BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 BIOPLASTIK Bioplastik atau plastik biodegradabel adalah plastik yang dapat digunakan layaknya seperti plastik konvensional, namun akan hancur terurai oleh aktivitas mikroorganisme menjadi hasil akhir air dan gas karbondioksida setelah habis terpakai dan dibuang ke lingkungan. Karena sifatnya yang dapat kembali ke alam, plastik biodegradabel merupakan bahan plastik yang ramah terhadap lingkungan (IBAW Publication, 2005). Biopolimer, khususnya dari pati, sangat berlimpah, murah, dapat diperbaharui, dan juga dapat terurai [14]. Ketertarikan dalam penggunaannya sebagai bioplastik dipengaruhi oleh sifat mudah terurai dari pati sebagai sumber karbon [15]. Bioplastik mengandung baik plastik biodegradabel (plastik yang dihasilkan dari fosil) atau plastik bio-based (plastik yang disintesis dari biomassa atau sumber yang dapat diperbaharui). Hubungan antara plastik biodegradabel dan bio-based yang ditunjukkan pada polycaprolactone (PCL), dan poly(butylene succinate) (PBS) yang berbahan dasar minyak tanah, tapi dapat didegradasi oleh mikroorganisme. Pada satu sisi, poly(hydroxybutyrate) (PHB), poly(lactide) (PLA) dan campuran pati dihasilkan dari biomassa atau sumber yang dapat diperbaharui, dan dapat terurai. Meskipun kenyataannya polyethylene (PE) and Nylon 11 (NY11) bisa dihasilkan dari biomassa atau sumber yang dapat diperbaharui, mereka tidak dapat terurai. Plastik biodegradabel diperoleh dari bahan baku yang dapat diperbaharui, demikian untuk mengurangi efek rumah kaca. Sebagai contohnya, polyhydroxyalkanoate (PHA) dan lactic acid (bahan mentah untuk PLA) yang bisa dihasilkan dari proses fermentasi. Plastik biodegradabel menawarkan beberapa keuntungan seperti meningkatkan kesuburan tanah, mengurangi akumulasi plastik di lingkungan, dan mengurangi biaya perawatan limbah [16]. 9

2 Secara umum ada 3 jenis bioplastik yang diproduksi [17]: 1. Biodegradable tapi bukan bio-based Contohnya: polyester sintetik, dan polivinil alkohol (PVA) 2. Biodegradable dan bio-based Contohnya: bahan yang berbasis pati, bahan yang berbasis selulosa, polilaktida (PLA), dan polihidroksialkanoat (PHA) 3. Bio-based tapi tidak biodegradable Contohnya: PDO dari gliserol yang bio-based, PE dari bioetanol, PVC dari bioetanol, dan poliamida (PA) dari minyak. 2.2 PATI Pati (amilum) mempunyai rumus molekul (C 6 H 10 O 5 ) n, banyak terdapat dalam biji, umbi, akar, dan jaringan batang tanaman [18]. Komponen-komponen yang menyusun pati adalah amilosa dan amilopektin. Amilosa merupakan komponen pati yang mempunyai rantai lurus dan larut dalam air. Amilosa terdiri dari satuan glukosa yang bergabung melalui ikatan α-(1,4)-d-glukosa. Amilosa memberikan sifat keras, dan memiliki berat molekul rata-rata Sedangkan amilopektin merupakan komponen pati yang mempunyai rantai cabang dan tidak larut dalam air, tetapi larut dalam butanol. Amilopektin menyebabkan sifat lengket, tidak larut dalam air dingin, dan mempunyai berat molekul [19]. Amilopektin terdiri dari satuan glukosa yang bergabung melalui ikatan α-(1,4)-d-glukosa dan α-(1,6)-dglukosa [20]. Berikut adalah standar kandungan air, abu, pati, dan derajat putih pati menurut Standar Industri Indonesia (SII). Tabel 2.1 Standar Mutu Pati Menurut Standar Industri Indonesia [21] Komponen Kadar (%) Kadar Air Maks 14 Kadar Abu Maks 15 Kadar Pati Min 75 Derajat Putih Min 85 10

3 Menurut Guilbert dan Biquet (1990), kestabilan edible film dipengaruhi oleh amilopektin, sedangkan amilosa berpengaruh terhadap kekompakannya [22]. Pati dengan kadar amilosa tinggi menghasilkan edible film yang lentur dan kuat [23], karena struktur amilosa memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen antar molekul glukosa penyusunnya dan selama pemanasan mampu membentuk jaringan tiga dimensi yang dapat memerangkap air sehingga menghasilkan gel yang kuat [24]. Gambar 2.1 adalah gambar struktur molekul pati. Pati adalah salah satu jenis polisakarida yang disimpan dalam tanaman sebagai cadangan makanan. Dapat dilihat adanya ikatan gugus OH yang menyatakan bahwa pati bersifat hidrofilik. CH2OH H O H OH O O CH2OH OHCH2 CH2OH H O H H O H H O O OH O OH O OH CH2OH H H O H OH O O OH OH OH Gambar 2.1 Struktur Molekul Pati [25] OH n Gambar 2.1 adalah gambar amilosa dan amilopektin pada pati. Pada gambar 2.2 juga dapat diamati perbedaan ikatan α-(1,4)-d-glukosa dan α- (1,6)-D-glukosa. 11

