KERAGAMAN KADAR LIGNIN PADA JENIS KAYU DAUN LEBAR DIN LUPITA SARI

Transkripsi

1 KERAGAMAN KADAR LIGNIN PADA JENIS KAYU DAUN LEBAR DIN LUPITA SARI DEPARTEMEN HASIL HUTAN FAKULTAS KEHUTANAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012

2 RINGKASAN Din Lupita Sari. Keragaman Kadar Lignin pada Jenis Kayu Daun Lebar. Dibawah bimbingan Ir. Deded Sarip Nawawi, M.Sc. Lignin merupakan komponen utama penyusun dinding sel kayu, kedua terbanyak setelah selulosa. Lignin terdapat diantara sel-sel yang berfungsi sebagai perekat untuk mengikat sel-sel bersama-sama, dan di dalam dinding sel yang seringkali berasosiasi dengan selulosa untuk memberikan ketegaran pada sel. Metode Klason merupakan prosedur standar yang umum digunakan untuk menentukan kadar lignin, yang menghasilkan informasi kadar lignin Klason dan lignin terlarut asam. Sifat reaktifitas lignin dapat diduga dari proporsi monomer penyusun lignin yang dinyatakan dalam nisbah siringil-guaiasil (nisbah S/G). Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kadar lignin; lignin Klason (acidinsoluble lignin) dan lignin terlarut asam (acid-soluble lignin), pada jenis kayu daun lebar, dan korelasinya dengan nisbah siringil-guaiasil penyusun polimer lignin. Jenis kayu yang diteliti terdiri dari 14 jenis kayu daun lebar, dan sampel uji diambil dari dua posisi yang berbeda. Kadar lignin diukur dengan metode Klason. Kadar lignin terlarut asam diukur dari filtrat yang dihasilkan dalam penentuan lignin Klason menggunakan alat UV Visible Spectrophotometer SHIMADZU UV Pharma Spec pada panjang gelombang 205 nm dengan koefisien absorbsi 110 Lg -1 cm -1. Penentuan nisbah siringil-guaiasil diukur dengan menggunakan alat Pyrolisis Gas Chromatography Mass Spectrometry (Pyr-GC- MS). Hasil penelitian menunjukkan kadar lignin; kadar lignin Klason, lignin terlarut asam, dan lignin total dalam kayu berbeda antar jenis kayu dan posisi sampel. Kadar lignin bagian kayu dekat empulur cenderung lebih rendah dibanding bagian kayu gubal dekat kulit. Selain itu, terdapat kecenderungan dengan meningkatnya kadar lignin terlarut asam pada kayu diikuti menurunnya kadar lignin Klason. Korelasi positif terjadi antara kadar lignin terlarut asam dengan nisbah siringil-guaiasil, yaitu dengan meningkatnya kadar lignin terlarut asam diikuti oleh meningkatnya nisbah siringil-guaiasil. Oleh sebab itu, lignin terlarut asam dapat digunakan sebagai parameter penduga dalam kemudahan proses delignifikasi kayu pada proses pulping. Kata kunci: kadar lignin, lignin Klason, lignin terlarut asam, nibah siringilguaiasil ii

3 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Keragaman Kadar Lignin pada Jenis Kayu Daun Lebar adalah karya saya sendiri dengan bimbingan dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. 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 skripsi ini. Bogor, Juni 2012 Din Lupita Sari NIM E iii

4 KERAGAMAN KADAR LIGNIN PADA JENIS KAYU DAUN LEBAR DIN LUPITA SARI E SKRIPSI Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Kehutanan pada Fakultas Kehutanan Institut Pertanian Bogor DEPARTEMEN HASIL HUTAN FAKULTAS KEHUTANAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012 iv

5 LEMBAR PENGESAHAN Judul Nama NRP : Keragaman Kadar Lignin pada Jenis Kayu Daun Lebar. : Din Lupita Sari : E Menyetujui, Dosen Pembimbing Ir. Deded Sarip Nawawi, M.Sc. NIP Mengetahui, Ketua Departemen Hasil Hutan Dr. Ir. I Wayan Darmawan, M. Sc. NIP Tanggal Lulus: v

6 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menyusun tugas akhir dengan judul Keragaman Kadar Lignin pada Jenis Kayu Daun Lebar sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Kehutanan. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Deded Sarip Nawawi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang selalu sabar memberikan bimbingan, arahan, bantuan, nasehat dan masukan selama penelitian hingga skripsi ini selesai, kepada keluarga yang tak pernah henti memberikan doa, semangat dan dukungan, dan kepada Ibu Dr. Ir. Arum Sekar Wulandari, MS selaku dosen penguji atas semua saran, motivasi dan nasehat demi kesempurnaan skripsi ini, serta kepada semua pihak yang telah membantu dan memberi dukungan selama penyelesaian tugas akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa karya ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran penulis terima dengan senang hati. Harapan penulis semoga tulisan ini memberikan manfaat untuk kita semua. Amin. Bogor, Juni 2012 Penulis vi

