaitu berlaku untuk sistem yang besar, waktu operasi yang panjang, sistem cairan atau padatan. 2. Fleksibel, dapat dijalankan pada berbagai platform komputasi (perangkat keras) dan perangkat lunak, dan didukung oleh visualisasi grafis yang memadai.

38

3. Berkemampuan tinggi, mampu dijalankan pada desktop atau platform komputasi paralel berbiaya murah. 4. Mudah digunakan, mekanisme penggunaan yang sederhana dan sistem yang canggih untuk dapat digunakan oleh pengguna dengan kemampuan biasa. 5. Dapat divalidasi hasil perhitungannya secara eksperimental. 6. Termasuk dalam kurikulum pendidikan, dapat diberikan pada S1, S2, maupun S3 melalui kuliah atau praktikum.

DAFTAR PUSTAKA Armunanto R, Schwenk CF, Rode BM. 2004. Gold(I) in liquid ammonia: Ab initio QM/MM molecular dynamics simulation. J Am Chem Soc 126:9934-9935. Hansch C, Hoekman D, Gao H. 1996. Comparative QSAR: Toward a deeper understanding of chemicobiological interactions. Chem Rev 96:1045-1075. Hansch C, Hoekman D, Leo A, Weininger D, Selassie CD. 2002. Chem-bioinformatics: comparative QSAR at the interface between chemistry and biology. Chem Rev 102:783-812. Hofer TS, Tran HT, Schwenk CF, Rode BM. 2004. Recent developments and challenges in chemical simulations. J Comput Chem 25:211-217. Pranowo HD. 2003. Monte Carlo simulation of CuCl2 in 18.6% aqueous ammonia solution. Chem Phys 291:53-59. Pranowo HD, Mudasir, Kusumawardani C, Purtadi S. 2006. The structure of Co2+ in liquid ammonia: Monte Carlo simulation including three-body correction. Chem Phys 291:53-59. Rode BM, Schwenk CF, Hofer TS, Randolf BR. 2005. Coordination and ligand exchange dynamics of solvated metal ions. Coord Chem Rev 249:2993-3006.

39

KINETIC STUDY OF ENZYMATIC HYDROLYSIS OF STARCH GRANULES AND CRYSTALLINE CELLULOSE Hirosuke Tatsumi Department of Bioscience, Fukui Prefectural University, Japan

Recycling system of biomass

Kinetic Study of Enzymatic Hydrolysis of Starch Granules and Crystalline Cellulose —— dari Singkong ke Etanol

Photosynthesis Energy use

H2O + CO2

Hirosuke Tatsumi “Sugar chemistry” becomes more and more important for the effective use of biomass.

Department of Bioscience Fukui Prefectural University, Japan

Sugars stored in plants „

„

How can we use sugars as energy source?

Mono- or di-saccharides Glucose (grape, water-melon, etc.) Sucrose (sugar-cane, sugar-beet, etc.) etc.

Sugars (Direct combustion)

Polysaccharides Starch (grains, potatoes, etc.) Cellulose (all plants) etc.

Heat and Light

Dari singkong ke etanol

Milling

Starch (C6H10O5)n

40

Fermentation

Ethanol

Electricity

Work

Hydrolysis of starch „

Acid hydrolysis high energy cost (120−150 oC) low product yield (byproduct: HCOOH etc.) corrosion of reactor

„

Enzymatic hydrolysis with amylases low energy cost (ca. 60 oC) high product yield

Hydrolysis Ethanol C2H5OH

(Makan!)

Glucose C6H12O6

How amylases act on starch granules?

Our approach Although many reports have appeared on starch granule hydrolysis, quantitative kinetic analyses have

Starch granule (barley) under enzymatic hydrolysis (Taniguchi et al.,1986)

not been provided. Electrochemical measurements have advantages of being free from the influence of turbidity and coloration of a test solution. In the present work, an amperometric glucose sensor has

Amylase Glc

Starch surface

been introduced to study the kinetics of enzymatic hydrolysis of raw starch granules by glucoamylase in a thick starch suspension.

Glc Glc

Glc Glc

Glc

Glc

Reaction model and rate equation β

Ef

Ead

EadS

(1)

k1

Ead + S

EadS

(2)

Ead + P

(3)

k−1 k2

Starch granules from corn

Ef?free enzyme Ead?adsrobed enzyme S?substrate (starch) P?product (glucose)

Assuming that the Langmuir adsorption isotherm is valid for eq (1),

d[P] β [E f ] = vmax dt 1 + β [E f ]

β?adsorption coefficient Γmax?saturation value of Γ

with vmax = k 0 Γ max aS , k +k and K m′ = −1 2 k1′

Monitoring of glucose concentration Electrode 2e−

E = 0.6 V

Hydroqui none(HQ)

Dialysis membrane

Benzoqui none(BQ)

Glucose oxidase (GOx)

The scale of each picture is 170 µm × 130 µm.

a?specific surface area of substrate S?weight of substrate per volume

Current response of the glucose sensor

Glucose sensor

Glucose

0.3

Ag | AgCl electrode

Gluconolactone

0.2 Pt

10% BQmixed carbon paste GOx

0.1 M KCl

Stirrer (500 rpm)

0.1 0.0

Teflon tube 3 mm

Dialysis membrane

Kinetic measurement of raw starch hydrolysis catalyzed by glucoamylase 0.25 mg cm−3 Soluble starch + 0.020 g cm−3 Raw starch (fraction IV)

I / µA

1

Glucoamylase (Rhizopus sp.) 2 U/mL

0.020 g cm−3 Raw starch (fraction IV) 1 min

0

The rate of the hydrolysis can be determined even if the suspension contains soluble starch.

0.2 0.4 0.6 [Glc] / mM

t/s

Sensitivity: 0.39± 0.02 µA mM−1

Dependence of v on [E [Ef] v = vmax

0.04 0.02

β [E f ] 1 + β [E f ]

β = (1.4 ± 0.4) ×107 M−1

0.25 mg cm−3 Soluble starch

0.5

0.1

0

100 200 300 400 500

0.1 M Acetate buffer (pH 5.0) 0.025−0.25 g cm−3 Raw starch

Glucose sensor

0.2

0 0

Water (25 oC)

v / mM min−1

Nylon net

Glucose 0.1 mM

Is / µA

k2 where k0 = 1 + K m′

I / µA

v=

v max = 0.051 ± 0.005 mM min−1

0 0

0.2

0.4

0.6

[Ef] / µM Plot of v vs [Ef] obtained with fraction IV (a = 2200 cm2 g−1) of S = 0.010 g cm−3.

41

Adsorption isotherm of glucoamylase

vmax vs. S

β = (1.6 ± 1.3) ×107 M−1 Γ max = 5.5 ± 1.3 pmol cm−2

2.5

Calculated value: 5 pmol cm−2

0 0

0.2

0.4

Glucoamylase

0.6

[Ef] / µM

Starch surface

3 nm

vmax vs. a

0.6

0.15

0.4 0.2

Fraction IV (a = 2200 cm2 g−1)

0

vmax / mM min−1

5

β [E f ] 1 + β [E f ]

vmax / mM min−1

Γ / pmol cm−2

Γ = Γ max

Dependence of vmax on S and on a I II

0.1

III IV

0.05

S = 0.010 g cm−3

0 0

0.05 0.1 S / g cm−3

The surface of raw starch granules is fully covered with glucoamylase molecules when [Ef] >> β−1.

0

2 4 6 a / 103 cm2 g−1

vmax = k0 Γ max aS

Determination of kinetic parameters

StarchStarch-producing plants

Glucoamylase β

k2

Glc

k’1

Starch surface

Glc Glc

k−1

Glc Glc Glc

Glc

From the slopes of the vmax vs S and vmax vs a plots, k0 = 6.2 s−1 By taking k2 = 77 s−1*), K m′ =

k −1 + k 2 = 11 *) K. Hiromi et al. BBA, 302, 362 (1973). k1′

One of twelve adsorbed glucoamylase molecules forms a productive complex at the steady state.

Starch granules from different origins a = 8300 cm2 g−1

a = 3300 cm2 g−1

a = 2900 cm2 g−1

Enzymatic hydrolysis of starch granules from different origins 0.3

Gandum a = 2900 cm2 g−1

Jagung

a = 2900 cm2 g−1

a = 1200 cm2 g−1

I / µA

Padi

Glucoamylase (Rhizopus sp.) 2 U/mL

Padi

Gandum

Singkong Jagung Ubi

0.2

Kentang

0.1 2 min 0

Singkong

Ubi

Kentang

Summary of the experimental results

Relation of k0 to starch crystal structure X-ray k0 diffraction (s−1) pattern

β / 107 M−1 Γmax / pmol cm−2 k0 / s−1 Padi

0.3±0.1

2.9±0.3

23.3±4.4

Gandum

0.6±0.1

4.0±1.6

14.8±6.0

Jagung

1.4±0.4

5.5±1.3

6.1±1.8

Singkong

1.2±0.3

3.9±2.2

7.1±4.1

Ubi

2.9±0.6

2.7±1.7

4.6±3.0

Kentang

2.5±1.8

6.4±1.7

1.6±0.6

The activity of adsorbed glucoamylase is dependent on the botanical sources of starch.

42

Padi

23.3

A

Gandum

14.8

A

Jagung

6.1

A

Singkong

7.1

CA

Ubi

4.6

CB

Kentang

1.6

B

(A)

(B)

Models of crystal structure of A- and B-type starch (Imberty et al., 1991)

k0 is large for dense structure and small for coarse structure.

Sugars stored in plants „

„

Enzymatic hydrolysis of crystalline cellulose

Mono- or di-saccharides Glucose (grape, water-melon, etc.) Sucrose (sugar-cane, sugar-beet, etc.) etc.

Substrate Microcrystalline cellulose (Avicel®, Merck) Density: 1.49 g cm−3 Specific surface area: 4.1 ×103 cm2 g−1

Polysaccharides Starch (grains, potatoes, etc.) Cellulose (all plants) etc.

Enzyme Cellobiohydrolase I (from Trichoderma viride)

Dependence of v on [E [Ef] and of vmax on S v vs. [Ef]

vmax vs. S

6 4

β = (4.4±1.7) ×

2

105

M−1

v max = 7.8±1.0 µM min−1

0

vmax / µM min−1

v / µM min−1

8

The initial rate of the enzymatic hydrolysis

15

of starch granules and crystalline cellulose

10

can be explained by the rate equation based

5

on the three-step mechanism, which consists of adsorption of the free enzyme onto the

0

0

5

10

[Ef] / µM

0

0.01

S / g cm−3

0.02

k0 = 0.040± 0.010 s−1 (cf. k0 = 0.025± 0.003 s−1 for a soluble substrate)

Publications z

Conclusion

H. Tatsumi, H. Katano, Kinetic analysis of enzymatic hydrolysis of raw starch by glucoamylase using an

surface of the substrate, reaction of the adsorbed enzyme with the substrate, and the liberation of the product.

Future Work z

amperometric glucose sensor, Chem. Lett., 33, 692−693 (2004). z

z

e.g. α-amylase, endo-cellulase, chitinase, chitosanase

H. Tatsumi, H. Katano, Kinetics of the surface hydrolysis of raw starch by glucoamylase, J. Agric. Food Chem., 53, 8123− 8127 (2005). H. Tatsumi, H. Katano, T. Ikeda, Kinetic analysis of enzymatic hydrolysis of crystalline cellulose by cellobiohydrolase using an amperometric biosensor, Anal. Biochem., in press (2006).

Endo-type glycoside hydrolases:

z

Enzymes with other insoluble substrates: e.g. lipases

Acknowledgments „

Colleague Prof. Tokuji Ikeda Prof. Hajime Katano

„

Students Mr. Noriharu Maeda Miss Satsuki Takabe Mr. Yasuteru Fujimoto Mr. Yoshihito Takeuchi

43

KIMIA DALAM INDUSTRI BERBASIS MINYAK NABATI: KASUS KONVERSI ASAM LEMAK KE ADITIF PELUMASAN BATAS Zainal Alim Mas’ud Departemen Kimia, FMIPA, Institut Pertanian Bogor

ABSTRAK Minyak nabati, terutama minyak sawit, adalah salah satu komoditas andalan Indonesia yang menarik untuk dikaji dalam upaya meningkatkan nilai tambah dan daya gunanya, salah satunya untuk mengantisipasi kecenderungan berkurangnya sumber daya alami asal petrokimia yang selama ini biasa digunakan untuk berbagai keperluan, khususnya menyangkut bahan-bahan yang berhubungan dengan sistem pelumasan. Suatu alternatif yang diajukan dalam upaya meningkatkan nilai tambah dan daya guna dari minyak nabati ini ialah merekayasa komponen asam lemak utamanya (palmitat, stearat, oleat, dan linoleat) menjadi bahan aditif pelumasan batas (boundary lubrication additive, BLA). Aditif ini merupakan komponen pelumas yang penting, terutama dalam sistem pelumasan, misalnya pengerjaan logam (rolling oil, cutting oil), fluida transmisi dan hidraulik, serta gear oil (automotif dan industri). Dari tinjauan molekular, 2 segi utama yang menjadi dasar alternatif ini. Pertama, gugus fungsi karbonil dan ikatan rangkap karbon-karbon dari komponen asam lemak trigliserida, yang penting dalam merancang dan mensintesis molekul dengan kemampuan membentuk lapisan film permukaan dengan logam, sebagai prasyarat BLA, sehingga wear dapat ditekan. Kedua, rantai karbon panjang dari fragmen alkil asam lemak yang memberi bantalan tambahan dalam meningkatkan daya lumas dan tentunya juga akan mengurangi friksi. Desain molekul BLA dan sintesisnya difokuskan pada modifikasi gugus fungsi karbonil dan beragam ikatan rangkap karbon-karbon alkil agar interaksinya dengan logam optimum. Sasaran akhir senyawa yang diinginkan adalah kompleks logam M-dialkilditiokarbamat dengan rumus umum (RR’NCS2)xM. Desain molekul ini bertitik tolak pada mimik bentuk molekul BLA yang telah digunakan secara universal, yaitu zink dialkil/aril ditiofosfat. Hipotesis yang diajukan adalah bahwa jumlah ikatan rangkap pada rantai R, yang dapat diragamkan melalui jenis R dan M, memengaruhi karakter shear strength dari lapisan film permukaan melalui kemampuan inhibisinya terhadap wear dan friksi. Diperolehnya informasi mengenai parameter optimum dari ikatan rangkap ini penting dalam proses formulasi BLA. Selanjutnya, tahapan-tahapan sintesisnya meliputi (i) konversi asam-asam lemak ke turunan amina sekundernya, (ii) pembentukan natrium ditiokarbamat dari berbagai turunan tersebut, diikuti pembentukan kompleks dengan logam M (Li, Zn, dan Sb).

PENDAHULUAN Pada dasarnya, nilai tambah dari komoditas minyak nabati, terkait dengan berbagai produk olahan yang dapat dihasilkannya, masih memiliki peluang yang sangat besar untuk ditingkatkan. Dalam rangka meningkatkan nilai tambah dan daya guna minyak nabati, makalah yang diajukan ini difokuskan pada upaya memodifikasi komponen asam lemak utama dari trigliserida nabati (palmitat, stearat, oleat, dan linoleat) menjadi aditif pelumasan batas (boundary lubrication additive, BLA). Dalam sistem pelumasan batas, fenomena friksi dan wear/seizure terutama bergantung pada shearing forces komponen-komponen pelumas relatif terhadap 2 permukaan logam yang saling kontak, dan fenomena ini dapat dikurangi oleh BLA. Mekanisme kerja aditif ini adalah adsorpsi atau reaksi

44

membentuk lapisan film pada permukaan logam sehingga kontak antarlogam dikurangi. Lapisan film yang terbentuk tersebut mempunyai shear strength yang lebih rendah daripada logam sehingga proses pelumasan berjalan lancar (O’Brien 1983, Studt 1989). Rancangan yang diajukan dalam makalah ini bertitik tolak dari model senyawa dialkilditiokarbamat dengan rumus umum (RR’NCS2)xM. Perbedaan fundamental antara struktur yang diteliti dan senyawa dialkilditiokarbamat yang telah umum digunakan terletak pada rantai alkilnya. Pada dialkilditiokarbamat yang umum digunakan, kedua rantai R identik dengan 4–10 atom karbon dan bersumber dari bahan petrokimia. Sementara struktur yang akan disintesis dan diteliti dapat memiliki rantai R yang sama atau berbeda, dengan 16 atau 18 atom karbon (jenuh atau tak jenuh), yang berasal dari trigliserida sawit. Dari ragam R yang diimbangi dengan ragam M [Li(I), Zn(II), dan Sb(III)], maka analisis (ruang lingkup) ditekankan pada faktor jumlah ikatan rangkap karbon-karbon dari rantai R tersebut dalam kaitannya dengan penghambatan terhadap wear, seizure, dan friksi. Pada awalnya, formulasi aditif yang berhubungan dengan fenomena pelumasan batas difokuskan pada sistem pelumasan industri, terutama dalam kaitannya dengan masalah tekanan ekstrem. Namun, sejumlah studi mengonfirmasikan bahwa terdapat kondisi-kondisi tekanan ekstrem dalam sistem pelumasan mesin selama cold cranking, percepatan sekonyong-konyong, beban berat, dan suhu ekstrem (Oil Extreme 2003). Dari fenomena ini, kemasan aditif dari pelumas mesin juga menjadi pertimbangan akhir-akhir ini.

POTENSI MINYAK NABATI NASIONAL Minyak nabati seperti minyak jarak, minyak kelapa, dan minyak sawit merupakan komoditas yang secara nasional berpotensi meningkatkan devisa negara. Minyak jarak akhir-akhir ini menjadi perhatian utama, terutama dalam hubungannya dengan masalah energi, dan akan dikembangkan di daerah lahan marginal beriklim kering. Dalam hal minyak kelapa, areal yang tertanami di Indonesia terbesar di dunia, namun produksinya masih di bawah Filipina dan Srilangka. Indonesia merupakan produsen minyak sawit utama dunia dan produksinya meningkat dari tahun ke tahun (Gambar 1). Tahun 2011 diramalkan bahwa Indonesia akan melampaui produksi minyak sawit Malaysia (Oil World 2020 Magz.). Namun demikian, pendayagunaannya masih terbatas, yakni sebagian besar digunakan sebagai minyak goreng dan ekspor masih didominasi oleh bentuk minyak sawit mentah.

Gambar 1 Produksi minyak sawit dunia (dalam juta ton) (Oil World 2020 Magz.). Berdasarkan fakta ini, usaha diversifikasi minyak nabati dalam jangka pendek, terutama minyak sawit, perlu digalakkan dalam upaya memberi nilai tambah dan nilai guna yang tinggi. Diversifikasi ini secara kronologis dapat kita bagi dalam 3 generasi (Gambar 2).

45

Gambar 2 Diversifikasi minyak nabati berdasarkan generasi. Diversifikasi dari suatu generasi ke generasi yang lebih tinggi diikuti dengan kompleksitas pengubahan yang semakin tinggi, namun nilai tambahnya juga meningkat. Sebagai contoh, generasi pertama adalah minyak goreng, selanjutnya generasi kedua antara lain senyawa antara (asam lemak, amina, fatty alcohol, dsb.), detergen, dan biodiesel. Pengubahan dari generasi pertama ke kedua lebih rumit dibandingkan dengan dari awal (buah sawit, kelapa, dsb.) ke minyak goreng. Demikian juga ke generasi ketiga (berbagai aditif, katalis, dan zat aktif lainnya) semakin rumit, tetapi nilai ekonominya juga semakin tinggi. Diversifikasi yang akan dibahas dalam makalah ini termasuk generasi ketiga.

KILAS ULANG SISTEM PELUMASAN Pada prinsipnya, sistem pelumasan dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori, yakni (1) pelumasan hidrodinamik, (2) pelumasan campuran dan elastohidrodinamik, serta (3) pelumasan batas. Pelumasan hidrodinamik memisahkan sistem logam-logam secara utuh sehingga kontak antarlogam tidak terjadi. Aliran pelumas berupa aliran laminar dengan laju relatif tinggi, dan sistem ini biasanya terjadi pada kondisi kerja dengan beban rendah. Pelumasan campuran dan elasto-hidrodinamik biasanya terjadi pada kondisi kerja dengan beban berat dan laju yang rendah. Pada sistem ini, aliran laminar pelumas terganggu, tetapi tetap masíh dapat mengalir. Kontak antarlogam pada daerah tertentu sudah mulai terjadi. Pelumasan batas merupakan sistem pelumasan dengan permukaan antarlogam saling bersentuhan. Sentuhan ini diusahakan tidak menimbulkan kerusakan atau keausan pada permukaan logam yang bersentuhan. Kalaupun terjadi keausan diusahakan seminimum mungkin. Sentuhan antarlogam diusahakan merupakan tumbukan lenting sempurna. Oleh karena itu, pelumas yang digunakan harus mengandung BLA. Senyawa ini dapat bereaksi dengan permukaan logam yang dilumasi dan membentuk pelindung yang bersifat pegas ketika terjadi sentuhan dengan logam lainnya. Sistem ini terjadi pada kondisi kerja dengan beban yang sangat berat dan dengan laju alir pelumas yang sangat rendah. Viskositas pelumas dalam hal ini tidak lagi efektif. Hubungan antara kondisi pelumasan dan koefisien friksi disajikan dalam Gambar 3 (Bóoser 1983).

Gambar 3 Hubungan antara kondisi pelumasan dan koefisien friksi.

46

ADITIF PELUMASAN BATAS Adsorpsi atau reaksi permukaan antarkomponen pelumas, khususnya BLA, dan permukaan logam-logam yang saling kontak merupakan kunci untuk menekan wear, seizure, dan friksi. Sehubungan dengan hal tersebut, beberapa pertanyaan yang akan dicarikan solusinya dalam makalah ini adalah sebagai berikut: a. Bagaimana model molekul yang dapat teradsorpsi atau dapat melakukan reaksi permukaan dengan logam secara efektif dalam menekan wear, seizure, dan friksi ? b. Dari segi sumber, adakah bahan dari kandungan lokal yang cukup berlimpah dan bersifat terbarukan (renewable) yang dapat digunakan atau dimodifikasi menjadi BLA yang efektif? Pada dasarnya jawaban kedua pertanyaan tersebut dapat diperoleh dari komponen asam lemak trigliserida nabati, terutama dari minyak sawit yang merupakan salah satu komoditas andalan Indonesia yang bersifat terbarukan. Namun demikian, komponen asam lemak ini masih perlu dimodifikasi agar diperoleh molekul dengan keefektifan yang tinggi untuk menekan wear dan friksi dalam sistem pelumasan. Selanjutnya, faktor polaritas memegang peran utama agar suatu molekul dapat teradsorpsi atau membentuk lapisan film pada permukaan logam. Dalam makalah ini, desain dan modifikasi/ síntesis difokuskan pada gugus fungsi karbonil ke gugus ditiokarbamat, dan secara simultan efek polaritas yang berhubungan dengan shear strength divariasikan melalui gugus fungsi ikatan rangkap pada rantai alkil asam lemak. Dari varian ini, dengan melibatkan berbagai logam [Li(I), Zn(II), dan Sb(III)], akan diperoleh berbagai purwarupa (prototype) dengan rumus umum (RR’NCS2)xM.

DESAIN DAN SINTESIS BLA Model acuan dalam desain molekul ialah zink dialkilditiokarbamat, [R2NCS2]2Zn, BLA yang lazim digunakan untuk mencegah wear dan friksi. Berbagai lintas síntesis dapat dilakukan, salah satunya disajikan dalam skema pada Gambar 4. Secara garis besar, proses dimulai dari asam lemak minyak nabati secara iteratif melalui halida asam dikonversi ke amida dan amina. Selanjutnya dibuat bentuk dialkilditiokarbamat yang melalui reaksi kompleks dengan logam membentuk BLA.. Dari berbagai asam lemak yang dipadukan dengan aneka jenis logam akan diperoleh berbagai purwarupa BLA.

Gambar 4 Lintas sintesis BLA.

47

DAFTAR PUSTAKA Booser RE, editor. 1983. CRC Handbook of Lubrication–Theory and Practice of Tribology. Boca Raton: CRC Pr. Joye JL, penemu. 2003. Sulphur orthophosphate compositions, preparation, and use. US patent 6 541 428. Nachtman ES, Kalpakjian S. 1985. Lubricant and Lubrication in Metalworking Operations. New York: Marcel Dekker. O’Brien JA. 1983. Lubricating Oil Additives. Di dalam: CRC Handbook of Lubrication. Volume ke-2. Booser ER, editor. Boca Raton: CRC Pr. Oil Extreme. The Need for Extreme Pressure Agents in Engine Oil Formulation. http://oilextreme.com Ramney MW. 1980. Synthetic Oils and Additives for Lubricants: Advance Science. New Jersey: Noyes Data Corp. Rizvi SQA. 1992. Lubricant Additive and Their Function. ASM Handbook, Friction, Lubrication, and Wear Technology. ASM Int. Studt P. 1989. Boundary lubrication: Adsorption of oil additive on steel and ceramic surface and its influence on friction and wear. Trib Int 22:623. Takagi, Fumaki, Abe, Kuzuuki, penemu. 2001. Extreme pressure agent, friction coefficient, modifier and functional fluids. US patent 6 310 012. Vogel’s. 1989. Textbook of Practical Organic Chemistry. Furniss BS, Hannaford AJ, Smith PWG, Tatchell AR, editor. Longman Group UK.

48

KINERJA FENIL α-NAFTILAMINA PADA PENGHAMBATAN OKSIDASI ESTER POLIGLISEROL-ESTOLIDA ASAM OLEAT Dicky Dermawan*, Arry Kusnadi, Ilowati Kurniawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi, Institut Teknologi Nasional, Bandung

ABSTRAK Ester poligliserol-estolida (PGE) dari asam oleat merupakan bahan biodegradabel yang sedang dikembangkan sebagai alternatif minyak pelumas. Penelitian ini mengkaji kinerja fenil α-naftilamina (PNA) sebagai antioksidan pada suatu contoh PGE yang memenuhi spesifikasi viskositas pelumas mesin SAE 50. Ketahanan oksidasi diukur dengan uji oksidasi pengadukan-Indiana termodifikasi (modified Indiana stirring oxidation test): contoh sebanyak 350 g ditempatkan dalam gelas piala 1000 ml yang dimasukkan ke penangas minyak bersuhu konstan untuk mempertahankan suhu contoh pada 150 oC. Sambil diaduk, ke dalam contoh dialirkan udara dan ditambahkan katalis logam berupa tembaga dan besi dengan luas permukaan berturut-turut 8 dan 16 in2. Secara berkala, sebanyak 10 ml contoh diambil dan diukur viskositas kinematiknya. Kenaikan viskositas contoh yang terukur pada suhu 40 dan 100 oC digunakan sebagai parameter ketahanan oksidasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tanpa bergantung pada suhu pengukuran viskositas, ketahanan oksidasi maksimum tercapai pada kadar PNA sebesar 2% yang memperpanjang masa pakai sebesar 19.8 jam. Masa pakai didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan agar oksidasi pada kondisi uji menaikkan viskositas sebesar 275%, ketika diukur pada suhu 40 oC. Kadar PNA di atas 2% memberikan efek yang merugikan. Bahkan, PNA dengan kadar di atas 6% akan menurunkan ketahanan oksidasi PGE. Kata kunci: ester poligliserol-estolida asam oleat, pelumas, fenil α-naftilamina, antioksidan, Indiana stirring oxidation test.

ABSTRACT Polyglycerol-estrolide (PGE) esters of oleic acid is a biodegradable material being developed as an alternative for lubricating oil. This research examined the performance of phenyl α-naphtylamine (PNA) as an antioxidant on a PGE sample fulfilling the SAE 50 machine-lubricant viscosityspecifications. The oxidation stability was measured by modified Indiana-stirring oxidation test: 350 g of sample was placed in a 1000 ml beaker glass in an oil bath having constant temperature to maintain the sample temperature at 150 oC. Under stirring, air was flown and metal catalyst (copper and iron), having surface area of 8 and 16 in2, respectively, was added into the sample. Periodically, 10 ml of sample were withdrawn and their kinematic viscosities were measured. The increase of viscosity measured at 40 and 100 oC were used as oxidation stability parameters. Results showed that independent of the temperature of viscosity measurement, maximum oxidation stability was achieved at 2% PNA, which extended oil useful-life as long as 19.8 h. Oil useful-life is defined as time required for oxidation at test condition to increase viscosity as much as 275%, when measured at 40 oC. PNA concentration above 2% gave disadvantageous effect. Even, using PNA higher than 6% decrease the PGE oxidation stability. Keywords: polyglycerol-estolide esters of oleic acid, lubricating oil, phenyl α-naphtylamine, antioxidant, Indiana-stirring oxidation test * Alamat korespondensi: [email protected]

49

PENDAHULUAN Ester poligliserol-estolida (PGE) asam oleat merupakan senyawa yang dikembangkan sebagai bahan dasar pelumas sintetik. Keunggulan komparatif PGE dibandingkan dengan pelumas konvensional adalah bahan bakunya teruraikan secara hayati, proses pembuatannya fleksibel sehingga mungkin diperoleh berbagai grade viskositas pelumas sesuai kebutuhan (Dermawan 2004a), serta nilai indeks viskositas dan titik nyalanya yang tinggi (Dermawan 2004b). Akan tetapi, keberadaan ikatan rangkap dalam struktur PGE menjadi salah satu kelemahan mendasar karena membuat PGE relatif lebih rentan terhadap oksidasi. Oksidasi pelumas umumnya merupakan proses yang tidak dikehendaki, karena dampak negatif yang ditimbulkannya. Oksidasi dapat menghasilkan produk ringan yang akan teruapkan bersama gas buang, meninggalkan sisa pelumas yang viskositasnya relatif lebih tinggi. Oksipolimerisasi yang terjadi juga memberikan akibat yang sama. Peningkatan viskositas ini akan menurunkan efisiensi sistem pelumasan. Di samping itu, produk oksidasi dapat merupakan asam-asam organik yang korosif terhadap sistem pelumasan. Pada taraf yang tinggi, oksidasi juga akan menghasilkan lumpur dan endapan yang taklarut. Masa pakai pelumas harus diakhiri sebelum peningkatan viskositas, korosivitas, serta pembentukan lumpur dan endapan yang berlebihan terjadi. Sifat oksidasi yang eksoterm akan mengakselerasi proses oksidasi pelumas. Kalor reaksi ini, bersama dengan peningkatan gesekan internal akibat kenaikan viskositas, juga akan meningkatkan suhu kerja mesin. Suhu yang makin tinggi akan makin mempercepat oksidasi, yang pada gilirannya akan semakin mempercepat laju peningkatan viskositas. Skema mekanisme oksidasi pelumas (Mortier 1997) menunjukkan bahwa reaksi yang terjadi dipengaruhi oleh suhu. Reaksi dimulai dengan lepasnya hidrogen yang terikat paling lemah dari molekul pelumas akibat pengaruh suhu dan sifat katalitik permukaan gesek yang berupa logam, diikuti dengan absorpsi oksigen oleh radikal yang terbentuk. Radikal peroksi yang dihasilkan akan menarik hidrogen dari molekul pelumas lainnya membentuk radikal baru yang kembali akan mengabsorpsi oksigen. Demikian seterusnya sehingga terbentuk reaksi-rantai yang mengakibatkan kerusakan pelumas. R-H → ROO· + H· ROO· + R’-H→ ROOH + R’· R’· + O2 → R’OO·

(1) (2) (3)

Pada suhu rendah, ROOH relatif stabil, tetapi pada suhu tinggi akan terurai menjadi radikal alkoksi dan radikal hidroksi yang sangat reaktif: ROOH → RO· + OH·

(4)

Kedua radikal ini secara non-selektif berperan penting dalam mempercepat perusakan molekul pelumas: RO· + R”-H → ROH + R”· (5) OH· + R”’-H → HOH + R”’· (6) Penamatan terjadi melalui penggabungan radikal-radikal menghasilkan molekul stabil dengan bobot molekul tinggi, misalnya (7) R’OO· + RO· → R’OOOR → R’OR + O2 Viskositas produk oksidasi ini akan sangat tinggi apabila masih berfase cair. Bila tidak, produk ini akan berupa lumpur dan/atau endapan taklarut.

50

Peningkatan ketahanan termal/oksidasi umumnya dilakukan melalui formulasi dengan antioksidan. Walaupun terdapat beragam cara kerja antioksidan, secara umum antioksidan dapat digolongkan ke dalam pemerangkap radikal dan pengurai hidroperoksida (ATC 1993). Penelitian ini mengkaji kinerja fenil α-naftilamina (PNA) sebagai antioksidan pada suatu contoh PGE yang memenuhi spesifikasi viskositas pelumas mesin SAE 50.

BAHAN DAN METODE Ester poligliserol-estolida (PGE) asam oleat dibuat dari gliserol dan asam oleat sesuai dengan metode Dermawan (2004a), tetapi diberi pengolahan lanjutan berupa esterifikasi-lanjut selama 6 jam dengan penambahan 1% n-butanol. Pengolahan lanjutan ini dimaksudkan untuk menyempurnakan konversi gugus karboksilat agar bilangan asamnya menurun. PGE yang digunakan memenuhi spesifikasi viskositas pelumas mesin SAE 50. Uji ketahanan oksidasi dilakukan dengan uji oksidasi pengadukan-Indiana termodifikasi. Contoh sebanyak 300 g ditempatkan pada gelas piala kemudian dimasukkan ke dalam penangas minyak yang suhunya dijaga tetap untuk mempertahankan suhu contoh pada 150 oC. Sambil terus diaduk, ke dalam contoh dialirkan udara dan ditambahkan katalis logam berupa tembaga dan besi dengan luas permukaan berturut-turut 8 dan 16 in2. Secara berkala, contoh diambil dan diukur viskositas kinematiknya. Waktu oksidasi yang diperlukan agar viskositas kinematik contoh meningkat 40 o C sebesar 275%, ketika diukur pada suhu 40 oC, dilambangkan t 275 % KVI , digunakan sebagai ukuran o

100 C masa pakai pelumas. Sebagai pembanding, digunakan pula t150 %KVI sebagai kriteria kedua.

HASIL DAN PEMBAHASAN Ketahanan Oksidasi PGE Oksidasi akan mengakibatkan kenaikan viskositas. Karena itu, mengukur viskositas selama proses oksidasi berlangsung dapat dijadikan ukuran ketahanan oksidasi dari suatu pelumas. Gambar 1 menunjukkan viskositas PGE yang digunakan, diukur pada suhu 40 dan 100 oC, selama dilangsungkan uji ketahanan oksidasi pada suhu 150 oC. Tampak bahwa secara berangsur-angsur oksidasi meningkatkan viskositas pelumas. Mula-mula peningkatan berlangsung lambat, tetapi semakin lama semakin cepat. 3500

100

5

5

4

4

3

3

2

2

90

60

2000

50 1500

40 30

1000

20

1

10

100oC 0

0 0

5

10

15

20

25

30

Waktu Oksidasi [jam]

35

40

45

1

40oC

40oC

500

KVI @ 100oC

70

KVI @40oC

80 2500

Viskositas Kinematik @ 100oC [cSt]

Viskositas Kinematik @ 40oC [cSt]

3000

100oC 0

0 0

5

10

15

20 25 30 Waktu Oksidasi [jam]

35

40

45

Gambar 1 Profil viskositas PGE selama uji oksidasi pada 150 oC.

51

Gambar 1 merupakan profil khas kenaikan viskositas PGE selama berlangsungnya proses oksidasi. Secara umum, kenaikan viskositas pada suhu 40 oC berlangsung lebih cepat daripada ketika diukur pada suhu 100 oC. Waktu yang diperlukan selama uji oksidasi dilakukan untuk mencapai kenaikan viskositas dengan harga tertentu dijadikan ukuran masa pakai pelumas. Sebagai contoh, API mensyaratkan kenaikan viskositas maksimum sebesar 325% pada pengujian oksidasi selama 64 jam untuk klasifikasi layanan SJ. Bahkan, untuk layanan SL, kenaikan maksimum disyaratkan hanya 275% dalam waktu oksidasi 100 jam. Pada penelitian ini, masa pakai pelumas secara apriori dihitung berdasarkan kriteria terakhir, yaitu waktu yang diperlukan untuk tercapainya kenaikan viskositas sebesar 275% berdasarkan hasil pengukuran viskositas pada suhu 40 oC, yang dilambangkan sebagai 40 o C 40 o C t 275 % KVI . Gambar 1 menunjukkan bahwa untuk PEG yang tidak diberi aditif t 275% KVI hanya 25.4 jam, jauh lebih singkat dibandingkan dengan persyaratan API. Tampak jelas dari hasil pengujian ini betapa pentingnya dilakukan formulasi untuk meningkatkan ketahanan oksidasi PGE.

Formulasi dengan PNA Formulasi dengan PNA menghambat oksidasi, karena aktivitasnya sebagai antioksidan. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2, PNA menyaingi reaksi perambatan (Persamaan 2) membentuk radikal amina yang terstabilkan oleh resonansi. Mekanisme stabilisasi oleh PNA memungkinkan terbentuknya oligomer PNA yang juga bersifat antioksidan. Dengan kata lain, resonansi PNA memberikan daya regenerasi sebagai antioksidan. N

N H

+ ROOH

+ ROO

N - 2 ROOH

2 ROO +

N H

2

2

A"H + ROO

- ROOH

...............

Gambar 2 Mekanisme kerja PNA sebagai antioksidan. Gambar 3 menunjukkan perbandingan profil kenaikan viskositas PGE tanpa aditif dengan PGE 40 o C yang diformulasikan dengan 2% PNA. Tampak jelas bahwa masa pakai pelumas, t 275 % KVI , berhasil ditingkatkan hingga mencapai 45.2 jam. 5

5 40oC 4

100oC

3

3

2

2

1

1

0

KVI @ 100oC

KVI @40oC

4

Keterangan: Garis tegas: PEG A tanpa antioksidan Garis putus-putus: dengan PNA 2%

0 0

5

10

15

20 25 30 35 Waktu Oksidasi [jam]

40

45

50

Gambar 3 Peningkatan ketahanan oksidasi.

52

o

40 C Tabel 1 menunjukkan masa pakai pelumas pada berbagai kadar PNA. ∆t275 %KVI adalah peningkatan masa pakai pelumas yang dihitung sebagai selisih antara masa pakai dengan keberadaan 40 o C aditif dan tanpa aditif. Sebagai contoh, untuk PNA 2% ∆t275 %KVI = 45.2–25.4 = 19.8 jam.

Tabel 1 Pengaruh formulasi dengan PNA, pengukuran viskositas pada 40 oC o

o

PNA (%)

40 C t 275 % KVI (jam)

40 C ∆t275 %KVI (jam)

0 1 2 3 5 7

25.4 26.8 45.2 39.8 31.4 18.0

0.0 1.4 19.8 14.4 6.0 -7.4

Tabel 2 menunjukkan pengaruh kadar PNA terhadap masa pakai pelumas, tetapi 100o C menggunakan ∆t150 %KVI . Tampak bahwa tanpa bergantung pada suhu ukur yang digunakan sebagai kriteria masa pakai, PNA 2% memberikan hasil terbaik. Tabel 2 Pengaruh formulasi dengan PNA, pengukuran viskositas pada 100 oC o

o

PNA (%)

100 C t150 %KVI (jam)

100 C ∆t150 %KVI (jam)

0 1 2 3 5 7

22.6 27.8 41.7 34.3 31.2 21.1

0.0 5.2 19.1 11.7 8.6 -1.5

Pada konsentrasi PNA di atas 2%, sifat prooksidan PNA mulai tampak: AH + R1

C H

R2

C H

A + R

1

C H2

R2

C H

20

20

18

18

16

16

14

14

C ∆ t 100 150 % KVI [jam]

12 10 8

o

o

C ∆t 40 275% KVI , [ jam ]

Akibatnya, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, pemakaian PNA pada kadar di atas 2% melemahkan kemampuannya sebagai antioksidan. Aplikasi PNA pada kadar 6% ke atas bahkan memberikan ketahanan oksidasi lebih rendah daripada ketahanan oksidasi PGE tanpa antioksidan.

6

12 10 8 6

4

4

2

2 0

0 0

1

2

3

4

Kadar PNA (%)

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

Kadar PNA (%)

(a) (b) Gambar 4 Peningkatan masa pakai pelumas pada formulasi dengan berbagai kadar PNA berdasarkan pengukuran viskositas pada (a) 40 oC dan (b) 100 oC.

53

SIMPULAN DAN SARAN Studi empirik untuk mengkaji kinerja PNA sebagai antioksidan pada suatu contoh pelumas percobaan PGE yang memenuhi spesifikasi viskositas pelumas mesin SAE 50 menunjukkan bahwa tanpa bergantung pada suhu pengukuran viskositas, peningkatan ketahanan-oksidasi maksimum tercapai pada kadar PNA sebesar 2%. Studi ini juga menunjukkan bahwa peningkatan kadar antioksidan tidak selalu memberikan perbaikan. Penggunaan PNA pada konsentrasi di atas 2% justru memberikan efek yang merugikan karena meningkatnya efek prooksidan. Bahkan, penggunaan PNA dengan kadar di atas 6% akan menurunkan ketahanan oksidasi PGE. Studi lanjutan mengenai peningkatan ketahanan oksidasi pelumas dapat dilakukan menggunakan aditif lain atau menggunakan kombinasi aditif.

UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dilaksanakan dengan dukungan dana dari Technological & Professional Skills Development Sector Project (ADB Loan No:1792-INO).

DAFTAR PUSTAKA ATC. 1993. Document 49: Lubricant Additives and The Environment. Belgia: CEFIC. Dermawan D. 2004a. Pengaturan viskositas produk esterifikasi poligliserol dengan campuran estolidaasam oleat. Prosiding Seminar Nasional “Kejuangan”. Yogyakarta: Teknik Kimia UPN Veteran. Dermawan D. 2004b. Karakteristik ester poligliserol dari estolida & asam oleat sebagai bahan dasar pelumas mesin otomotif. Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia & Proses. Semarang: Teknik Kimia Universitas Diponegoro. Mortier RM, Orszulic ST. 1997. Chemistry and Technology of Lubricant. Ed ke-2. London: Blackie Academic and Professional.

54

ALKALOID ERITRINA YANG BERSIFAT ANTHELMINTIK DARI BIJI DADAP AYAM (Erythrina variegata) Tati Herlina*, Unang Supratman1, Anas Subarnas, Supriyatna Sutardjo2, Hideo Hayashi3 1Jurusan

Kimia, FMIPA, Universitas Padjadjaran, Jatinangor Farmasi, FMIPA, Universitas Padjadjaran, Jatinangor 3Laboratory of Natural Products Chemistry, Division of Applied Biological Chemistry, Graduate School of Agriculture and Life Science, Osaka Prefecture University, Japan 2Jurusan

ABSTRAK Erythrina variegata (Leguminosae) merupakan tumbuhan obat tradisional yang digunakan sebagai anthelmintik. Dalam penelitian berkelanjutan untuk menemukan senyawa anthelmintik baru dari tumbuhan eritrina, diperoleh bahwa ekstrak metanol dari biji E. variegata menunjukkan aktivitas penghambatan yang signifikan terhadap perkembangan telur infektif Ascaris suum. Ekstrak ini kemudian dipisahkan komponen-komponennya dengan cara fraksionasi yang dipandu oleh uji hayati. Struktur kimia senyawa aktif ditetapkan berdasarkan data-data spektroskopi dan perbanding-an dengan senyawa yang sebelumnya telah dilaporkan dan diidentifikasi sebagai alkaloid eritrina, yaitu eritratidinon. Senyawa ini memperlihatkan aktivitas penghambatan terhadap perkembangan telur infektif A. suum secara in vitro pada konsentrasi 10 ppm. Kata kunci: Erythrina variegata, Leguminosae, anthelmintik, alkaloid eritrina.

ABSTRACT Erythrina variegata (Leguminosae) is a traditional plant used as anthelmintic. In a sustainable research to invent novel anthelmintic compounds from Erythrina plants, it was found that methanol extract from the seed of E. variegata showed significant inhibition activity against the growth of Ascaris suum infective eggs. The components of this extract were then separated by bioassay-guided fractionation. Chemical structure of the active compound was determined on the basis of spectroscopic evidence and comparison with the compound previously reported and identified as an erythrina alkaloid, erythratidinone. Erythratidinone showed inhibition activity against A. suum infective eggs growth in vitro at 10 ppm. Keywords: Erythrina variegata, Leguminosae, anthelmintic, erythrina alkaloid

PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara yang memiliki keanekaragaman hayati terbesar di dunia dengan lebih dari 30 ribu spesies tanaman berkhasiat obat yang telah diteliti secara ilmiah. Namun, hanya sekitar 180 spesies yang telah dimanfaatkan oleh industri obat tradisional (Depkes 2000). Tumbuhan obat Indonesia yang telah banyak dimanfaatkan oleh masyarakat dalam pengobatan anthelmintik secara tradisional adalah dadap ayam (Erythrina variegata), yang termasuk famili Leguminosae (Heyne 1987; Mursito 2002). Bagian tumbuhan E. variegata yang digunakan dalam * Alamat korespondensi: [email protected]

55

pengobatan tradisional adalah daun, kulit batang, akar, dan biji yang dilaporkan mengandung senyawa alkaloid (Chawla et al. 1988), serta senyawa golongan flavonoid dan isoflavonoid (Tanaka et al. 2000; Sato et al. 2003). Peneliti sebelumnya telah berhasil mengisolasi 4 senyawa alkaloid eritrina dari daun Erythrina subumbrans yang beraktivitas paralitik terhadap ulat sutera (Bombyx mori) instar ketiga (Supratman et al. 2000), alkaloid golongan isokuinolina dari kulit batang Erythrina poeppigiana (Herlina et al. 2003; Herlina et al. 2005), alkaloid eritrina dari biji Erythrina fusca (Herlina et al. 2004), serta 2 alkaloid eritrina dari kulit batang E.subumbrans (Herlina et al. 2006). Dalam penelitian berkelanjutan untuk menemukan senyawa anthelmintik baru dari tumbuhan Erythrina, diperoleh bahwa ekstrak metanol dari biji E. variegata menunjukkan penghambatan terhadap perkembangan telur infektif Ascaris suum. Pada makalah ini akan dipaparkan tentang isolasi, penentuan struktur, dan uji aktivitas anthelmintik dari biji E. variegata.

PERCOBAAN Umum

Spektrum inframerah (IR) diukur dengan spektrofotometer IR transformasi Fourier (FTIR) Shimadzu seri 8400. Spektrum resonansi magnetik inti (NMR) 1H dan 13C diukur menggunakan Spectra JEOL JNM A-400, yang bekerja pada 400 MHz (1H-NMR) dan 125 MHz (13C-NMR) dengan tetrametilsilana (TMS) sebagai standar internal. Kromatografi kolom dilakukan dengan mengguna-kan silika gel Merck 60 GF254, dan analisis kromatografi lapis tipis (TLC) menggunakan lempeng berlapis silika gel Merck 60 GF254.

Pengumpulan Bahan Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah biji dadap ayam (E. variegata) yang diperoleh dari hutan lindung di daerah Ciater, Kabupaten Subang. Bahan ini dideterminasi di Laboratorium Taksonomi Tumbuhan, Jurusan Biologi, FMIPA, Institut Teknologi Bandung.

Ekstraksi dan Isolasi Serbuk biji E. variegata (2 kg) dimaserasi dengan metanol. Ekstrak metanol pekat lalu diasamkan dengan asam sulfat sampai pH 2−3, sebelum dipartisi dengan diklorometana. Ekstrak diklorometana kemudian dibasakan sampai pH 9−10, dipekatkan, dan dipisahkan menggunakan kromatografi kolom silika gel G 60 dengan eluen kloroform-metanol (9.5:0.5). Fraksi D (65.5 mg) kemudian dipisahkan dengan kromatografi kolom silika gel G 60 dan eluen n-heksana-aseton (3:2). Diperoleh senyawa 1 (15 mg).

Evaluasi Aktivitas Anthelmintik secara In Vitro Suspensi telur (±40 telur) infektif A. suum diteteskan pada kaca objek, kemudian masingmasing ditambahkan contoh dengan ragam konsentrasi 2, 1, 0.5, dan 0.1%. Setelah 3 jam, campuran suspensi telur dengan contoh diperiksa di bawah mikroskop, dan dihitung jumlah telur yang mati untuk memperoleh persen inhibisi sampel (Murad et al. 2003).

56

HASIL DAN PEMBAHASAN Senyawa 1 diperoleh sebagai minyak berwarna kuning, titik leleh 120−122 °C, Spektrum UV λmaks (EtOH) nm (ε): 283 (4600), 230 (24000); Spektrum FTIR (pelet KBr) νmaks: 3059, 2924, 1682, 1510, 1254, dan 753 cm-1. Spektrum 1H-NMR (400 MHz, CDCl3), δH ppm: 2.17 (1H, dd, J=13.1; 11.6 Hz, H-4a); 2.52 (1H, m, H-7a); 2.62 (1H, dd, J=11.6; 5.2 Hz, H-4b); 2.65 (1H, m, H-11a); 2.70 (1H, m, H7b); 2.82 (1H, dt, J=9.2; 7.3 Hz, H-8a); 3.02 (1H, m, H-11b); 3.22 (1H, dd, J=14.6; 6.7 Hz, H-10a); 3.49 (1H, m, H-10b); 3.50 (3H, s, OMe-3); 3.77 (3H, s, OMe-16); 3.78 (3H, s, OMe-15); 4.04 (1H, dd, J=13.1; 5.2 Hz, H-3); 6.12 (1H, dd, J=2.1; 1.5 Hz, H-1); 6.54 (1H, s, H-17); Spektrum 13C-NMR (125 MHz, CDCl3), δC ppm: 120.93 (CH-1); 197.74 (C-2); 77.08 (CH-3); 42.58 (CH2-4); 64.35 (C-5); 168.29 (C-6); 28.56 (CH2-7); 45.87 (C-8); 39.87 (CH2-10); 21.35 (CH2-11); 124.61 (C-12); 125.97 (C-13); 109.78 (CH14); 146.55 (C-15); 146.93 (C-16); 112.96 (CH-17); 55.85 (OMe-3); 56.14 (OMe-16); 58.52 (OMe-15). Ekstrak metanol pekat biji E. variegata dipartisi di antara diklorometana dan air. Ekstrak diklorometana yang telah diasamkan selanjutnya dibasakan dan dipisahkan melalui kombinasi kromatografi kolom silika gel G 60 dan TLC preparatif silika gel GF254 menghasilkan senyawa 1. Senyawa 1 menunjukkan rumus molekul C19H23NO4 berdasarkan data 1H-dan 13C-NMR, serta menunjukkan serapan enon dan aril pada 230 nm (ε = 24000) dan 283 nm (ε = 4600). Spektrum IR menunjukkan adanya serapan cincin aromatik pada 3059, 1560, dan 753 cm-1 dan gugus karbonil α,βtakjenuh pada 1682 cm-1. Spektrum 1H-NMR menunjukkan adanya proton-α dari keton α,β-takjenuh pada δH 6.12 (1H, t, J=2.1 Hz) dan cincin benzena 1,2,4,5-tetrasubstitusi pada δH 6.54 (1H, s) dan 6.68 (1H, s), yang menunjukkan senyawa aktif sebagai struktur tetrasiklik. Spektrum 1H-NMR juga menunjukkan adanya 3 gugus metoksi pada δH 3.50 (3H, s); 3.77 (3H, s); dan 3.78 (3H, s) yang ditunjang pula dengan data 13C-NMR pada δC 55.85 (OMe-3); 56.14 (OMe-16); dan 58.52 (OMe-15). Berdasarkan data-data spektrum yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya serta pendekatan biogenetik tentang keberadaan senyawa golongan alkaloid eritrina pada marga Erythrina biologis, senyawa 1 (Gambar 1) ditetapkan sebagai eritratidinon (Supratman et al. 2000). Aktivitas biologis senyawa 1 diperiksa terhadap telur infektif A. suum. Isolat murni senyawa 1 menunjukkan persen inhibisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan fraksi D dan ekstrak metanol. Hasil uji aktivitas ekstrak metanol, fraksi D, dan senyawa 1 dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel Hasil uji aktivitas ekstrak metanol, fraksi D, dan senyawa 1 No. Contoh Inhibisi (%) Konsentrasi (ppm) 1. 2. 3.

Ekstrak metanol Fraksi D Senyawa 1

H 3C O

H 3C O

60 80 87 16

15

17

12

13 14 4 3

H 3C O

10 000 1 000 10 11 10

N 5 6 2

8 7

1

H O Gambar 1 Struktur eritratidinon.

57

SIMPULAN Alkaloid eritrina, eritratidinon (15 mg), yang berupa minyak berwarna kuning hasil isolasi dari biji E. variegata (2 kg), memperlihatkan aktivitas penghambatan (87%) terhadap perkembangan telur infektif A. suum secara in vitro pada konsentrasi 10 ppm.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi atas dana yang diberikan melalui Hibah Penelitian Tim Pascasarjana (Hibah Pasca) Tahun Anggaran 2005. Juga kepada Dr. Tomoyuki Fujita dan Dr. Kohki Akiyama pada Laboratory of Natural Products Chemistry, Division of Applied Biological Chemistry, Graduate School of Agriculture and Life Sciences, Osaka Prefecture University, Osaka, Jepang atas pengukuran spektrum NMR.

DAFTAR PUSTAKA Chawla AS, Krishan TR, Jackson AH. Scalabrin DA. 1988. Alkaloidal constituents of Erythrina variegata bark. J Planta Med 16:526-528. [Depkes] Departemen Kesehatan RI. 2000. Parameter Standar Umum Ekstrak Tumbuhan Obat. Jakarta. hlm 10-11. Herlina T, Harneti D, Supratman U, Subarnas A, Supriyatna, Hayashi H. 2003. A paralytic alkaloid from the bark of Erythrina poeppigiana. Math et Natur Acta 7:6-15. Herlina T, Supratman U, Subarnas A, Supriyatna, Hayashi H. 2004. Alkaloid yang bersifat paralitik dari biji Erythrina fusca Lour (Leguminosae). Math et Natur Acta 3:43-49. Herlina T, Supratman U, Subarnas A, Supriyatna, Hayashi H. 2005. Alkaloid isokuinolin yang bersifat paralitik dari kulit batang Erythrina poeppigiana (Walpers) O.F. Cook (Leguminosae). Bionat 7:212-218. Herlina T, Supratman U, Subarnas A, Supriyatna, Hayashi H. 2006. Paralytic alkaloids from the bark of Erythrina subumbrans (Leguminosae). J Natur 8(2):65-68. Heyne K. 1987. Tumbuhan Berguna Indonesia. Jilid II. Badan Litbang Kehutanan, penerjemah. Jakarta: Sarana Wana Jaya. Terjemahan dari: De Nuttige Planten van Indonesie. Sato M, Tanaka H, Fujiwara S, Hirata M, Yamaguchi R, Etoh H, Tokuda C. 2003. Antibacterial property of isoflavonoids isolated from Erythrina variegata against cariogenic oral bacteria. Phytomed 10:427-433. Supratman U, Fujita T, Hayashi H. 2000. Erythrina alkaloids from the leaves of Erythrina subumbrans (Leguminosae). Appl Bio Sci 6:7-16. Tanaka H, Etoh H, Shimizu H, Makita T, Tateishi Y. 2000. Two new isoflavonoids from Erythrina variegata. Planta Med 66:578-579.

58

ANTIBIOTIK BARU DARI ACTINOMYCETES DAN JAMUR Desak Gede Sri Andayani, Linar ZU, LBS Kardono, M Hanafi Pusat Penelitian Kimia, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia

ABSTRAK Antibiotik masih digunakan untuk mengobati infeksi. Akan tetapi, semakin banyak organisme penyebab infeksi yang resisten terhadap berbagai antibiotik sehingga perlu dicari antibiotik baru. Antibiotik adalah metabolit sekunder yang disintesis oleh mikrob tertentu yang dapat mematikan mikrob lain. Sebagian besar antibiotik, antimikrob, dan antikanker dihasilkan oleh mikroorganisme endogenik dan endofitik dari kelompok Actinomycetes dan jamur. Pada penelitian ini, dilakukan pencarian antibiotik baru yang meliputi identifikasi mikroorganisme penghasil antibiotik baru secara morfologis, kimiawi, dan molekular; fermentasi; pemisahan/pemurnian yang meliputi ekstraksi dan fraksionasi; bioautografi; uji bioaktivitas; dan elusidasi struktur senyawa bioaktif dengan spektroskopi resonansi magnetik inti. Identifikasi dan isolasi menunjukkan bahwa antibiotik baru dihasilkan dari genus Streptomyces sp. dengan senyawa bioaktif dari golongan poliena yang memiliki aktivitas antibakteri dan antijamur terhadap mikrob patogen Salmonella typhimurium A, B, C, Escherichia coli, Bacillus substilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi, Mycrosforum gypseum, dan Thricopyton sp.

ABSTRACT Antibiotics are still used to treat infection. However, organisms causing infection which are resistant to antibiotics become greater, so a new antibiotic is needed. Antibiotics are secondary metabolites synthesized by particular microbes that may kill other microbes. Most antibiotics, antimicrobes, and anticancers are produced by endogenic and endophytic microorganisms from the group of Actinomycetes and fungi. In this research, new antibiotics were screened, including identification of microorganisms producing new antibiotics morphologically, chemically, and molecularly; fermentation process; separation/purification, including extraction and fractionation; bioautography; bioactivity assay; and structural elucidation of the bioactive compounds with nuclear magnetic resonance spectrocopy. The identification and isolation showed that new antibiotics are produced from Streptomyces sp. strain with bioactive compounds from polyene group owing antibacterial and antifungal activities towards pathogenic microbies of Salmonella typhimurium A, B, C, Escherichia coli, Bacillus substilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi, Mycrosforum gypseum, and Thricopyton sp.

PENDAHULUAN Golongan obat antibiotik lebih sering diproduksi menggunakan cara fermentasi. Dengan kemajuan biologi molekular dan rekayasa genetika, produksi obat secara fermentasi telah maju pesat. Di Indonesia, penelitian dan pengembangan bahan baku obat secara fermentasi relatif belum

59

berkembang. Di sisi lain, Indonesia terkenal akan keanekaragaman hayatinya, tidak terkecuali mikrob. Namun, potensi mikrob untuk pengembangan antibiotik baru belum banyak terungkap1. Banyaknya penyakit baru yang ditemukan memerlukan obat baru untuk menanggulanginya. Demikian pula karena resistensi antibiotik yang sudah ada terhadap mikrob infeksi target, meskipun antibiotik yang beredar sudah banyak, antibiotik baru yang lebih berpotensi dan efektif terus dicari. Antibiotik adalah metabolit sekunder yang dihasilkan oleh mikroorganisme melalui proses fermentasi. Hampir semua metabolit sekunder hasil fermentasi bernilai ekonomi yang tinggi; beberapa di antaranya telah diproduksi secara komersial. Manfaat antibiotik dan modifikasi aktivitas-nya bagi kepentingan makhluk hidup antara lain ialah untuk memerangi berbagai infeksi pada manusia dan hewan, selain juga digunakan sebagai aditif untuk meningkatkan nilai produk pangan. Actinomycetes dan jamur yang diisolasi dari tanah maupun tanaman2,3 telah lama digunakan sebagai antibiotik, antimikrob, dan antikanker. Selain itu, mereka juga merupakan kelompok mikroorganisme paling penting dalam menghasilkan metabolit yang berguna. Hampir 85% antibiotik ditemukan dari genus Streptomyces dari kelompok Actinomycetes. Keanekaragaman senyawa kimia yang diproduksi menyebabkan Streptomyces berada di tempat teratas sebagai mikroorganisme penghasil antibiotik4. Penelitian ini bertujuan mengembangkan bahan baku antibiotik baru dengan aktivitas antimikrob dan antikanker dari mikrob alam Indonesia.

BAHAN DAN METODOLOGI Mikroorganisme Penapisan antibiotik baru dilakukan dari berbagai isolat mikroorganisme endogenik dari tanah dataran rendah (kebun dan hutan) dan tinggi (gunung/tanah vulkanik) serta mikroorganisme endofitik dari tanaman berkhasiat obat di Indonesia. Isolasi mikrob endogenik dilakukan pada medium agar pati, sedangkan mikrob endofitik diisolasi dengan medium agar corn meal malt (CMM). Karakteristik morfologi ditentukan menggunakan mikroskop optik (Nikon Microphot FXA, Japan) dan mikroskop elektron payaran (Philips SEM 515, Netherland). Karakteristik genetis ditentukan menggunakan gen pengurut rRNA 16s dan 18s.

Fermentasi Kultur agar miring 10% yang ditumbuhkan pada medium agar dekstrosa kentang (PDA, Difco.co) disuspensi dalam akuades kemudian diaktifkan dalam labu Erlenmeyer 500 ml yang berisi 100 ml medium [tripton 5g/l, pati 10g/l, glukosa 10 g/l, ekstrak khamir 2.5g/l, CaCO3 1 g/l, dan medium PDB (Difco.co). Erlenmeyer lalu ditempatkan pada penggoyang mekanis dengan putaran 150 rpm dan suhu 30 oC. Setelah diinkubasi 2 hari, 100 ml kultur aktif diinokulasikan ke dalam fermentor 1 l yang mengandung medium sama dengan medium pengaktif. Fermentasi dilakukan pada volume kerja 1 l, putaran 150 rpm, aerasi 1 vvm, dan suhu 30 oC selama 7 hari. Cairan hasil fermentasi disentrifugasi 5 menit pada 5000 rpm untuk memisahkan supernatan dan biomassa.

Pemurnian dan Isolasi Senyawa Bioaktif Supernatan selanjutnya diekstraksi berturut-turut dengan n-heksana dan campuran etil asetatn-butanol (1:3). Hasil ekstraksi dikisatkan menggunakan penguap, lalu pemurnian dilanjutkan dengan kromatografi lapis tipis (TLC) dan kromatografi kolom5,6,7,8.

60

Aktivitas Biologis Pengujian aktivitas antimikrob (antibakteri dan antijamur) dari cairan fermentasi dilakukan berdasarkan metode difusi agar9,10. Mikrob patogen yang terdiri atas bakteri Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus substilis, dan Salmonella typhimurium A, B, C, dan jamur patogen Mycrosforum gypseum dan Thricopyton sp. digunakan sebagai organisme indikator. Mereka dikultur dalam medium PDA pada suhu 25 oC. Sebanyak 16 ml medium PDA cair (suhu 45 oC) dituang ke dalam cawan petri yang telah diisi 100 µl spora organisme indikator. Kertas saring yang telah disterilisasi (Ǿ = 5 mm) dan telah diisi cairan fermentasi ditempatkan di atas medium padat. Setelah beberapa hari dikultur, diameter penghambatan berupa zona bening dari organisme indikator diukur. Pengaruh sitotoksik/aktivitas antikanker cairan fermentasi diuji secara in vitro dengan metode 9,11 MTT . Cell line (sel T47D) yang digunakan berasal dari sel kanker payudara manusia. Rapatan optis (OD) diukur dengan microplate reader (M-3550, Bio-Rad) pada panjang gelombang 595−655 nm. Konsentrasi penghambatan 50% (IC50) didefinisikan sebagai ekstrak pengenceran kultur contoh yang menghambat 50% laju pertumbuhan sel kanker.

HASIL DAN PEMBAHASAN Mikroorganisme Identifikasi secara morfologis, kimiawi, dan genetis menunjukkan bahwa mikrob endogenik yang memiliki aktivitas antimikrob termasuk genus Streptomyces sp. Sementara dari amatan secara morfologis, mikrob endofitik yang memiliki aktivitas antimikrob dan antikanker ialah jamur endofitik.

Aktivitas Biologis Cairan hasil fermentasi Streptomyces sp. menunjukkan aktivitas antijamur terhadap M. gypseum dan Thricopyton sp. Ekstrak etil asetat dan n-butanol menunjukkan aktivitas antibakteri terhadap S. aureus, B. substilis, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi, dan S. typhimurium A, serta aktivitas antijamur terhadap M. gypseum dan Thricophyton sp. Bioautografi kromatogram cairan fermentasi menunjukkan bahwa senyawa aktif pada ekstrak etil asetat memiliki aktivitas antijamur terhadap M. gypseum dan yang pada ekstrak n-butanol memiliki aktivitas antibakteri terhadap S. aureus dan B. substilis (Gambar 1, Tabel 1). Tabel 2 memperlihatkan aktivitas toksisitas-selektif jamur endofitik isolat C3 terhadap sel kanker T47D, dengan nilai IC50 3 µg/ml. Tingginya aktivitas antikanker ini memperlihatkan bahwa mikrob endofitik adalah sumber yang dapat diandalkan sebagai bahan baku bioaktif antikanker.

Gambar 1 Aktivitas antijamur dan bioautografi pada ekstrak etil asetat dan n-butanol.

61

Tabel 1 Aktivitas antimikrob Streptomyces sp. Diameter-hambat antimikrob (mm)

Contoh

S. aureus

B. substilis

E. coli

P. aeruginosa

S. typhi

S. paratypy A

Tricophyton sp.

M. gypseum

Fermentasi hari ke-2

−

−

−

−

−

−

−

12

Fermentasi hari ke-3

−

−

−

−

−

−

20

24

Fermentasi hari ke-4

−

−

−

−

−

−

25

20

Fermentasi hari ke-5

−

12

12

12

10

13

30

30

Ekstrak etil asetat

12

15

12

12

15

15

33

30

Ekstrak n-butanol

20

25

21

23

25

20

25

15

Residu

−

20

−

−

−

−

−

20

A. ekstrak etil asetat

−

−

−

−

−

−

−

14

A. ekstrak n-butanol

16

10

−

−

−

−

−

−

Tabel 2 Aktivitas antikanker jamur endofitik No

Nama contoh

Aktivitas antikanker (µg/ml)

1 2 3 4 5 6 7 8

C1 C3 C5 C15 C20 C22 C23 C30

258 3 274 319 290 266 178 264

Aktivitas antibakteri terhadap S. typhimurium A ditunjukkan oleh isolat C2, C8, C10, C11, C18, C19, dan C26; terhadap B. substilis ditunjukkan oleh jamur endofitik isolat C6. Sementara aktivitas antibakteri terhadap S. typhimurium A, B, C; E. Coli; dan S. aureus ditunjukkan oleh jamur endofitik isolat C18. Aktivitas antijamur terhadap M. gypseum ditunjukkan oleh isolat C9, C14, C17, dan C18, dan terhadap Thricopyton sp. ditunjukkan oleh isolat C10, C14, dan C18. Tabel 3 dan 4 berturut-turut memperlihatkan aktivitas antijamur dan antibakteri dari isolat jamur yang menghambat organisme indikator. Daerah hambatan berdiameter 7 sampai 40 mm. 50% galur (strain) yang diisolasi dari tanaman dan 50% cairan hasil fermentasi serta hasil ekstraksi jamur endofitik memperlihatkan aktivitas antibakteri dan antijamur terhadap bakteri dan jamur patogen pada sekurangkurangnya satu organisme indikator. Hal ini mengindikasikan bahwa mikrob endofitik dapat dikembangkan sebagai sumber baru senyawa antibakteri dan antijamur. Tabel 1, 2, 3, dan 4 juga menunjukkan bahwa metabolit sekunder terbentuk mulai hari ke-2 dan ke-4 sampai dengan hari ke-5 dan ke-7, dengan aktivitas tertinggi pada hari ke-5. Hal ini mengindikasikan bahwa waktu yang diperlukan untuk terbentuknya antibiotik antimikrob dan antikanker oleh mikrob endogenik (Streptomyces sp.) dan mikrob endofitik (jamur endofitik) melalui proses fermentasi ialah 5 hari. Tabel 3 Aktivitas antijamur jamur endofitik No

Nama contoh Waktu (hari ke)

1 2 3 4 5

62

C9 C10 C14 C17 C18

Diameter-hambat aktivitas antijamur (mm) M. gypseum Tricophyton sp. 4 5 6 7 4 5 6 7 38 − 20 35 13

40 − 31 40 31

37 − 30 30 28

36 − 15 25 20

− 12 20 − 20

− 21 31 − 31

− 20 30 − 28

− 18 30 − 21

Tabel 4 Aktivitas antibakteri jamur endofitik

Sifat Fisikokimia

protein (g/l)

pH, kadar glukosa (g/l), Kadar

Penurunan pH, kadar glukosa (g/l), dan kadar protein (g/l) pada Gambar 2, 3, 4 dan 5 berlangsung bermakna seiring dengan lamanya fermentasi. Hal ini disebabkan oleh katabolisme glukosa menjadi asam-asam organik serta penggunaan sumber-sumber nitrogen dan glukosa untuk pertumbuhan mikrob dan biosintesis antibiotik. 9 8 7 6 5

pH Glukosa

4 3 2 1 0

Prot ein

1

2

3

4

5

6

7

w aktu fermentasi (hari)

Gambar 2 Perubahan pH, kadar glukosa (g/l), dan kadar protein (g/l) Streptomyces sp. 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2

C19 C26 C2 C6 C8 C10 C11 C18

1

2

3 4 5 6 Waktu fermentasi (hari)

7

Gambar 3 Perubahan pH jamur endofitik. C19 C26 C2 C6 C8 C10 C11 C18

3 2 2 1 1 0 1

2 3 4 5 6 Wa k t u f e rm e nt a s i ( ha ri)

7

Gambar 4 Perubahan kadar glukosa jamur endofitik.

63

C19 C26 C2 C6 C8 C10 C11 C18

2 1.5 1 0.5 0 1

2

3

4

5

6

7

Wa k t u f e rm e nt a s i ( ha ri)

Gambar 5 Perubahan kadar protein jamur endofitik.

Isolasi dan Pemurnian Prosedur isolasi diperlihatkan pada Skema 1. Cairan hasil fermentasi (1 l, pH 7.2) Sentrifugasi 5000 rpm, 5 menit Supernatan Ekstraksi dengan n-heksana (Hx), etil asetat (EtOAc, n-butanol (BuOH)

Ekstrak Hx

Ekstrak EtOAc

Ekstrak BuOH

Residu

Penguapan

F9 (Hx-EtOAc 9:1) 0.013 g

F14–17 F33–34 (Hx-EtOAc 5:5) (EtOAc-MeOH 7:3) 0.0161 g 0.011 g

Skema 1 Prosedur isolasi senyawa bioaktif Streptomyces sp. Fraksi F9 dengan bobot 0.013 g dilarutkan dengan aseton, dan dielusi pada kolom kromatografi dengan eluen n-heksana (Hx)-etil asetat (EtOAc) (9:1) dan pelat kromatografi lapis tipis (TLC) dengan eluen Hx-EtOAc (7:3), menghasilkan kristal berwarna putih. Hasil analisis kromatografi cair-spektrometri massa (LC-MS) positif ion (+H) menunjukkan bobot molekul 365 dan analisis spektroskopi resonansi magnetik inti (NMR) menunjukkan senyawa asam lemak (C16H15COOH) . Fraksi F14−17 dengan bobot 0.0161 g dilarutkan dengan aseton, dan dielusi pada kolom kromatografi dengan eluen Hx-EtOAc (5:5) dan pelat TLC dengan eluen Hx-EtOAc (1:1), menghasilkan bentuk minyak. Hasil analisis LC-MS positif ion (+H) menunjukkan bobot molekul 382 dan hasil analisis NMR menunjukkan senyawa asam lemak (C17H35COOH). Fraksi F33−34 dengan bobot 0.011 g yang dilarutkan dengan metanol dan dielusi pada kolom kromatografi dengan eluen EtOAc-metanol (MeOH) (7:3) dan pelat TLC dengan eluen EtOAc, membentuk kristal kuning. Hasil identifikasi dengan NMR menunjukkan bahwa senyawa yang dihasilkan termasuk golongan poliena (Gambar 6).

Gambar 6 Struktur poliena.

64

SIMPULAN Mikrob endogenik dari genus Streptomyces sp. menunjukkan aktivitas antimikrob dengan spektrum yang luas terhadap bakteri Gram positif, bakteri Gram negatif, dan jamur. 50% mikrob endofitik memperlihatkan aktivitas antikanker selektif dengan nilai IC50 3µg/ml serta aktivitas antimikrob dengan diameter-hambat sampai 40 mm. Hal ini menunjukkan bahwa mikrob endogenik (Streptomyces sp.) dan mikrob endofitik (jamur endofitik) asal Indonesia dapat dijadikan sumber baru antibiotik, antimikrob, dan antikanker

PUSTAKA 1. Anonim. Pengembangan bahan kimia kedokteran dan farmasi dari bahan baku potensial Indonesia. Seminar Bahan Baku Kedokteran dan Farmasi. Fakultas Kedokteran, 17 Maret 1997. Jakarta: Universitas Indonesia. 1997. 2. Stierle A, Stierle D, Strobel G, Bignami G, Grothaus P. Bioactive metabolites of the endophytic fungi of Pacific yew, Taxus brevifolia: paclitaxel, taxanes, and other bioactive compound. Di dalam: George GI, Chen TT, Ojima I., Vyas DM, editor. Taxane anticancer agents: Basic Science and Current Status. Washington DC: American Chemical Society. 1995. hlm. 81-97. 3. Strobel G, Daisy B. Bioprospecting for microbial endophytes and their natural products. Microbiology and molecular biology review. Am Soc Microbiol (Dept of Plant Sciences, Montana State Univ). 2003;67:491-502. 4. Demain AL. The β-lactam antibiotics: Past, present, and future. Antonie van Leeuwenhoek 1999;75:5-19. 5. Chihara G, Hamuro J, Maeda YY, Aral Y, Fukuoka F. Fractionation and purification of polysaccharides with marked anti tumor activity, especially lentinan from Lentinus edodes (Berk.) Sing. Cancer Res 1970;30:2776-2781. 6. Cordell GA, Kinghorn AD, Pezzuto JM. Separation, structure elucidation, and bioassay of cytotoxic natural products. Di dalam: Collegate SM, Molyneux RJ, editor. Bioactive Natural Products. London: CRC; 1993. hlm. 195-220. 7. Kobayashi H, Sunaga R, Furihata K, Morisaka N, Iwasaki S. Isolation and structures of an antifungal antibiotic, fusarielin A, and related compounds produced by a Fusarium sp. J Antibiotics 1995;48:42-52. 8. Seki-Asano M, Tsuchida Y, Hanada K, Mizoue K. Structures of new 18-membered macrolides FD891 and FD-892. J Antibiotics 1994;47:1234-1241. 9. Jayasuriya H, Mc. Chesney JD, Swanson SM, Pezzuto JM. Antimicrobial and cytotoxic activity of rottlerin-type compound from Hypericum drummondii. J Nat Prod 1989;52:285-331. 10. Berghe DA van den, Vlietinck AJ. Assay for Bioactivity. London: Academic Pr; 1991. 11. Mosmann, F. Rapid calorimetric assay for cellular growth and survival: Application to proliferation and cytotoxicity assay. J Immunol Methods 1983;65:55-63. 12. Smith JE. Biotechnology: Biotechnology and medicine. Ed ke-3. UK: Cambridge Univ Pr; 1997. hlm 128.

65

AKTIVITAS SITOTOKSIK EKSTRAK RIZOMA TUMBUHAN SPESIES ZINGIBERACEAE Jasril Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Riau

ABSTRAK Zingiberaceae merupakan salah satu famili tumbuhan tropis yang banyak ditanam dan digunakan untuk berbagai keperluan, seperti bumbu masak, ramuan obat, dan kosmetik. Telah dilakukan uji sitotoksisitas terhadap ekstrak metanol dan kloroform dari rizoma delapan spesies tumbuhan Zingiberaceae. Aktivitas sitotoksik yang cukup kuat diperlihatkan oleh ekstrak metanol dari Alpinia hookeriana, Alpinia mutica, dan Nicolaia speciosa terhadap sel human cervical carcinoma (HeLa) dan oleh ekstrak metanol dari A. mutica dan Amomum gracile terhadap sel human Tlymphoblastic leukaemia (CEM-SS) dengan konsentrasi inhibisi 50% sebesar 10 µg/ml. Kata kunci: sitotoksik, sel HeLa, sel CEM-SS, Zingiberaceae

ABSTRACT Zingiberaceae is a family of tropical plants widely cultivated and used for many purposes, such as spices, traditional medicines, and cosmetics. Cytoxicity assays had been carried out to methanol and chloroform extracts of rhizomes from eight Zingiberaceae species. Moderate cytotoxic activity was shown by the methanol extracts of Alpinia hookeriana, Alpinia mutica, dan Nicolaia speciosa against human cervical carcinoma (HeLa) cell line and A. mutica dan Amomum gracile against human Tlymphoblastic leukaemia (CEM-SS) cell line with inhibitory concentration 50% value of 10 µg/ml.

PENDAHULUAN Tumbuhan Zingiberaceae telah dikenal baik oleh penduduk di berbagai negara tropis, terutama di kawasan Asia Tenggara, sebagai tumbuhan obat yang memiliki nilai ekonomis. Berbagai spesies tumbuhan Zingiberaceae telah lama digunakan oleh masyarakat untuk berbagai keperluan, misalnya bumbu masak, ramuan obat-obatan, dan kosmetik. Hampir semua spesies tumbuhan Zingiberaceae menawarkan studi kimia yang menarik, karena diduga mengandung banyak komponen kimia yang potensial dan bernilai komersial. Bagian tumbuhan Zingiberaceae yang banyak dimanfaatkan adalah rizomanya. Rizoma tumbuhan Zingiberaceae banyak mengandung senyawa dari golongan kurkuminoid dan flavonoid yang memiliki bioaktivitas yang sangat berguna sebagai antioksidan dan antitumor. Beberapa spesies tumbuhan Zingiberaceae yang telah dikenal secara luas dan banyak digunakan oleh masyarakat adalah jahe (Zingiber officinale), kunyit (Curcuma domestica), lengkuas (Alpinia galanga), dan kencur (Kaemferia galanga).

66

METODE Bahan Tumbuhan Bahan tumbuhan spesies Zingiberaceae dikoleksi di unit Germplasm, Institute of Biosciences, Universiti Putra Malaysia. Spesimen diidentifikasi oleh A.A. Rahman dan disimpan di Herbarium Department of Biology, Universiti Putra Malaysia. Delapan spesies Zingiberaceae yang diuji adalah Alpinia hookeriana, Alpinia mutica, Alpinia nutans, Amomum compactum, Amomum gracile, Costus mexicanus, Horstedtia leonurus, dan Nicolaia speciosa.

Ekstraksi Contoh Contoh rizoma tumbuhan dibersihkan, dikeringkan, dan dihaluskan. Sebanyak 200 g kemudian diekstraksi menggunakan Soxhlet dengan pelarut kloroform dan dilanjutkan dengan metanol.

Uji Toksisitas Uji ini dilakukan terhadap benur udang Artemia salina, mengikuti metode yang dikembangkan oleh Meyer et al. (1982). Telur udang dimasukkan ke dalam wadah dua sisi yang berisi air laut. Wadah ditutup pada sisi yang diisi telur udang, sedangkan sisi di sebelahnya dibiarkan terbuka untuk menarik benur udang yang telah menetas. Setelah itu, larutan contoh disiapkan dengan konsentrasi 1000, 100, dan 10 µg/ml (dibuat triplo). Larutan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam vial dan diuapkan pelarutnya. Setelah 2 hari, benur udang telah tersedia dan digunakan untuk uji toksisitas. Air laut dan 10 benur udang dimasukkan ke dalam setiap vial (30 larva per konsentrasi) dan volumenya ditepatkan dengan air laut menjadi 5 ml per vial. Jumlah benur udang yang masih hidup dihitung setelah 2 hari. Data dianalisis dengan program analisis probit Finney untuk menentukan konsentrasi mematikan 50% (LC50).

Uji Sitotoksisitas Uji sitotoksisitas dilakukan dengan metode kolorimetri MTT (Mosmann 1983). Sel uji dikultur dalam medium RPMI-1640 yang diperkaya dengan FCS 10%, penisilin 100 IU/ml, dan streptomisin 100 µg/ml. Sebanyak 100 µl suspensi sel dengan konsentrasi 5 × 105 sel/ml dimasukkan ke dalam sumur pada pelat sumur mikro 96 beralas datar yang telah diisi contoh uji dengan berbagai konsentrasi. Pelat sumur mikro tersebut diinkubasi selama 72 jam dalam inkubator CO2 pada suhu 37 ºC. Setelah ditambahkan 5 mg/ml MTT, diinkubasi kembali selama 4 jam. Kemudian nilai absorbans setiap sumur ditentukan dengan pembaca enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) pada panjang gelombang 550 nm dengan pembanding pada 630 nm. Aktivitas sitotoksik ditentukan berdasarkan konsentrasi inhibisi 50% (IC50).

HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 1 memperlihatkan hasil uji toksisitas dan sitotoksisitas terhadap ekstrak metanol dan kloroform dari 8 spesies tumbuhan Zingiberaceae.

67

Tabel 1 Hasil uji toksisitas dan sitotoksisitas tumbuhan Zingiberaceae Spesies Alpinia hookeriana Alpinia mutica Alpinia nutans Amomum compactum Amomum gracile Costus mexicanus Hornstedtia leonurus Nicolaia speciosa aM

Ekstraka M K M K M K M K M K M K M K M K

Toksisitas, LC50 (µg/ml) 817 426 > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 97 296 > 1000 910 > 1000 660 > 1000 > 1000

Sitotoksisitas, IC50 (µg/ml) Sel CEM-SSb Sel HeLab 10 30 30 30 10 10 30 30 30 30 > 30 > 30 30 30 > 30 30 30 10 30 30 > 30 > 30 30 > 30 30 30 30 30 10 30 30 > 30

= metanol, K = kloroform (human cervical carcinoma), CEM-SS (human T-lymphoblastic leukaemia)

b HeLa

Hasil uji toksisitas terhadap benur udang A. salina menunjukkan bahwa ekstrak metanol dari A. gracile memiliki aktivitas yang paling kuat dengan nilai LC50 97 µg/ml. Aktivitas yang cukup kuat ditunjukkan oleh ekstrak kloroform dari A. gracile (296 µg/ml), A. hookeriana (426 µg/ml), H. leonurus (660 µg/ml), C. mexicanus (910 µg/ml), dan ekstrak metanol dari A. hookeriana (817 µg/ml). Ekstrak lainnya tidak menunjukkan aktivitas, dengan nilai LC50 > 1000 µg/ml. Hasil uji sitotoksisitas menunjukkan bahwa ekstrak metanol dari A. hookeriana, A. mutica, dan N. speciosa memiliki aktivitas yang cukup kuat terhadap sel HeLa dengan nilai IC50 10 µg/ml. Aktivitas cukup kuat terhadap sel CEM-SS hanya ditunjukkan oleh ekstrak metanol dari A. mutica dan A. gracile. Ekstrak lainnya menunjukkan aktivitas sitotoksik yang lemah dengan nilai IC50 sebesar 30 µg/ml.

SIMPULAN Uji toksisitas terhadap benur udang A. salina menunjukkan bahwa ekstrak metanol dari A. gracile memiliki aktivitas yang paling kuat dengan nilai LC50 97 µg/ml. Uji sitotoksisitas terhadap sel HeLa memperlihatkan bahwa ekstrak metanol dari A. hookeriana, A. mutica, dan N. speciosa memiliki aktivitas yang cukup kuat dengan nilai IC50 10 µg/ml. Uji sitotoksisitas terhadap sel CEM-SS menunjukkan bahwa ekstrak metanol dari A. mutica dan A. gracile memiliki aktivitas yang cukup kuat dengan nilai IC50 10 µg/ml.

DAFTAR PUSTAKA Balandrin MF, Kinghorn AD, Farnsworth NR. 1993. Plant-derived natural products in drug discovery and development. Di dalam: Kinghorn AD, Balandrin MF, editor. Human Medicinal Agents from Plants. ACS Symp Series 534:2-12. Burkill IH. 1966. A Dictionary of the Economic Products of the Malay Peninsula. Vol ke-1, 2. Kuala Lumpur: Ministry of Agriculture.

68

Jitoe A et al. 1992. Antioxidant activity of tropical ginger extracts and analysis of the contained curcuminoids. J Agric Food Chem 40:1337-1340. Kikuzaki H, Nakatani N. 1993. Antioxidant effects of some ginger constituents. J Food Sci. 58:14071410. Meyer BN et al. 1982. Brine shrimp: a convenient general bioassay for active plant constituents. Planta Med 45:31-34. Mosmann T. 1983. Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival: Application to proliferation and cytotoxicity assays. J Immunol Meth 65:55-63. Zuhud EAM, Haryanto. 1994. Pelestarian Pemanfaatan Keanekaragaman Tumbuhan Obat Hutan Tropika Indonesia. Lembaga Alam Tropika Indonesia (LATIN).

69

THE EFFECT OF Ce3+ ON THE CRYSTALLINITY OF NANO-SIZED YTTRIUM ALUMINUM GARNET Enrico F. Joland, I Made Joni, C. Panatarani Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Padjadjaran University

ABSTRACT We had been successfully synthesized yttrium aluminum garnet (YAG)-Ce3+ nanoparticles (30 nm in sized) having high crystallinity by using low-temperature sol-gel method. The influence of Ce3+ concentration (1−50 mol% of yttrium) on the crystallinity of YAG was studied by means of X-ray diffraction characterization. Additional high Ce3+ concentration (>10 mol% of yttrium) into YAG particles highly disturbed the crystallinity of YAG.

INTRODUCTION Yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12, YAG) had been widely used in many applications such as electroluminescence display, field emission display, plasma display panel, fluorescent lamp, fiber optic, and light emitting diode. Preparation of fine (submicron to nanometer-sized) YAG-phosphorus using solid state, combustion, gas-phase condensation, colloidal chemical, and co-precipitation techniques met some difficulties related to high temperature processing (> 1600 °C). Our group had successfully synthesized nanometer-sized of YAG particle by sol-gel method. However, the effect of additional Ce3+ on the crystallinity of YAG has not been studied yet. The purpose of our research is to find optimium additional Ce3+ into YAG particles based on the crystallinity of YAG.

EXPERIMENT Sol-gel method was used to synthesize YAG-Ce3+ particles with various Ce3+ concentration. Yttrium nitrate hexahydrate, Y(NO3)3 ⋅ 6H2O (99.99%, Kanto Chemical), and aluminium triisopropoxide, [(CH3)2CHO]3Al (99.99%, Kanto Chemical), were used as precursor materials. Cerium nitrate hexahydrate, Ce(NO3)3 ⋅ 6H2O (99.99%, Kanto Chemical) was used as Ce3+ source. The concentration ratio of precursor solution was fixed at Y(3−x):Al5:Cex while x was controlled parameter at 1, 5, 10, 20, and 50% of yttrium. The experimental procedure of sol-gel method and the particles characterization in detail is shown in Figure 1.

70

Figure 1 Experimental procedure of sol-gel method.

RESULT AND DISCUSSION Our sol-gel method had generated nano-sized YAG-Ce3+ particles. Figure 2 showed field emission-scanning electron microscope (FE-SEM) image of the prepared YAG-Ce3+ particles. It is clearly shown that the particles morphology is nearly spherical with average diameter of 30 nm.

Figure 2 FE-SEM image of YAG-Ce3+ prepared by sol-gel method. Concentration-dependent of Ce3+ on the crystallinity of YAG-Ce3+ is shown in XRD patterns in Figure 3. Based on the JCPDS Card (no. 33-0040), XRD patterns of YAG-Ce3+ particles prepared with 1 and 5 mol % Ce3+ achieved good cristallinity. However, with 10% concentration, the crystallinity was disturbed. This may occur due to substitution of a large amount of yttrium in YAG structure by Ce3+. More additional Ce3+ in YAG made more disturbance on the structure of YAG. Additional 20−50% of Ce3+ probably creates mixed structure of Y3Al5O12-Ce3Al5O12.

71

Figure 3 Powder XRD-pattern of YAG-Ce3+ prepared with different additional Ce3+ concentration

CONCLUSION We had been successfully investigated the concentration limitation of Ce3+ on crystallinity of YAG-Ce3+ nanoparticles. The best crystallinity was achieved below 10% of Ce3+ concentration. Further investigation is needed on the luminescence properties at this concentration.

ACKNOWLEDGEMENTS The authors thank Prof. K. Okuyama at Department of Chemical Engineering, Hiroshima University for the facility of FE-SEM 5000 characterization. This work is financially supported by Technological and Professional Skill Development Sector Project and Indonesia Toray Science Foundation.

REFERENCES Pan Y, Wu M, Su Q. 2004. J Phys Chem Solids 65:845. With PGD. 1987. J Res 42:119. Yum JH, Kim SS, Sung YE. 2004. Col Surf A: Physicochem Eng Aspects 251:203.

72

KETERKAITAN KADAR LOGAM-LOGAM TRANSISI DENGAN VARIASI WARNA BATU MERAH (STUDI EKSPLORATIF PIGMEN ANORGANIK ALAMI DARI BATU MERAH DI DESA TAJUN, KABUPATEN BULELENG, BALI]* I Wayan Karyasa** Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Pendidikan Ganesha (Undiksha), Singaraja, Bali

ABSTRAK Penelitian eksploratif tentang potensi batu merah yang ada di Desa Tajun, Kecamatan Kubutambahan, Kabupaten Buleleng, Bali sebagai bahan pigmen anorganik alami telah dilakukan. Penelitian ini bertujuan menganalisis kadar logam-logam transisi (Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, dan Ti) serta mendeskripsikan keterkaitannya dengan variasi warna batu merah. Batu merah dari 5 lokasi di desa Tajun dengan variasi warna merah tanah, merah darah, merah kehitaman, dan hitam diambil sebagai contoh penelitian. Hasil destruksi serbuk contoh batu merah tersebut dengan HNO3 dan HCl dengan penambahan beberapa ml HF 48% dianalisis kandungan logam-logam transisinya dengan menggunakan spektrofotometer serapan atom. Hasil penelitian menunjukkan adanya variasi kadar logam Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, dan Ti pada contoh batu merah. Kadar logam Fe, Co, Mn, dan Ti untuk semua contoh lebih tinggi daripada kadar rerata mereka dalam batuan kerak bumi sedangkan kadar Ni, Cu, dan Cr berada dalam kisaran kadar rerata. Juga diperoleh keterkaitan antara variasi kadar logam transisi dan variasi warna batu merah: Fe, Mn, dan Cr cenderung memberikan warna merah tanah, sedangkan Co, Ni, Cu, dan Ti cenderung memberikan warna hitam. Kata kunci: batu merah, pigmen anorganik alami, logam transisi.

ABSTRACT Explorative study on the potency of red stones in Tajun Village, District of Kubutambahan, Regency of Buleleng, Bali as a natural inorganic pigment had been carried out. This research’s aims were to analyze the transition metal (Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, and Ti) contents and to describe their correlation with color variation of the red stones. Red stones from five locations in Tajun Village with color variation of red earth, blood red, dark red, and black were used as experimental samples. Transition metal contents of the red stone sample powders destructed with HNO3 and HCl with an addition of a few ml of 48% HF were analyzed using atomic absorption spectrophotometer. The results showed a variation of transition metal contents of Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, and Ti in the samples. The contents of Fe, Co, Mn, and Ti in all samples were higher than their mean contents in the earth’s crust rocks whereas the contents of Ni, Cu, and Cr were in the range of their mean contents. There was also a good correlation between transition metal contents and color variations of the red stones: Fe, Mn, and Cr tend to give red earth color; on the other hand, Co, Ni, Cu, and Ti tend to give black color. Keywords: red stone, natural inorganic pigment, transition metals.

* Artikel ini merupakan sebagian dari hasil Penelitian Fundamental DP2M DIKTI 2006. ** Alamat korespondensi: [email protected]

73

PENDAHULUAN Pigmen anorganik alami telah digunakan sebagai bahan pewarna sejak zaman prasejarah. Pigmen anorganik alami yang ditambang dari deposit lempung dan batuan permukaan menunjukkan kepermanenan yang istimewa dalam jangka waktu yang sangat panjang (MacEvoy 2002). Pigmen anorganik biasanya dibedakan atas kelas oksida, hidroksida, sulfida, sulfat, dan karbonat (Riedel 2002; Greenwood & Earnshaw 2003; Holleman & Wiberg 1985). Beberapa contohnya adalah pigmen merah tanah (red earth) dan kuning tanah (yellow earth) (Potter 2001; Smith 2002). Kelompok pertama mengandung oksida besi dengan proporsi yang besar, seperti hematit yang berwarna ungu gelap sampai merah terang, lepidokrokit yang berwarna jingga sampai kuning, dan maghemit yang berwarna cokelat gelap. Sementara kelompok kedua mengandung silika dan lempung, oksida-oksida besi terhidrasi (limonit yang berwarna cokelat kekuningan atau goethit yang berwarna cokelat kekuningan sampai kuning kehijauan), dan gips atau mangan karbonat dalam porsi yang sangat kecil. Batu merah yang ada di desa Tajun, Kabupaten Buleleng, Bali menunjukkan ciri-ciri yang memungkinkan untuk dieksplorasi menjadi pigmen anorganik alami. Penelitian pendahuluan menunjukkan kandungan besi yang cukup tinggi (Mataram 1995). Batuan yang berwarna merah tanah sampai merah gelap (kehitaman) tersebut berpori-pori, stabil, tidak luntur oleh sinar matahari dan guyuran air hujan, serta tidak ditumbuhi lumut sehingga sejak beberapa dekade, batu merah ini telah dimanfaatkan meskipun hanya sebatas sebagai bahan bangunan. Potensi batu merah sebagai pigmen anorganik alami telah ditunjukkan dari hasil penelitian Karyasa & Sudria (2005) yang menyimpulkan kestabilan warna batu merah terhadap pengaruh pembubukan menjadi berbagai ukuran partikel, pencucian bubuk dengan larutan asam pada berbagai pH, dan pemanasan bubuk sampai 800 °C. Penelitian lanjutan untuk mengidentifikasi dan mencirikan senyawa-senyawa kimia yang berkaitan dengan sifat-sifat fisik tersebut perlu dilakukan. Penelitian ini bertujuan menganalisis kadar berbagai logam transisi pada batu merah dan keterkaitannya dengan variasi warna (merah tanah, merah darah, merah kehitaman, dan hitam) dari batu merah yang ada di desa Tajun. Hasil penelitian ini diharapkan berguna dalam mendeskripsikan sifat kimia dan fisika batu merah serta menambah pembendaharaan sumber bahan pigmen anorganik alami sebagai upaya memberi nilai tambah pada batu merah tersebut.

METODOLOGI PENELITIAN Dalam penelitian ini, yang menjadi populasi adalah batu merah yang ada di desa Tajun dan sekitarnya. Contoh penelitian diambil secara acak dan dibedakan berdasarkan warnanya, yaitu merah tanah, merah darah, merah kehitaman, dan hitam. Lima lokasi (lokasi I, II, III, IV, dan V) ditentukan secara acak dan dari setiap lokasi dipilih 4 contoh yang dibedakan berdasarkan warnanya. Semua contoh yang masih berupa bongkahan dicuci beberapa kali dengan akuades lalu dikeringkan sampai bobotnya konstan. Contoh dengan warna yang sama dipilih secara acak dari setiap lokasi, ditimbang dengan bobot yang sama, lalu digabungkan dan dibuat menjadi contoh serbuk yang homogen (Si), dengan i = 1, 2, 3, 4; dan 1 = merah tanah, 2 = merah darah, 3 = merah kehitaman, dan 4 = hitam. Setiap serbuk contoh didestruksi dengan campuran HNO3 dan HCl dan ditambahkan HF 48% secukupnya sampai destruksi sempurna. Larutan hasil destruksi diencerkan dan dianalisis kadar logamlogam transisinya (Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, dan Ti) dengan metode spektroskopi serapan atom (AAS). Data yang diperoleh dianalisis secara deskriptif untuk membandingkan kadar logam transisi dari contoh batu merah yang bervariasi warnanya, dan menemukan keterkaitan kadar logam transisi tersebut dengan variasi warna yang ada.

74

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Kadar Besi (Fe) Gambar 1 memperlihatkan bahwa kandungan besi pada batu merah paling besar pada variasi warna merah tanah dan menurun dengan semakin gelapnya warna. Dibandingkan dengan kadar Fe rerata dalam kerak bumi, yaitu 5.12% (Markham & Smith 1952), seluruh contoh batu merah memiliki kadar yang lebih tinggi. Karena itu, warna merah pada batu merah mungkin berkaitan erat dengan kandungan logam Fe. 7 .6

Kadar Fe (% berat)

7 .4 1 9 8 7 .4 7 .2 8 7 6 7 .2 7 .0 3 3 1 6 .9 6 3 7

7 .0 6 .8

S1

S2

S3

S4

S a m p e l v a r ia s i w a r n a

Gambar 1 Kadar Fe dari 4 contoh batu merah yang bervariasi warna

Analisis Kadar Kobal (Co) dan Nikel (Ni) Berdasarkan Gambar 2 (a), kandungan kobal (Co) pada batu merah yang berwarna hitam paling besar dan meningkat kadarnya dari warna merah tanah ke warna hitam. Dibandingkan dengan kadar Co rerata dalam kerak bumi, yaitu 0.001% (Markham & Smith 1952), batu merah mengandung kobal lebih dari tujuh sampai sebelas kali lipatnya. Gambar 2 (b) menunjukkan bahwa kandungan nikel (Ni) juga paling besar pada batu merah dengan warna hitam, namun contoh warna merah darah kadarnya paling kecil meskipun selisihnya dengan warna terdekat (merah tanah dan merah kehitaman) tidak nyata jika dibandingkan dengan contoh warna hitam. Walaupun demikian, dibandingkan dengan kadar rata-rata Ni pada batuan kerak bumi, yaitu 0.020% (Markham & Smith 1952) seluruh contoh batu merah mengandung Ni yang jauh lebih sedikit. 0.0086

0.0118

0.012 0.010

Kadar Ni (% berat)

Kadar Co (% berat)

0.008

0.0089 0.008

0.0073

0.0076

0.006 0.004

S1

S2

S3

S4

0.006

0.0048

0.0053 0.0046

0.004 0.002 0.000

Sampel variasi warna (a)

S1

S2

S3

S4

Sampel variasi warna (b)

Gambar 2 Kadar Co (a) dan Ni (b) dari 4 contoh batu merah yang bervariasi warnanya.

Analisis Kadar Tembaga (Cu) dan Kromium (Cr) Variasi kandungan tembaga (Cu) pada batu merah (Gambar 3[a]) serupa dengan kandungan nikel (Ni). Dibandingkan dengan kadar rerata Cu pada batuan kerak bumi, yaitu 0.0001% (Markham &

75

Smith 1952), kadar Cu pada batu merah dengan warna merah darah dan merah tanah tidak jauh berbeda, tetapi berbeda cukup nyata untuk batu merah yang berwarna kehitaman sampai hitam. 0.00048

0.0005

0.045

0.04352

0.0004

Kadar Cr (% berat)

Kadar Cu (% berat)

0.040

0.0003 0.0002

0.00019 0.00015 0.00011

0.0001

0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005

0.0000

0.000

S1

S2

S3

Sam pel variasi warna

S4

S1

0.00031 0.00033 0.00145 S2 S3 S4 S am pel variasi warna

(a)

(b)

Gambar 3 Kadar Cu (a) dan Cr (b) dari 4 contoh batu merah yang bervariasi warnanya. Sementara itu, kandungan kromium (Cr) pada batu merah dengan warna merah tanah paling besar (0.04352%). Nilai ini melebihi kandungan Cr rerata batuan kerak bumi (0.037%) (Markham & Smith 1952). Untuk batu merah dengan warna merah darah, merah kehitaman, dan hitam kandungan kromiumnya jauh lebih kecil (Gambar 3 [b]). Warna kekuningan pada batu merah tanah diduga ada kaitannya dengan kandungan kromium.

Analisis Kadar Mangan (Mn) dan Titanium (Ti) Seperti ditunjukkan pada Gambar 4 (a), kandungan mangan (Mn) pada batu merah dengan warna merah darah paling besar, tetapi tidak berbeda nyata dengan contoh warna merah tanah, sekalipun berbeda nyata dengan contoh warna merah kehitaman dan hitam. Dibandingkan dengan kadar rerata Mn pada batuan kerak bumi, yaitu 0.10% (Markham & Smith 1952), batu merah yang hitam berada pada kisaran rerata, sedangkan yang merah kehitaman sampai merah tanah kandung-an Mnnya jauh di atas rerata. Warna merah mungkin sangat terkait dengan kandungan logam Mn. 0 .1 3 5

0 .1 2 4 2

0 .1 2 5 0 0 .1 1 9 8

0 .1 2 0 0 .1 1 5 0 .1 1 0

0 .1 0 5 2

0 .1 0 5 0 .1 0 0

Kadar Ti (% berat)

Kadar Mn (% berat)

0 .1 2 5

1.0938

1 .1

0 .1 3 0

1 .0 0 .9 0 .8 0 .7

S2

S3

S a m p e l v a ria s i w a rn a (a )

S4

0.6913

0.6763

0 .6 0 .5

S1

0.6575

S1

S2

S3

S4

S am pel variasi w arna (b )

Gambar 4 Kadar Mn (a) dan Ti (b) dari 4 contoh batu merah yang bervariasi warnanya. Berdasarkan grafik pada Gambar 4(b), terlihat bahwa kandungan titanium (Ti) pada batu merah warna hitam paling besar (hampir 2 kali lipat kandungan rerata dalam batuan kerak bumi, yaitu 0.63% [Underwood & Earnshaw 2003]). Sementara kandungan titanium pada batu merah variasi merah tanah, merah darah, dan merah kehitaman, yang ketiganya relatif tidak berbeda nyata, masih berada pada kisaran sedikit di atas rerata. Persenyawaan titanium yang ada pada batu merah diduga menyumbangkan warna keabuan sampai hitam. Kadar logam-logam transisi pada Gambar 1−4 dapat dirangkum seperti tertera pada Tabel 1. Keterkaitan antara kadar logam-logam transisi yang dianalisis dan variasi warna batu merah diperlihatkan pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar tersebut, warna merah tanah kemungkinan

76

ditentukan oleh kadar logam Fe, Mn, dan Cr sementara karakter warna hitam dipengaruhi oleh kadar Co, Ni, Cu, dan Ti. Tabel 1 Kadar logam-logam transisi (% bobot) pada batu merah dengan variasi warna Kode contoh/ warna S1 (merah tanah) S2 (merah darah) S3 (merah kehitaman) S4 (hitam) Kerak bumi

Fe

Co

7.4198 7.2876 7.0331 6.9637 5.12*

0.0073 0.0076 0.0089 0.0118 0.001*

Kadar (% bobot) Ni Cu Cr 0.0048 0.0046 0.0053 0.0086 0.020*

0.00015 0.00011 0.00019 0.00048 0.0001*

0.04352 0.00031 0.00033 0.00145 0.037*

Mn

Ti

0.1242 0.1250 0.1198 0.1052 0.10*

0.6575 0.6913 0.6763 1.0938 0.63**

* Markham & Smith (1955); ** Greenwood & Earnshaw (2003).

S1

S2

S3

S4

Fe Co Ni Cu Mn Cr Ti

Gambar 5 Keterkaitan antara kadar logam-logam transisi dan variasi warna batu merah.

SIMPULAN Hasil penelitian menunjukkan adanya variasi kadar logam Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, dan Ti pada contoh batu merah. Kadar logam Fe, Co, Mn, dan Ti untuk semua contoh lebih tinggi daripada kadar rerata mereka dalam batuan kerak bumi, sedangkan kadar Ni, Cu, dan Cr berada dalam kisaran kadar rerata. Juga diperoleh keterkaitan antara variasi kadar logam transisi dan variasi warna batu merah: Fe, Mn, dan Cr cenderung memberikan warna merah tanah, sedangkan Co, Ni, Cu, dan Ti cenderung memberikan warna hitam.

UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan terima kasih kepada DP2M DIKTI atas dana Penelitian Fundamental serta kepada Ketua Laboratorium Pusat Universitas Udayana dan Ketua Laboratorium Kimia Undiksha Singaraja atas izin penggunaan AAS.

DAFTAR PUSTAKA Greenwood NN, Earnshaw A. 2003. Chemistry of the Elements. Ed ke-2. Amsterdam: Elsevier. Holleman AF, Wiberg N. 1985. Lehrbuch der Anorganische Chemie. Berlin: Walter de Gruyter.

77

Karyasa IW, Sudria IBN. 2005. Explorasi bahan pigmen anorganik alami dari batu merah di desa Tajun (Kecamatan Kubutambahan, Kabupaten Buleleng) dan sekitarnya [laporan penelitian]. Singaraja: Jurusan Pendidikan Kimia, Institut Keguruan dan Ilmu Pendidikan Negeri Singaraja. Mataram IGN. 1995. Kandungan besi (Fe) pada batu merah (studi kasus di desa Tajun Kabupaten Buleleng) [skripsi]. Singaraja: Program Studi Pendidikan Kimia, Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan Negeri Singaraja. MacEvoy B. 2002. Natural Inorganic Pigments, http://www.handprint.com/HP/WCL/pigmt1a.html. Potter MJ. 2001. Iron Oxide Pigments. US Geological Survey Minerals Yearbook. Purnomo E. 1997. Kandungan besi (Fe) dan nikel (Ni) pada pasir besi (Bias Melela) di Desa Bukti, Kabupaten Buleleng [skripsi]. Singaraja: Program Studi Pendidikan Kimia, Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan Negeri Singaraja. Riedel E. 2002. Anorganische Chemie, 5. Berlin: Walter de Gruyter. Smith D. 2002. Earth Pigments: The Artist's Oldest Paintbox. http://www.danielsmith.com/learn/ink smith/200208/. Walter D. 2005. The mechanism of the thermal transformation from goethite to hematite. Di dalam: Seminar Akademik Kimia Anorganik dan Workshop Pengelolaan Laboratorium Kimia. Jurusan Pendidikan Kimia, Fakultas Pendidikan MIPA, IKIP Negeri Singaraja, 11-12 Feb 2005.

78

PENGARUH KANDUNGAN SILIKA TERHADAP SIFAT TERMAL MEMBRAN HIBRID POLI(METIL METAKRILAT)/SiO2 Muhammad Ali Zulfikar1*, Abdul Wahab Mohammad, H Amir Khadum2 1 Program

2 Department

Studi Kimia, Institut Teknologi Bandung, Indonesia of Chemical and Process Engineering, Universiti Kebangsaan Malaysia, Malaysia

ABSTRAK Membran hibrid organik-anorganik berbahan poli(metil metakrilat) (PMMA)/SiO2 telah berhasil disintesis dari campuran larutan PMMA dan tetraetoksi ortosilana (TEOS) menggunakan teknik sol-gel pada keadaan asam. Membran hibrid tersebut dibuat dengan kandungan TEOS yang berbeda-beda. Film membran tipis yang dihasilkan kemudian dicirikan dengan pengamatan fisik, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR), kalorimetri pemayaran diferensial (DSC), dan analisis termogravimetri (TGA). Spektrum FTIR memperlihatkan pergeseran parsial pada puncak C=O akibat adanya ikatan hidrogen dalam sistem. Berdasarkan analisis DSC, suhu transisi kaca naik dengan meningkatnya kandungan TEOS dalam sistem. Hasil analisis TGA menunjukkan bahwa kestabilan termal membran hibrid lebih baik dibandingkan dengan membran polimernya. Kata kunci: membran hibrid organik-anorganik, PMMA/TEOS, sol-gel.

ABSTRACT Hybrid organic-inorganic membranes based on poly(methyl methacrylate) (PMMA)/SiO2 had been succesfully synthesized from solution mixture of PMMA and tetraethoxy ortosilane (TEOS) using sol-gel technique under acidic conditions. The hybrid membranes were fabricated from different TEOS compositions. The thin membrane films were then characterized by physical appearance, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), and thermogravimetric analysis (TGA). The FTIR spectrum showed a partial shift in the C=O peak due to the presence of hydrogen bonds in the system. From DSC analysis, the glass transition temperature increased as the TEOS content increased in the system. Furthermore, TGA analysis showed that hybrid membranes have higher thermal stability compared with its polymeric membrane. Keywords: hybrid organic-inorganic membrane, PMMA/TEOS, sol-gel.

PENDAHULUAN Selama beberapa dekade belakangan ini, proses pemisahan dengan membran banyak menggunakan polimer organik1. Keunggulan utama penggunaan polimer sebagai bahan dasar membran adalah proses pembuatannya yang relatif sederhana. Bagaimanapun, membran polimer ini mempunyai beberapa keterbatasan, yaitu selektivitasnya rendah, tidak stabil pada suhu tinggi dan lingkungan yang ekstrem, serta mengalami penggembungan dan terdekomposisi dalam pelarut organik. Berbagai usaha dilakukan untuk mengurangi keterbatasan tersebut, di antaranya dengan memodifikasi struktur membran dan komposisinya. Modifikasi dapat dilakukan terhadap gugus fungsi kimia, rantai, volume bebas, mobilitas, pengemasan, atau interaksi antarrantai polimer. * Alamat korespondensi: [email protected]

79

Keterbatasan membran polimer juga dapat diatasi dengan menggunakan membran anorganik2,3. Membran anorganik mempunyai beberapa keunggulan seperti stabilitas termal dan kimiawi, fluks yang tinggi, ketahanan terhadap tekanan tinggi, kekuatan mekanik yang baik, dan masa pakai yang lebih panjang. Namun, sama halnya dengan membran polimer organik, membran anorganik juga mempunyai beberapa kelemahan, antara lain perselektivitas yang rendah, rapuh, permukaan yang kurang rata, dan ukuran pori yang akan membesar jika dipanaskan. Berkembangnya penelitian mengenai polimer hibrid organik-anorganik sekarang ini dikarenakan terbukanya kemungkinan pembuatan material baru yang menggabungkan sifat-sifat kaca anorganik dan polimer organik. Gabungan tersebut kadang-kadang disebut “ceramer’’, “organoceramik”, “ormocer’’, atau ‘’policeram’’. Pengaturan morfologi yang sangat bermanfaat dalam ukuran nano dan luasnya sifat-sifat fisika membran hibrid ini membawa perspektif baru dalam penggunaannya pada berbagai bidang, misalnya optika non-linear, optika dan elektrooptika, penyalutan, katalis, biomaterial, luminesens, sensor kimia dan biokimia, serta penggunaan dalam bidang biomedis4-9. Polimer hibrid mempunyai potensi yang besar untuk didesain sebagai membran yang baru. Untuk penerapannya pada membran, penggunaan hibrid ini merupakan suatu strategi yang terbuka dan menjanjikan, karena dapat menggabungkan karakter membran anorganik dan membran polimer organik. Akibatnya, polimer hibrid mampu memberikan kontribusi dalam memecahkan beberapa masalah yang berhubungan dengan salah satu di antara keduanya. Karena membran hibrid mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan membran polimer dan anorganik, penelitian ini melakukan sintesis dan pencirian membran hibrid poli(metil metakrilat) (PMMA)/tetraetoksi ortosilana (TEOS). Kajian utama penelitian ini adalah mempelajari pengaruh kandungan TEOS di dalam sistem hibrid terhadap sifat termal membran yang dihasilkan.

EKSPERIMEN Bahan PMMA (Mw 350,000) (Merck) digunakan sebagai polimer organiknya dan TEOS (Merck) sebagai polimer anorganiknya. Sebagai pelarut digunakan tetrahidrofuran (THF) (Merck) dengan HCl (Merck) sebagai katalis.

Sintesis Membran Hibrid Membran hibrid PMMA/SiO2 dibuat dengan melarutkan PMMA di dalam THF dengan konsentrasi 15% (b/b) dan diaduk dengan kecepatan tertentu selama beberapa jam. Setelah larut sempurna, larutan TEOS-air 1:4 (pH 2) ditambahkan dengan ragam komposisi 0, 5, 10, 15, dan 20% (b/b). Campuran tersebut diaduk terus-menerus selama beberapa jam sampai semuanya larut sempurna. Larutan yang diperoleh lalu dibiarkan beberapa saat untuk menghilangkan gelembung gas yang terbentuk. Kemudian larutan ini dituang dalam jumlah tertentu ke atas lempeng kaca, ditebarkan menggunakan pisau Dr. Blade dengan bukaan 0.30 mm, dan dibiarkan selama 20 hari untuk proses gelasi. Membran yang diperoleh kemudian dikeringkan pada suhu 60 oC (keadaan vakum) selama 5 jam. Membran yang didapat disebut H-00, H-05, H-10, H-15, dan H-20 dengan kandungan TEOS berturut-turut 0, 5, 10, 15 dan 20%. Gambaran lengkap mengenai proses sintesis membran hibrid PMMA/SiO2 tersebut dapat dilihat dalam10,11.

80

Pencirian Membran Hibrid Penampakan fisis Penampakan fisis merupakan kriteria awal untuk menentukan kehomogenan suatu sistem hibrid. Pencirian dilakukan dengan mengamati membran yang dihasilkan di bawah cahaya lampu untuk melihat apakah membran tersebut transparan, buram, atau tidak tembus cahaya. Penentuan permeabilitas air Eksperimen dimulai dengan mencelupkan membran yang kering ke dalam air suling selama semalam. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan 180 ml air suling sebagai larutan umpan. Kecepatan pengadukan dan tekanan yang dikenakan ke atas membran adalah 300 rpm dan 1 bar. Proses ini dibiarkan selama beberapa jam hingga volume yang terkumpul mencapai jumlah yang tetap. Setelah itu, pengukuran terhadap larutan yang keluar dimulai sampai mencapai volume 25 ml, dan waktu yang diperlukan dicatat. Langkah ini diulangi dengan cara yang sama, tetapi tekanan diubah menjadi 2 dan 3 bar. Fluks air (Jw) pada setiap eksperimen dihitung berdasarkan waktu t (jam) yang diperlukan untuk mengumpulkan 25 ml permeat. Analisis kestabilan termal Analisis kalorimetri pemayaran diferensial (DSC). Suhu transisi kaca (Tg) dari membran hibrid diukur menggunakan DSC (DSC 822e METTLER TOLEDO). Contoh (kira-kira 3 mg) dihancurkan menjadi serbuk dan ditutup dalam pan contoh aluminium. Analisis DSC terhadap membran tersebut dilakukan dengan keadaan atmosfer N2 dan laju pemanasan 10 oC/menit dari suhu 20 sampai 250 oC. Analisis termogravimetri (TGA). Selain analisis suhu transisi kaca, data analisis termal juga digunakan untuk melihat kestabilan termal suatu bahan. Data analisis termal diperoleh dari hasil TGA (TGA, TA 951) yang dilakukan pada keadaan atmosfer nitrogen dengan rentang suhu 35−800 oC dengan laju pemanasan 10 oC/menit. Contoh membran dihancurkan menjadi berbentuk serbuk. Pengukuran dilakukan dengan menimbang contoh tersebut sebanyak 3−5 mg. Kehilangan bobot akibat kenaikan suhu dicatat.

HASIL DAN PEMBAHASAN Penampakan Fisis Transparansi optik digunakan sebagai kriteria awal untuk melihat apakah membran yang dihasilkan bersifat homogen atau heterogen (terjadi pemisahan fase organik dan anorganik)10-13. Seperti terlihat pada Tabel 1, membran hibrid yang disintesis pada semua kandungan TEOS bersifat transparan. Hal ini berarti terbentuk ikatan hidrogen antara polimer dan SiO2 di dalam membran hibrid10-12 sehingga dapat mencegah terjadinya pemisahan fase secara mikroskopik10-14. Tabel 1 Penampakan fisis membran hibrid PMMA/SiO2 pada berbagai kandungan silika Membran

Penampakan fisis

Pengamatan lain

H-00 H-05 H-10 H-15 H-20

Transparan Transparan Transparan Transparan Transparan

Rata Rata Rata Rata Rata

81

Penentuan Permeabilitas Air Penentuan permeabilitas air dilakukan dengan menggunakan volume yang tetap. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1, yang memperlihatkan bahwa fluks air berbanding lurus dengan tekanan yang digunakan. Selain itu, Gambar 1 juga menunjukkan bahwa permeabilitas air membran hibrid dipengaruhi oleh kandungan silika di dalam sistem. Secara umum, permeabilitas air membran hibrid meningkat dengan bertambahnya kandungan silika dalam membran. Hal ini berarti bahwa silika dalam membran meningkatkan porositas membran. 35

2

flux (L/m.jam)

30 25

H-05 H-20 H-00 H-10 H-15

20 15 10 5 0 0

1

2 pressure (bar)

3

4

Gambar 1 Fluks air membran hibrid pada berbagai kandungan silika.

Analisis Kestabilan Termal Analisis DSC Analisis DSC dilakukan untuk melihat perubahan suhu transisi kaca (Tg) membran hibrid PMMA/SiO2 dengan meningkatnya kandungan silika. Hasilnya diberikan dalam Tabel 2. Membran H-00 (tanpa silika) mempunyai satu nilai Tg pada suhu 73.58 oC. Suhu ini jauh lebih rendah dibandingkan dengan Tg PMMA murni, yaitu 116.27 oC 14,15. Menurunnya nilai Tg tersebut disebab-kan oleh keberadaan benda asing di dalam sistem membran, dalam hal ini adalah THF yang tidak hilang saat membran dipanaskan. Sisa pelarut ini berfungsi sebagai pemlastis yang menyebabkan struktur membran menjadi lebih longgar dan rantai makromolekul mempunyai lebih banyak ruang untuk bergerak. Hal tersebut akan menekan Tg membran hibrid10-12. Semua membran hibrid PMMA/SiO2 yang disintesis mempunyai satu nilai Tg. Nilai Tg tersebut lebih besar dibandingkan dengan membran H-00. Hal ini berarti bahwa membran hibrid yang disintesis mempunyai kestabilan termal yang lebih baik dibandingkan dengan membran polimernya. Kestabilan termal ini disebabkan oleh adanya partikel silika di dalam sistem membran hibrid yang berinteraksi kuat dengan matriks polimer. Tabel 2 juga memperlihatkan bahwa dengan meningkatnya kandungan TEOS di dalam membran hibrid, nilai Tg juga akan meningkat. Hal ini disebabkan oleh bertambah banyaknya silika yang terbentuk dengan semakin banyaknya TEOS di dalam matriks polimer. Dengan banyaknya silika di dalam matriks polimer, pergerakan rantai makromolekul akan semakin terhalangi sehingga lebih banyak energi (panas) yang diperlukan untuk pergerakannya, dan berakibat pada meningkat-nya nilai Tg.

82

Tabel 2 Analisis termal membran hibrid PMMA/SiO2 dengan berbagai kandungan silika Membran

Suhu transisi kaca Tg (oC)

Td10 (oC)

Abu, 800 oC (%)

H-00 H-05 H-10 H-15 H-20

73.58 92.15 110.02 134.82 135.50

248.0 261.5 272.0 300.5 268.0

1.04 6.15 13.24 19.30 25.66

sisa berat (%)

Analisis TGA Hasil TGA membran polimer (H-00) dan membran hibrid ditunjukkan dalam Gambar 2. Terlihat bahwa membran polimer H-00 mempunyai 3 tahap penguraian, yaitu pada suhu 164.5, 284, dan 350.0 oC. Membran hibrid yang disintesis juga mempunyai 3 tahap penguraian. Penguraian pertama membran hibrid H-05, H-10, H-15, dan H-20 berturut-turut terjadi pada suhu 60.0, 62.5, 63.0, dan 100.5 oC. Karena penguraian ini terjadi pada suhu yang relatif rendah, kehilangan bobot pada tahap ini disebabkan oleh benda asing (pelarut atau hasil samping reaksi) yang ada di dalam membran14,16,17. Selama pemanasan, penguapan pelarut terjadi secara cepat dan akan hilang sebelum terjadinya penguraian rantai utama. Selain itu, kehilangan bobot pada tahap ini juga disebabkan oleh pemutusan ikatan kepala-ke-kepala polimer PMMA18,19. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

H-00 H-05 H-10 H-15 H-20

30

130

230

330

430

530

630

730

suhu (oC)

Gambar 2 Termogram membran hibrid pada pelbagai kandungan silika. Penguraian kedua berturut-turut terjadi pada suhu 172.5, 185.0, 204.5, dan 292.5 oC untuk membran hibrid H-05, H-10, H-15, dan H-20. Tahap kedua penguraian ini berhubungan dengan pemutusan rantai akhir gugus fungsi vinilidena18,19. Penguraian ketiga terjadi berturut-turut pada suhu 351.0, 355.5, 357.0, dan 365.5 oC, yang disebabkan oleh terurainya rantai utama polimer yang diawali dengan pemutusan secara acak18-20. Tahap penguraian ketiga memperlihatkan bahwa membran hibrid mempunyai suhu penguraian yang lebih tinggi dibandingkan dengan membran H-00 (tanpa silika). Hal ini berarti bahwa kestabilan termal membran hibrid pada suhu tinggi lebih baik dibandingkan dengan membran polimernya21. Telah didalilkan bahwa pembentukan ikatan hidrogen antara gugus fungsi karbonil dalam PMMA dan gugus fungsi Si-OH pada permukaan silika dapat digunakan untuk menjelaskan peningkatan kestabilan termal tersebut. PMMA dapat berikatan hidrogen dengan silika; ikatan hidrogen ini berpengaruh terhadap kerapatan elektron dalam pasangan molekul polimer dan mengganggu pemutusan rantai. Semakin banyak tapak reaksi, suhu penguraian PMMA juga semakin tinggi. Penelitian sebelumnya mengenai

83

pengaruh kandungan silika terhadap sifat termal bahan hibrid PMMA/silika yang dihasilkan melalui teknik polimerisasi menemukan bahwa dengan meningkatnya kandungan TEOS, kehilangan bobot bahan hibrid akan menurun. Disimpulkan bahwa dengan meningkatnya kandungan TEOS, sistem hibrid akan menjadi lebih berikatan silang13. Nilai Td10 (suhu ketika terjadi penguraian sebanyak 10%) untuk membran polimer H-00 dan membran-membran hibrid yang disintesis pada pelbagai kandungan TEOS dapat dilihat pada Tabel 2. Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa membran hibrid mempunyai kestabilan termal yang lebih baik dibandingkan dengan membran polimernya. Ini disebabkan oleh adanya struktur silika di dalam sistem membran hibrid tersebut13,19. Akan tetapi, kestabilan termal membran hibrid pada suhu rendah tidak beraturan dengan meningkatnya kandungan TEOS di dalam membran tersebut. Kadar abu dari membran polimer (H-00) dan membran hibrid yang diperoleh pada suhu pemanasan 800 oC juga diberikan dalam Tabel 2. Terlihat bahwa membran hibrid mengandung abu lebih banyak daripada membran polimernya. Ini berarti bahwa pada suhu tinggi kestabilan termal membran hibrid lebih baik dibandingkan dengan membran polimernya. Kestabilan termal ini disebabkan oleh adanya struktur silika dan terjadinya reaksi yang kuat antara partikel silika dan matriks polimer di dalam membran. Dengan meningkatnya kandungan TEOS di dalam membran, abu membran hibrid juga semakin banyak.

SIMPULAN Penyebaran fase silika yang baik dalam matriks PMMA telah didapat dengan menghidrolisis dan mengkondensasikan TEOS ke dalam larutan polimer organik pada pelbagai komposisi PMMA/TEOS secara in situ. Penyebaran dalam skala nano bisa dihasilkan dengan menambahkan TEOS sampai 20%, yang akan membentuk ikatan kuat dengan gugus fungsi karbonil dari PMMA. Dari hasil pencirian, dapat dilihat bahwa dengan meningkatnya kandungan silika di dalam membran hibrid, permeabilitas air juga semakin meningkat. Hasil pengamatan fisis menunjukkan bahwa dengan kandungan silika sampai 20%, dihasilkan membran hibrid yang berkemampuan membentuk ikatan hidrogen antara gugus karbonil dari PMMA dan SiOH dari silika. Dari hasil analisis termal juga didapatkan bahwa meningkatnya kandungan silika di dalam membran akan meningkatkan sifat termal membran hibrid.

PUSTAKA 1. Mulder M. Basic Principles of Membrane Technology. Ed ke-2. Dordrecht: Kluwer Academic; 1996. 2. Hsieh HP. Inorganic membrane reactors–A review. AIChE Symp Series 1989;85:53-67. 3. Noordman TR et al. Rejection of phosphates by a ZrO2 ultrafiltration membrane. J Membrane Sci 1997;135:203-210. 4. Messaddeq SH, Pulcinelli SH, Santilli CV, Guastaldi AC, Messaddeq Y. Microstructure and corrosion resistance of inorganic-organic (ZrO2-PMMA) hybrid coating on stainless steel. J Noncrystalline Solids 1999;247:164-170. 5. Lee RH, Hsiue GH, Jeng RJ. Organically modified inorganic sol-gel materials for second-order nonlinier optics. J Appl Polym Sci 2001;79:1852-1859. 6. Wung CJ, Pang Y, Prasad PN, Karasz FE. Poly(p-phenylene vinylene)-silica composite: A novel sol-gel processed non-linier optical material for optical waveguides. Polymer 1991;32:605-608. 7. Bescher E, Mackenzie JD. Hybrid organic-inorganic sensors. Mat Sci Eng 1998;C6:145-154. 8. Iketani K, Sun RD, Toki M, Hirota K, Yamaguchi O. Sol-gel-derived TiO2/poly(dimethylsiloxane) hybrid films and their photocatalytic activities. J Phys Chem Solids 2003;64:507-513.

84

9. Frings S. Organic-inorganic hybrid coatings: based on polyester resins and in situ formed silica [disertasi]. Belanda: Technische Universiteit Eindhoven;1999. 10. Zulfikar MA et al. Synthesis and characterization of PMMA/SiO2 hybrid membrane: effects of solvents on structure and thermal properties. J Appl Polym Sci 2006;99:3163-3171. 11. Zulfikar MA et al. Synthesis and characterization of novel porous organic-inorganic hybrid membranes. Desalination 2006;192:262-270. 12. Landry CJT, Coltrain BK, Brady BK. In situ polymerization of tetraethoxysilane in poly(methyl methacrylate): Morphology and dynamic mechanical properties. Polymer 1992;33:1486-1495. 13. Huang ZH, Qiu KY. Preparation and thermal property of poly(methyl methacrylate)/silica hybrid materials by the in-situ sol-gel process. Polym Bull 1995;35:607-613. 14. Chan CK, Peng SL, Chu IM, Ni SC. Effects of heat treatment on the properties of poly(methyl methacrylate)/silica hybrid materials prepared by sol-gel process. Polymer 2001;42:4189-4196. 15. Ash BJ, Schadler LS, Siegel RW. Glass transition behavior of alumina/poly(methyl methacrylate) nanocomposites. Mat Lett 2002;55:83-87. 16. Cho JW, Sul KI. Characterization and properties of hybrid composites prepared from poly(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) and SiO2. Polymer 2001;42:727-736. 17. Young SK. Covalent and non-covalently coupled polyester-inorganic composite materials. Polymer 2002;43:6101-6114. 18. Kashiwagi T et al. Thermal and flammability properties of a silica-poly(methyl methacrylate) nanocomposite. J Appl Polym Sci 2003;89:2072-2078. 19. Morgan AB, Antonucci JM, van Landingham MR, Harris RH, Kashiwagi T. Thermal and flammability properties of a silica-PMMA nanocomposite. Polym Mat Sci Eng 2000;83: 57-58. 20. Shahzada A, Sharif A, Agnihotry SA. Nanocomposite electrolytes with fumed silica in poly(methyl methacrylate): thermal, rheological and conductivity studies. J Power Sources 2005;140:151-156. 21. Grohens Y, Brogly M, Labbe C, Schultz J. Chain flattening of spin-cast PMMA on aluminium mirrors: influence of polymer tacticity. Eur Polym J 1997;33:691-697.

85

THE CRYSTAL STRUCTURE OF AN OCTAHEDRAL NIOBIUM OXYCHLORIDE CLUSTER COMPOUND, Cs2GdNb6Cl15O3 Fakhili Gulo Program Studi Pendidikan Kimia, FKIP, Universitas Sriwijaya

ABSTRAK Suatu senyawa gerombol oktahedral niobium oksiklorida, Cs2GdNb6Cl15O3, telah disintesis dengan teknik reaksi fase-padat dari campuran CsCl, Gd2O3, Nb, NbCl5, dan Nb2O5 yang dipanaskan pada suhu 700 °C selama 2 hari. Struktur kristalnya ditentukan dengan metode difraksi sinar-X sinar tunggal. Senyawa ini mengkristal dalam sistem trigonal dengan kelompok ruang, P-31c: a = 9.1318(1) Å, c = 17.1588(1) Å, dan V = 1238.95(2) Å3. Strukturnya didasarkan pada unit (Nb6Cli9Oi3Cla6)5− yang terpusatkan pada sumbu lipat-3 pada z = ¼ dan ¾. Gadolinium terkoordinasi-9 oleh 3 Oi dan 6 Cli dari 3 unit gerombol yang berdekatan, dan sesium terkoordinasi-12 dengan 6 Cli dan 6 Cla dari 6 unit gerombol yang bertetangga. Unit-unit gerombol dihubungkan satu dengan yang lain melalui ion sesium dan gadolinium untuk membentuk jaringan tiga dimensi. Senyawa ini menunjukkan 14 elektron valensi per gerombol.

86

SINTESIS ITRIUM ALUMINIUM GARNET (YAG)-Ce3+ DENGAN METODE SOL-GEL Loli Yusastri, I Made Joni, Camellia Panatarani Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Padjadjaran, Jatinangor

ABSTRAK Partikel itrium aluminium garnet (YAG)-Ce3+ telah berhasil disintesis menggunakan metode solgel dengan suhu yang relatif rendah (1100 ºC). Proses pemanasan yang berbeda-beda telah dilakukan untuk mendapatkan kristalinitas yang tinggi dari YAG-Ce3+. Hasil pencirian dengan difraksi sinar-X menunjukkan bahwa pada suhu sintesis 900 ºC partikel yang dihasilkan masih memiliki struktur amorf, namun telah terbentuk kecenderungan pola kristal YAG-Ce3+. Kristal YAG-Ce3+ telah benar-benar terbentuk pada suhu 1100 oC. Kristalinitas YAG-Ce3+ terbaik didapatkan dengan menggunakan proses pemanasan dua tahap, yaitu suhu sintesis 900 dan 1100 ºC. Kata kunci: bahan luminisensi, YAG-Ce3+, kristalinitas.

PENDAHULUAN Pendadahan (doping) itrium aluminium garnet (YAG) dengan Ce3+ adalah bahan luminisensi (fosforus) yang telah digunakan secara luas dalam layar (display), berbagai jenis lampu, dan sistem telekomunikasi serat optik. Gabungan antara aluminium dan itrium oksida tersebut dapat membentuk 3 jenis struktur kristal yang berbeda komposisi kimianya, yaitu Al2Y4O9 (YAM), AlYO3 (YAP), dan Al5Y3O12 (YAG)1-3. Di antara ketiga komposisi tersebut, kristal tunggal YAG merupakan bahan inang terbaik untuk sistem luminisensi4,5. Kritalinitas yang tinggi dibutuhkan untuk aplikasi fosforus. YAG umumnya disintesis melalui proses fase-padat dengan suhu tinggi (>1600 ºC) dan proses pemanasan berulang6-8. Agar penggunaan energi lebih sedikit, YAG akan disintesis pada suhu yang relatif rendah dengan metode sol-gel. Metode sol-gel merupakan metode sederhana yang dapat menghasilkan partikel secara dapat-ulang9. Dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis YAG-Ce3+ dengan ragam proses pemanasan.

METODE PENELITIAN Metode yang akan dilakukan adalah metode sol-gel dengan bahan prazat itrium nitrat heksahidrat [Y(NO3)3· 6H2O) (99.99%, Kanto Chemical)], aluminium triisopropoksida {[(CH3)2CHO]3Al) (99.99%, Kanto Chemical)}, dan Ce(III) nitrat heksahidrat {(Ce(NO3)3· 6H2O) (99.99%, Kanto Chemical)}. Etanol (≥99.9%, Merck) dan air ultramurni digunakan sebagai pelarut. Konsentrasi prazat yang digunakan adalah 0.3 M dengan nisbah molar Y:Al:Ce sebesar 2.7:5:0.3. Tahapan-tahapan dalam sintesis YAG-Ce3+ meliputi penyiapan larutan, proses sol-gel, pemanasan, dan pencirian. Larutan prazat A (5 ml) disiapkan dengan melarutkan Y(NO3)3· 6H2O dan Ce(NO3)3· 6H2O ke dalam akuades, sedangkan larutan prazat B dibuat dengan melarutkan [(CH3)2CHO]3Al ke dalam etanol. Proses sol-gel terjadi secara simultan dengan cara mereaksikan larutan A dan B pada suhu 100 ºC selama 1 jam.

87

Pemanasan bertujuan menghasilkan kristal YAG-Ce3+ dengan derajat kristalinitas yang tinggi. Proses pemanasan dilakukan dengan empat variasi pemanasan. Contoh I dipanaskan pada suhu 900 oC selama 2 jam. Contoh II dipanaskan dalam dua tahap, yaitu pada suhu 900 dan 1100 oC, masingmasing selama 2 jam. Contoh III dipanaskan pada suhu 1100 oC selama 2 jam. Contoh IV dipanaskan pada suhu 900 dan 1100 oC selama 2 jam dan dilakukan secara simultan. Untuk mencegah partikel beraglomerasi dengan partikel lain, polietilena glikol (PEG) ditambahkan ke dalam gel prazat sebelum proses pemanasan. Pencirian dengan difraksi sinar-X (XRD) dilakukan untuk mengetahui struktur kristal dan derajat kristalinitas partikel yang dihasilkan. Alat yang digunakan dalam penelitian ini ialah X-ray diffraction Rigaku, Geiger Flex difraksi Bragg dengan panjang gelombang 1.54064 (Cu Kα).

HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis YAG-Ce3+ dengan metode sol-gel menghasilkan partikel berwarna putih kekuningan yang beraglomerasi secara lemah. Penambahan PEG sebelum proses pemanasan dapat mencegah terjadinya aglomerasi kuat antarpartikel. Selain itu, panas yang dihasilkan dari reaksi eksoterm PEG berpengaruh terhadap pembentukan kristal pada proses pemanasan. Pola difraksi sinar-X partikel yang dihasilkan dimuat dalam Gambar 1. Pola difraksi pada bagian bawah dari Gambar 1 adalah pola difraksi YAG standar yang dibuat oleh Joint Committee for Powder Diffraction (JCPDS) no. 33−40.

Gambar 1 Pola XRD YAG:Ce3+ yang disintesis dengan proses pemanasan berbeda-beda: contoh I (a), contoh II (b), contoh III (c), dan contoh IV (d). (Keterangan: “P” adalah YAP dan “ * “ adalah kristal yang belum diketahui jenisnya) Pola difraksi contoh I belum memperlihatkan terbentuknya struktur YAG murni (masih menunjukkan struktur amorf). Namun, kecenderungan kenaikan kemiringan kurva difraksi pada rentang 2θ = 30º telah terbentuk, menunjukkan adanya kecenderungan pembentukan kristal YAG.

