IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 KARAKTERISTIK EMPULUR SAGU Bahan baku empulur sagu diperoleh dari industri rumah tangga di daerah Cimahpar, Bogor. Bahan baku awal memiliki kadar air yang cukup tinggi karena masih dalam keadaan basah. Empulur sagu tersebut selanjutnya dikeringkan dengan cara dijemur di bawah sinar matahari. Empulur sagu yang telah kering diperkecil lagi ukurannya dengan menggunakan hammer mill hingga lolos ayakan 35 mesh. Warna empulur sagu awal secara visual adalah putih agak kecoklatan. Namun, seiring dengan lamanya waktu pengeringan, tepung empulur sagu berubah menjadi coklat karena telah mengalami reaksi pencoklatan (browning). Reaksi pencoklatan ini dapat terjadi karena rentang waktu yang lama antara waktu panen dengan waktu pengolahan pati sagu. Warna coklat yang terbentuk akan terikat kuat dengan pati, sehingga mempengaruhi kualitas pati. Reaksi pencoklatan terjadi karena adanya kandungan fenol dan oksidasi fenol (Ozawa dan Arai 1986 dalam Derosya 2010). Empulur sagu selanjutnya dikarakterisasi untuk mengetahui komposisi yang ada di dalamnya. Karakteristik kimiawi empulur sagu meliputi komponen proksimat, kadar pati dan komponen serat. Komposisi proksimat dan pati empulur sagu disajikan pada Tabel 6. Tabel 6. Komposisi proksimat dan pati empulur sagu Komponen Nilai Air (%) Abu (% bk) Lemak (% bk) Protein (% bk) Serat kasar (% bk) Karbohidrat (by difference) (% bk) Pati (% bk) Dari hasil analisa proksimat, komponen bahan tertinggi adalah karbohidrat, yaitu sebesar 81.6% yang sebagian besar terdiri atas pati sebesar 55.86%. Pati merupakan karbohidrat yang akan dikonversi menjadi glukosa sebagai substrat khamir dalam fermentasi. Komponen bahan lainnya seperti lemak, protein dan abu tergolong kecil sehingga empulur sagu yang digunakan pada penelitian ini cocok untuk dijadikan sebagai bahan baku dalam pembuatan fermentable sugar. Kadar air yang diperoleh dari penelitian Fujii et al. (1986) berkisar antara 9-12%. Kandungan air empulur sagu pada penelitian ini cukup tinggi disebabkan oleh kondisi bahan awal yang diperoleh dari industri rumah tangga di daerah Cimahpar Bogor masih dalam keadaan basah. Kadar air empulur sagu yang telah melewati tahap pengeringan adalah sebesar 14.52%. Kadar abu pada bahan menunjukkan bahan anorganik yang tidak ikut terbakar saat bahan organik dibakar. Menurut Fengel dan Wegener (1984), abu merupakan sisa setelah pembakaran sempurna dari kayu. Abu terdiri dari garam-garam kalsium, kalium dan magnesium, serta terdapat sedikit natrium, aluminium, besi, mangan sulfat, klor, dan silikat. Kadar abu berhubungan erat dengan kandungan mineral, kemurnian dan kebersihan suatu bahan yang dihasilkan (Harijadi 1993 dalam 30

2 Dwiko 2010). Kadar abu empulur sagu yang digunakan dalam penelitian ini adalah 5.16%, jumlahnya lebih tinggi daripada kadar abu empulur sagu dari penelitian Fujii et al. (1986) yang hanya sebesar 3.80%. Kadar abu yang lebih tinggi menunjukkan rendahnya kemurnian pada empulur sagu. Hal ini wajar karena sagu belum diolah menjadi pati sehingga masih banyak terdapat bahan mineral dan anorganik terutama yang terdapat pada kulit batang sagu. Komponen lain yang akan dikonversi menjadi gula sederhana selain pati adalah serat. Komponen serat pada empulur sagu tergolong kecil, hanya sekitar 8%. Bagian utama dari komponen serat terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin. Hasil analisa komponen serat empulur sagu disajikan pada Tabel 7. Tabel 7. Komposisi serat empulur sagu Komponen NDF (Neutral Detergent Fiber) ADF (Acid Detergent Fiber) Selulosa Hemiselulosa Lignin Nilai (%) Berdasarkan hasil analisa komponen serat metode ADF (Acid Detergent Fiber) dan NDF (Neutral Detergent Fiber) dari Tabel 7, lignin merupakan komponen terbesar pada empulur sagu, yaitu 6.86%, diikuti oleh hemiselulosa sebesar 4.72% dan selulosa sebesar 2.93%. Jumlah lignin yang cukup besar dan selulosa yang sangat kecil membuat komponen serat pada empulur sagu kurang berpotensi untuk dikonversi menjadi gula sederhana karena komponen utama yang akan diubah menjadi gula sederhana adalah selulosa dan hemiselulosa. Lignin merupakan senyawa yang melapisi komponen serat dan pati, dengan demikian tingginya kadar lignin pada empulur sagu dapat menghambat proses hidrolisis. Tingginya kadar lignin disebabkan oleh umur dari tanaman sagu, semakin tua umur tanaman, maka kadar lignin akan semakin tinggi. Menurut Hermiati et al. (2010), lignoselulosa yang terdiri atas selulosa, hemiselulosa dan lignin berfungsi untuk membentuk kerangka struktrual dari dinding sel tumbuhan dan jumlahnya beragam pada berbagai jenis tumbuhan. Komposisi lignoselulosa pada tumbuhan bergantung dari spesies, umur dan kondisi pertumbuhan. Oleh karena itu, pemanfaatan karbohidrat yang terkandung di dalamnya membutuhkan metode hidrolisis yang tepat sehingga dapat menghasilkan rendemen gula yang tinggi. 4.2 HIDROLISIS EMPULUR SAGU SECARA ASAM DENGAN PEMANASAN GELOMBANG MIKRO DUA TAHAP Asam kuat berkonsentrasi rendah (encer) merupakan salah satu alternatif hidrolisis bahan berkarbohidrat dan berserat yang banyak digunakan saat ini. Di dalam struktur tanaman, karbohidrat terutama pati dan komponen serat diselubungi oleh lignin yang merupakan senyawa yang menyelimuti dan mengeraskan dinding sel. Agar asam dapat menghidrolisis serat dan pati, lignin harus diputus terlebih dahulu. Penggunaan gelombang mikro merupakan salah satu pemanasan yang dapat memutus ikatan lignin sekaligus dapat mendegradasi pati. Penelitian tentang penggunaan gelombang mikro untuk mendegradasi pati telah digunakan pada bahan seperti kentang, jagung, beras, dan gandum, baik dalam larutan air maupun asam. 31