7 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 14 Agustus 1990 sebagai anak kedua dari tiga bersaudara dalam keluarga Bapak Waluyo dan Ibu Mardiah. Jenjang pendidikan formal yang telah dilalui penulis adalah TK. Islam Al- Amanah, kemudian dilanjutkan di SDN Pejuang 1 Bekasi pada tahun Penulis melanjutkan ke SLTP Negeri 5 Bekasi dan lulus pada tahun 2005, dan masuk ke Madrasah Aliyah Negeri 8 Jakarta Timur dan lulus tahun Pada tahun 2008 penulis diterima sebagai mahasiswa di Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI dan mendapatkan mayor Teknologi Hasil Hutan dan pada tahun 2011 memilih Bagian Kimia Hasil Hutan sebagai bidang keahlian. Penulis telah mengikuti beberapa kegiatan praktek lapang antara lain Praktek Pengenalan Ekosistem Hutan (PPEH) pada bulan Juli 2010 di Papandayan dan Sancang Timur, Jawa Barat. Pada bulan Juli 2011 penulis melakukan Praktek Pengelolaan Hutan (PPH) di Gunung Walat, Sukabumi. Penulis juga melakukan Praktek Kerja Lapang di PT. AW Faber Castell Indonesia, Bantargebang, Bekasi, Jawa Barat pada bulan Februari-April Kegiatan kemahasiswaan yang pernah diikuti penulis yaitu pengurus DKM Ibadurrahman pada tahun dan Himpunan Profesi Departemen Hasil Hutan (Himasiltan) pada tahun Penulis juga pernah menjadi panitia Kompak THH tahun Untuk menyelesaikan tugas akhir, penulis melakukan penelitian dan menyusun skripsi dengan judul Keragaman Kadar Lignin pada Jenis Kayu Daun Lebar, dibawah bimbingan Ir. Deded Sarip Nawawi, M.Sc. vii

8 DAFTAR ISI DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR LAMPIRAN... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Lignin Lignin Terlarut Asam Heterogenitas Struktur Kimia Lignin... 5 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Bahan dan Alat Metode Penelitian Penyiapan Partikel kayu Ekstraksi Etanol-Toluena Penentuan Kadar Lignin Klason Penentuan Kadar Lignin Terlarut Asam Penentuan Nisbah Siringil-Guaiasil Lignin Analisis Data... 9 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Lignin Klason Lignin Terlarut Asam (Acid Soluble Lignin) Proporsi Lignin Terlarut Asam terhadap Kadar Lignin Total Korelsi antara Lignin Terlarut Asam dengan Nisbah S/G BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Halaman viii

9 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

10 DAFTAR TABEL No Halaman 1. Jenis kayu daun lebar yang dianalisis Produk pirolisis monomer siringil dan guaiasil penyusun lignin... 9 x

11 DAFTAR GAMBAR No Halaman 1. Pengambilan contoh uji Kadar lignin Klason kayu pada jenis kayu dan bagian kayu yang berbeda Kadar lignin terlarut asam pada jenis kayu dan bagian kayu yang berbeda Kecenderungan kadar lignin Klason dan kadar lignin terlarut asam (Acid-soluble lignin, ASL) pada jenis kayu daun lebar Hubungan antara nisbah siringil-guaiasil dengan lignin terlarut asam pada jenis kayu daun lebar xi

12 DAFTAR LAMPIRAN No Halaman 1. Kromatogram analisis Pyr-GC-MS xii

13 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Komponen kimia penyusun kayu terutama terdiri dari senyawa organik dan sejumlah kecil bahan anorganik. Komponen kimia organik penyusun kayu terdiri dari selulosa, hemiselulosa, lignin, dan ekstraktif, sedangkan senyawa anorganik antara lain kalsium, kalium, fospor, dan lainnya yang dinyatakan sebagai abu. Lignin merupakan komponen dinding sel kayu yang berdasarkan strukturnya berbeda dari selulosa dan hemiselulosa (Tsoumis 1991). Lignin merupakan fenol yang mempunyai struktur yang berbeda antar jenis kayu daun jarum dan daun lebar. Lignin terdapat di antara sel-sel yang berfungsi sebagai perekat untuk mengikat sel-sel bersama-sama, dan di dalam dinding sel yang seringkali berasosiasi dengan selulosa untuk memberikan ketegaran pada sel (Haygreen & Bowyer 1989). Kadar lignin dalam kayu berpengaruh terhadap sifat dasar dan pengolahan kayu. Lignin berperan terhadap sifat kekerasan dan kekakuan kayu, serta ketahanan kayu terhadap perusak biologis melalui mekanisme physical barrier. Dalam industri pulp dan kertas, kadar lignin mempengaruhi efisiensi proses dan mutu produk (Casey 1984, Sjostrom 1991). Metode Klason merupakan prosedur standar yang umum digunakan untuk menentukan kadar lignin. Prosedur ini memisahkan lignin sebagai material yang tidak larut selama depolimerisasi selulosa dan hemiselulosa dalam asam sulfat 72%, yang diikiuti hidrolisis asam sulfat 3% panas. Bagian dari lignin yang terlarut dalam filtrat disebut sebagai lignin terlarut asam (Yasuda et al. 2001). Kadar lignin terlarut asam seringkali diabaikan karena jumlahnya yang sangat kecil, khususnya pada jenis kayu daun jarum yang jumlahnya lebih kecil dari 1% (Akiyama et al. 2005). Akan tetapi pada jenis kayu daun lebar, kadar lignin terlarut asam merupakan parameter penting dalam pengukuran kadar lignin. Proporsi lignin terlarut asam dalam jenis kayu daun lebar relatif besar (berkisar 1-5%), sehingga mempengaruhi kadar lignin total.

14 2 Lignin terlarut asam juga diduga berkorelasi dengan reaktifitas lignin. Penelitian terhadap lignin model, mengindikasikan bahwa pembentukan lignin terlarut asam selama prosedur lignin Klason berkaitan dengan keberadaan unit lignin siringil (Yasuda et al. 2001). Sementara itu, unit siringil dalam lignin memiliki reaktifitas yang lebih tinggi dibanding unit guaiasil dalam lignin. (Matsushita et al. 2007, Tsutsumi et al. 1991). Oleh sebab itu, kadar lignin terlarut asam penting bukan hanya berkaitan dengan kadar lignin total dalam kayu tetapi juga bermanfaat untuk pendugaan reaktifitas lignin khususnya dalam reaksi delignifikasi. 1.2 Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kadar lignin; lignin Klason (acidinsoluble lignin) dan lignin terlarut asam (acid-soluble lignin), pada jenis kayu daun lebar, dan korelasinya dengan nisbah siringil-guaiasil penyusun polimer lignin. 1.3 Manfaat Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai keragaman kadar lignin; lignin Klason dan terlarut asam; pada jenis kayu daun lebar dan korelasinya dengan reaktifitas lignin. Hal ini sangat diperlukan dalam upaya pemanfaatan kayu yang efisien dan menjadi dasar dalam pengembangan inovasi produk pengolahan kayu berbasis komponen kimianya.