4 Gambar 2.2 Struktur molekul amilosa dan amilopektin [26] Penelitian yang dilakukan oleh Senny Widyaningsih, dkk. (2012) tentang pengaruh penambahan sorbitol dan kalsium karbonat terhadap karakteristik dan sifat biodegradasi film dari pati kulit pisang juga diuji untuk bioplastik dari pati tanpa penambahan sorbitol dan kalsium karbonat, diperoleh hasil tensile strength lebih besar daripada dengan penambahan sorbitol, higroskopisitas, kelarutan dalam air, kelarutan dalam asam, dan densitas paling rendah. Dengan variasi kalsium karbonat sebagai pengisi sebesar 0%, 0,2%, 0,4% dan variasi sorbitol sebagai plasticizer sebesar 0%, 20%, dan 40%. Film yang dihasilkan pada penelitian ini berwarna putih kecoklatan. Karakteristik yang pertama adalah densitas. Densitas merupakan nilai yang menunjukkan massa bahan per satuan volume (g/cm 3 ). Penambahan kalsium karbonat dan sorbitol menghasilkan nilai densitas lebih besar. Densitas berbanding lurus dengan massa suatu bahan, sehingga semakin besar massa suatu bahan maka nilai densitas semakin besar. Berdasarkan pengamatan dari berbagai variasi komposisi penambahan kalsium karbonat dan sorbitol menghasilkan nilai densitas terbesar yaitu sebesar 6,12 g/cm 3. Higrokopisitas adalah kemampuan suatu bahan untuk melakukan penyerapan uap air dari lingkungan. Semakin besar higrokopisitas, maka akan mempengaruhi ketahanan dari bahan yang disimpan oleh film yang dihasilkan. Semakin banyak sorbitol dan kalsium karbonat yang ditambahkan, nilai higrokopisitas film semakin besar. Persentase higroskopis film dari pati kulit pisang berkisar antara 3,55-7,59%. Pengukuran laju transmisi uap air suatu bahan 12

5 merupakan faktor yang penting dalam menilai permeabilitas film terhadap uap air. Laju transmisi uap air yang dihasilkan berkisar antara 0, ,00214 g/ jam cm 2 [27]. Menurut McHugh dan Krochta (1994), laju transmisi uap air suatu bahan dipengaruhi oleh sifat kimia dan struktur bahan pembentuk, konsentrasi plasticizer, dan kondisi lingkungan seperti kelembaban dan temperatur. Gelembung udara yang terdapat pada lapisan dapat meningkatkan laju transmisi uap air. Peningkatan nilai laju transmisi uap air dapat juga disebabkan oleh bertambahnya komponen hidrofilik yang terdapat pada film sehingga memudahkan uap air melewatinya [28]. Kelarutan dalam air yaitu untuk memprediksi kestabilan bioplastik terhadap pengaruh air. Menurut Thirathumthavorn dan Charoenrein (2006), menurunnya daya larut juga disebabkan karena amilosa dengan gugus substituen membentuk ikatan yang sangat kuat sehingga menyebabkan terjadi pemerangkapan molekul air di dalam molekul pati, yang mengakibatkan swelling power meningkat dan mencegah molekul amilosa untuk terlarut dalam sistem yang menyebabkan daya larut pati menurun. Penambahan kalsium karbonat meningkatkan kelarutan dalam air walaupun tidak begitu signifikan dan penambahan sorbitol pada film meningkatkan kelarutan dalam air karena sorbitol memiliki sifat hidrofil [23]. Kelarutan dalam asam yaitu untuk memprediksi kestabilan bioplastik terhadap hidrolisis oleh senyawa asam yang kemungkinan keluar dari bahan pangan selama penyimpanan. Hasil persentase kelarutan dalam asam terbesar yaitu pada penambahan 0,4% kalsium karbonat dan 40% sorbitol yaitu sebesar 87,86%. Penentuan daya regang (tensile strength) merupakan gaya maksimum yang terjadi pada film selama pengukuran berlangsung. Hasil pengukuran berhubungan eraat dengan jumlah plasticizer yang ditambahkan pada proses pembuatan film. Berdasarkan penelitian, nilai daya regang tanpa penambahan sorbitol memiliki nilai lebih besar dibandingkan dengan adanya penambahan sorbitol. Penambahan sorbitol dan kalsium karbonat menurunkan daya regang film. Panjang putus (elongation at break) merupakan perubahan panjang maksimum pada saat terjadi peregangan hingga sampel film terputus. Pada umumnya adanya penambahan plasticizer dalam jumlah yang lebih besar akan menghasilkan nilai persen pemanjangan suatu film semakin lebih besar. Persentase elongation terbesar pada film bioplastik berbahan dasar pati dari kulit pisang pada berbagai 13

6 variasi komposisi yaitu penambahan 0,4% kalsium karbonat dan 40% sorbitol sebesar 19,81%. Ketahanan sobek merupakan gaya tarik maksimum yang dapat dicapai sampai film tetap bertahan sebelum film kemudian putus atau sobek. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketahanan sobek pada film bioplastik dari berbagai variasi komposisi kalsium karbonat dan sorbitol berkisar antara 2,50-26,32 MPa. 2.3 BIJI ALPUKAT Alpukat (Persea americana Mill.) merupakan tanaman yang banyak tumbuh di Indonesia, karena sifat tanaman ini mudah tumbuh di daerah tropis dan subtropis [8]. Total produksi pisang di Indonesia pada tahun 2009 berkisar antara 257,642 ton [29]. Berdasarkan data Biro Pusat Statistik (BPS), produksi buah alpukat di Indonesia dari tahun ke tahun cenderung meningkat. Umumnya jika mengkonsumsi buah alpukat, bagian bijinya dianggap tidak bermanfaat sehingga dibuang sebagai limbah [8]. Biji alpukat tergolong besar, terdiri dari dua keping (cotyledon), dan dilapisi oleh kulit biji yang tipis melekat. Biji tersusun oleh jaringan parenchyma yang mengandung sel-sel minyak dan butir tepung sebagai bahan cadangan makanan. Biji alpukat merupakan tempat penyimpanan cadangan makanan bagi tumbuhan selain buah, batang, dan akar [30]. Tabel 2.2 Kandungan kimia biji alpukat (Persea americana Mill.) dalam 100 gram bahan [9] Parameter Massa (gram) Air 72,63 Abu 0,86 Lemak 1,08 Karbohidrat 24,22 Protein 1,21 Serat Kasar 2,21 14

