BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Ester gula asam lemak (EGAL) dikenal sebagai salah satu biosurfaktan yang memiliki biodegradabilitas yang tinggi, ramah lingkungan, serta memiliki afinitas permukaan yang baik. EGAL sebagai emulsifier bersifat non-ionik dan non-toksik, memiliki kapasitas dan stabilitas yang tinggi, tidak berasa dan tidak berwarna. Pengunaannya dalam dunia industri sangat luas meliputi industri farmasi, kosmetik, dan bahan pangan. EGAL secara umum dapat diproduksi secara kimiawi (Laksmono, et al., 2008; Suryani et al., 2008; Purwaningtyas dan Pramudono, 2009) dan enzimatis (Ha et al.,2010a; Ha et al.,2010b; van Kampen et al.,2013; Ye dan Hayes, 2011). Sintesis EGAL secara kimiawi menggunakan suhu tinggi, membutuhkan energi yang besar dan memungkinkan terjadinya pencoklatan pada produk serta selektivitas terhadap gugus hidroksil yang rendah. Penggunaan alkali sebagai katalisator pada sintesis ester secara kimiawi dapat bersifat racun serta sulit untuk didegradasi (Yan, et al., 2001; Ye dan Hayes, 2011). Reaksi sintesis secara enzimatis akan menghasilkan produk yang lebih spesifik. Hal ini dikarenakan adanya sifat spesifitas pada enzim yang digunakan. Selain itu reaksi sintesis dilakukan pada kondisi yang tidak membutuhkan energi besar serta menghasilkan produk yang bersifat tidak 1
beracun dibandingkan dengan proses secara kimiawi (Sabeder, et al., 2006). Enzim dalam bentuk amobil bersifat lebih stabil, mudah untuk pengoperasian secara kontinyu dan dapat digunakan berulang dibandingkan dengan penggunaan enzim bebas. Enzim bebas bersifat tidak ekonomis, tingkat recovery yang rendah karena mudah larut, memiliki stabilitas rendah, perlu proses pemisahan serta tidak dapat digunakan berulang ( Chen, et al., 2012; Damnjanovic, et al., 2012). Sifat EGAL dipengaruhi oleh senyawa penyusun utamanya yaitu dari gula sebagai acyl acceptor dan asam lemak sebagai acyl donor. Ester fruktosa oleat (EFO) memiliki kemampuan menurunkan tegangan permukaan yang lebih baik dibandingkan jenis EGAL yang lain (Shi et al., 2011; Ye dan Hayes, 2011). EFO disintesis secara enzimatis menggunakan enzim lipase sebagai katalis melalui reaksi esterifikasi yang melibatkan gugus OH yang hidrofilik dan asam lemak yang hidrofobik. Fase hidrofilik dan hidrofobik akan sulit bercampur, sehingga perlu ditambahkan adanya pelarut anorganik. Pelarut yang digunakan akan menurunkan tegangan permukaan dan memperbaiki lingkungan reaksi, namun penggunaan pelarut sering kali dihindari untuk surfaktan yang bersifat food grade. Oleh karena itu perlu dikembangkan suatu metode esterifikasi tanpa menggunakan pelarut. Salah satu cara untuk memperbaiki lingkungan reaksi tanpa adanya penambahan pelarut pada proses esterifikasi enzimatis menggunakan enzim amobil yaitu dengan memodifikasi lingkungan hidrofilik dan hidrofobik 2
enzim pada fase amobil. Lipase yang diamobilkan pada lingkungan yang hidrofobik memiliki kecepatan reaksi lebih tinggi. Hal ini dikarenakan enzim lipase karakternya dipengaruhi oleh konformasi tiga dimensinya yang hanya aktif pada permukaan interfase antara hidrofobik dan hidrofilik. Selain itu sisi aktif lipase yang tersusun dari asam amino hidrofobik lebih menyukai lingkungan reaksi yang hidrofobik (Gumel, et a.l, 2011; Nawani, et al., 2006; Chen, et al., 2012). Ester fruktosa oleat (EFO) dapat diproduksi menggunakan stirred tank reactor (STR), packed bed reactor (PBR), maupun fluidized bed reactor (FBR). Produksi dengan STR dilakukan dalam suatu reservoir yang diinstalasi dengan agitator. Penggunaan agitator bertujuan untuk homogenisasi substrat, meningkatkan kelarutan substrat, serta meningkatkan interaksi reaksi substrat dan enzim amobil. Namun