Optimasi Proses Pembuatan Nata de coco dari Fermentasi Air Kelapa Menggunakan Response Surface Methodology

Transkripsi

1 Makalah No. XXX-XXX Optimasi Proses Pembuatan Nata de coco dari Fermentasi Air Kelapa Menggunakan Response Surface Methodology Alwani Hamad* 1, Noni Indriati 1, Abdul Haris Mulyadi 1, Endar Puspawiningtyas 1 1 Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto, Jl Raya Dukuh Waluh PO BOX 22 Purwokerto * hamadalwani@yahoo.co.id A B S T R A K Nata de coco adalah selulosa yang merupakan produk prebiotik berbahan dasar air kelapa yang diolah melalui proses fermentasi dengan memanfaatkan bakteri Acetobacter xylinum. Dalam pembentukan nata membutuhkan sumber C, H, N, serta mineral untuk nutrisi bakteri. Air kelapa sudah mengandung sebagian nutrisi yang dibutuhkan, tetapi masih perlu diperkaya dengan sumber nutrisi lain yang ditambahkan. Pengkajian optimasi dalam medium dan proses parameter perlu dilakukan agar meningkatkan produktifitas hasil nata. Kajian optimasi proses yang telah dilakukan selama ini masih meggunakan cara klasik dengan mengevaluasi satu parameter dengan menetapkan variabel yang lain. Response surface methodology adalah metode statistik yang telah diuji dapat digunakan untuk mengoptimasi beberapa variable dalam suatu proses. Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimasi tiga variabel yang berpengaruh dalam fermentasi nata de coco menggunakan bakteri Acetobacter xylinum yaitu jumlah sumber carbon (gula), ph dan lama fermentasi dengan respon berupa yield nata yang dihasilkan. Hasil respon surface methodology menggunakan central composite design menunjukkan bahwa untuk mendaptkan yield yang optimum komposisi yang digunakan untuk sumber karbon sebanyak 17,5 gram gula/5 ml air kelapa dengan ph medium 5 dan lama fermentasi selama 1 hari. Hasil penelitian ini diharapkan mampu memberi masukan kepada pembuat nata de coco komposisi yang paling sesuai dalam meningkatkan produksi nata de coco secara optimal. Kata kunci: nata de coco; respon surface method; central composite design; Acetobacter xylinum 1. Pendahuluan Air kelapa merupakan salah satu limbah industri pertanian. Sangat disayangkan apabila limbah industri yang berlimpah ini dibuang begitu saja. Hal ini dikarenakan pada air kelapa masih terdapat nutrisi yang tersisa yaitu gula, lemak dan mineral [1]. Air kelapa dapat dimanfaatkan untuk pembuatan produk nata de coco, sehingga meningkatkan nilai tambah dan nilai ekonomis. Kata nata berasal dari bahasa Spanyol yang berarti krim. Nataa dalam bahasa latin diterjemahkan sebagai natare yang berarti terapung apung [2]. Nata dapat dibuat dari air kelapa, santann kelapa, tetes tebu (molasses) dan sari buah. Nata yang