7 Plastik biodegradable yang berbasis pati memerlukan bahan dasar yang mengandung banyak pati [31]. Biji alpukat memiliki potensi yang tinggi untuk dijadikan sebagai bahan dasar plastik biodegradable. Hal ini dikarenakan biji alpukat Persea americana Mill. memiliki kandungan pati yang cukup tinggi, sekitar 29,6% [9]. 2.4 KITOSAN Kitosan merupakan polimer kationik yang bersifat nontoksik, dapat mengalami biodegradasi dan biokompatibel. Kitosan juga memiliki kegunaan yang sangat luas dalam kehidupan sehari-hari misalnya sebagai adsorben limbah logam berat dan zat warna, pengawet, antijamur, kosmetik, farmasi, flokulan, antikanker, dan antibakteri. Kitosan dapat aktif dan berinteraksi dengan sel, enzim atau matrik polimer yang bermuatan negatif [32]. Sumber kitosan sangat melimpah di alam terutama dari hewan golongan crustaceans seperti udang dan kepiting. Indonesia merupakan negara bahari yang sangat melimpah akan sumber-sumber kitosan seperti udang dan limbah cangkang udang yang dihasilkan dalam jumlah sangat banyak kurang termanfaatkan dengan baik. Kitosan diperoleh melalui beberapa tahapan proses yaitu deproteinasi, demineralisasi, depigmentasi dari cangkang udang sehingga diperoleh kitin. Kitin kemudian dideasetilasi melalui proses hidrolisis basa menggunakan basa kuat dan pekat sehingga diperoleh kitosan. Performance sifatsifat kitosan sangat dipengaruhi oleh 2 parameter penting, salah satunya adalah derajat deasetilasi (DD). Besarnya derajat deasetilasi (DD) ini sangat dipengaruhi oleh konsentrasi basa, temperatur, waktu dan pengulangan proses selama pembentukan kitosan [33]. Kadar kitin dalam berat udang berkisar antara 60-70% dan bila diproses menjadi kitosan menghasilkan yield 15-20%. Kitosan memiliki sifat biodegradabel, terbarukan dan tidak beracun [34]. Pemilihan kitosan sebagai salah satu alternatif untuk merekayasa plastik yang ramah lingkungan dikarenakan kitosan memiliki sifat biodegradasi yang baik. Elastisitas kitosan yang sangat kecil dapat ditingkatkan dengan kopolimerisasi dengan monomer sintesis [35]. Menurut Pamilia Coniwanti, 15

8 dkk. (2014) tentang pembuatan film plastik biodegradabel dari pati jagung dengan penambahan kitosan dan pemplastis gliserol, bioplastik dengan penambahan kitosan menghasilkan kekuatan tarik yang semakin besar dan persentase swelling yang semakin kecil [36]. Semakin besar konsentrasi kitosan maka akan semakin banyak ikatan hidrogen yang terdapat di dalam film plastik sehingga ikatan kimia dari plastik akan semakin kuat dan sulit untuk diputus, karena memerlukan energi yang besar untuk memutuskan ikatan tersebut. Hal itu disebabkan oleh partikel bioplastik banyak mengalami perubahan fisika. Sehingga plastik semakin homogen dan strukturnya rapat, dengan karakteristik tersebut membuat kekuatan tarik semakin besar. Sifat ketahanan film plastik terhadap air ditentukan dengan uji swelling, yaitu persentase penggembungan film oleh adanya air. Kitosan memiliki sifat hidrofobik dan tak larut dalam air. Sehingga semakin besar konsentrasi kitosan maka % swellingnya semakin kecil [36]. Pada penelitian Darni, et al (2010), variasi perbandingan massa antara pati dan kitosan adalah 6:4, 7:3, 8:2, 9:1, 10:0. Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, kondisi optimum terjadi pada saat perbandingan massa pati-kitosan 6:4 [7]. 2.5 PLASTICIZER Plasticizer merupakan bahan yang ditambahkan ke dalam suatu bahan pembentuk film untuk meningkatkan fleksibilitasnya, karena dapat menurunkan gaya intermolekuler sepanjang rantai polimernya, sehingga film akan lentur ketika dibengkokkan [37]. Menurut Damat (2008), karakteristik fisik edible film dipengaruhi oleh jenis bahan serta jenis dan konsentrasi plasticizer. Plasticizer dari golongan polihidrik alkohol atau poliol di antaranya adalah gliserol dan sorbitol. Bioplastik berbahan dasar pati memiliki kekuatan mekanik yang rendah sehingga diperlukan zat tambahan untuk memperbaiki hal tersebut [38]. Plasticizer sering digunakan untuk memperbaiki sifat elastisitas dan mengurangi sifat barrier film dari pati [39]. Prinsip proses plastisasi adalah dispersi molekul pemlastis ke dalam polimer. Jika pemlastis mempunyai gaya interaksi dengan polimer, proses dispersi akan berlangsung dalam skala molekul dan terbentuk larutan polimer-pemlastis. Sifat fisik dan mekanis polimer-pemlastis ini merupakan fungsi distribusi dari sifat 16