penggunaan agitator dalam STR memiliki kelemahan yaitu dapat menimbulkan stres terhadap enzim amobil bahkan sampai merusak permukaan dari support matrik yang dapat menyebabkan desorbsi enzim lipase dari matrik. Produksi menggunakan PBR maupun FBR lebih dipilih karena dapat mengurangi stres dan kerusakan pada support matrik enzim amobil. Substrat EGAL yang berupa kristal gula memilki ukuran yang besar yang dapat menghambat laju fluida dalam kolom reaktor. Penggunaan FBR dalam sintesis EGAL dapat mengurangi kemungkinan terjadinya clogging pada matrik dan substrat yang mengalami kemampatan akibat tertekan oleh aliran fluida dalam kolom, pencampuran 3
larutan dan distribusi yang lebih baik dan merata, serta meminimalkan tekanan yang dialami oleh matrik dibandingkan PBR (Damnjanovic, et al., 2012; Hajar dan Vahabzadeh, 2014). Penelitian ini bertujuan untuk dapat mensintesis biosurfaktan ester fruktosa oleat secara enzimatis. Sintesis ester fruktosa oleat dilakukan dalam fluidized bed reactor menggunakan enzim lipase yang telah diamobilisasi pada matrik modifikasi dengan penambahan 2-phenylpropionaldehyde yang memiliki gugus benzena, bersifat hidrofobik, sehingga diharapkan dapat memperbaiki lingkungan saat proses enzimatis. Permasalahan yang timbul adalah kondisi terbaik reaksi sintesis ester fruktosa oleat perlu diketahui untuk memperoleh yield konversi yang tinggi. Faktor-faktor yang mempengaruhi yield konversi pada reaksi esterifikasi EGAL yaitu, waktu reaksi, rasio mol substrat fruktosa:asam oleat, penggunan water adsorbent agent. Sedangkan faktor yang berpengaruh pada penggunaan fluidized bed reactor yaitu kecepatan alir substrat yang juga akan berpengaruh pada waktu kontak substrat di dalam kolom reaktor. 1.2. Rumusan Permasalahan Pada penelitian ini permasalahan yang dikaji antara lain: 1) Bagaimana kondisi terbaik untuk memperoleh ester fruktosa oleat yang disintesis dalam fluidized bed reactor menggunakan enzim lipase yang sudah diamobil dalam matrik modifikasi dilihat dari lama waktu reaksi 4
esterifikasi, kecepatan alir substrat, penggunaan water adsorbent agent, dan rasio mol substrat fruktosa:asam oleat untuk mendapatkan yield konversi tertinggi? 2) Bagaimana karakteristik dan sifat emulsifikasi dari ester fruktosa oleat yang diproduksi? 1.3. Tujuan Penelitian 1.3.1. Tujuan Umum Mengevaluasi proses reaksi esterifikasi ester fruktosa oleat dalam fluidized bed reactor menggunakan lipase amobil pada matrik modifikasi hidrofobik. 1.3.2. Tujuan Khusus 1) Memperoleh kondisi terbaik sintesis ester fruktosa oleat dalam fluidized bed reactor menggunakan enzim lipase yang sudah diamobil dalam matrik modifikasi hidrofobik dilihat dari lama waktu reaksi, kecepatan alir substrat, penggunaan water adsorbent agent dan rasio substrat fruktosa:asam oleat untuk mendapatkan yield konversi tertinggi. 2) Memperoleh karakter dan sifat emulsifikasi dari ester fruktosa oleat yang diproduksi. 5
1.4. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi ilmu pengetahuan terutama kemajuan ilmu dan teknologi pangan dan bagi masyarakat pada umumnya dalam memberikan informasi mengenai sintesis ester fruktosa oleat secara enzimatis dalam fluidized bed reactor menggunakan enzim lipase amobil pada matrik modifikasi hidrofobik sehingga dapat menjadi metode yang digunakan dalam sintesis EGAL. Selain itu informasi mengenai kondisi terbaik reaksi esterifikasi serta karakter dan sifat EFO dapat dijadikan dasar untuk merancang proses apabila akan diaplikasikan lebih lanjut. Produk EFO yang dihasilkan dapat dimanfaatkan sebagai penstabil emulsi pada produk pangan, sedangkan proses yang dilakukan dalam fluidized bed reactor dapat dijadikan dasar aplikasi dalam industri pangan. 6