2 dibuat dari air kelapa dinamakann nata de coco [3]. Pertama kali nata diperkenalkan di Indonesia pada tahun 1973 dan sering disebut sebagai sari air kelapa atau sari kelapa. Namun demikian nata de coco dikenal luas sejak tahun 1981[4]. Nata de coco adalah cellulose yang merupakan hasil aktifitas bakteri Acetobacter xylinum. Sebenarnya, nata adalah lapisan polisakarida ekstraseluler (selulosa) yang dibentuk oleh mikroba pembentuk kapsul. Nata berbentuk padat, berwarna putih, transparan, bertekstur kenyal, menyerupai gel dan terapung pada bagian permukaan cairan [3]. Cellulose hanya dihasilkan oleh bakteri di permukaan atas yang kontak dengan udara sebab sifat dari Acetobacter adalah aerob. Selama proses dijaga agar tidak goyang, maka lapisan gel yang terapung akan semakin tebal dan bakteri akan mendapatkan pasokan udara melalui difusi di lapisan nata tersebut [5]. Dalam pembuatan nata de coco, untuk mendapatkan hasil yang optimal harus ada standarisasi medium dan proses operasi. Ada beberapa sumber reference yang telah mengkaji optimasi dalam fermentasi nata de coco. Dalam 1 liter air kelapaa optimal gula yang dibutuhlkan dibutuhkan 7,,5 % (w/v) dan,25% (w/v) untuk urea [1]. [5] mengkaji optimasi lama fermentasi dengan hasil 1 hari dengan menggunakan 5 gram sukrosa dan 5 gram amonium sulfat dan beberapa sumber phosfat dalam 1 liter air kelapa. Begitu juga [4] mengoptimasi penambahan pati untuk sumber karbon dengan hasil,25% (w/v) memberi hasil terbaik. Beberapa peneliti tersebut telah melakukan optimasi untuk meningkatkan produksi nata akan tetapi semua penelitian dilakukan dengan menggunakan cara klasik yaitu memvariasikan satu varibel dan membuat tetap variabel yang lain. Meskipun satu variabel yang dikaji untuk menetukan kondisi optimum bisa dilakukan, akan tetapi interaksi antar variabel yang lain menjadi terkunci dan tidak teramati sehingga akan terjadi interpretasi data yang berbeda beda. Problem ini dapat diatasi dengan metode statistik [6, 7]. Salah satu metode yang digunakan dalam optimasi proses dan mediunm dalam proses fermentasi adalah Response Surface Method (RSM) [6-8] Pada penelitian ini akan dikaji optimasi fermentasi nata de coco dari air kelapa dengan menggunakan Response Surface Method (RSM). Ada 3 variabel yang berpengaruh untuk menentukan fermentasi nata de coco yang akan dikaji yaitu jumlah sumber karbon dan lama fermentasi serta ph. 2. Metodologi Penelitian A. Fermentasi A.1 Alat Fermentasi Wadah fermentasi berupa baki-baki plastic yang tahan asam dengan dimensi 3 x 2 x 5 cm. Wadah perebus media digunakan untuk merebus media yang akan diinokulasi dengan starter. wadah harus tahan asam, atau menggunakan gelas kimia Ruang fermentasi digunakan untuk fermenaasi. ruang ini harus bersih, telah dicuci hamakan. tidak berserangga, dan tidak mudah dimasuki debu. angin dan serangga. Timbangan Kompor PH meter untuk mengatur ph A.2 Bahan Fermentasi Gula Urea Asam Asetat glacial KH 2 PO 4 Vitamin B syrup

3 Stater A.3 Cara Pembuatan Fermentasi nata: a. Air kelapa disaring sampai tidak ada padatan atau impuritas yang terikut dalam fermentasi b. Hasil saringan yang sudah didapat, kemudian dipanaskan sampai mendidih dengan api besar sambil diaduktambahkankan variable yang akan dikaji yaitu gula, urea, aduk.setelah mendidih, asam asetat untuk mengatur ph, vitamin dan KH 2 PO4. c. campuran in diaduk sampai gula larut. larutan ini disebut air asam bergula dan selanjutnya didinginkan d. media nata ditambahkan dengan starter (sesuai dengan variabel), kemudian dipindahkan didalam wadah fermentasi dengan ketinggian media kultur (plastic baki) Wadah ditutup dengan kertas Koran yang telah disterilkan dipanaskan e. Fermentasi selama 6 14 hari sesuai variable samapi terbentuk lapiasan nata yang cukup tebal A.4 Analisa hasil Nata yang telah terbentuk dianalisa dengan ketentuan sebagai berikut : 1. Yield nata (berat nata basah tiap volume air kelapa) Yield nata dapat didifinisikan sebagai berat basah nata de coco yang dihasilkan dalam wadah kultur per volume air kelapa yang digunakan untuk fermentasi [3, 5]. 2. Tebal nata Tebal nata diukur dengan menggunakan jangka sorong. Tebal nata digunakan untuk mengetahui tebal lapisan pellicle yang dihasilkan oleh bakteri Acetobacter xylinum [5]. 3. Moisture content dan berat kering Analisa moisture conten dan berat kering dilakukan dengan memotong kecil nata dengan ukuran 2 x 2 cm. Kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 15 o C sampai beratnya konstan. 4. WHC WHC ditentukan berdasarkan pada metode Jiang et al (1985) [9]. Nata dipotong berbentuk kotak dengan ukuran yang sama, kemudian dibungkus dengan kertas filter dan mesin pemisah (sentrifuge) dengan putaran 5 g tiap 1 menit. Selama dalam mesin pemisah, air yang dikeluarkan akan diserap oleh kertas filter. Persentase perbandingan dari kelembaban mengandung WHC [9] B. Experimental Design menggunakan Method Surface Method RSM (Response Surface Method) adalah suatu metode statistik untuk perancangan percobaan, pemodelan matematik, optimasi dan analisis statistik dalam penelitian. Dengan menggunakan RSM, sebuah persamaan polinomial kuadratik dikembangkann untuk memperkirakan hasil percobaan sebagai fungsi dari interaksi antara variabel bebas. Koefisien dari model empirik diestimasi dengan menggunakan teknik analisa regresi multiarah yang ada dalam RSM. Secara umum persamaan empirik yang akan digunakan adalah: dimana Y = hasil yang diperkirakan/response, β = koefisien intercept, βj = koefisien linier Xj,βjj= koefisien kuadrat Xj, βij = koefisien interaksi, Xi dan Xj = variabel bebas. Adapun rentang variabel bebas dan levelnya ditunjukan di Tabel 3, sedangkan rancangan percobaan berdasarkan metode Central Composite Design ditunjukan pada Tabel 4. Tabel 1. Rentang dan Level Variabel Bebas Variabel bebas Range dan level Star Low Center High Star

