Perubahan karakteristik kristalin pati Garut (Maranta arundinaceae L.) dalam pengembangan pati resisten tipe III

PERUBAHAN KARAKTERISTIK KRISTALIN

PATI GARUT (Maranta arundinaceae L.) DALAM

PENGEMBANGAN PATI RESISTEN TIPE III

DIDAH NUR FARIDAH

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

iii

PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini penulis menyatakan bahwa disertasi yang berjudul: Perubahan Karakteristik Kristalin Pati Garut (Maranta arundinaceae L.) dalam Pengembangan Pati Resisten Tipe III adalah karya penulis dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum pernah diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir Disertasi ini.

Bogor, 19 Januari 2011

Didah Nur Faridah

v ABSTRACT

DIDAH NUR FARIDAH. The Changes on Crystalline in the Development of Resistant Starch Type III from Arrowroot Starch (Maranta arundinaceae L.). Under the supervision of DEDI FARDIAZ as the chairman, NURI ANDARWULAN and TITI C. SUNARTI as advisory committe members.

Studies on functional properties of nutritious food for health and fitness are increasing in line with the increasing awareness of the importance of healthy living. People consume foods not only to meet the nutritional needs but also to be able to provide functional effects in maintaining health and fitness as well as to improve physiological function. Food that can play a role on the above health effects is known as a functional food.

One of food ingredients that can be used as a raw material for the manufacturing of functional foods is resistant starch (RS). RS is part of starch that is not digestible in a small intestine of a healthy human but it is fermentable by intestinal microflora to produce short chain fatty acids that are related to health. Arrowroot starch is potentially used as a raw material to produce a resistant starch type III (RS3), since naturally it consists of DP 9-30 in amylopectin structure.

The objective of this study was to modify the arrowroot starch to increase RS content by (1) autoclaving-cooling (2) acid hydrolysis (lintnerization) (3) debranching (4) combination of the treatments. This effect of above starch modification on the crystallinity changes of arrowroot starch was also studied.

This research was conducted in three steps as follows: (1) arrowroot starch extraction and characterization, (2) determination of starch modification processes (autoclaving-cooling, acid hydrolysis and debranching conditions), and (3) arrowroot starch modifications. The third steps consisted of different modification treatments, i.e (a) autoclaving-cooling, (b) acid hydrolysis, (c) debranching and autoclaving-cooling cycles, (d) acid hydrolysis and autoclaving-cooling cycles; (e) acid hydrolysis, debranching and autoclaving-cooling cycles.

Arrowroot starch before and after modification was monitored (1) the changes of its chemical components, (2) resistant starch, amylose, reducing sugar content, and in vitro starch digestibility, (3) starch gelatinization profile by Rapid Visco Analyzer (RVA), (4) surface morphology by a polarized microscope and SEM (Scanning Electron Microscope); (5) changes of molecular weight distribution by GPC (Gel Permeation Chromatography (GPC), (6) chain length distribution of amylopectin by FACE (Fluorophore-Assisted Capillary Elec; (7) thermal stability and degree of retrogradation by DSC, and (8) changes of the crystalline and amor-phous regions by FTIR and X-ray diffraction.

A wet starch extraction method yielded 15.69% of arrowroot starch. The arrowroot starch contained starch (98.10%), amylose (24.64%), amylopectin (75.36%), reducing sugar (4.94%) and resistant starch (2.12%). The analysis by RVA showed that arrowroot starch had an A-type starch gelatinization profile.

Autoclaving-cooling process (AC) was conducted by initially pre-heating at 80oC for 5 minutes followed by three cycles of autoclaving at 121oC for 15 minutes and cooling at 4oC for 24 hours. Starch hydrolysis (H2) was conducted by

vi

HCl 2.2N for 2 hours (H2) while debranching by pullulanase at concentration of 1.3 U/g starch (D1) and 10.4 U/g starch (D10) at 50oC for 24-hours incubation.

GPC analysis showed that arrowroot starch modified by autoclaving-cooling (AC), acid hidrolysis (H2), combination of acid hidrolysis and autoclaving-cooling (H2AC), combination of debranching at 1.3 U/g starch or 10.4 U/g starch and autoclaving-cooling (D1AC and D10AC), and combination of acid hidrolysis, debranching and autoclaving-cooling (H2D1AC and H2D10AC) reduced amylo-pectin fraction and increased amylose fraction. The distribution of linear chains by using FACE indicated four groups of degree of polymerization (DP), i.e. DP 6-8, 9-12, 13-24 and 25-30.

Modification treatments of arrowroot starch (AC, H2AC, D1AC, and H2D1AC) increased degree of polymerization (DP) 25-30 which contributed to the formation of RS3. Arrowroot starch debranched at a high concentration of pullulanase (D10AC dan H2D10AC) increased DP 11-12. Autoclaving-cooling treatment increased DP 6-8, especially that of debranched at a high concentration of pullulanase (10.4 U/g starch).

All modification treatments of arrowroot starch raised the levels of RS3 and lowered starch digestibility. The highest resistant starch (39.30%) as the result of modification of arrowroot starch that mimiced to a commercial resistant starch (Novelose 330) was obtained from the combination of acid hydrolisis, debranching (10.4 U/g starch) and 3-cycle autoclaving-cooling.

The X-ray diffraction analysis showed that native arrowroot starch had an A-type crystalline. In exception to that of acid hydrolysis treatment, the arrowroot starch changed to a B-type crystalline after modifications which were accom-panied by the decrease of crystallinity from 20.01% to 9.37%. The analysis of thermal stability by DSC exhibited that modified arrowroot starch increased the degree of retrogradation and the endothermic enthalpy. In addition, FTIR analysis revealed that modification treatments increased the amorphous region by raising the wave number ratio of 1022/995 ranging from 0.991 to 1.030.

It is recommended that resistant starch (RS3) of arrowroot starch can be produced by following procedure: Starch suspension (20%w/w) was hidrolyzed by HCl 2.2N for 2 h at 35oC, preheated at 80oC for 5 minutes, debranched by pullulanase (10.4 U/g starch) at 50oC for 24 h, and 3-cycles of autoclaving at 121oC for 15 minutes and cooling at 4oC for 24 h. This modification process yielded 39.3% resistant starch with in vitro starch digestibility of 54.81%.

Keywords: arrowroot starch, resistant starch, acid hydrolysis, debranching, autoclaving-cooling.

vii RINGKASAN

DIDAH NUR FARIDAH. Perubahan Karakteristik Kristalin Pati Garut (Maranta arundinaceae L.) dalam Pengembangan Pati Resisten Tipe III. Di bawah bim-bingan DEDI FARDIAZ sebagai ketua komisi pembimbing, NURI ANDAR-WULAN dan TITI C. SUNARTI sebagai anggota komisi pembimbing.

Fungsi pangan semakin berkembang, bukan hanya untuk memenuhi kebu-tuhan gizi saja tetapi juga untuk dapat memberikan efek fungsional dalam men-jaga kesehatan dan kebugaran tubuh serta memperbaiki fungsi fisiologis. Pangan yang dapat memberikan efek terhadap kesehatan tersebut dikenal dengan pangan fungsional.

Salah satu ingredien pangan yang dapat dijadikan sebagai bahan baku untuk pembuatan pangan fungsional adalah pati resisten tipe III (RS3). Pati resisten merupakan bagian dari pati yang tidak dapat dicerna oleh usus halus manusia yang sehat tetapi dapat difermentasi oleh mikroflora usus untuk menghasilkan asam lemak rantai pendek yang berkhasiat untuk kesehatan. Pati garut berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan RS3.

Penelitian ini bertujuan memodifikasi pati garut untuk meningkatkan kadar pati resisten tipe RS3, yaitu melalui proses (1) autoclaving-cooling, (2) hidrolisis asam; (3) debranching; dan (4) kombinasi hidrolisis asam, debranching dan siklus autoclaving-cooling. Pengaruh modifikasi pati tersebut terhadap perubahan sifat kristalitas dari pati garut juga dipelajari.

Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahapan sebagai berikut : (1) Tahap ekstraksi dan karakterisasi pati garut, (2) Tahap penentuan kondisi proses modi-fikasi pati garut (autoclaving-cooling, hidrolisis asam dan debranching), dan (3) Tahap modifikasi pati garut yang terdiri dari perlakuan hidrolisis asam (lintnerization), pemutusan ikatan cabang amilopektin secara enzimatis (debranching) dan pemanasan suhu tinggi dan pendinginan secara berulang (siklus autoclaving-cooling), dan kombinasinya. Tahap ketiga terdiri dari bebe-rapa perlakuan modifikasi, yaitu: (a) autoclaving-cooling, (b) hidrolisis asam, (c) debranching dan siklus autoclaving-cooling, (d) hidrolisis asam dan siklus auto-claving-cooling; (e) hidrolisis asam, debranching dan siklus autoclaving-cooling.

Analisis pati yang dilakukan mencakup (1) analisis proksimat; (2) kadar pati resisten, kadar amilosa, kadar gula pereduksi, dan daya cerna pati in vitro; (3) profil gelatinisasi dengan Rapid Visco Analyzer (RVA); (4) morfologi pati dengan mikroskop polarisasi dan SEM (Scanning Electron Microscope); (5) perubahan struktur pati dengan GPC (Gel Permiation Chromatography); (6) distribusi panjang rantai amilopektin dengan FACE (Fluorophore-Assisted Capillary Elec-trophoresis); (7) kestabilan panas dan derajat retrogradasi dengan DSC (Diffren-tial Scanning Calorimetry); (8) perubahan daerah kristalin dan amorf dengan FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) dan difraksi sinar X.

Metode ekstraksi basah menghasilkan rendemen 15,69% pati garut. Pati garut mengandung kadar pati, amilosa, amilopektin, gula pereduksi dan kadar pati resisten masing-masing sebesar 98,10%; 24,64%; 75,36%, 4,94% dan 2,12%. Analisis RVA menunjukkan pati garut memiliki profil gelatinisasi pati tipe A.

viii

Proses autoclaving-cooling dilakukan dengan pemanasan awal pada 80oC selama 5 menit dan dilanjutkan dengan 3 siklus autoclaving pada suhu 121oC selama 15 menit dan pendinginan pada suhu 4oC selama 24 jam (AC). Proses hidrolisis asam dilakukan dengan HCl 2,2N selama 2 jam (H2). Proses debranching dengan enzim pullulanase dilakukan pada konsentrasi 1,3 U/g pati (D1) dan 10,4 U/g pati (D10) pada 50oC selama 24 jam.

Hasil analisis GPC memperlihatkan perlakuan modifikasi pati garut, baik dengan autoclaving-cooling (AC), hidrolisis asam (H2), kombinasi hidrolisis asam dan autoclaving-cooling (H2AC), kombinasi debranching dan autoclaving-cooling (D1AC dan D10AC), serta kombinasi hidrolisis asam, debranching dan autoclaving-cooling (H2D1AC dan H2D10AC) menyebabkan penurunan fraksi amilopektin dan peningkatan fraksi amilosa. Distribusi rantai linear baik dari hasil debranching amilopektin maupun hidrolisis amilosa yang diukur dengan menggu-nakan FACE menunjukkan empat rentang derajat polimerisasi (DP), yaitu 6-8, 9-12, 13-24, dan 25-30.

Perlakuan modifikasi pati garut (AC, H2AC, D1AC, dan H2D1AC) meningkatkan DP 25-30 yang berkontribusi pada pembentukan RS3. Perlakuan debranching dengan konsentrasi enzim pullulanase yang tinggi (D10AC dan H2D10AC) meningkatkan DP 11-12. Proses autoclaving-cooling meningkatkan DP 6-8 dengan peningkatan yang cukup besar terutama bila dikombinasikan dengan debranching pada konsentrasi enzim tinggi (H2D10AC).