88

Pola difraksi pada contoh II memiliki 14 puncak difraksi YAG yang sesuai dengan JCPDS no. 33−40. Puncak difraksi tertinggi diperoleh pada 2θ = 33.1o. Kristalinitas yang tinggi diperoleh karena proses pemanasan dilakukan dalam dua tahap, yaitu 900 dan 1100 ºC. Selain puncak difraksi yang menunjukkan struktur YAG, pada contoh II juga terdapat puncak lain pada 2θ = 16.9o, 44.68o, dan 49.68o. Puncak difraksi pada 2θ = 16.9o dan 44.68o merupakan puncak difraksi YAP (P) sedangkan yang pada 2θ = 49.68o belum diketahui jenisnya. Puncak difraksi YAP terbentuk karena suhu pemanasan belum optimum, sedangkan puncak lain yang belum diketahui jenisnya dimungkinkan karena ketidakmurnian yang terjadi selama sintesis YAG-Ce3+. Hasil pencirian YAG contoh III memperlihatkan terbentuknya fase YAG dengan 12 puncak difraksi. Puncak difraksi tertinggi terdapat pada 2θ = 33.18º. Selain puncak difraksi YAP, terdapat juga puncak difraksi lain, yaitu puncak difraksi YAP pada 2θ = 49.68º dan 44.68º serta satu puncak yang tidak diketahui pada 2θ = 16.86º. YAP dan satu puncak difraksi lain yang belum diketahui jenisnya juga terbentuk pada contoh IV. Jika dibandingkan dengan contoh II, full width at half maximum (FWHM) pada contoh IV lebih lebar. Hal tersebut mengindikasikan bahwa kristalinitas YAG contoh IV lebih rendah daripada contoh II. Untuk mendapatkan partikel YAG-Ce3+ dengan kristalinitas yang tinggi dibutuhkan optimalisasi proses pemanasan.

SIMPULAN Proses pemanasan dalam metode sol-gel sangat menentukan mutu kristal YAG yang terbentuk. Faktor yang memengaruhi perbedaan kritalinitas tersebut adalah lama pemanasan dan suhu pemanasan. Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, meskipun belum mendapatkan hasil yang optimum, proses pemanasan 2 tahap yang disertai dengan penambahan PEG dapat menghasilkan YAG dengan kristalinitas paling baik.

DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Abell JS, Harris IR, Cockayne B, Lent B. J Mat Sci 1974;9:527. Ohno K, Abe T. Electrochem J Soc 1986;133:638. Warshaw I, Roy R. J Am Ceram Soc 1959;42:434. Scholl MS, Trimmier JR. J Electrochem Soc 1986;133:643. W. Jia W et al. J Lumin 1994;60–6:158. Ikesue A, Kamata K, Yoshida K. J Am Ceram Soc 1995;78:2545. Ohno K, Abe I. J Electrochem Soc 1994;141:1252. Lopez OA, Mckittrick J, Shea LE. J Lumin 1997;71:1. Manalert, Rahaman R, MN. J Mat Sci 1996;31:3453±3458.

89

ADSORPSI Zn(II) DAN Cd(II) PADA HIBRID AMINO-SILIKA DARI ABU SEKAM PADI Nuryono*, L Dewi, MR Kurniasari, Narsito Jurusan Kimia, FMIPA, UGM, Yogyakarta

ABSTRAK Dalam penelitian ini telah dikaji adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) dalam larutan oleh adsorben hibrid amino-silika (HAS) yang disintesis dari abu sekam padi (ASP) melalui proses sol-gel. Pertama, dibuat larutan natrium silikat (Na2SiO3) dari ASP. Sekam diabukan pada suhu 700 °C selama 4 jam. Abu sekam kemudian dilebur dengan NaOH pada suhu 500 °C selama 30 menit. Hasil peleburan dilarutkan dalam akuades sehingga diperoleh larutan Na2SiO3. Setelah itu, HAS dibuat dengan menambahkan (3aminopropil)trimetoksisilana dan larutan asam sitrat 1 M ke dalam larutan tersebut sampai pH-nya 7. Gel yang didapat dicirikan dengan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dan difraktometri sinar-X (XRD). Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) dilakukan dalam sistem lompok (batch) selama satu jam dengan meragamkan konsentrasi ion logam dan juga waktu kontak pada kosentrasi ion logam yang tetap. Ion logam yang teradsorpsi dihitung berdasarkan konsentrasi ion logam dalam larutan setelah adsorpsi, yang ditentukan dengan spektrofotometri serapan atom (AAS). Data yang diperoleh digunakan untuk mengevaluasi kinetika dan termodinamika adsorpsi. Hasil FTIR menunjukkan bahwa HAS telah berhasil disintesis, ditandai dengan munculnya serapan khas dari gugus fungsi siloksana (≡Si–O–Si≡), silanol (≡Si–OH), dan rantai alifatik (–CH2–). Sementara data XRD menunjukkan struktur amorf dari HAS dan silika gel (SG). Kajian termodinamika adsorpsi menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi HAS terhadap Zn(II) maupun Cd(II) lebih besar (berturut-turut 526.3 dan 135.1 µmol/g) daripada SG (277.8 dan 117.6 µmol/g). Energi yang menyertai adsorpsi Zn(II) pada HAS dan SG berkisar 16 kJ mol-1 sedangkan untuk Cd(II) berkisar 18 kJ mol-1, yang menunjukkan fisisorpsi. Tetapan laju adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada HAS lebih besar dibandingkan dengan pada SG. Adsorpsi ion logam pada HAS berlangsung melalui dua tahap (cepat dan lambat) dengan tetapan laju adsorpsi Zn(II) lebih besar daripada Cd(II). Kata kunci: abu sekam padi, sol-gel, silika, adsorpsi, ion logam.

ABSTRACT In this research, adsorption of Zn(II) and Cd(II) in aqueous solution by amino-silica hybrid (ASH) adsorbent prepared from rice hull ash (RHA) through sol-gel process had been studied. First, the sodium silicate (Na2SiO3) solution was prepared from RHA. The hull was ashed at 700 °C for 4 hours. The ash was then melted with NaOH at 500 °C for 30 minutes. The product was dissolved in distilled water to get Na2SiO3 solution. Afterwards, the synthesis of ASH was carried out by adding (3aminopropyl)trimethoxysilane and 1 M citric acid solution into the solution until pH 7. The gel was characterized with Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffractometry (XRD). The adsorption of Zn(II) and Cd(II) was conducted in a batch system for one hour by varying the concentration of metal ion and the contact time at constant ion concentration as well. The adsorbed metal ion was calculated from the concentration of metal ion in solution after adsorption, analyzed by atomic absorption spectrohotometry (AAS). The adsorption data were used to evaluate the kinetics and thermodynamics of adsorption. The FTIR results showed that ASH had been successfully synthesized, indicated by the appearance of characteristic absorbance of siloxane (≡Si–O–Si≡), silanol (≡Si–OH), * Alamat korespondensi: [email protected]; (0274)545188

90

and aliphatic chain (–CH2–) functional groups. The XRD data showed amorphous structure of both ASH and silica gel (SG). Study on adsorption thermodynamics showed that adsorption capacity of ASH toward Zn(II) and Cd(II) were higher (526.3 and 135.1 µmol/g, respectively) than SG (277.8 and 117.6 µmol/g). Energy involved in adsorption of Zn(II) on ASH and SG was approximately 16 kJ mol-1 and of Cd(II) was 18 kJ mol-1, indicating physisorption. The adsorption rate constants of Zn(II) and Cd(II) on ASH were higher compared with adsorption on SG. The adsorption of metal ion on ASH went through two steps (fast and slow) with the rate constant of Zn(II) was higher than of Cd(II). Keywords: rice hull ash, sol-gel, silica, adsorption, metal ion.

PENDAHULUAN Dewasa ini modifikasi permukaan silika gel (SG) banyak dilakukan untuk meningkatkan kinerja bahan anorganik itu sesuai dengan keperluannya. Berdasarkan jenis senyawa yang digunakan, modifikasi ini dapat dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu fungsionalisasi organik dengan pemodifikasi berupa gugus organik dan fungsionalisasi anorganik yang gugus pemodifikasinya dapat berupa senyawa organologam atau oksida logam (Jal et al. 2004). Modifikasi SG dapat dilakukan melalui interaksi fisis dan kimiawi. Modifikasi secara fisis suatu senyawa pada SG dapat dilakukan melalui impregnasi. Terrada et al. (1983) telah melakukan impregnasi pada padatan pendukung SG, karbon aktif dan politrifluorokloro etilena menggunakan bahan-bahan impregnan 2,5-dimerkapto-1,3,4-tiadiazola, 2-merkaptobenzotiazola, dan 2-merkaptobenzimidazola untuk adsorpsi Cu(II) dalam medium air. Dilaporkan bahwa adsorpsi hanya efektif pada pH tertentu untuk tiap jenis ligan. Kelemahan modifikasi secara fisis antara lain interaksi yang terjadi relatif lemah atau mudah lepas sehingga tidak dapat digunakan berulang-ulang. Modifikasi SG secara kimiawi dapat dilakukan dengan 2 teknik, yaitu imobilisasi pereaksi silan dan melalui proses sol-gel. Teknik konvensional dilakukan dengan mengembangkan reaksi antara gugus silanol dan pereaksi silan yang berfungsi sebagai prazat untuk imobilisasi molekul organik. Pada umumnya, pereaksi silan bereaksi dengan gugus silanol permukaan dalam satu langkah sehingga memungkinkan pengikatan gugus fungsional ujung yang diinginkan pada permukaan (Jal et al. 2004). Fahmiati et al. (2004) telah memodifikasi permukaan SG secara impregnasi taklangsung menggunakan bahan penghubung γ-glisidoksipropiltrimetoksisilana untuk adsorpsi ion logam Cd(II), Ni(II), dan Mg(II). Laju adsorpsi ion logam didapati meningkat dengan urutan Cd(II)>Mg(II)>Ni(II), dan dengan aplikasi isoterm Langmuir diperoleh tetapan kesetimbangan adsorpsi (K) untuk ion logam Cd(II), Ni(II), dan Mg(II) berturut-turut 9.28 × 102, 14.56 × 102, dan 1.79 × 102. Kelemahan modifikasi melalui imobilisasi ini adalah rendahnya efektivitas pengikatan senyawa pada permukaan SG. Proses sol-gel telah banyak dikembangkan terutama untuk pembuatan hibrid, yaitu kombinasi oksida anorganik (terutama silika) dengan alkoksisilana. Penggunaan proses sol-gel untuk mensintesis beberapa bahan hibrid anorganik-organik telah banyak dilaporkan, di antaranya oleh Airoldi & Arakaki (2001). Mereka menggunakan tetraetoksisilana (TEOS) sebagai bahan dasar yang dicampur dengan senyawa organik aktif 2-(2-(3-(trimetoksisilil)propilamino)etiltio)etanatiol. Hibrid silika yang dihasilkan digunakan untuk mengadsorpsi logam divalen. Dalam penelitian lainnya, Cestari et al. (2000) telah melakukan imobilisasi etilenadiamina pada permukaan SG melalui proses sol-gel dan digunakan sebagai adsorben ion Cu(II), Hg(II) dan Co(II). Nuryono et al. (2005) juga melaporkan pembuatan hibrid merkaptosilika melalui proses sol-gel dengan prazat natrium silikat (Na2SiO3) yang dihasilkan dari pengolahan abu sekam padi (ASP). Hasilnya menunjukkan bahwa modifikasi merkapto pada silika mampu meningkatkan kemampuan adsorpsi terhadap Zn(II) dan Cd(II). Dalam makalah ini dilaporkan modifikasi SG dengan gugus aminopropil melalui proses sol-gel menggunakan prazat Na2SiO3 hasil pengolahan abu sekam. Produk yang diperoleh digunakan sebagai

91

adsorben Zn(II) dan Cd(II) dalam larutan. Beberapa parameter termodinamika dan kinetika adsorpsi juga dihitung dan dievaluasi.

METODE PENELITIAN Bahan dan Alat Contoh sekam padi yang digunakan sebagai sumber silika berasal dari tempat penggilingan gabah di daerah Wates, Kulon Progo, Yogyakarta. Bahan kimia berupa larutan H2SO4 5%, Na2EDTA 0.01 M digunakan untuk mencuci ASP. Untuk pembuatan adsorben digunakan padatan NaOH (Merck), asam sitrat, C6H8O7· H2O, (Merck), dan (3-aminopropil)trimetoksisilana, APTS, (Aldrich). Larutan logam diperoleh dengan melarutkan ZnCl2 dan CdCl2 (Merck) dalam akuades sesuai keperluan. Peralatan yang digunakan meliputi alat penyiapan larutan Na2SiO3 dari ASP, yaitu tungku pemanas (Charbolite), pompa vakum (Buchi VacR V-500”), dan ayakan ukuran 200 mesh (Fisher). Untuk pencirian adsorben digunakan spektrofotometer inframerah transformasi-Fourier (FTIR) (Shimadzu FTIR-8201PC) dan difraktometer sinar-X (XRD) (Shimadzu PW3 710), sedangkan untuk proses adsorpsi digunakan sentrifus (Centrifig 228) dan spektrofotometer serapan atom (AAS) (Hitachi Z-8000) untuk analisis logam.

Pembuatan Larutan Na2SiO3 dari ASP Sekam padi dibersihkan dari tanah, kerikil, dan kotoran lainnya, dicuci dengan air dan dibilas dengan akuades, lalu dikeringkan dalam oven. Sekam padi bersih dan kering dibakar dengan nyala api sehingga diperoleh arang sekam yang berwarna hitam. Arang ini kemudian diabukan pada suhu 700 °C selama 4 jam dalam tungku. Abu sekam berwarna putih yang diperoleh kemudian digerus dan diayak dengan ayakan 200 mesh. Selanjutnya, sebanyak 5 g dicuci dengan 10 ml H2SO4 5%, dinetralkan dengan akuades, dicuci lagi dengan 20 ml Na2EDTA 0.05 M, dan dinetralkan kembali dengan akuades. Abu sekam hasil pencucian tersebut kemudian dikeringkan dalam oven, dimasukkan dalam krus porselen, ditambah 8 g NaOH, dan dilebur pada 500 °C selama 30 menit. Setelah dingin ditambahkan 50 ml akuades dan dibiarkan semalam sebelum disaring dengan kertas saring. Filtrat yang merupakan larutan Na2SiO3 ditampung dalam gelas plastik. Kadar Si dalam larutan ditentukan dengan AAS.

Pembuatan dan Pencirian Adsorben Hibrid Amino-silika (HAS) Sebanyak 20 ml larutan Na2SiO3 hasil peleburan ASP dimasukkan ke dalam gelas plastik dan ditambahkan 2 ml APTS sambil diaduk dengan pengaduk magnet. Selanjutnya ditambahkan asam sitrat 1 M tetes demi tetes sampai terbentuk gel dan diteruskan hingga pH 7. Gel lalu didiamkan semalam, disaring dan dicuci dengan akuades hingga netral (diperiksa dengan indikator universal), sebelum dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 70 ºC. Setelah kering, HAS digerus dan diayak dengan ayakan 200 mesh. Pembentukan gel dengan cara yang sama tanpa penambahan APTS dilakukan untuk mendapatkan silika gel (SG). HAS dan SG dicirikan dengan FTIR dan XRD.

Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) Sebanyak 100 mg HAS ditempatkan dalam wadah plastik. Adsorpsi dilakukan dalam sistem lompok (batch) dengan cara menambahkan 50 ml larutan ZnCl2 dengan ragam konsentrasi 10, 20, 40, 80, 150, 200, 300 mg/l lalu diaduk selama 1 jam. Selanjutnya larutan disentrifus dengan kecepatan

92

2000 rpm untuk memisahkan supernatan dari adsorben. Setiap supernatan dianalisis dengan AAS untuk menentukan konsentrasi Zn(II) yang teradsorpsi. Hal yang sama dilakukan untuk logam Cd(II). Adsorpsi yang sama juga dilakukan dengan SG sebagai adsorben.

HASIL DAN PEMBAHASAN Silika Gel (SG) dan HAS Pelarutan Na2SiO3 dalam akuades menghasilkan sistem hidrosol Na2SiO3. Pada sistem ini, terdapat anion silikat (≡Si–O−) sebagai gugus reaktif, dengan ion natrium sebagai penyeimbang muatan. Pembentukan gel dari larutan silikat tersebut dilakukan dengan menurunkan pH larutan melalui penambahan asam, dalam penelitian ini digunakan asam sitrat 1 M. Penambahan asam sitrat 1 M pada 20 ml larutan Na2SiO3 dilakukan tetes demi tetes sampai pH 7. Gel yang terbentuk didiamkan semalam agar pembentukan gel sempurna kemudian dicuci dengan akuades untuk menghilangkan garam sisa sebelum dikeringkan pada suhu 120 °C selama satu jam. Gel kering yang diperoleh disebut xerogel. Xerogel yang berwarna putih ini kemudian digerus dan diayak dengan ayakan 200 mesh untuk menghomogenkan ukurannya. Pembuatan HAS dilakukan dengan menambahkan senyawa organik aktif APTS pada larutan Na2SiO3 sebelum ditambah asam sitrat untuk pembentukan gel. Hasil pembuatan SG dan HAS dengan tiga kali pengulangan (n = 3) ditampilkan dalam Tabel 1. Bobot HAS yang dihasilkan lebih banyak daripada SG. Hal ini disebabkan penambahan APTS mengakibatkan penggantian gugus silanol oleh merkaptopropilsilana yang bobot molekulnya lebih besar. Tabel 1 Bobot SG dan HAS yang dihasilkan Nama Produk SG HAS

ASP yang digunakan 2.00 2.00

Bobot (g) APTS yang ditambahkan 2.054

Produk yang dihasilkan 1.85 ± 0,05 2.70 ± 0,07

Karakteristik SG dan HAS Spektrum FTIR Spektrum FTIR digunakan untuk mengidentifikasi gugus-gugus fungsi yang terdapat pada SG dan HAS (Gambar 1). Gambar 1 (a) merupakan spektrum IR dari SG produksi Merck (Kieselgel 60 tipe G) yang digunakan sebagai pembanding. Pita serapan pada bilangan gelombang 472.5 cm-1 menunjukkan vibrasi tekuk gugus siloksana Si–O–Si. Vibrasi ulur simetris Si–O dari Si–O–Si ditunjukkan oleh pita serapan pada bilangan gelombang 800.4 cm-1. Pita serapan pada 974.0 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur Si–O dari Si–OH. Pita serapan yang kuat pada bilangan gelombang 1101.3 cm-1 merupakan vibrasi ulur asimetris Si–O dari Si–O–Si, sedangkan pita lebar pada bilangan gelombang 3448.5 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur gugus OH dari Si–OH. Adanya pita serapan pada 1629.7 cm-1 menunjukkan vibrasi dari molekul air yang terikat (William 1998). Gambar 1(b) merupakan spektrum IR dari SG hasil sintesis. Terlihat kemiripan dengan spektrum SG pembanding. Pita-pita serapan terdapat pada bilangan gelombang yang hampir sama. Dengan demikian, gugus fungsi yang terdapat pada SG ini adalah juga gugus siloksana dan silanol. Perbedaan terletak pada jumlah gugus yang ada. Gugus silanol lebih sedikit dibandingkan dengan pada Kieselgel 60, yang ditunjukkan oleh rendahnya intensitas serapan di sekitar 3400 cm-1.

93

Gambar 1 Spektrum IR SG Kieselgel 60 tipe G, Merck (a); SG hasil sintesis dari ASP (b); dan HAS (c). Pada Gambar 1(c) yang merupakan spektrum HAS terlihat adanya perubahan pola serapan. Pita serapan pada bilangan gelombang 3415.7 cm-1 mengalami penurunan intensitas serapan yang cukup besar dibandingkan dengan spektrum SG hasil sintesis, begitu juga dengan pita serapan pada bilangan gelombang 964.3 cm-1. Penurunan intensitas serapan ini menunjukkan berkurangnya gugus silanol akibat terjadinya kondensasi dengan senyawa APTS pada proses transisi sol-gel. Munculnya pita serapan baru pada bilangan gelombang 2933.5 cm-1 yang merupakan serapan rantai alifatik akibat vibrasi ulur –CH2– juga menunjukkan bahwa HAS telah berhasil dibuat. Vibrasi ulur N–H ditunjukkan oleh serapan pada bilangan gelombang 3500–3100 cm-1 Serapan gugus N–H ini mungkin bertumpang tindih dengan serapan gugus OH dari Si–OH pada bilangan gelombang 3415.7 cm-1. Munculnya serapan baru tersebut didukung oleh terjadinya pergeseran serapan gugus siloksana ke bilangan gelombang yang lebih rendah, yaitu 462.9, 792.7, dan 1074.3 cm-1, yang menunjukkan adanya perubahan lingkungan Si–O–Si akibat pembentukan HAS. Perkiraan mekanisme reaksi pembentukan HAS pada kondisi basa ditampilkan pada Gambar 2. Pada saat penambahan asam sitrat, terjadi proses pembentukan gel yang diduga diawali dengan protonasi atom oksigen pada gugus metoksi (–OCH3) dalam senyawa APTS dan dilanjutkan dengan serangan anion silikat (≡Si–O−) terhadap atom Si dalam senyawa APTS melalui mekanisme reaksi SN2. Protonasi atom oksigen dari gugus metoksi yang terikat pada atom Si menyebabkan atom Si semakin terpolarisasi positif sehingga lebih mudah diserang oleh spesies yang bermuatan negatif, yaitu anion silikat, membentuk ikatan siloksan (≡Si–O–Si≡) dengan melepas metanol. H

OCH 3 H 2N

Si

+ OCH 3 +

H+

H 2N

(1)

Si

H H 2N

+ OCH 3 H 2N

Si + −

O - Si

Si

-

H

O

+ OCH 3 H 2N

Si O - Si

Si

(2)

A + CH 3 OH

Gambar 2 Model mekanisme reaksi pembentukan dimer siloksana pada pembuatan HAS.

94

Reaksi tersebut masih dapat berlanjut karena masih terdapat 2 gugus metoksi yang dapat terkondensasi dengan anion silikat yang lain. Secara sederhana, reaksi dalam tahapan proses sol-gel selanjutnya ditampilkan dalam Gambar 3. SiO Si

−

O

+

H3CO

NH2

Si

SiO

Si

+

O

SiO

SiO

-CH3OH

H3CO

−

SiO

+H+

NH2

Si

H3CO

(3)

B

SiO

+H+

SiO

-CH3OH

H3CO

NH2

Si

NH2

Si

(4)

SiO

C

Gambar 3 Model reaksi pembentukan HAS. Reaksi kondensasi yang disertai pelepasan metanol tersebut tidak selalu berlanjut sampai menghasilkan C, tetapi dapat terhenti hanya pada persamaan (2) menghasilkan A, atau pada persamaan (3) menghasilkan B. Karena itu setelah HAS terbentuk, berbagai variasi permukaan seperti yang dimodelkan pada Gambar 4 mungkin terjadi. OCH3 Si

O

Si

OH NH2

+

n (H /H 2 O )

Si

O

OCH3

O

Si

O

NH2

(B 1 )

Si

O

Si

O

Si

O

Si

+

n C H 3O H

NH2

+

n C H 3O H

(A 2 )

OCH3 Si

NH2

OH

(A 1 )

Si

Si

n (H + /H 2 O )

Si

O

Si

O

OH Si

(B 2 )

NH2

(C )

Gambar 4 Berbagai model ikatan di permukaan HAS. Dari Gambar 4 tersebut terlihat bahwa bahwa A1 dan B1 masih dapat mengalami reaksi hidrolisis menghasilkan hibrid masing-masing A2 dan B2. Pada hibrid A2, transisi sol-gel yang terjadi melibatkan kondensasi satu gugus ≡Si–O− dan gugus metoksi menghasilkan dua gugus silanol dan satu gugus amino sehingga menambah jenis dan jumlah tapak aktif pada HAS relatif terhadap SG. Pada hibrid B2, transisi sol-gel tidak memengaruhi jumlah tapak aktif yang ada, tetapi hanya meragamkan jenis tapak aktif tersebut, sedangkan pada hibrid C transisi sol-gel justru akan mengurangi jumlah tapak aktif yang ada. Selain reaksi kondensasi tersebut, pada pembentukan gel hibrid ini juga terjadi kondensasi antara anion silikat dan gugus silanol yang terbentuk dari protonasi anion silikat karena penambahan

95

asam, menghasilkan ikatan siloksana yang membentuk jaringan kerangka gel. Masing-masing reaksi kondensasi terus berlangsung membentuk trimer, tetramer, oligomer dan akhirnya membentuk bolabola polimer. Bola-bola polimer yang berasal dari reaksi kondensasi APTS dengan anion silikat maupun anion silikat dengan silanol akan saling bergabung melalui reaksi kondensasi lebih lanjut membentuk gel hibrid.

Difraksi Sinar-X Metode XRD memberikan informasi mengenai struktur padatan yang dianalisis dalam bentuk pola difraksi yang sesuai dengan tingkat kristalinitasnya. Hasil pencirian SG dan HAS menggunakan metode ini ditampilkan dalam Gambar 5.

Gambar 5 Difraktogram sinar-X SG (A) dan HAS (B). Terlihat bahwa SG dan HAS memiliki pola difraksi dengan puncak melebar dan dengan intensitas maksimum di sekitar 2θ = 21˚ untuk SG dan 22˚ untuk HAS. Menurut Kalaphaty (2000), puncak melebar di sekitar 2θ = 22˚ menunjukkan struktur amorf dari silika. Jadi, modifikasi SG dengan gugus aminopropil tidak memengaruhi kristalinitas.

Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) Termodinamika adsorpsi Termodinamika adsorpsi dipelajari dengan membuat sederet konsentrasi awal ion logam Zn(II) dan Cd(II) yang masing-masing diinteraksikan dengan adsorben selama 60 menit pada suhu kamar. Pola isoterm adsorpsi ditunjukkan dengan membuat kurva jumlah ion logam yang teradsorpsi per gram adsorben terhadap konsentrasi ion logam pada kesetimbangan (Gambar 6). 0.12

0.2 0.2 SG HAS

0.1 0.1 0.0

Cd(II) teradsorpsi, mmol/g

Zn(II) teradsorpsi, mmol/g

0.3

0.08 SG HAS 0.04

0.00

0.0

1.0

2.0 C, mmol/L

3.0

4.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

C, mmol/L

(a) (b) Gambar 6 Kurva isoterm adsorpsi Zn(II) (a) dan Cd(II) (b) pada adsorben SG (♦) dan HAS ( ).

96

Model isoterm adsorpsi Langmuir mengasumsikan bahwa permukaan adsorben mempunyai sejumlah tertentu tapak adsorpsi yang sebanding dengan luas permukaan adsorben. Setiap tapak adsorben hanya dapat mengadsorpsi satu molekul adsorbat sehingga terbentuk lapisan adsorpsi monomolekular. Apabila tapak aktif adsorpsi belum jenuh dengan molekul adsorbat, maka kenaikan konsentrasi adsorbat selalu disertai dengan naiknya jumlah ion logam yang teradsorpsi. Sebaliknya, bila tapak aktif adsorpsi sudah jenuh oleh molekul adsorbat, maka kenaikan konsentrasi adsorbat relatif tidak meningkatkan jumlah logam yang teradsorpsi (Oscik 1982). Gambar 6 memperlihatkan bahwa adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) cenderung mengikuti pola isoterm Langmuir. Pada konsentrasi rendah kenaikan konsentrasi kesetimbangan Zn(II) dan Cd(II) diikuti dengan kenaikan jumlah ion yang teradsorpsi, tetapi pada konsentrasi kesetimbangan yang tinggi, jumlah ion yang teradsorpsi cenderung konstan. Oleh karena itu, untuk penentuan nilai kapasitas adsorpsi dan tetapan kesetimbangan adsorpsi digunakan persamaan isoterm Langmuir:

C 1 1 = + C m bK b dengan C ialah konsentrasi kesetimbangan, m ialah jumlah zat yang teradsorpsi per g adsorben, b ialah kapasitas adsorpsi, dan K ialah tetapan kesetimbangan. Jika data yang diperoleh dari penelitian memenuhi persamaan tersebut, maka plot C/m terhadap C akan menghasilkan garis lurus dengan kemiringan 1/b dan intersep 1/bK. Dari grafik C/m versus C dapat ditentukan parameter-parameter isoterm adsorpsi Langmuir. Energi total adsorpsi per mol dapat dihitung dari persamaan berikut: Eads = −∆G0ads = RT ln K K ialah tetapan kesetimbangan adsorpsi yang diperoleh dari persamaan Langmuir, dan energi total adsorpsi ekuivalen dengan perubahan energi bebas Gibbs standar adsorpsi, ∆G0ads. Data hasil perhitungan menunjukkan kesesuaian dengan persamaan Langmuir: diperoleh garis lurus untuk grafik C/m versus C. Parameter-parameter isoterm adsorpsi Langmuir yang diperoleh ditampilkan dalam Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa kapasitas adsorpsi HAS terhadap kedua ion logam cenderung lebih besar daripada adsorben SG. Peningkatan kapasitas adsorpsi ini diduga disebabkan oleh bertambahnya jenis dan jumlah tapak aktif yang berperan dalam adsorpsi, setelah modifikasi. Selain terdapat gugus Si–OH dan Si–O–Si seperti pada SG, juga terdapat gugus aktif baru, yaitu gugus –NH2. Tabel 2 Parameter isoterm adsorpsi Langmuir Adsorben

Ion logam

SG

Zn(II) Cd(II) Zn(II) Cd(II)

HAS

Parameter isoterm adsorpsi Langmuir b (µmol/g) K (l/mol) Eads (kJ mol-1) R2 257.95 117.65 310.17 135.14

722.43 1582.16 673.01 1349.92

16.42 18.37 16.23 17.98

0.9185 0.9538 0.9001 0.9705

Berdasarkan hasil perhitungan, HAS mempunyai nilai tetapan kesetimbangan adsorpsi (K) dan energi adsorpsi, baik untuk Zn(II) maupun Cd(II), yang tidak berbeda secara signifikan dibandingkan dengan SG. Adanya gugus –NH2 yang bersifat lebih basa daripada silanol dan siloksana pada HAS ternyata tidak meningkatkan kemampuan adsorpsinya. Hal ini menunjukkan bahwa sifat kebasaan adsorben bukanlah satu-satunya faktor dominan dalam proses adsorpsi. Nilai energi adsorpsi yang diperoleh masih tergolong rendah untuk adsorpsi kimia. Energi adsorpsi Zn(II) pada adsorben SG dan HAS berkisar 16 kJ mol-1, sedangkan untuk logam Cd(II)

97

berkisar 18 kJ mol-1. Rendahnya energi adsorpsi ini mengindikasikan bahwa interaksi adsorben dengan ion logam tidak berupa ikatan kimia langsung antara ion logam dan atom dari tapak aktif adsorben, tetapi diduga melalui jembatan molekul dan membentuk ikatan hidrogen. Penggantian gugus silanol oleh aminopropil dari SG ke HAS berakibat melemahnya ikatan hidrogen dan menurunkan energi adsorpsi. Dari Tabel 2 juga diketahui bahwa kapasitas adsorpsi terhadap Zn(II) lebih tinggi daripada terhadap Cd(II), baik untuk SG maupun HAS. Hal tersebut dapat dijelaskan melalui pendekatan jejari hidrasi. Proses adsorpsi dilakukan dalam medium air. Kedua ion dapat membentuk kompleks dengan molekul air, yaitu kompleks akua oktahedral [M(H2O)6]2+. Menurut Martell & Hancock (1996), logam Zn(II) memiliki jejari kompleks lebih kecil (1.09 Å) jika dibandingkan dengan jejari Cd(II) (2.30 Å). Karena ukuran [Zn(H2O)6]2+ yang lebih kecil, jumlah Zn(II) yang tertampung di permukaan adsorben lebih banyak daripada [Cd(H2O)6]2+ yang berukuran lebih besar.

Kinetika Adsorpsi Kinetika adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada adsorben SG dan HAS dipelajari berdasarkan proses adsorpsi ion logam dalam sistem lompok pada berbagai waktu kontak. Laju adsorpsi ion logam dikaji dari kurva hubungan antara jumlah ion logam yang teradsorpsi dan waktu adsorpsi (Gambar 7). 0.05

Cd(II) teradsorpsi, mmol/g

Zn(II) teradsorpsi, mmol/g

0.06 0.05 0.04 SG 0.03

HAS

0.02 0.01 0

0.04

0.03 SG HAS 0.02

0.01

0

0

50

100

150

200

0

50

100

t, menit

t, menit

(a)

(b)

150

200

Gambar 7 Kurva hubungan antara jumlah ion logam teradsorpsi dan waktu interaksi: Zn(II) (a) dan Cd(II) (b) untuk adsorben SG (♦) dan HAS ( ). Konsentrasi awal Zn(II) = 0.72 mmol/l dan Cd(II) = 0.42 mmol/l. Nuryono et al. (2003) membedakan kinetika adsorpsi ion logam pada adsorben menjadi tiga jenis. Jenis yang pertama, adsorpsi berlangsung dalam satu tahap cepat kemudian mencapai kesetimbangan. Pada adsorpsi jenis ini, laju desorpsi relatif lambat dan dapat diabaikan. Jenis kedua, adsorpsi berlangsung lambat kemudian mencapai kesetimbangan. Pada adsorpsi ini laju desorpsi relatif cepat dan tidak dapat diabaikan. Dengan kata lain, adsorpsi berlangsung secara reversibel. Jenis ketiga, adsorpsi berlangsung dalam dua tahap, tahap cepat dan lambat, kemudian mencapai kesetimbangan. Dari Gambar 7 terlihat bahwa adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada SG maupun HAS termasuk jenis adsorpsi ketiga. Dengan mengasumsikan bahwa proses mengikuti orde pertama, adsorpsi dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi M M

98

+ +

Adc Adl

kc k1 k'l

MAdc MAdl

M adalah ion logam (adsorbat), Adc dan Adl adalah tapak aktif adsorben cepat dan lambat, Madc dan Madl merupakan adsorben yang telah mengadsorpsi logam M, berturut-turut untuk reaksi cepat dan lambat, kc merupakan tetapan laju adsorpsi tahap cepat, sedangkan kl merupakan tetapan laju adsorpsi tahap lambat. Dari kurva hubungan ln([M]0/[M]) terhadap t diperoleh kemiringan, yang merupakan harga tetapan laju adsorpsi tahap cepat (kc). Setelah tahap cepat selesai, berlangsung proses lambat yang menentukan laju adsorpsi dan diasumsikan berlangsung secara reversibel. Dari kurva hubungan ln{([M]0 – [M]e) / ([M] – [M]e)} terhadap t akan diperoleh kemiringan yang merupakan k1+k’1; k1 dan k’1 dapat dihitung. Tetapan kesetimbangan (K1) diperoleh dari k1/k’1. Tabel 3 Parameter kinetika laju adsorpsi tahap lambat Tetapan laju (menit–1) kc kl k’l K

SG Zn(II) 8.31 × 10–3 2.65 × 10–5 3.06 × 10–3 8.67 × 10–3

HAS Cd(II) 7.66 × 10–3 1.22 × 10–9 4.35 × 10–8 0.028

Zn(II) 21 × 10–3 2.2 × 10–3 46 × 10–3 0.048

Cd(II) 8.12 × 10–3 2.0 × 10–3 15 × 10–3 0.14

Proses adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada SG maupun HAS terjadi melalui proses cepat yang diikuti oleh proses lambat. Dua tahapan adsorpsi ini diduga terjadi pada gugus yang berbeda. Pada SG tahap cepat terjadi antara ion-ion logam dan gugus silanol, karena gugus ini terletak lebih di luar sehingga lebih mudah terjangkau dan karena itu, akan bereaksi terlebih dahulu dengan ion-ion logam. Tahap lambat diduga terjadi antara ion-ion logam dan gugus siloksana, karena atom O pada gugus ini kurang mampu mendonorkan elektronnya dibandingkan dengan O pada silanol, dan letaknya juga cenderung agak ke dalam sehingga diperlukan waktu lebih lama bagi ion logam untuk mencapainya. Pada HAS, tahap cepat diduga terjadi antara ion logam dan gugus −NH2 sementara tahap lambat terjadi antara ion logam dan gugus silanol yang masih ada pada HAS dan juga gugus siloksana. Hal ini disebabkan atom N pada gugus −NH2 dalam HAS bersifat lebih basa daripada atom O pada gugus –OH silanol. Karena itu, gugus −NH2 akan lebih siap mendonorkan pasangan elektronnya sehingga interaksinya dengan ion logam lebih efektif daripada gugus –OH, walaupun keduanya samasama terletak di permukaan. Sementara itu, gugus siloksana cenderung berperan pada proses adsorpsi tahap lambat, karena selain kurang efektif dalam mendonorkan elektron, keberadaannya relatif lebih di dalam sehingga ion logam memerlukan waktu lebih lama untuk mencapainya. Pada tahap cepat laju adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) lebih besar apabila digunakan adsorben HAS dibandingkan dengan SG. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada hibrid, gugus yang berperan dalam adsorpsi tahap cepat adalah gugus −NH2 sedangkan pada SG, gugus –OH. Gugus −NH2 lebih basa daripada gugus –OH, maka lebih efektif dalam mendonorkan pasangan elektronnya. Hal tersebut meningkatkan keefektifan HAS dalam mengadsorpsi Zn(II) dan Cd(II). Pada tahap cepat, peningkatan laju adsorpsi untuk Cd(II) pada HAS tidak begitu nyata terlihat sebagaimana untuk Zn(II). Keberadaan gugus –NH2 yang tidak begitu memengaruhi adsorpsi Cd(II), dikarenakan Cd(II) mempunyai ukuran yang besar dan polarisabilitas yang tinggi sedangkan –NH2 mempunyai sifat yang tidak berbeda jauh dari OH, yaitu berukuran kecil dengan polarisabilitas yang rendah. Oleh karena itu, interaksinya dengan Cd(II) kurang begitu efektif. Seperti pada tahap cepat, laju adsorpsi tahap lambat untuk Zn(II) dan Cd(II) juga relatif lebih besar apabila digunakan adsorben HAS. Gugus yang berperan pada tahap lambat untuk HAS adalah gugus –OH pada silanol dan siloksana sedangkan pada SG hanya gugus siloksana. Jadi, pada HAS terdapat 2 tapak aktif yang siap berinteraksi dengan ion logam sehingga proses adsorpsi cenderung akan lebih cepat. Dari Tabel 3 terlihat pula bahwa nilai tetapan laju adsorpsi pada SG maupun HAS untuk Zn(II) lebih tinggi daripada untuk Cd(II). Sebagaimana diuraikan di muka, ion logam Zn(II) dan Cd(II) akan

99

membentuk kompleks dengan molekul air menjadi [Zn(H2O)6]2+ dan [Cd(H2O)6]2+. Karena ukuran Zn(II) yang lebih kecil, mobilitasnya dalam larutan akan lebih cepat daripada Cd(II) sehingga mempercepat pula interaksinya dengan gugus fungsi pada permukaan SG maupun HAS, dan dengan demikian akan meningkatkan laju adsorpsi.

SIMPULAN Adsorben hibrid amino-silika telah berhasil dibuat melalui proses sol-gel dengan menggunakan prazat Na2SiO3 dari ASP. Hibridisasi dengan gugus amino mampu meningkatkan kapasitas dan laju adsorpsi terhadap Zn(II) dan Cd(II). Proses adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada HAS diduga terjadi melalui ikatan hidrogen antara molekul air yang terhidrasi pada ion logam dengan atom O dan N pada gugus fungsi adsorben. Laju adsorpsi ion logam Zn(II) > Cd(II) pada SG maupun HAS.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi atas bantuan dana untuk penelitian ini melalui Program Penelitian Fundamental tahun anggaran 2006.

DAFTAR PUSTAKA Airoldi C, Arakaki LNN. 2001. Immobilization of ethylene sulfide on silica surface through sol-gel process and some thermodynamic data of divalent cation interaction. Polyhedron 20:929-936. Arakaki LNN, Airoldi C. 2000. Ethylene imine in the synthetic routes of a new silylating agent: chelating ability of nitrogen and sulfur donor atoms after anchoring onto surface of silica gel. Polyhedron 19:367-373. Cestari AR, Viera EFS, Simoni JDA, Airoldi C. 2000. Thermochemical investigation on the adsorption of some divalent cations on modified silicas obtained from sol-gel process. Thermochem Acta 348:25-31 Fahmiati, Nuryono, Narsito. 2006. Thermodynamics adsorption of Cd(II), Ni(II), and Mg(II) on 3mercapto-1,2,4-triazole immobilized silica gel. Indo J Chem 6:52-55. Jal PK, Patel S, Misrha BK. 2004. Chemical modification of silica by immobilization of functional groups for extractive concentration of metal ions. Talanta 62:1005-1028. Kalapathy U, Proctor A, Shultz J. 2000. A simple method for production of pure silica from rice hull ash. Biores Technol 73:257-262. Martel AE, Hancock RD. 1996. Metal Complexes in Aqueous Solution. New York: Plenum Pr. Nuryono, Susanti VVH, Narsito. 2003. Kinetic study on adsorption of chromium(III) to diatomaceous earth pre-treated with sulfuric and hydrochloric acids. Indo J Chem 3:32-38. Nuryono, Suyanta, Narsito. 2005. Kinetics of Zn(II) and Cd(II) adsorption on mercaptopropyl-silica hybrid synthesized from rice husk ash. The Second International Seminar on Environmental Chemistry and Toxicology (InSECT); Yogyakarta, 26-27 April 2005. Oscik J. 1982. Adsorption. England: Ellis Horwood. Terrada K, Matsumoto K, Kimora H. 1983. Sorption of copper(II) by some complexing agents loaded on various support. Anal Chem Acta 153:237-247. William T. 1998. Structural Study of Xerogel. Queensland: Department of Engineering, University of Quensland.

100

PRAKONSENTRASI DAN ANALISIS KELUMIT SELEKTIF SPESIES Cr(VI) BERDASARKAN TEKNIK ANALISIS INJEKSI ALIR Ni Luh Gede Ratna Juliasiha*, Muhammad Bachri Amranb aProgram

Magister Kimia, b Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, FMIPA, ITB

ABSTRAK Analisis kelumit selektif spesies Cr(VI) melalui teknik prakonsentrasi pada minikolom silika C-18 berbasis analisis injeksi alir dengan detektor spektrofotometer serapan atom telah dilakukan. Spesies Cr(VI) terlebih dahulu dikompleks dengan 1,5-difenilkarbazida (DPC) 0.1% pada pH 1, yaitu pH optimum pembentukan kompleks Cr(VI)-DPC, dengan HNO3 sebagai pengasam. Larutan asam pH 1 digunakan sebagai pembawa (carrier) dan metanol sebagai eluen. Hasil penelitian ini menunjukkan kapasitas retensi silika C-18 sebesar 0.035 mg Cr(VI)-DPC per g silika C-18. Volume eluen minimum yang dibutuhkan untuk mengelusi secara kuantitatif Cr(VI)-DPC dari kolom adalah 0.5 ml. Ketelitian metode ini dinyatakan sebagai koefisien keragaman ialah 2.56% pada konsentrasi 50 ppb. Nilai kepekaan dan limit deteksi yang diperoleh berturut-turut adalah 0.52 dan 1.8 ppb. Daerah linear dapat diperoleh antara 10 dan 80 ppb dengan koefisien korelasi 0.989. Metode ini memiliki akurasi cukup baik dengan nilai persen pemulihan lebih dari 95%. Kinerja analitik menunjukkan bahwa metode ini dapat digunakan untuk menganalisis Cr(VI) pada tingkat konsentrasi kelumit dalam contoh air. Kata kunci: kromium(VI), prakonsentrasi, analisis kelumit, analisis injeksi alir, minikolom silika C-18.

ABSTRACT Trace selective analysis of Cr(VI) species using preconcentration techniques on C18-silica minicolumn based on flow injection analysis with atomic absorption spectrophotometer as the detector had been done. First, chromium(VI) species was complexed with 0.1% 1,5-diphenyl-carbazide (DPC) at pH 1, the optimum pH for formation of Cr(VI)-DPC complex, with HNO3 as the acidifying agent. An acid solution (pH 1) was used as a carrier and methanol was the eluent. This research showed that the retention capacity of C18-silica was 0.035 mg Cr(VI)-DPC per g C18-silica. Minimum eluent volume needed for quantitative elution of Cr(VI)-DPC from the column was 0.5 ml. The precision of this method expressed as coefficient of variance was 2.56% for 50 ppb concentration. The sensitivity and detection limit obtained were 0.52 and 1.8 ppb, respectively. Linear range could be attained between 10 and 80 ppb with correlation coefficient of 0.989. This method had a good accuracy, according to recovery percentage of higher than 95%. The analytical performances showed that this method can be used to analyze Cr(VI) at trace concentration in water sample. Keywords: chromium(VI), preconcentration, trace analysis, flow injection analysis, C18-silica minicolumn.

PENDAHULUAN Kromium (Cr) merupakan unsur transisi yang secara alami ditemukan pada batu, tanah, tanaman, hewan, dan bahkan manusia. Secara alami, kromium ditemukan dalam 3 bentuk, yaitu bijih logam, Cr(III), dan Cr(VI). Senyawanya banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri, seperti dalam penyepuhan logam, pewarnaan, penyamakan kulit, tekstil, katalis, dan pengawetan kayu1. * Alamat korespondensi: [email protected]

101

Selain banyak kegunaannya untuk kehidupan manusia, kromium juga menimbulkan kerugian bagi lingkungan karena senyawanya mudah larut dalam air. Hal tersebut berakibat pada mudahnya kromium terdistribusi dalam lingkungan yang akhirnya menimbulkan masalah pencemaran lingkungan. Toksisitas kromium bergantung pada konsentrasi dan bentuk spesiesnya. Kromium(III) merupakan unsur esensial minor bagi tubuh manusia, karena berguna dalam metabolisme gula, protein, dan lemak2. Sebaliknya, Cr(VI) dikenal toksik dan bersifat karsinogen untuk berbagai organisme. Spesies Cr(VI) merupakan oksidator kuat dan mempunyai kelarutan tinggi dalam bentuk anionik sehingga memungkinkan penetrasi melalui membran sel. Efek racun yang diberikan oleh Cr(VI) berasal dari perusakan komponen sel tubuh karena terjadi pembentukan radikal bebas. Spesies Cr(VI) dalam tubuh akan direduksi secara tak dapat-balik menjadi spesies Cr(III). Toksisitas spesies Cr(VI) memungkinkan terjadinya kulit bernanah, gangguan hidung, dan kanker paru-paru. Unsur Cr(VI) teradsorpsi lebih banyak daripada Cr(III) karena anion kromat, CrO42-, lebih mudah berdifusi ke dalam sel3. Perbedaan toksisitas dan konsentrasi spesies Cr(III) dan Cr(VI) dalam sistem hayati menyebabkan penentuan kandungan Cr total kurang memberikan informasi mengenai bahaya kesehatan. Hal inilah yang menyebabkan perlunya spesiasi senyawa Cr(VI) dan Cr(III)4. Konsentrasi kromium dalam air dapat ditentukan dengan beberapa metode, antara lain metode kolorimetri5, gravimetri, volumetri6, spektrofotometri serapan atom (AAS)7, spektrometri massa-plasma gandeng induktif (ICP-MS)8, kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC)9, dan kromatografi penukar ion10. Salah satu kendala dalam analisis dengan metode-metode di atas adalah konsentrasi kromium di lingkungan yang sangat rendah, sehingga metode-metode tersebut kurang peka. Selain itu, beberapa metode yang disebutkan terakhir memerlukan biaya sangat tinggi sehingga diperlukan cara-cara prakonsentrasi untuk meningkatkan kepekaan analisis. Dalam penelitian ini akan dipelajari beberapa kondisi yang memengaruhi keberhasilan prakonsentrasi spesies Cr(VI) dalam suatu contoh, yang meliputi jenis eluen, pH, selektivitas metode, volume eluen, dan kapasitas adsorpsi adsorben. Penelitian ini didasarkan pada reaksi Cr(VI) dengan 1,5-difenilkarbazida (DPC) untuk membentuk kompleks Cr(VI)-DPC yang berwarna ungu. Terhadap kompleks yang terbentuk, dilakukan prakonsentrasi menggunakan minikolom silika C-18 dengan teknik analisis injeksi alir (flow injection analysis, FIA) menggunakan detektor AAS. Analisis injeksi alir merupakan teknik analitik yang didasarkan pada injeksi larutan contoh ke dalam suatu segmen aliran sinambung. Analisis ini memiliki kelebihan berupa waktu analisis yang cepat dengan jumlah contoh yang sedikit11.

PENELITIAN Instrumentasi Pompa peristaltik (Ismatec) digunakan untuk mengalirkan pembawa (carrier), contoh, dan eluen. Katup injeksi 8 jalur digunakan untuk injeksi contoh (3 ml) dan eluen (0.5 ml). Minikolom yang digunakan terbuat dari kaca dengan panjang 4.8 cm dan diameter 4 cm, diisi dengan LiCrolut Rp 18 (Merck). Spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis) (8452 A Diode Array Spectrophotometer) digunakan untuk optimalisasi pembentukan kompleks Cr(VI)-DPC. AAS (GBC 902) digunakan sebagai detektor.

Larutan Standar dan Pereaksi Lainnya Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini memiliki tingkat kemurnian p.a., kecuali disebutkan lain. Larutan standar Cr(VI) dan Cr(III) berturut-turut disiapkan dari larutan standar K2Cr2O7 dan Cr(Cl)3· 6H2O 1000 mg l-1. Larutan DPC 0.1% dalam aseton disiapkan setiap hari. Larutan

102

pembawa (larutan asam pH 1) dibuat dengan mengasamkan air demineralisasi dengan HNO3. Eluen yang digunakan adalah etanol dan metanol.

Prosedur Optimalisasi pembentukan kompleks Larutan Cr(VI) 5 ppm dikompleks dengan DPC 0.1%, dibuat ber-pH 1, kemudian diukur serapannya pada panjang gelombang (λ) 400–600 nm. Pengaruh pH terhadap kompleks Cr(VI)-DPC diamati dengan membuat larutan Cr(VI)-DPC pada pH 1, 1.5, 2, 2.5, dan 3. Setelah itu, serapan diukur pada panjang gelombang serapan maksimum (λmaks) kompleks Cr(VI)-DPC. Untuk melihat apakah larutan DPC mengganggu serapan kompleks Cr(VI)-DPC, larutan ini juga diukur serapannya pada λ 200−400 nm dan 400−600 nm. Untuk melihat pengaruh asam, digunakan HNO3 dan H2SO4 sebagai pengasam. Penelitian lanjutan Minikolom silika C-18 ditentukan kapasitas retensinya dengan larutan Cr(VI)-DPC 0.5 ppm pada laju alir 2.5 ml/menit. Untuk melihat pengaruh jenis eluen terhadap kompleks Cr(VI)-DPC, digunakan etanol dan metanol. Prakonsentrasi dan analisis injeksi alir-AAS Laju alir pembawa, contoh, maupun eluen dibuat tetap, yaitu 2.5 ml/menit. Kajian pada penelitian ini meliputi jenis dan volume eluen, serta kurva kalibrasi. Setelah diperoleh kondisi optimum, kinerja analitik metode analisis penelitian dikaji, yang meliputi analisis contoh dan kinerja analisis injeksi alirnya. Rangkaian sederhana analisis injeksi alir ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Rangkaian analisis injeksi alir.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil penelitian pendahuluan menunjukkan bahwa λmaks pembentukan kompleks Cr(VI)-DPC adalah 542 nm. Reaksi Cr(VI) dengan DPC telah digunakan secara luas untuk penentuan kromium. Reaksi pembentukan kompleks Cr-DPC ini melibatkan reduksi kromat oleh DPC menjadi Cr(III) dan oksidasi DPC menjadi 1,5-difenilkarbazon. Reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut: 2 CrO42− + 3 H4L + 8 H+ ' [Cr(III)(HL)2]+ + H2L + 8 H2O (H4L menunjukkan DPC sedangkan H2L menunjukkan 1,5-difenilkarbazon) Kompleks yang terbentuk berwarna lembayung, yang diyakini sebagai kelat Cr(III) dengan DPC5. Reaksi pembentukan kompleks Cr(VI)-DPC bergantung pada pH. Dalam penelitian ini diperoleh bahwa serapan maksimum kompleks Cr(VI)-DPC pada daerah sinar tampak terjadi pada pH~1. Intensitas warna kompleks yang terbentuk pada pH tersebut cukup kuat dibandingkan dengan intensitas warna pada pH lain. Kurva hubungan pH terhadap serapan Cr(VI)-DPC dapat dilihat pada Gambar 2.

103

Gambar 2 Kurva pengaruh pH terhadap serapan Cr(VI)-DPC. Pengaruh jenis asam terhadap serapan Cr(VI)-DPC diamati dengan menggunakan HNO3 dan H2SO4. Berdasarkan serapan Cr(VI)-DPC pada daerah sinar tampak, diketahui bahwa kedua jenis asam tersebut tidak menimbulkan perbedaan serapan yang signifikan. Selanjutnya, HNO3 dipilih sebagai zat pengasam karena memberikan kepekaan yang lebih tinggi12. Silika C-18 merupakan adsorben nonpolar. Bahan tersebut digunakan sebagai bahan pengisi minikolom karena merupakan bahan yang kuat, tidak menunjukkan gejala pengembangan maupun penyusutan, cukup kuat untuk menahan laju alir linear tinggi yang melewati kolom, dan dapat digunakan secara berulang. Analisis kapasitas retensi silika C-18 telah dilakukan, dan diperoleh bahwa silika C-18 mampu meretensi kompleks Cr(VI)-DPC sebanyak 0.035 mg/g silika C-18. Gambar 3 merupakan profil penjenuhan silika C-18 terhadap sinyal yang dihasilkan.

Gambar 3 Profil penjenuhan silika C-18 oleh kompleks Cr(VI)-DPC. Eluen berperan penting dalam FIA karena terkait dengan keberulangan penggunaan kolom untuk analisis selanjutnya. Karena itu, dalam FIA juga perlu dipilih jenis eluen. Eluen yang digunakan tidak boleh merusak kolom, harus mampu mengelusi dengan baik komponen-komponen yang teretensi dalam kolom, dan mampu mempertahankan kapasitas retensi kolom. Untuk melihat pengaruh jenis eluen yang akan digunakan untuk mengelusi kompleks Cr(VI)-DPC, digunakan etanol dan metanol. Berdasarkan hasil penelitian, etanol memberikan gangguan yang lebih besar terhadap serapan Cr(VI)DPC pada detektor AAS daripada metanol, maka metanol dipilih sebagai eluen. Profil serapan etanol dan metanol dapat dilihat pada Gambar 4.

104

Gambar 4 Profil serapan etanol dan metanol dengan AAS: A, B, E merupakan profil serapan metanol; C, D merupakan profil serapan etanol. Analisis volume eluen digunakan untuk mengetahui volume minimum eluen yang dibutuhkan agar analit terelusi dengan baik. Tinggi sinyal analit dipengaruhi oleh volume eluen: jika eluen terlalu sedikit, maka komponen-komponen analit tidak terelusi semuanya, sebagian masih tertinggal dalam kolom. Hal ini dapat menurunkan tinggi sinyal dan tidak baik untuk keberulangan penggunaan kolom. Analisis volume minimum eluen yang diperlukan untuk mengelusi Cr(VI)-DPC menunjukkan bahwa 0.5 ml metanol telah mampu mengelusi kompleks yang terbentuk dalam kolom. Gambar 5 memperlihatkan bahwa volume eluen yang lebih kecil dari 0.5 ml menghasilkan puncak yang lebih pendek, karena masih ada kompleks yang tertinggal di dalam kolom.

Gambar 5 Kurva volume eluen terhadap tinggi sinyal. Untuk melihat pengaruh spesies Cr(III) terhadap pengukuran Cr(VI)-DPC, dilakukan analisis dengan larutan yang mengandung Cr(III) dan Cr(VI)-DPC dengan nisbah 0:1, 1:1, 10:1, 100:1, dan 1000:1; hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Analisis dilakukan dengan membandingkan sinyal yang dihasilkan oleh spesies Cr(VI)-DPC yang melalui kolom dengan sinyal yang dihasilkan oleh campuran spesies Cr(VI)-DPC dengan Cr(III). Gambar tersebut memperlihatkan bahwa Cr(III) tidak memengaruhi pengukuran Cr(VI)-DPC, karena Cr(III) tidak tertahan dalam kolom. Unsur Cr(III) langsung keluar dari kolom bersama pembawa, yang ditunjukkan oleh puncak lebar pada gambar. Cr(III) tidak tertahan dalam kolom karena berbentuk ion, sedangkan resin silika C-18 dalam kolom merupakan adsorben nonpolar yang tidak bermuatan. Dengan demikian keberadaan spesies Cr(III) tidak mengganggu retensi Cr(VI)-DPC pada kolom silika C-18.

105

Gambar 6 Profil sinyal Cr(VI)-DPC dan Cr(III): A, C, E, G, I, J, K merupakan sinyal Cr(VI)-DPC; B, D, F, H merupakan sinyal Cr(III). B dengan C = Cr(III): Cr(VI)-DPC = 1:1; D dengan E = Cr(III): Cr(VI)-DPC = 10:1; F dengan G = Cr(III): Cr(VI)-DPC = 100:1; H dengan I = Cr(III): Cr(VI)-DPC = 1000:1. Berdasarkan hasil analisis pengukuran kurva kalibrasi, diperoleh daerah linear untuk metode prakonsentrasi dengan deteksi AAS ini pada konsentrasi 10 sampai 80 ppb (Gambar 7). Persamaan garisnya y = 0.6498x − 0.9576 dengan koefisien korelasi 0.989.

Gambar 7 Kurva kalibrasi kompleks serapan Cr(VI)-DPC menggunakan AAS. Untuk menguji kemampuan metode ini dalam menganalisis kandungan analit yang bercampur dengan banyak matriks, digunakan bahan uji dari limbah industri. Analisis contoh di sini menggunakan metode spike. Diperoleh persen pemulihan untuk contoh 1 dan 2 berturut-turut 98.42 dan 99.34%. Metode penelitian ini memberikan ketelitian, dinyatakan sebagai koefisien keragaman, sebesar 2.56%, yang memenuhi standar analitis13. Profil sinyal analisis ketelitian dapat diamati pada Gambar 8.

Gambar 8 Profil ketelitian sinyal Cr(VI)-DPC 50 ppb (volume 3 ml) dengan detektor AAS.

106

Kepekaan metode sebesar 0.52 ppb, sedangkan limit deteksinya (S/N = 3) 1.8 ppb, dengan massa minimum yang terdeteksi adalah 5.4 ng. Untuk kinerja FIA-nya, diperoleh nilai faktor pengayaan sebesar 30.38 kali dari perbandingan dengan sinyal pengukuran AAS langsung tanpa prakonsentrasi, frekuensi pengukuran 22 kali per 60 menit menghasilkan efisiensi pemekatan 1.35 menit-1, dengan nilai indeks konsumtif 4.5 ml.

SIMPULAN Teknik prakonsentrasi dan analisis kelumit selektif spesies Cr(VI) berbasis-FIA yang dikembangkan menunjukkan kinerja analitik yang sangat baik. Mengacu pada kinerja yang ditunjukkan, teknik ini dapat digunakan untuk analisis selektif spesies Cr(VI) pada tingkat konsentrasi µg l -1 .

UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya Penulis sampaikan kepada Dr. M. Bachri Amran selaku pembimbing penelitian dan kepada Dra. Glorida P. Supriyatna, MS. selaku penyandang dana penelitian.

DAFTAR PUSTAKA 1. Barnhart J. Regulatory Toxicol Pharmacol 1997;26:S3-S7. 2. Somchai L, Supharphorn K, Lucksagon G, Jaroon J, Kate G. Anal Sci 2006;22:153-155. 3. Adeniji A. Bioremediation of Arsenic, Chromium, Lead, and Mercury. Washington DC: US Environmental Protection Agency; 2004. 4. Vassileva E. Analusis 2000;28:878-884. 5. Girard L, Hubert J. Talanta 1996;43:1965-1974. 6. Vogel. Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. AH Pudjaatmaka, L Setiono, penerjemah. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC ;1994. 7. Harvey D. Modern Analytical Chemistry. New York: Mc-Graw-Hill; 2000. 8. Bobrowski A et al. Acta Chim Slov 2004;51:77-93. 9. Padarauskas A, Asta J, Evaldas N, Vaida P. J Chromatogr 1998;808:193-199. 10. Thomas DH, Rohrer JS, Jackson PE, Pak T, Scott JN. J Chromatogr 2002;956:255-259. 11. Fang Z. Flow Injection Separation and Preconcentration. New York: VCH; 1993. 12. Grudpan K, Ngar mnet Worakijchar oenchai, Orawan Tue-Ngeun, Paniayuth S, and Jar. J Sci Asia 1999;25:99-106. 13. Huber L. Liquid Chromatogr/Gas Chromatogr Int 2001;8.

107

PEMISAHAN SELEKTIF Pr(III) DAN Nd(III) DARI LARUTAN ENCER MENGGUNAKAN RESIN TERIMPREGNASI YANG MENGANDUNG ASAM DI-2-ETILHEKSILFOSFAT Ibnu Khaldun1*, Buchari, Muhammad Bachri Amran, Aminudin Sulaeman2 1Program

Studi Kimia, FKIP, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh Keilmuan Kimia Analitik, FMIPA, ITB, Bandung

2Kelompok

ABSTRAK Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pemisahan ion Pr(III) dan Nd(III) dari larutan encer menggunakan resin terimpregnasi yang mengandung ekstraktan asam di-2-etilheksilfosfat (D2EHPA) dan polimer pendukung Amberlite XAD-16. Impregnasi resin oleh D2EHPA dilakukan dengan metode kering. Pengaruh waktu kontak pada pemisahan ion Pr(III) dan Nd(III) menggunakan resin terimpregnasi-D2EHPA (nisbah D2EHPA-resin 20:80, 40:60, 50:50, 60:40 % [b/b]) pada pH 3.0 telah diketahui dengan baik. Ekstraksi Pr(III) dan Nd(III) menjadi lambat bila D2EHPA yang diimpregnasikan lebih kecil dari 50% (b/b). Pemantauan adsorpsi D2EHPA pada matriks pendukung berpori dengan spektroskopi inframerah transformasi Fourier menunjukkan interaksi lemah dengan resin. Pengaruh pH dan waktu pengadukan juga ditentukan secara lompok (batch). Hasil penelitian menunjukkan bahwa ion Pr(III) dan Pr Nd(III) dapat dipisahkan secara selektif pada pH 2.50 dengan faktor pemisahan α Nd sebesar 5.46. Kata kunci: resin terimpregnasi, D2EHPA, Pr(III), Nd(III).

ABSTRACT The aim of this work was to study the separation of Pr(III) and Nd(III) ions from dilute solution using impregnated resin containing di-2-ethylhexylphosphoric acid (D2EHPA) as extractant and Amberlite XAD-16 as supporting polymer. Resin impregnated by D2EHPA was prepared with dry method. The effect of contact time on the separation of Pr(III) and Nd(III) ions using D2EHPAimpregnated resins (D2EHPA-resin 20:80, 40:60, 50:50, 60:40 % [w/w]) at pH 3.0 has been well recognized. Extraction of Pr(III) and Nd(III) became slow if the amount of impregnated D2EHPA was less than 50% (w/w). Observation of D2EHPA adsorption on porous supporting matrix using Fourier transform infrared spectroscopy showed weak interaction with the resin. Effect of pH and stirring time were also determined in batch experiments. The results showed that Pr(III) and Nd(III) ions could be Pr separated selectively at pH 2.50 with separation factor α Nd of 5.46. Keywords: impregnated resin, D2EHPA, Pr(III), Nd(III).

PENDAHULUAN Teknik ekstraksi pelarut dan pertukaran ion telah lama diaplikasikan untuk pemulihan dan pemisahan ion-ion logam. Namun, teknik ekstraksi pelarut membutuhkan banyak tahap ekstraksi dan ekstraksi-balik untuk menghasilkan pemisahan yang optimum. Sementara itu, resin penukar ion memiliki selektivitas ekstraksi yang rendah pada pemisahan ion-ion logam. Sebagai pendekatan * Alamat korespondensi: [email protected]

108

alternatif telah diperkenalkan suatu teknik yang disebut resin terimpregnasi-pelarut (solventimpregnated resin, SIR) oleh Warshawsky untuk memisahkan ion-ion logam secara selektif dengan adsorpsi langsung oleh ekstraktan di dalam pori-pori polimer pendukung. Metode ini merupakan gabungan antara ekstraksi pelarut dan pertukaran ion1. Teknik SIR lebih unggul dibandingkan dengan ekstraksi pelarut untuk diaplikasikan pada proses hidrometalurgi antara lain karena lebih selektif, dapat dilakukan secara kontinu dengan kolom, dan mudah ditangani2. Metode SIR telah banyak diaplikasikan untuk memisahkan berbagai jenis ion logam seperti U(VI), Th(VI)3, Au(III)4 dan juga ion-ion logam tanah jarang seperti La, Sm, Tb, dan Yb 5.

PERCOBAAN Bahan dan Larutan Larutan induk dari Pr(III) dan Nd(III) dengan konsentrasi 1000 ppm dibuat dengan cara melarutkan oksida Pr6O11 dan Nd2O3 (Sigma) dalam air yang mengandung HNO3 1 M. Ekstraktan yang digunakan ialah D2EHPA (Aldrich) dengan resin Amberlite XAD-16 (kopolimer stirena-divinilbenzena: luas permukaan 800 m2 g-1, diameter pori 10 nm, dan ukuran butir 20–60 mesh) (Sigma). Resin dicuci secara berurutan dengan larutan HNO3 2 M, NaOH 2 M, air distilasi hingga pH netral, dan aseton. Setelah itu, dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 50 oC, dan disimpan dalam botol polietilena.

Peralatan Spektrum inframerah (IR) dari Amberlite XAD-16, D2EHPA, dan XAD-16/D2EHPA diperoleh dengan spektrofotometer IR transformasi Fourier (FTIR) 8400 Shimadzu menggunakan pelet KBr pada bilangan gelombang 4000–500 cm-1. Spektofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis) model Hewlett Packard 8452A Diode Array digunakan untuk mengukur konsentrasi Pr(III) dan Nd(III) dalam fase air dengan pengompleks alizarin 0.1%. Tekstur permukaan resin sebelum dan setelah diimpregnasi difoto dengan mikroskop elektron payaran (SEM) model Analytical SEM JSM-6360LA, dan pH larutan diukur dengan pH-meter Hanna Insruments.

Proses Impregnasi Impregnasi D2EHPA ke dalam resin (50% [b/b]) dilakukan dengan metode kering. Sebanyak 10 g D2EHPA dilarutkan dalam 50 ml aseton lalu 10 g resin Amberlite XAD-16 ditambahkan. Campuran diaduk secara mekanik dengan kecepatan 110 rpm selama 2 jam kemudian aseton diuapkan. Setelah itu, resin dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 50 oC. SIR dengan nisbah bobot D2EHPA-resin 10:90, 20:80, 50:50, dan 60:40 % (b/b) dibuat dengan cara yang sama. Banyaknya D2EHPA yang terimpregnasi ke dalam resin diperoleh dengan membandingkan bobot sebelum dan setelah impregnasi.

Ekstraksi dan Pengukuran Pr(III) dan Nd(III) dari Larutan Encer. Penentuan pengaruh waktu kontak ekstraksi ion-ion logam dilakukan dengan kondisi sebagai berikut. Sebanyak 200 mg SIR dikocok dengan 20 ml larutan ion logam 50 ppm selama 1–120 menit pada suhu kamar dan pH 3.00. Faktor pemisahan antara Pr(III) dan Nd(III) juga ditentukan dengan kondisi sebagai berikut. Sebanyak 7 buah tabung yang masing-masing berisi 100 mg SIR dikocok dengan 10 ml larutan ion logam 100 ppm pada pH 1.00–4.00 selama 30 menit. Setelah kedua fase

109

dipisahkan, konsentrasi ion-ion logam tunggal [ion Pr(III) dan Nd(III)] dalam fase air diukur dengan spektrofotometer UV-Vis. Prosedur pengukuran ialah sebagai berikut: sebanyak 1.0 ml larutan alikuot dimasukkan ke dalam labu takar 10 ml, kemudian ditambahkan 1 tetes larutan merah fenol 1.0%. Selanjutnya, larutan HCl 0.02 M diteteskan hingga larutan menjadi kuning dilanjutkan dengan penetesan larutan NaOH 0.02 M sampai larutan menjadi merah. Setelah itu, berturut-turut ditambahkan sebanyak 1.0 ml larutan bufer amonium asetat sambil dikocok, 1.0 ml larutan alizarin sulfonat 0.1%, dan air. Larutan dibiarkan selama 5 menit lalu diukur serapannya pada λ = 530 nm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Impregnasi D2EHPA/XAD-16 Impregnasi ekstraktan ke dalam resin dapat dilakukan dengan metode kering, metode basah, atau modifikasi metode kering dengan campuran pelarut etanol-air1. Yang paling banyak digunakan adalah metode kering, karena sangat baik dalam mengimpregnasi ekstraktan hidrofilik seperti senyawa amina, eter, ester, dan organofosforus. Jumlah D2EHPA yang mampu ditransfer ke dalam resin melebihi 99.5% sehingga kehilangan ekstraktan selama proses impregnasi dapat diabaikan2,5. Hasil foto SEM (Gambar 1) digunakan untuk membedakan contoh resin XAD-16 sebelum dan sesudah diimpregnasi dengan D2EHPA pada nisbah 10:90, 50:50, dan 60:40. Sebelum diimpregnasi, permukaan resin XAD-16 memiliki banyak pori (Gambar 1a). Sejumlah kecil (10%) D2EHPA yang terimpregnasi ke dalam resin XAD-16 belum mampu menutup semua pori-pori dalam resin (Gambar 1b), tetapi pada nisbah 60:40, SIR menjadi adhesif karena pori-pori resin tidak mampu menampung semua D2EHPA (Gambar 1d). Nisbah terbaik antara D2EHPA dan XAD-16 adalah 50:50 (Gambar 1c) yang digunakan untuk percobaan selanjutnya.

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 1 Fotografi SEM (pembesaran 10,000 kali) dari permukaan resin Amberlite XAD-16 sebelum (a) dan setelah diimpregnasi dengan 10% (b), 50% (c), dan 60% D2EHPA (d). Frekuensi serapan IR dari matriks stirena/divinilbenzena pada Tabel 1 menunjukkan adanya perbedaan kecil antara karakteristik XAD-16 normal dan yang telah diimpregnasi dengan D2EHPA, seperti terlihat pada puncak 1446.5 dan 902.6 cm-1 dari regangan cincin C=C dan pita cincin substitusi. Frekuensi serapan IR dari molekul D2EHPA dalam resin XAD-16/D2EHPA pada Tabel 2 juga menunjukkan sejumlah modifikasi dari spektrum D2EHPA murni. Perbedaan tersebut terlihat pada puncak 1226.6, 1029.9, dan 887.2 cm-1 untuk regangan P=O dari -O-P=O dan dari regangan P-O-C.

110

Tabel 1 Beberapa frekuensi fundamental (cm-1) matriks resin Amberlite XAD-16 dalam resin XAD16D2EHPA XAD-16*

XAD-166

3020.3 2958.6 2927.7 2873.7 1604.7 1508.2 1485.1 1446.5 902.6 833.2 794.6 709.8

3019 2963 2925 2856 1603 1510 1487 1448 903 836 795 709

XAD-16/D2EHPA*

Keterangan regangan C-H aromatik regangan C-H aromatik regangan C-H alifatik regangan C-H alifatik regangan cincin C=C regangan cincin C=C regangan cincin C=C regangan cincin C=C pita cincin tersubstitusi C-H di luar bidang C-H di luar bidang C-H di luar bidang

2958.6 2927.7 2862.2 1600.8 1508.2 1461.9 1380.9 898.8 833.2 794.6 709.8

* hasil pengukuran; 6 Merdivan et al. (2001)

Tabel 2 Beberapa frekuensi fundamental (cm-1) D2EHPA dalam resin XAD-16/D2EHPA D2EHPA

XAD-16/D2EHPA

2958.6 2866.0 1461.9 1380.9 1226.6 1029.9 887.2

2958.6 2862.2 1461.9 1380.9 1230.5 1033.8 898.8

Keterangan regangan C-H dari CH3 regangan C-H alifatik lentur P-CH2 dan C-H deformasi C-H dari CH3 regangan P=O dari (-O-P=O) regangan P-O-C regangan P-O-C

Pengaruh Waktu Kontak Ekstraksi

Persen ekstraksi (%E)

Pengaruh waktu kontak pada ekstraksi Pr(III) dan Nd(III) menggunakan resin terimpregnasi dengan nisbah 20:80 dan 50:50 berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. Berkurangnya D2EHPA dalam matriks XAD-16 menyebabkan perolehan ekstraksi Pr(III) dan Nd(III) tidak optimum meskipun kontak telah berlangsung selama 120 menit. Sementara bila SIR 50:50 yang digunakan, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai hasil optimum hanya sekitar 20 menit. Berdasarkan data tersebut, pemisahan Pr(III) dan Nd(III) dengan metode SIR selanjutnya menggunakan SIR 50:50 dan waktu kontak selama 20 menit atau lebih. 60 50 40 30 20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Waktu kontak (menit)

Gambar 2 Pengaruh waktu kontak terhadap persen ekstraksi Pr(III) (♦) dan Nd(III) (■) dari 20 ml campuran 50 ppm pada pH 3 menggunakan 200 mg resin-D2EHPA dengan nisbah 20:80.

111

Persen ekstraksi (%E)

120 100 80 60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Waktu kontak (menit)

Gambar 3 Pengaruh waktu kontak terhadap persen ekstraksi Pr(III) (♦) dan Nd(III) (■). Kondisi eksperimen seperti pada Gambar 2, tetapi dengan nisbah 50:50.

Pemisahan Pr(III) dan Nd(III) dari Larutan Pemisahan Pr(III) dan Nd(III) telah banyak dilakukan, khususnya dengan teknik ekstraksi pelarut, menggunakan berbagai jenis ekstraktan seperti D2EHPA, ester mono-2-etilheksil dari 2etilheksilfosfat [HEH(EHP)], Alikuat 336, tenoiltrifluoroaseton (HTTA), 1-fenil-3-metil-4-benzoil-5pirazolon (HPMBP), dan 1-(2-piridilazo)-2-naftol (PAN). Pemisahan ion Pr(III) dan Nd(III) dengan berbagai variasi pH dapat dilihat pada Gambar 4.

Persen ekstraksi

100 80 60 40 20 0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

pH

Gambar 4 Pengaruh pH terhadap persen ekstraksi Pr(III) (♦) dan Nd(III) (■). Bobot resin XAD-16D2EHPA (50:50) = 100 mg; [M] = 100 ppm, volume = 10 ml, waktu kontak = 30 menit. Dari Gambar 4, pemisahan optimum terjadi pada pH 2.50 dengan persen ekstraksi Nd(III) = 77.59 dan Pr(III) = 38.81. Persen ekstraksi (%E), koefisien distribusi (D) dan faktor pemisahan (α) ditentukan dengan persamaan (1), (2) dan (3): X 0 − X1 .100 X0 (X 0 − X1) D= X1 D Pr = Pr α Nd DNd %E =

(1) (2) (3)

X0 = konsentrasi ion logam awal dan X1 = konsentrasi ion logam yang tersisa dalam larutan setelah proses ekstraksi. Berdasarkan persamaan (3) diperoleh faktor pemisahan Pr/Nd menggunakan teknik

112

SIR sebesar 5.46. Dari hasil ini, pemisahan Pr dari Nd lebih selektif dibandingkan dengan teknik ekstraksi pelarut yang dilakukan sebelumnya, baik dengan jenis ekstraktan yang sama (D2EHPA) maupun dengan ekstraktan jenis lainnya seperti terlihat pada Tabel 3. Tabel 3 Faktor pemisahan (α) dari Pr(III) dan Nd(III) dengan berbagai jenis ekstraktan Ekstraktan

Pr Faktor pemisahan α Nd

D2EHPA D2EHPA HEH(EHP) HTTA-Alikuat 336 HPMBP HTTA-PAN HPMBP-PAN

5.46 * 1.11 7 1.34 7 1.56 8 3.80 9 1.82 10 1.82 10

* hasil pengukuran dengan teknik SIR

SIMPULAN Ekstraksi Pr(III) dan Nd(III) dengan SIR yang mengandung berbagai variasi konsentrasi D2EHPA telah dipelajari. Laju ekstraksi menjadi lambat apabila jumlah D2EHPA yang diimpregnasikan lebih kecil daripada volume pori resin. Pemisahan optimum antara Pr(III) dan Nd(III) terjadi pada pH 2.50 dengan faktor pemisahan 5.46. Nilai faktor pemisahan ini lebih besar daripada faktor pemisahan bila menggunakan metode ekstraksi pelarut baik dengan jenis ekstraktan yang sama (D2EHPA) maupun dengan jenis ekstraktan lainnya.

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi atas bantuan dana dari Penelitian Hibah Bersaing XIV Tahun I dengan nomor kontrak 001/SP3/PP/DP2M/II/2006 tanggal 1 Februari 2006.

DAFTAR PUSTAKA 1. Cortina JL, Warshawsky A. Developments in solid-liquid extraction by solvent-impregnated resins. Di dalam: Marinsky JA, Marcus Y, editor. Ion Exchange and Solvent Extraction. Marcel Dekker; 1997. hlm 195-293. 2. Juang RS. Preparation properties and sorption behaviour of impregnated resins containing acidic organophosphorus extractants. Proc Natl Sci Counc ROC(A) 1999;23:353-364. 3. Metwally E. Saleh SH, El-Naggar HA. Extraction and separation of uranium(VI) and thorium(VI) using tri-n-dodecylamine impregnated resins. J Nucl Radiochem Sci 2005;6:119-126. 4. Villaescusa I, Salvado V, De Pablo J. Solid-liquid extraction of Au(III) from aqueous chloride solutions by tri-n-dodecylammonium chloride impregnated in Amberlite XAD-2 resin. React Funct Polym 1997;32:125-130. 5. Matsunaga H, Ismail AA, Wakui Y, Yokoyama T. Extraction of rare earth elements with 2-ethylhexyl hydrogen 2-ethylhexyl phosphonate impregnated resins having different morphology and reagent content. React Funct Polym 2001;49:189-195.

113

6. Merdivan M, Zhir Duz M, Hamamci C. Sorption behaviour of uranium(VI) with N,N-dibutyl-N’benzoylthiourea impregnated in Amberlite XAD-16. Talanta 2001;55:639-645. 7. Moraisa CA, Ciminelli VST. Process development for the recovery of high-grade lanthanum by solvent extraction. Hydrometallurgy 2004;73:237-244. 8. Atanassova M, Jordanov VM, Dukov IL. Effect of the quaternary ammonium salt aliquat 336 on the solvent extraction of lanthanoid (III) ions with thenoyltrifluoroacetone. Hydrometallurgy 2002;63:4147. 9. Jorejanov VM, Atanassova M, Dukov IL. Solvent extraction of lanthanides with 1-phenyl-3-methyl-4benzoyl-5-pyrazolone. Separation Sci Technol 2002;371:3349–3356 10. Atanassova M, Dukov IL. Solvent extraction and separation of lanthanoids with mixtures of chelating extractant and 1-(2-pyridylazo)-2-naphthol. Separation Purification Technol, in press; 2006.

114

PENERAPAN METODE SPEKTROFOTOMETRI SERAPAN ATOM NYALA-PEMBANGKITAN HIDRIDA UNTUK PENENTUAN Sn(II) PADA LEVEL ng DALAM LARUTAN A Sentosa Panggabean1*, Muhammad Bachri Amran, Buchari, Sadijah Achmad2 1Jurusan

Kimia, FMIPA, Universitas Mulawarman, Samarinda Keilmuan Kimia Analitik, FMIPA, ITB

2 Kelompok

ABSTRAK Penentuan ion timah [Sn(II)] pada level nanogram dengan metode spektrofotometri serapan atom nyala-pembangkitan hidrida (HG-FAAS) telah dilakukan. Metode ini didasarkan pada derivatisasi ion Sn(II) menjadi hidrida-Sn dengan reduktor NaBH4 dalam medium HCl, diikuti dengan atomisasi dalam FAAS. Kondisi optimum pembentukan hidrida dicapai pada konsentrasi NaBH4 1% dan HCl 0.5%. Limit deteksi yang diperoleh ialah 71.10 µg l-1 dengan tingkat keterulangan, yang ditunjukkan oleh koefisien keragaman, sebesar 1.49%. Kepekaan penentuan Sn(II) dengan metode ini 46 kali lebih baik daripada metode langsung dengan FAAS. Metode ini juga telah diaplikasikan pada contoh air alami dengan persen pemulihan lebih dari 95%. Kata kunci: timah, pembangkitan hidrida, separator, AAS, reduktor NaBH4.

ABSTRACT Determination of tin ion [Sn(II)] at ng level with hydride generation-flame atomic absorption spectrophotometry (HG-FAAS) method had been accomplished. This method was based on derivatization of Sn(II) ion to form Sn-hydride with NaBH4 as reductant in HCl medium, followed by atomization in FAAS. Optimum condition of hydride formation was achieved on 1% NaBH4 and 0.5% HCl. The detection limit was 71.10 µg l-1 with reproducibility level, demonstrated by coefficient of variance, of 1.49%. Sensitivity of Sn(II) determination with this method was 46 times better than using FAAS directly. This method had also been applied to natural water samples with recovery percentage higher than 95%. Keywords: tin, hydride generation, separator, AAS, NaBH4 reductant.

PENDAHULUAN Timah adalah logam yang banyak ditemukan di alam dalam bentuk mineral kasiterit atau batu timah (SnO2). Logam timah bersifat lunak sehingga mudah ditempa dan tahan terhadap korosi. Atas dasar sifat fisiknya tersebut, timah banyak digunakan dalam industri makanan sebagai pembungkus bahan makanan dan minuman kaleng. Timah juga digunakan sebagai bahan paduan logam. Timah dapat membentuk ikatan kovalen dengan satu atau lebih atom karbon membentuk sejumlah senyawa organologam yang disebut organotimah1. Salah satu senyawa organotimah yang paling luas digunakan adalah tributiltimah. Senyawa ini banyak digunakan sebagai bahan antifouling karena mempunyai sifat biosida2. Seiring dengan hal ini, metode penentuan logam timah dalam contoh alami juga berkembang.

115

Penentuan timah dalam contoh alami selama ini dilakukan dengan pengukuran secara langsung menggunakan spektrofotometer serapan atom (AAS). Akan tetapi, limit deteksinya hanya berkisar pada tingkat konsentrasi mg l-1 3. Oleh sebab itu, di[perlukan metode yang lebih peka untuk dapat mendeteksi timah dengan konsentrasi lebih rendah. Beberapa di antaranya ialah spektrometri massa-plasma gandeng induktif (ICP-MS), spektrometri emisi atom-ICP (ICP-AES), AAS-elektrotermal (ET-AAS), dan AAS nyala-pembangkitan hidrida (HG-FAAS)4,5,6. Umumnya, limit deteksi dapat mencapai µg l-1, tetapi metode ini sangat sulit dikembangkan pada laboratorium di Indonesia karena keterbatasan peralatan, dan biayanya juga sangat mahal. Metode pembangkitan hidrida (hydride generation, HG) yang digabungkan dengan AAS telah banyak dikembangkan untuk penentuan logam arsenik (As), bismut (Bi), germanium (Ge), timbel (Pb), antimoni (Sb), timah (Sn), raksa (Hg), telurium (Te), dan selen (Se)7. Prinsip dasar metode ini adalah pembentukan hidrida logam dalam reaktor pembangkit hidrida dengan reduktor NaBH4 atau NaBEt4 dalam medium asam. Hidrida logam yang terbentuk selanjutnya dialirkan ke dalam sebuah sel tabung kuarsa yang diletakkan di atas nyala AAS, tempat atomisasi terjadi. Kelebihan metode ini adalah limit deteksi dan kepekaannya yang meningkat, karena telah terjadi pemisahan dalam bentuk gas hidridalogam, sehingga atomisasi dapat dilakukan pada suhu sekitar 1000 oC saja8. Pada proses ini, faktor kehilangan selama atomisasi diharapkan dapat diminimumkan, dan yang terpenting, metode ini dapat dikembangkan di laboratorium dengan peralatan yang lebih sederhana dan biaya yang lebih murah. Pada penelitian ini, dikembangkan metode penentuan ion Sn dalam contoh air alami mengunakan metode HG-FAAS dengan reduktor NaBH4 dalam medium HCl. Pada proses pembentukan hidrida, telah dikembangkan reaktor-separator terpadu yang mampu meningkatkan kinerja analitik metode ini. Faktor-faktor yang sangat berpengaruh pada penentuan ion logam dengan metode ini adalah volume contoh, konsentrasi NaBH4, dan asam yang digunakan. Kinerja analitik yang meliputi limit deteksi dan keterulangan, serta aplikasi metode ini terhadap contoh air alami juga dipelajari. Metode ini diharapkan dapat digunakan sebagai alternatif penentuan Sn dalam contoh dan juga dalam analisis spesiasi senyawa organotimah.

METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat kaca yang umum digunakan di laboratorium, seperangkat alat pembangkitan hidrida yang dilengkapi pompa peristaltik dan separator gas-cair, serta spektrofotometer serapan atom (berkas ganda GBC®-902). Sementara bahan-bahan yang digunakan meliputi larutan standar Sn 1000 mg l-1, larutan HCl 5% (v/v), NaBH4 2% (dilarutkan dalam NaOH 1% [v/v]) (semua bahan dengan mutu p.a. [Merck]), dan akuabides (18 MΩ).

Eksperimen Pembuatan separator tabung gas-cair dan rangkaian HG Separator tabung gas-cair adalah tempat berlangsungnya proses pembentukan hidrida logam sebelum dialirkan ke nyala AAS. Panjang tabung 9 cm dengan diameter ... cm. Diameter dalam tabung tempat pemasukan contoh, asam, dan reduktor adalah 0.5 mm, seperti terlihat pada Gambar 1. Contoh dan reduktor dimasukkan ke dalam separator melalui pompa peristaltik dengan sistem pemasukan analisis aliran kontinu (FIA)9. Selanjutnya hidrida yang terbentuk dialirkan ke AAS seperti ditunjukkan pada skema dalam Gambar 2. Kondisi AAS yang digunakan untuk pengukuran dapat dilihat pada Tabel 1.

116

Gambar 1 Separator gas-cair pembangkitan hidrida.

Gambar 2 Rangkaian peralatan HG-FAAS. Tabel 1 Kondisi instrumen AAS saat pengukuran Panjang gelombang SBW Kuat arus lampu Tinggi nyala Laju bahan bakar Laju oksidator

286.3 nm 0.7 nm 6 mA 4 3 l/menit 5 l/menit

Penyiapan contoh Contoh alami yang dianalisis berasal dari Sungai Cikapundung dan Sungai Cidurian yang mengalir di kota Bandung, serta contoh yang berasal dari laboratorium. Untuk mengetahui pengaruh matriks terhadap penentuan logam Sn dalam contoh, dilakukan metode spike, yaitu dengan membuat standar Sn 10 mg l-1, lalu diencerkan dengan larutan contoh hingga garis tanda.

HASIL DAN PEMBAHASAN Upaya meningkatkan limit deteksi pengukuran ion Sn(II) dengan FAAS dapat dilakukan dengan metode pembangkitan hidrida (HG). Dalam metode ini, ion Sn terlebih dahulu diderivatisasi menjadi bentuk hidridanya, lalu diatomisasi dalam FAAS7 seperti pada reaksi berikut ini: B2H6 + 2 H2(g) 2 BH4- + 2 H+ Sn2+ + H2(g) SnH2(g) ke FAAS SnH2(g) Sno(g)

117

Proses pembentukan hidrida berlangsung dalam separator HG. Faktor-faktor yang sangat berpengaruh pada penentuan ion logam dengan metode HG adalah volume contoh, konsentrasi NaBH4, dan jenis asam yang digunakan.

Pengaruh Volume Contoh Hal ini dilakukan dengan meragamkan volume larutan standar Sn 10 mg l-1 pada konsentrasi asam dan NaBH4 yang tetap. Profil sinyal hasil pengukuran pada berbagai volume larutan dapat dilihat pada Gambar 3. 100

80

t (AU)

60

40

20

0

0 .5

1

1 .5

2

3

V o lu m e S n 1 0 p p m (m L )

Gambar 3 Profil sinyal Sn 10 mg l-1 pada berbagai volume. Gambar 3 menunjukkan bahwa volume contoh yang memberikan hasil optimum adalah 0.5–1.5 ml. Sementara volume contoh lebih dari 2 ml tidak memberikan perubahan yang bermakna, dan puncak yang dihasilkan cenderung melebar.

Pengaruh Konsentrasi Asam Hal ini dilakukan dengan meragamkan konsentrasi HCl pada konsentrasi NaBH4 tetap dan volume standar Sn 10 mg l-1 sebesar 1 ml. Konsentrasi optimum HCl yang diperoleh ialah 0.5%.

Tinggi Puncak (AU)

60 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2

Konsentrasi HCl (%)

Gambar 4 Pengaruh konsentrasi HCl pada penentuan Sn dengan metode HG-FAAS.

118

Pengaruh Konsentrasi NaBH4 Hal ini dilakukan dengan meragamkan konsentrasi NaBH4 pada konsentrasi asam tetap dan volume larutan standar 1 ml. Gambar 5 menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi NaBH4, semakin baik reaksi pembentukan hidridanya. Konsentrasi NaBH4 1% telah memberikan hasil yang bermakna dan tidak berbeda nyata dengan konsentrasi lebih tinggi. 80

Tinggi Puncak (AU)

70 60 50 40 30 20 10 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Konsentrasi NaBH4 (%)

Gambar 5 Pengaruh konsentrasi NaBH4 pada penentuan Sn dengan metode HG-FAAS.

Pembuatan Kurva Kalibrasi, Penentuan Limit Deteksi dan Keterulangan Pengukuran Dengan menggunakan kondisi optimum dari parameter-parameter di atas, diperoleh kurva kalibrasi seperti pada Gambar 6. Perhitungan limit deteksi, dinyatakan sebagai S/N = 3, yang diperoleh dalam pengukuran ini adalah 71.06 µg l-1. Sementara tingkat keterulangan metode, dinyatakan dengan koefisien keragaman (KV), ialah sebesar 1.49%. Profil keterulangan dapat dilihat pada Gambar 7.

Tinggi Puncak (AU)

60 50 40 y = 5.2467x + 2.4616

30

2

R = 0.9991 20 10 0 0

2

4

6

8

10

12

Konsentrasi Sn (ppm)

Gambar 6 Kurva kalibrasi pengukuran Sn dengan metode HG-FAAS.

119

50

a

b

c

d

10 ppm e

f

g

h

40

a : 4 4 ,2 4 b : 4 4 ,2 8 c : 4 4 ,2 9 d : 4 3 ,2 3

t (AU)

30

e : 4 3 ,1 0

20

f : 4 5 ,8 5 g : 4 4 ,9 3 h : 4 4 ,3 5

10

0 2

4

6

8

10

D e tik

Gambar 7 Profil keterulangan sinyal pengukuran Sn mg l-1. Dengan pengukuran ion Sn secara langsung dengan FAAS, limit deteksi yang diperoleh sebesar 3.33 mg l-1. Dengan demikian, metode HG-FAAS dapat meningkatkan limit deteksi sebanyak 46 kali.

Aplikasi terhadap Contoh Air Alami Metode HG-FAAS juga diujicobakan pada contoh air yang diambil dari Sungai Cikapundung dan Sungai Cidurian, serta contoh yang berasal dari laboratorium. Metode spike dilakukan untuk melihat pengaruh matriks terhadap penentuan Sn. Persen pemulihan yang diperoleh cukup memadai, yaitu lebih dari 95% (Tabel 2). Tabel 2 Penentuan Sn pada contoh air dengan metode HG-FAAS Contoh S. Cikapundung S. Cidurian Contoh lab *

[Sn] (mg/l)

Sn yang ditambahkan (mg/l)

Sn yang diperoleh (mg/l)

Pemulihan (%)

DLD* DLD 10

10 10 10

9.57 ± 0.38 9.69 ± 0.47 9.93 ± 0.36

95.73 96.98 99.36

di bawah limit deteksi.

SIMPULAN Metode HG-FAAS yang dikembangkan dapat meningkatkan limit deteksi menjadi 46 kali lebih baik dibandingkan dengan metode pengukuran secara langsung dengan FAAS. Kinerja analitik yang diperoleh cukup memadai, dengan keterulangan 1.49%, limit deteksi 71.06 µg l-1, dan persen pemulihan Sn pada pengukuran contoh air alami lebih besar dari 95%.

DAFTAR PUSTAKA 1. Greenwood NN, Earnshaw A. Chemistry of Elements. Oxford: Pergamon Pr; 1989. 2. Leroy MJF, Quevauviller, Donard OFX, Astruc M. Determination of tin species in environmental samples. Pure Appl Chem 1998;70:2051-2064. 3. Attar KM. Analytical methods for speciation of organotin in the environment. Appl Org Chem 1996;10:317-337.

120

4. Garcia ES, Alonso JLG, Medel AS. Determination of butyltin compounds by means of hydride generation/cold trapping gas chromatography coupled to inductively coupled plasma-mass spectrometric detection. J Mass Spectrom 1995;32:542-549. 5. Gotti M. Rivaro P, Frache R. Determination of butyltin compounds by high performance liquid chromatography-hydride generation-electrothermal atomization atomic absorption spectrometry. J Anal At Spectrom 2001;16:270-274. 6. Haug HO, Yiping L. Automated determination of tin by hydride generation using in situ trapping on stable coatings in graphite furnace atomic absorption spectrometry. Spectrochim Acta Part B 1995;50:1311-1324. 7. Kumar AR, Riyazuddin P. Mechanism of volatile hydride formation and their atomization in hydride generation-atomic absorption spectrometry. Anal Sci 2005;21:1401-1410. 8. Nakahara T. Development of gas-phase sample-introduction techniques for analytical atomic spectrometry. Anal Sci 2005;21:477-484. 9. Ritschdorff ET, Fitzgerald N, McLaughlin RGJ, Brindle ID. The use of modified multimode sample introduction system for the simple and rapid determination of cadmium by chemical vapour generation-atomic absorption spectrometry. Spectrochim Acta Part B 2005;60:139-143.

121

ALUMINA-ASAM TERMODIFIKASI UNTUK PRAKONSENTRASI DAN ANALISIS KELUMIT TIMBEL BERBASIS ANALISIS INJEKSI ALIR Muhammad Iqbal1*, Muhammad Bachri Amran2 1Program

Studi Kimia, 2Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, FMIPA, ITB

ABSTRAK Metode prakonsentrasi dan analisis kelumit Pb2+ berbasis analisis injeksi alir (FIA) dengan menggunakan spektroskopi serapan atom telah selesai dikembangkan. Metode ini didasarkan pada retensi ion Pb2+ pada alumina-asam yang dimodifikasi dengan natrium dodesil sulfat (SDS) dan 1-(2piridilazo)-2-naftol (PAN). PAN teretensi pada alumina-SDS secara optimum di pH 4, dengan kapasitas retensi 0.19 mg PAN/g. Ion Pb2+ teretensi pada alumina-SDS-PAN secara optimum di pH 6 (99.96%), dengan kapasitas retensi 0.13 mg Pb2+/g. Volume minimum HNO3 2 M untuk elusi kuantitatif timbel ialah 0.1 ml. Metode ini memperlihatkan kinerja analitik yang baik: nilai ketelitian (koefisien keragaman) 1.90, limit deteksi 17.73 µg l-1, dan sensitivitas 15.30 µg l-1. Evaluasi kinerja FIA menghasilkan faktor pengayaan, efisiensi pemekatan, dan indeks konsumtif berturut-turut 24.49, 6.90 menit-1, dan 6.70 ml.

ABSTRACT An analytical method for preconcentration and trace analysis of lead(II) based on flow injection analysis (FIA) using atomic absorption spectroscopy had been developed. This method was based on Pb2+-retention on acidic alumina modified with sodium dodecyl sulphate (SDS) and 1-(2-pyridylazo)-2naphtol (PAN). PAN was optimally retented on alumina-SDS at pH 4 with retention capacity of 0.19 mg PAN/g. Pb2+ was optimally retented on alumina-SDS-PAN at pH 6 (99.96%) with retention capacity of 0.13 mg Pb2+/g. The minimum volume of 2 M HNO3 for quantitative elution of lead was 0.1 ml. This method showed good analytical performances: precision (coefficient of variance) 1.90, detection limit of 17.73 µg l-1, and sensitivity of 15.30 µg l-1. The performance evaluation of FIA gave enrichment factor, concentration efficiency, and consumptive index of, 24.49, 6.90 minutes-1, and 6.70 ml, respectively.

PENDAHULUAN Timbel (Pb) merupakan salah satu logam yang memiliki banyak manfaat sehingga penggunaannya cukup luas. Penggunaan Pb sempat sangat populer sampai diketahui bahwa Pb dan persenyawaannya merupakan spesies yang memiliki toksisitas tinggi, baik pada manusia maupun hewan. Timbel mencemari lingkungan dalam konsentrasi yang sangat kecil (kelumit) dan terkandung dalam matriks yang kompleks1,2. Kondisi ini menyulitkan analisis Pb secara kuantitatif, karena instrumen standar yang biasa dipergunakan untuk analisis logam tidak memiliki limit deteksi yang cukup tinggi. Instrumen seperti spektrofotometer sinar tampak, spektrofotometer serapan atom nyala (FAAS), dan spektrofotometer emisi atom (AES) memiliki sensitivitas dan limit deteksi yang tidak cukup baik untuk digunakan dalam analisis kelumit Pb. Kompleksnya matriks contoh yang mengandung Pb menambah rumit proses penyiapan sehingga diperlukan metode analisis yang lebih selektif terhadap Pb dan gangguan dari matriks harus dihilangkan, agar proses analisis secara keseluruhan lebih mudah. Teknik analisis yang dapat mendeteksi Pb dalam skala kelumit telah banyak dikembangkan. Analisis secara langsung dapat dilakukan dengan instrumen GF-AAS, AES-plasma terkopel induktif * Alamat korespondensi: [email protected], [email protected]

122

(ICP-AES), fluoresensi sinar-X (XRF), atau EDS. Akan tetapi, terdapat kendala dalam hal jumlah instrumen yang terbatas serta biaya analisis dan perawatan yang mahal3-6. Teknik tandem yang menggabungkan proses penyiapan dan deteksi Pb menghasilkan metode analisis yang lebih baik dari segi selektivitas maupun sensitivitas. Namun, metode tandem biasanya menggabungkan dua instrumen atau lebih yang masing-masing memiliki peran tersendiri dalam proses analisis secara keseluruhan sehingga tidak praktis. Oleh karena itu, diperlukan suatu metode yang mampu menganalisis Pb dengan selektivitas yang tinggi pada konsentrasi kelumit, tetapi tetap ekonomis. Salah satu solusi bagi permasalahan ini adalah prakonsentrasi (pemekatan). Prakonsentrasi dilakukan pada tahap penyiapan agar konsentrasi analit melebihi limit deteksi instrumen standar7. Untuk keperluan analisis kuantitatif, dipilih metode prakonsentrasi penukar-ion menggunakan ligan pengompleks yang selektif terhadap ion logam tertentu. 1-(2-Piridilazo)-2-naftol (PAN) menjadi ligan pengompleks yang selektif terhadap Pb2+ jika reaksi berlangsung pada pH tertentu8,9. Banyak penelitian yang mengembangkan teknik prakonsentrasi menggunakan bahan pendukung berupa polimer nonpolar yang dimodifikasi oleh ligan pengompleks logam. Sebagai contoh adalah penggunaan polimer XAD-2 dan XAD-16 yang dimodifikasi dengan PAN10,11. Penelitianpenelitian tersebut menunjukkan selektivitas yang baik. Alumina yang dimodifikasi dengan surfaktan menghasilkan permukaan nonpolar12. Gugus hidrofilik natrium dodesil sulfat (SDS) yang berupa gugus sulfat (bermuatan negatif) akan berinteraksi secara elektrostatik dengan permukaan alumina-asam yang bermuatan positif. Gugus hidrofobik SDS yang berupa rantai karbon panjang nonpolar (gugus -C12H25) menjadi sisi aktif baru dari alumina. Permukaan nonpolar tersebut kemudian dimodifikasi dengan ligan pengompleks PAN. Modifikasi terjadi sebagai akibat interaksi hidrofobik antara bagian nonpolar SDS dan cincin aromatik pada PAN. Alumina yang telah dimodifikasi dengan SDS dan PAN diharapkan mampu menjadi bahan yang memberi selektivitas dan faktor pengayaan lebih baik. PAN menjadi sisi aktif yang akan bereaksi dengan Pb2+ membentuk kompleks Pb-PAN (Gambar 1). Timbel akan dilepaskan ketika kompleks berinteraksi dengan asam yang cukup banyak pada proses elusi. PAN kembali siap membentuk kompleks dengan Pb2+ setelah diregenerasi ke kondisi optimum pembentukan kompleks Pb-PAN. + OH2

O

OH2

S

N

Al Al

O -

O

C12H25 O O

OH2

n

N N Pb

N N

O

N

Gambar 1 Model mekanisme retensi Pb pada alumina termodifikasi. Penggabungan teknik prakonsentrasi yang dikombinasikan dengan metode analisis injeksi alir (FIA) dengan pendeteksian menggunakan FAAS menjadi salah satu solusi alternatif untuk analisis Pb dalam skala kelumit. Metode analisis yang berbasis injeksi alir akan lebih akurat dan praktis13. Penelitian ini bertujuan mengembangkan teknik prakonsentrasi dan analisis Pb berbasis injeksi alir menggunakan mikrokolom alumina-asam termodifikasi-SDS dan PAN. Metode ini diharapkan memiliki selektivitas dan sensitivitas yang baik, dan dapat digunakan untuk analisis kelumit Pb di lingkungan.

METODOLOGI PENELITIAN Alat Selain peralatan kaca standar laboratorium kimia, digunakan pula berbagai peralatan lain, yaitu pompa peristaltik (Ismatec®) untuk memompakan berbagai larutan dalam proses pengujian, minikolom

123

(diameter 0.5 cm, panjang 10 cm), dan selang berbahan dasar plastik, pH-meter (Hanna®), pengaduk magnet (Fisher®), serta sentrifus (Fisher Scientific Company® Model 370). Sistem injeksi alir diatur dengan katup putar sistem 8-jalur (Ismatec® 8-Port Rotary Valve). Absorbans PAN diukur dengan spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis) Hewlett Packard® 8452A. Penentuan kadar logam Pb dilakukan dengan AAS berkas ganda GBC®-902. Datanya dicatat secara digital dengan menggunakan perekam (recorder) Power Chrom (ADInstruments®) dan seperangkat komputer.

Bahan Penelitian ini menggunakan bahan-bahan dengan kemurnian p.a., yaitu etanol, HNO3 pekat, NaOH(s), dan Pb(NO3)2(s). Selain itu, digunakan pula bahan-bahan lain: SDS, PAN, NH4OH 1 M, serta alumina-asam dan air demineralisasi (keduanya grade kromatografi).

Pengaruh pH terhadap λmaks PAN Larutan PAN 10 µg l-1 dalam pelarut etanol-air (1:4) dengan ragam pH 1 sampai 5 sebanyak masing-masing 10 ml diukur absorbansnya dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang (λ) 380 sampai 780 nm.

Penentuan pH Retensi dan Kapasitas Retensi PAN terhadap Alumina-SDS Alumina-asam diaktifkan dengan cara memanaskannya di dalam oven pada suhu 115 °C selama 1 jam. Larutan PAN 10 µg l-1 dalam pelarut etanol-air (1:4) dimasukkan sebanyak 10 ml ke dalam gelas piala yang berisi 0.500 g alumina-asam aktif dan 0.100 g SDS. Campuran diaduk selama 5 menit, diatur pH-nya dengan ragam pH 1 sampai 5, dan dibiarkan selama 15 menit. Campuran kemudian disentrifugasi selama 15 menit; supernatan dipisahkan dan diukur absorbansnya dengan spektrofotometer UV-Vis pada λ tertentu.

Pembuatan Alumina-SDS-PAN Sebanyak 0.5 g SDS dan 0.1 g PAN ditambahkan ke dalam gelas piala yang telah berisi 10 g alumina-asam aktif dan 50 ml etanol-air (1:4) pH 4. Campuran diaduk selama 15 menit, lalu diatur pHnya hingga menjadi 4, dengan penambahan NaOH atau HNO3. Campuran kemudian dibiarkan sampai mengendap. Alumina-SDS-PAN berwarna jingga-merah yang terbentuk dipisahkan dan dicuci dengan HNO3 10-4 M sampai pH air bilasan menjadi 4. Setelah itu, dikeringkan dalam oven pada suhu 40 °C.

Penentuan pH Retensi Pb terhadap Alumina-SDS-PAN Larutan Pb2+ 50 mg l-1 sebanyak 10 ml dimasukkan ke dalam gelas piala yang telah berisi 0.4 g alumina-SDS-PAN. Campuran diaduk selama 15 menit, diatur pH-nya dengan ragam pH 1 sampai 12, dan dibiarkan hingga mengendap. Campuran lalu disentrifugasi selama 15 menit; supernatan dipisahkan dan diukur absorbansnya menggunakan FAAS pada λ 283.3 nm.

Penentuan Kapasitas Retensi Pb terhadap Alumina-SDS-PAN Larutan Pb2+ 50 mg l-1 dipompakan ke dalam kolom yang terhubung dengan FAAS dengan laju alir 2.75 ml menit-1. Serapan Pb direkam mulai dari masuknya larutan sampai kapasitas alumina-SDSPAN telah terlampaui.

124

Evaluasi Konsentrasi Eluen Larutan Pb2+ 1 mg l-1 dipompakan sebanyak 2 ml ke dalam kolom yang terhubung dengan FAAS dengan laju alir 2 ml menit-1. Ion Pb yang teretensi pada kolom dielusi dengan HNO3 dengan ragam konsentrasi 0.5 sampai 3 M, masing-masing sebanyak 1/6 ml dengan laju alir yang sama.

Evaluasi Volume Eluen Larutan Pb2+ 1 mg l-1 dipompakan sebanyak 2 ml ke dalam kolom yang terhubung dengan FAAS dengan laju alir 2 ml menit-1. Ion Pb yang teretensi pada kolom dielusi dengan HNO3 1 M dengan variasi volume 1/12 sampai 0.5 ml dengan laju alir yang sama.

Konstruksi Alat FIA-FAAS (lihat Gambar 2)

Gambar 2 Diagram konstruksi alat analisis kelumit Pb menggunakan minikolom alumina-termodifikasi berbasis-FIA.

Kinerja Analitik Kinerja analitik diuji menggunakan sistem FIA berbasis volume (volume base). Pengujian menggunakan katup 8 saluran yang dilengkapi 2 buah loop, 1 untuk contoh dan yang lain untuk eluen. Keterulangan Larutan standar Pb2+ 0.1 mg l-1 pH 6 dengan volume injeksi sebanyak 9 ml diukur berulang kali menggunakan FIA-FAAS pada λ 283.3 nm. Digunakan eluen HNO3 1 M dengan volume injeksi 0.5 ml, kemudian tinggi sinyal diukur. Keterulangan ditunjukkan dengan persen koefisien keragaman (% KV). Kurva kalibrasi Larutan standar Pb2+ pH 6 dengan volume injeksi sebanyak 6 ml dengan ragam konsentrasi 40 sampai 100 µg l-1 diukur menggunakan FIA-FAAS pada λ 283.3 nm. Digunakan eluen HNO3 2 M dengan volume injeksi 0.1 ml, lalu tinggi sinyal diukur. Dari data yang diperoleh dibuat kurva kalibrasi. Analisis contoh Larutan contoh dengan volume injeksi 6 ml diukur menggunakan FIA-FAAS pada λ 283.3 nm. Digunakan eluen HNO3 2 M dengan volume injeksi sebanyak 0.1 ml, kemudian tinggi sinyal diukur. Pengaruh matriks dan persen pemulihan (% recovery) Pengujian dilakukan dengan metode spike. Larutan standar Pb2+ 20 µg l-1 pH 6 sebanyak 0.3 ml diencerkan dalam labu takar 100 ml hingga tanda tera dengan menambahkan contoh yang telah dianalisis sebelumnya. Larutan contoh dengan volume injeksi 6 ml diukur menggunakan FIA-FAAS pada λ 283.3 nm. Digunakan eluen HNO3 2 M dengan volume injeksi 0.1 ml, lalu tinggi sinyal diukur.

125

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh pH terhadap λmaks PAN PAN memiliki rentang perubahan warna kuning-jingga dari kondisi asam ke basa. Perubahan warna ini tentunya akan memengaruhi spektrum serapan PAN di daerah sinar tampak. PAN larut dengan baik dalam pelarut organik maupun basa. Namun, akan sangat menyulitkan jika menggunakan basa sebagai pelarut karena yang akan diamati justru pengaruh pH terhadap PAN. Oleh karena itu, digunakan etanol untuk melarutkan PAN. Air digunakan sebagai campuran etanol agar pelarut dapat diatur tingkat keasamannya. Komposisi etanol-air 1:4 dipilih berdasarkan pertimbangan ekonomis dalam penggunaan etanol p.a. untuk melarutkan PAN secara sempurna. Pengujian ciri-ciri PAN dilakukan dalam pelarut etanol-air 1:4. Pengaruh pH larutan terhadap λmaks PAN ditunjukkan pada Gambar 3. Hasil tersebut menunjukkan bahwa λmaks PAN terus bergeser ke daerah merah dengan bertambahnya pH. Pergeseran terjadi karena protonasi molekul PAN mengakibatkan warna larutan semakin lama semakin jingga. Data λmaks ini kemudian dipergunakan dalam tahapan penelitian berikutnya yang menggunakan spektrofotometer UV-Vis sebagai pendeteksi keberadaan PAN dalam contoh uji.

Gambar 3 Pengaruh pH larutan terhadap λmaks PAN.

Penentuan pH Retensi dan Kapasitas Retensi PAN terhadap Alumina-SDS Pengukuran pH retensi dan kapasitas retensi PAN terhadap alumina-SDS dilakukan pada λmaks tertentu yang disesuaikan dengan pH larutan uji. Pengujian dilakukan dengan metode lompok (batch), untuk mengetahui interaksi PAN dengan alumina-SDS sebagai bahan pendukung. Sistem alumina-SDS dibuat dengan cara menambahkan SDS berlebih pada sistem lompok. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa PAN teretensi optimum pada pH 4 dengan kapasitas retensi sebesar 0.19 mg PAN/g alumina (Gambar 4). Data ini kemudian dipergunakan sebagai kondisi optimum dan komposisi minimum dalam pembuatan minikolom alumina-SDS-PAN.

Gambar 4 Pengaruh pH larutan pada retensi PAN.

126

Penentuan pH Retensi Pb terhadap Alumina-SDS-PAN Tahapan penelitian ini masih mempergunakan metode lompok, tetapi telah dipergunakan bahan yang homogen dengan jumlah yang sama. Gambar 5 merupakan kurva aluran %Pb teretensi terhadap pH larutan, yang diperoleh dari pengujian pada berbagai pH. Pengujian dilakukan dengan cara mengukur serapan larutan standar Pb sebelum dan sesudah diretensikan pada alumina-SDS-PAN pada rentang pH 1−12.

Gambar 5 Pengaruh pH larutan terhadap retensi Pb. Perubahan persen Pb teretensi secara drastis terjadi pada pH 2 ke 3; hal ini diakibatkan PAN telah terdeprotonasi (Ka1 1.26 × 10-2). Hasil pengujian menunjukkan bahwa Pb teretensi dengan baik pada pH 6−12 dengan kisaran persen Pb teretensi 97.3–99.9%. Rentang pH optimum yang lebar ini tidak berarti terdapat keleluasaan dalam pengujian, karena pengamatan secara visual menunjukkan bahwa alumina-SDS-PAN mengalami kerusakan permanen di atas pH 8, yang sulit diregenerasi. Alumina-SDS-PAN yang mulanya berwarna jingga (warna PAN) berubah menjadi ungu yang menyiratkan telah terjadi perubahan struktur kimia pada komponen penyusun bahan. Tingginya persen Pb teretensi di atas pH 8 kemungkinan diakibatkan oleh deprotonasi aluminaasam menjadi alumina-basa. Alumina-basa yang permukaannya bermuatan negatif mampu meretensi Pb dengan baik, sehingga Pb teretensi di permukaan alumina, bukan terkompleks oleh PAN. Pengujian selanjutnya menggunakan pH 6 sebagai pH optimum retensi Pb (%Pb teretensi 99.94%).

Penentuan Kapasitas Retensi Pb terhadap Alumina-SDS-PAN Pengujian kapasitas retensi menggunakan kolom yang dirangkai pada FAAS, dilakukan dengan cara menghitung titik patah (break point) kolom. Dari data ini jumlah Pb yang mampu teretensi oleh kolom dapat diperkirakan. Larutan standar Pb yang dialirkan melalui kolom selanjutnya akan menuju detektor. Apabila Pb pada larutan standar masih teretensi oleh alumina-SDS-PAN, tidak akan dihasilkan sinyal pada detektor. Begitu juga sebaliknya, bila kolom telah jenuh oleh Pb, maka detektor akan memberikan respons berupa sinyal. Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa titik patah kolom terjadi setelah kolom dialiri larutan Pb selama 0.4205 menit. Setelah dilakukan konversi terhadap laju alir, konsentrasi larutan standar, dan bobot alumina-SDS-PAN pada kolom, diperoleh kapasitas retensi sebesar 0.13 mg Pb2+/g alumina-SDS-PAN.

127

Gambar 6 Kurva titik patah kolom alumina-SDS-PAN.

Evaluasi Elusi Seluruh pengujian untuk evaluasi elusi dilakukan menggunakan FIA-FAAS berbasis-waktu, atau dengan kata lain, volume eluen diatur dengan menyesuaikan waktu masuknya ke dalam aliran pembawa (carrier). Penelitian ini menggunakan HNO3 sebagai eluen karena dalam beberapa penelitian sebelumnya yang mempergunakan pengompleksan Pb oleh PAN, proses elusi berjalan baik. Konsentrasi eluen dipilih yang tidak merusak kompleks alumina-SDS-PAN yang diisikan pada kolom dan berbagai peranti pada rangkaian alat FIA-FAAS. Tinggi sinyal yang diperoleh menunjukkan bahwa elusi optimum pada pengujian dihasilkan pada penggunaan asam nitrat 3 M (Gambar 7). Akan tetapi, konsentrasi ini tidak dipilih pada tahapan berikutnya karena akan menyulitkan proses regenerasi kolom (mengembalikan pH kolom ke pH 6). Lamanya waktu regenerasi sebagai akibat pembilasan akan menurunkan kinerja FIA. Sementara, regenerasi dengan larutan yang lebih basa akan melarutkan PAN, atau merusak alumina.

Gambar 7 Pengaruh konsentrasi eluen. Pengujian volume eluen dilakukan untuk mengetahui jumlah eluen minimum yang mampu mengelusi sejumlah Pb yang telah terkompleks dalam minikolom. Volume ini disesuaikan dengan jumlah dan konsentrasi contoh yang akan dimasukkan ke dalam kolom. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 8, diperoleh keteraturan pada penggunaan berbagai volume eluen. Setelah volume tertentu, tinggi sinyal relatif tidak berubah. Volume eluen yang terlalu banyak harus dihindari karena akan mengakibatkan puncak menjadi lebih landai.

Gambar 8 Pengaruh volume eluen.

128

Kinerja Analitik Keterulangan metode ini ditunjukkan dengan nilai %KV sebesar 1.90 dengan simpangan baku 0.34. Tinggi puncak dan profil sinyal dalam pengujian keterulangan dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 9 Kurva keterulangan pengukuran. Kepekaan analisis memberikan hasil S sebesar 15.30 µg l-1. Artinya, metode ini masih belum dapat membedakan dua analit yang selisih konsentrasinya lebih kecil dari nilai tersebut. Pengukuran contoh dilakukan dengan metode kurva kalibrasi (Gambar 10). Akan tetapi, contoh yang diuji berada di bawah limit deteksi pengukuran. Hal ini terlihat dari tidak munculnya puncak contoh. Oleh karena itu, digunakan metode penambahan standar untuk menentukan kadar contoh. Perhitungan menghasilkan nilai persen pemulihan (% recovery) sebesar 112.95%. Kelebihan nilai pemulihan sekitar 12.95% mengindikasikan kadar contoh sebesar 7.77 µg l-1. Karena konsentrasi contoh tidak dikonfirmasi menggunakan spike dengan konsentrasi standar yang lebih besar, bisa saja sinyal yang berlebih tersebut berasal dari gangguan matriks contoh. Namun, kemungkinan tersebut relatif kecil karena PAN bersifat selektif pada logam, dan digunakan detektor AAS yang beroperasi pada panjang gelombang tertentu.

Gambar 10 Kurva kalibrasi konsentrasi Pb.

Kinerja FIA Evaluasi kinerja FIA yang dilakukan meliputi faktor pengayaan (enrichment factor, EF), faktor efisiensi pemekatan (concentration efficiency, CE), dan faktor indeks konsumtif (consumptive index, CI). Analisis berbasis FIA diharapkan memiliki nilai EF yang lebih besar. Nilai EF menunjukkan nisbah kuantitatif sinyal yang dapat diperoleh. Nilai EF yang besar berarti nisbah sinyal hasil FIA terhadap konsentrasi analit lebih besar dibandingkan dengan pengukuran langsung. Dengan kata lain, konsentrasi yang sama akan menghasilkan sinyal yang lebih besar jika EF-nya besar. Pengujian menghasilkan nisbah 24.49 kali lebih besar daripada pengukuran langsung (EF = 24.49) (Gambar 11).

129

FAAS 10 mg l-1 H = 101.195 AU

FIA-FAAS 100 µg l-1 H = 23.530 AU

Gambar 11 Perbandingan sinyal FIA-FAAS dengan FAAS. Nilai CE yang diperoleh adalah 6.90 menit-1; kinerja FIA ini berasal dari frekuensi siklus analisis yang memerlukan waktu 213 detik. Dengan kata lain, dapat dilakukan sekitar 16 kali analisis per jam. Nilai CI yang diperoleh (6.70 ml) merupakan jumlah pereaksi yang diperlukan untuk satu siklus analisis.

SIMPULAN Penelitian ini menunjukkan bahwa alumina-asam yang dimodifikasi dengan SDS dan PAN dapat dipergunakan untuk prakonsentrasi dan analisis kelumit Pb berbasis-FIA dengan pendeteksian menggunakan AAS. PAN teretensi pada alumina-SDS secara optimum pada pH 4 dengan kapasitas retensi 0.19 mg PAN/g. Ion Pb2+ yang teretensi pada alumina-SDS-PAN mencapai optimum di pH 6 (99.96%) dengan kapasitas retensi 0.13 mg Pb2+/g dan dapat dielusi secara kuantitatif menggunakan HNO3 2 M dengan volume minimum 0.1 ml. Metode analisis yang dikembangkan ini memberikan kinerja analitik yang baik, ditunjukkan dengan nilai %KV 1.90, limit deteksi 17.73 µg l-1, dan S 15.30 µg l-1. Kinerja FIA menghasilkan nilai EF 24.49, CE 6.90 menit-1, dan CI 6.70 ml. Metode ini memiliki potensi yang besar untuk dipergunakan dalam analisis kelumit timbel pada contoh lingkungan.

DAFTAR PUSTAKA Cornell DW, Miller GJ. Kimia dan Ekotoksikologi Pencemaran. Koestoer Y, penerjemah. Jakarta: UI-Pr; 1995. hlm 342-345. Canham GR. Descriptive Inorganic Chemistry. Ed ke-2. New York: WH Freeman; 1999. hlm 259-266. Boevski I, Daskalova N. Determination of barium, chromium, cadmium, manganese, lead, and zinc in atmospheric particulate matter by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICPAES). Spectrochim Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2000;55:1643-1657. Morales EB, Vázquez ALR. Simultaneous determination of inorganic and organic gunshot residues by capillary electrophoresis. J Chromatogr A 2004;1061:225-233. Locatelli C, Torsi G. Analytical procedures for the simultaneous voltammetric determination of heavy metals in meals. Microchem J 2003:75:233-240. Sipos P, Németh T, et al. Effect of soil composition on adsorption of lead as reflected by a study on a natural forest soil profile. Geoderma 2005;124:363-374. Burguera JL. Flow Injection Atomic Spectroscopy. New York: Marcel Dekker; 1989. hlm 1-6. Taher MA. Flame atomic absorption spectrometric determination of trace lead after solid-liquid extraction and preconcentration using 1-(2-pyridylazo)-2-naphthol. Croatica Chem Acta 2003;76:273-277.

130

Narin I, Soylak M. The uses of 1-(2-pyridylazo) 2-naphtol (PAN) impregnated Ambersorb 563 resin on the solid phase extraction of traces heavy metal ions and their determinations by atomic absorption spectrometry. Talanta 2003;60:215-221. Ferreira SLC, Ferreira JL, et al. Copper determination in natural water samples by using FAAS after preconcentration onto Amberlite XAD-2 loaded with calmagite. Talanta 2000;50:1253-1259. Amran MB, Sianipar A. Lead ion retention on Amberlite XAD-16 modified with (1-(2-pyridilazo)-2naphtol). Prosiding Seminar MIPA IV ITB. 2004. Førland GM, Rahman T et al. Adsorption of sodium dodecyl sulfate and butanol onto acidic and basic alumina. J Colloid Interface Sci 1996;182:348-355. Fang ZL. Flow Injection Separation and Preconcentration. New York: VCH; 1993. hlm 10-12, 79, 87, 98.

131

PRAKONSENTRASI DAN ANALISIS KELUMIT SELEKTIF ION TIMBEL BERBASIS ANALISIS INJEKSI ALIR MENGGUNAKAN RESIN XAD TERMODIFIKASI Muhammad Bachri Amran* Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, FMIPA, ITB

ABSTRAK Suatu metode prakonsentrasi untuk analisis ion timbel menggunakan spektroskopi serapan atom-nyala pada tingkat konsentrasi kelumit telah dikembangkan. Metode ini didasarkan atas retensi ion timbel pada polimer makropori XAD-16 yang dimodifikasi dengan 1-(2-piridilazo)-2-naftol (PAN). Retensi maksimum PAN pada XAD-16 diperoleh pada pH 6 dengan kapasitas retensi sebesar 6.004 mg PAN/g XAD-16. Retensi ion Pb2+ oleh polimer XAD-16 PAN yang dikembangkan mencapai 99% pada pH 8 dengan kapasitas retensi 0.5 mg g-1. Elusi kuantitatif timbel yang teretensi terjadi dalam HNO3 3 N dengan faktor prakonsentrasi 80 kali. Metode ini telah berhasil digunakan untuk penentuan ion timbel dalam air minum, air ledeng, dan air sungai dengan persen pemulihan >95%, persen koefisien keragaman 2.24%, dan limit deteksi (S/N=3) 6.71 µg l-1. Kinerja analisis injeksi alir yang dikembangkan sangat baik, ditunjukkan oleh faktor pengayaan, efisiensi pemekatan, indeks konsumtif berturut-turut sebesar 28.741, 8.412 menit-1, dan 0.017 ml-1. Kata kunci: prakonsentrasi, timbel(II), XAD, PAN, FIA.

ABSTRACT A preconcentration method for lead(II) analysis using flame atomic absorption spectroscopy at trace concentration had been developed. The procedure was based on the retention of lead ion on macroporous polymer XAD-16 loaded with 1-(2-pyridylazo)-2-naphthol (PAN). Maximum retention of PAN on XAD-16 was obtained at pH 6 with retention capacity of 6.004 mg PAN/g XAD-16. Retention of Pb2+ by the developed XAD-16/PAN polymer was quantitative (99%) at pH 8 with retention capacity of 0.5 mg g-1. Quantitative elution for the retented lead occured in 3N HNO3 with preconcentration factor of 80 times. The method had been successfully applied for determination of lead in drinking water, tap water, and river water with recovery percentage of >95%, coeficient variance percentage of 2.24%, and detection limit (S/N=3) of 6.71 µg Pb l-1. A good performance of the developed flow injection analyisis was indicated by enrichment factor, concentration efficiency, and consumptive index of 28.741, 8.412 minutes-1, and 0.017 ml- 1, respectively. Keywords: preconcentration, lead(II), XAD, PAN, FIA.

PENDAHULUAN Analisis kelumit ion logam dalam berbagai contoh lingkungan, biologis, dan paduan logam secara langsung dengan berbagai instrumen sering kali tidak dapat dilakukan akibat rendahnya konsentrasi dan matriks contoh yang sangat kompleks. Oleh karena itu, prakonsentrasi dan/atau pemisahan ion logam dari matriks sangat diperlukan untuk memperbaiki limit deteksi dan kepekaan dari * Alamat korespondensi: [email protected]

132

suatu metode analitik1,2. Berbagai metode untuk keperluan ini, seperti kopresipitasi, ekstraksi pelarut, kromatografi penukar ion, dan ekstraksi fase padat, telah banyak dilakukan3,4. Dari berbagai metode ini, ekstraksi fase padat merupakan yang paling luas digunakan, karena memiliki keunggulan dibandingkan dengan metode lainnya. Penggunaan resin pengelat pada ekstraksi fase padat tidak saja mampu memberikan keselektifan yang baik, tetapi juga dapat menghasilkan faktor pengayaan yang besar, stabilitas mekanik yang sempurna, dan keterulangan sorpsi yang sangat baik5. Cara sederhana untuk memperoleh resin pengelat seperti ini adalah melalui teknik perendaman (impregnasi). Pada teknik ini, pereaksi pengelat tertentu diimobilkan pada material pendukung seperti polimer makropori, silika, karbon aktif, atau alumina. Studi penggunaan 1-(2-piridilazo)-2-naftol (PAN) telah banyak dilakukan untuk penentuan secara kuantitatif ion-ion vanadium, bismut, besi, nikel, kobalt, zink, rodium, paladium, kadmium, dan indium. Senyawa PAN sebagai pengompleks juga telah digunakan pada ekstraksi pelarut dan ekstraksi fase padat pada kolom penukar ion6-8. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah gugus pengelat PAN diimobilkan pada polimer pendukung polistirena-divinilbenzena (PS-DVB) XAD-16 sehingga diperoleh resin pengelat XAD-16/PAN. Resin XAD-16 yang digunakan bersifat non-ionik, hidrofobik, dengan luas permukaan 650 m2 g-1, ukuran partikel 0.3–0.9 mm, dan mempunyai kestabilan mekanik, fisik, serta kimia yang sangat baik. Di sisi lain, PAN mampu mengikat ion-ion logam melalui pembentukan senyawa kelat yang stabil dan merupakan senyawa yang secara luas digunakan sebagai pereaksi pembentuk kompleks dalam analisis kelumit. Kombinasi sifat-sifat XAD-16 dan PAN diharapkan dapat memberikan kinerja yang unggul sebagai resin pengelat untuk keperluan prakonsentrasi. XAD-16 termodifikasi-PAN yang dikemas dalam minikolom selanjutnya diintegrasikan ke dalam teknik prakonsentrasi berbasis analisis injeksi alir, dengan spektrofotometer serapan atom (AAS) sebagai detektor.

METODOLOGI PENELITIAN Peralatan Pengukuran konsentrasi dan perekaman sinyal ion logam dipantau menggunakan AAS berkas ganda GBC®-902 yang dilengkapi dengan pengubah (converter) analog-digital (ADInstrument™) dan pengolah sinyal PowerChrom®. Pompa peristaltik Ismatech®, pipa Tygon, katup putar 8 jalur (FiaGlobal®), dan minikolom dengan ukuran 50 mm × 2 mm i.d. digunakan untuk menyusun sistem peralatan analisis injeksi alir (FIAS). Secara skematik, susunan peralatan yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 1. S/E Pengolah Data AAS C

Gambar 1

P

K8

MK

Susunan peralatan FIA-AAS, C (carrier), P (pompa peristaltik), S/E (syringe untuk memasukkan larutan contoh atau eluen), K8 (katup 8 jalur), MK (mini-kolom), AAS (spektrofotometer serapan atom).

133

Resin dan Bahan Kimia Bahan kimia yang digunakan mempunyai tingkat kemurnian p.a. dan digunakan tanpa melalui pemurnian lebih lanjut kecuali disebutkan lain. Sebagai bahan penyangga digunakan resin Amberlite XAD-16 (Rhom & Hass™), dan PAN (E. Merck™) digunakan sebagai pengelat. Larutan induk 1000 mg Pb(II)/l dibuat dengan melarutkan sejumlah tertentu garam nitratnya dalam HNO3 1% (b/b).

Pembuatan Amberlite XAD-16/PAN Polimer makropori XAD-16 yang telah diperlakukan dengan HNO3 0.1 M dan dibilas dengan air (18.3 MΩ) sampai pH netral, direndam dengan larutan PAN 0.001% dalam metanol, kemudian dibilas kembali dengan air (18.3 MΩ) dan dikeringkan pada suhu 45 oC. Perendaman dilakukan dengan berbagai ragam waktu untuk memperoleh waktu kontak yang optimum.

Pengaruh pH pada Retensi PAN oleh XAD-16 Ke dalam 0.5 g resin XAD-16 ditambahkan 10 ml larutan PAN 0.001% dengan ragam pH larutan 2− 8. Setelah pengadukan, jumlah PAN dalam supernatan ditentukan dengan spektrofotometri sinar tampak pada panjang gelombang (λ) 460 nm. Kapasitas retensi XAD-16 terhadap PAN ditentukan dari konsentrasi PAN tak terserap yang terukur dalam supernatan.

Penentuan Kapasitas Retensi XAD-16/PAN terhadap Ion Pb(II) Kapasitas retensi ditentukan secara lompok (batch), yaitu ke dalam tabung sentrifus 25 ml yang telah berisi 0.2 g XAD-16/PAN dimasukkan 10 ml larutan Pb 1−20 mg l-1. Kemudian dilakukan sentrifugasi selama 10 menit, dan jumlah Pb(II) pada supernatan diukur dengan AAS pada λ 283.3 nm untuk menentukan kapasitas retensinya.

Penentuan Konsentrasi Eluen Ke dalam minikolom yang berisi 0.2 g XAD-16/PAN dipompakan larutan Pb(II) 10 mg l-1 sebanyak 10 ml dengan laju alir 2 ml menit-1. Ion Pb(II) yang teretensi dielusi dengan berbagai konsentrasi HNO3 (2−4 M) sebanyak 5 ml pada laju alir yang sama. Pb(II) yang terelusi ditampung dan ditentukan konsentrasinya dengan AAS.

Pengaruh Laju Alir Larutan Contoh Ke dalam minikolom dipompakan 10 ml larutan ion Pb 10 mg l-1 pH 8 dengan ragam laju alir 1−3 ml menit-1. Ion Pb(II) yang teretensi dielusi dengan 5 ml HNO3 3 N dengan laju alir 2 ml menit-1. Eluat ditampung dan diukur dengan AAS pada λ 283.3 nm.

Faktor Prakonsentrasi Ke dalam minikolom dipompakan larutan Pb dengan variasi konsentrasi 0.025−1 mg l-1 dengan volume 10−400 ml menggunakan laju alir 2 ml menit-1. Ion Pb(II) yang teretensi di dalam kolom dielusi dengan 5 ml HNO3 3 N dengan laju alir 2 ml menit-1. Eluat ditampung dan diukur absorbansnya sebagai

134

A2, sedangkan absorbans larutan Pb sebelum dipompakan ke dalam kolom sebagai A1. Kemudian ditentukan faktor prakonsentrasinya.

Analisis Contoh Larutan contoh yang telah diatur ke pH 8 dan diinjeksikan ke dalam loop contoh (6 ml) akan dibawa oleh carrier (air pH 8) dengan laju alir 2 ml menit-1 ke minikolom. Ion Pb(II) yang teretensi dalam kolom akan dielusi oleh HNO3 3 N yang sebelumnya telah diinjeksikan ke dalam loop eluen (500 µL). Konsentrasi ion Pb(II) dalam eluat dimonitor oleh AAS pada λ 283.3 nm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Optimum Pembuatan XAD-16 Termodifikasi-PAN Spektrum serapan PAN pada berbagai pH telah dikaji dan menunjukkan puncak maksimum pada λ 460 nm yang tidak banyak mengalami pergeseran pada rentang pH yang digunakan. Dengan demikian panjang gelombang ini dapat digunakan untuk menentukan berapa banyak PAN yang dapat teretensi pada polimer XAD-16. Pada penentuan dengan metode lompok, diperoleh bahwa retensi maksimum XAD-16 terhadap PAN terjadi pada pH 6, yaitu sebesar 6 mg PAN/g XAD-16 seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Kapasitas retensi yang diperoleh ini sudah sangat memadai untuk penggunaannya sebagai resin pengelat dalam analisis kelumit ion timbel.

mg PAN/g XAD

6

4

2 0

2

4

6

8

10

pH

Gambar 2 Pengaruh pH terhadap retensi PAN pada polimer Amberlite XAD-16.

Pengaruh Waktu Kontak pada Retensi PAN Penentuan lamanya waktu yang diperlukan PAN untuk teretensi dengan sempurna pada XAD16 dilakukan juga secara lompok. Gambar 3 menunjukkan bahwa waktu minimum untuk meretensikan PAN pada XAD-16 adalah 45 menit dan tidak terjadi perubahan kapasitas retensi yang signifikan untuk waktu yang lebih lama.

135

mg PAN/0,2 g XAD

0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0

50

100

150

waktu (menit)

Gambar 3 Pengaruh waktu terhadap retensi PAN pada Amberlite XAD-16.

Penentuan Kapasitas Retensi ion Pb terhadap Amberlite XAD-16/PAN Hubungan kapasitas retensi dengan pH larutan Pb ditunjukkan pada Gambar 4. Ion Pb teretensi optimum pada pH 8. Nilai sebesar ini dapat diperoleh pada pH 7−11. Kapasitas retensi pada pH 5 yang hanya sebesar 64% dapat disebabkan tidak sempurnanya pembentukan kompleks Pb-PAN. Hal yang serupa juga teramati pada pH di atas 11. Pada pH yang sangat basa, pembentukan hidroksida mungkin akan lebih dominan sehingga kompleks yang terbentuk juga tidak sempurna.

Pb (II) teretensi (%)

100 80 60 40 20 0 4

6

8

10

12

14

pH

Gambar 4 Pengaruh pH terhadap %Pb(II) yang teretensi pada 0.2 g XAD-16/PAN. Penentuan kapasitas retensi pada pH 8 dilakukan dengan meragamkan jumlah ion Pb(II) yang digunakan. Hubungan antara jumlah Pb(II) yang teretensi dan konsentrasi Pb yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 5. Sebanyak 0.2 g XAD-16/PAN hanya mampu meretensi maksimum 10 ml Pb(II) 10 mg l-1 atau dengan kata lain, kapasitas retensinya sama dengan 0.5 mg Pb(II)/g XAD-16/PAN.

% retensi

100 80 60 40 0

5

10

15

20

25

Konsentrasi Pb [mg/l]

Gambar 5 Kapasitas retensi XAD-16/PAN (0.2 g) pada berbagai konsentrasi ion Pb(II).

136

Efisiensi Elusi Eluen merupakan spesies yang sangat penting di dalam prakonsentrasi dan pemisahan analit. Konsentrasi eluen yang diperlukan agar mampu mengelusi dengan baik dapat ditentukan dari nilai persen pemulihan yang dihasilkan. Eluen yang baik juga diharapkan tidak merusak bahan pengisi kolom dan detektor, yang pada akhirnya akan mengganggu pengukuran. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6, efisiensi elusi bergantung pada konsentrasi HNO3 yang digunakan. Dari aluran persen pemulihan terhadap konsentrasi HNO3, diketahui bahwa 5 ml HNO3 3 N sudah mampu mengelusi ion Pb(II) teretensi dengan persen pemulihan sekitar 99%. Penggunaan konsentrasi HNO3 yang lebih tinggi tidak terlalu disukai karena dapat memengaruhi sifat-sifat polimer penyangga yang digunakan. Oleh karena itu, konsentrasi 3 N yang digunakan untuk tahap penelitian selanjutnya.