9 komposisi pemlastis. Oleh karena itu, ramalan karakteristik polimer yang terplastisasi dapat dilakukan dengan variasi komposisi pemlastis [40]. McHugh dan Krochta (1994), menyatakan bahwa poliol seperti sorbitol dan gliserol adalah plasticizer yang cukup baik untuk mengurangi ikatan hidrogen internal sehingga akan meningkatkan jarak intermolekul [28]. Menurut Pamilia Coniwanti (2014), pada penelitiannya tentang pembuatan film plastik biodegradabel dari pati jagung dengan penambahan kitosan dan pemplastis gliserol, diperoleh bahwa semakin banyak gliserol yang ditambahkan ke dalam film plastik biodegradabel maka film plastik yang dihasilkan akan semakin elastis [36]. Tapi persentase elongasi berbanding terbalik dengan kekuatan tarik. Secara umum, dengan penambahan gliserol sebagai plasticizer molekul-molekul di dalam larutan tersebut terletak di antara rantai ikatan biopolimer dan dapat berinteraksi dengan membentuk ikatan hidrogen dalam rantai ikatan antara polimer sehingga menyebabkan interaksi antar molekul biopolimer menjadi semakin berkurang. Hal ini menyebabkan berkurangnya kekuatan tarik film dengan adanya penambahan plasticizer. Pada penelitian Romadloniyah (2012), variasi sorbitol yang digunakan sebagai plasticizer adalah 1,5 ml, 2 ml, 2,5 ml. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tensile strength terbesar dimiliki oleh plastik biodegradable dengan penambahan 1,5 ml sorbitol yaitu 126,87 MPa dan elongation terbesar dimiliki oleh plastik biodegradable dengan penambahan 2,5 ml sorbitol yaitu 78,33% [41]. 2.6 SORBITOL Sorbitol, sebuah poliol (gula alkohol), adalah pemanis massal yang ditemukan di berbagai produk makanan. Selain memberikan rasa manis, juga berfungsi sebagai Texturizing Humectant Agent. Sorbitol memiliki tingkat kemanisan sekitar 60% dari tingkat kemanisan sukrosa. Sorbitol memiliki kesan halus dan manis, sejuk dan menyenangkan selera di mulut. Sorbitol bersifat non-cariogenic dan berguna bagi penderita diabetes [42]. Sorbitol, sebagai pemlastis film menjadikan lebih rapuh dan tensile strength yang paling tinggi (2,40 7,23 MPa) daripada polietilen glikol dan gliserol namun permeabilitas uap airnya rendah (44,38 64,48 g.mm/m 2.d.kPa). Menurut Ani Purwanti (2010), pada penelitiannya tentang analisis kekuatan tarik dan 17

10 elongasi plastik kitosan terplastisasi sorbitol, diperoleh bahwa semakin banyak plasticizer sorbitol yang ditambahkan maka nilai kekuatan tarik film semakin kecil. Menurut Ani Purwanti (2010), secara umum, dengan penambahan sorbitol sebagai plasticizer, molekul-molekul plasticizer di dalam larutan tersebut terletak di antara rantai ikatan biopolimer dan dapat berinteraksi dengan membentuk ikatan hidrogen dalam rantai ikatan antar polimer sehingga menyebabkan interaksi antara molekul biopolimer menjadi semakin berkurang. Hal ini menyebabkan berkurangnya kekuatan tarik film dengan adanya penambahan bahan tambahan (plasticizer). Plastik dengan plasticizer dapat meningkatkan fleksibilitas plastik menjadi 11 kali lipat apabila dibandingkan dengan plastik kitosan tanpa plasticizer. Pada penelitian Romadloniyah (2012), variasi sorbitol yang digunakan sebagai plasticizer adalah 1,5 ml, 2 ml, 2,5 ml. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tensile strength terbesar dimiliki oleh plastik biodegradable dengan penambahan 1,5 ml sorbitol yaitu 126,87 MPa dan elongation terbesar dimiliki oleh plastik biodegradable dengan penambahan 2,5 ml sorbitol yaitu 78,33%. 2.7 PROSES HIDROLISIS Hidrolisis adalah proses dekomposisi kimia dengan menggunakan air untuk memisahkan ikatan kimia dari substansinya. Hidrolisis pati merupakan proses pemecahan molekul amilum menjadi bagian-bagian penyusunnya yang lebih sederhana seperti dekstrin, isomaltosa, maltosa dan glukosa [43]. Proses hidrolisis pati menjadi sirup glukosa dapat menggunakan katalis enzim, asam atau gabungan keduanya. Hidrolisis secara enzimatis memiliki perbedaan mendasar dengan hidrolisis secara asam. Hidrolisis secara asam memutus rantai pati secara acak, sedangkan hidrolisis secara enzimatis memutus rantai pati secara spesifik pada percabangan tertentu. Hidrolisis secara enzimatis lebih menguntungkan dibandingkan hidrolisis asam, karena prosesnya lebih spesifik, kondisi prosesnya dapat dikontrol, biaya pemurnian lebih murah, dan kerusakan warna dapat diminimalkan [44]. Menurut Purba (2009) proses hidrolisis enzimatik dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: Enzim, ukuran partikel, Suhu, ph, waktu hidrolisis, perbandingan cairan terhadap bahan baku (volume substrat), dan pengadukan. Enzim 18