3 Proses hidrolisis biasanya dilakukan dengan menggunakan pemanasan konvensional, yaitu dengan menggunakan otoklaf. Namun, pada penelitian ini pemanasan dilakukan dengan menggunakan microwave oven dan menggunakan otoklaf sebagai pembanding. Penggunaan gelombang mikro sebagai perlakuan pendahuluan hidrolisis dapat dilakukan dalam waktu yang sangat singkat, hal ini merupakan salah satu keunggulan penggunaan gelombang mikro dibandingkan otoklaf yang membutuhkan waktu tidak kurang dari 15 menit untuk proses hidrolisis. Waktu terlama yang telah digunakan untuk melarutkan pati pada suhu tinggi dengan menggunakan gelombang mikro adalah kurang dari 10 menit, namun dalam prosesnya mengakibatkan produk hasil hidrolisis terdekomposisi menjadi produk sekunder yang memberikan warna gelap (Koroskenyi dan Charti 2002). Proses hidrolisis yang dilakukan pada penelitian ini adalah hidrolisis asam menggunakan katalis asam sulfat (H 2 SO 4 ) dengan konsentrasi rendah. Konsentrasi H 2 SO 4 yang digunakan adalah 0.3 M dan 0.5 M. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Dwiko (2010), konsentrasi H 2 SO 4 terbaik yang dapat menghasilkan total gula terbanyak dari hidrolisis empulur sagu menggunakan pemanasan gelombang mikro adalah 0.3 M. Oleh karena itu, pada penelitian ini konsentrasi H 2 SO 4 sedikit ditingkatkan menjadi 0.5 M dengan harapan total gula yang dihasilkan lebih tinggi, namun tetap menggunakan konsentrasi asam 0.3 M sebagai pembanding. Dari hasil penelitian yang dilakukan Dwiko (2010), penggunaan gelombang mikro pada power level 10% dan 30% sebagian besar pati dan serat empulur sagu belum terhidrolisis, sedangkan penggunaan gelombang mikro pada power level 100% membuat hidrolisat menjadi hitam (gosong) karena besarnya paparan energi yang diterima oleh empulur sagu. Dari permasalahan tersebut, maka pada penelitian ini dilakukan kombinasi penggunaan power level rendah (power level 30%) dan sedang (power level 70%). Modifikasi pemanasan gelombang mikro bertahap ini dilakukan dengan tujuan agar ikatan lignin dapat terputus, mengurangi tingkat kristalinitas serat selulosa menjadi lebih amorf sehingga memudahkan penetrasi asam ke dalam pati, namun tetap tidak menimbulkan kegosongan akibat kelebihan energi panas yang diterima bahan. Untuk melihat perbedaan hasil hidrolisis dari perlakuan gelombang mikro pada power level dua tahap tersebut, maka dilakukan pula hidrolisis hanya menggunakan power level satu tahap, yaitu power level 70% selama 3 menit sebagai kontrol yang merupakan perlakuan terbaik dari penelitian yang dilakukan Dwiko (2010). Waktu hidrolisis antara empulur sagu dengan asam pada paparan panas dari gelombang mikro juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi hasil hidrolisis. Pada penelitian ini perlakuan waktu hidrolisis antara empulur sagu dengan asam dan panas hanya dilakukan pada pemanasan gelombang mikro tahap 1 (power level 30%), yaitu 1 menit, 2 menit dan 3 menit. Tujuan dari perlakuan waktu pada pemanasan tahap 1 ini adalah untuk mengetahui waktu optimal dalam menghasilkan fermentable sugar dengan karakteristik terbaik, terutama yang menghasilkan kadar gula tertinggi. Pemakaian konsentrasi asam dan waktu hidrolisis pada perlakuan gelombang mikro dua tahap memperlihatkan perbedaan hasil terhadap perlakuan gelombang mikro satu tahap. Pada perlakuan konsentrasi asam lebih tinggi yang diikuti pemanasan gelombang mikro dua tahap dengan waktu kontak yang lebih lama membuat empulur sagu terhidrolisis lebih sempurna daripada perlakuan konsentrasi asam rendah yang diikuti pemanasan gelombang mikro satu tahap dengan waktu kontak yang singkat. Perbedaan hasil hidrolisis antara kedua perlakuan tersebut terhadap empulur sagu secara visual dapat dilihat pada Gambar 5, dan ditampilkan juga gambar empulur sagu sebelum hidrolisis sebagai pembanding. 32

4 (a) (b) (c) Gambar 5. Penampakan visual hidrolisat sebelum hidrolisis (a), hidrolisis dengan H 2 SO M pada gelombang mikro satu tahap (power level 70% (3`)) (b), dan hidrolisis dengan H 2 SO M pada gelombang mikro dua tahap (power level 30% (2`) dan power level 70% (3`)) (c) Pada Gambar 5 terlihat perbedaan hasil secara visual dari kombinasi perlakuan seperti konsentrasi asam H 2 SO 4, waktu, dan energi gelombang mikro yang diterima oleh bahan. Gambar (a) yang merupakan empulur sagu sebelum dihidrolisis terlihat warna alami bahan masih coklat muda, serat-serat dan air bebas masih dalam jumlah yang banyak. Gambar (b) yang merupakan hasil hidrolisis dengan kombinasi perlakuan konsentrasi asam rendah (0.3 M), waktu kontak yang singkat (3`), dan hanya menggunakan pemanasan gelombang mikro satu tahap (power level 70%) terlihat perubahan warna hidrolisat menjadi coklat tua serta jumlah serat dan air bebas berkurang. Gambar (c) merupakan hasil hidrolisis dengan kombinasi perlakuan konsentrasi asam yang lebih tinggi (0.5 M), waktu kontak lebih lama (total waktu 5`), dan menggunakan pemanasan gelombang mikro dua tahap (power level 30% dilanjutkan dengan power level 70%) terlihat warna hidrolisat berubah menjadi coklat kehitaman, serat dan air bebas berkurang dalam jumlah yang banyak, selain itu pada pinggir wadah terlihat bahan berwarna hitam yang mengindikasikan telah terbentuknya produk samping yang tidak diinginkan seperti hidroksimetilfurfural (HMF) dan furfural. Semakin tinggi konsentrasi asam, maka semakin gelap warna hirolisat yang dihasilkan. Menurut Yu et al. (1996), konsentrasi asam yang tinggi menyebabkan selulosa dan hemiselulosa lebih mudah terdegradasi menjadi glukosa dan senyawa gula lainnya, terlebih lagi diiringi waktu kontak yang lama. Namun, seiring dengan tingginya konsentrasi asam dan waktu reaksi, inhibitor yang dihasilkan juga semakin banyak. Semakin tinggi power level yang digunakan dan semakin lama waktu kontak dengan bahan, semakin gelap warna hidrolisat yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena dengan jumlah bahan yang sama tapi penerimaan energi panas yang lebih besar pada power level yang lebih tinggi membuat lebih banyak komponen pati dan serat terdegradasi yang akhirnya pembentukan produk samping seperti HMF dan furfural yang menyebabkan warna gelap juga semakin banyak. Pada proses hidrolisis asam bahan berpati dan berserat, variabel seperti konsentrasi asam, waktu hidrolisis dan energi gelombang mikro yang diberikan harus disesuaikan kombinasi penggunaannya. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik fermentable sugar dengan 33

