Pemodelan Matematis Aplikasi Edible Coating Berbasis Pati Sagu dan Nano Selulosa pada Penyimpanan Pisang Mas (Musa acuminata cv. Aa) dan Cabai Merah (Capsicum annum l. Imperial 10) dengan Variasi Suhu dan Kelembaban Relatif
Rahmiyati Kasim, Dr.Ir. Nursigit Bintoro, M.Sc
2024 | Disertasi | S3 Mekanisasi/Teknik Pertanian
Pisang
dan cabai merupakan jenis komoditas hasil pertanian yang mempunyai nilai
ekonomi tinggi, namun sifatnya yang perishable sehingga
mempengaruhi umur simpan dan kualitasnya selama penyimpanan. Salah satu usaha untuk mengatasi
permasalahan tersebut adalah metode pelapisan (coating) pada pisang dan cabai
menggunakan campuran pati sagu dan nano fibre cellulose (CNF). Kinerja edible
coating diantaranya dipengaruhi kondisi lingkungan (suhu dan RH). Untuk
memprediksi keberhasilan coating yang efektif dan efisien, maka pada
penelitian ini dilakukan metode pengembangan model matematika. Penelitian ini
bertujuan untuk menghasilkan formula optimum bahan baku coating (pati
sagu, CNF, gliserol dan Tween-80). Tujuan kedua adalah mengkaji pengaruh suhu
dan RH (relative humidity) terhadap perubahan fisik dan kimia pisang dan
cabai merah. Selanjutnya, tujuan tahap akhir penelitian ini yaitu memodelkan
laju respirasi (persamaan Arrhenius, Michaelis Menten dan
analisis dimensi) dan permeabilitas uap air, oksigen (O2) dan
karbondioksida (CO2) dengan analisis dimensi. Penelitian ini terdiri dari 4 tahap. Tahap pertama
yaitu optimasi formula coating menggunakan desain faktorial 2k
yang dianalisis dengan software design expert 12 dengan 4 variabel bebas
dan 4 variabel respon. Variabel bebas terdiri dari konsentrasi pati sagu (5-10% b/v), CNF (0-20% b/b pati sagu), gliserol
(10 – 30% b/b pati sagu) dan Tween-80 (0-10% b/b pati sagu). Sementara itu,
variabel respon terdiri dari nilai
permeabilitas uap air (WVP), permeabilitas oksigen (PO2) dan sudut
kontak yang rendah serta nilai tensile strength yang tinggi. Tahap 2 dan
3 yaitu aplikasi formula edible coating terbaik pada pisang mas
dan cabai Imperial 10 yang disimpan pada suhu dan RH yang bervariasi. Pengaruh faktor suhu (10oC, 17,5oC
dan 27oC untuk pisang, sedangkan suhu 5oC, 15oC
dan 27oC untuk cabai) dan faktor RH (70%,80?n 90%) terhadap
perubahan karakteristik fisik (susut bobot, warna, kekerasan, total padatan
terlarut (TPT), total asam tertitrasi (TAT) selama penyimpanan dianalisis
menggunakan repeated measure. Tahap terakhir yaitu analisis dimensi
model laju respirasi, permeabilitas uap air dan permeabilitas gas (O2
dan CO2) menggunakan metode Buchingham phi. Hasil penelitian
tahap I diperoleh formula coating terbaik hasil optimasi yaitu 5% (b/b)
pati, 20% (b/b) CNF, 16% (b/b) gliserol dan 0,5% (b/b) Tween-80 untuk pisang.