11 yang dapat digunakan adalah α-amilase, β-amilase, amiloglukosidase, glukosa isomerase, pullulanase, dan isoamilase [43]. Hidrolisis pati dihasilkan dengan 2 cara yaitu dengan asam dan enzim. Cara yang telah lama digunakan dan tradisional adalah hidrolisis dengan asam yang membutuhkan medium dengan tingkat keasaman yang tinggi (ph = 1 2); temperatur tinggi ( o C) dan tekanan tinggi (1-4). Hasil yang diperoleh pada proses secara termal, hidrolisis dengan asam menghasilkan produk samping yang tidak diperlukan yang mengontaminasi produk akhir hasil hidrolisa. Hidrolisis pati dengan enzim dihasilkan dibawah kondisi yang ringan; temperatur yang lebih rendah (sampai 100 o C); tekanan normal; ph medium sekitar 6 8. Pada waktu yang sama, hidrolisis dengan enzim menghasilkan laju reaksi yang tinggi; kestabilan enzim terhadap penghilangan aktivitas pelarut, detergen, enzim proteolitik yang tinggi dan penurunan viskositas medium reaksi pada temperatur yang lebih tinggi [45]. 2.8 PROSES GELATINISASI Gelatinisasi, yaitu memecah pati yang berbentuk granular menjadi suspensi yang viscous. Granular pati dibuat membengkak akibat peningkatan volume oleh air dan tidak dapat kembali lagi ke kondisi semula. Perubahan inilah yang disebut gelatinisasi. Suhu pada saat granular pecah disebut suhu gelatiniasi yang dapat dilakukan dengan adanya panas [46]. Setiap jenis pati memiliki karakteristik gelatinisasi (puncak, waktu dan suhu) yang berbeda-beda. Gelatinisasi dan sifat pembengkakan dari setiap jenis pati sebagian dikontrol oleh struktur amilopektin, komposisi pati, dan arsitektur granula. Di samping itu, perbedaan sifat gelatinisasi juga dikarenakan distribusi berat granula pati. Makin besar berat molekul, maka gelatinisasi akan terjadi pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan yang berat molekulnya lebih rendah. Contoh, pati serealia memiliki berat molekul yang lebih rendah dibandingkan dengan pati umbi-umbian. Ketika pati dipanaskan bersama air berlebih di atas suhu gelatinisasinya, granula pati yang memiliki kandungan amilopektin lebih tinggi akan membengkak lebih besar dibandingkan dengan yang memiliki kandungan yang lebih rendah. Rapid Visco Analizer (RVA) adalah alat untuk menentukan viskositas, suhu dan waktu puncak terjadinya gelatinisasi. Ada fase-fase dalam pengukuran dengan menggunakan RVA. Pada fase 19

12 pertama kurva, suhu masih berada di bawah suhu gelatinisasi pati, sehingga viskositas yang terukur rendah. Pada fase kedua, suhu lalu ditingkatkan secara perlahan sampai mencapai suhu gelatinsasi pati, yaitu suhu di mana granula pati mulai membengkak dan viskositas meningkat. Peningkatan suhu dan viskositas ini dikenal dengan istilah suhu puncak dan viskositas puncak (peak viscosity). Ketika sebagian besar granula pati membengkak, terjadi peningkatan yang cepat pada viskositas. Fase ketiga, saat temperatur-tetap meningkat dan pengadukan terus dilakukan (holding), granula pati akan pecah dan amilosa keluar dari granula ke cairan, yang menyebabkan viskositas menurun. Pada fase keempat, campuran kemudian didinginkan, yang menyebabkan asosiasi kembali antara molekul-molekul pati (setback), sehingga terbentuklah gel dan viskositas kembali meningkat hingga mencapai viskositas akhir [47]. Menurut Adityo Fajar Nugroho (2012), pada penelitiannya tentang sintesis bioplastik dari pati ubi jalar menggunakan penguat logam ZnO dan penguat alami clay, diperoleh bahwa pada pembuatan bioplastik baik dengan ZnO dan gliserol maupun dengan clay dan gliserol, suhu yang dicapai sampai terjadinya gelatinisasi adalah berkisar antara o C [40]. Pada penelitian Alsuhendra (1995) dengan sumber pati yang lain yaitu pati biji alpukat, suhu gelatinisasi yang diperoleh sebesar 85,5 o C [9]. Pada gelatinisasi juga dikenal adanya viskositas puncak atau viskositas maksimum, viskositas awal pendinginan, viskositas akhir pendinginan, viskositas retrogradasi, viskositas balik. Viskositas maksimum (peak viscosity) menggambarkan fragilitas dari granula pati yang mengembang, yaitu pada saat pertama kali mengembang sampai pecah karena adanya proses pengadukan. Viskositas maksimum dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain kadar amilosa, kadar protein, kadar lemak, dan ukuran granula. Viskositas awal pendinginan (hold viscosity) adalah viskositas yang diperoleh setelah pemanasan pada suhu konstan 95 o C selama 20 menit. Viskositas akhir pendinginan (final viscosity) adalah viskositas yang diperoleh saat suhu tercapai 50 o C. Viskositas retrogradasi (setback viscosity) adalah viskositas setelah pendinginan pada suhu konstan 50 o C selama 20 menit. Viskositas balik adalah selisih antara viskositas pada akhir pendinginan dan viskositas maksimum pasta [48]. 20