15 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Lignin Lignin merupakan komponen utama penyusun dinding sel kayu, kedua terbanyak setelah selulosa. Lignin berfungsi sebagai pengikat antara serat kayu, sebagai agen kekakuan dalam serat, dan sebagai penghalang terhadap degradasi enzimatik dinding sel (Dekker 1991). Lignin merupakan salah satu komponen kimia yang berbeda strukturnya antar jenis kayu yang berbeda, bahkan lignin sering dianggap berkaitan erat dengan evolusi tumbuhan berkayu (Shao et al. 2008, Vanholme et al. 2010). Berdasarkan morfologinya, lignin merupakan senyawa amorf yang terdapat dalam lamela tengah dan dalam dinding sekunder sel tumbuhan. Lignin memiliki struktur molekul yang sangat berbeda bila dibandingkan dengan polisakarida karena terdiri atas sistem aromatik yang tersusun atas unit-unit fenilpropana (Rowell et al. 2000, Fengel & Wegener 1984). Dalam tumbuhan berkayu, lignin merupakan polimer kompleks yang bervariasi antar jenis kayu dan antar kelompok kayu daun jarum dan kayu daun lebar (Akiyama et al. 2005, Rowell et al. 2000, Fengel & Wegener 1984), serta pada kayu reaksi (Timell 1986, Yoshida et al. 2002). Konsentrasi lignin tertinggi terdapat pada lamela tengah dan dengan konsentrasi yang lebih rendah terdapat dalam dinding sekunder sel serat. Akan tetapi, oleh karena tebalnya dinding sekunder, paling sedikit 70% lignin kayu terdapat dalam dinding sekunder (Sjostrom 1991). 2.2 Lignin Terlarut Asam Dalam penentuan kadar lignin kayu dengan metode Klason, selain dihasilkan residu berupa lignin Klason, juga dihasilkan lignin terlarut asam dalam jumlah yang lebih kecil (Matsushita et al. 2004). Fraksi lignin terlarut asam pada kayu daun lebar relatif lebih tinggi dibandingkan kayu daun jarum (Akiyama et al. 2005). Kadar lignin terlarut asam yang tinggi pada kayu akan memberikan pengaruh terhadap besarnya kadar total lignin. Lignin terlarut asam terdiri dari

16 4 dua komponen yaitu produk degradasi lignin dan bahan hidrofilik sekunder yang terbentuk seperti lignin-karbohidrat kompleks (Yasuda et al. 2001). Lignin terlarut asam ditemukan meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan metoksil di dalam kayu (Yasuda et al. 1986). Kayu daun lebar yang memiliki kandungan metoksil yang lebih tinggi, menghasilkan lignin terlarut asam yang tinggi. Tingginya kadar metoksil ini sangat mungkin berkaitan dengan tingginya proporsi unit siringil dalam lignin, karena kadar metoksil ditemukan berkorelasi positif dengan nisbah siringil/guaiasil (Obst 1982, Obst & Ralph 1983). Selama prosedur penentuan lignin Klason, unit siringil lignin membentuk produk lignin-karbohidrat terlarut asam, terutama dalam bentuk ikatan C- glikosida dari lignin dengan hemiselulosa (Matsushita et al. 2004). Selain itu Yasuda et al. (1990) menambahkan bahwa sebagian besar lignin terlarut asam yang terkandung dalam asam sulfat 72% berasal dari siringil lignin. Kesalahan di dalam penentuan kadar lignin kayu, dapat disebabkan oleh senyawa-senyawa dan hasil-hasil reaksi yang tetap tinggal dengan lignin yang tidak dapat dihidrolisis dan menyebabkan seolah-olah kadar lignin tinggi. Pada sisi lain sebagian lignin larut pada kondisi asam, memberikan hasil kadar lignin yang lebih rendah. Lignin terlarut asam pada jenis kayu daun jarum berkisar 0,2-0,5% dan pada kayu lebar sebesar 3-5% (Akiyama et al. 2005, Fengel & Wegener 1984). Penentuan kadar lignin terlarut asam diperoleh melalui pengukuran absorbansi ultraviolet dari filtrat isolasi lignin Klason. Panjang gelombang yang digunakan adalah 205 nm, dan absorptivitas sebesar 110 L / g cm. Asam sulfat 3% digunakan sebagai larutan acuan dalam pengukuran UV (Dekker 1991). Pengukuran absorbsi UV pada larutan hidrolisis untuk menentukan kadar lignin terlarut asam dapat dilakukan pada panjang gelombang 205 nm dan 280 nm. Akan tetapi, hasil degradasi karbohidrat seperti hidroksimetilfurfural dari heksosa, furfural dari pentosa dan asam uronik dapat menganggu proses analisis pada panjang gelombang 280 nm. Oleh karena itu, dianjurkan agar penentuan lignin terlarut asam dilakukan dengan menggunakan panjang gelombang 205 nm walaupun faktor lain juga dapat mengganggu pengukuran pada panjang gelombang yang lebih rendah (Swan 1965).