% pemulihan

100

80

60 1

2

3

4

5

Konsentrasi HNO3 (N)

Gambar 6 Pengaruh konsentrasi HNO3 terhadap efisiensi elusi.

Faktor Prakonsentrasi (Faktor Pengayaan) Pengaruh volume contoh pada penentuan persen pemulihan juga telah dikaji lebih jauh. Larutan standar sebanyak 10−800 ml dilewatkan melalui kolom pada kondisi optimum dan persen pemulihan lebih dari 95% dapat diperoleh dengan volume contoh hingga 400 ml (Tabel 1). Tabel 1 Pengaruh volume contoh pada persen pemulihan dan faktor prakonsentrasi (P) [Pb] (µg/l) 1000 500 100 50 25

Volume (ml) 10 20 100 200 400

% pemulihan 100.96 99.04 106.51 98.77 97.76

P 2 4 20 40 80

Tabel 1 juga menunjukkan bahwa faktor prakonsentrasi (P) tertinggi yang dapat dicapai dengan persen pemulihan lebih dari 95% adalah 80 kali. Juga terlihat bahwa faktor prakonsentrasi bergantung pada volume dan konsentrasi contoh yang dianalisis. Jadi, jika minikolom berisi XAD-16/PAN digunakan untuk prakonsentrasi Pb(II) dengan sistem offline dan volume larutan siap ukur sebesar 5 ml, maka diperlukan contoh sebanyak 400 ml agar diperoleh faktor prakonsentrasi hingga 80 kali.

Prakonsentrasi dan Analisis Pb(II) Berbasis Injeksi Alir Dari hasil evaluasi penggunaan secara offline minikolom yang mempunyai kemampuan memprakonsentrasikan logam Pb dalam tingkat kelumit, dikembangkan lebih lanjut metode

137

prakonsentrasi dengan minikolom berbasis injeksi alir (FIA). Dengan menggunakan susunan peralatan seperti ditunjukkan pada Gambar 1, telah dilakukan analisis beberapa contoh air. Kinerja analitik dari metode yang dikembangkan ini juga telah dikaji, dan hasil-hasilnya diberikan pada Gambar 7–9. Gambar 7 menunjukkan profil sinyal dari berbagai konsentrasi ion Pb(II), sedangkan Gambar 8 merupakan kurva kalibrasi yang diperoleh. Kurva ini menunjukkan kelinearan yang sangat baik pada konsentrasi 10–100 µg l-1. Keterulangan tinggi puncak yang diperoleh dengan menginjeksikan larutan 50 dan 100 µg l-1 dapat ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 7 Profil sinyal dari berbagai konsentrasi ion Pb(II).

Tinggi Puncak (H)

40

30

20

10

0 0

20

40

60

80

100

120

konsentrasi (ug/L)

Gambar 8 Kurva kalibrasi analisis ion Pb(II) dengan metode prakonsentrasi FIA-AAS.

Gambar 9 Profil keterulangan sinyal larutan Pb(II) 50 dan 100 µg l-1.

138

Keterulangan, yang dicerminkan oleh nilai persen koefisien keragaman (% KV) yang sebesar 0.93−2.24 (n = 5) dan limit deteksi (S/N = 3) sebesar 4.71 µg l-1, menunjukkan kelayakan metode yang dikembangkan ini untuk keperluan analisis kelumit selektif ion timbel. Penggunaannya dalam analisis beberapa contoh air juga memberikan hasil yang sangat memuaskan sebagaiman ditunjukkan oleh nilai pemulihan yang tidak kurang dari 95% (Tabel 2). Tabel 2 Penentuan Pb pada contoh air Contoh Air minum Air ledeng Air sungai

Konsentrasi Pb (µg/l) Spike

Ditemukan

0 25 0 25 0 25

dld* 25.61±0.24 dld 25.97±0.29 8.13 32.65±0.17

Persen pemulihan (%) 102.44 103.88 98.55

* dld: di bawah limit deteksi

SIMPULAN Metode prakonsentrasi dan analisis kelumit selektif ion Pb(II) berbasis analisis injeksi alir menggunakan XAD-termodifikasi yang dikembangkan mampu memberikan kinerja analitik yang sangat baik. Dengan nilai persen pemulihan lebih dari 95%, persen koefisien keragaman antara 0.93 dan 2.24, dan limit deteksi sebesar 4.71 µg l-1, metode ini sangat layak digunakan untuk analisis kelumit selektif ion timbel pada tingkat konsentrasi µg l-1. Penggunaannya pada analisis beberapa jenis contoh air memperlihatkan bahwa matriks contoh tidak mengganggu analisis.

DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Garg BS, Sharma RK, Bhojak N. Microchem J 1999;61:94. Guo Y et al. Anal Chim Acta 2004;504:319. Matsubara I, Takeda Y, Ishida K. Anal Sci 2003;19:1472. Fang G, Liu Y, Meng S, Guo Y. Talanta 2002;57:1155. Pramanik S, Dhara PK, Chattophadhyay P. Talanta 2004;63:485. West TS, Nurberg H. The Determination of Trace Element in Natural Waters. London: Blackwell Scientific;1998. hlm 91-98. 7. Kalyakina, Kononova, Kachin. Bull Korean Chem 2003;24. 8. Taher MA. Croatica Chem Acta 2003;76(3):273.

139

ISOLASI DAN ANALISIS SENYAWA ANTIOKSIDAN SPONS PETROSIA SP. DAN BEBERAPA SOFT CORAL DARI PERAIRAN KEPULAUAN SERIBU Ifah Munifah*, Thamrin Wikanta, Hedi Indra Januar Research Center of Marine and Fisheries Product Processing and Biotechnology Agency for Marine and Fisheries Research, Ministry of Marine Affairs and Fisheries, Indonesia

ABSTRAK Studi kimia terhadap ekstrak semipolar spons laut dan soft coral dari Kepulauan Seribu telah dilakukan, yang meliputi isolasi, pencirian, dan uji aktivitas antioksidan. Elusidasi struktur dilakukan dengan kromatografi cair-spektrometri massa (LC-MS) Shimadzu 2010A, spektroskopi inframerah transformasi Fourier Perkin-Elmer, kromatografi gas-spektrometri massa Shimadzu 2010A, dan spektroskopi ultraviolet-tampak Lambda 25 Perkin-Elmer. Ekstrak spons dan soft coral diuji aktivitas antioksidannya secara in vitro menggunakan pereaksi 1,1-difenil-2-pikrilhidrazil dan diuji sitotoksisitasnya terhadap Artemia salina. Ekstrak etil asetat dipisahkan melalui kolom Sephadex C-8 dengan menggunakan eluen etil asetat-metanol kemudian fraksinya dianalisis dengan LC-MS Shimadzu 2010A. Studi invertebrata dari laut ini memperlihatkan bahwa fraksi semipolar dari spons Petrosia sp. memiliki aktivitas inhibisi radikal bebas yang lebih baik dibandingkan dengan ekstrak lainnya, yaitu sebesar 41.96% untuk konsentrasi 20 ppm, dengan konsentrasi inhibisi 50% 30.21 ppm, sedangkan konsentrasi mematikan 50% 90 ppm, untuk sitotoksisitasnya terhadap A. salina. Dalam uji fitokimia, fraksi metanol 27-PS-05 menunjukkan hasil positif terhadap uji Lieberman-Buchard dan Dragendorf. Berdasarkan data spektroskopi, senyawa aktif dari fraksi semipolar Petrosia sp. ini merupakan asam Np-kumarilaspartat. Kata kunci: spons, soft corals, antioksidan, sitotoksisitas, fitokimia.

ABSTRACT The chemical study of marine sponges and soft corals from Seribu Islands had led to the isolation, characterization, and antioxidant assay of the semipolar extracts. The structure was elucidated by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) Shimadzu 2010A, Fourier transform infrared spectroscopy Perkin-Elmer, gas chromatography-mass spectrometry Shimadzu 2010A, and ultravioletvisible spectrometry Lambda 25 Perkin-Elmer. Sponge and soft corals extracts were tested for their in vitro antioxidant activities by using 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl reagent, and for their cytotoxicities against Artemia salina. The ethyl acetate extract was separated by Sephadex C-8 using ethyl acetatemethanol as the eluent, then the fractions were analyzed through LC-MS 2010A. These marine invertebrates studies showed that the semipolar fraction from Petrosia sp. sponge had better inhibition activity against free radicals than other extracts, which was 41.96% for concentration of 20 ppm, with 50% inhibition concentration of 30.21 ppm and 50% lethal concentration of 90 ppm for its sitotoxitities against A. salina. In phytochemistry assay, the methanol fraction (27-PS-05) showed positive results for Lieberman-Buchard and Dragendorf assays. Based on spectroscopic evidence, the active compound from this semipolar extract of Petrosia sp. was N-p-coumarilaspartic acid. Keywords: sponge, soft corals, antioxidant, cytotoxicity, phytochemistry. * Alamat korespondensi: [email protected]

140

PENDAHULUAN Biota laut daerah tropis merupakan sumber daya alam yang kaya akan senyawa bioaktif. Pencarian bahan obat dari laut menghasilkan beberapa temuan baru yang menginspirasikan bahwa laut adalah sumber bahan obat yang potensial. Dikemukakan oleh Jadulco (2002) bahwa spons dari Indonesia, Jaspis splendens, menghasilkan senyawa bioaktif yang memiliki aktivitas antiproliferasi. Hashimoto (1997) telah mengisolasi 8 senyawa yang memiliki aktivitas hayati dalam uji pengumpanan pada ikan (fish feeding assay), yaitu asam hamigeroksalamat, hamigeramina, hamigeramida, dan hamiguanosinol dari spons Mediterania Hamigera hamigera (famili Anchinoideae). Senyawa-senyawa ini merupakan kelompok nukleosida yang memiliki aktivitas antitumor dan antivirus. Menurut Lik et al. (2000), simbiosis spons Sigmadocia symbiotica dengan alga merah dari perairan Pulau Biaro, Indonesia menghasilkan senyawa bioaktif berupa metabolit sekunder heptapeptida siklik yang bersifat toksik terhadap Artemia salina (uji kematian larva udang, BSLT). Hasil-hasil penelitian tersebut menyimpulkan bahwa biota laut spons memiliki potensi yang penting sebagai sumber senyawa bioaktif, yang dapat dikembangkan lebih jauh menjadi komoditas bernilai ekonomi tinggi.

BAHAN DAN METODE Persiapan Bahan Spons dan soft corals diambil dari perairan Kepulauan Seribu pada tanggal 22 Juni 2005 pada kedalaman 10−15 meter. Reagen 1,1-difenil-2-pikrilhidrazil (DPPH) diperoleh dari Sigma, sedangkan pelarut lainnya [metanol (MeOH), n-heksana, dan etil asetat (EtOAc) p. a.] diperoleh dari Merck.

Penyiapan Ekstrak Setiap contoh spons ditimbang sebanyak 100−500 g, dimaserasi menggunakan MeOH dalam tempat penyimpanan contoh yang tahan pelarut organik, dan dibiarkan selama tiga hari, kemudian disaring. Filtratnya diuapkan dan ekstrak pekat yang diperoleh dikeringkan-vakum dalam pengering beku (freeze dryer). Serbuk ekstrak metanol yang dihasilkan difraksionasi dengan pelarut n-heksana dan etil asetat. Fraksi EtOAc yang diperoleh diuapkan hingga diperoleh ekstrak kering yang merupakan kumpulan senyawa semipolar. Ekstrak semipolar ini yang selanjutnya dianalisis aktivitas antioksidannya.

Penentuan Aktivitas Antioksidan melalui Inhibisi Radikal DPPH Prosedur pengujian yang digunakan merupakan modifikasi dari metode Chow et al. (2003) dan Panichayupakaranant & Kaewsuwan (2004). Pertama-tama, larutan blangko dibuat dengan cara menambahkan metanol ke dalam 1 ml DPPH 0.1 N sampai volumenya 5 ml. Kemudian dibuat larutan ekstrak semipolar dengan konsentrasi 20 ppm, sesuai dengan batasan konsentrasi untuk menentukan potensi suatu senyawa antioksidan. Setelah itu, setiap larutan contoh dengan volume yang sama diberi 1 ml DPPH dan diencerkan dengan metanol sampai volumenya 5 ml. Setelah diinkubasi pada suhu 37 °C selama 30 menit, perhitungan kuantitatif dapat dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis) pada panjang gelombang 515 nm. Daya inhibisi radikal bebas contoh dihitung dengan rumus berikut: % inhibisi =

Astandar − Acontoh × 100% Astandar

141

Jika persen inhibisi pada konsentrasi 20 ppm di atas 50%, maka tergolong antioksidan aktif.

Pemurnian Senyawa Antioksidan Ekstrak semipolar EtOAc dari ekstrak kasar spons dilewatkan melalui kolom Sephadex C-8 dengan eluen EtOAc-MeOH untuk memisahkan fraksi besar, kemudian serapannya diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis Perkin-Elmer. Setelah itu, dilakukan pemisahan menggunakan kolom Sephadex LH-20 dengan eluen MeOH. Eluat yang diperoleh dianalisis kandungan senyawanya dengan GC-MS Shimadzu 2010.

Kondisi Pemisahan Untuk mengidentifikasi senyawa aktif antioksidan, dilakukan analisis kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) terhadap subfraksi 1 yang memiliki inhibisi paling baik dibandingkan dengan semua subfraksi hasil pemisahan dengan kolom kromatografi preparatif Sephadex C-8 sebelumnya. Instrumen HPLC yang digunakan adalah Shimadzu LC-MS 2010A, dengan kolom Princeton Omni C-18, 150 × 2 mm, 3 µ, 100 A, dan fase gerak isokratik (asetonitril 100%); volume injektor 5 µL, 10 ppm. Hasil pemisahan selanjutnya dideteksi dengan photodiode array, menggunakan berkas UV-Vis pada panjang gelombang 200−800 nm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengambilan spons dilakukan di Kepulauan Seribu yang terletak di utara Tangerang-DKI Jakarta. Gambar 1 menunjukkan peta lokasi pengambilan contoh spons dan soft coral pada stasiun 2.

Gambar 1 Lokasi pengambilan contoh di perairan Kepulauan Seribu tanggal 22 Juni 2005. Walaupun vitamin C dan E telah lama dikenal sebagai senyawa antioksidan komersial, keduanya memiliki kelemahan dalam stabilitas terhadap cahaya dan panas. Oleh karena itu, penelitian untuk mencari senyawa antioksidan baru yang memiliki stabilitas lebih baik dan toksisitas yang rendah merupakan riset nutrakeutikal yang potensial, terutama pada spons dan soft coral yang dikenal sebagai sumber eksplorasi senyawa bahan alam baru dari biota perairan. Secara umum, senyawa antioksidan terdapat dalam jumlah sedikit pada biota spons dan soft coral. Tabel 1 memperlihatkan hasil uji tahap awal eksplorasi antioksidan menggunakan metode DPPH pada konsentrasi 20 ppm.

142

Tabel 1 Hasil uji tahap awal eksplorasi antioksidan dengan metode DPPH pada konsentrasi 20 ppm Kode Contoh PS

Warna

Inhibisi radikal

Morfologi

22

Sarcophyton

cokelat muda

24

Sarcophyton

cokelat

26

Sinularia

abu-abu

27

Petrosia sp.

32

Sarcophyton

cokelat ungu kuning keabuabuan

35

Dendronephthya

jingga

36

Sarcophyton

39

Sinularia

cokelat abu-abu kehitaman

40

Sarcophyton

abu-abu

43

Demonspongia

jingga

44

Sinularia

45

Sarcophyton

abu-abu kuning keabuabuan

lembaran berlekuk, dengan bulu-bulu halus pada lekukannya lembaran berlekuk, dengan bintik-bintik pada permukaannya lembaran dengan tonjolan panjang dan bintikbintik pada permukaannya bongkahan bercabang bulat, permukaan licin bentuk kelopak bunga, permukaan halus, dan keras batang bercabang dengan lubang pada ujungnya lembaran berlekuk, halus, licin, dan berlendir lembaran dengn tonjolan

0.6 2.17 0.04 41.96 22.01 5.03 5.19 3.34

bongkahan bercabang bulat, permukaan licin berlendir batang pipa bercabang, permukaan kasar, dan tekstur lunak lembaran dengan tonjolan dan bintik-bintik bentuk kelopak bunga, permukaan halus, dan keras

2.11 2.3 0.06 23.03

Dari hasil uji antioksidan tahap awal terhadap ekstrak kasar metanol dari spons dan soft coral yang didapatkan di perairan Kepulauan Seribu, diperoleh satu contoh (27-PS-05) yang merupakan biota Demonspongia dengan bioaktivitas yang baik. Untuk mengisolasi bahan aktif dari biota ini, tahap awal yang dilakukan adalah fraksionasi menggunakan pelarut metanol dan etil asetat untuk mengetahui kepolarannya. Rendemen hasil fraksionasi diberikan pada Tabel 2. Tabel 2 Rendemen fraksionasi awal menggunakan etil asetat dan methanol terhadap ekstrak kasar metanol 27-PS-05 27-PS-05:

Bobot awal = 502.10 mg

Fraksi MeOH EtOAc

wo (g) 18.8050 18.7911 Fraksi taklarut

wi (g)

w = wi − wo

Rendemen (%)

19.0922 18.7918

287.2 0.7 214.2

57.20 0.14 42.66

Ekstrak kasar metanol 27-PS-05 memiliki fraksi organik terbanyak pada pelarut metanol, sedangkan fraksi semipolarnya (etil asetat) sangat sedikit sehingga tak mungkin diuji lebih lanjut dan diisolasi. Seperti ekstrak kasar dari biota laut lainnya, sebanyak 42.66% tidak larut dalam metanol maupun etil asetat p.a. dan diduga merupakan pengotor dari garam-garam laut. Data fraksionasi ini menunjukkan bahwa senyawa aktif antioksidan dari 27-PS-05 memiliki kepolaran relatif di atas 3.4. Karena rendemen fraksi etil asetat sangat rendah, fokus uji selanjutnya ialah fraksi metanol. Hasil uji inhibisi radikal bebas DPPH serta toksisitasnya terhadap Artemia salina dengan kontrol vitamin C dari fraksi ini dapat dilihat pada Tabel 3.

143

Tabel 3 Hasil uji inhibisi radikal bebas DPPH dan uji toksisitas menggunakan BSLT dari fraksi metanol 27-PS-05 serta vitamin C. Antioksidan

Vitamin C

Konsentrasi (ppm) 3 6 9 12 15 LC50 9.037

Vitamin C

Konsentrasi (ppm) 1000 100 10 LC50 95

Inhibisi 23.59 35.61 47.17 64.60 76.18 ppm

27 PS-05

Konsentrasi (ppm) 200 100 50 25 12.5 LC50 30.21

Inhibisi 92.64 92.52 79.65 46.15 19.85 ppm

Konsentrasi (ppm) 1000 100 10 LC50 90

Kematian (%)

Toksisitas terhadap A. salina Kematian (%) 27-PS-05 ppm

ppm

Walaupun data bioaktivitas antioksidan menunjukkan bahwa konsentrasi inhibisi 50% (IC50) fraksi metanol 27-PS-05 hanya sebesar 33% dari daya hambat radikal bebas standar vitamin C, data BSLT menunjukkan bahwa senyawa aktif ini cukup baik untuk diteliti karena toksisitasnya lebih rendah. Menurut Langseth (1995) dan Brand-Williams et al. (1995), vitamin C memang memiliki kelemahan dalam hal toksisitasnya pada dosis berlebih dan juga ketidakstabilannya terhadap cahaya dan panas. Oleh karena itu, eksplorasi model senyawa baru yang memiliki tingkat toksisitas lebih rendah dan stabilitas lebih baik tetap merupakan studi bahan alam yang potensial. Golongan metabolit sekunder selanjutnya diuji inhibisi radikal-bebas-DPPH secara kualitatif untuk mendapatkan golongan senyawa aktif yang akan diisolasi. Analisis kualitatif ini dilakukan dengan HPTLC (kromatografi lapis tipis-kinerja tinggi). Gabungan uji hayati dan analisis kualitatif golongan metabolit sekunder ini sangat penting pada proses pemurnian senyawa aktif tertentu yang tidak diketahui identitasnya. Tahapan ini akan menghasilkan identitas awal senyawa aktif secara cepat dan juga metode pemisahannya, sehingga memudahkan proses kromatografi preparatif selanjutnya. Hasil uji ini dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Uji kualitatif DPPH dan fitokimia fraksi metanol 27-PS-05 No.

Rf

Golongan

DPPH Kualitatif

1 2 3 4

0.0125 0.125 0.25 0.975

tidak teridentifikasi tidak teridentifikasi alkaloid terpenoid

− − + +

Hasil uji fitokimia menunjukkan bahwa fraksi metanol 27-PS-05 bereaksi positif dengan pereaksi Lieberman-Buchard (LB) dan Dragendorf. Berdasarkan literatur (Chow et al. 2003; Hall & Uppett et al. 1997), hasil positif terhadap pereaksi LB menunjukkan bahwa contoh uji mengandung triterpenoid, saponin, steroid, atau senyawa lipofilik lainnya. Sementara hasil positif terhadap pereaksi Dragendorf menunjukkan bahwa contoh uji dapat mengandung alkaloid, amina, atau senyawa turunan nitrogen lainnya. Uji DPPH kualitatif yang dilakukan menunjukkan bahwa senyawa aktif yang menjadi fokus isolasi adalah yang memiliki Rf terkecil pada lempeng silika, berarti yang paling polar, dan merupakan senyawa utama di dalam fraksi metanol tersebut.

144

Sebelum dilakukan kromatografi preparatif, dilakukan analisis menggunakan HPLC (Gambar 2). Data analisis awal ini sangat berguna sebagai pembanding dengan hasil kolom preparatif, untuk menganalisis kinerja kolom preparatif yang digunakan. Selanjutnya, fraksi dilarutkan dalam 2 ml metanol lalu dimasukkan ke dalam kolom kromatografi preparatif. Hasil fraksionasi dapat dilihat pada Gambar 3. ID#1 290nm (1.00) ID#2 280nm (1.00) ID#3 440nm (1.00)

mAbs 75 50 25 0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14 min

Gambar 2 Pemisahan senyawa-senyawa dalam fraksi metanol 27-PS-05 menggunakan HPLC. 280

290

370

440

5 4.5 4 3.5

(A)

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

min

Gambar 3 Kromatogram preparatif Sephadex C-8 dari fraksi metanol 27-PS-05. Terlihat bahwa latar pemisahan masih terlalu tinggi, artinya terdapat senyawa lain yang terbawa selama pemisahan. Berdasarkan kromatogram fraksionasi, vial-vial yang puncaknya sama digabungkan menjadi 12 subfraksi. Kemudian masing-masing subfraksi diuji secara kualitatif daya inhibisinya terhadap radikal bebas menggunakan TLC dengan pereaksi deteksi DPPH. Rendemen dan hasil uji antioksidan kualitatif dan kuantitatif dari setiap subfraksi diberikan pada Tabel 5. Perbandingan antara data uji antioksidan dan kromatogram kolom Sephadex C-8 sebelumnya menunjukkan bahwa terdapat 2 golongan senyawa yang memiliki bioaktivitas antioksidan. Golongan senyawa pertama, yang terdapat pada subfraksi 1 dan 2, merupakan senyawa berwarna (memiliki serapan di daerah tampak pada 440 nm), dan juga memiliki gugus karbonil, karena menunjukkan serapan pada 280 nm. Golongan senyawa kedua merupakan senyawa dengan gugus karbonil tanpa warna (hanya menyerap pada 280 nm) dan terdapat pada subfraksi 5−9. Berdasarkan Tabel 5, diketahui bahwa golongan senyawa pertama merupakan yang terbanyak dengan rendemen total 22.47% dari keseluruhan fraksi metanol 27-PS-05 dan memiliki daya inhibisi radikal bebas tertinggi dibandingkan dengan subfraksi yang lain. Golongan senyawa kedua merupakan golongan minor dengan rendemen total 12.3% dan daya inhibisi yang relatif lebih rendah dibandingkan dengan golongan pertama. Untuk mengidentifikasi senyawa aktif antioksidan dari setiap golongan senyawa yang didapatkan, analisis HPLC dilakukan terhadap subfraksi 1 yang memiliki inhibisi paling baik di antara semua subfraksi hasil pemisahan kolom kromatografi preparatif Sephadex C-8 sebelumnya.

145

Tabel 5 Rendemen dan hasil uji DPPH tiap subfraksi hasil kromatografi kolom preparatif Sephadex C-8 dari fraksi metanol 27-PS-05 Subfraksi

Eluen

Min

wo (g)

wi (g)

w = wi - wo

Rendemen (%)

DPPH Kuantitatif, 50 ppm

DPPH Kualitatif*

1

MeOH 100%

2−4

18.7996

18.8621

62.5

22.47

48.093

+

2

MeOH 100%

6

18.9094

18.9826

73.2

26.31

42.990

+

3

MeOH 100%

11−12

18.8415

18.8453

3.8

1.37

8.648

−

4

MeOH 100%

13−17

18.5762

18.5829

6.7

2.41

11.410

−

5

MeOH 100%

23−31

37.1091

37.1214

12.3

4.42

46.450

+

6

MeOH 100%

35−36

18.5986

18.6091

10.5

3.77

13.992

+

7

MeOH 60%

40−41

18.7174

18.7315

14.1

5.07

14.853

+

8

MeOH 60%

43

18.7809

18.7850

4.1

1.47

19.128

+

9

MeOH 60%

45

18.4916

18.4984

6.8

2.44

27.710

+

10

For 1%, 100%

56−60

18.7574

18.7608

3.4

1.22

15.554

−

11

For 1%, 100%

62−63

18.7479

18.7482

0.3

0.11

19.129

−

12

For 1%, 100%

66−68

18.6516

18.6524

0.8

0.29

6.681

−

79.7

28.65

w yang hilang * perubahan warna ungu menjadi kuning

Kromatogram HPLC pada Gambar 4 memperlihatkan bahwa senyawa dalam subfraksi 1 hampir murni. Untuk memisahkan senyawa mayor tersebut dari pengotornya, dilakukan pemisahan dengan kromatografi kolom gravitasi menggunakan Sephadex LH-20 dan eluen metanol. Hasil kolom kemudian diuji kemurniannya menggunakan kromatografi gas-spektrometri massa (GC-MS) (Gambar 5). ID#1 MaxP lot (1.00)

mAbs 70 60 50 40 30 20 10 0

2.5

5.0

7.5

10 .0

12.5

15.0

17.5

min

Gambar 4 Kromatogram HPLC dari subfraksi 1. (x10,000,000) TIC 7.5

5.0

2.5 1 0.0 5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

Gambar 5 Kromatogram GC-MS isolat antioksidan dari biota Demonspongia 27-PS-05. Kromatogram memperlihatkan bahwa senyawa hasil kolom telah murni dan dapat diidentifikasi lebih lanjut. Gambar 6 merupakan spektrum UV-Vis dari isolat antioksidan tersebut, dan Gambar 7 merupakan spektrum FTIR-nya.

146

4.58 /1.00

mAbs 35

30

25

280.43

20

15

315.44 316.70 319.20 320.46 321.71 322.97 326.73 327.99

5

249.30

10

0

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

nm

Gambar 6 Spektrum UV-Vis isolat antioksidan dari biota Demonspongia 27-PS-05. 50,4

45

40

35

30

25 1414,23;23,96

%T

20

1046,72;21,14 1728,64;19,68

15

1216,97;16,59 603,40;14,31

10

5

0

1636,97;6,63

3433,57;0,56

-5 -9,2 4000,0

3600

3200

2800

2400

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

450,0

cm-1

Gambar 7 Spektrum FTIR isolat antioksidan dari biota Demonspongia 27-PS-05. Elusidasi terhadap spektrum yang dibandingkan dengan Natural Product Dictionaries (Champan & Hall 2001) mengusulkan bahwa senyawa aktif antioksidan dari biota ini adalah asam N-pkumarilaspartat, dengan rumus struktur seperti pada Gambar 8.

HO HO2CCH2

HN

O

C CO2H H

Gambar 8 Struktur senyawa asam N-p-kumarilaspartat, antioksidan dari biota Demonspongia 27-PS-05.

SIMPULAN Studi invertebrata dari laut ini memperlihatkan bahwa fraksi semipolar dari spons Petrosia sp. memiliki aktivitas inhibisi melawan radikal bebas yang lebih baik dibandingkan dengan ekstrak lainnya, yaitu sebesar 41.96% untuk konsentrasi DPPH 20 ppm, dengan IC50 30.21 ppm, dan LC50 90 ppm untuk sitotoksisitasnya terhadap A. salina. Dari hasil uji fitokimia, fraksi metanol 27-PS-05 menunjukkan hasil positif terhadap pereaksi LB dan Dragendorf. Hasil analisis spektroskopi menyimpulkan bahwa senyawa aktif dalam fraksi semipolar Petrosia sp. ialah asam N-p-kumarilaspartat.

147

DAFTAR PUSTAKA Brand-Williams W, Cuvelier ME, Berset C. 1995. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. U-Technol 28:25-30. Chow ST, Chao WW, Chung YC. 2003. Antioxidative activity and safety of 50% ethanolic red bean extract (Phaseolus raditus L. Var Aurea). J Food Sci 68:21-25. Gunawan A. 2002. Food Combining–Kombinasi Makanan Serasi Pola Makan untuk Langsing dan Sehat. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. hlm 104-105. Hall CA, Uppett SL. 1997. Structure-Activities of Natural Antioxidants: Antioxidant Methodology. Illinois: AOCS Pr. hlm 167-168. Hashimoto Y. 1997. Marine Toxins and Other Bioactive Marine Metabolites. Japan Scientific Societies Pr. hlm 220-230. Ireland CM et al. 1993. Biomedical potencial of marine products. Di dalam: Ataway DH, Zaborsky OR, editor. Marine Biotechnology, Pharmaceutical and Bioactive Natural Products. Vol ke-1. New York: Plenum Pr. hlm 77-79. Jansen B. 2003. Khasiat Jus–Cara Alami Hidup Lebih Sehat dan Panjang Umur. Slamet R, Sudarmadji, penerjemah. Jakarta: Prestasi Utama. hlm 69. Jadulco RC. 2002. Isolation and structure elucidation of bioactive secondary metabolites from marine sponges and sponge-derived fungi [disertasi]. University of Wuerzburg. Lik TT, Williamson RT, Gerwick WH. 2000. Cis, cis- and trans, trans-ceratospongamide, new bioactive cyclic heptapeptides from the Indonesian red alga Ceratodictyon spongium and syimbiotic sponge Sigmadocia symbiotica. J Org Chem 65:419-425. Lillian L. 1995. Oxidants, Antioxidants, and Disease Prevention. Belgium: International Life Science Institute Pr. Oke JM, Hamburger MO. 2002. Screening of some Nigerian medical plants for antioxidant activity using DPPH radical. African J Biomed Res 5:77-79. Panichayupakaranant P, Kaewsuwan S. 2004. Bioassay-guided isolation of the antioxidant constituent from Cassia alata L. leaves Songklanakarin J Sci Technol 26:103-107. Tri W et al. 2001. Uji peredaman radikal bebas terhadap DPPH dari ekstrak kulit buah dan biji anggur (Vitis venifera L.). Artocarpus 1:34-43.

148

PENGGUNAAN KITOSAN UNTUK MENINGKATKAN PERMEABILITAS (FLUKS) DAN PERMSELEKTIVITAS (KOEFISIEN REJEKSI) MEMBRAN SELULOSA ASETAT Maria Erna1, T Ariful Amri, Resti Yevira2 1)Program

Studi Pendidikan Kimia, FKIP, Universitas Riau, Pekanbaru Kimia FMIPA, Universitas Riau, Pekanbaru

2)Jurusan

ABSTRAK Membran selulosa asetat dapat diperbaiki nilai fluks dan koefisien rejeksinya dengan menggunakan kitosan. Caranya adalah dengan melarutkan campuran selulosa asetat dan kitosan (nisbah 0−100%) dalam formamida 24% lalu ditambahkan aseton 59%. Membran selulosa asetat yang paling baik didapatkan saat penambahan kitosan 29.4%, dengan fluks air 68.3 l m-2 jam-1 atm-1 dan koefisien rejeksi terhadap dekstran T-500 78.16%. Hasil foto mikroskop elektron payaran menunjukkan ketidakhomogenan pori-pori permukaan membran, karena kitosan terdistribusi pada permukaan membran. Foto penampang melintang memperlihatkan bahwa membran tersebut asimetris. Kata kunci: fluks, kitosan, koefisien rejeksi, membran, selulosa asetat.

ABSTRACT The cellulose acetate membranes can be improved for their flux and rejection coefficient by using chitosan. The method was by dissolving blend of cellulose acetate and chitosan (0−100% ratio) in 24% formamide, then 59% acetone was added. The best cellulose acetate membrane was obtained when 29.4% chitosan was added, with water flux of 68.3 l m-2 h-1 atm-1 and dextran T-500 rejection coefficient of 78.16%. The photo resulted by scanning electron microscope showed pore inhomogeneity of the membrane surface, because chitosan was distributed on the membrane surface. A cross-section photo showed that the membrane was asymmetric. Keywords: flux, chitosan, rejection coefficient, membrane, cellulose acetate.

PENDAHULUAN Membran didefinisikan sebagai suatu lapisan tipis semipermeabel yang berada di antara dua fase. Teknologi membran banyak digunakan dalam industri sebagai alternatif dari teknologi pemisahan konvensional, misalnya penyulingan, ekstraksi, dan kromatografi. Keuntungan dalam penggunaan teknologi membran adalah dapat digunakan pada suhu kamar, tidak destruktif, pemisahan dapat berjalan terus-menerus, dan tidak banyak membutuhkan energi. Efisiensi membran ditentukan oleh permeabilitas dan permselektivitasnya, yang sangat dipengaruhi oleh jenis polimer dan teknik pembuatannya. Membran yang baik memiliki permeabilitas dan permselektivitas yang tinggi. Penelitian yang dilakukan oleh Nasir & Radiman (2000) menunjukkan bahwa kondisi optimum pembuatan membran selulosa asetat diperoleh pada komposisi selulosa asetat 17%, formamida 24%, dan aseton 59% (b/b). Membran tersebut memiliki fluks air 52.8 l m-2 jam-1 atm-1

149

dan koefisien rejeksi terhadap dekstran 97.08%. Nilai fluks tersebut tergolong rendah walaupun koefisien rejeksinya tinggi. Untuk mendapatkan membran dengan fluks dan koefisien rejeksi yang tinggi, dalam penelitian ini dibuat membran poliblend selulosa asetat-kitosan. Selulosa asetat dipilih karena memiliki kristalinitas yang baik (Mulder 1991) dan tidak larut dalam air. Sementara kitosan digunakan karena stabil, bersifat hidrofilik (Feng & Huang 1996), dan tidak larut dalam sebagian besar pelarut, tetapi dapat larut dalam asam (misalnya asam asetat) (Mima et al. 1983). Membran dibuat dengan metode inversi fase, yaitu pengendapan, pencelupan, dan pencampuran selulosa asetat-kitosan dengan komposisi yang beragam. Komposisi aseton dan formamida dibuat tetap, yaitu 59 dan 24% (b/b). Setelah itu, membran dicirikan. Hasil pencirian digunakan untuk menentukan nisbah selulosa asetat-kitosan yang permeabilitas dan permselektivitas membrannya optimum dan untuk mengamati morfologinya.

BAHAN DAN METODE Kitosan dibuat dari kitin yang berasal dari kulit udang. Kulit udang yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari udang dogol yang diambil dari Kabupaten Rokan Hilir. Kulit udang dibersihkan, dicuci, dan dikeringkan dalam oven selama 5 jam pada suhu 70−75 ºC. Setelah itu, kulit udang kering digiling. Serbuk kulit udang tersebut dideproteinasi dan didemineralisasi berturut-turut dengan NaOH 1 N dan HCl 1 N. Kitin yang diperoleh lalu direfluks dengan aseton sampai terbentuk butiran-butiran putih. Kitin tersebut diubah menjadi kitosan melalui proses deasetilasi dengan menambahkan NaOH 50% lalu dipanaskan pada suhu 100 oC selama 2 jam. Kitosan yang diperoleh kemudian disaring, dicuci, dan dikeringkan (Mima et al. 1983) Membran dibuat dengan mencampurkan selulosa asetat 17% dan kitosan dengan variasi 0−100%. Sebelumnya kitosan dilarutkan dalam asam asetat dengan nisbah 1:10 (b/v). Setelah itu, ditambahkan formamida 24% dan aseton 59% (b/b). Larutan diaduk selama 20 jam, lalu didiamkan selama 4 jam. Pencetakan membran dilakukan pada pelat kaca yang telah dilapisi selotip di sisi kiri dan kanannya. Larutan dituangkan di atas pelat itu dan diratakan dengan batang silinder baja nirkarat sehingga terbentuk lapisan tipis. Setelah itu, kaca direndam di dalam bak koagulasi. Membran yang sudah terkoagulasi dicuci berkali-kali dengan air mengalir untuk menghilangkan sisa pelarut lalu dipotong sesuai dengan bentuk sel, yaitu bulat. Penentuan permeabilitas membran terhadap air dilakukan dengan meletakkan membran di dalam sel lalu sel diisi dengan 150 ml air demineralisasi. Setelah dikompaksi dengan tekanan 1 atm, air dibiarkan mengalir selama 30 menit. Volume air yang mengalir tiap 5 menit dicatat. Permselektivitas terhadap dekstran T-500 ditentukan dengan cara mengisi sel dengan larutan dekstran 0.1% dan dibiarkan mengalir sampai fluks konstan. Sebanyak 5 ml larutan dekstran bagian permeat dan konsentrat diencerkan 10 kali. Hasil pengencerannya ditambah 1 ml larutan fenol 5% dan 5 ml H2SO4 pekat. Serapan larutan diukur dengan Spectronic-20D® pada panjang gelombang 490 nm. Mikroskop elektron payaran (SEM) digunakan untuk mencirikan morfologi membran. Yang difoto ialah permukaan atas dan penampang-lintang membran yang mempunyai permeabilitas dan permselektivitas baik.

HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 1 memperlihatkan bahwa dari 10 komposisi membran yang dicobakan, hanya membran 1 sampai 5 dengan lambang (+) yang berhasil dibuat. Membran 6−10 dengan lambang (−) tidak berhasil

150

dibuat. Hal ini disebabkan konsentrasi selulosa asetat sebagai bahan utama membran lebih sedikit daripada konsentrasi kitosan sehingga selulosa asetat tidak bisa menahan kitosan. Akibatnya membran akan hancur dan tidak dapat terbentuk. Selulosa asetat dan kitosan yang dicampurkan tidak bereaksi secara kimia; kitosan hanya terikat pada rantai selulosa asetat. Tabel 1 Hasil pembuatan membran poliblend selulosa asetat-kitosan No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Persentase konsentrasi kitosan ( % ) 0 5.9 17.6 29.4 41.2 52.9 65 74.5 88.2 100

Membran yang berhasil dibuat + + + + + − − − − −

Fluks (l m-2 Jam-1 atm-1)

Hasil pencirian menunjukkan bahwa membran yang memiliki nilai fluks dan koefisien rejeksi hampir sama besar adalah membran yang dibuat dengan penambahan 29.4% kitosan. Hasil selengkapnya ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. Hal ini disebabkan kitosan yang terikat pada selulosa asetat akan memengaruhi besar dan bentuk pori-pori membran. Semakin tinggi persentase kitosan, pori-pori membran juga semakin besar sehingga fluksnya semakin tinggi. Akan tetapi, konsentrasi kitosan di atas 40% menyebabkan penurunan fluks membran karena selulosa asetat tidak dapat lagi menahan kitosan. 80 60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

Persentase konsentrasi kitosan (%)

Koefisien rejeksi (%)

Gambar 1 Kurva fluks air pada berbagai persentase kitosan. 100 80 60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

Persentase konsentrasi kitosan (%)

Gambar 2 Kurva koefisien rejeksi pada berbagai persentase kitosan. Koefisien rejeksi membran semakin kecil dengan bertambahnya kitosan. Hal ini diakibatkan oleh ukuran pori-pori membran yang semakin besar sehingga partikel yang tertahan di permukaan

151

membran lebih sedikit. Cairan umpan akan lebih mudah lolos pada membran. Persentase kitosan di atas 40% tidak menyebabkan pembesaran pori-pori membran, terbukti dengan membesarnya nilai koefisien rejeksi. Hal tersebut terjadi karena selulosa asetat tidak mampu lagi menahan kitosan, sehingga kitosan hanya terdistribusi di permukaan membran dan dapat menutupi pori-pori membran. Hasil pengamatan morfologi membran dengan SEM diperlihatkan pada Gambar 3−5. Foto membran yang ditampilkan hanya yang persentase kitosannya 0 dan 29.4%, yaitu berturut-turut foto permukaan atas dan bawah serta penampang melintangnya. Terlihat bahwa pori-pori pada permukaan membran 0% lebih merata daripada 29.4%. Hal ini disebabkan sebagian kitosan terdistribusi di permukaan membran. Membran tanpa kitosan simetris, sedangkan yang dengan 29% kitosan asimetris. Keasimetrikan membran terbukti dengan adanya ketidaksamaan pori-pori pada permukaan atas dan bawah membran. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa inversi fase akan menghasilkan membran asimetris.

(a)

(b)

Gambar 3 Foto permukaan atas membran tanpa kitosan (a) dan membran dengan 29.4% kitosan (b).

(a)

(b)

Gambar 4 Foto permukaan bawah membran tanpa kitosan (a) dan membran dengan 29.4% kitosan (b).

(a)

(b)

Gambar 5 Foto penampang lintang membran tanpa kitosan (a) dan membran dengan 29.4% kitosan (b).

152

SIMPULAN Membran selulosa asetat yang dibuat dengan pencampuran (blending) dengan kitosan mempunyai kombinasi fluks dan koefisien rejeksi lebih baik dibandingkan dengan membran selulosa asetat tanpa dicampur. Membran yang memiliki nilai fluks dan koefisien rejeksi hampir sama tinggi adalah membran dengan persentase kitosan 29.4% (fluks 68.27 l m-2 jam-1 atm-1 dan koefisien rejeksi 78.16 %). Dari hasil foto SEM terlihat bahwa kitosan yang terikat dalam selulosa asetat dapat memengaruhi bentuk dan ukuran pori-pori membran.

DAFTAR PUSTAKA Feng X, Huang RYM. 1996. Pervaporation with chitosan membrans. I. Separation of water from ethylene glycol by a chitosan/polysulfone composit membrane. J Membrane Sci 116:67-76. Mima S, Miya M, Iwamoto R, Yoshikawa S. 1983. Highly deacetylated chitosan and its properties. J Appl Polym Sci 28:1909-1917. Mulder M. 1991. Basic Principles of Membrane Technology. London: Kluwer Academic. Nasir M, Radiman CL. 2000. Pembuatan membran ultrafiltrasi selulosa asetat untuk pemekatan enzim α-amilase. Di dalam: Prosiding Seminar Kimia Bersama ITB-UKM. Bandung.

153

STUDI PENDAHULUAN: PENGGUNAAN BERULANG LARUTAN NATRIUM HIDROKSIDA DALAM PEMBUATAN KITOSAN Ariyanti Suhita Dewi, Yusro Nuri Fawzya Balai Besar Riset Pengolahan Produk dan Bioteknologi Kelautan dan Perikanan

ABSTRAK Penggunaan berulang natrium hidroksida (NaOH) dalam pembuatan kitosan telah diteliti untuk mengetahui pengaruh penggunaan larutan NaOH dalam deasetilasi kitin terhadap mutu kitosan yang dihasilkan. Deasetilasi kitin dilakukan dengan 3 macam larutan NaOH, yaitu larutan NaOH 15 N baru, bekas, dan larutan NaOH bekas yang ditambah padatan NaOH hingga konsentrasinya 15 N. Mutu kitosan yang dihasilkan dari setiap perlakuan selanjutnya dievaluasi dengan mengukur rendemen, kadar air, kadar abu, kelarutan, viskositas, dan derajat deasetilasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan berulang larutan NaOH cenderung menurunkan rendemen (77.39−83.85%) dan viskositas kitosan (280−730 cps). Namun, kelarutan, kadar air, kadar abu, dan derajat deasetilasi kitosan (51−55%) relatif tidak terpengaruh. Kata kunci: kitosan, penggunaan berulang larutan NaOH.

ABSTRACT Reuse of sodium hydroxide (NaOH) solution for chitosan production had been investigated to observe the effect of using waste NaOH solution for chitin deacetylation on the quality of chitosans. Chitin deacetylation was carried out by 3 types of NaOH solution: fresh 15 N NaOH solution, waste NaOH solution, and waste NaOH solution added with NaOH solids to make its concentration 15 N. The chitosan produced from each treatment was evaluated for their qualities by measuring the yield, moisture and ash content, solubility, viscosity, and degree of deacetylation. The results showed that reusing NaOH solution tended to decrease the yield (77.39−83.85 %) and the viscosity of chitosan (280−730 cps). However, their solubility, moisture and ash content, and degree of deacetylation (51−55%) were relatively unaffected. Keywords: chitosan, reuse of NaOH solution.

PENDAHULUAN Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi serta peningkatan populasi penduduk dunia cenderung meningkatkan kegiatan manusia yang berdampak pada berbagai masalah lingkungan secara global. Masalah lingkungan yang banyak dihadapi saat ini antara lain adalah buangan limbah yang beracun dan berbahaya (limbah B3) Pencemaran lingkungan oleh limbah B3 dapat mengakibatkan masalah kesehatan yang semakin berat dan tingginya angka pesakitan baik karena penyakit infeksi maupun non-infeksi. Dalam

154

beberapa tahun terakhir ini telah terjadi transisi epidemiologik, yaitu pergeseran pola penyakit yang sebelumnya didominasi oleh penyakit infeksi menjadi penyakit non-infeksi seperti hipertensi, jantung, diabetes, gangguan fungsi ginjal, dan kanker. Sejak ditemukan oleh Rouget pada tahun 1859, penelitian tentang kitosan terus berkembang hingga saat ini. Hal ini didasarkan pada sifat polisakarida kitosan yang alami, tidak beracun, dan biodegradabel serta sangat melimpah di alam. Sifat kimiawi dan biologisnya yang unik menjadikan kitosan banyak diaplikasikan untuk keperluan komersial (Cho et al. 1998; Oktavia et al. 2005). Kitosan adalah heteropolisakarida yang terdiri atas N-asetilglukosamina dan 70% atau lebih glukosamina (Chasanah 2004; Choi et al. 2004). Polimer kationik ini tidak larut dalam air, basa kuat, dan asam sulfat, tetapi sedikit larut dalam asam klorida, asam nitrat, dan asam fosfat. Kelarutannya tinggi dalam asam organik lemah atau pelarut organik lain dengan tingkat keasaman di bawah 6.5. Kitosan dibuat dengan cara menghilangkan gugus asetil dari kitin. Salah satu sumber kitin yang cukup potensial adalah limbah cangkang krustasea. Limbah ini diketahui mengandung 30−40% protein, 30−50% kalsium karbonat, dan 20−30% kitin. Proporsi tersebut bervariasi bergantung pada jenis krustasea dan musimnya (Cho et al. 1998). Industri perikanan seperti pengolahan udang, kepiting, rajungan, dan lobster dapat menghasilkan limbah cangkang sebanyak 40−60% untuk udang dan 75−85% untuk kepiting (Suryaningrum et al. 2005). Produksi rajungan dan udang di Indonesia pada tahun 2002 masing-masing adalah 31,228 dan 241,485 ton (Dirjen Perikanan Tangkap 2004 dalam Oktavia et al. 2005). Berdasarkan data tersebut, limbah rajungan dan udang yang dihasilkan pada tahun 2002 berturut-turut mencapai sekitar 25,000 dan 126,000 ton. Proses deasetilasi kitin secara sempurna hanya dapat dilakukan dalam larutan basa dengan konsentrasi 70–90% bergantung pada metode yang digunakan (Li et al. 1997). Beberapa penelitian juga menyebutkan bahwa deasetilasi kitin dapat dilakukan pada suhu 70 °C dengan larutan NaOH 60% selama 3 hari (Oktavia et al. 2005) atau pada suhu yang lebih tinggi, yaitu 100–150 °C (Muzzarelli 1977 dalam Fauzan 2001) dan 120–140 °C (Suptijah et al. 1992 dalam Fauzan 2001). Limbah NaOH yang dihasilkan dari proses deasetilasi ini cukup pekat, dan karena bersifat korosif diperlukan penanganan lebih lanjut untuk meminimumkan dampak berbahaya yang dapat ditimbulkan. Salah satunya dikenal sebagai 3R (reuse, reduce, dan recycle). Pada penelitian ini larutan NaOH digunakan untuk beberapa kali deasetilasi kitin agar mengurangi keberbahayaan limbah yang dihasilkan. Kemudian pengaruh penggunaan berulang ini pada proses deasetilasi kitin dan mutu kitosan yang dihasilkan, dipelajari.

BAHAN DAN METODE Bahan Bahan yang digunakan adalah kitin yang dibuat dari limbah rajungan di Cirebon, NaOH teknis, kalium hidrogen ftalat (KHP), asam asetat glasial, KBr, dan bahan kimia lainnya untuk analisis.

Metode Kitosan dibuat dengan 5 ragam perlakuan konsentrasi larutan NaOH untuk proses deasetilasi: Kitosan A: larutan NaOH baru dengan konsentrasi 15 N. Kitosan B: larutan NaOH bekas 1 kali pakai. Kitosan C: larutan NaOH bekas 1 kali pakai ditambah dengan padatan NaOH agar konsentrasinya 15 N. Kitosan D: larutan NaOH bekas 2 kali pakai. Kitosan E: larutan NaOH bekas 2 kali pakai yang diperlakukan sama dengan kitosan C. Semua larutan NaOH distandardisasi terlebih dahulu dengan KHP sebelum dipergunakan untuk mendeasetilasi kitin.

155

Pembuatan kitosan dilakukan 2 kali berdasarkan metode Oktavia et al. (2005), yaitu dengan cara merendam kitin dalam larutan NaOH pada suhu 70 οC dalam penangas air selama 3 hari. Setelah itu, kitosan yang dihasilkan dicuci hingga pH netral dan dikeringkan dalam oven pada suhu 50 οC selama kira-kira 12 jam. Diagram alir pembuatan kitosan disajikan pada Gambar 1.

Gambar 1 Diagram alir pembuatan kitosan menggunakan NaOH berulang.

Pengamatan Parameter mutu kitosan yang diamati meliputi rendemen, kadar air, kadar abu, kelarutan, viskositas, dan derajat deasetilasi. Rendemen merupakan nisbah bobot kitosan (akhir) terhadap bobot kitin (awal) yang dinyatakan dalam persen. Sementara, kadar air ditentukan dengan metode AOAC (1999), yaitu sebanyak 1 g kitosan dalam cawan porselen ditimbang dan dipanaskan dalam oven 105 ο C selama lebih kurang 24 jam. Contoh selanjutnya didinginkan dalam desikator dan ditimbang. Kadar air dihitung sebagai nisbah dalam persen antara selisih bobot contoh awal dan akhir (bobot contoh yang hilang karena penguapan) dan bobot contoh awal. Kitosan yang telah diukur kadar airnya lalu diarangkan dan diabukan dalam tanur 600 οC selama sekitar 5 jam. Setelah itu, abu kitosan didinginkan dalam desikator dan ditimbang. Kadar abu dihitung sebagai nisbah bobot abu terhadap bobot contoh awal, dinyatakan dalam persen (AOAC 1999). Kelarutan kitosan ditentukan dengan metode filtrat (Aumeilia 2004). Sebanyak 1 ml larutan kitosan 1% dalam asam asetat 1% dimasukkan dalam cawan porselen dan dioven pada suhu 100 οC selama kira-kira 1 jam. Selisih bobot cawan porselen sebelum dan sesudah pemanasan menunjukkan banyaknya contoh kitosan yang terlarut. Kelarutan juga dinyatakan dalam persen.

156

Viskositas larutan kitosan 1% dalam asam asetat 1% diukur dengan viskometer Brookfield (model LVF seri: 88883). Spindel yang digunakan adalah spindel 3 dengan kecepatan 60 rpm. Nilai kekentalan kitosan dihitung dengan persamaan berikut: Viskositas (cPs) = nilai terukur × faktor konversi Faktor konversi untuk spindel 3 dan kecepatan 60 rpm adalah 20. Pengukuran derajat deasetilasi dilakukan dengan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) Perkin-Elmer metode Spectrum One pada bilangan gelombang 4000−450 cm-1 berdasarkan metode Domszy & Roberts. Dalam pembuatan pelet KBr, sebanyak 2 mg contoh kitosan (telah dikeringkan dalam oven 105 °C selama kira-kira 12 jam) dan 200 mg KBr dicampur dan digerus. Selanjutnya, campuran dimasukkan ke dalam alat pencetak pelet dan ditekan dengan tekanan 7−8 ton sambil divakum untuk menarik uap air yang ada. Dari absorbans gugus hidroksil pada serapan 3000– 3500 cm-1 dan gugus amida pada 1600–1700 cm-1, persentase N-asetil ditentukan dengan rumus di bawah ini (Domzy & Roberts 1985 dalam Khan et al. 2002): %N-asetil =

Aamida 100 × Ahidroksil 1.33

DD = 100% – %N-asetil

HASIL DAN PEMBAHASAN Mutu kitosan dapat ditentukan oleh jenis dan mutu bahan baku, kondisi proses, dan penanganan selama penyimpanan. Kitosan komersial umumnya memiliki standar mutu masing-masing. Lab. Protan (1987) menetapkan standar mutu kitosan seperti pada Tabel 1, sedangkan standar kitosan komersial yang dilaporkan Subasinghe (1999) disajikan dalam Tabel 2. Sementara hasil pengamatan terhadap produk kitosan yang dihasilkan diperlihatkan pada Tabel 3. Tabel 1 Standar mutu kitosan Parameter Ukuran partikel Kadar air Kadar abu Warna larutan Derajat deasetilasi

Nilai Serpihan atau serbuk ≤ 10% ≤ 2% Jernih ≥ 70%

Parameter Viskositas Rendah Sedang Tinggi Sangat tinggi

Nilai < 200 200–799 800–2000 >2000

Sumber: Lab Protan (1987)

Tabel 2 Spesifikasi kitosan komersial Spesifikasi Penampakan Kadar air Kadar abu Kadar protein Derajat deasetilasi Viskositas Ketidaklarutan Logam berat: Arsenik Timbel pH

Kitosan (farmasi) Bubuk-serpihan berwarna putih-kuning < 10% < 0.2% < 0.3% 70−100% < 5 cPs < 1%

Cairan Kitosan (teknik) Cairan jernih-kuning

< 10 ppm < 10 ppm 7.0−9.0

< 10 ppm < 10 ppm < 5.5

< 0.5% < 0.5% > 90% 50 cPs < 0.5%

Sumber: Subasinghe (1999)

157

Tabel 3 Spesifikasi kitosan yang dihasilkan dari penggunaan berulang larutan NaOH Jenis kitosan A B C D E Jenis kitosan A B C D E

Rendemen (%) 83.85 ± 2.15 88.12 ± 0.63 80.27 ± 4.02 77.39 ± 0.11 78.52 ± 1.02

Jumlah pelarut yang diperlukan untuk melarutkan 1 bagian zat 1.02 ± 0.5 0.98 ± 0.05 1.04 ± 0.06 0.95 ± 0.06 1.02 ± 0.08

Kadar air (%) 12.43 12.35 12.54 12.39 12.90 Viskositas (cPs) 730 730 460 530 280

Kadar abu (%) 0.12 0.25 0.29 0.29 0.77 Derajat deasetilasi (%) 53.44 ± 2.36 51.29 ± 1.84 54.58 ± 0.28 54.52 ± 1.84 52.41 ± 1.14

Rendemen Rendemen kitosan yang diperoleh dari penelitian ini ialah 77.39−83.85%. Nilai tersebut cenderung turun, karena proses deasetilasi mengakibatkan gugus asetil pada kitin terlarut dan terbuang pada saat pencucian. Penggunaan berulang larutan NaOH juga diduga menyebabkan depolimerisasi polimer yang menurunkan rendemen.

Kadar Air Setiap kitosan yang dihasilkan memiliki kadar air sekitar 12%, relatif lebih tinggi dibandingkan dengan persyaratan kitosan komersial pada umumnya (kurang dari 10%). Hal ini disebabkan kitosan bersifat higroskopis sehingga mudah menyerap uap air dari udara sekitar 230 sampai 440%, terutama selama masa penyimpanan (Knorr 1982 dalam Sugihartini 2001). Tingginya kadar air juga dapat disebabkan oleh tingginya konsentrasi HCl yang digunakan pada proses demineralisasi kulit udang. Kandungan mineral tersebut, walaupun rendah, mengakibatkan daya ikat kitosan terhadap air semakin kuat (Hong et al. 1989 dalam Sugihartini 2001).

Kadar Abu Kadar abu merupakan ukuran keberhasilan proses demineralisasi pada pembuatan kitin. Semakin rendah nilai kadar abu, tingkat kemurnian kitosan semakin tinggi. Demineralisasi dilakukan dengan cara merendam cangkang rajungan dalam larutan HCl. Perlakuan ini menyebabkan CaCO3 yang terkandung di dalam cangkang bereaksi dengan HCl menghasilkan CaCl2, CO2, dan air seperti terlihat dalam persamaan reaksi berikut: CaCO3(s) + 2 HCl(aq) Æ CaCl2(s) + CO2 (g) + H2O(l) Kadar abu setiap kitosan antara 0.12 dan 0.77%, relatif rendah dibandingkan dengan standar yang ditetapkan Lab. Protan, yaitu kurang dari 2%. Dengan demikian kitin yang digunakan pada penelitian ini telah melalui proses demineralisasi yang cukup.

158

Kelarutan Kelarutan merupakan parameter penting yang terkait dengan aplikasi kitosan. Meskipun tidak semua industri menetapkan kelarutan sebagai salah satu persyaratan, kelarutan kitosan dapat memengaruhi penggunaannya secara komersial. Jumlah pelarut yang diperlukan untuk melarutkan 1 bagian kitosan berkisar antara 0.95 dan 1.04 sehingga termasuk dalam kriteria mudah larut dan sangat mudah larut. Penggolongan tingkat kelarutan suatu bahan yang ditentukan dengan metode filtrat menurut Farmakope Indonesia diberikan pada Tabel 4. Tabel 4 Kriteria kelarutan berdasarkan Farmakope Indonesia Jumlah pelarut yang diperlukan untuk melarutkan 1 bagian zat <1 1–10 10–30 30–100 100–1000 1000–10000 >10000

Kriteria kelarutan Sangat mudah larut Mudah larut Larut Agak sukar larut Sukar larut Sangat sukar larut Praktis tidak larut

Sumber: Anonim (1995) dalam Basmal et al. (2005).

Setiap kitosan menunjukkan kelarutan yang tinggi dalam larutan asam asetat 1%. Hal ini dimungkinkan karena penggunaan larutan NaOH berulang dapat memotong gugus asetil kitin dan memecah rantai polimer kitosan sehingga meningkatkan kelarutannya dalam asam. Reaksi pelarutan kitosan dalam larutan asam asetat 1% adalah sebagai berikut (Rinaudo & Domand 1989): CH 2 OH O

H

CH 2 OH

O

H O OH

H

H

NH 2

H

H

CH 2 OH

O

H O

+

H+

O

H

CH 2 OH

O

H O H

OH

H

OH

H

H

NH 2

H

NH 3 +

H

O

H O OH

H

H

NH 3 +

Sepasang elektron bebas pada atom nitrogen menyebabkan gugus amino pada kitosan bersifat basa Lewis, sedangkan ion H+ pada asam asetat berfungsi sebagai asam Lewis. Ketika kitosan dilarutkan dalam larutan asam asetat, gugus amino akan mengikat ion H+ dan membentuk senyawa kitosan yang bersifat kationik.

Viskositas Informasi mengenai viskositas kitosan juga berhubungan dengan aplikasinya. Dalam bidang farmasi diperlukan kitosan dengan viskositas rendah, sedangkan untuk keperluan pengental atau pengeras bahan makanan diperlukan kitosan dengan viskositas tinggi. Rinaudo & Domand (1989) menyatakan bahwa viskositas kitosan berbanding lurus dengan bobot molekulnya. Kitosan dengan bobot molekul tinggi mempunyai viskositas yang tinggi pula, begitu pula sebaliknya. Viskositas kitosan yang berkisar antara 280 dan 730 cPs termasuk dalam viskositas sedang (Lab. Protan 1987). Viskositas kitosan A dan B yang relatif tinggi menunjukkan bahwa penggunaan larutan NaOH baru dalam pembuatan kitosan A lebih efektif dalam memotong gugus asetil dari kitin. Akibatnya, kitosan yang dihasilkan memiliki rantai polimer yang cukup panjang dan mempunyai bobot molekul cukup tinggi. Sebaliknya, viskositas kitosan C, D, dan E relatif rendah dan diduga karena

159

kondisi larutan NaOH bekas yang digunakan telah jenuh dengan gugus asetil sehingga memotong rantai utama kitin, menghasilkan kitosan dengan rantai polimer yang pendek dan bobot molekul rendah.

Derajat Deasetilasi Derajat deasetilasi menyatakan persentase gugus asetil yang telah dihilangkan dari kitin. Derajat deasetilasi yang tinggi menunjukkan bahwa kitosan yang dihasilkan murni. Konsentrasi basa yang tinggi dalam proses deasetilasi dapat meningkatkan derajat deasetilasi dan memecah rantai molekul kitosan. Akibatnya, bobot molekul dan viskositas kitosan menurun sedangkan kelarutannya meningkat. Proses deasetilasi ini dapat dilihat pada Gambar 2. Dalam larutan, NaOH akan terurai menjadi ion Na+ (positif) dan OH− (negatif). Ion hidroksil tersebut lalu menyerang karbon karbonil yang bersifat elektropositif. Produk akhir dari reaksi ini berupa kitosan dan garam natrium asetat sebagai hasil samping.

CH2OH O H

CH2OH

O

H H

O

CH2OH O

H O

+

O

NaOH

H

H

OH

H

H

NHCOCH3

OH

H

H

NHCOCH3

CH2OH

O

H H

O OH

H

H

NH2

O

H O

H OH

H

H

NH2

Kitosan

Kitin

OHH Glc

N

C O

H

CH3 Na

Glc

N

+

O

O

C O

CH3

Glc

NH2

Na+

CH3

O_Na+

H

kitin

+ CH

kitosan

natrium asetat

Gambar 2 Reaksi deasetilasi kitin. Derajat deasetilasi kitosan yang dihasilkan dalam penelitian ini ialah 51−55%, relatif lebih rendah daripada yang disyaratkan, yaitu minimum 70%. Menurut Khan et al. (2002), nilai derajat deasetilasi kitosan bergantung pada metode analisis yang digunakan. Beberapa metode penentuan derajat deasetilasi kitosan yang pernah dilaporkan antara lain metode spektrofotometer ultraviolettampak (UV-Vis) turunan pertama, titrasi, ninhidrin, resonansi magnetik inti (NMR), dan FTIR (Tan et al. 1998). Di antara metode-metode tersebut, metode FTIR paling cepat dan tidak memerlukan pelarutan kitosan dalam pelarut tertentu (Baxter et al. 1992; Sabnis & Block 1997 dalam Khan et al. 2002). Pengukuran derajat deasetilasi kitosan menggunakan metode FTIR dipengaruhi oleh kadar air kitosan. Kandungan air yang tinggi (sekitar 12%) akan memengaruhi intensitas serapan gugus hidroksil sehingga derajat deasetilasi kitosan yang terukur lebih rendah. Derajat deasetilasi setiap kitosan yang relatif sama menunjukkan bahwa penggunaan larutan NaOH berulang sampai 2 kali pakai cenderung tidak berpengaruh terhadap proses deasetilasi kitin. Menurut Maghami & Roberts (1988) serta Gummow & Roberts (1985) dalam Curotto & Aros (1993), derajat deasetilasi kitosan berpengaruh terhadap sifat fisik dan kimia serta aktivitas biologis kitosan.

160

SIMPULAN Larutan NaOH dapat digunakan secara berulang dalam pembuatan kitosan. Penggunaan larutan NaOH berulang cenderung berpengaruh terhadap rendemen dan viskositas kitosan, tetapi relatif tidak berpengaruh terhadap kelarutan, kadar air, kadar abu, dan derajat deasetilasi kitosan.

DAFTAR PUSTAKA [AOAC] Association of Official Analytical Chemists. 1999. Official Methods of Analysis. Volume ke-2. Ed ke-16. Maryland: AOAC. Aumeilia W. 2004. Pengaruh jumlah asam monokloroasetat dan jenis pelarut organik pengendap pada pembentukan karboksimetil kitin [skripsi]. Jakarta: Fakultas Farmasi, Universitas Pancasila. Basmal J, Prasetyo A, Fawzya YN. 2005. Pengaruh konsentrasi asam monokloroasetat dalam proses karboksimetilasi kitosan terhadap karboksimetil kitosan yang dihasilkan. J Penelitian Perikanan 11:47-56. Chasanah E. 2004. Characterization of chitosanase of Bacillus licheniformis mb-2 isolated from Manado hot spring water [tesis]. Bogor: Fakultas Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Cho YI, No HK, Meyers SP. 1998. Physicochemical characteristics and functional properties of various commercial chitin and chitosan products. J Agric Food Chem 46:3839-3843. Choi YJ, Kim EJ, Piao Z, Yun YC, Shin YC. 2004. Purification and characterization of chitosanase from Bacillus sp. strain kctc 0377bp and its application for the production of chitosan oligosaccharides. Appl Environ Microbiol 70:4522-4531. Curotto E, Aros F. 1993. Quantitative determination of chitosan and the percentage of free amino groups. Anal Biochem 211:240-241. Fauzan A. 2001. Pengaruh konsentrasi NaOH dan suhu proses terhadap derajat deasetilasi kitosan [skripsi]. Bogor: Fakultas Perikanan, Institut Pertanian Bogor. Khan TA, Peh KK, Ch’ng HS. 2002. Reporting degree of deacetylation values of chitosan: The influence of analytical methods. J Pharm Pharmaceut Sci 5:205-212. Lab. Protan. 1987. Cationic Polymer for Recovering Valuable By Product from Food Processing Waste. Burgess. USA. Li Q, Dunn ET, Grandmaison EW, Goosen MFA. 1997. Application and properties of chitosan. Di dalam: Applications of Chitin and Chitosan. Pennsylvania: Technomic. hlm 5. Oktavia DA, Wibowo S, Fawzya YN. 2005. Pengaruh jumlah monokloroasetat terhadap karakteristik karboksimetil kitosan dari kitosan cangkang dan kaki rajungan. J Penelitian Perikanan 11:79-88. Rinaudo M, Domand A. 1989. Solution properties of chitosan. Di dalam: Chitin and Chitosan. New York: Elsevier. hlm 73. Subasinghe S. 1999. Chitin from Shellfish Waste Health Benefits over Shadowing Industrial Uses. Info Fish International 3. Sugihartini L. 2001. Pengaruh konsentrasi asam klorida dan waktu demineralisasi kitin terhadap mutu kitosan dari cangkang rajungan (Portunus pelagicus) [skripsi]. Bogor: Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Suryaningrum TH, Basmal J, Aumeilia W. 2005. Pengaruh konsentrasi asam monokloroasetat dan jenis pelarut sebagai bahan pengendap terhadap produksi karboksimetil kitin. J Penelitian Perikanan 11:89-100. Tan SC, Khor E, Tan TK, Wong SM. 1998. The degree of deacetylation of chitosan: Advocating the first derivative UV-spectrophotometry method of determination. Talanta 45:713-719.

161

THE EFFECT OF CINNAMON ON BACTERIAL GROWTH, PROTEIN DEGRADATION, AND AMINO ACID AND FATTY ACID CONTENTS OF MILKS AT STORAGE Tatik Khusniati1*, Yantyati Widyastuti2 1Microbiology

Division, Research Center for Biology, Indonesian Institute of Sciences, Bogor Center for Biotechnology, Indonesian Institute of Sciences, Bogor

2Research

ABSTRACT Pasteurized milks might get spoiled at refrigerated storage due to psychotropic bacterial growth. Cinnamon, which contains cinnamon oil and cinnamic acids as antibacterial and aromatic compounds, may be used as milk supplement to inhibit psychotrophic bacterial activities. To investigate nutritional compounds of milks with and without cinnamon at storage, the effect of cinnamon on bacterial growth, protein degradation, and amino acid, and fatty acid contents of stored milks were detected. The detetion were made by total plate counts, formol titration, high performance liquid chromatography, and gas chromatography, respectively. The results showed that bacterial growth and protein degradation in cinnamon milks at storage of 5 to 10 days after use by date were lower than that in control. Bacterial growth and protein degradation in cinnamon whole milks (4.0 × 101−5.3 × 104 and 2.21–2.50%, respectively) were lower than that in cinnamon skim milks (9.0 × 101–9.8 × 104 and 2.70−2.88%, respectively) (P < 0.05). At 5 days after use by date, the content of alanine (1.103 mg/100 ml) in cinnamon whole milks and the content of glycine (0.589 mg/100 ml), histidine (1.094 mg/100 ml), alanine (1.127 mg/100 ml), methionine (0.795 mg/100 ml), and cysteine (0.222 mg/100 ml) in cinnamon skim milks were higher than that in control (P < 0.05). The percentage of lauric acid (8.310%), myristic acid (10.070%), oleic acid (33.148%), linoleic acid (12.254%), and linolenic acid (1.260%) in cinnamon whole milks were also higher than that in control. On the contrary, the percentage of palmitic acid (29.822%) and stearic acid (0.453%) were lower than that in control. Thus, cinnamon decreased bacterial growth and protein degradation, and changed amino acid and fatty acid contents of skim and whole milks at storage. Therefore, at storage of 5 days after use by date, cinnamon milks were better than milks without cinnamon. Keywords: pasteurized milks, skim, cinnamon, protein, amino acids, fatty acids.

INTRODUCTION Pasteurized milks are spoiled after use by date, at refrigerated temperatures, due to the activity of psychotropic bacteria, especially Pseudomonas spp. The main species that spoils pasteurized milks is Pseudomonas fluorescens (Chandler et al. 1990; Deeth et al. 2002). It has been reported that pasteurized milks which temperature is 72 °C 15’ to 88 °C 15’ in carton package stored at 4.5 and 7 °C are spoiled due to the activity of psychotropic bacteria, especially Pseudomonas sp. (Cousin 1982; Craven & Macauley 1992) and the average shelf life of milks stored at 4.5 and 7 °C are around 7 days in nontropical area (Bishop & White 1986; Brown et al. 1984; Ngi 1991). However, Heo (1989) examined commercial milk samples which temperature is 72 °C 15’ to 88 °C 15’ in carton package held at 7.2°C,

* Alamat korespondensi: [email protected]

162

and found that after 10 days of storage, 91% of milks were acceptable and even after 14 days, 82% of whole milks were still acceptable. The spoilage of pasteurized milks due to the activities of psychotropic bacteria may result in the microbial and chemical changes of the milks (Overcast & Skean 1959; Reinheimer et al. 1993). The biochemical changes of spoiled milks may be resulted from the activities of extracellular enzymes (Griffith 1989; Sorhaug & Stepaniak 1997), especially protease which degrades protein (Hsu 1984; Janzen et al. 1982) and lipase which degrades lipid (Bucky et al. 1986; Fitzgerald & Deeth 1983; Pieper & Timms 1987). The spoilage of milks may be reduced by an addition of antibacterial and aromatic supplements. Cinnamon has been known as an antibacterial and aromatic materials which may suppress the growth of psychotrophic bacteria (Jayatilaka et al. 1995; Tabak et al. 1999). The effect of cinnamon on bacterial growth, protein degradation, and amino acid and fatty acid contents of pasteurized milks at storage has not been reported yet. Cinnamon is expected to decrease bacterial growth and protein degradation and increase the content of amino acids and fatty acids of pasteurized milks. Further explanation for these effects is that cinnamon contains antibacterial and aromatic compounds of cinnamon oil and cinnamic acids that may reduce bacterial growth of psychotrophic bacteria, especially Pseudomonas spp., and decrease the protease activities of the bacteria. This decrease may result in a decrease of protein degradation of milks at storage. Moreover, cinnamon contains specific nutritional and volatile cinnamon compounds which may increase the contents of amino acids and fatty acids. This paper reported the effect of cinnamon on bacterial growth, protein degradation, and amino acid and fatty acid contents of skim and whole milks at storage.

MATERIALS AND METHODS Milk Samples Commercial pasteurized milks which temperature were 85 °C 15’ in 1 litre carton package, produced by a factory in Jakarta-Indonesia, were purchased from retail outlets at temperatures between 4 and 7 °C. Identical cartons of pasteurized milks (identical use by date, identical factory) were purchased. A lot of cartons of milks containing 1000 ml each from the same factory were used in the trials. The milk samples were transported on ice to the laboratory and stored at 4 °C until use by date stamped on the cartons. At the time of storage, a 100 ml aliquot of each milk sample was transferred aseptically into a 200 ml sterile bottle. The samples were added by cinnamon, and cinnamon milks and milks without cinnamon were then analyzed for the bacterial growth, protein degradation, and amino acid and fatty acid contents.

Preparation of Cinnamon Supplement Cinnamons which contain cinnamon oil and cinnamic acids as antibacterial and aromatic compounds were collected from some supermarkets in Bogor-Indonesia. All cinnamons were macerated in hot water (10 g in 100 ml hot water) and the mixtures were then filtered by stainless steel filter (Ø [diameter] 1 mm) to produce liquid materials as juice supplements.

Juice Supplements of Cinnamon A 50 g of cinnamon was soaked in 500 ml boiled water. The cinnamon juice produced was filtered by stainless steel filter (Ø 1mm) and the filtered juice was kept in refrigerated temperatures until ready to be used as a supplement.

163

Pasteurized Milks with Addition of Cinnamon Aliquots (100 ml) of commercial pasteurized milks were transferred aseptically from the cartons into 200 ml sterile bottles. Liquid cinnamon juices were added into separate 200 ml aliquots of the batch of pasteurized milks. The samples with addition of cinnamon, together with milks without cinnamon (control), were incubated at 4 °C for up to 15 days (5 days before use by date, at use by date, and 5 and 10 days after use by date). Bacterial growth, protein degradation, and amino acid and and fatty acid contents of control and samples were analyzed and every result was mean of three replicates.

Total Aerobic Bacterial Counts Ten-fold serial dilutions of control and samples were made and spread plate counts performed according to Australian Standard AS 1766.1.4 using nutrient agar. The plates were incubated for 2–3 days at 30 °C.

Detection of Protein Degradation Protein degradation of control and samples at all times of storage were detected by using formol titration. Ten ml of milks were added with 20 ml aquadest, 0.4 ml saturated potassium oxalate monohydrate (K2C2O4⋅H2O), and 1 ml 1% phenolphtalein. These solutions were then kept for 2 minutes, and titrated with 0.1 M NaOH until the color changed into pink. Furthermore, 2 ml formaldehyde 40% was poured and the solutions were again titrated with 0.1 M NaOH until the color change into pink. percentage (%) of milk protein = 1.83 × ml 0.1 M NaOH used in titration.

Detection of Amino Acid Compounds Amino acid contents in control and samples were detected by high performance liquid chromatography (HPLC) at the times of storage 5 and 10 days after use by date. Samples of milk were hydrolyzed to break down the protein by using 6 M HCl for 12–18 hours in vacuum gauge. The hydrolysis was meant to measure the total amino acids composing milk protein. To release compounds interfering complex reaction between PITC with amino acids, methanol and triethylamine were added as a drying solution. The complex compounds formed between PITC and amino acids were detected by fluorescence detector. Sample solutions for amino acid analyses were then injected to HPLC.

Detection of Fatty Acids Fatty acid contents in control and samples were detected by gas chromatography (GC) at 5 days after use by date after derivatization into their respective ester forms (Oiso & Yamaguchi 1985). The condition of GC were (1) packed column with column temperature of 180–200 °C and injector temperature of 230–250 °C; (2) N2 gas and flame ionization detector (FID); (3) sample volume of 1–2 µl. Fatty acid (µg/100g) = L1/L2 × C × fs × 100/W (L1: chromatogram peak height of a certain fatty acid; L2: the height of standard; C: concentration of standard; fs: solution factor; W: weight of sample).

Statistical Analysis All treatments of control and samples were statistically analyzed by Anova with factorial complete randomized design (Snedecor & Cochran 1989) using general linear model with 3 replications.

164

RESULTS The bacterial growth in whole milks at storage (5.2 × 103–9.3 × 106 cfu/ml) were lower than that in skim milks (6.2 × 104–6.5 × 107) (P < 0.05). Furthermore, the bacterial growth in both milks after addition of cinnamon at storage were lower than that in control, and the bacterial growth in cinnamon whole milks (4.0 × 101–5.3 × 104) were lower than that in cinnamon skim milks (9.0 × 101–9.8 × 104 cfu/ml) (P < 0.05). The bacterial growth of skim and whole milks with or without addition of cinnamon at times of storage were shown in Table 1. Table 1 The bacterial growth of skim and whole milks with and without addition of cinnamon at times of storage (cfu/ml) No.

Times of storage

A 1 2 3 4 B 1 2 3 4

With addition of cinnamon 5 days before use by date At use by date 5 days after use by date 10 days after use by date Without addition of cinnamon 5 days before use by date At use by date 5 days after use by date 10 days after use by date

1different

Whole milk1

Skim milk1

4.0 × 101 (a) 5.2 × 102 (c) 7.2 × 103 (f) 5.3 × 104 (h)

9.0 × 101 (b) 8.6 × 102 (d) 8.4 × 103 (g) 9.8 × 104 (k)

5.2 × 103 (e) 7.5 × 104 (j) 8.5 × 105 (l) 9.3 × 106 (n)

6.2 × 104 (i) 8.6 × 105 (l) 6.1 × 106 (m) 6.5 × 107 (o)

letters show a significant difference (P < 0.05)

The protein degradation in whole milks at storage (2.64–2.98%) were lower than that in skim milks (2.97–3.22%) (P < 0.05). Furthermore, the protein degradation in both milks after addition of cinnamon at storage were lower than that in control, and the degradation in cinnamon whole milks (2.21–2.50%) were lower than that in cinnamon skim milks (2.70–2.88%) (P < 0.05). The percentage of protein degradation in skim and whole milks with and without additon of cinnamon at times of storage were shown in Table 2. Table 2 The percentage of protein degradation in skim and whole milks with and without addition of cinnamon at times of storage (mg/100 ml) No. A 1 2 3 4 B 1 2 3 4 1different

Times of storage With addition of cinnamon 5 days before use by date At use by date 5 days after use by date 10 days after use by date Without addition of cinnamon 5 days before use by date At use by date 5 days after use by date 10 days after use by date

Whole milk1

Skim milk1

2.21 i 2.40 h 2.46 g 2.50 g

2.70 e 2.85 d 2.86 d 2.88 cd

2.64 f 2.68 ef 2.91 c 2.98 b

2.97 b 3.18 a 3.20 a 3.22 a

letters show a significant difference (P < 0.05)

From seventeen amino acids tested, the content of some amino acids in skim and whole milks with cinnamon was different with that in control at storage 5 days after use by date. Different amino acid content between whole milk with and without cinnamon addition was alanine, while that of skim milks

165

were glycine, histidine, alanine, methionine, and cysteine. The content of alanine (1.103 mg/100 ml) in cinnamon whole milks, and the content of glycine (0.589 mg/100 ml), histidine (1.094 mg/ml), alanine (1.127 mg/ml), methionine (0.795 mg/100 ml), and cysteine (0.222 mg/100 ml) in cinnamon skim milks were both higher than that in control (P < 0.05). These increments could be due to the additional amino acids from the cinnamon. The amino acid contents of skim and whole milks with and without cinnamon at storage 5 days after use by date (mg/100 ml) were shown in Table 3. Table 3 The amino acid contents of skim and whole milks with and without addition of cinnamon at 5 days after use by date (mg/100 ml) No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1different

Amino acids Aspartic acid Glutamic acid Serine Glycine Histidine Arginine Threonine Alanine Proline Tyrosine Valine Methionine Cysteine Isoleucine Leucine Phenylalanine Lysine

Whole milk1

Whole milk with cinnamon1

Skim milk1

Skim milk with cinnamon1

2.377 g 6.988 a 1.592 l 0.607 a 1.163 s 1.172 s 1.249 g-r 1.048 v* 3.672 b 1.392 n 1.776 i-j 0.831 x 0.246 d 1.747 j 3.282 d 1.398 n 2.861 f

2.386 g 6.932 a 1.594 l 0.609 a 1.175 s 1.174 s 1.245 r 1.103 tu* 3.627 b 1.395 n 1.791 i 0.832 x 0.247 d 1.742 j 3.284 d 1.397 n 2.864 f

2.292 h 6.885 a 1.487 m 0.576 u* 1.092 c* 1.162 s 1.271 p-q 1.026 w* 3.589 c 1.340 o 1.698 k 0.785 y* 0.212 f* 1.762 i-j 3.197 l 1.350 o 2.847 f

2.294 h 6.875 a 1.484 m 0.589 b* 1.094 t-u* 1.175 s 1.289 p 1.127 t* 3.589 c 1.341o 1.695 k 0.795 z* 0.222 e* 1.796 i 3.195 l 1.354 o 2.847 f

letters show a significant difference (P < 0.05)

* significantly different (P<0.05)

At storage 10 days after use by date, from 17 amino acids, more amino acids in skim and whole cinnamon milks had different contents with control. Different amino acid contents between whole milks with and without cinnamon were observed for serine, histidine, arginine, threonine, valine, cysteine, and isoleucine, while that between two types of skim milk were threonine and tyrosine. The contents of arginine (0.123 mg/100 ml) and valine (0.113 mg/100 ml) in cinnamon whole milks at 10 days after use by date were higher than that in control. On the contrary, the contents of serine (0.199 mg/100 ml), histidine (0.058 mg/100 ml), threonine (0.037 mg/100 ml), cysteine (0.062 mg/100 ml), and isoleucine (0.178 mg/100 ml) in the same milks were lower than that in control (P < 0.05). Furthermore, the contents of threonine (0.033 mg/100 ml) and tyrosine (0.055 mg/100 ml) in cinnamon skim milks at the same storage time were both lower than that in control (P < 0.05). The amino acid contents of skim and whole milks with and without cinnamon at storage 10 days after use by date were shown in Table 4. Based on the increase of alanine content in cinnamon whole milks, and the contents of glycine, histidine, alanine, methionine, and cysteine in cinnamon skim milks, at storage 5 days after use by date (Table 3); and the decrease in the contents of serine, histidine, threonine, cysteine, and isoleucine in cinnamon whole milks, and the contents of threonine and tyrosine in cinnamon skim milks, at storage 10 days after use by date (Table 4), cinnamon skim and whole milks at storage 5 days after use by date, were both better than that at storage 10 days after use by date. Thus, fatty acids contents of whole milks with and without addition of cinnamon were further detected only at storage 5 days after use by date as shown in Table 5.

166

Table 4 The amino acid contents of skim and whole milks with and without addition of cinnamon at 10 days after use by date (mg/100 ml) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Amino acids Aspartic acid Glutamic acid Serine Glycine Histidine Arginine Threonine Alanine Proline Tyrosine Valine Methionine Cysteine Isoleucine Leucine Phenylalanine Lysine

Whole milk#

Whole milks with cinnamon#

Skim milk#

Skim milk with cinnamon#

0.465 d-h 1.069 a 0.341 g-m* 0.068 y-z-a1 0.114 t-x* 0.112 w-z* 0.245 k-p* 0.414 f-i 0.171 o-u 0.077 x-z-a1 0.038 c1d1* 0.050 a1-d1 0.118 u-y* 0.406 f-j* 0.463 d-g 0.224 m-q 0.123 s-v

0.385 f-l 0.900 a-c 0.199 n-s* 0.050 a1-d1 0.058 a1-c1* 0.123 s-v* 0.037 c1d1* 0.423 e-i 0.263 i-p 0.068 y-z-a1 0.113 t-x* 0.068 z-a1b1 0.062 z-a1b1* 0.178 o-t* 0.669 b-e 0.248 j-p 0.127 r-v

0.354 g-m 0.943 a-b 0.293 g-n 0.069 y-z-a1 0.100 v-z 0.202 n-r 0.054 a1-c1* 0.311 g-n 0.280 h-o 0.120 t-x* 0.146 q-v 0.064 z-a1b1 0.064 z-a1b1 0.161 p-v 0.588 c-f 0.264 i-p 0.133 r-v

0.320 g-n 0.789 a-c 0.232 m-q 0.040 b1-d1 0.065 z-a1b1 0.131 r-v 0.033 d1* 0.396 f-k 0.238 l-p 0.055 a1-c1* 0.106 u-y 0.040 b1-d1 0.053 a1-d1 0.171 o-u 0.693 a-d 0.279 h-o 0.135 r-v

#different letters show a significant difference (p < 0.05)

* significantly different (P<0.05)

Table 5 The differences of the fatty acid contents between milks with and without addition of cinnamon at 5 days after use by date (%) No 1 2 3 4 5 6 7

Fatty acids Lauric acid Myristic acid Palmitic acid Stearic acid Oleic acid Linoleic acid Linolenic acid

Whole milk

Whole milk with cinnamon

7.576 9.946 30.445 0.859 29.807 8.401 1.066

8.310 10.070 29.822 0.453 33.148 12.254 1.260

At 5 days after use by date, there were fatty acid contents in whole milks with and without cinnamon. On the contrary, there was no fatty acids in skim milks with and without cinnamon. From the seven fatty acids in whole milks with cinnamon, the percentages of five fatty acids (lauric acid [8.310%], myristic acid [10.070%], oleic acid [33.148%], linoleic acid [12.254%], and linolenic acid [1.260%]) were higher than that in control, while the percentages of the other two (palmitic acid [29.822%] and stearic acid [0.453%]) were lower, as shown in Table 5. In general, cinnamon, which contains cinnamon oil and cinnamic acids as antibacterial and aromatic materials (Jayatilaka et al. 1995; Tabak et al. 1995), may decrease the bacterial growth and protein degradation, and change the contents of amino acids and fatty acids in skim and whole milks at storage 5 days after use by date. It can be concluded that based on the decreased of bacterial growth and protein degradation, and change of amino acid and fatty acid contents at storage 5 days after use by date, cinnamon milks were better than milks without cinnamon.

167

DISCUSSION The lower bacterial growth and percentage of protein degradation in skim and whole milks with cinnamon than that in control, at the times of storage 5 days before up to 10 days after use by date, may be because cinnamon oil and cinnamic acids as antibacterial and aromatic compounds in cinnamon inhibit psychotropic bacterial growth in the stored milks, as reported by Jayatilaka et al. (1995) and Tabak et al. (1999) and at the same time, decrease the protease activities in protein degradation of cinnamon skim and whole milks. Furthermore, the lower bacterial growth and percentage of protein degradation in cinnamon whole milks than that in cinnamon skim milks may be caused by lipid content in cinnamon whole milks which gave more protection to the attacking psychotropic bacteria and protein degradation than that in cinnamon skim milks. It has been reported that there were more lipid contents in whole milks than that in skim milks (Chandler et al. 1990), and that bacterial growth and protease activities of whole milks at storage were lower than that of skim milks (Janzen et al. 1982; Deeth et al. 2000). The lower protease activities may result in the lower protein degradation in whole milks than that in skim milks at storage (Hsu 1984; Sorhaug & Stepaniak 1997). At storage 5 days after use by date, the higher content of some amino acids in skim and whole milks with cinnamon than that in control may also be caused by cinnamon oil and cinnamic acids which acted as antibacterial and aromatic compounds in cinnamon inhibiting the growth of psychotropic bacteria in milks at storage and reduce nutritional degradation. At the same time, there were amino acids from cinnamon which might contribute in increasing amino acid contents in cinnamon skim and whole milks. Some reports showed that psychotropic bacteria grew at refrigerated temperatures and these bacteria spoiled pasteurized milks, mainly by degrading milk protein (Chandler et al. 1990; Janzen et al. 1982; Reinheimer et al. 1993). At storage 10 days after use by date, the lower content of some amino acids in cinnamon skim and whole milks than that in control may be because there were the growth of psychotrophic bacteria in the stored milks to degrade protein compounds which may affect in decreasing amino acid contents in cinnamon skim and whole milks. Furthermore, the more significant decrease in the contents of some amino acids in cinnamon whole milks than that in cinnamon skim milks may be caused by the more lipid contents in cinnamon whole milks resulting in the more complex reaction between the lipid compounds and cinnamon. As shown in Table 5, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, oleic acid, linoleic acid, and linolenic acid were only found in cinnamon whole milks. From the other point of view, at storage 5 days after use by date, the higher percentage of fatty acids in cinnamon whole milks than that in control may be also caused by cinnamon oil and cinnamic acids. At the same time, fatty acids from cinnamon in milks may contribute in increasing the fatty acid contents in cinnamon whole milks. On the contrary, the lower percentage of some fatty acids in cinnamon whole milks than that in control may be because there were mix reaction between lipid compounds of whole milks and cinnamon, which decrease the percentage of these acids in cinnamon whole milks. It has been reported that there were bacterial growth of psychotropic bacteria in refrigerated milks at storage (Chandler et al. 1990; Craven & Macauley, 1992; Deeth et al. 2002) which may affect in the decrease of the fatty acid percentages in whole cinnamon milks. In general, it can be concluded that cinnamon which contains cinnamon oil and cinnamic acids as antibacterial and aromatic compounds (Jayatilaka et al. 1995; Tabak et al. 1999) may decrease the bacterial growth and protein degradation, and change the amino acid and fatty acid contents of skim and whole milks at storage 5 days after use by date. Based on decreasing bacterial growth and protein degradation, and changing on the contents of amino acids and fatty acids, cinnamon milks were better than milks without cinnamon.

168

CONCLUSION The bacterial growth and percentages of protein degradation in skim and whole milks with cinnamon were lower than that without cinnamon (control) at the times of storage 5 days before up to 10 days after use by date, and the bacterial growth and percentage of protein degradation in cinnamon whole milks were lower than that in cinnamon skim milks (P < 0.05). At 5 days after use by date, the content of some amino acids in skim and whole milks with cinnamon were higher than that in control (P < 0.05) and there were five of the seven fatty acids of whole milks which were higher than that of control. Thus, cinnamon may decrease the bacterial growth and protein degradation and change the amino acid and fatty acid contents in milks at storage. Based on the decrease of bacterial growth and protein degradation and change of amino acid and fatty acid contents, cinnamon milks were better than milks without cinnamon.

ACKNOWLEDGEMENTS The authors wish to acknowledge JSPS-RONPAKU in providing the scholarship and Biodiversity Research Project for partial fund of this research.

REFERENCES Brown JV, Ranjith HMP, Prentice GA. 1984. Comparative shelf-lives of skimmed, semi-skimmed, and whole milks. J Soc Dairy Tech 37:132-134. Bishop JR, White CH. 1986. Assessment of dairy product quality and potential shelf life. J Food Protect 49:739-753. Bucky A, Hayes PR, Robinson DS. 1986. Lipase production by a strain of Pseudomonas fluorescens in whole milks and skimmed milks. Food Microbiol 3:37-44. Chandler RE, Ngi SY, Hull RR. 1990. Bacterial spoilage of specialty pasteurized milk products. Food Res Quarter 50:11-14. Cousin MA. 1982. Presence and activity of psychotropic microorganisms in milk and dairy products. J Food Protect 45:172-207. Craven HM, Macauley BJ. 1992. Microorganisms in pasteurized milk after refrigerated storage. 1. Identification of types. J Dairy Technol 47:38-45. Deeth HC, Khusniati T, Datta N, Wallace RB. 2002. Spoilage patterns of skim and whole milks. J Dairy Res 69:227-241. Fitzgerald CH, Deeth HC. 1983. Factors influencing lipolysis by skim milk cultures of some psychotropic microorganisms. J Dairy Technol 38:97-103. Griffith MW. 1989. Effect of temperature and milk fat on extracellular enzyme synthesis by psychotrophic bacteria during growth in milk. Milchwissenschaft 44:539-543. Heo JI. 1989. Statistical evaluation, sampling and testing for downstream psychotrophic contamination on shelf life of fluid milk products [dissertation]. Hsu HY. 1984. Methods for measuring the activities of bacterial and native proteinases in milk and a study of factors affecting milk protein hydrolysis [thesis]. USA: Cornell University. Janzen JJ, Bishop JR, Bodine AB. 1982. Relationship of protease activity to shelf life of skim and whole milk. J Dairy Sci 65:2237-2240. Jayatilaka A, Poole SK, Poole CF, Chichila TMP. 1995. Simultaneous micro-steam distillation/solvent extraction for the isolation of semivolatile flavor compounds from cinnamon and their separation by series coupled-column gas chromatography. Anal Chim Acta 302:147-162.

169

Ngi SY. 1991. Improved shelf life and quality of liquid milk products [thesis]. Melbourne: RMIT. Oiso T, Yamaguchi K. 1985. Manual for Food Composition Analysis. Tokyo: Southeast Asian Medical Information Center. Overcast WW, Skean JD. 1959. Growth of certain lipolytic microorganisms at 4 °C, and their influence on free fat acidity and flavour of pasteurized milk. J Dairy Sci 42:1479-1485. Pieper G, Timms LL. 1987. Effect of storage temperature and fat contents on keeping quality of skim and whole milk. J Dairy Sci 70 (Suppl. 1): 92. Abs D110. Reinheimer JA, Suarez VB, Haye MA. 1993. Microbial and chemical changes in refrigerated pasteurized milk in the Santa Fe area (Argentina). J Dairy Technol 48:5-9. Snedecor GW, Cochran WG. 1989. Statistical Methods. Ed ke-8. Iowa: Iowa State Univ Pr. Sorhaug T, Stepaniak L. 1997. Psychotropic and their enzymes in milk and dairy products: Quality aspects. Trends in Food Science and Technol. 8:35-41. Tabak M, Armon R, Neeman I. 1999. Cinnamon extracts inhibitory effect on Helicobacter pylori. J Ethnopharmacol 67:269-277.

170

PENGARUH pH DAN KONSENTRASI AWAL PADA PROSES OZONISASI LIMBAH ORGANIK PABRIK ASAM TEREFTALAT MURNI Indar Kustiningsih*, Yeyen Maryani, Devi Sri Grahayu, Qoriatun Hasanah Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

ABSTRAK Penguraian limbah organik dari pabrik asam tereftalat murni (PTA) telah dilakukan dengan menggunakan proses ozonisasi. Limbah ini sebagian besar mengandung asam asetat. Pada penelitian ini dipelajari pengaruh pH dan konsentrasi awal terhadap penguraian limbah tersebut menggunakan ozonator model AOSBN 2000. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dalam keadaan basa penurunan COD akan semakin besar. Pada pH 9 dan konsentrasi awal limbah 800 ppm, COD akhir lebih rendah daripada nilai ambang baku mutu limbah, yaitu 60.72 ppm, sedangkan pada pH asam nilainya masih lebih tinggi (395.68 ppm). Kata kunci: ozonisasi, limbah organik pabrik PTA, pengolahan limbah, ozon.

ABSTRACT Degradation of organic waste from purified terephthalic acid (PTA) industry had been conducted by ozonization. The waste contain mostly acetic acid. In this research, the influence of pH and initial concentration to the waste’s degradation were examined using an ozonator of AOSBN 2000 model. The results showed that the decrease of COD was higher in alkaline condition. At pH 9 and initial waste concentration of 800 ppm, the final COD was under the treshold value, that is 60.72 ppm, whereas in acid condition, it was still higher (395.68 ppm). Keywords: ozonization, organic waste from PTA industry, wastewater treatment, ozone.

PENDAHULUAN Perkembangan industri di berbagai negara di dunia, termasuk di negara-negara berkembang seperti Indonesia, menimbulkan masalah pencemaran lingkungan. Limbah cair yang dihasilkan oleh industri, tanpa pengolahan yang baik, dapat mengancam keseimbangan ekosistem. Salah satu industri yang menghasilkan limbah cair adalah industri pembuatan asam tereftalat murni (PTA). Sebagian besar air buangan (efluen) dari proses pembuatan PTA mengandung asam asetat, asam tereftalat, asam benzoat, asam p-toluat, dan sedikit asam 4-formilbenzoat, metil asetat, dan p-xilena. Pada umumnya, sistem pengolahan limbah cair yang digunakan oleh industri PTA ialah proses biologis atau lumpur aktif. Teknik ini membutuhkan waktu yang relatif lama dan lahan yang relatif besar; pertumbuhan serta adaptasi dari bakteri juga sangat lambat, waktu start-up-nya lama, reaksinya tidak sederhana, dan melibatkan kelompok mikroorganisme sehingga sulit dikendalikan (Khalil et al. 2002). Salah satu alternatif pengolahan limbah cair organik yang potensial ialah proses ozonisasi. Ozon merupakan oksidator kuat yang dapat mengurai senyawa organik, mengoksidasi larutan Fe dan Mn, menghilangkan warna, bau, dan rasa, dan juga ramah lingkungan (Langlais et al. 1991; Bismo 1998). * Alamat korespondensi: [email protected]

171

Penelitian mengenai penguraian senyawa organik menggunakan teknologi ozonisasi telah banyak dilakukan, di antaranya adalah penguraian fenol oleh Horng (2004), Esplugas et al. (2002), dan Beltrán et al. (2005). Selain fenol, proses ozonisasi juga telah digunakan untuk mengurai ion oksalat (Addamo et al. 2005), asam oksalat (Beltrán 2004), etilena glikol (Ertas & Mirat 2002), dan pemurnian Cork oleh Benitez et al. (2003). Penelitian mengenai penguraian dengan proses ozonisasi senyawa organik dari limbah nyata (real) industri telah dilakukan oleh beberapa peneliti, di antaranya pada limbah industri tekstil oleh Moraes et al. (2000) dan kertas oleh Fontainer et al. (2006). Pada penelitian ini ozonisasi digunakan untuk mengurai senyawa organik yang terkandung di dalam limbah industri PTA.

METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan reaktor berpengaduk skala laboratorium yang dilengkapi oleh sebuah ozonator AOSBN 2000 dengan laju produktivitas ozon sebesar 0.059 g O3/jam. Limbah organik yang digunakan ialah limbah cair dari industri pembuatan PTA dengan kadar COD sebesar 6861 ppm. Pengujian keaktifan ozon untuk mengurai senyawa organik yang terkandung di dalam limbah PTA dilakukan dengan meragamkan konsentrasi (COD awal) dan pH. Analisis perubahan COD selama proses dilakukan dengan larutan standar kalium dikromat, feroamonium sulfat, dan indikator feroin (ketiganya p.a., diperoleh dari Merck).

HASIL DAN PEMBAHASAN Penguraian senyawa organik dalam limbah PTA menggunakan ozon dilakukan selama 4 jam dengan pengambilan contoh setiap 1 jam. Pemakaian ozonator melebihi 6 jam tidak ekonomis karena ozonator memerlukan energi listrik yang cukup besar (Bismo 1998). Penguraian senyawa fenol menggunakan metode ozonisasi juga dilakukan selama 4 jam dalam reaktor semilompok yang dilengkapi pengaduk, dengan laju massa ozonator sebesar 1.9 g O3/jam (Horng 2004). Kandungan terbesar dalam limbah organik industri PTA adalah asam tereftalat (3729 ppm). Sementara kandungan terkecil dimiliki oleh asam 4-formil benzoat, metil asetat, dan p-xilena.

Pengaruh Konsentrasi Awal terhadap Penurunan COD Pengaruh konsentrasi awal terhadap proses ozonisasi limbah PTA dipelajari dengan meragamkan nilai COD awal sebesar 800, 500, dan 300 ppm. Tahap ini dilakukan pada pH asam maupun basa, dan hasilnya berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 1 dan 2.

COD, ppm

800 600 400 200 0 0

1

2

3

4

Waktu ozonisasi, jam

Gambar 1 Pengaruh konsentrasi awal limbah (V = 1 l) terhadap penurunan COD pada pH asam: COD mula-mula 300 (♦), 500 (■), dan 800 ppm (▲).

172

COD 300 ppm

800 COD, ppm

COD 500 ppm

600

COD 800 ppm

400 200 0 0

1

2

3

4

Waktu Ozonisasi, jam

Gambar 2 Pengaruh konsentrasi awal limbah (V = 1 l) terhadap penurunan COD pada pH basa: COD mula-mula 300 (◊), 500 (□), dan 800 ppm (∆). Setelah 4 jam proses ozonisasi pada pH asam (pH 5), COD akhir yang diperoleh adalah 199.68 ppm untuk konsentrasi awal 500 ppm. Konsentrasi akhir ini telah berada di bawah ambang baku mutu untuk limbah industri, yaitu sebesar 300 ppm (Bapedal 1995). Dengan suasana basa (pH 8−10) dan konsentrasi awal yang sama, waktu yang diperlukan agar nilai COD berada di bawah ambang baku mutu (261.12 ppm) hanya 2 jam. Nilai ini masih terus menurun sampai mencapai 90.08 ppm setelah 4 jam. Sebagai perbandingan, untuk COD awal sebesar 800 ppm, diperoleh COD akhir sebesar 395.56 ppm pada suasana asam dan 60.72 ppm pada suasana basa, setelah 4 jam reaksi. Persen penurunan COD yang diperoleh setelah 4 jam pada suasana asam sebesar 75.3, 62.1, dan 60.5% untuk COD awal 300, 500, dan 800 ppm. Hasil yang lebih tinggi diperoleh pada suasana basa, yaitu berturut-turut sebesar 81.47, 82.88, dan 91.46%. Persen penurunan COD yang diperoleh ini diringkaskan pada Gambar 3. Terlihat bahwa konsentrasi awal sangat berpengaruh terhadap persen penurunan COD. Pada suasana basa, semakin besar COD awal, semakin besar pula persen yang diperoleh. Hubungan sebaliknya dijumpai pada suasana asam. 100

Konversi penyisihan COD, %

80

60

40

20

0 300

500

800

COD, ppm

Gambar 3 Persen penurunan COD pada berbagai konsentrasi awal, suasana asam (□) dan basa (■).

Pengaruh pH terhadap Penurunan COD Tidak seperti oksidator pada umumnya, ozon dapat mengurai senyawa organik dengan dua cara, yaitu reaksi langsung (direct selective reaction) dan tidak langsung (melalui pembentukan radikal bebas dari dekomposisi ozon) (Adammo et al. 2005; Agustina 2005). Kedua proses tersebut dipengaruhi oleh pH larutan. Pengaruh pH pada proses ozonisasi limbah PTA diamati pada COD awal 500 dan 800 ppm dan hasilnya diperlihatkan berturut-turut pada Gambar 4 dan Gambar 5.

173

600

pH asam

COD, ppm

500

pH basa

400 300 200 100 0 0

1

2

3

4

5

Waktu ozonasi, jam

COD, ppm

Gambar 4 Pengaruh pH larutan terhadap persen penurunan COD dengan COD awal sebesar 500 ppm dan volume 1 liter. 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

pH asam pH basa

0

1

2

3

4

5

Waktu ozonasi, jam

Gambar 5 Pengaruh pH larutan terhadap persen penurunan COD dengan COD awal 800 ppm dan volume 1 liter. Gambar 4 dan 5 memperlihatkan dengan jelas bahwa pada konsentrasi yang sama, pH basa menghasilkan penurunan konsentrasi COD yang jauh lebih besar. Hal ini disebabkan pada pH asam terjadi reaksi langsung sedangkan pada pH basa reaksinya tidak langsung. Ozon akan bereaksi dengan OH⎯ membentuk radikal bebas OH· yang lebih reaktif dibandingkan dengan O3 itu sendiri (Adammo et al. 2005; Agustina 2005). Reaksi selengkapnya yang terjadi pada suasana basa adalah sebagai berikut (Adammo et al. 2005): O3 + OH− O3 + HO2· 2 HO2· H2O2 + O2•−

O2•− + HO2· 2 O2 + OH· O2 + H2O2 OH− + OH· + O2

(1) (2) (3) (4)

Perubahan pH selama Proses Ozonisasi Gambar 6 memperlihatkan bahwa pH menurun selama proses ozonisasi. Proses ozonisasi selama 4 jam menurunkan pH dari 9.2 sampai 8.03. Hal tersebut disebabkan penguraian senyawa organik menghasilkan senyawa antara yang bersifat asam.

174

9.5

pH

9.0 8.5 8.0 7.5 0

1

2

3

4

waktu ozonisasi, jam

Gambar 6 Perubahan pH selama proses ozonisasi. Penelitian Horng (2004) menunjukkan hal yang sama, yaitu pH mengalami penurunan dengan bertambahnya waktu ozonisasi. Setelah 3.5 jam ozonisasi, pH naik kembali sampai mencapai netral. Hasil ini memperlihatkan bahwa dietilena glikol hampir seluruhnya telah terurai menjadi CO2 dan air.

SIMPULAN Persen penurunan COD limbah organik industri PTA dengan proses ozonisasi sangat dipengaruhi oleh pH dan COD awal. Pada pH basa dan COD awal sebesar 500 ppm, dihasilkan COD akhir di bawah ambang baku mutu limbah setelah 2 jam, sedangkan pada COD awal 800 ppm 4 jam ozonisasi untuk mencapainya, dengan COD akhir sebesar 60.72 ppm.

DAFTAR PUSTAKA Addamo M et al. 2005. Oxidation of oxalate ion in aqeous suspensions of TiO2 by photocatalysis and ozonation. Catal Today 107-108;612-618. Agustina TE, Ang HM, Vareek VK. 2005. A review of synergistic effect of photocatalysis and ozonation on wastewater treatment. J Photochem Photobiol C: Photochem Rev 6:264-273. [Bapedal] Badan Pengendalian Dampak Lingkungan. 1995. Baku Mutu Limbah Cair, Kep MenLH No.51/MENLH/10/1995. Bismo S. 1998. Kinetika dan kinerja produksi ozon pada prototipe ozonator untuk pengolahan limbah cair industri. Prosiding Seminar Teknik Kimia Soehardi Reksowardoyo. Beltrán FJ, Rivas FJ, Montero-de-Espinosa R. 2004. A TiO2/Al2O3 catalyst to improve the ozonation of oxalic acid in water. App Catal B: Environ 47:101-109. Beltrán FJ, Rivas FJ, Gimeno O. 2005. Comparison between photocatalytic ozonation and other oxidation process for the removal of phenols from water. J Chem Technol Biotechnol 80:973984. Benitez FJ, Acero JL, Leal AI. 2003. Purification of cork processing wastewater by ozone, by activated sludge, and by their two sequential application. Water Res 37:4081-4090. Ertas TT, Mirat GD. 2002. Oxidation of diethylene glycol with ozone and modified Fenton processes. Chemosphere 47:293-301. Esplugas S, Gimenez J, Contreras S, Pascual E, Rodriguez M. 2002. Comparison of different advanced oxidation processes for phenol degradation. Water Res 36:1034-1042. Fontainer V, Farines V, Albet S, Baig S, Molinier J. 2006. Study of catalyzed ozonation for advanced treatment of pulp and paper mill effluents. Water Res 40:303-310.

175

Horng RS. 2004. pH indications in aqueous organic photodecompositions with carbonyl and hydroxyl groups. Chemosphere 55:757-762. Khalil LB, Rophael MW, Mourad WE. 2002. The removal of the toxic Hg(II) salts from water by photocatalysis. App Catal B: Environ 36:125-130. Langlais B, Reckhow DA, Brink DR. 1991. Ozone in Water Treatment Application and Engineering. USA: Lewis. Moares SG de, Freire RS, Durán N. 2000. Degadation and toxicity reduction of textile effluent by combined photocatalytic and ozonation processes. Chemosphere 40:369-373.

176

PENTADEKANAL, SENYAWA ANTIMIKROB HASIL SEKRESI KIMIA PERTAHANAN RAYAP TANAH Coptotermes curvignathus Holmgren (ISOPTERA: RHINOTERMITIDAE) Farah Diba* Fakultas Kehutanan, Universitas Tanjungpura, Pontianak

ABSTRACT Coptotermes curvignathus Holmgren is the most destructive subterranean termites which caused economic loss in several big cities in Indonesia. Soldier of C. curvignathus has a white and sticky chemical defensive secretion compound. This compound is used to overcome their enemy. In this research, soldier defensive secretion from C. curvignathus was isolated and extracted in polar and nonpolar solvents and their antimicrobial activities were studied. The solvent used for the extraction were ethyl acetate, ethanol, n-hexane, and aquabidest. The bacteria used to determine the antimicrobial activity were Escherichia coli and Staphylococcus aureus. The results showed that soldiers, defensive secretions had pH of 4–5.5, temperature of 27−27.5 oC, and viscosity of 0.0002–0.0005 poise. Ethanol extract (polar) showed the highest activity, with inhibition zone towards E. coli was 25.71 mm and towards S. aureus was 30.52 mm. The extract was then purified by gas chromatography-mass spectrometry, and pentadecanal was found to be the bioactive compound. This was the first research about the possibility of utilizing soldier defensive secretions from C. coptotermes as an antimicrobe and antibiotic against E. coli and S. aureus. Keywords: Coptotermes curvignathus, Escherichia coli, Staphyloccoccus aureus, pentadecanal, chemical defensive secretion, termite.

PENDAHULUAN Sistem pertahanan-kimia kasta prajurit rayap dalam menghadapi pemangsa terdiri atas tiga sistem, yaitu (1) kasta prajurit yang mengigit musuh, kemudian melepaskan sekret pertahanan diri yang kental dan mengandung racun untuk melumpuhkan musuh, (2) kasta prajurit yang menyemprotkan sekret pertahanan diri yang mengandung racun ke permukaan tubuh pemangsa dengan menggunakan labrum, dan (3) kasta prajurit yang mengeluarkan sekret pertahanan diri yang kental (glue-squirting poison) melalui fontanel (Prestwitch 1984). Sekret pertahanan diri yang disemprotkan oleh kasta prajurit rayap telah menarik perhatian beberapa ahli kimia karena kemampuannya melumpuhkan musuh dan pemangsa mereka. Beberapa penelitian mengenai sekret pertahanan diri kasta prajurit rayap telah dilakukan oleh Prestwich (1984) dan Chuah et al. (1989) pada genus Nasutitermes, Chuah & Goh (1990) pada genus Hospitalitermes, Goh et al. (1990) pada genus Laccessititermes, Roseangus & Traniello (2001) pada genus Zootermopsis, Lamberty et al. (2001) pada rayap P.spinigerin, serta Da Silva et al. (2003) pada genus Pseudacanthotermes. Hasil penelitian tersebut mengungkapkan bahwa sekret pertahanan diri dari fontanel kasta prajurit rayap memiliki senyawa bioaktif yang berpotensi sebagai pestisida hayati yang mampu mematikan pemangsa serta menghambat pertumbuhan bakteri dan cendawan. Rayap tanah Coptotermes curvignathus yang penyebarannya terbatas di daerah Asia Tenggara, khususnya Indonesia dan Malaysia, menghasilkan sekret lebih banyak daripada jenis rayap tanah * Alamat korespondensi: [email protected]

177

Nasutitermitidae, Hospitalitermes, Mastotermitidae, dan Termitidae. Namun, hingga saat ini isolasi sekret rayap kasta prajurit, serta pencirian dan pengujian aktivitas antimikrobnya terhadap bakteri belum pernah dilakukan. Karena itu, penelitian ini bertujuan mempelajari sifat fisis dan kimiawi sekret kasta prajurit rayap tanah C. curvignathus, mengetahui khasiatnya terhadap bakteri patogen Eschericia coli dan Staphylococcus aureus, serta mengetahui senyawa bioaktif yang berperan dalam menghambat kedua bakteri patogen tersebut.

METODE PENELITIAN Isolasi Sekret Rayap Tanah C. curvignathus Isolasi sekret pertahanan-diri kasta prajurit rayap tanah C. curvignathus dilakukan berdasarkan metode Prestwich (1984) dan Quintana (2003) yang dimodifikasi. Sekret pertahanan diri dikeluarkan dari fontanel prajurit rayap dengan menggunakan pipet Pasteur. Untuk setiap pelarut ekstraksi, digunakan cairan sekresi dari 4000 ekor rayap. Pelarut yang digunakan meliputi akuabides, etanol, etil asetat dan n-heksana. Dengan demikian, total rayap yang digunakan sebanyak 16,000 ekor. Cairan sekresi yang menempel pada pipet Pasteur dipindahkan ke dalam botol kaca dan selanjutnya siap diekstraksi.

Ekstraksi Sekret Rayap C. curvignathus Ekstraksi sekret pertahanan-diri kasta prajurit rayap tanah C. curvignathus dilakukan berdasarkan metode Preswitch (1980) dan Chuah et al. (1990) yang dimodifikasi. Sekret dilarutkan dengan 10 ml akuabides lalu dihomogenisasi. Selanjutnya, pelarut diuapkan dengan cara pengeringanbeku. Filtratnya disimpan di dalam botol kaca pada suhu –10 oC dan siap digunakan untuk uji hayati. Pada ekstraksi dengan pelarut organik, sekret dilarutkan dalam 10 ml etanol lalu dihomogenisasi. Setelah itu, pelarut diuapkan dengan cara mengalirkan gas nitrogen. Filtratnya disimpan dalam botol kaca pada suhu –10 oC. Perlakuan yang sama seperti pada etanol dilakukan untuk memperoleh ekstrak etil asetat dan n-heksana. Sifat fisikokimia ekstrak yang diukur meliputi pH, suhu, viskositas, dan warna.

Penyiapan Ekstrak Ekstrak nonpolar (ekstrak eksudat n-heksana [EN]) diencerkan dengan akuabides yang berisi Tween 80 (0.5%), sedangkan ekstrak polar dan semipolar (ekstrak eksudat etanol [EE], etil asetat [EEA], dan akuabides [EA]) diencerkan dengan akuabides sehingga diperoleh konsentrasi ekstrak uji 40%.

Uji Hayati Perbanyakan kultur bakteri uji Bakteri yang digunakan adalah biakan murni S. aureus dan E. coli K1.1 Komposisi medium padat untuk menumbuhkan bakteri terdiri atas bactotryptone 1%, ekstrak khamir 0.5 %, NaCl 1%, dan agar 1.5%, dan diatur pada pH 7.0 (netral). Inkubasi dilakukan pada suhu 37 oC. Pengujian aktivitas daya hambat bakteri dengan metode difusi sumur Pengujian dilakukan berdasarkan metode Carson & Riley (1995). Sebanyak 20 µl kultur bakteri dipindahkan secara aseptik ke dalam 30 ml medium nutrient agar (NA). Selanjutnya, medium dibiarkan mengeras (kira-kira 20 menit) dan dibuat sumur dengan diameter 6 mm (metode difusi sumur). Satu

178

cawan petri memiliki 8 sumur yang masing-masing diisi dengan EA, EE, EEA, EN, dan keempat pelarut ekstrak (sebagai kontrol) sebanyak 60 µl. Setelah itu, cawan petri diinkubasi selama 24 jam pada suhu 37 oC. Pengamatan zona hambat dilakukan dengan mengukur diameter zona bening (mm) yang terbentuk di sekitar sumur. Penentuan konsentrasi penghambatan minimum (MIC) Konsentrasi penghambatan minimum (MIC) adalah konsentrasi terendah dari suatu antimikrob yang tidak menyebabkan pertumbuhan mikrob pada masa inkubasi 24 jam. Dalam penelitian ini, nilai MIC diuji untuk EE, yang dibuat dengan konsentrasi 10, 20, 30, 40, 50, 60, dan 70% dengan jumlah ekstrak 40 µl. Penghitungan nilai MIC dilakukan berdasarkan metode Bloomfield (1991), yaitu dengan mengalurkan ln M0 (konsentrasi ekstrak) pada sumbu-x dan nilai kuadrat zona hambat (X2) pada sumbu-y. Perpotongan kurva linear dengan sumbu-x merupakan nilai Mt (diperoleh dengan regresi linear). Besarnya nilai MIC ditetapkan sebagai ¼ x Mt. Identifikasi komponen bioaktif ekstrak Dari hasil uji hayati diperoleh bahwa ekstrak yang dapat menghambat pertumbuhan bakteri uji adalah ekstrak etanol. Selanjutnya, komponen ekstrak tersebut diidentifikasi dengan menggunakan kromatografi gas-spektrometri massa (GC-MS).

HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Fisikokimia Ekstrak Sekret Rayap C. curvignathus Sifat fisikokimia ekstrak yang meliputi nilai pH, warna, suhu, dan viskositas disajikan pada Tabel 1. Ekstrak eksudat rayap berbentuk cair dan kental (oily) dengan warna putih susu sampai abuabu. Tabel 1 Nilai pH, suhu, viskositas, dan warna ekstrak sekresi rayap C. curvignathus Pelarut Etil asetat (EEA) Etanol (EE) n-Heksana (EN) Akuabides (EA)

pH 4.0 5.0 5.5 4.5

Suhu (oC) 27.0 27.5 27.0 27.0

Viskositas (poise) 0.00050 0.00002 0.00003 0.00020

Warna Putih susu Putih susu Putih susu Abu-abu

Aktivitas Penghambatan Pertumbuhan Bakteri Hasil pengujian menunjukkan bahwa hanya EE dan EEA yang memiliki aktivitas antimikrob (Gambar 1). Ekstrak etanol dapat menghambat pertumbuhan bakteri S. aureus dengan diameter penghambatan rata-rata sebesar 30.52 mm, sedangkan pada bakteri E. coli rata-ratanya sebesar 25.71 mm. Sementara itu, ekstrak etil asetat hanya menghambat pertumbuhan bakteri S. aureus dan E. Coli dengan diameter penghambatan rata-rata sebesar 17.92 dan 12.99 mm.

179

et EA

et EA aq EE

EE EEA

ea

nh

nh EN

aq

EN

ea

EEA

E. coli

S. aureus

Gambar 1 Zona penghambatan pertumbuhan bakteri oleh ekstrak sekret rayap C. curvignathus Holmgren dalam berbagai pelarut. Keterangan: EN: Ekstrak n-heksana EE: Ekstrak etanol EA: Ekstrak akuabides EEA: Ekstrak etil asetat

nh: n-heksana (kontrol) et: etanol (kontrol) aq: akuabides (kontrol) ea: etil asetat (kontrol)

MIC Pertumbuhan Bakteri Nilai MIC ekstrak sekret rayap dalam pelarut etanol diperoleh sebesar 3.65% untuk bakteri E. coli dan 1.84% untuk bakteri S. Aureus. Hasil pengujian diperlihatkan pada Gambar 2.

0

0

E. coli S. aureus Gambar 2 Nilai MIC ekstrak etanol pada bakteri S. aureus dan E. coli (konsentrasi ekstrak 0–70%, searah anak panah).

Senyawa Bioaktif Sekret Rrayap C. curvignathus Analisis GC-MS pada ekstrak etanol menunjukkan adanya 5 komponen, yang berdasarkan golongan senyawanya terdiri atas alkana (20%) dan aldehida (80%) (Tabel 2). Senyawa dengan persentase terbesar adalah pentadekanal (C15H30O), yaitu sebesar 35.86%. Tabel 2 Komponen ekstrak sekret rayap C. curvignathus dalam pelarut etanol Nomor puncak 1 2 3 4 5

Waktu retensi (detik) 1.419 19.420 21.654 23.706 25.573

LRIekspa 1027 1096 1134 1178

LRIref 673 b 1107 c -

Komponen 2-metilpentana undekanal tetradekanal pentadekanal oktadekanal

Golongan Alkana Aldehida Aldehida Aldehida Aldehida

Keterangan: a LRI hasil percobaan, kolom DB-5; b LRI pembanding [Larrayoz et al. (2001), kolom DB-5]; c LRI pembanding [Mondello et al. (2002), kolom DB-5].

180

Kromatogram komponen bioaktif yang terdapat pada ekstrak sekret pertahanan rayap C. curvignathus dalam pelarut etanol disajikan pada Gambar 3, sedangkan struktur kimia pentadekanal disajikan pada Gambar 4.

Gambar 3 Kromatogram komponen bioaktif ekstrak sekret pertahanan rayap C. curvignathus dalam pelarut etanol (nomor puncak disesuaikan dengan nomor pada Tabel 2).

Gambar 4 Struktur kimia pentadekanal.

SIMPULAN Sekret rayap C. curvignathus yang diekstraksi dengan pelarut etanol memiliki aktivitas antimikrob dan atibiotik karena dapat menghambat pertumbuhan bakteri patogen E. coli (penyebab diare pada manusia) dan S. aureus. Senyawa bioaktif yang terdapat dalam ekstrak etanol adalah pentadekanal (C15H30O).

DAFTAR PUSTAKA Bloomfield SF. 1991. Methods for assessing antimicrobial activity. Di dalam: Davidson PM, Braenen AL, editor. Antimicrobials in Foods. Ed ke-2. New York: Marcel Dekker. Carson CF, Riley TV. 1995. Antimicrobial activity of the major components of the essential oil of Melaleuca alternifolia. J Appl Bacteriol 78:264-269. Chuah CH, Goh SH. 1990. 17-O-Acetoxy-(8,19)β,3α,7α,9α,14α,17-hexahydroxytrinervitene 2,3,9,14O-tetrapropionate, a new diterpene from the Malaysian termite Hospitalitermes umbrinus. Malaysian J Sci 12:63-70. Chuah CH, Goh SH, Tho YP. 1989. Interspecific variation in defense secretions of Malaysian termites from the genus Nasutitermes (Isoptera: Nasutitermitinae). J Chem Ecol 15:549-563. Da Silva P et al. 2003. Solution structure of termicin, an antimicrobial peptide from the termite Pseudacantho termes spiniger. Prot Sci 12:438-446. Goh SH, Cuah CH, Vadiveloo J, Tho YP. 1990. Soldier defense secretions of Malaysian free-ranging termite of the genus Laccessititermes (Isoptera: Nasutitermitinae). J Chem Ecol 16:619-630.

181

Lamberty M et al. 2001. Insect immunity: Constitutive expression of a cystein-rich antifungal and a linear antibacterial peptide in a termite insect. J Biol Chem 276:4085-4092. Larrayoz P, Addis M, Gauch R, Bosset JO. 2001. Comparison of dynamic headspace and simultaneous distillation extraction techniques used for the analysis of the volatile components in three european PDO ewes milk cheeses. Int Dairy J 11:911-926 Mondello L et al. 2002. Studies on the essential oil-bearing plants of Bangladesh. Part VIII. Composition of some Ocimum oils O. basilicum L. var. purpurascens; O. sanctum L. green; O. sanctum L. purple; O. americanum L. citral type; O. americanum L. camphor type. Flavour Fragrance J 17:335340 Prestwich GD. 1980. Termite soldiers – warriors with chemical weapons. The Sci Teacher 49(3) Prestwich GD. 1984. The chemical defense of termite. Sci Am 249. Quintana A. 2003. Interspecific variation in terpenoid composition of defensive secretions of European Reticulitermes termites. J Chem Ecol 29:639-652. Roseangus RB, Traniello JFA. 2001. Disease susceptibility and the adaptive nature of colony demography in the dampwood termite Zootermopsis angusticollis. Behav Ecol Sociobiol 50:546-556.

182

ISOLASI DAN IDENTIFIKASI STEROID DARI TUMBUHAN CIPLUKAN (Physalis angulata) Susilawati*, Herdini, Lusia Wilza Prodi Pendidikan Kimia, FKIP, Unri, Pekanbaru

ABSTRAK Telah diisolasi konstituen kimia dari contoh kering tumbuhan ciplukan (Physalis angulata). Potongan kecil contoh dimaserasi dalam metanol kemudian difraksionasi dengan pelarut yang berbeda kepolarannya, yaitu n-heksana dan etil asetat. Pemisahan dilakukan dengan kromatografi kolom silika gel-60 dengan metode polaritas gradien bertahap. Hasil isolasi dari fraksi etil asetat adalah 112.7 mg kristal tak berwarna dengan titik leleh 169−171 °C. Analisis kromatografi lapis tipis dengan n-heksanaetil asetat menunjukkan Rf 0.49. Berdasarkan uji Lieberman-Buchard dan Roseinhein, serta analisis spektrum ultraviolet dan inframerah, senyawa tersebut diidentifikasi sebagai steroid yang mempunyai ikatan rangkap tak terkonjugasi dan gugus fungsi -OH. Kata kunci: ciplukan, Physalis angulata, steroid.

ABSTRACT Chemical constituents from dry aerial parts of ciplukan (Physalis angulata) had been isolated. The finely sliced materials were macerated with methanol and then fractionated with different polarity solvents: n-hexane and ethyl acetate. Separation was carried out with column chromatography at silica gel-60 by step gradien polarity method. Isolation product from ethyl acetate fraction was 112.7 mg of colourless needles (melting point: 169−171 °C). Thin layer chromatography analysis with n-hexaneethyl acetate showed Rf of 0.49. Based on Lieberman-Buchard and Roseinhein tests, ultraviolet and infrared spectrum, it was identified as steroid having unconjugated double bonds and -OH functional groups. Keywords: ciplukan, Physalis angulata, steroid.

PENDAHULUAN Tumbuhan sangat berperan dalam berbagai segi kehidupan, antara lain sebagai bahan baku pangan, kosmetik, tekstil, dan furnitur. Tumbuhan juga dimanfaatkan dalam pengobatan tradisional, salah satunya ialah ciplukan (Physalis angulata), yang digunakan untuk obat diabetes, mengobati gusi berdarah, mengobati bisul, dan menurunkan panas (Siyok 2002). Di Brazil, tumbuhan ini digunakan sebagai obat asma, malaria, rematik, dan kencing batu. Negara-negara di Asia yang telah memanfaatkan tumbuhan ciplukan sebagai obat adalah Jepang dan Taiwan, yaitu sebagai obat demam tinggi, hepatitis, lever, kencing batu, dan flu (Hall & Vernon 2004). Di Indonesia, tumbuhan ini umumnya hanya dianggap sebagai tumbuhan semak/perdu yang mengganggu lahan (Siyok 2002). Hasil metabolisme sekunder dari berbagai jenis tumbuhan telah banyak diteliti, dan sering kali senyawa metabolit sekunder tersebut dapat memberikan efek fisiologis dan farmakologis. Metabolit sekunder merupakan produk yang tidak digunakan langsung oleh sel dalam pertumbuhannya. * Alamat korespondensi: 08153727771

183

Senyawa-senyawa metabolit sekunder seperti terpenoid, steroid, kumarin, flavonoid, dan alkaloid umumnya mempunyai bioaktivitas dan berfungsi sebagai pelindung tumbuhan dari gangguan hama penyakit (Darwis 2001). Steroid adalah senyawa metabolit sekunder dengan kerangka dasar berupa sistem cincin siklopentanoperhidrofenantrena (Harborne 1987). Senyawa golongan steroid memiliki bioaktivitas yang penting, misalnya untuk pembentukan struktur membran, pembentukan hormon dan vitamin D, sebagai penolak dan penarik serangga, dan sebagai antimikrob (Robinson 1995). Di Amerika Serikat, pada tahun 2001, telah dilakukan penelitian yang menyimpulkan bahwa ciplukan dapat digunakan sebagai antitoksik untuk kanker dan tumor, antara lain leukemia, kanker paruparu, kanker usus, lever, dan melanoma. Diduga senyawa kimia yang mempunyai aktivitas tersebut adalah fisalins yang tergolong steroid (Hall & Vernon 2004). Kandungan metabolit sekunder dalam tumbuhan ciplukan meliputi steroid, flavonoid, alkaloid, dan saponin (Hall & Vernon 2004). Berdasarkan uji fitokimia, kandungan senyawa steroidnya relatif besar, sebagaimana terlihat dari warna hijau sampai biru yang dihasilkan. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan mengisolasi dan mengidentifikasi senyawa steroid dari tumbuhan ciplukan. Tumbuhan ciplukan yang termasuk famili Solanaceae merupakan tumbuhan liar, berupa semak atau perdu (biasanya tingginya sampai 1 meter), dan berumur kurang lebih 1 tahun. Tumbuhan ini tumbuh subur di dataran rendah sampai ketinggian 1550 meter di atas permukaan laut, bisa dijumpai di pekarangan rumah yang mendapat sinar matahari penuh dan tanahnya gembur, tersebar di tanah tegalan, sawah-sawah kering, serta dapat ditemukan di hutan jati (Cybernews 2004). Tumbuhan ciplukan dikenal dengan banyak nama, antara lain morel berry (Inggris), ceplukan (Jawa), cecendet (Madura), lapinolat (Seram), angket, kepok-kepokan, keceplokan (Bali), dan di Minahasa dikenal dengan leletokan (Cybernews 2004). Di Amerika Serikat lebih dikenal dengan mullaca (Hall & Vernon 2004). Orang Melayu biasa menyebut tumbuhan ini sebagai meletup, dan di daerah Sumatra Barat dikenal dengan nama latuik-latuik. Penemuan steroid bermula dari penelitian terhadap sterol, dan dilanjutkan dengan asam empedu. Kegunaannya pada waktu itu belum dimengerti, sampai akhirnya diketahui bahwa kebanyakan hormon dan beberapa vitamin memiliki kerangka steroid (Robinson 1995). R2

17

12

R3 11 9

1 2

5 4

13

16

14

15

8

10

3

R1

7 6

Gambar 1 Kerangka dasar steroid. Perbedaan antara berbagai kelompok steroid ditentukan oleh jenis substituen, jumlah dan posisi gugus fungsi oksigen, serta ikatan rangkap. Berdasarkan aktivitas fisiologinya, steroid dapat dikelompokkan menjadi sterol, asam-asam empedu, hormon seks, hormon adrenokortikoid, aglikon kardiak, dan sapogenin (Manitto 1980). Umumnya steroid merupakan senyawa tidak berwarna, berbentuk kristal, dan sering kali bertitik didih tinggi. Uji yang banyak digunakan ialah dengan pereaksi Lieberman-Buchard (anhidrida asetat-asam sulfat pekat) yang memberikan warna hijau sampai biru (Harborne 1987). Beberapa contoh senyawa steroid diberikan pada Gambar 2. Steroid terdistribusi secara luas pada tumbuhan dan binatang dalam keadaan bebas atau terikat (sapogenin). Contoh steroid pada tumbuhan tinggi adalah stigmasterol dan ß-sitosterol, sementara pada binatang adalah ekdison yang terdapat pada kulit serangga (Harborne 1987).

184

OH

OH Estron

7-dehidroksikolesterol

OH

OH

ß- sitosterol

Stigmasterol

Gambar 2 Beberapa contoh steroid. Secara biosintetik, steroid diperoleh dari molekul isoprena. Bentuk aktifnya di alam berupa isopentenil pirofosfat (IPP) dan dimetilalil pirofosfat (DMAPP), yang terbentuk dari asam asetat melalui asam mevalonat (Gambar 3). DMAPP membentuk geranil pirofosfat (C10), suatu senyawa antara dalam pembentukan monoterpenoid. Senyawa ini kemudian bergabung dengan IPP membentuk farnesil pirofosfat (FPP), yang merupakan senyawa antara dalam pembentukan seskuiterpenoid (Harborne 1987). O H3C

O

O SCoA + H3C

C

C

SCoA

H3C

OH

O H2C

C

H2C CH2

SCoA

C

C

SCoA

H3C

C

SCoA

OPP

O

Asetoasetil Koenzim

Asetil Koenzim

OH

CH2

C

H3C

O

O

[H

H3C

O CH2

C

CH2CH2

SCoA

C

H3C

OH

C

CH2

CH2CH2

OH

C

O

OH

Asam

-OPP

-CO2

H3C

C

CH2

CH2

CH2

OPP

H3C

C

CH2

CH2

OPP

CH3

Isopentenil pirofosfat(IPP)

Dimetilalil pirofosfat (DMAPP)

Gambar 3 Rute pembentukan IPP dan DMAPP. Skualena dibentuk dari 2 molekul FPP yang bergabung secara ekor-ke-ekor membentuk 2,3epoksiskualena yang mempunyai 5 ikatan rangkap. Selanjutnya senyawa ini mengalami siklisasi menghasilkan lanosterol dan sikloartenol. Pada siklisasi ini terjadi protonasi gugus fungsi yang diikuti oleh pembukaan cincin epoksi (Gambar 4). Fitosteroid, yang merupakan senyawa steroid dalam jaringan tumbuhan, terbentuk dari sikloartenol, sedangkan kolesterol yang merupakan senyawa steroid pada jaringan hewan terbentuk dari lanosterol (Darwis 2001).

185

O

+

OPP

H IP P

G e r a n il p ir o p o s f a t ( m o n o t e r p e n o id )

H

H C

OPP

H

+

H C

OPP

F a r n e s il p ir o f o s f a t

F a r n e s il p ir o f o s f a t

+ H

+

2H O P P

O S k u a le n

2 ,3

+

H

+

H

H

H

H CH2 H

H HO

HO -H+

HO

-H+

HO L a n o s te ro l C 3 0 - 3C

S ik lo a r t e n o l

C 30

F it o s t e r o id

HO

K o le s t e r o l

Gambar 4 Rute biosintesis steroid. Ekstraksi merupakan salah satu metode pemisahan komponen dari suatu campuran (Anwar et al. 1994), yang di antaranya adalah maserasi, distilasi, perkolasi, dan soxhletasi. Maserasi merupakan perendaman contoh yang telah dihaluskan/dipotong-potong dalam suatu pelarut organik selama beberapa waktu, kemudian disaring dan diambil filtratnya (Ibrahim 1998). Pelarut yang digunakan harus memiliki kepolaran yang sesuai dengan senyawa yang akan diisolasi (Harborne 1987). Metode kromatografi melibatkan dua fase, yaitu fase diam dan fase gerak. Pemisahan bergantung pada gerak relatif kedua fase ini. Jika fase diam berupa zat padat, maka disebut kromatografi adsorpsi, dan jika zat cair sebagai fase diamnya, maka disebut kromatografi partisi. Kombinasi kedua sistem ini menghasilkan berbagai macam model kromatografi, antara lain kromatografi kolom dan kromatografi lapis tipis (TLC) (Gritter 1991). Kromatografi kolom merupakan metode kromatografi terbaik untuk memisahkan senyawa dalam jumlah yang besar (lebih dari 1 g). Metode ini melibatkan interaksi fase-gerak cair dengan fase diam yang padat atau cair. Bila fase-diam padat dan fase-gerak cair, maka pemisahan akan terjadi karena perbedaan daya absorpsi. Senyawa yang terabsorpsi dengan kuat akan lambat keluarnya sedangkan yang tidak terabsorpsi atau terabsorpsi dengan lemah akan keluar lebih dulu. Kolom diisi dengan absorben seperti alumina atau silika gel dan dialiri dengan pelarut seperti nheksana, etil asetat, kloroform, atau metanol sebagai fase geraknya. Elusi dapat dilakukan secara isokratik, yaitu menggunakan pelarut yang sama dari awal sampai akhir pemisahan, atau dengan polaritas gradien bertahap (SGP) dari pelarut nonpolar sampai polar.

