STUDI KEASAMAN DAN KAPASITAS PENYANGGA PADA KAYU MANGIUM Ganis Lukmandaru, L. Surya Gustomo, IGN Danu Sayudha, dan Vendy E. Prasetyo Jurusan Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Universitas Gadjah Mada Abstrak Acacia mangium merupakan salah satu jenis spesies cepat tumbuh yang diharapkan bisa memenuhi kebutuhan tidak hanya di industri pulp melainkan juga industri lainnya. Dengan memanen kayu pada umur lebih dewasa, diharapkan kayu mangium cocok untuk produk-produk solid seperti halnya produk-produk yang direkat. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi kayu mangium berumur 25 tahun dari 5 provenans berbeda untuk pengujian keasaman (pH) dan kapasitas penyangganya. Pengujian dilakukan di 3 bagian pada arah radial (gubal, teras luar dan teras dalam) di bagian pangkal dari total 25 pohon. Kisaran nilai pH pada kayu gubal mangium antara 5,8 – 6,4 sedangkan pada teras antara 6,3 – 6,8. Pengaruh arah radial sangat berbeda nyata, sedangkan faktor provenans tidak berbeda nyata terhadap nilai pH. Nilai kapasitas penyangga asam (KPA) berkisar antara 0,0030-0,0072 ml/ml dan kapasitas penyangga basa (KPB) antara 0,0018-0,0031 ml/ml. Kapasitas penyangga relatif (KPR) dalam kisaran 0,9 - 3,2 pada daerah gubal dan 1,7 – 3,8 pada teras. Nilai-nilai pada parameter kapasitas penyangga hanya dipengaruhi oleh faktor radial dimana nilai tertinggi KPA dan KPR diamati di bagian teras luar. Dalam kisaran pH 5,9 -6,7, bagian gubal dan teras memberikan respon yang berbeda pada nilai KPA. Kata kunci : Acacia mangium, nilai pH, kapasitas penyangga, provenans, arah radial PENDAHULUAN Dalam penggunaan kayu sesuai produk akhirnya, penekanan khusus diberikan pada sifat kayu dengan memperhatikan aspek biologis dan teknisnya. Keasaman merupakan sifat kayu yang mudah untuk diukur, serta berkaitan dengan dengan perubahan warna kayu, kemudahan direkat pada papan serat atau partikel, pengikatan zat-zat pelindung kayu, perlakuan permukaan serta karat logam bila kontak dengan kayu (Sandermann dan Rothkamm 1959; Fengel dan Wegener 1989). Selain itu, pH merupakan penanda terpenting serangan jamur pelapuk coklat dan bermanfaat untuk deteksi awal serangan jamur tersebut (Humar et al. 2001). Pada produk-produk yang direkat, nilai pH dan kapasitas penyangga asam berkorelasi kuat pada lamanya pengerasan perekat urea formaldehida (UF) yang dicampur dengan tepung kayu (Johns dan Niazi). Xing et al. (2004) melaporkan bahwa lama pengerasan perekat UF dipengaruhi oleh kapasitas penyangga asam mutlak dan rasio kapasitas penyangga asam terhadap basa. Nilai pH beserta kadar ekstraktif terlarut air panas, kapasitas penyangga basa, dan rasio kapasitas penyangga asam terhadap basa merupakan empat parameter yang berpengaruh pada kompatibilitas kayu-semen (Hachmi dan Moslemi 1990). Subjek dari penelitian ini adalah kayu mangium yang juga merupakan spesies andalan Hutan Tanaman Industri untuk pulp karena sifat pohonnya yang cepat tumbuh. Meskipun demikian, beberapa penelitian telah mengarahkan mangium sebagai produk panel kayu (Korai et al. 2000; Subyakto et al. 2003; Subyakto et al. 2005; Alamsyah et al. 2007). Selain sifat kimia yang telah disebutkan di atas, pemilihan bahan baku juga tidak kalah penting seiring banyaknya variasi sifat kayu berdasarkan geografisnya. Pada program pemuliaan pohon yang bertujuan menghasilkan bahan baku dengan 388
kualitas lebih baik untuk industri pengolahan kayu tujuan khusus, maka penting untuk mengikutsertakan sifat-sifat kayu sebagai kriteria seleksi yang potensial. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh provenans mangium terhadap nilai pH dan kapasitas penyangga pada bagian radial pohon yang berbeda. BAHAN DAN METODE Penyiapan Bahan Tempat uji provenans mangium terletak di Hutan Pendidikan Wanagama, Jogja. Ditanam sejak 1983, dan mencakup 5 provenans dari 3 negara yaitu Sidei Papua (Indonesia), West of Morehead (Papua New Guinea), serta Daintree, Ellerbeck Red Cardwell, dan El Arish (Queensland, Australia). Penanaman dilakukan dalam desain plot 5 pohon dengan jarak tanam 4 x 4 m pada desain rancangan blok lengkap.