17 5 2.3 Heterogenitas Struktur Kimia Lignin Lignin kayu berbeda dalam kadar dan struktur kimianya untuk jenis kayu yang berbeda, dan perbedaan ini diduga berkorelasi dengan evolusi tumbuhan (Higuchi et al. 1977, Vanholme et al. 2010). Selain itu, perbedaan lignin dalam kayu juga ditemukan antar jaringan kayu. Lignin yang terdapat dalam dinding sekunder sel pembuluh dan dalam lamela tengah terutama lignin guaiasil, tetapi lignin didalam dinding sekunder sel serat dan jaringan parenkim terutama disusun oleh lignin siringil. Secara umum, lignin dari lamela tengah dan sel serat serta pada sel jari-jari merupakan campuran antara lignin siringil dengan guaiasil (Fergus & Goring 1970ab). Perbedaan proporsi tipe monomer dan frekuensi tipe ikatan pada polimer lignin juga ditemukan, antara kelompok tumbuhan gimnospermae dan angiospermae (Vanholme et al. 2010). Kayu daun jarum (gymnospermae), kayu daun lebar (dikotil, angiospermae) dan rerumputan (monokotil, angiospermae) berbeda dalam hal kandungan unit-unit guaiasil, siringil, dan p-hidroksifenil (Fengel & Wegener 1984). Kayu daun jarum yang termasuk gymnospermae mengandung terutama lignin guaiasil, dan sedikit unit p-hidroksifenil. Sementara itu, kayu daun lebar dari kelompok angiospermae memiliki tipe lignin guaisil-siringil yang mengandung unit siringil sebagai tambahan dari unit guaiasil dan p-hidroksifenil (Boerjan et al. 2003, Higuchi et al. 1977). Lignin guaiasil terutama merupakan polimer koniferil alkohol sedangkan lignin guaiasil-siringil tersusun dari guaiasil dan siringil dengan perbandingan tertentu, di samping sejumlah kecil unit p- hidroksifenil. Variabilitas komposisi lignin jauh lebih besar pada jenis kayu daun lebar dibandingkan dengan jenis kayu daun jarum.

18 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan selama dua bulan bertempat di Laboratorium Kimia Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Institut Pertanian Bogor. Pengujian lignin terlarut asam dilakukan di Laboratorium Kimia Bersama, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Analisis Pirolisis Gas Kromatografi Spektrometri Massa (Pyr-GC-MS) dilakukan di Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Kementerian Kehutanan di Bogor. 3.2 Bahan dan Alat Jenis kayu yang diteliti terdiri dari 14 jenis kayu daun lebar yang berasal dari daerah Bogor Jawa Barat (Tabel 1). Sampel kayu berbentuk lempengan (disc) diambil dari bagian pangkal batang pohon berdiameter sekitar cm. Pengujian kadar lignin dilakukan untuk contoh uji kayu gubal dan bagian kayu dekat empulur (Gambar 1). Tabel 1 Jenis kayu daun lebar yang dianalisis No. Nama Lokal Nama Botani 1. Api-api Avicennia sp 2. Durian Durio zibethinus 3. Jambu air Eugenia aquea 4. Kecapi Sandoricum koetjapi 5. Keluwih Artocarpus communis 6. Kupa Eugenia polycephala 7. Kweni Mangifera odorata 8. Lamtoro Leucaena glauca 9. Nangka Arthocarpus heterophylus 10. Pala Myristica fragrans 11. Petai Parkia speciosa 12. Rambutan Nephelium lappaceum 13. Randu Ceiba pentandra 14. Sampang Euodia roxbughian

19 7 Kayu gubal Kayu juvenil Empulur Gambar 1 Pengambilan contoh uji. Peralatan yang digunakan pada penelitian ini antara lain, Willey mill, oven, UV Visible Spectrophotometer SHIMADZU UV Pharma Spec. 1700, Pirolisis Gas Kromatografi-Spektrometri Massa (Pyr-GC-MS), timbangan analitik, waterbath, soxhlet, gelas ukur, desikator, pemanas air, erlenmeyer, tabung reaksi, pipet, kertas saring, aluminium foil, dan peralatan gelas. 3.3 Metode Penelitian Penyiapan Partikel Kayu Sampel kayu untuk analisis komponen kimia disiapkan dalam bentuk partikel ukuran mesh untuk memfasilitasi reaksi yang baik antara kayu dengan pereaksi. Serbuk kayu disiapkan melalui penggilingan serpihan-serpihan kecil sampel kayu dengan alat Willey mills. Partikel kayu disaring untuk memperoleh partikel lolos saringan 40 mesh dan tertahan pada saringan 60 mesh Ekstraksi Ethanol-Toluena Sebelum pengujian kadar lignin, serbuk kayu diekstraksi dengan pelarut campuran ethanol/toluena untuk menghilangkan zat ekstraktif dari dalam sampel. Ekstraksi dilakukan dengan metode standar TAPPI T 204 om 88 modifikasi. Serbuk kayu sebanyak 5 gram diekstraksi dengan 300 ml campuran ethanol/toluena (1:2) selama 8 jam. Setelah ekstraksi, sampel dicuci dengan ethanol hingga larutan bening dan dikeringudarakan. Setelah itu sampel diekstraksi dengan air panas selama tiga jam. Serbuk kayu bebas ekstraktif kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu C hingga beratnya konstan.

