SINTESIS DAN KARAKTERISASI TURUNAN SELULOSA DARI POD HUSK KAKAO (Theobroma cacao L.)

IR.GATOT SISWO HUTOMO,MP, Prof.Dr.Ir. Djagal W. Marseno, M.Agr.

2012 | Disertasi | S3 Ilmu Pangan

Pod husk kakao merupakan salah satu sumber selulosa dari beberapa jenis sumber yang dapat menghasilkan selulosa, yang mana turunan selulosa dapat diaplikasikan sebagai bahan makanan tambahan, karena kadar lignin dalam pod husk kakao sangat rendah yaitu kurang dari 15%. Selulosa yang terdapat pada buah (seperti halnya pada) kakao derajat polimerisasinya (ikatan glukosida) tidak panjang jika dibandingkan dengan kayu atau kapas, sehingga turunan selulosa akan lebih mudah larut di dalam air. Selulosa mempunyai sifat fungsional sebagai serat pangan yang tidak larut di dalam air. Selulosa termodifikasi lebih banyak mempunyai sifat fungsional seperti stabilizer, thickeners, gelling agent, chellatting agent, coating film dan serta termodifikasi. Selulosa selanjutnya akan dilakukan modifikasi untuk memproduksi CMC (carboxymethyl cellulose), HPC (hydroxypropyl cellulose), MC (methyl cellulose) dan HPMC (hydroxypropyl methyl cellulose). Ada dua type kakao yang digunakan untuk penelitian ini yaitu KKM (kakao klon Malaysia) dan RCC (rispa clone cacao) yang akan dilakukan identifikasi sebagai sumber selulosa dan untuk menghasilkan turunan selulosa. Tujuan dari penelitian ini adalah (1) identifikasi dan karakterisasi selulosa dan sebagai sumber selulosa yang akan digunakan untuk menghasilkan selulosa termodifikasi, (2) sintesis dan karakterisasi CMC, (3) sintesis dan karakterisasi HPC, (4) sintesis dan karakterisasi MC, (5) sintesis dan karakterisasi HPMC, yang kesemuanya diklasifikasikan sebagai food grade. Karakterisasi yang dilakukan terhadap selulosa termodifikasi meliputi derajat substitusi (DS), molar substitusi (MS), water holding capacity (WHC), oil holding capacity (OHC), lightness (L), viscositas, rendemen (recovery product), identifikasi gugus kimia pada turunan selulosa dengan spektra Ft-IR dan struktur ikatan kimia dengan spektra NMR-C13. Metode ekstraksi selulosa digunakan 100ml NaOH (4, 8, 12, 16 dan 20%) untuk setiap 5 g bubuk pod husk kakao dalam 180 menit pada suhu 100oC. Proses pemutihan (bleaching) digunakan 6% NaOCl 50 ml dan 3% NaHSO3 50 ml setiap 5 g bubuk pod husk kakao dalam waktu 180 menit pada suhu 60oC. Sintesis CMC digunakan 5 g selulosa yang direaksikan dengan NMCA (3,18 – 6,68 g) (natrium monochloracetat) dalam 20 ml NaOH (11,59 – 28,41% w/v),100 ml isopropanol, pada suhu (46,59 – 63,41oC) dalam waktu 180 menit. Hasil optimasi dari RSM dilanjutkan dengan verifikasi untuk memperoleh kondisi yang nyata guna memproduksi CMC. Sintesis HPC digunakan 5 g selulosa yang direaksikan dengan PO (3,18 – 6,68 g) (propilen oksida) dalam 20 ml NaOH (11,59 – 28,41% w/v),100 ml isopropanol, pada suhu (46,59 – 63,41oC) dalam waktu 180 menit. Hasil optimasi dari RSM dilanjutkan dengan verifikasi untuk memperoleh kondisi yang nyata guna memproduksi