Kayu gubal
•
Gubal Teras luar
Kayu teras
Teras dalam Gambar 1. Posisi pengambilan sampel pada irisan melintang dari batang mangium untuk pengukuran warna dan kadar ekstraktif. Penebangan dilakukan pada tahun 2008, setiap provenans diwakili 5 pohon sehingga terdapat total 25 pohon dalam kisaran diameter 13-38 cm, dengan tinggi pohon 10-25 m. Sampel berupa piringan (disk) setebal 5 cm digergaji pada bagian pangkal pohon kemudian dibagi lagi menjadi 3 sampel dalam arah radial yaitu kulit, gubal, teras luar dan teras dalam (Gambar 1). Pada setiap bagian tersebut, diambil dari dua sisi yang berlawanan dan disatukan menjadi satu sampel untuk menghindari variasi antar radial. Penentuan Nilai pH Serbuk kayu sebanyak 1 g setara berat kering tanur direndam dengan aquades (20 ml) selama 24 jam. Selanjutnya dilakukan penyaringan sehingga didapatkan filtrat yang kemudian diukur nilai pH-nya dengan alat pHTestr 10. Pengukuran dilakukan dengan 2 kali ulangan. Penentuan Nilai Kapasitas Penyangga Pengukuran kapasitas penyangga dilakukan menurut Adamopoulos et al. (2008) dengan sedikit modifikasi. Filtrat dari pengukuran nilai pH (kira-kira 20 ml) diukur volume senyatanya dan dilakukan titrasi. Kapasitas penyangga asam (KPA) didefinisikan sebagai jumlah (ml) NaOH yang dibutuhkan untuk meningkatkan pH awal dari 1 ml larutan sampel sampai mencapai pH 10. Titrasi dilakukan dengan NaOH 0,05 N sehingga nilai KPA merupakan jumlah ml titrasi dikalikan dengan normalitas larutan. Perhitungan yang sama juga diterapkan pada penentuan kapasitas penyangga basa (KPB) dengan menggunakan larutan asam sulfat untuk menurunkan pH awal ke pH 3. Kapasitas penyangga total (KPT) merupakan penjumlahan KPA dan KPB, sedangkan kapasitas penyangga asam mutlak (KPAM) merupakan selisih dari KPA dan KPB. Kapasitas penyangga relatif (KPR) adalah perbandingan antara KPA dan KPB.