Semua perlakuan modifikasi pati garut di atas dapat meningkatkan kadar RS3 dan menurunkan daya cerna patinya. Kadar pati resisten tertinggi (39,30%) hasil modifikasi pati garut yang mendekati kadar pati resisten komersial (Nove-lose 330) diperoleh dari perlakuan hidrolisis asam, debranching dengan konsen-trasi tinggi (10,4 U/g pati) dan autoclaving-cooling.

Hasil analisis dengan menggunakan difraksi sinar X menunjukkan bahwa pati garut alami memiliki kristalin tipe A dan berubah menjadi kristalin tipe B setelah mengalami modifikasi dengan semua perlakuan, kecuali pati garut yang hanya diberi perlakuan hidrolisis asam. Perubahan tipe kristalinitas tersebut menyebabkan penurunan derajat kristalinitas dari 20,01% menjadi 9,37%. Hasil analisis kestabilan panas dengan DSC menunjukkan bahwa modifikasi pati garut dapat meningkatkan derajat retrogradasi dan entalpi endotermik. Hasil pengu-kuran dengan FTIR juga memperlihatkan bahwa modifikasi pati garut mening-katkan bagian amorf melalui peningkatan rasio bilangan gelombang 1022/ 995 dari 0,991 hingga 1,030.

Berdasarkan hasil penelitian ini, maka dapat direkomendasikan bahwa kadar pati resisten (RS3) pati garut dapat diproduksi dengan proses modifikasi sebagai berikut: suspensi pati (20%b/b) dihidrolisis asam dengan HCl 2,2N selama 2 jam pada suhu 35oC, kemudian dilakukan pemanasan awal pada suhu 80oC selama 5 menit, dan perlakuan debranching dengan menggunakan enzim pullulanase 10,4 U/g pati pada suhu 50oC selama 24 jam.

ix

Selanjutnya pati garut tersebut dipanaskan pada suhu 121oC selama 15 menit dan pendinginan pada suhu 4oC selama 24 jam (proses autoclaving-cooling dilakukan sebanyak 3 kali siklus). Proses modifikasi tersebut dapat menghasilkan kadar pati resisten sebesar 39,3% dan daya cerna pati sebesar 54,81%.

Kata kunci: hidrolisis asam, debranching, autoclaving-cooling, pati resisten, daya cerna pati in vitro

xi

© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang-undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.

Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

xiii

PERUBAHAN KARAKTERISTIK KRISTALIN PATI GARUT

(

Maranta arundinaceae

L.) DALAM PENGEMBANGAN

PATI RESISTEN TIPE III

DIDAH NUR FARIDAH

Disertasi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada

Program Studi Ilmu Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

xv

Judul Disertasi : Perubahan Karakteristik Kristalin Pati Garut (Maranta arundinaceae L.) dalam Pengembangan Pati Resisten Tipe III Nama : Didah Nur Faridah

NRP : F261060061

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof.Dr.Ir. Dedi Fardiaz,MSc Ketua

Dr.Ir. Nuri Andarwulan,MS Dr.Ir. Titi Candra Sunarti

Anggota Anggota

Diketahui, Ketua Program Studi Ilmu Pangan

Dr.Ir. Ratih Dewanti-Hariyadi,MSc

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof.Dr.Ir. Khairil A. Notodiputro,MS

Tanggal Ujian : Tanggal Lulus :

xvi Penguji Luar pada Ujian Tertutup:

1. Prof.Dr.Ir Suminar T. Achmadi 2. Dr.Ir. Feri Kusnandar,MSc

Penguji Luar pada Ujian Terbuka: 1. Prof.Dr.Ir, Deddy Muchtadi,MS 2. Prof.Dr. Ridwan Tahir

xvii PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanuhu Wata’ala, karena atas karunia dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan pendidikan program Doktor Ilmu Pangan di Institut Pertanian Bogor.

Penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada Prof.Dr.Ir. Dedi Fardiaz,MSc sebagai ketua komisi pembimbing serta Dr.Ir. Nuri Andarwulan,MS dan Dr.Ir. Titi Candra Sunarti,MS sebagai anggota komisi pembimbing, karena dengan pengarahan dan bimbingannya penulis dapat menyelesaikan penelitian dan disertasi ini dengan sebaik-baiknya. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Prof.Dr. Makoto Hisamatsu dan Dr. Naoto Isono di Mie University Jepang yang telah memberikan dukungan fasilitas laboratorium dalam melaksanakan sebagian dari penelitian ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Prof.Dr. Suminar S. Achmadi dan Dr.Ir. Feri Kusnandar,MSc sebagai penguji luar komisi dalam ujian kualifikasi Doktor dan penguji pada ujian tertutup atas masukannya dalam menyempurnakan disertasi ini. Ucapan terima kasih juga kepada Prof.Dr. Ridwan Thahir dan Prof.Dr.Ir. Deddy Muchtadi,MS sebagai penguji luar komisi pada ujian terbuka.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dekan Fakultas Teknologi Pertanian (Dr.Ir. Sam Herodian) dan Ketua Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan (Dr.Ir. Dahrul Syah) di Institut Pertanian Bogor yang telah mengizinkan dan mendukung penulis dalam melanjutkan program pendidikan Doktor Ilmu Pangan ini. Terima kasih juga kepada Ketua Program Studi Ilmu Pangan (Dr.Ir. Ratih Dewanti-Hariyadi,MSc) dan Kepala Laboratorium Analisis Pangan (Dr.Ir. Dede R. Adawiyah,MS) yang selalu mendukung dan menjadi tempat berbagi suka dan duka selama penulis menyelesaikan tugas belajar ini.

Terima kasih juga kepada seluruh kolega staf pengajar dan tenaga kependi-dikan di Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB yang tidak penulis sebutkan satu persatu atas dukungannya selama penulis mengikuti program pendidikan ini.

Terima kasih kepada Ditjen DIKTI atas dukungan beasiswa BPPS selama masa studi, pemberian dana penelitian melalui Program Hibah Bersaing dan beasiswa untuk mengikuti program sandwich-like di Mie University, Jepang. Juga kepada PT ISM-Bogasari Flour Mills atas dukungan dana penelitian melalui Program Hibah Indofood Riset Nugraha. Program-program tersebut sangat mem-bantu penulis dalam menyelesaikan studi ini.

Ucapan terima kasih juga kepada teman sejawat di Program Studi Magister dan Doktor Ilmu Pangan angkatan 2005, 2007 dan khususnya angkatan 2006 yang telah melewati masa perkuliahan dan penelitian bersama penulis dengan penuh kebersamaan dan persahabatan. Juga kepada semua mahasiswa bimbingan penulis di Program Studi Teknologi Pangan yang telah banyak membantu.

Dengan penuh rasa hormat dan kecintaan, penulis ucapkan terima kasih yang tulus kepada kedua orang tua penulis, Ayahanda tercinta almarhum H Ma’mun dan Ibunda almarhumah tercinta Hj Aisyah yang telah membesarkan dan

xviii

mendidik penulis dengan penuh ketulusan dan kasih sayang. Semoga proses menuntut ilmu yang telah penulis jalani ini merupakan bukti kecintaan penulis kepada mereka berdua. Penulis berdoa agar apa yang telah penulis tempuh ini dicatat Allah SWT sebagai amal kebaikan yang pahalanya dapat mengalir kepada mereka. Amin Ya Rabbal Alamin.

Penulis ucapkan pula terima kasih kepada ketujuh kakak kandung penulis atas dukungan, doa dan curahan kasih penulisngnya yang tiada putus kepada penulis sebagai adik bungsunya dalam menyelesaikan pendidikan ini. Khususnya kepada kakakku Teh Adah, sebagai kakak yang sekaligus juga telah penulis anggap sebagai pengganti ibu, juga keponakan penulis Budi dan Neli yang yang telah menjadi tempat tumpuan penulis untuk berbagi dalam segala hal. Penulis ucapkan terima kasih banyak.

Kepada kedua anakku tercinta, Gaida Salsabila dan Muhammad Adzka Noor, Mamah ucapkan terima kasih banyak karena kalian sangat memahami kondisi Mama yang harus berbagi antara pekerjaan, sekolah dan waktu untuk bersama-sama dengan kalian. Mamah mohon maaf karena kadangkala mening-galkan kalian berdua. Tetapi hal itu bukan berarti Mamah mengabaikan kalian atau berkurang rasa kasih sayang Mamah kepada kalian berdua. Mamah persem-bahkan karya disertasi ini untuk kalian berdua.

Akhirnya kepada semua pihak yang telah membantu, memberi dukungan dan berkontribusi baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, penulis ucapkan terima kasih. Semoga Allah SWT dapat membalas kebaikan Bapak Ibu sekalian.

Semoga disertasi ini dapat bermanfaat bagi masyarakat secara umum dan berkontribusi dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya di bidang ilmu pangan.

Bogor, 19 Januari 2011

xix

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Tasikmalaya pada tanggal 17 November 1971 sebagai putri bungsu dari delapan bersaudara pasangan H Ma’mun (almarhum) dan Hj Aisyah (almarhumah). Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Teknologi Pangan, Jurusan Teknologi Pangan dan Gizi, Institut Pertanian Bogor (1991-1996). Pada tahun 1996 dengan beasiswa dari URGE Bank Dunia, penulis melan-jutkan pendidikan Program Magister di Program Studi Ilmu Pangan, Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor dan menamatkannya pada tahun 2001. Pada tahun 2006, penulis melanjutkan Program Doktor di Program Studi Ilmu Pangan, Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor dengan dukungan beasiswa BPPS. Sejak tahun 1998 hingga sekarang, penulis bekerja sebagai staf pengajar di bagian Kimia Pangan, Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Selama mengikuti pendidikan program Doktor, penulis menjadi anggota Perhimpunan Ahli dan Teknologi Pangan (PATPI). Salah satu artikelnya yang berjudul “Perubahan Struktur Pati Garut (Maranta arundinaceae L.) sebagai Akibat Modifikasi Lintnerization, Debranching dan Siklus Autoclaving-cooling” telah diterima untuk dipublikasikan pada Jurnal Teknologi dan Industri Pangan pada Volume XXI No. 2 Tahun 2010. Salah satu makalah ilmiah yang berjudul “Effects of Lintnerization, Debranching and Autoclaving-cooling Cycle Modifica-tions to the Structure Changes of Arrowroot (Maranta arundinaceae L.) Starch” telah memperoleh penghargaan kedua dalam Graduate Student Paper Compe-tition yang diselenggarakan oleh Perhimpunan Ahli Teknologi Pangan (PATPI) dalam International Seminar on Emerging Issues and Technology Developments in Foods and Ingredients pada 29-30 September 2010 di Jakarta.

xxi DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI……….……. xxi

DAFTAR TABEL... xxv

DAFTAR GAMBAR... xxvii

DAFTAR LAMPIRAN... xxxi

1. PENDAHULUAN... 1

1.1.Latar Belakang... 1

1.2.Perumusan Masalah………... 4

1.3.Tujuan Penelitian... 4

1.4.Manfaat Penelitian... 5

2. TINJAUAN PUSTAKA... 7

2.1. Umbi Garut... 7

2.2. Struktur Amilosa dan Amilopektin... 10

2.3. Model Struktur Granula Pati... 13

2.4. Pengaruh Proses Pengolahan terhadap Gelatinisasi dan Retrogradasi Pati………..………….……….. 22

2.4.1. Gelatinisasi Pati ……….. 22

2.4.2. Retrogradasi Pati………. 25

2.5. Pati Resisten... 28

2.5.1. Jenis Pati Resisten... 29

2.5.2. Pemanasan Suhu Tinggi-Pendinginan (Autoclaving-cooling)…. 32 2.5.3. Hidrolisis Asam secara Lambat (Lintnerisasi)... 37

