PENGHAMBATAN DEGRADASI SUKROSA DALAM NIRA TEBU MENGGUNAKAN GELEMBUNG GAS NITROGEN DALAM REAKTOR VENTURI BERSIRKULASI TEUKU IKHSAN AZMI

Transkripsi

1 PENGHAMBATAN DEGRADASI SUKROSA DALAM NIRA TEBU MENGGUNAKAN GELEMBUNG GAS NITROGEN DALAM REAKTOR VENTURI BERSIRKULASI TEUKU IKHSAN AZMI SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul Penghambatan Degradasi Sokrosa dalam Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Maret 2008 Teuku Ikhsan Azmi F

3 ABSTRAK T. IKHSAN AZMI. Penghambatan Degradasi Sukrosa dalam Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi. Dibimbing oleh ANI SURYANI, PRAYOGA SURYADARMA dan SAPTA RAHARJA. Degradasi sukrosa yang terkandung dalam nira tebu selama pengolahan disebabkan oleh reaksi inversi enzimatis dan aktivitas mikroba. Inversi sukrosa disebabkan oleh waktu tunggu (dowmtime) karena kerusakan peralatan pada saat proses berlangsung. Proses penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu dapat dilakukan dengan gelembung gas inert menggunakan reaktor venturi bersirkulasi. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan teknologi penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu menggunakan gelembung gas nitrogen dalam reaktor venturi bersirkulasi. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan laju alir nira pada 25 l/min, 20 l/min, dan 15 l/min, dengan kecepatan aliran gas nitrogen antara 0,02 m/det sampai 0,6 m/det menggunakan ukuran nozel 5 mm, 6 mm, dan 8 mm. Hasil penelitian menunjukkan gas hold-up yang terbentuk sangat baik untuk penghambatan degradasi sukrosa, dan menunjukkan adanya korelasi linier antara penghambatan sukrosa dengan gas hold-up. Laju penghambatan degradasi sukrosa pada laju alir nira 25 l/min dan kecepatan aliran gas nitrogen 0,6 m/det menggunakan ukuran nozel 6 mm dan suhu reaktor 70 o C memberikan penghambatan sebesar 4,2 %. Proses penghambatan degradasi sukrosa dengan menggunakan gelembung gas nitrogen dipengaruhi oleh gas hold-up dan ukuran gelembung yang terbentuk. Kata kunci: nira tebu, sukrosa, reaktor venturi bersirkulasi, gas hold-up, laju alir.

4 ABSTRACT T. IKHSAN AZMI. Inhibition Process on Sucrose Degradation in Sugar Cane Juice by Nitrogen Gas Bubbling Using Loop-Venturi Reactor. Under direction of ANI SURYANI, PRAYOGA SURYADARMA and SAPTA RAHARJA. Degradation of sucrose in sugar cane juice in sugar processing caused by inversion enzymatic reaction and microorganisms activities. Sucrose degradation caused by downtime of machine or maintenance of equipment. The inhibition process on sucrose degradation was done by inert gas bubbling using loop-venturi reactor. The objective of the research is to find the inhibition technology of sucrose degradation in sugar cane juice by nitrogen gas bubbling using loopventuri reactor. The research used variation of flow rate of sugar cane juice, at 25 l/min, 20 l/min and 15 l/min, nitrogen gas velocity ranging from 0,02 to 0,6 m/s and nozzle diameters were 5 mm, 6 mm, and 8 mm. The result showed that the gas hold-up could be effectively for inhibition process on sucrose degradation, and showed significantly linear correlation between inhibition process and gas hold-up. At optimum condition (flow rate sugar cane juice 25 l/min and gas velocity 0,6 m/s using nozzle diameter 6 mm and reactor temperature of 70 o C), the inhibition rate of sucrose degradation was 4,2%. The inhibition process of sucrose degradation with gas nitrogen bubbling was affected by gas hold-up and size of bubble gas nitrogen. Keyword: sugar cane juice, sucrose, loop-venturi reactor gas hold-up, flow rate.

5 RINGKASAN T. IKHSAN AZMI. Penghambatan Degradasi Sukrosa dalam Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi. Dibimbing oleh ANI SURYANI, PRAYOGA SURYADARMA dan SAPTA RAHARJA. Industri gula yang ada sekarang tidak mungkin lagi dapat memenuhi kebutuhan gula nasional yang terus meningkat dari tahun ke tahun. Keadaaan ini disebabkan oleh penurunan areal tanaman tebu yang terus terjadi. Kemunduran produksi gula nasional juga disebabkan oleh kondisi pabrik gula yang telah tua. Sekitar 68 % jumlah pabrik gula yang ada telah berumur 75 tahun lebih serta kurang mendapat perawatan yang memadai (Mardianto 2005). Rendahnya produktivitas dan rendemen gula yang dihasilkan oleh pabrik gula dalam negeri merupakan akibat dari teknologi produksi yang belum baik, efisiensi mesin yang terus menurun dan produktivitas lahan yang menurun. Salah satu faktor yang menyebabkan degradasi sukrosa adalah adanya kerusakan gula pada saat alat-alat pengolahan gula mengalami penghentian proses produksi (down time), yang disebabkan oleh kerusakan mesin atau pemeliharaan mesin. Pada saat tersebut, nira tebu menunggu untuk dilakukan pengolahan selanjutnya. Lamanya waktu tunggu tersebut menyebabkan terjadinya degradasi gula (sukrosa) yang disebabkan oleh enzim invertase yang dihasilkan mikroba dalam nira. menjadi gula-gula sederhana (invert), seperti glukosa dan fruktosa atau senyawa turunan lainnya. Penghambatan degradasi sukrosa dalam nira dapat dilakukan dengan cara kimia dan fisika. Secara kimia penghambatan biasanya dilakukan dengan penambahan bahan pengawet atau inhibitor kedalam nira tebu. Secara fisik penghambatan aktivitas enzim dapat dilakukan dengan menggunakan gelembung gas inert (nitrogen). Penghambatan dilakukan dengan memberikan gelembunggelembung gas nitrogen ke dalam larutan enzim, sehingga terbentuk gas-liquid interfaces. Penghambatan dipengaruhi oleh kecepatan aliran gas, waktu dan luas antarmuka kontak gas-cairan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui hubungan pengaruh laju alir nira dan kecepatan aliran gas nitrogen terhadap gas hold-up dan pengaruh gas hold- up dalam sistem reaktor venturi bersirkulasi terhadap konsentrasi sukrosa dalam nira tebu. Pengaruh laju alir cairan nira dan kecepatan aliran gas nitrogen terhadap pembentukan gas hold-up dilakukan dengan inkubasi larutan nira dalam reaktor venturi bersirkulasi Pengujian faktor yang berpengaruh meliputi: laju alir cairan nira, kecepatan aliran gas nitrogen, dan ukuran nozel. Laju alir cairan nira yang digunakan adalah 25 l/min, 20 l/min dan 15 l/min. Sedangkan kecepatan aliran gas nitrogen antara 0,02 m/det, 0,1 m/det, dan 0,6 m/det. Tiap perlakuan percobaan digunakan reaktor venturi bersirkulasi dengan distributor cairan menggunakan nozel dengan ukuran 5 mm, 6 mm dan 8 mm dan lama inkubasi selama 420 menit. Pengaruh gas hold-up dan pola aliran dalam reaktor venturi bersirkulasi terhadap degradasi sukrosa dilakukan dengan inkubasi larutan nira dalam reaktor venturi bersirkulasi. Hasil penelitian menunjukkan gas hold-up dipengaruhi oleh laju alir cairan nira dan kecepatan aliran gas nitrogen. Pada