389
Analisis Statistik Pengaruh faktor asal provenans dan arah radial pada nilai pH maupun kapasitas penyangga dihitung dengan analisis variansi (ANOVA) dwi-arah univariat. Pengaruh dianggap nyata pada tingkat 95 %. Uji lanjut untuk menunjukkan kelompok yang berbeda menggunakan uji perbandingan berganda Duncan. Korelasi Pearson digunakan untuk menilai keeratan hubungan antara parameter yang diteliti. Seluruh perhitungan statistik menggunakan program SPSS versi 10.0. HASIL DAN PEMBAHASAN Nilai pH Penentuan nilai pH dilakukan dengan merendam dalam aquades pada 1: 20 (berat/volume). Kisaran nilai berada dalam asam lemah meski ada beberapa sampel yang di atas nilai 7. Rerata nilai pH adalah 6,3-6,8 untuk kayu teras dan 5,8 - 6,4 untuk kayu gubal. Tidak diamati adanya interaksi dalam ANOVA dua faktor, selain itu faktor provenans tidak berpengaruh nyata (Tabel 1). Faktor radial berpengaruh sangat nyata, uji lanjut dengan Duncan disajikan di Gambar 2. Perbedaan hanya diukur antara kayu teras (6,5 - 6,7) dan gubal (6,20), sedangkan antara kayu teras dalam dan luar tidak berbeda nyata. Tabel 1. Analisis variansi nilai pH dengan faktor provenans dan arah radial kayu Acacia mangium . Sumber variasi Derajat bebas Signifikansi Provenans 4 0.56 ns Arah radial 2 0.001>** Prov x Rad 8 0.49 Eror 60 ---Total 75 Keterangan : ** = nyata dalam taraf uji 1 % * = nyata dalam taraf uji 1 % ns = non significant
7.4
a
a
Nilai pH
7.0
b
6.6 6.2 5.8 5.4 Teras dalam
Teras luar
Gubal
Gambar 2. Nilai pH kayu mangium (rerata 5 pohon) pada posisi radial dengan error bar sebagai standar deviasi. Huruf yang sama menandakan tidak ada beda nyata pada taraf uji 5 %. Keasaman kayu disebabkan dari ion-ion yang dilepaskan terutama dari asamasam organik dalam bentuk bebas maupun terikat dari ekstraktif atau polisakarida nonselulosa, serta fenol-fenol sederhana maupun kompleks. Nilai pH yang rendah di 390
gubal sebenarnya tidak diharapkan karena diasumsikan kadar fenol maupun ekstraktif lainnya akan lebih tinggi di daerah teras. Sehingga diduga ion-ion hidronium dihasilkan dari polisakarida non-selulosa pada sel-sel yang masih hidup di gubal. Bila dikaitkan dengan perekatan, Maloney (1993) menyatakan bahwa nilai pH rendah akan mempercepat pengerasan perekat UF selama pengempaan panas papan partikel. Sebelumnya diteliti bahwa nilai pH juga berkorelasi bagus dengan waktu pengerasan dari perekat UF (Slay et al. 1980). Meski menguntungkan karena bernilai relatif rendah, tetapi harus dicatat bahwa proporsi kayu gubal pada mangium berumur 25 adalah kecil. Tidak ada kisaran lebar antar bagian di zona teras tentunya akan menghasilkan respons yang seragam bila bagian tersebut direkat. Lain halnya pada kompatibilitas kayu-semen, dimana pH rendah cenderung menghambat kristalisasi dibanding pH tinggi (Hachmi dan Moslemi 1990). Nilai pH teras mangium yang mendekati netral cukup menguntungkan apabila dipakai untuk papan semen jika merujuk studi yang dilakukan oleh Gnanaharan dan Dhamodaran (1985). Kapasitas Penyangga KPA merupakan jumlah basa kuat yang harus ditambahkan untuk mengubah nilai pH satu unit pengukuran dalam 1 lt larutan sedangkan KPB adalah jumlah asam kuat yang harus ditambahkan mengubah nilai pH satu unit pengukuran dalam 1 lt larutan. Dari hasil pengukuran didapatkan hasil nilai KPA di teras dan gubal antara 0,0030-0,0072 ml/ml dimana nilai-nilai tersebut lebih besar dibandingkan nilai KPB yaitu 