20 Penentuan Kadar Lignin Klason Pengujian kadar lignin dilakukan berdasarkan metoda Klason modifikasi (Dence 1992). Serbuk bebas ekstraktif sebanyak 0,5 gram ditempatkan dalam gelas piala 100 ml, kemudian ditambahkan 5 ml asam sulfat 72% secara perlahan sambil diaduk pada suhu 20 1 C. Sampel direaksikan selama 3 jam sambil diaduk setiap 15 menit, kemudian diencerkan hingga mencapai konsentrasi asam sulfat 3%. Hidrolisis dilanjutkan pada suhu 121 C selama 30 menit dengan menggunakan alat autoclave. Lignin diendapkan, disaring dan dicuci dengan air destilata panas hingga bebas asam. Residu lignin, kemudian dioven pada suhu C selama 24 jam, didinginkan dan ditimbang. Kadar lignin = (B/A) x 100% Dimana; B = berat lignin (gram) A = berat kering serbuk awal (gram) Penentuan Kadar Lignin Terlarut Asam (Acid-Soluble Lignin) Dari pengujian lignin Klason, volume filtrat digenapkan menjadi 1000 ml. Lignin terlarut asam diuji dengan menggunakan alat spektrofotometer pada panjang gelombang 205 nm dengan koefisien absorpsi 110L/g.cm. Sebagai standar digunakan larutan asam sulfat hasil pengenceran dari 5 ml asam sulfat 72% menjadi 1000 ml. Konsentrasi lignin terlarut asam dihitung sebagai: C= (A/110) x (Vf/Vi) Dimana : A = Nilai absorpsi pada alat spectrofotometer Vf/Vi = Faktor pengenceran larutan Kadar lignin terlarut asam dihitung : ASL = (CV/(1000xBKT)) x 100% Dimana : CV = Konsentrasi lignin terlarut asam dalam liter BKT = Berat sampel kayu

21 Penentuan Nisbah Siringil-Guaiasil Penyusun Lignin Untuk beberapa jenis kayu yang memiliki perbedaan kadar lignin dan lignin terlarut asam yang besar yaitu kayu keluwih, nangka, kupa, randu, kecapi, dan api-api, diuji proporsi monomer penyusun polimer ligninnya dan dinyatakan dalam nisbah siringil-guaiasil (nisbah S/G). Hal ini untuk mengetahui korelasi antara lignin terlarut asam dengan proporsi unit siringil penyusun lignin. Pengukuran proporsi monomer siringil dan guaiasil lignin diuji dengan menggunakan alat Pyrolisis Gas Chromatography Mass Spectrometry (Pyr-GC- MS). Nisbah S/G merupakan perbandingan antara konsentrasi relatif dari produk pirolisis lignin siringil terhadap lignin guaiasil (Dence 1992) seperti disajikan pada Tabel 2. Tabel 2. Produk pirolisis monomer siringil dan guaiasil penyusun lignin No. Siringil Guaiasil 1. Syringol Guaiacol 2. Vinylsyringol Vinylguaiacol 3. Ethylsyringol Ethylguaiacol 4 Siringilacetone Homovanilin 5 Homosyringaldehyde Conyferyl alcohol 6 Methylsyringol Methylguaiacol 7 Syringaldehyde Vanilin 8 Acetosyringone Acetoguaiacone 9 propiosyringone Propioguaiacone 10 Allyl-+propenyl-syringol Allyl-+ propenyl-guaiacol 11 Sinapaldehyde Coniferylaldehyde Sumber: Dence (1992) 3.4 Analisis Data Data hasil penelitian diolah dengan menggunakan Microsoft exel. Penentuan proporsi monomer penyusun lignin diukur berdasarkan konsentrasi relatif dari produk-produk turunan hasil pirolisis guaiasil dan siringil lignin (Dence 1992). Penyajian data ditampilkan dalam bentuk tabel, grafik dan kecenderungan atau korelasi.

22 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Lignin Klason Lignin Klason merupakan residu reaksi hidrolisis kayu yang mendegradasi dan melarutkan polisakarida kayu dengan menggunakan asam sulfat 72% (Yasuda et al. 2001). Kadar lignin Klason pada empat belas jenis kayu daun lebar beragam berkisar 17,55-32,87% (Gambar 2). Perbedaan kadar lignin Klason terjadi bukan hanya antar jenis kayu, tetapi juga pada posisi sampel kayu yang berbeda. Perbedaan kadar lignin Klason antara sampel kayu dekat empulur dengan jaringan kayu pada batang terluar (kayu gubal) bisa disebabkan perbedaan umur jaringan kayu atau adanya kayu juvenil. Kayu juvenil memiliki beberapa karakteristik yang menyerupai kayu reaksi, sehingga kayu juvenil seringkali dikaitkan dengan kayu reaksi (Zobel & Sprague 1998). Kayu reaksi yang dibentuk pada kayu daun lebar berbeda dengan kayu reaksi yang dibentuk pada kayu daun jarum. Kayu reaksi yang dibentuk pada jenis kayu daun lebar dinamakan kayu reaksi tarik, sedangkan kayu reaksi yang dibentuk pada jenis kayu daun jarum disebut sebagai kayu reaksi tekan (Haygreen & Bowyer 1989). Kayu tarik salah satunya dicirikan dengan kadar lignin yang lebih rendah dibandingkan dengan kayu normal, sebaliknya kayu reaksi tekan memiliki kadar lignin yang lebih tinggi dibanding kayu normal. Pada pertumbuhan kayu normal, umumnya kayu juvenil dari jenis kayu daun lebar memiliki kadar lignin yang lebih rendah dibandingkan dengan kayu yang dibentuk pada umur dewasa. Hal ini sebagai akibat terbentuknya kayu reaksi pada daerah sekitar empulur. Jenis kayu yang memiliki jaringan kayu juvenil yang menyerupai sifat kayu reaksi seperti yang terdapat pada kayu sampang, api-api, nangka, kupa, durian, kweni, dan jambu air, memiliki kadar lignin Klason bagian kayu dekat empulur lebih rendah dibandingakan dengan bagian kayu gubal dekat kulit. Pada saat pohon berumur muda dengan ukuran batang yang relatif kecil, akan sangat rentan terhadap pengaruh mekanis eksternal yang memicu terbentuknya kayu reaksi.

