SINTESIS DAN APLIKASI POLIMER KATIONIK ALAMI PADA SISTEM EMULSI SKIN LOTION
Oleh DEWI SONDARI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
ABSTRAK DEWI SONDARI. Sintesis dan Aplikasi Polimer Kationik Alami Pada Sistem Emulsi Skin Lotion. Di bawah bimbingan LIESBETINI HARTOTO, CHILWAN PANDJI, dan AGUS HARYONO. Perkembangan kosmetika yang digunakan untuk perawatan tubuh dewasa ini sangat pesat. Kosmetik merupakan campuran dari beberapa bahan yang telah diformulasikan sedemikian rupa dan berfungsi untuk merawat serta memperindah bagian-bagian tubuh sesuai dengan tujuan penggunaan kosmetika tersebut. Sekarang ini telah banyak ditemui berbagai macam produk perawatan kulit seperti krim dan skin lotion yang berfungsi untuk mencegah agar kulit tidak kering dan tetap segar. Berbagai jenis bahan penstabil emulsi telah banyak digunakan dalam formula skin lotion untuk menghasilkan produk yang mampu mempertahankan kestabilannya bila di simpan dalam waktu yang cukup lama. Penambahan polimer kationik merupakan salah satu jenis penstabil yang dapat digunakan dalam pembuatan skin lotion. Disamping memperpanjang kestabilan sistem emulsi, penambahan polimer kationik juga dapat berfungsi sebagai bahan pengental dan pengemulsi. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan skin lotion yang mempunyai kestabilan emulsi tinggi dengan adanya penambahan polimer kationik yang berasal dari chitosan dan selulosa. Pada penelitian pendahuluan didapatkan komposisi formulasi emulsi yang relatif stabil adalah dengan menggunakan polietilen glikol (400) monooleat sebagai surfaktan dan virgin coconut oil sebagai fasa minyak. Selanjutnya formulasi ini digunakan dalam pembuatan skin lotion dengan menggunakan polimer kationik dari chitosan dan selulosa. Penelitian dilakukan dalam tiga tahap, yaitu tahap pertama pembuatan sistem emulsi. Pada pembuatan sistem emulsi tersebut digunakan 3 jenis minyak (minyak silikon, minyak mineral dan virgin coconut oil) dan 3 jenis surfaktan (polietilen glikol 400 monooleat, polietilen glikol 400 dioleat dan sorbitan monooleat) sebagai emulsifier. Tahap selanjutnya adalah sintesis polimer alami (selulosa dan chitosan) dan tahap terakhir adalah aplikasi polimer kationik pada sistem emulsi skin lotion. Dari hasil analisa FTIR dan NMR dapat dilihat struktur molekul dari chitosan dan selulosa setelah dan sebelum di sintesis menjadi polimer kationik. Puncak pada frekuensi (angka gelombang) 1412 cm-1 menunjukkan pita metil dari 3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonium klorida (CHTAC), tampak pada spektrum untuk turunan chitosan amonium kuartener tetapi spektrum tersebut tidak nampak pada chitosan yang tidak di modifikasi. Pada frekuensi 1525 cm-1 tampak pita dari gugus amina primer dalam chitosan. Dengan analisa FTIR maka dapat dilihat terjadinya konjugasi dari CHTAC ke dalam gugus amina dari chitosan. Dari spektrum FTIR selulosa amonium kuartener, pada frekuensi 1471 cm-1 menunjukkan adanya pita metil. Untuk melihat bahwa terjadi reaksi antara chitosan dengan CHTAC, maka dilakukan analisi 1H NMR dari turunan chitosan amonium kuartener 1:3, 1:4 dan 1:6. Dari spektrum NMR, puncak pada δ = 1,9 ppm tampak gugus -COCH3 dari chitin, puncak pada δ = 3,1 ppm dan 3,3 ppm menunjukkan gugus -+N(CH3)3 dan –N-CH2 secara berturut-turut yang berasal dari CHTAC. Spektrum NMR untuk
selulosa, puncak pada δ = 3,2 ppm menunjukkan gugus -+N(CH3)3 yang berasal dari CHTAC. Sintesa chitosan amonium kuartener dilakukan pada suhu 60 oC selama 18 jam, sedangkan sintesa selulosa amonium kuartener pada suhu 50 oC selama 2 jam lalu dilanjutkan pada suhu 76 oC selama 15 menit. Penggunaan chitosan amonium kuartener dengan konsentrasi 0,05% dihasilkan produk skin lotion yang relatif stabil dengan ukuran partikel sebesar 4,1 µm dan stabilitas emulsi 89%. Sedangkan untuk selulosa amonium kuartener diperoleh produk skin lotion yang stabil dengan ukuran partikel 8,5 µm dan stabilitas emulsi 86% pada konsentrasi 0,1%.