186

Kromatografi lapis tipis merupakan metode kromatografi yang paling sederhana. Fase diam yang digunakan berupa lapisan tipis, dan fase geraknya berupa cairan (Ibrahim 1998). Bercak atau noda yang dihasilkan ditandai; jika tidak tampak, dapat dilakukan penyinaran dengan lampu ultraviolet (UV), pemberian uap iodium, atau penyemprotan dengan pereaksi penampak noda. Setelah terdeteksi, dilakukan identifikasi komponen penyusun noda. Metode termudah adalah menggunakan nilai Rf, yaitu perbandingan jarak tempuh noda dengan jarak tempuh eluen dalam sistem kromatografi (Gritter 1991). Senyawa hasil isolasi dimurnikan dengan rekristalisasi jika berupa kristal atau distilasi apabila berupa cairan. Rekristalisasi dilakukan dengan melarutkan kristal yang terbentuk dalam pelarut yang cocok, lalu dipanaskan. Bila ada kotorannya, disaring panas-panas, kemudian filtrat dibiarkan dingin sampai suhu kamar. Kristal murni yang terbentuk kemudian disaring. Untuk mengetahui kemurnian kristal, dilakukan pengukuran titik leleh dan analisis TLC. Titik leleh kristal adalah suhu saat fase padat berkesetimbangan dengan fase cair. Kristal organik murni biasanya mempunyai rentang titik leleh 0.5−1.0 °C (Harborne 1987). Kristal senyawa organik murni akan membentuk satu noda bulat pada analisis TLC. Senyawa steroid umumnya berbentuk kristal tidak berwarna dengan titik leleh yang tinggi. Untuk mengidentifikasinya dilakukan reaksi warna, uji kelarutan, analisis TLC, dan/atau analisis dengan spektroskopi UV dan inframerah (IR). Pereaksi yang memberikan warna pada senyawa steroid di antaranya ialah (1) pereaksi Lieberman-Buchard (anhidrida asetat-asam sulfat), yang memberikan warna hijau-biru (Harborne 1987), (2) pereaksi Rosenhein (penambahan beberapa tetes larutan asam trikloroasetat ke dalam larutan sterol dan kloroform) yang memberikan warna biru, dan (3) pereaksi Tortelli-Jaffe, yaitu larutan bromin dalam kloroform yang dipipet ke dalam larutan sterol dalam asam asetat glasial, dan menghasilkan warna hijau pada permukaan (Heltmann 1961). Aturan umum untuk kelarutan senyawa non-ionik dikenal ialah like dissolve like. Hidrokarbon steroid larut sempurna dalam pelarut yang relatif nonpolar seperti petroleum eter, n-heksana, benzena, kloroform, dan etil asetat. Pada analisis TLC, senyawa ini berada di daerah nonpolar. Pengukuran absorbans dalam daerah UV digunakan untuk analisis kualitatif. Pengukuran spektrum serapan UV senyawa hasil isolasi berguna untuk melihat ada tidaknya sistem ikatan rangkap dua terkonjugasi, yang diukur pada panjang gelombang 100−400 nm. Sebagai pelarut dapat digunakan metanol, etanol 95%, atau sikloheksana (Robinson 1995). Spektrum IR merupakan grafik hubungan persen transmitans terhadap bilangan gelombang (600–4000 cm-1) yang memberikan informasi tentang gugus fungsi dalam suatu senyawa (Sastrohamidjoyo 1992).

BAHAN DAN METODE Bahan yang digunakan meliputi tumbuhan ciplukan, metanol teknis, etil asetat teknis, nheksana teknis, asam sulfat pekat, kloroform, anhidrida asetat, pereaksi Dragendorf, logam Mg, HCl pekat, FeCl3, dan asam trikloroasetat. Bahan-bahan lainnya adalah lempeng TLC silika gel GF254 dan silika gel-60 untuk kromatografi kolom. Alat-alat yang digunakan terdiri atas penguap putar, kolom kromatografi, lampu UV (254 nm), radas pengukur titik leleh Fisher, spektrofotometer UV Shimadzu, spektrofotometer IR Shimadzu, dan alat-alat kaca lainnya. Sampel ciplukan dari kawasan desa Guguak, Kabupaten 50 Kota, Sumatra Barat, diuji fitokimia untuk mengetahui kandungan senyawa metabolit sekunder di dalamnya. Sejumlah contoh dibersihkan dan dikeringkan untuk memperoleh bobot kering 1 kg. Pengeringan dilakukan selama 20 hari dalam ruangan yang terlindung dari sinar matahari langsung. Tumbuhan tersebut dipotong kecil-kecil; setelah kering dengan bobot konstan, bahan ini siap untuk perlakuan selanjutnya. Sebanyak 1 kg contoh kering dimaserasi 3 kali dengan metanol, kemudian ekstrak metanol dipekatkan dengan penguap putar. Ekstrak pekat metanol disuspensikan dalam metanol-air (1:2), sebelum difraksionasi berturut-turut dengan n-heksana (3 kali) dan etil asetat (5 kali) sampai ekstrak

187

tidak keruh. Setiap fraksi diuji steroid dan dipekatkan dengan penguap putar. Dalam penelitian ini pelarut metanol yang dibutuhkan sebanyak 24 l, pelarut n-heksana sebanyak 600 ml, dan pelarut etil asetat sebanyak 1 l. Jika pengujian dengan pereaksi Lieberman-Buchard (LB: anhidrida asetat-asam sulfat pekat) menghasilkan warna hijau sampai biru, berarti mengandung steroid. Uji Rosenhein juga dilakukan dengan menambahkan beberapa tetes larutan asam trikloroasetat ke dalam larutan sterol dan kloroform: jika positif, terbentuk warna biru. Dari uji warna, ada 2 fraksi yang positif mengandung steroid, dan yang dilanjutkan ke kromatografi kolom adalah fraksi etil asetat. Fraksi etil asetat yang positif mengandung steroid dipekatkan dan difraksionasi dalam kolom kromatografi. Kolom dibilas dengan eluen (n-heksana), dimasukkan adsorben (bubur silika gel-60), kemudian dibiarkan satu malam. Contoh yang telah dipraadsorpsi dengan adsorben dimasukkan ke dalam kolom, lalu dielusi dengan eluen (n-heksana, etil asetat, dan metanol). Dari kromatografi kolom diperoleh 235 vial; yang diperkirakan mempunyai nilai Rf sama digabungkan, dan diperoleh 25 fraksi. Dilakukan uji LB dan Rosenhein; fraksi yang mengkristal kemudian direkristalisasi. Hasil rekristalisasi dibuat spektrum UV (100−400 nm; pelarut metanol) dan IRnya (600−4000 cm-1).

HASIL DAN PEMBAHASAN Uji fitokimia menunjukkan bahwa ciplukan positif mengandung steroid. Hasil selengkapnya diperlihatkan pada Tabel. Tabel Hasil uji fitokimia tumbuhan ciplukan No. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Kandungan kimia Alkaloid Flavonoid Fenolik Triterpenoid Steroid Saponin

Pereaksi

Hasil

Dragendorf Logam Mg + HCl pekat FeCl3 LB LB + air, dikocok

+ + ++++ +

Keterangan: + sedikit; ++++ relatif besar

Ekstraksi 1 kg contoh dilakukan secara maserasi menggunakan pelarut metanol. Dengan ukuran molekul yang kecil, metanol bisa menembus organel sel sehingga senyawa-senyawa yang terkandung dalam contoh tertarik keluar. Selain itu, harga metanol juga relatif murah. Ekstrak metanol yang berwarna hijau tua kemudian dipekatkan dengan penguap putar, dan diperoleh ekstrak pekat metanol sebanyak 47.023 gram. Sebelum difraksionasi dengan n-heksana, ekstrak pekat tersebut disuspensi dengan metanolair (1:2). Didapatkan ekstrak n-heksana (fase atas) sebanyak 580 ml berwarna hijau kemerahan. Fraksi metanol-air (fase bawah) kemudian difraksionasi lagi dengan etil asetat sebanyak 5 kali dan didapatkan ekstrak hijau tua, yang setelah dipekatkan, bobotnya 5.013 gram dengan warna hijau kehitaman. Fraksi yang positif mengandung steroid adalah fraksi n-heksana dan fraksi etil asetat. Pada penelitian ini hanya fraksi etil asetat yang dipisahkan lebih lanjut, agar kristal hasil isolasi tidak banyak dibalut klorofil sehingga mudah dimurnikan (direkristalisasi). Pemisahan dilakukan dengan kromatografi kolom menggunakan metode SGP terhadap 3 g ekstrak pekat etil asetat. Elusi dilakukan dengan berbagai eluen yang semakin lama semakin polar, yaitu dari n-heksana sampai metanol. Diperoleh 235 vial yang kemudian digabungkan menjadi 25 fraksi berdasarkan analisis TLC. Fraksi 2, 5, 10, 12, 14, dan 24 positif mengandung steroid, tetapi hanya fraksi 12 yang membentuk kristal dan kemudian dimurnikan dengan rekristalisasi.

188

Pertama-tama dipilih pelarut yang mampu meminimumkan pengotor dan tidak dapat melarutkan senyawa hasil isolasi dalam keadaan dingin, tetapi melarutkannya dalam keadaan panas. Pelarut yang digunakan adalah n-heksana-etil asetat (1:1). Produk rekristalisasi berbentuk jarum berwarna putih dengan bobot 112.7 mg dan titik leleh 169–171°C. Dengan kisaran 2 °C, dapat disimpulkan bahwa senyawa ini relatif murni. Analisis TLC dengan berbagai pelarut juga menunjukkan 1 noda yang bulat: dengan pelarut n-heksana, harga Rf 0.40; dengan n-heksana-etil asetat (1:1), 0.49, dan dengan etil asetat, 0.60 (Gambar 5).

(a) (b) (c) Gambar 5 Kromatogram lapis tipis senyawa hasil isolasi dengan berbagai fase gerak: n-heksana (a); nheksana-etil asetat (b); etil asetat (c). Identifikasi senyawa hasil isolasi dengan pereaksi LB memberikan warna hijau sampai biru, dan dengan pereaksi Rosenhein dihasilkan warna biru. Spektrum UV menunjukkan serapan maksimum pada 198 nm (A = 3.275), yang menunjukkan adanya ikatan rangkap terkonjugasi. Spektrum IR memiliki puncak pada frekuensi 3400 cm-1 yang merupakan O–H ulur, 3150 cm-1 (=C–H ulur), dan 2962 cm-1 (C–H ulur). Pada penelitian ini struktur molekul senyawa steroid hasil isolasi belum dapat dielusidasi dengan lengkap. Masih diperlukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan spektrometri massa dan resonansi magnet inti 1H dan 13C.

SIMPULAN Senyawa steroid telah diisolasi dari tumbuhan ciplukan. Dari 1 kg contoh kering diperoleh kristal jarum berwarna putih sebanyak 112.7 mg. Titik leleh kristal tersebut 169–171 °C. Analisis TLC dengan berbagai pelarut menunjukkan bahwa senyawa steroid yang diperoleh murni, sebagaimana ditunjukkan oleh 1 noda yang bulat. Dengan pelarut n-heksana, harga Rf 0.40, dengan n-heksana-etil asetat (1:1) 0.49, dan dengan etil asetat 0.60. Uji steroid dengan pereaksi LB memberikan warna hijau sampai biru, dan dengan pereaksi Rosenhein diperoleh warna biru. Spektrum UV menunjukkan bahwa senyawa tersebut memiliki ikatan rangkap terkonjugasi dan spektrum IR menunjukkan adanya uluran O-H, =C-H, dan C-H.

DAFTAR PUSTAKA Anwar C, Bambang P, Harno DP, Tutik DW. 1994. Pengantar Praktikum Organik. Yogyakarta: Depdikbud, Dirjen Pendidikan Tinggi. Cybernews. 2004. Ciplukan untuk Diabetes. http://www.suaramerdeka.com/cybernews/sehatobat alami/obat_alami 3.html.

189

Darwis D. 2001. Teknik isolasi dan karakterisasi senyawa metabolit sekunder. Makalah Lokakarya Peningkatan SDM untuk Pemanfaatan SDA Hayati dan Rekayasa Bioteknologi, FMIPA UnandDikti Depdiknas, Padang, 2-3, 41-42 Gritter RJ, James MB, Arthur ES. 1991. Pengantar Kromatografi. Ed Ke-2. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Hall DW Vernon VV. 2004. Cutleaf Ground-cherry, Physalis angulata. http://www.edis.ifas.ufl.edu/pdf files/FW/FW03100.pdf. Harborne JB. 1987. Metode Fitokimia. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Heltmann E. 1961. The Biochemistry of Steroid. New York: Reinhold. Ibrahim S. 1998. Teknik Laboratorium Kimia Organik. Padang: Universitas Andalas. Manitto P. 1980. Biosynthesis of Natural Products. New York: J Wiley. Robinson T. 1995. Kandungan Organik Tumbuhan Tingkat Tinggi. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Sastrohamidjoyo H. 1992. Spektroskopi Inframerah. Yogyakarta: Liberty. Siyok D. 2002. Morel Berry, Obat Kencing Manis. www.dayakology.com/kr/ind/2002/87/kesehatan.htm-9k.

190

IN VITRO ANTIFUNGAL ACTIVITY OF XANTHORRHIZOL ISOLATED FROM Curcuma xanthorrhiza ROXB. AGAINST PATHOGENIC Candida, OPPORTUNISTIC FILAMENTOUS FUNGI AND Malassezia Yaya Rukayadi1,2, Jae-Kwan Hwang1*

1Department 2Biopharmaca

of Biotechnology, Yonsei University, Research Center, Bogor Agricultural University, Bogor

ABSTRACT Xanthorrhizol (XTZ) was isolated from the rhizome of temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb.) and its in vitro activities against Candida, filamentous fungi, and Malassezia were evaluated by using the National Committee for Clinical Laboratory Standards standard method. All Candida species showed susceptibility to XTZ in the minimum inhibitory concentration (MIC) range 1.0−15.0 mg/l for Candida albicans, 1.0−10 mg/l for Candida glabrata, 2.0−8.0 mg/l for Candida guilliermondii, 2.5−7.5 mg/l for Candida krusei, 2.5−25 mg/l for Candida parapsilosis, and 2.0−8.0 mg/l for Candida tropicalis. Time-kill curves demonstrated that XTZ conferred an ability to kill those Candida strains with minimum fungicidal concentration (MFC) of 20 mg/ml, 15 mg/ml, 12.5 mg/ml, 10 mg/l, 30 mg/ml, and 10 mg/l, respectively. XTZ was also found to be active against all the species tested, namely Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Fusarium oxysporum, Rhizopus oryzae, and Trichophyton mentagrophytes: MICs were 2.0, 2.0, 2.0, 4.0, 1.0, and 1.0 mg/l, while MFCs were 4.0, 4.0, 4.0, 8.0, 2.0, and 2.0 mg/l, respectively. XTZ also had an activity to inhibit conidial germination of all tested species. Futhermore, MIC values of XTZ against Malassezia furfur and Malassezia pachydermatis were 1.25 and 0.25 mg/l, respectively, whereas the MFC of XTZ was 5 mg/l for M. furfur and 2.5 mg/l for M. pachydermatis. Time-kill curves demonstrated that treatment with 25 mg/l of XTZ for 5 hours was able to kill 100 % of M. furfur, while M. pachydermatis was killed completely with 20 mg/l of XTZ for 15 minutes. These results strongly suggested that xanthorrhizol can be developed as a natural antifungal agent.

INTRODUCTION Invasive Candida, opportunistic filamentous fungal infections, and Malassezia, particularly in immunosuppressive patients, have continued to increase in incidence during the past 25 years and are now significant causes of morbidity and mortality. This is particularly true in patients with haematological malignancies undergoing induction or consolidation chemotherapy, in immunosuppressed organ transplant recipients, and in patients with acquired immunodeficiency secondary to infection by human immunodeficiency viruses (Andriole 1999). In contrast, human mycoses are not always successfully treated, since the available antifungal agents are ineffective, produce many adverse effects, show recurrence, or lead to the development of resistance. It is therefore essential to investigate more effective and less toxic new antifungal agents (Zacchino et al. 1999). Moreover, due to the development of resistance in known fungal pathogens and the emergence of fungal pathogens intrinsically resistant to the currently available antibiotics, it is important that novel antifungal agents need be to identified and developed (Alexander & Perfect 1997).

* Correspondence author: Jae-Kwan Hwang, Department of Biotechnology, Yonsei University, 134 Shinchon-dong, Seodaemun-gu, Seoul 120749, South Korea. Tel: +82-2-2123-5881, Fax: 82-2-362-7265. E-mail: [email protected]

191

Although most antibiotics in clinical use have been obtained from microorganisms, a renewed interest in plant antimicrobials has emerged during the last 25 years. Because only a very small fraction of the known plant species of the world have been evaluated for the presence of antifungal compounds, and there is a rapid rate of plant species extinction, many efforts are necessary to collect and to screen plants in order to avoid the loss of valuable potential sources, lead to the development of novel and environmentally safe antifungal agents (Fenner et al. 2005). Xanthorrhizol (Figure 1), isolated from the rhizome of Java turmeric (Curcuma xanthorrhiza), had been reported to possess antibacterial activities against several oral pathogens (Hwang et al. 2000a, b) and had an ability to prevent and to remove Streptococcus mutans biofilms (Rukayadi & Hwang 2006a, b). Here, we reported antifungal activities of xanthorrhizol to six Candida species (C. albicans, C. glabrata, C. guilliermondii, C. krusei, C. parapsilosis, and C. tropicalis), six species of opportunistic filamentous fungi (Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Asergillus niger, Fusarium oxysporum, Rhizopus oryzae, and Trichophyton mentagrophytes), and two species of Malassezia (M. furfur and M. pachydermatis). 14

4

OH

5

3

6

2

12

1 9

7 15

8

11 10

13

Figure 1 Structure of xanthorrhizol.

MATERIAL AND METHODS Microorganism Species and Growth Conditions The reference Candida species (C. albicans, C. glabrata, C. guilliermondii, C. krusei, C. parapsilosis, and C. tropicalis) used in this study were all obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, Rockville, MD, USA). Clinical Candida isolates were obtained from The Research Institute of Bacterial Resistance, College of Medicine, Yonsei University, Korea. The clinical isolates were isolated from body liquid, blood, urine, lung, and genital of the patients. Clinical Candida isolates were identified by using YBC cards (Bio-Merieux, Marci-I’Etoile, France) according to the manufacturer’s instructions. All clinical Candida isolates were susceptible to fluconazole and voriconazole. The strains were cultured on sabouraud dextrose broth (SDB) or sabouraud dextrose agar (SDA) (Difco) for 48 h at 35 °C. A standardized inoculum (a McFarland standard) for each isolate was 5 × 106 cfu/ml (NCCLS 2002a). The filamentous fungi species (A. flavus ATCC 22546, A. fumigatus ATCC 26430, A. niger ATCC 9029, F. oxysporum ATCC 44187, R. oryzae ATCC 22580, and T. mentagrophytes ATCC 11950) used in this study were all opportunistic human pathogens that were obtained from ATCC. Fungal strains were cultured and maintained on potato dextrose agar (PDA) (Difco) medium at various optimum temperatures depending on the strain. Two strains of Malassezia, M. furfur ATCC 14521 and M. pachydermatis ATCC 14522 were grown on SDB or SDA (Difco) supplemented with 1% (v/v) of pure olive oil (Yakuri Pure Chemicals, Kyoto, Japan) (SDAO and SDBO, respectively) for M. furfur, and SDB or SDA for M. pachydermatis, following incubation at 35 °C for two to seven days. Malassezia strains were maintained on the same

192

medium described above, at 4 °C, with subcultures being carried out on a monthly basis. The same medium was used in all experiments.

Inoculum Suspension Preparation A standardized inoculum of Candida for each isolate was prepared as follows: the Candida species was propagated in SDB at 35 °C for 24 h with 200 rpm agitation. One ml of 24 h old culture in SDB was centrifuged (3900 g at 4 °C for 1 min), and the pellets were washed twice with 1 ml of physiological saline. Sterile physiological saline was added to give a McFarland turbidity of 0.5 at 530 nm, corresponding to 5 (±1.0) × 106 cfu/ml (NCCLS 2002a). Inoculum suspensions of filamentous fungi were prepared by the method of NCCLS M38-A (NCCLS 2002b). Briefly, fungi were grown on PDA at 35 °C for 7 days for Aspergillus strains and R. oryzae, or at 35 °C for 48 to 72 h and then at 25 to 28 °C until day 7 for F. oxysporum. T. mentagrophytes was grown on PDA at 28 °C for 7 days. Seven-days-old colonies were covered with approximately 1 ml of sterile 0.85% saline, and the suspension was made by gently probing the colonies with the tip of a Pasteur-pipette. The resulting mixture of conidia or sporangiospore and hyphal fragments was withdrawn and transferred to a sterile tube. After heavy particles were allowed to settle for 3 to 5 min, the upper homogenous suspension was collected, and mixed with a vortex mixer for 15 s. The densities of the conidial suspensions were read and adjusted to an optical density (OD) ranged from 80 to 82% of transmittance for Aspergillus species, and 68 to 70% of transmittance for F. oxysporum and R. oryzae. The density of T. mentagrophytes was adjusted with a spectrophotometer at a wavelength of 520 nm to a transmittance level of 70 to 72% (Santos et al. 2006). These suspensions were diluted 1:50 in sterile distilled water. The 1:50 inoculum dilution corresponded to 2× density (approximately 0.4 × 104 to 5 × 104 cfu/ml). Inoculum quantification was made by plating 0.01 ml of 1:100 dilution of the adjusted inoculum on SDA (Difco) to determine the viable number of cfu/ml. The plates were incubated at 28−30 °C and observed daily for the presence of fungal colonies. The 2× conidial or sporangiospore inoculum suspension was approximately 5 × 104 cfu/ml. Inoculum suspensions of Malassezia were prepared by the method described previously (Rukayadi et al. 2006). A 1 ml aliquot of 48 h culture was centrifuged (3000 g at 4 °C for 1 min), followed by washing the pellets twice with 1 ml of 50 mM pH 7.0 phosphate buffered saline (PBS). Clusters of Malassezia cells were formed upon preparation of inoculum suspensions, and washing with PBS promotes single-cell status and more accurate in turbidity measurements. A standard inoculum (a McFarland standard) for each isolate was 5 × 106 cfu/ml.

Antifungal Agents Xanthorrhizol (XTZ) was isolated as a pure form from the ethyl acetate fraction of the methanol extract of C. xanthorrhiza according to the method of Hwang et al. (2000b). XTZ was dissolved in 10% dimethyl sulfoxide (DMSO) to obtain 1 g/l stock solutions. 10 % of DMSO was found not to kill the tested fungi. Amphotericin B (AMB), purchased from Sigma Chemical (St. Louise, USA) and zinc pyrithione (ZPT) (Dongsan Clean & Green, Korea) were dissolved in sterile-distilled water to 1 g/l (stock solution).

In Vitro Susceptibility Tests In vitro susceptibility tests of Candida to XTZ were performed to evaluate minimum inhibitory and fungicidal concentrations (MICs and MFCs) using the method described in the guideline of NCCLS M27-A2 (NCCLS 2002a). Briefly, MICs were determined for all species with the adjusted inoculum suspension of 5 × 106 cfu/ml by diluting 1:100 with MOPS-buffered RPMI 1640 medium to make final

193

inoculum concentration of 5 × 104 cfu/ml. Individual antifungal agents were diluted 1:10 in MOPSbuffered RPMI 1640 medium containing 5 × 104 cfu/ml inoculum, yielding an initial inoculum of 4.5 × 103 cfu/ml. The final concentration of individual antifungal agents ranged as follows: XTZ, 1−100 mg/l and AMB, 0.1−7.5 mg/l. A 200 µl aliquot of each suspension was placed in 96-well round-bottom microtitration plates. The plates were incubated at 35 °C, and endpoints were read visually after 48 h. MFCs were determined for each anticandidal agent-Candida species-medium combination as outlined under “MIC test” by removing the media from each well showing no visible growth and subculturing onto SDA plates. The plates were incubated at 35 °C until growth was seen in the growth control plates. In vitro susceptibility tests of filamentous fungi to XTZ were also performed to evaluate MICs and MFCs. Individual MIC and MFC were determined following broth microdilution method recommended by NCCLS approved standard M38-A (NCCLS 2002b), as modified by Espinel-Ingroff et al. (2002) and Santos et al. (2006). The broth microdilution test was performed by using sterile and disposable 96-well flat-bottomed microtitration plate. Briefly, each microdilution well containing 100 µl of the twofold antifungal concentration was inoculated with 100 µl medium of the diluted inoculum suspension. For each test plate, two antifungal-free controls were included, one with medium only (sterile control), and the other with 100 µl of medium plus 100 µl of inoculum suspension (growth control). Each kind of inoculum suspension was treated with XTZ and AMB. The assayed concentration ranged from 0.125 to 64 mg/l. The plates were incubated at 35 °C for Aspergillus species, F. oxysporum, and R. oryzae, and 28 °C for T. mentagrophytes. Endpoints were read visually after 3 and 7 days, respectively. MIC was interpreted as the lowest concentration of antifungal totally inhibiting the growth of the tested microorganism compared with the growth control after the preset incubation time. Assay was always run in duplicate. MFC was determined for each antifungal agent-fungi species-medium combination as outlined for MIC by removing the medium from each well showing no visible growth and subculturing onto SDA plates. The plates were incubated at 35 °C for Aspergillus species, F. oxysporum, and R. oryzae and 28 °C for T. mentagrophytes, until growth was seen in the growth control plates. In vitro susceptibility tests of Malassezia to XTZ were performed to evaluate MICs and MFC as well by using broth microdilution method as described in the guidelines of NCCLS M27-A2 (NCCLS 2002a). However, the standardized RPMI-1640 medium did not support growth of the Malassezia yeast cells because of its lack of the specific required lipids (Gupta et al. 2000). SDB, SDA, SDBO, and SDAO media were used for susceptibility test in this study. In this study, we did not use fatty acid RPMI 1640 media (RPMI 1640 supplemented with fatty acids, bile salt lipids, oleic acid, Tween 20, and the noctadecanoate fatty acid glycerol monostearate), a formulated media for testing susceptibilities of Malassezia species (Velegraki et al. 2004). Sabouraud dextrose media is a rich media for cultivation of yeasts including Malassezia, and olive oil is a complex compound made of fatty acids including oleic and linoleic acid, vitamins, volatile components, water soluble components, and microscopic bits of olive. Olive oil was sufficient to support growth of Malassezia (Bulmer & Bulmer 2000; Kaneko et al. 2005). Briefly, MICs were determined for all species with the adjusted inoculum suspension of 5 × 106 cfu/ml (a McFarland standard) by diluting 1:10 with SDHO or SDH medium to make final inoculum concentration of 5 × 105 cfu/ml. Individual antifungal agents were diluted 1:10 in SDHO or SDH medium containing 5 × 105 cfu/ml inoculum, yielding an initial inoculum of 4.5 × 105 cfu/ml. The final concentration range of individual antifungal agents was 0.1−10 mg/l. A 200 µl aliquot of each suspension was placed in 96-well round-bottom microtitration plates. The plates were incubated at 35 °C, and endpoints were read visually after 48 h. MIC was defined as the corresponding concentrations required to inhibit the growth of the species relative to controls grown in the absence of the antifungal agents. MFC was determined for each anti-Malassezia using the method described by Rukayadi et al. (2006).

194

RESULTS Susceptibility Of Candida to XTZ MICs and MFCs of the XTZ compared to AMB are summarized in Table 1. All species were susceptible to XTZ. Interestingly, there were 3 strains, 1 strain each of clinical C. albicans, clinical C. glabrata, and clinical C. parapsilosis which were not killed by more than 20 mg/l of AMB, but XTZ killed those at 5.0−10.0, 5.0, and 7.5 mg/l, respectively. Table 1 In vitro anticandidal activity of xanthorrhizol against Candida species (Rukayadi et al. 2006)

Susceptibility Of Filamentous Fungi to Xanthorrhizol As shown in Table 2, all species were susceptible to XTZ. XTZ inhibits the growth of A. flavus, A. fumigatus, A. niger, F. oxyxporum, R. oryzae, and T. mentagrophytes with MICs at 2.0, 2.0, 2.0, 4.0, 1.0, and 1.0 mg/l, respectively. The strains were killed by XTZ at MFCs 4.0, 4.0, 4.0, 8.0, 2.0, and 2.0 mg/l, respectively. MICs of AMB in this work, against all tested fungi were in agreement with previous reports (NCCLS 2002; Durand-Joly et al. 2003; Santos et al. 2006).

195

Table 2 In vitro antifungal activity of xanthorrhizol and amphotericin B against filamentous fungi species Species A. flavus ATCC 22546 A. fumigatus ATCC 26430 A. niger ATCC 9029 F. oxysporum ATCC 44187 R. oryzae ATCC 22580 T. mentagrophytes ATCC 11950

MIC (mg/l) XTZ AMB 1.0 1.0 1.0 4.0 2.0 0.5

2.0 2.0 2.0 4.0 1.0 1.0

MFC (mg/l) XTZ AMB 1.0 2.0 2.0 8.0 4.0 1.0

4.0 4.0 4.0 8.0 2.0 2.0

Susceptibility Of Malassezia to XTZ MICs and MFCs of XTZ to M. furfur and M. pachydermatis in comparison with those of ZPT are summarized in Table 3. The killing activities of XTZ and ZPT for each species are shown in Figure 2. Fisher’s exact test was used to compare the effectiveness of XTZ and ZPT in killing 100% of M. furfur and M. pachydermatis (Table 4). To kill 100% of M. furfur, treatment with 25 mg/ml of XTZ for 5 h was more effective than that with 15 mg/ml of ZPT for 12 h (P < 0.043). To kill 100% of M. pachydermatis, treatment with 20 mg/ml of XTZ for 15 min was more effective than that with 20 mg/ml for 12 h of ZPT (P < 0.00001). Table 3 In vitro antifungal activity of XTZ and ZPT against M. furfur and M. pachydermatis Yeast M. furfur ATCC 14521 M. pachydermatis ATCC 14522

XTZ (mg/l) MIC MFC

ZPT (mg/l) MIC MFC

1.25 0.25

0.625 0.25

5 2.5

5 2.5

Figure 2 Representative time-kill plots Malassezia species following exposure to XTZ and ZPT at 0 (─♦─), 1 (─■─), 5 (─▲─), 7.5 (─●─), 10 (─◊─), 15 (─□─), 20 (─∆─), and 25 µg.ml-1 (─○─) after endpoint (24 h). XTZ against M. furfur ATCC 14521 (A), ZPT against M. furfur ATCC 14521 (B), XTZ against M. pachydermatis ATCC 14522 (C), and ZPT against M. pachydermatis ATCC 14522 (D).

196

Table 4 Contingency table for comparing the effectiveness of XTZ and ZPT treatment to M. furfur and M. pachydermatis Yeast M. furfur ATCC 14521 M. pachydermatis ATCC 14522

Concentration (mg/l) and time (min or h) for 100 % killing XTZ ZPT 25 mg/l for 5 h 25 mg/l for 15 min

15 mg/l for 12 h 20 mg/l for 12 h

P-value (Fisher Exact Test) 0.043* 0.00001*

*significantly different (P < 0.05, Fisher Exact Test)

DISCUSSION Antifungal Activity of XTZ against Candida Species In general, MICs and MFCs of AMB against Candida species were in good agreement with previous reports (Canton et al. 2004; Nguyen et al. 1996). The isolates with reduced susceptibility to AMB may also exhibit reduced susceptibility to XTZ. There was no previous report for XTZ against pathogenic non-C. albicans species. XTZ had been shown here to possess powerful in vitro activity against a broad range of distantly related C. species. An anticandidal which has a broad-spectrum to non-C. albicans species may have clinical applications. Snydman (2003) reported that the spectrum of invasive fungal infections was changing and rising with the frequencies of infection due to non-C. albicans species. Among six species of Candida used in this study, C. guilliermondii, C. krusei, and C. tropicalis were the most susceptible to XTZ, followed by C. glabrata, C. albicans, and C. parapsilosis. Knowledge about the in vitro pharmacodynamic characteristics of C. guilliermondii is still poor and limited to AMB (Bonaventura et al. 2004). C. glabrata infection is second or third in frequency after C. albicans, and is associated with a high mortality rate in at-risk hospitalized patients. However, its epidemiology, pathogenesis, treatment, and antifungal resistance are poorly understood (Snydman 2003). Moreover, compared to other Candida species, especially C. albicans, higher levels of all azole antifungals are required for comparable activity against C. glabrata isolates (Sanguinetti et al. 2005). Our study showed that C. glabrata was more susceptible to XTZ compared with C. albicans. This result suggested that XTZ may be effective in treating C. glabrata infection. C. parapsilosis became the most frequently isolated yeast species from hospital patients and the most common non-C. albicans species infection in oncologic patients (Krcmary & Barnes 2002). Our results also demonstrated that XTZ has an ability to inhibit and to kill C. parapsilosis in vitro. Overall, XTZ may be potentially valuable as a natural compound for fungal infections, even though its anticandidal activity is weaker than AMB against six species of Candida. However, the clinical applications of XTZ are challenging to interpret this study due to lack of pharmacokinetic and safety studies. Unanswered concerns exist about in vivo efficacy and toxicity of XTZ. Future research towards these objectives, based on animal models, may resolve these issues.

Antifungal Activity of XTZ against Filamentous Fungi Species Aspergilli produce a wide variety of diseases, and there are more than one hundred species of aspergilli. The most common etiologic agents of aspergillosis, an infection caused by Aspergillus, are A. flavus, A. fumigatus, and A. niger (Stevens et al. 2000). In this report, MICs of XTZ and AMB to all Aspergillus strains were 2 and 1.0 mg/l, respectively. Reference MICs of AMB against A. flavus, A. fumigatus, and A. niger were 0.5−4, 0.5−2, and 0.25−1 mg/l (NCCLS 2002; Hsueh et al. 2005). Thus, MICs of XTZ against all tested Aspergillus were comparable and in the range of reference.

197

The Fusarium genus contains important mycotoxin-producing species that have been implicated in human diseases. Fusarium such as F. oxysporum has become increasingly common causes of breakthrough infections in immunosuppressed patients (Fleming et al. 2002). The susceptibility of XTZ and AMB against F. oxysporum were same (4 mg/l). MIC of AMB against F. oxysporum was also in agreement with the previous result reported by Lewis et al. (2005). Zygomycosis is an infection caused by fungi of Zygomycetes class, Mucorales order. R. oryzae is the most frequently isolated organism from patients with zygomycosis (Ribes et al. 2000). In this work, MIC of XTZ against R. oryzae was 1.0 mg/l. Interestingly, this MIC was lower compared to that of AMB (2 mg/l). Hence, XTZ has a potency to be developed as an antimycotic against R. oryzae. Dermatophytoses are among the world’s most common diseases, and dermatophytes constitute an important public health problem as yet unresolved (Fernandes-Torres et al. 2003). T. mentagrophytes is one of the dermatophyte species often found in the chronic pyoderma diseases (Skorepova & Stuchlik 2006). MIC of XTZ (1.0 mg/l) against this species was higher compared to that of AMB (0.5 mg/l). The report of susceptibility of AMB are still limited and the published document do not address the antifungal AMB susceptibilities of dermatophytes such as Trichophyton, Microsporum, and Epidermophyton species (Ghannoum et al. 2004). The germination of conidia of A. flavus, A. fumigatus, A. niger, F. oxysporum, R. oryzae, and T. mentagrophytes in suspension containing XTZ is presented in Figure 3. Generally, the germination decreased with increasing XTZ concentration. The average conidia germination of those species were only 22, 18, 16, 24, 18, and 22 %, respectively, at 4 × MIC. This showed that XTZ was able to inhibit conidia germination. To our knowledge, there is no report about inhibition of conidia germination of filamentous fungi by XTZ. The discovery of new conidia germination inhibitors would be valuable for the control of the diseases caused by pathogenic fungi (Jin et al. 2004). The adequate treatment of mycotic infections is difficult since the fungi are eukaryotic organisms similar with structure and metabolism to those of eukaryotic host (Singh et al. 2006). Furthermore, long-term treatment with commonly used antifungals, such as AMB, has toxic effects, and azoles antifungal are limited in their spectrum and efficacy in use which may result in strain resistance (Denning et al. 1997; Wakabayashi et al. 1998; Helmerhorst et al. 1999). XTZ may be potentially valuable as a natural active compound isolated from an edible plant, for mycotic or fungal infections. However, the clinical applications of XTZ are challenging to interpret in this study due to lack of pharmacokinetic and safety studies. Future works toward these objectives may resolve these issues. In summary, the potent antimycotic activity of XTZ against opportunistic filamentous pathogenic fungi was demonstrated in test using six reference strains, and then compared with the activities of AMB. The results showed the usefulness of XTZ as a promising new antimycotic agent for the topical treatment of mycoses.

Antifungal Activity of XTZ against Malassezia Recently, the potential antifungal effects of certain bioactive compounds from plants have attracted serious attention within the scientific community, largely as a result of the growing problem of multidrug resistance among pathogenic fungi (Cowan 1999; Tim-Cushnie & Lamb 2005). In contrast, there are few reports concerning the susceptibility of Malassezia to natural antifungal or anti-Malassezia agents. However, to our knowledge there is no scientific information on anti-Malassezia properties of XTZ. This study emphasized the importance of XTZ as an alternative anti-Malassezia agent against pathogenic fungi causing dandruff and other human and animal skin diseases, M. furfur and M. pachydermatis.

198

(D) F. oxysporum 100

100 80 60 40 20 0

% Germination

% Germination

(A) A. flavus

0 X MIC 0.5 X MIC

MIC

2 X MIC

80 60 40 20 0

4 X MIC

0 X MIC 0.5 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

MIC

2 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

(B) A. fumigatus

(E) R. oryzae 100 % Germination

% Germination

100 80 60 40 20 0 0 X MIC

0.5 X MIC

MIC

2 X MIC

80 60 40 20 0

4 X MIC

0 X MIC 0.5 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

MIC

2 X MIC

4 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

(C) A. niger

(F) T. mentagrophytes

100

100 % Germination

% Germination

4 X MIC

80 60 40 20 0 0 X MIC

0.5 X MIC

MIC

2 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

4 X MIC

80 60 40 20 0 0 X MIC 0.5 X MIC

MIC

2 X MIC

4 X MIC

Xanthorrhizol (µg/mL)

Figure 3 Effect of xanthorrhizol to conidial germination of A. flavus ATCC 22546 (0, 1, 2, 4 and 8 µg/ml) (A), A. fumigatus ATCC 26430 (0, 1, 2, 4, and 8 µg/ml) (B), A. niger ATCC 9029 (0, 1, 2, 4, and 8 µg/ml) (C), F. oxysporum ATCC 44187 (0, 2, 4, 8, and 16 µg/ml) (D), R. oryzae ATCC 22580 (0, 0.5, 1, 2, and 4 µg/ml) (E), and T. mentagrophytes ATCC 11950 (0, 0.5, 1, 2, and 4 µg/ml) (F) after endpoint (12 h). Values given in brackets after species are 0 ×, 0.5 ×, 1 ×, 2 ×, and 4 × MIC, respectively. In an attempt to determine how effective XTZ may be in treating Malassezia-associated diseases, we studied the anti-Malassezia activity of XTZ against M. furfur and M. pachydermatis. ZPT was used as a positive control in comparison with anti-Malassezia activity of XTZ. ZPT has been used broadly for treating skin diseases caused by Malassezia, including dandruff. Schmidt & Ruhl-Horster (1996) reported that MICs of ZPT against M. furfur was between 0.2 to 8 mg/l. Our results showed that MIC of ZPT against M. furfur was 0.625 µg ml-1, whereas MIC of ZPT against M. pachydermatis was 0.25 mg/l. Susceptibility of ZPT against M. furfur and M. pachydermatis were in good agreement with previous report. The method used by Schmidt & Ruhl-Horster (1996) was different and they used a microtiter plate assay with colorimetrically modified Leeming-Notman medium after incubation with alamar blue. There was no previous report for anti-Malassezia of XTZ against M. furfur and M. pachydermatis. XTZ had been shown here to possess powerful in vitro activity against M. furfur and M. pachydermatis.

199

In vitro MFC of XTZ with endpoint after 48 h demonstrated that XTZ was able to kill the Malassezia strains with MFC of 5 and 2.5 mg/l for M. furfur and M. pachydermatis, respectively. These results were the same with the MFCs of ZPT against those strains (Table 4). Time-kill curves (Figure 2) demonstrated that XTZ was able to kill 100% of M. furfur with 25 mg/l for 5 h, whereas ZPT was able to kill 100% of M. furfur with 15 mg/l for 12 h. To kill 100% of M. pachydermatis, it was needed 25 mg/l for 5 min and 20 mg/l for 12 h of XTZ and ZPT, respectively. Fisher’s exact test analysis of these data showed that XTZ was more effective in killing Malassezia strains than ZPT (Table 4.) Our findings demonstrated that XTZ has anti-Malassezia activity against M. furfur and M. pachydermatis in vitro. XTZ may be potentially valuable as a natural compound for treating Malasseziaassociated diseases. However, the use of Malassezia ATCC strains mainly may not truly reflect the susceptibility of clinically isolated Malassezia. Hence, future research is necessary to determine antiMalassezia activity of XTZ against a range of clinical isolates.

REFERENCES Alexander BD, Perfect JR. 1997. Antifungal resistance trends towards the year 2000: implications for therapy and new approaches. Drugs 54:657-678. Andriole VT. 1999. Current and future antifungal therapy: New targets for antifungal agents. J Antimic Chemother 44:151-162. Bonaventura GD et al. 2004. In vitro pharmacodynamic characteristics of amphotericin B, caspofungin, fluconazole, and voriconazole against bloodstream isolates of infrequent Candida species from patients with hematologic malignancies. Antimicrob Agents Chem 248:4453-4456. Bulmer AC, Bulmer GS. 1999. The antifungal action of anti-dandruff shampoos. Mycopathology 147:6365. Canton E et al. 2004. Patterns of amphoreticin B killing kinetics against seven Candida species. Antimicrob Agents Chemoter 48:2477-2482. Cowan MM. 1999. Plant products as antimicrobial agents. Clin Microbiol 12:564-582. Denning DW et al. 1997. Itraconazole resistance in Aspergillus fumigatus. Antimicrob Agents Chemother 41:1364-1368. Durand-Joly I et al. 2003. Successful outcome of disseminated Fusarium infection with skin localization treated with viroconazole and amphotericin B-lipid complex in a patient with acute leukemia. J Clin Microbiol 41:4898-4900. Espinel-Ingroff A, Fothergill A, Peter J, Rinaldi MG, Walsh TJ. 2002. Testing conditions for determination of minimum fungicidal concentrations of new and established antifungal agents for Aspergillus spp.: NCCLS collaborative study. J Clin Microbiol 40:3204-3208. Fenner RM et al. 2005. Antifungal activity of some Brazilian Hypericum species. Phytomedicine 12:236240. Fernandez-Torres B, Vazquez-Veuga H, Llovo X, Pereiro M, Guarro J. 2000. In vitro susceptibility to itraconazole, clotrimazole, ketoconazole, and terbinafine of 100 species of Trichophyton rubrum. Chemother 46:390-394. Fleming RV, Walsh TJ, Anaissie EJ. 2002. Emerging and less common fungal pathogens. Infect Dis Clin North Am 16:915-933. Ghannoum MA, Chaturvedi V, Espinel-Ingroff A, Pfaller MA. 2004. Intra-and interlaboratory study of a method for testing the antifungal susceptibilities of dermatophytes. J Clin Microbiol 42:2977-2979. Gupta AK, Kohli Y, Li A, Faergemann J, Summerbell RC. 2000. In vitro susceptibility of the seven Malassezia species to ketonazole, voriconazole, itraconazole and terbinafine. Br J Dermatol 142:758-765.

200

Helmerhorst EJ et al. 1999. Amphotericin B- and fluconazole-resistant Candida spp., Aspergillus fumigatus, and other newly emerging pathogenic fungi are susceptible to basic antifungal peptides. Antimicrob Agents Chemother 43:702-704. Hsueh PR et al. 2005. Antifungal susceptibility of clinical isolates of Candida species, Cryptococcus neoformans, and Aspergillus species from Taiwan: Surveillance of multicenter antimicrobial resistance in Taiwan program data from 2003. Antimicrob Agents Chemother 49:512-517. Hwang JK, Shim JS, Pyun YR. 2000a. Antibacterial activity of xanthorrhizol from Curcuma xanthorrhiza against oral pathogens. Fitoterapia 71:321-323. Hwang JK, Shim JS, Baek NI, Pyun YR. 2000b. Xanthorrhizol: A potential agent from Curcuma xanthorrhiza against Streptococcus mutans. Planta Med 66:196-197. Jin JK, Adams DO, Ko Y, Yu CW, Lin CH. 2004. Aviglycines and propargylglycine inhibit conidial germination and mycelia growth of Fusarium oxysporum F. sp. luffae. Mycopathology 158:369375. Kaneko T et al. 2005. Vital growth factors of Malassezia species on modified CHROM agar Candida. Med Mycol 43:699-704. Krcmary V, Barnes AJ. 2002. Non-albicans Candida spp. causing fungaemia: Pathogenicity and antifungal resistance. J Hosp Infect 50:243-260. Lewis RE, Wiederhold NP, Klepser ME. 2005. In vitro pharmacodynamics of amphotericin B, itraconazole, and voriconazole against Aspergillus, Fusarium, and Scedosporium spp. Antimicrob Agents Chemother 49:945-951. [NCCLS] National Committee for Clinical Laboratory Standards. 2002a. Reference Method for Broth Dilution Antifungal Susceptibility Testing of Yeasts: Approved Standard M27-A2. 2nd Ed. USA: Wayne PA. [NCCLS] National Committee for Clinical Laboratory Standards. 2002b. Reference Method for Broth Dilution Antifungal Susceptibility Testing of Yeasts: Approved Standard M38-A. 2nd Ed. USA: Wayne PA. Nguyen MH et al. 1996. The changing face of candidemia: emergence of non-Candida albicans species and antifungal resistance. Am J Med 100:617-623. Ribes JA, Vanover-Sams CL, Baker DJ. 2000. Zygomycetes in human disease. Clin Microbiol 13:236301. Rukayadi Y, Yong D, Hwang JK. 2006. In vitro anticandidal activity of xanthorrhizol isolated from Curcuma xanthorrhiza Roxb. J Antimicrob Chemother 57:1231-1234. Rukayadi Y, Hwang JK. 2006a. In vitro activity of xanthorrhizol against Streptococcus mutans biofilms. Lett Appl Microbiol 42:400-404. Rukayadi Y, Hwang JK. 2006b. Effect of coating the wells of polystyrene microtiter plate with xanthorrhizol on the biofilm formation of Streptococcus mutans. J Basic Microbiol 46:411-416. Santos DA, Barros MES, Hamdan JS. 2006. Established a method of inoculum preparation for susceptibility testing of Trichophyton rubrum and Trichophyton mentagrophytes. J Clin Microbiol 44:98-101. Sanguinetti M et al. 2005. Mechanisms of azole resistance in clinical isolates of Candida glabrata collected during a hospital survey of antifungal resistance. Antimicrob Agents Chemother 49:668679. Schmidt A, Ruhl-Horster B. 1996. In vitro susceptibility of Malassezia furfur. Arzneimittelforschung 46:442-444. Singh DN, Verma N, Raghuwanshi S, Shukla PK, Kulshreshtha DK. 2006. Antifungal anthraquinones from Saprosma fragrans. Bioorg Med Chem Lett 16:4512-4514. Skorepova M, Stuchlik D. 2006. Chronic pyoderma vegetans triggered by Trichophyton mentagrophytes. Mycoses 49:143-144.

201

Stevens DA et al. 2000. Practice guidelines for diseases caused by Aspergillus. Clin Infect Dis 30:696709. Snydman DR. 2003. Shifting patterns in the epidemiology of nosocomial Candida infections. Chest 123:500S-503S. Tim-Cushnie TP, Lamb AJ. 2005. Antimicrobial activity of flavonoids. Int J Antimicrob Agents 26:343356. Velegraki A, Alexopoulos EC, Kritikou S, Gaitanis G. 2004. Use of fatty acid RPMI 1640 media for testing susceptibilities of eight Malassezia species to the new triazole posaconazole and to six established antifungal agents by a modified NCCLS M27-A2 microdilution method and E-test. J Clin Microbiol 42:3589-3593. Wakabayashi H, Abe S, Teraguchi S, Hayasawa H, Yamaguchi H. 1998. Inhibition of hyphal growth of azole-resistant strains of Candida albicans by triazole antifungal agents in the presence of lactoferrin-related compounds. Antimicrob Agents Chemother 42:1587-1591. Zacchino S et al. 1999. In vitro evaluation of antifungal properties of phenylpropanoids and related compounds acting against dermatophytes. J Nat Prod 62:1353-1357.

202

KELADI TIKUS (TYPHONIUM FLAGELLIFORME) SEBAGAI ANTIKANKER: MEKANISME INHIBISI EKSTRAK ETANOL DAN EKSTRAK AIR TERHADAP AKTIVITAS ENZIM TIROSIN KINASE Dyah Iswantini, Gustini Syahbirin, Yusuf Affandi Departemen Kimia, IPB, Bogor

ABSTRAK Enzim tirosin kinase berperan penting dalam perkembangan sel-sel kanker pada tubuh manusia. Senyawa-senyawa kimia tertentu seperti genistein dapat menginhibisi aktivitas enzim tersebut sehingga mampu menghambat perkembangan sel kanker. Keladi tikus (Typhonium flagelliforme) merupakan salah satu tanaman yang memiliki potensial sebagai obat kanker. Pada penelitian ini, daya hambat ekstrak air dan etanol tanaman keladi tikus diuji terhadap aktivitas tirosin kinase. Ekstrak hasil maserasi keladi tikus (kadar air 6.56%) dalam 3 pelarut, yaitu etanol 70%, air demineralisasi (akuadem), dan air panas menghasilkan rendemen berturut-turut sebesar 1.07, 1.02, dan 1.07%. Daya inhibisi ketiga ekstrak tersebut ditentukan menggunakan metode enzyme linked immunosorbent assay. Hasilnya dibandungkan dengan genistein sebagai kontrol positif. Pada konsentrasi 300 ppm, genistein memiliki daya hambat terhadap enzim tirosin kinase sebesar 6.71%, sedangkan pada konsentrasi 700 ppm daya hambatnya 12.89%. Pada konsentrasi 700 ppm, daya hambat ekstrak etanol dan air panas melebihi daya hambat genistein. Daya hambat terbesar berasal dari ekstrak akuadem, yaitu sebesar 76.10%. Adanya daya hambat tersebut menunjukkan bahwa keladi tikus berpotensi sebagai antikanker.

203

UJI AKTIVITAS ANTIBAKTERI PROPOLIS LEBAH MADU Trigona spp. AE Zainal Hasan*, I Made Artika1, Kasno2, AD Anggraini1 1Departemen

Biokimia FMIPA, IPB, 2Fakultas Kehutanan, IPB

ABSTRAK Penelitian tentang manfaat propolis, salah satu produk alami lebah madu, telah banyak dilakukan pada lebah jenis Apis, namun jarang sekali terhadap Trigona spp. Penelitian ini bertujuan mencari informasi tentang aktivitas antibakteri propolis lebah madu Trigona spp. menggunakan bakteri Gram positif (Staphylococcus aureus dan Bacillus substilis) dan negatif (Escherichia coli dan Pseudomonas aeruginosa). Propolis dimaserasi dengan etanol dan air lalu diuji aktivitas antibakteri dan ditentukan konsentrasi hambat tumbuh minimumnya (MIC). Uji aktivitas antibakteri dilakukan dengan metode difusi sumur, hitungan cawan, dan turbidimetri. Selain itu, uji fitokimia juga dilakukan. Ekstrak yang diperoleh bersifat antibakteri terhadap bakteri Gram positif maupun negatif dengan rendemen 8.20%. Aktivitas ekstrak tersebut terhadap B. substilis, S. aureus, E. coli, dan P. aeruginosa lebih tinggi daripada propolis komersial, yaitu 156.61% untuk B. substilis, 142.82% untuk S. aureus, 136.24% untuk E. coli, dan 252.04% untuk P. aeruginosa sedangkan untuk ampisilin 10 mg/ml berturut-turut ialah 115.20, 149.70, 109.03, dan 144.64%. MIC ekstrak yang diperoleh adalah 0.7812%, 0.3906%, 0.7812%, dan 3.125%. Jumlah koloni B.substilis, S.aureus, E. coli, dan P. aeruginosa berturut-turut ialah 5.1×107, 2.9×109, 2.4×109, dan 1.4×109 dengan nilai rapatan optis 1.140, 1.431, 1.420, dan 0.481. Hasil uji fitokimia menunjukkan bahwa ekstrak mengandung minyak atsiri, steroid/triterpenoid, tanin, saponin, flavonoid, fenolik hidrokuinon, dan gula pereduksi. Kata kunci: propolis, lebah madu, Trigona spp., antibakteri, fitokimia.

ABSTRACT Many researches had been done to find the benefit of propolis, one of the natural products from honey bee, but mostly from Apis bee, not Trigona spp bee. This research aimed to get information about antibacterial activities of propolis from Trigona spp. honey bee against Gram positive bacteria (Staphylococcus aureus and Bacillus substilis) and negative (Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa). Propolis was macerated with ethanol and water, then the antibacterial activities and minimum inhibitory concentrations (MIC) were observed. The antibacterial activity was determined by diffusion, plate count, and turbidimetry methods. Phytochemical test was also done. The extract showed antibacterial activities toward Gram positive and negative bacteria, with 8.20% of yield. The activities of this extract were higher than commercial propolis, 156.61% for B. substilis, 142.82% for S. aureus, 136.24% for E.coli, and 252.04% for P. Aeruginosa, whereas for 10 mg/ml amphicillin they were equal to 115.20%, 149.70%, 109.03%, and 144.64%, respectively. The results showed that the MICs of extract were 0.7812%, 0.3906%, 0.7812%, and 3.125%, respectively. The amount of B. substilis, S.aureus, E. coli, and P. aeruginosa colonies were 5.1×107, 2.9×109, 2.4×109 and 1.4×109 with optical density values of 1.140, 1.431, 1.420, and 0.481, respectively. The phytochemical test showed that the extract contained essential oils, steroid/triterpenoid, tanin, saponin, flavonoid, phenolic hydroquinone, and reducing sugar. Keywords : propolis, honeybee, Trigona spp., antibacteria, phytochemistry. * Alamat korespondensi: Dept. Biokimia, FMIPA, IPB (0251-323166; 08161337937; [email protected])

204

PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara beriklim tropis yang terkenal dengan kekayaan alamnya. Berbagai macam flora dan fauna dapat ditemui dan dimanfaatkan, salah satunya adalah lebah madu. Manfaat lebah madu tidak hanya terletak pada madunya, tetapi juga pada sarangnya. Sarang lebah madu mengandung suatu resin yang disebut propolis. Akan tetapi, di Indonesia belum banyak yang mengetahui manfaat dan cara memperolehnya. Hingga akhir tahun 2005, beberapa produk propolis telah beredar di Indonesia dengan harga yang cukup mahal, yaitu Rp75000−150000 per botol 6 ml. Menurut Khismatullina (2005), propolis banyak bermanfaat untuk obat. Hal ini disebabkan oleh kandungan bahan kimia serta komposisinya yang kompleks dan beragam sehingga khasiatnya juga bermacam-macam, di antaranya antikanker, antivirus, antijamur, dan antibiotik. Dharmayanti et al. (2000) telah menggunakan propolis dari peternakan lebah madu di Pasuruan untuk penyembuhan abses yang diakibatkan oleh Staphylococcus aureus. Pemakaian propolis yang berasal dari peternakan lebah madu tersebut sesuai dengan pernyataan Matienzo & Lamorena (2004) bahwa teknologi penanganan dan ekstraksi propolis di Asia, Afrika, dan Australia kurang maju dibandingkan dengan di Eropa. Pada umumnya, propolis diekstraksi dari sarang lebah madu Apis spp. Lebah madu ini banyak diternakkan karena menghasilkan lebih banyak madu dibandingkan dengan jenis lain. Salah satu jenis lebah lain yang dekat dengan manusia ialah Trigona spp. Lebah jenis ini bersarang di lubang bambu dan celah-celah rumah dan belum diternakkan di Indonesia. Walaupun menghasilkan madu lebih sedikit, kandungan propolisnya diperkirakan lebih banyak daripada Apis spp. Penelitian ini menguji aktivitas antimikrob propolis dari Trigona spp. menggunakan bakteri Gram positif (Staphylococcus aureus dan Bacillus substilis) dan negatif (Escherichia coli dan Pseudomonas aeruginosa). Mikroorganisme tersebut mudah tumbuh, mudah diperoleh, dan banyak terdapat di lingkungan sekitar kita.

METODE PENELITIAN Ekstraksi Propolis Propolis diekstraksi secara maserasi dengan metode Harborne (1987) serta Matienzo & Lamorena (2004) dengan pelarut etanol dan air. Sekitar 150 g propolis dari 15 buah sarang lebah Trigona spp. direndam dengan etanol 70%, ditutup lalu disimpan di ruangan gelap selama satu minggu, dan dikocok setiap hari. Setelah satu minggu, filtrat diambil dan disaring, sedangkan residu diekstraksi kembali. Setelah itu, filtrat diambil setiap hari selama satu minggu hingga pelarut jernih. Ekstrak kemudian dipekatkan dengan penguap putar pada kira-kira 40 °C lalu ditimbang dan dihitung rendemennya. Ekstrak ini dilarutkan dalam propilena glikol (PG) sebanyak 2 kali volumenya dan diuji fitokimia dan aktivitas antibakterinya.

Analisis Fitokimia Analisis fitokimia dilakukan untuk mengetahui golongan senyawa-senyawa aktif pada ekstrak propolis secara kualitatif. Analisis fitokimia ini dilakukan berdasarkan metode Harborne (1987). Identifikasi yang dilakukan meliputi uji senyawa flavonoid dan fenolik, tanin, minyak atsiri, steroid/triterpenoid, saponin, alkaloid, glikosida, dan gula pereduksi. Contoh propolis yang digunakan ialah ekstrak propolis dan propolis komersial yang telah diencerkan dengan akuades.

205

Uji Aktivitas Antibakteri Aktivitas antibakteri diuji menggunakan metode perforasi atau difusi sumur, metode hitungan cawan, dan metode turbidimetri (kekeruhan). Kontrol positif yang digunakan ialah tablet ampisilin 500 mg dengan konsentrasi 10 mg/ml. Akuades digunakan sebagai kontrol negatif, dan larutan propolis komersial sebagai standar. Juga digunakan kontrol pelarut (etanol dan PG). Uji Pendahuluan Uji pendahuluan aktivitas antibakteri dilakukan dengan metode perforasi. Sebanyak satu ose bakteri dari stok biakan diambil lalu diinkubasi di dalam 10 ml medium cair (nutrient broth) selama 18−24 jam pada suhu 37 °C sambil dikocok dengan penangas air bergoyang. Setelah itu, sejumlah bakteri diambil dari biakan, disebarkan di dalam cawan petri, dan dituangkan 20 ml medium-agar PYG yang bersuhu sekitar 45 °C; cawan digoyang supaya bakteri tersebar rata. Cawan didiamkan pada suhu kamar sampai medium memadat lalu dilubangi dengan diameter kurang lebih 5 mm. Ekstrak propolis dimasukkan ke dalam lubang tersebut sebanyak 50 µl lalu diinkubasi pada suhu 37 °C selama 24 jam. Zona bening yang terlihat di sekeliling lubang menandakan adanya aktivitas antibakteri pada contoh. Volume bakteri yang diambil berdasarkan hasil absorbansnya. Jika absorbans kurang dari satu, maka diambil 100 µl biakan bakteri, sedangkan jika di atas satu, diambil 50 µl. Komposisi medium PYG dalam satu liter adalah 10 g bacto pepton, 10 g ekstrak khamir, 20 g glukosa, dan 20 g bacto agar. Penentuan Konsentrasi Hambat Tumbuh Minimum (MIC) MIC ditentukan setelah diketahui bahwa ekstrak propolis mempunyai aktivitas antibakteri. MIC digunakan untuk mengetahui konsentrasi minimum dari suatu larutan antimikrob yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrob tertentu. Cara kerjanya ialah dengan mengencerkan propolis dengan beberapa konsentrasi (100% sampai 0.1953% [v/v]) lalu diambil sebanyak 50 µl untuk diuji dengan memasukkan ke lubang medium PYG yang telah diinokulasi dengan bakteri uji. Setelah diinkubasi pada suhu 37 °C selama 24 jam, aktivitas antibakteri diperoleh dengan mengukur diameter zona bening di sekeliling lubang contoh. Metode Hitungan Cawan Setelah MIC diketahui, jumlah bakteri yang hidup dihitung dengan metode hitungan cawan. Contoh yang digunakan adalah contoh dengan konsentrasi terkecil yang masih memperlihatkan zona bening (MIC) dan ekstrak propolis 100%. Sebanyak satu ose biakan bakteri uji ditanam di dalam 10 ml medium cair lalu diinkubasi sambil dikocok pada suhu 37 °C selama 24 jam. Absorbans diukur dan sejumlah biakan bakteri dicampur dalam 10 ml medium cair serta 50 µl contoh lalu diinkubasi pada suhu 37 °C selama 24 jam. Sebanyak 100 µl biakan diambil dan diencerkan sehingga diperoleh bakteri dalam jumlah tertentu. Sebanyak 0.1 ml larutan hasil pengenceran dipipet ke dalam cawan petri lalu dituangkan medium PYG, selanjutnya dibiarkan memadat dan diinkubasi pada suhu 37 °C selama 24– 48 jam. Setelah akhir masa inkubasi, bakteri yang tumbuh berupa koloni-koloni dihitung. Hal yang sama juga dilakukan terhadap larutan kontrol (akuades, etanol 70%, dan PG), propolis komersial, serta ekstrak propolis 100%. Metode Turbidimetri Metode ini merupakan metode penunjang yang bersifat semikuantitatif untuk menghitung jumlah mikrob di dalam suatu larutan dengan menggunakan spektrofotometer. Sebanyak satu ose biakan bakteri ditanam di dalam 10 ml medium cair serta 50 µl ekstrak propolis (berdasarkan konsentrasi MIC-nya) lalu diinkubasi pada suhu 37 °C. Setelah 24 jam, kekeruhan diukur pada panjang gelombang 620 nm. Hal yang sama juga dilakukan terhadap larutan kontrol (akuades, etanol 70%, dan, PG), propolis komersial, serta ekstrak propolis 100%.

206

HASIL DAN PEMBAHASAN Rendemen Ekstrak Propolis Metode maserasi digunakan untuk mengekstraksi propolis. Teknik ekstraksi ini dilakukan untuk bahan yang tidak tahan panas dengan cara perendaman di dalam pelarut selama waktu tertentu. Pelarut yang digunakan dalam penelitian ini adalah etanol yang dicampur dengan air. Etanol memiliki sifat semipolar sehingga komponen aktif dengan kepolaran berbeda-beda yang terkandung di dalam propolis dapat terekstraksi. Menurut Woo (2004), propolis larut dalam etanol, tetapi sedikit larut dalam air. Harborne (1987) menyatakan bahwa etanol 70% dapat mengekstraksi flavonoid yang merupakan senyawa aktif terbanyak dan terpenting di dalam propolis. Keunggulan etanol sebagai pelarut adalah memiliki titik didih yang rendah sehingga mudah diuapkan. Woisky & Salatino (1998) dalam Cunha et al. (2004) melaporkan bahwa ekstraksi propolis dengan cara maserasi dalam pelarut etanol 70% menghasilkan rendemen 20% lebih tinggi daripada menggunakan pelarut etanol absolut. Mereka juga melaporkan bahwa lilin tidak terekstraksi dengan etanol 70%. Berdasarkan hasil ekstraksi, rendemen propolis yang diperoleh sebesar 8.20%. Kandungan bahan kimia dalam ekstrak propolis yang diperoleh bergantung pada metode ekstraksi dan warna propolis. Propolis yang warnanya lebih gelap dihasilkan dengan rendemen lebih tinggi dengan pelarut etanol 80%. Hal ini dikarenakan kandungan flavonoidnya lebih banyak (Woo 2004). Propolis pada penelitian ini berwarna cokelat tua. Propolis mempunyai sifat termostabil, keras, dan liat pada suhu 15 ºC dengan titik didih 60−69 ºC (Woo 2004). Untuk menjaga kestabilan komponen-komponen aktifnya, propolis dan hasil ekstraksi disimpan pada suhu kurang dari 25 ºC di tempat yang gelap dan tidak terkena sinar matahari langsung.

Analisis Fitokimia Lebah madu mengumpulkan propolis dari bahan-bahan yang berasal dari tumbuhan, yang banyak sekali mengandung senyawa aktif. Analisis fitokimia dilakukan untuk mengidentifikasi secara kualitatif golongan senyawa aktif antibakteri pada propolis yang telah diekstraksi. Tabel 1 memperlihatkan bahwa ekstrak propolis maupun propolis komersial mengandung senyawa aktif yang sama, yaitu flavonoid, fenolik hidrokuinon, tanin, minyak atsiri, steroid/triterpenoid, saponin, dan gula pereduksi. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Matienzo & Lamorena (2004), yaitu senyawa yang terkandung dari hasil ekstraksi propolis menggunakan pelarut etanol 70% antara lain senyawa aromatik, ester, asam uronat, gula, alkohol, hidrokarbon alifatik, dan aldehida. Tabel 1 Uji fitokimia ekstrak propolis Senyawa Flavonoid Fenolik hidrokuinon Tanin Minyak atsiri Steroid/triterpenoid Saponin Alkaloid Glikosida Gula pereduksi

Propolis

Hasil Komersial

+ + ++ + + + − − ++

+ + ++ + + + − − +

Pembanding Buah pinang (++) Buah pinang (++) Daun teh (+++) − Kuning telur (++) Buah lerak (+++) Daun tapak dara (+) Pati (+++) Glukosa (+++)

Keterangan: (+) ada sedikit, (++) ada sedang, (+++) ada banyak, (−) tidak ada

207

Pelczar & Chan (1988) menyatakan bahwa senyawa yang bersifat sebagai antimikrob antara lain adalah alkohol, senyawa fenolik, klorin, iodium, dan etilena oksida. Flavonoid, senyawa fenolik hidrokuinon, dan tanin termasuk golongan senyawa fenolik. Ketiga senyawa ini bersifat antibakteri. Golongan flavonoid dan pigmen kuinon memberikan warna pada propolis karena merupakan senyawaan aromatik yang dapat memberikan serapan pada daerah ultraviolet. Di dalam Harborne (1987), Isman & Duffe (1981) menunjukkan bahwa flavonoid berperan sebagai faktor pertahanan alami. Flavonoid pada propolis berbeda dengan yang ada pada tumbuhan. Flavonoid pada propolis tidak mengandung glikosida sedangkan sebagian besar flavonoid pada tumbuhan mengandung glikosida. Pernyataan ini diperkuat dengan hasil uji fitokimia terhadap glikosida yang menunjukkan hasil negatif. Berdasarkan uji fitokimia, ekstrak propolis menunjukkan hasil positif terhadap uji tanin. Tanin termasuk polifenol yang berasa sepat dan banyak terdapat pada tumbuhan hijau. Mekanisme penghambatan tanin terhadap bakteri adalah dengan cara bereaksi dengan membran sel, menginaktivasi enzim-enzim esensial, dan mendestruksi atau menginaktivasi fungsi material genetik (Brannen & Davidson 1993). Terpenoid terdiri atas beberapa macam senyawa, yaitu minyak atsiri, triterpenoid, dan sterol serta pigmen karatenoid yang sukar menguap. Bagian utama minyak atsiri adalah terpenoid. Zat ini menyebabkan wangi harum atau bau yang khas (Harborne 1987). Pada umumnya, minyak atsiri yang aktif mengandung gugus fungsi hidroksil (-OH) dan keton (Yuramen et al. 2002). Hasil uji tersebut tidak dapat menunjukkan golongan terpenoid minyak atsirinya. Pino et al. (2006) melaporkan bahwa senyawa atsiri pada stingless bee lebih banyak daripada lebah Apis mellifera. Senyawa atsiri yang dikandungnya antara lain α-pinena, β-pinena, trans-verbenol, α-kopaena, βborbonena, β-kariofilena, spatulenol, dan kariofilena oksida. Hasil uji fitokimia menunjukkan bahwa propolis mengandung senyawa steroid dan triterpenoid. Triterpenoid terdiri atas triterpena sebenarnya, steroid, saponin, dan glikosida jantung. Senyawasenyawa ini terdapat pada lapisan malam (lilin) daun dan buah yang berfungsi sebagai pelindung untuk menolak serangga dan serangan mikrob. Triterpena juga terdapat pada damar, kulit batang, dan getah. Senyawa ini rasanya pahit dan menyebabkan propolis berasa pahit (Harborne 1987). Saponin adalah glikosida triterpena dan sterol yang banyak terdapat di dalam tanaman. Saponin berasa pahit, berbusa, dan bersifat hemolisis terhadap sel darah merah. Uji yang positif terhadap saponin ditandai dengan adanya busa pada pengocokan propolis. Karena sifatnya yang seperti sabun, saponin bersifat antibakteri. Saponin menurunkan tegangan permukaan membran lipid bakteri sehingga dapat menghambat pertumbuhan bakteri. Uji Molisch untuk mendeteksi adanya glikosida menunjukkan hasil negatif. Propolis tidak mengandung glikosida tetapi mengandung gula pereduksi. Hal ini sesuai dengan penelitian Khismatullina (2005), yaitu propolis mengandung sedikit gula.

Efektivitas Penghambatan Ekstrak Propolis terhadap Propolis Komersial Aktivitas antibakteri diuji dengan metode perforasi yang mudah dan umum digunakan. Potensi antibakterinya dapat dilihat dari zona bening di sekitar sumur medium padat. Terhadap 4 jenis bakteri uji, aktivitas antibakteri ekstrak propolis berbeda-beda. Menurut Pelczar & Chan (1988), kemampuan antibakteri dipengaruhi oleh konsentrasi antibakteri, jumlah bakteri, dan jenis bakteri yang digunakan. Selain itu, aktivitas antibakteri propolis juga dipengaruhi oleh waktu pengambilan contoh. Berdasarkan penelitian Lu et al. (2005), propolis yang diambil pada bulan Agustus memberikan efek antibakteri lebih tinggi. Propolis yang digunakan dalam penelitian dikoleksi pada bulan Maret 2006. Secara umum, berdasarkan zona bening yang terbentuk, semakin besar konsentrasi propolis, daya antibakterinya semakin besar pula. Hal ini dikarenakan senyawa aktifnya makin bertambah dan makin mudah berpenetrasi ke dalam sel. Menurut Dharmayanti et al. (2000), propolis membunuh

208

bakteri dengan beberapa cara, yaitu mencegah pembelahan bakteri sehingga tidak dapat berkembang biak, merusak dinding sel, dan merusak membran sitoplasma bakteri. Ekstrak propolis mempunyai efektivitas yang lebih tinggi daripada propolis komersial, sekitar 156.61, 142.82, 136.24, dan 252.04% terhadap B. substilis, S. aureus, E. coli, dan P. aeruginosa (Gambar 1). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa diameter zona bening tidak berbeda nyata antara ekstrak propolis 100% dan propolis komersial, tetapi antara propolis komersial dan ekstrak propolis yang telah dikonversi berbeda nyata.

Efektivitas (%)

200

150

100

50

0

B. substilis

E. coli

P. aeruginosa

Bakteri Uji

Gambar 1 Efektivitas penghambatan ekstrak propolis terhadap propolis komersial. Propolis komersial ( ), ekstrak propolis ( ). Aktivitas antibakteri ekstrak tidak sebanding dengan standar komersial yang digunakan (volume sama). Aktivitas antibakteri propolis komersial lebih besar dibandingkan dengan ekstrak propolis konsentrasi 100%, karena ekstrak propolis 100% merupakan larutan yang mengandung 1/3 bagian propolis sedangkan propolis komersial mengandung 1/2 bagian. Ada perbedaan keaktifan antara bakteri Gram positif dan negatif karena adanya perbedaan komposisi dan struktur dinding sel bakteri. Dinding sel memberikan bentuk dan kekuatan pada sel bakteri. Dinding sel bakteri Gram positif memiliki kandungan peptidoglikan yang tinggi dan berlapis tunggal serta tidak mempunyai lapisan polisakarida sehingga zat antibakteri mudah masuk ke dalam selnya. Daya hambat antibakteri ekstrak propolis terhadap bakteri Gram positif diperkirakan berasal dari senyawa polar, karena lapisan membran bakteri ini mengandung gugus hidrofilik seperti karboksi, amino, fosfat, dan hidroksil yang lebih mudah mengikat senyawa polar dan masuk ke dalam sel. Berdasarkan hasil uji fitokimia diduga bahwa senyawa polar yang bersifat sebagai antibakteri adalah tanin, flavonoid, senyawa fenolik, dan saponin. Dinding sel bakteri Gram negatif lebih kompleks dibandingkan dengan Gram positif. Membran luar bakteri Gram negatif mengandung peptidoglikan yang kaya akan lipid dan membentuk lipopolisakarida (LPS) serta berlapis-lapis. Lapisan ini bersifat impermeabel terhadap molekul-molekul besar, tetapi dapat dilalui oleh molekul kecil seperti nukleosida, oligosakarida, dan asam amino. LPS mengandung lipid dan polisakarida berantai-O. Rantai ini dimiliki oleh semua bakteri yang bersifat patogen dan menyebabkan bakteri lebih tahan terhadap fagositosis serta mampu menghalangi zat antibakteri untuk masuk ke dalam sel (Lay & Hastowo 1992). Kedua macam pelarut (etanol 70% dan PG) juga diuji aktivitas antibakterinya sebagai kontrol negatif. Hal ini dilakukan untuk melihat pengaruh pelarut terhadap penghambatan pertumbuhan bakteri. Perlakuan dilakukan dengan penambahan pelarut dalam jumlah yang sama dengan ekstrak ke dalam sumur agar. Etanol bersifat sebagai antiseptik. Mekanisme kerja etanol sebagai antimikrob ialah dengan mendenaturasi protein dan merusak membran sel (Pelczar & Chan 1988). Hasil pengamatan pada metode perforasi menunjukkan bahwa kedua pelarut tidak memberikan efek antibakteri. Hal ini dikarenakan jumlahnya terlalu sedikit.

209

Efektivitas Penghambatan Ekstrak Propolis Terhadap Ampisilin Kontrol positif yang digunakan adalah ampisilin. Efektivitas ekstrak propolis terhadap ampisilin 10 mg/ml ialah sebesar 115.20% untuk B. substilis, 149.70% untuk S. aureus, 109.03% untuk E. coli, dan 144.64% untuk P. aeruginosa (Gambar 2). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa diameter penghambatan ekstrak propolis 100% yang telah dikonversi berbeda nyata dengan ampisilin 10 mg/ml untuk semua jenis bakteri uji, kecuali E. coli. Efektivitas (%)

200

150

100

50

0 B. substilis

S. aureus

E. coli

P. aeruginosa

Bakteri Uji

Gambar 2 Efektivitas penghambatan ekstrak propolis terhadap ampisilin. Ampisilin ( ), ekstrak propolis ( ). Menurut Siswandono & Soekardjo (1995), ampisilin merupakan antibiotik yang bekerja menghambat sintesis dinding sel bakteri. Ampisilin mampu menghambat bakteri Gram negatif maupun positif. Pada tingkat molekul, ampisilin menyerang nukleofili dari gugus hidroksil pada residu serin dari enzim transpeptidase, pada karbon karbonil cincin β-laktam yang bermuatan positif, sehingga terjadi hambatan biosintesis peptidoglikan. Akibatnya dinding sel menjadi lemah, dan karena tekanan turgor dari dalam, dinding sel akan pecah atau lisis sehingga bakteri mengalami kematian. Kerja ampisilin pada bakteri Gram negatif, yaitu E. coli dan P. aeruginosa, ialah dengan cara menembus membran terluar selubung bakteri secara difusi pasif melalui saluran yang terbentuk oleh pori protein. Setelah itu, melewati ruang periplasma dan mencapai sasarannya, yaitu serin protease. Enzim ini terdapat pada membran terdalam (sitoplasma) yang berperan dalam biosintesis dinding sel (Siswandono & Soekardjo 1995).

Penentuan MIC Penentuan MIC dilakukan untuk mengetahui konsentrasi terendah antibakteri pada ekstrak propolis yang masih dapat menghambat pertumbuhan bakteri uji. Konsentrasi yang digunakan beragam (100−0.1953%). Gambar 3 memperlihatkan bahwa MIC masing-masing bakteri berbeda.

10

5

0. 39 06 0. 19 53

3. 12 5 1. 56 25 0. 78 12

.5

6. 25

25

12

10

0

0

50

Diameter Daerah Bening (mm)

15

Konsentrasi propolis (%)

Gambar 3 Diagram MIC. B. substilis ( ), S. aureus ( ), E. coli ( ), P. aeruginosa ( ).

210

Perbedaan ini dapat dikarenakan sifat bakteri uji maupun kerja senyawa aktif antibakterinya. Stepanovic et al. (2003) menyatakan bahwa MIC ekstrak etanol untuk bakteri Gram positif sebesar 0.0789−1.25%, lebih rendah dibandingkan dengan bakteri Gram negatif yang sebesar 1.25−5%. Hal tersebut berarti bahwa ekstrak propolis dapat menghambat pertumbuhan bakteri Gram positif pada konsentrasi yang terkecil. Pernyataan ini sejalan dengan hasil penelitian bahwa MIC ekstrak propolis pada bakteri Gram positif, yaitu B. substilis (0.7812%) dan S. aureus (0.3906%), lebih rendah dibandingkan dengan bakteri Gram negatif, yaitu E. coli (0.7812%) dan P. aeruginosa (3.125%).

MIC Bakteri Gram Positif MIC kedua jenis bakteri Gram positif berbeda. Konsentrasi propolis terendah yang masih dapat menghambat pertumbuhan bakteri B. substilis adalah 0.7812% sedangkan S. aureus masih dapat dihambat pada konsentrasi lebih rendah, yaitu 0.3906%, dengan diameter zona bening masing-masing 6.450 dan 6.142 mm. Penelitian Dharmayanti et al. (2000) yang menggunakan propolis Apis mellifera dari peternakan di Pasuruan menghasilkan MIC terhadap S. aureus sebesar 6.25%. Sementara MIC ekstrak etanol propolis yang berasal dari Taiwan terhadap S. aureus sebesar 3.7−60 µg/ml (Lu et al. 2005). MIC ekstrak propolis terhadap S. aureus di dalam penelitian ini, yakni sebesar 0.3906%, setara dengan 1.3 µg/ml dalam penelitian tersebut. Jadi, aktivitas antibakteri ekstrak propolis Trigona spp. lebih tinggi dibandingkan dengan propolis Apis mellifera maupun yang berasal dari Taiwan. MIC ekstrak propolis terhadap S. aureus paling rendah di antara ketiga jenis bakteri uji lainnya. Komponen utama dinding sel S. aureus adalah peptidoglikan, ribotol, asam teikoat, dan protein A. Penghambatan pertumbuhan S. aureus oleh senyawa aktif antibakteri pada propolis diduga melibatkan asam teikoat. Asam teikoat berada pada membran sitoplasma dan bermuatan negatif, sehingga memberikan muatan negatif pada permukaan sel bakteri Gram positif. Permukaan membran sitoplasma ini dapat menarik senyawa antibakteri yang bersifat polar seperti tanin dan flavonoid. Protein A, di sisi lain, bersifat antifagosit sehingga dapat mencegah antibakteri memasuki sel (Lay & Hastowo 1992). S. aureus juga menghasilkan enzim β-laktamase yang akan menguraikan cincin β-laktam (Lay & Hastowo 1992). Menurut Siswandono & Soekardjo (1995), enzim β-laktamase bakteri Gram positif dilepaskan ke dalam medium dan merusak ampisilin sebelum mencapai sasaran. MIC B. substilis lebih besar daripada S. aureus, padahal menurut Lay & Hastowo (1992), B. substilis mudah dihambat pertumbuhannya dengan antibakteri yang bersifat menghambat sintesis dinding sel. Penelitian Yuramen et al. (2002) menyebutkan bahwa B. substilis dapat dihambat pertumbuhannya oleh minyak atsiri pada konsentrasi 6%.

MIC Bakteri Gram Negatif E. coli mempunyai MIC 0.7812% dengan diameter zona bening 6.042 mm. Konsentrasi ini sama dengan B. substilis. Namun, berdasarkan analisis statistik, zona bening pada B. substilis tidak berbeda nyata dibandingkan dengan E. coli. E. coli merupakan bakteri Gram negatif yang lebih tahan terhadap antibakteri karena struktur dinding selnya yang kompleks dibandingkan dengan B. substilis. E. coli merupakan bakteri normal usus, tetapi kelebihan bakteri ini dapat menyebabkan penyakit diare. E. coli juga ditemukan pada berbagai infeksi pada hewan. Pengobatannya sering dilakukan menggunakan tetrasiklin, kloramfenikol, ampisilin, dan sulfonamida (Lay & Hastowo 1992). Khismatullina (2005) menyatakan bahwa penambahan ekstrak propolis dapat menambah efek antibiotik terhadap E. coli. Propolis bersifat bakteriostatik secara in vitro pada kultur E. coli, basilus, enterokokus, dan asidolaktat (Woo 2004).

211

MIC P. aeruginosa terjadi pada konsentrasi 3.125% (6.067 mm). P. aeruginosa adalah bakteri Gram negatif yang lebih tahan terhadap antibakteri karena struktur dinding selnya sangat kompleks. Menurut Lay & Hastowo (1992), infeksi oleh bakteri ini tidak selalu dapat disembuhkan dengan obat. Antibiotik yang sering digunakan ialah gentamisin dan polimiksin yang bekerja merusak membran sel. Antibakteri yang terdapat pada propolis diduga bekerja dengan cara yang sama dengan antibiotik ini. Antibakterinya bersifat nonpolar sehingga dapat menembus dinding sel P. aeruginosa. P. aeruginosa juga menghasilkan enzim β-laktamase serupa dengan S. aureus sehingga dapat mencegah bekerjanya antibakteri yang mengandung cincin β-laktam. Pada bakteri Gram negatif seperti P. Aeruginosa, enzim β-laktamase terdapat pada ruang periplasma, yaitu ruang yang dilewati oleh ampisilin sebelum mencapai sasaran.

Pengaruh Jenis Bakteri Terhadap Jumlah Koloni Metode hitungan cawan didasarkan atas anggapan bahwa setiap sel yang dapat hidup di dalam larutan propolis akan berkembang menjadi satu koloni. Metode turbidimetri merupakan metode penunjang pengukurannya berdasarkan nilai kekeruhan. Semakin besar rapatan optis (OD), semakin banyak bakteri di dalam medium cair. Metode ini memiliki kelemahan, yaitu kekeruhan yang dihasilkan dapat berasal dari bakteri yang hidup dan yang mati. Berdasarkan Gambar 4, OD bakteri bervariasi. Hal ini dikarenakan perbedaan sifat bakteri dan waktu generasinya, serta perbedaan kemampuan antibakteri menghambat pertumbuhan bakteri.

Rapatan optis (OD)

2

1.5

1

0.5

0 B. substilis

S. aureus

E. coli

P. aeruginosa

Bakteri Uji

Gambar 4 Diagram kekeruhan bakteri pada penentuan aktivitas antibakteri dengan metode turbidimetri: MIC ( ), Akuades ( ), Etanol ( ), PG ( ), Komersial ( ), Ampisilin ( ), Ekstrak propolis 100% ( ). Hasil analisis Anova menunjukkan perbedaan nyata akibat pengaruh jenis bakteri maupun penambahan contoh. Jumlah koloni bakteri Gram positif (B. substilis dan E. coli) maupun Gram negatif (P. aeruginosa dan S. aureus) didapati berbeda nyata. Sementara metode turbidimetri memperlihatkan bahwa OD bakteri Gram positif tidak berbeda nyata, dan Gram negatif berbeda nyata. Jumlah koloni dan OD setiap bakteri berbeda karena adanya perbedaan waktu generasi, waktu kontak antibakteri dengan bakteri, dan kemampuan antibakteri dalam menghambat pertumbuhan. Pada metode hitungan cawan, antibakteri ekstrak propolis 100% paling baik menghambat B. substilis, S. aureus, dan P. aeruginosa secara tidak berbeda nyata, tetapi berbeda nyata dengan E. coli (Gambar 5). Sementara hasil pengujian dengan metode turbidimetri menunjukkan bahwa P. aeruginosa dan S. aureus tidak berbeda, tetapi berbeda nyata dengan B. substilis dan E. coli. Saat MIC, kemampuan antibakteri propolis pada metode hitungan cawan terhadap P. aeruginosa sama dengan B. substilis, E.coli, dan S. aureus, tetapi untuk S. aureus berbeda dengan B. substilis. Hasil dengan metode turbidimetri menunjukkan bahwa E. coli dan S. aureus tidak berbeda, tetapi berbeda dengan P. aeruginosa dan B. substilis, dan bahwa P. aeruginosa dan B. substilis berbeda.

212

Jumlah koloni/ml (107)

700 600 500 400 300 200 100 0 B. substilis

S. aureus

Bakteri Uji

E. coli

P. aeruginosa

Gambar 5 Diagram jumlah koloni pada penentuan aktivitas antibakteri dengan metode hitungan cawan: MIC ( ), Akuades ( ), Etanol ( ), PG ( ), Komersial ( ), Ampisilin ( ), Ekstrak propolis 100% ( ). Kemampuan propolis komersial pada metode hitungan cawan terhadap B. substilis, S. aureus, dan P. aeruginosa tidak berbeda nyata, tetapi berbeda dari E. coli. Pada metode turbidimetri, E. coli berbeda dengan B. substilis maupun S. aureus, dan B. substilis berbeda dengan S. aureus maupun P. aeruginosa, tetapi S. aureus dan P. aeruginosa tidak berbeda. Daya kerja antibakteri ampisilin pada metode hitungan cawan terhadap masing-masing bakteri tidak berbeda nyata. Hal ini sesuai dengan pendapat Siswandono & Soekardjo (1995) bahwa ampisilin dapat menghambat pertumbuhan bakteri Gram positif maupun negatif. Akan tetapi, hasil ini tidak sejalan dengan metode turbidimetri. Hasil analisis akibat penambahan contoh berbeda nyata. Pada metode hitungan cawan, ekstrak propolis saat MIC tidak berbeda nyata dengan kontrol negatifnya, tetapi berbeda dengan etanol maupun PG. Propolis komersial juga tidak berbeda dengan akuades, ampisilin, ekstrak propolis 100%, dan ekstrak propolis saat MIC, tetapi ampisilin dan ekstrak propolis 100% sangat berbeda dengan akuades. Sementara itu pada metode turbidimetri, pengaruh pelarut dan penambahan ekstrak propolis saat MIC tidak berbeda nyata, tetapi berbeda terhadap propolis komersial, ekstrak propolis 100%, dan ampisilin. Bakteri B. substilis, S. aureus, dan P. aeruginosa mudah dihambat pertumbuhannya oleh semua jenis antibakteri (propolis komersial, ekstrak propolis, dan ampisilin) dengan metode hitungan cawan, sedangkan E. coli hanya dapat dihambat oleh ampisilin. Pada metode turbidimetri, OD semua bakteri menurun akibat penambahan propolis komersial, kecuali P. aeruginosa.

Pengaruh Penambahan Antibakteri Terhadap Jumlah Koloni Pengaruh perbedaan penambahan contoh pada masing-masing bakteri berbeda. Hasil analisis pada B. substilis akibat penambahan propolis komersial, ekstrak propolis 100%, ekstrak propolis saat MIC, ampisilin 10 mg/ml, etanol, dan akuades tidak berbeda nyata, tetapi berbeda dengan penambahan PG. Seharusnya jumlah koloni pada penambahan PG tidak berbeda dengan kontrol negatifnya karena PG tidak bersifat antibakteri. Pada metode turbidimetri, OD ekstrak propolis 100% lebih kecil dibandingkan dengan propolis komersial, tetapi keduanya tidak berbeda nyata, dan berbeda dengan kontrol negatifnya. Ekstrak propolis saat MIC, ampisilin, PG, dan etanol tidak berbeda dengan akuades. Jadi, dapat dilihat bahwa kemampuan antibakteri ekstrak propolis 100% dan propolis komersial sama dan lebih tinggi dibandingkan dengan ampisilin dan MIC jika menggunakan metode turbidimetri. Hasil uji dengan metode hitungan cawan memperlihatkan bahwa ekstrak propolis 100%, ekstrak propolis saat MIC, dan propolis komersial menurunkan jumlah koloni, tetapi tidak berbeda nyata dengan kontrol akuades. Hal ini kemungkinan karena galatnya terlalu besar. Jumlah koloni pada penambahan ekstrak propolis 100% kemungkinan lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah hasil penelitian. Penyebabnya, kandungan propolis pada ekstrak propolis yang digunakan 2/3 dari propolis komersial.

213

Jumlah koloni S. aureus dengan penambahan ampisilin, propolis komersial, dan ekstrak propolis 100% menurun dibandingkan dengan kontrol negatif, tetapi tidak berbeda nyata. Pada metode ini, S. aureus mudah dihambat pertumbuhannya. Konsentrasi ekstrak propolis yang terkecil sudah mampu menghambat pertumbuhan bakteri ini. Hal ini dapat dilihat dari jumlah bakteri pada penambahan ekstrak propolis 100% yang tidak berbeda nyata dengan penambahan ekstrak propolis saat MIC. Propolis komersial dan ampisilin mempunyai kemampuan antibakteri yang sama berdasarkan metode turbidimetri. Walaupun OD pada penambahan akstrak propolis komersial lebih besar dibandingkan dengan ampisilin, kedua antibakteri ini memiliki kemampuan yang sama. Rapatan optis S. aureus pada penambahan ekstrak propolis saat MIC lebih tinggi dibandingkan dengan pengaruh contoh yang lain. Sedikit sekalinya koloni yang dihambat pertumbuhannya selama waktu inkubasi pada penambahan ekstrak propolis saat MIC mungkin disebabkan oleh kecilnya konsentrasi propolis yang digunakan serta banyaknya koloni yang yang tumbuh. Metode hitungan cawan tidak efektif untuk bakteri E. coli. Jumlah koloni E. coli pada penambahan ekstrak propolis 100% dan propolis komersial lebih banyak dibandingkan dengan akuades, dan tidak berbeda nyata. Sementara pada metode turbidimetri, OD lebih rendah dibandingkan dengan akuades dan berbeda nyata. Jumlah koloni P. aeruginosa tidak berbeda nyata pada setiap perlakuan walaupun pada penambahan ekstrak propolis 100%, ampisilin, maupun propolis komersial lebih rendah dibandingkan dengan akuades. OD pada semua perlakuan tidak berbeda nyata, kecuali pada penambahan ampisilin, lebih rendah. Berdasarkan metode hitungan cawan, ampisilin mampu menurunkan jumlah koloni semua jenis bakteri; propolis komersial dan ekstrak propolis saat MIC paling baik menghambat pertumbuhan B. substilis; serta ekstrak propolis 100% paling baik menghambat semua bakteri, kecuali E. coli. Pada metode turbidimetri, ampisilin hanya menurunkan OD P. aeruginosa dan S. aureus; propolis komersial menurunkan OD semua bakteri, kecuali P. aeruginosa; dan ekstrak propolis 100% maupun saat MIC menurunkan OD P. aeruginosa dan B. substilis.

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Rendemen yang dihasilkan dari ekstraksi sebesar 8.20%. Ekstrak ini memberikan efek antibakteri terhadap 4 bakteri uji (S. aureus, B. substilis, E. coli, dan P. aeruginosa). Berdasarkan metode perforasi, ekstrak propolis lebih efektif menghambat pertumbuhan semua jenis bakteri uji dibandingkan dengan propolis komersial maupun ampisilin 10 mg/ml, dengan MIC terhadap B. substilis dan E. coli adalah 0.7812%, terhadap S. aureus sebesar 0.3906%, dan terhadap P. aeruginosa sebesar 3.125%. Metode hitungan cawan memperlihatkan bahwa ampisilin, ekstrak propolis, dan propolis komersial paling baik menghambat pertumbuhan S. aureus, sedangkan pada metode turbidimetri ekstrak propolis 100% dan propolis komersial paling baik menghambat B. substilis, dan ampisilin paling baik menghambat P. aeruginosa dan S. aureus. Ekstrak propolis mengandung senyawa aktif flavonoid, fenolik hidrokuinon, tanin, minyak atsiri, steroid/triterpenoid, tanin, saponin, dan gula pereduksi.

Saran Perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk mengetahui mekanisme kerja antibakteri dari propolis. Dapat dilakukan penelitian dengan metode ekstraksi yang berbeda. Penelitian aktivitas antibakteri juga dapat dilanjutkan secara in vivo.

214

UNTUK PERHATIAN Penelitian ini didanai oleh program Penelitian Dosen Muda IPB 2006. Hasilnya akan didaftarkan untuk memperoleh hak paten.

DAFTAR PUSTAKA Brannen LA, Davidson PM. 1993. Antimicrobials in Foods. New York: Marcel Dekker. Cunha IBS et al. 2004. Factors that influence the yield and composition of Brazilian propolis extracts. J Braz Chem Soc 15. mail to:[email protected] [16 Agu 2006]. Dharmayanti NLP et al. 2000. Efektivitas pemberian propolis lebah dan royal jelly pada abses yang disebabkan Staphylococcus aureus. Berita Biol 5:41-49. Free JB. 1982. Bees and Mandkind. London: George Allen & Unwin. Gojmerac WL. 1983. Bee, Beekeeping, Honey, and Pollination. Westport: Avi. Harborne HB. 1987. Metode Fitokimia. Ed ke-2. Padmawinata K, penerjemah. Bandung: ITB. Terjemahan dari: Phytochemical Methods. Holt JG et al. 1994. Bergey`s Manual of Determinative Bacteriology. Ed ke-9. Baltimore: Williams & Wilkins. Khismatullina N. 2005. Apitherapy. Rusia: Mobile. Lay W, Hastowo S. 1992. Mikrobiologi. Jakarta: Rajawali. Lu LC, Chen YW, Chou CC. 2005. Antibacterial activity of propolis against Staphylococcus aureus. Int J Food Microbiol 102:213-220. [terhubung berkala]. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/ query.fcgi?db=pubmed&cmd=Retrieve&dopt=AbstractPlus&list_uids=15992620&query_hl=4&itool =pubmed_docsum [29 Agu 2006]. Matienzo AC, Lamorena M. 2004. Extraction and initial characterization of propolis from stingless bees (Trigona biroi Friese). Di dalam: Proceeding of the 7th Asian Apicultural Association Conference and 10th BEENET Symposium and Technofora; Los Banos, 23-27 Februari 2004. Los Banos:Univ of the Philippines. hlm 321-329. Pelczar MJ, Chan ECS. 1988. Dasar-dasar Mikrobiologi. Hadioetomo RS et al., penerjemah. Jakarta: UI Pr. Terjemahan dari: Elements of Microbiology. Pino et al. 2006. Volatile constituents of propolis from honey bees and stingless bees from Yucatán. J Essential Oil Res. http://www.findarticles.com/p/articles/mi_qa4091/ is_200601/ai_n16028087. Singleton P. 1999. Bacteria in Biology, Biotechnology, and Medicine. Ed ke-5. New York: J Wiley. Sing S. 1962. Beekeeping in India. New Delhi: Indian Council of Agricultural Research. Siswandono, Soekarjo B. 1995. Kimia Medisinal. Surabaya: Airlangga Univ Pr. Stepanovic S et al. 2003. In vitro antimicrobial activity of propolis and synergism between propolis and antimicrobial drugs. Microbiol Res 158:353-357. [terhubung berkala]. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Retrieve&dopt=AbstractPlus&list_uids=14717457&query_hl= 4&itool=pubmed_docsum [29 Agu 2006]. Woo KS. 2004. Use of bee venom and propolis for apitherapy in Korea. Di dalam: Proceeding of the 7th Asian Apicultural Association Conference and 10th BEENET Symposium and Technofora; Los Banos, 23-27 Februari 2004. Los Banos: Univ of the Philippines. hlm 311-315. Yuramen, Eryanti Y, Nurbalatif. 2002. Uji aktivitas antimikrob minyak atsiri dan ekstrak metanol lengkuas (Alpinia galanga). http://www.unri.ac.id/jurnal/jurnal_natur/vol4(2)/yuharmen.pdf [16 Agu 2006].

215

PENGOLAHAN LIMBAH FOTOGRAFI MENGGUNAKAN PIROLISIS SEMPROT NYALA Arif Jumari*, S Distantina, A Purwanto Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK Limbah cair fotografi mengandung logam berat perak (Ag) yang sangat berbahaya bagi kesehatan. Selama ini, upaya pengolahan limbah tersebut di Indonesia memerlukan biaya yang besar, dan perak yang dapat diperoleh kembali sangat sedikit. Teknologi nanopartikel diharapkan dapat mengatasi kendala ini. Penelitian ini bertujuan merancang alat sintesis nanopartikel perak menggunakan pirolisis semprot nyala. Jenis reaktor nyalanya adalah pembakar difusi. Limbah fotografi rumah sakit dialirkan sebagai tetesan aerosol menggunakan pengabut ultrasonik, dibantu udara sebagai pendorongnya. Kabut yang terbentuk dibakar di ujung pembakar menggunakan gas elpiji sebagai oksidator. Padatan hasil pembakaran dikumpulkan menggunakan kain saring. Berdasarkan uji difraksi sinar-X, hasil yang diperoleh mengandung partikel Ag. Kata kunci: perak, nanopartikel, pirolisis semprot.

ABSTRACT Photography liquid waste contains silver (Ag) heavy metal which is very dangerous for human health. So far, in Indonesia, the silver recovery technologies need a great expense cost and produce low yield. Nanoparticle technology is expected to overcome those problems. This project’s aim is to design silver nanoparticle synthesis equipment using flame spray pyrolysis. Diffusion burner was used as the flame reactor. Photography liquid waste from local hospital was flamed as aerosol droplets using ultrasonic nebulizer with air as supplier. The produced nebula was blazed upon the burner using liquified petroleum gas. The solid products were collected using filter paper. Based on X-ray diffraction examination, these solids contained silver particle. Keywords: silver, nanoparticle, spray pyrolysis

PENDAHULUAN Limbah cair fotografi mengandung logam berat perak (Ag) yang sangat berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan. Selama ini, pengolahan limbah tersebut di Indonesia diupayakan dengan berbagai macam metode seperti elektrolisis dan metode reduksi, dan logam peraknya diambil kembali. Akan tetapi, metode-metode konvensional ini tidak memberikan hasil yang memuaskan karena biaya pengolahan yang dibutuhkan relatif besar, dan perak yang bisa diperoleh kembali sangat sedikit dengan nilai jual rendah. Dengan teknologi nanopartikel, pengolahan limbah cair fotografi diharapkan dapat menjadi lebih murah dan logam perak yang diperoleh lebih banyak dengan nilai jual lebih tinggi, yaitu sebagai nanopartikel perak. Sebagai ilustrasi, nanopartikel perak telah dipasarkan oleh Nano Horison dalam bentuk terdispersi dalam larutan air maupun organik dengan harga US$100–400 per liternya. * Alamat korespondensi: [email protected]

216

Teknologi nanopartikel saat ini menunjukkan perkembangan sangat pesat seiring dengan pemanfaatannya pada berbagai bidang baik industri maupun barang-barang konsumsi di negaranegara maju khususnya Jepang, Eropa, dan Amerika Serikat. Sebaliknya di Indonesia, teknologi ini belum dimulai sama sekali, baik dalam taraf pengembangan proses sintesis maupun pemanfaatannya. Nanopartikel logam perak sangat potensial untuk diaplikasikan sebagai katalis serta digunakan dalam peralatan optik, mekanik, dan elektronik (He et al. 2004). Nanopartikel perak di antaranya telah diaplikasikan pada peralatan elektronik rumah tangga seperti mesin cuci, pendingin udara, dan kulkas berkaitan dengan kemampuannya sebagai antibakteri. Nanopartikel perak juga telah dan sedang diteliti untuk diaplikasikan pada peralatan elektronik rumah tangga oleh PT Samsung, sebagai katalis reduksi NO pada industri penyepuhan listrik (Park & Im 2005), dan juga di bidang optik dan elektronik (Backman et al. 2002; He et al. 2004). Nanopartikel berarti partikel berukuran 100 nm atau lebih kecil. Studi mendalam pada bidang ini disebabkan oleh adanya perbedaan sifat bahan yang sangat mencolok antara nanopartikel dan partikel ruahannya. Metode pembuatan nanopartikel perak dari larutan induknya meliputi metode cair-cair (Cai et al. 2004), reduksi kimia radiasi, reduksi kimia dalam medium cair atau polimer, reduksi-foto, pirolisis semprot (Kim et al. 2002), dan pirolisis semprot nyala (Backman et al. 2002; Makela et al. 2004). Metode-metode tersebut menggunakan AgNO3 dengan kemurnian tinggi sebagai larutan induk. Perak nanopartikel yang dihasilkan dalam kisaran 10–20 nm untuk metode cair-cair (Cai et al. 2004) dan 10– 60 nm dengan metode pirolisis semprot nyala (Makela et al. 2004). Penelitian ini menggunakan metode pirolisis semprot nyala. Hal ini didasarkan pada keunggulannya bila dibandingkan dengan metode yang lain. Metode tersebut terbukti mampu menghasilkan laju produksi yang tinggi sehingga sangat mungkin untuk diaplikasikan pada industri. Selain itu, metode ini telah diteliti mampu memroduksi berbagai jenis nanopartikel, baik bahan tunggal maupun komposit. Bahan tunggal yang telah diproduksi dengan reaktor ini antara lain SiO2, TiO2, SnO2, dan Al2O3 (Kammler et al. 2001). Bahan oksida yang lain misalnya α-Al2O3, γ-Fe2O3, ZnO, ZrO2, Bi2O3, dan α-wilemit (Tani et al. 2002a,b). Sementara bahan komposit yang telah diteliti produksinya dengan reaktor nyala di antaranya besi oksida tertanam-silika (Janzen et al. 2003), serat-nano terkatalisis nikel (Wal 2002a), tabung-nano karbon dinding tunggal berkataliskan-besi (Wal 2002b), dan katalis Pd/Al2O3 (Strobel et al. 2004). Bahan non-oksida dapat pula disintesis dengan reaktor nyala, antara lain aluminium nitrida (Takao & Sando 2001), titanium unsur, dan titanium diborida (Dufaux & Axelbaum 1995). Bahan fosforus juga telah dirintis untuk diproduksi menggunakan reaktor ini. Seo et al. (2003) memroduksi partikel fosforus (Y(1–x)Gdx)2O3:Eu dan Kang et al. (2002) memroduksi partikel strontium titanat. Berbagai bahan lain yang telah maupun sedang diteliti dengan reaktor nyala misalnya bahan superkonduktor dan bahan baterai litium. Mekanisme produksi nanopartikel padat dari tetesan cairan dijelaskan dalam Gambar 1. Tetesan akan diuapkan seluruh atau sebagian pelarutnya dalam nyala. Reaksi prazat logam dalam tetesan akan menghasilkan residu logam atau oksida logam. Reaksi dan nukleasi lanjutan pada komponen yang teruapkan menyebabkan nukleasi partikel berukuran-nano. Dari Gambar 1, kemungkinan partikel yang dihasilkan adalah nanopartikel atau campuran nanopartikel dengan partikel berukuran submikron.

217

Gambar 1 Bagan pembentukan nanopartikel dari tetesan cairan pada metode pirolisis nyala (Makela et al. 2004). Untuk menjelaskan dinamika pembentukan partikel dalam reaktor nyala, telah dibuat model penguapan-cepat tetesan dalam partikel monodispersi oleh Mueller et al. (2004) pada sintesis ZrO2. Model ini mengasumsikan penguapan tetesan prazat yang sangat cepat, diikuti dengan reaksi oksidasi dan produksi partikel melalui tumbukan monomer-monomer atau gerombol-gerombol dengan mengabaikan distribusi ukuran partikel utama. Model ini sangat menarik karena sederhana dan memiliki ketepatan yang cukup tinggi (10%) terutama pada suhu tinggi. Perubahan konsentrasi partikel N dan juga perubahan volume partikel v mengikuti persamaan dasar koagulasi berikut:

dv 1 dN =− v0 dt N dt

(1)

dN 1 = − βN 2 2 dt

(2)

Luas permukaan agregat tunggal a meningkat selama koagulasi mengikuti penurunan jumlah total agregat, dan akan menurun selama proses pelengketan:

da 1 dN 1 =− a − (a − a s ) τ dt N dt dengan

a s = π ( 6v / π )

2

3

(3) (4)

Bagian persamaan yang berkaitan dengan koalesensi bergantung pada waktu karakteristik proses pelengketan dan gaya dorong dari luas permukaan lebih, yaitu perbedaan antara luas permukaan sesungguhnya a dan sferik total as. Persamaan (1) dan (3) di atas dapat ditransformasikan mengikuti

dZ dZ dx dZ = = u dt dx dt dx

218

(5)

dengan Z = N, A dan u (m/det) adalah kecepatan aksial gas sebagai fungsi dari ketinggian di atas pembakar. Jadi, dengan persamaan di atas, secara sederhana dapat dihitung pertumbuhan diameter partikel tiap ketinggian di atas pembakar dari posisi ke posisi. Hal yang membedakan penelitian ini dengan penelitian-penelitian sebelumnya adalah digunakan limbah fotografi sebagai prazat, sedangkan penelitian terdahulu dilakukan dengan bahan kimia kemurnian tinggi. Pada penelitian ini disintesis nanopartikel perak dari bahan baku limbah fotografi tersebut dengan menggunakan metode pirolisis semprot nyala. Untuk melihat morfologi serta diameter partikel digunakan analisis mikroskopi elektron payaran (SEM). Kemurnian perak yang dihasilkan kemudian ditentukan dengan difraksi sinar-X (XRD). Sebelum menentukan pengaruh kondisi kerja reaktor nyala terhadap sifat perak yang dihasilkan, cara perangkaian alat perlu ditentukan. Pada tulisan ini, alat dirancang sedemikian rupa agar dapat diaplikasikan pada skala laboratorium dengan bahan dan alat yang mudah diperoleh di Indonesia.

METODOLOGI Limbah fotografi yang diperoleh dari sebuah rumah sakit di daerah Surakarta mula-mula diisikan ke dalam wadah pengabut ultrasonik. Jenis reaktor nyala yang digunakan adalah pembakar difusi, dengan bahan bakar elpiji dan oksidator udara. Agar pembakaran berlangsung sempurna, laju alir udara dibuat 2.5 kali laju alir gas elpiji. Untuk menyedot partikel yang diperoleh, dipasang pula peniup. Partikel yang terbentuk kemudian ditangkap menggunakan kertas saring. Contoh ini dianalis menggunakan XRD. Skema lengkap peralatan eksperimen disajikan pada Gambar 2 dan 3.

Filter

Burner

Exhauster

Rotameter Rotameter Rotameter

Udara Pembakar LPG Udara Pembawa

Compressor Ultrasonic nebulizer

Gambar 2 Diagram skematik peralatan penelitian.

219

Kapasitas maksimum pengabut (merek San Sonic) = 8 ml. Tekanan maksimum kompresor = 9 kg/cm2. Debit pembuangan = 7.7 m3/menit. Tekanan pembuangan = 33 mmHg. Whatman Glass Filter = 5,5 c m 19,4 c m

1,7 cm 1,1 cm 0,3 cm

31 c m

Kran 1 2,3 cm 2,9 cm 3,6 cm

Kran 3

Kran 1 = terluar Kran 6 = terdalam

Kran 2 Kran 4

59 c m

Kran 5 Kran 6

Gambar 3 Skema pembakar nyala.

HASIL DAN PEMBAHASAN Makalah ini menyajikan hasil percobaan pendahuluan, yaitu kajian eksperimental terhadap alat pirolisis semprot nyala yang telah dirancang. Alat ini, khususnya pembakar nyala, dirancang sendiri secara khusus untuk mensintesis nanopartikel perak dari limbah cair yang mengandung perak dan dari larutan yang dibuat mengandung perak. Dari penelitian ini diketahui bahwa peralatan pirolisis semprot nyala bekerja baik dalam menghasilkan nanopartikel perak. Dengan demikian, peralatan tersebut dapat digunakan untuk penelitian selanjutnya pada berbagai peubah proses. Sampai saat ini, penelitian yang sudah dilakukan meliputi peragaman laju alir gas pembawa (carrier gas) ke pengabut dan laju alir gas pembakar (oxidant gas) ke pembakar nyala. Contoh yang diperoleh dicirikan menggunakan XRD untuk mengetahui ada tidaknya nanopartikel perak. Akan tetapi, pencirian hanya dilakukan secara kualitatif. Penentuan ukuran nanopartikel perak akan segera dilakukan dengan SEM dalam waktu dekat ini.

220

Dari hasil sementara ini dapat dikatakan bahwa alat yang dirancang dapat menghasilkan nanopartikel perak. Keberhasilan ini menunjukkan bahwa teknologi nanopartikel mempunyai prospek yang menjanjikan untuk sintesis senyawa berukuran nano baik untuk pengolahan limbah maupun industri di Indonesia.

SIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan data percobaan pendahuluan, alat pirolisis semprot nyala yang dirancang dapat menghasilkan nanopartikel perak dari limbah fotografi. Penelitian ini akan dilanjutkan dengan pengujian SEM dan pencirian kuantitatif kandungan perak dalam contoh. Selain itu, penelitian lanjutan dengan menggunakan laju alir bahan bakar (elpiji) juga akan dilakukan dalam rangka mencari kondisi optimum proses sintesis nanopartikel perak dari limbah fotografi dengan metode pirolisis semprot nyala.

UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional melalui dana penelitian Hibah Bersaing tahun 2006. Terima kasih juga disampaikan kepada para mahasiswa dan asisten yang membantu pelaksanaan penelitian.

DAFTAR PUSTAKA Backman U, Jokiniemi JK, Auvinen A, Lehtinen KEJ. 2002. The effect of boundary conditions on gasphase synthesized silver nanoparticles. J Nanoparticle Res 4:325-335. Bickmore CR et al. 1998. Ultrafine titania by flame spray pyrolysis of a titranatane complex. J Eur Ceramic Soc 18:287-297. Cai M, Chen J, Zhou J. 2004. Reduction and morphology of silver nanoparticles via liquid-liquid method. Appl Surface Sci 226:422-426. Dufaux DP, Axelbaum RL. 1995. Nanoscale unagglomerated nonoxide particles from a sodium coflow flame. Combustion and Flame 100:350-358. Grimm S, Schultz M, Barth S. 1997. Flame pyrolysis-a preparation route for ultrafine pure γ-Fe2O3 powders and the control of their particle size and properties. J Mat Sci 32:1083-1092. He B, Tan JJ, Liew KY, Liu H. 2004. Synthesis of size-controlled Ag nanoparticles. J Mol Catalysis A: Chem 221:121-126. Jang HD. 2001. Experimental study of synthesis of silica nanoparticles by a bench-scale diffusion flame reactor. Powder Technol 119:102–108. Janzen C, Knipping J, Rellinghaus B, Roth P. 2003. Formation of silica-embedded iron-oxide nanoparticles in low-pressure flames. J Nanoparticle Res 5:589–596. Kammler HK, Madler L, Pratsinis SE. 2001. Flame synthesis of nanoparticles. Chem Eng Technol 24:583-596. Kang YC, Seo DJ, Park SB, Park HD. 2001. Morphological and optical characteristics of Y2O3:Eu phosphor particles prepared by flame spray pyrolysis Jpn J Appl Phys 40:4083-4086. Kang YC, Seo DJ, Park SB, Park HB. 2002. Direct synthesis of strontium titanate phosphor particles with high luminescence by flame spray pyrolysis. Mat Res Bull 37:263-269. Kim JH, Germer TA, Mulholland GW, Ehrman SH. 2002. Size-monodisperse metal nanoparticles via hydrogen free spray pyrolysis. Adv Mat 14:518-521.

221

Madler L, Kamler KH, Mueller R, Pratsinis SE. 2002. Controlled synthesis of nanostructured particles by flame spray pyrolysis. Aerosol Sci 33:369-389. Makela JM, Keskinen H, Forsblom T, Keskinen J. 2004. Generation of metal and metal oxide nanoparticles by liquid flame spray pyrolysis. J Mat Sci 29:2783-2788. Park SJ, Im BJ. 2005. A study on NO removal of activated carbon fibers with deposited silver nanoparticles. J Colloid and Interface Sci 282:124-127. Sahm T et al. 2004. Flame spray synthesis of tin dioxide nanoparticles for gas sensing. Sensor and Actuators B 98:148-153. Strobel R, Krumeich F, Stark WJ, Pratsinis SE, Baiker A. 2004. Flame spray synthesis of Pd/Al2O3 catalysts and their behavior in enantioselective hydrogenation. J Catalysis 222:307-314. Takao Y, Sando M. 2001. Flame synthesis of aluminum nitride filler-powder. J Chem Eng Jpn 34:828833. Tani T, Madler L, Pratsinis SE. 2002a. Homogenous ZnO nanoparticles by flame spray pyrolysis. J Nanoparticle Res 4:337-343. Tani T, Madler L, Pratsinis SE. 2002b. Synthesis of α-willemite nanoparticles by post-calcination of flame-made zinc oxide/silica composites. Part Syst Charact 19:354-358. Wal RL van der. 2002a. Flame synthesis of Ni-catalyzed nanofibers. Carbon 40:2101-2107. Wal RL van der. 2002b. Fe-catalyzed single-walled carbon nanotube synthesis within a flame environment. Combustion and Flame 130:37-47. Varatharajan K et al. 2003. Synthesis of nanocrystalline α-Al2O3 by ultrasonic flame pyrolysis. Mat Res Bull 38:577-583.

222

ANALISIS SPESIES BORON DALAM CAIRAN FLOEM TANAMAN JARAK (Ricinus communis L.) DENGAN METODE PNC PAGE-ICP QMS Noor Fitri1*, Björn Thiele, Klaus Günther2, M Bachri Amran, Buchari3 1Departemen

Kimia, Universitas Islam Indonesia Kampus Terpadu,Yogyakarta for Chemistry and Dynamics of the Geosphere: ICG-III Phytosphere Research Centre Juelich, D-52425 Juelich, Jerman 3Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, Departemen Kimia, FMIPA, ITB, Bandung 2Institute

ABSTRAK Cairan floem biji jarak (Ricinus communis) difraksionasi dengan kromatografi permeasi gel (GPC), dan fraksi yang mengandung spesies B-2 (BM ∼ 15.5 kDa) difraksionasi kembali dengan elektroforesis gel poliakrilamida-preparative native continous (PNC-PAGE). Sebanyak 500 µl cairan floem juga dipisahkan secara langsung menggunakan metode ini. Kondisi operasi PNC-PAGE ialah sistem bufer sinambung Tris-HCl 20 mM/NaN3 1 mM pH 10 sebagai bufer elektroforesis; derajat polimerisasi poliakrilamida 4%T – 2.67% C; panjang gel 40 mm; eluen MES 20 mM/NaN3 1 mM pH 8.0; dan suhu analisis 4 oC. Diperoleh 74 fraksi dengan volume setiap fraksi 5 ml. Konsentrasi boron dalam setiap fraksi ditentukan dengan spektrometer massa kuadrupol-plasma gandeng induktif, menggunakan larutan indium 10 µg/l dalam asam nitrat sebagai standar internal. Didapati bahwa spesies B-2 berhasil diisolasi secara langsung dari cairan floem maupun dari fraksi GPC yang mengandung spesies B-2. Hasil ini menyiratkan bahwa spesies ini cukup stabil pada kondisi pemisahan yang digunakan. Kata kunci: boron, cairan floem, PAGE, ICP-QMS.

ABSTRACT Phloem sap of castor bean (Ricinus communis) was fractionated with gel permeation chromatography (GPC), and fraction containing B-2 species (MW ∼ 15.5 kDa) was fractionated again with preparative native continous-polyacrylamide gel electrophoresis (PNC-PAGE). A 500 µl of phloem sap was also separated directly using this method. The operational conditions of PNC-PAGE were continous buffer system 20 mM Tris-HCl /1 mM NaN3 pH 10 as electrophoresis buffer; degree of polymerization of the polyacrylamide 4%T – 2.67% C; gel length of 40 mm; 20 mM MES/1 mM NaN3 pH 8.0 as eluent; and temperature of analysis of 4 oC. Seventy-four fractions, 5 ml per fraction, were obtained. Boron concentration in each fraction was determined by inductively coupled plasmaquadrupole mass spectrometer using 10 µg/l indium solution in nitric acid as internal standard. It was found that B-2 species had been successfully isolated in quantitative amounts either directly from phloem sap or from GPC fraction containing B-2 species. This results suggested that this species was quite stable at the separation condition used. Keywords: boron, phloem sap, PAGE, ICP-QMS.

* Alamat korespondensi: Tel: 62-274-895920, Fax: 62-274-896439. E-mail: [email protected]

223

PENDAHULUAN Boron (B) adalah salah satu mikronutrien esensial bagi tanaman. Defisiensi boron dapat menghambat pertumbuhan tanaman dengan cepat karena dapat menyebabkan terjadinya perubahan anatomi, fisiologi, dan biokimia yang signifikan pada tanaman (Blevins & Lukaszewski 1998). Efek defisiensi B, misalnya pada seledri dapat menyebabkan batang mudah patah, pada tembakau terjadi pembusukan di bagian atasnya, dan pada tebu terjadi pembusukan dan muncul bintik hitam di bagian dalamnya. Boron awalnya diperkirakan sebagai unsur yang tidak bergerak dalam floem tanaman. Hal ini teramati pada gejala defisiensi B di jaringan pertumbuhan; unsur ini tidak segera ter-retranslokasi di dalam tanaman (Lovatt 1985). Namun, saat ini diketahui bahwa spesies B tertentu bersifat mobil di dalam floem, yang teramati dengan adanya translokasi sorbitol dalam jumlah signifikan di dalam floem (Brown & Hu 1996). Selain itu, ditemukan kompleks B dengan manitol atau dulsitol yang juga dapat ditranslokasi dalam floem (Hu et al. 1997). Proses pengambilan (uptake), transpor, dan fungsi B dalam tanaman sangat bergantung pada bentuk kompleksnya. Dengan demikian, identifikasi spesies B merupakan hal yang penting dalam mempelajari fisiologi B dalam tanaman. Makalah ini membahas mengenai analisis spesies B dalam cairan floem tanaman jarak menggunakan elektroforesis gel poliakrilamida (PAGE) sebagai metode pemisahan dan spektrometer massa kuadrupol-plasma gandeng induktif (ICP-QMS) untuk mendeteksi unsur B dalam fraksi native PAGE.

METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Institute for Chemistry and Dynamics of the Geosphere: ICG-III Phytosphere, Research Centre Juelich, Jerman pada tahun 2003–2004.

Bahan dan Alat Penelitian Biji tanaman jarak diperoleh dari Jelitto (Jerman), dan semua bahan kimia yang digunakan memiliki tingkat kemurnian sangat murni (suprapure) atau p.a. (Merck, Jerman). Bahan yang digunakan antara lain gliserol, akrilamida/N,N-metilena bis-akrilamida, amonium persulfat (APS), N,N,N’,N’tetrametilenaetilenadiamina (TEMED), 2-propanol, ditiotreitol (1,4-ditio-DL-treitol), HNO3 sp, NH4HCO3 p.a., resin pengompleks, larutan bufer induk Tris-HCl 200 mM/NaN3 10 mM pH 10.0, larutan induk MES 200 mM/NaN3 10 mM pH 8.0, dan akuades yang telah dimurnikan lagi dengan sistem millipore. Alat yang digunakan adalah satu set sistem elektroforesis gel poliakrilamida-preparative native continous (PNC-PAGE) model 491 Prep Cell dari Bio Rad (Jerman), satu set sistem kromatografi permeasi gel (GPC) untuk proses pemisahan spesies, dan ICP-QMS ELAN 6100 (Perkin Elmer, Norwalk, CT, USA) untuk pendeteksian unsur.

Prosedur Penelitian Kultur tanaman jarak dan pengambilan contoh cairan floem Kultur tanaman jarak mulai dari penyemaian biji sampai tahap pengambilan contoh cairan floem telah dideskripsikan sebelumnya oleh Arifudin et al. (2004).

224

Pemisahan dengan GPC Prosedur pemisahan dengan GPC dan kalibrasi bobot-molekul kolom Sephadex G-50 M dengan menggunakan kit kalibrasi yang terdiri dari beberapa protein dan vitamin B-12, telah dideskripsikan dalam Arifudin et al. (2004). Pemisahan dengan PAGE Pembuatan gel. Gel dibuat dengan mencampurkan 4 ml larutan induk Tris-HCl 200 mM/NaN3 10 mM pH 10.0, 4 ml larutan induk akrilamida/bis 40%, 20 µl TEMED, 200 µl APS 10%, dan 32 ml akuades millipore. Sebelum digunakan, semua larutan dibiarkan terlebih dahulu pada suhu ruang dan dihomogenkan dengan pengaduk magnet. Larutan APS 10% dan gel dibuat baru setiap kali percobaan. Larutan gel ditambahkan 3 ml 2-propanol dan setelah polimerisasi selama 60 menit, permukaan gel dicuci dengan 4 ml larutan bufer elektroforesis Tris-HCl 20 mM/NaN3 1 mM pH 10.0 berulang kali. Terakhir, ditambahkan 4 ml larutan bufer tersebut sampai permukaan gel terendam. Proses polimerisasi dibiarkan berlangsung selama 69 jam pada suhu ruang sebelum alat elektroforesis dijalankan. Fase pengondisian. Perangkat PNC-PAGE diletakkan dalam lemari pendingin kaca, karena proses elektroforesis dijalankan pada suhu 4 °C. Sebelum proses elektroforesis berlangsung, sistem dibiarkan selama 80 menit pada suhu tersebut untuk menstabilkan kondisi pompa, sumber tegangan, dan perekam/pencatat peralatan elektroforesis. Hal ini dapat ditunjukkan dengan diperolehnya garis dasar (baseline) yang stabil pada perekam. Lampu detektor ultraviolet (UV) dihidupkan sehari sebelum fase pengondisian. Sebagai bufer digunakan larutan MES 20 mM/NaN3 1 mM pH 8.0. Fase elektroforesis. Setelah prerun selama 75 menit, tegangan diturunkan dan sebanyak 500 µl contoh cairan floem yang telah dicampur dengan gliserol (9:1) diinjeksikan secara hati-hati dan merata ke dalam larutan bufer di atas permukaan gel. Kemudian tegangan diaktifkan kembali. Contoh difraksionasi dan diperoleh sebanyak 74 fraksi dengan volume setiap fraksi 5 ml. Parameter sistem elektroforesis yang dijalankan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Kondisi operasional PNC-PAGE Daya sumber tegangan Power PAC 1000 (Bio Rad) Pompa peristaltik model EM-1 Econo Pump

Pengumpul fraksi model 2110 (Bio Rad) Detektor UV (Pharmacia LKB Uvicord SII) Perekam (Pharmacia LKB Rec 102) Pompa resirkulasi bufer (Bio Rad) Diamete-dalam kolom gel (Bio Rad) Panjang gel Derajat polimerisasi poliakrilamida

1−250 W (5 W konstan selama 8 jam) Tegangan 1–1000 V, arus 80 Laju alir bufer: 1.0 ml/min Volume per fraksi: 5 ml Jumlah fraksi: 74 Volume elusi prerun: 80 ml Jumlah maksimum fraksi 80 Kisaran AU: 0.05 Panjang gelombang: 280 nm Tetapan waktu: 2 Kisaran: 10 mV Kecepatan grafik: 2 mm/menit Pump dial setting: 70 Laju alir: 95 ml/menit 28 mm 4 cm 4%

225

Penentuan konsentrasi boron Konsentrasi boron dalam fraksi ditentukan menggunakan ICP-QMS ELAN 6100 (Perkin Elmer, USA), menggunakan kalibrasi eksternal dengan perhitungan regresi melalui titik nol. Larutan standar B 1000 mg/l diencerkan secara bertahap pada setiap hari analisis dengan berbagai konsentrasi. Tiga buah larutan blangko juga dianalisis dengan prosedur yang sama seperti pada contoh. Indium dalam larutan asam nitrat digunakan sebagai larutan standar internal dengan konsentrasi akhir 10 µg/l. Profil distribusi B ditentukan dengan membuat grafik hubungan konsentrasi unsur per fraksi versus volume elusi. Kondisi operasional ICP-QMS dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kondisi operasional ICP-QMS Daya RF Laju alir pengabut Ar Laju pengambilan contoh Sampler cone Skimmer cone Analit Dwell time/ms Ulangan Penyapuan/pembacaan

1250 W 0.92 l/menit 1.2 ml/menit Berbahan dasar nikel, diameter lubang 1.1 mm Berbahan dasar nikel, diameter lubang 0.9 mm B 11 25 5 40

HASIL DAN PEMBAHASAN Metode PNC-PAGE merupakan salah satu metode yang tepat untuk spesiasi unsur. Hal ini disebabkan spesies dapat dipisahkan tanpa harus mendenaturasi struktur (native) atau mendisosiasi ikatan selama proses elektroforesis (Kastenholz 2004). Hal ini, yaitu mempertahankan struktur dan keberadaan spesies selama proses pemisahan dan pendeteksian, sangat penting dan tersulit dalam analisis spesies unsur. Spesies-spesies dalam contoh bermuatan negatif pada pH 10.0 dan bergerak menuju anode kemudian terelusi berdasarkan titik isolistriknya (pI) (Kastenholz 2006). Contoh dapat difraksionasi ke dalam beberapa fraksi dalam larutan bufer yang cukup memadai dan langsung dideteksi kandungan unsurnya dengan ICP-QMS. Dengan demikian, tidak diperlukan lagi tahap penyiapan contoh. Metode ini telah digunakan oleh Günther et al. (2000) yang berhasil mencirikan spesies Cd berbobot molekul tinggi dalam sayuran yang terkontaminasi. Muktiono (2006) juga menggunakan metode ini untuk analisis spesies Cd dalam Arabidopsis thaliana. Arifudin et al. (2004) telah memisahkan cairan floem tanaman jarak dengan menggunakan metode GPC, dan mendeteksi kandungan boron dalam fraksi-fraksi yang diperoleh secara offline menggunakan ICP-QMS. Diperoleh sedikitnya 4 spesies boron, yaitu (1) spesies B-1 yang terdeteksi pada void volume (bobot molekul relatif > 30 kDa), (2) spesies B-2 (~ 15,5 kDa), (3) spesies B-3 (~ 1 kDa), dan (4) spesies utama dengan kelimpahan relatif sekitar 92–98% (<<< 1 kDa). Keberadaan spesies B-1, B-3, dan B-4 berkorelasi dengan daerah serapan UV cairan floem tanaman jarak, sedangkan B-2 tidak. Pada awalnya keberadaan spesies B-2 yang kelimpahan relatifnya kurang dari 1% masih dipertanyakan, apakah merupakan spesies boron atau hanya kontaminan. Secara kebetulan, spesies B-2 berhasil dideteksi ketika melakukan pemisahan lebih lanjut spesies Cd-3 yang berasal dari fraksi GPC (kolom Sephadex G-50 SF, nomor fraksi 22) dengan metode PNC-PAGE. Spesies B-2 juga berhasil dideteksi dengan baik ketika cairan floem dipisahkan langsung menggunakan metode tersebut. Gambar memperlihatkan pola distribusi boron dalam (a) cairan floem dan dalam (b) fraksi GPC no. 22 menggunakan metode PNC-PAGE.

226

Gambar Pola distribusi unsur B dalam cairan floem tanaman jarak (a) dan dalam fraksi GPC no. 22 (b) dengan menggunakan metode PNC-PAGE. Pemisahan GPC dilakukan dalam kolom Sephadex G-50 SF dengan buffer MES 20 mM/NaN3 1 mM pH 8,0. Deteksi B dalam fraksi GPC dan PNC-PAGE dilakukan dengan ICP QMS. Pada Gambar (a) terlihat puncak spesies boron berada pada volume elusi 85 ml sedangkan pada Gambar (b) puncak tersebut berada pada volume elusi 55 ml. Ada beberapa hipotesis yang dapat diajukan berkenaan dengan pergeseran ini: (1) kondisi operasional elektroforesis yang berbeda, misalnya gel elektroforesis yang selalu dibuat baru untuk setiap percobaan; (2) pada cairan floem masih terdapat spesies-spesies lain yang mungkin berinteraksi dengan spesies boron, sedangkan pada Gambar (b) spesies boron telah diisolasi berdasarkan bobot molekulnya; atau (3) kemungkinan spesies yang terdeteksi pada Gambar (a) masih terdiri dari beberapa spesies boron, dengan mencermati konsentrasi boron yang mulai meningkat pada volume elusi 45 ml dan adanya tekukan pada volume elusi 60 ml sebelum mencapai puncak pada volume elusi 85 ml. Pola puncak pada volume elusi 45–60 ml pada Gambar (a) sama dengan Gambar (b). Namun, ada kelemahan hipotesis ini, karena ´lekukan` pada volume elusi 45–60 ml berada sangat tipis di atas garis dasar kurva. Hipotesis yang terakhir ialah (4) akibat cairan floem yang digunakan berasal dari tanaman jarak yang berbeda. Hal yang sama juga terjadi pada pemisahan spesies Cd dalam tanaman A.thaliana, walaupun contoh sitosol yang digunakan berasal dari tanaman yang sama (Muktiono 2006). Hal ini menunjukkan bahwa hipotesis (1) mungkin berperan cukup besar terhadap pergeseran tersebut. Penemuan spesies B-2 di dalam cairan floem tanaman jarak merupakan suatu hal yang spektakuler dalam analisis spesiasi. Hal ini disebabkan spesies B-2 yang kelimpahan relatifnya < 1% dari total boron dalam cairan floem tanaman jarak masih dapat disolasi dan terdeteksi dengan baik. Hasil penelitian ini juga memperkuat hasil penelitian Hu et al. (1997) bahwa ada spesies B yang mobil di dalam floem, walaupun cairan floem yang digunakan berbeda. Hu et al. (1997) menggunakan cairan floem tanaman seledri (Apium graveolens), dan menemukan spesies B dalam bentuk kompleks manitolB-manitol. Spesies boron dari A. thaliana juga telah ditemukan dengan menggunakan metode PNCPAGE pada volume elusi 140 ml (Muktiono 2006).

SIMPULAN DAN SARAN Spesies boron dalam cairan floem tanaman jarak, yaitu spesies B-2, telah berhasil diisolasi baik secara langsung maupun setelah pemisahan dengan metode GPC. Hal ini menunjukkan bahwa spesies ini cukup stabil pada kondisi pemisahan yang dilakukan. Analisis lebih lanjut untuk mengungkap struktur molekul spesies B-2 dapat dilakukan dengan menggunakan metode tandem kromatografi cairspektrometri massa/spektrometri massa (LC-MS/MS), matrix assisted laser desorption-time of flight-MS (MALDI-TOF-MS) dan/atau ESI-MS.

227

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Universitas Islam Indonesia dan Institute for Chemistry and Dynamics of the Geosphere: ICG-III Phytosphere, Research Center Juelich, Jerman, yang telah mendanai penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA Arifudin NF, Thiele B, Günther K. 2004. Elemental fractionation of floem sap from castor bean on Sephadex G-50 SF column. Proceedings of 9th ISSM 2004 (ISSN 0855-8692). Jerman: Aachen. Blevins DG, Lukaszewski KM. 1998. Boron in plant structure and function. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 49:481-500. Brown PH, Hu H. 1996. Phloem mobility of boron is species dependent: Evidence for phloem mobility in sorbitol-rich species. Ann.Bot 77:497-505. Günther K, Ji G, Kastenholz B. 2000. Characterization of high molecular weight Cd species in contaminated vegetable food. Fresenius J Anal Chem 368:281-287. Hu H, Penn SG, Lebrilla CB, Brown PH. 1997. Isolation and characterization of soluble boron complexes in higher plants. The mechanism of phloem mobility of boron. Plant Physiol 113:649-655. Kastenholz B. 2004. Preparative native continuous-polyacrylamide gel electrophoresis (PNC-PAGE): An efficient method for isolating Cd cofactors in biological systems. Anal Lett 37:657-665. Kastenholz B. 2006. Comparison of the electrochemical behavior of the high molecular mass cadmium proteins in Arabidopsis thaliana and in vegetable plants on using preparative native continuouspolyacrylamide gel electrophoresis (PNC-PAGE). Electroanal 18:103-106. Lovatt CJ. 1985. Evolution of xylem in a requirement for boron in the apical meristems of vascular plants. New Phytol 99:509. Muktiono B. 2006. Multielement speziation in pflanzlichen lebensmitteln mittels offline kopplung von Sepharcyl-S400-HR gel permeations chromatographie (GPC) und induktiv gekoppelten plasma quadrupol-massenspektrometrie (ICP-QMS) [disertasi]. Jerman: Mathematisch-Naturwissen schaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Willhelms-Universität Bonn.

228

EKSTRAKSI XILAN DARI TONGKOL JAGUNG UNTUK MEDIUM PERTUMBUHAN Bacillus pumilus RXAIII-5 PENGHASIL-XILANASE Nur Richana1, Tun Tedja Irawadi, M Anwar Nur 2, Illah Sailah, Khaswar Syamsu3, Yandra Arkenan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen, Bogor Departemen Kimia, FMIPA, IPB, 3 Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fateta, IPB 1

2

ABSTRAK Tongkol jagung merupakan limbah jagung terbesar (45%) yang mengandung sekitar 12% xilan dan belum banyak dimanfaatkan. Penelitian ini bertujuan meningkatkan nilai guna tongkol jagung dengan mengekstraksi xilan dan memanfaatkannya sebagai medium pertumbuhan Bacillus pumilus RXAIII-5 penghasil-xilanase. Ekstraksi dilakukan dalam dua tahap, yaitu delignifikasi menggunakan NaOCl (0.5, 1.0, 2.5, 5, dan 7.5%) dan pengendapan dengan nisbah supernatan-etanol 1:1, 1:2, 1:3, dan 1:4. Kelarutan xilan diuji pada pelarut organik, asam, basa, serta dalam air panas dan dingin. Analisis kualitatif dan kuantitatif xilan juga dilakukan dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Xilan kemudian digunakan untuk formulasi medium pertumbuhan B. pumilus RXAIII-5, dikombinasikan dengan pepton, ekstrak khamir, dan K2HPO4. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rendemen tertinggi (12.95%), yang berdasarkan analisis HPLC mengandung xilan sebesar 63 mg/g, dihasilkan dengan perlakuan NaOCl 0.5% dan nisbah supernatan-etanol 1:3 (v/v). Kelarutan xilan tertinggi ialah dalam pelarut basa (NaOH 1%). Namun, xilan juga larut dalam air panas dan dingin. Berdasarkan hasil tersebut, xilan diharapkan dapat digunakan sebagai medium cair untuk pertumbuhan bakteri alkalofilik. Berdasarkan aktivitas xilanasenya, formulasi medium terpilih ialah campuran pepton 0.125%, ekstrak khamir 0.05%, xilan tongkol jagung 3.04%, dan K2HPO4 0.08%. Kata kunci: xilan, tongkol jagung, xilanase, Bacillus pumilus.