2.5.4. Debranching oleh Enzim Pullulanase…………... 39

3. METODE PENELITIAN... 43

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian... 43

3.2. Bahan dan Alat... 43

3.3. Tahapan Penelitian... 44

3.3.1. Proses Ekstraksi dan Karakterisasi Pati Garut... 46

3.3.2. Penentuan Kondisi Proses Modifikasi Pati Garut... 46

3.3.2.1. Penentuan Kondisi Siklus Autoclaving-cooling.... 46

3.3.2.2. Penentuan Kondisi Hidrolisis Asam... 48

3.3.2.3. Penentuan Kondisi Debranching... 49

3.3.2.4. Analisis Statistika... 50

3.3.3. Pengaruh Modifikasi Pati Garu terhadap Pembentukan Pati Resisten……….. 50

3.3.3.1. Perlakuan Siklus Autoclaving-cooling…... 50

3.3.3.2. Perlakuan Hidrolisis Asam dan Siklus Auto-claving-cooling………... 51

xxii

3.3.3.3. Perlakuan Debranching dan Siklus Autoclaving-cooling……….………... 51 3.3.3.4. Kombinasi Perlakuan Hidrolisis Asam,

De-branching, dan Siklus Autoclaving-cooling... 52 3.3.3.5. Analisis Statistika... 52 3.4. Prosedur Analisis……….. 52 3.4.1. Analisis Proksimat... 52 3.4.1.1. Kadar Air... 52 3.4.1.2. Kadar Abu... 52 3.4.1.3. Kadar Lemak... 53 3.4.1.4. Kadar Protein... 54 3.4.1.5. Kadar Karbohidrat... 55 3.4.2. Kadar Total Gula... 55 3.4.3. Kadar Amilosa... 56 3.4.4. Kadar Gula Pereduksi... 57 3.4.5. Kadar Pati Resisten... 58 3.4.6. Daya Cerna Pati in Vitro... 59 3.4.7. Analisis Profil Gelatinisasi Pati... 61 3.4.8. Analisis Morfologi Pati...………... 62 3.4.8.1. Mikroskop Polarisasi………... 62 3.4.8.2. Scanning Electron Microscope………...… 62 3.4.9. Analisis Perubahan Struktur Pati Garut………. 62 3.4.9.1. Distribusi Amilosa dan Amilopektin……….. 63 3.4.9.2. Distribusi Panjang Rantai Amilopektin……….. 64 3.4.10. Analisis Kestabilan Panas dan Derajat Retrogradasi……...… 65 3.4.11. Analisis Sifat Kristalinitas………... 66 3.4.11.1. Perubahan Daerah Kristalin dan Amorf………... 66 3.4.11.2. Pola Difraksi Sinar X………..…….. 67 4. HASIL DAN PEMBAHASAN... 71 4.1. Ekstraksi dan Karakterisasi Pati Garut... 71 4.1.1. Ekstraksi Pati Garut……….………….. 71 4.1.2. Komposisi Kimia……….……….. 71 4.1.3. Bentuk dan Ukuran Granula……….. 73 4.1.4. Profil Gelatinisasi Pati Garut………. 74 4.2. Penentuan Kondisi Proses Modifikasi Pati Garut... 77 4.2.1. Penentuan Kondisi Siklus Autoclaving-cooling………... 77 4.2.1.1. Penentuan Suhu Pemanasan Awal……… 78 4.2.1.2. Penentuan Waktu Autoclaving dan Jumlah Siklus

Autoclaving-cooling………. 83 4.2.2. Penentuan Kondisi Hidrolisis Asam……….. 86 4.2.3. Penentuan Kondisi Debranching………...… 90 4.2.3.1. Aktivitas Enzim Pullulanase………... 90 4.2.3.2. Penentuan Konsentrasi dan Waktu Inkubasi Enzim

Pullulanase……….. 91 4.3. Pengaruh Perlakuan Modifikasi terhadap Karakteristik Pati Garut 92 4.3.1. Perubahan Komposisi Karbohidrat……… 93 4.3.1.1. Kadar Gula Pereduksi………...……..…………. 93

xxiii

4.3.1.2. Kadar Pati Resisten………... 94 4.3.2. Daya Cerna Pati in Vitro………... 97 4.3.3. Struktur Morfologi Permukaan Granula Pati ………... 99 4.3.4. Perubahan Struktur Pati Garut…...……… 102 4.3.4.1. Distribusi Amilosa dan Amilopektin………... 102 4.3.4.2. Distribusi Panjang Rantai Amilopektin dan

Ami-losa Rantai Pendek………... 108 4.3.5. Kestabilan Panas dan Derajat Retrogradasi Pati……… 114 4.3.5.1. Kestabilan Panas………...………... 114 4.3.5.2. Derajat retrogradasi... 117 4.3.6. Sifat Kristalinitas Pati………...………. 118 4.3.6.1. Perubahan Daerah Kristalin dan Amorf…………... 118 4.3.6.2. Pola Difraksi Sinar X……… 121 5. SIMPULAN DAN SARAN... 131 5.1. Simpulan... 131 5.2. Saran... 132 DAFTAR PUSTAKA... 135 LAMPIRAN... 145

xxv

DAFTAR TABEL

Halaman 1. Komposisi kimia umbi garut kultivar creole dan banana... 9 2. Bentuk dan ukuran granula pati garut dibandingkan sumber pati

lainnya... 10 3. Distribusi panjang rantai amilopektin... 13 4. Kristalinitas pati tipe A, B dan C pada kandungan amilosa yang

berbeda... 20 5. Rekapitulasi kondisi modifikasi untuk meningkatkan kadar pati

resisten pada berbagai jenis sumber pati... 33 6. Komposisi kimia pati garut alami hasil ekstraksi cara basah... 72 7. Profil gelatinisasi pati garut dari hasil pengukuran Rapid Visco

Ana-lyzer (RVA)... 76 8. Nisbah total karbohidrat pati garut pada fraksi I dan II sebelum dan

setelah perlakuan modifikasi dari hasil analisis GPC... 104 9. Persentase distribusi panjang rantai pada amilopektin dan amilosa

rantai pendek dari hasil pengukuran dengan FACE... 109 10. Hasil pengukuran Diffential Scanning Calorimeter (DSC) pada pati

garut alami dan hasil modifikasi... 116 11. Perubahan daerah amorf dan kristalin dari pati garut pada berbagai

perlakuan modifikasi berdasarkan hasil pengukuran dengan FTIR... 120 12. Derajat kristalinitas dan tipe kristalin pati garut alami dan yang

mengalami modifikasi... 123 13. Kristalinitas tiap puncak dari hasil data olah difraksi sinar X dari pati

xxvii

DAFTAR GAMBAR

Halaman 1. Tanaman garut... 7 2. Umbi garut: (a) sebelum dikupas; dan (b) sesudah dikupas... 8 3. Model molekul amilopektin yang diadopsi dari (a) French (1972); (b)

Hizukuri (1986); dan (c) Robin et al. (1974)... 12 4. Model daerah amorf dan kristalin dari granula pati... 14 5. Model superhelix daerah kristalin yang terbentuk dari

amilopek-tin... 14 6. APTS, derivatisasi gugus pereduksi karbohidrat (A) dan pelabelan

amilopektin dengan APTS (B) penentuan distribusi panjang rantai amilopektin dengan FACE... 16 7. Model struktur granula pati. (A) Daerah kristalin; (B) lamella amorf

dan lamella kristalin; (C) Struktur double helix dari rantai

amilo-pektin yang berdekatan membentuk lamella kristalin... 17 8. Struktur granula pati berdasarkan model “Blocklet”... 19 9. Profil kristal pati hasil pengukuran dengan difraksi sinar X... 19 10. Perbedaan struktur kristalin tipe A dan B dari pati... 21 11. Perubahan granula pati (alami: I) selama proses gelatinisasi, terjadi

pengembangan (IIa) pelepasan amilosa (IIb), retrogradasi, proses penggabungan kembali rantai linear pati setelah dekristalisasi akibat gelatinisasi... 23 12. Profil gelatinisasi dengan pengukuran menggunakan Rapid Visco

Analyzer (RVA) dan perubahan granula pati selama pemanasan... 24 13. Mekanisme gelatinisasi dan retrogradasi pati... 26 14. Ilustrasi perubahan pasta pati selama siklus freeze-thaw... 27 15. Model pembentukan pati resisten (R3): (a) model micelle); (b) model

lamella... 31 16. Mekanisme pembentukan RS3 dari rekristalisasi amilosa akibat

proses autoclaving-cooling... 35 17. Ilustrasi degradasi daerah amorf selama hidrolisis asam... 38 18. Pemotongan ikatan α-1,6 pada titik percabangan molekul

amilo-pektin oleh enzim pullulanase... 40 19. Tahapan penelitian dalam proses modifikasi pati garut dan

karak-terisasinya... 45 20. Proses ekstraksi pati garut………..….. 47

xxviii

21. Profil kurva gelatinisasi pati dengan Rapid Visco Analyzer (RVA)…. 61 22. Kurva Differential Scanning Calorimetry (DSC)... 66 23. Kurva difraksi sinar X yang sudah dihaluskan dan dibuat model

Gaussian dan Lorentz... 68 24. Struktur granula pati garut alami di bawah mikroskop polarisasi... 73 25. Struktur granula pati garut di bawah Scanning Electron Microscope

(SEM)……… 74 26. Profil gelatinisasi pati garut alami yang diukur dengan Rapid Visco

Analyzer (RVA)………... 75 27. Pati garut yang diotoklaf tanpa proses pemanasan awal ……….. 79 28. Pati garut yang diotoklaf dengan proses pemanasan awal

……… 79 29. Perubahan kadar amilosa pati garut sebagai akibat pengaruh suhu

pemanasan awal sebelum proses siklus autoclaving-cooling... 80 30. Daya cerna pati garut sebagai akibat pengaruh suhu pemanasan awal

sebelum proses siklus autoclaving-cooling... 81 31. Perubahan kadar gula pereduksi pati garut sebagai akibat pengaruh

suhu pemanasan awal sebelum proses siklus autoclaving-cooling... 82 32. Perubahan kadar pati resisten pati garut sebagai akibat pengaruh suhu

pemanasan awal sebelum proses siklus autoclaving-cooling....... 83 33. Daya cerna pati garut sebagai akibat pengaruh waktu autoclaving dan

jumlah siklus autoclaving-cooling... 84 34. Kadar resisten pati garut sebagai akibat pengaruh jumlah siklus

autoclaving-cooling dengan waktu pemanasan 15 menit... 86 35. Daya cerna pati garut sebagai akibat pengaruh konsentrasi HCl dan

waktu inkubasi selama hidrolisis asam... 88 36. Kadar amilosa sebagai akibat pengaruh konsentrasi HCl dan waktu

inkubasi selama hidrolisis asam... 90 37. Pengaruh konsentrasi enzim pullulanase dan waktu inkubasi terhadap

kadar gula pereduksi... 92 38. Pengaruh perlakuan modifikasi terhadap kadar gula pereduksi pati

garut... 94 39. Pengaruh perlakuan modifikasi terhadap kadar pati resisten pati garut 96 40. Pengaruh perlakuan modifikasi terhadap daya cerna pati garut... 98 41. Struktur granula pati garut yang dimodifikasi dengan perlakuan (1)