ABSTRACT DEWI SONDARI. Synthesis and Application of Natural Cationic Polymers on Skin Lotion Emulsion System. Under direction of LIESBETINI HARTOTO, CHILWAN PANDJI, dan AGUS HARYONO. Cosmetics used for body treatment are currently developing very rapidly. Cosmetics are a mixture of various materials formulated in such a manner which function to care parts of the body, in line with usage of the cosmetics itself. Nowadays there are many products available such as creaming and functioning lotion to prevent the skin drying and keep its freshness. Various types of stabilizers have been used in many skin lotion formulas to yield product which can maintain its stability for a long period of time during storage. Addition of cationic polymers represents one of the types of stabilizers able to be used in making of skin lotion. Besides increasing the stability of emulsion system, addition of cationic polymers can also function as emulsifiers and thickeners. This research aims to yield skin lotion that has high stability through the addition of cationic polymers from cellulose and chitosan. Preliminary research resulted in emulsion formulation of composition which are relatively stabil using polyethylene glycols ( 400) monooleat as surfactans and virgin oil coconut as oil phase. This formulation was then used in the preparation of skin lotion with cationic polymer from chitosan and cellulose. This research was divided into three stage. First stage was, producing emulsion system that used 3 different kind of oil ( silicon oil, natural oil, and virgin coconut oil) and 3 different kind of surfactant (polyethylene glycol (400) monooleat, polyethylene glycol (400) dioleat, sorbitan monooleat) as an emulsifier. The next step was natural polymer synthesis (cellulose, chitosan), and the last step was catonic polymer application on emulsion system of skin lotion. Analysis of FTIR and NMR showed molecule structure of cellulose and chitosan before and after synthesis to become cationic polymers. The peak corresponding to the methyl band of 3-kloro-2-hydroksiprophyl trimethyl ammonium chloride (CHTAC) at wave number 1412 cm-1 was presented in the spectra for derivatives of quartenary ammonium chitosan but not in the spectrum for unmodified chitosan. The band at 1525 cm-1 indicated the primary amine group of chitosan. In this way, the FTIR analysis confirmed the successful conjunction of CHTAC to the amine group of chitosan. The peak corresponding to the methyl band at frequancy 1471 cm-1 was present in the spectra for derivatives quartenary ammonium cellulose. To further confirm the success of the reaction between chitosan with 3Cloro-2- Hydroxipropyl Trimethyl Ammonium Cloride (CHTAC), analysis 1H NMR of generation of quartenary ammonium chitosan 1:6, 1:4 and 1:3 was conjunction. From the obtained NMR spectra, peaks at δ = 1,9 ppm corresponded the excistence of - COCH3 of chitin, peaks at δ = 3,1 and 3,3 ppm represented the -+ N(CH3)3 and N-CH2 groups in CHTAC respectively. NMR spectrum for cellulose, peaks at δ = 3,2 ppm showing - +N(CH3)3 from CHTAC. Synthesis of quartenary ammonium chitosan was conducted at temperature o of 60 C for 18 hour, while synthesis of quartenary ammonium cellulose was
performed at 50oC temperature for 2 hour continued at temperature 76oC for 15 minute. Application of quartenary ammonium chitosan at concentration 0.05% yielded product relatively stabilized with particle size of 4.1 µm and emulsion stability 89%. While the quartenary ammonium cellulose resulted product of stable skin lotion with particle size of 8.5 µm and emulsion stability 86% at concentration 0.1%.