0,0018-0,0031 ml/ml. Meskipun demikian, beberapa sampel menunjukkan nilai KPB melebihi KPA seperti di kayu gubal provenans West of Morehead ataupun teras dalam provenans Daintree sehingga nilai KPAM menjadi negatif. Nilai-nilai yang bersesuaian tersebut lebih rendah dari kapasitas penyangga kayu Robinia pseudoacacia (Adamopoulous 2008). Dari nilai-nilai KPA dan KPB, diperoleh nilai KPT dan KPAM pada gubal yaitu antara 0,0046-0,0057 ml/ml dan 0,0007–0,0015 ml/ml, sedangkan pada teras adalah 0,0074-0,0093 ml/ml dan 0,0023–0,0054 ml/ml, secara berturutan. Dari perbandingan KPA dan KPB yaitu KPR, diperoleh nilai 0,9 - 3,2 pada daerah gubal dan 1,7–3,8 pada teras. Hasil ANOVA dwi arah yang sudah diringkas pada Tabel 2 menunjukkan bahwa tidak ada interaksi yang berpengaruh nyata. Pengaruh nyata hanya ditunjukkan oleh faktor posisi radial saja pada semua parameter. Hasil uji Duncan disajikan pada Gambar 3a-e, pada KPA (Gambar 3a) nilai rerata tertinggi diukur pada teras terluar (0,0083 ml/ml) dan nilai terendah pada gubal (0,0010 ml/ml). Kecenderungan berbeda ditunjukkan parameter KPB dimana teras luar dan dalam berbeda nyata tetapi teras tidak berbeda nyata dengan gubal (Gambar 3b). Nilai rerata tertinggi KPB diamati pada teras dalam (0,0025 ml/ml). Pada rerata nilai KPT, perbedaan nyata didapatkan antara teras dan gubal saja (Gambar 3c), sedangkan pada KPAM dan KPR (Gambar 3d dan 3e) kecenderungannya mengikuti KPA dimana nilai tertinggi diukur pada teras terluar. Tabel 2. Analisis variansi kapasitas penyangga dengan faktor provenans dan arah radial kayu Acacia mangium . Sumber variasi Derajat KPA KPB KPT KPAM KPR bebas Provenans 4 0.50 ns 0.13 ns 0.09 ns 0.43 ns 0.70 ns Arah radial 2 0.01 * 0.01> ** 0.01> ** 0.01> ** 0.01> ** Prov x Rad 8 0.43 ns 0.65 ns 0.66 ns 0.37 ns 0.31 ns Eror 53 -------------------Total 68 Keterangan : KPA = kapasitas penyangga asam KPB = kapasitas penyangga basa KPT = kapasitas penyangga total KPAM = kapasitas penyangga asam mutlak KPR = kapasitas penyangga relatif ** = nyata dalam taraf uji 1 % * = nyata dalam taraf uji 1 % ns = non significant 391
Kapasitas penyangga asam (ml/ml)
Keasaman kayu dan kapasitas penyangga suatu kayu berpengaruh terhadap kualitas polimerisasi dan pengerasan perekat selama pembuatan panel tiruan. Korelasi positif antara lama pengerasan perekat UF dengan KPA pada beberapa spesies telah diamati oleh Johns dan Niazi (1980), dalam artian semakin tinggi KPA maka akan mempersulit proses perekatan. Dalam prakteknya, derajat keasaman tertentu perlu dicapai agar terjadi pengerasan perekat. Nilai KPA relatif tinggi pada teras luar mangium bukan merupakan suatu keuntungan karena akan dibutuhkan katalis asam untuk mengurangi nilainya ke tingkat optimum. Sebaliknya, Xing et al. (2004) mengamati bahwa lama pengerasan UF akan diperpendek dengan kenaikan KPAM dan KPR. Dalam penelitian ini, nilai tertinggi KPAM maupun KPR juga diamati di teras terluar. KPAM merupakan kapasitas penyangga mutlak dari asam setelah menghilangkan efek KPB dalam suatu larutan. Nilai rerata KPR pada teras luar yang mencapai 2,9 sampai 3,8 juga cukup menguntungkan untuk pembuatan papan semen/mineral. Secara teoritis KPR menandakan efisiensi KPA dengan KPB dalam suatu larutan. Dalam studinya, Hachmi dan Moslemi (1990) mendapatkan fakta spesies dengan kadar ekstraktif di atas 7 % dan KPA kurang dari 2,5 dianggap tidak cocok untuk papan semen. Penentuan kadar ekstraktif telah dibahas pada makalah lainnya yang masih dalam satu lingkup penelitian mangium. Dengan adanya kondisi yang menguntungkan atau sebaliknya dari nilai kapasitas penyangganya, maka perlu penelitian lanjut sampai ke sifat perekatan kayu mangiumnya sehingga bisa dipastikan parameter mana yang paling berpengaruh. 0.008