6 laju alir cairan yang sama gas hold-up dipengaruhi oleh kecepatan aliran gas nitrogen dan bentuk geometri venturi serta sifat fisik cairan dan gas. Semakin besar kecepatan aliran gas nitrogen secara umum meningkatkan gas hold-up. Pada laju alir cairan 25 l/min dengan ukuran nozel 6 mm peningkatan kecepatan aliran gas nitrogen dari 0,1 m/det sampai 0,6 m/det meningkatkan gas hold-up. Peningkatan gas hold-up menunjukkan konsentrasi sukrosa yang dapat dipertahankan dalam nira tebu semakin tinggi. Rejim aliran yang terbentuk dalam venturi juga mempengaruhi jumlah sukrosa yang dapat dipertahankan. Rejim aliran gelembung memberikan penghambatan sukrosa yang lebih besar. Penurunan konsentrasi sukrosa pada penghambatan menggunakan gelembung gas nitrogen dalam reaktor venturi bersirkulasi menggunakan gelembung gas nitrogen dengan inkubasi sampai 30 menit dapat memberi penghambatan 4,2 % pada laju alir nira 25 l/min, kecepatan aliran gas nitrogen 0,6 m/det dan ukuran nozel 6 mm. Penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu dengan menggunakan gelembung gas nitrogen dipengaruhi oleh gas hold-up dan ukuran gelembung gas. Gas hold-up yang tinggi dan ukuran gelembung gas yang kecil memberikan penghambatan degradasi sukrosa yang tinggi. Gelembung gas yang kecil memperbesar luas antarmuka kontak cairan dan gas, dan akan meningkatkan penghambatan sukrosa dalam nira tebu.

7 @ Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2008 Hak Cipta dilindungi undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa seizin IPB

8 PENGHAMBATAN DEGRADASI SUKROSA DALAM NIRA TEBU MENGGUNAKAN GELEMBUNG GAS NITROGEN DALAM REAKTOR VENTURI BERSIRKULASI TEUKU IKHSAN AZMI F Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

9 Judul Tesis Nama NIM : Penghambatan Degradasi Sukrosa dalam Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi : Teuku Ikhsan Azmi : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Ketua Prayoga Suryadarma, STP, MT Anggota Dr.Ir. Sapta Raharja, DEA Anggota Diketahui Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Irawadi Jamaran Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS Tanggal Ujian : 6 Maret 2008 Tanggal Lulus :

10 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas karunia Rahmat dan Hidayah-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan karya ilmiah ini. Shalawat dan salam kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret 2006 sampai Januari 2007, bertempat di Laboratorium Teknologi Industri Pertanian (TIP) IPB dengan judul Penghambatan Degradasi Sukrosa dalam Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Ir. Irawadi Jamaran, selaku ketua program studi Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan bagi penulis selama pendidikan di program studi Teknologi Industri pertanian IPB. 2. Ibu Dr. Ir. Ani Suryani, DEA sebagai ketua komisi pembimbing dan Bapak Dr. Ir. Sapta Raharja, DEA serta Bapak Prayoga Suryadarma, STP, MT sebagai anggota komisi pembimbing, atas segala bimbingan, masukan, saran dan kritik yang sangat berarti bagi penulis selama pelaksanaan penelitian dan penulisan tesis ini. 3. Dr. Ir Liesbetini Hartoto, MS, atas kesediaanya sebagai dosen penguji luar komosi dan atas segala saran dan masukan untuk kelengkapan penulisan tesis ini. 4. Kepada seluruh keluarga, atas segala doa, dukungan dan kasih sayangnya kepada penulis. 5. Rekan-rekan mahasiswa program studi Teknologi Industri Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB angkatan 2004, atas segala dukungan dan kebersamaan selama pendidikan di Pascasarjana IPB. 6. Rekan-rekan mahasiswa IKAMAPA Aceh-Bogor atas kebersamaan dan sukaduka selama pendidikan di Pascasarjana IPB. 7. Semua pihak yang telah membantu dan memberikan dukungan selama pendidikan di SPs-IPB hingga selesainya penulisan tesis ini. Akhir kata penulis berharap semoga hasil penelitian ini bermanfaat.

11 RIWAYAT HIDUP Bogor, Maret 2008 Teuku Ikhsan Azmi Penulis di lahirkan di Aceh Besar pada tanggal 25 April 1974 dari Ayah T. Husin (Alm) dan Ibu Ainol Mardhiah (Alm). Penulis merupakan putra ketiga dari enam bersaudara. Tahun 1993 penulis lulus dari Sekolah Menengah Atas Darussalam Banda Aceh. Pendidikan sarjana strata satu (S-1) penulis tempuh pada Jurusan Teknik Kimia Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh dan lulus pada tahun Pada tahun yang sama penulis bekerja sebagai staf pengajar pada Universitas Jabal Ghafur Sigli, Aceh. Tahun 2004 penulis mendapat kesempatan melanjutkan pendidikan dan diterima pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) Institut Pertanian Bogor. Beasiswa pendidikan Pascasarjana diperoleh dari BPPS Dirjen Dikti Depertemen Pendidikan Nasional.

12 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... DAFTAR GLOSARI... xiii xiv xv xvi PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan... 4 Ruang Lingkup Penelitian... 5 Manfaat Penelitian... 5 TINJAUAN PUSTAKA... 6 Karakterisasi Nira Tebu... 6 Komponen Gula Tebu Sukrosa Glukosa Fruktosa Degradasi Sukrosa dalan Nira Tebu Reaksi Enzimatis Faktor yang Mempengaruhi Aktivitas Enzim Penghambatan Reaksi Enzimatis Pengaruh suhu dan Tekanan Terhadap Aktivitas Enzim Invertase Penggunaan Reaktor Venturi Bersirkulasi untuk Penghambatan Degradasi Sukrosa METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Tahapan Penelitian Karakterisasi Nira Awal Penentuan Pengaruh Laju Alir Cairan, dan Kecepatan Aliran Gas Terhadap gas hold-up Penentuan Pengaruh Gas hold-up dan Rejim Aliran dalam Venturi Terhadap Degradasi Sukrosa Penentuan Degradasi Sukrosa Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Nira Tebu... 36

13 Hubungan Laju Alir Cairan dan Kecepatan Aliran Gas Terhadap Gas Hold-up Hubungan Gas Hold-up dan Rejim Aliran dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi Terhadap Konsentrasi Sukrosa dalam Nira Tebu Hubungan Rejim Aliran Terhadap Degradasi Sukrosa Hubungan Gas Hold-up Terhadap Degradasi Sukrosa Pencegahan Degradasi Sukrosa Nira Tebu Menggunakan Gelembung Gas Nitrogen dalam Reaktor Venturi Bersirkulasi Perubahan Konsentrasi Sukrosa Pembentukan Gula Pereduksi Perubahan ph Nira dan Pembentukan Asam-asam Organik Kelayakan Teknis Penggunaan RVB pada Industri Gula SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 63

