21 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Komposisi Kimia Cangkang Kijing Lokal Cangkang kijing yang telah dihancurkan dengan hammer mill menjadi tepung cangkang dianalisis komposisi kimianya. Uji proksimat cangkang kijing yang dilakukan pada penelitian ini meliputi kadar air, kadar abu, kadar lemak, dan kadar protein. Kadar air yang dihasilkan dari cangkang kijing sebesar 0,54%. Hasil ini tidak berbeda dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Permana (2006) yang menunjukkan kadar air tepung cangkang kerang hijau (Perna viridis L.) sebesar 0,85%. Penelitian yang dilakukan Wardhani (2009) menunjukkan kadar air cangkang kijing lokal ukuran >90 mm sebesar 1,19%. Kadar air yang rendah tersebut disebabkan oleh sampel cangkang kijing sudah mengalami penjemuran dengan sinar matahari, selain itu karena karakteristik cangkang kijing memiliki tekstur padat dan tersusun atas zat kapur. Morton (1992) menyebutkan bahwa cangkang bivalvia memiliki tekstur padat dan tersusun atas zat kapur atau disebut lapisan periostrakum. Hasil penelitian menunjukkan komposisi kimia tertinggi pada cangkang kijing adalah kadar abu sebesar 55,31%. Besarnya kadar abu menunjukkan bahwa kadar mineral yang tinggi terkandung dalam cangkang kijing. Hal ini didukung oleh hasil penelitian Wardhani (2009) yang menunjukkan kadar abu cangkang kijing lokal sangat tinggi yaitu sebesar 93,34%. Hasil tersebut cukup berbeda dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Permana (2006) yang menunjukkan bahwa kadar abu cangkang kerang hijau (Perna viridis L.) sebesar 77,13%. Perbedaan nilai kadar abu tersebut disebabkan oleh sampel cangkang yang digunakan berasal dari spesies yang bebeda. Tingginya kadar abu pada hasil penelitian ini disebabkan oleh cangkang kijing mengandung bahan anorganik berupa kalsium karbonat. Menurut Acevedo et al. (2010), cangkang moluska terdiri dari 95% kalsium karbonat dan 5% matriks organik. John et al. (1972) menyebutkan bahwa kandungan kalsium pada cangkang kijing tersusun atas kalsium karbonat yang terbentuk dari lapisan calcite dan aragonite.
22 Analisis protein kasar terhadap cangkang kijing menunjukkan nilai protein yang rendah yaitu 3,01%. Hasil tersebut sesuai dengan penelitian yang dilakukan John et al. (1972) yang menunjukkan bahwa kandungan protein pada lapisan nacre Pinctada maxima sebesar 2-3%. Penelitian yang dilakukan Wardhani (2009) menunjukkan kadar protein cangkang kijing lokal sebesar 1,85%. Protein pada cangkang kijing diduga berasal dari periostrakum dan hinge ligamen. Lapisan periostrakum mengandung lima belas hingga tujuh belas asam amino. Lapisan luar dari ligamen terdiri dari lamella yang tersususun atas protein berbentuk serabut (Gregoire 1972). Penelitian Suzuki et al. (2004) menunjukkan bahwa lapisan prismatik pada Pinctada fucata mengandung asam amino glisin dan tirosin. Kadar lemak yang dihasilkan dari cangkang kijing sebesar 0,4%. Hasil tersebut tidak jauh berbeda dengan hasil analisis kadar lemak yang telah dilakukan oleh Wardhani (2009) yang meneliti karakteristik fisik dan kimia tepung cangkang kijing lokal, yaitu sebesar 0,66%. Kandungan lemak pada cangkang bivalva diduga berasal dari lapisan periostrakum. Lapisan periostrakum mengandung lemak, asam amino, dan protein (Gregoire 1972). Menurut Delong dan Thorp (2009), lapisan luar dari periostrakum mengandung matriks organik. Lee et al. (2007) menyatakan bahwa periostrakum mengandung mukopolisakarida, lemak, dan protein, dan berfungsi untuk mencegah korosi pada lapisan terluar dari cangkang. 