a
b
0.007 0.006 0.005
c
0.004 0.003 0.002 Teras dalam
Teras luar
Gubal
Kapasitas penyangga basa (ml/ml)
(3a) 0.004
a 0.003
ab
b
0.002
0.001 Teras dalam
Teras luar
(3b) a
a 392
Gubal
Kapasitas penyangga total (ml/ml)
0.010 0.009 0.008 0.007
b
0.006 0.005 0.004 Teras dalam
Teras luar
Gubal
Kapasitas penyangga asam mutlak (ml/ml)
(3c) 0.006
b
a
0.005 0.004 0.003
c
0.002 0.001 0 Teras dalam
Teras luar
Gubal
(3d) b
Kapasitas penyangga relatif
4.5 4.0 3.5 3.0
a c
2.5 2.0 1.5 1.0 Teras dalam
Teras luar
Gubal
(3e) Gambar 3a-e. Kapasitas penyangga asam (a), basa (b), total (c), asam mutlak (d) dan relatif (e) kayu mangium (rerata 5 pohon) pada posisi radial dengan error bar sebagai standar deviasi. Huruf yang sama dalam satu grafik menandakan tidak ada beda nyata pada taraf uji 5 %. Hubungan antara Nilai pH dan Kapasitas Penyangga Korelasi antar pH dengan parameter-parameter disajikan pada Tabel 3. Dari hasil analisis korelasi bisa dilihat bahwa tidak ada korelasi nyata apabila data teras dan gubal digabung. Untuk analisis lanjutan, data gubal dan teras kemudian dibahas secara terpisah. Korelasi negatif yang bagus diperoleh antara nilai pH dengan KPA di gubal (r = -0,74) dan teras (r = -0,56). Hal ini menandakan bahwa nilai pH semakin 393
rendah berarti nilai KPA semakin tinggi. Di bagian teras sendiri korelasi terkuat didapatkan antara nilai pH dengan KPAM (r = -062). Korelasi antara pH dan KPB juga nyata tetapi tidak sekuat antara pH dan KPA. Hubungan linier negatif juga diperoleh antara pH dengan KPAM atau KPR. Kecenderungan yang sama juga diamati sebelumnya oleh Xing et al. (2004) dan Pediu et al. (2008) dimana pada pengerasan perekat UF nilai pH naik diiringi turunnya nilai KPAM dan KPR. Dijelaskan pula bahwa KPAM dan KPR merupakan ukuran akhir banyaknya ion H+ dalam suatu larutan. Tabel 3. Koefisien korelasi Pearson (r) untuk nilai pH dan kapasitas penyangga Parameter KPA KPB KPT KPAM KPR
0.0050
(g u b al) (m l/m l)
Kap asitas p en yan g g a asam
Nilai pH 0.04 0.13 0.15 -0.14 -0.16 Nilai pH di gubal -0.74 ** -0.43* -0.42 -0.69** -0.62** Nilai pH di teras -0.56** -0.40** -0.30* -0.62** -0.44** Keterangan : sama dengan Tabel 2 Diagram pencar yang menjelaskan hubungan antara nilai pH dan KPA disajikan pada Gambar 4a-b. Dari diagram tersebut terlihat pada kayu gubal relatif tidak banyak ditemukan titik-titik jauh di luar garis sedangkan pada kayu teras ada 4 dari total 50 titik yang di luar garis tendensi. Semua titik tersebut berasal dari bagian teras dalam pada provenans yang berbeda. Adanya korelasi yang nyata bila data gubal dan teras dipisah menunjukkan KPA juga dipengaruhi oleh kisaran nilai pH. Dari grafik terlihat bahwa nilai pH gubal dan teras juga terdapat dalam kisaran 5,9 – 6,7. Dari hasil analisis ANOVA sudah terbukti ada beda nyata nilai pH antara teras dan gubal. Perlu penjelasan lebih lanjut mengapa dalam kisaran pH yang sama akan memberikan nilai KPA yang relatif beda di tiap bagian kayu tersebut. Diduga adanya perbedaan secara jumlah maupun mutu ekstraktif di 2 bagian kayu tersebut merupakan penyebab utama fenomena tersebut.