Selanjutnya untuk cabai, komposisi formula coating terbaik terdiri dari
5% (b/b) pati, 20% (b/b) CNF, 19% (b/b) gliserol dan 0,5% (b/b) Tween-80. Hasil
penelitian tahap 2 diperoleh bahwa faktor suhu penyimpanan mempengaruhi laju
respirasi dan semua karakteristik fisik seperti susut bobot, warna (L*, a*, b*,
hue*, C* dan ?E) pada pisang dan sebagian karakteristik pada cabai yang diberi coating
kecuali ?E, kekerasan, nilai TPT dan TAT. Selain itu perubahan susut bobot,
nilai a*, C*, ?E baik pada pisang maupun cabai coating, nilai TPT
pisang, b*, dan kekerasan cabai dipengaruhi oleh RH penyimpanan selama 7-10
hari penyimpanan. Pisang yang diberi pelapis campuran pati sagu dan CNF serta
disimpan pada suhu 10oC dengan RH 80-90?pat mempertahankan perubahan fisik dan kimia
selama 21 hari penyimpanan. Sementara itu cabai yang diberi pelapis dapat
bertahan sampai 21 hari penyimpanan jika disimpan pada suhu 5oCdengan
RH 70%. Tahap 2 dan 3 juga diperoleh model matematis hasil kombinasi model
kinetika dan model Arrhenius yang dapat digunakan untuk memprediksi
perubahan sifat fisik dan kimia pisang dan cabai yang diberi pelapis coating
berdasarkan fungsi waktu dan suhu. Perubahan susut bobot, nilai L*,
a*,b*, nilai Hue*, C*,?E, nilai TPT
pisang maupun cabai serta TAT pisang mengikuti orde 0. Sedangkan, perubahan kekerasan pisang dan cabai yang
disimpan pada suhu dan RH berbeda pada penelitian ini berturut-turut mengikuti
orde reaksi 1 dan 2. Model prediksi laju respirasi pisang coating
mengikuti model Michaelis Menten tipe kombinasi compotitive-uncompotitive
baik RO2 maupun RCO2. sedangkan model Michaelis Menten tipe uncompotitive untuk RO2 dan RCO2
digunakan untuk menggambarkan model laju respirasi cabai coating campuran
pati sagu dan CNF. Analisis dimensi yang dihasilkan pada penelitian ini
menghasilkan model laju respirasi, permeabilitas uap air, serta permeabilitas O2
dengan tingkat akurasi yang cukup tinggi berdasarkan nilai koefisien determinan
(R2) dan nilai RMSE. Model permeabilitas uap air hasil analisis
dimensi mempunyai sensitivitas tertinggi terhadap ketebalan dan luas permukaan
film. Sementara itu, model permeabilitas O2 dan CO2 lebih
banyak berturut-turut dipengaruhi oleh konsentrasi O2 dan CO2.
Novelty penelitian ini antara lain menghasilkan model matematika laju
respirasi, permeabilitas uap air, permeabilitas
gas (O2 dan CO2) yang diharapkan dapat digunakan untuk
memprediksi laju respirasi buah dan sayuran yang diberi pelapis coating campuran
pati sagu dan CNF serta memprediksi nilai permeabilitas film dengan
bahan yang sama. Oleh karena itu, model matematika yang dihasilkan diharapkan
dapat menjadi pertimbangan sebelum mendesain edible coating yang tepat
sehingga dapat menghemat waktu dan biaya.
Bananas
and chilies are types of agricultural commodities that have high economic
value, but they are perishable, which affects their shelf life and quality
during storage. One effort to overcome this problem is a coating method for
bananas and chilies using a mixture of sago starch and nano fibre cellulose
(CNF). The performance of edible coatings is influenced by environmental
conditions (temperature and RH). To predict the success of an effective and
efficient coating, this research used a mathematical model development method.