Hidrolisis asam 2 jam (2) Hidrolisis asam-autoclaving-cooling (3x) 100 42. Struktur granula pati garut yang dimodifikasi dengan perlakuan

xxix

43. Struktur granula pati garut yang dimodifikasi dengan perlakuan hidrolisis asam, debranching dan autoclaving-cooling………. 102 44. Profil GPC pati garut dan termodifikasi pada sepharose toyopearl

HW-65F... 103 45. Distribusi panjang rantai pada amilopektin dan amilosa rantai pendek

dari hasil pengukuran dengan FACE... 110 46. Persentase panjang rantai pada pati garut termodifikasi dibandingkan

dengan pati garut alami... 111 47. Profil DSC pati garut alami dan yang mengalami modifikasi………... 115 48. Kurva hasil pengukuran FTIR dari pati garut alami dan yang

menga-lami modifikasi……….. 119

49. Difraktogram pati garut alami dan yang mengalami modifikasi dari

hasil smoothing……….. 122

50a. Perubahan daerah amorf dan kristalin dari pati garut alami dan hasil hidrolisis asam dan autoclaving-cooling………... 125 50b. Perubahan daerah amorf dan kristalin dari pati garut dari hasil

kombinasi perlakuan debranching dan autoclaving-cooling…………. 126 50c. Perubahan daerah amorf dan kristalin dari pati garut alami dan hasil

kombinasi perlakuan hidrolisis asam, debranching dan

xxxi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1a. Difraktogram difraksi sinar X pada pati garut alami, pati yang diberi perlakuan autoclaving-cooling sebanyak 3 siklus (AC), dan pati yang dihidrolisis asam selama 2 jam dan autoclaving-cooling sebanyak 3 siklus (H2AC)... 145 1b. Difraktogram difraksi sinar X pada pati garut yang diberi perlakuan

debranching dan autoclaving-cooling sebanyak 3 siklus... 146 1c. Difraktogram difraksi sinar X pada pati garut yang diberi perlakuan

hidrolisis asam selama 2 jam, debranching dan autoclaving-cooling sebanyak 3 siklus... 147 2a. Kurva difraktogram dari hasil pemodelan persamaan Lorentz dan

Gaussian. H2=hidrolisis 2 jam………... 148 2c. Kurva difraktogram dari hasil pemodelan persamaan Lorentz dan

Gaussian. H2=hidrolisis 2 jam; D1=debranching 1,3 U/g pati; D10= debranching 10,4 U/g pati; AC=autoclaving-cooling 3 siklus……….. 149 2c. Kurva difraktogram dari hasil pemodelan persamaan Lorentz dan

Gaussian. D1=debranching 1,3 U/g pati; D10= debranching 10,4 U/g pati; AC=autoclaving-cooling 3 siklus……….. 150 2d. Kurva difraktogram dari hasil pemodelan persamaan Lorentz dan

Gaussian. H2=hidrolisis 2 jam; D1=debranching 1,3 U/g pati; D10= debranching 10,4 U/g pati; AC=autoclaving-cooling 3 siklus……... 151 3. Contoh kurva kristalinitas setiap peak pada pati garut alami………… 152 4. Hasil uji korelasi antar parameter analisis………... 153

1 I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kajian mengenai sifat fungsional pangan yang berkhasiat untuk kesehatan dan kebugaran semakin mendapat perhatian sejalan dengan semakin meningkat-nya kesadaran masyarakat akan pentingmeningkat-nya hidup sehat. Fungsi pangan pun semakin berkembang, bukan hanya ditujukan untuk memenuhi kebutuhan zat gizi saja tetapi juga untuk dapat memberikan efek fungsional dalam menjaga kese-hatan dan kebugaran tubuh serta memperbaiki fungsi fisiologis. Pangan yang dapat memberikan efek terhadap kesehatan tersebut dikenal dengan pangan fung-sional.

Salah satu ingredien pangan yang dapat dijadikan sebagai bahan baku untuk pembuatan pangan fungsional adalah pati resisten atau resistant starch (RS). Pati resisten adalah pati dan produk hasil degradasi pati yang tidak dapat dicerna oleh enzim α-amilase dalam usus halus manusia yang sehat tetapi dapat difermentasi oleh mikroflora usus untuk menghasilkan asam lemak rantai pendek (Champ 2004). Sajilata et al. (2006) menyatakan bahwa pati resisten dapat berperan dalam mengurangi resiko timbulnya kanker kolon, mempunyai efek hipoglikemik, ber-peran sebagai prebiotik, mengurangi resiko pembentukan batu empedu, mempu-nyai efek hipokolesterolemik, menghambat akumulasi lemak, dan meningkatkan absorpsi mineral. Pati resisten juga memiliki nilai kalori rendah, yaitu sebesar 11,7 kJ/g RS (Bauer et al. 2005) atau (1,9 Kkal/g), sehingga dapat dijadikan sebagai ingredien untuk pangan rendah kalori (Taggart 2004).

Pati resisten (RS) dapat dikelompokkan menjadi empat tipe, yaitu pati resisten yang secara fisik terperangkap dalam sel-sel tanaman dan matriks bahan pangan (RS1), pati resisten yang secara alami sangat tahan terhadap pencernaan oleh enzim α-amilase (RS2), pati resisten yang dimodifikasi secara fisik (RS3) dan pati resisten yang dimodifikasi secara kimia (RS4) (Bird et al. 2000; Champ 2004; Liu 2005). Di antara keempat jenis pati resisten tersebut, pati resisten tipe III (RS3) merupakan tipe pati resisten yang paling banyak digunakan sebagai bahan baku pangan fungsional.

2 Pati resisten tipe III (RS3) dapat dihasilkan dari proses pemanasan suhu tinggi dan pendinginan secara berulang atau disebut siklus autoclaving-cooling. Proses ini dapat menyebabkan terjadinya retrogradasi fraksi amilosa, dimana kadar RS3 secara proporsional berbanding lurus dengan kandungan amilosa dalam bahan pangan (Shu et al. 2007). Proses retrogradasi pati tersebut menyebabkan terjadinya rekristalisasi dan meningkatkan pembentukan RS3. Kristalisasi ini disebabkan oleh adanya pembentukan double helix baru di antara molekul-mole-kul amilosa. Double helix yang terbentuk tersebut akan membentuk pembesaran

(agregasi) dengan double helix pada molekul amilosa lainnya melalui ikatan

hidrogen sehingga membentuk kristalit (Vasanthan et al. 1998).

Peningkatan fraksi amilosa rantai pendek yang berperan dalam pemben-tukan RS3 dapat dihasilkan melalui proses hidrolisis asam secara lambat (lintneri-zation) atau pemutusan ikatan percabangan α,1-6 pada rantai amilopektin (debranching). Hidrolisis secara lambat oleh asam dan debranching dapat mem-perpendek panjang rantai α-glukan sehingga derajat polimerisasi (DP) menurun. Schmiedl et al. (2000) menunjukkan bahwa nilai DP antara 10-35 cukup optimal untuk meningkatkan kadar RS3. Nilai DP tersebut dapat diperoleh baik dengan cara menghidrolisis amilosa secara parsial maupun memotong titik percabangan rantai amilopektin (Lehmann et al. 2003).

Beberapa teknik modifikasi pati untuk meningkatkan kadar pati resisten tipe III (RS3) telah dilaporkan, yaitu siklus pemanasan suhu tinggi dan pendinginan (autoclaving-cooling cycles) (Mahadevamma et al. 2003; Shin et al. 2004; Apa-ricio-Saguilan et al. 2005; Zabar et al. 2008), hidrolisis asam secara lambat yang dilanjutkan dengan siklus autoclaving-cooling (Onyango et al. 2006 dan Lehmann et al. 2003), pemutusan ikatan cabang α-1,6 amilopektin (debranching) oleh enzim pullulanase yang dilanjutkan dengan siklus autoclaving-cooling (Leong et al. 2007; Ozturk et al. 2009; Pongjanta et al. 2009a) atau kombinasi perlakuan

hidrolisis asam secara lambat, debranching dan siklus autoclaving-cooling

(Lehmann et al. 2003; Gonzales-Soto et al. 2004 dan 2007; Koksel et al. 2008a; Miao et al. 2009; Zhao dan Lin 2009).

Beberapa penelitian sebelumnya telah berhasil meningkatkan kadar RS3 pada berbagai sumber pati dengan menggunakan salah satu metode tersebut di

3 atas atau kombinasinya, yaitu pati sagu (Leong et al. 2007), pati pisang (Aparicio-Saguilan et al. 2005), pati kacang merah (Lehmann et al. 2003), pati jagung tinggi amilosa (Ozturk et al. 2009), pati beras (Pongjanta et al. 2009a dan 2009b), pati jagung (Koksel et al. 2008a dan 2008b, Zhao dan Lin 2009), pati jagung tinggi amilopektin (Miao et al. 2009), pati pisang (Gonzales-Soto et al. 2004 dan 2007), pati singkong (Mutungi et al. 2009; Onyango et al. 2006) dan pati beras (Shu et al. 2007).

Pati garut berpotensi sebagai sumber bahan baku RS3. Hasil pengamatan dengan menggunakan difraksi sinar X menunjukkan bahwa pati garut memiliki tipe kristalin A, rantai amilopektin pati garut memiliki derajat polimerisasi (DP) berkisar 9-30 dalam jumlah yang tinggi (96,0%) (Srichuwong 2006). Pati garut juga memiliki densitas yang lebih tinggi pada daerah struktur helikal (Wang et al. 1998), proporsi lebih tinggi pada rantai cabang amilopektin yang berukuran pendek (Hizukuri et al. 1983), serta jumlah rantai per klaster yang relatif lebih banyak bila dibandingkan dengan tipe kristalin B (Takeda et al. 2003). Struktur pati garut tersebut sangat mendukung dalam pembentukan RS3 apabila dilakukan proses hidrolisis dengan asam atau pemutusan ikatan cabang α-1,6 amilopektin (debranching) atau kombinasi keduanya yang dapat menghasilkan amilosa rantai pendek. Hingga saat ini belum ada laporan yang menyebutkan pengaruh hidrolisis parsial dengan asam, debranching, siklus autoclaving-cooling dan kombinasinya terhadap peningkatan kadar RS3 dari pati garut.

Berdasarkan penjelasan di atas, maka diperlukan penelitian untuk dapat meningkatkan kadar pati resisten (RS3) dari pati garut dengan cara proses

pemanasan suhu tinggi dan pendinginan secara berulang (siklus

autoclaving-cooling), proses hidrolisis asam (lintnerisasi) dan pemutusan ikatan cabang amilopektin secara enzimatis (debranching), atau kombinasinya. Kondisi proses untuk tiap perlakuan modifikasi di atas juga perlu ditentukan agar peningkatan RS3 dapat maksimal. Pengamatan terhadap perubahan struktur dan kristalisasi pada pati garut yang telah mengalami proses modifikasi tersebut juga diperlukan untuk mengetahui mekanisme perubahan struktur pati yang menjadikannya lebih resisten.

4 1.2. Perumusan Masalah

Pati garut berpotensi untuk dijadikan sebagai bahan baku untuk menghasil-kan pati resisten. Secara alami sebagaimana sumber pati lainnya, pati garut memiliki kadar pati resisten yang rendah. Salah satu cara untuk meningkatkan pati resisten adalah dengan proses retrogradasi pati yang dapat menghasilkan pati resisten tipe III (RS3). Retrogradasi pati dapat dilakukan dengan cara pemanasan

pada suhu tinggi (autoclaving) yang dilanjutkan dengan proses pendinginan

(cooling) secara berulang-ulang. Pati lebih mudah mengalami retrogradasi dalam bentuk molekul amilosa rantai pendek dengan derajat polimerasi (DP) berkisar 10-35. Semakin banyak jumlah fraksi amilosa rantai pendek maka semakin besar peluang terbentuknya pati yang teretrogradasi.