SINTESIS DAN APLIKASI POLIMER KATIONIK ALAMI PADA SISTEM EMULSI SKIN LOTION
Dewi Sondari
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar magister sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
Judul Tesis
: Sintesis dan Aplikasi Polimer Kationik Alami Pada Sistem Emulsi Skin Lotion : Dewi Sondari : F 351040091
Nama Nomor Induk Mahasiswa
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Liesbetini Hartoto, M.S Ketua
Drs. Chilwan Pandji, Apt. M.Sc Anggota
Dr. Eng. Agus Haryono Anggota
Diketahui Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Tanggal Ujian : 30 Juli 2007
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S
Tanggal Lulus :
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul :
SINTESIS DAN APLIKASI POLIMER KATIONIK ALAMI PADA SISTEM EMULSI SKIN LOTION Adalah benar hasil karya saya sendiri dan belum pernah dipublikasikan. Tesis ini belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar pada program sejenis di perguruan tinggi lain. Semua sumber data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, Juli 2007
Dewi Sondari F351040091
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rakhmat dan karunia-Nya maka tesis yang berjudul ”Sintesis dan Aplikasi Polimer Kationik Alami Pada Sistem Emulsi Skin Lotion ” dapat diselesaikan. Selama mengerjakan penelitian dan menyusun tesis ini penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Dr. Ir. Liesbetini Hartoto, M.S., selaku Ketua Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran, dan kritik yang diberikan demi kesempurnaan tesis. 2. Drs. Chilwan Pandji, Apt. M.Sc., selaku anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran, dan kritik yang diberikan demi kesempurnaan tesis ini. 3. Dr. Eng. Agus Haryono, selaku anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran, dan kritik yang diberikan demi kesempurnaan tesis ini. 4. Dr. Ani Suryani, DEA., selaku penguji yang telah memberikan saran dan kritik demi kesempurnaan tesis ini. 5. Dr. Ir. Irawadi Jamaran, selaku Ketua Program Studi Pascasarjana Teknologi Industri Pertanian atas bimbingan, saran, dan kritik yang diberikan. 6. Suami dan anak-anakku tercinta atas semua bantuan baik materil maupun spiritual serta kasih sayangnya. 7. Teman-teman di Balai Teknologi Proses dan Katalisis, Pusat Penelitian Kimia-LIPI Serpong atas bantuan yang diberikan. 8. Teman-teman satu angkatan TIP 2004 yang telah memberikan dorongan dan bantuannya. Semoga tesis ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan yang membutuhkannya.
Bogor, Juli 2007 Dewi Sondari
RIWAYAT HIDUP Penulis di lahirkan di Bandung pada tanggal 23 Oktober 1968. Putri kedua dari lima bersaudara dari pasangan Aang Natamihardja dan Hj. Djadjah Raesih. Penulis menyelesaikan pendidikan tingkat dasar di SD Negeri Buahbatu III Bandung pada tahun 1981, Sekolah Menengah Pertama di SMP Negeri 18 Bandung lulus pada tahun 1984 , dan Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 12 Bandung lulus pada tahun 1987. Pada tahun 1991 penulis lulus dari POLITEKNIK Institut Teknologi Bandung Jurusan Teknik Kimia, pendidikan sarjana ditempuh di Universitas Jenderal Achmad Yani pada tahun 1994. Penulis bekerja di Pusat Penelitian Kimia-LIPI Serpong sejak tahun 1997 dan melanjutkan pendidikan Program Pascasarjana (S2) pada tahun 2004 di Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL…..…………………………………………
Halaman xi
DAFTAR GAMBAR..................................................................
xii
DAFTAR LAMPIRAN.......... ....................................................
xiv
PENDAHULUAN......................................................................
1
Latar Belakang................................................................
1
Tujuan Penelitian............................................................
3
Hipotesis.........................................................................
3
Ruang lingkup Penelitian...............................................
4
TINJAUAN PUSTAKA............................................................
5
Emulsifier......................................................................
5
Destabilisasi Emulsi......................................................
9
Polimer Kationik...........................................................
12
Kulit...............................................................................