This research aims to produce the optimum formula for coating raw materials
(sago starch, CNF, glycerol and Tween-80). The second objective is to study the
effect of temperature and RH (relative humidity) on physical and chemical
changes in bananas and red chilies. Furthermore, the final stage of this
research aims to model the respiration rate (Arrhenius equation, Michaelis
Menten and dimensional analysis) and the permeability of water vapor, oxygen
(O2) and carbon dioxide (CO2) with dimensional analysis. The study consists of
four steps. The first stage is optimizing the coating formula using a 2k
factorial design which is analyzed using Design Expert 12 software with 4
independent variables and 4 response variables. The independent variables
consist of the concentration of sago starch (5-10% w/v), CNF (0-20% w/w sago
starch), glycerol (10 – 30% w/w sago starch), and Tween-80 (0-10 % w/w sago
starch). Meanwhile, the response variables consist of water vapor permeability
(WVP), oxygen permeability (PO2), and low contact angles as well as high
tensile strength values. Stages 2 and 3 are the application of the best edible
coating formula to mas bananas and Imperial 10 chilies which are stored at
varying temperatures and RH. The influence
of temperature factors (10 oC, 17.5 oC, and 27oC for
bananas, while temperatures of 5oC, 15oC, and 27oC
for chilies) and RH factors (70%, 80%, and 90%) on changes in physical
characteristics (weight loss, color, hardness, total dissolved solids (TSS),
total titrated acid (TTA) during storage were analyzed using repeated measures.
The final phase is the analysis of the
dimensions of the model of respiratory rate, water vapour permeability and gas
permeability (O2 and CO2) using the Buckingham phi
method. The results of the phase I study obtained the best formula result
optimization consisting of 5% (b/b) sodium, 20% (b / b) CNF, 16% (b) b)
glycerol and 0.5% (b (b), Tween-80 for bananas. The results of phase 2 research
show that the storage temperature factor influences the respiration rate and
all physical properties such as weight loss, color (L*, a*, b*, hue*, C*, and
?E) on the coated banana and some characteristics on the coated chilli except
?E, hardness, TSS and TTA values. In addition, changes in the loss weight,
values of a*, C*, ?E on both coated banana and chilli, bananas TSS values, b*,
and the firmness of chilli are affected by the RH for 7-10 days storage. Bananas coated with a mixture of sago starch
and CNF and stored at 10oC with RH 80-90?n maintain physical and chemical
changes for 21 days of storage. Meanwhile, coated chilies can last up to 21
days of storage if stored at 5oC with RH 70%. Stages 2 and 3 also obtained a
mathematical model resulting from a combination of the kinetic model and the
Arrhenius model which can be used to predict changes in the physical and
chemical properties of bananas and chilies that are coated with a coating based
on a function of time and temperature. Changes in weight loss, L*, a*, b*,
Hue*, C*, ?E values, TPT values ??of bananas and chilies and TAT of bananas
follow the order 0. Meanwhile, changes in hardness of bananas and chilies
stored at different temperatures and RH at This research follows reaction
orders 1 and 2 respectively. The prediction model for the respiration rate of
banana coating follows the Michaelis Menten model of the compotitive-uncompotitive
combination type, both RO2 and RCO2. while the Michaelis
Menten model of the uncompetitive type for RO2 and RCO2
was used to describe the respiration rate model for chili coating a mixture of
sago starch and CNF. The dimensional analysis produced in this research
produces models of respiration rate, water vapor permeability and O2
permeability with a fairly high level of accuracy based on the determinant
coefficient (R2) and RMSE values. The water vapor permeability model resulting
from dimensional analysis has the highest sensitivity to film thickness and
surface area. Meanwhile, the O2 and CO2 permeability
models are more influenced by O2 and CO2 concentrations,
respectively. The novelty of this research includes, among other things,
producing a mathematical model of respiration rate, water vapor permeability,
gas permeability (O2 and CO2) which is expected to be
used to predict the respiration rate of fruit and vegetables coated with a
mixture of sago starch and CNF as well as predicting the permeability value of
films with the materials used. The same. Therefore, it is hoped that the resulting
mathematical model can be taken into consideration before designing the right
edible coating so that it can save time and costs
Kata Kunci : Coating, Musa acuminata cv. AA, Capsicum annum L., Laju respirasi, Permeabilitas