14 DAFTAR TABEL Halaman 1. Jam henti giling beberapa pabrik gula tahun 2006 di lingkungan PTPN IX Kandungan gula dan zat bukan gula dalam nira Kandungan senyawa bukan gula dalam nira Kemanisan relatif beberapa pemanis Faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi enzimatis Karakteristik nira

15 DAFTAR GAMBAR Halaman 1. Reaksi hidrolisis sukrosa Ikatan enzim dengan substrat pada pembentukan produk Pengaruh suhu terhadap aktivitas enzim Pengaruh suhu terhadap aktivitas relatif enzim invertase dari gula tebu Pegaruh tekanan dan suhu terhadap waktu paruh Kluyveromyces lactis lactase Reaktor venturi bersirkulasi Profil tekanan sepanjang venturi Mekanisme pembentukan gelembung gas Pembentukan gelembung gas pada laju alir cairan 2 m 3 /jam dan kecepatan aliran gas 1,29 x 10-4 m 3 /det Bentuk dan ukuran geometri venturi Pola gelembung aliran pada berbagai rejim aliran Rangkaian peralatan penelitian Diagram alir penelitian Pengukuran gas hold-up Hubungan kecepatan aliran gas dengan gas hold-up pada diameter nozel 5 mm Hubungan kecepatan aliran gas dengan gas hold-up pada diameter nozel 6 mm Hubungan kecepatan aliran gas dengan gas hold-up pada diameter nozel 8 mm Jenis rejim aliran yang terbentuk dalam reaktor venturi bersirkulasi berdasarkan hubungan rasio kecepatan aliran gas dan cairan dengan bilangan weber Hubungan gas hold-up dengan konsentrasi sukrosa pada rejim aliran yang berbeda Hubungan gas hold-up dengan konsentrasi sukrosa Konsentrasi sukrosa sisa setelah perlakuan Laju penghambatan degradasi sukrosa menggunakan reaktor venturi bersirkulasi dan reaktor tangki berpengaduk Hubungan [sukrosa] dengan penghambatan dan tanpa penghambatan Pembentukan gula pereduksi pada nira Perubahan ph nira Perubahan persentase asam organik pada nira... 55

16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Prosedur analisis sampel gula Geometri reaktor, sifat fisik cairan nira dan gas Data gas hold-up dan konsentrasi sukrosa Data perubahan konsentrasi sukrosa, ph dan pesentase asam Kebutuhan energi pada reaktor venturi bersirkulasi... 69

17 DAFTAR GLOSARI A = luas area pipa/nozel, m 2 d c = diameter kolom, m d G = diameter lubang masuk gas, mm d jet = diameter jet, m d N = diameter nozel, m d M = diameter leher venturi, m E o = energi aktivasi g = grafitasi, m/s 2 hf = faktor gesekan pompa, J/kg h l = tinggi cairan nira sebelum diberikan gas nitrogen, mm h m = tinggi cairan nira setelah diberikan gas nitrogen, mm hm = tinggi efektif kolom, m K = konstanta reaksi, mmol/l Km = konstanta Michaelis-menten L M = panjang leher venturi, m L jet = panjang jet cairan dalam venturi, m L D = panjang bagian difuseri, m L T = panjang draft tube, m Lv = panjang venturi, m P a = tekanan bagian isapan pompa, N/m 2 P b = tekanan bagian keluaran pompa, N/m 2 Ql = laju alir cairan, l/min atau m 3 /det Qg = laju alir gas, l/min atau m 3 /det Ug = kecepatan aliran gas, m/det Ul = kecepatan aliran cairan, m/det Ug/Ul = nisbah kecepatan aliran gas dan cairan V = kecepatan reaksi, mmol/ min We = bilangan weber W pŋ = kerja pompa, J/kg Z b = tinggi keluaran cairan dari pompa, m αg = fraksi gas (gas hold-up) µl = viskositas cairan, kg/m.dt ρl = densitas cairan, kg/m 3 σl = tegangan permukaan cairan, N/m 2 µg = viskositas gas, kg/m.dt ρg = densitas gas, kg/m 3 G = perubahan energi bebas, kj/mol H = perubahan entalpi, kj/mol P N = perbedaan tekanan cairan melewati nozel, N/m 2 P G = perbedaan tekanan campuran cairan-gas dalam leher venturi, N/m 2 S = perubahan entropi, kj/mol

18 PENDAHULUAN Latar Belakang Permintaan gula secara nasional diperkirakan terus meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penduduk, pendapatan masyarakat, dan pertumbuhan industri pengolahan makanan dan minuman. Indonesia sebagai negara berpenduduk besar amat berpotensi menjadi salah satu konsumen gula terbesar di dunia. Kebutuhan gula nasional Indonesia sebesar 3,2 juta ton pertahun sementara produksi dalam negeri sekitar 2 juta ton (Mardianto 2005). Ketergantungan pada impor gula dapat mengancam kemandirian Indonesia, selain dapat menguras devisa negara yang diperlukan untuk pembangunan. Kondisi ini menunjukkan Indonesia harus meningkatkan produksi gula tebu dengan memperbaiki faktor-faktor yang terkait dengan penurunan produktivitas gula. Menurut Sekretariat Dewan Gula Indonesia (2004), rendemen gula dalam kurun waktu rata-rata 7,24% dengan produktivitas 5,12 ton/hektar, keadaan ini jauh lebih rendah dibandingkan 10 tahun sebelumnya (1983 sampai 1992) yang mencapai rendemen 9,8%. Kondisi ini disebabkan oleh produktivitas lahan yang terus menurun. Kemunduran produksi gula nasional juga disebabkan oleh kondisi pabrik gula yang telah tua. Sekitar 68% jumlah pabrik gula yang ada telah berumur 75 tahun lebih serta kurang mendapat perawatan yang memadai (Mardianto 2005). Hal ini menyebabkan tingkat efisiensi menurun, sehingga perlu dilakukan revitalisasi dan perbaikan teknologi proses produksi pabrik gula. Salah satu permasalahan yang menyebabkan rendahnya rendemen gula dilihat dari proses dan efisiensi mesin adalah adanya penghentian proses produksi sementara (downtime). Downtime dapat terjadi akibat adanya penyetelan (setting), penyesuaian (adjustment), pemeliharaan atau akibat terjadinya kerusakan peralatan pada sistem produksi. Jam henti giling beberapa pabrik gula selama masa giling tahun 2006 disajikan pada Tabel 1. Pada saat downtime nira menunggu untuk dilakukan pengolahan selanjutnya. Lamanya waktu tunggu tersebut menyebabkan degradasi gula (sukrosa) menjadi gula-gula sederhana (invert), seperti glukosa dan fruktosa atau senyawa turunan lainnya.