Jumlah fraksi amilosa rantai pendek dapat ditingkatkan dengan cara meng-hidrolisis secara parsial ikatan glikosidik pada rantai molekul amilosa dan amilo-pektin, baik dengan hidrolisis asam maupun secara enzimatis. Proses hidrolisis asam secara parsial dapat menyerang bagian amorf dari granula pati yang dapat menghasilkan amilosa rantai pendek. Hidrolisis secara enzimatis dapat dilakukan secara spesifik dengan memotong ikatan glikosidik pada titik percabangan α-1,6 dari molekul amilopektin (debranching), yaitu dengan menggunakan enzim pullu-lanase. Hasil hidrolisis secara enzimatis ini pun dapat menghasilkan amilosa rantai pendek. Dengan adanya kombinasi hidrolisis asam atau secara enzimatis dan autoclaving-cooling, diharapkan jumlah fraksi amilosa rantai pendek bertambah sehingga jumlah pati yang mengalami retrogradasi dapat meningkat, dan sebagai akibatnya terjadi peningkatan kadar RS3.

1.3. Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan memodifikasi pati garut untuk meningkatkan kadar pati resisten tipe III (RS3), yaitu melalui proses (1) siklus autoclaving-cooling, (2) kombinasi proses hidrolisis asam (lintnerisasi) dan siklus autoclaving-cooling; (3)

kombinasi pemutusan ikatan cabang α-1,6 amilopektin (debranching) secara

enzimatis dengan enzim pullulanase yang dilanjutkan siklus autoclaving-cooling; (4) kombinasi antara hasil hidrolisis parsial oleh asam (lintnerisasi), pemutusan

5 autoclaving-cooling, serta mengkaji pengaruh modifikasi tersebut terhadap perubahan sifat kristalitasnya.

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini memberikan informasi ilmiah tentang metode modifikasi pati garut dengan proses siklus autoclaving-cooling, hidrolisis asam secara lambat, debranching dan atau kombinasinya untuk dapat meningkatkan kadar pati resis-tennya (RS3). Hasil penelitian ini diharapkan dapat mendukung dilakukannya penelitian aplikasi RS3 dari pati garut termodifikasi pada berbagai sistem pangan, sehingga hasilnya dapat dijadikan sebagai dasar untuk pengembangan pangan fungsional yang bermanfaat untuk kesehatan.

7 II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Umbi Garut

Tanaman garut (Marantha arundinacea L.)merupakan tanaman tropis yang

termasuk jenis rumput-rumputan tegak dengan tinggi 60-80 cm. Batang sejati tanaman garut terdapat dalam tanah dan berbentuk silinder yang menebal di ujungnya. Daun tanaman garut berbentuk bulat telur hingga lanset bulat telur yang berwarna hijau polos atau dengan bercak putih (Gambar 1). Tanaman garut dapat tumbuh pada ketinggian 0-900 m di atas permukaan laut (dpl) dengan pertum-buhan terbaik pada ketinggian 60-90 m dpl, pada kondisi tanah yang lembab dan terlindung dari sinar matahari langsung (Sastrapradja et al. 1977).

Gambar 1. Tanaman garut

Tanaman garut berasal dari Amerika Tengah dan Amerika Selatan yang kemudian menyebar luas ke negara-negara iklim tropis seperti Indonesia, India, Sri Langka dan Filipina. Di Indonesia, tanaman garut banyak ditemukan di Sumatra, Nias, Jawa, Madura dan Bali (Lingga et al. 1986). Tanaman garut terdiri atas dua jenis kultivar yang penting, yaitu creole dan banana. Tanaman garut kultivar creole dapat tumbuh dan menyebar di dalam tanah dengan lebih dalam, sedangkan kultivar banana tumbuh dengan tandan terbuka pada permukaan tanah yang tidak terlalu dalam sehingga lebih mudah dipanen (Villamajor dan Jurkema 1996).

8 Umbi garut merupakan rhizoma dari tanaman garut dan dibungkus dengan sisik-sisik secara teratur dan berbentuk silinder (Gambar 2a). Umbi garut dapat dipanen setiap tahun dengan waktu rotasi 5-7 tahun dan dapat tumbuh kembali dengan hanya meninggalkan sisa ujung umbi saat dipanen (Lingga et al. 1986). Baik umbi kultivar creole maupun kultivar banana memiliki umbi yang berwarna

putih, namun berbeda dalam bentuk dan ukuran umbinya. Kultivar creole

memi-liki umbi yang lebih panjang dan langsing, sedangkan kultivar banana

mempu-nyai umbi yang lebih pendek dan gemuk. Apabila kulitnya dikupas, bagian dalam umbi garut berwarna putih (Gambar 2b). Tanaman garut kultivar creole banyak dibudidayakan di daerah Bogor dan menjadi prioritas kultivar yang dikembangkan oleh Balai Besar Bioteknologi dan Sumberdaya Genetika, Cimanggu, Bogor.

(a) (b)

Gambar 2. Umbi garut sebelum dikupas (a) dan sesudah dikupas (b) (Faridah et

al. 2007)

Tabel 1 menyajikan komposisi zat gizi dari umbi garut kultivar creole dan

banana. Umbi garut kultivar creole merupakan sumber karbohidrat, yaitu seba-gian besar karbohidrat penyusunnya adalah pati. Kadar pati umbi kultivar creole sedikit lebih tinggi (20,96%) dibandingkan dengan kultivar banana (19,40%). Kedua kultivar umbi garut tersebut memiliki kandungan protein dan lemak yang relatif rendah. Menurut Lingga et al. (1986), komposisi kimia umbi garut ini dapat berubah yang dipengaruhi oleh pada umur tanaman dan kondisi tempat tum-buhnya.

9

Tabel 1. Komposisi kimia umbi garut kultivar creole dan banana

Komposisi Kultivar Umbi Garut

Creole 1 Banana2

Air (%) 72,66 72,00

Abu (%) 0,81 1,30

Karbohidrat (%) 24,67 24,4

Protein (%) 1,59 2,20

Lemak (%) 0,28 0,10

Pati (%) 20,96 19,40

Serat Pangan Total (%bk) 7,95 -

Serat kasar (%) - 0,60

1

Faridah et al. (2008), 2Kay (1973)

Umbi garut sering dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai bahan makanan dan ramuan obat-obatan. Umbi garut yang masih muda biasanya dikukus, direbus, atau dibakar untuk dikonsumsi sebagai makanan kecil. Umbi garut muda ini rasa-nya manis, tetapi berangsur hilang kemanisanrasa-nya dengan bertambah umur, karena terjadinya sintesis pati dan serat yang banyak. Umbi garut yang sudah tua umum-nya diolah menjadi tepung atau diambil patiumum-nya (Yustiareni 2000).

Pati garut mudah dicerna, sehingga dapat dimanfaatkan sebagai makanan bayi atau makanan bagi orang yang mengalami gangguan pencernaan. Pati garut juga dapat dijadikan sebagai makanan bagi anak yang menyandang penyakit autis dan makanan diet bagi orang tua lanjut usia dan pasien yang dalam masa penyem-buhan (Ariesta et al. 2004). Di samping sebagai bahan pangan, pati garut juga digunakan sebagai bahan baku non-pangan, seperti digunakan di industri kosme-tik, lem, alkohol, dan tablet yang diinginkan bersifat mudah larut (Kay 1973).

Sebagaimana sumber pati yang lain, pati garut tersimpan dalam bentuk gra-nula pati yang berperan sebagai cadangan makanan. Tester dan Karkalas (2002) melaporkan bahwa granula pati garut berbentuk oval seperti granula pati sagu

(Tabel 2). Ada juga yang melaporkan bahwa granula pati garut berbentuk bulat

(round) dan poligonal. Ukuran granula pati garut dilaporkan berbeda-beda oleh peneliti, yaitu 5-70,0 µm (Tester dan Karkalas 2002), 5-50,0 µm (Moorthy 2002), 22,3-26,7 µm (Perez dan Lares 2005), dan 20-42,2 µm (Srichuwong et al. 2005a).

10

Tabel 2. Bentuk dan ukuran granula pati garut dibandingkan sumber pati lainnya1

Pati Tipe Bentuk

Granula

Ukuran Granula (μm)

Garut Umbi Oval 5 – 70

Barley Serealia Lentikular/bola 15 – 25 2 – 5

Jagung Serealia Bola/polyhedral 2 – 30 Amylomaize Serealia Tidak beraturan 2 – 30 Jewawut Serealia Polihedral 4 – 12

Oat Serealia Polihedral 3 – 10 (tunggal) 80 (campuran)

Sagu Serealia Oval 20 – 40

Gandum Serealia Lentikular / Bulat 15 – 35 2 – 10

Beras Serealia Polihedral 3 – 8 (tunggal) 150 (campuran) Gandum hitam Serealia Lentikular / Bola 10 – 40

5 – 10 Sorghum Serealia Bola 5 – 20 Kacang tanah Polong-polongan Rentiform (tunggal) 5 – 10 Kentang Umbi Lentikular (bersudut) 5 – 100 Tapioka Umbi Bola / lentikular

(bersudut)

5 – 45

1

Tester dan Karkalas (2002)

Granula pati garut tersusun oleh molekul amilosa yang berantai lurus dan molekul amilopektin yang memiliki rantai bercabang-cabang. Sebagaimana jenis pati lainnya, kandungan amilopektin dalam pati garut lebih tinggi dibandingkan amilosa. Naraya dan Moorthy (2002) menyebutkan bahwa kadar amilosa pati garut berada pada kisaran 16-27%.

2.2. Struktur Amilosa dan Amilopektin

Amilosa dan amilopektin tersusun oleh monomer α-D-glukosa. Amilosa

mempunyai struktur lurus, yaitu α-D-glukosa yang dihubungkan satu sama lain dengan ikatan glikosidik α-1,4 dan memiliki dengan berat molekul sekitar 1x105–

1x106. Amilopektin mempunyai struktur bercabang-cabang, yaitu titik

perca-bangannya dihubungkan dengan ikatan glikosidik α-1,6. Karim et al. (2000)

menyebutkan kisaran yang berbeda untuk jumlah α-D-glukosa penyusun titik

percabangan pada amilopektin, yaitu 20-30 unit anhidroglukosa. Amilopektin memiliki berat molekul lebih tinggi bila dibandingkan dengan amilosa, yaitu

11 sekitar 106-109. Berat molekul amilosa dan amilopektin berbeda untuk sumber pati yang berbeda. Hingga saat ini, belum ada laporan yang menyebutkan berat molekul amilosa dan amilopektin dari pati garut.

Gugus-gugus hidroksil yang banyak pada struktur amilosa dan amilopektin memungkinkan terbentuknya ikatan hidrogen, namun dengan kekuatan ikatan yang berbeda. Bentuk molekul amilosa yang linear dengan jumlah gugus hidroksil yang banyak memungkinkannya untuk lebih mudah membentuk ikatan hidrogen satu sama lain, sehingga ikatan hidrogen yang terbentuk menjadi lebih kuat. Ada-nya ikatan hidrogen ini membentuk struktur heliks pada amilosa. Karena molekul amilopektin memiliki ukuran yang besar dengan struktur yang bercabang-cabang, maka ikatan hidrogen antara molekul amilopektin lebih lemah dibandingkan dengan ikatan hidrogen antar molekul amilosa (Liu 2005).

Beberapa model struktur amilopektin dilaporkan oleh beberapa peneliti, yaitu oleh French (1972) (Gambar 3a), Hizukuri (1986) (Gambar 3b) dan Robin et al. (1974) (Gambar 3c). Imberty et al. (1991) menyatakan bahwa rantai linear amilopektin dengan DP ∼15 membentuk daerah kristalin dalam struktur granula pati. Rantai-rantai pendek tersebut membentuk struktur double helix oleh adanya ikatan hidrogen dan tersusun dalam bentuk klaster.