23 Lignin Klason (%) Kayu juvenil Kayu gubal 0 Kupa Jambu air Durian Nangka Rambutan Kweni Kluwih Petai Sampang Randu Lamtoro Pala Kecapi Api-api Jenis kayu Gambar 2 Kadar lignin Klason kayu pada jenis kayu dan bagian kayu yang berbeda. Pada beberapa jenis kayu lain yang diteliti, bagian kayu gubal memiliki kadar lignin Klason yang lebih rendah dibanding kayu juvenilnya. Salah satu kemungkinan penyebabnya adalah terjadinya pertumbuhan yang tidak normal yang menyebabkan terbentuknya jaringan kayu reaksi yang lebih parah pada bagian kayu gubal terluar. Akiyama et al. (2003) menemukan bahwa jaringan kayu reaksi tarik yang menerima beban eksternal lebih besar memiliki kadar lignin yang lebih rendah. Kondisi ini dapat terjadi misalnya pada pohon yang tumbuh miring, bengkok atau tumbuh pada lahan yang miring. 4.2 Lignin Terlarut Asam (Acid Soluble Lignin) Lignin terlarut asam merupakan bagian lignin yang terlarut dalam filtrat pada saat penentuan lignin. Lignin terlarut asam disusun dari dua komponen yaitu hasil degradasi lignin dan pembentukan material hidrofilik sekunder seperti senyawa lignin karbohidrat (Yasuda et al. 2001). Lignin terlarut asam merupakan salah satu faktor penting dalam menentukan kandungan total lignin khususnya pada jenis kayu daun lebar.

24 Lignin Terlarut Asam (%) 12 Lignin terlarut asam pada empat belas jenis kayu yang diteliti memiliki nilai yang beragam baik antar jenis kayu yang berbeda maupun berdasarkan perbedaan posisi kayu dalam batang yang sama (Gambar 3). Kadar lignin terlarut asam tertinggi dihasilkan pada jenis kayu kecapi dengan nilai 4,40%, sedangkan kadar lignin terlarut asam terendah dihasilkan pada jenis kayu kupa dengan nilai 1,13%. Kadar lignin terlarut asam ini sesuai dengan hasil-hasil penelitian sebelumnya yang dilaporkan oleh Fengel & Wegener (1984), bahwa jenis kayu daun lebar memiliki jumlah lignin terlarut asam sekitar 4%, lebih tinggi dibandingkan dengan kayu daun jarum yang hanya sekitar 1% atau kurang. Sementara itu Dence (1992), melaporkan bahwa pada jenis kayu daun lebar memiliki kadar lignin terlarut asam yang lebih tinggi dari (3-5%), dan untuk jenis kayu daun jarum berkisar antara (0,2-0,5%) Kayu Juvenil Kayu Gubal Kupa Jambu air Durian Nangka Rambutan Kweni Kluwih Petai Sampang Randu Lamtoro Pala Kecapi Api-api Jenis Kayu Gambar 3 Kadar lignin terlarut asam pada jenis kayu dan bagian kayu yang berbeda. Lignin kayu daun lebar terutama disusun oleh unit siringil dan guaiasil, sedangkan kayu daun jarum terutama disusun oleh unit guaiasil dengan tambahan sedikit p-hidroksifenil. Komposisi monomer penyusun lignin yang berupa unit siringil dianggap bertanggung jawab pada pembentukan lignin terlarut asam selama prosedur lignin Klason. Keberadaan unit siringil diduga sebagai penyebab lebih tingginya lignin terlarut asam pada jenis kayu daun lebar dibandingkan

25 13 dengan kayu daun jarum yang tidak memiliki unit siringil pada ligninnya. Hasil penelitian Matsushita et al. (2004) menunjukkan bahwa jenis kayu daun lebar yang memiliki kandungan metoksil yang tinggi menghasilkan kadar lignin terlarut asam yang tinggi pula, dan kadar metoksil ini berkaitan erat dengan adanya unit siringil di dalam lignin kayu (Obst 1982, Akiyama et al. 2005). Berdasarkan perbedaan reaktifitas monomer penyusun lignin Matsushita et al. (2004), pada saat penentuan lignin Klason, unit guaiasil akan terdegradasi pada asam sulfat 72% dan akan segera mengalami rekondensasi satu sama lain membentuk produk berbobot molekul tinggi dalam bentuk fraksi padatan, sehingga kontribusi unit guaiasil terhadap pembentukan lignin terlarut asam diduga kecil. Oleh karena itu, jenis kayu daun jarum yang ligninnya tersusun oleh unit guaiasil lignin akan menghasilkan kadar lignin terlarut asam yang rendah. Sementara itu, unit siringil selain mangalami rekondensasi dengan unit lignin yang lain, juga membentuk kompleks dengan polisakarida. Lignin karbohidrat kompleks ini kemudian akan mengalami degradasi karbohidrat lebih lanjut pada kondisi asam sulfat 3% panas menyisakan lignin-karbohidrat yang terlarut dalam filtrat. Produk lignin karbohidrat kompleks berbobot molekul rendah inilah bersama dengan produk degradasi lignin lainnya yang terdeteksi dengan UV spektrometer sebagai lignin terlarut asam. Matsushita et al. (2007) memperkuat hipotesis tersebut dan menyatakan bahwa salah satu pembeda antara jenis kayu daun jarum dengan jenis kayu daun lebar adalah adanya unit siringil pada lignin jenis kayu daun lebar yang menghasilkan lignin terlarut asam lebih tinggi selama proses hidrolisis asam. 4.3 Proporsi Lignin Terlarut Asam terhadap Kadar Lignin Total Kadar lignin total pada kayu, khususnya pada jenis kayu daun lebar merupakan penjumlahan antara lignin Klason dengan lignin terlarut asam. Kadar lignin total jenis kayu yang diteliti berkisar antara 22,53-33,26%. Berdasarkan rataan kadar lignin bagian kayu juvenil dan kayu gubal untuk tiap jenis kayu, ada kecenderungan jenis kayu berkadar lignin Klason semakin rendah memiliki kadar lignin terlarut asam yang semakin tinggi (Gambar 4).