19 Tabel 1 Jam henti giling beberapa pabrik gula tahun 2006 di lingkungan PTPN IX Nama pabrik gula Kapasitas (m 3 ) Hari giling (hari) Jam henti giling (jam) PG. Sragi PG. Rendeng PG. Mojo PG. Sumberharjo Sumber: PTPN IX Degradasi sukrosa dalam proses pengolahan nira tebu menjadi gula dapat disebabkan oleh tiga hal yaitu reaksi enzimatis, reaksi mikrobiologis dan kondisi proses yang secara tidak langsung mempercepat reaksi enzimatis dan mikrobiologi, seperti ph dan suhu. Kerusakan sukrosa pada saat down time dan selama pengolahan dapat diminimalkan dengan menghambat aktivitas enzim dan mikroba yang menyebabkan terjadinya hidrolisis sukrosa. Penghambatan dapat dilakukan dengan menggunakan inhibitor atau mengkondisikan proses seperti dengan pengaturan ph dan suhu. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh konsentrasi enzim, substrat, produk, senyawa inhibitor dan aktivator, ph dan jenis pelarut yang terdapat pada lingkungan, kekuatan ion dan suhu (Hartoto & Sailah 1992). Dengan mempelajari pengaruh faktor-faktor tersebut terhadap enzim, dapat dipelajari sifat-sifat enzim secara khusus. Sebagai contoh, dengan mengkombinasikan konsentrasi substrat dan produk dapat dipelajari mekanisme reaksi enzimatis, yaitu bagaimana tahap terjadinya pengikatan substrat oleh enzim maupun pelepasan produknya. Pengetahuan mengenai pengaruh faktor-faktor tersebut terhadap enzim diperlukan pula dalam menentukan suatu media atau lingkungan buatan yang dapat memaksimumkan, atau meniadakan/menghambat aktivitas enzim (Suhartono 1989). Penghambatan degradasi sukrosa dalam nira dapat dilakukan dengan cara kimia dan fisika. Secara kimia penghambatan dapat dilakukan dengan penambahan bahan pengawet atau inhibitor dalam nira tebu. Pada reaksi enzimatis inhibitor dapat merupakan hasil dari reaksi enzimatis, sehingga produk yang dihasilkan menghambat reaksi enzimatis selanjutnya. Aktivitas reaksi inversi sukrosa yang disebabkan enzim invertase dipengaruhi oleh ph dan suhu (Rahman et al. 2004). Reaksi inversi sukrosa dengan katalis invertase dapat

20 dihambat oleh substrat (sukrosa) dan produk (fruktrosa dan glukosa). Reaksi ini termasuk reaksi inhibisi model non-kompetitif (Filho dan Ribero 1999). Substrat sukrosa dapat menghambat reaksi invertase pada konsentrasi 80% (b/v), sedangkan penghambatan oleh produk glukosa dan fruktosa masing-masing sebesar 27% dan 37% (Vorstex dan Frederik 1998). Akumulasi glukosa dan fruktosa dalam pengolahan gula tidak dikehendaki, karena gula pereduksi dapat menghambat proses kristalisasi sukrosa, sehingga penghambatan dengan produk (glukosa dan fruktosa) tidak diinginkan. Penghambatan inversi sukrosa dalam nira tebu secara kimia dapat juga dilakukan dengan penambahan inhibitor dalam nira. Beberapa jenis garam terutama HgCl 2, FeCl 2, CuCl 2 dan CdCl 2 dapat menghambat aktivitas enzim invertase (Rahman et al. 2004). Mikroba dalam nira seperti Leuconostoc mesenteroides dapat mengkonversi sukrosa menjadi fruktosa dan dekstran. Mikroba juga dapat menyebabkan pembentukan asam-asam organik, sehingga ph nira turun. Nilai ph yang rendah dan keberadaan asam-asam organik memicu terjadinya degradasi sukrosa lebih lanjut. Kerusakan sukrosa akibat mikroba dapat dilakukan dengan cara penambahan bahan antimikroba. Penambahan bahanbahan pengawet seperti garam-garam klorida dan bahan antimikroba dalam nira tebu dapat menimbulkan permasalahan isu kesehatan, sehingga perlu dicari suatu teknik penghambatan yang aman bagi kesehatan dengan biaya yang lebih ekonomis. Penghambatan aktivitas enzim secara fisik dapat dilakukan dengan menggunakan gelembung gas inert (nitrogen). Penghambatan dilakukan dengan cara memberikan gelembung-gelembung gas nitrogen ke dalam enzim dengan menggunakan reaktor bubble column, sehingga terbentuk gas-liquid interfaces. Penghambatan dipengaruhi oleh kecepatan aliran gas, waktu dan luas antarmuka gas-cairan (Causette et al. 1998). Perlakuan tekanan dan temperatur tinggi juga dapat menghambat aktivitas reaksi enzimatis (Cavaille & Combes 1998). Perkembangan mikroba dapat dihambat dengan perlakuan tekanan tinggi, seperti penggunaan karbon dioksida bertekanan tinggi (Watanabe et al. 2003). Mekanisme Penghambatan enzim dengan gelembung gas adalah karena terjadi adsorpsi gas oleh enzim yang membentuk suatu formasi mikromolekul.

21 Gas akan berdifusi pada antarmuka substrat, sehingga menghambat reaksi enzimsubstrat (Kulys 2003). Penghambatan enzim dengan gelembung gas inert dapat dilakukan dalam suatu reaktor yang mampu mendistribusikan fase gas secara efektif ke dalam fase cairan, dengan memberikan luas antarmuka gas-cair yang besar. Reaktor bubble column tidak dapat menghasilkan luas antarmuka gascairan yang besar, hal ini menyebabkan penghambatan dengradasi sukrosa tidak efektif. Luas antarmuka gas-cairan yang besar dapat diperoleh dengan menggunakan reaktor venturi bersirkulasi (Zahradnik 1997). Luas antarmuka yang besar dihasilkan oleh gelembung-gelembung gas yang kecil. Geometri venturi menghasilkan laju geser (shear rate) yang tinggi sehingga dapat menghasilkan gelembung gas berukuran kecil. Pembentukan gelembung gas dipengaruhi oleh laju alir cairan, kecepatan aliran gas, ukuran nozel serta geometri venturi yang digunakan. Penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu dipengaruhi oleh fraksi gas dalam cairan (gas hold-up) dan ukuran dari gelembung gas. Nira akan didistribusikan melalui venturi dan gas akan ikut terbawa ke dalam venturi karena adanya perbedaan tekanan. Kontak antara gas dan nira akan terjadi secara efektif dalam venturi yang dilanjutkan dalam tabung reaktor. Penentuan laju alir nira tebu dan kecepataan gas nitrogen yang optimal untuk pembentukan gelembung gas perlu dipelajari. Selain itu pemilihan kondisi proses yang optimal menggunakan reaktor venturi bersirkulasi juga dibutuhkan untuk aplikasi proses penghambatan kerusakan sukrosa dalam nira tebu. Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mendapatkan suatu teknik proses penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu menggunakan gas nitrogen dalam reaktor venturi bersirkulasi (RVB). Secara khusus tujuan penelitian ini adalah: 1. Mendapatkan hubungan pengaruh laju alir nira dan kecepatan aliran gas nitrogen terhadap gas hold-up dalam reaktor venturi bersirkulasi