ABSTRACT Corn cob is the biggest part of corn waste (45%) containing about 12% of xylan which has not been much utilized. This research objective is to increase the added value of corn cob by extracting xylan and using it as growth media for xylanase-producer Bacillus pumilus RXAIII-5. The extraction was carried out in two steps: first, delignification using NaOCl (0.5, 1.0, 2.5, 5, and 7.5%) and then precipitation with the ratio of supernatant and ethanol 1:1, 1:2, 1:3, and 1:4. The solubility of xylan in organic, acid, and alkaline solvents, and in cold and hot water were observed as well. Quantitative and qualitative analysis of xylan were also carried out using high performance liquid chromatography (HPLC). The xylan was then used in media formulation for B. pumilis RXAIII-5, combined with pepton, yeast extract, and K2HPO4. The research results showed that the highest yield (12.95%), containing 63 mg/g of xylan based on HPLC analysis, was produced by 0.5% NaOCl and 1:3 supernatant-ethanol ratio treatment. The highest solubility of xylan was in alkaline solvent (1% NaOH). However, xylan was also soluble in cold and hot water. Based on these results, xylan is expected to be used as liquid media for alkalophyllic bacteria growth. Based on xylanase activities, selected medium formulation was a mixture of 0.125% pepton, 0.05% yeast extract, 3.04 xylan of corn cob, and 0.08% KH2PO4. Keywords: xylan, corn cob, xylanase, Bacillus pumilus.

229

PENDAHULUAN Dalam satu dekade terakhir ini, produksi jagung mengalami peningkatan yang cukup besar meskipun agak berfluktuasi. Pada tahun 1989−1993 produksi mencapai 6.7 juta ton/tahun dengan produktivitas 2.2 ton/ha (Subandi & Hermanto 1998). Pada tahun 2003 mencapai 9.66 juta ton/tahun, atau meningkat sebesar 1.42% dibandingkan dengan tahun 2002 yang sebesar 9.53 juta ton/tahun. Di tahun 2004, produksi jagung diperkirakan telah mencapai 11.75 juta ton/tahun dengan produktivitas 3.8 ton/ha (Deptan 2003). Selain sebagai bahan pangan, jagung juga banyak digunakan untuk pakan dan bahan industri. Sampai saat ini kebutuhan dan permintaan jagung terus meningkat. Peningkatan produksi dan kebutuhan jagung berarti pula peningkatan limbah baik berupa jerami maupun tongkol jagung. Saat ini, penggunaan jerami jagung semakin populer untuk pakan ternak, sementara tongkol jagung belum dimanfaatkan. Padahal, tongkol jagung merupakan bagian terbesar dari limbah jagung, yaitu sekitar 50−60% dari jagung bertongkol, bergantung pada varietasnya. Oleh karena itu, dapat diperkirakan jika produksi jagung 11.75 juta ton, akan dihasilkan limbah tongkol jagung sekitar 12 juta ton/tahun. Berdasarkan hal tersebut, diperlukan perhatian dan penanganan untuk pemanfaatan limbah tongkol jagung agar lebih bernilai guna dan ekonomis. Tongkol jagung merupakan bahan berlignoselulosa (kadar serat 38.99%) yang mengandung xilan tertinggi (12.4%) di antara limbah pertanian lainnya (Richana et al. 2004). Ekstrak xilan dari tongkol jagung dapat dimanfaatkan di antaranya sebagai sumber karbon dalam medium kultivasi bakteri penghasil xilanase. Xilanase merupakan kelompok enzim ekstraselular yang memiliki kemampuan menghidrolisis hemiselulosa (xilan) menjadi xilosa dan xilo-oligosakarida. Berdasarkan substrat yang dipecahnya, enzim xilanase digolongkan menjadi 3 kelompok, yaitu β-xilosidase, eksoxilanase, dan endoxilanase. Beberapa mikroorganisme diketahui mampu menghasilkan xilanase secara ekstraselular. Beberapa penelitian yang telah dilaporkan antara lain xilanase dari bakteri (Gilbert & Hazlewood 1993; Sunna & Antranikan 1997), kapang (Sunna & Antranikan 1997), Actinomycetes (Ball & McCarthy 1989; Beg et al. 2000), dan khamir (Hrmova et al. 1984; Liu et al. 1999). Xilanase dari bakteri alkalofilik diharapkan dapat digunakan sebagai pemutih kertas (Arribas et al. 1995). Produksi xilanase oleh mikroorganisme menggunakan substrat xilan. Xilan merupakan polimer yang kompleks dengan xilosa sebagai komponen utama. Pada umumnya substrat yang digunakan sebagai medium pertumbuhan mikroorganisme penghasil-xilanase adalah xilan komersial dari Sigma yang harganya mahal sehingga tidak ekonomis bila digunakan dalam skala pabrik. Untuk mengantisipasi masalah tersebut, perlu dicari bahan baku terbarukan (renewable raw material) dari bahan berlignoselulosa limbah pertanian lokal, salah satunya adalah tongkol jagung. Karena itu, penelitian ini bertujuan mengekstraksi xilan dari tongkol jagung dan memanfaatkannya sebagai medium pertumbuhan Bacillus pumilus RXAIII-5 penghasil-xilanase sehingga akan meningkatkan nilai guna limbah jagung.

BAHAN DAN METODE Penelitian dilakukan di Laboratorium Bioproses, Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen dan Laboratorium Rekayasa Bioproses, PAU-Bioteknologi, IPB. Lingkup penelitian meliputi ekstraksi dan pencirian xilan dari tongkol jagung, dan optimalisasi medium pertumbuhan B. pumilus RXAIII-5 penghasil-xilanase menggunakan xilan tersebut.

230

Ekstraksi Xilan dari Tongkol Jagung Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap. Tahap awal adalah analisis proksimat bahan baku yang meliputi kadar air, abu, dan serat (AOAC 1984). Tahap selanjutnya adalah ekstraksi xilan dengan memodifikasi metode dari Yoshida et al. (1994). Konsentrasi NaOCl pada proses delignifikasi dan nisbah supernatan terhadap etanol (v/v) yang tepat untuk ekstraksi xilan ditentukan, lalu ekstrak xilan yang diperoleh diuji kelarutannya serta dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Tongkol jagung kering digiling sampai lolos saringan 40 mesh. Contoh sebanyak 50 g dimasukkan ke dalam wadah plastik kemudian direndam dalam larutan NaOCl dengan konsentrasi 0.5, 1, 2.5, 5, dan 7.5% selama 5 jam pada suhu 28 oC (proses delignifikasi). Setelah 5 jam, contoh dibilas dengan air dan disaring. Selanjutnya padatan direndam kembali dalam larutan NaOH 10% selama 24 jam pada suhu 28 oC. Perendaman ini bertujuan mengekstraksi xilan. Setelah 24 jam, suspensi disaring. Filtrat yang dihasilkan diukur pH-nya, lalu dinetralkan dengan HCI 6 N. Setelah itu, disentrifugasi selama 30 menit dengan kecepatan 4000 rpm. Supernatan yang dihasilkan mengandung xilan. Xilan yang larut dalam air dapat dipisahkan dengan menambahkan etanol 95%. Etanol ditambahkan pada supernatan dengan nisbah supernatan-etanol 1:1, 1:2, 1:3, dan 1:4 untuk mengetahui pada nisbah berapa xilan dihasilkan secara optimum. Rancangan percobaan yang digunakan dalam penelitian ini adalah rancangan acak lengkap faktorial 5 × 4 dengan dua kali ulangan. Parameter yang diamati adalah rendemen xilan. Diagram alir penelitian diberikan pada Gambar 1. Kelarutan xilan diuji dengan melarutkannya dalam NaOH 1%, HCl 1 N, etanol, air panas, dan air dingin. Analisis kualitatif dan kuantitatif xilan dilakukan menggunakan HPLC dengan mengukur waktu retensi. Alat yang digunakan adalah HPLC Shimadzu C-R3A, dengan jenis kolom LC-18, fase gerak air, fase diam supelcosil LC 18, dan detektor indeks bias, dengan laju alir 0.8 ml/menit.

Formulasi Medium Formulasi medium untuk pertumbuhan B. pumilus RXAIII-5 memanfaatkan ekstrak xilan dari tongkol jagung sebagai sumber karbon. Di samping itu juga dikaji pengaruh pepton dan ekstrak khamir sebagai sumber nitrogen, dan K2HPO4 sebagai sumber mineral. Kultivasi dilakukan di dalam labu Erlenmeyer 100 ml menggunakan konsentrasi inokulan 10%. Contoh dipanen sesudah 3 hari inkubasi, kemudian diukur biomassanya sebagai rapatan optik pada panjang gelombang 660 nm, protein terlarutnya diukur dengan metode Bradford (1976), dan aktivitas enzim xilanasenya diukur menurut metode Winterhalter & Liebl (1995). Formulasi medium dilakukan dengan rancangan komposit pusat faktorial penuh 24. Empat peubah yang dioptimalisasi ialah polipepton (X1), ekstrak khamir (X2), xilan (X3), dan mineral (X4). Y1 = b0 + b1 X 1i + b2 X 2i + b3 X 3i + b4 X 4i + b11 X 1i2 + b22 X 2i + b33 X 3i2 + b44 X 4i2 + b12 X 1i X 2i + b13 X 1i X 3i + b14 X 1i X 4i + b23 X2i X 3i + b24 X 2i X 3i + b34 X 3i X 4i + ri

HASIL DAN PEMBAHASAN Sebelum melakukan ekstraksi xilan, bahan baku dicirikan kadar air, abu, dan seratnya. Kadar air tongkol jagung 6.43%, kadar abu 1.86%, dan kadar serat 25.43%. Kadar abu tersebut lebih besar dibandingkan dengan data yang disampaikan Koswara (1991), yaitu 1.33%. Namun, seratnya lebih banyak dibandingkan dengan penelitian Maynard (1993), yaitu 35.5%. Perbedaan ini diduga karena adanya perbedaan varietas dan umur panen jagung.

231

Tepung tongkol jagung (≤ 40 mesh)

Perendaman dalam NaOCl (5 jam, 28 °C)

Pencucian Sentrifugasi (4000 rpm, 30 menit)

Lignin

Pengeringan (suhu 35 °C, 24 jam)

Perendaman dalam NaOH 10% (suhu 28 oC, 24 jam)

Sentrifugasi (4000 rpm, 30 menit) Endapan Supernatan

Penetralan dengan HCl 6 N Sentrifugasi (4000 rpm, 30 menit) Endapan Supernatan Etanol 95% Xilan

Gambar 1 Diagram alir ektraksi xilan dari tongkol jagung (Yoshida et al. [1994] dimodifikasi pada penambahan konsentrasi NaOCl dan etanol).

Rendemen dan Neraca Massa Ekstraksi xilan menghasilkan rendemen antara 7.64 dan 12.94% (g xilan/g tongkol jagung) dengan rerata 10.95%. Rendemen terendah dihasilkan dengan menggunakan etanol pada nisbah 1:1

232

(v/v) dan proses delignifikasi menggunakan NaOCl 7.5%, sedangkan rendemen tertinggi diperoleh pada ekstraksi dengan etanol pada nisbah 1:3 (v/v) dengan menggunakan NaOCl 0.5% untuk delignifikasi (Gambar 2). Konsentrasi NaOCl yang tinggi (7.5%) dapat membuat hemiselulosa hilang atau larut dalam proses delignifikasi. Sebaliknya, pada konsentrasi yang rendah (0.5%) hanya sebagian hemiselulosa yang larut. 14

Rendemenxilan(% )

12 10 8 6 4 2 0 0

1

2 Etanol/supernatan(v/v)

NaOCl 0.5 NaOCl 5

3

NaOCl 1 NaOCl 7.5

4 NaOCl 2.5

Gambar 2 Grafik hubungan antara rendemen dan nisbah etanol-supernatan pada ekstraksi xilan dari tongkol jagung dengan berbagai konsentrasi NaOCl dalam delignifikasi.

Kelarutan Xilan Tabel 1 menunjukkan bahwa xilan larut sempurna dalam basa (NaOH 1%) dan air panas, tetapi hanya sedikit larut pada air dingin dan tidak larut dalam asam (HCl 1 N). Menurut Austin (1984), kelarutan suatu polimer (termasuk karbohidrat) akan berkurang dengan bertambahnya bobot molekul. Xilan sukar larut dalam air dingin, tetapi larut dalam air yang dipanaskan pada suhu 100 oC (Vandamme & Derycke 1983). Demikian pula dalam penelitian ini, xilan hanya sedikit larut dalam air dingin. Berdasarkan hasil tersebut, xilan tongkol jagung dapat dimanfaatkan dalam medium cair untuk bakteri alkalofilik, karena bersifat larut dalam basa, serta dalam air panas maupun dingin. Tabel 1 Kelarutan xilan dalam beberapa pelarut Pelarut Kelarutan NaOH 1% Air panas Air dingin HCl 1 N

+++ (sangat larut) ++ (larut) + (sedikit larut) - (tidak larut)

Analisis Kualitatif dan Kuantitatif Xilan Setelah diperoleh, ekstrak xilan dianalisis dengan HPLC untuk menentukan mutu dan kemurniannya. Kromatogram menunjukkan bahwa waktu retensi contoh tidak berbeda jauh dengan waktu retensi standar xilan oat spelt (Sigma), yaitu berturut-turut 2.57 dan 2.592 menit (Gambar 3). Dengan demikian, ekstrak yang diperoleh merupakan xilan. Tongkol jagung mempunyai satu puncak yang sangat tinggi dan satu puncak kecil. Hal tersebut menunjukkan bahwa ekstrak xilan dari tongkol jagung hampir murni. Dengan menambahkan kromatogram standar xilan pada kromatogram ekstrak xilan dari tongkol jagung, diperoleh kemurnian xilan sebesar 97.47%.

233

Gambar 3 Kromatogram ekstrak xilan dari tongkol jagung dan xilan oat spelt sebagai standar.

Formulasi Medium Pertumbuhan B. Pumilus RXA III-5 Bersubstrat Xilan dari Tongkol Jagung Optimalisasi medium kultivasi B. pumilus RXA III-5 dilakukan untuk menentukan kadar xilan dari tongkol jagung, serta konsentrasi pepton dan ekstrak khamir sebagai sumber N. Biomassa tertinggi berdasarkan hasil analisis statistik diperoleh pada komposisi medium dengan polipepton sebesar 0.32%, ekstrak khamir 0.25%, xilan 3.17%, dan K2HPO4 0.13%, dengan bobot kering 2.8154 g/l. Tingginya nilai biomassa menunjukkan adanya pertumbuhan bakteri pada medium tersebut, tetapi tidak menjamin tingginya produk metabolit sekunder. Hal tersebut terjadi pada penelitian Fontes et al. (2000) pada pertumbuhan mikrob Cellvibrio mixtus penghasil-xilanase yang menggunakan glukosa dan xilan sebagai sumber karbon. Kedua sumber karbon tersebut menghasilkan biomassa yang tinggi, dan pada medium glukosa pertumbuhan sel lebih cepat (36 jam) dibandingkan dengan xilan (84 jam). Akan tetapi, dalam medium glukosa aktivitas xilanase tidak terdeteksi. Hal tersebut terjadi karena pada medium xilan, mikrob akan berupaya membentuk xilanase untuk menghidrolisis xilan menjadi xilosa, yang kemudian digunakan sebagai sumber karbon untuk pertumbuhannya. Sementara pada medium glukosa hal tersebut tidak terjadi; mikrob langsung menggunakan glukosa sebagai sumber karbon. Aktivitas xilanase tertinggi (70.22 U/ml) dicapai pada komposisi polipepton 0.125 g/l, ekstrak khamir 0.059 g/l, xilan 3.048 g/l, dan K2HPO4 0.089 g/l. Aktivitas spesifik maksimum dicapai saat protein 263.007 U/mg, dengan formulasi medium 3.013% xilan, 0.164% polipepton, 0.172% ekstrak khamir, dan 0.141% K2HPO4 (Tabel 2). Formulasi inilah yang kemudian dipilih, karena optimalisasi produksi enzim xilanase ialah yang diutamakan di dalam penelitian ini. Tabel 2 Formulasi medium berdasarkan hasil pengamatan protein, aktivitas xilanase, dan aktivitas spesifik Pengamatan Biomassa Protein Aktivitas xilanase Aktivitas spesifik

Hasil maksimum 2.82 g/l 0.51 g/l 70.22 U/ml 263.007 U/mg

Xilan 3.17 3.04 3.048 3.013

Formulasi medium (%) Polipepton Ekstrak khamir 0.32 0.25 0.16 0.21 0.125 0.059 0.164 0.172

K2HPO4 0.13 0.02 0.089 0.141

Hasil penelitian ini selaras dengan hasil penelitian Yang et al. (1995), yaitu aktivitas spesifik xilanase dipengaruhi oleh sumber karbon. Sumber karbon dari xilan birchwood menghasilkan aktivitas spesifik xilanase yang lebih tinggi daripada xilan oat spelt. Demikian juga medium yang menggunakan

234

bekatul gandum mempunyai aktivitas spesifik xilanase lebih tinggi daripada medium tepung batang jagung. Sumber karbon di samping berpengaruh terhadap aktivitas xilanase juga berpengaruh terhadap aktivitas gen penghasil xilanasenya. Penelitian Prabhu et al. (1999) terhadap Melanocarpus albomyces menggunakan medium ampas tebu, xilosa, dan glukosa. Untuk xilosa dan glukosa aktivitas xilanase tidak terdeteksi sedangkan dengan ampas tebu terdeteksi 2 gen penghasil xilanase, yaitu gen xyl IA dan gen xyl IIIA. Demikian juga hasil penelitian Tonukari et al. (2002), yang menyatakan bahwa jenis sumber karbon dalam medium dipengaruhi oleh jenis gen mikrobnya. Tonukari telah mencoba menggunakan medium pertumbuhan yang mengandung glukosa, sukrosa, xilosa, xilan, pektin, dan selulosa pada Cochliobolus carbanum penghasil endo-1,4-β-xilanase. Hasilnya, C. carbanum yang mengandung gen xyl1 dan gen xyl2 dapat tumbuh pada medium xilan dan selulosa, sedangkan C. carbanum yang mengandung gen xyl3 dan xyl4 tumbuh pada xilosa dan xilan, dan C. carbanum yang mengandung gen xyp dapat tumbuh pada medium xilosa, xilan, pektin, dan selulosa. Akan tetapi, tak satupun C. carbanum yang mengandung gen-gen tersebut dapat tumbuh pada medium glukosa dan sukrosa.

SIMPULAN Konsentrasi NaOCl yang digunakan pada proses delignifikasi serta nisbah supernatan dan etanol pada ekstraksi xilan berpengaruh terhadap peningkatan rendemen xilan. Kombinasi perlakuan konsentrasi NaOCl 0.5% dan nisbah supernatan-etanol 1:3 (v/v) menghasilkan rendemen xilan tertinggi (12.95%). Analisis HPLC membuktikan bahwa xilan yang dihasilkan murni. Kelarutan xilan dipengaruhi oleh jenis pelarut. Dari empat jenis pelarut yang dicobakan, xilan sangat larut dalam basa (NaOH 1%), dan larut dalam air panas dan dingin. Berdasarkan hasil tersebut, xilan diharapkan dapat dimanfaatkan dalam medium cair untuk pertumbuhan bakteri alkalofilik penghasil xilanase murni. Komposisi medium terpilih untuk pertumbuhan B. pumilus RXAIII-5 berdasarkan aktivitas xilanasenya ialah pepton 0.164%, ekstrak khamir 0.172%, xilan tongkol jagung 3.013%, dan K2HPO4 0.141%.

DAFTAR PUSTAKA AOAC. 1984. Official Methods of Analysis of The Association of Official Analytical Chemists. Volume IIA. Washington: AOAC Int. Arribas RA, Abalos JMF, Sanches P, Gardu AL, Santamaria RI. 1995. Over production, purification and biochemical characterization of xylanase I (xys 1) from Streptomyces halstedii. JM8. Appl Environ Microbiol 6:2414-2419. Austin HY. 1984. Di dalam: Morison, editor. Starch Chemistry and Technology. Ed. ke-2. London: Academic Pr. Ball AS, McCarthy AJ. 1989. Production and properties of xylanases from Actinomycetes. J Appl Bacteriol 66:439-444. Beg QK, Kapoor M, Mahajan L, Hoondal GS. 2001. Microbial xylanases and their industrial applications: A review. J Appl Microbiol Biotechnol 56:326-338. Bradford MM. 1976. A rapid and sensitive methods for quantitative proteins utilizing the principles of protein dye binding. Anal Biochem 72:248-354. [Deptan] Departemen Pertanian. 2003. Rencana Pembangunan Pertanian Tahun 2004. Jakarta: Deptan. Fontes CM et al. 2000. A novel Cellvibrio mixtus family 10 xylanase that is both intracellular and expressed under non-inducing conditions. J Microbiol 145:1959-1967. Gilbert HJ, Hazlewood GP. 1993. Bacterial cellulase and xylanases. J Gen Microbiol 139:187-194.

235

Hrmova M, Biely P, Vrsanska M, Petrakova E. 1984. Induction of cellulose and xylanase-degrading enzyme complex in the yeast Trichosporon cutaneum. Arch Microbiol 138:371-376 Koswara J. 1991. Budi Daya Jagung. Bogor: Jurusan Budi Daya Pertanian, IPB. Liu W, Lu Y, Ma G. 1999. Induction and glucose repression of endo-β-xylanase in the yeast Trichosporon cutaneum SL409. Process Biochem 34:67-72. Maynard LA, Loosli JK. 1993. Animal Nutrition. Ed ke-7. New Delhi: Hill Publ. Prabhu KA, Ramesh M. 1999. Biochemical properties of xylanases from a thermophilic fungus, Melanocarpus albomyces, and their action on plant cell walls. J Biosci 24:461-470. Richana N, Lestina P, Irawadi TT. 2004. Karakterisasi lignoselulosa: Xilan dari limbah tanaman pangan dan pemanfaatannya untuk pertumbuhan bakteri RXA III-5 penghasil-xilanase. J Penelitian Pertanian 23:171-176. Subandi IGI, Hermanto. 1998. Jagung: Teknologi Produksi dan Pascapanen. Bogor: Badan Litbang Pertanian. Sunna A, Antranikan G. 1997. Xylanolytic enzyme from fungi and bacteria. Crit Rev in Biotechnol 17:3967. Tonukari NJ, Craig JSS, Walt JD. 2002. Influence of carbon source on the expression of Cochliobulus carbonum xylan-degrading enzyme genes. African J Biotechnol 1:64-66. Vandamme EJ, Derycke DG. 1983. Microbial inulinases process, properties, and application. Adv Appl Microbiol 29:139-176. Winterhalter C, Liebl W. 1995. Two extremely thermostable xylanase of the hyperthermophillic bacterium Thermotoga maritima MSBB. Appl Environ Microbiol 61:1810-1815. Yang VW, Zhuang Z, Elegir G, Jeffries TW. 1995. Alkaline-active xylanase produced by an alkaliphilic Bacillus sp (VI-4), isolated from kraft pulp. J Industrial Microbiol 15:434-441. Yoshida S et al. 1994. Substrate specificity of Streptomyces β-xylanase toward glucoxylan. Biosci Biotechnol Biochem 58:1041-1044.

236

BEBERAPA SENYAWA HETEROSIKLIK YANG BERPOTENSI SEBAGAI INHIBITOR KOROSI PADA BAJA KARBON DALAM LARUTAN NaCl 1% Deana Wahyuningrum, Sadijah Achmad, Yana Maolana Syah1, Buchari2, Bambang Ariwahjoedi3 1Kelompok

3Kelompok

Keilmuan Kimia Organik, 2Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, Keilmuan Kimia Fisik dan Anorganik, Program Studi Kimia, FMIPA, ITB, Bandung

ABSTRAK Beberapa senyawa heterosiklik telah disintesis menggunakan metode sintesis senyawa organik berbantuan mikrogelombang dengan tujuan mempelajari mekanisme inhibisi korosinya pada permukaan baja karbon. Produk hasil sintesis dicirikan menggunakan spektrofotometer inframerah dan resonansi magnetik inti. Keaktifan atau daya inhibisi korosi produk sintesis terhadap baja karbon dalam larutan NaCl 1% ditentukan menggunakan metode plot Tafel. Keaktifan atau daya inhibisi korosi senyawa (1Z,4Z)-2-etil-10,10a-difenil-3,10a-dihidropirazino[1,2-a][1,3,5]triazepina (1); 2,3-difenil-2,5dihidropirazin-2-amina (2); dan 5-metil-2,3-difenilpirazina (3) pada konsentrasi 8 ppm dalam larutan NaCl 1% berturut-turut 30.02, 38.87, dan 18.40%. Daya inhibisi korosi mereka ini layak disepadankan dengan daya inhibisi korosi senyawa imidazola dan benzimidazola yang telah lebih dahulu dikenal sebagai inhibitor korosi yang potensial. Kata kunci: senyawa heterosiklik; sintesis senyawa organik berbantuan mikrogelombang; plot Tafel; daya inhibisi korosi.

ABSTRACT Several heterocyclic compounds have been synthesized using microwave-assisted organic synthesis method, in order to study the corrosion inhibition mechanism on carbon steel surface. The synthesized products were characterized using infrared and nuclear magnetic resonance spectrophotometer. Corrosion inhibition activity of the synthesized products towards carbon steel in 1% NaCl solution was determined by Tafel plot method. The corrosion inhibition activities of compound (1Z,4Z)-2ethyl-10,10a-diphenyl-3,10a-dihydropyrazino[1,2-a][1,3,5]triazepine (1), 2,3-diphenyl-2,5-dihydro pyrazin-2-amine (2), and 5-methyl-2,3-diphenylpyrazine (3) at 8 ppm concentration in 1% NaCl solution were 30.02, 38.87, and 18.40%, respectively. The corrosion inhibition activities of these heterocyclic compounds were comparable to those of imidazole and benzimidazole which have been formerly known as potential corrosion inhibitors. Keywords: heterocyclic compounds, microwave-assisted organic synthesis, Tafel plot, corrosion inhibition activity.

237

PENDAHULUAN Korosi merupakan salah satu masalah tertua di industri karena di dalam hampir semua proses industri, peralatan berbasis logam mengalami interaksi terbuka dengan lingkungan kerja di sekitarnya. Proses korosi yang terjadi pada pipa saluran di pertambangan gas dan minyak bumi, terutama yang diinduksi oleh adanya gas karbon dioksida (CO2), hidrogen sulfida (H2S), dan air, merupakan masalah serius selama bertahun-tahun. Biaya pemeliharaan dan penggantian pipa menjadi sangat membengkak yang menyebabkan biaya produksi di perindustrian gas dan minyak bumi menjadi tidak efisien, di samping proses pengerjaannya yang memakan waktu dan tidak efektif. Salah satu cara yang paling efektif untuk melindungi bagian dalam pipa adalah dengan menggunakan inhibitor korosi organik1-6. Banyak studi telah dilakukan mengenai hubungan antara struktur inhibitor korosi senyawa organik dan keaktifan inhibisi korosinya terhadap logam, khususnya logam baja karbon yang biasa digunakan pada pipa kilang gas dan minyak bumi. Beberapa studi telah dilakukan untuk mempelajari pengaruh gugus fungsi yang mengandung unsur oksigen, nitrogen, dan belerang dalam senyawa asiklik maupun heterosiklik, terhadap kemampuannya menghambat korosi7-12. Ada 3 kelompok senyawa kimia organik yang berpotensi memiliki daya inhibisi korosi, yaitu (i) senyawa amina, (ii) senyawa heterosiklik yang memiliki gugus fungsi nitrogen, dan (iii) senyawa yang memiliki gugus fungsi belerang – amida dan karbamida7-9. Di antara ketiga kelompok senyawa organik tersebut, kelompok senyawa yang kedua dipilih oleh tim peneliti untuk disintesis dan kemudian diuji daya inhibisi korosinya terhadap logam baja karbon dalam larutan NaCl 1%. Berdasarkan data yang diperoleh, peneliti dapat menguraikan hubungan struktur senyawa heterosiklik hasil sintesis dengan keaktifan atau daya inhibisi korosinya. Selain itu, senyawa produk hasil sintesis dibandingkan daya inhibisi korosinya dengan senyawa imidazola dan benzimidazola yang telah diteliti memiliki potensi sebagai inhibitor korosi2-7. Oven mikrogelombang banyak digunakan untuk keperluan rumah tangga, terutama sebagai alat pemanas makanan. Frekuensi mikrogelombang yang diterapkan untuk keperluan rumah tangga maupun untuk keperluan sintesis senyawa kimia adalah 2.45 GHz (setara dengan panjang gelombang 12.24 cm)13,14. Para ilmuwan di berbagai belahan dunia telah menyadari betapa efektifnya penggunaan mikrogelombang dalam berbagai keperluan ilmiah, di antaranya untuk penyiapan contoh yang akan dianalisis, pengolahan air limbah, teknologi polimer, desain dan sintesis obat-obatan dan keramik, serta hidrolisis protein dan peptida13-16. Hal terpenting dalam proses reaksi kimia yang menggunakan mikrogelombang dibandingkan dengan metode konvensional adalah reaksi yang lebih cepat, rendemen yang tinggi, dan reaksi yang lebih ‘bersih’ (sedikit produk samping maupun limbah) (13, 14). Metode sintesis senyawa organik berbantuan mikrogelombang (MAOS) telah menjadi bagian tidak terpisahkan dalam setiap laboratorium sintesis organik modern dewasa ini13-16. Oleh karena itu, tim peneliti menerapkan metode MAOS untuk mensintesis beberapa senyawa heterosiklik yang berpotensi sebagai inhibitor korosi.

PERCOBAAN Umum Semua reagen yang digunakan adalah dalam spesifikasi GR (grade) dan semua pelarut yang digunakan didistilasi dahulu segera sebelum digunakan. Sintesis senyawa heterosiklik menggunakan metode MAOS dengan oven mikrogelombang domestik merek GE tipe JEI642WC sebagai reaktor sintesis. Semua data pada percobaan yang dilakukan dicirikan menggunakan spektrofotometer inframerah (IR) metode pelet KBr, dengan instrumen Buck-IR® di Laboratorium Kimia Organik, Program Studi Kimia, FMIPA, ITB. Penentuan titik leleh produk sintesis menggunakan radas titik leleh FisherJohns®. Struktur produk sintesis dielusidasi berdasarkan spektrum resonansi magnetik inti-1H dan -13C

238

(1H- dan 13C-NMR) yang diukur dalam pelarut aseton-d6 atau CDCl3, menggunakan instrumen NMR JEOL DELTA 400 MHz, di Department of Chemistry, Universiti Kebangsaan Malaysia. Penentuan daya inhibisi korosi ester histidina menggunakan instrumen VoltaLab®, dengan elektrode baja karbon sebagai elektrode kerja, elektrode platinum sebagai elektrode bantu, dan elektrode kalomel jenuh sebagai elektrode pembanding.

Sintesis Senyawa Heterosiklik 1, 2, dan 3 Sebanyak 2 mmol benzil, 2 mmol propionaldehida, dan 2 mmol amina [dietilenatriamina (DETA) untuk sintesis senyawa 1; etilenadiamina (EDA) untuk sintesis senyawa 2; dan 1,2-diaminopropana untuk sintesis senyawa 3] ditempatkan dalam labu Erlenmeyer 50 ml. Ke dalam campuran reaksi ditambahkan 20 mmol amonium asetat (NH4OAc) dalam 10 ml asam asetat glasial (CH3COOH). Selanjutnya, campuran reaksi diaduk rata dan dimasukkan ke dalam oven mikrogelombang. Penyinaran gelombang mikro dilakukan pada daya 700 W dengan waktu reaksi 50−65 detik. Setelah didinginkan sampai 40 oC, ke dalam campuran reaksi ditambahkan tetes demi tetes larutan NH4OH jenuh dalam penangas es (suhu 0 oC) sambil diaduk. Endapan yang terbentuk disaring dengan corong Büchner dan dicuci dengan air demineralisasi. Residu yang merupakan produk kasar dimurnikan dengan kromatografi lapis tipis preparatif menggunakan fase gerak n-heksana-etil asetat (7:3, % [v/v]). Hasil pemisahan dimurnikan dengan cara rekristalisasi dalam campuran pelarut n-heksana-etil asetat (1:1, % [v/v]). Selanjutnya, produk murni dicirikan dengan spektrofotometer IR, 1H-NMR. dan 13C-NMR.

Penentuan Keaktifan Inhibisi Korosi Produk Sintesis Sebanyak 2 mg contoh dilarutkan dalam 250 ml larutan NaCl 1% (b/v). Larutan NaCl 1% dijadikan sebagai larutan blangko dalam uji korosi menggunakan metode Tafel. Larutan blangko dituangkan ke dalam gelas kimia 400 ml yang dilengkapi pengaduk magnet. Elektrode kerja (baja karbon), elektrode pembanding (kalomel jenuh), dan elektrode bantu (platinum) dicelupkan ke dalam larutan dan dihubungkan dengan instrumen VoltaLab®. Larutan dijenuhkan dengan gas CO2 selama 10 menit. Pengukuran larutan contoh menggunakan prosedur yang sama dengan larutan blangko. Keaktifan atau daya inhibisi korosi senyawa yang dilarutkan dalam larutan contoh dihitung dengan persamaan berikut: % inhibisi =

I blangko (mA/cm 2 ) − I contoh (mA/cm 2 ) I blangko (mA/cm 2 )

× 100%

(1)

HASIL DAN PEMBAHASAN Proses dan hasil sintesis dapat dilihat pada Skema 1, Tabel 1, dan Tabel 2. Skema 1 menunjukkan bahwa reaksi sintesis senyawa heterosiklik dengan metode MAOS dapat dilakukan dalam waktu relatif singkat dan menghasilkan produk dengan rendemen kimiawi yang relatif tinggi (hingga mencapai 80%). Sementara Tabel 1 dan Tabel 2 berturut-turut menunjukkan data spektrum IR serta 1HNMR dan 13C-NMR dari senyawa 1, 2 dan 3.

239

O O

+ 20 mmol NH4OAc dalam 10 ml HOAc

O +

+

benzil, 2 mmol

Percobaan Amina*

propionaldehida 2 mmol

RNH2 Amina 2 mmol

Produk

radiasi mikrogelombang 700 W (50−65 detik)

Waktu Reaksi Suhu (oC)Titik Leleh (oC)Rendemen (%) (detik)

1

DETA

50

108

210−212

85.08

2

EDA

60

116

228−230

88.18

3

1,2-diamino propana

65

118

231−233

79.82

*Keterangan:

H N

DETA = dietilenatriamina = EDA = etilenadiamina =

NH2

H2N H2N

NH2

1,2-diaminopropana =

NH2

NH2

Skema 1 Sintesis senyawa heterosiklik 1, 2, dan 3 menggunakan metode MAOS. Tabel 1 Data bilangan gelombang (cm-1) dari spektrum inframerah senyawa 1, 2 dan 3 Contoh Senyawa 1 (produk percobaan 1) Senyawa 2 (produk percobaan 2) Senyawa 3 (produk percobaan 3)

Bilangan Gelombang (cm-1 ) 3398, 3065, 2962, 2924, 1736, 1680, 1602, 1509, 1453, 1382, 1207, 1173, 971, 878, 722, 699 3424, 3117, 1736, 1609, 1451, 1397, 1169, 1109, 1072, 1012, 986, 919, 766, 693 3450, 3168, 3078, 3027, 1747, 1736, 1647, 1541, 1520, 1460, 1397, 1214, 1177, 1109, 1076, 1016, 770, 699

Hasil interpretasi data spektrum IR belum dapat menentukan struktur senyawa produk sintesis karena spektrum IR hanya mengindikasikan puncak-puncak pada bilangan gelombang tertentu yang mewakili gugus fungsi dalam senyawa. Serapan vibrasi ulur aromatik dan alkil senyawa 1 muncul pada bilangan gelombang 2924–3065, 1382, 1173–1207, dan 699–971 cm-1. Gugus amino dan vibrasi ulur ikatan C=N muncul pada bilangan gelombang 3398 dan 1453–1736 cm-1. Gugus aromatik pada senyawa 2 terindikasi pada bilangan gelombang 3117, 1012–1169, dan 699–971 cm-1. Vibrasi ulur C-C tampak pada bilangan gelombang 1397 cm-1. Gugus amino muncul pada bilangan gelombang 3424 cm1. Vibrasi ulur untuk ikatan C-N dan C=N terindikasi pada bilangan gelombang 1451–1736 cm-1. Pada senyawa 3 tampak adanya gugus aromatik dan alkil yang terindikasi pada bilangan gelombang 3027– 3168, 1397, 1016–1214, dan 699–766 cm-1. Gugus amino dan vibrasi ulur ikatan C-N dan C=N untuk senyawa 3 terlihat pada bilangan gelombang 3450 dan 1460–1736 cm-1. Berdasarkan analisis data spektroskopi IR, dapat disimpulkan bahwa senyawa 1, 2, dan 3 memiliki struktur yang mengandung kerangka aromatik, gugus amino, dan ikatan C-N maupun C=N. Elusidasi struktur yang lebih lengkap didasarkan pada hasil analisis spektrum 1H- dan 13C-NMR senyawa 1, 2, dan 3 (Tabel 2). Penamaan senyawa 1, 2, dan 3 menurut kaidah IUPAC berturut-turut adalah (1Z,4Z)-2-etil-10,10a-difenil-3,10adihidropirazino[1,2-a][1,3,5]triazepina; 2,3-difenil-2,5-dihidropirazin-2-amina; dan 5-metil-2,3difenilpirazina17.

240

Tabel 2 Hasil analisis data spektrum 1H- dan 13C-NMR senyawa 1, 2, dan 3 Senyawa

Struktur berdasarkan data spektrum 1H- dan 13C-NMR 6.4 4.71 H H

109.5

2.21 N

7.44 7.63N

H6.4

7.32

NH 7.98 7.77

N

7.44 7.63

1

H

4.37 H

7.98 7.77 1.30 0.88

7.77

H

H 114.6

120.1 124.6 N NH 130.1N 172.4 130.7 129.2 H 130.5 64.9 135.9 134.2 127.3 N 160.7 130.7 133.8 129.2 130.1 23.3 130.5 14.3

(aseton-d6): δ 7.98–7.95 (dd J = 8 dan 2 Hz, 2H), 7.77–7.75 (dd, 2H), 7.63–7.60 (m, 2H), 7.46–7.32 (m, 3H), 6.4 (m, 2H), 4.37 (d, 1H), 4.37 (s, 1H), 2.21 (s, 1H), 1.30 (t, 2H), 0.88– 0.83 (t, 3H) 13C-NMR (aseton-d6): 172.4, 160.7, 135.9, 134.2, 133.8, 130.7, 130.5, 130.1, 129.2, 127.3, 124.6, 120.1, 114.6, 109.5, 64.9, 23.3, 14.3. 1H-NMR

2.14 7.64 NH2

7.26

7.45 7.64 7.45

7.38 7.64 N N 7.26 3.6 ;3.6 8.65

7.32

2

7.38

130.1 130.5 130.7 NH2 128.7 81.5 139.5 130.1 129.5 160.4 143.1 130.5 N 129.0 128.7N 46.4 129.5 149.2

(aseton-d6): δ 8.65 (s, 1H), 7.65–7.62 (dd, J = 8 dan 2 Hz, 2H, 7.45–7.39 (dd J = 8 dan 2 Hz, 3 H), 7.38–7.26 (m, 5H), 3.61 (s, 2H), 2.14 (b, 2H) 13C-NMR (aseton-d6): δ 160.4, 149.2, 143.1, 139.5, 130.7, 130.5, 130.1, 129.5, 129.0, 128.7, 81.3 (q), 46.4 1H-NMR

7.32

7.65 7.65

7.65

3

128.6 129.8

7.34

7.34

129.8

7.34 7.32

N 7.25 1H-NMR

N 3.49

7.34 7.65

129.8 128.2 128.2 128.6 138.4 149.0 138.4 129.8 N 150.1128.2 138.4 N 148.4 25.1 128.2

(CDCl3): δ 7.66 (m, 4H), 7.34–7.32 (m, 6H), 7.25 (s, 1 H), 3.49 (t, 3H) (CDCl3): δ 150.1, 149.0, 148.4, 138.4, 128.9, 128.6, 128.2

13C-NMR

Mekanisme reaksi yang diusulkan untuk pembentukan senyawa 1, 2, dan 3 berturut-turut ditampilkan pada Gambar 1, 2, dan 3. Tabel 3 menunjukkan perbandingan daya inhibisi korosi terhadap baja karbon untuk senyawa 1, 2, dan 3 dengan senyawa imidazola dan benzimidazola pada konsentrasi 8 ppm dalam larutan NaCl 1%. Gambar 4 menunjukkan pemodelan adsorpsi ketiga senyawa pada permukaan logam. Struktur 3 dimensi ketiga senyawa telah dioptimumisasi menggunakan peranti lunak Chem3D Ultra 8.03®. 17

241

H2 N

O

O

O

+ NH

NH

+ NH4OH

+

H

NH

HOAc

N

N

-H2O

-2 H2O kalor

H2 N

Benzil

N

HN

DETA H N

NH2

H

kalor

H H

H H+

NH2 H

H

H

H

N

NH H

H

NH

N

N H

geseran hidrida, -H2

H

N N N kalor

kalor

H

N

N

1

N

H H

H

Gambar 1

Mekanisme reaksi pembentukan senyawa 1 dengan prazat benzil, DETA, NH4OAc, propionaldehida, dan CH3COOH. O NH

H O H2N

O

+ + NH4OH

+

propionaldehida HOAc kalor

N -2 H2O

NH2 Benzil

H 2N

EDA NH

NH2

N N

N N H

2

Gambar 2

242

Mekanisme reaksi pembentukan senyawa 2 dengan prazat benzil, EDA, NH4OAc, propionaldehida, dan CH3COOH.

O

HOAc

O NH2

O +

O

+ H

propionaldehida + NH4OH -H2O Benzil 1,2-diaminopropanakalor NH2

OH -H2O

N

N

N H

H2N H2O

HN

N

N H+ H2 C

H2 C H+

N N

N

- H 2O

H H CH2 H

N

N

OH-

N

N

N

H3 C

H3C

N 3

Gambar 3 Mekanisme reaksi pembentukan senyawa 3 dengan prazat benzil, 1,2-diaminopropana, NH4OAc, propionaldehida, dan CH3COOH. Tabel 3 Daya inhibisi korosi senyawa 1, 2, 3, imidazola, dan benzimidazola Contoh

I kor NaCl 1% (mA/cm2)

I kor Lar. Contoh (mA/cm2)

Laju Korosi NaCl 1% (mm/Thn)

Laju Korosi Lar. contoh (mm/Thn)

% Inhibisi

1 2 3 Imidazola Benzimidazola

0.1309 0.1235 0.1326 0.1326 0.1309

0.0916 0.0755 0.1082 0.0984 0.0955

1.531 1.444 1.551 1.551 1.531

1.072 0.883 1.265 1.151 1.117

30.02 38.87 18.40 25.79 27.04

Senyawa 1

Senyawa 2

Senyawa 3

permukaan logam Keterangan: = interaksi antara pasangan elektron bebas (bulatan berwarna merah muda) dari nitrogen atau elektron phi aromatik dengan permukaan logam Bulatan warna putih = atom H; bulatan warna hitam = atom C; bulatan warna biru = atom N; bulatan warna merah muda = pasangan elektron bebas

Gambar 4 Pemodelan proses adsorpsi senyawa 1, 2, dan 3 pada permukaan logam.

243

Tujuan perbandingan daya inhibisi korosi senyawa produk sintesis dengan imidazola dan benzimidazola adalah untuk menunjukkan bahwa senyawa heterosiklik 1, 2, dan 3 juga memiliki potensi sebagai inhibitor korosi, sebagaimana halnya senyawa imidazola dan benzimidazola yang telah diteliti memiliki potensi tersebut. Senyawa 1, 2, dan 3 merupakan senyawa heterosiklik yang mengandung atom N dan gugus aromatik benzena yang dapat berinteraksi dengan permukaan logam besi. Senyawa 2 memiliki daya inhibisi korosi lebih baik daripada senyawa imidazola dan benzimidazola karena adanya gugus –NH2 tambahan yang dapat meningkatkan daya adsorpsinya pada permukaan logam. Senyawa 1 pun memiliki daya inhibisi korosi lebih baik daripada imidazola dan benzimidazola karena lebih banyaknya gugus fungsi –NH maupun –N=C- yang berpotensi untuk dapat berinteraksi dengan orbital d logam. Daya inhibisi korosi senyawa 1 lebih kecil daripada 2 karena struktur senyawa 1 lebih meruah daripada senyawa 2, sehingga probabilitas senyawa 1 untuk teradsorpsi dalam susunan rapat pada permukaan logam lebih sedikit dibandingkan dengan senyawa 2. Sementara itu, senyawa 3 yang diharapkan memiliki daya inhibisi paling besar di antara kelima senyawa pada Tabel 3, karena merupakan sistem aromatik dengan ikatan rangkap terkonjugasi, justru memiliki daya inhibisi korosi terendah. Hal ini disebabkan oleh adanya gugus metil pada pirazina yang menyebabkan struktur 2,3difenilpirazina (senyawa 3) menjadi tidak cukup planar, sehingga proses adsorpsinya pada permukaan logam menjadi kurang efektif.

SIMPULAN Pada penelitian ini telah disintesis tiga senyawa heterosiklik, yaitu (1Z,4Z)-2-etil-10,10a-difenil3,10a-dihidropirazino[1,2-a][1,3,5]triazepina (senyawa 1); 2,3-difenil-2,5-dihidropirazin-2-amina (senyawa 2); dan 5-metil-2,3-difenilpirazina (senyawa 3). Metode MAOS dalam sintesis ketiga senyawa ini menunjukkan efisiensi dalam hal waktu reaksi, dan rendemen kimiawinya tinggi. Ketiga senyawa heterosiklik produk sintesis menunjukkan potensi sebagai inhibitor korosi dengan daya inhibisi korosi sedang, yaitu 30.02% (senyawa 1), 38.87% (senyawa 2), dan 18.40% (senyawa 3), yang layak disepadankan dengan potensi inhibisi korosi senyawa imidazola dan benzimidazola. Pasangan elektron bebas atom nitrogen dan elektron pi terdelokalisasi dalam gugus aromatik yang terintegrasi dalam struktur ketiga senyawa heterosiklik hasil sintesis, memiliki peranan penting dalam proses teradsorpsinya ketiga senyawa tersebut pada permukaan logam sehingga dapat melindungi permukaan logam terhadap lingkungan oksidatif di sekitarnya.

UCAPAN TERIMA KASIH Tim peneliti mengucapkan terima kasih kepada Dr. Jalifah Latip dari Department of Chemistry, Universiti Kebangsaan Malaysia, atas pengukuran spektroskopi NMR semua produk sintesis. Penelitian ini dapat terselenggara atas adanya dana beasiswa BPPS dari Dikti RI untuk penulis pertama.

DAFTAR PUSTAKA 1. Hong T, Jepson WP. Corrosion inhibitor studies in large flow loop at high temperature and high pressure. Corrosion Sci. 2001;43:1839-1849. 2. Cao P, Gu R, Tian Z. Surface-enhanced Raman spectroscopy studies on the interaction of imidazole with a silver electrode in acetonitrile solution. J Phys Chem B. 2003;107:7769-7773. 4. Zhao L et al. Corrosion inhibition approach of oil production systems in offshore oilfield. Mat Corrosion. 2004;55:684-688.

244

5. Edwards A, Osborn C, Webster DK, Ostovar JP, Doyle M. Mechanistic studies of the corrosion inhibitor oleic imidazoline. Corrosion Sci. 1994;36:315-325. 6. Hassanzadeh A et al. Inhibitor selection based on nichols plot in corrosion studies. Acta Chim Slov. 2004;51:305-316. 7. Gomma GK. Effect of azole compounds on corrosion of copper in acid medium. Mat Chem and Phys. 1998;56:27-34. 8. Popova A, Christov M, Raicheva S, Sokolova E. Adsorption and inhibitive properties of benzimidazole derivatives in acid mild steel corrosion. Corrosion Sci. 2004;46:1333-1350. 9. Raicheva SN, Aleksiev BV, Sokolova EI. The effect of the chemical structure of some nitrogen- and sulphur-containing organic compounds on their corrosion inhibiting action. Corrosion Sci. 1992:34:343-350. 10. Ramachandran S, Jovancicevic V. Molecular modelling of the inhibition of mild steel carbon dioxide corrosion by imidazolines. Corrosion. 1999;55:259-267. 11. Ramachandran S et al. Atomistic simulations of oleic imidazolines bound to ferric clusters. J Phys Chem A. 1997;101:83-89. 12. Ramachandran S et al. Self-assembled monolayer mechanism for corrosion inhibitor of iron by imidazolaines. Langmuir. 1996;12:6419-6428. 13. Kappe CO. Controlled microwave heating in modern organic synthesis. Angew Chem Int. 2004;43:6250-6284. 14. Usyatinsky AY, Khmelnitsky YL. Microwave-assisted synthesis of substituted imidazolae on a solid support under solvent-free conditions. Tetrahedron Lett. 2000;41:5031-5034. 15. Wolkenberg SE et al. Eficient synthesis of imidazoles from aldehydes and 1,2-diketones using microwave irradiation. Organic Lett. 2004;6:1453-1456. 16. Abdel-Jalil RD, Voelter W, Stoll R. Microwave-assisted synthesis of 1-aryl-3-acetyl-1,4,5,6tetrahydrobenzimidazo[1,2-d][1,2,4]triazine: First example of a novel ring system. Tetrahedron Lett. 2005;46:1725-1726. 17. CambridgeSoft®. ChemOffice Ultra 8.0.3, copyright (1985-2003)

245

PENINGKATAN KANDUNGAN UNSUR HARA KALIUM DAN pH TANAH GAMBUT MENGGUNAKAN DREGS (LIMBAH BAGIAN RECAUTICIZING PABRIK PULP) Roza Linda, Rini1, Admin Alif2, Teguh Budi Santoso3, Akmal Mukhtar4 1

Program Studi Kimia, Jurusan PMIPA, FKIP, Universitas Riau 2 Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Andalas 3 Jurusan Tanah, Faperta, Universitas Andalas 4 Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Riau

ABSTRAK Telah dilakukan penelitian penggunaan dregs (limbah bagian recauticizing pabrik pulp) sebagai amelioran untuk meningkatkan kandungan unsur hara makro kalium dan pH tanah gambut. Tanah gambut diambil dari desa Rimbo Panjang, Kabupaten Kampar, Riau. Tanah gambut yang telah dikeringanginkan ditempatkan pada petakan kayu dan ditaburi dregs dengan dosis 100, 200, dan 300 g/petak (5, 10, dan 15 ton/ha). Sebagai indikator digunakan tanaman jagung. Dari penelitian diperoleh bahwa pemberian dregs dengan dosis 300 g/petak (15 ton/ha) pada tanah gambut dapat meningkatkan pH dari 3.20 menjadi 6.36 dan kandungan K dari 295.54 menjadi 407.16 mg/kg. Kata kunci: dregs, tanah gambut, unsur hara K.

ABSTRACT The research of using dregs (pulp recauticizing’s waste) as ameliorant to increase potassium macronutrient content and pH of humic soil had been carried out. The humic soil used in the research was taken from Rimbo Panjang village, Kampar Regency, Riau. The air-dried humic soils were placed in wooden boxes and were poured by dregs with dosage variations of 100, 200, and 300 g/box (5, 10, and 15 tons/ha). Corn plants were used as indicator. From the research it was found that dregs in 300g/box (15 ton/ha) dosage could increase the pH of humic soil from 3.20 to 6.36 and increase the potassium content of humic soil from 295.54 to 407.16 mg/kg. Keywords: dregs, humic soil, potassium nutrient.

PENDAHULUAN Riau merupakan salah satu daerah di Indonesia yang memiliki lahan gambut yang luas. Menurut data statistik, 52.63% dari seluruh dataran di daerah Riau merupakan tanah gambut, yaitu mencapai 1.87 juta hektar (Bappeda Riau 1998). Pemanfaatan tanah gambut ini sebagai lahan pertanian terhambat oleh beberapa kendala, di antaranya keasaman yang tinggi (pH rendah), rendahnya unsur hara (N, P, K, Ca, Mg), kelimpahan Al dan Fe, serta pelindian (leaching) yang sangat besar (Darmawijaya 2000; Sanchez 1986). Kalium merupakan salah satu unsur hara makro yang dibutuhkan tumbuhan. Unsur ini membantu sintesis karbohidrat dalam tumbuhan dan memperkuat tumbuhan sehingga daun, bunga, dan buah tidak mudah gugur. Kalium juga merupakan sumber daya

246

tahan tumbuhan terhadap penyakit dan kekeringan serta dapat meningkatkan mutu biji (Rismunandar 1984). Salah satu upaya memperbaiki sifat buruk tanah gambut adalah dengan pemberian amelioran dan pemupukan yang tepat (Sarief 1990; Prasetyo 1997). Dari beberapa penelitian diketahui bahwa pemberian amelioran seperti kapur, pupuk buatan, atau pupuk organik sangat bermanfaat dalam meningkatkan mutu dan produktivitas tanah pertanian (Sastino 1989; Prasetyo 1996). Secara umum, pemberian amelioran ke dalam tanah gambut dimaksudkan untuk menetralkan asam-asam organik (asam fenolik dan asam karboksilat) yang bersifat meracun. Pengaruhnya yang sangat menonjol terhadap kimiawi tanah ialah naiknya pH dan kandungan hara kalium, sehingga reaksi tanah mengarah ke netral. Selain itu, pertumbuhan dan produksi tanaman dapat diperbaiki (Halim 1989). Amelioran yang digunakan pada penelitian ini adalah dregs. Dregs merupakan hasil sampingan dari bagian recauticizing pabrik pulp, yaitu endapan yang terbentuk dari proses penjernihan cairan hasil produksi bagian pemulihan di pabrik pulp. Endapan ini tidak berguna lagi untuk proses pembuatan pulp selanjutnya. Dregs memiliki pH yang tinggi (9−12) sehingga pH tanah gambut dapat diharapkan meningkat, dan tidak mengandung lagi zat-zat yang berbahaya bagi tanah dan tanaman. Dregs juga mengandung sejumlah unsur hara yang diperlukan bagi pertumbuhan tanaman, terutama unsur nitrogen dan ion fosfat, sehingga cocok untuk dimanfaatkan sebagai pupuk tanaman. Aktivitas mikrob tanah gambut juga dapat ditingkatkan oleh dregs sehingga akan mempercepat proses dekomposisi. Jumlah dregs semakin lama semakin meningkat. Ada dua sisi kebutuhan yang bisa dihubungkan dan saling menguntungkan, yaitu mengurangi jumlah limbah dregs yang dibuang ke lingkungan, serta memanfaatkannya sebagai bahan amelioran untuk meningkatkan pH dan ketersediaan unsur hara tanah, di antaranya kalium, agar tanah gambut menjadi lebih produktif. Pemanfaatan dregs sebagai amelioran telah dilakukan untuk tanaman akasia. Pemberian dregs sebanyak 2 kg per lubang meningkatkan 71% pertumbuhan tanaman akasia dibandingkan dengan kontrol. Di Finlandia pada tahun 1992, dregs juga telah diaplikasikan sebanyak 60,000 ton untuk pengelolaan tanah dalam pengembangan tanaman kehutanan (Gullichsen & Paulapuro 1998). Namun, penelitian pemanfaatan dregs sebagai amelioran untuk tanaman pangan belum pernah dilakukan. Karena itu, sebagai indikator pada penelitian ini digunakan tanaman jagung. Alasannya, tanaman jagung memiliki kelengkapan organ tanaman (akar, batang, daun, dan buah), menghendaki pH yang mendekati netral, dan masa tanamnya tidak begitu lama.

METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Kimia Alat- alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah fotometer nyala Corning 400, pH-meter, neraca analitik, oven listrik, penggoyang, dan pengaduk magnet. Bahan-bahan yang digunakan antara lain tanah gambut, dregs, bibit jagung variates Arjuna, larutan lantanum klorida 1%, amonium asetat 1 N (pH 7), larutan standar kalium, dan pembasmi hama ulat daun Dursban 20*EC.

Pelaksanaan Penelitian Tanah gambut untuk penelitian ini berasal dari desa Rimbo Panjang, 18 km di luar kota Pekanbaru. Tanah gambut diambil secara acak dengan alat bor tanah pada kedalaman 20 cm dan dikeringanginkan selama 1 minggu. Dregs diambil dari tempat penampungan dan dikeringanginkan juga selama 1 minggu. Tanah gambut yang telah dikeringanginkan dimasukkan ke dalam petak-petak percobaan yang dibuat dari kayu (50 cm × 50 cm × 50 cm). Bobot tanah gambut yang dimasukkan ke dalam setiap

247

petak ditimbang sama banyak (kira-kira 31 kg). Tinggi tanah gambut dalam petak percobaan kurang lebih 40 cm. Dalam penelitian ini digunakan dengan 1 faktor, 4 perlakuan, dan 3 kali ulangan. Perlakuan D0 ialah tanah gambut yang tidak diberi dregs, sementara perlakuan D1, D2, dan D3 ialah yang dengan pemberian dregs sebanyak berturut-turut 100, 200, dan 300 g/petak (atau 5, 10, dan 15 ton/ha). Dua minggu sebelum penanaman, dregs ditaburkan secara merata pada permukaan tanah gambut dalam petak percobaan sesuai dosis perlakuan. Gambar 1(a) menunjukkan dregs yang digunakan, dan Gambar 1(b) memperlihatkan kebun penelitian tempat percobaaan dilakukan.

(a) (b) Gambar 1 Dregs yang digunakan (a); Kebun penelitian tempat percobaan dilakukan (b). Sebagai indikator produktivitas tanah digunakan tanaman jagung varietas Arjuna. Tiap petak ditanam dengan sistem tunggal, setiap lubang ditanami 3 biji. Setelah 2 minggu dilakukan penjarangan dengan meninggalkan 1 batang pada setiap rumpun.

Uji Laboratorium Uji laboratorium meliputi analisis pH dan kandungan K pada dregs, tanah gambut awal, dan tanah gambut setelah ditambahkan dregs (2, 8, dan 14 minggu). Contoh dikeringanginkan, digiling, dan diayak dengan ayakan berdiameter 300 µm. Sebanyak 10 g kemudian dimasukkan ke dalam gelas piala, ditambahkan 25 ml akuades, dan diaduk selama 30 menit. Setelah itu, diukur pH-nya dengan pHmeter. Sebanyak 2.5 g lainnya diberi 50 ml amonium asetat 1 N (pH 7), dikocok selama 30 menit, disaring, dan ditambahkan 2 ml LaCl3 1%. Filtrat yang diperoleh dianalisis kandungan kaliumnya dengan fotometer nyala Corning 400 pada panjang gelombang 767.5 nm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pertumbuhan Tanaman Jagung Dari penelitian diperoleh bahwa tanpa pemberian amelioran dregs, tanaman jagung tidak dapat tumbuh atau pertumbuhannya sangat terhambat. Sementara itu, pemberian amelioran yang semakin banyak membuat pertumbuhan tanaman jagung semakin membaik. Jagung tidak dapat beradaptasi dengan nilai pH yang rendah, maka dibutuhkan kisaran pH tertentu untuk mendukung pertumbuhan yang optimum. Nilai pH yang sesuai untuk tanaman jagung adalah 5.0−6.8. Di bawah atau di atas nilai tersebut, pertumbuhan jagung menjadi kurang baik (Warisno 1998). Pada pemberian dregs dengan dosis 5 ton/ha (100 g/petak), tanaman jagung tidak tumbuh subur, batangnya kerdil, daunnya agak kuning, meranggas, dan pada akhirnya mati. Pada penambahan dregs dengan dosis 10 ton/ha (200 g/petak) tanaman jagung tumbuh dan berkembang: batangnya lebih kokoh dan tinggi, daunnya lebih lebar dan banyak, akarnya lebih panjang, dan buahnya lebih berisi.

248

Penambahan dregs dengan dosis 300 g/petak memberikan pengaruh yang hampir sama, tetapi tanaman indikator lebih cepat berbuah. Menurut Hardjowigeno (1999), tanaman yang cukup unsur kalium akan memiliki ruas yang panjang dan batangnya menjadi tinggi dengan daun yang tidak mengerut atau keriting. Hal ini menunjukkan bahwa dregs dapat berfungsi sebagai amelioran yang relatif murah (ekonomis) untuk memperbaiki beberapa sifat kimia tanah, yaitu meningkatkan pH dan ketersediaan unsur K dalam tanah gambut. Namun, pertumbuhan tanaman jagung yang dihasilkan masih belum optimum. Dengan pemberian dregs, pada daun masih terlihat garis-garis tipis berwarna kekuningan pada masa inkubasi 14 minggu, yang menunjukkan masih kurangnya unsur kalium (Novizan 2005). Foto daun, buah, dan akar jagung setelah inkubasi selama 14 minggu diperlahatkan pada Gambar 3.

(a) (b) (c) Gambar 3 Foto daun (a), buah (b), dan akar (c) tanaman jagung setelah 14 hari masa inkubasi.

Analisis Dregs dan Tanah Gambut Awal Tanah gambut di daerah Rimbo Panjang mempunyai kadar air 80.15 % (musim penghujan). Dari Tabel 1 terlihat bahwa asam dan miskin akan unsur hara kalium sehingga masih perlu diolah agar dapat dijadikan lahan produktif untuk pertanian. Hal ini terbukti dari tidak dapat tumbuhnya tanaman jagung yang ditanam pada tanah tersebut tanpa penambahan dregs, dan akhirnya mati. Dregs juga mengandung beberapa logam berat, namun kadarnya masih berada di bawah ambang batas maksimum logam berat untuk landfill. Tabel 1 Hasil analisis kimia dregs dan tanah gambut awal No 1 2

Contoh Dregs Tanah gambut (awal)

pH

K+ (mg/kg)

10.04 3.20

1353.44 295.54

Analisis Kimia Tanah Gambut setelah Diberi Amelioran Dregs Gambar 4 memperlihatkan kenaikan pH tanah gambut sesudah penambahan dregs. Dalam waktu inkubasi 2 minggu, pH tanah gambut yang diberi dregs dengan dosis 100, 200, maupun 300 g/petak belum menunjukkan kenaikan pH yang berarti, yaitu berturut-turut menjadi 3.28, 3.33, dan 3.96. Peningkatan pH yang bermakna terjadi dalam waktu inkubasi 14 minggu dengan dosis dregs 300 g/petak: pH naik dari 3.20 hingga mendekati netral (6.36).

249

7 6

pH

5 4 3 2 1 0 0 g/petak

100 g/petak

200 g/petak

300 g/petak

Dosis Dregs 2 Minggu

8 Minggu

14 Minggu

Gambar 4 Grafik pH tanah gambut tanpa dan dengan dregs. Peningkatan pH tanah gambut terjadi karena proses netralisasi oleh dregs yang bersifat basa (pH 10.04). Kation-kation basa dalam dregs bereaksi dengan tanah gambut selama inkubasi dan didorong oleh adanya penyiraman. Kalium merupakan salah satu unsur hara makro selain nitrogen dan fosforus. Kalium diserap oleh tanaman dalam bentuk ion K+. Di dalam tanah ion tersebut bersifat sangat dinamis. Kalium di dalam jaringan tanaman tetap berbentuk ion K+ sehingga siap dipindahkan dari satu organ ke organ lain yang membutuhkan. Secara umum, peran kalium berhubungan dengan proses metabolisme, seperti fotosintesis dan respirasi. Gejala kekurangan kalium dapat menyebabkan tanaman menjadi layu dan pertumbuhannya terhambat (Novizan 2005; Hakim et al. 1992 ). Hasil penelitian menunjukkan bahwa aplikasi dregs mampu meningkatkan jumlah kalium tanah gambut. Ketersediaan kalium meningkat tajam dalam waktu inkubasi 8 minggu menjadi berturut-turut 402.27, 406.37, dan 407.16 mg/kg untuk dosis dregs 100, 200, dan 300 g/petak.

Konsentrasi K+ (mg/Kg)

450 360 270 180 90 0 0 g/petak

100 g/petak

200 g/petak

300 g/petak

Dosis Dregs 2 Minggu

8 Minggu

14 Minggu

Gambar 5 Grafik konsentrasi K+ tanah gambut tanpa dan dengan dregs. Setelah waktu inkubasi empat belas minggu terjadi penurunan kandungan kalium tersedia pada tanah gambut yang diberi dregs. Hal ini dapat terjadi karena terserapnya kalium-tersedia oleh tanaman jagung. Selain itu, struktur tanah gambut yang kurang menahan air membuat kalium-tersedia mudah terlindikan oleh penyiraman yang merembes melalui pori-pori petak percobaan.

250

SIMPULAN Pemberian dregs dapat menaikkan pH tanah gambut daerah Rimbo Panjang Riau dari 3.2 hingga mendekati netral (6,36). Pemberian dregs juga mampu meningkatkan kandungan kaliumtersedia tanah gambut dari 295.54 menjadi 407.16 mg/kg dengan pemberian dregs sebanyak 300 g/petak (15 ton/ha). Karena itu, dregs sangat berpotensi dijadikan sebagai amelioran.

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih disampaikan kepada Direktorat Pembinaan Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi yang telah mendanai penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA Alloway BJ. 1995. Heavy Metal in Soils. Ed ke-2. London: Blackie Academic & Professional. [Bappeda Riau] Badan Perencanaan Pembangunan Daerah Riau. 1998. Kebijaksanaan Pemerintah dalam Pengembangan Gambut di Daerah Riau. Pekanbaru: Bappeda Riau. Buckman HO, Brady NC. 1982. Ilmu Tanah. Soegiman, penerjemah. Jakarta: Bhatara Karya Aksara. Darmawijaya M. 2000. Klasifikasi Tanah. Yogyakarta: Gajah Mada Univ Pr. Gullichsen J, Paulapuro H. 1998. Environmental Control. Helsinki: Faped Oy. Hakim N et al. 1992. Dasar- dasar Ilmu Tanah. Lampung: Unsri Pr. Halim. 1989. Perbaikan tanah gambut pedalaman melalui peningkatan kejenuhan basa untuk budi daya kedelai. Di dalam: Prosiding Seminar Tanah Gambut Untuk Perluasan Pertanian. Medan: Universitas Sumatera Utara. Vol 03, hlm 80. Jones UC. 1972. Soils & Soil Fertility. New York: Macmillan. Leiwakabessy FM. 1988. Kesuburan Tanah. Bogor: Fakultas Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Nambiar EKS, Brown AG. 1997. Management of Soil, Nutrients, and Water in Tropical Plantation Forests. Canberra: ACIAR. Novizan. 2005. Petunjuk Pemupukan yang Efektif. Jakarta: Agro Media Pustaka. Noor M. 2001. Pertanian Lahan Gambut. Yogyakarta: Kanisius. Paavilainen E, Paivanen J. 1995. Peatland Forestry, Ecology, and Principles. Berlin: Springer-Verlag. Prasetyo TB. 1996. Peningkatan serapan fosfat pada tanah gambut melalui pengendalian asam-asam meracun. Di dalam: Prosiding Seminar HITI; Bogor. Prasetyo TB. 1997. Kajian Adsorpsi Cu dan Zn pada Berbagai Tingkat Dekomposisi Gambut. Padang: Lembaga Penelitian Universitas Andalas. Rachim Y. 2000. Penggunaan logam-logam polivalen untuk meningkatkan ketersediaan fosfat dan produksi pada tanah gambut [disertasi]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Sanchez PA.1976. Properties and Management of Soils in The Tropics. New York: J Wiley. Sarief ES. 1990. Ilmu Tanah Pertanian. Bandung: Pustaka Buana. Sastino. 1989. Karakterisasi Deposit Mineral Zeolit dalam Aspek Pemanfaatannya di bidang Pertanian. Kongres HITI V. Medan. hlm 1-14. Tan KH. 1998. Dasar-dasar Kimia Tanah. Goenadi DH, Radjagukguk B, penerjemah. Yogyakarta: Universitas Gajah Mada Pr. Thompson LM, Troeh FR. 1978. Soil Fertility. Ed ke-4. New York: Mc-Graw Hill.

251

PEMANFAATAN KERTAS BEKAS SEBAGAI BAHAN BAKU ALTERNATIF PEMBUATAN ETANOL Agus Rochmat*, Indar Kustiningsih, Dedik Dermady, Asih Suharsih Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Cilegon, Banten

ABSTRAK Pembuatan etanol dari kertas bekas telah dilakukan dengan menggunakan proses hidrolisis dan fermentasi dengan khamir Saccharomyces cerevisiae. Kertas yang digunakan ialah kertas koran dan kertas bekas-cetak (print out), dengan kertas HVS dan kertas koran polos sebagai pembandingnya. Hidrolisis dilakukan selama 1 dan 3 jam, sedangkan fermentasi dilakukan dalam 5, 7, dan 9 hari. Etanol yang dihasilkan dianalisis menggunakan kromatografi gas dengan detektor ionisasi nyala. Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu fermentasi sangat berpengaruh terhadap etanol yang dihasilkan dibandingkan dengan waktu hidrolisis. Etanol yang dihasilkan dari kertas print out dengan waktu fermentasi 5 jam dan hidrolisis 1 jam adalah 1.474 ml/g sedangkan dari kertas HVS 1.963 ml/g. Kata kunci: pemanfaatan kertas bekas, etanol, fermentasi, Saccharomyces cerevisiae.

ABSTRACT Production of ethanol from used paper had been conducted by using hydrolysis process and fermentation with Saccharomyces cerevisiae yeast. Newspaper and used print out paper were used in this research, with HVS paper and plain newspaper as the comparator. Hydrolysis were carried out for 1 and 3 hours whereas fermentation was conducted in 5, 7, and 9 days. Ethanol yields were observed by gas chromatography with flame ionization detector. The results showed that fermentation time was very influent to the yield of ethanol compared with hydrolysis time. The ethanol produced from used print out paper with fermentation for 5 hours and hydrolysis for 1 hour equals to 1.474 ml/g, while HVS paper 1.963 ml/g. Keywords: utilization of used paper, ethanol, fermentation, Saccharomyces cerevisiae.

PENDAHULUAN Mutu bensin sebagai bahan bakar motor dinilai dari bilangan oktannya. Semakin tinggi bilangan oktan, semakin baik pula bensin tersebut dalam pembakarannya. Hasil pembakaran dalam mesin motor diperhitungkan berdasarkan jarak tempuh per satuan volume. Bensin yang telah diberi aditif tetraetiltimbel [TEL, Pb(C2H5)4] dikenal sebagai bensin premium. Penambahan TEL tersebut diharapkan dapat meningkatkan bilangan oktan bensin1,2. Dari segi pembakaran, aditif yang terkandung dalam bensin premium dapat mencemari udara karena mengandung timbel (Pb). Unsur ini juga dapat masuk ke dalam tubuh dan mengakibatkan anemia serta penurunan tingkat kecerdasan terutama pada anak. Jika mangan (Mn) yang mencemari udara terhirup maka akan terakumulasi dalam otak dan dapat mengakibatkan parkinson. Selain itu, besi (Fe) sebagai aditif dalam bensin dapat mengakibatkan hipertensi dan penyakit jantung1,2. * Alamat korespondensi: [email protected]

252

Mengingat adanya bahaya penggunaan aditif bensin terhadap lingkungan sekitar, perlu dicari pengganti TEL pada bensin. Bahan aditif yang baru ini harus lebih ramah lingkungan dan bernilai ekonomis, misalnya etanol. Etanol dapat meningkatkan bilangan oktan seperti halnya timbel. Penggunaan etanol memiliki beberapa keuntungan antara lain etanol tergolong bahan bakar bersih, karena tidak mengeluarkan emisi gas beracun, dan harganya lebih murah jika dibandingkan dengan bensin bertimbel. Etanol dapat dibuat dari bermacam-macam jenis bahan yang mengandung selulosa, salah satunya adalah kertas. Kertas merupakan media komunikasi tertulis dan juga media informasi. Peningkatan pemakaian kertas akan menaikkan jumlah sampah kertas. Menurut Irawadi, 35−53% sampah kota berupa kertas dan dari jumlah itu, dihasilkan serat selulosa kurang lebih 23 juta ton/tahun3. Begitu pula pemaparan Wahyu Widhi dalam penelitiannya, yaitu bahwa tahun 1995 kebutuhan kertas dan karton setiap tahunnya mencapai 280 juta ton dan pada tahun 2010 diperkirakan akan mencapai 418 juta ton. Peningkatan kebutuhan tersebut didasarkan pada data statistik dunia yang menunjukkan pertambahan jumlah manusia dan konsumsi kertas setiap tahunnya. Kenyataannya, jumlah sampah kertas terus mengalami peningkatan yang sangat besar. Daur ulang kertas pada tahun 1994 mencapai 108.5 juta ton dan pada tahun 2010 diperkirakan mencapai 196.3 juta ton atau rata-rata meningkat 4% per tahun4. Selulosa, yang merupakan komponen utama dari kertas, dapat dikonversi menjadi glukosa dan kemudian difermentasikan menjadi etanol. Struktur selulosa yang kompleks menjadi penghalang utama bagi mikroorganisme untuk mengubahnya menjadi etanol. Selulosa ini harus diputus menjadi monomer glukosa sebelum diubah menjadi etanol. Pemutusan selulosa menjadi glukosa dilakukan melalui proses hidrolisis menggunakan H2SO4 pada suhu 80 °C dilanjutkan dengan fermentasi glukosa oleh Saccharomyces cerevisiae menjadi etanol. Pada penelitian ini digunakan medium sampah kertas yang diolah menjadi etanol.

TINJAUAN PUSTAKA Setiap hari, banyak kertas yang dipakai untuk sarana tulis-menulis dan media informasi. Produk kertas tersebut umumnya dibuat hanya untuk sekali pakai, dan setelah itu menjadi sampah. Sampah kertas biasanya dibakar dan sebagian kecil saja yang dijadikan bubur kertas untuk didaur-ulang. Penggunaan selulosa dalam proses biokonversi cukup potensial dan merupakan salah satu alternatif baru dalam menanggulangi permasalahan sampah kertas. Berkaitan dengan hal tersebut, proses hidrolisis secara enzimatik merupakan alternatif yang baik. Enzim merupakan biokatalis yang dapat meningkatkan laju reaksi hidrolisis dalam sel hidup tanpa dirinya mengalami perubahan apapun. Hidrolisis enzimatik lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan hidrolisis menggunakan asam sulfat, dan hasilnya juga tinggi. Akan tetapi, biaya penggunaan enzim cukup tinggi. Dengan hidrolisis enzimatik, limbah kertas dapat diolah menjadi glukosa yang kemudian dapat menghasilkan etanol, tanpa menyebabkan pencemaran lingkungan oleh asam sulfat, yang biasanya digunakan.

Kandungan Kertas Kertas HVS atau office paper mengandung sekitar 90% selulosa dan 10% lignin, sedangkan kertas koran mengandung 60% selulosa dan 40% lignin. Kertas koran memiliki tekstur yang mirip dengan kertas buram karena komposisi keduanya hampir sama. Kertas juga mengandung logam, terutama kalsium, yang digunakan sebagai bahan pengisi kertas untuk meningkatkan transparansi dan derajat putihnya. Magnesium juga terdapat dalam kertas untuk meningkatkan derajat putih, sedangkan kadar mangan, besi ,dan tembaga relatif kecil5.

253

Selulosa Selulosa merupakan senyawa organik yang paling melimpah di bumi: sekitar 1011 ton selulosa dibiosintesis tiap tahun, dan sekitar 50%-nya berasal dari karbon tak-bebas di bumi. Selulosa terdapat 10−20% dalam daun kering, 50% dalam kayu, dan 90% dalam kapas. Selulosa merupakan polimer linear dari β-(1,4’) D-glukosa. Hidrolisis total oleh asam anorganik dalam air terhadap selulosa hanya menghasilkan D-glukosa. Hidrolisis sebagian juga menghasilkan disakarida yang disebut selobiosa, yang dapat dihidrolisis lebih lanjut menjadi D-glukosa dengan katalis asam atau emulsi enzim. Selulosa sendiri tidak mempunyai karbon hemiasetal sehingga tidak dapat mengalami mutarotasi atau dioksidasi oleh pereaksi seperti Tollens. (Hemiasetal yang terdapat pada salah satu ujung molekul selulosa hanyalah bagian kecil dari keseluruhan molekul, dan tidak memberikan sifat gula pereduksi.) Selulosa/pati Monosakarida

hidrolisis asam fermentasi

Monosakarida

(1)

Alkohol (etanol)

(2)

Proses hidrolisis Lignoselulosa, yang merupakan pelindung utama terhadap perusakan oleh jamur dan bakteri, memiliki struktur yang kompleks, dan harus dipecah untuk selanjutnya dikonversi menjadi etanol. Terdapat 3 macam proses hidrolisis yang menghasilkan berbagai macam gula yang dapat diubah menjadi etanol, yaitu hidrolisis dengan asam encer, asam pekat, dan enzim6. Hidrolisis dengan asam encer adalah teknologi tertua yang pertama kali dikomersialkan di Jerman tahun 1898. Proses hidrolisis tersebut mampu memroduksi 7.6 l etanol per 100 kg limbah kayu (18 galon per ton)7. Konsentrasi asam yang digunakan sekitar 2−5%6. Hemiselulosa dapat dihidrolisis dengan katalis tersebut pada kondisi operasi yang sedang, tetapi kondisi ekstrem diperlukan untuk menghidrolisis selulosa: suhu 160 °C dan tekanan sekitar 10 atm. Hanya sedikit glukosa yang diperoleh dari proses hidrolisis ini sehingga kadar etanol yang didapatkan dari hasil fermentasi pun sedikit. Akan tetapi, metode ini juga memiliki keuntungan, yaitu tidak diperlukan pengadaan kembali asam karena proses tidak mengurangi asam dalam jumlah yang signifikan. Proses hidrolisis dengan asam pekat memiliki sejarah yang panjang. Kemampuan asam pekat untuk menghidrolisis selulosa pada katun tercatat pertama kali pada tahun 18838. Waktu yang diperlukan untuk hidrolisis lebih lama, tetapi dihasilkan glukosa dalam jumlah yang lebih banyak. Asam pekat dapat memutus ikatan hidrogen antarrantai selulosa, dan mengubahnya ke keadaan amorf. Selulosa yang telah didekristalisasi ini akan berbentuk gel yang homogen dengan asam8. Pada keadaan ini, selulosa sangat mudah mengalami hidrolisis; cukup digunakan suhu sedang, dengan sedikit degradasi dapat terjadi. Kisaran konsentrasi asam yang digunakan adalah sekitar 10−30%6 dengan suhu dan tekanan operasi yang rendah. Namun, wadah yang berbeda dan proses pengadaan kembali asam sangat diperlukan, karena asam banyak berkurang selama proses. Jamur Trichoderma harzianum juga mampu memecah struktur selulosa yang kompleks menjadi monomer glukosa yang lebih sederhana6.

Khamir (Yeast) Khamir adalah sejenis jamur uniselular yang sangat kecil. Khamir berbentuk seperti telur yang hanya dapat dilihat dengan mikroskop, berkembang biak dengan askospora, dan hidup berkoloni. Habitat hidup khamir sangat luas: khamir biasanya hidup di daun tumbuhan dan bunga, tanah, dan air asin. Khamir bereproduksi dengan membentuk aski yang terdiri atas 8 sel haploid askospora. Khamir bersifat heterotropik, kekurangan klorofil, dan dapat dikenali oleh suatu pembagian yang besar dari habitat alaminya. Dalam tanah dan air garam, khamir berperan dalam dekomposisi tanaman dan alga.

254

Gambar 1 Sel khamir (pembesaran 100×). Sel khamir membutuhkan makanan sebagai energi untuk pertumbuhannya. Makanan kesukaan khamir berupa zat gula, yaitu sukrosa, fruktosa, dan glukosa, serta maltosa. Oleh karena itu, khamir biasa disebut jamur pemakan gula. Salah satu ciri utama khamir adalah kemampuannya untuk memfermentasikan gula menjadi etanol. Khamir yang biasa digunakan dalam fermentasi minuman beralkohol dan industri roti adalah S. cerevisiae. Fungsi khamir dalam pembuatan roti adalah memfermentasikan gula dalam tepung atau sebagai aditif dalam adonan, dengan kondisi pH pertumbuhan 2.4–8.6 dan pH optimum 4−5. Selain menghasilkan alkohol, proses fermentasi juga menghasilkan karbon dioksida yang terlihat sebagai gelembung kecil pada saat pengembangan adonan. Selain khamir roti, ada pula khamir yang dipakai dalam pembuatan bir (Saccharomyces carlsbergensisi). Khamir jenis ini dipakai untuk fermentasi dasar dan juga untuk menghasilkan sejenis bir yang lebih keras7.

Fermentasi Fermentasi adalah perubahan kimia senyawa organik baik dalam keadaan aerob maupun anaerob melalui kerja enzim yang dihasilkan oleh mikrob. Proses fermentasi dapat memecah bahan organik kompleks dengan bantuan mikrob sehingga diperoleh bahan-bahan organik sederhana yang diinginkan. Oleh sebab itu, fermentasi dapat menjadi teknologi tepat guna bila mudah dilaksanakan, relatif murah, tidak menguras energi (bahan bakar dan tenaga manusia), dan berdampak positif9. Selain senyawa karbohidrat, fermentasi juga dapat memecah protein dan lemak menjadi CO2, H2O, serta energi dengan adanya mikroorganisme yang memiliki enzim tertentu. Proses ini biasanya mengubah sifat bahan awal menjadi lebih baik, karena mikroorganisme bersifat katabolik. Sifat katabolik ini akan memecah komponen yang kompleks menjadi sederhana (misalnya, protein menjadi asam amino) dan mampu mensintesis beberapa vitamin B kompleks. Akibatnya, kadar serat kasar bahan akan menurun selama proses fermentasi sebagai akibat kerja enzim selulase yang dihasilkan oleh mikrob10. Reaksi kimianya adalah sebagai berikut: C6H12O6

khamir (enzim)

2 C2H5OH + 2 CO2

(4)

Dengan adanya oksigen, alkohol yang berasal dari fermentasi khamir akan mengalami fermentasi lebih lanjut oleh bakteri, misalnya Acetobacter aceti, menjadi asam asetat seperti reaksi di bawah ini: C2H5OH + O2

bakteri

CH3COOH + H2O

(5)

Etanol Etanol merupakan suatu cairan jernih dan tidak berwarna yang mudah larut. Etanol, CH3CH2OH, tergolong alkohol, senyawa yang memiliki gugus hidroksil (-OH) terikat dengan rantai atom karbon.

255

Alkohol pada dasarnya dapat digunakan sebagai obat. Akan tetapi, berbagai macam percobaan kimia menunjukkan bahwa yang dapat dijadikan obat hanya produk hasil distilasi. Alkohol memiliki titik leleh – 114.1 οC, titik didih 78.5 οC, dan bobot jenis 0.789 g/ml pada suhu 20 οC. Karena titik lelehnya rendah, alkohol digunakan sebagai cairan termometer pada suhu di bawah –40 οC11. Etanol telah dibuat sejak zaman dahulu dengan fermentasi dari gula. Sebagian besar industri pembuatan etanol masih menggunakan teknik ini untuk membuat etanol, dengan gula sebagai bahan utamanya. Zimase, sejenis enzim dari khamir, dapat mengubah gula menjadi etanol dan CO2. Etanol dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan bermotor dan dapat dicampur dengan bensin untuk menghasilkan gasohol. Etanol dapat larut dalam air dengan berbagai komposisi dan biasa digunakan sebagai pelarut dalam pembuatan minyak wangi, cat, dan bahan peledak12.

RANCANGAN DAN PERALATAN PERCOBAAN Alat dan Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kertas koran, kertas HVS, kertas tulis printer, NaOH 2 N (Merck), H2SO4 98% (Merck), khamir roti, etanol absolut GR (Merck), dan akuades. Peralatan yang digunakan untuk penyiapan contoh kertas antara lain alat pemotong kertas, blender, corong Büchner, oven, mixer, agitator stirer, lempeng pemanas/penangas air, inkubator, alat-alat kaca, serta termometer 100 oC. Adapun untuk analisis kadar etanol digunakan kromatografi gas (GC).

Penetapan Kondisi Percobaan Pada tahap awal, kertas bekas dipotong-potong dengan ukuran 3 cm × 3 cm untuk memperluas permukaannya. Kemudian sebanyak 5 g kertas bekas tersebut ditambahkan 10 ml H2SO4 dan dipanaskan. Proses hidrolisis dilakukan dalam termostat pada suhu konstan kurang lebih 80 °C selama 60 dan 180 menit. Penetralan pH campuran dilakukan dengan menambahkan NaOH 2 N5–8. Pada tahap ini juga ditambahkan khamir roti Sacharomyces cerevisiae dan proses fermentasi dimulai. Setelah melewati proses fermentasi selama yang telah ditentukan, contoh diambil untuk dianalisis secara kuantitatif menggunakan GC dengan detektor ionisasi nyala (FID) Hp 6810 series dengan gas pembawa N2, suhu kolom 160 οC, suhu injeksi 190 οC, kecepatan 5, kemiringan 70, dan jarak 102.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Hidrolisis terhadap Konsentrasi Etanol Proses pembuatan etanol dari kertas bekas dilakukan dalam 2 tahap, yaitu hidrolisis dengan katalis H2SO4 10% dan fermentasi. Asam sulfat dipilih sebagai katalis karena ramah lingkungan dan harganya lebih murah dibandingkan dengan HCl. Proses hidrolisis disertai dengan pengadukan untuk mempercepat laju hidrolisis. Semakin cepat diaduk, tumbukan antarpartikel juga semakin banyak sehingga laju reaksi meningkat dan memperbanyak glukosa yang terbentuk. Pemanasan contoh dilakukan pada suhu 80 oC dan dijaga konstan untuk mencegah karamelisasi glukosa, yang ditunjukkan oleh perubahan warna larutan menjadi kekuningan. Sampah kertas yang digunakan dalam penelitian ini berupa kertas print out dan kertas koran, dengan kertas HVS dan koran polos sebagai pembanding. Gambar 2 menunjukkan bahwa etanol yang dihasilkan oleh kertas print out lebih besar dibandingkan dengan kertas koran. Hidrolisis 1 jam dan

256

fermentasi selama 5, 7, dan 9 hari secara berurutan menghasilkan etanol sebesar 0.39, 0.52, dan 0.46% (v/v). Hidrolisis selama 3 jam pada kertas print out dan kertas koran tidak menunjukkan kenaikan yang signifikan dibandingkan dengan hidrolisis selama 1 jam. Hal ini mungkin karena logam kromium (Cr) yang terkandung di dalam tinta mengganggu proses fermentasi. Sementara, kertas HVS dan koran polos yang tidak mengandung tinta menunjukkan kenaikan yang signifikan. Konsentrasi Etanol, %Volume 3

Konsentrasi Etanol, %Volume

Konsentrasi Etanol, %Volume

35 30 25 20 15 10 5 0

35 30 25 20 15 10 5 0

2 2 1 1 0 1

1

3 Lama Hidrolisis, Jam

Lama Hidrolisis, Jam

3

1

Lama Hidrolisis, Jam

3

(a) (b) (c) Gambar 2 Pengaruh waktu hidrolisis terhadap konsentrasi etanol dengan waktu fermentasi 5 hari (a), 7 hari (b), dan 9 hari (c): ■ = pembanding (HVS), ♦ = koran, ▲= print out, dan × = pembanding (koran polos).

Pengaruh Fermentasi terhadap Konsentrasi Etanol Fermentasi etanol terjadi secara anaerob dengan bantuan khamir yang berperan melepaskan enzim kompleks zimase untuk memecah glukosa menjadi etanol. S. cerevisiae dipilih karena sangat baik untuk proses fermentasi alkohol, biasanya digunakan dalam pembuatan minuman beralkohol dan industri roti7. Tahap fermentasi ini dilakukan pada suhu kamar selama 5, 7, dan 9 hari. Gambar 3 memperlihatkan bahwa etanol yang dihasilkan oleh kertas print out lebih besar dibandingkan dengan kertas koran. Hasil hidrolisis 3 jam dan fermentasi selama 5, 7, dan 9 hari secara berurutan menghasilkan etanol sebesar 0.36, 2.90, dan 1.31% (v/v). Kertas print out dan kertas koran tidak mengalami kenaikan yang signifikan selama 9 hari fermenasi. Setelah hari ke-7, konsentrasi etanol yang dihasilkan menurun. Penurunan ini disebabkan oleh kematian khamir se-hingga tidak berperan lagi dalam proses fermentasi. Kemungkinan lain ialah pengaruh logam kromium (Cr) dalam tinta. Hal ini terlihat pada kertas HVS dan koran polos yang menunjukkan kenaikan yang signifikan, meskipun setelah hari ke-7 mengalami penurunan. Khamir tidak mendapatkan nutrisi yang cukup berupa karbohidrat, yang biasanya diperoleh dari cuplikan contoh yang difermentasi. Konsentrasi Etanol, % Volume 35 30 25 20 15 10 5 0

5

7 Lama Fermentasi, Hari

9

Konsentrasi Etanol, %Volume 35 30 25 20 15 10 5 0 5 7 9 Lama Fermentasi, Hari

(a) (b) Gambar 3 Pengaruh waktu fermentasi terhadap konsentrasi etanol dengan waktu hidrolisis 1 jam (a) dan 3 jam (b): ■ = pembanding (HVS), ♦ = koran, ▲= print out, dan × = pembanding (koran polos).

257

SIMPULAN Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa suhu hidrolisis 80 οC menghasilkan kadar etanol optimum yang berbeda-beda untuk setiap jenis kertas dan kertas yang paling baik ialah kertas HVS. Kertas HVS dapat menghasilkan etanol sekitar 32.73% (v/v) atau 1.963 ml etanol/g kertas. Semakin lama proses fermentasi, jumlah etanol yang dihasilkan juga meningkat. Akan tetapi, setelah melewati titik optimum, fermentasi hari ke-7, etanol yang dihasilkan akan menurun. Jadi, kertas bekas merupakan salah satu bahan baku potensial sebagai penghasil etanol.

DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Fessenden RJ, Fessenden JS. Kimia Organik Jilid 2.. Ed ke-3. Jakarta: Erlangga; 1989. http://en.wikipedia.org/wiki/Psychoactive_drug http://en.wikipedia.org/wiki/Fermentation Heranata WW, Muladi S. Pemutihan kertas bekas dengan peroksida dan penambahan bahan aditif [laporan penelitian]. Dinas Kehutanan Provinsi Kaltim. http://en.wikibooks.org/wiki/Alcohols_(Organic_chemistry) Iranmahboob, Jamshid, Nadim F, Monemi S. Optimizing acid-hydrolisis: a critical step for production of ethanol from mixed wood chips. Biomass Bioenergy 2002;22:401-404. http://www.ott.doe.gov/biofuels/dilute.html http://www.ott.doe.gov/biofuels/concentrated.html http://en.wikipedia.org/wiki/Saccharomyces_cerevisiae Irawadi. Businness News. Edisi 1991. http://www.orau.org/ptp/collection/consumer%20products/magazines.htm KOMPAS,03/10/05 hlm.13 Sastrohamidjojo H. Kromatografi. Ed ke-2. Yogyakarta: Liberty; 2002. Day RA, Underwood Jr AL. Analisis Kimia Kuantitatif. Ed ke-5. Jakarta: Erlangga; 1989. Kirk Orthmer Enclyclopedia of Chemical, copy right 2004-2005. Miller, Miller. Statistika untuk Kimia Analitik. Ed ke-2. Bandung:ITB; 1991.

258

SINTESIS DAN PENCIRIAN SURFAKTAN BERBASIS-MINYAK SAWIT DAN KARBOHIDRAT UNTUK ADITIF PRODUK PANGAN DAN DETERGEN Komar Sutriah, Tun Tedja Irawadi, M Farid, M Khotib, Betty M Soebrata, Henny Purwaningsih Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar kedua di dunia, Indonesia berpotensi mengembangkan berbagai produk industri hilir berbasis-minyak sawit. Asam lemak dalam minyak sawit dapat diubah menjadi produk industri intermediet dan hilir melalui reaksi terhadap gugus karbonil. Beberapa turunan senyawa yang dapat diperoleh ialah alkohol (fatty alcohol), amina (fatty amine), dan ester asam lemak. Senyawa-senyawa tersebut memiliki berbagai fungsi, antara lain sebagai sumber energi (biodiesel atau biofuel) dan surfaktan pada berbagai proses pelumasan, serta dalam industri farmasi dan kosmetik, pangan, dan detergen. Penelitian ini melakukan sintesis surfaktan nonionik dari ester asam lemak minyak sawit dan glukosa melalui reaksi interesterifikasi antara glukosa pentaasetat dan ester metil dari asam lemak. Sintesis surfaktan ini menggunakan metode bebas-pelarut dengan katalis zeolit sintetik pada suhu 80– 100 °C selama 6 jam. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa persen hasil semakin rendah seiring dengan bertambahnya panjang rantai asam lemak (nisbah mol tetap). Produk ester asam lemak dicirikan oleh munculnya serapan vibrasi ulur C−O ester pada 1170 cm-1 dan hilangnya serapan OH asam lemak pada 3000−3400 cm-1. Surfaktan yang dihasilkan memiliki kisaran pH 6.40−6.86 sehingga sesuai untuk produk perawatan diri. Semakin panjang rantai karbon pada ester asam lemak-glukosa, semakin rendah pula konsentrasi misel kritis dan hydrophile lypophile balance-nya. Daya detergensi terbaik dimiliki oleh ester glukosa-oleat dan -miristat. Surfaktan yang dihasilkan memiliki stabilaias busa yang rendah dan semakin menurun dengan bertambahnya panjang rantai karbon asam lemak dan stabilitas busa terbaik diperlihatkan oleh ester glukosa laurat. Ester glukosa stearat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai pengemulsi minyak dalam air pada produk pangan, sedangkan ester glukosa oleat sebagai detergen pada produk kosmetik dan perawatan diri.

PENDAHULUAN Industri farmasi, kosmetik, detergen, cat, plastik, dan industri makanan berkembang cukup pesat sekarang ini. Perkembangan ini berdampak terhadap meningkatnya permintaan surfaktan yang merupakan salah satu bahan baku pada industri-industri tersebut. Tahun 2004, permintaan surfaktan di pasar internasional sebesar 11.82 juta ton per tahun, dengan pertumbuhan rerata permintaan 3% per tahun (Widodo 2005). Surfaktan umumnya disintesis dari senyawa turunan minyak bumi, misalnya alkil benzenasulfonat dan alkohol sulfat. Hal tersebut berakibat pada semakin menurunnya cadangan minyak bumi dan timbulnya pencemaran lingkungan, karena surfaktan tersebut sukar terurai secara hayati. Karena itu, para peneliti mencari dan mengembangkan bahan baku pengganti untuk

259

memroduksi surfaktan yang lebih ramah lingkungan. Minyak nabati, salah satunya adalah minyak sawit, telah diketahui berpotensi sebagai bahan baku surfaktan yang mudah terurai secara hayati. Selain itu, minyak nabati merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui sehingga kesinambungan pengadaannya tidak perlu dikhawatirkan. Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar kedua di dunia, Indonesia memiliki potensi yang sangat besar untuk mengembangkan industri surfaktan berbasis-minyak sawit. Produk turunan minyak sawit yang banyak dimanfaatkan adalah asam lemak. Asam lemak akan menghasilkan ester jika direaksikan dengan suatu karbohidrat. Ester karbohidrat-asam lemak, ini merupakan jenis surfaktan nonionik yang banyak digunakan pada industri kosmetik, farmasi, detergen, dan makanan. Ester tersebut tidak bersifat racun, tidak berbau, tidak berasa, tidak mengiritasi kulit, dan mudah terurai secara hayati (Obaje 2005). Akan tetapi, ester ini umumnya disintesis dengan pelarut beracun sehingga membatasi aplikasi produknya dalam bidang farmasi dan makanan. Untuk mengatasi hal tersebut, dapat digunakan metode sintesis bebas-pelarut (Feuge et al. 1970; Akoh & Swanson 1990; Kuang et al. 2000) sehingga surfaktan yang dihasilkan lebih aman digunakan. Penelitian ini bertujuan mensintesis dan mencirikan surfaktan-nonionik ester glukosil dari asam laurat (C12), asam miristat (C14), asam stearat (C18), dan asam oleat (C18:1). Sintesis dilakukan melalui reaksi interesterifikasi dengan metode bebas-pelarut antara glukosa pentaasetat (GPA) dan ester metilasam lemak (FAME) menggunakan katalis zeolit. Penelitian ini diharapkan menghasilkan surfaktan yang memiliki karakteristik yang cocok untuk kebutuhan industri pangan, kosmetik, detergen, dan sebagainya.

TINJAUAN PUSTAKA Glukosa adalah monosakarida yang mengandung gugus alkohol dan aldehida. Sama halnya dengan gugus hidroksil pada alkohol, gugus hidroksil glukosa juga dapat diesterifikasi oleh asam karboksilat atau asam anorganik. Salah satu contoh reaksi esterifikasi pada glukosa ialah asetilasi dengan anhidrida asetat. Reaksi ini menggunakan katalis asam (misalnya, ZnCl2) dan menghasilkan GPA. GPA merupakan padatan berwarna putih dengan kisaran titik leleh 112–113 °C, tidak larut dalam air, tetapi mudah larut dalam alkohol (Furniss et al. 1978). A cO

HO O

O

+

OH OH

OH OH g lu k o sa

5 CH3

O O

CH3

O

O

Z n C l2

+

OAc

OAc

OAc

5 CH3

OH

OAc a n h id rid a a se ta t

GPA

Gambar 1 Reaksi sintesis GPA. Asam lemak merupakan komponen unit pembangun yang khas pada kebanyakan minyak dan lemak. Asam lemak memiliki gugus karboksil tunggal dan ekor hidrokarbon nonpolar yang panjang. Melalui reaksi esterifikasi secara langsung dengan metanol dan katalis asam seperti BF3, H2SO4, atau HCl, maupun basa seperti NaOH, dapat dihasilkan FAME (Scrimgeour 2005). Ester karbohidrat-asam lemak merupakan suatu surfaktan nonionik yang dapat mengaktifkan permukaan secara baik dan mudah terurai secara hayati (Kasori & Kasiwa 1999). Reaksi esterifikasi yang digunakan sering membutuhkan suhu tinggi dan pelarut beracun (misalnya, dimetilasetamida, dimetilformamida, dan dimetil sulfoksida). Menurut Rizzi & Taylor (1987), pelarut beracun aprotik digunakan untuk membentuk larutan homogen antara glukosa dan asam lemak yang tak saling campur agar dihasilkan produk yang berjumlah banyak. Namun, penggunaannya berakibat surfaktan yang dihasilkan tidak dapat digunakan sebagai aditif pada industri makanan dan kosmetik.

260

Feuge et al. (1970) melakukan esterifikasi antara sukrosa dan asam lemak tanpa menggunakan pelarut dengan katalis litium, natrium, dan kalium pada suhu 170–187 °C. Reaksi tersebut dibatasi oleh adanya kecenderungan karamelisasi glukosa pada suhu > 185 °C. Sementara Akoh & Swanson (1990) berhasil mensintesis ester karbohidrat-asam lemak melalui metode bebaspelarut dengan mencampurkan sukrosa oktaasetat, FAME, dan 1–2% katalis logam Na pada suhu 105 °C. Dengan 2 jam reaksi pada tekanan 0–5 mmHg, persen hasil yang diperoleh ialah 99.6−99.8%. Reaksi interesterifikasi antara GPA dan FAME dari minyak inti sawit dengan katalis logam Na pada suhu 80–100 °C selama 4–6 jam juga telah dilakukan (Kuang et al. 2000). Produk utama yang dihasilkan adalah mono- dan diester glukosa asam lemak, masing-masing sebesar 60.5 dan 20.2%. A cO

n R

C

O CH 3

n CH 3

O OAc

OAc OAc

C

OAc O CH 3

OAc M onoester glukosa asam lem ak

O Na

+

R C O O

O

OAc

G PA

O C R

OAc

O

O

A cO

O

O

F AM E

O C R

OAc OAc OAc

Diester glukosa asam lem ak

Gambar 2 Reaksi interesterifikasi sintesis ester glukosa asam lemak. Obaje (2005) mensintesis ester karbohidrat-asam lemak menggunakan beberapa katalis asam seperti asam sulfat, asam tosilat, dan asam alkil sulfonat. GPA dan asam lemak dengan nisbah 1:3 dipanaskan pada suhu 80–100 °C sampai menjadi homogen. Setelah itu, 0.1% asam sulfat (atau 0.01% asam tosilat atau asam alkil sulfonat) ditambahkan dan divakum dengan tekanan 5–10 torr selama 3–6 jam. Produk reaksi tersebut dapat bercampur dengan GPA dan FAME yang tidak bereaksi sehingga diperlukan pemisahan produk dengan metode ekstraksi dan pendinginan produk. Ekstraksi akan memisahkan sisa FAME, sedangkan pendinginan akan memisahkan sisa karbohidrat. Surfaktan (senyawa aktif permukaan) merupakan molekul ampifilik yang mengandung gugus hidrofilik (polar) dan gugus lipofilik (nonpolar) dalam satu molekul yang sama. Gugus polar dapat bermuatan negatif, positif, zwiterionik, atau tidak bermuatan (nonionik), dan memiliki afinitas yang tinggi terhadap pelarut polar. Sementara gugus nonpolarnya dapat berupa rantai hidrokarbon lurus atau bercabang dengan jumlah C > 8 yang berasal dari minyak bumi atau oleokimia, dan memiliki afinitas yang rendah terhadap pelarut polar (Gervasio 1996). Surfaktan berperan menurunkan tegangan permukaan dan antarmuka sehingga mampu meningkatkan kestabilan partikel terdispersi dan mengontrol pembentukan emulsi. Selain itu, surfaktan dapat teradsorpsi ke dalam permukaan partikel minyak atau air sehingga menghalangi peng-gabungan (coalescence) antarpartikel yang terdispersi. Beberapa karakteristik yang berhubungan dengan surfaktan ialah tegangan permukaan dan antarmuka, hydrophile lypophile balance (HLB), emulsi, dan detergensi. Tegangan permukaan adalah sifat cairan yang membuatnya berperilaku seolah-olah permukaannya terkurung dalam lapisan yang elastis. Beberapa contoh metode pengukuran tegangan permukaan ialah metode kenaikan kapiler, sudut kontak, tekanan gelembung, bobot tetes, dan tensiometer du Noüy. Metode cincin du Noüy dilakukan berdasarkan gaya yang diperlukan untuk menarik cincin Pt-Ir dari permukaan cairan (Holmberg et al. 2003). Nilai HLB mewakili kecenderungan hidrofilik dan lipofilik dari suatu surfaktan. Nilai ini bergantung pada nisbah kekuatan bagian hidrofilik dan lipofilik. HLB adalah konsep untuk memilih pengemulsi, yang diperkenalkan oleh William C. Griffin (Holmberg et al. 2003). Menurutnya, nilai HLB

261

surfaktan berkisar 1−20. Surfaktan dengan nilai HLB rendah (3−6) cocok sebagai pengemulsi air dalam minyak (w/o), sedangkan surfaktan dengan HLB tinggi cocok sebagai dispersan. Emulsi adalah dispersi dari satu cairan dalam cairan lain yang tidak saling bercampur. Stabilitas emulsi terjadi ketika sistem dapat mempertahankan tetesan fase terdispersi, yaitu ketika penggabungan antartetesan dapat dicegah oleh energi penghalang yang cukup besar. Pada umumnya energi penghalang dibangun oleh lapisan pengemulsi pada permukaan tetesan (Heusch et al. 1987), yang menimbulkan tolakan listrik dan rintangan sterik. Stabilitas emulsi dapat diukur dengan beberapa metode: ultrasentrifugal, listrik, dengan mengukur pemisahan emulsi setelah dibiarkan selama waktu tertentu, atau dengan mengukur ukuran partikel. Derajat stabilitas emulsi biasanya ditunjukkan oleh perubahan nilai yang diukur dengan metode-metode tersebut pada beberapa selang (Holmberg et al. 2003). Detergen merupakan zat yang ditambahkan ke dalam air untuk meningkatkan daya pembersihnya. Detergen juga dapat diartikan sebagai senyawa yang menyebabkan zat nonpolar dapat larut dalam air. Sementara daya detergensi ialah kemampuan surfaktan untuk mengikat minyak dan mengangkat kotoran dari permukaan kain (Holmberg et al. 2003). Faktor-faktor yang memengaruhi daya detergensi adalah komposisi pengotor secara kimiawi dan fisis, suhu pada saat proses pencucian, durasi setiap tahap pencucian, jenis dan proses mekanik yang digunakan, jumlah pengotor yang terdapat dalam sistem, serta jenis dan jumlah detergen yang digunakan. Zeolit (M2/nO· Al2O3· ySiO2· wH2O), bahan dengan rongga-rongga intrakristalin yang teratur, dibentuk oleh aluminosilikat alkali dan/atau alkali tanah terhidrasi yang mempunyai struktur kerangka 3 dimensi terbuka. Struktur 3 dimensi tersebut terbentuk karena adanya struktur tetrahedral dari SiO4 dan AlO4− dengan jembatan OH sebagai penghubung antara atom Si dan Al (Ming & Mumpton 1989). Berdasarkan sumbernya, zeolit dibedakan menjadi zeolit alami dan sintetik. Zeolit alami berasal dari pelapukan abu vulkanik, perkolasi air permukaan melalui sedimentasi yang tepat, dan perkolasi air hujan melalui batuan basal, sedangkan zeolit sintetik dibuat di laboratorium. Zeolit banyak digunakan sebagai katalis karena berukuran mikrostruktur (diameter < 1.2 nm) sehingga pereaksi mudah masuk ke dalam rongga strukturnya. Kemampuan adsorpsi inilah yang memberikan aktivitas katalitik pada zeolit (Othmer 1995). Sementara jembatan gugus OH merupakan suatu asam Brönsted yang akan berinteraksi dengan ligan okso dari aluminium, suatu basa Lewis. Interaksi ini akan memperlemah ikatan hidrogen-oksigen, tetapi meningkatkan keasaman dan kebasaan ligan okso dari aluminium.

BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan adalah asam laurat teknis, asam miristat teknis, asam stearat p.a., asam oleat p.a., α-D-glukosa p.a., heksana teknis, etanol, metanol, anhidrida asetat, BF3 16% dalam metanol, NaOH, NaCl jenuh, ZnCl2 anhidrat, HCl, asam sulfat 98%, NaHCO3, Na2SO4 anhidrat, CuSO4, zeolit, Na2CO3, asam oksalat, kertas saring, indikator pH universal, fenolftalein, jingga metil, dan air suling. Alat-alat yang digunakan antara lain ialah labu bulat, pendingin, penangas, termometer, oven, lempeng pemanas, pengaduk magnetik, batu didih, pompa vakum, neraca analitik, alat-alat kaca lainnya, dan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) Bruker jenis Tentor 37.

Metode Penelitian pendahuluan dilakukan untuk memperoleh katalis terbaik. Berikutnya, dilakukan sintesis ester glukosa dari asam laurat, miristat, stearat, dan oleat dengan katalis terpilih. Tahap

262

selanjutnya ialah pemisahan setiap ester dari campuran reaksi dan penciriannya sebagai surfaktan. Sintesis ini dilakukan melalui jalur GPA dan FAME dengan ragam nisbah mol 1:1, 1:2, dan 1:3. Pemilihan katalis zeolit dilakukan terhadap zeolit alami dan sintetik melalui aktivasi asam (HClH2SO4, dan HCl-CuSO4) berdasarkan modifikasi metode Jon (2001). Esterifikasi glukosa dengan anhidrida asetat untuk memperoleh GPA mengikuti metode Furniss et al. (1978). Sintesis FAME dilakukan dengan mereaksikan asam lemak dengan metanol menurut metode AOAC (1999). Sementara sintesis ester glukosa asam lemak dilakukan melalui reaksi interesterifikasi antara GPA dan FAME dengan katalis zeolit menggunakan modifikasi metode Kuang et al. (2000). Pemisahan produk ester dari sisa GPA dan FAME dilakukan secara ekstraksi dengan pelarut etanol dan heksana berdasarkan metode Obaje (2005). Keberhasilan sintesis diamati melalui pengukuran perubahan pita serapan IR menggunakan spektrofotometer FTIR, uji titik leleh, dan perhitungan persen hasil. Pencirian sifat surfaktan produk ester meliputi pengukuran tegangan permukaan dan antarmuka dengan metode ASTM D1331 2000 menggunakan cincin du Noüy, penetapan angka HLB (Gupta et al. 1983), pengukuran stabilitas emulsi berdasarkan metode ASTM (2000) yang dimodifikasi, pengukuran daya detergensi (Lynn 1996 di dalam Martini 2003), dan pengukuran daya busanya (modifikasi Hui 1996 dalam Martini 2003).

HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis GPA

Transmitans (%)

Walaupun anhidrida asetat tidak sereaktif etanoil halida, pereaksi ini dapat digunakan untuk asetilasi asalkan tidak terdapat air yang dapat mengakibatkan reaksi berbalik arah. Asetilasi antara glukosa dan anhidrida asetat dilakukan dengan katalis ZnCl2 pada suhu 60–70 °C selama 80 menit. GPA yang diperoleh berupa padatan putih dengan kisaran titik leleh 109–112 °C, persen hasil 45.52%, dan kadar air 0.26%. Hasil percobaan pada suhu lebih tinggi (80−100 °C) menunjukkan terjadinya karamelisasi glukosa yang ditandai dengan terbentuknya warna cokelat pekat. Selain itu, GPA yang dihasilkan berwarna putih kekuningan dengan kisaran titik leleh yang lebar, yaitu 98–104 °C. Gambar 3 memperlihatkan perbandingan antara spektrum glukosa dengan GPA hasil sintesis.

ulur C–H

ulur O-H

ulur C=O

tekuk C–H ulur C–O ulur C=O ester

ulur C–O ester

Bilangan gelombang

Gambar 3 Spektrum FTIR glukosa murni (–) dan GPA hasil sintesis (– ).

263

Melemahnya serapan vibrasi ulur –OH (3200–3600 cm-1) pada produk asetilasi menunjukkan bahwa gugus hidroksil glukosa telah digantikan oleh gugus asetil dari anhidrida asetat. Hal tersebut juga didukung dengan adanya serapan yang sangat tajam dari vibrasi ulur C=O (1735–1750 cm-1) dan vibrasi ulur C−O ester (1200 cm-1) pada GPA. Serapan C=O tersebut bergeser karena substitusi gugus asetil dapat menurunkan pergeseran mesomeri yang berakibat meningkatkan orde ikatan C=O dan bilangan gelombangnya. Perbedaan lain kedua spektrum tersebut terlihat pada bilangan gelombang 2800–3000 cm-1 dan 1370–1450 cm-1 yang berturut-turut menunjukkan vibrasi ulur C–H dari –CH3 dan –CH2– rantai alkil serta vibrasi tekuk C–H dari CH3C=O (Silverstein et al. 1981).

Sintesis FAME Dari percobaan diketahui bahwa penggunaan katalis NaOH dan BF3 dalam reaksi esterifikasi menghasilkan persen hasil yang cukup tinggi (sekitar 80%). Persen hasil terbesar dicapai oleh metil oleat, yaitu 88.36%. Larutan NaCl jenuh, heksana, dan Na2SO4 dapat memisahkan FAME dari campuran reaksi secara efektif sehingga dihasilkan FAME yang cukup murni dengan kandungan asam lemak bebas (FFA) yang rendah dan densitas yang hampir sama dengan literatur. Larutan NaCl jenuh berfungsi sebagai elektrolit yang memberikan efek garam dan menarik molekul air yang merupakan hasil samping reaksi sehingga proses solvasi FAME oleh heksana berlangsung lebih baik. Tabel 1 Data hasil sintesis FAME FAME Metil laurat Metil miristat Metil stearat Metil oleat

Persen hasil (%)

Kisaran titik leleh (°C)

FFA (%)

Densitas (g ml-1)

79.98 86.62 84.60 88.36

– – 39–41 –

1.71 2.02 1.36 2.38

0.8710 0.8652 – 0.8965

Transmitans (%)

Spektrum FTIR asam stearat dan metil stearat (Gambar 4) memperlihatkan serapan vibrasi ulur dan tekuk C–H dari CH3, –CH2– rantai alkil, berturut-turut pada 2800–3000 dan 1370–1450 cm-1. Serapan pada 1745 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur C=O dan 1170 cm-1 vibrasi ulur C–O ester. Hal ini sesuai dengan Silverstein et al. (1981) yang menyatakan bahwa ester metil-asam lemak rantai panjang memiliki tiga pita serapan dengan serapan yang kuat pada bilangan gelombang sekitar 1175 cm-1. Hasil analisis FTIR juga memperlihatkan bahwa gugus −OH asam stearat telah tersubstitusi oleh gugus metil dari metanol. Hal ini didasarkan pada hilangnya pita serapan −OH (3000–3400 cm-1) pada spektrum metil stearat. Pita serapan ini lebih sempit dibandingkan dengan gugus hidroksil pada spektrum FTIR asam stearat murni.

Ulur C−H

Ulur C=O

tekuk C–H

ulur C–O

Bilangan gelombang (cm-1)

Gambar 4 Spektrum FTIR asam asetat murni (–) dan metil stearat hasil sintesis (–).

264

Sintesis Ester Glukosa Asam Lemak Ester glukosa asam lemak yang diperoleh berupa padatan putih yang menyerupai gabus. Persen hasil cenderung berbanding terbalik dengan panjang rantai alkil asam lemak. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran molekul berpengaruh terhadap efektivitas adsorpsi pada permukaan katalis selama reaksi. Tabel 2 memperlihatkan bahwa persen hasil terbesar (87.27%) dimiliki oleh ester glukosa miristat dengan nisbah mol GPA-FAME 1:1. Tabel 2 Data hasil sintesis ester glukosa asam lemak. Hasil sintesis (g=glukosa) Ester g-laurat Ester g-miristat Ester g-stearat Ester g-oleat

1:1

Persen hasil (%) 1:2

1:3

56.98 87.27 76.24 65.55

78.68 41.67 38.80 57.77

54.44 30.26 9.98 70.64

Titik leleh (°C) 100–110 115–122 96–114 84–112

Pertukaran gugus asil FAME dengan gugus asetil GPA terjadi selama reaksi interesterifikasi. Reaksi ini termasuk jenis substitusi nukleofilik (gugus asil) dengan mekanisme adisi-eliminasi. Nukleofil (atom O dari gugus −OCH3 FAME) menyerang atom C gugus karbonil GPA lalu melepas gugus pergi untuk membentuk gugus karbonil dari ester yang baru. Selain sebagai katalis, zeolit juga berperan menghomogenkan reaktan dan meratakan panas. Zeolit bertindak sebagai mediator tempat bertemunya FAME dan GPA melalui mekanisme adsorpsi. Proses katalitik terjadi di bagian antarmuka ruang kosong dalam kristal zeolit setelah molekul-molekul reaktan teradsorpsi dan berdifusi secara intrakristalin di antara celah-celah sistem saluran dalam zeolit. Setelah terjadi reaksi, produk yang dihasilkan akan terdesorpsi dan berdifusi meninggalkan permukaan zeolit. Ester glukosa stearat dihasilkan karena substitusi gugus asetil GPA oleh gugus asil metil stearat [CH3-(CH2)16C=O]. Hal tersebut menyebabkan spektrum FTIR ester glukosa stearat dan GPA hasil sintesis hanya berbeda pada serapan 2800–3000 cm-1 yang menunjukkan vibrasi ulur C–H dari gugus CH3 dan –CH2– pada rantai alifatik asam lemak (Silverstein et al. 1981). Apabila dibandingkan dengan pita spektrum GPA hasil sintesis, pita serapan ini lebih kuat karena gugus asetil GPA tergantikan oleh gugus asil FAME. Akan tetapi, serapan tersebut masih lebih lemah dibandingkan dengan serapan pada FAME karena tidak seluruh gugus asil FAME menggantikan gugus asetil GPA, akibat adanya kompetisi antargugus alkil.

Tegangan Permukaan-antarmuka dan Konsentrasi Misel Kritis (CMC) Hasil pengukuran tegangan permukaan menunjukkan bahwa semua ester hasil sintesis mampu menurunkan tegangan permukaan air secara cukup signifikan. Kemampuan tertinggi dimiliki ester glukosa laurat (20 dyne/cm). Kemampuan sebagai penurun tegangan permukaan menurun seiring dengan semakin panjangnya rantai gugus hidrofobik. Namun, kehadiran ikatan rangkap pada gugus hidrofobik dapat meningkatkan kemampuan tersebut (Gambar 5a). Nilai CMC yang diperoleh untuk ester glukosa laurat, miristat, stearat, dan oleat berturut-turut ialah 0.0027, 0.0026, 0.0024, dan 0.0013% (b/v). Berdasarkan data tersebut, panjang rantai berbanding terbalik dengan nilai CMC, karena jumlah molekul yang diperlukan untuk mencapai kejenuhan pada permukaan yang sama luasnya menjadi semakin sedikit. Sementara ikatan rangkap pada rantai hidrofobik ester glukosa oleat menyebabkan dimensi molekulnya menjadi lebih ramping dibandingkan dengan ester glukosa stearat. Karena itu, ester glukosa oleat diharapkan akan lebih banyak teradsorpsi, dan nilai CMC-nya lebih besar daripada ester glukosa stearat. Namun, hal ini tidak terbukti. Ketidaksesuaian tersebut disebabkan oleh ketidakmurnian ester glukosa yang diperoleh.

265

Tegangan Permukaan 70 (dyne/cm)

60

80

50

60

Ester Glukosa Laurat

50

Ester Glukosa Miristat Ester Glukosa Stearat

40

Tegangan Antarmuka (dyne/cm) Ester Glukosa Laurat

40

Ester Glukosa Miristat Ester Glukosa Stearat

30

Ester Glukosa Oleat

Ester Glukosa Oleat

30

20

20

10

10 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

Konsentrasi (% b/v) 0.012

0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

(a) (b) Gambar 5 Tegangan permukaan (a) dan antarmuka (b) larutan ester glukosa: ♦ glukosa laurat, ■ glukosa miristat, ▲glukosa stearat, dan × glukosa oleat. Penurunan tegangan antarmuka air-xilena oleh ester glukosa juga bergantung pada besarnya konsentrasi dan panjang rantai hidrokarbon. Berdasarkan Ferrer et al. (2002), semakin panjang rantai hidrokarbon, semakin rendah pula tegangan antarmuka ester glukosa pada CMC. Namun, penurunan tegangan antarmuka oleh ester glukosa oleat lebih besar dibandingkan dengan ester glukosa stearat (Gambar 5b). Sebagaimana dijelaskan di muka, ikatan rangkap pada ester oleat menurunkan dimensi molekul ini sehingga lebih banyak yang teradsorpsi pada antarmuka air-xilena.

Nilai HLB Nilai HLB ester glukosa laurat, miristat, stearat, dan oleat berturut-turut ialah 8.75, 8.30, 7.25, dan 3.85. Terlihat bahwa panjang rantai gugus hidrofobik juga berbanding terbalik dengan nilai HLB-nya. Dengan kekuatan gugus hidrofilik yang tetap, keberadaan ikatan rangkap dalam gugus hidrofobik seharusnya akan meningkatkan nilai HLB. Elektron π pada ikatan rangkap asam oleat mengurangi hidrofobisitas molekul ester glukosa oleat sehingga nilai HLB-nya lebih besar. Namun, pada penelitian ini diperoleh hal yang sebaliknya. Penyimpangan tersebut dapat disebabkan oleh ketidakmurnian ester glukosa hasil sintesis. Mengacu pada konsep Griffin, ester glukosa laurat dan miristat dapat diaplikasikan sebagai pengemulsi minyak dalam air (o/w), ester glukosa stearat sebagai wetting agent, sedangkan ester glukosa oleat sebagai pengemulsi w/o.

Stabilitas Emulsi Stabilitas emulsi diukur pada sistem campuran air-xilena. Digunakan 2 nisbah volume antara larutan ester glukosa dan xilena, yaitu 0.5:9.5 (ml) dan 9.5:0.5 (ml) untuk membuktikan jenis emulsi yang telah diramalkan sebelumnya melalui nilai HLB. Emulsi dibuat dengan ultrasonic homogenizer pada kecepatan sedang selama 5 menit. Gambar 6 memperlihatkan bahwa keempat surfaktan lebih mampu menstabilkan emulsi o/w daripada w/o. Emulsi o/w dapat bertahan lebih dari 24 jam, sedangkan emulsi w/o hanya bertahan selama beberapa menit saja. Hal ini membuktikan bahwa ester glukosa laurat dan miristat merupakan pengemulsi o/w, dan sesuai dengan nilai HLB kedua ester tersebut. Meskipun pada daerah sekitar CMC keempat surfaktan memiliki nilai stabilitas emulsi yang hampir sama, ester glukosa oleat memperlihatkan hasil yang tidak bersesuaian dengan konsep Griffin. Menurut Griffin, ester glukosa oleat seharusnya merupakan pengemulsi w/o. Hal ini juga dapat disebabkan ketidakmurnian ester glukosa oleat yang didukung dengan lebarnya kisaran titik leleh (98−110 °C).

266

Stabilitas Emulsi (menit)

100 90

16

Stabilitas Emulsi (% )

14

80 70

Ester Glukosa Laurat

12

Ester Glukosa Laurat

60

Ester Glukosa Miristat

10

Ester Glukosa Miristat

50

Ester Glukosa Stearat

8

40

Ester Glukosa Oleat

30

Ester Glukosa Stearat Ester Glukosa Oleat

6 4

20

2

10 0 0

0.001

0.002

0.003

Konsentrasi (% b/v) 0.005

0.004

0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

(a) (b) Gambar 6 Stabilitas emulsi w/o (a) dan o/w (b) ester glukosa: ♦ glukosa laurat, ■ glukosa miristat, ▲glukosa stearat, dan × glukosa oleat. Di bawah CMC, stabilitas emulsi sebanding dengan konsentrasi. Semakin tinggi konsentrasi, stabilitas emulsi juga semakin tinggi (Friberg 1993). Hal ini juga terjadi pada keempat surfaktan ester glukosil hasil sintesis. Stabilitas emulsi juga bergantung pada panjang rantai hidrokarbon dari asam lemak yang digunakan. Pada umumnya, stabilitas emulsi meningkat dengan bertambahnya panjang rantai hidrokarbon, dan hal tersebut terbukti dalam penelitian ini. Hal ini berkaitan dengan halangan sterik yang timbul akibat panjangnya rantai hidrokarbon (Holmberg et al. 2003). Setelah CMC, keempat surfaktan ester memiliki kemampuan yang hampir sama sebagai pengemulsi o/w yang biasanya digunakan pada industri produk-produk perawatan diri. Sementara surfaktan yang sesuai sebagai pengemulsi w/o banyak digunakan pada industri makanan.

Daya Detergensi Gambar 7a, b, dan c memperlihatkan bahwa daya detergensi ester glukosa miristat paling tinggi dibandingkan dengan 2 jenis ester glukosa lainnya. Daya detergensi terendah diperlihatkan oleh ester glukosa laurat. 8

Daya Detergensi (NTU)

Daya Detergensi (NTU)

8

7

7

6

6

5

Deterjen Komersial

5

Deterjen Komersial

4

Ester Glukosa Laurat

4

Ester Glukosa Miristat

3

3

2

2

1

1

0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

0 0

0.001

0.002

(a)

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

(b)

Daya Detergensi 8 (NTU)

8

7

7

Daya Detergensi (NTU)

6

6 5

Deterjen Komersial

5

Detergen Komersial

4

Ester Glukosa Stearat

4

Ester Glukosa Oleat

3

3

2

2 1

1 0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

Konsentrasi (% b/v) 0.005

(c) (d) Gambar 7 Daya detergensi ester glukosa laurat (a), miristat (b), stearat (c), dan oleat (d) disbandingkan dengan detergen komersial.

267

Gambar 7d memperlihatkan bahwa daya detergensi ester glukosa oleat lebih baik daripada ester glukosa stearat. Kehadiran ikatan rangkap pada rantai karbon asam oleat mampu meningkatkan daya detergensi. Fakta ini tidak sesuai dengan laporan Lynn (1993) yang menyatakan bahwa surfaktan dengan rantai hidrofobik 12–16 atom karbon memperlihatkan daya detergensi optimum, sedangkan surfaktan dengan rantai karbon lebih dari 16 akan menurun daya detergensinya. Semakin tinggi konsentrasi surfaktan, semakin tinggi pula daya detergensinya. Di atas CMC, semakin tinggi konsentrasi surfaktan, misel yang terbentuk semakin banyak sehingga kotoran yang dapat terikat oleh misel tersebut juga semakin banyak (Lynn 1993).

Stabilitas Busa Uji pembusaan dimaksudkan untuk mengetahui kemampuan surfaktan dalam menghasilkan busa. Surfaktan dengan stabilitas busa yang baik diperlukan dalam industri produk-produk perawatan diri seperti sabun dan sampo. Stabilitas busa sangat bergantung pada elastisitas lapisan tipis cairan antarbusa (lamela) yang di antaranya dapat dihasilkan dengan cara adsorpsi surfaktan pada lapisan cairan (Holmberg et al. 2003). Gambar 8 memperlihatkan bahwa keempat jenis ester glukosa hanya dapat mempertahankan busa selama beberapa jam, bahkan ester glukosa stearat hanya beberapa menit. Rendahnya stabilitas busa keempat surfaktan yang dihasilkan disebabkan oleh meruahnya gugus hidrofobik (rantai hidrokarbon) sehingga adsorpsinya di permukaan tidak tersusun dengan baik. 12

Stabilitas Busa (jam)

10 Ester Glukosa Laurat

8

Ester Glukosa Miristat Ester Glukosa Stearat

6

Ester Glukosa Oleat 4 2 Konsentrasi (% b/v)

0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Gambar 8 Stabilitas busa ester glukosa: ♦ glukosa laurat, ■ glukosa miristat, ▲glukosa stearat, dan × glukosa oleat. Ester glukosa laurat memiliki stabilitas busa terbaik karena gugus hidrofobiknya paling pendek. Semakin panjang gugus hidrofobik suatu ester asam lemak, stabilitas busanya akan semakin rendah pula karena strukturnya semakin meruah (Durian & Weitz 1993). Gambar 8 juga memperlihat-kan bahwa stabilitas pembusaan ester glukosa oleat lebih baik daripada ester glukosa stearat. Ikatan rangkap yang memperamping dimensi molekul sehingga lebih banyak molekul yang teradsorpsi pada daerah antarmuka air-gas diduga juga mendukung elastisitas lamela. Surfaktan nonionik lebih tepat jika diaplikasikan sebagai antibusa, terlebih jika merupakan pengemulsi o/w. Bahan yang mudah terdispersi dalam air akan menurunkan elastisitas lamela sehingga busa semakin cepat pecah.

Nilai pH Nilai pH keempat surfaktan hampir mendekati netral dengan kisaran 6.40−6.86. Pada umumnya, surfaktan yang digunakan dalam industri produk-produk perawatan diri bersifat netral. Dengan dukungan sifat aktif permukaannya, ester glukosil cukup baik untuk diaplikasikan dalam industri produk-produk perawatan diri, karena pH-nya mendekati netral.

268

SIMPULAN DAN SARAN Ester glukosa asam lemak dapat disintesis melalui reaksi interesterifikasi dengan metode bebas-pelarut antara GPA dan FAME dengan katalis zeolit sintetik pada suhu 80–100 °C selama 6 jam. Spektrum FTIR ester glukosa asam lemak menghasilkan ciri pita serapan pada 2800–3000 cm-1 yang menunjukkan vibrasi ulur C–H dari CH3 dan –CH2– rantai alifatik asam lemak. Terbentuknya ester asam lemak dicirikan oleh pita serapan pada 1170 cm-1 yang menunjukkan vibrasi ulur C–O ester, dan hilangnya pita serapan OH asam lemak pada 3000−3400 cm-1. Pada nisbah mol yang tetap, rantai asam lemak yang semakin panjang memberikan persen hasil sintesis yang semakin rendah. Surfaktan yang dihasilkan memiliki kisaran pH 6.40−6.86 yang sesuai untuk digunakan pada produk perawatan diri. Semakin panjang rantai karbon pada ester glukosa asam lemak, semakin rendah nilai CMC dan nilai HLB-nya. Daya detergensi terbaik diperlihatkan oleh ester glukosa oleat dan miristat. Surfaktan yang dihasilkan memiliki stabilitas busa yang rendah dan semakin menurun dengan bertambah panjangnya gugus hidrofobik. Stabilitas busa terbaik diperlihatkan oleh ester glukosa laurat. Ester glukosa stearat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai pengemulsi o/w pada produk pangan, sedangkan ester glukosa oleat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai detergen pada produk kosmetik dan produk perawatan diri. Penelitian lebih lanjut mengenai optimalisasi metode sintesis dan pemisahan ester glukosa asam lemak diperlukan untuk memperoleh persen hasil sintesis yang lebih besar dan meningkatkan kemurniannya. Selain itu, diperlukan pencirian lanjutan terhadap produk surfaktan ester glukosa asam lemak untuk mengelompokkan dan menyimpulkan kecocokan penggunaannya di bidang industri.

DAFTAR PUSTAKA [AOAC] Associations of Official Analytical Chemists. 1999. Cunnif P, editor. Official Methods of Analysis of AOAC International. Ed ke-5. Volume 2. Maryland: AOAC. [ASTM] American Society for Testing Materials. 1991. ASTM D871: Standard Test Methods of Testing Cellulose Acetate. Philadelphia: ASTM. Akoh CC, Swanson BG. 1990. Carbohydrate Fatty Acid Esters. New York: Marcell Dekker. Feuge RO, Zeringue Jr HJ, Weiss TJ, Brown M. 1970. Preparation of sucrose monolaurate. Am J Oil Chem Soc 33:424. Furniss BS, Hannaford AJ, Rogers V, Smith PWG, Tatchell AR. 1978. Vogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry. Ed ke-4. Essex: Longman. Gervasio GC. 1996. Detergency. Di dalam: Bailey’s Industrial Oil and Fat Products. New York: J Wiley. Jon H. 2001. Karakterisasi zeolit alami termodifikasi asam [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Kasori Y, Kashiwa K, penemu; Mitsubishi Chemical Coorporation. 1 Jun 1999. Method for producing a sucrose fatty acid ester. US patent 5 908 922. Kuang D, Obaje OJ, Ali AM. 2000. Synthesis and characterization of acetylated glucose fatty esters from palm and palm kernel oil fatty methyl esters. J Oil Palm Res 12:14-19. Ming W, Mumpton FA. 1989. Zeolites in soils. Di dalam: Dixon JB, Weed SB, editor. Mineral in Soil Environments. Wisconsin: Soil Science Society of America. hlm 873-911. Obaje OJ, penemu; URAH Resources Ltd. 25 Jan 2005. Trans-acidolysis process for the preparation of carbohydrate fatty-acid esters. US patent 6 846 916. Ophardt CE. 2003. Virtual chembook. [terhubung berkala]. http://www. elmhurst.edu [24 Mar 2005]. Othmer K. 1995. Encyclopedia of Chemical Technology. Ed ke-4. New York: J Wiley. Parker KJ, Khan RA, Mufti KS, penemu. 1976. Process of making sucrose esters. US patent 3 996 206. Rizzi GP, Taylor HM. 1987. A solvent-free synthesis of sucrose polyesters. Am J Oil Chem Soc 55:398.

269

Scrimgeour C. 2005. Chemistry of Fatty Acid. Dundee: Scottish Crop Research Institute. Silverstein RM, Bassler GC, Morrill TC. 1981. Spectrometric Identification of Organic Compounds. Ed ke-4. Singapura: J Wiley. Widodo HS. 7 Agu 2005. Produksi kelapa sawit Indonesia sebesar 11.08 juta ton per tahun. Media Indonesia.

270

SENYAWA DIFENIL ETER TERPOLIBROMINASI DARI SPONS Microciona SP. DI KEPULAUAN MENTAWAI, SUMATERA BARAT Irmanida Batubara, Latifah K Darusman1,2, Anggia Murni2, Ekowaty Chasanah3 1Departemen

Kimia, FMIPA, IPB, 2Pusat Studi Biofarmaka, LPPM, IPB, 3BRKP Departemen Kelautan dan Perikanan

ABSTRAK Dua senyawa difenil eter terpolibrominasi telah diisolasi dari spons Microciona sp. no. 12 dari Kepulauan Mentawai. Struktur mereka ditentukan berdasarkan spektrum resonansi magnet inti 1H dan 13C serta perbandingannya dengan senyawa standar: 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol dan 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol. Kedua senyawa tersebut, memiliki aktivitas antibakteri terhadap Bacillus substilis, tetapi tidak terhadap Escherichia coli dan Staphylococcus aureus. Mereka juga memiliki aktivitas terhadap sel lestari rat bladder cell line. Kata kunci: difenil eter terpolibrominasi, spons, Kepulauan Mentawai.

ABSTRACT Two polybrominated diphenyl ethers had been isolated from sponge Microciona sp. no. 12 from Mentawai Islands. Their structures were elucidated from the 1H and 13C nuclear magnetic resonance spectra and the comparison with standard compounds: 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromo phenoxy)phenol and 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromophenoxy)phenol. Both compounds showed anti-bacterial activity against Bacillus substilis, but has no antibacterial activity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. They were also active against rat bladder cell line. Keywords: polybrominated diphenyl ethers, sponge, Mentawai Islands.

PENDAHULUAN Selain untuk bahan pangan, biota perairan telah lama diketahui sebagai sumber bahan baku obat. Hasil-hasil penelitian telah menunjukkan bahwa senyawa aktif yang dihasilkan dari metabolisme biota perairan ini merupakan salah satu alternatif untuk mencari sumber obat baru. Hal tersebut karena berbagai aktivitas penting yang dimilikinya, antara lain antitumor, antimikrob, dan antipenuaan. Indonesia merupakan negara bahari dengan kekayaan jenis biota perairan yang sangat beragam dan melimpah. Oleh karena itu, prioritas yang tinggi diperlukan untuk mengeksplorasi senyawa bioaktif dari biota perairan yang potensial, untuk dikembangkan sebagai model struktur dalam sintesis senyawa obat maupun sebagai bahan baku obat yang menjanjikan. Salah satu biota perairan Indonesia yang potensial untuk dikembangkan sebagai bahan biofarmasi adalah soft coral dan spons. Salah satu jenis spons yang diketahui memiliki aktivitas antibakteri ialah Microciona sp. yang berasal dari daerah Pitologat Barat, Kepulauan Mentawai, Sumatera Barat. Dengan diketahuinya aktivitas ekstrak metanol spons ini, maka sangat menarik untuk mengetahui jenis atau golongan senyawa aktif yang berfungsi sebagai antibakteri. Penelitian ini bertujuan mengisolasi senyawa yang terdapat dalam ekstrak tersebut untuk kemudian diuji aktivitas antimikrob dan antikankernya.