HPC. Sintesis MC digunakan 5 g selulosa yang direaksikan dengan DMS (3,18 – 6,68 g) (dimetil sulfat) dalam 20 ml NaOH (11,59 – 28,41% w/v),100 ml isopropanol, pada suhu (46,59 – 63,41oC) dalam waktu 180 menit. Hasil optimasi dari RSM dilanjutkan dengan verifikasi untuk memperoleh kondisi yang nyata guna memproduksi MC. Sintesis HPMC digunakan 5 g selulosa yang direaksikan dengan PO (3,18 – 6,68 g) (propilen oksida) dan DMS 4,5796 g (dimetil sulfat) dalam 20 ml NaOH (11,59 – 28,41% w/v),100 ml isopropanol, pada suhu (46,59 – 63,41oC) dalam waktu 180 menit. Hasil 2 optimasi dari RSM dilanjutkan dengan verifikasi untuk memperoleh kondisi yang nyata guna memproduksi HPMC. Metode yang digunakan untuk rancangan percobaan yang digunakan untuk sintesis CMC, HPC, MC dan HPMC adalah RSM (response surface methodology) center composite design 3 faktor 5 level, dengan nilai α = 1,682 dan –α = -1,682. Hasil penelitian ini menunjukkan (1) kandungan selulosa pada pod husk kakao type KKM yaitu 29,23% (db) (merupakan sumber selulosa yang sangat baik). Isolasi selulosa (yang baik) menggunakan NaOH 12% diperoleh rendemen selulosa sebesar 26,09% (db), dengan karakteristik WHC 3,03 g/g, OHC 2,74 g/g dan lightness 42,64. Derajat polimerisasi yang telah diidentifikasi pada type KKM yaitu 390,40 AGU (anhydrous glucose unit) dengan berat molekul 63.342 dan type RCC 406,90 AGU dengan berat molekul 65.934. spektra FT-IR juga telah dilakukan analisis. (2) kondisi optimasi untuk sintesis CMC menggunakan NaOH 15%, suhu 55,93oC, NMCA 4 g dan waktu reaksi 180 menit. Karakterisasi terhadap produk CMC teridentifikasi meliputi derajat substitusi 0,75 ,WHC 3,73 g/g.OHC 2,12 g/g, lightness 56,6184, viscositas 206,10 cps dan rendemen 141,60%. Spektra FT-IR dan spektra NMR-C13 juga telah diidentifikasi. (3) kondisi optimasi untuk sintesis HPC menggunakan NaOH 20 %, suhu 58,33oC, PO 5 g dan waktu reaksi 180 menit. Karakterisasi terhadap produk HPC teridentifikasi meliputi molar substitusi 0,285 ,WHC 3,70 g/g.OHC 2,11 g/g, lightness 56,88, viscositas 214,97 cps dan rendemen 115,70%. Spektra FT-IR dan spektra NMR-C13 juga telah dilakukan analisis. (4) kondisi optimasi untuk sintesis MC menggunakan NaOH 20%, suhu 56,07oC, NMCA 4,5796 g dan waktu reaksi 180 menit. Karakterisasi terhadap produk MC teridentifikasi meliputi derajat substitusi 1,11 ,WHC 2,89 g/g.OHC 2,21 g/g, lightness 69,2850, viscositas 218,70 cps dan rendemen 115,78%. Spektra FT-IR dan spektra NMR-C13 juga telah dilakukan analisis. (5) kondisi optimasi untuk sintesis HPMC menggunakan NaOH 20%, suhu 58,33oC, PO 5 g dan waktu reaksi 180 menit. Karakterisasi terhadap produk HPMC teridentifikasi meliputi derajat substitusi 1,08 , molar substitusi 0,2324, WHC 2,90 g/g., OHC 2,09 g/g, lightness 68,2504, viscositas 214,80 cps dan rendemen 113,08%. Spektra FT-IR dan spektra NMR-C13 juga telah dilakukan analisis. Akhirnya hasil sintesis CMC, HPC, MC dan HPMC diklasifikasikan sebagai food grade dengan kemurnian antara 97-98%.