22 2. Mendapatkan hubungan pengaruh gas hold-up dan rejim aliran yang terbentuk dalam sistem reaktor venturi bersirkulasi terhadap konsentrasi sukrosa dalam nira tebu 3. Menghasilkan teknik penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu menggunakan reaktor venturi bersirkulasi Ruang Lingkup Penelitian Studi penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu ini dibatasi dengan lingkup bahasan pada (1) karakterisasi nira tebu (2) melakukan inkubasi nira tebu dalam reaktor venturi bersirkulasi dengan laju alir nira tebu 25 l/min, 20 l/min dan 15 l/min dengan kecepatan aliran gas nitrogen 0,02 m/det sampai 0,6 m/det. Variasi antara laju alir nira tebu dan kecepatan aliran gas nitrogen dilakukan untuk mendapatkan pengaruh laju alir cairan nira dan kecepatan aliran gas nitrogen terhadap gas hold-up dan pengaruh gas hold-up pada rejim aliran dalam venturi terhadap konsentrasi sukrosa nira tebu (3) melakukan inkubasi nira tebu dalam reaktor venturi bersirkulasi dengan laju alir nira 25 l/min, kecepatan aliran gas nitrogen 0,6 m/det, tekanan reaktor 0,5 kg/cm 2 dan suhu 70 o C untuk menentukan penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu menggunakan gelembung gas nitrogen dan (4) melakukan analisis kelayakan teknologi penggunaan reaktor venturi bersirkulasi untuk penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu. Manfaat Penelitian Penelitian ini terutama ditujukan untuk penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu pada saat pengolahan. Secara khusus keluaran penelitian ini diharapkan dapat : 1. Mendapatkan suatu teknologi penghambatan degradasi sukrosa dalam nira tebu di industri gula. 2. Memberikan alternatif penggunaan reaktor venturi bersirkulasi dalam industri gula sebagai salah satu cara penghambatan degradasi sukrosa.

23 TINJAUAN PUSTAKA Karakterisasi Nira Tebu Setelah ditebang tebu harus secepat mungkin diangkut ke pabrik untuk segera digiling. Kualitas nira akan menurun karena proses respirasi berjalan terus atau terjadi penguraian sukrosa. Hasil dari proses ekstraksi tebu diperoleh cairan yang biasa disebut nira. Nira tebu merupakan cairan yang mengandung sukrosa yaitu karbohidrat yang tergolong disakarida dan terdiri dari dua komponen monosakarida, D- glukosa dan D-fruktrosa. Tebu selain mengandung sukrosa dan berbagai gula pereduksi juga mengandung serat, zat bukan gula dan air. Dalam proses pembuatan gula putih dari tebu, sukrosa harus dipisahkan dari zat dan ikatan bukan gula dalam serangkaian tahapan proses produksi. Nira tebu dengan kandungan sukrosa 14% memiliki densitas pada 20 o C sebesar 1053,873 kg/m 3 dengan viskositas rata-rata 15,43 cp (Pancoast 1980). Nira mengandung gula dan zat bukan gula seperti disajikan dalam dalam Tabel 2. Tabel 2 Kandungan gula dan zat bukan gula dalam nira No. Komponen 1 Gula sukrosa 2 Gula pereduksi 3 Zat anorganik 4 Zat organik 5 Sabut 6 Zat warna, malam 7 Air Sumber: Moerdokusumo (1993) Persentase (% tebu) ,5 2,0 0,5 2,5 0,15 0,20 10,0 15,0 7,5 15,0 60,0 80,0 Nira tebu berdasarkan sifat fisik dan kimianya terdiri dari tiga macam bahan, yaitu:

24 1. Bahan kasar yang terdispersi (lebih besar dari 0,0001 mm) yang berupa tanah, ampas tebu (serat). Jumlah bahan tersebut dapat mencapai 5 persen dari berat nira dan dapat dihilangkan dengan penyaringan. 2. Bahan koloid (butir antara 0,0001 0, mm) yang berupa butiran tanah, lilin, lemak, protein, getah (gum), pektin, tanin dan zat warna. Jumlah bahan tersebut adalah 0,05 sampai 0,30 persen, bahan tersebut dapat merangsang pertumbuhan mikroba. 3. Molekul dan ion yang terdispersi (butir lebih kecil dari 0, mm), yaitu gula dan unsur yang terdapat dalam abu. Penyimpanan tebu juga mempengaruhi pengurangan sukrosa dalam nira. Tebu yang disimpan dalam ruangan dan ditumpuk akan menyebabkan suhu dalam tumpukan naik yang mengakibatkan inversi sukrosa dan merangsang pertumbuhan mikroba. Pengangkutan yang jaraknya terlalu jauh dari pabrik dan sinar matahari juga menyebabkan turunnya kadar sukrosa. Nira merupakan salah satu bahan pangan yang mudah rusak karena kontaminasi dengan mikroba. Kerusakan nira sebenarnya sudah dimulai sejak awal penggilingan tebu. Infeksi mikroba ke dalam nira terjadi akibat kontak antara batang tebu dengan pisau atau tanah. Mikroba yang terbanyak menyerang tebu adalah Leuconostoc mesenteroides yang berasal dari tanah. Sukrosa terhidrolisis dengan adanya mikroba yang menghasilkan asam atau enzim dalam nira, sehingga terjadi pemecahan sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa (gula invert). Proses hidrolisis sukrosa dengan katalis invertase disajikan dalam Persamaan 1. Pada tebu inversi sukrosa maksimal terjadi pada ph 7,2 dan suhu 60 o C (Rahman et al. 2004). C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6... Persamaan (1) Sukrosa Glukosa Fruktosa Selanjutnya glukosa dan fruktosa hasil inversi akan terfermentasi oleh khamir Saccharomyces ellipsoides menghasilkan alkohol seperti disajikan pada Persamaan 2. fermentasi terutama terjadi karena adanya enzim zimase yang dikeluarkan oleh khamir. Fermentasi berjalan baik pada suhu 30 o C sampai 35 o C dengan konsentrasi gula pereduksi antara 5 % sampai 20 %. (Wijandi 1985). C 6 H 12 O 6 + Saccharomyces ellipsoides 2C 2 H 5 OH + CO 2...Persamaan (2) Glukosa/Fruktosa Etanol

25 Persamaan 3 menyajikan reaksi oksidasi etanol oleh bakteri Acetobacter aceti menjadi asam asetat. C 2 H 5 OH + O 2 + Acetobacter aceti CH 3 COOH + H 2 O...Persamaan (3) Etanol asam asetat Gula invert dapat juga terfermentasi menjadi asam laktat oleh bakteri Bacillus lactis acidi pada suhu 45 o C sampai 55 o C selama 3 sampai 6 hari. Reaksi-reaksi diatas dapat menyebabkan kadar sukrosa menurun dan kadar asam meningkat sehingga ph cenderung menurun. Menurut Wijandi (1985), bakteri yang dapat tumbuh pada nira tebu dapat digolongkan : 1. Bakteri pembentuk lendir gum, terutama Leuconostoc mesenteroides dan sedikit Leuconostoc dextranicum serta Betacoccus arabinosaceus yang menghasilkan dekstran dari glukosa. Dekstran adalah polisakarida yang terdiri dari glukosa dan merupakan lendir gum. Bakteri tersebut sangat baik pertumbuhannya pada ph 7-8 dan suhu kamar. Selain itu Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus vulgatus dan Bacillus levaniformans juga menghasilkan levan yang berupa lendir gum, tetapi lebih sedikit jika dibandingkan dengan Leuconostoc sp. Lendir gum yang terbentuk dalam nira tebu dapat menimbulkan beberapa masalah seperti: - Penyumbatan pada pipa, saringan dan pompa pengolahan gula - Kesalahan pada penilaian polarisasi karena dekstran mempunyai rotasi spesifik antara Dekstran akan meningkatkan viskositas larutan, sehingga hasil kristalisasinya rendah - Asam yang ditimbulkan bakteri akan menyebabkan terjadinya inversi sukrosa 2. Bakteri aerob pembentuk spora, yaitu Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Bacillus megatherium, Bacillus aterrimus dan Bacillus mesentericus. 3. Bakteri aerob tidak membentuk spora, yaitu spesies Micrococcus seperti Flavobacterium, Achomabacterium dan Escherichia. Kerusakan nira ditandai dengan rasa yang asam, adanya buih dan lendir. Kerusakan terjadi karena aktifitas mikroba dalam nira. Kerusakan nira tebu (sukrosa) baik sebelum dan sesudah diolah sangat tergantung pada ph nira dan