13 2.9 METODE PEMBUATAN BIOPLASTIK Pengkajian pemanfaatan sumberdaya pati Indonesia untuk produksi plastik biodegradabel dapat dilakukan melalui 3 cara yaitu: 1. Pencampuran (blending) antara polimer plastik dengan pati, dimana pati yang digunakan dapat berupa pati mentah berbentuk granular maupun pati yang sudah tergelatinisasi, dan plastik yang digunakan adalah PCL, PBS, atau PLA maupun plastik konvensional (polietilen). Pencampuran dilakukan dengan menggunakan extruder atau dalam mixer berkecepatan tinggi (high speed mixer) yang dilengkapi pemanas untuk melelehkan polimer plastik. 2. Modifikasi kimiawi pati, dimana untuk menambahkan sifat plastisitas pada pati, metode grafting sering digunakan. Sifat biodegradabilitas dari produk plastik yang dihasilkan tergantung daripada jenis polimer yang dicangkokkan pada pati. 3. Penggunaan pati sebagai bahan baku fermentasi menghasilkan monomer/polimer plastik biodegradabel [49]. Metode yang dilakukan dalam pembuatan bioplastik pada penelitian ini merujuk pada metode Weiping Band (2005) [50]. Proses pencampuran antara pati, pengisi dan plasticizer dilakukan bertahap sambil dipanaskan dan diaduk. Pencampuran yang dilakukan dapat menggunakan stirrer dengan pemanasan menggunakan water batch. Dapat juga menggunakan alat hot plate magnetic stirrer. Campuran yang sudah homogen membentuk larutan bioplastik yang kemudian dicetak dan dikeringkan. Pengeringan menggunakan oven dengan temperatur 60 o C. Pengeringan dilakukan hingga plastik mengeras dan dapat dikeluarkan dari cetakan, waktu yang digunakan yaitu ±24 jam [7] KARAKTERISTIK PATI Beberapa analisa/karakteristik yang dilakukan pada bioplastik adalah sebagai berikut Analisa Kadar Pati Pati penting dalam makanan terutama yang bersumber dari tumbuh-tumbuhan dan memperlihatkan sifat-sifatnya, pati terdapat dalam biji-bijian dan umbi-umbian 21

14 sebagai karakteristik granula pati, pati tidak manis, pati tidak dapat larut dengan mudah dalam air dingin, pati berbentuk pasta dan gel di dalam air panas, pati menyediakan cadangan sumber energi dalam tumbuh-tumbuhan dan persediaan energi dalam bentuk nutrisi [51]. Berdasarkan standar mutu pati menurut standar industri Indonesia, kadar pati yang diizinkan adalah minimum 75 % [52]. Kadar pati yang terkandung dalam umbi-umbian dipengaruhi oleh umur panen optimumnya, dimana semakin cepat atau semakin lama tanaman dipanen dari umur panen optimum semakin rendah kadar pati umbinya. Kemudian secara umum kadar pati juga dipengaruhi oleh tingkat kemurnian pati saat proses ekstraksi dari sumbernya, karena semakin banyak campuran seperti serat, pasir/kotoran yang terikut, semakin rendah kadar patinya per satuan berat [53] Analisa Kadar Amilosa dan Amilopektin Pati memiliki komponen penyusun utama, yaitu amilosa dan amilopektin. Kedua fraksi ini dapat dipisahkan dengan air panas. Fraksi yang terlarut disebut amilosa dan fraksi yang tidak terlarut disebut amilopektin. Struktur amilosa memberikan sifat keras sedangkan amilopektin menyebabkan sifat lengket [49]. Amilosa merupakan bagian dari granula pati yang dalam proses gelatinasi mengalami proses pembengkakan oleh adanya air dan panas sehingga amilosa berdifusi keluar dari granula dan membentuk gel [54] Analisa Kadar Air Air merupakan komponen penting dalam bahan pangan yang dapat mempengaruhi kualitas produk. Penurunan jumlah air dapat mengurangi laju kerusakan bahan pangan akibat proses mikrobiologis, kimiawi, dan enzimatis. Rendahnya kadar air suatu bahan pangan memiliki umur simpan yang lebih lama. Kadar air perlu ditetapkan sebab sangat berpengaruh terhadap daya simpan bahan. Makin tinggi kadar air suatu bahan maka makin besar pula kemungkinan bahan tersebut rusak atau tidak tahan lama. Proses pengeringan sangat berpengaruh terhadap kadar air yang dihasilkan. Pengeringan pada pati mempunyai tujuan untuk mengurangi kadar air sehingga pertumbuhan mikroba dan aktivitas enzim penyebab kerusakan pada pati dapat dihambat. Batas kadar air minimum dimana mikroba 22

15 masih dapat tumbuh adalah 14-15% [55]. Pada waktu pengeringan, berbagai senyawa yang dapat menimbulkan bau khas seperti alkohol, aldehid, dan keton akan hilang karena bersifat volatil [9] Kadar Abu Abu adalah residu anorganik dari pembakaran bahan organik, kadar abu dapat dihitung berdasarkan pengurangan bobot sampel selama proses pembakaran pada suhu tinggi ( o C) melewati proses penguapan dari material organik. Total abu merupakan parameter yang bermanfaat bagi nilai nutrisi dari banyak produk makanan. Kadar abu menunjukan kandungan mineral suatu bahan pangan. Abu didefinisikan sebagai residu yang tertinggal setelah suatu bahan pangan dibakar hingga bebas karbon. Kadar abu suatu bahan pangan menggambarkan banyaknya mineral yang tidak terbakar menjadi zat yang dapat menguap. Komponen yang umum terdapat pada senyawa organik alami adalah kalium, natrium, kalsium, magnesium, mangan, dan besi. Secara kuantitatif nilai kadar abu dalam pati yang dihasilkan berasal dari mineral-mineral dalam biji, pemakaiaan pupuk, dan dapat juga berasal dari kontaminasi tanah dan udara selama pengolahan [56]. Semakin besar kadar abu suatu bahan pangan menunjukan semakin tinggi kandungan mineral bahan pangan tersebut [57] Kadar Lemak Komponen sampingan dari granula pati adalah protein dan lipid. Dari perspektif fungsi pati, pembentukan lemak-pati kompleks terjadi karena rantai asam lemak jenuh yang menempati inti dari heliks amilosa secara signifikan. Lipid internal yang berada di dalam granula pati dalam rongga helix amilosa atau diruang antara amilosa dan amilopektin dianggap satu-satunya yang benar lipid pati. Lipid yang tersisa berasal dari endosperm. Lemak dalam bahan berpati terdapat sebagai kompleks dengan bagian nonpolar (di dalam rantai polimer) molekul amilosa [58]. Kandungan lemak minimum dalam pati yang dapat ditoleransi adalah 0,03% [59]. 23