4.2 Presipitasi Metode presipitasi merupakan pencampuran asam basa yang menghasilkan padatan kristalin dan air (Purwasasmita dan Gultom 2008). Pada penelitian ini, metode presipitasi dilakukan dengan cara melarutkan komponen kalsium cangkang kijing ke dalam pelarut asam (HCl) karena kalsium larut dalam suasana asam, kemudian ditambahkan larutan NaOH ke dalam larutan HCl yang telah mengandung kalsium. Adanya pencampuran asam-basa tersebut mengakibatkan larutan menjadi jenuh dan menghasilkan endapan kalsium yang halus dan berukuran nano. Menurut Kenth (2009), metode presipitasi dilakukan dengan cara zat aktif dilarutkan ke dalam pelarut, lalu ditambahkan larutan lain yang
23 bukan pelarut (anti-solvent), hal ini menyebabkan larutan menjadi jenuh dan terjadi nukleasi yang cepat sehingga membentuk nanopartikel. Isolasi kalsium dari cangkang kijing lokal dilakukan dengan demineralisasi menggunakan HCl. Proses ini merupakan proses melarutkan mineral yang terkandung dalam cangkang kijing terutama mineral CaCO 3. Reaksi pelepasan kalsium dari cangkang kijing oleh larutan HCl adalah: CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 (larut) + H 2 CO 3 CO 2 H 2 CO 3 H 2 O Pada awal proses pencampuran cangkang kijing dengan HCl 1N, terbentuk banyak buih dan gelembung-gelembung udara yang berlangsung sekitar ± 5 menit. Hal ini disebabkan oleh terbentuknya gas-gas CO 2 dan H 2 O di permukaan larutan. Kandungan kalsium pada cangkang kijing yang berupa kalsium karbonat (CaCO 3 ) direaksikan dengan HCl akan membentuk CaCl 2. Kalsium klorida (CaCl 2 ) yang terbentuk kemudian dilakukan presipitasi dengan NaOH menghasilkan endapan berupa kalsium hidroksida dan garam. Berikut adalah proses presipitasi kalsium dengan NaOH: CaCl 2 (larut) + 2NaOH Ca (OH) 2 + 2NaCl Garam (NaCl) yang terbentuk dihilangkan pada saat proses netralisasi, sehingga yang tersisa adalah Ca (OH) 2. Kalsium hidroksida (Ca (OH) 2 ) akan berubah menjadi kalsium oksida (CaO) saat proses pengabuan pada suhu 600ºC, karena H 2 O menguap sehingga produk akhirnya adalah serbuk nano kalsium oksida. Ca(OH) 2 CaO + H 2 O 4.3 Rendemen Rendemen merupakan suatu parameter yang paling penting untuk mengetahui nilai ekonomis dan efektivitas suatu produk atau bahan. Perhitungan nilai rendemen berdasarkan persentase perbandingan antara berat akhir dengan berat awal proses. Semakin besar rendemennya maka semakin tinggi pula nilai ekonomis produk tersebut, begitu pula semakin kecil nilai rendemen produk tersebut maka semakin rendah nilai ekonomis atau nilai keefektivitasan suatu