19
Skin Lotion....................................................................
22
METODOLOGI PENELITIAN................................................
29
Bahan dan Alat Penelitian.............................................
29
Tempat dan Waktu Penelitian.......................................
29
Metode Penelitian..........................................................
29
Rancangan Percobaan....................................................
36
HASIL DAN PEMBAHASAN.................................................
39
Sistem Emulsi Yang Dihasilkan................................................
39
Ukuran Partikel Sistem Emulsi......................................
39
Stabilitas Relatif Sistem Emulsi.....................................
47
Viskositas Sistem Emulsi...............................................
48
Tegangan Permukaan dan Tegangan Antar Muka Sistem Emulsi................................................................
50
Hasil Sintesis Polimer Alami.....................................................
54
Derajat Deasetilasi dan Berat Molekul Chitosan...........
54
Analisis Spektrum FTIR Chitosan Kationik..................
56
Analisis Spektrum NMR Chitosan Kationik..................
60 ix
Analisis Kelarutan Chitosan Kationik.............................
62
Analisis Spektrum FTIR Selulosa Kationik....................
63
Analisis Spektrum NMR Selulosa Kationik....................
67
Hasil Aplikasi Polimer Kationik Pada Formula Skin Lotion...................................................................................
67
Ukuran Partikel Formula Skin Lotion.............................
68
pH Formula Skin Lotion..................................................
71
Stabilitas Emulsi Formula Skin Lotion...........................
72
Analisis Total Mikroba Formula Skin Lotion.................
76
Interaksi Antara Surfaktan Dengan Polimer Kationik...............
77
KESIMPULAN DAN SARAN..................................................
79
Kesimpulan.....................................................................
79
Saran...............................................................................
80
DAFTAR PUSTAKA.................................................................
81
LAMPIRAN................................................................................
84
x
DAFTAR TABEL Halaman
1. Sifat minyak silikon..
.................................................................
23
2. Sifat minyak mineral......................................................................
25
3. Sifat virgin coconut oil..................................................................
25
4. Hasil analisis pH formula skin lotion dan produk komersil..........
72
5. Perbandingan stabilitas emulsi serta komposisi produk kosmetik dan formula skin lotion yang ditambah polimer kationik..............