26 Lignin Klason dan Lignin Total (%) ASL/Total Lignin (%) Lignin Klason Lignin Total ASL/Total Lignin Kupa Jambu air Durian Rambutan Nangka Klewih Petai Kweni Lamtoro Sampang Randu Pala Kecapi Api-api Jenis Kayu Gambar 4 Kecenderungan kadar lignin Klason dan kadar lignin terlarut asam (Acid-soluble lignin, ASL) pada jenis kayu daun lebar. Berdasarkan mekanisme pembentukan lignin terlarut asam yang disampaikan oleh Matsushita et al. (2004), maka ada kemungkinan bahwa jenis kayu dengan kadar lignin total yang hampir sama dapat memiliki reaktifitas yang berbeda, yang ditunjukkan oleh perbedaan kadar lignin terlarut asamnya. Hal ini menjawab gejala yang sering ditemukan pada reaksi delignifikasi dalam proses pulping, dimana jenis kayu dengan kadar lignin yang hampir sama tetapi memiliki kemudahan proses pulping yang berbeda. Kadar lignin terlarut asam tidak bisa diabaikan pengaruhnya terhadap kadar lignin total dalam jenis kayu daun lebar. Hal ini karena cukup besarnya proporsi lignin terlarut asam terhadap lignin total kayu. Pada jenis kayu yang diteliti, proporsi lignin terlarut asam terhadap kadar lignin total berkisar 4,23-15,90%, dengan kecenderungan proporsinya semakin tinggi untuk jenis kayu dengan kadar lignin yang semakin rendah (Gambar 4). Oleh karena itu, pada penentuan kadar lignin jenis kayu daun lebar dengan metode Klason harus memperhitungkan nilai lignin Klason dan lignin terlarut asam. Berdasarkan Gambar 4, semakin meningkatnya kadar lignin terlarut asam pada jenis kayu daun lebar akan menurunkan kadar lignin Klason pada kayu tersebut. Hal ini sejalan dengan yang dikemukakan oleh Yasuda et al. (2001), bahwa dengan semakin meningkatnya proporsi lignin terlarut asam pada jenis

27 15 kayu daun lebar maka akan menurunkan kadar lignin klason pada kayu. Oleh karena itu, jenis kayu dengan kadar lignin total yang sama dapat memiliki proporsi lignin terlarut asam dan lignin Klason yang berbeda, atau reaktifitas lignin yang berbeda. Hal lain menguatkan hipotesis sebelumnya bahwa pembentukan lignin terlarut asam lebih berkorelasi dengan reaktifitas lignin yang ditentukan oleh perbedaan reaktifitas dari unit monomer penyusun lignin. Yasuda et al. (1986) menemukan bahwa dalam larutan asam sulfat, inti aromatik siringil memiliki reaktivitas yang lebih tinggi dibandingkan unit guaiasil, dengan urutan nilai reaktifitas siringil> eter siringil> eter guaiasil> guaiasil. 4.4 Korelasi Antara Lignin Terlarut Asam dengan Nisbah Siringil-Guaiasil Unit penyusun lignin pada kayu daun jarum berbeda dengan unit penyusun lignin pada kayu daun lebar. Pada kayu daun jarum, monomer penyusun ligninnya sebagian besar disusun oleh unit guaiasil (>90%) dan sisanya p-hidroksifenil. Pada lignin kayu daun lebar, disusun oleh unit siringil dan guaiasil lignin, dan memiliki nisbah siringil terhadap guaiasil yang beragam sesuai dengan jenis kayunya yang berkisar 1 sampai 4 (Shao et al. 2008). Pada jenis kayu daun lebar nisbah unit monomer penyusun lignin ini diduga berperan penting dalam menentukan kandungan lignin terlarut asam pada kayu. Hal ini sesuai dengan yang dikemukakan oleh Matshusita et al. (2004), bahwa jenis kayu daun lebar yang memiliki kandungan metoksil yang tinggi dapat menghasilkan lignin terlarut asam yang tinggi pula, dan unit siringil lignin memiliki reaktivitas yang lebih tinggi dari pada unit guaiasil. Berdasarkan hasil analisis Pyr-GC-MS (Lampiran 1), lignin kayu daun lebar yang diteliti terutama disusun oleh unit siringil dan guaiasil. Proporsi unit siringil berkorelasi positif dengan proporsi lignin terlarut asam yang dihasilkan, dengan koefisien korelasi (r) = 0,91 (Gambar 5). Hasil ini memperkuat hasil penelitian sebelumnya bahwa unit siringil dalam lignin bersifat lebih reaktif dibandingkan dengan unit lignin guaiasil (Yasuda et al. 1986, Yasuda et al. 2001, Matsushita et al. 2007), sehingga unit siringil merupakan salah satu faktor penentu dalam pembentukan lignin terlarut asam selama penentuan lignin dengan metode Klason. Implikasi dari hal ini, kadar lignin terlarut asam bisa menjadi

28 16 salah satu parameter penduga reaktifitas lignin, khususnya untuk lignin jenis kayu daun lebar. Informasi ini akan membantu dalam penilaian kesesuaian karakteristik kayu sebagai bahan baku pengolahan kayu, misalnya pada proses pembuatan pulp kayu Lignin Terlarut asam/lignin Total y = 0,035x + 0,029 R² = 0, Nisbah S/G Gambar 5 Hubungan antara nisbah siringil-guaiasil dengan lignin terlarut asam pada jenis kayu daun lebar.