16 Kadar Protein Pada protein, gugus karbonil asam amino terikat pada gugus amino asam amino lain dengan ikatan peptida / ikatan amida secara kovalen membentuk rantai polipeptida. Kadar protein juga menunjukkan analisis kadar nitrogen yang terdapat pada pati [8]. Persentase protein lebih tinggi di biji alpukat yang matang Gluten adalah kelompok terpenting dari protein yang berinteraksi dengan pati selama proses pemasakan KARAKTERISTIK BIOPLASTIK Beberapa pengujian/karakteristik yang dilakukan pada bioplastik adalah sebagai berikut Uji Sifat Kekuatan Tarik Penentuan daya regang (tensile strength) atau sering dikenal juga sebagai kekuatan tarik merupakan gaya maksimum yang terjadi pada film selama pengukuran berlangsung. Hasil pengukuran ini berhubungan erat dengan jumlah plasticizer yang ditambahkan pada proses pembuatan film. Berdasarkan penelitian nilai daya regang tanpa penambahan sorbitol memiliki nilai lebih besar dibandingkan dengan adanya penambahan sorbitol. Plasticizer dapat mengurangi ikatan hidrogen internal molekul dan menyebabkan melemahnya gaya tarik intermolekul rantai polimer yang berdekatan sehingga mengurangi daya regang putus. Penambahan plasticizer lebih dari jumlah tertentu akan menghasilkan film dengan kekuatan tarik yang lebih rendah [60]. Kekuatan tarik dan elongasi dari biodegradable plastik yang dihasilkan dipengaruhi oleh kadar pati, kadar serat, pemlastis serta bahan kompatibilitas yang dihasilkan. Pengujian ini sangat sederhana dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8, di Jepang dengan JIS 2241 dan di Indonesia dengan ASTM D 638. Pada uji kekuatan tarik ini, dengan menarik suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang [7]. 24

17 Kekuatan tarik dapat diukur berdasarkan beban maksimum (F maks ) yang digunakan untuk mematahkan material dibagi dengan luas penampang awal (A0) yang ditunjukkan pada persamaan berikut : Dimana (2.1) = kekuatan tarik (kgf/cm 2 ) F maks = beban maksimum (kgf) A0= luas penampang awal (cm 2 ) Standar yang digunakan adalah ASTM D638-02a, 2002 [3] Uji Pemanjangan pada saat Putus Panjang putus (elongation at break) atau proses pemanjangan merupakan perubahan panjang maksimum pada saat terjadi peregangan hingga sampel film terputus. Pada umumnya adanya penambahan plasticizer dalam jumlah lebih besar akan menghasilkan nilai persen pemanjangan suatu film semakin lebih besar. Menurut Liu dan Han (2005), tanpa penambahan plasticizer, amilosa dan amilopektin akan membentuk suatu film dan struktur dengan satu daerah kaya amilosa dan amilopektin [61]. Interaksi-interaksi antara molekul-molekul amilosa dan amilopektin mendukung formasi film, menjadikan film pati jadi rapuh dan kaku [62]. Elastisitas suatu material (elongasi) dapat dicari dengan perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang semula seperti pada persamaan berikut : x 100 % (2.2) Dimana : = elastisitas/regangan (%) l 0 = panjang mula-mula material yang diukur (cm) = pertambahan panjang (cm) Standar yang digunakan adalah ASTM D638-02a, 2002 [3] 25

18 Ketahanan terhadap Air Sifat ketahanan bioplastik terhadap air ditentukan dengan uji swelling, yaitu persentase penggembungan plastik oleh adanya air [63]. Uji ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya ikatan dalam polimer serta tingkatan atau keteraturan ikatan dalam polimer yang ditentukan melalui persentase penambahan berat polimer setelah mengalami penggembungan. Proses terdifusinya molekul pelarut kedalam polimer akan menghasilkan gel yang menggembung [64]. Prosedur uji ketahanan air pada sampel bioplastik adalah sebagai berikut : berat awal sampel yang akan diuji ditimbang (W o ). Lalu Isi suatu wadah (botol/gelas/mangkok) dengan air aquades. Letakkan sampel plastik ke dalam wadah tersebut. Setelah 10 detik angkat dari dalam wadah berisi aquades, timbang berat sampel (W) yang telah direndam dalam wadah. Rendam kembali sampel ke dalam wadah tersebut, angkat sampel tiap 10 detik, timbang berat sampel. Lakukan hal yang sama hingga diperoleh berat akhir sampel yang konstan. Air yang diserap oleh sampel dihitung melalui persamaan: Air (%) = x 100 % (2.3) Dimana: W o = berat sampel kering W = berat sampel setelah dikondisikan dalam desikator. Standar yang digunakan adalah ASTM D570-98, 2005 [7] Penentuan Rapat Massa (Densitas) Kerapatan merupakan sifat fisik suatu polimer. Kerapatan suatu bahan berpengaruh terhadap sifat mekanik bahan tersebut, semakin rapat suatu bahan maka semakin meningkatkan sifat mekaniknya. Sehingga film bioplastik yang dihasilkan mempunyai kekuatan tarik yang baik. Kerapatan atau densitas ini dapat didefinisikan sebagai berat per satuan volume bahan [7]. Penentuan rapat massa (densitas) film dilakukan dengan cara film dipotong dengan ukuran dan tebal tertentu, kemudian dihitung volumenya. Potongan film ditimbang dan rapat massa film ditentukan dengan membagi massa potongan uji dengan volumenya (g/cm 3 ) [27]. 26