24 produk atau bahan tersebut (Mathlubi 2006). Berdasarkan analisis koefisien keragaman (coeffisien of variant) (Lampiran 12) menunjukkan bahwa keragaman data rendah (homogen) (CV < 20). Hasil uji kolmogrov simirnov (Lampiran 3) dapat dilihat bahwa data rendemen menyebar normal (P-value > 0,05). Hasil rendemen serbuk nano kalsium dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6 Grafik rendemen serbuk nano kalsium; 1 jam; 1,5 jam; 2 jam Angka yang diikuti huruf yang sama menunjukkan tidak beda nyata Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perlakuan lama ekstraksi memberikan pengaruh nyata (α=0,05) terhadap rendemen serbuk nano kalsium yang dihasilkan (Lampiran 4). Uji Duncan menunjukkan bahwa perlakuan ekstraksi 1,5 jam berbeda nyata (α=0,05) dengan waktu ekstraksi 1 jam, namun tidak berbeda nyata dengan waktu ekstrasi 2 jam (Lampiran 5). Hal tersebut karena semakin lama waktu ekstraksi, maka rendemen yang dihasilkan semakin bertambah hingga terjadi kesetimbangan konsentrasi dalam larutan yang dinamakan titik jenuh. Waktu ekstraksi 1 jam menghasilkan rendemen sebesar 5,02%. Rendemen bertambah menjadi 8,53% ketika waktu ekstraksi dinaikkan (1,5 jam), karena dengan bertambahnya waktu ekstraksi maka semakin banyak komponen mineral yang terekstrak dari cangkang, namun pada waktu ekstraksi dinaikkan kembali menjadi 2 jam, rendemen tidak berbeda nyata dengan rendemen 1,5 jam. Hal ini dikarenakan larutan sudah mengalami titik jenuh sehingga rendemen tidak bertambah. Suryandari (1981) menyebutkan bahwa semakin lama waktu ekstraksi maka rendemen yang dihasilkan semakin tinggi, karena kesempatan kontak antara bahan dan pelarut semakin besar, namun apabila waktu ekstraksi terlalu lama, rendemen akan menurun kemungkinan karena larutan sudah mencapai titik jenuh. Menurut Brojer et al. (2002), meningkatnya
25 waktu ekstraksi akan menyebabkan meningkatnya massa zat yang terlarut sampai waktu optimal, bila lebih dari waktu optimal rendemen tidak bertambah. Pemilihan perlakuan yang diterapkan untuk mengkarakterisasi serbuk nano kalsium berdasarkan pada parameter rendemen dan waktu ekstraksi. Perlakuan waktu ekstraksi 1,5 jam menghasilkan nilai rendemen tertinggi dan berbeda nyata dengan 1 jam, maka waktu ekstraksi 1,5 jam terpilih untuk pembuatan serbuk nano kalsium yang akan dikarakterisasi. 4.4 Komposisi Mineral Mineral merupakan bagian dari tubuh dan memegang peranan penting dalam pemeliharaan fungsi tubuh, baik pada tingkat sel, jaringan, organ, maupun fungsi tubuh secara keseluruhan. Mineral digolongkan ke dalam mineral makro dan mineral mikro. Mineral makro adalah mineral yang dibutuhkan tubuh dalam jumlah lebih dari 100 mg sehari, sedangkan mineral mikro dibutuhkan kurang dari 100 mg sehari (Almatsier 2009). Komposisi makromineral pada serbuk nano kalsium ini adalah Ca, Mg, Na, P, dan K, sedangkan mikromineral yang terkandung adalah Fe, Zn, dan Mn. Berdasarkan analisis koefisien keragaman (coefisien of variant) (Lampiran 12) menunjukkan bahwa keragaman data rendah (homogen) (CV < 20). Hasil uji kolmogrov simirnov (Lampiran 11) dapat dilihat bahwa data kadar mineral serbuk nano kalsium menyebar normal (P-value >0,05). Hasil analisis kandungan mineral pada serbuk nano kalsium pada perlakuan 1 jam, 1,5 jam, dan 2 jam dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Komposisi mineral serbuk nano kalsium Komposisi mineral Nilai (%) 1 jam 1,5 jam 2 jam Kalsium 85,57 89,89 86,77 Magnesium 6,23 1,78 2,03 Natrium 3,58 4,19 3,40 Fosfor 0,15 0,02 0,07 Kalium 0,29 0,23 0,14 Mangan 4,02 3,72 7,36 Besi 0,10 0,08 0,10 Seng 0,05 0,08 0,14 Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perlakuan lama ekstraksi tidak memberikan pengaruh terhadap kadar mineral yang dihasilkan (P >0,05)