5 kandungan gula sederhana tinggi tetapi tetap rendah produk inhibitor yang tidak diinginkan seperti HMF dan furfural. Untuk melihat pengaruh kombinasi antara variabel konsentrasi asam, waktu dan energi panas yang diberikan pada proses hidrolisis empulur sagu, dapat juga dilakukan pengamatan secara mikroskopik. Hasil pengamatan secara mikroskopik dari kombinasi perlakuan yang diberikan disajikan pada Gambar 6. Pada Gambar 6 terlihat pengaruh berbagai kombinasi perlakuan konsentrasi asam, waktu dan energi panas yang digunakan terhadap perubahan struktur pati dan serat empulur sagu. Sebelum dilakukan hidrolisis, komponen serat dan pati masih utuh, serat masih tersusun rapat dan granulagranula pati belum pecah. Pati dan serat masih diselimuti oleh komponen lignin yang keras. Proses hidrolisis berjalan secara sempurna ketika asam mampu memutus ikatan lignin yang menyelimuti serat dan pati. Saat ikatan lignin terputus, komponen serat mengembang dan diikuti dengan terlepasnya granula pati dari komponen serat hingga akhirnya hancur atau terdegradasi. Bila proses hidrolisis terus berlanjut, asam mampu memutus polimer-polimer pati menjadi lebih kecil sehingga terbentuklah monomer-monomer atau gula sederhana dan serat-serat juga ikut terdegradasi menjadi monomer-monomer penyusunnya. Kombinasi perlakuan terhadap empulur sagu pada konsentrasi H 2 SO M, waktu total hidrolisis 3 menit dan menggunakan pemanasan gelombang mikro satu tahap (A1B1), ternyata masih terdapat granula pati yang utuh walaupun telah terjadi pembengkakan granula pati. Hal ini menunjukkan masih diperlukan kombinasi penggunaan konsentrasi asam, waktu dan power level yang lebih baik agar pati terdegradasi atau hancur. Perlakuan dengan pemanasan gelombang mikro dua tahap terbukti lebih efektif dalam menghidrolisis pati dan serat daripada perlakuan pemanasan gelombang mikro satu tahap. Walaupun masih terdapat pati dan serat setelah proses hidrolisis, namun semua granula pati sudah hancur dan mengembang. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada penggunaan pemanasan gelombang mikro dua tahap, semakin banyak pati yang terdegradasi, ditandai dengan pengembangan pati dan serat. Pembengkakan ukuran yang merupakan perbesaran pori akibat iradiasi gelombang mikro dijelaskan oleh Warrand dan Janssen (2006), hilangnya kekuatan antar makro molekul disebabkan oleh gelombang mikro membuat bagian kristalin pada pati dan serat menjadi lebih amorf. Pada kondisi serat dan pati menjadi lebih amorf, maka katalis mampu menembus pori granula pati sehingga struktur pati mengembang. Energi panas menyebabkan hidrasi pada bagian amorf diikuti dengan distorsi dari bagian kristalin yang kemudian merusak struktur granular, dan pada saat energi panas semakin besar menyebabkan granula pati pecah. Pemanasan gelombang mikro pada tahap 1 (power level 30%) diduga dapat membuat pati sagu mengembang pada saat tergelatinisasi. Hal ini didukung oleh Karim et al. (2008) yang menyatakan suhu gelatinasi pati sagu sekitar o C. Power level 30% yang dikonversi dalam satuan energi (W), mengandung energi sekitar 350 W (Anonim 2010) dan tergolong rendah, sehingga dapat diasumsikan dengan penggunaan power level 30% mampu membuat granula pati sagu mengembang pada saat gelatinisasi. 34

6 Slurry sebelum pemanasan (0.3 M) A1B0 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 Slurry sebelum pemanasan (0.5 M) A1B0 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 Keterangan: A: Konsentrasi asam (A1: 0.3 M, A2: 0.5M) B: Perlakuan pemanasan (B0: otoklaf (15`), B1: PL 70% (3`), B2: PL 30% (1`) + PL 70% (3`), B3: PL 30% (2`) + PL 70% (3`), B4: PL 30% (3`) + PL 70% (3`) Gambar 6. Penampakan mikroskopik empulur sagu sebelum dan setelah pemanasan menggunakan Mikroskop Cahaya terpolarisasi perbesaran 200x 35

7 Hidrolisis menggunakan otoklaf masih lebih efektif daripada menggunakan gelombang mikro dua tahap. Hidrolisis menggunakan otoklaf mampu mengubah sebagian besar pati yang ada pada bahan menjadi gula sederhana, terbukti pada Gambar 6 perlakuan pemanasan menggunakan otoklaf (A1B0 dan A2B0) sudah tidak terdapat granula pati ditandai dengan bagian ungu kebiruan telah memudar dan hilang. Selain itu serat juga ikut terputus-putus dan hancur. Walaupun pemanasan otoklaf memerlukan waktu yang relatif lama, namun dengan suhu yang tidak terlalu tinggi (121 o C) ditambah dengan adanya tekanan saat pemanasan, proses hidrolisis asam lebih terkontrol dalam menghasilkan gula sederhana dari komponen pati, sedangkan serat belum dapat terkonversi menjadi unit monomernya walaupun sebagian besar sudah mengembang dan terputus-putus. Selain pengamatan secara visual dan mikroskopik terhadap hidrolisat, perlu dilakukan juga analisa kuantitatif untuk melihat pengaruh perlakuan gelombang mikro dua tahap secara hidrolisis asam terhadap fermentable sugar yang dihasilkan. Analisa yang dilakukan meliputi analisa terhadap bobot residu, analisa gula, dan analisa filtrat seperti kejernihan filtrat, volume filtrat, HMF dan furfural. Analisa gula meliputi perhitungan total gula dan gula pereduksi, Dextrose equivalent (DE), dan Derajat polimerisasi (DP) untuk melihat kesempurnaan proses hidrolisis. Semua data hasil perlakuan terhadap empulur sagu diolah dengan menggunakan perhitungan statistik melalui software program SAS Dari hasil perhitungan statistik, untuk melihat homogenitas dari masing-masing perlakuan dilanjutkan dengan uji Duncan. Hampir seluruh parameter yang diamati pada perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap dengan variabel pembeda konsentrasi asam dan waktu hidrolisis pada power level 30%, tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Namun, secara keseluruhan perlakuan gelombang mikro dua tahap menunjukkan perbedaan hasil terhadap pemanasan gelombang mikro satu tahap pada beberapa parameter. Sebagian besar hasil pengamatan parameter memperlihatkan perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap lebih baik daripada pemanasan gelombang mikro satu tahap. Akan tetapi, jika dibandingkan dengan perlakuan pemanasan otoklaf, semua parameter menunjukkan perlakuan otoklaf jauh lebih baik dalam menghasilkan fermentable sugar dari empulur sagu daripada perlakuan gelombang mikro. Data hasil homogenitas dengan uji lanjut Duncan secara lengkap disajikan pada Lampiran 5. Untuk memudahkan pembacaan hasil homogenitas antar perlakuan, maka dilakukan penyimbolan pada data hasil pengolahan statistik. Penyimbolan ini dilakukan berdasarkan simbol hasil output uji lanjut Duncan. Data dengan simbol yang sama atau yang mengandung huruf yang sama dengan perlakuan lainnya, berarti perbedaan perlakuan tidak menunjukkan perbedaan hasil dilihat dari parameter tertentu. Nilai semua parameter dari hasil pengolahan statistik dengan uji lanjut Duncan disajikan secara tabulasi pada Tabel 8. Analisa residu dilakukan dengan menghitung bobot residu setelah proses hidrolisis. Untuk melihat efektivitas hidrolisis, pati dan serat yang tidak terhidrolisis terhitung sebagai bobot residu. Perlakuan dengan pemanasan gelombang mikro dua tahap terbukti lebih efektif dalam menurunkan bobot residu empulur sagu daripada perlakuan gelombang mikro satu tahap. Pada Tabel 8, perbedaan variabel konsentrasi asam menghasilkan bobot residu yang berbeda antara perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap dengan pemanasan gelombang mikro satu tahap. Pada konsentrasi asam yang lebih rendah (0.3 M), perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap mampu menurunkan nilai bobot residu sekitar % lebih tinggi daripada pemanasan gelombang mikro satu tahap. Namun, peningkatan konsentrasi asam menjadi 0.5 M tidak terlalu memperlihatkan perbedaan hasil dalam menurunkan bobot residu dari kedua perlakuan pemanasan gelombang mikro, yaitu hanya berbeda sekitar %. Hal ini menunjukkan dengan kombinasi konsentrasi asam yang lebih tinggi, perlakuan gelombang mikro satu tahap sama baiknya dengan pemanasan gelombang mikro dua tahap dalam menurunkan bobot residu. 36