0.0040 y = -0.0014x + 0.0119 R 2 = 0.5569
0.0030 0.0020 0.0010 5
5.2
5.4
5.6
5.8
6
6.2
6.4
6.6
6.8
Nila i p H
Kapasitas penyangga asam (teras) (ml/ml)
(4a) 0.008
y = -0.0018x + 0.0185 R2 = 0.3206
0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 5.4
5.8
6.2
6.6
7.0
7.4
7.8
8.2
Nilai pH
(4b) Gambar 4a-b. Diagram pencar antara nilai pH dan kapasitas penyangga asam di gubal (a) dan teras (b) kayu mangium. 394
KESIMPULAN Kayu Acacia mangium dari 5 provenans berbeda telah diteliti sifat keasaman (nilai pH) dan kapasitas penyangganya. Analisis statistik menunjukkan bahwa tidak ada interaksi yang nyata antar faktor provenans dan arah radial terhadap nilai pH maupun kapasitas penyangga. Faktor provenans tidak berpengaruh nyata sehingga asal pohon tidaklah penting dalam melakukan seleksi pohon berdasarkan sifat keasaman maupuin kapasitas penyangganya. Faktor radial pohon berpengaruh terhadap nilai pH dimana bagian gubal menunjukkan nilai yang lebih tinggi dari bagian teras. Faktor arah radial juga berpengaruh nyata terhadap kapasitas penyangga asam dan basa, beserta parameter-parameter turunannya. Korelasi bagus antara nilai pH dan kapasitas penyangga diperoleh dengan analisis data gubal dan teras secara terpisah. Korelasi tertinggi pada kayu gubal didapatkan pada nilai pH dengan kapasitas penyangga asam sedangkan korelasi terkuat pada bagian teras didapatkan antara nilai pH dengan kapasitas penyangga asam mutlak. DAFTAR PUSTAKA Adamopoulos S, Voulgaridis E, Passialis C. 2005. Variation of certain chemical properties within the stemwood of black locust (Robinia pseudoacacia L.). Holz als Roh- und Werkstoff 63: 327–333. Alamsyah EM, Nan LC, Yamada M, Taki K, Yoshida H. 2007. Bondability of tropical fast-growing tree species I: Indonesian wood. Journal of Wood Science 53 : 40– 46. Fengel D, Wegener G. 1989. Wood-Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walter de Gruyter. Berlin, New York. Gnanaharan R, Dhamodaran TK. 1985. Suitability of some tropical hardwoods for cement-bonded wood –wool board manufacture. Holzforschung 39: 337-340. Hachmi A, Moslemi AA. 1990. Effect of wood pH and buffering capacity on woodcement compatibility. Holzforschung 44:425-430. Humar M, Petric M, Pohleven F. 2001. Changes of pH of impregnated wood during exposure to wood-rotting fungi. Holz als Roh- und Werkstoff 59:288–293. Korai H, Nigel P, Liem T. 2000. Properties of Acacia mangium particle board II. Proceedings the fourth Pacific Rim Bio-based Composite Symposium. Bogor, November 2-5, pp. 189-194. Maloney TM. 1993. Modern particleboard and dry-process fiberboard manufacturing (updated edition). Miller Freeman, San Francisco. Pedieu R, Riedl B, Pichette A. 2008. Measurement of wood and bark particles acidity and their impact on the curing of urea formaldehyde resin during the hot pressing of mixed panels. Holz Roh Werkstoff 66: 113–117. Sandermann W, Rothkamm M. 1959. The determination of pH values of woods and their practical importance. Holz als Roh- und Werkstoff 17:433–440. Slay JR, Short PH, Wright DC. 1980. Catalytic effects of extractives from pressurerefined hardwood fiber on the gel time of urea formaldehyde resin. Forest Product Journal. 30:22-23. Subyakto, Suryanegara L, Gopar M, Prasetiyo KW. 2005. Utilization of Acacia (Acacia mangium Willd) bark for particleboard with low phenol formaldehyde content. Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Kayu Tropis 3:20-23 (in Indonesian). Subyakto, Suryanegara L, Sudijono, Gopar M, Prasetya B, Subiyanto B. 2003. Development of binderless particleboard from Acacia mangium bark. 395
International symposium on sustainable utilization of Acacia mangium. JSPSLIPI Core University Program, October 21-22, pp 119-123. Xing C, Zhang SY, Deng J. 2004. Effect of wood acidity and catalyst on UF resin gel time. Holzforschung 58: 408–412.
396