4 point level level () (-α) () C,41% 1% 1% (%v/v) ph 7 6 4,5 LF 4 hari 6 hari 1 hari level point (+1) (+α) 2% 21,5% hari 16 hari Central Composite Design ditunjukkan pada Tabel 4. Percobaan dilakukan berdasarkan matriks rancangan seperti padaa Tabel 1 Tabel 3. Matriks Rancangan Percobaan dan Hasil Percobaan Tabel 2. Tempuhan Berdasarkan Design Eksperiment Menggunakan Central Composite Design Run Variabel C Variabel ph Variabel LF α 12 +α 13 -α 14 +α α 18 +α Kurva tiga dimensi (Three dimensional response surface and contour plot) digunakan untuk menguji kebenaran pengaruh variabel percobaan pada hasil yang diperoleh. Koefisien-koefisien pada model empirik diestimasi dengan menggunakan analisis regresi multiarah. Kesesuaian model empirik dengan data eksperimen dapat ditentukan dari koefisien determinasi (R 2 ). Untuk menguji signifikan atau tidaknya model empirik yang dihasilkan digunakan ANOVA (Analysis of Variance) [1]. 3. Hasil dan Pembahasan A. Permodelan Empirik Yield Nata de Coco menggunakan Response Surface Method Hasil optimasi dengan metode Response Surface Method menggunakan Run Variabel bebas C ph LF 1 2,5 () 6 () 6 () 2 2,5 () 6 () 14 (+1) 3 2,5 () 3 (+1) 6 () 4 2,5 () 3 (+1) 14 (+1) 5 17,5 (+1) 6 () 6 () 6 17,5 (+1) 6 () 14 (+1) 7 17,5 (+1) 3 (+1) 6 () 8 17,5 (+1) 3 (+1) 14 (+1) 9 2,5 () 4,5 () 1 () 1 17,5 (+1) 4,5 () 1 () 11 1 () 7 (-α) 1 () 12 1 () 2 (+α) 1 () 13 1 () 4,5 () 4 (-α) 14 1 () 4,5 () 16 (+α) 15 1 () 4,5 () 1 () 16 1 () 4,5 () 1 () 17 1,5 (-α) 4,5 () 1 () 18 25,6 (+α) 4,5 () 1 () Keterangan: = Not Available Hasil Yield nata de coco (%) 31,62±3,54 c 78,99±1,75 a,b 74,25±22,68 a,b 72,33±1,42 a,b 82,24±1,54 a,b 65,23±17,94 b 85,19±2,46 a 8,63±3,37 a,b 71,88±2,35 a,b 76,8±13,92 a,b 84,5±4,27 a,b 81,56±2,69 a,b 74,32±2,94 a,b (tidak terbentuk lapisan nata de coco). Satuan konsentrasi gula (gr/5 ml air kelapa), lama fermentasi (hari), ph (volume asam cuka/5 ml). Tanda a, b, c merupakan keterangan untuk nilai rata-rata ± SD didalam satu kolom, apabila memiliki superscript yang berbeda maka dinyatakan significant different. Dari hasil pengolahan dengan menggunakan software Minitab 11, dapat diperoleh hasil estimasi koefisien regresi terhadap yield yang disajikan dalam Tabel 4. Tabel 4. Estimasi Koefisien Regresi Terhadap Model Term Coef StDev T P Constant C ph LF C*C ph*ph LF*LF C*pH C*LF ph*lf