8 Tabel 8. Nilai bobot residu, gula pereduksi, total gula, volume filtrat, kejernihan filtrat, DE, DP, HMF, dan furfural hasil hidrolisis asam dengan berbagai perlakuan pemanasan Perlakuan Bobot Residu (%) Gula Pereduksi (g/l) Total Gula (g/l) DE DP Volum Filtrat (ml) Kejernihan Filtrat (%T) HMF (mg/l) Furfural (mg/l) A1B ef b bac a 1.08 e b a 8.10 b 0.06 b A1B a e c f 3.63 a fe b 0.28 d 0.00 b A1B b de bc fed 3.32 ba fg a 0.45 d 0.00 b A1B c dce bc cbd 3.03 b g a 0.48 d 0.00 b A1B c dc bc b 2.49 dc h cb 0.63 cd 0.00 b A2B f a a a 1.05 e a a a 1.71 a A2B d de bc fe 3.46 ba c d 0.96 cd 0.04 b A2B d dce bac ced 3.06 b c c 1.46 c 0.05 b A2B ed c ba b 2.16 d dc cb 1.56 c 0.05 b A2B ed dc ba cb 2.74 c de d 1.88 c 0.06 b 24 37

9 Secara keseluruhan dapat dilihat semakin tinggi konsentrasi asam, semakin lama waktu hidrolisis, dan semakin besar energi panas dari gelombang mikro yang diterima bahan, semakin menurunkan bobot residu, ini artinya semakin banyak bahan yang terhidrolisis. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 8 nilai bobot residu yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan pada pemanasan gelombang mikro dua tahap mampu menurunkan bobot residu hingga 26.43%, sedangkan kombinasi perlakuan pada pemanasan gelombang mikro satu tahap bobot residu terkecil masih sebesar 30.62%. Walaupun masing-masing kombinasi perlakuan yang diberikan pada empulur sagu dengan gelombang mikro dua tahap dapat menurunkan nilai bobot residu, namun memperpanjang waktu satu menit pada proses hidrolisis tidak terlalu menurunkan nilai bobot residu secara signifikan. Kecenderungan penurunan nilai bobot residu dari kombinasi perlakuan yang diberikan dapat dilihat pada Gambar 7. Bobot Residu (%) B0 B1 B2 B3 B4 Bobot Residu (%) B0 B1 B2 B3 B4 Perlakuan Pemanasan Perlakuan Pemanasan Keterangan: (a) (b) B: Perlakuan pemanasan B0: otoklaf (15`), B1: PL 70% (3`), B2: PL 30% (1`) + PL 70% (3`), B3: PL 30% (2`) + PL 70% (3`), B4: PL 30% (3`) + PL 70% (3`) Gambar 7. Nilai bobot residu pada kombinasi perlakuan pemanasan dan waktu pada konsentrasi asam 0.3 M (a) dan konsentrasi asam 0.5 M (b) Pada Gambar 7, semakin tinggi konsentrasi asam, semakin lama waktu hidrolisis dan semakin besar energi panas dari gelombang mikro, maka nilai bobot residu semakin kecil, demikian juga sebaliknya. Dengan demikian, nilai bobot residu dipengaruhi oleh konsentrasi asam, lama waktu pemanasan dan energi panas dari gelombang mikro yang diterima bahan. Semakin kecil nilai bobot residu, maka pati dan serat yang terdegradasi semakin banyak. Akan tetapi, nilai bobot residu hasil hidrolisis dengan pemanasan otoklaf jauh lebih kecil dibandingkan semua perlakuan pemanasan gelombang mikro, yaitu dapat menurunkan bobot residu hingga 20-24%. Hal ini menunjukkan hidrolisis menggunakan otoklaf masih lebih efektif daripada menggunakan gelombang mikro. Gula pereduksi dan total gula merupakan parameter penting yang diukur pada proses hidrolisis. Kedua parameter inilah yang mengindikasikan produk yang terbentuk. Gula pereduksi dan total gula dihitung dengan spektrofotometer yang merupakan fungsi dari absorbansi pada panjang gelombang 550 nm. Semakin tinggi absorbansi yang terbaca pada spektrofotometer, maka semakin tinggi gula pereduksi dan total gula hidrolisat, demikian juga sebaliknya. Semakin tinggi gula pereduksi dan total gula yang ada pada hidrolisat, maka semakin baik untuk dijadikan substrat fermentasi etanol. 38

10 Gula pereduksi merupakan golongan gula yang dapat mereduksi senyawa-senyawa penerima elektron, contohnya adalah glukosa dan fruktosa. Ujung dari suatu gula pereduksi adalah ujung yang mengandung gugus aldehida atau keton bebas. Semua monosakarida (glukosa, fruktosa, galaktosa) dan disakarida (laktosa, maltosa), kecuali sukrosa dan pati (polisakarida), termasuk sebagai gula pereduksi (Lehninger 1982). Dari Tabel 8 terlihat bahwa perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap menghasilkan gula pereduksi lebih tinggi daripada pemanasan gelombang mikro satu tahap. Kombinasi perlakuan konsentrasi asam dan lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap menghasilkan gula pereduksi g/l, sedangkan kombinasi konsentrasi asam dengan lama waktu hidrolisis 3 menit pada pemanasan gelombang mikro satu tahap hanya menghasilkan gula pereduksi sebesar g/l. Dari hasil tersebut terlihat bahwa konsentrasi asam, waktu hidrolisis, dan besarnya energi gelombang mikro yang diberikan pada empulur sagu berpengaruh terhadap gula pereduksi. Semakin tinggi konsentrasi asam, semakin lama waktu hidrolisis, dan semakin besar energi gelombang mikro yang diterima empulur sagu, maka semakin tinggi gula pereduksi yang terbentuk. Konsentrasi asam yang lebih tinggi dan waktu hidrolisis yang lebih lama pada paparan energi panas dari gelombang mikro yang lebih besar mampu mendegradasi karbohidrat pada bahan, tidak hanya pati namun juga serat, dengan demikian diperoleh rendemen gula pereduksi yang lebih tinggi. Namun, variabel waktu pada konsentrasi asam yang lebih tinggi dengan pemanasan gelombang mikro dua tahap tidak selalu menghasilkan peningkatan gula pereduksi. Perubahan kecenderungan menurunnya jumlah gula pereduksi dengan semakin memperpanjang waktu hidrolisis dapat dilihat pada Gambar Gula Pereduksi (g/l) Gula Pereduksi (g/l) B0 B1 B2 B3 B4 0 B0 B1 B2 B3 B4 Perlakuan Pemanasan Perlakuan Pemanasan Keterangan: (a) (b) B: Perlakuan pemanasan B0: otoklaf (15`), B1: PL 70% (3`), B2: PL 30% (1`) + PL 70% (3`), B3: PL 30% (2`) + PL 70% (3`), B4: PL 30% (3`) + PL 70% (3`) Gambar 8. Nilai gula pereduksi pada kombinasi perlakuan pemanasan dan waktu pada konsentrasi asam 0.3 M (a) dan konsentrasi asam 0.5 M (b) Pada Gambar 8 terlihat kecenderungan yang berbeda bila dilihat dari variabel konsentrasi asam terhadap gula pereduksi yang dihasilkan. Pada konsentrasi asam yang lebih rendah (0.3 M) kecenderungan gula pereduksi semakin meningkat jumlahnya seiring lamanya waktu hidrolisis pada 46