26 (Lampiran 13). Hal tersebut diduga karena pengaruh lingkungan perairan yang sama. Hasil ini didukung oleh hasil penelitian Mahmoud et al. (2007) yang menyatakan bahwa kandungan mineral terutama kalsium pada limbah demineralisasi cangkang udang tidak berbeda nyata antara perlakuan ekstrasi 1 jam dan 6 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa mineral kalsium memiliki kadar yang paling tinggi dibandingkan komposisi mineral lainnya yaitu sebesar 85,57% dengan perlakuan 1 jam, 89,89% dan 86,77% untuk perlakuan 1,5 jam dan 2 jam. Besarnya kandungan kalsium karena cangkang kijing sebagian besar tersusun atas kalsium karbonat. Menurut Gregoire (1972), cangkang bivalvia tersusun dari 89-99% kalsium karbonat, 1-2% fosfat, bahan organik berupa conchiolin, dan air. Penelitian Wardhani (2009) menunjukkan kandungan kalsium tepung yang dihasilkan dari cangkang kijing berukuran >90 mm adalah 28,97%, dan pada penelitian Aung et al. (2008) menunjukkan kadar kalsium dari limbah demineralisasi kulit udang pada waktu ekstraksi 2 jam sebesar 84,42%. Kalsium merupakan kation divalen paling melimpah dari tubuh manusia, mewakili sekitar 1,5% sampai 2% dari total berat badan manusia. Tulang dan gigi mengandung sekitar 99% dari kalsium tubuh, serta 1% lainnya di distribusikan dalam cairan intra dan ekstraseluler (Gropper et al. 2009). Kelebihan nano kalsium menurut Food and Environmental Hygiene Department (2010) adalah memiliki kemampuan yang lebih besar untuk memasuki dinding usus dibandingkan dengan yang berukuran mikro. Partikel nano pada kalsium dapat mudah diserap oleh saluran pencernaan. Penelitian Park et al. (2007) menunjukkan bahwa susu yang ditambahkan nano kalsium dengan ukuran 30-900 nm dapat meningkatkan Bone Mineral Density (BMD) pada tulang tikus. Berdasarkan analisis ragam (Lampiran 13), perbedaan waktu ekstrasi tidak memberikan pengaruh terhadap kadar mineral magnesium yang dihasilkan. Kadar magnesium pada perlakuan waktu ekstraksi 1 jam adalah 6,23%, perlakuan waktu ekstrasi 1,5 jam adalah 1,78%, dan 2,03% pada perlakuan ekstrasi 2 jam. Konsentrasi tersebut lebih tinggi dibandingkan kadar magnesium hasil penelitian Wardhani (2009) pada tepung cangkang kijing yaitu 0,0000147%. Hal tersebut
27 karena metode ekstraksi yang digunakan berbeda, dimana Wardhani menggunakan metode ekstraksi dengan pelarut NaOH. Kelebihan metode yang digunakan pada penelitian Wardhani adalah menghasilkan rendemen tepung kalsium yang tinggi, sedangkan pada penelitian ini diperoleh rendemen yang rendah dibandingkan penelitian Wardhani. Magnesium merupakan salah satu mineral yang terdapat dalam cangkang kijing. Magnesium sering ditemukan dalam cangkang molluska dengan kandungan magnesium lebih dari 1%. Magnesium bersamaan kalsium terdapat pada lapisan prismatik (prismatic layers) dalam bentuk kristal calcite dan aragonit. Konsentrasi magesium pada calcite lebih tinggi dibandingkan pada aragonit (Wilbur 1972). Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perbedaan waktu ekstraksi tidak memberikan pengaruh terhadap kadar mineral natrium dan kalium yang dihasilkan (Lampiran 13). Hal tersebut diduga karena pengaruh lingkungan perairan yang sama. Kadar natrium dan kalium pada perlakuan 1 jam adalah 3,58% dan 0,29%; waktu ekstraksi 1,5 jam sebesar 4,19% dan 0,23%; dan pada perlakuan waktu ekstraksi 2 jam adalah 3,40% dan 0,14%. Hasil kadar kalium tersebut berbeda dengan hasil penelitian Rini (2010) yang menunjukkan kadar kalium pada tepung hasil recovery dari limbah demineralisasi kulit udang adalah 0,03%. Perbedaan tersebut disebabkan oleh sampel yang digunakan berasal dari spesies yang berbeda. Lingkungan perairan mengandung natrium dan kalium dalam bentuk ion (Darmono 1995). Logam natrium dan kalium pada cangkang kijing diduga berasal dari lingkungan perairannya. Ion-ion mineral tersebut masuk ke dalam cangkang kijing secara difusi. Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perlakuan waktu ekstrasi tidak berpengaruh terhadap kadar mineral fosfor yang dihasilkan (Lampiran 13). Pada perlakuan 1 jam kadar fosfor sebesar 0,15%, waktu ekstrasi 1,5 jam adalah 0,02%, dan kadar fosfor pada perlakuan ekstrasi 2 jam adalah 0,07%. Hasil tersebut tidak jauh berbeda dengan hasil penelitian Wardhani (2009) yang menunjukkan kadar fosfor pada tepung cangkang kijing sebesar 0,081% dan pada penelitian Khalil (2006) yang menunjukkan kadar fosfor pada tepung
28 cangkang pensi (Corbicula sp.) sebesar 0,1-0,2%. Hal ini karena sampel yang digunakan berasal dari jenis yang sama. Pada penelitian Wardhani sampel yang digunakan yaitu cangkang kijing lokal, dan pada penelitian Khalil menggunakan cangkang sejenis bivalva. Fosfor pada cangkang bivalva merupakan fosfor dalam bentuk fosfat dengan kandungan berkisar 1-2% (Gregoire 1972). Kandungan fosfor pada cangkang bivalva dapat dipengaruhi oleh kadar fosfor terlarut dalam perairan (Darmono 1995). Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perlakuan ekstraksi tidak memberikan pengaruh terhadap kadar besi dan kadar mangan yang dihasilkan (Lampiran 13). Kadar besi pada perlakuan 1 jam adalah 0,10%, perlakuan 1,5 jam sebesar 0,08% dan pada perlakuan waktu ekstraksi 2 jam adalah 0,10%. Kadar mangan pada perlakuan 1 jam adalah 4,02%, perlakuan 1,5 jam adalah 3,72%, dan perlakuan 2 jam sebesar 7,36%. Hasil tersebut jauh berbeda dengan hasil penelitian Aung et al. (2008) yang menunjukkan bahwa kadar besi pada limbah demineralisasi kulit udang adalah 2,84%, dan kadar mangan mengandung 0,04%. Perbedaan tersebut karena spesies yang digunakan berbeda dan perlakuan suhu ekstraksi yang berbeda, pada penelitian ini suhu ekstraksi yang digunakan adalah 90º C, sedangkan penelitian Aung et al. melakukan ekstraksi pada suhu ruang menggunakan magnetic stirrer. Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perbedaan waktu ekstraksi tidak memberikan pengaruh terhadap kadar seng yang dihasilkan (Lampiran 13). Kadar seng pada penelitian ini adalah 0,05% (perlakuan 1 jam), 0,08% (perlakuan 1,5 jam), dan 0,14% (perlakuan 2 jam). Hasil penelitian ini tidak jauh berbeda dengan hasil penelitian Aung et al. (2008) yang menunjukkan bahwa kadar seng pada limbah demineralisasi kulit udang adalah 0,03%. Seng ditemukan hampir dalam setiap jaringan hewan. Logam ini cenderung terakumulasi dalam tulang daripada dalam hati yang merupakan organ utama sebagai penyimpan kebanyakan mineral mikro (Darmono 1995). Menurut Kitano et al. (1976), seng pada cangkang ditemukan pada lapisan aragonit.