29 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Kadar lignin kayu daun lebar; yang terdiri dari lignin Klason dan lignin terlarut asam, beragam menurut jenis kayu dan posisi dalam batang pohon. Proporsi lignin terlarut asam dalam lignin jenis kayu daun lebar yang diteliti berkisar 3,52-18,60% dari lignin total, sehingga harus diperhitungkan dalam penentuan kadar lignin total kayu daun lebar. Kadar lignin terlarut asam berkorelasi positif dengan nisbah siringil guaiasil penyusun lignin, sehingga bisa menjadi parameter penduga reaktifitas lignin jenis kayu daun lebar. 5.2 Saran Untuk menjadikan kadar lignin terlarut asam sebagai parameter penduga proporsi monomer siringil penyusun lignin, masih diperlukan penelitian lebih lanjut mengingat sangat besarnya keragaman jenis kayu daun lebar dengan karakter kimia lignin yang tinggi.

30 DAFTAR PUSTAKA Akiyama T, Goto H, Nawawi DS, Syafii W, Matsumoto Y, Meshitsuka G Erythro/threo ratio of β-o-4 structures as an important structural characteristic of lignin. Part 4. Variation in the erythro/threo ratio in softwood and hardwood lignins and its relation to syringyl/guaiacyl ratio. Holzforschung 59: Akiyama T, Matsumoto Y, Okuyama T, Meshitsuka G Ratio of erythro and threo forms of β-o-4 structures in tension wood lignin. Phytochemistry 64: Bourjan W, Ralph J, Baucher M Lignin biosynthesis. Annual Review Plant Biology 54: Dekker M Wood Structure and Composition. New York: Marcel Dekker, Inc. Dence CW The Determination of Lignin. In: Lin SY, Dence CW (Eds). Method in Lignin Chemistry. Berlin: Springer-Verlag. pp Fengel D, Wegener G Wood, chemistry, ultrastructure, reaction. Berlin: Walter de Gruyter. Fergus BJ, Goring DAI. 1970a. The location of guaiacyl and syringyl lignin in birch xylem tissue. Holzforschung 24: Fergus BJ, Goring DAI. 1970b. The distribution of lignin in birch wood as determined by ultraviolet microscopy. Holzforschung 24: Haygreen JG, Bowyer JL Hasil Hutan dan Ilmu Kayu Suatu Pengantar. Yogyakarta: Gajah Mada University Press. Terjemahan dari: Forest Product and Wood Science an Introduction 3 rd Edition. Higuchi T, Shimada M, Nakatsubo F, Tanahasi M Differences in biosynthesis of guaiacyl and syringyl lignins in wood. Wood Science-and Technology 11: Matsushita Y, Kakehi A, Miyawaki S, Yasuda S Formation and chemical structures of acid-soluble lignin II. Reaction of aromatic nuclei model compounds with xylan in the presence of a counterpart for condensation, and behavior of lignin model compounds with guaiacyl and syringyl nuclei in 72% sulfuric acid. Journal of Wood Science 50: Matsushita Y, Sano H, Imai M, Imai T, Fukushima K Phenolization of hardwood sulfuric acid lignin and comparison of behavior of the syringyl and guaiacyl units in lignin. Journal of Wood Science 53:67-70.

31 19 Obst JR Guaiacyl and syringyl lignin composition in hardwood cell components. Holzforschung 36: Obst JR, Ralph J Characterization of hardwood lignin: Investigation of syringyl/guaiacyl composition by 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy. Holzforschung 37: Rowell RM, Pettersen R, Han JS, Rowell J, Tshabalala MA Cell wall chemistry. In: R. Rowell (Ed). Handbook of wood chemistry and wood composite. London: Taylor & Francis, pp Shao S, Jin Z, Weng YH Lignin characteristics of Abies beshanzuensis, a critically endangered tree species. Journal of Wood Science 54: Sjostrom E Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. London: Academic Press, Inc. Timell TE Compression wood in gymnosperms. Vol. I. Berlin: Springer- Verlag. Tsoumis G Science and Technology of Wood: Structure, Properties, Utilization. New York: Van Nostrand Reinhold. Tsutsumi Y, Kondo R, Sakai K, Imamura H The difference of reactivity between syringyl lignin and guaiacyl lignin in alkaline system. Holzforschung 49: Vanholme R, Demedts B, Moreel K, Ralph J, Boerjan W Lignin biosynthesis and structure. Plant Physiology 153: Yasuda S, Ota K Chemical structure of sulfuric acid lignin IX. Reaction of syringyl alcohol and reactivity of guaiacyl and syringyl nuclei in sulfuric acid solution. Mokuzai Gakkaishi 32: Yasuda S, Hirano J Chemical structures of sulfuric acid lignin XI. Physical and chemical properties of Beech sulfuric acid lignin. Mokuzai Gakkaishi 36: Yasuda S, Fukushima K, Kakehi A Formation and chemical structures of acid-soluble lignin I: Sulfuric acid treatment time and acid soluble lignin content of hardwood. Journal of Wood Science 47: Yoshida M, Ohta H, Yamamoto H, Okuyama T Tensile growth stress and lignin distribution in the cell walls of yellow popler, Liridendron tulipifera Linn. Trees 16: Zobel BJ, Sprague JR Juvenile Wood in Forest Trees. New York: Springer- Verlag.

32 LAMPIRAN

33 Lampiran 1. Contoh Kromatogram Analisis Pyr-GC-MS Kayu Kecapi 21

34 22