11 pemanasan gelombang mikro dua tahap. Namun, penggunaan asam yang lebih tinggi (0.5 M), saat jumlah gula pereduksi yang dihasilkan sudah banyak, perpanjangan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap justru mengurangi jumlah gula pereduksi. Hal ini diduga telah terjadinya dekomposisi produk (gula sederhana) yang sudah terbentuk menjadi inhibitor seperti hidroksimetilfurfural (HMF) dan furfural pada suhu yang sangat tinggi. Jadi, dapat dikatakan pemakaian konsentrasi asam memiliki waktu optimum untuk menghasilkan gula pereduksi pada suhu yang tinggi. Hal ini seperti yang dijelaskan Mussatto dan Roberto (2004), bahwa konsentrasi asam dan suhu reaksi merupakan variabel penting yang dapat mempengaruhi terbentuknya senyawasenyawa yang bersifat racun pada proses fermentasi. Suhu moderat (kurang dari 160 o C) harus dijaga untuk dapat menghidrolisis pati dan menekan dekomposisi gula sederhana. Suhu yang lebih tinggi akan mempermudah dekomposisi gula sederhana dan senyawa lignin. Pada suhu dan tekanan tinggi, glukosa dan xilosa akan terdegradasi menjadi hidroksimetilfurfural (HMF) dan furfural. Pemanasan gelombang mikro dua tahap belum mampu menghasilkan jumlah gula pereduksi yang lebih tinggi dibandingkan pemanasan otoklaf. Gula pereduksi yang diperoleh dari pemanasan otoklaf mencapai g/l, hal ini menunjukkan bahwa hidrolisis menggunakan otoklaf masih lebih efektif daripada menggunakan gelombang mikro dalam menghasilkan gula pereduksi yang lebih tinggi. Selain gula pereduksi, dalam proses hidrolisis juga terbentuk gula non-pereduksi. Kedua jenis gula tersebut dinyatakan dengan total gula. Analisis total gula dilakukan untuk melihat jumlah gula secara keseluruhan di dalam suatu hidrolisat. Perlakuan dengan kombinasi konsentrasi asam yang lebih tinggi dan waktu hidrolisis yang lebih lama pada perlakuan gelombang mikro dua tahap menghasilkan total gula yang lebih tinggi daripada perlakuan gelombang mikro satu tahap dalam menghidrolisis empulur sagu. Proses hidrolisis pada kombinasi perlakuan konsentrasi asam yang tinggi, waktu kontak yang lebih lama, dan energi gelombang mikro yang lebih besar mampu mengkonversi pati dan serat dalam jumlah yang lebih banyak. Hal ini terbukti dari nilai total gula yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan pada penggunaan pemanasan gelombang mikro dua tahap mampu menghasilkan total gula g/l, sedangkan kombinasi perlakuan pada penggunaan pemanasan gelombang mikro satu tahap nilai total gula tertinggi hanya sebesar g/l. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa konsentrasi asam, waktu hidrolisis dan besarnya energi yang diterima empulur sagu dari pemanasan gelombang mikro dua tahap berpengaruh terhadap total gula yang terbentuk. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, semakin tinggi kemampuannya untuk mengkonversi polisakarida menjadi gula sederhana, sehingga total gula semakin tinggi, demikian juga sebaliknya. Walaupun masing-masing kombinasi perlakuan yang diberikan pada empulur sagu dengan gelombang mikro dua tahap dapat meningkatkan jumlah total gula, namun perpanjangan waktu satu menit pada proses hidrolisis tidak dapat meningkatkan jumlah total gula hidrolisat secara signifikan. Nilai total gula yang terbentuk memiliki kecenderungan yang sama dengan gula pereduksi. Pada konsentrasi asam yang lebih tinggi (0.5 M) perpanjangan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap justru menurunkan total gula yang sudah terbentuk akibat terjadinya dekomposisi gula pada keadaan asam dan suhu yang tinggi. Dekomposisi gula tersebut menghasilkan produk samping berupa HMF dan furfural. Pada Tabel 8, jumlah total gula tertinggi yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan pada pemanasan gelombang mikro dua tahap tidak jauh berbeda dengan pemanasan otoklaf. Hal ini menunjukkan perlakuan kombinasi konsentrasi asam dan lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap lebih efektif dan efisien dalam menghidrolisis pati daripada pemanasan 47

12 otoklaf. Jumlah gula yang sama dihasilkan hanya dalam waktu total 5 menit pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, sedangkan 15 menit pada pemanasan otoklaf. Kesempurnaan proses hidrolisis tergambar dari nilai Dekstrose Equivalent (DE) yang menyatakan nilai total pereduksi pati atau produk modifikasi pati. Semakin tinggi nilai DE, maka semakin sempurna proses hidrolisis yang terjadi. Nilai DE tertinggi adalah 100 yang berarti 100% hidrolisis berupa gula pereduksi atau glukosa. Proses hidrolisis pada kombinasi perlakuan konsentrasi asam yang tinggi, waktu kontak yang lebih lama, dan energi gelombang mikro yang lebih besar mampu mengkonversi pati dan serat dalam jumlah yang lebih banyak. Hal ini terbukti dari nilai DE yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan pada penggunaan pemanasan gelombang mikro dua tahap sebesar , sedangkan kombinasi perlakuan pada penggunaan pemanasan gelombang mikro satu tahap nilai DE hanya sebesar Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa konsentrasi asam, waktu hidrolisis dan besarnya energi yang diterima empulur sagu dari pemanasan gelombang mikro dua tahap berpengaruh terhadap nilai DE. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, semakin tinggi kemampuannya untuk mengkonversi polisakarida menjadi gula sederhana, sehingga nilai DE semakin tinggi, demikian juga sebaliknya. Walaupun masing-masing kombinasi perlakuan yang diberikan pada empulur sagu dengan gelombang mikro dua tahap dapat meningkatkan nilai DE, namun perpanjangan waktu satu menit pada proses hidrolisis tidak dapat meningkatkan nilai DE secara signifikan. Oleh karena proses hidrolisis yang terjadi pada perlakuan otoklaf lebih sempurna dalam menghasilkan gula sederhana, maka nilai DE jauh lebih besar dibandingkan perlakuan pemanasan gelombang mikro, yaitu Tingginya nilai DE pada perlakuan pemanasan otoklaf karena waktu hidrolisis yang lama (15 menit) akan membuat sebagian besar pati dan serat mampu dipecah menjadi gula-gula sederhana. Hal ini mengikuti teori hidrolisa yang mengatakan bahwa terdapat kecenderungan seiring dengan bertambahnya waktu maka nilai DE juga akan semakin naik karena semakin lama waktu hidrolisa, maka semakin banyak pula bahan yang terhidrolisa (Griffin dan Brooks 1989). Menurut Kuntz (1997), DE berhubungan dengan Derajat Polimerisasi (DP). DP menyatakan jumlah unit monomer dalam satu molekul. Semakin rendah nilai DP, maka semakin sempurna proses hidrolisis yang terjadi karena sebagian besar polimer telah terhidrolisis menjadi monomer (DP=1). Dari kombinasi perlakuan yang diberikan pada proses hidrolisis empulur sagu, nilai DP yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap mampu mencapai DP = 2.16, sedangkan kombinasi perlakuan pada penggunaan pemanasan gelombang mikro satu tahap nilai DP = Jenis gula sederhana yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan konsentrasi asam dan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap masih berbentuk oligosakarida. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa konsentrasi asam, waktu hidrolisis dan besarnya energi yang diterima empulur sagu dari pemanasan gelombang mikro dua tahap berpengaruh terhadap nilai DP. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, semakin tinggi kemampuannya untuk mengkonversi polisakarida menjadi gula-gula sederhana, sehingga nilai DP semakin rendah, demikian juga sebaliknya. Walaupun masing-masing kombinasi perlakuan yang diberikan pada empulur sagu dengan gelombang mikro dua tahap dapat menurunkan nilai DP, namun peningkatan waktu satu menit pada proses hidrolisis tidak dapat menurunkan nilai DP secara signifikan. Oleh karena proses hidrolisis yang terjadi pada perlakuan otoklaf lebih sempurna dalam menghasilkan gula-gula sederhana, maka nilai DP perlakuan pemanasan otoklaf jauh lebih rendah dibandingkan perlakuan pemanasan gelombang mikro, yaitu Kecilnya nilai DP pada perlakuan pemanasan otoklaf disebabkan waktu hidrolisis yang lama (15 menit) membuat sebagian besar pati dan serat mampu dipecah menjadi gula sederhana. 48