5 S = R-Sq = 85.2% R-Sq(adj) = 71.8% Dari Tabel 4 model empiris dari Respons Surface Method untuk persentase perolehan yield nata de coco sesuai persamaan: Maka diperoleh: Y = 8,3 + 7,76 (X1) 2,28 (X1) 2 + 5,78 (X1) (X2) + 4,12 (X1) (X3) 22,74 (X2) 15,58 (X2) 2 + 4,6 (X2) (X3) + 18,2 (X3) 17,13 (X3) 2. (1) Tabel 5 Hasil ANOVA terhadap Model Source D F Seq SS Adj SS Adj MS F P Regressi on Linear Square Interacti on 1 Residual Error Lack-of Fit 9 1 Pure Error Total Keakuratan model ini dapat diketahui dari harga koefisien determinasi, R 2, yang mencapai 85,2%. Dari harga R 2 ini dapat disimpulkan bahwa nilai yang diperkirakan dengan model mendekati nilai yang diperoleh dari hasil percobaan. Ini menandakan bahwa 85,2% dari total variasi pada hasil yang diperoleh terwakili dalam model. Keakuratan model ini juga diketahui dari hasil ANOVA seperti ditunjukkan pada Tabel 4.8. Dari Tabel 4.9 diketahui bahwa nilai P yang dihasilkan memberikan pengaruh significant different karena nilai P <,5. Signifikansi koefisien regresi terhadap model disajikan dalam Tabel 4.8. Pada tabel tersebut, suku yang terdiri dari satu faktor menunjukkan efek linier, sedangkan suku yang terdiri dari dua faktor menunjukkan efek interaksi antara kedua faktor (variabel). Suku yang berpangkat dua menunjukkan efek kuadratik terhadap hasil. Nilai p dan t digunakan untuk mengetahui signifikan atau tidaknya masing-masing suku. Semakin kecil nilai p, semakin signifikan harga koefisiennya, dan semakin berperan terhadap hasil yang diperoleh [11]. B. Optimasi Yield Produk Nata de Coco Pengaruh pemberian asam cuka (jumlah asam cuka) dengan maksud untuk mengatur ph dan jumlah sumber karbon menggunakan gula (C) terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 1 yield yield C -2 C ph Gambar 1. Surface Plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari ph dan jumlah sumber karbon, gula (C) berdasarkan hasil dari experiment central composite design. Pengaruh penambahan jumlah karbon, gula (C) dan lama fermentasi (LF) terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar

6 Gambar 2. Surface plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari LF (lama fermentasi, hari) dan jumlah sumber karbon, gula (C) berdasarkan hasil dari experiment central composite design. medium pada ph 5 dan lama fermentasi selama 1 hari. Berdasarkan model pada Persamaan 1, ketika nilai optimum dipakai maka akan diperoleh hasil persentasi yield nata de coco sebesar 9,365%. Pengaruh lama fermentasi (LF) dan jumlah asam cuka dengan maksud untuk mengatur ph terhadap persentase yield yang dihasilkan ditampilkan dalam Gambar 3. Dari ketiga surface plot diatas dapat disimpulkan bahwa persentase yield dari fungsi jumlah sumber karbon (gula), jumlah asam cuka (ph) dan lama fermentasi (LF) dengan menggunakan central composite design untuk mendapat yield yang optimum maka jumlah sumber karbon yang digunakan adalah 17,5 gr/5 ml air kelapa, kondisi Gambar 3 Surface plot persentase Respon Yield sebagai Fungsi dari LF (lama fermentasi, hari) dan ph berdasarkan hasil dari experiment central composite design. Tabel 6. Hasil Model Response Surface Method dengan Respon WHC, Moisture, dan Ketebalan nata de coco yang dihasilkan Run C ph LF WHC (%) Moisture (%) Ketebalan (mm) 1 2,5 () 5 () 2 2,5 () 5 () 14 (+1) 56,11±3,96 b,c,d 96,4±1,8 a 3 2,5 () 4 (+1) 4 2,5 () 4 (+1) 14 (+1) 5 17,5 (+1) 5 () 6 17,5 (+1) 5 () 14 (+1) 56,61±3,48 b,c,d 94,98±,29 a,b,c 7 17,5 (+1) 4 (+1) 8 17,5 (+1) 4 (+1) 14 (+1) 6,18±6,94 a,b,c 93,35±,71 b,c,d 9 2,5 () 2 () 1 17,5 (+1) 2 () 11 1 () 2,5 (-α) 12 1 () 6 (+α) 13 1 () 2 () 14 1 () 2 () 16 (+α) 55,99±3,35 b,c,d 95,94±,2 a,b 15 1 () 2 () 16 1 () 2 () 17 1,5 (-α) 2 () 6 () 57,95±6,52 a,b,c,d 95,98±1, a,b 6 () 6 () 64,9±7,49 a 92,43±,9 c,d 6 () 1 () 61,83±6,68 a,b 93,48±2,62 a,b,c,d 1 () 58,21±4,99 a,b,c,d 91,88±1,94 d,e 1 () 54,19±5,48 b,c,d 94,45±,8 a,b,c,d 1 () 4 (-α) 1 () 5,99±7,26 d 93,42±1,21 b,c,d 1 () 54,11±4,19 b,c,d 95,19±,54 a,b,c 1 () 55,98±5,88 b,c,d 95,48±,3 a,b 4,77±,65 e 8,68±1,8 c 18 25,6 (+α) 2 () 1 () 52,97±3,14 c,d 89,42±,95 e 7,1±, d 4. Kesimpulan dengan menggunakan central composite design untuk mendapat yield yang optimum maka jumlah Dari optimasi jumlah sumber karbon (gula, C), sumber karbon, gula (C) yang digunakan adalah jumlah asam cuka (ph) dan lama fermentasi (LF) 8,52±1,83 c 8,27±,58 c 8,77±,49 b,c 8,93±1,7 b,c 1,2±,29 a 9,52±,51 a,b 7,27±,83 d 9,93±1,3 a 9,98±,35 a 8,43±,49 c