Hizukuri (1986) mengilustrasikan model amilopektin dalam bentuk struktur klaster, yaitu sebanyak 80-90,0% dari keseluruhan rantai amilopektin terletak pada klaster tersebut, sedangkan 10-20,0% sisanya berperan dalam pembentukan

ikatan antar klaster (Gambar 3b). Berdasarkan pada panjang dan titik

perca-bangannya, rantai amilopektin dapat dibagi menjadi tiga bagian, yaitu bagian rantai A, rantai B dan rantai C. Bagian rantai A tersusun oleh struktur linear beran-tai pendek dengan DP 6-12. Bagian rantai B membentuk stuktur bercabang amilo-pektin yang mengikat rantai A atau rantai B lainnya (B1, B2 dan B3). Rantai B1 memiliki DP 13-24, rantai B2 memiliki DP 25-36 dan rantai B3 memiliki DP >37. Bagian struktur amilopektin berantai pendek dengan DP sekitar 6-24 terdapat pada rantai A dan B1. Rantai tersebut dapat membentuk struktur double helix dan terletak pada bagian luar (eksternal) dari struktur amilopektin. Klaster yang tersusun oleh rantai A dan B1 tersebut menyusun daerah kristalin

12 dalam granula pati. Rantai C membentuk struktur linear yang panjang, yaitu klaster rantai B terikat di titik percabangannya.

Gambar 3. Model molekul amilopektin yang diadopsi dari (a) French (1972);

(b) Hizukuri (1986); dan (c) Robin et al. (1974). Dalam model terse-but φ menunjukkan ujung gula pereduksi (reducing end). Keterangan rantai (A), (B), (B1, B2 dan B3), dan (C) dijelaskan di dalam teks. CL menunjukkan panjang rantai (chain length). Daerah kristalin dan amorf ditunjukkan dengan kode 1 dan 2.

Profil rantai amilopektin dapat diketahui dengan pengukuran menggunakan Size Exclusion Chromatography (SEC), Ion-exchange Chromatography (IEC) atau Fluorophore-Assisted Capillary Electrophoresis (FACE) dengan cara memo-tong dahulu ikatan-ikatan percabangan pada amilopektin secara enzimatis. Nisbah rantai A dan B dalam amilopektin dapat ditentukan dengan menggunakan enzim yang dapat memutus ikatan percabangan (debranching enzyme), yaitu enzim

iso-13 amilase dan pullulanase. Kedua jenis enzim tersebut dapat memutus secara spesi-fik ikatan-ikatan glikosidik α-1,6 sehingga membentuk struktur linear amilosa rantai pendek (Morell et al. 1998).

Tabel 3 memperlihatkan distribusi panjang rantai amilopektin dari beberapa

sumber pati yang dianalisis dengan menggunakan FACE (Srichuwong et al.

2005a). Terlihat bahwa sumber pati yang berbeda memiliki distribusi rantai amilo-pektin yang berbeda. Dibandingkan jenis pati lainnya, pati garut memiliki distri-busi panjang rantai amilopektin pada DP 6-8 paling sedikit (4,0%). Distridistri-busi rantai amilopektin pati garut yang terbesar berada pada kisaran DP 9-30 (96,0%).

Tabel 3. Distribusi panjang rantai amilopektin1

Sumber Pati Nisbah

APC2

Distribusi Panjang Rantai (%)

DP 6-8 DP 9-12 DP 13-24 DP 25-30

Tipe A

Ubi jalar 0,419 11,0 27,9 54,1 7,0

Garut 0,352 4,0 27,7 58,4 9,9

Sagu 0,397 9,0 28,1 56,2 6,7

Talas 0,388 7,4 28,9 57,3 6,4

Singkong 0,489 9,9 36,3 48,3 5,5

Jagung 0,392 5,1 31,4 56,7 6,8

Beras 0,449 8,0 34,5 52,1 5,4

Tipe B

Ganyong 0,312 7,2 21,5 63,4 7,9

Kentang 0,364 10,2 23,5 58,9 7,4

Tipe C

Lesser yam 0,394 11,6 24,9 56,2 7,3 1

Srichuwong et al. (2005a) 2 _{Nisbah APC}

(Amylopectin unit-chain) merupakan nisbah relatif molar distribusi amilo-pektin dengan DP 6-12 terhadap DP 6-24.

2.3. Model Struktur Granula Pati

Buleon et al. (1998) membagi struktur granula pati menjadi daerah kristalin dan daerah amorf (Gambar 4). Daerah kristalin disusun oleh rantai pendek dari amilopektin dalam bentuk klaster. Menurut Oostergetel dan van Bruggen (1993), daerah kristalin pada granula pati membentuk struktur superheliks (Gambar 5). Daerah amorf merupakan daerah titik-titik percabangan dalam rantai amilopektin terbentuk dan daerah dimana molekul amilosa umumnya berada. Menurut Liu

14 (2005), ikatan hidrogen yang menghubungkan antar molekul amilosa dan atau amilopektin di daerah kristalin lebih kuat dibandingkan dengan di daerah amorf.

Gambar 4. Model daerah amorf dan kristalin dari granula pati (Buleon et al.

1998)

Gambar 5. Model superhelix daerah kristalin yang terbentuk dari amilopektin

15 Teknik pelabelan dengan fluorofor dapat digunakan untuk menganalisis

struktur amilosa (Hanashiro dan Takeda 1998) dan amilopektin (Morell et al.

1998; Edwards et al. 1999; Hanashiro et al. 2002; Nakamura et al. 2002). Distri-busi panjang rantai amilosa dan amilopektin dapat dilakukan dengan teknik pela-belan pada rantai tersebut dengan menggunakan metode Size-exclusion Chromato-graphic (SEC) (Hanashiro dan Takeda, 1998; Hanashiro et al. 2002) atau elektro-foresis dengan detektor Laser-induced Fluorescence (Morell et al. 1998). Distri-busi panjang rantai glukan berdasarkan satuan molar dapat dilakukan dengan

menggunakan metode Fluorophore-Assisted Capillary Electrophoresis (FACE)

yang merupakan jenis instrumen DNA squencer. Metode analisis lain yang dapat

digunakan untuk menganalisis panjang rantai glukan adalah High Performance

Anion Exchanger Chromatography–Pulse Amperometric Detection (HPAEC-PAD) (Schmiedl et al. 2000; Lehmann et al. 2002).

Menurut Morell et al. (1998), panjang rantai glukan dengan derajat polime-risasi (DP) 6-30 dapat dianalisis dengan menggunakan FACE. Pati dihidrolisis

dengan menggunakan enzim isoamilase dan dilabel dengan senyawa

8-amino-1,3,6-pyrenetrisulfonic acid (APTS) yang berfungsi untuk menderivatisasi gula pereduksi pada rantai glukan dan APTS membentuk kompleks dengan rantai glu-kan sehingga membentuk senyawa kromofor atau fluorofor yang dapat terdeteksi

oleh FACE (O’Shea et al. 1998; Edwards et al. 1999) (Gambar 6). Metode

FACE banyak digunakan untuk menganalisis derajat polimerisasi dari pati dan umumnya digunakan untuk menentukan panjang rantai amilopektin dengan DP 6-30. Srichuwong et al. (2005a) telah melakukan analisis DP amilopektin pada 15 jenis pati baik dengan menggunakan FACE maupun dengan HPAEC-PAD.

Metode FACE juga digunakan oleh Singh et al. (2008) untuk melihat DP

amilo-pektin pada kentang dan pati mangga serta pisang (Espinosa-Solis et al. 2009). Metode HPAEC-PAD sudah banyak digunakan di antara pada pati RS3 dari pati pisang (Lehmann et al. 2002), kacang merah (Lehmann et al. 2003) dan pati beras (Shu et al. 2007).

Donald et al. (1997) mengilustrasikan daerah amorf dan daerah semi-kris-talin pada granula pati dengan bagian tengahnya merupakan hilum sebagai titik pertumbuhan (Gambar 7). Daerah amorf dan daerah semi-kristalin digambarkan

16

Gambar 6. APTS, derivatisasi gugus pereduksi karbohidrat (A) dan

pelabelan amilopektin dengan APTS (B) penentuan distri-busi panjang rantai amilopektin dengan FACE (Srichu-wong 2006)

A

λex488 nm λem520 nm

A A

λex488 nm λem520 nm

17 berselang-seling. Struktur tersebut digambarkan seperti cincin yang berlapis-lapis yang dimulai dari hilum ke arah luar secara radial. Daerah semi-kristalin tersusun oleh lamella amorf dan lamella kristalin, sedangkan daerah amorf sebagian besar tersusun oleh amilosa dan ikatan antar klaster. Ukuran satu lamella amorf dan satu lamella kristalin berkisar 9-10 nm, sedangkan satu lamella kristalin berkisar 5-6

nm. Perbedaan istilah dikemukakan oleh Gallant et al. (1997) yang membagi

granula pati menjadi daerah kristalin dan semi-kristalin. Daerah kristalin menurut Gallant et al. (1997) sama dengan daerah kristalin, sedangkan daerah semi-kristalin sama dengan daerah amorf. Seluruh jenis granula pati, termasuk granula pati garut, memiliki daerah kristalin dan amorf sebagaimana dijelaskan di atas.

Gambar 7. Model struktur granula pati (Donald et al. 1997). (A) Daerah

kris-talin; (B) lamella amorf dan lamella kriskris-talin; (C) Struktur double helix dari rantai amilopektin yang berdekatan membentuk lamella kristalin

Model granula pati yang lain menurut Gallant et al. (1997) adalah berbentuk “Blocklets” (Gambar 8). Daerah lamella kristalin-amorf disusun dalam bentuk spherical blocklets yang merupakan hasil pengamatan dengan menggunakan Atomic Force Microscopy (AFM) pada permukaan pati kentang dan gandum. Berdasarkan pengukuran menggunakan instrumen difraksi sinar X, pati alami diketahui memiliki derajat kristalinitas sebesar 15-45,0% (Zobel 1988). Kristalini-tas granula pati dapat diamati dengan menggunakan metode difraksi sinar X (Pomeranz dan Meloan 2000). Puncak intensitas dari difraksi sinar X berhubungan dengan jumlah daerah kristalin di dalam granula pati (Cullity 1978; Stute 1992). Dengan menggunakan difraksi sinar X, Zobel (1988) membedakan daerah

semi-18 kristalin pati menjadi tipe A, B, C dan V (Gambar 9). Kristalin tipe A umumnya ditemukan pada pati yang berasal dari serealia, seperti beras, gandum, dan jagung. Kristalin tipe B banyak ditemukan pada pati yang berasal dari umbi-umbian, amilomaize dan pati yang teretrogradasi. Kristalin tipe C yang merupakan gabungan antara tipe A dan B biasanya terdapat pada pati biji-bijian. Kristalin tipe V terjadi apabila amilosa membentuk kompleks dengan senyawa lain, seperti lemak. Pola difraksi sinar X tersebut dapat berubah oleh pemanasan, misalnya pati kentang dengan tipe B dapat berubah menjadi tipe A atau C dengan perlakuan Heat Moisture Treatment (HMT) (Liu 1997).

Beberapa peneliti menggunakan difraksi sinar X dalam mengkarakterisasi perubahan struktur kristal dari pati (Stute 1992; Hoover dan Vasanthan 1994a dan

1994b). Stute (1992) menemukan bahwa perlakuan modifikasi Heat Moisture

Treatment (HMT) pati kentang mengubah kristalinitas pati dari tipe B menjadi tipe A. Hoover dan Vasanthan (1994a) menemukan bahwa modifikasi dengan annealing juga mengubah kristalinitas pati non-sereal dari kristalin tipe B menjadi campuran kristalin tipe A dan B.