Pod husk cacao is one of many kind sources of cellulose that is a good for derivates which to be applied in food additive because low lignin content less than 15%. Cellulose in fruits such as cacao should be no long degree of polymerization glycosides to compare with wood or cotton, so cellulose derivates should be came dissolved easier. Cellulose have functional as fiber in the food that have not soluble in water. Modified cellulose would had more functional such as stabilizer, thickeners, gelling agent, chelating agent, coating film and as modified fiber. Cellulose would be modified to produce CMC (carboxymethyl cellulose), HPC (hydroxypropyl cellulose), MC (methyl cellulose) and HPMC (hydroxypropyl methyl cellulose). The two types of cacao such as KKM (kakao klon Malaysia) and RCC (rispa clone cacao) would identify as source cellulose and would be produced modified cellulose products. The aims of the research were (1) identification and characterization of cellulose as cellulose source to be modified cellulose products, (2) synthesis and characterization of CMC, (3) sintesis and characterization of HPC, (4) sintesis and characterization of MC, (5) sintesis and characterization of HPMC, that there are would be classify as food grade. Characterizations of modified cellulose products were included degree of substitution (DS), molar of substitution (MS), water holding capacity (WHC), oil holding capacity (OHC), lightness (L), viscosity, recovery products, spectra’s of FT-IR and spectra’s NMR-C13. The method for isolation of cellulose were used 100ml NaOH (4, 8, 12, 16, 20%) for 5 g powder of pod husk cacao for 180 minutes at 100oC. The bleaching process were used 6% NaOCl 50 ml and 3% NaHSO3 50 ml per 5 g powder of pod husk cacao, on 180 minutes in 60oC. Synthesis of CMC was used 5 g cellulose would be reacted with NMCA (3.18 – 6.68 g) (natrium monochloracetate) in 20 ml NaOH (11.59 – 28.41% w/v), 100 ml isopropanol, at temperature (46.59 – 63.41oC) for 180 minutes. The optimization condition would be continued in verification reaction to get real condition to produce CMC. Synthesis of HPC was used 5 g cellulose would be reacted with PO (3.18 – 6.68 g) (propylene oxide) in 20 ml NaOH (1159 – 28.41% w/v), 100 ml isopropanol, at temperature (46.59 – 63.41oC) for 180 minutes. The optimization condition would be continued in verification reaction to get real condition to produce HPC. Synthesis of MC was used 5 g cellulose would be reacted with DMS (3.18 – 668 g) (dimethyl sulfate) in 20 ml NaOH (11.59 – 28.41% w/v), 100 ml isopropanol, at temperature (46.59 – 63.41oC) for 180 minutes. The optimization condition would be continued in verification reaction to get real condition to produce MC. Synthesis of HPMC was used 5 g cellulose would be reacted with PO (3.18 – 6.68 g) (propylene oxide) and DMS 4.5697 g (dimethyl sulfate) in 20 ml NaOH (11.59 – 28.41% w/v), 100 ml isopropanol, at temperature (46.59 – 63.41oC) for 180 minutes. The optimization condition would be continued in verification reaction to get real condition to produce HPMC. Method of the design research for synthesis CMC, HPC, MC and HPMC 2 were used RSM (response surface methodology) center composite design 3 factors 5 levels, value of α = 1.682 and –α = -1.682. The result of this research that cellulose content in pod husk cacao type KKM 29.23% (db) was good source of cellulose. For extraction cellulose was used 12% NaOH good condition with recovery cellulose 26.09% (db), WHC 3.03 g/g, OHC 2.74 g/g, lightness 42.64. Degree of polymerization was identified type KKM 390.40 AGU (anhydrous glucose unit) with molecular weight 63,342 and type RCC 406.90 AGU with molecular weight 65,934. Spectra’s FT-IR was identified. Condition for synthesis CMC was NaOH 15%, temperature 55.93oC, NMCA 4 g and time reaction 180 minutes. Characterization of the CMC product was identified degree of substitution 0.75 , WHC 3.73 g/g, OHC 2.12 g/g, lightness 56.6184, viscosity 206.10 cps and recovery CMC 141.60%. Spectra’s FT-IR and spectra’s NMR-C13 were analyzed, Condition for synthesis HPC was NaOH 20%, temperature 58.33oC, PO 5 g and time reaction 180 minutes. Characterization of the HPC product was identified molar of substitution 0.285 , WHC 3.70 g/g, OHC 2.11 g/g, lightness 56.88, viscosity 214.97 cps and recovery HPC 115.70%. Spectra’s FT-IR and spectra’s NMR-C13 were analyzed. Condition for synthesis MC was NaOH 20%, temperature 56.07oC, DMS 4.5796 g and time reaction 180 minutes. Characterization of the MC product was identified degree of substitution 1.11 , WHC 2.89 g/g, OHC 2.21 g/g, lightness 69.2850, viscosity 218.70 cps and recovery MC 115.78%. Spectra’s FT-IR and spectra’s NMR-C13 were analyzed. Condition for synthesis HPMC was NaOH 20%, temperature 58.33oC, PO 5 g, DMS 4,5796 g and time reaction 180 minutes. Characterization of the HPMC product was identified degree of substitution 1.08 , molar of substitution 0.2324 , WHC 2.90 g/g, OHC 2.09 g/g, lightness 68.2504, viscosity 214.80 cps and recovery HPMC 113.08%. Spectra’s FT-IR and spectra’s NMR-C13 were analyzed. Finally the CMC, HPC, MC and HPMC were classified as food grade with purified the products 97-98% only.

Kata Kunci : selulosa, isolasisi, karboksimetil selulosa, hidroksipropil selulosa, metil selulosa, hidroksipropil metil selulosa.