29 4.5 Kandungan Pb Beberapa produk suplemen kalsium terbukti mengandung timbal yang dapat menyebabkan gangguan neurologis (Scelfo dan Flegal 2000). Hasil analisis Pb pada serbuk nano kalsium adalah 0,95 ppm. Hasil tersebut masih dibawah ambang batas yang ditetapkan oleh National Academy of Sciences, Food Chemicals Codex dan United States Pharmacopoeia (USP) yaitu 3 ppm. Penelitian yang dilakukan oleh University of Florida, Gainesville, melaporkan bahwa delapan dari 22 produk kalsium yang diuji terbukti mengandung logam berat Pb (University of Florida News 2000). Timbal merupakan mineral yang dapat ditemukan di air, udara, dan makanan. Timbal dapat menyebabkan anemia, hipertensi, kerusakan otak dan ginjal, serta pada anak-anak dapat menyebabkan gangguan kognitif permanen dan meningkatkan perilaku agresif (Robert dan Heaney 2000). Plumbun (Pb) merupakan kation divalent dan terikat kuat ke gugus sulfhidril protein. Sifat toksik Pb yaitu dapat menyerupai atau berkompetisi dengan kalsium. Plumbun (Pb) mempunyai afinitas terhadap tulang dan menggantikan kerja kalsium pada matriks mineral tulang (Needleman 2004). Plumbun mempunyai ikatan yang kuat dengan protein transport yang digunakan oleh kalsium, tetapi afinitas pengikatan Pb paling sedikit dua kali lipat daripada kalsium. Mekanisme transport dari saluran cerna akan menyebabkan terjadinya interaksi kompetitif antara kalsium dan plumbun (Gulson et al. 2001). Logam dan mineral lainnya hampir selalu ditemukan dalam air tawar dan air laut walaupun jumlahnya sangat terbatas. Logam berat seperti Pb yang terdapat dalam air kebanyakan berbentuk ion. Timah hitam atau Pb adalah sejenis logam yang lunak dan berwarna coklat kehitaman yang banyak ditemukan dalam pertambangan-pertambangan di seluruh dunia (Darmono 1995). 4.6 Derajat Putih Nilai derajat putih serbuk nano kalsium yang dihasilkan adalah 69,79% (skala 100%) (Lampiran 15). Penurunan nilai derajat putih serbuk nano kalsium disebabkan oleh adanya kandungan mineral lain selain kalsium. Komposisi mineral yang beragam pada hasil penelitian ini berpengaruh terhadap penurunan derajat putih.
30 Mineral secara alami memiliki warna yang berbeda-beda. Mineral natrium (Na) dan kalium (K) memiliki warna keperakan, magnesium (Mg) berwarna putih keabu-abuan, fosfor (P) berwarna hitam dan merah, seng (Zn) memiliki warna putih mengkilap (Cotton dan Wilkinson 2007). Karakteristik derajat putih serbuk nano kalsium dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7 Karakteristik derajat putih serbuk nano kalsium 4.7 Ukuran Partikel Serbuk Nano Kalsium Hasil pengukuran partikel dengan menggunakan scanning elektron microscopy (SEM) pada perbesaran 10.000x dan 20.000x menunjukkan bahwa ukuran partikel serbuk nano kalsium yang dihasilkan berkisar 120-573 nm. Menurut Greiner (2009) ukuran nanopartikel adalah berkisar 1-100 nanometer. Menurut Muller dan Keck (2004) ukuran nanopartikel berkisar antara 200-400 nm, sedangkan menurut Mohanraj dan Chen (2006), nanopartikel didefinisikan sebagai partikel yang berukuran kisaran 10-1000 nm. Partikel serbuk nano kalsium pada perbesaran 10.000x dan 20.000x dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9. Gambar 8 Partikel serbuk nano kalsium perbesaran 10.000x
31 Gambar 9 Partikel serbuk nano kalsium perbesaran 20.000x Gambar 8 dan 9 menunjukkan morfologi serbuk nano kalsium adalah seperti jarum. Gambar tersebut secara umum menunjukkan kristal yang terbentuk adalah jenis aragonit. Menurut Saksono et al. (2007), kristal CaCO 3 mempunyai 3 bentuk kristal yang berbeda, yaitu: kalsit, aragonit, dan vaterit. Kalsit berupa kubus padat, vaterit berbentuk seperti bunga (flower-like), sedangkan aragonit berbentuk seperti kumpulan jarum. Pembuatan kalsium dengan ukuran nano berhasil dibuat dengan metode presipitasi. Proses presipitasi pada larutan CaCl 2 menggunakan NaOH mengakibatkan terbentuknya partikel-partikel putih halus yang merupakan Ca(OH) 2 yang tak larut membentuk suatu suspensi. Keadaan tersebut merupakan suatu keadaan koloid. Partikel-partikel koloid mengandung beberapa ribu atom, ion atau molekul kecil yang memiliki diameter sekitar 10 Ǻ (10-9 m) sampai 2000 Ǻ (Keenan et al. 1980). Penelitian Purwasasmita dan Gultom (2008) berhasil membuat serbuk hidroksiapatit dengan metode presipitasi dan menunjukkan hasil SEM dengan ukuran partikel serbuk hidroksiapatit berkisar antara 30-750 nm.