26 suhu pemurnian nira. Pada ph yang rendah sukrosa akan terinversi menjadi glukosa dan fruktosa. Selain komponen gula dan asam-asam organik terdapat komponen lain dalam nira yang mempengaruhi proses pembuatan gula. Komponen tersebut harus dihilangkan, terutama dalam proses pemurnian karena komponen-komponen tersebut dapat mempengaruhi proses kristalisasi serta produk yang dihasilkan, misalnya warna gula yang merah. Komposisi senyawa zat bukan gula dalam nira dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 Kandungan senyawa bukan gula dalam nira No. Bahan bukan gula Jumlah (%) Karbohidrat (tidak termasuk gula) Hemiselulosa dan pentosa (xylan) Pektin Senyawa nitrogen organik Protein tinggi (albumin) Protein sederhana (albuminosa dan peptosa) Asam amino (glisin, asam aspartat) Asam amida (asparagin, glutamin) Asam organik (tidak termasuk amino) Akotinat, oksalat, suksinat, glikolat, malat Zat warna Khlorofil, anthocyanin, saccharetin, tannin Lilin, lemak dan sabun Lilin tebu Garam anorganik Fosfat, khlorida, sulfat, silikat,nitrat dari Na, K, Ca, Mg, Al, dan terutana Fe Silika 8,5 1,5 7,0 2,0 9,5 15,5 13,0 17,0 17,0 7,0 2,0 Sumber: Wijandi (1985)

27 Komponen Nira Tebu Gula merupakan senyawa organik yang penting sebagai bahan makanan, karena gula mudah dicerna dalam tubuh sebagai sumber kalori. Selain sebagai bahan makanan gula juga digunakan sebagai bahan pengawet dan bahan percampur obat-obatan. Gula termasuk golongan karbohidrat, mempunyai rasa manis dan larut dalam air serta mempunyai sifat aktif optis yang dijadikan ciri khas untuk mengenal setiap gula. Sukrosa Sukrosa merupakan disakarida yang mempunyai rumus kimia C 12 H 22 O 11, dan terdiri dari dua komponen monosakarida yaitu D-glukosa dan D-fruktosa. Sukrosa terbentuk dari karbohidrat dari hasil proses asimilasi pada tanaman. Sukrosa merupakan senyawa kimia yang paling banyak tersebar diseluruh bagian tanaman dan terdapat dalam cairan dari tanaman. Pada beberapa jenis tanaman seperti tebu, sukrosa disimpan dalam jumlah yang tinggi pada bagian batang. Sukrosa mempunyai nilai ekonomis karena kemurnian dan rasa manisnya. Sukrosa digunakan sebagai bahan makanan dan minuman atau digunakan dalam industri makanan dan farmasi. Sebagai salah satu kebutuhan pokok manusia, penggunaan sukrosa terus meningkat seiring peningkatan jumlah populasi manusia dan perkembangan peradaban manusia. Gula kristal mengandung 99,9% sukrosa. Kemanisan relatif sukrosa dibandingkan dengan jenis pemanis lainnya disajikan pada Tabel 4. Sukrosa mempunyai sifat sedikit higroskopis dan sangat larut dalam air. Dalam garam kelarutan sukrosa akan berubah yang tergantung pada jenis garam, konsentrasi garam, konsentrasi sukrosa dan suhu. Makin sedikit jumlah garam mengakibatkan makin rendah kelarutan sukrosa, sedangkan makin tinggi jumlah garam makin tinggi kelarutannya. Hal ini sangat penting pada teknologi gula karena mempengaruhi terjadi molases. Pada molases, 5 gram gula tidak akan mengkristal bila terdapat 1 gram garam organik, terutama senyawa nitrogen yang mempunyai pengaruh besar terhadap kelarutan.

28 Tabel 4 Kemanisan relatif beberapa pemanis Pemanis Kemanisan relatif Pemanis Kemanisn relatif Sukrosa Fruktosa Glukosa Maltosa Laktosa Galaktosa Manitol Sorbitol 1 1,2-1,8 0,60 0,50 0,15-0,30 0,32 0,40 0,50 Xylosa Xylitol Siklamat Alitame Acesulfame K Sukralosa Aspartam Sakarin 0,67 0,85-1, Sumber: Wijandi (1985) Molekul sukrosa mempunyai atom karbon yang tidak simetris, sehingga larutan sukrosa dapat memutar bidang polarisasi cahaya. Sukrosa dapat terhidrolisis dengan adanya ion hidrogen atau suatu ferment (ragi) tertentu menjadi D-glukosa dan D-frkutrosa. Bila sukrosa murni dengan rotasi 100 o S dihidrolisa, maka rotasi bidang polarisasi cahaya menjadi -33 o S atau rotasi spesifik sukrosa dari +66 o,5 (dekstro) menjadi -37 o S (levo). Perubahan rotasi spesifik dari kanan (dekstro) pada sukrosa menjadi kekiri (levo) dari campuran monosakarida akibat hidrolisa dinamakan inversi. Campuran D-glukosa dan D- fruktosa dalam jumlah yang sama disebut gula invert. Larutan sukrosa dengan adanya ion OH - dan pemanasan, akan terjadi dekomposisi serta terbentuk furfural, 5-hidroksil-metil-2-furfural, metil glioksil, gliseraldehida, diaksiaseton, aseton, asam asetat, asam trioksiglutarat, asam trioksibutirat, asam laktat, asam format dan CO 2. Larutan sukrosa yang diberi kapur dan ph 12, bila dipanaskan selama 1 jam akan terjadi kehilangan sukrosa sebanyak 0,5 persen. Penguraian sukrosa biasanya diikuti dengan pembentukan sedikit suatu campuran yang dapat dikenal, tetapi memberikan warna coklat tua yang nyata sekali. Pembentukan warna coklat tua ini dikenal dengan reaksi browning. Makin tinggi jumlah dekomposisi sukrosa makin nyata warnanya. Akibat terbentuknya asam pada waktu dekomposisi sukrosa, ph larutan akan turun. Penurunan nilai ph karena pembentukan asam menyebabkan warna berkurang, tetapi sekitar ph netral akan mulai terjadi kehilangan sukrosa akibat