Sebagaimana telah dijelaskan di atas, bagian non-kristalin dari granula pati

disebut dengan amorf. Berdasarkan model klaster amilopektin (Gambar 7),

daerah percabangan amilopektin merupakan daerah amorf. Molekul amilosa juga berada sebagian besar di daerah amorf tersebut dan dapat berinteraksi dengan rantai amilopektin. Berbeda dengan daerah kristalin, daerah amorf tidak menun-jukkan pola difraksi sinar X (Zobel 1992). Daerah amorf ini mudah mengalami reaksi kimia, misalnya dihidrolisis oleh asam atau bereaksi dengan suatu gugus fungsional. Daerah amorf merupakan bagian yang dapat mengembang dalam proses gelatinisasi pati (Liu 2005).

Distribusi daerah kristalin dan amorf dari pati telah didekati melalui hidro-lisis asam. Hidrohidro-lisis oleh asam, terutama di awal proses, terjadi secara cepat pada

daerah amorf yang mengandung titik percabangan α-1,6 dari molekul

amilo-pektin dan sebagian besar amilosa. Selanjutnya, proses hidrolisis terjadi secara lambat di daerah kristalin. Kristalilitas granula pati dapat ditentukan dengan menggunakan pemisahan dan integrasi kurva di bawah puncak daerah kristalin dan daerah amorf dari pola difraksi sinar X. Derajat kristalinitas bervariasi dari

19

Gambar 8. Struktur granula pati berdasarkan model “Blocklet” (Gallant

et al. 1997)

Gambar 9. Profil kristal pati hasil pengukuran dengan difraksi

20 15-45,0% (Tabel 4), tergantung pada sumber pati dan metode penghitungannya. Kristalinitas pati juga sangat dipengaruhi oleh kadar air dari granula. Kristalinitas pati tipe A dipengaruhi oleh kadar amilosa. Pada pati tipe B yang memiliki kadar amilosa yang cukup tinggi (seperti amilomaize), derajat kristalinitasnya lebih kecil dibandingkan dengan pati jenis lain pada tipe yang sama (ganyong dan kentang). Untuk pati tipe C, derajat kristalinitas tidak menunjukkan pola yang sistematis (Zobel 1988 dan Tang et al. 2001).

Tabel 4. Kristalinitas pati tipe A, B dan C pada kandungan

ami-losa yang berbeda1

Pati Kristalinitas (%) Amilosa (%)

Struktur Pati Tipe A

Barley 22-27 22-27

Gandum 36 23

Beras ketan 37 -

Sorgum 37 25

Beras 38 17

Jagung 40 27

Waxy maize 40 0

Struktur Pati Tipe B

Amilomaize 15-22 55-75

Edible canna 26 25

Kentang 28 22

Struktur Pati Tipe C

Ubi jalar 38 20

Tapioka 38 18

1

Zobel (1988) dan Tang et al. (2001)

Pola difraksi sinar X menunjukkan kristalin pati garut tergolong tipe A dengan karakteristik amilopektin pati garut memiliki derajat polimerisasi (DP) 9-30 yang cukup tinggi, densitasnya lebih padat pada daerah struktur heliks (menun-jukkan semakin banyak double helix yang terbentuk) (Gambar 10) dengan derajat kristalinitas sebesar 31,5% (Wang et al. 1998; Srichuwong et al. 2005a), proporsi rantai cabang berukuran pendek pada amilopektin lebih tinggi (Hizukuri et al. 1983) dan jumlah rantai per klaster lebih banyak (10-23 per klaster) diban-dingkan dengan kristalinitas tipe B (6-7 per klaster) (Takeda dan Hanashiro 2003). Apabila pati garut dengan jumlah rantai per klaster lebih banyak pada

21 molekul amilopektin dihidrolisis oleh enzim pullulanase (debranching) maka akan dihasilkan lebih banyak fraksi amilosa rantai pendek.

Gambar 10. Perbedaan struktur kristalin tipe A dan B dari pati (Tang et al. 2006)

Karakteristik pati garut yang diukur dengan difraksi sinar X sebagaimana dijelaskan di atas menunjukkan potensinya untuk dijadikan sebagai bahan baku dalam pembuatan pati resisten. Semakin banyak fraksi amilosa rantai pendek baik hasil pemutusan ikatan percabangan amilopektin (debranching) atau hidrolisis asam, maka akan semakin banyak fraksi amilosa yang teretrogadasi sehingga kadar pati resisten yang terbentuk akan semakin tinggi. Menurut Lehmann et al. (2003), amilopektin dengan derajat polimerisasi (DP) kurang dari 10 dapat meng-halangi pembentukan pati resisten, namun struktur linear dengan DP bekisar 10-35 merupakan panjang rantai yang optimal untuk pembentukan pati resisten. Sementara itu, distribusi panjang rantai amilopektin pada pati garut dengan DP 13-24 cukup tinggi, yaitu sebesar 58,4%. Bila rantai-rantai tersebut dihidrolisis oleh enzim pullulanase pada titik percabangannya, maka diharapkan dapat meningkatkan pati resisten yang terbentuk.

22 2.4. Pengaruh Proses Pemanasan terhadap Gelatinisasi dan Retrogradasi Pati Gelatinisasi dan retrogradasi merupakan fenomena yang paling penting dari pati dan sangat berkaitan dengan sifat fungsional pati. Studi mengenai gelatinisasi dan retrogradasi pati dapat juga menjelaskan hubungan antara struktur dan sifat fungsional pati.

2.4.1. Gelatinisasi Pati

Granula pati alami bersifat tidak larut dalam air, namun dapat menjadi larut dalam air bila suspensi pati dipanaskan di atas suhu gelatinisasinya. Bila pati disuspensikan dalam air yang berlebih dan dipanaskan pada suhu dan waktu tertentu, maka granula pati secara berangsur-angsur mengalami perubahan yang bersifat ireversibel, artinya tidak dapat kembali pada kondisi granula semula. Gelatinisasi pati ditandai dengan terjadinya pengembangan (swelling) granula pati, peluruhan (melting) dari bagian kristalit, hilangnya sifat birefringence, peningkatan kekentalan dan peningkatan kelarutan pati (Gambar 11). Suhu awal terjadinya gelatinisasi yang teramati dipengaruhi oleh konsentrasi pati, metode analisis, jenis pati dan keseragaman ukuran granula pati. Mekanisme gelatinisasi pati tersebut dapat dipelajari dengan beberapa teknik, yaitu dengan menggunakan instrumen viskometer, mikroskop optik, mikroskop elektron, difraksi sinar X, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy dan X-ray scatting (Liu 2005).

DSC digunakan untuk analisis termal dalam menentukan transisi kristali-nitas pati yang diakibatkan oleh penambahan panas (Schenz dan Davis 1998). Pemecahan kristal pati adalah reaksi endotermik karena dibutuhkan sejumlah energi yang dapat diserap untuk memutuskan ikatan antara molekul. Perubahan panas dapat dideteksi dengan membandingkan panas yang diserap oleh sampel pati dengan referensi kosong. DSC dapat digunakan untuk mengamati dan mengu-kur suhu dan besarnya entalpi pada saat pati mulai mengalami pelelehan.

Dalam proses gelatinisasi pati ini, granula pati secara berangsur-angsur

mengalami pengembangan (swelling) dengan meningkatnya suhu pemanasan.

Pengembangan granula pati terjadi karena molekul-molekul air masuk ke dalam granula pati dan terperangkap pada susunan molekul-molekul amilosa dan amilo- pektin. Dengan naiknya suhu suspensi pati, maka granula pati semakin membesar.

23

Gambar 11. Perubahan granula pati (alami: I) selama proses gelatinisasi,

terjadi pengembangan (IIa) pelepasan amilosa (IIb), retrogra-dasi, proses penggabungan kembali rantai linear pati setelah dekristalisasi akibat gelatinisasi (Srichuwong 2006)

Mekanisme pengembangan tersebut disebabkan ikatan-ikatan hidrogen yang menghubungkan molekul-molekul amilosa dan amilopektin semakin melemah dengan meningkatnya suhu pemanasan, sehingga mengganggu kekompakan gra-nula pati. Di sisi lain, dengan meningkatnya suhu, maka molekul-molekul air mempunyai energi kinetik yang lebih tinggi sehingga dengan mudah berpenetrasi ke dalam granula pati. Dengan demikian, bila suhu suspensi pati meningkat, maka air akan terikat secara simultan dalam molekul amilosa dan amilopektin yang mengakibatkan pengembangan ukuran granula pati tersebut. Setelah pengem-bangan granula mencapai maksimum pada suhu pemanasan tertentu, maka gra-nula pati akan pecah (rupture), sehingga pemanasan pada suhu yang lebih tinggi akan menyebabkan penurunan kekentalan pasta pati secara tajam (Meyer 2003, Parker 2003).

Proses gelatinisasi pati seperti dikemukakan di atas dapat diamati dengan

menggunakan alat Brabender Viscoamilograph (BVA) atau Rapid Visco Analyzer

(RVA). BVA dan RVA mencatat data-data profil gelatinisasi selama fase pema-nasan dan pendinginan, yaitu suhu awal gelatinisasi, viskositas puncak, viskositas breakdown, viskositas setback dan viskositas akhir (Gambar 12). Setiap jenis pati

24 memiliki profil gelatinisasi yang khas yang membedakan antara satu jenis pati dengan jenis pati yang lainnya. Dari parameter profil gelatinisasi tersebut,

visko-sitas setback dapat menggambarkan kecenderungan pasta pati untuk mengalami

retrogradasi selama fase pendinginan, yaitu semakin tinggi viskositas setback maka kecenderungan retrogradasi semakin meningkat (Srichuwong 2006).

Gambar 12. Profil gelatinisasi dengan pengukuran menggunakan

Rapid Visco Analyzer (RVA) dan perubahan granula pati selama pemanasan (Srichuwong 2006)

Schoch dan Maywald (1968) mengelompokkan pati berdasarkan profil gela-tinisasinya ke dalam empat jenis, yaitu tipe A, B, C dan D. Profil gelatinisasi pati tipe A menunjukkan pati yang memiliki kemampuan mengembang yang tinggi yang ditunjukkan dengan tingginya viskositas maksimum dan diikuti dengan penurunan viskositas selama pemanasan (mengalami breakdown), contohnya pati kentang, dan tapioka. Profil gelatinisasi pari tipe B mirip dengan tipe A, tetapi dengan viskositas maksimum lebih rendah, contohnya pati dari serealia. Profil

139 and enzyme resistant starch content of acid-modified corn starches. Food Science and Biotechnology 17(4): 755-760.

Lehmann U, Jacobasch G, Schmiedl D. 2002. Characterization of resistant starch type III from banana (Musa acuminata). Journal of Agriculture and Food Chemistry 50: 5236-5240.

Lehmann U, Rossler C, Schmiedl D, Jacobash G. 2003. Production and physico-chemical characterization of resistant starch type 3 derived from pea. Starch/Nahrung/Food 43: 60-63.

Leong YH, Karim AA, Norziah MH. 2007. Effect of pullulanase debranching of sago (Metroxylon sagu) starch at subgelatinization temperature on the yield of resistant starch. Starch/Starke 59: 21-32.

Leu RKL, Brown IL, Hu Y, Young GP. 2003. Effect of resistant starch on geno-toxin-induced apoptosis, colonic epithelum, and luminal contents in rats. Carcinogenesis. 24(8): 1347-1352.