271

METODOLOGI Ekstraksi Penelitian dimulai dengan mengekstraksi 100 mg spons Microciona sp. menggunakan metanol, lalu disaring. Ekstrak metanol yang diperoleh (51 mg) lalu dipartisi dengan etil asetat, dan dihasilkan 17.53 mg ekstrak etil asetat. Hasil partisi ini dipisahkan dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Kolom yang digunakan ialah silika gel 60 dengan eluen heksana-etil asetat (4:1) dan menghasilkan 5 fraksi, yaitu EA1, EA2, EA3, EA4, dan EA5. Kondisi HPLC yang digunakan ialah detektor ultraviolet (UV) TOSOH UV-8011, detektor indeks bias (RI) Shodex RI-101, panjang kolom 250−10 mm, panjang gelombang 254 nm, atenuator 512 µRIU/FS, dan laju alir 2 ml/menit. Gambar 1 meringkaskan prosesproses yang disebutkan di atas. TPBEM 12 (100 mg) * dilarutkan dalam MeOH * disaring AM-4 (51 mg) * dipartisi dengan EtOAc AM-4-EA (17.3 mg) pemurnian dgn HPLC* eluen terbaik = heksana-EtOAc (4:1) AM-4-EA4 (6.4 mg ) padatan putih

AM-4-EA5 ( 4.8 mg) padatan putih

* Kondisi HPLC:

Detektor UV:TOSOH UV-8011 Detektor RI: Shodex RI-101 Jenis kolom: Silika gel fase normal (250 x 10 mm, Mightysil Si-60) Panjang gelombang: 254 nm Atenuator : 512 mRIU/FS Laju alir: 2 ml/menit

Gambar 1 Fraksionasi dan pemurnian ekstrak metanol Microciona sp.

Analisis Aktivitas Antimikrob Analisis antimikrob dimulai dengan peremajaan bakteri target. Bakteri yang digunakan ialah biakan murni Escherichia coli yang merupakan bakteri Gram negatif, serta Staphylococcus aureus dan Bacillus sp. yang merupakan bakteri Gram positif. Sebanyak satu ose bakteri target diinokulasi pada 100 ml medium cair (nutrient broth, NB) dengan suhu 37 °C, selama 16 jam untuk S. aureus dan 9 jam untuk E. coli. (Hal ini dilakukan untuk mencapai konsentrasi minimum 1 juta sel/ml). Setelah itu, rapatan optis (OD) diukur pada panjang gelombang 620 nm. Sementara uji antagonis terhadap Candida sp. dilakukan dengan menggunakan medium agar dektrosa kentang (PDA).

Daya Hambat Contoh terhadap Pertumbuhan Bakteri Target Pengujian dilakukan dengan teknik agar overlay. Sebanyak 8 ml medium agar (nutrient agar, NA) 15% dituangkan ke dalam cawan dan dibiarkan memadat. Selanjutnya, 0.1 ml biakan bakteri target yang memuat 1 juta sel/ml diinokulasikan ke dalam medium NA lunak (8%) steril dan disebar merata

272

pada seluruh permukaan medium NA yang telah memadat sebelumya. Setelah dibiarkan mengering selama 5–10 menit, cakram kertas berdiameter 13 mm diletakkan dengan sedikit ditekan, dan pada masing-masing cakram ditetesi 50 µl ekstrak contoh. Pengamatan zona hambat dilakukan setelah diinkubasi selama 24 jam pada suhu 37 °C untuk E. coli dan 30 °C untuk S. aureus dengan cara mengukur diameter zona bening yang terbentuk.

HASIL DAN PEMBAHASAN EA4 dan EA5 merupakan kristal padat putih dengan bobot berturut-turut 6.4 dan 4.8 mg. Keduanya kemudian dianalisis menggunakan spektroskopi resonansi magnet inti (NMR) 1H, 13C, dan pola COSY NMR-nya. Data yang didapat lalu diinterpretasi untuk memperoleh struktur senyawa. Berdasarkan spektrum 13C-NMR EA4 (Gambar 2), diketahui bahwa senyawa tersebut mengandung 12 atom C. Lebih lanjut, spektrum 1H-NMR (Gambar 3) dan 2H-NMR menunjukkan bahwa EA4 merupakan 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol (Gambar 4).

Gambar 2 Spektrum 13C-NMR kristal EA4 dari ekstrak metanol Microciona sp.

Gambar 3 Spektrum 1H-NMR kristal EA4 dari ekstrak metanol Microciona sp.

273

Br

OH

2' 3'

1 2

6

1'

5

6'

4' Br

O

5'

Br

3

Br

4

AM-4-EA4 COSY

Gambar 4 Struktur 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol. Data hasil 1H-NMR dan 13C-NMR untuk EA4 ini diberikan pada Tabel 1 dan sesuai dengan hasil penelitian Fu dan Schmitz (1996). Keterkaitan ruang yang diperoleh dari interaksi kopling spin-spin polar dan keterkaitan proton-proton juga dilihat dengan menggunakan teknik spektroskopi korelasi (correlation spectroscopy) 1H-1H dua dimensi (COSY). Melalui teknik NMR dua dimensi ini dapat diketahui atom-atom hidrogen yang saling memengaruhi, yaitu atom H pada C 5’ dan 6’ (Gambar 5). Tabel 1 Data 1H dan 13C-NMR kristal EA4 dari ekstrak metanol Microciona sp. dan perbandingannya dengan hasil dari senyawa 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol Posisi 1 2 3 4 5 6 1' 2' 3' 4' 5' 6' OH

1H,

AM-4-EA4 mult, integ (J dalam Hz)

7.38, d, 1H, (J=2.5) 7.25, d, 1H, (J=2.0)

7.82, d, 1H, (J=2.0) 7.42, dd, 1H, (J=8.5, 2.5) 6.58, d, 1H, (J=9.0) 9.65 brs, 1H

13C

(mult) 152.90 C 139.80 C 118.80 C 127.00 CH 119.80 C 120.80 CH 153.90 C 112.90 C 136.30 CH 115.10 C 132.40 CH 116.80 CH

3,5-dibromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol* 13C (mult) mult, integ (J dalam Hz) 152.10 C 138.40 C 118.70 C 7.36, d, 1H, (J=2.0) 125.10 CH 118.00 C 7.17, d, 1H, (J=2.0) 119.60 CH 152.60 C 111.60 C 7.85, d, 1H, (J=2.5) 135.10 CH 113.90 C 7.38, dd, 1H, (J=9.0, 2.5) 131.50 CH 6.46, d, 1H, (J=9.0) 115.90 CH 10.79 brs, 1H

1H,

* Tetrahedron 1981;37:2335-2339 dan J Nat Prod 1996;59:1102-1103

Gambar 5 Analisis COSY kristal EA4 dari ekstrak metanol Microciona sp.

274

Seperti contoh EA4, senyawa EA5 juga dianalisis dengan NMR (Gambar 7) serta COSY (Gambar 8).

13C

(Gambar 6) dan 1H

Gambar 6 Spektrum 13C-NMR kristal EA5 dari ekstrak metanol Microciona sp.

Gambar 7 Spektrum 1H-NMR kristal EA5 dari ekstrak metanol Microciona sp.

Gambar 8 COSY kristal EA5 dari ekstrak metanol Microciona sp.

275

Data NMR 1H dan 13C selengkapnya disajikan pada Tabel 2. Berdasarkan hasil analisis menggunakan 1H-NMR dan 2H-NMR, dapat diketahui bahwa EA5 merupakan 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi) fenol (Gambar 9). Tabel 2 Data 1H dan 13C-NMR kristal EA5 dari ekstrak metanol Microciona sp. dan perbandingannya dengan hasil dari senyawa 3,4,5-tribromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol Posisi 1 2 3 4 5 6 1' 2' 3' 4' 5' 6' OH

1H,

AM-4EA5 mult, integ (J dalam Hz)

7.50, s, 1H

7.83, d, 1H, (J=2.0) 7.41, dd, 1H, (J=9.0, 2.0) 6.63, d, 1H, (J=8.5) 9.82 brs

3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol 13C (mult) mult, integ (J dalam Hz) 150.80 C 139.50 C 121.50 C 115.90 C 121.50 C 7.43, s, 1H 120.70 CH 152.30 C 111.70 C 7.84, d, 1H, (J=2.0) 135.10 CH 114.10 C 7.35, dd, 1H, (J=8.5, 2.0) 131.50 CH 6.51, d, 1H, (J=8.5) 115.90 CH 10.92 brs

13C

(mult) 151.60 C 140.80 C 122.40 C 117.80 C 122.60 C 121.90 CH 153.60 C 112.90 C 136.40 CH 115.30 C 132.40 CH 116.80 CH

1H,

* Tetrahedron Lett 1972;1715-1718 dan J Nat Prod 1996;59.1102-1103 Br

OH

2' 3'

Br

O 1'

5'

COSY

6

3

6'

4'

1

2

Br

AM-4-EA5

5 4

Br

Br

Gambar 9 Struktur 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol. Senyawa 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol merupakan golongan fenol yang dapat berinteraksi dengan beberapa golongan protein, maka memiliki peluang sebagai antikanker. Berdasarkan hasil penelitian Fu et al. (1995), senyawa ini memiliki aktivitas pada inosin monofosfat dehidrogenase (IMPDH) yang berperan sebagai antikanker dengan EC50 4.0 µM. Selain itu, senyawa ini juga aktif terhadap 15 lipooksigenase (15-LO) yang berperan dalam pembentukan aterosklerosis dengan konsentrasi inhibisi 50% (IC50) 7.4 µM. Senyawa murni 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi)fenol tidak aktif terhadap E. coli dan S. aureus. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian Handayani et al. (1997) yang menyatakan bahwa senyawa tersebut tidak aktif terhadap bakteri Gram negatif seperti E. coli, tetapi aktif terhadap bakteri Gram positif B. substilis dengan konsentrasi hambat minimum (MIC) 25 µg/ml. Senyawa ini juga aktif terhadap jamur C. cucumerinum dengan diameter zona hambat pada dosis 25 nmol sebesar 1.5 mm. Oleh karena itu, dilakukan analisis aktivitas antibakteri terhadap bakteri Bacillus sp. pada senyawa 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol (AM4-EA5) maupun 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi) fenol (AM4-EA4), dan keduanya didapati mampu menghambat pertumbuhan B. substilis (Tabel 3).

276

Tabel 3 Hasil uji antibakteri terhadap B. substilis pada 2 senyawa murni Konsentrasi (µg/cakram) 0.1 1 5 10

Diameter zona hambat AM4-EA4 (mm) AM4-EA5 (mm) 6 7 10 13

7 7 11 13

Kedua senyawa ini juga ditemukan aktif terhadap sel NBT II walaupun baru dapat menghambat pertumbuhan sel setelah 48 jam (Tabel 4 & Gambar 10). Daya hambat kedua zat tersebut terhadap pertumbuhan sel NBT II semakin besar dengan bertambahnya konsentrasi. Tabel 4 Hasil analisis sel NBT II pada contoh murni No

Kode contoh asetona)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Blangko Blangko MeOHb) AM-1EA1 0.5 µg/ml AM-1EA1 1.0 µg/ml AM-1EA1 10 µg/ml AM-4-EA4 10 µg/ml AM-4-EA4 20 µg/ml AM-4-EA4 30 µg/ml AM-4-EA5 10 µg/ml AM-4-EA5 20 µg/ml AM-4-EA5 30 µg/ml a) untuk

Hari-1

Hari-2

Hari-3

− − + + + − − − − − −

− − + ++ +++ + ++ +++ ++ ++ ++

− − + ++ +++ + ++ +++ ++ ++ ++

AM-4-EA4 dan AM-4-EA5(larut dalam aseton) (larut dalam metanol)

b) AM-1-EA1

(a) (b) Gambar 10 Sel NBT II dengan blangko etanol (a), dengan contoh AM1-EA1 0.5 ppm (b).

SIMPULAN Senyawa 3,4,5-tribromo-2-(2',4'-dibromofenoksi)fenol dan 3,5-dibromo-2-(2’,4’-dibromofenoksi) fenol telah diisolasi dari Microciona sp. Kedua senyawa ini memiliki aktivitas antibakteri terhadap B. substilis, tetapi tidak terhadap E coli dan S aureus. Mereka juga memiliki aktivitas terhadap sel lestari NBTII.

277

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih diberikan kepada COREMAP dan PT Tulada Konsula.

DAFTAR PUSTAKA Campbell NA, Mitchell LG, Reece JB. 2000. Biology: Concepts and Connections. Ed ke-3. San Fransisco: Addison Wesley Longman. Handayani D et al. 1997. Four new bioactive polybrominated diphenyl ethers of the sponge Dysidea herbacea from West Sumatra, Indonesia. J Nat Prod 60:1313-1316. Jenie UA, Kardono LBS, Hanafi M, Rumampuk RJ, Darmawan A. 2006. Teknik Modern Spektroskopi NMR: Teori dan Aplikasi dalam Elusidasi Struktur Molekul Organik dan Biomolekul. Jakarta: Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Fu X, Francis J, Govindan M, Abbas SA. 1995. Enzyme Inhibitors: New and known polybrominated phenols and diphenyl ethers from four Indo-Pasific Dyaszdea sponges. J Nat Prod 58:13841391.

278

PERBANDINGAN SISTEM EKSTRAKSI DALAM PENENTUAN XANTORIZOL PADA TEMULAWAK Irmanida Batubara, Latifah K Darusman1,2, Sri Wahyuni Nur1 1Departemen

Kimia, FMIPA, IPB, 2Pusat Studi Biofarmaka, LPPM, IPB

ABSTRAK Xantorizol, salah satu komponen minyak atsiri temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb.), memiliki aktivitas antioksidan, antikanker, dan antibakteri. Sistem ekstraksi yang efektif dan efisien diperlukan untuk xantorizol temulawak agar dapat diterapkan dalam industri. Penelitian ini menggunakan 4 sistem ekstraksi yang berbeda dan menganalisis ekstraknya dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Beberapa parameter validasi yang meliputi limit deteksi (LOD), limit kuantifikasi (LOQ), linearitas, ketelitian, dan ketepatan, dievaluasi. Sistem ekstraksi terbaik ialah maserasi terhadap rimpang temulawak yang tidak dikupas kulitnya dalam etanol selama 24 jam, dengan kadar xantorizol 107.92 ppm atau 1.11% (b/b). Analisis standar xantorizol dengan HPLC menunjukkan puncak dengan waktu retensi (7.910 ± 0.092) menit. Nilai LOD dan LOQ metode ini berturut-turut ialah 9.83 dan 65.79 ppm. Diperoleh persamaan regresi y = 165608 + 104355x dengan nilai koefisien korelasi 0.9998 yang menunjukkan bahwa analisis memiliki linearitas yang tinggi. Metode analisis ini juga memiliki ketelitian dan ketepatan yang baik dengan nilai simpangan baku relatif 1.52% dan rerata pemulihan kembali (106.27 ± 1.79)%. Jadi, metode ini dapat digunakan untuk menentukan kadar xantorizol secara kuantitatif. Kata kunci: ekstraksi, xantorizol, HPLC, temulawak.

ABSTRACT Xanthorrhizol, one component of volatile oils in java turmeric (Curcuma xanthorrhiza Roxb.), showed antioxidant, anticancer, and antibacterial activities. An effective and efficient extraction system is needed for xanthorrhizol from java turmeric to be applied in industry. In this research, extraction was done in 4 different extraction systems and the extracts were analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). Parameters of validation consisted of limit of detection, limit of quantification, linearity, precision, and accuracy were evaluated. The best extraction system was maceration of unpeeled java turmeric’s rhizome in ethanol for 24 hours, with xanthorrhizol content of 107.92 ppm or 1.11% (w/w). HPLC identification of xanthorrhizol standard showed peak with retention time of (7.910 ± 0.092) minutes. LOD and LOQ of this method were 9.83 and 65.79 ppm, respectively. Regression equation obtained was y = 165608 + 104355x with correlation coefficient value of 0.9998 showing high linearity of this method. This method also had good precision and accuracy with relative standard deviation of 1.52% and average recovery of (106.27 ± 1.79)%. So, this method can be used to determine xanthorrhizol content quantitatively. Keywords: extraction, xanthorrhizol, HPLC, java tumeric.

279

PENDAHULUAN Xantorizol merupakan senyawa khas dalam temulawak yang memiliki aktivitas antibakteri, antiseptik, dan antibiotik (Sirait et al. 1985). Metode yang lazim digunakan di industri untuk memperoleh campuran yang berkhasiat dari temulawak ialah penggodokan dengan air. Hal ini kurang efektif karena banyak senyawa aktif, termasuk xantorizol, yang tidak larut dengan baik dalam air. Oleh karena itu, perlu dicari metode ekstraksi yang lebih baik dalam mengambil xantorizol dari temulawak yang dapat diterapkan dalam industri. Xantorizol dapat dianalisis dengan berbagai macam cara, antara lain dengan kromatografi gas (GC), GC-spektrometri massa (GC-MS), kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC), spektrofotometri ultraviolet (UV), dan kromatografi lapis tipis (TLC). Pada penelitian ini digunakan HPLC karena memiliki kepekaan yang paling tinggi. Selain itu, HPLC hanya memerlukan jumlah contoh yang sedikit (beberapa mikroliter), dapat digunakan untuk contoh yang atsiri maupun nonatsiri, dan waktu analisisnya lebih cepat (Hendayana et al. 1994). Hasil analisis yang akurat dan sahih diperoleh jika metode yang digunakan telah tervalidasi. Tujuan penelitian ini ialah membandingkan 4 sistem ekstraksi yang berbeda terhadap kadar xantorizol yang diperoleh dan memvalidasi metode analisis xantorizol dengan HPLC.

METODE PENELITIAN Penelitian ini terdiri atas penyiapan bahan baku, penentuan kadar air dan kadar abu, uji fitokimia, ekstraksi, analisis TLC, penyiapan injeksi HPLC, validasi metode penentuan xantorizol dengan HPLC, dan pengukuran kadar xantorizol dengan HPLC. Ringkasnya tahapan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.

Ekstraksi Ada 4 sistem ekstraksi xantorizol yang dilakukan. Sistem ekstraksi ke-1 menggunakan rimpang kering yang tidak dikupas kulitnya dan direndam dalam NaOH untuk menghilangkan pengotor atau senyawa yang berbobot molekul besar seperti lemak (Robinson 1995). Setelah dikeringkan, residu dimaserasi dalam etanol, dipanaskan, dan ditambahkan karbon aktif untuk menghilangkan pengotor yang ikut terekstraksi. Sistem ekstraksi ke-2 hampir sama dengan sistem ke-1, tetapi rimpangnya tidak direndam dahulu dalam NaOH. Kedua sistem tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh perendaman dalam NaOH terhadap rendemen dan kadar xantorizol. Contoh pada sistem ekstraksi ke-3 ialah rimpang temulawak kering yang sudah dikupas kulitnya dan langsung dimaserasi dalam etanol tanpa perendaman dalam NaOH, pemanasan, dan penambahan karbon aktif. Sistem ekstraksi ke-4 sama dengan yang ke-3, tetapi tidak dikupas terlebih dahulu. Hal yang ingin dilihat pada sistem ke-3 dan ke-4 ialah pengaruh pengupasan kulit terhadap rendemen dan kadar xantorizol.

280

Rimpang temulawak segar

dikupas kulitnya dicuci, diiris, dikeringkan, dan dihaluskan

tidak dikupas kulitnya

Uji fitokimia, kadar air, dan kadar abu

Rimpang temulawak kering yang dikupas kulitnya

dicuci, diiris, dikeringkan, dan dihaluskan

Rimpang temulawak kering yang tidak dikupas kulitnya

Ekstraksi

TLC

Filtrat

Uji fitokimia

Pengenceran 10x

Larutan ekstrak temulawak Pengukuran kadar xantorizol dengan HPLC Uji kesesuaian sistem metode analisis HPLC

Validasi metode penentuan kadar xantorizol dengan HPLC (limit deteksi, limit kuantifikasi, linearitas, ketelitian, dan ketepatan)

Gambar 1 Diagram alir penelitian.

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis kadar air dan abu serta uji fitokimia terhadap bahan baku dilakukan sebagai uji pendahuluan. Kadar air rimpang temulawak segar cukup besar, yaitu 64.66%, sehingga tidak dapat disimpan dalam waktu yang lama. Sementara itu, rimpang temulawak kering kadar airnya 3.69% sehingga lebih tahan lama untuk disimpan. Hal tersebut dikarenakan kestabilan optimum bahan akan tercapai dan pertumbuhan mikrob dapat dikurangi jika kadar airnya 3−7% (Winarno 1997). Kadar abu contoh segar (6.20%) lebih besar daripada yang kering (5.30%), berarti bahwa kandungan bahan anorganik dalam contoh segar lebih besar. Uji fitokimia merupakan uji awal untuk mengetahui kandungan senyawa metabolit sekunder dan pengaruh proses pengeringan. Berdasarkan Tabel 1 dapat diketahui bahwa proses pengeringan pada suhu 40 oC tidak merusak kandungan senyawa terpenoid dalam rimpang temulawak. Selain terpenoid, rimpang temulawak juga mengandung flavonoid, alkaloid, dan steroid. Senyawa inilah yang diduga akan mengganggu analisis selanjutnya dengan HPLC.

281

Tabel 1 Uji fitokimia pendahuluan rimpang temulawak* Uji Flavonoid Alkaloid: Dragendorf Mayer Wagner Steroid Terpenoid Tanin Saponin

Tanpa kupas segar ++

Kupas segar ++

Tanpa kupas kering ++

Kupas kering ++

+ − + +++ +++ − −

+ − + +++ +++ − −

+ − + +++ +++ − −

+ − + +++ +++ − −

*(−) = hasil uji negatif; (+) = hasil uji positif dan jumlahnya menunjukkan intensitas warna

Sistem ekstraksi ke-4 menghasilkan rendemen terbesar, yaitu 4.40%, karena waktu maserasinya lebih lama (24 jam), yang berarti kontak antara serbuk contoh dan etanol lebih lama, sehingga lebih banyak komponen yang terekstraksi. Waktu maserasi pada sistem ekstraksi ke-3 juga 24 jam, tetapi rendemennya lebih rendah karena menggunakan rimpang temulawak yang dikupas. Beberapa senyawa aktif temulawak, seperti xantorizol, berada di bagian kulit ataupun di antara kulit dan daging rimpang temulawak sehingga pengupasan berakibat pada hilangnya senyawa-senyawa tersebut dan menurunkan rendemen. Rendemen terkecil dimiliki oleh sistem ekstraksi ke-1 (0.55%) sedangkan rendemen sistem ekstraksi ke-2 sebesar 4.10%. Hal tersebut menunjukkan bahwa perendaman dalam NaOH sebelum ekstraksi dapat menghilangkan pengotor sehingga menurunkan rendemen, namun ekstraknya diperkirakan menjadi lebih murni. Rendemen kedua sistem ini lebih kecil dibandingkan dengan sistem ekstraksi ke-4 karena waktu ekstraksinya lebih singkat, yaitu 5 jam. Uji fitokimia juga dilakukan terhadap ekstrak untuk mengetahui senyawa lain yang ikut terekstraksi dan dapat memengaruhi analisis dengan HPLC. Tabel 2 memperlihatkan bahwa ekstraksi tidak berpengaruh terhadap kandungan senyawanya: flavonoid, alkaloid, steroid, dan terpenoid memiliki intensitas warna yang sama, kecuali pada sistem ekstraksi ke-1. Ekstrak dari sistem ke-1 mengalami penurunan kandungan flavonoid, steroid, dan terpenoid, yang ditunjukkan dengan berkurangnya intensitas warna yang terbentuk. Tabel 2 Uji fitokimia ekstrak temulawak* Uji Flavonoid Alkaloid: Dragendorf Mayer Wagner Steroid Terpenoid Tanin Saponin

1 + + − + + ++ − −

Sistem ekstraksi ke2 3 ++ ++ + − + +++ +++ − −

+ − + +++ +++ − −

4 ++ + − + +++ +++ − −

*(−) = hasil uji negatif; (+) = hasil uji positif dan jumlahnya menunjukkan intensitas warna

Gambar 2 merupakan kromatogram lapis-tipis ekstrak rimpang temulawak setelah disinari dengan sinar UV pada panjang gelombang 254 nm. Lempeng TLC tampak berwarna hijau dan semua bercak muncul dengan warna kuning, kecuali bercak yang dapat diamati secara langsung berwarna jingga. Standar xantorizol muncul sebagai bercak tunggal berwarna kuning yang berekor, menunjukkan

282

adanya ketidakmurnian standar. Standar xantorizol yang digunakan memiliki kemurnian 98.259%. Nilai Rf standar xantorizol 0.5311, maka noda dengan nilai Rf di sekitar itu dengan warna yang sama diduga merupakan xantorizol. Dengan demikian, ekstrak yang mengandung xantorizol ialah yang dari sistem ekstraksi ke-1, 3, dan 4. Ekstrak sistem ekstraksi ke-2 tidak mengandung xantorizol karena waktu ekstraksinya hanya 5 jam sehingga xantorizol tidak ikut atau hanya sedikit sekali yang terekstraksi. Pemanasan dan penambahan karbon aktif diduga juga menghilangkan xantorizol.

S

1

2

3

4

Gambar 2 Kromatogram lapis-tipis standar xantorizol serta ekstrak keempat sistem ekstraksi (1−4). Berdasarkan rendemen, hasil TLC, dan uji fitokimia, ekstrak sistem ekstraksi ke-1 dan ke-4 dianalisis kadar xantorizolnya dengan HPLC. Ekstrak sistem ke-4 dipilih karena memiliki rendemen tertinggi dan hasil analisis TLC-nya menunjukkan kandungan xantorizol. Sementara itu, ekstrak ke-1 dipilih karena memiliki jumlah senyawa dan pengotor paling sedikit serta mengandung xantorizol , walaupun rendemennya paling kecil. Uji kesesuaian sistem dilakukan dengan menginjeksi larutan standar 122.82 ppm sebanyak 5 kali ulangan. Rerata faktor ikutan yang dihasilkan ialah 1.16, masuk ke dalam kriteria penerimaan 0.5 ≤ T ≤ 2.0. Hal ini berarti sistem kromatografi dan kolom yang digunakan sesuai untuk analisis xantorizol. Luas puncak xantorizol dalam standar dengan konsentrasi 9.83 ppm ialah 1378535 (Tabel 3) sedangkan derau (noise) terbesar pada pengukuran ini memiliki respons sebesar 703094. Jadi, larutan standar tersebut memiliki nisbah sinyal-derau (signal to noise ratio) sebesar 2:1 dan memenuhi syarat untuk dijadikan sebagai limit deteksi. Xantorizol dengan konsentrasi 9.83 ppm hanya dapat digunakan untuk mendeteksi adanya xantorizol, tetapi untuk menghitung kadar diperlukan sinyal analit yang lebih besar. Tabel 3 Waktu retensi dan luas puncak larutan standar xantorizol Konsentrasi standar xantorizol (ppm) 9.83 24.56 49.13 73.69 98.26 122.82 147.39

Waktu retensi (menit) 7.793 7.823 7.978 7.776 7.814 7.961 7.990

Luas puncak 1378535 2754341 5294816 7902837 10415897 12838556 15644299

Luas puncak derau terbesar 703094 482150 574754 682612 652153 698345 602386

283

Luas puncak x 10

6

Menurut Green (1996), limit kuantifikasi memiliki nisbah sinyal analit-derau sebesar 10:1, sedangkan menurut Levin (2002) 4:1. Limit kuantifikasi yang memenuhi persyaratan Green adalah 65.79 ppm, sedangkan larutan standar dengan konsentrasi 24.56 ppm memenuhi persyaratan Levin. Linearitas ditentukan dengan membuat kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi standar xantorizol dan luas puncak pada Tabel 3. Diperoleh persamaan garis y = 165608 + 104355x dengan koefisien korelasi (r) 0.9998 (Gambar 3) untuk kisaran konsentrasi standar xantorizol 49.13−147.39 ppm. Nilai r yang mendekati satu menunjukkan linearitas yang tinggi, artinya meningkatnya konsentrasi xantorizol akan memperluas puncak juga secara linear. Menurut ICH (1994), nilai r yang dihasilkan telah memenuhi persyaratan, yaitu harus lebih besar dari 0.990. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

y = 104355x + 165608 r = 0.9998

0

50

100

150

Konsentrasi standar xantorizol (ppm)

200

Gambar 3 Kurva standar xantorizol. Ketelitian dapat diketahui berdasarkan nilai simpangan baku relatif (SBR) dari enam kali pengukuran. Larutan yang digunakan pada uji ketelitian ialah ekstrak dari sistem ekstraksi ke-4 karena memiliki kadar xantorhizol terbesar, yaitu 107.29 ppm. Rerata luas puncak dan konsentrasi xantorizol yang dihasilkan sebesar 11361611.83 dan 107.29 ppm (Tabel 4). Nilai SBR hasil pengukuran adalah 1.52% dan memenuhi kriteria penerimaan parameter ketelitian menurut ICH (1994) dan ASEAN (1996), yaitu SBR harus lebih kecil atau sama dengan 2.0%. Berdasarkan nilai SBR yang diperoleh, metode ini termasuk teliti sehingga setiap hasil analisis yang dilakukan secara berulang memiliki nilai yang tidak jauh berbeda. Tabel 4 Hasil uji ketelitian Ulangan 1 2 3 4 5 6 x* SB* SBR* (%)

Luas puncak 11260976 11122944 11628502 11381955 11332791 11442503 11361611.83 170943.34 1.50

Konsentrasi xantorizol (ppm) 106.32 105.00 109.85 107.48 107.01 108.06 107.29 1.64 1.52

* x = nilai rerata, SB = simpangan baku, SBR = simpangan baku relatif

284

Ketepatan dapat dilihat berdasarkan nilai pemulihan kembali (PK) standar yang ditambahkan ke dalam contoh dengan menggunakan metode penambahan standar. Batas penerimaan ketepatan berdasarkan ICH (1994) ialah dengan PK antara 80 dan 110%. Data hasil uji ketepatan dapat dilihat pada Tabel 5. Rerata PK xantorizol yang ditambahkan untuk 3 konsentrasi berada pada kisaran tersebut, yaitu (106.27 ± 1.79)%. Jadi, metode ini tepat untuk menganalisis kadar xantorizol karena memenuhi persyaratan ICH. Tabel 5 Data pemulihan kembali Konsentrasi xantorizol (ppm)* Ekstrak 4 Ditambahkan 107.29 73.69 107.29 98.26 107.29 122.82

PK* (%) Diperoleh 78.46 102.57 132.58

106.48 104.39 107.95

* rerata dari tiga kali ulangan, PK: perolehan kembali

Berdasarkan hasil validasi, metode analisis xantorizol dengan HPLC termasuk ke dalam kelas C, yaitu dapat menentukan kadar xantorizol secara kuantitatif. Hal ini dikarenakan hasil validasi memperlihatkan ketepatan dan ketelitian yang baik dan memenuhi persyaratan ICH (1994). Ekstrak sistem ekstraksi ke-1 dan ke-4 setelah dianalisis dengan HPLC terbukti mengandung xantorizol karena memiliki puncak serapan pada kisaran waktu retensi standar xantorizol, yaitu (7.910 ± 0.092) menit (Gambar 4). Rerata kadar xantorizol berdasarkan bobot kering dalam kedua ekstrak tersebut berturut-turut ialah 0.51 dan 1.11% (b/b) (Tabel 6). Hasil ini menunjukkan bahwa sistem 4 dapat mengekstraksi lebih banyak xantorizol.

(a)

(b) Gambar 4 Kromatogram ekstrak dari sistem ekstraksi ke-1 (a) dan ke-4 (b). Tabel 6 Konsentrasi dan kadar xantorizol pada ekstrak Ekstrak ke1 4

Luas puncak 5298398 11361618.5

Konsentrasi xantorizol (ppm)* 49.01 107.29

Kadar xantorizol (% [b/b]) 0.51 1.11

*Konsentrasi xantorizol dalam ekstrak yang mengalami pengenceran 10 kali.

285

Kromatogram ekstrak sistem ke-1 dan ke-4 menunjukkan kandungan senyawa yang sama karena keduanya mempunyai puncak-puncak dengan waktu retensi yang serupa (Gambar 4). Luas dan tinggi puncak pada kromatogram ekstrak ke-1 lebih kecil daripada ekstrak ke-4, artinya konsentrasi senyawa-senyawanya lebih rendah. Tahapan perendaman dalam NaOH, pemanasan, dan penambahan karbon aktif pada sistem ke-1 diduga menghilangkan pengotor dan juga xantorizol. Sistem ekstraksi ke-4 tidak melalui tahap-tahap tersebut sehingga jauh lebih sederhana, tetapi dapat mengekstraksi xantorizol lebih banyak sehingga lebih mudah jika diterapkan di industri yang menggunakan ekstrak sebagai bahan baku. Akan tetapi, ekstrak ke-4 mengandung pengotor yang lebih banyak terlihat dengan banyaknya puncak yang muncul pada kromatogram. Senyawa selain xantorizol tersebut mengganggu analisis. Berdasarkan hasil uji fitokimia, senyawa tersebut kemungkinan termasuk ke dalam kelompok flavonoid, alkaloid, dan steroid.

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Sistem ekstraksi ke-4 dapat mengekstraksi xantorizol dari temulawak dengan kadar yang terbesar. Sistem ekstraksi ke-1 dapat menghasilkan ekstrak yang lebih murni, tetapi xantorizol yang terekstraksi lebih sedikit. Sistem ekstraksi ke-2 dan ke-3 juga memiliki rendemen yang besar, namun memiliki tahapan ekstraksi yang lebih sulit dibandingkan dengan sistem ekstraksi ke-4 sehingga kurang efisien jika digunakan dalam industri. Kadar xantorizol ekstrak sistem ekstraksi ke-4 ialah 107.92 ppm atau 1.11% (b/b). Analisis HPLC standar xantorizol menghasilkan puncak dengan waktu retensi (7.910 ± 0.092) menit. Limit deteksi dan limit kuantifikasi metode adalah 9.83 dan 65.79 ppm. Linearitas yang dihasilkan termasuk tinggi dengan persamaan garis y = 165608 + 104355x dan nilai koefisien korelasi 0.9998. Metode analisis ini memiliki ketelitian dan ketepatan yang baik dengan nilai SBR 1.52% dan rerata pemulihan kembali yang dihasilkan sebesar (106.27 ± 1.79)%. Berdasarkan hasil validasi metode tersebut, metode ini tergolong dalam kelas C, yaitu dapat digunakan untuk menentukan kadar xantorizol secara kuantitatif.

Saran Parameter validasi selektivitas dan sensitivitas dari metode analisis penentuan xantorizol dengan HPLC juga perlu diuji. Selain itu, uji ketahanan (robustness) dan ketidakrataan (ruggedness) juga diperlukan untuk mengetahui pengaruh dari analit, kondisi instrumen yang digunakan, dan waktu analisis yang berbeda, dalam laboratorium yang sama maupun berbeda, terhadap hasil akhir.

DAFTAR PUSTAKA [ASEAN] Association of South East Asian Nations. 1996. Good Manufacturing Practice Guidelines. Ed ke-3. Jakarta: ASEAN. [FDA] Food and Drug Administration. 1994. Reviewer Guidance: Validation of Chromatographic Methods. Rockville: FDA. Green JM. 1996. A practical guide to analytical methode validation. Anal Chem 68:305A-309A. Hwang JK, Pyun YR, Shim JS. 2000. Antibacterial activity of xanthorrizol from Curcuma xanthorrhiza against oral pathogens. Fitoterapia 71:321-323.

286

[ICH] International Conference on Harmonization. 1994. Validation of Analytical Procedures: Definitions and Terminology. WWW ICH. [terhubung berkala]. http://www.ich.org [9 Jan 2006]. Levin S. 2002. Quantitative Work in HPLC. WWW Forumsci [terhubung berkala]. http://www.forum sci.co.il/HPLC [2 Feb 2006]. Oei BL, Apsarton Y, Puspa S, Widjaja T. 1985. Beberapa Aspek Isolasi, Identifikasi, dan Penggunaan Komponen-komponen Curcuma xanthorrhiza Roxb. dan Curcuma domestica Vahl. Bandung: Darya Varia Laboratoria. Robinson T. 1995. Kandungan Organik Tumbuhan Tinggi. Ed ke-6. Padmawinata K, penerjemah; Bandung: Penerbit ITB. Terjemahan dari: Organic Constituent of Higher Plants. Setijadi T. 1985. The Identification of the Active Ingredients of Curcuma xanthorrhiza Roxb. and Curcuma longa Vahl. After Extraction With Supercritical Carbon Dioxide. Bogor: Darya Varia Laboratoria. Sidik, Muhtadi A, Mulyono MW. 1992. Temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb.). Bandung: Yayasan Pengembangan Obat Bahan Alam. Sirait M, Gana A, Moesdarsono, Nor KM. 1985. Pemeriksaan Kadar Xantorizol dalam Curcuma xanthorrhiza Roxb. Simposium Nasional Temulawak. Bandung. Penerbit ITB. Skoog DA, Leary JJ. 1992. Principles of Instrumental Analysis. Ed ke-4. Portland: Saunders College. Winarno FG. 1997. Kimia Pangan dan Gizi. Jakarta: PT Gramedia.

287

IDENTIFIKASI FRAKSI DAGING BUAH PICUNG (Pangium edule Reinw.) YANG AKTIF SEBAGAI INSEKTISIDA BOTANI TERHADAP ULAT GRAYAK (Spodoptera litura F. [Lepidoptera: Noctuidae]) Zulhan Arif, Elly Suradikusumah1, Irmanida Batubara1,2 1 Departemen

Kimia, FMIPA, IPB, 2 Pusat Studi Biofarmaka, LPPM, IPB

ABSTRAK Pemakaian pestisida sintetik yang meluas meningkatkan residu pestisida dan menimbulkan bahaya terhadap organisme bukan sasaran. Penelitian ini bertujuan mencari fraksi daging buah picung (Pangium edule Reinw.) yang aktif sebagai insektisida botani, dan mengidentifikasinya. Daging buah picung segar dan kering diekstraksi dengan pelarut air, metanol, kloroform, diklorometana, dan nheksana. Uji aktivitas ekstrak kasar dilakukan terhadap larva Spodoptera litura instar III dan Artemia salina, sedangkan fraksi hasil pemisahan hanya diuji pada S. litura instar III. Aktivitas penghambatan makan ekstrak kasar yang paling tinggi terdapat pada ekstrak nheksana daging buah picung kering (DBPK), yaitu sebesar 65.83% dengan mortalitas kumulatif sebesar 33.33% pada konsentrasi 50% (b/v) selama 5 hari uji. Uji larva udang A. salina menunjukkan nilai konsentrasi mematikan 50% 244.47 ppm. Fraksionasi ekstrak n-heksana DBPK menghasilkan 7 fraksi. Fraksi V merupakan fraksi teraktif terhadap S.litura instar III dengan nilai penghambatan makan sebesar 67.82% dan kematian kumulatif 46.67% pada konsentrasi 20% (b/v) selama 5 hari uji. Identifikasi fraksi secara kualitatif mengindikasikan keberadaan golongan alkaloid. Kata kunci: picung, insektisida botani, Spodoptera litura F.

PENDAHULUAN Pestisida dan pertanian merupakan 2 hal yang sulit dipisahkan karena pestisida telah lama menjadi bagian dari sistem pengendalian hama dan penyakit tumbuhan (Sudarmo 1991). Peningkatan residu pestisida menimbulkan bahaya terhadap organisme bukan sasaran, seperti manusia dan lingkungan sekitar, serta menyebabkan resistensi organisme terhadap pestisida tertentu (Kabaru & Gichia 2001). Salah satu cara mengurangi masalah residu pestisida ialah dengan memanfaatkan pestisida alami, misalnya dari ekstrak tumbuhan dan mikrob (Novizan 2002). Indonesia kaya akan keragaman hayati, termasuk tumbuhan yang mengandung senyawa aktif pestisida (Heyne 1987). Menurut Lahiya (1983) salah satu tumbuhan yang berpotensi menjadi sumber pestisida botani ialah picung (Pangium edule Reinw.). Penelitian ini bertujuan mencari fraksi aktif daging buah picung yang berpotensi sebagai insektisida botani terhadap ulat grayak (Spodoptera litura F.), dan mengidentifikasinya. Picung merupakan tanaman dengan tinggi mencapai 40 meter, tumbuh di hutan, pinggiran sungai, atau daerah bukit-bukit rendah, atau sengaja dibudidayakan di daerah dengan ketinggian kurang dari 1000 m di atas permukaan laut (Backer & Brink 1963; Heyne 1987; Keng 1969). Buah picung berbentuk bulat telur dengan kedua ujung tumpul dan tidak simetris (Gambar 1).

288

Gambar 1 Buah picung (P. edule Reinw.). Insektisida botani merupakan senyawa beracun, mengandung bahan aktif tunggal atau majemuk yang berasal dari tumbuhan dan dapat digunakan untuk mengendalikan organisme pengganggu (Sitepu et al. 1999). Penggunaan insektisida botani mempunyai beberapa keuntungan, yaitu relatif lebih aman dibandingkan dengan insektisida sintetik, hanya berefek pada hewan target dan organisme yang berhubungan dekat, efektif pada jumlah sedikit, dan cepat terurai. Jadi, insektisida botani tidak menimbulkan pencemaran dan dapat menekan penggunaan insektisida sintetik (Novizan 2003). Ulat grayak (S. litura F.) merupakan anggota ordo Lepidoptera famili Noctuidae. Ordo Lepidoptera terdiri atas 5 subordo, 25 superfamili, dan 80 famili. Famili Noctuidae merupakan salah satu famili Lepidoptera yang paling merusak tanaman pertanian (Stehr 1987). Ulat grayak (S. litura Fabricius), hama dari tanaman tembakau, kedelai, kacang tanah, kentang, cabai, bawang merah, kubis, dan berbagai macam tumbuhan lainnya, bersifat polifag dan dapat memakan berbagai macam tumbuhan (Lamb 1974).

METODE PENELITIAN Penelitian diawali dengan mengekstraksi daging buah picung (DBP) segar dan kering dengan pelarut yang berbeda-beda kepolarannya, yaitu air, metanol, kloroform, diklorometana, dan n-heksana. Ekstrak kasar dalam masing-masing pelarut selanjutnya diuji fitokimia dan aktivitasnya terhadap larva udang Artemia salina L. dan larva S. litura instar III. Ekstrak kasar teraktif dipisahkan menggunakan kromatografi lapis tipis preparatif (TLCp) dengan eluen terbaik hasil TLC analitik. Fraksi-fraksi yang diperoleh diuji kembali menggunakan larva S. litura instar III. Fraksi paling aktif kemudian diidentifikasi dengan spektrofotometer inframerah (IR), ultraviolet (UV), dan diuji fitokimia kembali. Larva S. litura didapatkan dari perkebunan talas SEAMEO Biotrop, Bogor. Larva yang diperoleh dibiakkan terlebih dahulu. Pengembangbiakan ini bertujuan mengondisikan larva dari kondisi lapangan ke kondisi uji (Boardman 1977). Larva diberi pakan daun talas sampai membentuk fase pupa. Pupa yang telah menjadi imago dipindahkan ke dalam kurungan dengan dimensi (40 × 30 × 30) cm3. Imago diberi pakan madu 10% (v/v) dengan bantuan kapas. Bagian dalam kurungan diberi daun sebagai tempat meletakkan telur dan tempat bertengger.

Uji Aktivitas Insektisida Uji mortalitas Ekstrak dilarutkan dalam air, lalu ditambahkan Tween-80 sampai konsentrasi tertentu, dan diencerkan untuk mendapatkan larutan dengan konsentrasi yang lain. Pengujian dilakukan dengan menggunakan konsentrasi 1.00, 5.00, 10.00, dan 50.00% (b/v). Daun pakan dipotong seragam, dicelupkan ke dalam larutan, ditiriskan sampai pelarut kering, ditimbang, dan dimasukkan ke dalam cawan petri yang berisi 10 ekor larva S. litura instar III yang telah dipuasakan selama 4 jam. Bobot daun diukur setelah 24 jam. Kontrol yang digunakan 2 macam, yaitu daun yang diberi pelarut dan daun tanpa penambahan pelarut dan pestisida. Kematian-terkoreksi ulat dihitung dengan rumus sebagai berikut:

289

Po − Pc × 100 % 100 − Pc dengan Po = % kematian kumulatif pada perlakuan Pc = % kematian kumulatif pada kontrol.

% Kematian =

Uji penghambatan aktivitas makan Prosedur pengujian seperti pada uji mortalitas, tetapi bobot daun diukur setelah 6 jam. Persen penghambatan aktivitas makan dihitung dengan rumus

⎛ T⎞ % Penghambatan= ⎜1 − ⎟ × 100 % ⎝ C⎠ dengan T = bobot daun yang dimakan pada perlakuan (g) C = bobot daun yang dimakan pada kontrol pelarut (g). Uji larva udang (BSLT) Ragam konsentrasi yang digunakan ialah 10, 100, 500, dan 1000 ppm. Perlakuan ini dibuat untuk setiap ekstrak, dan masing-masing konsentrasi diulang sebanyak 5 kali. Sebanyak 10 ekor larva udang (A. salina Leach.) dimasukkan ke dalam vial kemudian ditambahkan ekstrak dan air laut sampai volumenya 2 ml sesuai dengan konsentrasi yang telah ditetapkan. Setelah 24 jam, jumlah larva yang hidup dihitung dan digunakan untuk perhitungan konsentrasi mematikan 50% (LC50) dari masingmasing ekstrak. Uji ini dilakukan untuk melihat respons larva udang terhadap ekstrak DBP.

Fraksionasi dengan TLCp Ekstrak kasar yang paling aktif terhadap larva S. litura instar III difraksionasi menggunakan TLCp dengan adsorben silika gel dan eluen terbaik hasil TLC analitik. Fraksi-fraksi hasil pemisahan diuji lagi terhadap larva. Fraksi yang diketahui paling aktif kemudian dianalisis menggunakan spektrofotometri UV dan IR.

HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi DBP dilakukan dengan metode maserasi. Metode ini mempunyai kelebihan, yaitu relatif tidak berpengaruh terhadap kestabilan zat-zat yang tidak tahan panas. Akan tetapi, waktu ekstraksinya relatif lama. Yunita (2004) melaporkan bahwa ekstrak hasil maserasi DBP dalam metanol menunjukkan bioaktivitas yang tinggi terhadap A. salina. Jumlah ekstrak yang terkumpul dinyatakan dengan rendemen. Rendemen menunjukkan efektivitas pelarut tertentu terhadap bahan dalam suatu sistem ekstraksi, sedangkan nisbah jumlah pelarut yang digunakan terhadap rendemen menunjukkan efisiensi ekstraksi. Data rendemen hasil ekstraksi pada Tabel 1 menunjukkan bahwa pelarut metanol efektif untuk maserasi daging buah segar, sedangkan maserasi daging buah kering paling efektif menggunakan air. Kedua pelarut tersebut tergolong polar, maka senyawa yang dominan terekstraksi ialah senyawa polar (like dissolve like).

290

Tabel 1 Rendemen ekstraksi berdasarkan bobot kering bahan Pelarut n-Heksana Diklorometana Kloroform Metanol Air

Rendemen DBP* (% [b/b]) Segar Kering 3.43 19.20 5.01 23.10 12.46

0.96 10.00 2.92 13.06 16.46

* DBP = daging buah picung.

Pemeriksaan terhadap metabolit sekunder dilakukan untuk beberapa senyawa, antara lain glikosida sianogen, alkaloid, flavonoid, steroid, triterpenoid, saponin, tanin, dan kuinon. Hasil pemeriksaan fitokimia disajikan pada Tabel 2. Tabel 2 Pemeriksaan fitokimia daging buah picung Uji Glik. Sianogen Alkaloid Flavonoid Steroid Triterpemoid Saponin Tanin Kuinon

DBP* Segar +++ + ++ ++ − ++ + ++

DBP* Kering − + ++ ++ − +++ − −

* DBP = daging buah picung (+ ) = menunjukkan jumlah secara kualitatif

Uji glikosida sianogen dilakukan untuk mendeteksi keberadaan HCN, senyawa yang beracun terhadap makhluk hidup. Senyawaan glikosida sianogen akan menghasilkan HCN jika terhidrolisis. Senyawa HCN yang menguap akan membuat kertas pikrat berubah warna dari kuning menjadi merah kecokelatan. Daging buah picung kering terdeteksi tidak mengandung HCN. Diduga HCN yang terdapat pada daging buah telah terhidrolisis dan teruapkan ketika dikeringkan dengan cara pemanasan. HCN mempunyai titik didih 26°C (Weast 1981), sehingga pengeringan dengan oven pada suhu 40−50 °C sangat mungkin menguapkannya. Reaksi hidrolisis senyawaan glikosida sianogen ialah sebagai berikut (Robinson 1995): C13H19O9N + H2O Æ C6H8O4 + C6H12O6 + HCN ginokardin sianida Uji alkaloid dilakukan karena sebagian alkaloid merupakan racun bagi manusia dan mempunyai efek fisiologis yang menonjol (Harborne 1987). Penelitian-penelitian sebelumnya menunjukkan adanya senyawaan alkaloid pada ekstrak yang mempunyai aktivitas tertinggi. Sementara uji-uji lain dilakukan untuk melihat kandungan metabolit sekunder lainnya. Uji tersebut juga dilakukan untuk melihat kemungkinan adanya senyawaan racun lain. Pemeriksaan fitokimia juga dilakukan pada ekstrak berbagai macam pelarut untuk melihat pengaruh sistem ekstraksi terhadap keberadaan senyawa-senyawa yang ada pada bahan. Dimungkinkan, akibat sistem ekstraksi yang digunakan, ada sebagian senyawa kimia yang tidak terekstraksi. Hasil pemeriksaan fitokimia ekstrak disajikan pada Tabel 3 dan 4.

291

Tabel 3 Pemeriksaan fitokimia ekstrak berbagai pelarut daging buah picung segar Uji

H − ++ − − − − − −

Glikosida Alkaloid Flavonoid Steroid Triterpenoid Saponin Tanin Kuinon

D − ++ ++ + − − − −

Ekstrak* K + ++ + + − − − −

M

A

+ +++ + ++ − − − −

+ ++ ++ − − − − −

* H = n-heksana; D = diklorometana; K= kloroform; M = metanol; dan A = air

Tabel 4 Pemeriksaan fitokimia ekstrak berbagai pelarut daging buah picung kering Uji Glikosida Alkaloid Flavonoid Steroid Triterpenoid Saponin Tanin Kuinon

H

D

− ++ − − − − − −

− ++ + − − − − −

Ekstrak* K + ++ + + − − − −

M

A

+ ++ + + − − − −

+ ++ ++ − − − − −

* H = n-heksana; D = diklorometana; K = kloroform; M = metanol; dan A = air

Aktivitas Insektisida Sebelum pengujian, hewan uji dipuasakan terlebih dahulu selama 4 jam agar kondisi lapar larva S. litura seragam. Dengan kondisi lapar, ulat diharapkan akan mengonsumsi pakan yang telah diberi perlakuan. Ulat yang tidak memakan pakan merupakan dampak dari adanya perlakuan. Pemuasaan hanya dilakukan dalam waktu 4 jam dan tidak lebih lama, karena adanya sifat kanibal ulat terhadap sesamanya. Penghambatan makan tertinggi didapat dari perlakuan dengan ekstrak n-heksana DBP kering, yaitu sebesar 65.83% pada konsentrasi 50% (b/v) (Tabel 5). Uji mortalitas dilakukan pada konsentrasi 1, 5, 10, dan 50% (b/v) untuk melihat respons hewan uji terhadap pengaruh konsentrasi. Uji mortalitas menunjukkan bahwa ekstrak n-heksana DBP kering juga mempunyai aktivitas tertinggi, yaitu 33.33% (Tabel 5). Aktivitas ini relatif tidak terlalu tinggi jika dibandingkan dengan konsentrasi ekstrak yang digunakan, yaitu mencapai 50% (b/v) . Ekstrak n-heksana DBP kering menunjukkan aktivitas penghambatan makan dan efek mortalitas yang tidak terlalu tinggi terhadap larva S. litura instar III. Hal ini kemungkinan karena DBP merupakan bagian yang sedikit mengandung racun. Selain itu, bagian ini juga cepat membusuk dan tidak tahan lama dalam penyimpanan. Aktivitas tinggi terhadap S. litura instar III telah dilaporkan terdapat pada ekstrak n-heksana daun picung kering (Nulhakim 2005).

292

Tabel 5 Uji penghambatan makan dan uji mortalitas ekstrak DBP pada S. litura instar III Ekstrak*

Aktivitas penghambatan makan**

Kematian (%)**

AB MB KB DB HB AK MK KK DK HK

56.09 54.78 54.31 59.08 61.75 57.42 55.65 52.65 60.86 65.83

13.33 10.00 20.00 30.00 20.00 23.33 26.67 26.67 20.00 33.33

* B = segar, K= kering, A = air, M = metanol, K = kloroform, D = diklorometana, H = n-heksana ** Konsentrasi yang dipakai 50% (b/v)

Uji Larva Udang Hasil uji larva udang menunjukkan bahwa ekstrak n-heksana DBP kering mempunyai nilai LC50 terendah, yaitu 244.47 ppm (Gambar 2), diikuti oleh ekstrak n-heksana DBP segar (271.66 ppm). Ekstrak dengan aktivitas tinggi merupakan ekstrak dalam pelarut nonpolar sehingga senyawa aktifnya kemungkinan bersifat nonpolar. Uji ini bertujuan melihat respons ekstrak kasar DBP terhadap hewan uji selain S. litura dan untuk penapisan awal senyawa pestisida. Hasil uji menunjukkan bahwa ekstrak yang aktif terhadap A. salina juga aktif terhadap larva, yaitu ekstrak n-heksana DBP kering.

Lc50 (ppm)

2000.00

1659.53

1500.00 1407.59

1369.16 1148.11 922.79 680.94

1000.00 613.00

500.00

586.96 244.47

271.66

0.00 AK MK KK DK HK AB MB KB DB HB Ekstrak

Gambar 2 Nilai LC50 berbagai ekstrak DBP terhadap A. salina: B = segar, K = kering, M = metanol, K = kloroform, D = diklorometana, H = n-heksana.

Fraksionasi Fraksionasi dilakukan terhadap ekstrak dengan aktivitas tertinggi terhadap larva S. litura F. instar III, yaitu ekstrak n-heksana DBP kering. Fraksionasi didahului dengan pencarian eluen terbaik menggunakan TLC analitik, sedangkan fraksionasinya menggunakan TLCp. Eluen terbaik yang diperoleh ialah n-heksana-kloroform dengan nisbah 1:1. Hasil pemisahan menunjukkan adanya 7 fraksi (Gambar 3). Masing-masing fraksi dipisahkan dan dihitung nilai Rf-nya, kemudian ditimbang untuk dihitung rendemennya (Tabel 6). Fraksi-fraksi tersebut selanjutnya diperiksa dengan TLC analitik untuk diuji kemurniannya berdasarkan jumlah bercak yang terbentuk.

293

Gambar 3 TLCp ekstrak n-heksana DBP kering dengan eluen terbaik (kloroform-n-heksana 1:1). Tabel 6 Fraksi-fraksi hasil pemisahan Fraksi I II III IV V VI VII

Rendemen (% [b/b]) 0.59 1.01 1.34 1.35 1.68 0.68 0.28

Nilai Rf* 0.13 0.38 0.46 0.59 0.75 0.88 0.91

* Rf: nisbah jarak migrasi bercak terhadap pelarut

Fraksi-fraksi tersebut kemudian diujikan kembali terhadap larva S. litura F. instar III. Hasilnya menunjukkan bahwa fraksi V merupakan fraksi teraktif dengan nilai aktivitas penghambatan makan 67.82% dan mortalitas kumulatif 46.67%. Bila dibandingkan dengan pestisida sintetik, aktivitas ini terpaut sangat jauh, padahal konsentrasi uji yang digunakan mencapai 20% (b/v), 100 kali lebih besar daripada konsentrasi peptisida sintetik, yaitu 0.20% (Tabel 7). Tabel 7 Uji aktivitas insektisida fraksi-fraksi hasil pemisahan Fraksi

Penghambatan makan (%)*

Mortalitas (%)*

I II III IV V VI VII sintetik

42.10 43.92 45.86 47.96 67.82 46.18 51.52 89.78**

23.33 26.67 23.33 26.67 46.67 20.00 23.33 83.33**

* dilakukan pada konsentrasi 20% (b/v) ** dilakukan pada konsentrasi 0.2% (b/v)

Nilai uji fraksi V yang diperoleh tidak menunjukkan adanya sinergisme di antara senyawasenyawa penyusun pestisida. Sifat sinergis didefinisikan, salah satunya oleh Isman (1997), sebagai sifat pestisida yang menunjukkan aktivitas tinggi bila beberapa golongan senyawa berada dalam campuran dengan komposisi tertentu. Adanya sifat sinergis, terutama pada petisida botani, membuat formulasi pestisida botani terhambat. Sifat ini pula yang terkadang menyebabkan pemurnian pestisida botani cenderung menurunkan aktivitas pada fraksi hasil pemisahan. Hasil uji penghambatan makan dan mortalitas terhadap fraksi hasil pemisahan masih menunjukkan aktivitas yang lebih tinggi terhadap larva

294

S. litura instar III daripada ekstrak kasar, sehingga dapat dikatakan bahwa efek sinergis tidak terlihat pada pengujian aktivitas ekstrak. Pemisahan fraksi V dan fraksi-fraksi lain hasil pemisahan pada TLC analitik menunjukkan adanya beberapa bercak (Gambar 4). Hal tersebut berarti bahwa ekstrak kasar n-heksana DBP kering belum betul-betul murni.

Gambar 4 TLC analitik fraksi-fraksi hasil pemisahan TLCp dengan eluen kloroform-n-heksana 1:1.

Identifikasi Fraksi Aktif Fraksi teraktif (fraksi V) dari pemisahan TLCp diidentifikasi lebih lanjut yang meliputi uji fitokimia, TLC analitik, spektrofotometri UV, dan spektrofotometri IR. Dua uji pertama menunjukkan adanya kemungkinan golongan senyawa alkaloid. Analisis lanjutan dengan spektrofotometri UV (Gambar 5) memperlihatkan serapan pada panjang gelombang (λ) 218, 234, 268, dan 284 nm. Serapan pada λ 218 dan 234 nm dengan intensitas yang relatif kuat diperkirakan merupakan transisi jenis n-σ* atau π-π* aromatik. Sementara itu, serapan lemah pada λ 268 dan 284 nm mungkin diakibatkan oleh jenis transisi n-π* (Pavia et al. 1996).

Gambar 5 Spektrum serapan UV fraksi V dalam pelarut n-heksana pada konsentrasi 0.1% (b/v). Hasil analisis fraksi V dengan spektrofotometri IR transformasi Fourier (FTIR) (Gambar 6) menunjukkan serapan pada daerah pengukuran (3422, 3008, 2926, 2858, 2671, 2032, 1713, 1457, dan 1382 cm-1) maupun daerah sidik jari (1276, 1245, 1176, 1107, 1052, 955, dan 723 cm-1). Serapan lemah pada 3422 cm-1 mungkin merupakan serapan gugus amina (N-H) sedangkan serapan pada 3008 dan 2926 cm-1 menunjukkan adanya uluran C-H aromatik. Bilangan gelombang 2858 dan 2671 cm-1 merupakan serapan gugus alifatik C-H aldehida, dan serapan lemah pada 2032 cm-1 mungkin diakibatkan oleh uluran C≡C. Serapan kuat pada bilangan gelombang 1713 cm-1 menunjukkan serapan gugus karbonil (C=O) aldehida, pada 1457 dan 1382 cm-1 menunjukkan serapan -CH3 atau -CH2- tekuk, dan pada 1276−1052 cm-1 merupakan serapan uluran -C-N dari suatu amina aromatik. C-H aromatik juga ditunjukkan oleh serapan pada 955 dan 723 cm-1 (Pavia et al. 1996).

295

Gambar 6 Spektrum FTIR fraksi V dalam pelet KBr.

SIMPULAN Daging buah picung (DBP) segar mengandung 78.26% air, dengan kandungan metabolit sekunder meliputi glikosida sianogen, alkaloid, flavonoid, steroid, saponin, tanin, dan kuinon. DBP kering mempunyai kadar air 13.32% dan hanya menunjukkan senyawaan alkaloid, flavonoid, steroid, dan saponin. Jadi, uji fitokimia ekstrak DBP segar maupun kering menunjukkan adanya senyawa alkaloid, flavonoid, steroid, dan saponin. Uji aktivitas insektisida ekstrak DBP terhadap S. litura instar III memperlihatkan aktivitas tertinggi pada ekstrak n-heksana DBP kering, dengan nilai penghambatan makan 65.83% dan nilai mortalitas kumulatif 33.33% pada konsentrasi 50% (b/v). Uji larva udang terhadap ekstrak tersebut juga menunjukkan aktivitas tertinggi dengan nilai LC50 sebesar 244.47 ppm. Pemisahan ekstrak n-heksana DBP kering dengan eluen terbaik kloroform-n-heksana (1:1) menghasilkan 7 fraksi. Fraksi V merupakan fraksi teraktif terhadap S. litura instar III dengan nilai penghambatan makan 67.82% dan mortalitas kumulatif 46.67% pada konsentrasi 20% (b/v). Identifikasi fraksi V secara kualitatif menunjukkan adanya golongan alkaloid. Identifikasi dengan spektrofotometer UV menunjukkan serapan pada λ 218, 234, 268, dan 284 nm sedangkan spektrum FTIR-nya menunjukkan kemungkinan keberadaan gugus N-H, C=O aldehida, dan C-N.

DAFTAR PUSTAKA Backer CA, Brink RCB. 1963. Flora of Java (Spermatophytes Only). Groningen: NVP Noordhaaff. Boardman LA. 1977. Insectary culture of Spodoptera litura (Lepidoptera: Noctuidae). The New Zealand Entomol 6:316-318. Harborne JB. 1987. Metode Fitokimia. Kosasih P, penerjemah. Bandung: Penerbit ITB. Terjemahan dari: Phytochemical Methods. Heyne K. 1987. Tumbuhan Berguna Indonesia. Jilid III. Badan Litbang Kehutanan, penerjemah. Jakarta: Sarana Wana Jaya. Terjemahan dari: De Nuttige Planten van Indonesie. Isman MB. 1997. Neem and other botanical insecticides: barriers to commercialization. Phytoparasitica 25:339-344. Kabaru JM, Gichia L. 2001. Insecticidal activity of extracts derived from different parts of the mangrove tree Rhizophora mucronata Lam. (Rhizophoracea) againts three arthropods. Afr J Sci Technol 2:44-49

296

Keng H. 1969. Orders and Families of Malayan Seed Plants. Kuala Lumpur: Univ of Malaya Pr. Lahiya AA. 1983. Budi Daya Tanaman Holtikultura. Jenis-jenis Sayuran Daerah Tropis. Jilid III A-H. Bogor: Biotrop. Lamb KP. 1974. Economics Entomology in the Tropics. London: Academic Pr. Novizan. 2002. Membuat dan Memanfaatkan Pestisida Ramah Lingkungan. Jakarta: AgroMedia Pustaka. Nulhakim L. 2005. Karakterisasi senyawa aktif daun picung (Pangium edule Reinw.) sebagai insektisida botani terhadap ulat grayak (Spodoptera litura F.) (Lepidoptera: Noctuidae) [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Pavia DL, Lampman GL, Kriz GS. 1996. Introduction to Spectroscopy. A Guide for Students of Organic Chemistry. Ed ke-2. Orlando: Saunders. Robinson T. 1995. Kandungan Organik Tumbuhan Tinggi. Ed ke-6. Padmawinata K, penerjemah. Bandung: Penerbit ITB. Sitepu D, Kardinan A, Asnan A. 1999. Hasil penelitian dan peluang pengembangan pestisida nabati. Bul Litbang Pertanian 11:24-33. Stehr FW. 1987. Immature Insects. Iowa: Kendall/Hunt. Sudarmo S. 1991. Pestisida. Yogyakarta: Penerbit Kanisius. Weast RC. 1981. Handbook of Chemistry and Physics. Ed ke-61. 1980-1981. Boca Raton: CRC Press. Yunita FC. 2004. Ekstraksi daging biji picung (Pangium edule Reinw.) dan uji toksisitas terhadap Artemia salina Leach. [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

297

UJI AKTIVITAS ANTIDIABETES EKSTRAK AIR BIJI JENGKOL (Pithecellobium jiringa [Jack] Prain ex King [Leguminoceae]) PADA MENCIT PUTIH Irma R Kartika, Muktiningsih Nurjayadi, Fera Kurniadewi, Dwianantyo Setyadi* Jurusan Kimia, Universitas Negeri Jakarta, Jakarta Timur

ABSTRAK Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King (PJ) (Leguminoceae), biasa disebut “jengkol”, telah digunakan sebagai pengobatan alternatif diabetes. Penelitian ini bertujuan mengetahui efek antidiabetes dari ekstrak air-biji jengkol pada kadar glukosa darah mencit putih (Rattus norvegicus) galur Wistar dengan ragam dosis dan waktu pengamatan. Mencit, setelah dipuasakan selama 18 jam, diberi glukosa sebanyak 2 g/kg bobot badan (BB), kemudian ekstrak PJ diberikan secara oral dengan dosis 0.2, 0.4, dan 0.8 g/kg BB. Efek antidiabetes ekstrak dibandingkan dengan obat antidiabetes yang sering digunakan, yaitu Diabinese (0.25 g/kg). Kadar glukosa darah diukur pada menit ke-0, 30, 60, 90, dan 120 setelah pemberian ekstrak atau obat. Ekstrak air biji jengkol dengan dosis 0.8 g/kg BB mampu menurunkan kadar glukosa darah 57% dari penurunan yang dihasilkan oleh Diabinese pada menit ke30. Kata kunci: antidiabetes, Diabinese, ekstrak air, jengkol, Leguminoceae, Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King, Rattus norvegicus, mencit putih, Wistar.

ABSTRACT Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King (PJ) (Leguminoceae), locally known as “jengkol”, has been used as an alternative medication for diabetes. The objective of this study was to evaluate the antidiabetic effect of aqueous extract of PJ’s seed on blood glucose level of white mouse (Rattus norvegicus) Wistar strain with various doses and observation times. The mice, after fasted for 18 hours were given 2 g/kg of body weight (BW) of glucose and PJ’s extract with doses of 0.2, 0.4, and 0.8 g/kg of BW was administered orally to the mice. The antidiabetic effect of extracts were compared with the commonly used antidiabetic drug, namely Diabinese (0.25 g/kg). The blood glucose level were observed at 0, 30, 60, 90 and 120 minutes after the extract or drug administration. The aqueous extract of PJ’s seed at concentration of 0.8 g/kg of BW was able to decrease the blood glucose level by 57% of the decrease caused by Diabinese after 30 minutes. Keywords: antidiabetic, Diabinese, aqueous extract, jengkol, Leguminoceae, Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King, Rattus norvegicus, white mouse, Wistar.

PENDAHULUAN Jengkol [Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King] (Gambar 1) telah banyak dimanfaatkan sebagai bahan makanan di Indonesia, dan juga sebagai pengobatan alternatif tradisional diabetes yang telah terbukti manfaatnya (Newlands 2005). Kedudukan tumbuhan jengkol dalam taksonomi tumbuhan adalah sebagai berikut [http://plants.nrcs.usda.gov/]: *Alamat korespondensi: [email protected]

298

Divisi Kelas Subkelas Ordo Famili Genus Spesies Sinonim

: Magnoliophyta : Magnoliopsida : Rosidae : Fabales : Fabaceae – Pea Family – Leguminoceae : Pithecellobium : Pithecellobium jiringa (Jack) Prain ex King : Pithecellobium lobatum (Benth) L, Zygia jiringa (Jack) Kosterm., Mimosa jiringa (Jack), Albizzia jiringa (Jack) Kurz, Inga jiringa (Jack) Jack, Archidendron jiringa (Jack) I. C. Nielsen.

(a) (b) Gambar 1 Biji jengkol (a) dan pohon jengkol (b). Selain kandungan nutrisi (Tabel 1), biji jengkol juga mengandung asam jengkolat, minyak atsiri, saponin, alkaloid, terpenoid, steroid, tanin, dan glikosida. Asam jengkolat dapat menimbulkan keracunan bila dikonsumsi berlebihan, karena asam ini sangat sukar larut dalam air dan kelarutannya dalam asam dan basa sangat lama (Winarno 1992). Tabel 1 Kandungan nutrisi dalam 100 gram biji jengkol. Komponen Air Lemak Karbohidrat Serat Protein Kalsium Fosforus Besi Vitamin A Vitamin B1 Vitamin B2 Niasin Vitamin C

Jumlah 76.3 g 0.2 g 16.9 g 1.3 g 6.2 g 23 mg 38 mg 0.7 mg 658 IU 0.14 mg 0.01 mg 0.4 mg 8.0 mg

Sumber: Thai Department of Health (2006).

Penelitian mengenai isolasi senyawa bioaktif jengkol dan efek farmakologisnya sebagai antidiabetes masih sedikit dilakukan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan uji aktivitas antidiabetes ekstrak air biji jengkol pada mencit putih sebagai hewan uji. Penelitian ini juga dapat dijadikan sebagai dasar penelitian lanjutan dalam usaha menemukan dan mengembangkan obat tradisional sebagai obat antidiabetes yang relatif murah.

299

METODOLOGI PENELITIAN Pengumpulan Bahan Tumbuhan dan Determinasi Tumbuhan Biji jengkol P. jiringa (Jack) Prain ex King yang digunakan ialah yang sudah tua (matang) yang berasal dari daerah Cibubur. Sebelum diteliti lebih lanjut, spesies ini diidentifikasi di Laboratorium Herbarium Bogoriense, Bogor.

Bahan dan Alat Pelarut-pelarut organik teknis digunakan setelah terlebih dahulu didistilasi, yang meliputi air dan kloroform. Juga digunakan pelarut p.a., yaitu amonia, amil alkohol, kloroform, dan glukosa, untuk analisisnya. Bahan kimia lain yang digunakan ialah pereaksi Lieberman-Buchard, pereaksi Mayer, bubuk Mg, HCl pekat, H2SO4 pekat, FeCl3, dan Diabinese (Pfizer Indonesia). Peralatan yang digunakan antara lain berupa alat-alat kaca, radas distilasi, mantel pemanas, penguap putar (rotary evaporator), neraca analitik, sonde, dan Gluko Test Meter GlucoDr.

Hewan Percobaan Mencit putih sehat (Rattus norvegicus) galur Wistar usia 2−3 bulan dengan bobot 190−240 g dijadikan sebagai hewan uji. Mencit ini diperoleh dari Puslitbang Pemberantasan Penyakit di Badan Litbangkes Departemen Kesehatan, Jakarta. Sebelum penelitian, semua mencit dipelihara dahulu selama 1 minggu untuk penyesuaian dengan lingkungannya.

Pembuatan Ekstrak dan Uji Fitokimia Sebanyak 1400 g biji jengkol segar dibersihkan dan dipotong tipis-tipis, lalu dikeringkan. Contoh kering ini kemudian digodok dalam 1000 ml air sampai cairan yang tersisa 200 ml. Filtrat lalu diuapkan sehingga diperoleh ekstrak kental kecokelatan. Selanjutnya ekstrak ini diuji fitokimia untuk mengetahui golongan senyawa apa saja yang terdapat di dalamnya. Golongan senyawa yang diujikan meliputi alkaloid, flavonoid, fenolik, saponin, steroid, dan triterpenoid.

Rancangan Percobaan Mencit putih jantan sehat galur Wistar dibagi menjadi 5 kelompok yang masing-masing terdiri atas 3 ekor tikus. Pembagiannya adalah sebagai berikut: Kelompok I : kontrol negatif, diberi air 5 ml/kg bobot badan (BB) Kelompok II : kontrol positif, diberi obat antidiabetes Diabinese 0.25 g/kg BB Kelompok III : diberi ekstrak dengan dosis 0.8 g/kg BB Kelompok IV : diberi ekstrak dengan dosis 0.4 g/kg BB Kelompok V : diberi ekstrak dengan dosis 0.2 g/kg BB Aktivitas antidiabetes dari ekstrak biji jengkol diamati dengan metode normal, yaitu hewan uji dipuasakan dahulu selama 18 jam, lalu tiap kelompok diberi larutan glukosa 2 g/kg BB sebelum diperlakukan seperti di atas. Air, glukosa, Diabenese, dan ekstrak diberikan secara oral dengan menggunakan sonde. Pengambilan darah dilakukan dari ujung ekor pada menit ke-0, 30, 60, 90, dan 120 setelah perlakuan, dengan menggunakan Gluko Test Meter GlucoDr. Data yang diperoleh dianalisis secara statistik dengan Anova Two Way Split Plot Design untuk mengetahui pengaruh waktu pemeriksaan kadar glukosa darah hewan uji dan interaksinya terhadap dosis perlakuan.

300

HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Fitokimia Pengeringan 1400 g biji jengkol segar menghasilkan 428 g contoh kering, yang setelah digodok dalam air dan dipekatkan, menghasilkan ekstrak kental kecokelatan sebanyak 8.11 g. Hasil uji fitokimia terhadap ekstrak tersebut menunjukkan adanya senyawaan alkaloid, steroid, terpenoid, dan saponin (Tabel 2). Tabel 2 Tabel uji fitokimia ekstrak air jengkol Uji Golongan

Hasil Uji

Alkaloid Flavonoid Steroid Terpenoid Saponin Fenolik

+ − + + + −

Kadar Glukosa Darah Tabel 3 dan Gambar 2 memperlihatkan bahwa ekstrak air biji jengkol dapat menurunkan kadar glukosa darah mencit putih menuju kadar normalnya hingga waktu akhir perlakuan (menit ke-120). Akan tetapi, kemampuan menurunkan kadar glukosa darah (hipoglikemik) ini masih belum sebaik obat antidiabetes Diabinese. Ekstrak dengan dosis 0.8 mg/kg BB dapat menurunkan kadar glukosa darah lebih besar dibandingkan dengan dosis 0.4 dan 0.2 mg/kg BB. Kemampuan hipoglikemik diduga berasal dari kandungan senyawaan alkaloid, steroid, terpenoid, dan saponin di dalam ekstrak air, baik bekerja secara terpisah maupun sinergis. Selain itu, pengaruh senyawa lain yang bertindak sebagai zat bioaktif pencetus hipoglikemik juga perlu diperhitungkan. Tabel 3 Kadar glukosa darah rata-rata hewan uji dengan Gluko Test Meter Waktu Pengamatan (menit)

Kadar Glukosa Darah (mg/dl)* K II K III K IV

KI

0 30 60 90 120

87.67 127.67 110.67 109.67 106.0

86.33 129.33 61.33 62.67 65.33

90.67 127.0 88.33 96.33 100.0

86.67 126.67 95.33 100.33 101.33

KV 90.66 128.33 95.67 100.67 101.33

* K = kelompok perlakuan Kadar glukosa darah 140 120 100 80 60 40 0

30

60

90

120

Waktu pengamatan (menit)

Gambar 2 Kadar rerata glukosa darah hewan uji: K I (♦), K II (■), K III (▲), K IV (×), dan K V (ж).

301

Penurunan maksimum kadar glukosa darah terjadi setelah 30 menit pemberian ekstrak dengan dosis 0.8 g/kg BB atau obat Diabinese. Data tersebut menunjukkan bahwa efek hipoglikemik ekstrak dan Diabinese hampir sama. Hal ini berarti mekanisme kerja keduanya dalam menurunkan glukosa darah juga hampir sama. Diabinese bekerja dengan cara menstimulasi pengeluaran insulin dari sel beta pankreas sehingga obat ini sesuai untuk penderita diabetes tipe II, pasien yang umurnya di atas 40 tahun, dan pasien yang telah mengidap diabetes kurang dari 10 tahun. Pada menit ke-30, ekstrak air biji jengkol mampu menurunkan kadar glukosa 57% dari penurunan oleh obat Diabinese. Data tersebut membuktikan bahwa ekstrak bekerja lebih cepat dalam menurunkan glukosa darah dibandingkan dengan Diabinese sehingga berpotensi sebagai obat hipoglikemik yang lebih ampuh.

SIMPULAN DAN SARAN Ekstrak air biji jengkol [P. jiringa (Jack) Prain ex King] dengan dosis 0.8 g/kg BB mampu menurunkan kadar glukosa darah lebih besar daripada ekstrak 0.4 dan 0.2 g/kg BB dan menurunkan kadar glukosa darah 57% dari penurunan yang dihasilkan oleh obat Diabinese. Penurunan maksimum terjadi 30 menit setelah pemberian ekstrak atau obat. Penelitian lanjutan perlu dilakukan untuk menentukan dosis ekstrak air-biji jengkol yang paling efektif sebagai obat antihiperglikemik, mengisolasi senyawa aktif dan menentukan struktur molekulnya, serta menentukan mekanisme selular dan molekular ekstrak air-biji jengkol dalam menurunkan kadar glukosa darah. Selain itu, efektivitas ekstrak ini perlu juga dibandingkan dengan ekstrak lain yang berpotensi serupa.

DAFTAR PUSTAKA Anggoro A. 2005. Skrining fitokimia dan uji efek hipoglikemik ekstrak etanol daun tanaman sukun (Artocarpus altilis) pada tikus putih. Jakarta: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta. Lewis C. Jan-Feb 2002. Diabetes: A growing public health concern. US Food and Drug Administration, FDA Consumer Magazine. Newlands A. 2005. Isolasi dan penentuan struktur molekul senyawa turunan flavonoid dari kulit buah jengkol (Pithecellobium lobatum (Benth) L.) dan uji bioaktivitas terhadap benur udang Artemia salina. Jakarta: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta. Ngapi Nut, Pithecellobium lobatum. http://www.asiafood.org [3 Jan 2006]. Plants Profile for Pithecelobium jiringa. http://plants.nrcs.usda.gov/ [17 Mei 2006]. Ramadhani RB, Sudjarwo SA. 2001. Efek antidiabetes dari ekstrak buah mengkudu (Morinch citrifolic) pada tikus yang diinokulasi dengan alloxan. Surabaya: Universitas Airlangga. Suharmiati. 2003. Pengujian bioaktivitas anti diabetes mellitus tumbuhan obat. Cermin Dunia Kedokteran 140. Widowati L, Dzulkarnain B, Sa'roni. 1997. Tanaman obat untuk diabetes mellitus. Cermin Dunia Kedokteran 116. Winarno FG. 1992. Kimia Pangan dan Gizi. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama.

302

AKTIVITAS ANTIOKSIDAN EKSTRAK MAHKOTA DEWA, TEMU PUTIH, SAMBILOTO, DAN KELADI TIKUS SECARA IN VITRO Dyah Iswantini, Dedy Irawan, Gustini Syahbirin Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Buah mahkota dewa (Phaleria macrocarpa, Boerl), temu putih (Curcuma zedoaria), sambiloto (Andrographis paniculata, Nees), dan keladi tikus (Typhonium flagelliforme) berkhasiat sebagai tanaman obat. Tanaman tersebut berpotensi mengobati kanker, dan kandungan senyawa di dalamnya juga diduga memiliki aktivitas sebagai antioksidan. Penelitian ini bertujuan menentukan daya antioksidan keempat tanaman tersebut dengan menggunakan metode asam tiobarbiturat. Pada metode ini, asam linoleat dioksidasi oleh udara pada suhu 40 oC selama 8 hari sehingga terbentuk produk malondialdehida. Malondialdehida akan bereaksi dengan asam tiobarbiturat membentuk produk berwarna merah yang serapannya dapat diukur pada panjang gelombang 532 nm. Potensi antioksidan dari keempat ekstrak tanaman tersebut dilihat dari kemampuannya menghambat proses oksidasi. Daya hambat masing-masing tanaman pada konsentrasi 200 ppm untuk ekstrak air demineralisasi, air panas, dan etanol berturut-turut sebesar 83.44, 70.86, 81.84% (mahkota dewa); 60.21, 82.74, 69.28% (temu putih); 81.45, 81.45, 67.96% (sambiloto); dan 68.60, 63.53, 72.17% (keladi tikus); sementara untuk vitamin E (sebagai pembanding) 87.01%. Berdasarkan uji statistik Anova dan Duncan, potensi antioksidan masing-masing tanaman pada konsentrasi 200 ppm berbeda nyata jika dibandingkan dengan vitamin E pada selang kepercayaan 95%.

303

KAJIAN TEKNIK EKSTRAKSI DAN IDENTIFIKASI DHA, STEROL, DAN KUINON DALAM MINYAK SCHIZOCHYTRIUM SP. GALUR SR21 Tri Marwati Balai Besar Litbang Pascapanen Pertanian, Bogor

ABSTRAK Asam dokosaheksaenoat (22:6, ω-3) (DHA) telah lama menarik perhatian karena peranannya yang sangat penting dalam pertumbuhan sel otak dan susunan syaraf pusat serta retina mata. Sumber DHA komersial terbesar ialah dari minyak ikan. Akan tetapi, sumber tersebut memiliki keterbatasan dalam hal proses produksi dan produk yang dihasilkan sehingga perlu dicari sumber lain. Beberapa hasil penelitian menyatakan bahwa mikroorganisme air laut dapat memroduksi DHA. Untuk mengidentifikasi jenis mikroorganisme, diperlukan kemotaksonomi melalui teknik ekstraksi dan identifikasi sterol dan kuinon dari minyak yang dihasilkan. Salah satu jenis mikroorganisme yang telah teridentifikasi dan unggul dalam memroduksi DHA ialah Schyzochytrium sp. SR 21. Proses-proses yang terlibat dalam ekstraksi dan identifikasi DHA, sterol, dan kuinon meliputi sentrifugasi, pengeringan, ekstraksi dan penyaringan, fraksionasi dan esterifikasi, serta teknik kromatografi. Kata kunci: teknik ekstraksi dan identifikasi, DHA, sterol, kuinon, Schyzochytrium sp..

PENDAHULUAN Asam dokosaheksaenoat (22:6, ω-3) (DHA) telah lama menarik perhatian karena peranannya yang sangat penting dalam pertumbuhan sel otak dan susunan syaraf pusat serta retina mata. Sumber DHA komersial terbesar ialah dari minyak ikan, namun penggunaannya terbatas karena minyak ikan berbau amis yang tidak diinginkan (Yaguchi et al. 1997). Selain itu, isolasi DHA murni dari minyak ikan sangat sulit dan membutuhkan banyak proses, misalnya ekstraksi dengan urea, metode larutan garam perak, distilasi molekular, dan kromatografi cair superkritis menggunakan lempung perak (Yamamura & Shimomura 1997). Oleh karena itu, pencarian sumber DHA baru sangat potensial untuk dikembangkan. Beberapa hasil penelitian menyatakan bahwa mikroorganisme air laut dapat memroduksi DHA. Salah satunya yang telah teridentifikasi dan unggul ialah Schyzochytrium sp. SR 21 (Nakahara et al. 1997). Analisis taksonomi berdasarkan karakteristik morfologi atau secara mikroskopik terhadap suatu mikroorganisme terkadang sulit dilakukan. Untuk itu, dikembangkan cara kimia atau kemotaksonomi sebagai pelengkap analisis secara mikroskopik. Kemotaksonomi dapat dilakukan melalui identifikasi sterol dan kuinon. Berdasarkan identifikasi sterol, posisi suatu mikroorganisme dalam genus dapat diketahui (Warner et al. 1983; Schiff & Fedlanfer 1996). Sementara itu, taksonomi menggunakan profil kuinon saja memiliki hasil yang sangat dekat dengan hasil taksonomi dengan metode-metode yang lain (Vancanneyt et al. 1994). Untuk menunjang keberhasilan identifikasi sterol dan kuinon, diperlukan teknik ekstraksi yang tepat.

304

KAJIAN TEKNIK EKSTRAKSI DAN IDENTIFIKASI Diagram alir proses ekstraksi dan identifikasi DHA, sterol, dan kuinon secara garis besar dapat dilihat pada Gambar. Kaldu kultivasi * sentrifugasi * pengeringan * pemecahan sel * ekstraksi

Minyak * identifikasi awal (GC) * fraksionasi dan esterifikasi * ekstraksi (HPLC)

DHA

(a)

* identifikasi awal (TLC/HPLC) * saponifikasi * ekstraksi (TLC)

* identifikasi awal (TLC/HPLC) * ekstraksi (kolom/TLC)

Sterol

Kuinon

Identifikasi (GC-MS)

Identifikasi (HPLC-MS)

(b)

(c)

Gambar Diagram alir proses ekstraksi dan identifikasi DHA (a), sterol (b), dan kuinon (c). Keterangan: TLC = kromatografi lapis tipis, HPLC = kromatografi cair kinerja tinggi, GC = kromatografi gas, dan MS = spektroskopi massa.

Ekstraksi dan Identifikasi DHA Cairan kultivasi Schyzochytrium sp. galur SR21 memiliki beberapa kekurangan, yaitu mudah rusak oleh perlakuan mekanis, peka terhadap panas, mutunya mudah menurun, mudah hancur oleh kontaminasi mikroorganisme, dan harganya mahal (Datar & Rosen 1990). Hal tersebut menyebabkan proses ekstraksi dan identifikasi minyak yang dihasilkan oleh Schyzochytrium sp. SR21 memerlukan penanganan yang khusus. Pemilihan metode ekstraksi DHA dari kultivar Schyzochytrium sp. galur SR21 mempertimbangkan beberapa faktor: lokasi (intraselular), konsentrasi dalam cairan kultivasi, sifat fisikokimia, tujuan penggunaan, dan standar kemurnian DHA (Peppler & Perlman 1979; Stanbury & Whitaker 1984). Selain itu, kaidah ibu jari yang menjadi dasar untuk desain operasi dalam proses hilir juga diterapkan (Asenjo 1990). Kaidah yang dianut terutama kaidah pertama, pemilihan metode pemisahan berdasar sifat fisik, kimia, dan biokimia; kaidah kedua, pemisahan bahan pengotor atau pencemar yang kadarnya besar dilakukan lebih awal; dan kaidah ketiga, pemilihan metode yang dapat menyebabkan perbedaan sifat fisikokimia antara produk dan pencemar. Proses-proses yang terlibat dalam ekstraksi dan identifikasi DHA, sterol, dan kuinon serta minyak yang dihasilkan oleh Schyzochytrium sp. galur SR21 meliputi sentrifugasi, pengeringan, ekstraksi dan penyaringan, fraksionasi dan esterifikasi, serta teknik kromatografi.

305

Sentrifugasi Kaldu kultivasi dipanen pada fase pertumbuhan stasioner dan dicuci dengan air dengan menggunakan sentrifus tipe turbular. Sentrifugasi merupakan cara terbaik untuk memisahkan massa sel Schyzochytrium sp. strain SR21 dari cairan kultivasi, karena massa sel merupakan padatan dan komponen minor dari kaldu kultivasi (Coulson & Richardson 1996; Sinnott 1996). Atkinson & Mavituna (1991) juga menyatakan bahwa biomassa dapat dipisahkan dari medium cair dengan cara sentrifugasi. Prinsip kerja sentrifus tipe turbular ialah memisahkan partikel padatan dan cairan berdasarkan perbedaan densitas dan gaya sentrifugal. Jadi, padatan yang merupakan massa sel berada di bagian bawah sedangkan cairan di bagian atas tabung sentrifus. Pengeringan Sel yang telah disentrifugasi dimasukkan ke dalam labu, dikeringkan dengan pengering beku (freeze dryer) pada suhu 105 °C selama 3 jam, dan ditimbang sehingga diperoleh bobot sel kering (dry cell weight). Pengeringan bertujuan menurunkan kadar air sehingga sel mudah dipecahkan dan minyak lebih mudah terekstraksi. Selain itu, Coulson & Richadson (1996) serta Sinnott (1996) menyatakan bahwa pengeringan merupakan metode yang paling tepat untuk memisahkan komponen utama massa sel yang berupa padatan dari komponen minornya, cairan. Pengeringan massa sel dengan metode pengeringan beku terdiri atas 3 tahap, yaitu (1) tahap pembekuan, (2) tahap pengeringan utama, yang di dalamnya air dan pelarut dalam keadaan beku dikeluarkan secara sublimasi dengan tekanan ruang kurang atau mendekati tekanan uap kesetimbangan air dalam bahan beku, dan (3) tahap pengeringan sekunder, yaitu tahap pengeluaran uap air hasil sublimasi atau air terikat yang ada di lapisan kering (Earle 1969). Keunggulan pengeringan beku ialah air dalam bahan tidak berada dalam fase air sehingga mencegah perpindahan zat-zat yang dapat larut dalam air dan memperkecil terjadinya reaksi degradasi (King 1971). Keunggulan lain pengeringan beku dibandingkan dengan pengeringan konvensional dapat dilihat pada Tabel. Tabel Perbedaan mutu produk pengeringan konvensional dan pengeringan beku No.

Karakteristik

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Bentuk Bau Warna Cita rasa Rehidrasi Stabilitas penyimpanan

Pengeringan konvensional Kering, padat, dan mengerut Berubah Lebih gelap Berubah Lambat dan tidak sempurna Baik

Pengeringan beku Kering dan berongga Tetap Tetap Tetap Cepat dan lebih sempurna Sangat baik

Sumber: Tischer & Brockman dalam Desrosier (1988).

Keuntungan yang diperoleh dari pengeringan beku terhadap sel Schyzochytrium sp. galur SR21 ialah degradasi minyak diminimumkan sehingga jumlah dan mutu minyak dalam sel relatif tetap, dan DHA yang terkandung di dalamnya tidak rusak. Massa sel yang kering dan berongga juga membuat proses ekstraksi minyak menjadi lebih efektif karena proses pemecahan sel menjadi lebih mudah dan pada akhirnya kontak pelarut dengan sel pun lebih baik. Selain itu, stabilitas penyimpanan juga meningkat pada massa sel kering. Pemecahan sel dan ekstraksi minyak Pemecahan sel dilakukan bersama-sama dengan proses ekstraksi minyak untuk meminimumkan hilangnya minyak akibat menempel ke alat atau pecahan kaca (glass bead). Sel kering dimasukkan ke dalam homogenizer, dicampur dengan pecahan kaca untuk memecahkan sel, dan ditambahkan larutan kloroform-metanol 1:2 (v/v) untuk mengekstraksi minyak. Selanjutnya, homogenisasi dilakukan pada 10000 rpm selama 5 menit.

306

Pemecahan sel. DHA merupakan produk intraselular, maka diperlukan proses pemecahan sel untuk melepaskannya. Pemecahan sel dilakukan secara mekanis dengan bantuan pecahan kaca dan homogenizer. Pecahan kaca tersebut akan bergesekan dengan sel sedangkan putaran homogenizer akan mempermudah pemecahan sel. Ekstraksi. Ekstraksi merupakan suatu cara untuk mendapatkan minyak atau lemak dari suatu bahan. Ekstraksi minyak dapat dilakukan dengan 3 cara, yaitu dengan pelarut, rendering, dan pengepresan (Winarno 1995). Metode yang lazim digunakan ialah ekstraksi pelarut, dan cara inilah yang dilakukan pada penelitian ini. Dengan cara ini dihasilkan bungkil dengan kadar minyak yang rendah, yaitu kurang dari 1% (Ketaren 1986). Pemilihan pelarut didasarkan pada 2 hal utama, yaitu pelarut harus mempunyai daya larut yang tinggi serta tidak berbahaya dan tidak bersifat racun. Selain itu, titik didih, mudah tidaknya terbakar, dan pengaruh terhadap radas ekstraksi juga perlu diperhatikan (Goldman 1949). Pelarut tersebut harus bersifat lembam terhadap bahan baku, mudah diperoleh, dan murah. Kloroform-metanol bersifat nonpolar sehingga diharapkan dapat melarutkan minyak yang juga bersifat nonpolar. Menurut Durran (1933) dalam Novinda (1995), pelarut yang mempunyai gugus hidroksil (alkohol) dan karbonil (keton) termasuk nonpolar; dengan demikian kloroform/metanol merupakan pelarut nonpolar. Penyaringan Ekstrak kloroform-metanol yang mengandung minyak dipisahkan dari massa sel dan pecahan kaca dengan cara disaring menggunakan kertas saring Whatman 42 dan penyaring vakum. Penyaringan vakum digunakan untuk mempercepat proses pemisahan. Setelah itu, minyak dalam filtrat dipisahkan. Identifikasi awal dengan kromatografi gas (GC) Kromatografi ialah teknik pemisahan dengan cara melewatkan contoh melalui fase diam dengan menggunakan fase gerak. Fase diam dapat berupa padatan atau cairan yang disangga oleh padatan yang berupa gel. Sementara fase gerak dapat berupa gas atau cairan (Sewel & Clark 1987). Pemisahan dengan kromatografi menyangkut beberapa sifat fisik umum molekul, yaitu kecenderungan suatu molekul untuk larut, teradsorpsi, dan menguap (Nur & Sjachri 1978). Identifikasi awal keberadaan DHA dalam minyak dilakukan dengan GC menggunakan kolom kapiler TC-70 dan penambahan standar ke dalam contoh. Metode kromatografi dipilih karena umum dilakukan dalam identifikasi (Marwati 2005). Keuntungannya ialah waktu analisis yang singkat, cukup efektif, dapat melakukan pemisahan yang tidak mungkin dilakukan dengan metode lain (Nur & Sjachri 1978), serta pengoperasiannya mudah dan sederhana. Fraksionasi dan esterifikasi Ekstrak minyak difraksionasi dengan pelarut heksana dan metanol 90%. Minyak polar akan berada dalam fraksi metanol sedangkan minyak netral dalam fraksi heksana. Minyak netral kemudian dilarutkan dalam heksana (1:100, v/v) dan diesterifikasi menggunakan KOH/etanol dengan nisbah minyak-etanol 1:5 (v/v) pada suhu 10−15 °C selama 30 menit. Setelah dicuci dengan air, produk esterifikasi dipisahkan dengan cara distilasi. Rendemen yang diperoleh ialah 70 %. Fraksionasi merupakan proses pemisahan komponen-komponen suatu campuran berdasarkan perbedaan sifat tertentu, seperti ukuran partikel, kepolaran, bobot molekul, titik didih, muatan listrik, atau medan magnet. Fraksionasi pada pemurnian DHA dari sel Schyzochytrium sp. galur SR21 dilakukan berdasarkan perbedaan kepolaran. Tujuannya ialah untuk memisahkan minyak polar dan netral. DHA diharapkan terdapat dalam minyak netral.

307

Ekstraksi DHA dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) Setelah difraksionasi, contoh dianalisis dengan HPLC. Kondisi alat ialah sebagai berikut: kolom i.d 4.6 × 250 mm, eluen asetonitril-air (97.5:2.5, v/v), dan laju alir 1.5 ml/menit. Sementara itu, ekstraksi DHA menggunakan eluen alkohol-air (98:2). Kromatografi merupakan cara yang sesuai untuk memisahkan komponen cairan minor (DHA) dari cairan lainnya (Coulson & Richardson 1996; Sinnott 1996). Eluen atau fase gerak yang digunakan ialah alkohol-air (98:2) karena dapat melarutkan DHA. Sewel & Clark (1987) menyatakan bahwa eluen dalam kromatografi cair seperti HPLC harus dapat melarutkan contoh sehingga terbawa melewati kolom. Eluen yang digunakan juga harus bermutu p.a. agar kromatogram dapat diinterpretasikan dengan mudah.

Ekstraksi dan Identifikasi Sterol Identifikasi awal dengan kromatografi lapis tipis (TLC) atau dengan HPLC Identifikasi awal sterol dalam minyak dapat dilakukan dengan TLC menggunakan eluen heksana-eter-asam asetat (70:30:1). Selain itu, HPLC juga dapat digunakan dengan kolom ODS (4.6 mm × 250 mm), eluen dioksan-metanol-air (100:100:10), dan dibandingkan dengan standar sterol. Metode kromatografi dipilih karena umum dilakukan dalam identifikasi (Marwati 2005). Saponifikasi Saponifikasi dilakukan dengan larutan KOH 2 N dan pirogalol 10%, serta dipanaskan selama 1 jam. Setelah itu, ditambahkan air dan dietil eter sehingga terbentuk 2 fase. Fase eter lalu diuapkan. Ekstraksi dengan TLC Hasil penguapan fraksi eter kemudian dianalisis dengan TLC untuk mendapatkan sterol murni. Larutan pengembang yang digunakan ialah kloroform-metanol-air (65:25:4). Selanjutnya, hasil scrapping TLC ditambahkan kloroform-metanol (1:10) untuk mengekstraksi sterol (Marwati 2005). Identifikasi akhir dengan GC-spektrometer massa (MS) Identifikasi sterol dilakukan dengan GC-MS menggunakan kolom kapiler silika 25 mm × 0.25 mm × 0.25 µm. Identifikasi dengan metode ini telah dicobakan sebelumnya dan berhasil dengan baik (Marwati 2005).

Ekstraksi dan Identifikasi Kuinon Identifikasi awal dengan kromatografi Identifikasi awal kuinon dalam minyak dilakukan dengan TLC menggunakan eluen heksanaeter-asam asetat (70:30:1) atau dengan HPLC menggunakan kolom ODS (4.6 mm × 250 mm), eluen dioksan-metanol-air (100:100:10) dan dibandingkan dengan standar kuinon. Ekstraksi kuinon dengan kromatografi Pemisahan fraksi kuinon dilakukan dengan kromatografi kolom. Minyak dilarutkan dalam heksana 10% dalam dietil eter, lalu dielusi dengan 95 ml larutan heksana 10% dalam dietil eter untuk mendapatkan fraksi ke-1, kemudian dengan 20 ml heksana 20% dalam dietil eter untuk mendapatkan fraksi ke-2. Selanjutnya kedua fraksi dianalisis dengan TLC untuk mendapatkan kuinon murni. Fase gerak yang digunakan ialah heksana-dietil eter-asam asetat (70:30:1). Kuinon hasil scrapping TLC diekstraksi dengan kloroform-metanol (1:1). Ekstraksi dilakukan menggunakan beberapa teknik kromatografi secara berturutan agar kuinon yang diperoleh mempunyai tingkat kemurnian yang tinggi.

308

Identifikasi akhir dengan HPLC atau HPLC-MS Identifikasi kuinon dengan HPLC dilakukan dengan kolom BDS (150 mm × 3 mm × 5 µm) dengan eluen asetonitril 90% dalam air. Identifikasi juga dapat dilakukan dengan HPLC-MS, menggunakan kolom Hypersil BDS (150 mm × 3 mm × 5 µm) dengan eluen aseton 90% dalam air. Kedua metode tersebut sebelumnya telah berhasil dicobakan untuk mengidentifikasi kuinon (Marwati 2001).

SIMPULAN Hasil penelitian menunjukkan bahwa ekstrak yang diperoleh memiliki tingkat kemurnian yang tinggi dan sangat membantu dalam melakukan identifikasi. Dengan demikian, kemotaksonomi menjadi mudah dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA Asenjo JA. 1990. Cell disruption and removal of insolubles. Di dalam: Pyle DL, editor. Separation for Biotechnology. London: Elsevier Appl Sci. Atkinson B, Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. Ed ke-2. New York: M. Stockton Pr. Coulson JM, Richardson JF. 1996. Chemical Engineering: Particle Technology and Separation Processes. Volume ke-2. Ed ke-4. Tokyo: McGraw-Hill. Datar R, Rosen CG. 1990. Downstream process economics. Di dalam: Asenjo JA, editor. Separation Processes in Biotechnology: Bioprocess Technology. Ed ke-9. London: Open Univ. Desrosier NW. 1988. The Technology of Food Preservation. Muljoharjo M, penerjemah. Jakarta: UI Pr. Earle. 1969. Satuan Operasi dalam Pengolahan Pangan. Nasution Z, penerjemah. Jakarta: Sastra Hudaya Perkasa. Goldman A. 1949. How spice oleoresin are made. Am Perf Ess Oil 53:230-233. Ketaren S. 1986. Pengantar Teknologi Minyak dan Lemak Pangan. Jakarta: UI Pr. King CJ. 1971. Freeze Drying of Food. Ohio: CRC Pr. Marwati T. 2001. Chemotaxonomic analysis of isoprenoid quinones in DHA-producing microbes (Thraustochytrids). Di dalam: Proceeding International Seminar on Natural Products Chemistry and Utilization of Natural resources; Jakarta, 5-7 Jun 2001. Universitas Indonesia-UNESCO. Marwati T. 2005. Identification of fatty acid and sterol in single cell oil. Makalah disampaikan pada "9th Asean Food Conference", Jakarta, 8-10 Agu 2005. Nakahara et al. 1996. Production of docosahexaeonic acid by Schyzochytrium sp. isolated from Yap island. J Am Oil Chem Soc 73:1421-1425. Nur MA, Sjachri M. 1978. Teknik Separasi: Data Analisa Pangan. Bogor: PAU-IPB. Peppler HG, Perlman D. 1979. Microbial Technology. New York: Academic Pr. Schiff NM, Fedlanfer MF. 1996. Neutral sterols of sawflies (symphyta), their relationship to other Hymenoptera. Oils 31:441-443. Sewel PA, Clark B. 1987. Chromatographic Separation. Chichester: J Wiley. Sinnott RK. 1996. Chemical Engineering. Volume ke-6. Ed ke-3. Oxford: Butterworth Heinemann. Stanbury PF, Whitaker A. 1984. Principles of Fermentation Technology. New York: Pergamon Pr. Vancanneyt M, Coopman R, Tytgat R, Hennebert GL, Kerters K. 1994. Whole cell pattern, DNA base composition and coenzyme-Q type in the yeast genus Cryptococcus kuitzing and related taxa. Syst Appl Microb 17:65-75. Warner SA, Sovocool GW, Domnas AJ. 1983. Sterol of selected species of Oomycetes and Hyphochytridiomycetes. Mycologia 75:285-291.

309

Winarno FG. 1995. Kimia Pangan dan Gizi. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. Yaguchi T, Tanaka S, Yokochi T, Nakahara T, Higashihara T. 1997. Production of high yield of docosahexaenoic acid by Schyzochytrium sp. strain SR21. J Am Oil Chem Soc 74:1431-1434. Yamamura R, Shimomura Y. 1997. Industrial high performance liquid chromatography purification of docosahexaenoic acid ethyl ester and docosapentanoic acid ethyl ester from single cell oil. J Am Oil Chem Soc 74:1435-1440.

310

SPEKTROFOTOMETRI DERIVATIF ULTRAVIOLET UNTUK ANALISIS KUANTITATIF KUININ DALAM TABLET OBAT M Rafi1,2 , E Suradikusumah1, I Batubara1,2, E Daryadi1 1Departemen

Kimia, FMIPA, IPB, 2Pusat Studi Biofarmaka, LPPM, IPB

ABSTRAK Kuinin merupakan suatu alkaloid kuinolina yang telah lama digunakan sebagai obat malaria. Metode cepat yang dapat dipercaya dibutuhkan untuk penentuan kuinin dalam bentuk sediaan farmasi (obat) untuk mengendalikan mutunya. Metode yang dikembangkan dalam penelitian ini ialah teknik spektrofotometri derivatif ultraviolet (SDUV). Penentuan kadar kuinin dilakukan dengan mengukur amplitudo puncak dari garis nol (Dz) pada panjang gelombang 245.2 nm untuk obat komersial. Kadar kuinin yang didapat dengan metode SDUV ialah (169.92 ± 2.91) mg/tablet. Sebagai pebanding, kadar kuinin juga diukur dengan metode kromatografi cair kinerja tinggi yang memberikan hasil sebesar (166.99 ± 4.58) mg/tablet. Uji t-student dan uji F pada selang kepercayaan 95% menunjukkan bahwa kedua metode memberikan hasil yang tidak berbeda nyata. Linearitas kurva kalibrasi yang memberikan nilai koefisien korelasi sebesar 0.9999 pada kisaran konsentrasi 2−10 µg/ml menandakan bahwa metode SDUV cukup peka. Ketelitian dan ketepatan metode ini juga cukup baik, yang ditunjukkan oleh persen simpangan baku relatif sebesar 1.71 dan pemulihan kembali sebesar 93.06−116.37%. Perkiraan limit deteksi dan kuantifikasi dari metode SDUV berturut-turut ialah 0.1261 dan 0.3823 µg/ml. Kata kunci: kuinin, spektrofotometri derivatif ultraviolet.

PENDAHULUAN Kuinin, senyawaan alkaloid kuinolina dari pohon Cinchona, telah lama digunakan sebagai obat malaria. Selain itu, kuinin juga banyak digunakan dalam industri kosmetika dan sebagai pemberi rasa pada minuman ringan. Saat ini telah banyak teknik analisis yang dapat digunakan untuk menentukan kadar kuinin, seperti spektrofotometri baik yang konvensional1 maupun derivatif2, spektrofluorometri3, kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC)4-6, dan potensiometri7. Teknik spektrofotometri derivatif ultraviolet (SDUV) menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan dengan spektrofotometri UV konvensional, yaitu dapat memilih puncak yang tajam di antara spektrum yang lebar dan meningkatkan resolusi spektrum yang tumpang tindih. Spektrofotometri derivatif juga menghasilkan daerah sidik jari yang lebih baik dibandingkan dengan spektrum serapan yang umum8,9 serta menghilangkan geseran garis-dasar dan tilt10. Metode SDUV telah digunakan untuk penentuan kadar kuinin dalam minuman ringan2 menggunakan spektrum derivat ke-4. Penelitian ini mengembangkan penggunaan SDUV untuk penentuan kadar kuinin dalam tablet yang matriksnya berbeda dengan minuman ringan. Hasil analisis dengan metode SDUV kemudian dibandingkan secara statistika dengan metode yang umum digunakan dalam penentuan kadar kuinin, yaitu HPLC.

311

METODOLOGI Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan antara lain neraca analitik, spektrofotometer ultraviolet-tampak (UVVis) Hitachi U-2800, perangkat lunak UV-solutions versi 2 buatan Hitachi, dan HPLC Hitachi seri L-2000. Seluruh percobaan yang dilakukan menggunakan bahan kimia dan pelarut dengan tingkatan analytical grade. Standar kuinin sulfat dibeli dari Sigma-Aldrich (St Louis, USA), dan contoh obat Quinine Tablet Salut® disumbangkan oleh PT Kimia Farma Tbk.

Penyiapan Standar dan Contoh Larutan stok standar kuinin 100 µg/ml disiapkan dengan melarutkan sebanyak 0.0115 g standar kuinin dalam etanol panas, lalu diencerkan menjadi 100 ml di dalam labu takar. Selanjutnya dibuat larutan stok contoh obat yang setara dengan 100 µg/ml kuinin. Contoh dan standar kemudian diencerkan menjadi 6 µg/ml.

Penentuan Kondisi Optimum Standar dan contoh yang telah disiapkan kemudian diukur dengan spektrofotometer. Ragam kecepatan scan yang digunakan ialah 100, 200, 400, 800, dan 1200 nm/menit untuk mencari orde derivatif, orde smoothing, dan number of point window yang tepat untuk mendapatkan kondisi optimum, agar dihasilkan ketelitian dan ketepatan yang baik.

Pembuatan Kurva Kalibrasi dan Pengukuran Contoh Deret larutan standar dibuat dengan konsentrasi 2−10 µg/ml dari larutan stok standar, lalu spektrum UV (200−300 nm) setiap standar dibuat dengan spektrofotometer UV-Vis. Jarak antara puncak dan garis dasar (Dz) pada panjang gelombang (λ) 245.2 nm untuk spektrum derivat ke-1 kemudian diukur. Persamaan kurva kalibrasi dibuat dengan metode regresi kuadrat terkecil. Pengukuran Dz larutan contoh dilakukan dengan cara yang sama seperti di atas. Konsentrasi kuinin diperoleh berdasarkan persamaan garis yang diperoleh dari kurva kalibrasi.

Pengukuran dengan Metode Pembanding (HPLC) Penentuan kadar kuinin dengan HPLC mengikuti metode Lunn5.

Evaluasi Kinerja Analitik Ketelitian Disiapkan contoh obat dengan konsentrasi yang setara dengan 6 µg/ml kuinin, lalu diukur dengan spektrofotometer sebanyak 6 kali ulangan pada hari yang sama. Persentase simpangan baku relatif (%SBR) ditentukan untuk melihat ketelitian metode yang digunakan. Linearitas Tiga deret kurva kalibrasi disiapkan dengan konsentrasi 2−10 µg/ml, lalu diukur dengan spektrofotometer. Linearitas kurva kalibrasi diperoleh dengan metode regresi kuadrat terkecil sebagai nilai koefisien korelasi (r).

312

Ketepatan Ketepatan ditentukan berdasarkan nilai pemulihan kembalinya. Sejumlah tertentu standar kuinin ditambahkan ke dalam contoh pada 3 konsentrasi berbeda lalu setiap konsentrasi dianalisis sebanyak 3 kali ulangan. Limit Deteksi (LD) dan Limit Kuantifikasi (LK) Limit deteksi dan kuantifikasi dihitung dari rerata nilai kemiringan dan standar deviasi larutan standar kuinin yang digunakan untuk membuat kurva kalibrasi (n = 3) menurut persamaan berikut11: LD = 3.3 σ/S LK = 10 σ/S Nilai LD dan LK merupakan nilai estimasi; σ = rerata standar deviasi dari intersep; dan S = kemiringan kurva kalibrasi.

HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan kadar kuinin dalam tablet obat tidak dapat dilakukan secara langsung. Hal ini disebabkan oleh adanya gangguan dari senyawa lain dalam contoh atau disebut juga matriks contoh. Gambar memperlihatkan bahwa serapan pada spektrum contoh lebih besar dibandingkan dengan standar walaupun konsentrasinya sama. Jadi, dapat disimpulkan bahwa pengukuran contoh secara langsung akan memberikan hasil yang tidak akurat. ] 0.7

0.005

0.6 0.5

0.000

0.4 0.3

-0.005

0.2

245,2 nm

0.1 -0.010

0.0 200

250

300

(a)

350

nm

200

250

300

350

nm

(b)

Gambar 1 Spektrum mula-mula (a) dan spektrum derivatif orde pertama (b) dari tablet obat (−) dan standar kuinin (−) dengan konsentrasi setara 6 µg/ml kuinin. Derivatisasi spektrum dan pengukuran dilakukan dengan mengukur jarak antara 2 puncak yang diperoleh ataupun ke garis dasarnya sehingga efek matriks contoh dapat dihilangkan. Gambar 1(b), spektrum derivatif orde pertama, memperlihatkan bahwa efek matriks dihilangkan melalui derivatisasi spektrum. Melalui kondisi optimum yang telah diperoleh, kurva kalibrasi dibuat dengan mengalurkan jarak puncak pada λ 245.2 nm ke garis dasar dari spektrum derivatif orde pertama dengan berbagai konsentrasi larutan standar kuinin (2−10 µg/ml). Linearitas kurva kalibrasi dan kecocokan pengukuran nilai Dz spektrum derivatif orde pertama terhadap hukum Lambert-Beer ditunjukkan dengan nilai koefisien korelasi yang mendekati 1. Tabulasi data kurva kalibrasi ditunjukkan pada Tabel 1.

313

Tabel 1 Data kurva kalibrasi metode SDUV (n = 3) Parameter Kisaran konsentrasi standar (µg/ml) Persamaan regresi Koefisien korelasi (r)

1D 245.2 nm

(1.5 ×

2−10 + (2.015 × 10-3)c 0.9999

10-4)

Hasil analisis kadar kuinin dengan metode SDUV sebanyak 6 kali ulangan pada hari yang sama memberikan ketelitian yang cukup baik, ditandai dengan nilai %SBR yang relatif rendah. Ketepatan metode yang dikembangkan ini diukur dengan uji pemulihan kembali dengan hasil 93.06−116.37%. Nilai estimasi LD dan LK yang diperoleh berturut-turut ialah 0.1261 dan 0.3823 µg/ml. Tabel 2 menunjukkan semua nilai yang diperoleh dari evaluasi kinerja metode SDUV untuk penetapan kadar kuinin pada tablet obat. Tabel 2 Evaluasi kinerja analitik metode SDUV dan analisis statistik untuk membandingkannya dengan metode HPLC Metode SDUV n Rerata (µg/ml)a ± SD SBR (%) Ketepatan/perolehan kembali (%)b Uji tc Uji Fd LD (µg/ml) LK (µg/ml)

HPLC

6 3 169.92 ± 2.91 166.99 ± 4.58 1.71 2.74 93.06−116.37 − 1.01 2.47 0.1261 0.3823

Keterangan: a 6 kali ulangan (SDUV), 3 kali ulangan (HPLC) b 3 kali ulangan untuk 3 konsentrasi berbeda c Nilai t tabel (95%) = 2.36 d Nilai F tabel (95%) = 5.79

Untuk melihat apakah metode SDUV dapat menjadi suatu metode alternatif untuk penentuan kadar kuinin dalam tablet obat, diperlukan verifikasi menggunakan metode lain, yaitu HPLC. Kadar kuinin yang diperoleh dari kedua metode tersebut secara statistik (menggunakan uji t dan F) didapati tidak memberikan perbedaan nilai rerata maupun ketelitian hasil yang signifikan (Tabel 2).

SIMPULAN Metode SDUV dapat digunakan untuk penentuan kuinin dalam obat. Kadar tablet obat yang diperoleh dari metode SDUV dan HPLC berturut-turut ialah 169.92 dan 166.99 mg/tablet. Hasil yang didapatkan dari kedua metode tersebut secara statistik (uji t-student dan uji F) tidak berbeda nyata.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Program Hibah Kompetisi A2 Departemen Kimia FMIPA IPB-Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia yang telah mendanai penelitian ini.

314

DAFTAR PUSTAKA 1. Veerabhadra RM et al. J Food Sci Technol 1984;21:266. 2. Garcia-Castro JC, Sanchez MJ, Rodriguez-Delgado MA, Romero CD. Microchim Acta 110:263. 3. Sawyer DT, Heineman WR, Beebe JM. Chemistry Experiments for Instrumentals Methods. New York: J Wiley; 1984. 4. Babaloa CP, Bolaji OO, Dixon PA, Ogunbona FA. J Chromatogr 1993;616:151. 5. Lunn G. HPLC Methods for Pharmaceutical Analysis. Volume ke-4. New York: J Wiley; 2000. 6. Samanidou VF, Evaggelopoulou EN, Papadoyannis IN. J Pharm Biomed Anal 2005;38:21. 7. Saad B, Saleh MI, Rahman IA, Mansor SM. J AOAC Int 2001;84:1151. 8. Ojeda CB, Rojas FS. Anal Chim Acta 2004;518:1. 9. Karpinska J. Talanta 2004;64:801. 10. O’Haver TC. Clin Chem 1979;25:1548. 11. [ICH] International Conference on Harmonization. Q2B Validation of Analytical Procedures: Methodology. Washington DC: ICH;1996.

315

KONVERSI EUGENOL DARI MINYAK DAUN CENGKEH MENJADI ISOEUGENOL DENGAN PEMANASAN GELOMBANG MIKRO Tatang Hidayat, Edy Mulyono Balai Besar Litbang Pascapanen Pertanian

ABSTRAK Minyak daun cengkeh (Syzigium aromaticum) merupakan salah satu komoditas ekspor tradisional Indonesia. Indonesia memasok minyak daun cengkeh ke pasar dunia lebih dari 60%. Namun, harga minyak daun cengkeh di pasar dunia relatif rendah sehingga nilai tambah yang diperoleh dari proses penyulingan minyak daun cengkeh juga rendah. Salah satu cara meningkatkan nilai tambah ialah dengan mengisolasi komponen eugenolnya dan mengubah eugenol menjadi isoeugenol yang harganya jauh lebih tinggi. Isoeugenol merupakan senyawa yang banyak digunakan sebagai bahan campuran dalam produk wewangian dan produk-produk konsumsi harian seperti parfum, produk perawatan kulit, deodoran, sabun, sampo, dan bahan baku vanilin sintetik. Pengubahan eugenol menjadi isoeugenol didasarkan pada isomerisasi kedua struktur tersebut: ikatan rangkap pada gugus alkenil pindah ke posisi yang terkonjugasi dengan ikatan rangkap cincin benzena. Dengan katalis basa atau logam transisi dan bantuan panas, proses isomerisasi tersebut dapat berlangsung dengan baik. Dibandingkan dengan pemanasan konvensional, pemanasan dengan gelombang mikro memiliki keunggulan, karena mempercepat waktu isomerisasi 5−20 kali. Karena itu, teknologi gelombang mikro memiliki prospek yang sangat baik untuk diterapkan dalam isomerisasi eugenol pada skala komersial, namun diperlukan peningkatan kapasitas reaktornya. Kata kunci: isomerisasi, eugenol, isoeugenol, gelombang mikro.

PENDAHULUAN Minyak daun cengkeh (Syzigium aromaticum) merupakan komoditas ekspor tradisional Indonesia yang sudah dikenal di pasar dunia sejak tahun 1970. Indonesia memasok lebih dari 60% kebutuhan minyak cengkeh dunia, sedangkan sisanya dipasok oleh Madagaskar yang merupakan negara pesaing utama. Pada tahun 2000, dari total minyak daun cengkeh yang dipasok ke pasar dunia (2 080 ton), Indonesia memasok sebanyak 1 317 ton (Deptan 2005). Sebagian besar minyak daun cengkeh yang dihasilkan di Indonesia ditujukan untuk pasar ekspor dan hanya sebagian kecil yang dikonsumsi di dalam negeri. Harga minyak daun cengkeh di pasar dunia pada saat ini relatif rendah, yaitu sekitar US$ 4.75 per kg. Rendahnya harga tersebut menyebabkan rendahnya nilai tambah yang diperoleh dari proses penyulingan. Salah satu cara meningkatkan nilai tambah ini ialah dengan mengisolasi eugenol yang harganya lebih tinggi, yaitu sekitar US$ 7.80/kg. Jika eugenol diubah menjadi isoeugenol yang kegunaannya lebih luas, harganya menjadi jauh lebih tinggi, yaitu sekitar US$ 10.80/kg. Isoeugenol [2-metoksi-4-(1-propenil)fenol] merupakan isomer dari eugenol dengan rumus molekul C10H12O2. Secara fisik, isoeugenol berupa cairan tidak berwarna sampai kekuning-kuningan, agak encer, dan beraroma floral dengan rasa seperti cengkeh (Furia & Bellanca 1975). Isoeugenol komersial terdiri atas campuran isomer cis dan trans (Indesso 2006). Isoeugenol banyak digunakan sebagai bahan campuran dalam produk wewangian dan produk-produk konsumsi harian seperti parfum, produk perawatan kulit, deodoran, sabun, sampo, dan bahan baku vanilin sintetik. International

316

Fragrance Association mencatat sekitar 25.6 ton isoeugenol digunakan di Eropa setiap tahunnya (Anonim 2005). Pengubahan eugenol menjadi isoeugenol didasarkan pada proses isomerisasi: ikatan rangkap pada gugus alkenil pindah ke posisi yang terkonjugasi dengan ikatan rangkap pada cincin benzena (Sharma et al. 2006). Dengan bantuan katalis dan panas, proses isomerisasi tersebut dapat berlangsung dengan baik. Katalis yang digunakan ialah basa berlebih, seperti NaOH (Sumangat et al. 2005) dan KOH (Moestafa et al. 1990; Baby 1997). Penggunaan basa berlebih sebagai katalis dapat digantikan oleh logam transisi (Givaudan 1977; Andrieux et al. 1977; Cerveny et al. 1987; Sharma et al. 2006). Untuk mendapatkan tingkat konversi yang tinggi, isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol dengan pemanasan konvensional umumnya menggunakan suhu sangat tinggi (120−190 oC) selama 5– 7 jam. Kondisi tersebut dapat menyebabkan overheating yang berakibat terurainya bahan dan produk, misalnya terbentuknya polimer yang akan mengurangi rendemen. Givaudan (1977) mencatat bahwa produk polimer yang terbentuk pada isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol menggunakan katalis RhCl3· 3H2O mencapai 6–9%. Penelitian yang menggunakan panas gelombang mikro dalam isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol belum banyak dilakukan. Berbagai penelitian menunjukkan bahwa penggunaan panas gelombang mikro menghasilkan isoeugenol dengan kemurnian dan efisiensi proses yang tinggi. Sampai saat ini, aplikasi teknologi tersebut masih terbatas pada skala laboratorium dan belum diperluas dalam skala produksi, karena kapasitas reaktornya masih terbatas. Namun, metode ini dapat dijadikan alternatif dalam proses pengubahan eugenol menjadi isoeugenol.

PERAN KATALIS DALAM ISOMERISASI EUGENOL Isomer ialah 2 senyawa atau lebih yang mempunyai rumus molekul yang sama. Isomer dibagi menjadi 2 golongan besar, yaitu isomer struktur, yang dibagi lagi menjadi isomer kerangka, isomer posisi, dan isomer fungsional; dan isomer ruang, yang terdiri atas isomer geometri dan optis. Isomer kerangka terjadi jika 2 senyawa atau lebih mempunyai rumus molekul yang sama tetapi berbeda kerangka karbonnya. Sementara itu pada isomer posisi, yang berbeda ialah posisi substituen, sedangkan pada isomer fungsional yang berbeda ialah jenis gugus fungsinya. Isomer ruang berkaitan dengan molekul-molekul yang ikatan antaratomnya sama, tetapi susunannya dalam ruang berbeda. Isomer geometri dibedakan menjadi isomer cis dan trans (Wingrove & Caret 1981). Menurut Egloff et al. (1942), pembentukan isomer dalam reaksi isomerisasi dipengaruhi oleh beberapa faktor. Bentuk fisik substrat (gas, padat, atau cair), konsentrasi awal dan akhir substrat, konsentrasi dan jenis katalis, konsentrasi dan jenis pereaksi, laju reaksi (waktu kontak), suhu, tekanan, pengadukan, iradiasi, kalor pengaktifan, kalor isomerisasi, serta perubahan energi bebas merupakan beberapa di antaranya. Penggunaan katalis NaOH untuk mengubah eugenol dari minyak daun cengkeh menjadi isoeugenol dilakukan oleh Sumangat et al. (2005) pada suhu 170 oC. Kemurnian isoeugenol yang dihasilkan ialah 52.36%. Moestafa et al. (1990) melakukan isomerisasi eugenol dengan katalis KOH dan pelarut gliserol pada suhu 190 oC, dan menghasilkan isoeugenol dengan kemurnian mencapai 82.88% (kadar cis- dan trans-isoeugenol berturut-turut 8.65 dan 74.24%). Sementara Baby (1997) menggunakan katalis KOH yang dilarutkan dalam etanol melalui pemanasan pada suhu 150 oC selama 5 jam, dan menghasilkan isoeugenol dengan kemurnian 95%. Reaksi isomerisasi eugenol dengan basa kuat yang disertai pemanasan menghasilkan garam Na- atau K-isoeugenolat, bergantung pada jenis basa yang digunakan (Gambar 1a). Selanjutnya garam ini dihidrolisis dengan asam (HCl atau H2SO4) sehingga terbentuk isoeugenol dan garam yang dapat dipisahkan secara fisik (Gambar 1b).

317

O- K+

OH OCH3

CH2 CH CH2 eugenol

KOH

OH OCH3

(a)

HCl

OCH3 KCl

(b) CH CH CH3 K-isoeugenolat

CH CH CH3 isoeugenol

Gambar 1 Reaksi isomerisasi eugenol dalam basa kuat (KOH). Penggunaan katalis basa dapat digantikan oleh katalis dari golongan logam transisi seperti rodium (Givaudan 1977; Andrieux et al. 1977; Cerveny et al. 1987) dan rutenium (Sharma et al. 2006). Givaudan (1977) dan Andrieux et al. (1977) melakukan isomerisasi eugenol dengan katalis RhCl3· 3H2O yang dilarutkan dalam etanol disertai dengan pemanasan pada suhu 120 oC, dan menghasilkan 92–98% isoeugenol. Produk tersebut mengandung isomer trans- sebanyak 86.3–90%. Sementara itu, Cerveny et al. (1987) melakukan isomerisasi eugenol dengan nisbah mol katalis RhCl3 terhadap eugenol 1 mmol:1 mol. Reaksi ini menggunakan refluks selama 5 jam pada suhu 143 oC dan menghasilkan isoeugenol sebanyak 98%. Isomerisasi yang dilakukan oleh Sharma et al. (2006) dengan katalis kompleks logam transisi lain (rutenium), yaitu RuCl2(PPh3)3 yang dilarutkan dalam etanol mencapai tingkat konversi lebih dari 99% dengan komposisi trans-isoeugenol mencapai 95%. Hasil-hasil penelitian di atas menunjukkan bahwa katalis logam transisi lebih unggul dibandingkan dengan basa kuat, yaitu menghasilkan isoeugenol dengan kemurnian lebih tinggi. Selain itu, katalis logam juga selektif terhadap produk isomerisasinya sehingga trans-isoeugenol diperoleh sebagai produk utama. Trans-isoeugenol lebih diinginkan pasar karena memiliki kegunaan yang lebih luas dibandingkan dengan isomer cis-nya (Sharma et al. 2006). Menurut spesifikasi S–915, kemurnian produk isoeugenol minimum 95% dengan kandungan trans-isoeugenol 91.0–93.0%, sedangkan kemurnian yang harus dimiliki berdasarkan spesifikasi HT 914 ialah minimum 99% dengan kandungan trans-isoeugenol minimum 95.0% (Indesso 2006). Reaksi isomerisasi berkataliskan logam transisi terdiri atas 2 mekanisme (Chiu 2002), yaitu (1) eliminasi-adisi hidrida logam (Gambar 2a) yang memerlukan hidrogen eksternal, dan (2) kompleks π-alil atau pergeseran-1,3 atom hidrogen (Gambar 2b). Menurut Sharma et al. (2006), kunci mekanisme kompleks π-alil ialah pengaktifan –C–H pada posisi β yang melibatkan penyusunan 3 atom karbon pada ikatan π terhadap logam. (a)

γ

β

α

(b)

Gambar 2 Mekanisme reaksi isomerisasi dengan katalis logam: eliminasi-adisi hidrida logam (a), kompleks π-alil (b) (Chiu 2002).

318

MEKANISME PEMANASAN DENGAN GELOMBANG MIKRO Mekanisme dasar pemanasan dengan gelombang mikro ialah agitasi molekul-molekul polar atau ion-ion yang bergerak (oscillate) karena adanya gerakan medan magnet atau listrik. Gerakan medan tersebut menyebabkan partikel-partikel mencoba berorientasi sejajar dengan medan tersebut. Pergerakan partikel-partikel ini dibatasi oleh gaya pembatas (interaksi antarpartikel dan ketahanan listrik) yang menahan gerakan partikel dan membangkitkan gerakan acak sehingga menghasilkan panas (Taylor & Atri 2005). Pengaruh energi gelombang mikro dalam reaksi kimia hanya sebatas suhu (panas) dan tidak terjadi pengaktifan langsung oleh energi gelombang mikro terhadap reaksi. Pemanasan oleh radiasi gelombang mikro berbeda dengan pemanasan konvensional. Perpindahan energi pada pemanasan konvensional (Gambar 3a) melibatkan peristiwa konduksi dari sumber panas. Wadah yang digunakan memiliki sifat konduktor panas dari sumber energi ke bahan yang kurang baik. Saat penguapan di permukaan tercapai, kesetimbangan termal oleh arus konveksi menyebabkan hanya sebagian kecil larutan yang berada pada suhu yang diaplikasikan oleh sumber energi di luar wadah. Karena itu, diperlukan waktu yang lama untuk mencapai reaksi sempurna.

Aliran konveksi

Panas konduksi

Pemanasan gelombang mikro

(a) (b) Gambar 3 Pemanasan larutan secara konvensional (a) dan dengan gelombang mikro (b). Pada pemanasan dengan gelombang mikro (Gambar 3b), hanya pelarut dan partikel larutan saja yang dipanaskan sehingga terjadi pemanasan yang merata pada pelarut (Taylor & Atri 2005). Pemanasan terjadi pada semua bagian bahan atau larutan reaksi, karena energi langsung diserap oleh bahan yang akan dipanaskan tanpa melibatkan wadah yang ada sehingga mempercepat tercapainya reaksi sempurna (Copson 1975).

APLIKASI GELOMBANG MIKRO DALAM ISOMERISASI EUGENOL Sejalan dengan keberhasilan pengembangan instrumentasi secara komersial, pemanfaatan gelombang mikro dalam sintesis kimia juga semakin berkembang. Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa pemanasan dengan gelombang mikro dapat diaplikasikan dalam reaksi isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol dengan hasil yang sangat baik. Hasil penelitian Baby (1997) menunjukkan bahwa isomerisasi eugenol dengan pemanasan gelombang mikro dan katalis KOH menghasilkan kemurnian isoeugenol yang setara dan bahkan lebih tinggi dibandingkan dengan pemanasan konvensional (Tabel 1). Waktu reaksinya juga 3.1–5.0 kali lebih cepat. Hasil penelitian Soesanto (2006) menunjukkan bahwa isomerisasi eugenol dengan pemanasan gelombang mikro dan katalis RhCl3· 3H2O memberikan hasil yang tidak jauh berbeda. Untuk

319

memperoleh rendemen yang setara, waktu yang diperlukan oleh reaksi isomerisasi ini 20 kali lebih singkat daripada pemanasan konvensional (Tabel 2). Tabel 1 Perbandingan persen hasil dan waktu reaksi isomerisasi eugenol dengan katalis KOH antara pemanasan konvensional dan dengan gelombang mikro Konsentrasi KOH (M) 2 4

Pemanasan konvensional t(c) Isoeugenol (%) (jam) 25 85 5 95

Pemanasan dengan gelombang mikro t(mw) Isoeugenol (%) (menit) 480 87 60 96

t(c)/t(mw) 3.1 5.0

Sumber: Baby (1997)

Tabel 2 Perbandingan persen hasil dan waktu reaksi isomerisasi dengan katalis RhCl3· 3H2O antara pemanasan konvensional dan dengan gelombang mikro Nisbah mol (eugenol:RhCl3· 3H2O) 1 mol : 0.5 mmol 1 mol : 1.0 mmol 1 mol : 1.5 mmol

Pemanasan konvensional t(c) Isoeugenol (jam) (%) 5 81.2 − − − −

Pemanasan dengan gelombang mikro t(mw) Isoeugenol (menit) (%) 15 80.5 15 93.6 15 95.3

t(c)/t(mw) 20 − −

Sumber: Soesanto (2006)

Percepatan reaksi kimia melalui pemanasan dengan gelombang mikro merupakan hasil interaksi antara gelombang dan bahan (Perreux & Loupy 2001). Efek termal (pemanasan dielektrikum) dihasilkan oleh polarisasi dipol sebagai akibat interaksi dipol-dipol antara molekul polar dan medan elektromagnetik. Untuk menyesuaikan gerakan medan elektromagnetik pada frekuensi tertentu, molekul-molekul polar berusaha mengikuti orientasi medan tersebut dan menjajarkan dirinya searah dengan medan. Gerakan acak partikel-partikel ini membangkitkan panas. Pada frekuensi 2.45 GHz (frekuensi gelombang mikro), peristiwa penjajaran diri molekul dan proses sebaliknya mencapai 4.9 × 109 kali per detik dan menghasilkan pemanasan yang sangat cepat. Secara teoretis, energi panas ini memengaruhi laju reaksi. Semakin banyak energi radiasi yang diserap, semakin besar energi panas yang diterima oleh larutan bahan dan semakin tinggi suhunya, sehingga laju reaksi semakin cepat dan produk yang terbentuk semakin banyak.

PROSPEK PENERAPAN TEKNOLOGI GELOMBANG MIKRO DALAM ISOMERISASI EUGENOL SKALA KOMERSIAL Berdasarkan beberapa hasil penelitian yang telah dilakukan, penggunaan gelombang mikro untuk isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol menunjukkan prospek yang sangat baik untuk diterapkan dalam skala komersial. Hal ini disebabkan penggunaan gelombang mikro dapat menghasilkan rendemen dan kemurnian isoeugenol yang tinggi dengan waktu reaksi yang singkat sehingga meningkatkan efisiensi proses. Dalam aplikasi secara komersial, berkurangnya waktu reaksi yang sangat signifikan dibandingkan dengan proses konvensional akan mengurangi biaya variabel seperti biaya tenaga kerja dan biaya listrik sehingga mengurangi biaya produksi. Selain itu, diperolehnya isoeugenol dengan kemurnian yang tinggi akan mempersingkat waktu pemurnian selanjutnya sehingga mengurangi biaya produksi isoeugenol secara keseluruhan. Kendala yang dihadapi untuk penerapan teknologi gelombang mikro secara komersial saat ini ialah terbatasnya kapasitas proses. Hal ini disebabkan penetrasi gelombang mikro hanya dapat

320

menembus suatu bahan sampai kedalaman tertentu. Karena itu, salah satu pusat perhatian dalam pengembangan teknologi gelombang mikro dalam 2 tahun terakhir ialah peningkatan kapasitas (scalingup) reaktor gelombang mikro (Taylor & Atri 2005). Dua pendekatan yang digunakan dalam peningkatan kapasitas reaktor gelombang mikro ialah scale-up reaktor tipe single mode melalui sistem flow-through dan scale-up reaktor tipe multi-mode melalui sistem lompok (batch). Sistem flow-through pada reaktor tipe single-mode mampu meningkatkan kapasitas reaktor dari skala gram menjadi kilogram (dikembangkan oleh CEM Corp.), sedangkan sistem lompok pada reaktor multi-mode mampu mengakomodasi volume reaktan yang lebih besar dibandingkan dengan tipe single-mode dalam sekali proses (dikembangkan oleh Biotage AB dan Milestone s.r.l.).

SIMPULAN Transformasi eugenol menjadi isoeugenol merupakan salah satu cara meningkatkan nilai tambah minyak daun cengkeh. Prinsip transformasi ini adalah reaksi isomerisasi dengan cara memindahkan ikatan rangkap gugus alkenil ke posisi yang terkonjugasi dengan ikatan rangkap cincin benzena. Reaksi isomerisasi eugenol menjadi isoeugenol dapat dilakukan dengan menggunakan katalis basa atau logam transisi. Katalis logam transisi cenderung menghasilkan isoeugenol dengan kemurnian yang lebih tinggi dan lebih selektif terhadap produk isomerisasinya. Isomerisasi eugenol menggunakan kedua jenis katalis tersebut dapat dilakukan dengan pemanasan gelombang mikro. Penggunaan panas gelombang mikro memiliki keunggulan dibandingkan dengan pemanasan konvensional, yaitu dapat mempercepat waktu reaksi 5−20 kalinya. Penggunaan teknologi gelombang mikro dalam isomerisasi eugenol memiliki prospek yang sangat baik untuk diterapkan pada skala komersial, namun diperlukan peningkatan kapasitas reaktornya.

DAFTAR PUSTAKA Andrieux J, Barton DHR, Patin H. 1977. Rhodium-catalyzed isomerization of some unsaturated organic substrates. J Chem Soc Perkin Trans 1:359-363. [Anonim]. 2005. Isoeugenol (4-hydroxy-3-methoxy-1-propen-1-yl benzene). CAS 97-54-1. HERA Risk Assessment of Isoeugenol. http://www.heraproject.com. Baby C. 1997. Microwave isomerization of safrole and eugenol. Syn Comm 27:4335-4340. Cerveny L, Krejcikova A, Marhoul A, Ruzicka V. 1987. Isomerization of eugenol to isoeugenol. React Kinet Catal Lett 33:471-476. Copson DA. 1975. Microwave Heating. Ed ke-2. Connecticut: AVI. Chiu A. 2002. Transition metal-catalyzed olefin isomerization of allylic systems. Evans Group Seminar, 15 Mar 2002. http:www//daecr1.harvard.edu/pdf. [Deptan] Departemen Pertanian. 2005. Prospek dan Arah Pengembangan Agribisnis Cengkeh: Dukungan Segi Teknologi Pascapanen. Jakarta: Badan Litbang Pertanian, Deptan. hlm 66. Egloff G, Hulla G, Komasewsky VI. 1942. Isomerization of Pure Hydrocarbons. New York: Reinhold. Furia TE, Bellanca N. 1975. Fenarolies Handbook of Flavour Ingredients. Volume ke-2. Ed ke-2. Cleveland: CRC Pr. Givaudan L, penemu. 1977. Process for the preparation of isoeugenol. Patent Specification 1 489 451. London: The Patent Office. http://v3.espacenet.com. Indesso 2006. Eugenol and Isoeugenol Specification. Jakarta: Indesso Aroma.