29 inversi. Dekomposisi sukrosa yang paling rendah terjadi pada ph 9, karena konsentarsi H + (penyebab inversi) dan konsentrasi OH - (penyebab terbentuknya asam dan warna) sangat rendah sekali. Kehilangan sukrosa pada ph 9 dan tekanan normal kurang lebih sebanyak 0,05 persen. Sukrosa yang dipanaskan dibawah titik cair akan mengalami dekomposisi yang lambat, tetapi bila panasnya lebih tinggi lagi dekomposisi akan semakin cepat. Pada pemanasan di bawah suhu titik cair terjadi dekomposisi sukrosa menjadi D-glukosa dan D-fruktosan (D-fruktosa + 1 H 2 O) bila campuran tersebut dilarutkan dalam air, maka D-fruktosan akan menjadi D-fruktosa. Dekomposisi sukrosa juga dapat terjadi oleh asam mineral kuat seperti asam sulfat dan asam klorida. Sukrosa dengan hidrogen peroksida menghasilkan O 2, H 2, CO 2, asam format serta asam dan aldehid lainya. Sukrosa dapat tereduksi dengan adanya katalis metal menghasilkan D-manitol, D-sorbitol, gliserol, propilen glikol, etilen glikol, dan senyawa lainya. Enzim yang dihasilkan oleh khamir dapat menghidrolisis sukrosa menjadi D-glukosa dan D-fruktosa. Reaksi hidrolisis sukrosa disajikan pada Gambar 1. Hidrolisis sukrosa dengan enzim antara lain oleh α-glukopianosidase (αglukosidase) dan ß-fruktrofuranosidase (ß-D-fruktosidase, invertase) akan menghasilkan gula invert dan kemudian difermentasikan menjadi alkohol, asam laktat, asam butirat dan asam asetat oleh ragi dan bakteri yang sesuai. Sukrosa dapat terdekomposisi oleh bakteri, khamir dan kapang. Aktivitasnya tergantung dari kemurnian sukrosa, suhu dan a w (water activity). Gambar 1 Reaksi hidrolisis sukrosa. Sukrosa memiliki berat molekul 342,296 g/mol, dengan sistem kristalnya berbentuk kristal monoklin hemimorfik dan sangat bervariasi. Kemurnian sukrosa

30 mempengaruhi bentuk dan keadaan kristal. Titik cair sukrosa antara 185 o C sampai 186 o C. Kristal sukrosa murni tidak berwarna dan transparan. Kelarutan sukrosa dalam air dipengaruhi oleh suhu dan zat lain yang terlarut seperti garamgaram organik. Makin tinggi suhu dan jumlah garam dalam air, makin tinggi pula jumlah sukrosa yang larut. Bila larutan sukrosa jenuh diuapkan airnya atau didinginkan, maka akan diperoleh larutan sukrosa yang sangat jenuh. Larutan sukrosa sangat jenuh tersebut dapat berubah kestabilannya. Bahan bukan sukrosa yang diadsorpsi permukaaan kristal akan menghambat proses pertumbuhan kristal. Penambahan konsentrasi gula akan menambah viskositas larutan. Kenaikan suhu larutan akan menyebabkan penurunan viskositasnya. Bahan bukan sukrosa dalam larutan akan menyebabkan peningkatan atau penurunan viskositas larutan. Contohnya pembentukan gum oleh bakteri menyebabkan peningkatan viskositas larutan nira. Nira tebu mengandung senyawa yang mempunyai tegangan permukaan yang aktif, sedangkan larutan gula yang tidak murni mempunyai tegangan permukaan yang lebih rendah dari pada air. Makin tinggi konsentrasi sukrosa dalam larutan akan makin tinggi tegangan permukaannya. Glukosa Glukosa adalah karbohidrat dengan rumus kimia C 6 H 12 O 6 yang termasuk monosakharida heksosa atau aldoheksosa. Glukosa terdapat dalam bentuk L- glukosa dan D-glukosa. L-glukosa tidak terdapat di alam secara bebas. D-glukosa merupakan gula yang banyak terdapat dari alam dalam keadaan bebas misalnya dalam jaringan binatang dan dalam nira dari tanaman, dan dalam bentuk ikatan antara lain dalam glukosida tanaman, disakharida, trisakharida, selulosa, pati dan lain-lain. Glukosa dapat berbentuk kristal anhidrat dan kristal hidrat. Kristal hidrat diperoleh dari hasil mengkristalkan dalam air pada suhu dibawah 50 o C dan dapat dijadikan kristal anidrat dengan cara pemanasan pada lapisan tipis pada cawan yang mendatar. Anhidrat glukosa merupakan kristal halus berbentuk jarum dan mempunyai rumus β- D-glukopiranosa yang memiliki titik cair 146 o C-147 o C.

31 Kelarutan glukosa pada suhu rendah lebih kecil dari pada kelarutan sukrosa. Garam atau asam yang terdapat dalam larutan akan mempercepat kelarutan glukosa, karena asam akan mempercepat reaksi mutarosasi atau isomerisasi yaitu reaksi kesetimbangan antara bentuk α- dan β-. Jumlah persen glukosa dalam larutan dapat diperoleh dari rotasi optiknya. Rotasi tetap dari glukosa anhidrat yaitu +52,5 o, glukosa hidrat +48,2 o ([α] D ). Rotasi yang tinggi dapat mencapai +106 o dan terendah +22,5 o. Glukosa mempunyai sifat pereduksi, karena memiliki gugus keton atau aldehid dalam molekulnya. Sifat pereduksi ini digunakan untuk menetapkan adanya glukosa dan gula pereduksi lainnya. Penetapan ini didasarkan reduksi garam logam dalam larutan basa. Pada umumnya penetapan sifat dan jumlah gula reduksi dilakukan dengan menggunakan larutan garam CuSO 4.5H 2 O dalam basa dengan katalis asam sitrat atau tartarat. Setiap gula memiliki daya reduksi yang berlainan, sehingga jumlah larutan garam yang digunakan juga berbeda. Glukosa difermentasikan menjadi alkohol oleh beberapa spesies Saccharomyces, Mucor, Torula dan Mycoderma, (Wijandi 1985), seperti disajikan pada Persamaan 4. C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2...Persamaan (4) Dari 100 bagian glukosa akan terbentuk 51,11 bagian alkohol dan 48,89 bagian karbondioksida. Fermentasi ini berjalan baik pada suhu 30 o C sampai 35 o C dengan konsentrasi glukosa 5 sampai 20 persen. Glukosa juga akan terfermentasi menjadi asam laktat oleh bakteri Bacillus lactic acidi pada suhu 45 o C sampai 55 o C selama 3 atau 6 hari. Persamaan 5 menyajikan reaksi pembentukan asam butirat oleh bakteri Clostridium butyricum dalam larutan glukosa. C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2 CO2 + 2 H 2...Persamaan (5) Suhu yang baik untuk pertumbuhan bakteri ini adalah 35 o C sampai 40 o C. Glukosa juga dapat terfementasikan menjadi asam glukonat, asam sitrat, asam oksalat dan ester, dengan adanya beberapa jenis bakteri. Fruktosa Fruktosa merupakan karbohidrat dengan rumus kimia C 6 H 12 O 6 yang termasuk monosaharida heksosa atau ketoheksosa. L-fruktosa tidak terdapat