13 Banyak faktor yang menyebabkan proses hidrolisis dari perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap ini tidak menghasilkan DP terendah yang artinya sebagian besar gulanya belum berbentuk monomer (glukosa). Salah satu faktor yang menyebabkan masih tingginya nilai DP adalah tingginya kadar lignin sehingga menghambat proses hidrolisis meskipun telah diberi perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap. Selain itu, besarnya ukuran partikel bahan (35 mesh) membuat katalis asam belum mampu sepenuhnya memecah polimer karbohidrat empulur sagu pada pemanasan gelombang mikro. Hal ini seperti yang dijelaskan Jamil et al. (2010), gelombang mikro dapat membantu proses pemanasan material tidak hanya bergantung pada muatan dielektrik bahan, tetapi juga ketebalan atau ukuran bahan agar proses perpindahan panas lebih merata. Faktor lainnya adalah terbentuknya HMF dari degradasi monomer (glukosa) sehingga mengurangi jumlah gula sederhana yang sudah terbentuk akibat hidrolisis menggunakan asam pada suhu yang tinggi. Volume filtrat merupakan salah satu parameter yang dianggap penting dalam proses hidrolisis karena dapat menggambarkan rendemen produk walaupun belum tentu mencerminkan jumlah gula yang ada di dalamnya. Pada Tabel 8 terlihat perbedaan volume filtrat yang dihasilkan dari kombinasi perlakuan asam dan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap dengan pemanasan gelombang mikro satu tahap. Volume filtrat yang dihasilkan dari perlakuan gelombang mikro dua tahap adalah ml, sedikit lebih rendah daripada pemanasan gelombang mikro satu tahap, yaitu ml. Hal ini disebabkan karena energi yang besar diterima bahan pada pemanasan gelombang mikro dua tahap menyebabkan penguapan yang tinggi. Volume filtrat dipengaruhi oleh penguapan akibat lamanya pemanasan dan kelarutan komponen bahan terutama pati dan serat di dalam larutan. Kecenderungan penurunan volume filtrat yang diperoleh dari perlakuan gelombang mikro dua tahap dapat dilihat pada Gambar Volume Filtrat (ml) B0 B1 B2 B3 B4 Volume Filtrat (ml) B0 B1 B2 B3 B4 Perlakuan Pemanasan Perlakuan Pemanasan (a) (b) Keterangan: B: Perlakuan pemanasan B0: otoklaf (15`), B1: PL 70% (3`), B2: PL 30% (1`) + PL 70% (3`), B3: PL 30% (2`) + PL 70% (3`), B4: PL 30% (3`) + PL 70% (3`) Gambar 9. Nilai volume filtrat pada kombinasi perlakuan pemanasan dan waktu pada konsentrasi asam 0.3 M (a) dan konsentrasi asam 0.5 M (b) Dari Gambar 9 terlihat semakin lama waktu pemanasan pada perlakuan gelombang mikro dua tahap, maka semakin sedikit volume filtrat yang dihasilkan, hal ini disebabkan oleh waktu pemanasan yang lama mengakibatkan penguapan yang terjadi cukup besar. Pada konsentrasi asam yang lebih tinggi, kemampuan asam menghidrolisis pati dan serat lebih besar dibandingkan konsentrasi asam 49

14 rendah. Swift (2002) menyatakan bahwa sifat kelarutan komponen serat dalam air bergantung pada ph, semakin rendah ph semakin mudah larut. Nilai kelarutan serat juga dipengaruhi oleh jumlah komponen penyusun serat pangan yang larut. Kelarutan serat menunjukkan sifat daya larut partikelpartikel serat. Peningkatan konsentrasi asam pada proses hidrolisis akan meningkatkan degradasi molekul polisakarida menjadi partikel yang lebih kecil sehingga lebih mudah larut. Menurut Gong (1981), kelarutan tergantung pada suhu, tekanan, konsentrasi bahan lain dalam larutan dan komposisi kelarutannya. Berdasarkan kelarutan dalam air, serat pangan terbagi dua yaitu serat larut dan tidak larut. Struktur dominan selulosa berupa kristal adalah bagian yang bersifat sukar larut sedangkan bagian lain berupa non-kristal lebih mudah larut. Semakin banyak partikel yang larut di dalam air atau larutan asam, maka semakin sedikit jumlah air yang terikat pada residu, dengan demikian volume filtrat yang dihasilkan lebih besar. Jadi dapat dikatakan bahwa kelarutan bahan berdasarkan konsentrasi asam berhubungan erat dengan bobot residu dan volume filtrat yang dihasilkan. Semakin mudah bahan larut, maka semakin kecil bobot residu dan semakin tinggi volume filtrat yang dihasilkan dari proses hidrolisis, demikian pula sebaliknya. Kecenderungan berkurangnya volume filtrat dengan semakin lamanya waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap tidak terjadi pada perlakuan pemanasan otoklaf. Volume filtrat yang dihasilkan pada perlakuan pemanasan otoklaf mampu mencapai ml. Walaupun waktu hidrolisis dengan menggunakan otoklaf jauh lebih lama, yaitu 15 menit, namun volume filtrat yang dihasilkan sangat tinggi, hal ini disebabkan oleh pada pemanasan otoklaf tidak terjadi penguapan, selain itu proses hidrolisis yang sempurna menyebabkan bagian terlarut pada bahan lebih banyak yang akhirnya meningkatkan volume filtrat yang dihasilkan. Tingkat kejernihan filtrat dinyatakan dengan nilai transmitan (%T) yang diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 650 nm. Kejernihan filtrat merupakan fungsi dari nilai transmitan. Semakin besar nilai transmitan, maka semakin jernih filtrat karena hampir mendekati kejernihan air (100%). Kombinasi perlakuan konsentrasi asam dan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap menghasilkan nilai kejernihan filtrat tertentu. Kejernihan filtrat dipengaruhi oleh partikel tidak terlarut dan komponen degradasi gula (HMF dan furfural) pada hidrolisat. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada perlakuan pemanasan gelombang mikro dua tahap akan mengurangi jumlah partikel tidak terlarut pada bahan, akan tetapi meningkatkan jumlah produk inhibitor seperti HMF dan furfural akibat degradasi gula sehingga menyebabkan perubahan warna filtrat menjadi kecoklatan. Warna yang semakin kecoklatan ini menyebabkan nilai kejernihan sirup menjadi rendah saat dibaca dengan spektrofotometer, hal ini terbukti dari nilai kejernihan filtrat pada pemanasan gelombang mikro dua tahap semakin meningkat dengan semakin tingginya konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis. Konsentrasi asam yang tinggi dan waktu hidrolisis yang lama pada pemanasan gelombang mikro dua tahap menyebabkan partikel tidak terlarut menjadi berkurang, namun saat waktu hidrolisis diperpanjang terjadi penurunan kejernihan filtrat, hal ini disebabkan oleh jumlah bahan inhibitor akibat degradasi gula meningkat yang pada akhirnya membuat filtrat berwarna lebih gelap (tidak jernih). Adanya perubahan warna dari faktor konsentrasi asam dan waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap diduga karena sebagian besar pati dan serat telah larut dan terkonversi menjadi gula sederhana. Selain itu, warna filtrat yang semakin kecoklatan menunjukkan telah terbentuknya produk samping atau inhibitor. Winarno (1995) menyebutkan bahwa warna coklat pada filtrat dapat disebabkan oleh reaksi antara gula pereduksi dengan senyawa nitrogen (reaksi Maillard). Hasil reaksi Maillard gula pentosa menghasilkan furfural dan gula heksosa menghasilkan 50