19 Dimana : (2.4) = rapat massa/densitas (g/cm 3 ) m= massa sampel (g) v = volume sampel (cm 3 ) Standar yang digunakan adalah ASTM D792-91, 1991 [65] Karakteristik SEM (Scanning Electron Microscopy) SEM merupakan alat yang dapat digunakan untuk mempelajari atau mengamati rincian bentuk maupun struktur mikro permukaan suatu objek yang tidak dapat dilihat dengan mata atau dengan mikroskop optik. SEM digunakan untuk mengamati struktur micron, topografi, morfologi, fraktografi sampel padatan dari bahan logam, polimer atau keramik [7]. Hasil analisis SEM juga memperlihatkan penyebaran partikel pengisi pada matriks sehingga dapat diketahui distribusi partikel pada matriks tersebar dengan merata atau tidak [3] Karakteristik FT-IR (Fourier Transform InfraRed) FT-IR merupakan metode yang menggunakan spektroskopi inframerah. Pada spektroskopi inframerah, radiasi inframerah dilewatkan pada sampel. Sebagian radiasi inframerah diserap oleh sampel dan sebagian lagi dilewatkan/ditransmisikan. Hasil dari spektrum merupakan besarnya absorpsi molekul dan transmisi yang membentuk sidik jari molekul dari suatu sampel. Seperti sidik jari pada umumnya, struktur sidik jari dari spektrum inframerah yang dihasilkan tidak ada yang sama. Inilah yang membuat spektroskopi inframerah berguna untuk beberapa jenis analisis. Manfaat informasi/data yang dapat diketahui dari FT-IR untuk dianalisis adalah identifikasi material yang tidak dikeahui, menentukan kualitas sampel dan menentukan banyaknya komponen dalam suatu campuran [66]. 27

20 Analisa Profil Gelatinisasi dengan RVA (Rapid Visco Analyzer) Gelatinisasi adalah suatu sifat penting terhadap pati, karena menunjukkan perubahan dalam struktur kristal dan fungsi. Pada pembuatan sampel plastik melibatkan beberapa macam perubahan fasa, gelatinisasi menjadi suatu faktor yang penting karena sangat terkait dengan faktor yang lainnya, dan merupakan teknik dasar dalam konversi pati agar menjadi polimer termoplastik. Pati dengan kadar amilosa tinggi memiliki wilayah yang lebih amorf dan kurang kristal, menurunkan suhu gelatinisasi dan entalpi endotermik. Pada penelitian Faridah dkk., (2013), profil gelatinisasi pati garut alami dianalisis dengan menggunakan Rapid Visco Analyzer (RVA). Sebanyak 3,0 g sampel (berat kering) ditimbang dalam wadah RVA, lalu ditambahkan 25 g akuades. Pengukuran dengan RVA mencakup fase proses pemanasan dan pendinginan pada pengadukan konstan (160 rpm). Pada fase pemanasan, suspense pati dipanaskan dari suhu 50 o C hingga 95 o C dengan kecepatan 6 o C/menit, lalu dipertahankan pada suhu tersebut (holding) selama 5 menit. Setelah fase pemanasan selesai, pasta pati dilewatkan pada fase pendinginan, yaitu suhu diturunkan dari 95 o C menjadi 50 o C dengan kecepatan 6 o C/menit, kemudian dipertahankan pada suhu tersebut selama 2 menit. Instrumen RVA memplot kurva profil gelatinisasi sebagai hubungan dari nilai viskositas (cp) pada sumbu y dengan perubahan suhu ( o C) selama fase pemanasan dan pendi-nginan pada sumbu x [67] Beberapa data yang diperoleh dari hasil analisa RVA adalah pasting temperature, peak viscosity, hold viscosity, final viscosity, breakdown dan setback 1. Pasting temperatur adalah temperatur pada saat awal terjadinya gelatinisasi. Peak viscosity adalah viskositas puncak pada saat pati tergelatinisasi. Nilai viskositas puncak merefleksikan kemampuan granula untuk mengikat air dan mempertahankan pembengkakan selama pemanasan [68]. Viskositas puncak yang tinggi menunjukkan bahwa adanya amilosa yang masih bisa berikatan dengan molekul pati yang lain sehingga terbentuk struktur heliks ganda melalui ikatan hidrogen (retrogradasi) dan membentuk pati dengan struktur yang lebih kuat (pati resisten) [69]. Hold viscosity adalah viskositas pada saat temperatur pemanasan dipertahankan selama beberapa menit. Perubahan viskositas selama pemanasan pada temperatur konstan ini menunjukkan kestabilan viskositas terhadap panas. nilai viskositas breakdown 28

21 diperoleh pada tahap holding yaitu suhu pemanasan dipertahankan untuk mengetahui tingkat kestabilan pasta pati pada saat proses pemanasan, dimana nilai viskositas breakdown adalah selisih antara nilai peak viscosity dengan hold viscosity. Final viscosity atau viskositas akhir merupakan nilai viskositas pasta pati setelah tahap pendinginan. Pada tahap ini dapat diketahui kestabilan viskositas pati terhadap proses pengolahan (pemanasan, pengadukan, pendinginan) [26]. Perubahan viskositas selama proses pendinginan ini disebut setback 1 yaitu selisih antara hold viscosity dengan final viscosity. Viskositas setback pasta menunjukkan kecenderungan retrogradasi yang terjadi pada molekul amilosa karena amilosa lebih mudah terpapar oleh air dan mudah mengalami rekristalisasi dibandingkan amilopektin [67]. Pati dengan nilai viskositas setback yang tinggi menunjukkan bahwa banyaknya jumlah amilosa yang berikatan kembali dengan molekul-molekul pati yang lain dan membentuk struktur heliks ganda melalui ikatan hidrogen (retrogradasi). Struktur pati yang terbentuk menjadi lebih kuat sehingga disebut dengan pati tahan cerna (pati resisten) [26]. 29