32 dialam, tetapi D-fruktosa merupakan gula yang terdapat dalam keadaan bebas maupun dalam bentuk ikatan. D-fruktosa terdapat banyak dialam dalam bentuk bebas misalnya dalam nira tanaman dari buah, batang dan bunga. D-fruktosa dan D-glukosa biasanya terdapat hampir sama banyaknya dalam tanaman, karena keduanya kebanyakan hasil inversi sukrosa oleh enzim. Fruktosa mengkristal dalam bentuk D-fruktopiranosa yang dapat berupa kristal anhidrat dan kristal hidrat. Kristal fruktosa berbentuk jarum dengan titik cair 95 o C sampai 100 o C. Fruktosa dapat larut baik dalam air dingin, tetapi sedikit larut dalam alkohol. Degradasi Sukrosa dalam Nira Tebu Degradasi sukrosa dalam nira tebu dapat disebabkan oleh aktivitas mikroba melalui proses fermentasi. Salah satu jenis mikroba yang menyebabkan degradasi sukrosa dalam nira tebu adalah Leuconostoc mesenteroides yang menghasilkan enzim yang mendegradasi sukrosa menjadi fruktrosa dan dekstran. Dekstran dihasikan oleh enzim dextransucrase dalam nira, yang dapat menghambat kristalisasi sukrosa. Jenis mikroba lain dalam nira tebu adalah Flavobacterium ngenes, Brevibacterium sulferes, Flavobacterium devoras, Candida pulchemma, bactobacillus arabinosus, Saccharomyces lactis dan Saccharococcus sacchari yang dapat membentuk glikoprotein dalam batang tebu (Legaz et al. 2000). Degradasi sukrosa dalam nira tebu ditandai dengan rasa asam, berbuih dan berlendir. Beberapa mikroba dalam nira, seperti Saccharomyces cerevisiae dan Saccharomyces carisbergensis dapat menghasilkan enzim invertase. Invertase dapat menyebabkan reaksi inversi sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa. Invertase dalam tanaman tebu dapat berupa invertase netral (neutral invertase), invertase asam vakuola (vacuolar acid invertase), invertase asam yang terikat pada dinding sel (cell-wall bound acid invertase) dan invertase asam apoplastik terlarut (apoplastic soluble acid invertase) (Vorster & Botha 1998). Degradasi sukrosa pada nira tebu oleh enzim invertase (D-fructofuranoside fructrohydrolase, EC ) disebut reaksi inversi. Reaksi inversi sukrosa

33 dalam nira tebu disajikan pada Persamaan 1 sampai 3. Mikroba dalam nira yang menghasilkan enzim invertase menyebabkan reaksi hidrolisis sukrosa menjadi gula pereduksi. Pada reaksi selanjutnya, gula pereduksi hasil reaksi hidrolisis dikonsumsi oleh mikroba dan difermentasi menjadi alkohol dan selanjutnya dioksidasi menjadi asam asetat. Asam yang terbentuk menyebabkan terjadi hidrolisis sukrosa lebih lanjut. Reaksi inversi merupakan reaksi hidrolisis irreversible yang menghasilkan satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa. Reaksi inversi dipercepat dengan adanya panas. Reaksi Enzimatis Enzim adalah suatu biokatalis yang dihasilkan oleh sel-sel hidup dan dapat membantu mempercepat bermacam-macam reaksi biokimia. Enzim mengandung protein dan berperan dalam berbagai reaksi yang terjadi dalam benda hidup. Pada reaksi substrat dengan katalis, enzim mula-mula akan terbentuk kompleks antara enzim dan substrat. Substrat tersebut terikat pada lokasi aktif yang dimiliki enzim. Hal tersebut mengakibatkan ikatan-ikatan di dalam substrat pecah dan sebagai akibatnya terbentuk produk baru, sedangkan enzim dilepaskan kembali untuk selanjutnya berikatan dengan substrat lain. Mekanisme reaksi substrat membentuk produk dengan katalisis enzim disajikan dalam Gambar 2 (Hartoto & Sailah 1992). + Enzim Substrat Kompleks Enzim Substrat + Enzim Produk Gambar 2 Ikatan enzim-substrat pada pembentukan produk. Sebagai biokatalisator enzim dapat dipakai berulang-ulang dan dalam banyak hal beberapa molekul enzim saja yang diperlukan untuk mengkatalisis sejumlah substrat. Molekul enzim berikatan dengan substrat dalam waktu singkat,

34 dan mengubahnya menjadi produk dan melepaskannya. Setelah bebas dari produk, enzim dapat digunakan lagi untuk mengikat molekul substrat yang lain. Enzim sebagai biokatalis mempunyai beberapa sifat yang khas seperti: 1. Merupakan katalis sejati yang tidak dipengaruhi oleh reaksi kimia yang dikatalisisnya 2. Enzim dapat aktif walaupun dalam jumlah yang sedikit 3. Walaupun enzim mempercepat reaksi secara keseluruhan, tetapi tidak mempengaruhi kesetimbangan reaksi 4. Aksi katalisisnya bersifat spesifik Enzim adalah protein, maka sifat protein juga berlaku pada enzim. Suhu yang terlalu tinggi akan merusak struktur tiga dimensi enzim dan aktivitasnya. Tekanan osmosis dan ph yang terlalu rendah atau terlalu tinggi juga akan mengurangi bahkan mengubah fungsi enzim. Enzim terdiri dari struktur asam amino yang tersusun dalam bentuk tiga dimensi yang kompleks, dan dari struktur tersebut hanya sebagian kecil yang berfungsi interaksi dengan substrat. Bagian kecil dari molekul enzim yang berinteraksi dengan substrat disebut sisi aktif enzim. Sebelum membentuk produk (P), enzim (E) berikatan dengan substrat (S) pada sisi aktifnya, membentuk kompleks enzim substrat (ES), seperti disajikan pada Persamaan 6. E + S ES E + P...Persamaan (6) Sisi aktif enzim hanyalah beberapa rangkaian asam amino diantara ratusan asam amino yang terdapat dalam konfigurasi enzim. Faktor yang Mempengaruhi Aktivitas Enzim Pengetahuan faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim diperlukan untuk mempelajari sifat-sifat enzim secara khusus. Pengaruh faktor-faktor tersebut perlu diketahui untuk menentukan suatu media atau lingkungan buatan yang dapat memaksimumkan atau menghambat aktivitas enzim. Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi enzimatis disajikan pada Tabel 5.

35 Tabel 5 Faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi enzimatis No 1 Faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi Jenis Konsentrasi Faktor Konsentrasi enzim, substrat, produk, inhibitor, aktivator Keterangan yang dapat diperoleh Mekanisme reaksi, parameter kinetika (penentuan K m, V, K) 2 Faktor luar Suhu ph Parameter Termodinamika dan perubahannya ( G, H, S, E o ) ph golongan fungsional yang penting dalam mengikat substrat 3 Faktor dalam Struktur substrat, produk dan Sifat interaksi dengan aktivator enzim Golongan fungsional pada lokasi aktif enzim Struktur enzim Sifat biologi enzim, asam amino yang berperan pada sisi aktif Sumber: Suhartono (1989) Pengaruh suhu pada reaksi enzimatis merupakan suatu fenomena yang kompleks. Pengaruh suhu terhadap aktivitas reaksi enzimatis disajikan pada Gambar 3. Gambar 3 Pengaruh suhu terhadap aktivitas enzim. Peningkatan suhu sampai To terjadi kenaikan kecepatan reaksi enzimatis karena peningkatan energi kinetik yang mempercepat gerak vibrasi, translasi dan rotasi