321

Moestafa A, Waspodo P, Sitorus SP. 1990. Pengaruh suhu, lama pemanasan, dan konsentrasi kalium hidroksida terhadap proses transformasi eugenol menjadi isoeugenol asal minyak daun cengkeh. Warta IHP 7:1-7. Perreux L, Loupy A. 2001. A tentative rationalization of microwave effects in organic synthesis according to the reaction medium, and mechanistic consideration. Tetrahedron 57:9199-9223. Sumangat D, Laksmanahardja MP, Hernani, Nurdjannah N, Ma’mun. 2005. Penelitian pengolahan isoeugenol dari minyak daun cengkeh. Bul Teknol Pascapanen Pert 1:57-63. Soesanto H. 2006. Pembuatan isoeugenol dari eugenol menggunakan pemanasan gelombang mikro [skripsi]. Bogor: Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Sharma SK, Srivastava VK, Jasra RV. 2006. Selective double bond isomerization of allyl phenyl ethers catalyzed by ruthenium metal complexes. J Mol Catal A: Chem 245:200-209. Taylor M, Atri S. 2005. Development in Microwave Chemistry. United Kingdom: Evalueserve. Wingrove AS, Caret RL. 1981. Organic Chemistry. New York: Harper & Row.

322

DAYA INHIBISI EKSTRAK KASAR FLAVONOID SAMBILOTO (Andrographis paniculata [Burm. F] Ness) DAN TEMU PUTIH (Curcuma zedoaria Roscoe) TERHADAP AKTIVITAS TIROSIN KINASE SECARA IN VITRO Gustini Syahbirin, Dyah Iswantini Pradono, Tri Rahayu Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Berdasarkan hasil uji fitokimia, tanaman sambiloto (Andrographis paniculata [Burm. F] Ness) dan rimpang temu putih (Curcuma zedoaria Roscoe) mengandung senyawaan flavonoid. Salah satu manfaat flavonoid ialah sebagai penghambat aktivitas tirosin kinase, enzim yang berperan penting dalam perkembangan sel kanker. Inhibitor spesifik tirosin kinase merupakan salah satu metode yang digunakan untuk mencari obat antikanker. Daya inhibisi ekstrak kasar sambiloto terhadap tirosin kinase lebih besar daripada kontrol positif, yaitu senyawa genistein (4',5,7-trihidroksiisoflavon), sedangkan daya inhibisi ekstrak kasar flavonoid temu putih lebih rendah.

PENDAHULUAN Indonesia kaya dengan tanaman yang berpotensi mencegah maupun mengobati penyebaran sel kanker, antara lain sambiloto (Andrographis paniculata Ness) dan temu putih (Curcuma zedoaria Roscoe). Penelitian yang dilakukan oleh Sukardiman et al. (2001) melaporkan bahwa ekstrak metanol tanaman sambiloto mempunyai efek sitotoksik terhadap kultur sel kanker leukemia. Kandungan senyawa aktif tanaman ini yang berfungsi sebagai antikanker bahkan telah dipatenkan oleh US patent dengan nomor 6,486,196 (Nanduri et al. 2002) dan 6,410,590. Namun, paten tersebut menggunakan sel kanker untuk mengetahui keaktifan senyawa aktif herbal sambiloto. American Institute of Cancer Medical Herbs melaporkan bahwa temu putih mengandung ribosome inacting protein (RIP) yang berfungsi sebagai antikanker, antioksidan, dan anti-peradangan. Temu putih dapat menyembuhkan kanker serviks serta meningkatkan khasiat radioterapi dan kemoterapi guna membunuh sel kanker (Dalimartha 1999). Tirosin kinase, dikenal juga sebagai tirosilprotein kinase, protein kinase (tirosin), atau gen lck tirosin kinase, merupakan enzim yang berperan dalam transduksi sinyal sel. Aktivitas tirosin kinase sebagai reseptor faktor pertumbuhan dan produk protein onkogen sangat penting bagi perbanyakan sel. Tirosin kinase mengkatalisis transfer gugus fosforusil ujung (gama) dari adenosin trifosfat (ATP) ke tirosin pada substrat protein sehingga mengubah struktur dan fungsi substrat (Voller et al. 1986; O’Dwyer & Druker 2000). Reaksi fosforilasi protein tersebut hanya terjadi ketika jumlah ATP dalam sel berlimpah. Protein kinase, akseptor gugus fosforusil, dikelompokkan menjadi 2, yaitu (1) protein kinase serin dan treonin serta (2) protein kinase yang secara spesifik memfosforilasi residu tirosin. Kanker merupakan penyakit yang disebabkan oleh peningkatan aktivitas enzim tirosin kinase akibat proses mutasi (Mahlmann 2000). Matter (2002) menyatakan bahwa inhibitor spesifik tirosin kinase merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk mencari obat antikanker. Aktivitas tirosin kinase dapat dihambat oleh beberapa senyawa metabolit sekunder, misalnya flavonoid. Botelho et al. (1988) menyatakan bahwa flavonoid memiliki kemampuan menghambat reseptor faktor

323

pertumbuhan epidermal (EGFR) dari tirosin kinase. Senyawaan flavonoid juga diduga berperan dalam menghalangi terjadinya ikatan antara benzo(a)pirena (salah satu penyebab kanker) dan DNA (Le Bon et al. 1993). Dardanela (2005) melaporkan bahwa senyawa polifenol tanaman dapat menghambat aktivitas EGFR. Selain itu, ekstrak kasar flavonoid buah mengkudu, buah mahkota dewa, meniran, dan keladi tikus juga dilaporkan memiliki daya hambat terhadap aktivitas tirosin kinase yang lebih tinggi dibandingkan dengan kontrol positif, yaitu genistein. Genistein merupakan senyawa isoflavon pada biji kedelai. Menurut Dixon & Ferreira (2005), genistein mampu menghambat aktivitas sel kanker (kemoprotektan), mengobati penyakit kardiovaskular, serta memiliki aktivitas fitoestrogen. Selain itu, genistein mampu memerangkap radikal bebas molekul oksigen sehingga menghambat pembentukan anion superoksida dari xantin oksidase (Wei et al. 1995). Selain, genistein, contoh lain inhibitor alami tirosin kinase ialah daidzein (Challem et al. 2002; Rood 1998). Enzim lain yang selalu terlibat dalam pertumbuhan sel kanker ialah siklooksigenase, khususnya siklooksigenase II dan DNA topoisomerase II. Efek analgesik dan anti-peradangan dari DNA topoisomerase digunakan sebagai target utama dalam penemuan obat antikanker. Inhibitor topoisomerase umumnya memiliki efek stabilisasi lanjutan dari reaksi kovalen topoisomerase, sehingga terlibat dalam pembelahan DNA serta penghancuran sel kanker (Sismindari 2003). Penelitian ini menggunakan uji inhibisi ekstrak kasar flavonoid tanaman sambiloto dan rimpang temu putih terhadap aktivitas tirosin kinase secara in vitro.

BAHAN DAN METODE Bahan

Contoh rimpang temu putih pada penelitian ini diperoleh dari kebun tanaman obat Karyasari, Leuwiliang, Bogor, sedangkan contoh tanaman sambiloto didapat dari kebun tanaman obat Pusat Studi Biofarmaka, Bogor. Sementara itu, bahan-bahan kimia yang digunakan ialah pereaksi Mayer, Dragendorf, Wagner, etanol, metanol (MeOH), kloroform, air, H2SO4, NaOH, serbuk logam Mg dan Zn, amil alkohol, eter, anhidrida asam asetat, HCl pekat, H2SO4 pekat, FeCl3, pereaksi Folin-Ciocalteau, Na2CO3, larva udang, air laut, akuades, asam galat, dan kit untuk uji aktivitas tirosin kinase dengan metode enzyme linked immunosorbent assay (ELISA).

Metode Penelitian Ekstraksi flavonoid (Markham 1988) Rimpang temu putih dan daun-batang sambiloto dibersihkan dengan air, diiris tipis, dikeringudarakan, dan dikeringkan dengan oven (40−50 oC) selama 4−5 hari. Contoh kering diblender hingga diperoleh serbuk dengan butiran yang cukup halus, dan ditimbang. Masing-masing serbuk direndam dalam pelarut metanol-air 9:1 (v/v) sebanyak 2 kali. Setelah itu, contoh disaring dan diambil filtratnya. Residunya direndam kembali dengan pelarut metanol-air 1:1 (v/v) sebanyak 1 kali. Kemudian filtrat dan residunya dipisahkan. Setiap maserasi dilakukan selama 2 × 24 jam dengan diaduk teratur. Seluruh filtrat yang terkumpul digabungkan dan dipekatkan. Ekstrak pekatnya lalu dipartisi dengan heksana (teknis) sebanyak 2 kali. Lapisan MeOH-H2O dipisahkan dari lapisan heksana dan dipartisi dengan kloroform (p.a.) sebanyak 1 kali. Lapisan MeOH-H2O kemudian dipisahkan dari lapisan kloroform. Fraksi-fraksi air-MeOH digabungkan dan diuapkan pelarutnya. Uji fitokimia (Harborne 1996) Uji fitokimia yang dilakukan terhadap kedua contoh, rimpang temu putih dan daun-batang sambiloto, meliputi uji alkaloid, flavonoid, terpenoid dan steroid, saponin, serta tanin.

324

Penentuan total fenol Sebanyak 5 mg ekstrak kering dilarutkan dalam 2 ml etanol 95%, ditambahkan 5 ml akuades dan 0.5 ml reagen Folin-Ciocalteau 50% (v/v), lalu didiamkan 5 menit. Setelah itu, ditambahkan 1 ml Na2CO3 5% (b/v), dihomogenisasi, dan diinkubasi dalam ruang gelap selama 1 jam. Kemudian dihomogenisasi kembali dan diukur serapannya pada panjang gelombang 725 dan 760 nm. Penentuan konsentrasi mematikan 50% (LC50) dengan uji kematian larva udang (BSLT) Sebanyak 10 ekor larva udang (Artemia.salina Leach) dimasukkan ke dalam vial yang berisi air laut lalu ditambahkan larutan ekstrak kasar flavonoid sambiloto dan temu putih sehingga konsentrasi akhirnya menjadi 1000, 500, 100, dan 10 ppm. Pengamatan dilakukan setelah 24 jam dengan menghitung jumlah larva yang mati dari total larva yang dimasukkan ke dalam vial. Data persen mortalitas kumulatif diolah dengan analisis probit LC50 pada selang kepercayaan 95%. Air laut tanpa penambahan ekstrak digunakan sebagai kontrol. Penentuan daya inhibisi ekstrak terhadap aktivitas tirosin kinase Pelapisan 96-wells microtiter plate. Pelapisan dilakukan dengan cara sebagai berikut. Plastik penutup dilepaskan dari tempatnya, kemudian sejumlah sumur yang diperlukan ditempatkan dalam plate holder. Contoh larutan stok substrat tirosin kinase (PGT, polimer sintetik acak poli-Glu-Tyr) dicairkan dan sebanyak 125 µl ditambahkan ke dalam setiap sumur. Kemudian mikrotiter ditutup dan plate diinkubasi semalam pada suhu 37 °C. Setelah itu, larutan substrat yang tidak terlapis dibuang dan masing-masing sumur dicuci dengan 200 µl bufer pencuci (PBS-Tween 20). Bufer pencuci ini dibuang dan sumur dikeringkan selama 2 jam pada suhu 37 °C. Pengujian protein tirosin kinase (PTK). Pelarut bufer tirosin kinase (BTK) dengan konsentrasi 1× dibuat dengan cara melarutkan BTK konsentrasi 10× sebanyak 1 ml ke dalam 9 mL air deionisasi. Selanjutnya, 32.5 µl EGFR (130U) dicairkan, dicampur dengan 292.5 µl BTK (1×) (setiap 10 µl mengandung 4 U), diaduk, dan disimpan dalam es. Larutan stok ATP sebanyak 128 µl juga dilarutkan dengan 3.2 ml BTK (1×), diaduk perlahan, dan disimpan dalam es. Setelah itu, sebanyak 5 vial disiapkan, 1 vial untuk kontrol EGFR, 1 vial untuk genistein (sebagai pembanding), dan 3 vial untuk masing-masing contoh. EGFR sebanyak 20 µl dimasukkan ke dalam setiap vial, kemudian berturutturut ditambahkan 20 µl air bebas ion, 20 µl genistein, dan 20 µl contoh. BTK sebanyak 90 µL (1×) yang mengandung ATP dimasukkan ke dalam masing-masing sumur. Setelah itu, ditambahkan 20 µl larutan contoh yang berisi EGFR (duplo) sehingga tiap sumur mengandung 10 µl sampel dan 10 µl EGFR 4U dengan konsentrasi ATP 0.3 mM. Selanjutnya, sumursumur ditutup dan diinkubasi pada suhu kamar. Setelah 30 menit, campuran dikeluarkan dari masingmasing sumur dan sumur dicuci lima kali dengan 200 µl bufer pencuci. Sebanyak 100 µl larutan antibodi konjugat (horse radish peroxidase, HRP) dimasukkan ke dalam sumur. Sumur ditutup dan diinkubasi kembali selama 30 menit pada suhu kamar. Setelah itu, larutan antibodi dikeluarkan dari sumur, dan setiap sumur dicuci dengan 200 µl bufer pencuci sebanyak 5 kali. Substrat (o-fenilenadiamina, OPD) sebanyak 100 µl segar ditambahkan pada masing-masing sumur dan diinkubasi selama 7 menit dalam keadaan gelap pada suhu kamar. Larutan substrat peroksidase segar dibuat dengan cara melarutkan satu tablet OPD dan satu tablet urea hidrogen peroksida dalam 20 ml air deionisasi, dicampurkan sampai larut, dan dihindarkan dari cahaya sampai digunakan. Larutan ini tidak untuk disimpan. Warna jingga-kuning akan muncul dalam sumur yang positif. Reaksi dihentikan dengan penambahan 100 µl H2SO4 2.5 N sebagai larutan penghenti pada masing-masing sumur. Setelah 30 menit, umur diukur absorbansnya dengan microplate ELISA yang ditetapkan pada 490 nm.

325

HASIL DAN PEMBAHASAN Rendemen Ekstrak Kasar Flavonoid Rendemen ekstrak temu putih lebih besar daripada tanaman sambiloto (Tabel 1). Namun, selisihnya tidak terlalu signifikan, yaitu hanya 2.91%. Hal ini dapat disebabkan oleh keberadaan molekul pati dalam rimpang temu putih yang mencapai sekitar 12%. Jumlah gugus hidroksil yang cukup banyak dalam molekul pati menyebabkan pati ikut terekstraksi oleh pelarut yang juga bersifat polar. Ekstrak kasar flavonoid tanaman sambiloto dan temu putih masih berupa pasta walaupun telah dilakukan pengeringan beku selama kira-kira 48 jam. Tabel 1 Rendemen ekstrak kasar flavonoid rimpang temu putih dan batang-daun sambiloto Contoh

Rendemen (%)

Sambiloto Temu putih

16.90 19.81

Wujud Pasta hijau pekat Pasta cokelat pekat

Penapisan Fitokimia Berdasarkan hasil uji fitokimia (Tabel 2), kandungan metabolit sekunder rimpang temu putih segar dan kering tidak berbeda, yaitu alkaloid, flavonoid glikosida, flavonoid aglikon, saponin, dan terpenoid, sedangkan uji tanin dan steroid memberikan hasil yang negatif. Hasil uji fitokimia kedua jenis contoh daun sambiloto juga menunjukkan kandungan senyawa yang secara kualitatif sama, yaitu alkaloid, flavonoid glikosida, flavonoid aglikon, tanin, dan steroid, tetapi tanpa saponin dan terpenoid. Namun, ekstrak kasar flavonoid tidak memiliki kandungan yang sama dengan contoh segar maupun keringnya. Senyawaan tanin dan alkaloid tidak teridentifikasi dalam ekstrak kasar flavonoid sambiloto, sedangkan ekstrak kasar flavonoid rimpang temu putih tidak mengandung senyawaan terpenoid. Tabel 2 Hasil penapisan fitokimia tanaman segar dan kering serta ekstrak kasar flavonoid Contoh Rimpang temu putih Segar Kering Ekstrak kasar flavonoid Daun-batang sambiloto Segar Kering Ekstrak kasar flavonoid

A

Hasil Uji Kualitatif* F (g) F (a) Sa T

Te

S

++ + +

+ + ++

+ + +

+ + +

− − −

+ + −

− − −

+ + −

+ + +++

+ ++ +++

− − +

+ + −

− − −

+ + +

* Keterangan: A = alkaloid, F(g) = flavonoid glikosida, F(a) = flavonoid aglikon, Sa = saponin, T = tanin, Te = triterpenoid, S = steroid. (+) = hasil uji positif, jumlah menunjukkan intensitas, (−) = hasil uji negatif.

Hasil uji fitokimia terhadap golongan flavonoid dalam ekstrak kasar flavonoid sambiloto dan temu putih berbeda intensitas warnanya. Pada uji flavonoid golongan aglikon, ekstrak sambiloto menghasilkan warna merah yang cukup pekat pada lapisan amil alkohol, sementara ekstrak temu putih menghasilkan warna jingga. Perbedaan ini dapat disebabkan oleh perbedaan jenis flavonoid yang terkandung. Hasil uji fitokimia terhadap senyawa flavonoid glikosida juga memperlihatkan warna merah yang lebih intensif pada ekstrak sambiloto ketika ditambahkan HCl pekat.

326

Bagaimanapun, uji fitokimia menunjukkan tingginya kandungan flavonoid pada kedua tanaman. Hal ini didukung oleh nilai absorbans yang cukup besar pada uji total fenol terhadap kedua ekstrak (Tabel 3). Tabel 3 Hasil uji total fenol pada ekstrak tanaman dengan metode spektrofotometri sinar tampak Ekstrak kasar tanaman

Absorbans (A) 725 nm 760 nm

Blangko Sambiloto Temu putih

0.0052 1.0362 0.9830

0.0081 1.6198 1.5528

Konsentrasi Mematikan 50% (LC50)

Konsentrasi (ppm)

Penentuan LC50 pada penelitian ini didasarkan pada konsentrasi ekstrak yang dapat mematikan populasi larva udang sebanyak 50%, biasa dikenal sebagai uji BSLT. Penelitian ini menggunakan dosis standar untuk uji tersebut, yaitu 0, 10, 100, 500, dan 1000 ppm. Nilai LC50 hasil analisis dengan metode Probit Quant ditampilkan pada Gambar 1. 1600

1570.76

1500 1400

1351.83

1300 1200 Temu putih

Sambiloto

Ekstrak tanaman

Gambar 1 Nilai LC50 ekstrak tanaman terhadap larva A. salina. Nilai LC50 ekstrak kasar flavonoid tanaman sambiloto dan temu putih berturut-turut ialah 1351.83 dan 1570.76 ppm. Karena kedua ekstrak baru bersifat toksik pada konsentrasi lebih dari 1000 ppm, mereka tidak dapat dikatakan berpotensi bioaktif (Meyer et al. 1982). Di sisi lain, kedua ekstrak tanaman tersebut dapat diharapkan tidak akan memberikan efek toksik terhadap tubuh walaupun dikonsumsi secara terus-menerus dalam jangka waktu yang lama. Data total fenol dan nilai LC50 kedua ekstrak ternyata saling mendukung. Tingginya kandungan total fenol ekstrak sambiloto menyebabkan nilai LC50-nya lebih kecil dibandingkan dengan ekstrak temu putih. Hal ini menunjukkan bahwa ekstrak akan semakin bersifat toksik dengan meningkatnya kadar total fenol.

Daya Hambat In Vitro Ekstrak Kasar Flavonoid terhadap Enzim Tirosin Kinase Kontrol positif yang digunakan pada penelitian ini ialah genistein, senyawa isoflavonoid yang lazim digunakan sebagai standar dalam analisis daya hambat terhadap tirosin kinase. Senyawa ini berinteraksi secara kompetitif dengan sisi aktif ATP dan nonkompetitif dengan sisi aktif substrat tirosin kinase (Akiyama et al. 1987). Genistein telah digunakan untuk pengobatan kemoterapi sel kanker karena mampu menghambat aktivitas tirosin kinase (Dixon 2005). Hasil pengukuran disajikan pada Gambar 2. Besarnya nilai absorbans sebanding dengan aktivitas tirosin kinase. Jadi, nilai absorbans yang besar menunjukkan bahwa enzim tersebut tidak atau hanya sedikit diinhibisi aktivitasnya oleh ekstrak kasar flavonoid tanaman. Daya inhibisi ekstrak kasar

327

sambiloto (67.19%) lebih besar bila dibandingkan dengan kontrol positif (genistein) (6.71%), sedangkan ekstrak kasar temu putih lebih rendah (2.83%) (Gambar 3). Perbedaan daya hambat tersebut diduga karena kandungan senyawa flavonoid yang tidak sama. A b s o r b a n s

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

EGFR

Genistein

Smblt T.putih (Ekstrak kasar flavonoid)

Gambar 2 Absorbans hasil uji daya hambat EGFR (kontrol negatif), ekstrak kasar flavonoid, dan genistein (kontrol positif) terhadap enzim tirosin kinase. D a y a h a m b a t (%)

80 70 60 50 40 30 20 10 0

67.19

0 EGFR

6.71 Genistein

2.83 Sambiloto

T. Putih 300 ppm (Ekstrak kasar tanaman)

Gambar 3 Persen inhibisi EGFR, genistein, serta ekstrak kasar flavonoid sambiloto dan temu putih terhadap enzim tirosin kinase.

SIMPULAN Ekstrak kasar flavonoid dari daun-batang tanaman sambiloto dan rimpang temu putih berpotensi menghambat aktivitas enzim tirosin kinase secara in vitro. Besar daya inhibisi kedua ekstrak dan genistein berturut-turut ialah 67.19, 2.83, dan 6.71%.

DAFTAR PUSTAKA Akiyama et al. 1987. Genistein, a specific inhibitor of tyrosine-specific protein kinases. J Biol Chem 262:5592-5595. Challem J, Toecus VD, Knittel L. 2002. The Soy Sensation. New York: McGraw-Hill. Dalimartha S. 1999. Atlas Tumbuhan Obat Indonesia. Jakarta: Trubus Agriwidya. Dardanella D. 2005. Penapisan beberapa tanaman asli Indonesia yang berpotensi sebagai antikanker secara enzimatis [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Dixon RA, Ferreira D. 2002. Molecules of interest genistein. Phytochemistry 60: 205-211. Harborne JB. 1987. Metode Fitokimia. Kosasih P, penerjemah. Bandung: ITB. Terjemahan dari: Phytochemical Methods.

328

Le Bon AM, Ziegler L, Suschetet M, Fenwick GR. 1993. Comparison of hydroxylated and nonhydroxylated natural flavonoid as in vitro modulator of rat hepatic benzo(a)pyrene metabolism. Waldron KW, Johnson IT, editor. Royal Society of Chemistry, Cambridge. Paris: INRA Toxycologic Nutritionelle. Mahlmann S. 2000. Signalling by Tyrosine Kinase on Regular and Disrupted Hemetopiesis. Swiss: Brusell Institute of Immunology. Matter A. 2002. Tyrosine kinase inhibitors in cancer drug discovery. http://www.cancerprev.org/ Journal/Issue/26/101/901/4237. [21 Jan 2005]. Markham KR. 1988. Cara Mengidentifikasi Flavonoid. Kosasih P, penerjemah. Bandung: ITB. Terjemahan dari: Techniques of Flavonoid Identification. Meyer BN et al. 1982. Brine shrimp: A convenient general bioassay for active plant constituents. Planta Med 45:31-34. Nanduri et al., penemu; Dr. Reddy’s Research Foundation. 26 Nov 2002. Anticancer compounds: Process for their preparation and pharmaceutical compositions containing them. US patent 6 486 196. O’Dwyer ME, Druker BJ. 2000. The Role of Tyrosine Kinase Inhibitor ST1571 in The Treatment of Cancer. Portland: Oregon Health Sciences Univ. Rood L. 1998. The possible role of soy in breast cancer prenvetion and treatment. Nutr Bytes 4:1-5. Sismindari. 2003. Cytotoxic effects of methanol extract isolated from Erythrina fusca Lour leaves on cancer cell-lines. 35(2). Sukardiman, Rahman A, Ekasari W. 2001. Efek sitotoksik senyawa andrografolida dari herba sambiloto terhadap kultur sel kanker leukemia [laporan penelitian]. Surabaya: Fakultas Farmasi, Universitas Airlangga. Voller A, Bidwell D, Bartlett A. 1986. Microplate enzyme immunoassay for the immunodiagnosis of virus infection. Di dalam: Rose NR, Friedman H, editor. Manual of Clinical Laboratory Immunology. Ed ke-3. Washington DC: American Society for Microbiology. Wei H, Bowen R, Cai Q. 1995. Antioxidant and antipromotional effects of the soybean isoflavone genistein. Proc Soc Exp Biol Med 208:124-130.

329

PERBANDINGAN METODE EKSTRAKSI DAGING BIJI PICUNG (Pangium edule Reinw.) DAN UJI TOKSISITAS TERHADAP Artemia salina Leach. Tuti Setiawati Sudjana, Eti Rohaeti, Fillia Candra Yunita Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRACT Correct extraction method can maximized the extraction of picung seed flesh’s components without changing their properties. Seeking of the best extraction method towards picung seed flesh giving the highest toxicity effect to Artemia salina Leach was done in this research. Picung seed flesh was extracted by maceration and soxhletation methods with methanol, chloroform, and n-hexane. Water steam distillation method was also done. The toxicity of crude extracts were tested against A. salina with concentration of 1000, 100, and 10 ppm. The test showed that methanol maceration extract had the highest toxicity effect with lethal concentration 50% (LC50) of 274.26 ppm. This extract was then fractionated by preparative thin layer chromatography, using methanol-chloroform-butanol (1:9:0.05) as the eluent, and five fractions were obtained. The separated components were tested against A. salina and fraction III was shown to be toxic with LC50 of 470.08 ppm. The phytochemical assay result of this fraction showed the presence of alkaloid.

PENDAHULUAN Picung (Pangium edule Reinw.) tumbuh tersebar di seluruh Nusantara, dapat hidup dalam berbagai kondisi tanah dengan ketinggian 300−1000 m, serta dapat hidup lebih dari 100 tahun. Tumbuhan ini merupakan kekayaan alam yang sangat tinggi nilainya. Selain digunakan sebagai bumbu masak, biji picung juga dimanfaatkan sebagai obat kudis, bahan baku minyak goreng, sabun, pewarna benang, antioksidan, fungisida, antibakteri, dan insektisida (Burkill 1935). Penelitian mengenai manfaat biji picung juga telah banyak dilakukan, di antaranya hasil penelitian Indriyati (1987) yang menyatakan bahwa biji picung dapat digunakan sebagai antibakteri pembusuk pada ikan secara in vitro. Penelitian lain dilakukan oleh Saputra (2002) yang menunjukkan bahwa ekstrak air daging biji picung memberikan efek fungisida paling besar terhadap cendawan Fusarium solani. Daging biji picung dapat termanfaatkan secara optimal jika digunakan metode ekstraksi yang tepat. Metode ekstraksi yang tepat akan menghasilkan rendemen ekstrak yang maksimum tanpa mengurangi toksisitasnya. Penelitian ini membandingkan 3 metode ekstraksi, yaitu maserasi dan soxhletasi dengan pelarut yang berbeda-beda kepolarannya serta metode distilasi uap, untuk mencari metode ekstraksi terbaik terhadap daging biji picung berdasarkan efek toksisitas terbesar terhadap larva Artemia salina.

330

BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Serbuk daging biji picung, larva A. salina, Tween 80, metanol, kloroform, n-heksana, NaOH, asam pikrat, NH4OH, H2SO4 2 M, akuades, kertas saring, toluena, dietil eter, pereaksi LiebermanBuchard, HCl 2 M, pereaksi Dragendorf, Mayer, dan Wagner, FeCl3, dan silika gel G60F254, merupakan bahan-bahan yang digunakan. Sementara alat-alat yang digunakan ialah alat-alat kaca, radas Soxhlet, mesin penggiling, oven, eksikator, neraca analitik, penguap putar, lempeng tetes, pinggan porselen, cawan petri, dan pelat kromatografi lapis tipis (TLC) alumunium.

Metode Penyiapan contoh Contoh yang digunakan ialah daging biji picung yang diperoleh dari daerah Cimahpar, Bogor. Daging biji picung (DBP) ini digiling dengan mesin penggiling sampai halus kemudian disimpan di dalam lemari pembeku. Penetapan kadar air Pinggan porselen dikeringkan pada suhu 105 °C selama 30 menit, didinginkan dalam eksikator, dan ditimbang. Sebanyak 3 g serbuk DBP dimasukkan ke dalam pinggan porselen, kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 100 °C selama 3 jam, didinginkan dalam eksikator, dan ditimbang kembali. Ekstraksi Maserasi. Serbuk DBP direndam berulang-ulang dalam metanol sampai warna pelarut yang digunakan seperti asalnya. Semua filtrat hasil penyaringan dijadikan satu dan dipekatkan menggunakan penguap putar. Hal yang sama juga dilakukan dengan pelarut n-heksana dan kloroform. Ketiga ekstrak ini digunakan untuk uji fitokimia dan uji kematian larva udang (BSLT). Soxhletasi. Serbuk DBP disoxhletasi selama 8 jam per hari sampai warna pelarut seperti semula. Filtrat yang diperoleh dipekatkan dan ditimbang untuk mengetahui kadarnya berdasarkan bobot kering contoh yang telah dikoreksi terhadap kadar airnya. Ekstrak kasar metanol diuji fitokimia dan BSLT. Hal yang sama juga dilakukan terhadap pelarut n-heksana dan kloroform. Distilasi uap. Contoh serbuk didistilasi uap dengan laju konstan, yaitu 2−3 sirkulasi per detik. Distilatnya ditampung dan juga diuji fitokimia dan BSLT. Uji fitokimia Seluruh uji fitokimia dilakukan sesuai metode Harborne (1987). Uji kematian larva udang (BSLT) Sebanyak 100 mg ekstrak dilarutkan dalam 50 ml air laut untuk memperoleh konsentrasi 2000 ppm; larutan tersebut diencerkan menjadi 200 dan 20 ppm. Pelarutan ekstrak di dalam air laut perlu dibantu dengan penambahan Tween 80, khususnya untuk ekstrak kloroform dan n-heksana. Setelah itu, sebanyak 10 ekor larva A. salina dimasukkan ke dalam botol yang telah berisi 5 ml air laut dan 5 ml larutan contoh 2000 ppm sehingga konsentrasinya menjadi 1000 ppm. Hal yang sama juga dilakukan untuk konsentrasi 100 dan 10 ppm (berturut-turut dari konsentrasi 200 dan 20 ppm). Pengujian

331

dilakukan sebanyak 5 ulangan dengan menggunakan kontrol terhadap pelarut dan Tween 80. Pengamatan dilakukan setelah 24 jam dengan menghitung jumlah larva yang mati di dalam botol. Pemeriksaan dengan TLC preparatif Pemeriksaan dilakukan dengan pelat TLC silika gel G60F254 terhadap ekstrak kasar yang paling aktif terhadap A. salina. Eluen yang digunakan ialah metanol-kloroform-butanol (1:9:0.005). Bercakbercak hasil elusi ekstrak diamati dengan lampu ultraviolet (UV) pada panjang gelombang (λ) 254 dan 356 nm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Rendemen ekstraksi DBP ditunjukkan pada Tabel 1. Rendemen tertinggi dengan metode maserasi diperoleh ketika menggunakan pelarut metanol, yaitu 22.37%. Sementara pelarut n-heksana menghasilkan rendemen tertinggi jika digunakan metode soxhletasi, yaitu 29.64%. Rendemen metode soxhletasi dengan pelarut kloroform dan n-heksana lebih tinggi dibandingkan dengan metode maserasi. Hal tersebut disebabkan oleh adanya sirkulasi pelarut panas secara automatis yang dapat meningkatkan kelarutan. Hal sebaliknya ditunjukkan oleh ekstrak metanol: rendemen dengan metode maserasi justru lebih tinggi. Hal ini menunjukkan adanya senyawa polar yang rusak karena pemanasan. Tabel 1 Rendemen hasil ekstraksi daging biji picung Pelarut ekstraksi

Rendemen (%) Maserasi Soxhletasi

Metanol Kloroform n-Heksana

22.37 15.33 12.76

18.10 17.72 29.64

Tidak diperoleh ekstrak dengan metode distilasi uap. Hal ini menunjukkan bahwa pada DBP tidak terdapat komponen atsiri, karena komponen terbesarnya ialah air dan lemak. Pemeriksaan senyawa metabolit sekunder pada DBP di antaranya dilakukan terhadap senyawaan alkaloid, flavonoid, saponin, tanin, terpenoid, dan asam sianida. Hasil yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel tersebut menunjukkan bahwa ekstrak metanol hasil maserasi mengandung metabolit sekunder paling banyak. Tabel 2 Uji fitokimia ekstrak hasil maserasi dan soxhletasi Golongan senyawa Alkaloid Triterpenoid Steroid Kuinon Flavonoid Tanin Saponin Sianida

332

Maserasi Ekstrak Ekstrak Ekstrak metanol kloroform n-heksana +++ + + − + + − ++

++ + − − + − − ++

+ − − − − − − −

Ekstrak metanol +++ + − − + + − −

Soxhletasi Ekstrak Ekstrak kloroform n-heksana ++ + + − − − − −

+ − − − − − − −

Uji BSLT terhadap semua ekstrak kasar DBP dilakukan pada konsentrasi 10, 100, dan 1000 ppm. Berdasarkan nilai konsentrasi mematikan 50% (LC50), ekstrak yang aktif hanya ekstrak metanol dan kloroform hasil maserasi serta ekstrak metanol hasil soxhletasi (Tabel 3). Ekstrak teraktif ditunjukkan oleh ekstrak metanol hasil maserasi dengan LC50 sebesar 274.26 ppm. Tabel 3 Nilai LC50 ekstrak hasil maserasi dan soxhletasi Metode ekstraksi Maserasi Soxhletasi

Ekstrak metanol

LC50(ppm) Ekstrak kloroform

Ekstrak n-heksana

274.26 751.90

916.13 1539.42

3110.83 2997.18

Hasil uji TLC memperlihatkan adanya 7 bercak yang selanjutnya difraksionasi dan menghasilkan 5 fraksi. Hasil uji BSLT kelima fraksi tersebut (Tabel 4) menunjukkan bahwa fraksi III merupakan fraksi yang paling aktif terhadap A. salina. Tabel 4 Hasil fraksionasi dan uji BSLT Fraksi ke-

Warna

Rf

LC50 (ppm)

1 2 3 4 5

Hijau Hijau muda Kuning Kuning Kuning

0.08 0.15 0.62 0.77 0.83

1095.32 1628.28 470.08 819.31 783.02

SIMPULAN Berdasarkan rendemen yang diperoleh, metanol baik digunakan untuk metode maserasi, sedangkan kloroform dan n-heksana baik untuk metode soxhletasi, dengan nilai rendemen berturutturut 22.37, 17.72, dan 29.64%. Sementara itu, metode distilasi uap tidak menghasilkan ekstrak kasar. Ekstrak kasar DBP mengandung senyawa golongan alkaloid, steroid, flavonoid, tanin, dan sianida. Ekstrak teraktif terhadap larva A. salina ialah ekstrak kasar metanol hasil maserasi dengan nilai LC50 274.26 ppm. Fraksionasi terhadap ekstrak ini menghasilkan 5 fraksi, dan fraksi yang teraktif ialah fraksi III dengan nilai LC50 470.08 ppm.

DAFTAR PUSTAKA Burkill IH. 1935. A Dictionary of the Economic Products of Malay Peninnsula. London: Crown Agents for the Colonies Milbank. Harborne JB. 1987. Metode Fitokimia. Kosasih P, penerjemah. Bandung: ITB. Terjemahan dari: Phytochemical Methods. Indriyati. 1987. Mempelajari aktivitas antibakterial biji picung (Pangium edule Reinw.) terhadap beberapa bakteri pembusuk ikan secara in vitro [skripsi]. Bogor: Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Rusman. 2002. Penapisan senyawa insektisida pada daun picung (Pangium edule Reinw.) [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Saputra TK. 2001. Potensi daging biji picung (Pangium edule Reinw.) [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

333

ADSORPTION OF AMINE SPECIES ON NANO-BALL ALLOPHANE AND ITS MOLECULAR ORBITAL MECHANISM Zaenal Abidin, Naoto Matsue, Henmi Terou Environmental Soil Science Laboratory, Faculty of Agriculture, Ehime University, Japan

ABSTRACT Adsorption isotherms of ammonia and pyridine on allophane sample were shown to be Langmuir type, indicating monolayer adsorption. Allophane adsorbed large amount of ammonia, from 3.68 to 9.38 mg/g, at equilibrium ammonia concentrations from 6.3 to 12.6 ppm. On the other hand, montmorillonite sample adsorbed from 0.68 to 1.50 mg/g at the same equilibrium concentration. Similar to ammonia adsorption, the amount of pyridine adsorbed on allophane was much greater than that on montmorillonite: 2.41 to 4.50 mg/g for allophane and 1.84 to 2.45 mg/g for montmorillonite at equilibrium concentration from 10 to 20 ppm. Molecular orbital calculation on the pore regions of allophane indicated that the water molecules bonded to Al atoms in the pores became unstable by elongation of Al-OH2 bonds. The coordination of Al atoms in these regions easily changed to five-fold coordination. Therefore, acid sites increased when allophane was heated higher than 150 °C, resulting strong vapor adsorption site on the structure. The results showed that allophane sample had higher adsorption capacity for ammonia and pyridine compared to montmorillonite sample. This also suggested that allophane had higher adsorption sensitivity to ammonia and pyridine at lower concentrations than the crystalline layer of silicate materials. In these concentrations, ammonia and pyridine is thought as the critical concentration for fairly strong odor in the environment. Therefore, allophane can be used as effective adsorbents to remove odorous vapors from the environment.

334

PEMANFAATAN ZEOLIT ALAM CIKALONG SEBAGAI ADSORBEN KROMIUM LIMBAH CAIR PROSES PENYAMAKAN KULIT Eti Rohaeti, Muhammad Sri Saeni1, Astiana Sastiono2 1

Departemen Kimia, FMIPA, IPB, 2 Departemen Tanah, Fakultas Pertanian, IPB

ABSTRAK Pemulihan kromium dari limbah cair penyamakan kulit (tanning) dengan cara pengendapan menjadi mahal jika jumlah kromium dalam limbah sedikit. Zeolit alam, mineral yang cukup melimpah di Indonesia, dapat digunakan sebagai adsorben dan penukar kation kromium dari larutannya pada konsentrasi rendah. Kemampuan adsorpsi zeolit asal Cikalong terhadap kromium dari filtrat sisa pengendapan limbah penyamakan ditetapkan pada penelitian ini melalui teknik lompok (batch) dan teknik lapik tetap (fixed-bed). Kromium diendapkan dengan larutan NaOH 1.5 M. Zeolit yang digunakan tergolong jenis mordenit dengan kemurnian 79%, luas pori 24.8 m2/g, dan kapasitas tukar kation 94.14 mek/100 g. Kapasitas adsorpsi terhadap kromium yang berasal dari limbah pada teknik lompok dan lapik tetap berturut-turut ialah 398 dan 90 mg/kg. Sementara kapasitas adsorpsi terhadap kromium(III) dari larutan simulasi berturut-turut 1749 dan 1450 mg/kg. Kata kunci: kromium, penyamakan, zeolit, adsorpsi, lompok, lapik tetap.

ABSTRACT Chromium recovery from tanning liquid waste by precipitation technique becomes costly at low chromium concentration. Natural zeolite, a quite abundant mineral in Indonesia, can be used as adsorbent and ion exchanger of chromium from its solution at low concentration. Adsorption capacity of zeolite from Cikalong towards chromium in filtrate of tanning waste precipitation residue was determined in this research by batch and fixed-bed methods. Chromium was precipitated with 1.5 M NaOH. The zeolite used was mordenite type with purity of 79%, pore area of 24.8 m2/g, and cation exchange capacity of 94.14 meq/100g. The capacity of chromium adsorption from the waste with batch and fixedbed methods were 398 and 90 mg/kg, respectively. In the same time, the capacity of chromium(III) adsorption from simulation solution were 1749 and 1450 mg/kg, respectively. Keywords: chromium, tanning, zeolite, adsorption, batch, fixed-bed.

PENDAHULUAN Sebanyak 90% kegiatan penyamakan di dunia menggunakan kromium (Ortega et al. 2005) dengan efisiensi adsorpsinya dari limbah hanya 60−70% (Bapedalda Jatim 2003). Oleh karena itu, kromium, logam berat yang bersifat karsinogen, terdapat dalam jumlah yang cukup besar dalam limbah penyamakan kulit (tanning), yaitu dapat mencapai 8000 ppm (Esmaeili et al. 2005). Mengurangi limbah dengan cara menangani sumbernya merupakan solusi terbaik bagi masalah pencemaran lingkungan akibat kegiatan industri. Untuk mengurangi pembuangan kromium dari kegiatan penyamakan, limbah dapat digunakan untuk menyamak ulang (reuse) tanpa diolah terlebih dahulu atau kromium diendapkan dan dimanfaatkan sebagai pengganti bahan baku (recovery).

335

Pengendapan limbah penyamakan dengan menambahkan suatu basa merupakan teknik yang sangat dianjurkan dan telah banyak diaplikasikan untuk memperoleh kembali kromium (Fabiani et al. 1996). Akan tetapi, pengendapan tersebut tidak berlangsung efisien dan terlalu mahal untuk menangani kromium dengan konsentrasi yang rendah (Barros et al. 2003). Zeolit, suatu adsorben, merupakan salah satu solusi untuk menangani limbah kromium dengan konsentrasi kurang dari 20 ppm (Barros et al. 2003). Zeolit alam Indonesia yang melimpah, diperkirakan terdapat lebih dari 200 juta ton deposit zeolit dan lempung (Arryanto et al. 2002), sangat berpotensi untuk menangani limbah kromium penyamakan kulit. Penelitian ini bertujuan menentukan kemampuan zeolit alam asal Cikalong dalam mengadsorpsi kromium yang terdapat dalam limbah cair proses penyamakan kulit.

METODE Zeolit ditumbuk dan diayak sehingga diperoleh serbuk dengan ukuran 20−40 mesh, dicuci, lalu diaktifkan dengan pemanasan pada suhu 200 °C selama 2 jam. Zeolit ini kemudian disimpan dalam wadah kedap udara sebelum dipergunakan. Contoh limbah berasal dari 2 pabrik penyamakan kulit yang berlokasi di Kecamatan Gunung Putri dan Kecamatan Citeureup, Kabupaten Bogor. Limbah ini diendapkan terlebih dahulu dengan penambahan larutan NaOH 1.5 M hingga pH 8, dan filtratnya dipisahkan untuk perlakuan dengan zeolit. Sebelum digunakan untuk mengadsorpsi kromium dari limbah, zeolit diuji terlebih dahulu sifat adsorpsinya menggunakan larutan kromium simulasi (larutan Cr3+ 20–400 ppm). Metode adsorpsi yang digunakan ada 2, yaitu cara lompok (batch) dan lapik tetap (fixed-bed). Cara lompok dilakukan dengan mengocok 2 g zeolit dengan 50 ml larutan kromium simulasi selama 40 jam. Massa kromium yang teradsorpsi dihitung dari selisih konsentrasi kromium awal (sebelum pengocokan) dan akhir (setelah pengocokan). Kapasitas adsorpsi dihitung sebagai massa kromium yang teradsorpsi dibagi dengan massa zeolit. Sementara pada cara lapik tetap larutan dialirkan ke dalam kolom kaca yang berisi zeolit. Digunakan kolom dengan diameter 2.3 cm, massa zeolit 20, 25, dan 30 g, serta larutan Cr3+ 20 ppm. Larutan kromium dialirkan dengan laju 5, 8, dan 12 ml/menit sampai lapik mencapai keadaan jenuh. Cairan yang keluar dari kolom (efluen) ditampung dalam fraksi-fraksi dengan volume masing-masing 20 ml. Jumlah kromium yang teradsorpsi dihitung dengan bantuan perangkat lunak Curve Expert versi 1.3 melalui pembentukan kurva breakthrough, yaitu kurva aliran volume efluen terhadap C/C0, dengan C menyatakan konsentrasi kromium dalam efluen dan C0 konsentrasi dalam influen. Kapasitas adsorpsi rerata dihitung pada kondisi C/C0 50%.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil adsorpsi kromium dari larutan simulasi dengan cara lompok dapat dilihat pada Gambar 1. Kurva hubungan antara konsentrasi kromium dan kapasitas adsorpsi berbentuk cembung-menaik (convex upward). Isoterm adsorpsi seperti ini umumnya sangat diharapkan dari suatu adsorben karena menunjukkan kapasitas adsorben yang cukup tinggi walaupun pada konsentrasi rendah (McCabe et al. 2001). Kapasitas adsorpsi maksimum yang diperoleh ialah 1749 mg/kg, sedangkan tetapan kesetimbangan adsorpsinya, yaitu nisbah konsentrasi kromium dalam zat padat (mg/kg) terhadap konsentrasinya dalam larutan yang berkesetimbangan (mg/l), ialah 23.

336

Kapasitas adsorpsi Y Axis (units)(mg/kg)

S = 125.41519769 r = 0.97700568 73 19 45 16 17 13

.96 .98 .99

0 0 .0 99 1 2 .0 66 2 4 .0 33 6.0

4

0.5

65.0

129.5

194.0

258.5

323.0

387.5

3+ (ppm) Konsentrasi X AxisCr (units)

Gambar 1 Isoterm adsorpsi zeolit Cikalong terhadap Cr3+. Pengaruh laju alir larutan dan massa zeolit terhadap kurva breakthrough ditunjukkan pada Gambar 2. Bentuk kurva yang relatif simetris di antara massa 20, 25, dan 30 g hanya terlihat pada laju alir 12 ml/menit. Bentuk kurva pada laju alir 5 dan 7 ml/menit untuk massa unggun 20 g lebih tegak daripada untuk massa 25 dan 30 g. Hal ini menunjukkan bahwa lebar daerah transfer massa yang meliputi sepanjang kolom terjadi pada laju alir 12 ml/menit. Sementara pada laju alir 5 dan 7 ml/menit dengan massa 20 g, tinggi zeolit lebih kecil dibandingkan dengan daerah transfer massa. 1.2

C/Co

1.2

1

1

0.8

0.8

C/Co

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2 0

0 0

100

200 300 Volume efluen (ml)

(a)

400

0

100

200 300 Volume efluen (ml)

400

(b)

Gambar 2 Kurva breakthrough adsorpsi Cr3+, dengan laju alir 8 ml/menit (a) dan 12 ml/menit (b): 20 g zeolit (♦), 25 g zeolit (■), dan 30 g zeolit (▲). Waktu break point ialah waktu tercepat yang dibutuhkan partikel adsorben untuk mencapai ujung kolom, dinyatakan pada saat C/C0 = 0.05. Waktu break point tertinggi diperoleh pada kolom dengan laju alir terendah, yaitu rata-rata 8.328 menit/g. Sementara waktu break point terendah terjadi pada laju tercepat (12 ml/menit), yaitu rata-rata 2.825 menit/g (Tabel). Waktu untuk mencapai kondisi C/C0 0.5 dan untuk mencapai kondisi zeolit jenuh, yang ditetapkan saat C/C0 = 0.95, menunjukkan kecenderungan serupa. Hal ini dapat menjelaskan dugaan bahwa massa kolom yang sama menyediakan tapak adsorpsi kromium yang sama banyak tanpa dipengaruhi laju alir. Waktu untuk melewatkan sejumlah kromium yang sama akan lebih lama pada laju alir yang lebih rendah, sehingga waktu break point menjadi lebih tinggi. Kapasitas adsorpsi tertinggi pada kolom terjadi pada laju alir terendah (5 ml/menit), yaitu rerata 1450 mg kromium/kg zeolit, sedangkan kapasitas terendah terjadi pada kolom dengan laju alir tertinggi (12 ml/menit), yaitu rata-rata 1303 mg/kg (Tabel). Hal ini menunjukkan bahwa peluang interaksi antara zeolit dan kromium dalam larutan lebih besar pada laju alir yang rendah sehingga kesempatan pengikatan kromium oleh zeolit juga lebih besar. Meskipun demikian, nilai kapasitas adsorpsi tertinggi pada cara lapik tetap masih lebih rendah daripada cara lompok. Hal tersebut disebabkan oleh gaya

337

dorong pada saat pengadukan dalam cara lompok yang menyebabkan tercapainya kesetimbangan antara kromium yang teradsorpsi dan yang tetap dalam larutan (Selim & Spark 2001). Tabel Kapasitas dan efisiensi adsorpsi pada berbagai laju alir dan massa zeolit Laju alir (ml/menit) 5

8 12

Massa zeolit (g) 20 25 30 20 25 30 20 25 30

Waktu (menit/g) C/Co = 5%

C/Co = 50%

C/Co = 95%

9.210 10.316 5.458 4.571 5.667 3.488 2.662 3.254 2.560

15.617 17.638 16.287 8.350 10.22 9.491 5.892 6.136 6.347

24.061 23.607 24.084 11.607 15.150 16.209 9.019 7.866 8.187

Kapasitas Adsorpsi (C/Co = 0.5) (mg/g) 1.39 1.58 1.38 1.18 1.57 1.19 1.24 1.34 1.32

Efisiensi Adsorpsi 0.54 0.58 0.33 0.55 0.52 0.33 0.45 0.55 0.42

Kapasitas dan efisiensi adsorpsi tertinggi terjadi pada saat massa zeolit 25 g, yaitu 1580, 1570, dan 1340 mg/kg, berturut-turut untuk laju alir 5, 8, dan 12 ml/menit. Efisiensi rerata pada massa zeolit 25 g ialah 0.54 (Tabel). Tinggi kolom yang digunakan untuk massa 25 gram ialah 8.5 cm, maka panjang kolom yang tidak digunakan sebesar (1–0.54) × 8,5 cm atau 3.91 cm. Rerata kapasitas adsorpsi kromium dari limbah pada teknik lompok dan lapik tetap berturutturut ialah 398 dan 90 mg/kg. Sementara kapasitas adsorpsi terhadap larutan kromium simulasi dengan kedua teknik tersebut berturut-turut ialah 1749 dan 1450 mg/kg. Kapasitas adsorpsi kromium yang lebih rendah dikarenakan adanya kompetisi antara kromium dan logam lain pada limbah untuk menempati tapak aktif pertukaran kation pada zeolit. Selektivitas zeolit NaY terhadap ion Ca2+ dan Mg2+ lebih besar daripada terhadap ion Cr3+ (Barros et al. 2003). Kadar ion Mg2+, Ca2+, Na+, dan K+ pada filtrat berturutturut ialah 2400, 1287, 1002, dan 32 ppm. Gambar 3 menunjukkan kurva aluran nisbah konsentrasi C/C0 efluen terhadap waktu pada pengaliran filtrat.

C/Co Y Axis (units)

S = 0.10437298 r = 0.94939106 1.1

5

0.9

6

0.7

7

0.5

8

0.3

9

0.2

0

0.0

0

1.0

23.4

45.9

68.3

90.8

113.2

135.7

X Axis(menit) (units) Waktu

Gambar 3 Kurva breakthrough adsorpsi kromium dari limbah. Hasil pencirian menunjukkan bahwa zeolit asal Cikalong merupakan jenis mordenit dengan tingkat kemurnian 97%. Zeolit alam di Indonesia sebagian besar memang merupakan jenis mordenit serta klinoptilolit (Arryanto et al. 2002). Zeolit tersebut memiliki luas pori 24.8 m2/g, kapasitas tukar kation 94.14 mek/100 g, dan massa jenis 2.09 mg/ml.

338

SIMPULAN Kapasitas adsorpsi terhadap kromium yang berasal dari limbah dengan teknik lompok dan lapik tetap berturut-turut ialah 398 dan 90 mg/kg. Nilai ini lebih kecil dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi terhadap kromium(III) dari larutan kromium simulasi, yaitu 1749 mg/kg untuk teknik lompok dan 1450 mg/kg untuk lapik tetap. Massa zeolit 25 g dan laju alir sebesar 5.6 ml/menit merupakan kondisi optimum adsorpsi larutan kromium(III) 20 ppm pada kolom dengan diameter 2.3 cm dan tinggi zeolit 8.5 cm. Pada kondisi ini, efisiensi adsorpsinya sebesar 0.54, atau tinggi kolom yang tidak terpakai sebesar 3.91 cm. Zeolit asal Cikalong tergolong jenis mordenit dengan kemurnian 79%, luas pori 24.8 m2/g, kapasitas tukar kation 94.14 mek/100 g, dan massa jenis 2.09 mg/ml.

DAFTAR PUSTAKA Arryanto Y, Amini, Lu MGQ. 2002. Prospective of natural zeolites in Indonesia for industrial separations and environmental management. J Zeolit Indones 1. Bapedalda Jatim. 2003. Produksi bersih. http://www.bapedaljatim.go.id/menuis [14 Nov 2003]. Barros MASD, Zola AZ, Arroyo PA, Sousa EF, Tavares CRG. 2003. Binary ion exchange of metal ion in Y and X zeolites. Braz J Chem Eng 20. Esmaeili A, Mesdaghi A, Vajirinezad R. 2005. Chromium(III) removal and recovery from tannery wastewater by precipitation process. Am J Appl Sci 2:1471-1473. Fabiani C, Ruscio F, Spadoni M, Pizzichini M. 1996. Chromium(III) salt recovery process from tannery wastewaters. Desalination 108:183-191. Ortega LM, Lebrum R, Noel IM, Hausler R. 2005. Application of nanofiltration in the recovery of chromium(III) from tannery effluents. Separation Purification Tech 44:45-52. McCabe WL, Smith JC, Harriot P. 2001. Unit Operation of Chemical Engineering. New York: McGrawHill. Selim HM, Sparks DL, editor. 2001. Heavy Metals Release in Soils. New York: Lewis.

339

TEKNIK SEPARASI DAN APLIKASINYA PADA INDUSTRI AGRO Edy Mulyono, Tri Marwati Balai Besar Litbang Pascapanen Pertanian

ABSTRAK Teknik separasi memegang peranan penting dalam industri. Berdasarkan komponen mayor dan minor yang dipisahkannya, ada beberapa macam teknik separasi. Yang sering dilakukan adalah pemisahan padatan atau cairan dari padatan atau cairan lainnya. Untuk memisahkan padatan dari padatan dapat digunakan teknik sortasi, pengayakan, klasifikasi, sentrifugasi, serta pemisahan dengan gaya magnet atau sifat elektrostatik. Untuk memisahkan cairan (komponen mayor) dari padatan dapat digunakan teknik pengendapan, pengempaan, penyaringan, dan sentrifugasi. Sementara pemisahan padatan (komponen mayor) dari cairan dapat menggunakan teknik pengempaan dan pengeringan. Untuk memisahkan padatan terlarut dari cairan digunakan teknik evaporasi dan kristalisasi. Akhirnya untuk memisahkan cairan dari cairan digunakan teknik dekantasi dan sentrifugasi. Akhirnya untuk memisahkan cairan terlarut digunakan teknik distilasi, ekstraksi, dan kromatografi. Aplikasi teknik separasi dalam bidang industri agro sangat luas, antara lain pada industri pati, gula, serta minyak dan lemak. Kata kunci: teknik separasi, industri agro.

PENDAHULUAN Ada beberapa teknik separasi berdasarkan komponen mayor dan minor dalam bahan yang akan dipisahkan. Hal ini menunjukkan bahwa pemilihan teknik separasi akan tepat bila dilakukan setelah sifat dan jumlah komponen yang akan dipisahkan dianalisis. Berdasarkan hasil analisis tersebut akan diketahui apakah separasi terjadi antara padatan dan padatan, padatan dan cairan, atau yang lainnya. Teknik separasi memegang peranan penting dalam industri. Aplikasi teknik separasi dalam bidang industri agro sangat luas, beberapa di antaranya akan dibahas dalam makalah ini, yaitu pada industri pati, gula, minyak, dan lemak. Teknik separasi yang digunakan di masing-masing industri tersebut berbeda-beda, bergantung pada komponen yang akan dipisahkan.

JENIS-JENIS TEKNIK SEPARASI Teknik-teknik utama separasi tersaji pada Tabel 1. Dapat dilihat berbagai teknik separasi, mulai dari yang digunakan untuk memisahkan padatan dari padatan sampai memisahkan gas dari gas.

Pemisahan Padatan-Padatan Tabel 1 memperlihatkan bahwa pemisahan padatan dari padatan dapat dilakukan dengan teknik sortasi, pengayakan, klasifikasi, sentrifugasi, serta pemisahan dengan gaya magnet atau sifat elektrostatik.

340

Tabel 1 Teknik separasi utama berdasarkan komponen yang dipisahkan KOMPONEN MAYOR Padatan

Padatan sortasi pengayakan klasifikasi sentrifugasi magnetik elektrostatik

KOMPONEN MINOR Cairan pengempaan pengeringan

Gas/uap penghancuran pemanasan

Cairan

pengendapan pengempaan penyaringan sentrifugasi kristalisasi (padatan terlarut) evaporasi (padatan terlarut)

dekantasi sentrifugasi ekstraksi (cairan terlarut) distilasi (cairan terlarut) kromatografi

stripping

Gas/uap

penyaringan elektrostatik pengendapan

elektrostatik pengendapan

adsorpsi absorpsi

Sumber: Sinnott (1996)

Pengayakan Pengayakan merupakan proses pemisahan partikel padatan dari padatan berdasarkan perbedaan ukurannya, yaitu dari 0.015–100 mm. Aplikasi utamanya ialah untuk membagi bahan baku dan produk dalam kisaran ukuran tertentu. Dalam proses pengayakan, zat padat yang dijatuhkan ke permukaan ayakan akan terbagi menjadi bahan kasar yang tertinggal (oversize) atau massa limpahan atas dan bahan halus yang lolos (undersize) atau massa limpahan bawah. Klasifikasi Padatan dapat diklasifikasikan berdasarkan ukuran partikel dan densitasnya. Kedua hal tersebut berpengaruh terhadap efisiensi pemisahan. Sentrifugasi Dibandingkan dengan metode yang mengandalkan gaya berat, kecepatan pengendapan dengan gaya sentrifugal jauh lebih baik. Sebagai contoh, proses sentrifugasi di industri, yang kecepatannya mencapai 500–1000 kali gravitasi bumi, dapat mempercepat pengendapan sampai 30 kalinya. Berdasarkan mekanisme yang digunakan untuk memisahkan padatan, sentrifugasi diklasifikasikan menjadi 2 macam, yaitu pengendapan dan filtrasi. Pemisahan dengan cara pengendapan bergantung pada densitas padatan dan cairan (padatan lebih berat). Sementara filtrasi menggunakan dinding sentrifus berpori, dan cairan melewati cake padatan sehingga filtrat dapat dipisahkan. Pemilihan kedua proses tersebut bergantung pada sifat masukan dan produk yang diinginkan. Secara umum, pengendapan digunakan untuk memperoleh cairan yang jernih dan filtrasi digunakan untuk memperoleh produk yang murni, kering, dan padat. Pemisahan secara Elektrostatik Teknik separasi ini didasarkan pada perbedaan sifat listrik (konduktivitas) dari suatu bahan. Partikel bahan dilewatkan pada pemisah elektrostatik bertegangan tinggi dan ditempatkan di atas drum berputar.

341

Pemisahan Cairan-Padatan (Padatan-Cairan) Tabel 1 memperlihatkan bahwa cairan (komponen mayor) dapat dipisahkan dari padatan dengan teknik pengendapan, pengempaan, penyaringan, dan sentrifugasi. Sementara pemisahan padatan (komponen mayor) dari cairan dapat dilakukan dengan teknik pengempaan dan pengeringan. Pemisahan cairan-padatan atau padatan-cairan lazim dilakukan pada proses industri. Jika konsentrasi padatan rendah, digunakan teknik pengendapan; sebaliknya jika konsentrasi padatan tinggi, digunakan teknik pengeringan, dan seterusnya. Teknik yang paling sesuai untuk digunakan akan bergantung pada konsentrasi padatan dan kecepatan masukan, serta ukuran dan sifat alami partikel padatan. Pemilihan peralatan akan bergantung pada tujuan utama yang ingin diperoleh, yaitu cairan jernih, produk padatan, atau derajat kekeringan produk padatan yang diinginkan (Coulson & Richardson 1998). Pengentalan dan Penjernihan (Pengendapan) Pengendapan didasarkan pada perbedaan densitas cairan atau padatan dengan menggunakan gaya gravitasi atau sentrifugasi. Tujuan utama pengentalan adalah menaikkan konsentrasi padatan tersuspensi pada jumlah yang relatif besar, sedangkan penjernihan bertujuan memisahkan sejumlah kecil padatan halus untuk mendapatkan cairan yang jernih. Pengentalan dan penjernihan merupakan proses yang relatif murah untuk dilakukan pada cairan dengan volume yang besar. Flokulan sering digunakan untuk mempercepat pemisahan pada proses ini. Penyaringan (Filtrasi) Filtrasi merupakan proses pemisahan partikel berdasarkan perbedaan ukuran dan bentuknya. Pada proses ini, padatan dipisahkan dari cairan dengan melewatkan bubur (slurry) melalui medium penyaring, dan adanya perbedaan tekanan menyebabkan zat padat itu tertahan. Filtrasi digunakan secara luas dalam industri kimia. Filtrasi bertujuan mendapatkan padatan yang diinginkan atau membuang padatan yang tidak diinginkan. Ada banyak jenis medium penyaring yang penggunaannya disesuaikan dengan aplikasinya. Filter aids atau alat bantu penyaringan (selulosa, kapur giling, dan tanah diatom) sering digunakan untuk mempercepat penyaringan bubur yang lambat. Bahan ini memiliki permukaan yang luas sehingga memiliki daya adsorpsi yang besar terhadap partikel padatan yang halus. Proses filtrasi di tingkat industri menggunakan vakum, tekanan, atau gaya sentrifugal untuk melewatkan cairan melalui cake padatan. Pada pokoknya, proses filtrasi tidak kontinu, tetapi dapat dibuat kontinu dengan penambahan beberapa unit secara paralel atau menyediakan tempat penyimpanan masukan dan produk. Pengempaan Pada proses pengempaan, cairan dikeluarkan dari padatan dengan menggunakan tekanan. Pengempaan memerlukan banyak energi dan hanya digunakan jika tidak ada teknik lain yang sesuai. Pada dasarnya, ada 2 tipe alat, yaitu kempa hidraulik dan sekrup. Kempa hidraulik antara lain digunakan untuk mengempa jus buah, sedangkan kempa sekrup digunakan untuk menghilangkan air (dewatering) bahan seperti pulp kertas, sampah, dan pupuk. Pengeringan Pengeringan ialah pemisahan air atau cairan atsiri dari bahan padat dengan cara penguapan. Pengeringan memerlukan energi yang intensif berupa panas sehingga lebih mahal daripada teknik separasi mekanis. Pada beberapa industri, digunakan udara panas (steam) sebagai pemanas dan medium transfer panas. Udara dapat dipanaskan langsung dari bahan bakar atau tidak langsung dengan pemanas uap.

342

Pemisahan padatan terlarut Pada skala industri, evaporasi dan kristalisasi merupakan proses utama yang digunakan untuk mengambil kembali padatan terlarut dari suatu larutan (Tabel 1). Evaporasi. Evaporasi adalah penguapan pelarut dari padatan tak atsiri. Tujuan utamanya ada 4, yaitu pertama, untuk membuat konsentrat makanan (jus buah, susu, dan kopi) sebelum pengeringan, pembekuan, atau sterilisasi, untuk mengurangi bobot dan volumenya. Kedua, untuk meningkatkan total padatan dalam makanan (selai atau molase, sirup), dan untuk mengawetkan, dengan cara menurunkan aktivitas air. Selain itu, evaporasi juga mempermudah pemakaian oleh konsumen (minuman sari buah, sup, dan pasta) atau oleh pabrik (larutan pektin, konsentrat buah untuk es krim). Yang terakhir ialah mengubah cita rasa atau warna makanan (sirup karamel untuk permen dan roti). Kristalisasi. Kristalisasi digunakan untuk memroduksi, memurnikan, dan memperoleh kembali suatu padatan. Produk kristal lebih menarik perhatian, mudah dibawa, dan dikemas. Proses ini digunakan secara luas dalam industri skala kecil (misalnya, industri farmasi) sampai besar (misalnya, industri gula, garam, dan pupuk). Peralatan kristalisasi diklasifikasikan berdasarkan metode yang digunakan untuk penjenuhan cairan dan pertumbuhan kristalnya. Penjenuhan dapat dilakukan dengan pendinginan atau penguapan.

Pemisahan Cairan-Cairan Pemisahan 2 fase cairan, yang tidak bercampur atau bercampur sebagian lazim digunakan pada proses industri. Tabel 1 memperlihatkan bahwa pemisahan ini dapat menggunakan teknik dekantasi, penggabungan, atau sentrifugasi Dekantasi Proses dekantasi digunakan untuk memisahkan 2 cairan yang densitasnya cukup berbeda. Proses ini akan membentuk 3 daerah yang terpisah, yaitu cairan berat yang jernih, zona dispersi, dan cairan ringan yang jernih. Decanter biasanya dirancang untuk proses kontinu, tetapi prinsip yang sama juga dapat diaplikasikan untuk sistem lompok (batch). Beberapa bentuk bejana dapat digunakan untuk decanter, tetapi bejana silinder yang banyak digunakan, karena paling murah. Penggabungan Proses penggabungan sering menggunakan medium penggabung berupa bahan berpori atau membran khusus untuk menggabungkan dan memisahkan komponen halus yang terdispersi. Medium ini bekerja dengan cara memegang tetesan yang didispersikan cukup panjang untuk yang berbentuk globular. Sentrifugasi Teknik ini digunakan untuk memisahkan cairan yang sulit dipisahkan dengan gaya gravitasi sederhana. Sentrifugasi akan memberikan hasil pemisahan yang lebih jernih daripada dengan gaya gravitasi. Sentrifus dapat digunakan jika perbedaan gravitasi di antara kedua cairan sangat kecil, di bawah 100 kg/m3. Sentrifugasi biasanya akan memecah emulsi yang mungkin terbentuk. Pemisahan cairan terlarut Teknik yang umum digunakan untuk pemisahan dan pemurnian campuran ialah distilasi dan ekstraksi pelarut. Beberapa tahun terakhir, adsorpsi, pertukaran ion, dan kromatografi merupakan alternatif pada banyak aplikasi khusus.

343

Distilasi (penyulingan). Distilasi merupakan teknik separasi yang digunakan paling luas pada industri kimia. Distilasi ialah pemisahan komponen-komponen dari suatu campuran 2 jenis cairan atau lebih berdasarkan perbedaan tekanan uap masing-masing komponen. Campuran cairan yang disuling dapat berupa cairan yang tidak saling bercampur dan selanjutnya membentuk 2 fase, atau cairan yang saling melarutkan secara sempurna membentuk satu fase. Untuk industri skala kecil, penggunaan metode penyulingan air dan uap lebih menguntung-kan. Sementara pada industri besar, hanya metode penyulingan uap yang menguntungkan, terutama untuk penyulingan minyak atsiri bertitik didih tinggi. Ekstraksi dengan pelarut dan penapisan (leaching). Ekstraksi dengan pelarut, disebut juga ekstraksi cair-cair, dapat digunakan untuk memisahkan suatu zat dari larutan. Metode ini digunakan untuk memperoleh zat yang bernilai atau untuk memurnikan pelarut awal dengan cara memindahkan komponen yang tidak diinginkan. Prosesnya bergantung pada zat yang sedang diekstraksi. Kelarutan zat ini harus lebih tinggi di dalam pelarut ekstraksi daripada di dalam pelarut awal. Kedua pelarut juga harus tidak saling bercampur. Pelarut dicampurkan untuk memberikan efek transfer dari bahan yang dilarutkan, dan fasefase terpisahkan. Bahan yang dilarutkan biasanya diperoleh kembali dari pelarut dengan cara distilasi, dan pelarut didaur ulang (recycled). Berdasarkan kepolarannya, pelarut pengekstraksi disusun pada Tabel 2. Pemilihan pelarut untuk ekstraksi harus disesuaikan dengan bahan yang akan diekstraksi. Untuk mengekstraksi komponen polar, misalnya, harus digunakan pelarut polar. Tabel 2 Daftar pelarut dan tingkat kepolarannya No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Nama pelarut Air Asam laktat Formamida Morfolina Asam format Asetonitril Metanol Asam asetat Etanol Isopropil alkohol Aseton n-Propil alkohol Dioksan Asam propionat Tetrahidrofuran tert-Butil alkohol Asam isobutirat sec-Butil alkohol Etil metil keton Sikloheksana Fenol tert-Amil alkohol n-Butil alkohol m-Kresol Isoamil alkohol n-Amil alkohol Benzil alkohol Etil asetat n-heril alkohol c-kolidin Asam valerat Etil format Asam isovalerat Furan

Tingkat kepolaran

No

Polar

35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

Nama pelarut Dietil eter n-asetil alkohol Di etho metana Asam kaproat n-Butil asetat Di iso propany methane Dipropany methanol Nitrometana n-Propil bromida Diisopropil eter n-Butil butirat n-Butil bromida Di-n-butil eter Metilena klorida Kloroform Diisoamil eter Dikloroetana Bromobenzena Trikloroetana Dibromoetana Etil bromida Benzena Propil klorida Toluena Karbon tetraklorida Karbon disulfida Dekalin Siklopentana Sikloheksana Heksana Heptana Kerosin Minyak parafin

Tingkat kepolaran

Nonpolar

Cairan terlarut yang berada di dalam padatan dapat ditapis melalui kontak antara padatan dan pelarut yang sesuai. Teknik penapisan ini diterapkan antara lain dalam ekstraksi minyak dari kacang-

344

kacangan atau biji-bijian. Peralatan yang digunakan untuk mengatur padatan dan pelarut biasanya dirancang khusus agar cocok dengan jenis padatan yang diproses. Penapisan biasanya dilakukan dalam sejumlah tahapan yang menyerupai ekstraksi cairan-cairan. Kromatografi. Kromatografi memerlukan waktu kerja yang lebih singkat dan lebih efektif daripada metode lain, serta memungkinkan pemisahan komponen-komponen yang tidak dapat dipisahkan dengan metode lain. Teknik kromatografi didasarkan pada perbedaan distribusi komponen contoh di antara 2 fase. Salah satu fase dibuat tetap (fase diam), sedangkan fase lainnya bergerak di antara celah-celah atau pada permukaan fase diam (fase gerak). Pergerakan fase gerak mengakibatkan pergerakan diferensial dari komponen-komponen di dalam contoh. Fase diam pada kromatografi dapat berupa padatan atau cairan, sedangkan fase geraknya cairan atau gas. Dengan demikian, kromatografi dapat dikelompokkan menjadi 4 berdasarkan jenis fasenya, yaitu cairan-padatan, gas-padatan, cairan-cairan, dan gas-cairan. Pada semua jenis kromatografi, campuran zat terlarut terpisah sepanjang kolom (atau kertas atau lapisan tipis) berdasarkan perbedaan laju migrasi di antara mereka. Laju migrasi dipengaruhi oleh 2 hal, yaitu gaya yang cenderung menggerakkan dan yang cenderung menahan zat terlarut.

PENERAPAN TEKNIK SEPARASI PADA INDUSTRI AGRO Industri pati (Murtiningrum 2001) Pati ialah homopolimer glukosa dengan ikatan α-glikosidik. Beberapa sumber pati secara komersial ialah biji (jagung, sorgum, beras, dan gandum), akar umbi (kentang), akar (ubi kayu, ubi jalar, dan talas) serta pith (sagu). Teknik pemisahan yang digunakan dalam industri pembuatan pati ialah ekstraksi, filtrasi, pengendapan, dan pengeringan (Gambar 1). BAHAN ‚ PENCUCIAN DAN PENGHANCURAN (Penghancuran dengan pemarutan, pemotongan, atau penggilingan) ‚ EKSTRAKSI PATI (Ekstraksi dengan air) ‚ PENYARINGAN ‚ PENGENDAPAN (Pati terendapkan, cairan di atas endapan dibuang) ‚ PENCUCIAN (Dilakukan berkali-kali hingga cairan di atas endapan bening) ‚ PENGERINGAN (Pengeringan hingga kadar airnya 12 %, dengan alat pengering atau penjemuran) ‚ PATI Gambar 1 Diagram alir proses pembuatan pati.

345

Industri gula tebu (Fuadri 2001) Gula yang banyak diperdagangkan sebagai bahan makanan adalah sukrosa yang berupa kristal putih yang jernih. Sukrosa (C12H22O11) merupakan senyawa disakarida (α-D glukopiranosil-βfruktofuranosida). Sukrosa terhidrolisis dalam larutan asam encer atau oleh enzim, mempunyai rasa manis, tidak berbau, larut air, dan bersifat optis aktif. Salah satu sumber gula ialah tanaman tebu (Saccharum officinarum). Teknik separasi yang digunakan pada pembuatan gula tebu ialah ekstraksi, evaporasi, kristalisasi, dan sentrifugasi (Gambar 2). Batang tebu ‚ Penggilingan dan pemerasan (ekstraksi) ‚ Nira tebu ‚ Pemurnian

1. Penyaringan (Untuk memisahkan nira dari serat, pasir, lilin, fosfatida, dan protein) 2. Pemanasan (Untuk memisahkan nira dari protein dan sebagian pentosan) 3. Pemberian bahan kimia: batu kapur, arang aktif, bentonit, dll. (Untuk memisahkan bahan bukan gula: protein, lemak, logam, sabun, asam) ‚ Nira murni ‚ Evaporasi (60–110 °C, 60–64° Brix) ‚ Kristalisasi (Penambahan bibit: fondant) ‚ Sentrifugasi € molase ‚ Gula kasar Gambar 2 Diagram alir pembuatan gula tebu.

Industri Lipid, Minyak dan Lemak (Rivai 2001) Lipid adalah senyawaan organik yang tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik nonpolar. Lipid diklasifikasikan menjadi 4 kelompok, yaitu lipid sederhana (minyak dan lemak, lilin), senyawa lipid (fosfolipid, glikolipid, sfingolipid), steroid, dan miscellaneous lipid (vitamin A,D,E, dan K). Berdasarkan sumbernya, minyak dan lemak diklasifikasikan menjadi minyak nabati (biji-bijian dan kulit buah) dan minyak hewani (susu, daging hewan piaraan, hasil laut). Sementara berdasarkan sifat mengeringnya, minyak dikelompokkan menjadi minyak tidak mengering (minyak zaitun, minyak rape, dan minyak hewani), minyak nabati setengah mengering (minyak biji kapas dan minyak bunga matahari), serta minyak nabati mengering (minyak kacang kedelai dan minyak karet). Separasi minyak dari sumbernya dapat dilakukan dengan 3 teknik. Pertama, rendering, yaitu cara memperoleh minyak/lemak dari bahan berkadar air tinggi dengan atau tanpa penambahan air. Kedua, pengepresan mekanis/pengempaan, untuk memperoleh minyak/lemak dari biji-bijian yang

346

berkadar minyak lebih dari 20%. Yang terakhir ialah ekstraksi pelarut, yaitu melarutkan minyak dalam pelarut minyak/lemak.

PENUTUP Pengamatan terhadap teknik-teknik pemisahan pada industri agro menunjukkan bahwa pemisahan komponen yang sering terjadi adalah pemisahan padatan atau cairan dari padatan atau cairan lainnya. Teknik pemisahan yang tepat dapat ditentukan dengan mempelajari prinsip proses pemisahan, sifat, dan jumlah komponen yang akan dipisahkan.

DAFTAR PUSTAKA Coulson JM, Richardson JF. 1998. Chemical Engineering: Particle Technology and Separation Processes. Volume 2. Ed ke-4. Tokyo: McGraw Hill. Fuadri. 2001. Proses pembuatan gula tebu di industri [makalah kuliah Kimia Industri Pertanian]. Bogor, Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Murtiningrum. 2001. Pati dan teknologi konversi pati [makalah kuliah Kimia Industri Pertanian]. Bogor: Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Rivai M. 2001. Teori lipid [makalah pada kuliah Kimia Industri Pertanian]. Bogor: Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Sinnott RK. 1996. Chemical Engineering. Volume 6. Ed ke-3. Oxford: Butterworth Heinemann.

347

PENGARUH KAPUR TERHADAP PELEPASAN GAS H2S DAN UNSUR HARA PADA MANUR AYAM PETELUR Charlena, Irma H Suparto, Aldi Eka Praja Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRACT Air pollution caused by chicken manure is considered to be a disturbing environmental problem. The odor caused by the manure might be reduced with lime powder. The chicken manure examined was layer type which were given four different concentrations of lime: 0 (control), 1, 3, and 5%. Examination included the change of moisture content and pH plus H2S released from chicken manure during 14 days with every other days of determination. Nitrogen, phosphorus, and potassium in chicken manure were also determined on the first and 30th day. The lime administration affected the change of moisture content, pH, and H2S release. The result from variance analysis and Duncan test showed that lime with the concentrations of 1, 3, and 5% affected significantly the change of moisture content on the 4th and 8th day, the change of pH on day-10, and the decrease of H2S release on the 4th day. The greatest content of nitrogen, phosphorus, and potassium on the 1st day in chicken manure was found at 5% concentration of lime which were 2.68, 0.59, and 0.22%, respectively. The greatest content of nitrogen, phosphorus, and potassium on the 30th day was found at 5% concentration of lime as well: 1.77, 0.56, and 0.20%, respectively.

PENDAHULUAN Berkembangnya usaha peternakan ayam tentu membawa dampak terhadap lingkungan sekitarnya. Sejalan dengan upaya pelaksanaan pembangunan yang berwawasan lingkungan, upaya meminimumkan dampak negatif dari peternakan ayam perlu dilakukan. Salah satunya ialah pengendalian jumlah manur (kotoran) ayam yang dihasilkan. Pencemaran udara yang ditimbulkan oleh manur ayam merupakan masalah lingkungan yang cukup mengganggu. Pencemaran ini ditandai dengan bau tidak sedap gas H2S dan NH3 yang berasal dari penguraian zat makanan sisa pencernaan oleh mikrob perombak protein (Usri 1988). Manur merupakan medium bagi mikrob, tempat terjadinya proses fermentasi zat-zat makanan sisa pencernaan, secara aerob maupun anaerob (Pauzenga 1991). Dalam proses penguraian ini dilepas-kan gas seperti CH4, H2S, NH3, dan merkaptan. Gas yang sangat dominan dalam menghasilkan bau tidak sedap ialah H2S dan NH3. Keduanya toksik bagi manusia dan hewan serta dapat meningkatkan kerentanan terhadap penyakit. Bau tak sedap juga dapat mengganggu efisiensi aktivitas para pekerja yang berada di sekitar peternakan (Setiawan 1996). Gas H2S yang berbau busuk dapat tercium walaupun dalam konsentrasi sangat rendah. Selain itu, gas H2S juga memiliki toksisitas yang tinggi. Ambang batas rerata yang diperbolehkan pada peternakan tempat bekerja ialah 10 ppm selama 8 jam, sedangkan batas rerata bagi senyawa berbau dalam air yang terdeteksi adalah 0.00018 mg/l (Ariens & Simonis 1986). Untuk mengurangi bau yang ditimbulkan oleh manur, peternak biasanya menggunakan kapur sebagai disinfektan. Komposisi utama batuan kapur ialah kalsium karbonat (CaCO3) dan magnesium karbonat (MgCO3), dengan sejumlah kecil unsur lain seperti silika dan alumina. Senyawaan kalsium dalam kapur yang dihasilkan dari proses kalsinasi batuan kapur ialah CaO dan Ca(OH)2, dengan komposisi yang

348

beragam. Senyawa CaO mudah larut dalam air dan asam, serta bereaksi sangat eksoterm dengan air menghasilkan ion hidroksil (OH−). Daya disinfektan dari bahan yang bersifat basa seperti ini bergantung pada pemisahan dan konsentrasi OH− dari hasil pemisahan. Kapur dalam jumlah yang cukup dapat meningkatkan pH menjadi 11 atau 11.5 yang akan menghancurkan bakteri. Manur ayam-basa biasanya baik digunakan sebagai pupuk kandang pada tanah yang asam (Soepardi 1983). Manur ayam memiliki lebih banyak unsur hara dibandingkan dengan hewan lain (Tisdale et al. 1965), di antaranya nitrogen, fosforus, dan kalium yang selalu mendapat perhatian lebih karena mudah terjadi defisiensi unsur-unsur tersebut pada tanaman . Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh pemberian kapur terhadap pelepasan gas H2S dari manur ayam. Pelepasan gas tersebut dipengaruhi oleh kadar air, pH, konsentrasi kapur, dan komponen hara dalam manur. Hipotesis penelitian ini adalah kapur merupakan suatu disinfektan yang dapat menyerap air, medium pertumbuhan mikrob, sehingga pemberian kapur diharapkan dapat mengurangi bau manur ayam dengan cara mematikan mikrob. Hasil penelitian ini diharapkan bermanfaat bagi para pengusaha ternak, agar dapat menggunakan kapur dengan metode yang tepat untuk mengurangi bau di lingkungan peternakan.

TINJAUAN PUSTAKA Peternakan dan Lingkungan Terdapat 3 unsur pokok pada proses produksi peternakan ayam, yaitu masukan (pakan, air, dan oksigen), luaran atau hasil produksi (daging, telur, dan manur), serta lingkungan (perkandangan, pencegahan penyakit, dan tata laksana serta kesesuaian terhadap lingkungan sosial dan alam). Dampak negatif peternakan ayam terhadap lingkungan sering dikaitkan dengan jumlah manur atau kotoran yang dihasilkan. Hal ini berkaitan dengan proses pembusukan dan penguraian manur oleh mikrob yang menghasilkan gas berbau dan beracun seperti H2S dan NH3.

Manur Ayam Secara umum, manur terdiri atas sisa makanan yang tidak tercerna seperti serat selulosa (karbohidrat), lemak, protein, dan unsur-unsur anorganik (Tabbu & Hariono 1993). Protein yang terdapat dalam manur merupakan sumber utama nitrogen. Selain itu, nitrogen juga berasal dari asam urat dan urine yang dikeluarkan bersama feses. Jumlah dan komposisi manur yang dihasilkan oleh ayam bervariasi dan sangat dipengaruhi oleh umur, ras, dan jenis makanan. Seekor ayam diperkirakan menghasilkan 0.15 kg manur/hari, yang mengandung 1.7% nitrogen, 0.16% fosforus, dan 0.58% kalium (Kumar & Biswar 1982). Keberadaan N, P, K, Ca, protein, dan asam-asam amino esensial menyebabkan manur ayam menjadi tempat yang subur bagi perkembangan mikrob. Manur dapat dimanfaatkan sebagai biogas, pupuk organik, dan dapat juga diolah menjadi bahan campuran pakan unggas ataupun ternak lain (Malone 1992). Jika manur akan digunakan sebagai pupuk, maka kandungan N, P, dan K-nya harus diperhatikan. Manur yang telah diolah sehingga dapat dijadikan sebagai akan ternak dinamakan dried poultry waste dengan kadar air 15% (Santoso 1987). Unsur-unsur kimia dan fraksi manur perlu diketahui untuk merancang dan mengevaluasi sistem penanggulangan limbah manur. Fraksi manur dibagi menjadi 4. Pertama, padatan kasar yang merupakan bahan yang tertahan dengan saringan berpori-pori 0.22 mm. Kedua, padatan halus, yaitu sedimen hasil sentrifugasi dengan laju 10000 rpm selama 20 menit. Fraksi lainnya ialah koloid, yaitu bahan yang tertahan dengan saringan netral. Dan yang terakhir ialah larutan, manur cair yang melewati saringan ultra.

349

Dampak Negatif Manur Ayam Secara umum, sebanyak 5–7% manur, hasil produksi peternakan selain daging dan telur, merupakan limbah (Pauzenga 1991). Manur ayam mengandung N, P, dan K, sumber nutrisi bagi tanaman, sehingga berguna sebagai pupuk organik. Akan tetapi, jika produksi manur berlebihan, justru akan menjadi masalah bagi lingkungan. Proses dekomposisi protein pada manur ayam adalah sebagai berikut (Salle 1961): manur (protein)

bakteri

asam-asam amino

deaminasi

NH3 + H2S

Nitrogen dalam manur hewan terdapat dalam 2 bentuk, yaitu nitrogen anorganik dan organik. Nitrogen organik seperti protein secara berangsur-angsur diubah oleh mikrob tanah menjadi nitrogen anorganik yang berbentuk kation amonium yang stabil di dalam tanah dan terikat pada permukaan partikel lempung. Apabila amonium ini terakumulasi di dalam tanah akibat penggunaan manur (sebagai pupuk) yang berlebihan atau penumpukan manur pada tempat tertentu, keberadaan air akan menyebabkan terjadinya nitrifikasi. Nitrifikasi ialah pengikatan amonium dengan oksigen dalam air menghasilkan nitrit dan nitrat. Proses nitrifikasi ini dapat terjadi dengan adanya bakteri Nitrosomonas yang mengoksidasi amonium menjadi nitrit, yang selanjutnya oleh bakteri Nitrobacter diubah menjadi nitrat. Reaksinya adalah sebagai berikut (Wellinger 1984): 2 NH3 + 3 O2 Æ 2 HNO2 + 2 H2O HNO2 + 2 H2O Æ HNO3 Nitrat ini tidak terikat pada partikel lempung sehingga dapat bergerak bebas dan larut terbawa aliran air yang pada akhirnya menimbulkan pencemaran air. Bakteri Pseudomonas akan mengubah nitrat menjadi gas NH3. Reduksi nitrat ini terjadi pada kondisi netral atau basa (Clifton 1958). Pada manur, gas H2S kadang-kadang dihasilkan bersama-sama dengan gas NH3. Kedua gas ini merupakan polutan berbau yang sangat berpengaruh terhadap ternak dan manusia, bahkan dapat menyebabkan kematian.

Gas H2S Gas H2S merupakan gas toksik yang berbau busuk, dan merupakan masalah yang cukup nyata pada industri peternakan. Kehadiran mikrob akan menguraikan protein dalam manur menjadi asamasam amino. Asam-asam amino yang mengandung sulfur, sistein dan metionin, akan dipecah lagi menjadi komponen yang lebih sederhana dan melepaskan gas H2S. Mikrob yang dapat menghasilkan gas H2S biasanya berasal dari genus Desulfovibrio. Proses pemecahan bahan organik yang mengandung sulfur ini disebut pembusukan (putrefaction). Pada kondisi anaerob atau sedikit oksigen, sistin direduksi menjadi 2 molekul sistein yang kemudian diubah menjadi gas H2S, NH3, asam asetat, dan asam format. Pada kondisi aerob, sistein terdeaminasi dan melepaskan gas NH3, lalu gas H2S dihasilkan melalui proses desimilasi. Keberadaan oksigen menyebabkan gas H2S cepat teroksidasi menjadi sulfat (Darwis & Said 1988). Reaksinya ialah sebagai berikut: 2 H2S + O2 Æ 2 S + 2 H2O H2S + 2 O2 Æ H2SO4 2 S + 2 H2O + 3 O2 Æ 2 SO42− + 4 H+

350

Gas H2S juga akan dioksidasi oleh bakteri sulfur seperti Thiobacillus menjadi bentuk sulfat. Sebaliknya dalam keadaan O2 tinggal sedikit, bakteri pereduksi sulfat seperti Spirillum akan mereduksi senyawa sulfat menjadi H2S dengan reaksi H2SO4 + 4 H2 Æ H2S + 4 H2O Tabel 1 memperlihatkan efek yang ditimbulkan oleh beberapa konsentrasi H2S. Konsentrasi maksimum yang masih diizinkan di atmosfer adalah 10 ppm, sedangkan konsentrasi maksimum yang diperbolehkan terhirup manusia adalah 0.03 ppm. Tabel 1 Efek keterpaparan gas H2S terhadap manusia (Pauzenga 1991) Konsentrasi

Gejala yang diperlihatkan

10 ppm 20 ppm 50−100 ppm 200 ppm/jam 500 ppm/menit 600 ppm

Iritasi mata Iritasi mata, hidung, dan tenggorokan Mual, muntah, dan diare Pusing, depresi, dan rentan pneumonia Mual, muntah, dan pingsan Dapat menimbulkan kematian

Pupuk Kandang Pupuk kandang sudah lama dikenal dan digunakan dalam bidang pertanian. Pupuk kandang digolongkan menjadi dua jenis berdasarkan bentuknya, yaitu padat dan cair. Pupuk kandang dapat mempertahankan dan meningkatkan kesuburan tanah melalui perbaikan sifat kimia, fisika, dan biologi tanah Selain itu, pupuk kandang juga melestarikan sumber daya tanah dengan cara mempertahankan kelembapan tanah, mengurangi erosi, dan mengurangi penyerapan pupuk oleh logam-logam tertentu dalam tanah. Kandungan hara dalam berbagai pupuk kandang dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kadar rerata unsur hara dalam pupuk kandang (Tisdale et al. 1965) Jenis Hewan Kuda Sapi Domba Babi Ayam

H2O (%)

Nitrogen (%)

P2O5 (%)

K2O (%)

78 86 68 87 55

0.70 0.60 0.95 0.50 1.00

0.25 0.15 0.35 0.35 0.80

0.55 0.45 1.00 0.40 0.40

Unsur Hara Unsur hara makro dibutuhkan oleh tanaman dalam jumlah banyak, antara lain C, H, O, N, P, K, Ca, S, Mg, dan Fe, sedangkan unsur hara mikro (Mn, Cu, Zn, Mo, B, dan Cl) hanya dibutuhkan dalam jumlah sedikit (Soepardi 1983). Dari keenam belas unsur hara esensial tersebut, unsur C, H, dan O diambil dari udara dan air dalam jumlah besar karena unsur-unsur tersebut merupakan penyusun utama bahan organik tanaman (sekitar 94–95%). Sementara itu, unsur N, P, dan K relatif tidak tersedia di dalam tanah. Unsur nitrogen Nitrogen merupakan unsur hara utama bagi pertumbuhan tanaman dan menjadi salah satu unsur penyusun protein, asam nukleat, serta berbagai senyawa nitrogen nonprotein (Russel 1961). Beberapa peranan nitrogen dalam pertumbuhan tanaman ialah merangsang pertumbuhan vegetatif

351

pada daun, batang, dan akar, serta mempercepat pengubahan karbohidrat menjadi protein dan protoplasma. Kelebihan nitrogen akan menyebabkan menipisnya dinding sel sehingga tanaman mudah diserang oleh hama tanaman dan penyakit. Sebaliknya, kekurangan nitrogen ditandai dengan warna daun yang hijau kekuningan dan akhirnya akan mengering (Setyamidjaja 1986). Unsur fosforus Menurut Tisdale et al. (1965), fosforus merupakan hara makro bagi setiap tanaman yang berperan penting dalam proses fotosintesis, pengubahan karbohidrat dan senyawa yang berhubungan dengan glikolisis, metabolisme lemak, oksidasi biologis, serta proses transfer energi. Pemberian fosforus juga penting untuk perkembangan akar yang masih muda, menguatkan batang, dan mempercepat pematangan biji. Fosforus banyak dijumpai dalam biji, tetapi umumnya terdapat pada bagian tubuh tanaman yang masih muda. Kekurangan fosforus dapat menghambat penyerapan unsur lain, menghambat pertumbuhan dan perkembangan tanaman, memperlambat kematangan buah, serta menghambat perkembangan daun dan perakaran, sehingga sintesis protein terganggu. Apabila tidak terjadi sintesis protein, gula akan terakumulasi di daun dan merangsang pembentukan antosianin sehingga daun berwarna keunguunguan. Unsur kalium Kandungan kalium yang relatif tinggi diperlukan untuk pertumbuhan tanaman. Kalium mengaktifkan beberapa enzim dan memegang peranan penting pada kesetimbangan air di dalam tanah. Unsur ini penting untuk membantu pembentukan karbohidrat dan protein, mengeraskan bagian kayu dari tanaman, meningkatkan kekebalan terhadap penyakit, dan meningkatkan mutu buah. Hasil-hasil pertanian biasanya akan berkurang sangat drastis pada tanah yang mengalami defisiensi kalium (Soepardi 1983).

Kapur Kapur yang ada di pasaran diperoleh dari batuan kapur yang telah mengalami proses kalsinasi (pembakaran). Reaksinya adalah sebagai berikut:

CaCO3 + MgCO3

CaO MgO + 2CO2

Kapur yang dihasilkan dari proses kalsinasi batuan kapur memiliki 2 bentuk senyawa kalsium, yaitu CaO dan Ca(OH)2. Kapur merupakan suatu disinfektan, yaitu bahan yang mampu menghancurkan penyebab penyakit. Secara klasik, disinfeksi ialah suatu proses yang dilakukan untuk menghancurkan atau menghentikan kegiatan mikrob penyebab penyakit, khususnya bakteri yang berasal dari saluran pencernaan. Disinfeksi dilakukan dengan 2 cara, yaitu secara fisik (pemberian panas atau radiasi) dan kimiawi (pemberian bahan-bahan kimia). Disinfeksi kimiawi memberikan hasil yang lebih baik daripada secara fisik. Mikrob memiliki batas toleransi pH tertentu untuk dapat hidup, misalnya bakteri patogen tidak dapat tumbuh pada pH lebih dari 11 atau kurang dari 3. Sebagai disinfektan, kapur dapat mencegah mikrob patogen melalui 2 cara, yaitu mengabsorpsi secara fisik sehingga membentuk gumpalan atau memperbesar pH sehingga dapat menghancurkan mikrob patogen

352

BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan ialah manur ayam petelur, kapur tohor, akuades, zink asetat, asam asetat glasial, asam sulfat pekat, larutan HNO3 pekat, asam klorida, feri(III) klorida, paminodimetilanilina, iodium, raksa(II) klorida, natrium tiosulfat, asam sulfat 98%, indikator Conway (campuran indikator hijau bromkresol dan merah metil), dan katalis selenium. Alat yang digunakan antara lain pH-meter, Spectronic-20, spektrofotometer serapan atom (AAS), neraca analitik, oven, radas distilasi Kjeltec, inkubator, aerator, serta alat-alat kaca dan non-kaca yang biasa digunakan di laboratorium.

Metode Penelitian ini menggunakan kapur dengan 4 tingkat konsentrasi, yaitu 0 (kontrol), 1, 3, dan 5%. Pengukuran kadar gas H2S, pH, dan kadar air dilakukan setiap 2 hari selama 14 hari. Pupuk kandang juga dianalisis unsur haranya (N, P, dan K) pada hari pertama dan ke-30. Perlakuan manur Manur ayam petelur dikumpulkan dalam bak plastik dan diaduk sampai homogen, kemudian dibagi menjadi 4 bagian. Bagian pertama tidak diberi kapur, bagian kedua 1%, bagian ketiga 3%, dan bagian keempat 5%. Masing-masing diaduk hingga homogen dan diambil 100 g untuk diinkubasi. Sisa manur dibagi lagi menjadi 3 bagian dan ditempatkan dalam bak plastik untuk penetapan pH dan kadar air. Setiap analisis dilakukan triplo. Pengikatan gas H2S Manur diinkubasi selama 14 hari. Gas H2S yang terbentuk dialirkan menggunakan aerator melalui selang plastik dan ditampung ke dalam Erlenmeyer yang berisi larutan pengikat, yaitu zink asetat 0.04 N sebanyak 400 ml. Larutan pengikat diganti 2 hari sekali dan diukur kadar gasnya. Pengukuran kadar gas H2S Penentuan panjang gelombang serapan. Sebelum kadar gas H2S diukur, daerah serapan maksimum pengukuran ditentukan dengan Spectronic-20. Sebanyak 10 ml larutan standar yang mengandung 2 ppm sulfida ditambahkan 0.5 ml pereaksi amin sulfat 2 N dan 0.1 ml feri(III) klorida 0.07 N, lalu diukur serapannya pada panjang gelombang 650–700 nm. Pembuatan kurva kalibrasi. Setelah didapat panjang gelombang pengukuran, kurva kalibrasi dibuat dengan berbagai konsentrasi sulfida, yaitu 0, 0.5, 1, 2, 3, dan 4 ppm. Ke dalam setiap larutan standar ditambahkan 0.5 ml pereaksi amin sulfat 2 N dan 0.1 ml feri (III) klorida 0.07 N. Analisis gas contoh. Pengukuran kadar gas H2S yang tertampung dalam zink asetat 0.04 N dilakukan dengan memipet contoh sebanyak 2 ml, diencerkan hingga 10 ml, diberi pereaksi yang sama seperti pada penentuan kurva kalibrasi, dan diukur serapannya. Pengukuran pH Sebanyak 5 g manur dilarutkan dalam 10 ml akuades dan diukur pH-nya dengan pH-meter.

353

Pengukuran kadar air Cawan kosong dipanaskan dalam oven 105 °C selama 1 jam. Setelah itu, cawan dimasukkan ke dalam eksikator selama 30 menit dan ditimbang sebagai bobot cawan kosong. Sebanyak 5 g contoh dimasukkan ke dalam cawan, lalu dipanaskan ke dalam oven selama 3 jam. Setelah itu, cawan dimasukkan kembali ke dalam eksikator dan bobotnya ditimbang. Pengeringan dan penimbangan diulangi hingga bobot konstan.

b a a

Kadar air =

−

× 100%

a = bobot basah manur ayam (g) b = bobot kering manur ayam (g)

Penentuan kadar nitrogen Kadar nitrogen total ditetapkan dengan metode Kjeldahl. Sebanyak 0.5–1 g contoh ditimbang dalam labu destruksi, lalu ditambahkan 12 ml H2SO4 pekat dan satu butir tablet selenium. Campuran didestruksi selama 45 menit sampai diperoleh larutan berwarna hijau jernih. Selanjutnya, larutan tersebut ditempatkan pada radas distilasi Kjeltec, dan uapnya ditampung di dalam Erlenmeyer yang berisi asam borat 4% dan indikator Conway. Distilat dititrasi dengan HCl 0.02 N sampai warna biru berubah menjadi merah muda. Penetapan blangko juga dilakukan.

%N =

( A − B) × 14.007 × N × 100% Bobot contoh (mg)

A = volume HCl untuk titrasi contoh (ml) B = volume HCl untuk titrasi blangko (ml) N = normalitas HCl

Penetapan kadar fosforus Sebanyak 4.0 g contoh manur ditambahkan 25 ml pengekstrak Bray dan Kurts I, dan dikocok selama 5 menit. Penyaringan dilakukan bila larutan keruh, maksimum 5 menit. Ekstrak jernih dipipet sebanyak 2 ml ke dalam tabung reaksi. Contoh dan deret standar masing-masing ditambah 10 ml pereaksi pewarna P, dikocok, dan dibiarkan selama 30 menit. Absorbans ekstrak diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 693 nm.

%P2O5 =

C × fp × 100% W

C = konsentrasi P2O5 dari kurva standar fp = faktor pengenceran W = bobot contoh (g)

Penentuan kadar kalium Sebanyak 4.0 g manur ditambahkan 10 ml HClO4 60% dan 6 ml HNO3 65%, lalu dipanaskan hingga timbul asap putih selama 5 menit, kemudian diangkat dan didinginkan. Larutan dimasukkan ke dalam labu takar 500 ml, diencerkan dengan akuades, dan dihomogenkan. Larutan homogen disaring dengan kertas saring Whatman 40 dan ditampung di Erlenmeyer. Larutan hasil penyaringan dipipet sebanyak 25 ml, dimasukkan ke dalam labu takar 100 ml, ditambah 5 ml larutan supresor kalium, diencerkan hingga tanda tera, dan dihomogenkan. Larutan blangko dikerjakan seperti pada contoh. Larutan standar kalium diukur absorbansnya dengan AAS. Setelah itu, larutan contoh dan blangko diukur absorbansnya pada kondisi yang sama, dan konsentrasi contoh dihitung dengan menggunakan persamaan kurva standar. Kadar kalium dihitung dengan persamaan berikut:

354

%K2O =

C × fp × 100% W

C = konsentrasi K2O pada kurva standar fp = faktor pengenceran W = bobot contoh (g)

Rancangan penelitian Percobaan dilakukan dengan rancangan acak lengkap sebagai rancangan dasarnya. Rancangan ini digunakan dalam menganalisis pengaruh konsentrasi kapur terhadap gas H2S yang dihasilkan oleh manur ayam, yang dipengaruhi oleh kadar air dan pH manur, selama 14 hari pengamatan. Kandungan N, P, dan K dalam manur juga diukur. Percobaan dilakukan sebanyak 3 ulangan. Hubungan regresi antara konsentrasi kapur dan gas H2S dihasilkan menggunakan model

Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + εijk dengan Yijk = nilai pengamatan (respons) yang diperoleh dari kombinasi perlakuan faktor A taraf ke-i dan faktor B taraf ke-j, pada ulangan ke-k, µ = rerata, αi = pengaruh faktor A taraf ke-i, βj = pengaruh faktor B taraf ke-j, (αβ)ij = pengaruh interaksi antara faktor A taraf ke-i dan faktor B taraf ke-j, dan εijk = pengaruh galat pada faktor A taraf ke-i dan faktor B taraf ke-j, pada ulangan ke-k. Respons perlakuan dianalisis dengan analisis ragam untuk melihat perbedaan nilai tengah perlakuan dan dilanjutkan dengan uji Duncan untuk hasil uji yang berbeda nyata (Mattjik & Sumertajaya 2003).

HASIL DAN PEMBAHASAN Kadar Air Kadar air memperlihatkan penurunan yang nyata, baik karena pemberian kapur maupun yang tidak diberi kapur (Gambar 1). Kadar air merupakan faktor paling penting bagi aktivitas bakteri, sebab air merupakan medium yang sangat penting bagi pertumbuhan bakteri, yang nantinya akan berpengaruh terhadap gas H2S yang dihasilkan (Salle 1961). 70 K a d a r

60 50 40 30

a i r (%)

20 10 0 0

2

4

6

8

10

12

14

Waktu (Hari)

Gambar 1 Kadar air manur dengan jumlah kapur 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×).

355

Kadar air manur kontrol pada hari ke-0 ialah 67.08%, sedangkan kadar air manur yang diberi kapur 1, 3, dan 5% berturut-turut ialah 65.27, 64.21, dan 62.24%. Hal ini menunjukkan bahwa pemberian kapur berpengaruh terhadap kadar air, dan persen penurunannya semakin besar dengan semakin banyak kapur yang ditambahkan. Hal ini juga didukung oleh data kadar air hari ke-14 untuk pemberian kapur sebanyak 0 (kontrol), 1, 3, dan 5%, yaitu berturut-turut sebesar 10.42, 9.80, 9.77, dan 8.33% yang menunjukkan persen total penurunan kadar air 84.46, 84.78, 84.98, dan 86.61%. Analisis ragam pada taraf uji 5% menunjukkan bahwa lamanya waktu inkubasi dan konsentrasi kapur berpengaruh nyata terhadap perubahan kadar air (P < 0.05). Sementara hasil uji Duncan memperlihatkan bahwa pemberian kapur dengan konsentrasi 0 (kontrol), 1, 3, dan 5% berpengaruh terhadap penurunan kadar air pada hari ke-4 dan 8, sedangkan pada hari ke-10, 12, dan 14 tidak berpengaruh. Adanya penurunan rerata kadar air akibat pemberian kapur disebabkan oleh sifat kapur yang dapat menyerap dan bereaksi dengan air. Semakin besar konsentrasi kapur maka daya serapnya terhadap air juga semakin tinggi. Reaksi kapur dengan air ialah sebagai berikut: CaO + H2O CaCO3 + H2O

Ca(OH)2 Ca2+ + HCO3− + OH−

pH Manur Ayam Hasil pengukuran pH dapat dilihat pada Gambar 2. Nilai pH kontrol naik dari 7.55 (hari ke-0) menjadi 8.71 (hari ke-14). Hal yang sama juga terjadi pada manur yang diberi kapur. Nilai pH awal–pH akhir pada manur yang diberi kapur 1, 3, dan 5% berturut-turut ialah 7.73–8.75, 8.40–9.06, dan 8.94– 9.13. Berdasarkan hasil analisis ragam, lamanya waktu inkubasi dan konsentrasi kapur berpengaruh terhadap perubahan pH. Hasil uji Duncan ialah pemberian kapur dengan konsentrasi 0 (kontrol), 1, 3, dan 5% berpengaruh terhadap kenaikan pH pada hari ke-10, tetapi tidak berbeda nyata pada hari ke-12 dan 14. 9.3

p H

9.1

m a n u r

8.9

8.7

8.5 2

4

6

8

10

12

14

Waktu (Hari)

Gambar 2 Nilai pH manur dengan jumlah kapur 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×). Manur ayam petelur memiliki pH sedikit basa, yaitu sekitar 7.59. Hal ini disebabkan oleh kandungan kalsiumnya yang cukup besar dibandngkan dengan ayam ras lain. Manur ayam petelur akan terdekomposisi atau dibusukkan oleh aktivitas bakteri. Pada umumnya, pembusukan menurunkan pH, tetapi pada manur ayam petelur justru sebaliknya. Kenaikan pH tersebut disebabkan oleh adanya OH− sebagai hasil reaksi antara kapur dan air dalam manur. Konsentrasi OH− semakin besar jika jumlah kapur yang digunakan cukup banyak (Hakim 1986). Aktivitas bakteri juga dapat menaikkan pH dengan cara menghasilkan NH3 selama proses dekomposisi manur. Akan tetapi, jika amonia tersebut digunakan kembali oleh bakteri sebagai sumber

356

nitrogen, pH medium akan cenderung menurun. Dalam proses ini mikrob menggabungkan NH4+ ke dalam selnya sebagai R-NH3+, sedangkan H+ akan terakumulasi dalam medium. Selain dalam bentuk NH3, nitrogen di dalam manur juga terdapat dalam bentuk NO3− dan NO2−. Ion hidrogen di dalam manur akan mereduksi NO3− dan NO2− ini menjadi NH3. Nilai pH akan meningkat jika mikrob mengambil sumber nitrogen dari proses ini. Namun, bila sumber nitrogen yang digunakan ialah bahan-bahan organik (protein), akan terjadi deaminasi sehingga pH meningkat.

Kadar Gas H2S yang Dilepaskan Banyak mikrob yang mampu memecah bahan organik bersulfur, misalnya Desulfovibrio, dan membebaskan gas H2S (Clifton 1958). Pada kondisi aerob, asam amino metionin dan sistein sulfur akan mengalami desimilasi dan desulfurisasi. Contoh reaksi desimilasi:

HOOC

HOOC

CH NH2

C

O

CH2SH

CH2SH

H2S + produk lain Pemberian kapur dan lamanya pengamatan berpengaruh terhadap penurunan gas H2S yang dilepaskan. Efektivitas pemberian kapur terhadap pelepasan gas H2S terlihat pada hari ke-4. Semakin banyak kapur yang diberikan, gas H2S yang dilepaskan semakin berkurang. Hal ini dikarenakan kapur dapat membunuh atau menghambat pertumbuhan mikrob dengan cara menyerap air dan membunuh mikrobnya. Selain itu, penambahan kapur menyebabkan pH meningkat, sehingga sulfida berada dalam bentuk HS− dan S2−. Akibatnya sulfida yang terbentuk tidak akan dilepaskan sebagai H2S. Gambar 3 memperlihatkan pengaruh kapur terhadap pelepasan gas H2S. 6 K a d a r

5 4 3

H2S (mg/100 2 g/2hari) 1 0 2

4

6

8

10

12

14

Waktu (Hari)

Gambar 3 Kadar gas H2S yang dihasilkan manur ayam dengan jumlah kapur 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×). Kadar gas H2S yang dilepaskan cenderung menurun seiring dengan lamanya waktu pengamatan. Hal tersebut dikarenakan semakin berkurangnya nutrien bagi pertumbuhan bakteri sehingga aktivitas bakteri dan karena itu, produksi gas H2S menurun. Jumlah manur yang digunakan selama pengamatan tetap.

357

Unsur Hara Manur Ayam Pengamatan terhadap N, P, dan K, baik langsung dianalisis maupun yang disimpan terlebih dahulu selama satu bulan, menunjukkan peningkatan yang tidak berbeda nyata (P > 0.05). Tabel 3 memperlihatkan bahwa kadar nitrogen tidak terpengaruh oleh jumlah kapur yang ditambahkan. Tabel 3 Hasil uji Duncan terhadap kadar nitrogen manur ayam pada berbagai konsentrasi kapur Konsentrasi kapur (%)

Kadar nitrogen (%)* Pengukuran langsung Setelah disimpan 1 bulan

0 1 3 5 *

2.5500a 2.5800a 2.6150a 2.6850a

1.7400a 1.7550a 1.7600a 1.7700a

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

Menurut Kirchman & Witter (1989), karbohidrat di dalam manur akan dirombak oleh mikrob dan menghasilkan H2O dan CO2 (Reaksi 1) yang kemudian bereaksi membentuk H2CO3 (Reaksi 2). Dalam air, senyawa tersebut dapat berkesetimbangan dengan bentuk ionnya (Reaksi 3 dan 4). CO2 + H2O H2CO3 H3O+ + HCO3− H3O+ + CO32−

Karbohidrat CO2 + H2O H2CO3 + H2O HCO3− + H2O

(1) (2) (3) (4)

Protein akan mengalami deaminasi, dan -NH2 yang dilepaskan akan mengambil H+ dari lingkungannya membentuk NH3. Manur yang basah menyebabkan NH3 terperangkap dalam bentuk ion amonium (Reaksi 5). Ion amonium akan melepaskan proton jika terdapat HCO3− dan akhirnya membebaskan gas NH3 ke udara (Reaksi 6). Pemberian kapur menyebabkan Ca2+ dari kapur bereaksi dengan HCO3- membentuk CaCO3. Akibatnya, bentuk ion amonium dipertahankan dan hilangnya N dalam bentuk NH3 (volatilisasi) dapat dikurangi (Reaksi 7).

+

NH3 + H2O −

2 NH4 + HCO3 + OH

−

2 NH4+ + HCO3− + OH− + Ca2+

NH4+ + OH−

(5)

2 NH3 + 2 H2O + CO2

(6)

CaCO3 + 2 NH4+ + H2O

(7)

Tabel 4 menunjukkan bahwa pada pengukuran langsung kadar fosforus manur ayam dengan penambahan 5% kapur berbeda dengan pemberian 0, 1, dan 3% kapur. Sementara dalam manur ayam yang disimpan selama 1 bulan, kadar fosforus pada penambahan 3% sama dengan 5%. Tabel 4 Hasil uji Duncan terhadap kadar fosforus manur ayam pada berbagai konsentrasi kapur Konsentrasi kapur (%) 0 1 3 5 *

358

Kadar fosforus (%)* Pengukuran langsung Setelah 1 bulan 0.4218a 0.4471a 0.4898a 0.5975b

0.4049a 0.4284a 0.4767ab 0.5696b

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

Berdasarkan hasil uji Duncan, untuk kadar kalium yang diukur langsung, penambahan 1% kapur tidak berpengaruh terhadap kadar kalium, dibandingkan dengan kontrol (Tabel 5). Sementara peningkatan penambahan kapur dari 3% menjadi 5% meningkatkan kadar kalium secara signifikan. Akan tetapi, kadar kalium dengan penambahan 3 dan 5% menjadi tidak berbeda nyata setelah manur disimpan 1 bulan. Tabel 5 Hasil uji Duncan terhadap kadar kalium manur ayam pada berbagai konsentrasi kapur Konsentrasi kapur (%) 0 1 3 5 *

Kadar kalium (%)* Pengukuran langsung Setelah 1 bulan 0.1089a 0.1275a 0.1805b 0.2193c

0.1059a 0.1233a 0.1772b 0.2045b

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

Berdasarkan data-data di atas, kadar hara manur menurun setelah disimpan 1 bulan. Hal tersebut dikarenakan kapur dapat bereaksi dengan N, P, dan K dalam manur. Fosforus dan kalium bereaksi dengan ion Ca2+ membentuk Ca-P dan Mg-P yang stabil dalam suasana basa. Kapur dan manur akan membentuk gumpalan dan mengakibatkan air dalam manur berkurang sehingga aktivitas bakteri pengurai dapat terhenti. Bila sumber nutrien ini berkurang, mikrob akan berkompetisi dalam mempertahankan hidupnya dan aktivitasnya pun akan semakin berkurang.

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Pemberian kapur pada manur berpengaruh terhadap penurunan kadar air, kenaikan pH, serta penurunan pelepasan gas H2S. Hasil analisis ragam dan uji Duncan secara keseluruhan menunjukkan bahwa kapur dengan konsentrasi 1, 3, dan 5% berpengaruh secara nyata (P < 0.05) terhadap penurunan kadar air pada pengamatan hari ke-4 dan ke-8, untuk perubahan pH pada pengamatan hari ke-10, serta untuk penurunan kadar gas H2S efektif bekerja pada pengamatan hari ke-4. Penyimpanan manur selama 1 bulan cenderung menurunkan kadar N, P, dan K-nya.

Saran Diperlukan penelitian lanjutan mengenai konsentrasi kapur optimum untuk mengurangi kadar gas H2S yang dilepaskan oleh manur ayam.

DAFTAR PUSTAKA Ariens EJE, Simonis AMM. 1986. Toksikologi Umum: Suatu Pengantar. Yogyakarta: Gajah Mada Univ Pr. Clifton CE. 1958. Introduction to The Bacteria. Ed ke- 2. New York: McGraw-Hill. Darwis AA, Said EG. 1988. Teknologi Fermentasi. Rajawali Pr dan PAU Bioteknologi. Fardiaz S, Hastowo S. 1992. Mikrobiologi Pangan. Bogor: PAU Pangan dan Gizi, IPB. Fontenot JP, Smith LW, Sutton AL. 1983. Alternative utilization of animal wastes. J Anim Sci 57:221-233.

359

Foot AS et al. 1976. Studies on Farm Livestock Waste. Ed ke-1. London: Agricultural Research Council. Grock TD, Madigan MT. 1991. Biology of Microorganisms. Ed ke6. New Jersey: Prentice Hall . Hakim N. 1986. Dasar-dasar Ilmu Tanah. Lampung: Univ Lampung. Kirchman H, Witter E. 1989. Ammonia volatilization during aerobic and anaerobic manur decomposition. Department of Soil Science, Division of Plant Nutrition, Swedish University of Agricultural Science. Plant and Soil. hlm. 1534-1535 Kumar S, Biswar TD. 1982. Biomass production from different animal exreta. J Indian Agr Sci 51:513520. Kusnoputranto H, Jaya IM. 1984. Khasiat Pembubuhan Kapur Tohor dalam Hal Daya Membunuh Mikroorganisme (E. Coli) dan Peningkatan Alkalinitas pada Lumpur Tinja dari Septic Tank Jamban Jamak di DKI Jakarta. Jakarta: Fakultas Kesehatan Masyarakat, Universitas Indonesia. Malone GW, 1992. Nutrient enrichment in integrated broiler production system. J Poultry Sci 71:11171122. Mattjik AA, Sumertajaya IM. 2003. Perancangan Percobaan dengan Aplikasi SAS dan Minitab. Bogor: IPB Pr. Pelczar MJJr, Chan ECS. 1986. Dasar-dasar Mikrobiologi. Volume ke-2. Hadioetomo RS, Imas T, Tjitrosomo SS, Angka SL, penerjemah. Jakarta: UI Pr. Terjemahan dari: Elements of Microbiology. Pauzenga. 1991. Animal production in the 90’s in harmony with nature: A case study in the Netherland. Di dalam: Lyons TP, editor. Biotechnology in The Feed Industry. Proceeding of The Alltech’s 7th Annual Symposium. Nicholasville, Kentucky. Russel EW. 1961. Soil Condition and Plant Growth. Ed ke-7. London: Longmans Green. Salle AJ. 1961. Fundamental Principles of Bacteriology. Ed ke-5. New York: McGraw-Hill. Sutedjo MM, Kartasapoetra, Sastroatmodjo RDS. 1986. Mikrobiologi Tanah. Jakarta: Rineka Cipta. Santoso U. 1987. Limbah Bahan Ransum Unggas yang Rasional. Jakarta: Bhrata Karya Aksara. Setiawan H. 1996. Amonia, sumber pencemar yang meresahkan. Dalam Infovet (Informasi Dunia Kesehatan Hewan). Edisi 037 Agu 1996. Asosiasi Obat Hewan Indonesia. Setyamidjaja D. 1986. Pupuk dan Pemupukan. Jakarta: CV Simplex. Soepardi G. 1983. Sifat dan Ciri Tanah. Bogor: Insitut Pertanian Bogor. Sumardi. 2002. Teori dasar AAS dan peralatan. Di dalam: Kursus Tehnik Analisis Spektroskopi Aplikasi dan Kalibrasi. Bandung: Pusat Penelitian Kimia. Tabbu CR, Hariono B. 1993. Pencemaran lingkungan oleh limbah peternakan dan cara mengatasinya. J Ayam Sehat 18:7-9. Tisdale SL, Nelson WL, Beaton JD. 1965. Soil Fertility and Fertilizers. New York: McMillan. Usri T. 1988. Zeolisitas kotoran ternak dan gas bio. J Peternakan Indones 46:40-41. Wellinger A. 1984. An aerobic digestion. A review comparation with two types of aeration system for manure treatment and energy production on the small farm. J Agr Waste 10:117-123.

360

PENGARUH PENAMBAHAN KAPUR TERHADAP PELEPASAN GAS NH3 PADA MANUR AYAM PETELUR Charlena, Irma H Suparto, M Farid Humaidi Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRACT The increasing livestock population has negative impact to the environment. The accumulation of livestock’s manure pollutes the land, water, and also air from the NH3 gas release. Efforts to treat and decrease the odor problem had been done. One treatment which is cheap and efficient is adding lime directly to the manure. The objective of this study was to analyze the effect of lime addition with different concentrations to chicken layer’s manure toward NH3 gas released, pH, water content, and protein content. Layer’s manure was divided into four different concentrations. The first concentration was 0% (manure without addition of lime); the other three were 3, 4, and 5%. A hundred grams of manure from each concentration were analyzed for the NH3 and water content as well as pH, at baseline and every two days for 14 days. Protein content, in the other hand, was measured only at baseline and 14th day’s of incubation at room temperature. The result of the study showed that addition of 5% lime after 14 days of incubation had the lowest NH3, water, and protein contents (0.0025 ppm, 9.7133%, and 25.5%, respectively). The highest pH (9.95) was obtained with 5% lime addition but at the 8th days of incubation.

PENDAHULUAN Perkembangan dunia peternakan yang semakin pesat telah membawa dampak negatif bagi lingkungan hidup. Jumlah manur dari usaha peternakan ayam skala besar menyebabkan pencemaran udara, tanah, dan air. Dampak yang paling utama ialah bau busuk manur ayam yang diakibatkan oleh gas H2S dan NH3 yang berasal dari penguraian zat makanan sisa pencernaan oleh mikrob perombak protein. Manur merupakan medium bagi mikrob untuk melangsungkan fermentasi zat makanan sisa pencernaan baik secara aerob maupun anaerob. Proses penguraian manur tersebut disertai dengan pelepasan gas NH3 yang berbau tidak sedap dan berbahaya bagi lingkungan. Bau gas NH3 juga dapat mengganggu efisiensi aktivitas para pekerja kandang. NH3 merupakan gas alkali, tidak berwarna, mempunyai daya iritasi tinggi, bersifat toksik, dan dihasilkan selama proses dekomposisi bahan organik atau reduksi zat bernitrogen oleh bakteri. Pekerja kandang juga dapat mengalami keracunan gas NH3. Untuk keamanan mereka, perlu diiupayakan untuk mengurangi bau dari manur ayam. Usaha-usaha yang telah dilakukan antara lain ialah meletakkan jerami pada manur, sedangkan peternak Jepang menggunakan zeolit. Selain itu, juga telah diteliti penambahan bahan aditif tertentu pada makanan ternak, misalnya penggunaan fitogenik dan antibiotik (avilamisin dan flavomisin) pada makanan ayam buras (Kurniawan 2003). Cara sederhana yang juga dapat dilakukan ialah memberi kapur pada manur. Kapur merupakan disinfektan yang dapat dipakai untuk mengurangi bau dan mencegah perkembangan bakteri patogen dalam manur (Tabbu & Hariono 1993). Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh pemberian kapur terhadap pelepasan gas NH3 dari manur ayam petelur, dan

361

hubungannya dengan kadar air, pH, konsentrasi kapur yang digunakan, dan konsentrasi protein manur. Penelitian ini akan memberikan informasi bagi para peternak tentang kegunaan kapur dalam mengurangi pelepasan gas NH3 dari manur ayam petelur, dengan hipotesis bahwa penambahan kapur pada konsentrasi tertentu dapat mengurangi pelepasan gas NH3 tersebut.

TINJAUAN PUSTAKA Usaha Peternakan dan Pencemaran Lingkungan Industri yang bergerak dalam bidang peternakan semakin berkembang pesat seiring dengan pola konsumsi makanan berprotein, khususnya di kota-kota besar. Dalam peternakan ayam terdapat 3 unsur pokok proses produksi, yaitu masukan (pakan, air, dan oksigen), luaran (daging, telur, manur), dan perkandangan. Pencemaran udara yang ditimbulkan oleh peternakan ayam sering dikaitkan dengan jumlah manur yang dihasilkan. Hal ini berkaitan dengan proses penguraian manur oleh mikrob sehingga dihasilkan gas berbau dan beracun seperti NH3 (Usri 1998).

Manur Ayam Manur ayam terdiri atas feses yang berasal dari usus besar dan urine yang berasal dari ginjal (Ensminger 1992). Seekor ayam diperkirakan menghasilkan 0.15 kg manur/hari, yang mengandung 4.8% nitrogen, 1.8% fosforus, 1.8% kalium, dan 5.5% kalsium. Nitrogen yang berasal dari protein akan menguap dan jumlahnya berkurang jika dibiarkan terlalu lama di tempat penampungan. Jumlah air yang diekskresikan bersama manur bergantung pada konsumsi air oleh ayam. Kandungan protein yang tinggi pada ransum ayam petelur menyebabkan kadar air manurnya juga tinggi, yaitu sekitar 80% (Patrick 1995; Lesson et al. 1995). Kelebihan nitrogen yang berasal dari protein ransum tersebut akan dibuang dalam bentuk asam urat dalam urine, proses yang memerlukan banyak air (Sujono et al. 2001).

Dampak Negatif Manur Ayam Manur, hasil produksi peternakan selain daging dan telur ayam, mengandung unsur-unsur N, P, dan K yang merupakan nutrisi bagi tanaman. Akan tetapi, manur menjadi masalah bagi lingkungan jika jumlahnya berlebih. Gas H2S dan NH3 yang dihasilkan oleh manur merupakan polutan berbau yang sangat dominan dalam menimbulkan efek merugikan terhadap ternak dan manusia. Proses dekomposisi protein pada manur ayam adalah sebagai berikut (Salle 1961): Manur (protein)

bakteri

Asam amino deaminasi

NH3 + H2S Nitrogen dalam manur hewan terdapat dalam 2 bentuk, yaitu nitrogen anorganik dan organik. Nitrogen organik, misalnya protein, akan diubah secara berangsur-angsur oleh mikrob tanah menjadi nitrogen anorganik. Nitrogen anorganik dalam manur sebagian besar berbentuk kation amonium yang stabil di dalam tanah dan terikat pada permukaan partikel lempung. Apabila ion amonium ini terakumulasi pada tempat penyimpanan manur, keberadaan air akan menyebabkan pengikatan oksigen air oleh amonium yang menghasilkan nitrit dan nitrat melalui proses nitrifikasi (Pettigrew 1992). Proses nitrifikasi terjadi dengan adanya bakteri Nitrosomonas yang mengoksidasi amonium menjadi nitrit, yang

362

selanjutnya oleh bakteri Nitrobacter diubah menjadi nitrat. Reaksinya adalah sebagai berikut (Salle 1961): 2 NH3 + 3 O2 HNO2 + ½ O2

2 HNO2 + 2 H2O HNO3

Nitrat tidak terikat pada partikel lempung sehingga dapat larut terbawa aliran air dan menimbulkan pencemaran air. Bakteri dari spesies Pseudomonas akan mengubah nitrat menjadi NH3. Reduksi nitrat ini terjadi pada kondisi netral atau basa (Pettigrew 1992).

Kapur Komposisi utama batuan kapur adalah kalsium karbonat (CaCO3), magnesium karbonat (MgCO3), silika, dan alumina. Kapur yang ada di pasaran biasanya diperoleh sebagai hasil kalsinasi batuan kapur; reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut (Kusnoputranto & Jaya 1984): CaCO3· MgCO3

CaO⋅MgO + 2 CO2

Kalsinasi kapur menghasilkan 2 bentuk senyawa, yaitu CaO dan Ca(OH)2. Komposisi kedua bentuk senyawa ini bervariasi. CaO mudah larut dan bereaksi eksoterm dengan air menghasilkan gugus hidroksil. Selain itu, CaO juga mudah larut dalam asam. Tanah mengandung bagian yang disebut koloid tanah. Sama halnya dengan manur, koloid tanah juga mengandung unsur organik. Reaksi pengapuran pada tanah dapat dijadikan sebagai gambaran dari reaksi pengapuran yang terjadi pada manur (Kusnoputranto & Jaya 1984): Reaksi dengan H2O: CaO + H2O Æ Ca(OH)2 CaCO3 + H2O Æ Ca2+ + HCO3− + OH− Reaksi dengan H2CO3:

CaCO3 + H2CO3 Æ Ca(HCO3)2 Ca(OH)2 + 2 H2CO3 Æ Ca2+ + 2 HCO3− + 2H2O

Reaksi dengan koloid atau manur: H2M + Ca(OH)2 Æ CaM + 2 H2O H2M + Ca(HCO3)2 Æ CaM + 2 CO2 + 2 H2O H2M + CaCO3 Æ CaM + CO2 + H2O Kapur dapat berfungsi sebagai disinfektan, dan daya disinfeksinya bergantung pada pemisahan dan konsentrasi ion hidroksilnya. Kapur mencegah mikrob patogen dengan 2 cara, yaitu dengan absorpsi secara fisik sehingga membentuk gumpalan atau meningkatkan pH menjadi 11–11.5 sehingga menghancurkan mikrob patogen. Kapur juga digunakan dalam pengolahan air, antara lain untuk menurunkan kesadahan, kadar silikat, dan bahan-bahan organik sehingga nilai BOD-nya juga turun. Selain itu, kapur juga dapat menetralkan keasaman. Pada proses pengolahan limbah tekstil, kapur digunakan untuk mengurangi warna. Pemanfaatan lain kapur ialah dalam pencegahan pencemaran udara ialah untuk mengurangi gas SO2 yang dihasilkan pada proses pembakaran batu bara atau minyak yang tinggi kandungan sulfurnya.

363

Gas NH3 dan Dampaknya terhadap Lingkungan Pelepasan gas NH3 merupakan mekanisme utama dari proses kehilangan nitrogen dalam manur. Sekitar 30–90% nitrogen hilang dari manur selama masa penyimpanan dengan aerasi dan sekitar 10–70% selama penyimpanan anaerobik (O’Halloran 1993). Gas NH3 dihasilkan oleh bakteri melalui tiga jalur. Pertama, dekomposisi protein melalui proteolisis oleh protease mikrob membentuk asam-asam amino, yang selanjutnya mengalami deaminasi menjadi gas NH3 (Svenson 1990). Gas NH3 sebagian besar dihasilkan oleh bakteri melalui jalur tersebut. Kedua, urea dan asam urat yang dihasilkan oleh hewan dalam jumlah tertentu, sebagian dihidrolisis menjadi amonium karbonat oleh enzim urease yang disekresikan bakteri. Amonium karbonat mudah pecah menjadi gas NH3, CO2, dan H2O. Yang terakhir ialah reduksi nitrat oleh sejumlah bakteri anaerob dan aerob fakultatif: gas NH3 dihasilkan dalam proses reduksi ini setelah terbentuknya nitrit. Gas NH3 yang dihasilkan oleh manur merupakan polutan yang sangat besar pengaruhnya terhadap ternak dan manusia. Selama musim dingin pada kandang yang kurang berventilasi, gas NH3 akan berubah menjadi nitrat dan nitrit yang dapat menyebabkan keracunan pada ternak. Gas NH3 juga memengaruhi fisik ternak, meningkatkan kerentanan terhadap penyakit, dan mengganggu efisiensi kerja pekerja kandang. Di atmosfer, gas NH3 membentuk endapan ion-ion amonium, misalnya partikel amonium nitrat dan amonium sulfat, yang dapat menyebabkan hujan asam (Sjogren 1990). Batas maksimum gas NH3 yang masih dapat ditoleransi berbeda-beda. Batas untuk manusia ialah 5–10 ppm. Gas NH3 5 ppm merupakan kadar terendah yang terdeteksi baunya, sedangkan kadar maksimum yang dapat ditoleransi selama 8 jam bagi kesehatan adalah 25 ppm dan untuk 10 menit adalah 35 ppm. Untuk unggas batas toleransinya lebih tinggi, yaitu 15–20 ppm, tetapi sebanyak 11 ppm gas NH3 telah dapat menurunkan produktivitas ayam. Penurunan produktivitas ayam yang sangat tinggi terjadi bila kadar gas NH3 sudah mencapai 50 ppm (Setiawan 1996). Tabel 1 memperlihatkan efek ditimbulkan oleh beberapa konsentrasi NH3. Tabel 1 Efek keterpaparan gas NH3 bagi manusia (Pauzenga 1991) Konsentrasi 6–20 ppm 40 ppm 100 ppm/jam 400 ppm/jam

Gejala yang ditimbulkan Iritasi mata, masalah respirasi. Sakit kepala, mual, nafsu makan menurun. Iritasi permukaan mukosa. Iritasi pada hidung dan tenggorokan.

Analisis Gas NH3 Gas NH3 dapat diukur dengan metode titrasi dan kolorimetri, yang terkenal adalah metode Nessler. Kadar gas NH3 dapat diukur dengan cukup teliti pada panjang gelombang 400–425 nm. Gas NH3 ditampung dalam larutan asam borat dan akan memberikan warna kuning khas ketika diberi reagen Nessler jika konsentrasinya rendah. Namun, jika kadar gas NH3 tinggi, terbentuk warna cokelat kemerahan yang dapat diukur pada panjang gelombang 450–500 nm. Unsur-unsur pengganggu seperti Ca, Fe, Mg, dan sulfida akan menimbulkan warna keruh bila diberi pereaksi Nessler. Reaksi reagen Nessler dengan gas NH3 ialah sebagai berikut:

NH 4 + + 4OH − + 2HgI4 2−

364

O

Hg

− NH 2 + I −(s) + 7I + 3H 2 O

Hg (cokelat)

BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan adalah Spectronic-20, pH-meter, aerator, radas distilasi Kjeltec, serta alat-alat kaca dan non-kaca yang lazim digunakan di laboratorium. Bahan-bahan yang digunakan ialah manur ayam petelur, kapur tohor, akuades, asam borat, larutan standar NH3, pereaksi Nessler, katalis Se, H2SO4 pekat, indikator hijau bromkresol-merah metil (BCG-MM), dan HCl 0.02 M.

Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan kapur dengan 4 tingkat konsentrasi, yaitu 0, 1, 3, dan 5%. Manur yang tidak diberi kapur dianggap sebagai kontrol. Pengukuran kadar gas NH3, pH, dan kadar air dilakukan setiap 2 hari selama 14 hari masa inkubasi, sedangkan pengukuran kadar protein hanya dilakukan pada hari ke-0 dan ke-14 dalam masa inkubasi. Perlakuan manur Manur ayam petelur dikumpulkan dalam bak plastik dan diaduk sampai homogen, kemudian dibagi menjadi 4 bagian yang secara berurutan diberi 0, 1, 3, dan 5% kapur. Setiap bagian ditimbang 100 g, dimasukkan ke dalam labu Erlenmeyer 500 ml untuk diinkubasi selama 14 hari. Masing-masing sisa manur dibagi lagi menjadi 4 bagian dan ditempatkan dalam bak plastik, lalu diratakan untuk penetapan pH, kadar air, dan kadar protein. Pengukuran kadar gas NH3 Sebelum kadar gas NH3 diukur, daerah serapan maksimum pengukuran ditentukan dengan Spectronic-20. Sebanyak 10 ml larutan standar yang mengandung 2 ppm NH3 ditambahkan 1 ml reagen Nessler dan diukur serapannya pada panjang gelombang 400–425 nm. Setelah itu, kurva kalibrasi juga dibuat dengan berbagai konsentrasi NH3, yaitu 0, 0.5, 1, 2, 3, dan 4 ppm, yang masingmasing diberi 1 ml pereaksi Nessler. Gas NH3 dari contoh manur, setelah ditampung dalam asam borat 0.1%, dipipet sebanyak 10 ml, lalu juga diberi 1 ml pereaksi Nessler dan diukur serapannya. Pengukuran kadar air manur Sebanyak 5 g manur dimasukkan ke dalam cawan porselen. Cawan porselen yang berisi manur ditimbang sebagai bobot basah, dikeringkan dalam oven pada suhu 105 °C, dan ditimbang kembali bobot keringnya. Kadar air manur dihitung dengan persamaan berikut: x=

a −b ×100% a

dengan x = kadar air (%), a = bobot basah manur ayam (g), dan b = bobot kering manur ayam (g) Pengukuran pH Sebanyak 5 g manur dilarutkan dalam 10 ml akuades dan diukur pH-nya. Penentuan Protein Analisis protein dilakukan dengan metode Kjeldahl. Sebanyak 0.5–1 g contoh ditimbang dalam labu destruksi, lalu ditambahkan 12 ml H2SO4 pekat dan tablet katalis selenium. Campuran tersebut didestruksi selama 45 menit sampai jernih. Larutan hasil destruksi kemudian ditempatkan pada radas

365

distilasi Kjeltec dan didistilasi uap. Uapnya ditampung di dalam Erlenmeyer yang berisi asam borat 4% dan indikator BCG-MM. Setelah itu, distilat dititrasi dengan HCl 0.02 M sampai terjadi perubahan warna dari biru menjadi merah muda. Penetapan blangko juga dilakukan.

N

Kadar protein = 6.25 ×

( A - B ) × 14.007 × bobot contoh (mg)

dengan A = volume HCl untuk titrasi contoh (ml) B = volume HCl untuk titrasi blangko (ml) M = molaritas HCl Analisis data Percobaan menggunakan rancangan acak lengkap untuk mengetahui pengaruh penambahan kapur dengan berbagai konsentrasi dan lamanya masa inkubasi serta kemungkinan interaksi di antara keduanya terhadap kadar gas NH3, pH, kadar air, dan kadar protein manur. Percobaan dilakukan sebanyak 3 ulangan. Uji lanjut yang digunakan adalah uji perbandingan berganda Duncan (DMRT, Duncan multiple range test). Prosedur Duncan mempersiapkan segugus nilai pembanding yang nilainya meningkat bergantung pada jarak peringkat dua buah perlakuan yang akan dibandingkan. Perlakuan-perlakuan yang berada dalam satu garis yang sama dikatakan tidak berbeda nyata pada taraf α.