7 17,5 gr/5 ml air kelapa, kondisii medium pada ph 5 dan lama fermentasi (LF) selama 1 hari. Berdasarkan model pada persamaan, ketika nilai optimum dipakai maka akan diperoleh hasil persentasi yield nata de coco sebesar 9,365%. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih ditujukan kepada pihak- Purwokerto LPPM Universitas Muhammadiyah yang telah mendanai penelitian ini Daftar Pustaka 1. Edria, D., M. Wibowo, and K. Elvita, Pengaruh penambahan kadar gula dan kadar nitrogen terhadap ketebalan, tekstur dan warna nata de coco. 28, Jurusan Ilmu dan Teknologi Pangan, IPB: Bogor. 2. Collado, L.S. Processing and problem of the industry in the Philipines. in Traditional Food and Their Processing in Asia Tokyo. 3. Iguchi, M., S. Yamanaka, and A. Budhiono, Bacterial cellulose a masterpiece of nature's arts. Journal of Material Science p Effendi, N.H., Pengaruh penambahan variasi massa pati (soluble starch) pada pembuatan nata de coco dalam medium fermentasi bakteri Acetobacter xylinum. 29, Departemen Kimia MIPA USU: Medan. 5. Budhiono, A., et al., Kinetic aspects of bacterial cellulose formation in nata de coco culture system. Carbohydrate polymer, : p Haaland, P.D., Experimental Design in Biotechnology. 1989, New York: Marcell Dekker. 7. Lotfy, W.A., K.M. Ghanem, and E.R. Elhelow, Citric acid production by novel Aspergilus niger isolate: II Optimization of process parameterr through statistical experiment designs. Bioresouechnology, : p Ambati, P. and C. Ayyanna, Optimizing medium constituens and fermentation condition for citric acid production from palmira jaggery using respon surface method. World Journal Microbiology and Biotechnology, : p Jagannath, A., et al., The effect of ph, sucrose and ammonium sulphate concentrations on the production of bacterial cellulosee (Nata-de-coco) by Acetobacter xylinum. World J Microbiol Biotechnol : p Ilham and J.A. M, OPTIMASI VARIABEL PROSES PEMBUATAN KARAGIN DARI RUMPUT LAUT (Eucheuma Cottonii) DENGAN RESPONSE SURFACE METHODOLOGY. 11. Ulfah, E.M., F.A. Yasnur, and Istadi, Optimasi Pembuatan Katalis Zeolit X dari Tawas, NaOH dan Water Glass Dengan Response Surface Methodology. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 26. 1(3) ): p Susanti, L., Perbedaan Penggunaan Jenis Kulit Pisang terhadap Kualitas Nata, in Fakultas Teknik. 26, Universitas Negeri Semarang: Semarang.

8