15 hidroksimetilfurfural (HMF) yang berwarna coklat. Filtrat berwarna kuning kecoklatan mengindikasikan terdapatnya senyawa HMF dan furfural. Pada Tabel 8, nilai kejernihan filtrat dari perlakuan otoklaf masih lebih tinggi dibandingkan dengan pemanasan gelombang mikro, yaitu mencapai 89.85%, hal ini berarti perlakuan otoklaf mampu menurunkan partikel tidak terlarut pada empulur sagu jauh lebih tinggi daripada HMF dan furfural yang dihasilkan. Tidak demikian yang terjadi pada perlakuan gelombang mikro, proses hidrolisis yang terjadi belum sempurna mengakibatkan partikel tidak terlarut seperti oligosakarida pada filtrat lebih banyak. Dengan banyaknya partikel tidak terlarut pada filtrat mengakibatkan kejernihan filtrat berkurang walaupun jumlah HMF dan furfural yang juga mengakibatkan kekeruhan pada filtrat jumlahnya sedikit. Hidrolisis yang dilakukan dengan menggunakan asam memiliki kekurangan jika dilihat dari produk yang dihasilkan. Perlakuan asam dengan suhu yang tinggi dapat menimbulkan produk samping yang merupakan produk inhibitor pada saat proses fermentasi. Salah satu inhibitor tersebut adalah hidroksimetilfurfural (HMF). HMF merupakan senyawa yang dihasilkan dari dekomposisi glukosa, galaktosa dan manosa. Senyawa ini merupakan inhibitor dalam proses fermentasi karena dapat menghalangi proses konversi glukosa menjadi etanol. Pada penelitian ini, HMF yang terbentuk dari masing-masing perlakuan dapat dilihat pada Tabel 8. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap menghasilkan HMF yang semakin meningkat, dan nilainya lebih tinggi daripada hidrolisat perlakuan pemanasan gelombang mikro satu tahap. Perlakuan dengan pemanasan gelombang dua tahap menghasilkan nilai HMF tertinggi 1.88 mg/l, sedangkan perlakuan gelombang mikro satu tahap hanya 0.96 mg/l. Walaupun terjadi peningkatan HMF pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, namun kombinasi dengan konsentrasi asam dan perpanjangan waktu hidrolisis satu menit tidak menyebabkan nilai HMF meningkat secara signifikan. Nilai HMF pada perlakuan otoklaf jauh lebih besar dibandingkan dengan perlakuan gelombang mikro, yaitu mencapai mg/l, hal ini disebabkan karena hidrolisis dengan menggunakan otoklaf memerlukan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan gelombang mikro. Semakin lama waktu hidrolisis, maka semakin banyak HMF yang terbentuk karena waktu yang lebih lama membuat semakin banyak gula sederhana yang terdekomposisi menjadi HMF. Menurut Purwadi (2006), HMF dihasilkan dari degradasi berbagai jenis gula seperti manosa, galaktosa dan glukosa. Reaksi pembentukan HMF dijelaskan oleh Fennema (1985), yaitu terjadi pembentukan produk antara pada reaksi dehidrasi intramolekular, yaitu 3-deoksioson, bentukan dari D-glukosa. Reaksi β-eliminasi diteruskan dengan bentuk enol pada 3-deoksiglukoson. Cis-3.4-ene gula selanjutnya mengalami perputaran cincin dan dehidrasi untuk menghilangkan HMF. Selain HMF, produk inhibitor akibat dekomposisi gula adalah furfural. Furfural merupakan dekomposisi gula dari xilosa. Furfural sama halnya dengan senyawa HMF, furfural merupakan senyawa inhibitor dalam proses fermentasi. Dari Tabel 8 terlihat adanya kecenderungan semakin tingginya jumlah furfural yang terbentuk akibat semakin banyaknya gula pentosa yang terdekomposisi. Semakin tinggi konsentrasi asam dan semakin lama waktu hidrolisis pada pemanasan gelombang mikro dua tahap, semakin banyak jumlah furfural yang terbentuk, hal ini disebabkan oleh konsentrasi asam yang lebih tinggi dan waktu hidrolisis yang lama pada penerimaan energi panas yang lebih besar akan lebih cepat mendegradasi gula-gula sederhana sehingga lebih banyak furfural yang terbentuk. Perlakuan yang menghasilkan furfural tertinggi adalah dengan pemanasan otoklaf, yaitu sebesar 1.71 mg/l, sedangkan beberapa perlakuan pada konsentrasi asam 0.3 M tidak menghasilkan furfural. Oleh karena adanya proses penetralan dengan basa, maka proses pembentukan furfural dapat dihambat atau bahkan dihentikan sama sekali seperti perlakuan dengan menggunakan 51