76
6. Total mikroba formula skin lotion……..…………….………….
77
xi
DAFTAR GAMBAR Halaman
1. Struktur molekul sorbitan monooleat........... ..........................
7
2. Struktur molekul polietilen glikol (400) monooleat.. ..............
7
3. Struktur molekul polietilen glikol (400) dioleat........ ..............
7
4. Misel emulsi.. ..........................................................................
8
5. Proses destabilisasi emulsi.......................................................
10
6. Interaksi surfaktan dengan polimer kationik............................
13
7. Turunan selulosa kationik........................................................
14
8. Turunan chitosan kationik........................................................
15
9. Struktur molekul selulosa.........................................................
15
10. Struktur selulosa dan turunannya.............................................
17
11. Struktur molekul chitosan..... ..................................................
17
12. Struktur jaringan kulit manusia................................................
20
13. Struktur epidermis....................................................................
21
14. Struktur molekul minyak silikon..............................................
24
15. Diagram alir tahapan penelitian................................................
30
16. Diagram alir sintesis polimer chitosan kationik.......................
32
17. Diagram alir sintesis polimer selulosa kationik........................
32
18. Fotomikroskop sistem emulsi formula A.................................
40
19. Fotomikroskop sistem emulsi formula B.................................
41
20. Fotomikroskop sistem emulsi formula C.................................
42
21. Fotomikroskop sistem emulsi formula A................................. setelah disimpan 3 bulan
43
22. Fotomikroskop sistem emulsi formula B................................. setelah disimpan 3 bulan
44
23. Fotomikroskop sistem emulsi formula C.................................. setelah disimpan 3 bulan
45
24. Fotomikroskop sistem emulsi produk komersil........................
46
25. Histogram stabilitas relatif emulsi.............................................
48
26. Histogram viskositas sistem emulsi...........................................
49 xii
27. Histogram viskositas produk komersil......................................
50
28. Histogram tegangan permukaan sistem emulsi.........................
52
29. Histogram tegangan permukaan produk komersial... ...............
52
30. Histogram tegangan antar muka sisitem emulsi........ ...............
53
31. Histogram tegangan antar muka produk komersial...................
54
32. Spektrum FTIR film chitosan...................................................
55
33. Skema reaksi chitosan dengan CHTAC....................................
56
34. Spektrum FTIR chitosan amonium kuartener 1:3 …………….
57
35. Spektrum FTIR chitosan amonium kuartener 1:4…. …….......
58
36. Spektrum FTIR chitosan amonium kuartener 1:6……….........
58
37. Spektrum FTIR chitosan…….…………………………….…..
59
38. Spektrum FTIR chitosan dan chitosan kationik……………….
59
1
60
1
40. Spektrum H NMR chitosan amonium kuartener 1:4…….…..
61
41. Spektrum 1H NMR chitosan amonium kuartener 1:6…….…...
61
42. Transmitan UV-Visible chitosan ammonium kuartener………
62
43. Spektrum FTIR selulosa........ ...................................................
63
44. Spektrum FTIR selulosa amonium kuartener 1:3......................
64
45. Spektrum FTIR selulosa amonium kuartener 1:4......................
64
46. Spektrum FTIR selulosa amonium kuartener 1:6......................
65
47. Spektrum FTIR selulosa dan selulosa kationik.........................
65
48. Skema reaksi selulosa dengan CHTAC.....................................
66
49. Spektrum 1H NMR selulosa amonium kuartener.......................
67
50. Fotomikroskop sistem emulsi polimer chitosan kationik...........
69
51. Fotomikroskop sistem emulsi polimer selulosa kationik...........
70
52. Histogram stabilitas emulsi formula skin lotion yang ditambah polimer chitosan kationik..................................
73
53. Histogram stabilitas emulsi formula skin lotion yang ditambah polimer selulosa kationik................................
75
54. Histogram stabilitas emulsi produk komersil............................
75
55. Interaksi antara surfaktan polietilen glikol (400) monooleat.... dengan chitosan amonium kuartener
78
39. Spektrum H NMR chitosan amonium kuartener 1:3………....
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1. Hasil analisis tegangan permukaan dan tegangan antar Muka sistem emulsi...............................................................
85
2. Hasil analisis stabilitas relatif sistem emulsi ........................
86
3. Hasil analisis viskositas sistem emulsi..................................
87
4. Hasil analisis pH formula skin lotion dan produk komersil..
88
5. Hasil analisis stabilitas emulsi skin lotion dan produk komersil................................................................................
89
6. Hasil analisis kelarutan chitosan kationik.............................
90
7. Hasil analisis untuk perhitungan berat molekul chitosan.....
91
8. Prosedur analisis pH dan viskositas......................................
92
9. Prosedur perhitungan berat molekul chitosan.......................
93
10. Prosedur perhitungan derajat deasetilasi chitosan dan kelarutan chitosan kationik...................................................
94
11. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap stabilitas relatif sistem emulsi..............................................
95
12. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap viskositas sistem emulsi.......................................................
96
13. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap viskositas sistem emulsi setelah disimpan 3 bulan..............
97
14. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan permukaan sistem emulsi.....................................
98
15. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan permukaan sistem emulsi setelah disimpan 3 bulan.................................................................
99
16. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan antar muka sistem emulsi....................................
100
17. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan antar muka sistem emulsi setelah disimpan 3 bulan....................................................
101
18. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan formula xiv
skin lotion dengan penambahan chitosan kationik terhadap stabilitas emulsi...................................................................
102
19. Hasil analisis keragaman dan uji lanjut Duncan formula skin lotion dengan penambahan selulosa kationik terhadap stabilitas emulsi...................................................................
104
20. Gambar sampel chitosan, selulosa, chitosan amonium kuartener, formula sistem emulsi dan selulosa amonium kuartener...............................................
106
21. Gambar alat proses sintesis polimer kationik, fotomikroskop, vakum oven, surface tensuomart model 21 dan alat viskosimeter Ostwald............................................
111
xv