HASIL DAN PEMBAHASAN Kadar Pelepasan Gas NH3 Manur Ayam Petelur Pelepasan terbesar gas NH3 terjadi pada hari ke-2, sedangkan pada hari ke-4 terjadi penurunan yang sangat tajam. Setelah hari ke-4, pelepasan gas NH3 pada manur yang diberi kapur cenderung menurun dibandingkan dengan kontrol, walaupun selisihnya tidak terlalu besar (Gambar 1). Secara teoretis, 1 mol Ca2+ dari kapur akan mencegah pelepasan 2 mol gas NH3 hasil dekomposisi manur. Keefektifan dalam menekan pelepasan gas NH3 ini didasarkan pada pembentukan CaCO3 dari Ca2+ kapur dan HCO3− yang ada pada manur. Semakin tinggi konsentrasi kapur dan semakin lama masa inkubasi, kadar gas NH3 yang diperoleh cenderung menurun. Analisis ragam menunjukkan adanya interaksi antara jumlah kapur dan lamanya waktu inkubasi terhadap nilai penurunan tersebut (P < 0.05). 2.5 2

Kadar gas 1.5 amonia (mg/100g 1 manur) 0.5

Hari ke-

0 2

4

6

8

10

12

14

Gambar 1 Pelepasan gas NH3 dari manur ayam petelur yang diberi kapur sebanyak 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×).

366

Hasil uji nilai tengah Duncan pada taraf uji 5% memperlihatkan bahwa kadar gas NH3 terendah, yaitu sebesar 0.0025 ppm, dimiliki oleh manur dengan pemberian kapur 5% dan masa inkubasi 14 hari (Tabel 2). Tabel 2 Hasil uji Duncan terhadap rerata kadar gas NH3 yang dilepaskan oleh pada manur ayam petelur yang diberi berbagai konsentrasi kapur. Jumlah kapur (%) 0 1 3 5 *

Kadar gas NH3 hari ke- (ppm)* 6 8 10

2

4

12

14

0.2152a

0.1192b

0.0456cdef

0.0154gh

0.0074h

0.0090h

0.2268a

0.0699c

0.0223fgh

0.0100h

0.0077h

0.0073h

0.2044a 0.1363b

0.0596cd 0.0295efgh

0.0506dce 0.0221fgh

0.0110h 0.0091h

0.0049h 0.0037h

0.0052h 0.0044h

0.0037h 0.0070h 0.0026h 0.0025h

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

Pada saat proses dekomposisi, karbohidrat dalam manur akan mengalami perombakan oleh mikrob dan menghasilkan H2O dan CO2 (reaksi a). Kedua molekul ini akan bereaksi membentuk H2CO3, yang akan terionisasi menjadi HCO3− dan CO32− di dalam air (reaksi b, c dan d). Sementara itu, protein akan mengalami deaminasi. Gugus amina (-NH2) yang dilepaskan akan mengambil H+ dari lingkungannya dan membentuk NH3. Manur yang basah menyebabkan NH3 yang terperangkap membentuk ion amonium (reaksi e). Keberadaan HCO3− dalam manur akan mendorong NH4+ untuk melepaskan proton kepada HCO3− sehingga terjadi pelepasan gas NH3 ke udara (reaksi f). Dengan pemberian kapur pada manur, Ca2+ dari kapur akan bereaksi dengan HCO3− membentuk CaCO3. Hal ini menyebabkan bentuk ion amonium dipertahankan, dan pelepasan gas NH3 dapat dikurangi (reaksi g). Reaksi-reaksi yang terjadi ialah sebagai berikut:

Karbohidrat

CO 2 + H 2O

(a)

CO2 + H 2O

H 2CO 3

(b)

H 2CO3 + H2O

H 3O + + HCO 3−

(c)

−

+

HCO3 + H2O

H3O + CO 3 +

NH3 + H2O

NH 4 + OH

+

−

−

+

−

−

2NH4 + HCO3 + OH

2NH4 + HCO 3 + OH + Ca

2−

(d)

−

(e) (f)

2NH3 (g) + 2H2O + CO2 (g) 2+

+

CaCO 3 (s) + 2NH4 + H2O

(g)

Berkurangnya pelepasan gas NH3 juga berbanding lurus dengan lamanya inkubasi. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu inkubasi, semakin berkurang air dan nutrien untuk pertumbuhan bakteri, karena jumlah manur yang diberikan tetap. Mikrob membutuhkan nutrien selain air untuk hidup dan pertumbuhannya, yaitu sebagai sumber karbon, nitrogen, mineral, dan vitamin. Bila sumber nutrien ini berkurang, mikrob akan berkompetisi dalam mempertahankan hidupnya. Sejalan dengan itu, aktivitasnya pun akan semakin berkurang. Kapur juga dapat menyerap air sehingga tidak dapat digunakan oleh mikrob. Air sangat dibutuhkan oleh mikrob untuk pertumbuhan dan pekembangannya. Selain itu, air juga merupakan bagian terbesar dari protoplasma yang berperan dalam reaksi metabolisme mikrob. Penurunan kadar air dalam manur menyebabkan aktivitas mikrob menurun sehingga jumlah gas NH3 yang dilepaskan juga berkurang. Selain itu, kapur juga menaikkan pH di atas pH kehidupan mikrob (bakteri hidup pada pH 6 sampai 8).

367

Kadar Air Manur Ayam Petelur Kadar air manur ayam sangat dipengaruhi oleh kelembapan dan suhu lingkungan serta kondisi iklim selama pengamatan. Hasil pengamatan memperlihatkan penurunan kadar air, baik yang diberi kapur maupun tidak (Gambar 2). Pengamatan kadar air dilakukan 2 hari sekali. 80 70 60 50 40 a 30 i 20 r 10 (%) 0 K a d a r

0

2

4

6

8

10

12

14

Hari ke-

Gambar 2 Kadar air manur ayam yang diberi kapur sebanyak 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×). Kadar air manur ayam awal dengan penambahan 0, 1, 3, dan 5% kapur berturut-turut ialah 66.74, 65.76, 64.52, dan 63.11%. Sementara hasil pengukuran kadar air keempat manur tersebut pada hari ke-14 ialah 11.36, 10.82, 10.41, dan 9.71%. Berdasarkan data tersebut, kadar air menurun selama masa inkubasi berturut-turut sebanyak 82.98, 83.55, 85.19, dan 84.61%. Penurunan ini disebabkan oleh semakin berkurangnya kandungan bahan organik dalam manur. Hal tersebut sangat berpengaruh terhadap proses dekomposisi, yaitu proses pemecahan (penguraian) senyawa-senyawa organik menjadi senyawa-senyawa anorganik. Sebagai contoh ialah dekomposisi urea berikut: CO(NH2)2 + 2 H2O Æ (NH4)2CO3 Æ 2 NH3 + CO2 + H2O Semakin banyak kapur yang diberikan ke manur, kadar airnya cenderung berkurang, sedangkan persen total penurunan kadar airnya meningkat. Penurunan tersebut disebabkan oleh sifat kapur yang dapat menyerap dan bereaksi dengan air. Reaksi yang terjadi antara kapur dan air ialah sebagai berikut (Kusnoputranto & Jaya 1984): CaO + H2O

Ca(OH)2

CaCO3 + H2O

Ca2+ + HCO3− + OH−

Hasil analisis ragam menunjukkan adanya interaksi antara jumlah kapur dan lama inkubasi terhadap penurunan kadar air (P < 0.05). Kadar air terendah yang diperoleh dari hasil uji Duncan pada taraf uji 5% ialah 9.71%, yang dimiliki oleh manur dengan 5% kapur setelah masa inkubasi 14 hari, meskipun tidak berbeda nyata dengan nilai kadar air untuk perlakuan yang lain (Tabel 3). Tabel 3 Hasil uji Duncan terhadap nilai rerata kadar air manur ayam petelur yang diberi berbagai konsentrasi kapur Jumlah kapur (%) 0 1 3 5 *

368

Kadar air hari ke- (%)* 6 8 10

0

2

4

12

14

66.74a

59.23d

48.01f

32.07i

19.20l

14.08mn

12.00pq

65.76ab

57.99d

46.55f

27.87j

16.69l

15.96no

12.62pqr

64.52bc 63.11c

51.60e 50.99e

41.74g 38.85h

23.27k 20.82l

16.19m 15.80m

11.15po 10.28pq

11.27pqr 10.28qr

11.36pqr 10.82pqr 10.41qr 9.71r

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

pH Manur Ayam Petelur Manur ayam petelur memiliki pH sedikit basa, yaitu sekitar 7.59. Hal ini disebabkan kandungan kalsiumnya cukup besar dibandingkan dengan ayam ras lain. Kandungan kalsium manur ayam layer, buras, dan kalkun secara berturut-turut ialah 5.5, 1.9, dan 2.8%. Pada umumnya, pH manur menurun akibat dekomposisi oleh aktivitas bakteri, tetapi dalam dekomposisi manur ayam petelur justru sebaliknya. Hal ini disebabkan keberadaan zat kapur yang cukup banyak dalam manur ayam petelur akan mendorong pembentukan ion hidroksida ketika bereaksi dengan air dalam manur. Reaksinya adalah sebagai berikut (Kusnoputranto & Jaya 1984): CaO + H2O Æ Ca(OH)2 Aktivitas bakteri dipengaruhi oleh pH manur. Bakteri dari spesies-spesies tertentu akan menghasilkan gas NH3 dan seharusnya meningkatkan pH. Akan tetapi, beberapa bakteri juga menggunakan gas tersebut sebagai sumber nitrogennya sehingga pH justru menurun. Mikrob menggabungkan NH4+ ke dalam selnya sebagai R-NH3+, sedangkan H+ akan terakumulasi di dalam medium. Kenaikan pH dapat terjadi jika proses pengambilan sumber nitrogen oleh mikrob dilakukan dengan cara lain, yaitu reduksi NO3− dan NO2− menjadi NH3 dengan bantuan H+ dalam manur. Kenaikan pH terjadi selama masa inkubasi manur, baik yang diberi kapur maupun yang tidak. Nilai pH awal dan akhir (hari ke-14) untuk manur yang diberi 0, 1, 3, dan 5% kapur berturut-turut ialah 7.28 dan 8.71, 7.55 dan 8.83, 8.33 dan 9.03, serta 8.67 dan 9.09. Pada hari ke-4 dan ke-6, nilai pH kontrol lebih tinggi daripada yang diberi manur. Akan tetapi, setelah hari ke-6 pH sebanding dengan kandungan kalsium di dalam manur (Gambar 3). Hal ini menunjukkan bahwa aktivitas bakteri sudah tidak berperan lagi setelah hari ke-6. 12 10 pH

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

14

Hari ke-

Gambar 3 Nilai pH manur dengan jumlah kapur 0 (♦), 1 (■), 3 (▲), dan 5% (×). Analisis ragam menunjukkan adanya interaksi antara jumlah kapur dan lama waktu inkubasi terhadap penurunan pH manur (P < 0.05). Nilai pH tertinggi berdasarkan hasil uji Duncan pada taraf uji 5% dimiliki oleh manur dengan 5% kapur dan masa inkubasi 8 hari, yaitu 9.95, tetapi tidak berbeda nyata secara statistik dengan nilai pH pada perlakuan yang lain (Tabel 4). Tabel 4 Hasil uji Duncan terhadap nilai pH manur ayam petelur yang diberi berbagai konsentrasi kapur Jumlah kapur (%)

0

2

4

0 1 3 5

7.28m 7.55l 8.33k 8.67efghij

8.56ji 8.47jk 8.57ji 8.58ji

8.65 fghij 8.57ji 8.60hij 8.62ghij

*

pH hari ke- * 6 8 8.79cdefghi 8.79cdefghi 8.85bcdefgh 8.84cdefgh

8.86bcdefg 8.90bcdef 9.95a 8.93bcd

10

12

14

8.80cdefgji 8.89bcdef 8.95bcd 8.89bcdef

8.73defghi 8.76defghi 8.95bcd 8.89bcdef

8.71defghij 8.83cdefgh 9.09b 9.03bc

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut Duncan.

369

Kadar Protein Manur Ayam Petelur Kadar NH3 yang dilepaskan oleh manur ayam bergantung pada tinggi rendahnya protein yang terkandung di dalamnya. Penambahan kapur cenderung meningkatkan kadar protein (Tabel 5), tetapi secara statistik, jumlah kapur tidak berpengaruh terhadap kadar protein. Tabel 5 juga memperlihatkan penurunan kadar protein selama masa inkubasi, karena menguapnya nitrogen yang berasal dari protein. Tabel 5 Kadar protein manur ayam petelur pada hari ke-0 dan ke-14 Konsentrasi kapur (%) 0 1 3 5

Kadar protein hari ke- (%) 14 0 26.5 29.0 28.0 29.5

21.0 20.5 24.0 25.5

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Penambahan kapur pada manur ayam petelur berpengaruh terhadap pelepasan gas NH3, kadar air, pH, dan kadar proteinnya. Pelepasan gas NH3 terkecil berasal dari manur dengan penambahan 5% kapur pada hari ke-14 masa inkubasi, yaitu sebesar 0.0025 ppm dengan penurunan kadar air 9.7133%. Namun, penambahan 5% kapur sampai hari ke-8 masa inkubasi masih menaikkan pH sampai 9.95. Kadar protein kasar manur dengan penambahan 5% kapur paling tinggi, yaitu 29.5% pada hari ke-0 dan 25.5% setelah 14 hari masa inkubasi.

Saran Pemberian kapur pada tempat-tempat penampungan manur perlu dipertimbangkan dan dilaksanakan untuk mengurangi dampak negatif yang ditimbulkan oleh limbah peternakan ayam, baik terhadap lingkungan hidup maupun kehidupan di sekitar peternakan. Penelitian terhadap manur ayam petelur dengan pemberian kapur lebih dari 5% perlu dilakukan, agar diperoleh konsentrasi yang optimum untuk mengurangi pelepasan gas NH3 dari manur ayam petelur.

DAFTAR PUSTAKA Kusnoputranto H, Jaya IM. 1984. Khasiat Pembubuhan Kapur Tohor dalam Hal Daya Membunuh Mikroorganisme (E. Coli) dan Peningkatan Alkalinitas pada Lumpur Tinja dari Septic Tank Jamban Jamak di DKI Jakarta. Jakarta: Fakultas Kesehatan Masyarakat, Universitas Indonesia. Kurniawan EL. 2003. Retensi nitrogen dan konsentrasi amonia ekskreta ayam ras pedaging yang disuplementasi fitogenik dan antibiotik sebagai pemacu pertumbuhan [skripsi]. Bogor: Departemen Ilmu Nutrisi dan Makanan Ternak, Institut Pertanian Bogor. Lesson SG, Diaz, Summers JD. 1995. Poultry Metabolic Disorders and Mycotoxins. Oslo: Univ Books. O’ Halloran IP. 1993. Ammonia volatilization from liquid hog manure. Influence of aeration and trapping systems. Am J Soc 57:1300-1303. Patrick H. 1995. Influence of protein source on consumption and excretion of water and excreta voided by broiler chicks. Poultry Sci 34:155-159.

370

Pauzenga. 1991. Animal Production in The 90’s in Harmony with Nature. Nicholasville, Kentucky. Pettigrew JE. 1992. Waste Management and Pollution Control. Nicholasville, Kentucky. Sainsbury D. 1984. Poultry Health and Management. Ed ke-2. London: Granada. Salle AJ. 1961. Fundamental Principles of Bacteriology. Ed ke-5. New York: McGraw-Hill. Setiawan H. 1996. Amonia, sumber pencemar yang meresahkan. Dalam Infovet (Informasi Dunia Kesehatan Hewan). Edisi 037 Agu 1996. Asosiasi Obat Hewan Indonesia. Sjogren. 1990. The nitrogen problem. Acid Environ Mag 9:16-17. Sujono, Widarti, Ramziah. 2001. Pengaruh pemberian feed additive Joster-HE (high efficiency) terhadap kadar amonia ekskreta dan retensi nitrogen pada ayam pedaging. J Prot 16:971-976. Svenson L. 1990. Putting the lid on the dung headps. Acid Environ Mag 9:13-15. Tabbu CR, Hariono B. 1993. Pencemaran lingkungan oleh limbah peternakan dan cara mengatasinya. Ayam Sehat 18:7-9. Usri T. 1998. Zeolitisasi kotoran ternak dan gas bio. J Peternakan Indones 46:40-41.

371

ADSORPSI KARBON AKTIF TERMODIFIKASI-ZINK KLORIDA TERHADAP SURFAKTAN ANIONIK PADA BERBAGAI pH Tetty Kemala, Ahmad Sjahriza, Dyah Pratama Puspitasari Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Karbon aktif dari tempurung kelapa yang diaktivasi dengan ZnCl2 5% dapat dimanfaatkan untuk mengadsorpsi bahan pencemar. Faktor-faktor yang dapat memengaruhi adsorpsi ialah kadar air, abu, zat mudah menguap, dan karbon terikat. Bahan pencemar yang diadsorpsi ialah detergen yang mengandung surfaktan anionik jenis linear alkil benzenasulfonat (LAS). Studi adsorpsi LAS dilakukan pada pH 3, 6, 7, dan 12 yang dikondisikan dengan penambahan HCl dan NaOH. Sebelum adsorpsi, panjang gelombang maksimum, kurva standar, dan waktu optimum ditentukan. Isoterm adsorpsi yang digunakan meliputi Freundlich dan Langmuir dengan pengolahan data menggunakan Data Fit versi 8.1.69. Berdasarkan analisis, kadar air 5.04%, abu 4.90%, zat mudah menguap 19.01%, dan karbon terikat 76.09%. Panjang gelombang maksimum sebesar 222 nm. Waktu optimumnya adalah 35 menit. Pada konsentrasi LAS 15 ppm, efisiensi tertinggi dihasilkan pada pH 3, yaitu sebesar 87.15%, dan terendah pada pH 12, yaitu sebesar 33.84%. Demikian pula kapasitas tertinggi diperoleh pada pH 3 (3.2761 mg/g) dan terendah pada pH 12 (2.2588 mg/g). Nilai k dan n yang didapat pada isoterm Freundlich, serta nilai k1 dan k2 pada persamaan Langmuir menurun dari pH rendah ke tinggi. Dari nilai linearitasnya yang hampir sama, adsorpsi dapat digambarkan dengan kedua persamaan tersebut, tetapi isoterm yang lebih sesuai adalah Freundlich.

ABSTRACT Active carbon from coconut shell activated by ZnCl2 could be utilized to adsorb pollutants. Several factors influencing adsorption are water content, ash content, volatile matter, and fixed carbon. Pollutant adsorbed was detergent containing anionic surfactant of linear alkyl benzenesulfonate (LAS) type. LAS adsorption study was carried out on pH 3, 6, 7, and 12 which were conditioned by adding HCl and NaOH. Before adsorption, maximum wavelength, standard curve, and optimum time were determined. Isotherm of adsorption used included Freundlich and Langmuir by using Data Fit 8.1.69. Based on analysis, water content was 5.04%, ash content 4.90%, volatile matter 19.01%, and fixed carbon 76.09%. Maximum wavelength was 222 nm. Optimum time was 35 minutes. At LAS concentration of 15 ppm, the highest efficiency was obtained on pH 3, that was 87.15%, and the lowest on pH 12, that was 33.84%. The highest capacity was also obtained on pH 3 (3.2761 mg/g) and the lowest on pH 12 (2.2588 mg/g). k and n values in the Freundlich isotherm and k1 and k2 values in the Langmuir equation decreased from low to high pH. From their insignificantly different linearities, adsorption could be represented by both equations, but Freundlich isotherm was more suitable.

PENDAHULUAN Karbon aktif merupakan padatan amorf berbentuk heksagonal datar dengan sebuah atom C pada setiap sudutnya (Gambar 1) serta mempunyai permukaan yang luas dan jumlah pori yang sangat banyak (Baker 1997). Manes (1998) mengatakan bahwa karbon aktif adalah bentuk umum dari

372

berbagai macam produk yang mengandung karbon yang telah diaktifkan untuk meningkatkan luas permukaannya. Karbon aktif berbentuk kristal mikro karbon grafit dengan pori-pori yang telah berkembang kemampuannya dalam mengadsorpsi gas dan uap dari campuran gas dan zat-zat yang tidak larut atau yang terdispersi dalam cairan (Roy 1985).

Gambar 1 Struktur grafit karbon aktif. Luas permukaan, dimensi, dan distribusi karbon aktif bergantung pada bahan baku serta pengarangan dan pengaktifannya. Berdasarkan ukuran pori, karbon aktif diklasifikasikan menjadi mikropori (diameter < 2 nm), mesopori (2–50 nm), dan makropori (> 50 nm) (Baker 1997). Karbon aktif dapat dibuat dari bahan yang mengandung karbon dalam jumlah cukup banyak. Salah satunya yang potensial ialah tempurung kelapa (Gambar 2). Pemanfaatan tempurung kelapa sebagai bahan baku karbon aktif selain karena harganya yang murah juga karena dapat mengurangi limbah pertanian. Penggunaan karbon aktif di Indonesia mulai berkembang dengan pesat, dimulai dari pemanfaatannya sebagai adsorben untuk pemurnian pulp, air, minyak, gas, dan katalis. Namun, mutu karbon aktif domestik masih rendah (Harfi & Kusuma 1994).

Gambar 2 Karbon aktif tempurung kelapa. Salah satu cara meningkatkan mutu karbon aktif ialah melalui pengaktifan secara kimia dengan merendam karbon dalam H3PO4, ZnCl2, NH4Cl, atau dengan AlCl3 (Setyaningsih 1995). Fernandez & Delgado (1994) dalam penelitiannya mendapatkan bahwa karbon aktif hasil pengaktifan kimiawi dengan ZnCl2 memiliki kapasitas adsorpsi terhadap I2 yang lebih tinggi daripada hasil pengaktifan dengan uap, bahkan melebihi karbon aktif komersial. Rahman & Saad (2003) mengatakan bahwa pengaktifan tanpa penambahan bahan kimia akan menghasilkan karbon aktif yang tidak maksimum dalam mengadsorpsi dibandingkan dengan pengaktifan menggunakan bahan kimia seperti ZnCl2. Karbon aktif yang diaktifkan dengan ZnCl2 dapat mengadsorpsi sebesar 98%, sedangkan yang tanpa bahan kimia hanya 50%. Menurut Sibelzor (2004), karbon aktif dapat digunakan untuk mengadsorpsi surfaktan anionik pada berbagai pH. Surfaktan anionik yang digunakan adalah dodesil benzenasulfonat (DBS), dan karbon aktif yang digunakan tidak diaktifkan secara kimia. Berdasarkan penelitiannya, karbon aktif dapat mengadsorpsi DBS sebesar 99.60% pada pH 3 dan 75.42% pada pH 12. Surfaktan anionik seperti linear alkilbenzenasulfonat (LAS atau LABS) dalam suatu detergen yang tidak disertai enzim akan lambat terurai. Oleh karena itu, jenis surfaktan tersebut dapat mencemari dan harus dihilangkan dari perairan. Masyarakat biasanya hanya melihat sifat murah dan mudah berbusa dari suatu detergen tanpa memandang bahayanya terhadap lingkungan sekitar. Pada umumnya, detergen digolongkan sebagai zat yang berbahaya terhadap alga pada konsentrasi 9.1 ppm, ikan pada 3.5 ppm, dan invertebrata pada 4.1 ppm (HERA 2002). Adsorpsi surfaktan anionik atau bahan organik yang sejenis biasanya menggunakan karbon aktif. Faktor-faktor yang memengaruhi adsorpsi surfaktan pada permukaan ini ialah struktur permukaan dan lebar pori bahan pengadsorpsi, struktur molekul dan lebar pori surfaktan (ionik atau tidak; rantai

373

hidrofobiknya panjang atau pendek; cabangnya linear, alifatik, atau aromatik), serta fase larutan (konsentrasi, suhu, dan pH) (Holmberg et al. 2003). Penelitian ini bertujuan mengukur pengaruh pH terhadap adsorpsi surfaktan anionik menggunakan karbon aktif-termodifikasi ZnCl2.

METODE PENELITIAN Bahan-bahan yang digunakan antara lain larutan LAS 1000 ppm, ZnCl2 5%, HCl 0.1 N dan 1 N, NaOH 0.1 N dan 1 N, akuades, serta akuabides. Alat-alat yang digunakan antara lain oven, pengaduk magnet, pH-meter, spektrofotometer ultraviolet (UV) Genesys UV 10, dan alat-alat kaca.

Pengaktifan Karbon Aktif Karbon aktif yang lolos saringan berukuran 100 mesh diaktifkan dengan cara direndam dalam air deionisasi. Setelah disaring dan dipanaskan pada suhu 105 °C, karbon aktif direndam kembali dalam larutan ZnCl2 5% selama 2 × 24 jam. Campuran kemudian didekantasi, lalu karbon aktif dipanaskan kembali pada suhu 700 °C selama 1 jam, dicuci dengan HCl dan air deionisasi, dan dipanaskan sekali lagi pada suhu 105 °C selama semalam.

Penentuan Panjang Gelombang Maksimum Penentuan panjang gelombang maksimum (λmaks) dilakukan terhadap konsentrasi larutan LAS 20 ppm, pada panjang gelombang 200–240 nm. Data yang diperoleh berupa kurva serapan yang menghubungkan panjang gelombang dengan absorbans.

Pembuatan Kurva Standar Semua perlakuan dikondisikan pada pH 3, 6, 7, dan 12 dengan menambahkan larutan HCl dan NaOH dengan konsentrasi 0.1 dan 1 N. Larutan stok LAS 1000 ppm dipipet sebanyak 0.25 ml dan diencerkan menjadi 25 ml dengan akuabides sehingga diperoleh larutan dengan konsentrasi 10 ppm. Pengenceran larutan stok juga dilakukan untuk memperoleh konsentrasi 20, 30, 40, 50, 60, dan 70 ppm. Data yang diperoleh berupa kurva hubungan antara konsentrasi dan absorbans.

Penentuan Waktu Optimum Sebanyak 0.1 g karbon aktif dimasukkan ke dalam Erlenmeyer, ditambahkan 25 ml larutan LAS 40 ppm, dan digoyang dengan kecepatan tetap. Proses adsorpsi diamati pada menit ke-0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, dan ke-50 serta jam ke-1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, dan ke-6 dengan cara disaring dan filtratnya diukur serapannya dengan spektrofotometer UV. Data yang diperoleh berupa kurva hubungan antara waktu dan kapasitas adsorpsi.

Pengukuran Efisiensi dan Isoterm Adsorpsi Sebanyak 0.1 g karbon aktif ditambahkan pada setiap 25 ml larutan LAS dengan konsentrasi 15, 30, 45, dan 60 ppm, lalu diaduk dengan kecepatan tetap. Adsorpsi LAS dilakukan selama waktu adsorpsi optimum yang diperoleh. Absorbans larutan LAS akhir diukur dengan spektrofotometer UV. Data yang dihasilkan berupa kurva hubungan konsentrasi (ppm) dengan persen efisiensi (%). Penentuan efisiensi adsorpsi menggunakan persamaan berikut:

374

C − Ca Efisiensi(%) = o × 100% Co

Co = konsentrasi awal (ppm) Ca = konsentrasi akhir (ppm)

Kapasitas adsorpsi (Q) dan tetapan adsorpsi (k) dihitung dengan model isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich. Pengolahan data menggunakan Data Fit versi 8.1.69. Penentuan kapasitas adsorpsi menggunakan persamaan berikut:

Q=

Q = kapasitas adsorpsi per bobot adsorben (mg/g) V = volume larutan (l) m = massa adsorben (g)

V(C o − Ca ) m

HASIL DAN PEMBAHASAN Modifikasi karbon aktif dengan menggunakan ZnCl2 dapat meningkatkan kapasitas adsorpsinya (Rahman & Saad 2003). Sebelum direndam dalam larutan ZnCl2, arang direndam dalam air deionisasi untuk membersihkannya dari ion-ion pengganggu kemudian diaktifkan dengan cara pemanasan yang akan menguapkan bahan-bahan atsiri yang menutupi tapak-tapak aktif arang. Sebagai hydrating agent, ZnCl2 dapat mengadsorpsi air yang menutupi permukaan tapak aktif sehingga lebih bersifat mesopori. Pemanasan kembali pada suhu 700 °C juga dilakukan setelah perendaman dalam larutan ZnCl2 untuk menghilangkan pengotor yang bersifat atsiri (Yang 2003). Tahap selanjutnya ialah pencucian dengan HCl yang juga bertujuan memperluas permukaan karbon aktif sehingga dapat mengadsorpsi zat pencemar. Arang yang telah diaktifkan kemudian disimpan dalam wadah kedap udara. Arang tersebut diaktifkan kembali dengan pemanasan pada suhu 105 °C selama 1 jam setiap kali akan digunakan.

Panjang Gelombang dengan Serapan Maksimum Larutan LAS memberikan serapan maksimum pada panjang gelombang 222 nm. Pengukuran serapan larutan contoh pada λmaks dapat mengurangi galat dan meningkatkan kepekaan analisis. Penggunaan panjang gelombang maksimum akan menghasilkan kecuraman paling besar sehingga lebih peka terhadap perbedaan konsentrasi yang kecil.

Pembuatan Kurva Standar Kurva standar larutan LAS yang diukur pada panjang gelombang 222 nm memiliki linearitas yang tinggi. Hal ini ditunjukkan oleh nilai r2 yang mendekati satu (Gambar 3). Kurva pada pH 3, 6, 7, dan 12, berturut-turut memililki persamaan regresi linear y = 0.0194x + 0.0065 (r2 = 98.33%), y = 0.023x – 0.0819 (r2 = 98.47%), y = 0.0184x – 0.0306 (r2 = 99.78%), dan y = 0.0186x + 0.0394 (r2 = 99.63%). 2.0000

A b s o r b a n s

1.5000 1.0000 0.5000 0.0000 0

20

40

60

80

-0.5000

Konsentrasi LAS (ppm)

Gambar 3 Kurva standar pada pH 3 (♦), 6 (■), 7 (▲), dan 12 (×).

375

Penentuan Waktu Optimum Pengaruh waktu adsorpsi dapat dilihat dari nilai kapasitas adsorpsinya (Q). Nilai Q akan naik hingga mencapai titik optimum kemudian stabil atau sedikit menurun setelah melewati waktu kesetimbangannya (Gambar 4), yaitu saat karbon aktif telah jenuh.

Q (mg/g)

7.0000 6.0000 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 0.0000 35

36

37

38

39

40

Waktu (menit)

Gambar 4 Hubungan antara waktu dan kapasitas adsorpsi pada pH 3 (––), 6 (––), 7 (––), dan 12 (––). Waktu optimum untuk pH 3 terjadi pada menit ke-35 dengan Q sebesar 5.5457 mg/g. Setelah menit ke-35, nilai Q sedikit naik, tetapi mulai stabil pada menit ke-39. Permukaan karbon aktif yang yang bermuatan positif pada pH 3 mempermudah adsorpsi sehingga karbon aktif lebih cepat jenuh. Lain halnya untuk pH yang lebih tinggi, pada menit ke-35, nilai Q masih mengalami peningkatan berarti dan stabil pada menit ke-39. Walaupun waktu optimum pada pH 6, 7, dan 12 hampir sama, nilai Q yang didapat ketika jenuh berbeda-beda. Adsorpsi pada pH 6 memiliki nilai Q 3.0954 mg/g serta cenderung lebih cepat jenuh dan mencapai Q maksimum dibandingkan dengan pH 7 dan 12. Hal ini disebabkan pada pH 6 permukaan karbon aktif masih bermuatan positif, sedangkan pada pH 12 bermuatan negatif sehingga adsorbat semakin sulit teradsorpsi. Waktu optimum yang digunakan ialah 35 menit karena adsorpsi berlangsung maksimum pada menit ke-35, walaupun pada pH yang lebih tinggi masih terjadi sedikit kenaikan Q pada waktu yang lebih lama.

Efisiensi Karbon Aktif Jumlah LAS yang dapat diadsorpsi oleh karbon aktif pada berbagai pH dan konsentrasi LAS ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa jumlah LAS yang diadsorpsi semakin meningkat dengan turunnya pH. Pada pH rendah, permukaan karbon aktif menjadi lebih bermuatan positif oleh tambahan proton dari kondisi asam tersebut (Yang 2003) sehingga dapat mengadsorpsi LAS yang bermuatan negatif. Muatan negatif LAS berasal dari gugus hidrofiliknya, yaitu SO3−. Sebaliknya pada pH 12 permukaan karbon aktif diubah menjadi negatif oleh keberadaan gugus OH−. LAS yang bersifat basa atau bermuatan negatif dan mempunyai pH 7–10 (HERA 2002) dengan demikian akan sulit teradsorpsi. 100.00

Efisiensi (%)

80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0

15

30

45

60

Konsentrasi LAS (ppm)

Gambar 5 Hubungan antara konsentrasi dan efisiensi pada pH 3 (––), 6 (––), 7 (––), dan 12 (––). Peningkatan konsentrasi LAS menyebabkan penurunan jumlah adsorbat yang teradsorpsi. Hal ini diduga karena setelah karbon aktif mencapai kapasitas adsorpsi, molekul LAS cenderung membentuk 2 lapisan (bilayer) karena reaksi hidrofobik antarrantai hidrokarbon sehingga gugus polar masuk ke fase cair dan terjadi desorpsi. Interaksi ini menunjukkan tingginya kekuatan tolakan

376

antarmolekul LAS yang teradsorpsi pada permukaan adsorben dan gaya tarik antara LAS dan fluida yang justru lebih besar.

Isoterm Adsorpsi Linearitas isoterm Freundlich dan Langmuir pada adsorpsi LAS menggunakan karbon aktiftermodifikasi ZnCl2 cukup tinggi. Isoterm yang dipilih ialah yang linearitasnya lebih tinggi (Atkins 1994), yakni isoterm Freundlich. Isoterm ini mengasumsikan terjadinya fisisorpsi, yaitu ikatan lemah antara adsorbat dan adsorben yang hanya melibatkan interaksi van der Waals. Lemahnya ikatan karbon aktif dengan LAS dapat disebabkan oleh adsorpsi yang bersifat bilayer, karena lapisan kedua mempunyai energi lebih kecil daripada yang pertama sehingga lebih mudah terlepas dari permukaan adsorben. Isoterm adsorpsi Freundlich dibuat pada pH 3, 6, 7, dan 12. Tabel 1 menunjukkan nilai k dan n yang didapat. Nilai n yang lebih besar dari 1 mengindikasikan bahwa adsorpsi LAS oleh karbon aktif berlangsung baik (Sibelzor 2004). Tabel 1 memperlihatkan bahwa nilai k dan n menurun dengan naiknya pH. Tabel 1 Nilai tetapan k dan n menggunakan persamaan isoterm Freundlich. pH 3 6 7 12

k 2.6565 1.6963 0.6080 0.4479

n 5.7398 2.9488 1.5540 2.1567

Q (mg/g)

Gambar 6, kurva isoterm Freundlich pada pH 3, memperlihatkan bahwa semakin besar konsentrasi LAS, kapasitas adsorpsinya juga akan semakin meningkat. Kapasitas adsorpsi LAS tertinggi terjadi pada pH 3, yaitu sebesar 2.6565 mg/g.

Konsentrasi LAS (ppm)

Gambar 6 Konsentrasi LAS dan kapasitas adsorpsi pada pH 3 dengan isoterm Freundlich. Tetapan k digunakan untuk menentukan kapasitas adsorpsi, sedangkan nilai n merupakan energi yang dikeluarkan oleh permukaan karbon aktif ketika mengadsorpsi adsorbat. Semakin banyak adsorbat yang teradsorpsi, energi yang dikeluarkan juga semakin besar. Tetapan k paling besar pada pH 3, yaitu 2.6565, sedangkan pada pH basa sebesar 0.4479. Hal ini berarti karbon aktif pada pH asam dapat mengadsorpsi adsorbat lebih banyak dibandingkan dengan pada pH basa.

SIMPULAN Waktu optimum adsorpsi LAS menggunakan karbon aktif-termodifikasi ZnCl2 adalah 35 menit. Pada konsentrasi LAS 15 ppm, efisiensi tertinggi diperoleh pada pH 3, yaitu sebesar 87.15% dan terendah pada pH 12 (33.84%). Demikian pula kapasitas adsorpsi tertinggi terjadi pada pH 3 (3.2761 mg/g) dan terendah pada pH 12 (2.2588 mg/g).

377

SARAN Perlu dilakukan pengaktifan karbon aktif dengan berbagai konsentrasi ZnCl2 agar dapat diketahui konsentrasi optimum ZnCl2 untuk mengaktifkan karbon aktif yang digunakan dalam adsorpsi LAS. Karbon aktif yang berukuran kurang dan lebih dari 100 mesh juga perlu diuji sifat adsorpsinya.

DAFTAR PUSTAKA [ARCRCP] Australian Research Council’s Research Centres Program. 2003. Surfactant. www.kcpc.usyd.edu.html [10 Apr 2006]. Atkins PW. 1997. Kimia Fisika. Ed ke-4. Kartohadiprodjo II, penerjemah; Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Physical Chemistry. Baker FS, Miller CE, Repik AJ, Tollens ED. 1997. Activated carbon. Di dalam: Ruthven DM, editor. Encyclopedia of Separation Technology, Volume 1 (A kirk-Othmer Encyclopedia). New York: J Wiley. Dickinson E, Mc Clements. 1996. Advance in Food Colloids. New York: Chapman & Hall. Fernandez EC, Delgado TS. 1994. Charcoal and activated carbon from coconut husk. J Philipp Technol 19:59-65. Harfi R, Kusuma I. 1994. Peningkatan Mutu Proses Arang Batok Kelapa sebagai Komoditi Ekspor dengan Menggunakan Kiln Drum. Jakarta: Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains dan Teknologi Nasional. [HERA] Human and Environmental Risk Assessment. 2002. Linear alkylbenzene sulfonate (LAS). J Phys Chem. www.heraproject.com. [18 Feb 2006]. Holmberg K, Jonsson B, Kronberg B, Lindman B. 2003. Surfactants and Polymers in Aqueous Solution. Ed ke-2. New York: J Wiley. Jason PP. 2004. Activated carbon and some application for the remediation of soil and groundwater pollution. http://www.cee.vt.edu/program_area. [28 Jun 2005]. Kosswig K, Huls AG, Marl. 1994. Surfactants. Volume ke-A25, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. New York: Federal Republic of Germany. Manes M. 1998. Activated carbon adsorption fundamental. Di dalam: Meyers RA, editor. Encyclopedia of Environmental Analysis and Remediation. Volume 1. New York: J Wiley. Rahman IA, Saad B. 2003. Utilization of guana seeds as a source of activated carbon for removal of methylene blue from aqueous solution. J Malay Chem 5:008-014. Rosen MJ. 2004. Surfactants and Interfacial Phenomena. Ed ke-3. New York: J Wiley. Roy GM. 1995. Activated Carbon Applications in The Food and Pharmaceutical Industries. Pennsylvania: Technomic. Salager JL. 1999. Surfactants-Types and Uses. Merida, Venezuela: Laboratario FIRP Escuela de Ingeneira Quimica, Universidad de Los Andes. Setyaningsih H. 1995. Pengolahan limbah batik dengan proses kimia dan adsorpsi karbon aktif [tesis]. Jakarta: Program Pascasarjana, Universitas Indonesia. Sibelzor. 2004. Investigation of the adsorption of anionic surfactants at different pH values by means of active carbon and the kinetics of adsorption. J Serb Chem Soc 69:25-32. [email protected]. [28 Jun 2005]. [SNI] Standar Nasional Indonesia.1995. SNI 06-3730-1995. Arang Aktif Teknis. Jakarta: Dewan Standardisasi Nasional. The LAB Sulfonic Acid Coalition. 2003. Assessment plan for the linear alkylbenzene (LAB) sulfonic acid category. Washington: [email protected]. [22 Feb 2006].

378

KAJIAN TANAMAN ANTING-ANTING (Acalypha indica L.) SEBAGAI PENURUN GLUKOSA DARAH Purwantiningsih Sugita1, Latifah K Darusman1,3, Abadi Soetisna2, Nurlaila, Danang Widya Wardhana1 1Departemen

2Departemen

Kimia, FMIPA, IPB Fisiologi dan Farmakologi, Fakultas Kedokteran Hewan, IPB 3Pusat Studi Biofarmaka, IPB

ABSTRACT Anting-anting (Acalypha indica L.) is well known as diabetes mellitus traditional medicine. This research studied the potential for reducing blood sugar of anting-anting. Air-dried anting-anting's leaves and roots were separately ground into 60 mesh and macerated by n-hexane. The residues were then air-dried and macerated with methanol-water (4:1). The filtrates were evaporated, acidified with 2 M H2SO4 until pH 3.5, and extracted with chloroform. Chloroform layers, either from leaves (ECD) or roots (ECA), were evaporated and fractionated using column chromatography with chloroform-methanol for ECD and chloroform-ethyl acetate for ECA. This fractionation gave 9 and 17 fractions, respectively. Fraction IV of ECD (ECD4) and fraction II of ECA (ECA2) were sufficient enough to get through to bioassay test. Mice were induced with 180 mg/kg body weight dose of alloxan. The effect of ECD4 or ECA2 to reduce blood sugar level was determined by blood sugar measurement and α and β cells figure out. The blood sugar measurement results showed 10.05% decrease in daonil (positive control group), 7.46% in ECD4, and 12.78% in ECA2 treatment group. Histopathology of daonil mice showed that daonil-stimulated β cell secreted more insulin, while ECA2 treatment mice regenerated the cell. Keywords: Acalypha indica L., ECD4, ECA2.

379

SINTESIS DAN OPTIMALISASI GEL KITOSAN-KARBOKSIMETIL SELULOSA Purwantiningsih Sugita, Achmad Sjachriza, Rachmanita Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Telah dilakukan sintesis dan optimalisasi gel kitosan-karboksimetil selulosa (CMC) pada beragam konsentrasi glutaraldehida dan hidrokoloid alami CMC untuk memperbaiki sistem pengantaran obat. Gel dibuat dengan ragam konsentrasi glutaraldehida 4, 5, dan 6% (v/v) dan konsentrasi CMC 0.00, 0.25, 0.50, dan 1.00% (b/v). Berdasarkan optimalisasi dengan perangkat lunak Modde 5, matriks gel kitosan-CMC dengan konsentrasi kitosan 2.5% (b/v) optimum pada konsentrasi glutaraldehida 6% dan CMC 1%. Sifat reologi kekuatan, titik pecah, ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel yang terukur berturut-turut ialah 738.923 g cm-2, 1.0685 cm, 3.5095 g cm-1, 5.3373 g, dan 1.2084 g. Kata kunci: kitosan-karboksimetil selulosa, sifat reologi.

PENDAHULUAN Udang merupakan komoditas ekspor penting dari hasil perikanan. Harga maupun permintaan pasaran luar negeri terhadap udang mengalami peningkatan dari tahun ke tahun. Ekspor udang ke Amerika Serikat pada triwulan pertama tahun 2005 mencapai 14 ribu ton. Volume ini melonjak 117 persen dibandingkan dengan periode yang sama pada tahun 2004, yaitu 6 ribu ton (Kustiani 2005). Menurut Sudibyo (1991), sekitar 80–90% ekspor udang Indonesia dilakukan dalam bentuk udang beku tanpa kulit dan kepala yang bobotnya mencapai 25–30% dari bobot udang utuh. Limbah kulit dan kepala ini menimbulkan pencemaran lingkungan, terutama baunya yang tidak sedap. Selama ini, limbah udang dimanfaatkan sebagai bahan makanan dan campuran pakan ternak. Bertambahnya limbah dari tahun ke tahun mendorong perlunya diversifikasi untuk meningkatkan nilai tambah limbah tersebut. Pembuatan kitin dan kitosan merupakan salah satu bentuk diversifikasi yang bermanfaat di berbagai bidang seperti farmasi, fotografi, kosmetika, fungisida, industri kertas, industri pangan, dan industri tekstil. Secara khusus untuk obat-obatan dan kesehatan, kitosan biasanya dibuat dalam bentuk hidrogel. Berdasarkan penelitian sebelumnya, modifikasi kimia kitosan menjadi gel kitosan dapat meningkatkan kemampuan dan kapasitas adsorpsinya terhadap ion logam berat (Guibal et al. 1997). Hal ini disebabkan oleh volume pori bentuk gel yang lebih besar dibandingkan dengan bentuk serpihan. Daya adsorpsi gel kitosan ini dipengaruhi oleh kestabilan sifat gel yang terbentuk. Penambahan polivinil alkohol pada saat pembentukan gel kitosan dapat memperbaiki sifat matriks gel dengan cara menurunkan waktu gelasi dan meningkatkan kekuatan mekanik gel (Wang et al. 2004). Cardenas et al. (2003) juga telah meneliti modifikasi membran kitosan dengan penambahan alginat. Alginat bermanfaat dalam memperbaiki struktur dasar makromolekul kitosan karena dapat membentuk ikatan silang pada proses gelasi sehingga gel lebih kuat. Kitosan-alginat berguna untuk bidang pangan, kosmetik, dan industri farmasi. Hidrokoloid alami lainnya seperti gom xantan, CMC, dan gom guar dapat digunakan untuk memperbaiki kekuatan matriks dari gel kitosan. Gel kitosan-termodifikasi hidrokoloid alami mempunyai

380

banyak kegunaan. Sugita et al. (2006a dan b) telah mensintesis gel kitosan-gom guar yang dioptimalisasi dengan Modde 5 ke arah penerapannya untuk memperbaiki sistem pengantaran obat, dan kitosan-alginat yang juga dioptimalisasi dengan Modde 5 ke arah penerapannya sebagai adsorben ion logam Cu(II). Pada penelitian ini dilakukan modifikasi gel kitosan dengan menambahkan glutaraldehida sebagai bahan pembentuk ikatan silang dan CMC sebagai interpenetrating polymer network (IPN) agent. CMC dipilih karena dapat digunakan dalam kisaran konsentrasi yang lebih beragam dibandingkan dengan polimer larut air lainnya (Nussinovitch 1997). Selain itu, CMC juga mampu berikatan dengan air sehingga meminimumkan pengerutan. Penelitian ini bertujuan mensintesis gel kitosan-CMC dan melakukan optimalisasi gel tersebut berdasarkan sifat reologinya. Sintesis dilakukan dengan beragam konsentrasi glutaraldehida dan CMC pada konsentrasi kitosan yang tetap. Pembentukan gel kitosan-termodifikasi CMC diharapkan dapat memperbaiki sifat reologi gel yang akan diterapkan untuk memperbaiki sistem pengantaran obat.

METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan di Laboratorium Kimia Organik, Departemen Kimia, FMIPA, IPB. Bahanbahan yang digunakan adalah kitosan (hasil isolasi limbah kulit udang pancet yang berasal dari Muara Angke, Jakarta), akuades, bufer asetat pH 4, bufer fosfat pH 7, CH3COOH, glutaraldehida, dan CMC. Sifat reologi gel diukur dengan penganalisis tekstur Stevens LFRA di Laboratorium Kimia dan Biokimia Pangan, Pusat Antar Universitas (PAU), IPB.

Pembuatan Gel Kitosan-CMC (modifikasi Kurniati 1999 dan Wang et al. 2004) Sebanyak 30 ml larutan kitosan 2.5% (b/v) dalam asam asetat 1% (v/v) ditambahkan 2 ml larutan CMC yang nilai pH-nya telah diatur menjadi 4. Ragam konsentrasi larutan CMC yang digunakan ialah 0.00, 0.25, 0.50, dan 1.00% (b/v). Kemudian campuran diaduk dengan pengaduk magnet sampai homogen. Sebanyak 1 ml glutaraldehida dengan ragam konsentrasi 4.00, 5.00, dan 6.00% (v/v) ditambahkan ke dalam campuran tersebut tetes demi tetes sambil terus diaduk, lalu larutan didiamkan pada suhu ruang selama 24 jam. Gel kitosan-CMC yang diperoleh masing-masing diukur sifat reologinya yang meliputi kekuatan, titik pecah, dan ketegaran dengan menggunakan penganalisis tekstur. Sifar reologi lain yang diukur ialah kemampuan gel untuk menyerap air (pembengkakan) dan melepaskan air (pengerutan).

Pengukuran Sifat Reologi

(modifikasi Kurniati 1999, Cardenas et al. 2003, dan Rohindra et al. 2003) Parameter kekuatan, titik pecah, dan ketegaran gel diukur dengan menggunakan penganalisis tekstur (Gambar 1). Penganalisis tekstur yang dipakai memiliki luas bidang probe 0.1923 cm2, beban probe 96–97 g, dan jarak probe ke gel 2.525–2.575 cm. Pembengkakan dilakukan dengan merendam sekitar 1 g gel dalam larutan bufer asetat pH 4 selama 24 jam pada suhu kamar. Selama proses pembengkakan, wadah ditutup untuk mencegah penguapan larutan bufer. Setelah 24 jam, gel ditimbang kembali untuk mengetahui bobot air yang terserap. Pengerutan dilakukan dengan merendam sekitar 2 g gel dalam larutan bufer fosfat pH 7 selama 24 jam pada suhu 10 ºC. Setelah itu, gel ditimbang untuk mengetahui bobot air yang dilepaskan.

381

beban pecah (g)

B

A

C

penetrasi pecah (mm)

Gambar 1 Kurva penetrasi pecah (mm) terhadap beban pecah (g). Perhitungan untuk menetapkan kekuatan, titik pecah, dan ketegaran gel ialah sebagai berikut: Kekuatan gel (g/cm2) =

Nilai kalibrasi =

beban pecah (BC) × nilai kalibrasi luas bidang probe

beban probe jarak probe ke gel

Titik pecah (cm) = penetrasi pecah (AC) Ketegaran (g/cm) =

beban pecah (BC) penetrasi pecah (AC)

Rancangan Percobaan Hasil penelitian diolah dengan menggunakan perangkat lunak Modde 5 untuk melihat pengaruh perubahan konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap kekuatan, titik pecah, ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan, serta mengetahui konsentrasi CMC dan glutaraldehida (glu) yang optimum untuk memperbaiki sistem pengantaran obat. Persamaan yang dimodelkan berpengaruh nyata terhadap respons jika reologi gel memiliki nilai P < 0.05 yang berarti bahwa perbedaan konsentrasi CMC, glu, dan glu*CMC memengaruhi respons.

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Sifat Reologi Gel Kitosan-CMC Gambar 2 menjelaskan bahwa matriks gel semakin kuat dengan meningkatnya konsentrasi glutaraldehida. Rohindra et al. (2003) menyatakan bahwa adanya ikatan silang antara kitosan dan glutaraldehida akan meningkatkan kekuatan mekanik matriks gel. Sebaliknya, kekuatan matriks gel menurun jika CMC ditambahkan dalam jumlah banyak, walaupun konsentrasi glutaraldehida juga tinggi. Meskipun ikatan yang terbentuk semakin rapat dengan bertambah tingginya konsentrasi glutaraldehida, kemungkinan ada gugus −NH2 kitosan yang tidak berikatan silang dengan glutaraldehida. Akibatnya, antargugus tersebut terjadi tolakan kuat yang menurunkan kekuatan matriks gel.

382

Gambar 2 Kurva pengaruh konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap kekuatan gel. Gambar 3 memperlihatkan bahwa titik pecah matriks gel semakin kecil dengan naiknya konsentrasi glutaraldehida. Pada konsentrasi glutaraldehida yang tinggi, ikatan silang matriks semakin rapat sehingga kedalaman penetrasi pada saat gel pecah menjadi kecil. Kurva tersebut juga menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi CMC pada konsentrasi glutaraldehida yang rendah, nilai titik pecahnya 1.0199–1.0297 cm. Jadi, peningkatan konsentrasi CMC tidak memberikan pengaruh yang berarti terhadap titik pecah jika konsentrasi glutaraldehidanya rendah. Hal ini mungkin dikarenakan nilai titik pecah dapat berubah-ubah bergantung pada kondisi ikatan.

Gambar 3 Kurva pengaruh konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap titik pecah gel. Gambar 4 menunjukkan bahwa ketegaran matriks naik jika konsentrasi glutaraldehida juga naik. Sebaliknya, kenaikan konsentrasi CMC akan menurunkan ketegaran matriksnya. Penambahan CMC menyebabkan gel semakin elastis. Ketegaran merupakan nisbah antara beban pada saat gel pecah (g) dan kedalaman penetrasi (Fry & Hudson 1983, diacu dalam Kurniati 1999). Ketegaran berbanding terbalik dengan kedalaman penetrasi.

Gambar 4 Kurva pengaruh konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap ketegaran gel.

383

Gambar 5 menunjukkan bahwa pembengkakan matriks gel berbanding terbalik dengan konsentrasi glutaraldehida. Matriks gel diperkirakan menjadi lebih kompak oleh bertambahnya ikatan silang, sehingga ruang untuk masuknya air ke dalam gel menjadi semakin sempit. Rohindra et al. (2003) dan Berger et al. (2004) menyatakan bahwa pembengkakan menurun dengan meningkatnya derajat ikatan silang. Sebaliknya, peningkatan konsentrasi CMC meningkatkan pembengkakan. CMC berfungsi sebagai IPN yang tidak bereaksi dengan kitosan. Kenaikan jumlah CMC di dalam matriks gel menyebabkan ikatan silang mejadi kurang rapat dan gel semakin elastis, sehingga kemampuan hidrogel untuk membengkak juga semakin besar. Selain itu, CMC bersifat menarik air yang turut meningkatkan pembengkakan. Pembengkakan juga diduga karena tidak semua gugus −NH2 kitosan berikatan silang dengan glutaraldehida. Pada pH 4, gugus ini akan berinteraksi dengan H+ dari larutan bufer asetat membentuk NH3+. Interaksi antargugus tersebut menyebabkan gaya tolak yang tinggi sehingga memperlebar pori-pori matriks gel dan air akan lebih mudah masuk ke dalam struktur gel.

Gambar 5 Kurva pengaruh konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap pembengkakan gel. Pengerutan gel berbanding lurus dengan konsentrasi CMC dan berbanding terbalik dengan konsentrasi glutaraldehida (Gambar 6). Peningkatan konsentrasi glutaraldehida memperbanyak ikatan silang sehingga keluarnya molekul air dari gel semakin sulit. Pengerutan yang makin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi CMC dikarenakan kurang larutnya CMC dalam kondisi asam. Menurut Fardiaz (1989), CMC dapat mencegah pengerutan karena dapat mengikat air. Namun, bufer yang digunakan dalam proses pengerutan ialah bufer fosfat yang memiliki ukuran molekul lebih besar daripada air dan asam asetat yang merupakan cairan yang ada di dalam matriks gel. Besarnya ukuran molekul fosfat ini diduga dapat mendesak molekul air keluar dari pori-pori matriks gel. Pengerutan juga dibantu dengan adanya gugus −NH2 pada kitosan yang tidak bereaksi dengan glutaraldehida. Gugus tersebut membentuk ikatan hidrogen antarmolekul kitosan dalam matriks gel sehingga matriks gel makin rapat dan air akan terperas keluar matriks gel.

Gambar 6 Kurva pengaruh konsentrasi CMC dan glutaraldehida terhadap pengerutan gel.

384

Analisis keragaman atau Anova menghasilkan persamaan-persamaan yang menghubungkan glutaraldehida, CMC, dan interaksi keduanya dengan respons yang diukur, yaitu kekuatan, titik pecah, ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel (Tabel). Menurut Lindblad (2003), gel yang baik bersifat elastis, lembut, dan mudah membengkak di dalam air. Nilai optimum yang memenuhi syarat gel untuk memperbaiki sistem pengantaran obat adalah kekuatan, titik pecah, dan pembengkakan yang maksimum, serta ketegaran dan pengerutan yang minimum. Dari penelitian ini, gel kitosan-CMC optimum diperoleh pada konsentrasi glutaraldehida dan CMC berturut-turut 6.00 % dan 1.00%. Tabel 1 Persamaan glutaraldehida, CMC, dan interaksi keduanya terhadap respons Respons Kekuatan gel (kg) Titik pecah (tp) Ketegaran (rg) Pembengkakan (sw) Pengerutan (sn)

Persamaan 758.229 – 82.5364 glu – 44.969 CMC – 22.7282 glu*CMC 1.01748 – 0.00574671 glu + 0.0156179 CMC + 0.0157211 glu*CMC 3.87092 + 0.446066 glu – 0.307666 CMC – 0.196016 glu*CMC 4.83542 + 0.0435835 glu + 0.104994 CMC – 0.133768 glu*CMC 1.3008 – 0.0404519 glu – 0.0356983 CMC – 0.0178578 glu*CMC

Validasi Berdasarkan data hasil percobaan, kondisi gel optimum memberikan nilai kekuatan, titik pecah, ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel berturut-turut 738.923 g cm-2, 1.0685 cm, 3.5095 g cm-1, 5.3373 g, dan 1.2084 g. Validasi hanya dilakukan terhadap nilai pembengkakan dan pengerutan karena hanya kedua respons itu yang modelnya sesuai dengan percobaan. Hasil validasi pembengkakan sebesar 5.3422 g masuk dalam kisaran nilai 4.8036–5.8710 g. Demikian pula hasil validasi pengerutan sebesar 1.2534 g masuk dalam kisaran 1.0876–1.3292 g.

SIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa matriks gel kitosan-CMC optimum pada konsentrasi kitosan 2.5% terjadi pada konsentrasi glutaraldehida 6% dan CMC 1%. Hasil optimalisasi dengan perangkat lunak Modde 5 untuk memperbaiki sistem pengantaran obat memberikan nilai kekuatan, titik pecah, ketegaran, pembengkakan, dan pengerutan gel berturut-turut sebesar 738.923 g cm-2, 1.0685 cm, 3.5095 g cm-1, 5.3373 g, dan 1.2084 g.

DAFTAR PUSTAKA Berger J et al. 2004. Structure and interactions in covalently and ionically crosslinked chitosan hydrogels for biomedical applications. Eur J Pharm Biopharm 57:19-34. Cardenas A, Monal WA, Goycoolea FM, Ciapara IH, Peniche C. 2003. Diffusion through membranes of the polyelectrolyte complex of chitosan and alginate. Macromol Biosci 3:535-539. Fardiaz D. 1989. Hidrokoloid. Bogor: Pusat Antar Universitas Pangan dan Gizi, Institut Pertanian Bogor. Guibal E, Milot C, Roussy J. 1997. Chitosan gel beads for metal ion recovery. Perancis: European Chitin Society. Kurniati I. 1999. Mempelajari pengaruh pH, penambahan MnCl2 dan CMC terhadap karakteristik gel cincau hijau (Cyclea barbata L. Miers) [skripsi]. Bogor: Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Kustiani R. 25 Jun 2005. Sebelas eksportir udang diperiksa Amerika. Koran Tempo. Nussinovitch A. 1997. Hydrocolloid Applications. Israel: Chapman & Hall.

385

Rohindra DR, Nand AV, Khurma JR. 2003. Swelling properties of chitosan hydrogels. [terhubung berkala]. www.usp.ac.fj/spjns/volume22/rohindra.pdf
386

PENCIRIAN MEMBRAN SELULOSA DARI KULIT NANAS MENGGUNAKAN SEM, FTIR, DAN NILAI FLUKS Betty Marita Soebrata, Sri Mulijani, Tya Prawesti Diana Putri Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Selain dari tanaman, selulosa juga dihasilkan oleh mikroorganisme. Jenis mikroorganisme yang berpotensi menghasilkan selulosa mikrobial ialah Acetobacter xylinum. Penelitian ini memanfaatkan limbah kulit nanas dengan cara menggunakan sarinya sebagai medium pertumbuhan mikrob karena kandungan nutrisinya yang cukup lengkap. Selulosa mikrobial yang dihasilkan berpotensi untuk dijadikan bahan dasar alternatif dalam pembuatan membran. Pencirian selulosa mikrobial dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR), mikroskop elektron payaran (SEM), serta dengan menguji nilai fluksnya menggunakan umpan air, glukosa, dan albumin. Berdasarkan nilai fluksnya, membran selulosa termasuk membran mikrofiltrasi dengan nilai fluks lebih dari 50 l/m2. Hasil pengamatan dengan SEM menunjukkan rerata ukuran pori sebesar 0.5–0.6 µm sehingga masuk dalam kisaran ukuran pori membran mikrofiltrasi, yaitu 0.02–10 µm. Spektrum FTIRnya menunjukkan adanya kesamaan dengan gugus fungsi penyusun struktur selulosa pada spektrum selulosa murni. Hal ini memperlihatkan bahwa membran selulosa yang diperoleh mempunyai kemurnian yang tinggi.

PENDAHULUAN Nanas (Ananas comosus) merupakan jenis buah yang terkenal di Indonesia. Selain dikonsumsi sebagai buah segar, nanas juga banyak digunakan dalam industri pengolahan pangan. Menurut BPS (2005), produksi nanas dari tahun ke tahun terus meningkat seperti diperlihatkan pada Tabel 1. Proses pengolahan nanas juga menimbulkan limbah kulit nanas yang banyak sehingga perlu dimanfaatkan untuk meningkatkan mutunya. Salah satu upaya yang dapat dilakukan ialah dengan mengubahnya menjadi nata de pina yang selanjutnya digunakan sebagai bahan dasar pembuatan membran. Tabel 1 Produksi nanas di Indonesia Tahun

Jumlah (ton)

1998 1999 2000 2001 2002 2003

326,956 316,760 393,299 494,968 555,588 677,089

Sumber: BPS (2005)

Nata atau selulosa mikrobial merupakan hasil fermentasi bakteri dalam medium yang mengandung glukosa. Salah satu bakteri penghasil nata adalah Acetobacter xylinum yang merupakan bakteri Gram negatif aerob. Kristynowicz & Bielecki (2001) menyatakan bahwa pada medium statik, selulosa akan terakumulasi pada permukaan medium dan terlihat seperti agar-agar berlapis yang terdiri

387

atas pelikel-pelikel. Selulosa mikrobial tersebut memiliki kemurnian, derajat kristalinitas, kekuatan tarik, elastisitas, kekenyalan, ketahanan gesek, serta kemampuan menyerap dan menahan air yang tinggi. Selain itu, selulosa mikrobial memiliki densitas 300–900 kg/m3, mudah dimodifikasi, dapat diuraikan secara alami, tidak beracun, dan tidak menimbulkan alergi. Penamaan nata bergantung pada medium yang digunakan. Selama ini masyarakat lebih mengenal nata de coco, yang menggunakan air kelapa sebagai mediumnya, daripada nata de pina yang menggunakan sari buah nanas. Limbah cair pengolahan tahu juga dapat digunakan sebagai medium dan hasilnya disebut nata de soya. Penelitian tentang pembuatan nata de pina dari kulit nanas sebelumnya pernah dilakukan oleh Susanto et al. (2000) dan Santoso (1993). Nata de pina umumnya hanya dijual di pasaran sebagai makanan yang kaya serat, sedangkan nata de coco telah digunakan sebagai bahan dasar membran (Yarni 2000). Penelitian ini akan mengkaji pemanfaatan nata de pina sebagai bahan dasar alternatif membran selulosa. Membran dapat digunakan dalam proses pemisahan yang lebih ekonomis, efektif, dan tidak menimbulkan perubahan pada zat yang dipisahkan. Keunggulan lain membran dibandingkan dengan proses pemisahan lainnya adalah terjadi penghematan energi, karena pemisahan dilakukan pada suhu kamar, dan ramah lingkungan. Produk-produk yang memanfaatkan membran selulosa antara lain membran diafragma pengeras suara, bahan penyaring, produk-produk perawatan luka, serat tekstil, dan bahan tambahan pada makanan fungsional (Yoshinaga et al. 1997). Penelitian ini bertujuan membuat membran selulosa dari sari kulit nanas dan mencirikannya dengan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR), mikroskop elektron payaran (SEM), dan nilai fluks.

TINJAUAN PUSTAKA Nanas Nanas berasal dari Amerika Selatan dan Hindia Barat. Tanaman ini termasuk divisi Plantae, subdivisi Spermatophyta, kelas Monocotyledonae, ordo Farinosae, famili Bromelioceae, genus Ananas, dan spesies comosus. Pada umumnya nanas dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kulit, daging, dan hati. Komposisi kimia nanas dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Komposisi kimia nanas (Morton 1987) Komposisi kimia Total padatan terlarut Ekstrak eter Serat kasar Nitrogen Abu Kalsium Fosforus Besi Karoten Tiamin Riboflavin Niasin Asam askorbat

388

Bobot (mg) dari 100 g nanas 81300−91200 29−30 300−600 39−98 210−490 6.2−37.2 6.6−11.9 0.27−1.05 0.003−0.055 0.048−0.138 0.011−0.040 0.130−0.267 27.0−165

Selulosa Mikrobial Selulosa adalah polisakarida dengan residu-residu D-glukopiranosa yang tergabung dalam rantai linear dengan tautan β-(1Æ4) (Gambar 1). Selulosa mikrobial merupakan salah satu produk metabolit dari mikroorganisme genus Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina, dan Valonia. Penghasil selulosa mikrobial yang paling efisien adalah A. xylinum, yang akhir-akhir ini diklasifikasi ulang sebagai Gluconobacter xylinus. Selulosa yang disintesis oleh G. xylinus dapat dihasilkan pada medium statik maupun dengan pengadukan. Setelah pemurnian dan pengeringan, serat selulosa mikrobial akan terlihat seperti kertas perkamen dengan ketebalan 0.01–0.5 mm (Krystynowicz & Bielecki 2001).

n

Gambar 1 Struktur selulosa (Mulder 1996). Acetobacter merupakan bakteri Gram negatif, aerob obligat, berbentuk batang, membentuk kapsul, bersifat nonmotil, dan tidak membentuk spora. Spesies yang telah dikenal antara lain A. aceti, A. orleanensis, A. liquefaciens, dan A. xylinum. Meskipun memiliki ciri-ciri yang hampir sama dengan spesies lain, A. xylinum dapat mengubah glukosa dari medium menjadi selulosa ekstraselular Akan tetapi, proses tersebut dipengaruhi oleh sifat fisis dan kimiawi lingkungan (Lapuz et al. 1967). Pertumbuhan A. ylinum dipengaruhi oleh pH, suhu, sumber nitrogen, dan sumber karbon (Lapuz et al. 1967). Tanda awal pertumbuhan bakteri penghasil nata ialah timbulnya kekeruhan setelah diinkubasi pada suhu kamar selama 24 jam. Setelah 36–48 jam, suatu lapisan tembus cahaya mulai terbentuk di permukaan medium yang secara bertahap akan menebal membentuk lapisan yang kompleks. Jika diganggu, lapisan ini akan tenggelam dan lapisan baru akan terbentuk di permukaan selama kondisinya masih memungkinkan. Pada kondisi yang mendukung, ketebalan nata dapat mencapai lebih dari 5 cm dalam waktu satu bulan. Aktivitas pembentukan nata hanya terjadi pada kisaran pH 3.5–7.5; mutu nata terbaik dan terbanyak dicapai pada pH 5.0 dan 5.5 dalam medium air kelapa pada suhu kamar.

Membran Membran adalah fase permeabel atau semipermeabel, biasanya berupa padatan polimer tipis yang menahan pergerakan bahan tertentu. Menurut Scott & Hughes (1996), kegunaan utama membran dalam industri ialah untuk filtrasi padatan taklarut berukuran mikron dan submikron dari cairan dan gas yang mengandung padatan terlarut, pemindahan makromolekul dan koloid dari cairan yang mengandung ion, pemisahan campuran terlarut, pemisahan selektif gas dan uap dari aliran gas dan uap, transpor selektif spesies ion, serta pemindahan semua bahan yang larut maupun taklarut dalam air. Secara umum, bahan membran dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis, yaitu polimer sintetik, produk alami-termodifikasi yang berbahan dasar selulosa, serta bahan lainnya seperti bahan anorganik, keramik, logam, dan membran cair. Aplikasi umum membran pada penanganan air, aplikasi proses, dan penanganan limbah membuka peluang aplikasi membran yang potensial pada dunia industri (Scott & Hughes 1996). Sifat-sifat yang harus dimiliki membran bergantung pada kegunaannya. Namun, sifat ideal yang harus dimiliki semua membran agar efektif pemisahannya ialah ketahanan kimia, stabilitas mekanik, stabilitas termal, permeabilitas tinggi, selektivitas tinggi, dan mempunyai jumlah pengoperasian yang tinggi.

389

Berdasarkan fungsinya, membran dibedakan menjadi 4. Pertama, membran mikrofiltrasi yang dapat digunakan dalam pemisahan antarpartikel (bakteri, ragi) dan penyaringan makromolekul dengan bobot molekul (BM) > 500,000 g/mol atau partikel berukuran 0.1–10 µm. Tekanan yang digunakan ialah 0.5–2 atm. Tekanan osmotik dan polarisasi konsentrasi diabaikan. Membran ini memiliki struktur asimetrik dan simetrik. Kedua, membran ultrafiltrasi untuk pemisahan antarmolekul dan menyaring makromolekul dengan BM > 5000 g/mol atau partikel berukuran 0.001–0.1 µm. Tekanan yang digunakan 1.0–3.0 atm. Tekanan osmotik dan polarisasi konsentrasi juga diabaikan. Membran ini memiliki struktur asimetrik. Ketiga, membran osmosis balik yang berfungsi menyaring garam-garam organik dengan BM > 50 g/mol atau partikel berukuran 0.0001–0.001 µm. Tekanan yang digunakan ialah 8.0–12.0 atm. Keempat, membran dialisis yang berfungsi memisahkan larutan koloid yang mengandung elektrolit dengan molekul kecil. Pelarut dari larutan yang konsentrasinya tinggi akan melewati membran dan menuju larutan yang lebih encer. Dengan demikian, perbedaan konsentrasi menjadi gaya pendorongnya. Yang terakhir ialah membran elektrodialisis yang digunakan untuk memisahkan larutan dengan gaya gerak listrik sebagai gaya pendorongnya (Wenten 1996).

Filtrasi Menurut Toledo (1991), filtrasi ialah proses pemisahan dua atau lebih komponen dalam suatu aliran fluida. Proses ini digunakan untuk memisahkan padatan, komponen taklarut, dan partikel lain yang tidak dikehendaki dalam suatu cairan. Filtrasi dibagi menjadi 2 bagian, yaitu filtrasi partikel konvensional (dead-end filtration) dan filtrasi membran (crossflow filtration). Pemisahan partikel tersuspensi yang berukuran lebih besar dari 10 µm dapat dilakukan dengan menggunakan filtrasi partikel konvensional, sedangkan partikel yang berukuran lebih kecil dari 10 µm dipisahkan menggunakan filtrasi membran. Pada sistem dead-end, larutan umpan dialirkan secara tegak lurus terhadap membran sehingga terjadi peningkatan konsentrasi komponen-komponen yang tertahan pada permukaan membran dan terjadi penurunan laju permeat (zat yang dapat dialirkan melalui membran) yang melalui membran. Sementara pada sistem crossflow, aliran umpannya sejajar dengan membran sehingga fouling dapat dikurangi. Aliran umpan dapat dibagi menjadi 2, yaitu aliran permeat dan rentetate (zat yang ditahan oleh membran). Penggambaran kedua sistem tersebut ditunjukkan pada Gambar 3 (Mulder 1996).

Gambar 2 Skema modul operasi dasar dead-end (a), crossflow (b).

Pencirian Membran Pencirian, desain, dan segi teknik kimia merupakan beberapa faktor yang harus diperhatikan dalam kinerja membran. Kinerja dan efisiensi membran ditentukan oleh dua parameter utama, yaitu selektivitas dan fluks membran (Mulder 1996). Fluks ialah jumlah volume permeat yang melewati satu satuan luas membran dalam waktu tertentu dengan adanya gaya dorong, dalam hal ini tekanan, yang dapat digambarkan dalam persamaan berikut: V = volume permeat (l) Keterangan: J = fluks (l/m2 jam atm) V J= t = waktu (jam) ∆ P = tekanan (atm) A × t × ∆P

390

Faktor-faktor yang memengaruhi nilai fluks antara lain tekanan membran, kecepatan crossflow, dan konsentrasi larutan. Penurunan fluks terjadi karena adanya gejala fouling pada membran, tetapi adanya fouling dapat meningkatkan rejeksi. Menurut Henry (1988), fouling disebabkan oleh akumulasi partikel pada permukaan membran yang semakin lama semakin menumpuk sehingga mengakibatkan penurunan fluks dan perubahan selektivitas. Perbedaan ukuran molekul umpan juga dapat menurunkan nilai fluks, karena semakin besar ukuran molekul zat yang dialirkan melalui membran, semakin mungkin terbentuk lapisan gel pada permukaan membran yang dapat menghambat laju alir. Tekanan sebagai gaya dorong yang diberikan pada beberapa jenis proses membran akan menghasilkan nilai fluks yang berbeda-beda pula (Tabel 3). Tabel 3 Kisaran nilai fluks dalam berbagai tekanan pada proses membran dengan ∆P sebagai gaya dorong (Mulder 1996) Proses membran Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi Nanofiltrasi Osmosis balik

Kisaran tekanan (bar)

Kisaran nilai fluks (l/m2 jam atm)

0.1−2.0 1.0−5.0 5.0−20.0 10.0−100.0

> 50 10−50 1.40−12 0.05−1.40

BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan adalah kulit buah nanas, starter (bakteri A. xylinum) dari Balai Besar Industri Agro (BBIA), asam asetat glasial, amonium sulfat, natrium hidroksida, air suling, sukrosa, glukosa, bovine serum albumin (BSA), dan kertas saring. Alat-alat yang digunakan antara lain neraca analitik, wadah fermentasi, vakum dan corong Büchner, pemanas, alat-alat kaca, kertas steril, indikator universal, spektrofotometer FTIR TENSOR 27, SEM Jeol JSM–5000, dan alat penyaring crossflow. Analisis FTIR dilakukan di Pusat Studi Biofarmaka IPB. Analisis SEM dilakukan di Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. Sementara pengukuran fluks dilakukan di Laboratorium Teknologi Kimia, Departemen Teknik Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu pembuatan medium dari sari kulit nanas, pembuatan nata de pina, pemurnian selulosa, pembuatan membran, dan pencirian membran dengan mengukur fluks serta melakukan analisis FTIR dan SEM. Pembuatan medium dari sari kulit nanas Kulit buah nanas yang sudah bersih dihancurkan dengan blender dan disaring vakum. Filtratnya yang berwarna kuning jernih diencerkan 4 kali dengan akuades (Susanto et al. 2000). Pembuatan nata de pina Larutan hasil pengenceran ditambahkan sukrosa sebanyak 7.5% (b/v) dan amonium sulfat sebanyak 0.5% (b/v), direbus sekitar 15−20 menit sampai mendidih, dan dituangkan ke wadah fermentasi (Gambar 3). pH medium diukur dengan indikator universal dan diatur menjadi 4.5 dengan penambahan asam asetat glasial. Setelah itu, medium ditutup dengan kertas steril, diikat dengan karet,

391

dan didiamkan semalam. Keesokan harinya, kertas steril dibuka sebagian dan sebanyak 10% (v/v) inokulum dimasukkan ke dalam medium. Medium ditutup kembali dengan rapat dan diinkubasi selama kira-kira 15 hari hingga diperoleh nata de pina seperti pada Gambar 4 (Susanto et al. 2000).

Gambar 3 Larutan medium.

Gambar 4 Nata de pina.

Pemurnian selulosa Nata de pina direndam dalam larutan NaOH 1% (b/v) pada suhu kamar selama 24 jam, kemudian dinetralkan dengan cara direndam dalam asam asetat 1% (v/v) selama 24 jam. Volume NaOH dan asam asetat yang digunakan kurang lebih 1 l. Selanjutnya, produk dicuci beberapa kali dengan air (Yarni 2000). Pembuatan membran Nata dipotong sesuai dengan kebutuhan dan dikeluarkan airnya dengan bantuan corong Büchner dan vakum. Hasil yang diperoleh berupa lembaran membran tipis yang masih basah. Sementara Gambar 5 menunjukkan membran yang telah dikeringkan.

Gambar 5 Membran setelah dikeringkan. Pengukuran fluks Membran dibentuk lingkaran berdiameter 5.5 cm, sesuai bentuk dan ukuran modul membran, kemudian diukur fluksnya dengan alat penyaring crossflow menggunakan akuades, glukosa 200 ppm, dan albumin 200 ppm sebagai umpan. Ragam tekanan yang digunakan pada pengukuran fluks dengan umpan akuades ialah 2.5, 5.0, 7.5, dan 10.0 psi, sedangkan ketika menggunakan umpan larutan glukosa dan albumin ialah 2.5 dan 10.0 psi. Pengukuran fluks masing-masing dilakukan sebagai fungsi waktu sampai mencapai kondisi tunak. Analisis FTIR dan SEM Analisis FTIR dan SEM dilakukan pada contoh kering.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Nata de pina Proses pembuatan nata de pina pada dasarnya meliputi penyiapan medium, inokulasi bakteri, dan pemurnian selulosa. Selama 24 jam inokulasi, pada permukaan medium terlihat suatu lapisan

392

bening, yang dikenal dengan pelikel, yang terus menebal. Pada hari ke-5, lapisan tersebut telah menebal sempurna dan dapat dipanen. Nata de pina yang dihasilkan berserat dan berlendir dengan warna yang agak kekuningan dan tebal 0.5 cm. Lendir tersebut merupakan kapsul atau lapisan lendir bakteri yang berfungsi sebagai pelindung dan tempat cadangan makanannya (Pelczar & Chan 1986). Gas karbon dioksida yang dihasilkan secara lambat oleh A. xylinum menyebabkan nata mengapung dan terdorong ke atas. Nata de pina yang dihasilkan bersifat asam dengan pH 3–3.5. Hal ini sesuai dengan pernyataan Dimaguila (1967) yang menyatakan bahwa A. xylinum menghasilkan asam asetat sejak diinokulasikan ke dalam medium. Proses pengepresan nata menyebabkan pecahnya ikatan dengan energi paling rendah dalam sistem selulosa-air, yaitu ikatan hidrogen antarmolekul air. Sebagian air lepas dari permukaan dan selulosa mendekat satu sama lain. Proses ini berlanjut sampai hanya tertinggal lapisan monomolekul air di antara 2 permukaan selulosa. Hal ini dapat dibuktikan dengan diperolehnya lapisan tipis nata yang belum kering sempurna. Oleh karena itu, proses pengeringan dilanjutkan pada suhu 60 °C agar ikatan hidrogen antara gugus –OH air dan selulosa putus dan terbentuk ikatan hidrogen antarselulosa (Gambar 6). Nata yang diperoleh berbentuk lembaran tipis yang kering, agak berkerut, dan warnanya agak kecokelatan. Warna kecokelatan ini diduga terjadi karena gula dan protein yang terkandung di dalamnya mengalami reaksi pencokelatan (browning) dan perusakan asam amino. Membran selulosa ini mampu menyerap air sehingga dapat dikelompokkan sebagai membran yang bersifat hidrofilik. Kemampuan menyerap air oleh selulosa dipengaruhi oleh strukturnya.

Gambar 6 Perubahan ikatan hidrogen selama pelepasan air dari dua rantai selulosa yang berdekatan (Fengel & Wegener 1989).

Pengukuran Fluks Membran Pengukuran fluks dilakukan dengan menggunakan 3 jenis umpan, yaitu air, glukosa, dan albumin. Fluks air merupakan standar dalam mengevaluasi penurunan kinerja membran sebelum dan sesudah digunakan. Pengukuran ini menggunakan prinsip filtrasi crossflow, yaitu dengan mensirkulasikan umpan ke dalam sistem modul. Penggunaan prinsip ini diharapkan mampu mengurangi gejala fouling yang dapat menghambat laju permeat. Pengukuran fluks air, glukosa, maupun BSA pada jenis membran yang sama menunjukkan gejala yang sama pula, yaitu nilai fluks semakin turun seiring dengan lamanya analisis dan tercapai nilai yang stabil pada keadaan tunak (Gambar 7). Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain adanya fouling dan polarisasi konsentrasi. Penurunan fluks secara terus-menerus yang disebabkan oleh fouling dapat menahan partikel-partikel yang menempel pada permukaan membran.

393

(a)

(b)

(c)

Keterangan:

Gambar 7 Hubungan antara fluks dan waktu pada tekanan 2.5 psi untuk jenis umpan air (a), glukosa (b), dan BSA (c). Menurut Mulder (1996), penurunan nilai fluks pada proses ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi untuk air murni kurang dari 5%. Namun, Gambar 7 (a) memperlihatkan penurunan nilai fluks air dari nilai awalnya, yaitu 10936.02 l/m2 jam atm, lebih dari 5%. Hal ini disebabkan oleh kandungan padatan atau pengotor dalam akuades. Mulder (1996) menyatakan bahwa molekul air dengan bobot molekul 18 dan diameter 0.2 nm tidak mungkin menyebabkan peristiwa fouling. Kontaminasi akuades ini sangat mungkin terjadi terutama jika peralatan yang digunakan kurang memenuhi standar dan proses sanitasi alat kurang sempurna. Pembersihan ulang terhadap sistem modul dan pompa merupakan salah satu hal yang dapat dilakukan untuk mengurangi fouling. Gambar 7 (b) dan (c) menunjukkan bahwa nilai fluks glukosa dan BSA lebih rendah daripada fluks air, yaitu berturut-turut 4552.95 dan 5311.78 l/m2 jam atm. Penurunan nilai fluks tersebut disebabkan ukuran molekul glukosa dan albumin yang lebih besar sehingga pori-pori membran tersumbat. Selain itu, penurunan fluks juga disebabkan oleh terakumulasinya zat-zat secara permanen di atas atau di dalam struktur membran (terjadi fouling). Akumulasi zat tersebut membentuk lapisan gel yang menurunkan fluks dan mengubah selektivitas membran. Gejala penurunan nilai fluks dengan naiknya tekanan teramati baik dengan larutan umpan akuades, glukosa, maupun BSA (Gambar 8). Berdasarkan data nilai fluks untuk semua jenis umpan, membran selulosa yang dihasilkan termasuk dalam kelompok mikrofiltrasi dengan kisaran nilai fluks lebih dari 50 l/m2 jam atm.

Gambar 8 Hubungan antara fluks air dan tekanan. Penurunan fluks akibat kenaikan tekanan disebabkan oleh adanya kompaksi membran. Menurut Mulder (1996), kompaksi merupakan suatu perubahan mekanik pada struktur membran polimer yang terjadi dalam proses membran dengan gaya dorong ∆P. Dengan demikian, kenaikan tekanan yang dikenakan akan menyebabkan kompaksi membran semakin cepat. Hal ini berhubungan dengan sifat membran selulosa yang hidrofilik. Kemampuan membran selulosa dalam menyerap air (umpan) dapat mengubah struktur selulosa menjadi lebih kompak. Selama proses penyerapan

394

berlangsung, pori-pori membran merapat sehingga menurunkan nilai fluks. Bahkan setelah relaksasi (dengan cara menurunkan tekanan pada proses), nilai fluks tidak dapat kembali sebagaimana nilai awalnya karena gejala ini bersifat tidak dapat balik.

Kajian SEM terhadap Membran Selulosa Hasil pengamatan permukaan membran dengan SEM (Gambar 9a) menunjukkan morfologi membran yang berupa jaringan serat selulosa yang berbentuk batang/pipa (tanda panah). Sementara Gambar 9b memperlihatkan bahwa ruang antarserat selulosa merupakan pori-pori yang berukuran sekitar 0.5–0.6 µm (tanda panah). Rerata ukuran pori membran ialah sekitar 0.5–0.6 µm sehingga masuk ke dalam kisaran membran mikrofiltrasi, yaitu 0.1–10.0 µm. Ketidakseragaman ukuran pori ini dapat dikendalikan dengan penambahan zat aditif yang disebut porogen.

(a) (b) Gambar 9 Hasil pengamatan SEM terhadap morfologi (a) dan ukuran pori (b) membran.

(Keterangan: 1 = Serat selulosa yang berbentuk batang/pipa, 2 = Pori membran selulosa)

Kajian FTIR Terhadap Membran Selulosa Hasil FTIR membran selulosa dapat dilihat pada Gambar 10. Gugus fungsi –OH selulosa nata de pina terdeteksi pada bilangan gelombang 3267.77–3468.06 cm-1, sedangkan gugus –OH selulosa murni (Gambar 11) pada 3295.7–3336.3 cm-1. Gugus –OH pada karbohidrat mempunyai karakter pita yang sangat lebar (3200–3400 cm-1) dan tajam (Sudjadi 1983). Pita pada gugus –OH dalam membran selulosa ini lebih lebar daripada pita dalam spektrum selulosa murni. Hal ini diduga karena adanya asam asetat yang belum tercuci sempurna oleh air. Keberadaan gugus C–H dengan vibrasi ulur dan tekuk dapat ditunjukkan dengan puncak pada bilangan gelombang 2903.89 dan 1424.40 cm-1.

Gambar 10 Spektrum FTIR membran selulosa.

395

Gambar 11 Spektrum FTIR selulosa murni. Selulosa terdiri atas unit-unit glukosa. Bentuk glukosa tidak mutlak dalam keadaan siklik; glukosa juga dapat stabil dalam bentuk rantai terbuka pada proyeksi Fischer. Hal ini diperkuat dengan adanya gugus C=O pada bilangan gelombang 1645.80 cm-1 dan gugus C–O ulur pada 1109.89– 1156.16 cm-1. Berdasarkan hasil analisis FTIR, gugus-gugus fungsi yang terdapat pada membran selulosa mempunyai kemiripan dengan spektrum standarnya, sehingga dapat dikatakan bahwa membran selulosa mikrobial dihasilkan dalam penelitian ini, walaupun masih tercampur zat lain.

SIMPULAN Berdasarkan nilai fluksnya, membran selulosa dari nata de pina termasuk dalam kelompok mikrofiltrasi. Hal ini juga diperkuat dengan hasil pengamatan SEM, yaitu rerata ukuran porinya 0.5–0.6 µm. Hasil analisis FTIR menunjukkan adanya kesamaan serapan gugus fungsi antara membran selulosa mikrobial dan selulosa murni.

DAFTAR PUSTAKA [BPS] Biro Pusat Statistik. 2005. Produksi Buah-buahan Indonesia. http://www.BPS.go.id. [16 Agu 2005]. Dimaguila LS. 1967. The nata de coco 2: Chemical nature and properties of nata. Phillip Agric 51:475485. Fengel D, Wegener G. 1989. Wood: Chemistry and Ultrastructure Research. Berlin: Walter de Gruyter. Henry JD. 1988. Crossflow Filtration: Recent Development in Separation Science. Ohio: CRC Pr. Krystynowicz A, Bielecki S. 2001. Biosynthesis of bacterial cellulose and its potential application in the different industries. Polish Biotechnology. http://www.Biotechnology-pl.com/science/ krystynowicz.htm. [1 Jul 2005]. Lapuz MM, Gallerdo EG, Palo MA. 1967. The nata organs cultural requirements: Characteristics and identity. Phillip J Sci 96:91-96. Mallevialle J, Odendaals PE, Wichser MR. 1996. Water Treatment Membrane Process. New York: Mc Graw Hill. Morton JF. 1987. Pineapple, fruit of warm climates. http://www.hort.Purdue.Edu/newcorp/morton/ pineapple. html. [15 Mar 2005].

396

Mulder M. 1996. Basic and Principles of Membrane Technology. London: Kluwer. Pelczar MJJr, Chan ECS. 1986. Dasar–Dasar Mikrobiologi. Volume 1,2. Hadioetomo RS, Imas T, Tjitrosomo SS, Angka SL, penerjemah. Jakarta: UI Pr. Terjemahan dari: Elements of Microbiology. Rabbek JK. 1987. Experimental Method in Polymer Chemistry. Toronto: J Wiley. Santoso I. 1993. The utilization of pineapple peel for nata production. Sains Teknol 1:31-34. Scott K, Hughes K. 1996. Industrial Membrane Separation Technology. London: Blackie Academic and Professionals. Sudjadi. 1983. Penentuan Struktur Senyawa Organik. Jakarta: Ghalia Indonesia. Susanto T, Adhitia R, Yunianta. 2000. Pembuatan nata de pina dari kulit nanas: Kajian dari sumber karbon dan pengenceran medium fermentasi. Teknol Pertanian 1:58-66. Sutiani A. 1997. Biodegradasi poliblend polistirena-pati [tesis]. Bandung: Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. Toledo RT. 1991. Fundamentals of Food Processing Engineering. New York: Chapman and Hall. Wenten IG. 1996. Teknologi Industrial Membran. Bandung: Departemen Teknik Kimia, ITB. Yarni D. 2000. Produksi dan karakterisasi membran mikrofiltrasi dari selulosa mikrobial [tesis]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Yoshinaga et al. 1997. Research progress in production of bacterial celulose by aeration and agitation culture and its application as a new industrial material. Biosci Biotechnol Biochem 6:119-224.

397

MODIFIKASI KULIT SINGKONG SEBAGAI BIOREMOVAL LOGAM Pb(II) DAN Cd(II) Betty Marita Soebrata, Muhammad Sri Saeni, Indiah Ratna Dewi Departemen Kimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Kulit singkong berpotensi sebagai bioremoval logam berat, namun belum banyak dimanfaatkan. Pada penelitian ini, bioremoval kulit singkong digunakan untuk mengadsorpsi dua ion logam divalen, yaitu Pb(II) dan Cd(II). Perlakuan terhadap kulit singkong meliputi pencucian dengan air deionisasi atau impregnasi dengan basa sebagai perlakuan pendahuluan, dengan dan tanpa diikuti modifikasi dengan asam nitrat atau asam fosfat 0.6 M. Hasil adsorpsi pada keenam contoh dibandingkan dengan adsorpsi oleh karbon aktif komersial. Hasilnya menunjukkan bahwa adsorpsi maksimum kulit singkong tercapai hanya dalam 10−40 menit dengan efektivitas yang tinggi. Modifikasi asam dapat meningkatkan persentase logam yang teradsorpsi per gram bioremoval. Kapasitas adsorpsi larutan tunggal ion logam yang diperoleh pada hasil modifikasi dengan asam fosfat dan nitrat ialah 59.3239 µg Cd/g dan 106.3032 µg Pb/g. Kemampuan adsorpsi kulit singkong lebih baik daripada karbon aktif, dengan kenaikan efektivitas adsorpsi sebesar 10%. Mekanisme adsorpsi bioremoval logam berat terhadap logam Pb(II) dan Cd(II) berlangsung secara kemisorpsi dan fisisorpsi, dengan linearitas di atas 80% untuk kedua jenis isoterm adsorpsi, Freundlich dan Langmuir.

PENDAHULUAN Perkembangan dan kemajuan teknologi berdampak negatif pada penurunan mutu lingkungan. Keberadaan logam berat yang melewati ambang batas lingkungan sangat berbahaya bagi kehidupan perairan dan kesehatan manusia. Logam berat yang sangat berbahaya ialah timbel, kadmium, dan raksa yang umumnya berasal dari limbah industri pupuk dan penyepuhan listrik (electroplating) (Palar 2004). Beberapa teknik penghilangan logam dalam limbah industri meliputi presipitasi, pertukaran ion, dan teknik elektrolit (Blanco et al. 1999), tetapi sering kali hasilnya kurang memuaskan karena efisiensi dan kapasitas adsorpsinya kecil, serta membutuhkan biaya yang mahal. Saat ini, penelitian mengarah pada pemanfaatan biomassa-termodifikasi asam sebagai bioremoval logam berat. Bioremoval didefinisikan sebagai bahan hayati yang digunakan dalam proses adsorpsi pencemar dari suatu cairan, yang selanjutnya melalui proses desorpsi, bahan ini dapat dibuang dan ramah lingkungan (Suhendrayatna 2001). Modifikasi asam yang paling umum digunakan untuk mengaktifkan adsorben hayati atau bioremoval, karena efektivitas adsorpsinya jauh lebih besar daripada karbon aktif (David 2000; Vaughan et al. 2001). Salah satu bioremoval potensial berasal dari kulit singkong (Horsfall & Abia 2003a, b). Tercatat di Biro Pusat Statistik Indonesia, angka produksi singkong pada tahun 2002 mencapai 16,913,104 ton dan tahun 2003 diperkirakan mencapai 17,722,803 ton (BPS 2004). Seiring dengan meningkatnya konsumsi singkong dan penggunaannya sebagai bahan baku industri di Indonesia, limbahnya dapat dimanfaatkan sebagai bioremoval logam berat. Marshall & Jhons (1996) juga telah melaporkan beberapa produk samping pertanian yang berpotensi sebagai bioremoval, di antaranya ialah tongkol jagung, gabah padi, gabah kedelai, biji kapas, jerami, ampas tebu, dan kulit kacang tanah.

398

Modifikasi asam terhadap kulit singkong mengarah pada pengaktifan gugus hidroksil yang banyak terdapat pada selulosa. Selulosa merupakan penyusun kulit singkong terbesar bersama lemak, protein, dan senyawa lain yang umum terdapat dalam tumbuhan (Sangseethong & Sriroth 2000). Gugus hidroksil selulosa akan berikatan dengan asam membentuk ester. Keberadaan asam dalam ester tersebut mampu meningkatkan muatan negatif total, sehingga memperbesar kemampuannya berikatan dengan logam. Sifat inilah yang diasumsikan dapat menjadikan kulit singkong sebagai bioremoval yang potensial. Bioremoval yang baik harus memiliki kapasitas adsorpsi, efektivitas adsorpsi, dan kapasitas desorpsi yang tinggi sehingga dapat digunakan kembali. Penelitian ini bertujuan membuat bioremoval logam berat (Pb dan Cd) dari kulit singkong yang termodifikasi asam. Manfaat penelitian ini adalah mampu menambah nilai guna kulit singkong, sekaligus menghasilkan adsorben bermutu baik dari bahan yang murah dan melimpah.

METODE PENELITIAN Kulit singkong dicuci dengan air deionisasi dan diimpregnasi dengan NaOH 0.1 N. Modifikasi berbasis-asam menggunakan 2 macam asam, yaitu asam nitrat dan fosfat, dengan konsentrasi masingmasing 0.6 M. Kemampuan bioremoval kulit singkong dikaji dengan menentukan kapasitas dan efektivitas adsorpsinya terhadap logam berat Pb(II) dan Cd(II). Mekanisme adsorpsinya dikaji dengan isoterm Freundlich dan Langmuir.

Penyiapan Kulit Singkong Kulit singkong dibersihkan dengan air keran untuk menghilangkan tanah dan kotoran yang menempel. Kulit yang dipakai adalah kulit bagian dalam atau endodermis. Sejumlah kecil kulit singkong tersebut diambil untuk ditentukan kadar airnya, selebihnya dikeringkan di bawah sinar matahari, selanjutnya dihaluskan dengan blender hingga berukuran ±100 mesh.

Analisis Kadar Air Kulit Singkong Sebanyak 1 g kulit singkong bersih dimasukkan ke dalam cawan petri yang telah dikeringkan dalam oven dan diketahui bobot kosongnya. Cawan petri berisi contoh dikeringkan dalam oven pada suhu 105 °C selama 3 jam dan didinginkan. Setelah dingin, disimpan dalam eksikator lalu ditimbang. Pengeringan dilakukan beberapa kali selama 30 menit sampai diperoleh bobot yang tetap. Analisis dilakukan tiga ulangan.

Pencucian dengan Air Sebanyak 100 g kulit singkong halus dimasukkan ke dalam gelas piala 1 l dan ditambah 660 ml air deionisasi. Campuran dikocok selama 20 menit dan dibuang airnya. Pencucian diulangi sebanyak dua kali. Selanjutnya, dikeringkan dalam oven pada suhu 50 °C selama 24 jam. Contoh yang dihasilkan selanjutnya disebut bioremoval dengan pencucian air (DWB).

Impregnasi dengan NaOH Sebanyak 100 g kulit singkong halus dimasukkan ke dalam gelas piala 4 l, ditambah 2 l NaOH 0.1 M, dikocok selama 20 menit pada suhu 80 °C, disaring, dan dibuang airnya. Setelah itu, dicuci 2 kali

399

dengan air deionisasi untuk menghilangkan kelebihan basa dan dikeringkan dalam oven pada suhu 50 °C selama 24 jam. Contoh yang dihasilkan selanjutnya disebut bioremoval dengan impregnasi NaOH (DWSB).

Modifikasi dengan Asam Contoh dimasukkan dalam gelas piala 1 l dan ditambah 660 ml asam. Asam yang digunakan adalah asam nitrat dan asam fosfat dengan konsentrasi 0.6 M. Campuran dikocok selama 30 menit dan disaring. Contoh dikeringkan dalam oven bersuhu 50 °C selama 24 jam, lalu suhunya dinaikkan menjadi 180 °C dan didinginkan. Setelah dingin, direndam dalam air panas untuk menghilangkan kelebihan asam dan dikeringkan pada suhu 50 °C selama 24 jam. Contoh hasil modifikasi-asam terhadap DWB selanjutnya disebut bioremoval termodifikasi-asam nitrat (NAB) dan -asam fosfat (PAB) sementara contoh hasil modifikasi-asam terhadap DWSB selanjutnya berturut-turut disebut bioremoval termodifikasi-asam nitrat dan -asam fosfat dengan impregnasi basa (NASB dan PASB).

Pembuatan Larutan Tunggal Ion Logam Ion logam yang digunakan adalah Pb(II) dan Cd(II). Larutan tunggal ion logam stok dibuat dalam konsentrasi 100 ppm dalam bufer natrium asetat (0.01 M)-asam asetat (0.01 M) dengan pH 4.80.

Adsorpsi Ion Logam oleh Bioremoval Sebanyak 1 g dari setiap modifikasi bioremoval dimasukkan ke dalam 50 ml larutan tunggal ion logam Pb dan Cd. Campuran dikocok dengan pengaduk magnet berkecepatan 300 rpm selama 40 menit dan disaring. Sebanyak 40 ml supernatan diambil, dimasukkan dalam gelas piala, ditambahkan 1 ml HNO3 pekat, dipanaskan sebentar, kemudian didinginkan lagi. Larutan siap dianalisis dengan spektrofotometer serapan atom (AAS) pada panjang gelombang tertentu untuk menentukan konsentrasi ion logam bebas yang masih terlarut. Panjang gelombang untuk Pb(II) 261 nm, sedangkan untuk Cd(II) 226 nm. Konsentrasi ion logam dihitung menggunakan kurva standar yang dibuat dari hubungan absorbans dengan konsentrasi larutan standar. pH larutan logam diukur sebelum penambahan bioremoval, sesaat setelah penambahan bioremoval, dan setelah adsorpsi. Kapasitas adsorpsi dapat dihitung dengan rumus V (C 0 − C a ) Q= mb Sementara efektivitas adsorpsi dapat dihitung dengan rumus (Co − Ca ) × 100% Co dengan Q = kapasitas adsorpsi per bobot bioremoval (µg/g bioremoval), V = volume larutan (ml), mb = massa bioremoval (g), dan Co, Ca = konsentrasi awal dan akhir larutan (ppm)

Efektivitas =

Penentuan Waktu Adsorpsi Optimum Bioremoval termodifikasi-asam dan terimpregnasi-NaOH dimasukkan masing-masing sebanyak 1 g ke dalam 50 ml larutan tunggal ion logam. Adsorpsi dilakukan sesuai prosedur adsorpsi ion logam

400

Pb dan Cd dengan ragam waktu adsorpsi 10, 20, 40, 60, dan 80 menit. Waktu optimum ditentukan dari kapasitas adsorpsi maksimum tiap bioremoval-nya.

Isoterm Adsorpsi Kepada sebanyak 1 g singkong ditambah 20 ml larutan tunggal ion Pb dan Cd pada beberapa konsentrasi, yakni 0.0, 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10.0, 25.0, 50.0, dan 100.0 ppm. Campuran dikocok pada suhu 25 °C selama 2 jam kemudian disaring dan diukur kadar ion logamnya dengan AAS. Kapasitas adsorpsi (Q) dan tetapan afinitas dihitung dengan model isoterm Langmuir dan Freundlich.

HASIL DAN PEMBAHASAN Modifikasi Bioremoval Kulit singkong yang akan digunakan sebagai bioremoval logam berat Pb(II) dan Cd(II) dimodifikasi terlebih dahulu dengan asam. Asam yang digunakan ialah asam nitrat dan fosfat. Biomassa termodifikasi-asam fosfat memiliki kapasitas adsorpsi lebih tinggi daripada yang tidak termodifikasi (Chamarthy et al. 2001; Vaughan et al. 2001). Asam fosfat memiliki kemiripan struktur dengan asam nitrat. Modifikasi asam nitrat terhadap karbon aktif juga mampu meningkatkan kapasitas adsorpsinya (Wu & Chen 1998). Sebagian contoh kulit singkong diimpregnasi terlebih dahulu dengan NaOH 0.1 N sebelum dimodifikasi dengan asam. Impregnasi dengan NaOH 0.1 N hanya digunakan sebagai perlakuan pendahuluan yang diharapkan mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi dan mempercepat waktu adsorpsi (Marshall & Johns 1996). Limbah kulit singkong awal masih kotor oleh tanah. Pembersihan dan pencucian dilakukan untuk menghilangkan tanah dari kulit singkong. Perolehan pada tahap ini kurang lebih 90%. Sepuluh persen epidermis atau kulit luar singkong tidak dimanfaatkan karena terkotori oleh tanah dan diperkirakan memiliki kandungan selulosa yang relatif sedikit dibandingkan dengan lapisan endodermis. Kulit singkong yang telah dikeringudarakan dan berukuran 100 mesh memiliki kadar air sekitar 68.60%. Bioremoval dengan berbagai modifikasi dibuat dari kulit singkong yang telah dihaluskan tersebut. Sekitar 10−20% bioremoval hilang selama proses modifikasi. Bioremoval termodifikasi-asam nitrat berwarna kuning kecokelatan (Gambar 1a dan b), sedangkan bioremoval termodifikasi-asam fosfat berwarna cokelat kehitaman (Gambar 1c dan d). Bioremoval tanpa modifikasi asam memiliki warna yang paling pucat (Gambar 1e dan f).

Gambar 1 Bioremoval kulit singkong: NASB (a), NAB (b), PASB (c), PAB (d), DWSB (e), dan DWB (f).

Waktu Adsorpsi Bioremoval dari kulit singkong termodifikasi-asam digunakan untuk mengadsorpsi Pb(II) dan Cd(II) dari larutan tunggal dan limbah industri. Konsentrasi larutan tunggal ion Pb(II) dan Cd(II) dibuat

401

0.1 ppm, namun konsentrasi yang terukur sebesar 0.1987 dan 2.2185 ppm untuk Pb(II), serta 1.4578 ppm untuk Cd(II). Lamanya proses adsorpsi ditentukan berdasarkan kapasitas adsorpsinya selama rentang waktu tertentu. Saat kapasitas adsorpsi (Q) bioremoval mencapai nilai maksimum, maka lamanya proses adsorpsi tersebut diambil sebagai waktu optimum adsorpsi. 80.00

Q (ppm/g)

8.00

70.00

7.00

60.00

6.00

50.00

5.00

40.00

4.00

30.00

3.00

20.00

2.00

10.00

1.00

0.00

Q (ppm/g)

c

0.00 0

10

20

40

Waktu (min)

60

80

0

10

20

40

60

80

Waktu (min)

(a) (b) Gambar 2 Waktu adsorpsi ion Cd(II) (a) dan Pb(II) (b): NAB (♦), NASB (■), PAB (▲), PASB (×). Adsorpsi maksimum ion logam terjadi pada rentang waktu 10–40 menit dan stabil pada nilai maksimum atau cenderung menurun sampai menit ke-80. Adsorpsi terhadap Cd(II) relatif lebih cepat dibandingkan dengan terhadap Pb(II). Adsorpsi Pb(II) optimum pada menit ke-40, sedangkan adsorpsi maksimum Cd(II) hanya memerlukan waktu 10 menit (Gambar 2). Hal ini karena jari-jari ion Cd(II) (0.95 Ǻ) lebih kecil dibandingkan dengan Pb(II) (1.19 Ǻ) (Baig et al. 1999). Jika adsorpsi terjadi secara fisik, partikel yang lebih kecil akan lebih cepat teradsorpsi pada pori-pori adsorben. Kecenderungan menurunnya kapasitas adsorpsi setelah mencapai nilai maksimum dimungkinkan karena proses desorpsi atau pelepasan kembali selama pengocokan. Pada adsorpsi ion Pb, terlihat kedinamisan kapasitas adsorpsi terhadap waktu, meskipun akan mencapai kapasitas maksimum relatif pada waktu yang sama. Bioremoval dengan perlakuan awal NaOH, yaitu NASB dan PASB, mengadsorpsi ion logam lebih cepat daripada bioremoval yang hanya termodifikasi-asam. Hal ini berkenaan dengan konsep pembentukan pori baru oleh impregnan NaOH (Setiadi & Sugiarso 1999). Semakin banyak pori yang dimiliki suatu adsorben, kecepatan adsorpsi juga semakin meningkat.

Adsorpsi Ion Logam Kapasitas adsorpsi terhadap ion logam diukur berdasarkan waktu optimum yang telah diperoleh. Logam Pb(II) dalam larutan tunggal diadsorpsi dengan bioremoval selama 40 menit. Konsentrasi logam sebelum dan setelah adsorpsi diukur untuk menentukan kapasitas dan efektivitas adsorpsinya. Bioremoval NAB memiliki kapasitas dan efektivitas adsorpsi paling tinggi, yaitu 106.3032 µg/g bioremoval dan 95.83%. Nilai tersebut lebih besar jika dibandingkan dengan karbon aktif. Kapasitas adsorpsi logam Pb(II) oleh karbon aktif sebesar 94.0712 µg/g dengan efektivitas 84.85%. Modifikasi dengan asam, baik asam nitrat maupun asam fosfat, terbukti mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi bioremoval terhadap logam Pb(II) hampir 33 kali lipat (Gambar 3). Adsorpsi berlangsung pada kondisi asam dengan pH sekitar 3−4. Gugus nitrat yang telah terikat oleh gugus hidroksil selulosa membentuk ester nitrat dan mampu menarik lebih banyak ion Pb2+. Pengikatan ini melibatkan interaksi elektrostatik antara gugus bermuatan negatif pada dinding sel dan kation logam (Baig et al. 1999). Berdasarkan teori, adsorpsi spesifik pada logam Pb(II) termasuk kemisorpsi.

402

Efektivitas (%)

Q (µg logam/g bioremoval)

120 100 80 60 40 20 0

120 100 80 60 40 20

DWB

NAB PAB bioremoval

karbon aktif

0 DWB

NAB bioremoval

PAB

Karbon aktif

(a) (b) Gambar 3 Kapasitas (a) dan efektivitas (b) adsorpsi bioremoval kulit singkong terhadap ion Pb(II) tanpa (■) dan dengan (■) impregnasi NaOH. Impregnasi dengan NaOH juga mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi bioremoval dengan cara menghasilkan pori-pori baru setelah terjadi oksidasi parsial oleh oksigen dan karbon. Walaupun bioremoval dimodifikasi dengan asam, jika tidak diimpregnasi dengan NaOH terlebih dahulu, kapasitas adsorpsinya sedikit lebih kecil. Akan tetapi, jumlah pori yang banyak juga tidak menjamin adsorpsi yang lebih banyak. Dalam hal ini, kemisorpsi lebih dominan daripada fisisorpsi. Adsorpsi terhadap Cd(II) dilakukan selama 10 menit. Bioremoval kulit singkong termodifikasi asam-fosfat tanpa impregnasi NaOH (PAB) memiliki kapasitas dan efektivitas adsorpsi tertinggi dibandingkan dengan adsorpsi oleh karbon aktif atau bioremoval lain. Kapasitas adsorpsinya sebesar 59.3239 µg/g bioremoval dengan efektivitas 81.40%. Karbon aktif ternyata memiliki kemampuan yang lebih baik dalam mengadsorpsi logam Cd(II) daripada logam Pb(II), karena ukuran ion Cd2+ yang lebih kecil. Kapasitas adsorpsinya sebesar 40.9705 µg/g bioremoval dengan efektivitas 56.20%. Nilai ini hanya sebanding dengan kemampuan adsorpsi bioremoval tanpa modifikasi asam (DWB). Kapasitas dan efektivitas adsorpsi logam Cd(II) oleh bioremoval kulit singkong ditunjukkan pada Gambar 4. 90

59.3239 60

50.5907

50 40 30

69.42

70

40.9705

37.9464 33.1277

81.4

80

49.085

22.8854

20

efektivitas (%)

Q (µg logam/g bioremoval)

70

60 50

67.35 56.2

52.07 45.45

40

31.4

30 20

10

10 0

0 DWB

NAB

PAB

karbon aktif

DWB

NAB

PAB

karbon aktif

(a) (b) Gambar 4 Kapasitas (a) dan efektivitas (b) adsorpsi bioremoval kulit singkong terhadap ion Cd(II) tanpa (■) dan dengan impregnasi NaOH (■). Modifikasi-asam terhadap bioremoval menarik untuk dikaji. Telah disebutkan sebelumnya bahwa asam akan meningkatkan muatan negatif total bioremoval. Setelah terikat dan membentuk ester, asam fosfat akan menyumbang muatan negatif lebih banyak dibandingkan dengan asam nitrat. Dengan demikian, bioremoval termodifikasi-asam fosfat diharapkan memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih besar. Berdasarkan hasil yang diperoleh, bioremoval termodifikasi asam fosfat hanya memberikan hasil maksimum pada adsorpsi logam Cd(II), sedangkan logam Pb(II) lebih efektif diadsorpsi oleh bioremoval termodifikasi-asam nitrat. Hal ini disebabkan oleh pembentukan endapan Pb3(PO4)2 akibat tidak sempurnanya ikatan antara gugus hidroksil selulosa dan gugus fosfat. Hasil penelitian ini menguatkan kesimpulan Wafyono et al. (1999) yang menyatakan bahwa biomassa termodifikasi-asam fosfat lebih efektif mengadsorpsi logam Cd(II). Kemampuan adsorpsi bioremoval kulit singkong juga diujikan pada limbah industri penyepuhan listrik. Kapasitas adsorpsi logam Pb(II) oleh NAB ialah 22.5 µg/g bioremoval (Gambar 6a) dan

403

25

22.5 25

19.4981

21.9616

23.1789 22.8916

23.7952 22.4427

20 20 15 10

7.485

6.9986

Q (ppm)

Q (µg logam/g bioremoval)

efektivitas 97.83%. Sementara kapasitas dan efektivitas adsorpsi logam Cd(II) oleh PAB ialah 23.7952 µg/g (Gambar 5b) dan 82.29%. Kulit singkong termodifikasi-asam fosfat dan nitrat lebih baik dalam mengadsorpsi ion logam dari limbah industri dibandingkan dengan adsorben komersial karbon aktif yang banyak dipakai pada sistem pengolahan limbah.

8.4985

5

18.6654

17.4594

15 10 5

0.4997

0.4999

0

0 DWB

NAB

PAB

DWB

karbon aktif

NAB

PAB

karbon Aktif

(a) (b) Gambar 5 Kapasitas adsorpsi bioremoval kulit singkong terhadap ion Pb(II) (a) dan Cd(II) (b) dalam limbah penyepuhan listrik, tanpa (■) dan dengan impregnasi NaOH (■). Kemampuan adsorpsi kulit singkong tanpa modifikasi-asam juga cukup tinggi. Kapasitas adsorpsi logam Pb(II) dan Cd(II) di dalam limbah industri penyepuhan listrik relatif lebih kecil daripada logam pada larutan tunggalnya. Hal ini disebabkan oleh keberadaan logam berat lain di dalam limbah, yaitu Fe, Cu, Cr, Zn, dan Ni dengan konsentrasi tiap logam kira-kira 100 ppm (Handoyo et al. 1999), yang mungkin ikut teradsorpsi.

Isoterm Adsorpsi Jenis isoterm adsorpsi dapat digunakan untuk mempelajari mekanisme adsorpsi. Adsorpsi fase padat-cair pada umumnya mengikuti isoterm Freundlich dan Langmuir. Data konsentrasi kesetimbangan, konsentrasi logam teradsorpsi, dan bobot bioremoval digunakan dalam pembuatan kurva regresi linear untuk kedua jenis isoterm tersebut. Penentuan jenis isoterm ini digunakan pada bioremoval terbaik untuk masing-masing ion logam. Adsorpsi logam Pb(II) oleh NAB memberikan nilai linearitas yang tinggi untuk kedua jenis isoterm, yaitu 92.45% untuk isoterm Langmuir (Gambar 6a) dan 80.31% untuk isoterm Freundlich (Gambar 6b). Adsorpsi logam Pb(II) oleh bioremoval NAB dianggap mengikuti tipe isoterm Langmuir karena linearitasnya yang lebih tinggi. 350

250

y = 20.91x + 20.662 R2 = 0.8031

y = 7417.2x - 792.4 R2 = 0.9245 log x/m

300

x/m

200 150 c

100

-1

50 0 0.0000 -50

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

-0.95

-0.9

-0.85

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5-0.8 -1 -1.5

log c

c (ppm )

(a) (b) Gambar 6 Grafik persamaan isoterm Langmuir (a) dan Freundlich (b) pada adsorpsi Pb(II). Linearitas kedua jenis isoterm pada adsorpsi logam Cd(II) oleh PAB juga menunjukkan nilai yang tinggi. Linearitasnya berdasarkan isoterm Langmuir dan Freundlich secara berurutan ialah 91.08 dan 80.22% (Gambar 8). Jadi, adsorpsi logam Cd(II) oleh PAB juga sesuai dengan isoterm Langmuir.

404

3.0000 y = 11.556x + 14.466 R2 = 0.8022

y = 4107.6x - 242.05 R2 = 0.9108

0.0200

0.0400

0.0600

c (ppm)

0.0800

0.1000

2.5000 2.0000 1.5000

log x/m

x/m

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 0.0000

1.0000 0.5000 -1.2500

-1.2000

-1.1500

-1.1000

0.0000 -1.0500-0.5000 -1.0000 -1.0000

log c

(a) (b) Gambar 7 Grafik persamaan isoterm Langmuir (a) dan Freundlich (b) pada adsorpsi Cd(II). Adsorpsi berlangsung secara kemisorpsi ekalapis (monolayer) karena mengikuti isoterm Langmuir. Jika isoterm yang dianut adalah isoterm Freundlich, maka adsorpsi terjadi secara fisisorpsi multilapis (Anggraningrum 1996). Meskipun adsorpsi terhadap logam Pb(II) dan Cd(II) oleh bioremoval kulit singkong menganut tipe isoterm Langmuir, nilai linearitas isoterm Freundlich-nya juga cukup tinggi, sehingga dapat disimpulkan bahwa adsorpsi berlangsung secara kemisorpsi lewat interaksi elektrostatik muatan negatif bioremoval dengan kation logam maupun secara fisisorpsi melalui pori-pori bioremoval.

SIMPULAN NAB baik digunakan untuk mengadsorpsi logam Pb(II) dalam larutan tunggal maupun limbah industri pelapisan listrik. Waktu adsorpsi optimum ialah selama 40 menit dengan kapasitas adsorpsi 106.3032 µg/g bioremoval dan efektivitas adsorpsi 95.83% pada larutan tunggal logam Pb(II). PAB baik digunakan untuk mengadsorpsi logam Cd(II) dalam larutan tunggal maupun limbah industri penyepuhan listrik. Waktu adsorpsi optimumnya ialah selama 10 menit dengan kapasitas adsorpsi 59.3239 µg/g bioremoval dan efektivitas 81.40% pada larutan tunggal logam Cd(II). Adsorpsi terhadap logam Pb(II) dan Cd(II) berlangsung secara kemisorpsi maupun fisisorpsi, dengan linearitas di atas 80% untuk tipe isoterm Langmuir maupun Freundlich.

DAFTAR PUSTAKA Abia AA, Horsfall MJr, Didi O. 2002. Study on the use of agriculture by-product for the removal of the trace metals from aqueous solution. J Appl Sci Environ Mgt 6:89-95. Anggraningrum IT. 1996. Model adsorpsi ion kompleks koordinasi nikel(II) pada permukaan alumina [tesis]. Jakarta: Magister Sains Ilmu Kimia, Universitas Indonesia. Atkins PW. 1999. Kimia Fisika. Jilid 2. Ed ke-4. Kartohadiprojo II, penerjemah. Jakarta: Erlangga. Baig TH, Garcia AE, Tiemann KJ, Gardea-Torresdey JL. 1999. Adsorption of heavy metal ions by the biomass of Solanum elaeagnifolium (silverleaf nigtshade). Proceedings of the Conference on Hazardous Waste Research. Blanco Ab, Sanz B, Liama MJ, Serra JL. 1999. Biosorption of heavy metals to immobilized Phormidium laminosum biomass. J Biotechnol 69:227-240. [BPS] Badan Pusat Statistik. 2004. Statistik Pertanian Indonesia. Jakarta: BPS. David AR. 2000. Characterization of Pecan Shell-Based Carbon. Technical Completion Report. New Mexico: New Mexico State University.

405

Johns MM. 1997. Agriculture by-product as granular activated carbon for adsorbing dissolved metals and organics. J Chem Technol Biotechnol 71:131-140. Handoyo LEB, Bachtiar, Yulistiono HBS. 1999. Perencanaan (model) sistem pengelolaan limbah elektroplating. J Intek 5:6-11. Horsfall MJr, Abia AA. 2003a. Sorption of cadmium(II) and zinc(II) ions from aqueous solutions by cassava waste biomass (Manihot esculenta Cranz). Water Res 37:4913-4923. Horsfall MJr, Abia AA, Spiff AI. 2003b. Removal of Cu(II) and Zn(II) ions from wastewater by cassava (Manihot esculenta Crantz) waste biomass. African J Technol 2:360-364. Marshall WE, Jhons MM. 1996. Agriculture by-product as metal adsorbent: Sorption properties and resistance to mechanical abrasion. J Chem Technol Biotechnol 66:192-198. Marshall WE, Wartelle LH, Boler DE. 1999. Enhanced metal adsorption by soybean hulls modified with citric acid. Biores Technol 69:263-268. Palar H. 2004. Pencemaran dan Toksikologi Logam Berat. Jakarta: Rineka Cipta. Sangseethong K, Sriroth K. 2000. Modification of cassava pulp and its metal adsorption property: A preliminary study. Bangkok: Department of Biotechnology, Kasetsart University. Setiadi, Sugiarso E. 1999. Pengaruh impregnan NaOH terhadap luasan permukaan karbon aktif dan kemampuan adsorpsi terhadap gas CO2. Fundamental Apl Kim A17:1-7. Suhendrayatna. 2001. Heavy metal bioremoval by microorganism: A literature study. Seminar on-air: Bioteknologi untuk Indonesia Abad 21. Tchobanoglous G, Franklin LB. 1991. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse. Singapura: McGraw-Hill. Vaughan T, Seo CW, Marshall WE. 2001. Removal of selected metal ions from aqueous solution using modified corncobs. Biores Technol 78:133-139. Wafyono W, Seo CW, Marshall WE. 1999. Utilization of peanut shells as adsorbent for selected metals. J Chem Technol Biotechnol 74:1117-1121. Wu S, Chen JP. 1998. Modification of commercial activated carbon for metal adsorption by several approaches. Singapura: Dept. of Chemical and Environmental Engineering, National University of Singapore.

406

POTENSI BEBERAPA PAKAN IKAN LAUT ALAMI DALAM PENGADAAN ASAM LEMAK ESENSIAL PADA IKAN BARONANG (Siganus canaliculatus) Anna Priangani Roswiem Departemen Biokimia, FMIPA, IPB

ABSTRAK Penelitian ini membandingkan antara campuran pakan buatan (pelet ikan X)-pakan ikan alami (Enhalus sp., Turbinaria sp., Gracilaria sp., dan Chlorella sp.) dengan nisbah 7:1 (b/b) dan pelet ikan X (tanpa dicampur pakan alami). Pakan tersebut diberikan pada ikan baronang (Siganus canaliculatus) 2 hari sekali sebanyak 7.5% bobot badan per hari per kelompok. Pengamatan asam lemak esensial pada ikan dilakukan selama 28 hari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pakan berpengaruh terhadap kandungan asam lemak esensial (asam linolenat) pada taraf nyata 5%. Rerata kadar asam linolenat pada ikan yang diberi pakan campuran pelet ikan X-Chlorella sp. dan pelet ikan X-Turbinaria sp. secara berurutan ialah 0.84 dan 0.81%. Nilai tersebut lebih potensial bila dibandingkan dengan pelet ikan X, yaitu 0.63 %. Selain itu, pakan juga berpengaruh terhadap pertumbuhan ikan dengan taraf nyata 5%. Pakan pelet ikan XChlorella sp., pelet ikan X-Gracilaria sp., dan pelet ikan X berturut-turut meningkatkan pertumbuhan ikan uji sebesar 42.65, 37.74, dan 33.57 %.

PENDAHULUAN Asam linoleat dan linolenat dikenal sebagai asam lemak esensial bagi hewan mamalia dan ikan. Oleh karena itu, asam-asam tersebut harus tersedia dalam pakan karena hewan mamalia dan ikan tidak mampu mensintesisnya. Asam lemak esensial memegang peranan penting dalam biosintesis asam polienoat lainnya, misalnya asam arakidonat dan dokosaheksaenoat. Asam arakidonat merupakan prekursor dalam sintesis prostaglandin, yaitu hormon yang berperan dalam menurunkan tekanan darah dan menaikkan kontraksi otot halus tertentu. Pada manusia, prostaglandin disintesis dari asam linoleat, sedangkan pada ikan dan udang laut disintesis dari asam linolenat (Castell 1982). Ikan adalah salah satu bahan makanan manusia. Menurut Burhanuddin et al. (1983), salah satu jenis ikan laut yang berpotensi baik untuk dibudidayakan adalah ikan baronang (Siganus canaliculatus). Berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya, pakan alami ikan baronang berupa rumput laut, fitoplankton, dan lain-lain. Namun, tidak semua pakan tersebut dapat dimanfaatkan secara langsung oleh manusia karena manusia tidak mempunyai enzim yang sesuai untuk mencernanya. Berdasarkan hal tersebut, kajian mengenai pakan alami perlu dilakukan untuk mengetahui pakan yang potensial dalam pengadaan asam lemak esensial dalam tubuh ikan baronang. Selain itu, pengaruh pakan terhadap pertumbuhan ikan juga perlu diamati.

407

BAHAN DAN METODE Bahan Hewan uji yang digunakan ialah ikan baronang (S. canaliculatus). Pakan yang diteliti ialah pelet ikan X dan campuran pelet ikan X-pakan alami (Enhalus sp., Turbinaria sp., Gracilaria sp., dan Chlorella sp.) dengan nisbah 7:1 (b/b). Pelet campuran kemudian dibuat lembap dengan penambahan 1.25% CMC dan akuades sebanyak 100% bobot pakan.

Metode Penelitian pendahuluan Aklimatisasi sekitar 150 ekor benih alami ikan baronang dilakukan di bak-bak plastik selama 2 minggu dengan diberi pakan buatan X kira-kira 10% bobot badan per hari. Hal tersebut dimaksudkan agar ikan baronang terbiasa memakan pelet buatan tersebut dan agar kandungan asam lemaknya seragam. Pencarian kondisi pemberian pakan (jumlah dan waktu) untuk setiap hari dilakukan selama 1 minggu. Penelitian utama Analisis kandungan asam lemak awal dilakukan pada 3 ekor hewan uji, yang diberi campuran pakan selama 8 minggu. Jumlah pakan dan waktu pemberian pakan disesuaikan dengan hasil penelitian pendahuluan. Bahan uji juga dianalisis proksimat dan diuji fitokimia. Analisis asam lemak dilakukan dengan kromatografi gas-cair (GLC). Rancangan percobaan Dalam penelitian ini digunakan rancangan acak lengkap (RAL) dengan 5 perlakuan. Setiap perlakuan dilakukan 3 ulangan untuk parameter pertumbuhan dan 2 ulangan untuk parameter asam lemak esensial. Jika dari hasil analisis sidik ragam ada perbedaan yang nyata antarperlakuan, maka dilanjutkan dengan uji beda nyata terkecil (BNT) (Steel & Torrie 1980; Sudjana 1985). Potensi pakan-pakan alami dalam pengadaan asam lemak esensial pada ikan baronang, dicerminkan oleh kadar asam lemak esensial perlakuan yang lebih tinggi. Hasil yang diperoleh tersebut dibandingkan dengan kadar asam lemak esensial dalam ikan yang diberi pakan pelet ikan X.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil penelitian pendahuluan memperlihatkan bahwa ikan baronang (S. canaliculatus) dapat memakan pakan buatan (pelet ikan X). Jumlah makanan yang habis dimakan oleh kelompok ikan tersebut sekitar 7–8%. Berdasarkan hasil tersebut maka jumlah makanan yang diberikan pada penelitian utama ialah 7.5% dari bobot tubuhnya.

Pengadaan Asam Lemak Komposisi asam lemak awal Kadar asam lemak awal dalam ikan baronang dan pelet ikan X disajikan pada Tabel 1. Setelah diberi pakan tersebut selama 2 minggu, ikan baronang mengandung jenis asam lemak yang sama dengan pelet ikan X. Namun, asam lemak dengan kadar tertinggi, asam linolenat, menunjukkan

408

perbedaan yang mencolok. Tingginya kadar asam lemak tersebut menunjukkan bahwa pelet ikan X cukup potensial sebagai pakan ikan baronang. Tabel 1 Komposisi asam lemak pada awal percobaan dalam hewan uji Jenis asam lemak

Rerata kadar asam lemak (%) Ikan baronang awal Pelet ikan X

14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat)

0.11 0.57 0.02 0.64 0.12

0.09 0.63 0.03 1.64 0.16

* asam lemak esensial.

Komposisi asam lemak akhir Tabel 2 memperlihatkan bahwa asam palmitat dan linolenat selalu terdapat dalam hewan uji dengan kadar yang tinggi dibandingkan dengan jenis asam lemak lain. Kedua asam lemak tersebut penting artinya bagi kelanjutan hidup ikan baronang karena asam linolenat merupakan asam lemak esensial, sedangkan asam palmitat digunakan sebagai sumber biosintesis asam lemak takjenuh, terutama asam palmitoleat (16:1) dan asam oleat (18:1).

Tabel 2 Komposisi asam lemak akhir percobaan dalam hewan uji. Perlakuan X + Enhalus sp. X + Turbinaria sp. X + Gracilaria sp.

X + Chlorella sp.

X

Jenis asam lemak 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 2 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 14: 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 3 * (asam linolenat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat)

Ulangan ke-1

Kadar (%) Ulangan ke-2

Rerata

0.40 0.02 0.72 0.50 0.02 0.74 0.06 0.38 0.70 0.04 0.48 0.84 0.06 0.04 0.37 0.02 0.62 0.08

0.44 0.01 0.68 0.48 0.02 0.88 0.07 0.48 0.64 0.04 0.56 0.84 0.06 0.04 0.38 0.02 0.64 0.01

0.42 0.02 0.70 0.49 0.02 0.81 0.07 0.43 0.67 0.04 0.52 0.84 0.06 0.04 0.38 0.02 0.63 0.06

* = asam lemak esensial, X = pelet ikan X.

Selain asam palmitat dan linolenat, beberapa hewan uji juga mengandung asam arakidonat walaupun kadarnya kecil, yaitu ikan dengan pakan pelet X dan campuran pelet X-Chlorella sp. (Tabel 2). Asam lemak ini juga berperan penting sebagai prazat prostaglandin. Sementara asam linolenat dapat diperpanjang dan didesaturasi menjadi asam lemak eikosapentaenoat dan dokosaheksaenoat yang masing-masing-masing dapat dikonversi menjadi prostaglandin (Simopoulos 1988).

409

Kandungan asam lemak pada campuran pelet X-pakan alami dapat dilihat pada Tabel 3. Bila Tabel 2 dan 3 dibandingkan, terlihat adanya beberapa asam lemak pakan yang tidak dijumpai pada ikan. Asam-asam lemak tersebut diduga digunakan sebagai sumber energi bagi hidup ikan. Tabel 3 Komposisi asam lemak dalam pakan perlakuan Jenis pakan uji X + Enhalus sp.

X + Turbinaria sp.

X + Gracilaria sp.

X + Chlorella sp.

X

Jenis asam lemak

Kadar (%)

14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat) 8 : 0 (asam kapirat) 12 : 0 (asam laurat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 2 * (asam linolenat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 1 (asam eikosamonoenat) 20 : 4 (asam arakidonat) 14 : 0 (asam miristat) 16 : 0 (asam palmitat) 18 : 1 (asam oleat) 18 : 3 * (asam linolenat) 20 : 4 (asam arakidonat)

0.09 0.58 0.03 1.47 0.16 0.09 0.58 0.03 1.47 0.16 0.09 0.59 0.03 1.48 0.16 0.33 0.09 0.18 0.93 0.03 0.03 1.53 0.05 0.31 0.09 0.63 0.03 1.64 0.16

* = asam lemak esensial, X = pelet ikan X.

Kandungan asam lemak esensial (ALE) Kadar asam linolenat pada ikan baronang setelah 8 minggu pengamatan dapat dilihat pada Tabel 4. Sementara Tabel 5 memperlihatkan adanya pengaruh pakan terhadap kandungan asam lemak esensial ikan. Berdasarkan hasil uji lanjut BNT pada taraf uji 5%, rerata kadar asam linolenat dalam ikan dengan pakan pelet ikan X berbeda nyata dengan pakan pelet ikan X yang dicampur dengan Chlorella sp. dan Turbinaria sp. (Tabel 4). Jadi, dapat disimpulkan bahwa pakan alami yang potensial dalam pengadaan asam lemak esensial pada ikan baronang ialah Chlorella sp. dan Turbinaria sp. Akan tetapi, Chlorella sp. lebih potensial daripada Turbinaria sp. karena kandungan asam linolenatnya lebih tinggi. Hal tersebut juga sejalan dengan tingginya kandungan lemak dalam pakan pelet X yang diberi Chlorella sp. (Tabel 6). Kandungan asam linolenat yang cukup besar itu akan berdampak positif bagi kelangsungan hidup ikan baronang maupun hewan lain (termasuk manusia) yang memakannya.

410

Tabel 4 Kandungan asam linolenat akhir dalam ikan baronang

*

Jenis pakan

Rerata kadar* (%)

X + Chlorella sp. X + Turbinaria sp. X + Enhalus sp. X + Gracilaria sp. X

0.84b 0.81b 0.70a 0.67a 0.63a

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut BNT.

Tabel 5 Hasil analisis sidik ragam akumulasi asam lemak esensial akhir dalam ikan baronang Sumber keragaman

db

JK

RJK

Fhitung

Rerata Pakan Galat Total Terkoreksi

1 4 5 10

5.3290 0.0660 0.0126 5.4076

5.3290 0.0165 0.0025

− 6.6*

* berbeda nyata (P < 0.05).

Tabel 6 Hasil analisis proksimat pakan uji Jenis pakan

Protein

Air

Abu

Lemak

Serat kasar

X + Enhalus sp. X + Turbinaria sp. X + Gracilaria sp. X + Chlorella sp. X

22.13 22.97 23.20 27.28 24.61

6.94 6.00 6.49 6.18 5.46

15.91 16.19 16.70 15.00 15.28

5.21 5.26 5.17 5.69 5.77

7.59 6.70 5.33 4.99 5.31

Pertumbuhan Data pertambahan bobot ikan dapat dilihat pada Tabel 7. Hasil analisis sidik ragam (Tabel 8) menunjukkan perbedaan yang nyata pada taraf 5%; demikian pula hasil uji BNT pada taraf nyata 5% pada Tabel 7. Tabel 7 Bobot tubuh dan pertambahan bobot tubuh rerata perlakuan sampai akhir penelitian. Jenis Pakan X + Enhalus sp. X + Turbinaria sp. X + Gracilaria sp. X + Chlorella sp. X *

Rerata bobot tubuh ikan Awal percobaan (g) Akhir Percobaan (g) 20.00 20.90 20.00 25.50 20.20 27.42 20.00 28.53 20.05 26.78

Rerata pertambahan bobot tubuh (g)* (%) 0.900a 4.5 5.500b 27.5 7.220c 37.74 8.533d 42.65 6.733e 33.57

= angka yang diikuti huruf yang sama dalam satu kolom tidak berbeda nyata berdasarkan uji lanjut BNT.

Tabel 8 Hasil analisis sidik ragam pertumbuhan ikan baronang pada akhir penelitian Sumber keragaman

db

JK

RJK

Fhitung

Rerata Pakan Galat Total Terkoreksi

1 4 9 14

525.21875 77.85874 0.07501 603.15250

525.21875 19.46469 0.00833

2336.70*

* berbeda nyata (P < 0.05).

411

Perbedaan pertambahan bobot tersebut disebabkan oleh adanya perbedaan kandungan protein dan energi dalam masing-masing pakan (Tabel 9). Tabel 9 Kandungan energi dan protein dalam pakan uji Jenis pakan

Energi pakan (kal/g)

Kandungan protein pakan (%)

X + Enhalus sp. X + Turbinaria sp. X + Gracilaria sp. X + Chlorella sp. X

2198 2248 2281 2455 2445

22.13 22.97 23.20 27.28 24.61

SIMPULAN Pakan yang diberikan pada ikan baronang berpengaruh terhadap kandungan asam linolenatnya dengan taraf nyata 5%. Pakan alami yang potensial dalam pengadaan asam lemak esensial ialah Chlorella sp. dan Turbinaria sp., dibandingkan dengan pelet X. Kadar asam linolenat tertinggi dimiliki oleh pakan campuran pelet X dan Chlorella sp., yaitu 0.84%. Pakan juga berpengaruh terhadap pertumbuhan ikan. Pakan yang dicampur Chlorella sp. dan Gracilaria sp. dapat meningkatkan bobot tubuh ikan lebih tinggi daripada pelet X, berturut-turut sebesar 42.65, 37.74, dan 33.57%.

SARAN Penelitian lanjutan yang perlu dilakukan ialah optimalisasi nisbah pelet ikan X dengan Chlorella sp. dan Gracilaria sp. yang paling baik dalam pertumbuhan ikan. Selain itu, pakan alami lainnya, misalnya Ulva sp. dan Hypnea sp. juga perlu dikaji kemampuannya dalam pengadaan asam lemak esensial ikan baronang (Siganus sp.) maupun manusia.

DAFTAR PUSTAKA Castell JD. 1982. Fatty acid metabolism in Crustacean. Di dalam: Pruder GD, Langdon CJ, Conklin DE, editor. Biochemical and Physiological Approaches to Shellfish Nutrition. Proceeding of the International Conference on Aquaculture Nutrition; Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana. hlm 124-125. Martosewojo S et al. 1983. Ikan Baronang: Biologi, Potensi, dan Pengelolaan. Proyek Studi Potensi Sumber Hayati Ikan. Jakarta: LON-LIPI. Simopoulos AP. 1988. ω-3 fatty acids in growth and development and in health and diseases. Nutr Today 23:10-19. Steel RR, Torrie JH. 1980. Principle and Procedures of Statistic: A Biometrical Approach. Ed ke-2. London: McGraw-Hill. Sudjana. 1985. Desain dan Analisis Eksperimen. Bandung: Tarsito.

412

EFEK ANDROGENIK DAN ANABOLIK MADU PADA ANAK AYAM JANTAN Anna Priangani Roswiem Departemen Biokimia, FMIPA, IPB (Naskah abstrak dan makalah belum diterima sampai dengan prosiding ini dibuat.)

413