16 asam 0.3 M. Peningkatan ph bertujuan untuk menghambat pembentukan produk inhibitor karena produk inhibitor hanya terjadi pada tingkat keasaman yang tinggi. Dari jumlah HMF dan furfural yang terbentuk pada fermentable sugar, masih terlalu kecil untuk mempengaruhi proses fermentasi. Nigam (2001) dalam Mussato dan Roberto (2004) menemukan bahwa konsentrasi furfural sebesar 0.25 g/l dalam media fermentasi tidak cukup untuk mengurangi produksi etanol, tetapi konsentrasi setinggi 1.5 g/l dapat mengganggu respirasi dan pertumbuhan mikroorganisme sehingga produksi etanol menurun. Efek inhibisi furfural dan HMF berbeda terhadap pertumbuhan khamir, yaitu furfural lebih menghambat dibandingkan dengan HMF. Furfural dengan konsentrasi 1 g/l dalam substrat fermentasi sudah menghambat enzim-enzim mikroba untuk menghasilkan etanol seperti alkohol dehidrogenasi, aldehid dehidrogenasi dan piruvat dehidrogenasi, sedangkan HMF pada konsentrasi 2 g/l (Modig et al. 2002). Pembentukan jumlah HMF jauh lebih banyak daripada furfural baik pada perlakuan pemanasan gelombang mikro maupun otoklaf. Hal ini disebabkan karena empulur sagu memang sebagian besar terdiri dari pati, yaitu sebesar 55.86%. Oleh karena kandungan pati lebih tinggi daripada serat, terutama hemiselulosa yang dapat terdiri dari monomer xilosa, maka peluang pembentukan HMF dari dekomposisi glukosa memang lebih tinggi daripada dekomposisi xilosa yang menghasilkan furfural. Dari semua perlakuan, jumlah HMF dan furfural yang terdapat dalam hidrolisat masih tergolong kecil, hal ini disebabkan karena penetralan yang dilakukan dengan penambahan basa. Hidrolisis asam memiliki kisaran ph , sehingga dengan penambahan basa, ph menjadi lebih tinggi. Tingginya ph menghambat terjadinya dekomposisi gula karena dekomposisi gula hanya terjadi pada tingkat keasaman dan suhu yang tinggi. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Yu et al. (1996), penetralan (detoksifikasi) bertujuan agar hidrolisat yang dihasilkan mempunyai kandungan inhibitor yang lebih kecil dan bertujuan untuk mengatur ph agar tidak mengganggu pertumbuhan mikroba pada proses fermentasi pembentukan etanol. 4.3 PRODUKSI BIOETANOL Substrat yang dipakai untuk proses fermentasi etanol diperoleh dari empulur sagu yang dihidrolisis secara asam. Oleh karena proses hidrolisis dilakukan dengan menggunakan katalis asam H 2 SO 4, maka ph substrat sangat rendah, berkisar antara ph Kelebihan proses hidrolisis secara asam dalam menghasilkan substrat untuk fermentasi etanol adalah tidak perlu melewati tahapan sterilisasi substrat sebelum fermentasi. Proses sterilisasi hanya diperlukan untuk substrat yang rentan terhadap perusakan gula oleh mikroba, sedangkan kondisi substrat yang sangat asam membuat mikroba perombak gula pada umumnya tidak dapat tumbuh. Oleh karena itu, proses hidrolisis secara asam untuk menghasilkan fermentable sugar berpotensi untuk mengembangkan sistem produksi bioetanol yang tidak memerlukan kondisi steril, dengan demikian dapat menekan penggunaan energi dalam menghasilkan etanol. Penentuan substrat dari perlakuan terbaik pada penelitian ini dilakukan dengan mempertimbangkan jumlah gula pereduksi dan total gula serta jumlah HMF karena tahapan hidrolisis dilakukan secara asam. Dari hasil karakterisasi terhadap hidrolisat (produk), maka perlakuan hidrolisis pada konsentrasi asam 0.5 M dengan pemanasan gelombang mikro Tahap 1 pada power level 30% (2`) yang dilanjutkan dengan gelombang mikro Tahap 2 pada power level 70% (3`) terpilih sebagai perlakuan terbaik karena dari kombinasi perlakuan tersebut menghasilkan gula pereduksi, total gula dan DE tertinggi dibandingkan perlakuan gelombang mikro dua tahap lainnya dan merupakan 52

17 perlakuan yang menghasilkan DP terendah walaupun belum mencapai 1. Hidrolisat dari kombinasi perlakuan terbaik ini selanjutnya digunakan sebagai substrat untuk produksi etanol. Pada tahap fermentasi, selain jenis gula yang menjadi penentu utama keberhasilan dalam memproduksi etanol, jenis mikroba juga merupakan salah faktor utama yang menjadi perhatian. Oleh karena hidrolisat yang diperoleh untuk substrat fermentasi adalah dari hidrolisis secara asam, maka dipilih jenis mikroba yang dapat memproduksi etanol pada ph rendah. Tujuannya agar tidak perlu dilakukan penetapan ph yang terlalu tinggi, sehingga penambahan basa untuk meningkatkan ph dapat dikurangi. Penambahan basa yang terlalu tinggi untuk menaikkan ph dapat meningkatkan jumlah garam pada substrat yang dapat menghambat proses fermentasi. Dengan demikian, pemilihan mikroba yang tahan terhadap ph rendah pada substrat yang diperoleh dari hidrolisis secara asam dinilai lebih efisien. Fermentasi yang dilakukan untuk menghasilkan etanol pada penelitian ini adalah dengan menggunakan khamir, yaitu Issatchenkia orientalis. Substrat yang digunakan pada tahap fermentasi adalah hidrolisat (sirup) dari perlakuan terbaik yang diatur phnya dengan tujuan untuk mengetahui ph optimal pertumbuhan I. orientalis dalam memproduksi etanol. Adapun pengaturan ph yang dilakukan adalah ph 3, ph 4 dan ph 5 dengan menambahkan amoniak (NH 4 OH). Selain sirup dari perlakuan gelombang mikro tersebut digunakan juga sirup dari hidrolisis dengan otoklaf sebagai pembanding dan sirup glukosa teknis sebagai kontrol. Sirup glukosa teknis dibuat dengan konsentrasi 10% dan ditambahkan pupuk NPK dan ZA sebagai sumber nitrogen, sedangkan sirup dari perlakuan gelombang mikro dan otoklaf tidak perlu ditambahkan pupuk NPK dan ZA karena sumber nitrogen sudah didapatkan dari pengaturan ph menggunakan amoniak (NH 4 OH). Dalam larutan, NH 4 OH akan terurai menjadi NH 3 dan H 2 O. NH 3 selanjutnya akan bereaksi dengan asam sulfat menghasilkan garam (NH 4 ) 2 SO 4. Selain unsur karbon, mikroorganisme juga membutuhkan unsur nitrogen sebagai nutrisi untuk pertumbuhannya. Sumber nitrogen untuk fermentasi pada penelitian ini diperoleh dari pembentukan amonium sulfat akibat penambahan amoniak. Pemilihan amoniak untuk menghasilkan amonium sulfat sebagai sumber nitrogen didasari oleh penelitian yang dilakukan Renilaili (2011), yang menyebutkan bahwa jenis sumber nitrogen yang paling optimal dalam fermentasi adalah (NH 4 ) 2 SO 4. Untuk mengetahui jumlah nitrogen yang terdapat pada masing-masing sirup yang telah diatur phnya dengan penambahan amoniak, maka dilakukan uji kadar protein kasar. Melalui uji protein ini dapat diketahui kadar nitrogen pada sirup karena pada prinsipnya analisa protein kasar menggunakan asam sulfat pekat dengan katalisator, sehingga dapat memecah ikatan N organik dalam bahan menjadi ammonium sulfat, kecuali ikatan N; NO; dan NO 2. Ammonium sulfat dalam suasana basa akan melepaskan NH 3. Senyawa NH 3 yang dilepaskan diikat kembali oleh H 2 SO 4 membentuk ammonium sulfat. Selanjutnya asam borat akan menangkap semua N yang terdistilasi untuk kemudian dititrasi dengan H 2 SO 4 (Renilaili 2011). Reaksi yang terbentuk adalah sebagai berikut. 2 NH H 2 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 SO 4 Pengaturan ph yang dilakukan pada substrat perlakuan gelombang mikro dua tahap terbaik menghasilkan nilai nitrogen yang berbeda-beda. Semakin tinggi ph yang diinginkan, maka penambahan basa (amoniak) semakin banyak, sehingga kadar nitrogen yang terukur semakin tinggi. Kadar nitrogen dari masing-masing substrat disajikan pada Tabel 9. 53