Lingga PB, Sarwono F, Rahadi PC, Raharja JJ, Afistini, Rini W, Apriadi WH. 1986. Bertanam Umbi-umbian. Penebar swadaya. Jakarta.

Liu Q, Thompson DB. 1998. Effects of moisture content with different initial heating temperature on retrogradation from different maize starches. Carbo-hydrate Research. 314: 221-235.

Liu Q. 1997. Characterization of Physicochemical Properties of Starch from Various Potatoes and Other Sources, University Laval, Quebec City, Canada.

Liu Q. 2005. Understanding Starches and their Role in Foods. Di dalam: Food Carbohydrates: Chemistry, Physical Properties and Applications. Cui SW (editor). RC Taylor & Francis, Boca Ratn FL.

Longton J, LeGrys GA. 1981. Differential scanning calorimetry studies on the crystallinity of ageing wheat starch gels. Starch/Starke 33: 410-414.

Lopez-Rubio A, Flanagan BM, Shrestha AK, Gidley MJ, Gilbert EP. 2008. Mole-cular rearrangement of starch during in vitro digestion: toward a better understanding of enzyme resistant starch formation in processed starches. Biomacromolecules 9: 1951–1958.

Mahadevamma MS, Harish KVP, Tarathanan RN. 2003. Resistant starch derived from processed legumes: purification and structural characterization. Journal of Carbohydrate Polymers 54: 215-219.

Meyer LH. 2003. Food Chemistry. Textbook Publisher, New York.

Miao M, Jiang B, Zhang T. 2009. Effect of pullulanase debranching and recrys-tallization on structure and digestibility of waxy maize starch. Carbohydrate Polymers 76: 214–221.

Moorthy SN. 2002. Physicochemical and functional properties of tropical tuber starches: a review. Starch/Starke 54: 559-592.

140 Morell MK, Samuel, MS, O’Shea MG. 1998. Analysis of starch structure using fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis. Electrophoresis 19: 2603-2611

Muchtadi D, Palupi NS, Astawan M. 1992. Petunjuk Laboratorium Metode Kimia Biokimia dan Biologi dalam Evaluasi Nilai Gizi Pangan Olahan. Depar-temen Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Pusat Antar Universitas, Institut Pertanian Bogor.

Muhr AH, Blanshard JMV, Bates DR. 1984. The effect of lintnerization on wheat and potato starch granules. Carbohydrate Polymers 4: 399–425.

Mujoo R and Ali SZ.1999. Molecular degradation of rice starch during processing to flakes. Journal of the Science of Food and Agriculture 79:941-949.

Mumny P. 2000. Starch. Di dalam : Phillips GO, William PA (Editor). Handbook of Hydrocolloids. Boca Raton : CRC Press. Hlm. 41-65.

Mun SH, Shin M. 2006. Mild hydrolysis of resistant starch from maize. Food Chemistry 96:115–121.

Mutungi C, Rosta F, Onyangob C, Jarosa D, Rohma H. 2009. Crystallinity, ther-mal and morphological characteristics of resistant starch type III Produced by hydrothermal treatment of debranched cassava starch. Starch/Starke 61: 1-12.

Nakamura Y, Sakurai A, Inaba Y, Kimura K, Iwasawa N, Nagamine T. 2002. The fine structure of amylopectin in endosperm from asian cultivated rice can be largely classified into two classes. Starch/Starke 54: 117-131.

Naraya S, Moorthy. 2002. Physicochemical and functional properties of tropical tuber starches : A review. Starch/Starke 54: 559-592.

Onyango C, Bley T, Jacob A, Henle T, Rohm H. 2006. Influence of incubation temperature and time on resistant starch type III formation from autoclaved and acid hydrolysed cassava starch. Carbohydrate Polymers 66: 494–499. Oostergetel GT, Bruggen EFJV. 1993. The Crystalline domains in potato starch

granules are arranged in a helical fashion. Carbohydrate Polymers 21: 7–12. O'Shea MG, Samuel MS, Konik CM, Morell MK. 1998. Fluorophore-assisted

carbo-hydrate electrophoresis (FACE) of oligosaccharides: effeciency of labelling and high-resolution separation. Carbohydrate Research 307: 1-12. Ottenhof MA, Hill SE, Farhat IA. 2005. Comparative study of the retrogradation of intermediate water content waxy maize, wheat, and potato starches. Journal of Agriculture and Food Chemistry 53: 631-638

Ozturk S, H Koksel, Kahraman K. 2009. Effect of debranching and heat treat-ments on formation and functional properties of resistant starch from high-amylose corn starch. Eur Food Tes Technol 229: 115-125.

Orford PD, Ring SG, Carroll V, Miles MJ, Morries V. 1987. The effect of concen-tration and botanical source on the gelation and retrogradation of starch. Journal of the Science of Food and Agriculture 39: 169-173.

141 Parker R. 2003. Introduction to Food Science. United States of America: Delmar,

Thomson Learning.

Perez E, Lares M. 2005. Chemical composition, mineral profile, and functional properties of canna (Canna edulis) and arrowroot (Maranta spp.) starches. Plant Foods for Human Nutrition. 60: 113–116.

Pomeranz Y, Meloan CE. 2000. X-ray methods. In: Food Analysis: Theory and Practice (3rd ed). hlm. 158-171. Gaithersburg, Maryland: Aspen Publishers, Inc.

Pongjanta J, Utaipattanaceep O, Naivikul, Piyachomkwan K. 2009a. Effect of preheated treatments on physicochemical properties of resistant starch type III from pullulanase hydrolysis of high amylose rice starch. American Journal of Food Technology 4(2): 79-89.

Pongjanta J, Utaipattanaceep O, Naivikul, Piyachomkwan K. 2009b. Debranching enzyme concentration effected on physicochemical properties and α -amylase hydrolysis rate of resistant starch type III from amylose rice starch. Carbohydrate Polymers 78: 5–9.

Raja MKC, Shindu P. 2000. Properties of starch-treated arrowroot (Marantha arundinacea) starch. Starch/Starke 52: 471-476.

Ranhotra GS, Gelroth JA, Astroth K, Eisenbraun GJ. 1991. Effect of resistant starch on intestinal responses in rats. Cereal Chemistry 68(2): 130–132. Ratnayake WS, Hoover R, Warkentin T. 2002. Pea starch: composition, structure

and properties: a review. Starch/Starke 54: 217-234.

Ridal S. 2003. Karakterisasi Sifat Fisikokimia Tepung dan Pati Talas (Colocasia escilenta Crantz.) dan Kimpul (Xanthosoma Sp.) dan Uji Penerimaan α -Amilase terhadap Patinya [Skripsi]. Fakultas Teknologi Pertanian IPB. Bogor.

Robin JP, Mercier C, Charbonniere R, Guilbot. A. 1974. Lintnerized starches gel filtration and enzymatic studies of insoluble residues from prolonged acid treatment of potato starch. Cereal Chemistry 51: 389-406.

Rudiyanto BI, Setiawan and Saptomo SK. 2006. Algorithm of kalman filter for smoothing measurement data. Jurnal Keteknikan Pertanian 20: 287-292. Sajilata MG, Singhal RS, Kulkarni PR. 2006. Resistant starch: a review.

Compre-hensive Reviews in Food Science and Food Safety. Vol. 5.

Sastrapradja S, Soetjipto NW, Danimihardja S, Soejono R. 1977. Ubi-Ubian. Bogor : Lembaga Biologi Nasional. LIPI. Balai Pustaka.

Schenz TW, Davis EA. 1998. Thermal Analysis. In Nielsen SS. (Ed.). Food Ana-lysis (2nd ed, hlm. 587-598). Gaithersburg, Maryland: Aspen Publishers, Inc. Schmiedl D, Bauerlein M, Bengs H, Jacobasch G. 2000. Production of

heat-stable, butyrogenic resistant starch. Carbohydrate Polymers 43: 183-193 Schoch TJ, Maywald E. 1968. Preparation and properties of various legume

142 Sevenou A, Hill SE, Farhat IA, Mitchell JR.2002. Organisation of the external region of the starch granule as determined by infrared spectroscopy. Inter-national Journal of Biological Macromolecules 31: 79-/85.

Shin S, Byun J, Park KW, Moon TW. 2004. Effect of partial acid and heat moisture treatment of formation of resistant tuber starch. Journal of Cereal Chemistry 81(2): 194-198.

Shu X, Jia L, Gao J, Sing Y, Zhao H, Nakamura Y, Wu D. 2007. The influence of chain length of amilopectin on resistant starch in rice (Oryza sativa L). Starch/Starke 59: 504-509.

Silverio J, H Fredriksson, R Andersson, AC Eliasson and P Aman. 2000. The effect of temperature cycling on the amylopectin retrogradation of starches with different amylopectin unit-chain length distribution. Carbohydrate Polymers 42: 175–184.

Singh N, Raina CS, Bawa AS, Saxena DC. 2005a. Effect of heat moisture treat-ment and acid modification on rheological, textural and differential scanning calorimetry characteristics of sweetpotato starch. Journal of Food Science 70(6): 373-378.

Singh N, Inouchi N, Nishinari K. 2005b. Morphological, structural, thermal and rheological characteristics of starches separated from apples of different cultivars. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53: 10193-10199. Singh V, Ali SZ. 2000. Acid degradation of starch. The effect of acid and starch

type. Carbohydrate Polymers 41: 191–195.

Singh N, Isono N, Srichuwong S, Noda T, Nishinari K. 2008. Structural, thermal and viscoelastic properties of potato starches. Food Hydrocolloids 22(6): 979-988.

Slade L, Levine H. 1987. Recent Advances in Starch Retrogradation. In: Indus-trial Polysaccharides. Stilva SS, Crescenzi V dan Dea ICM (editor). Gordon and Breach Sci, New York, hlm. 387-430.

Slijestrom M, Elliason AC, Bjork I. 1989. Characterization of resistant starch from autoclaved wheat starch. Starch/Starke 41(4): 147-151.

SNI. 1992. Cara uji makanan dan minuman. Badan Standarisasi Nasional. Jakarta Srichuwong S, Sunarti TC, Mishima T, Isono N, Hisamatsu M. 2005a. Starches

from different botanical sources I: contribution of amylopectin fine structure to thermal properties and enzyme digestibility. Carbohydrate Polymers 60(4): 529-538.

Srichuwong S, Sunarti TC, Mishima T, Isono N, Hisamatsu M. 2005b. Starches from different botanical sources II: contribution of starch structure to swelling and pasting properties. Carbohydrate Polymers 61(1): 25-34.

Srichuwong S. 2006. Starches from Different Plant Origins: From Structure to Physicochemical Properties [Disertasi]. Mie University. Japan.

Stute R. 1992. Hydrothermal Modification of Starches: The difference between annealing and heat/moisture-treatment. Starch/Stärke 44: 205-214.

143 Sunarti TC, Nunome N, Yashio, Hisamatsu M. 2001. Study on outer chains from amylopectin between immobilized and free debranching enzymes. Journal Applied Glycoscience 48(1): 1-10.

Szczodrak J, Pomeranz Y. 1991. Starch and enzyme-resistant starch from high-amylose barley. Cereal Chemistry 68(6): 589–96.

Taggart P. 2004. Starch as Ingredients: Manufacture and Applications. Di dalam: Eliason AC (editor). Starch in Food: Structure, Function, and Application. CRC Press, Baco Raton, Florida.

Takeda Y, Guan HP, Preiss J. 1993. Branching of amylase by the branching iso-enzymes of maize endosperm. Carbohydrate Research 240: 253-263.

Takeda Y, Hanashiro M. 2003. Examination of the structure of amylase and amylopectin by fluorescent labeling terminal. Journal of Applied Glyco-science. 48: 123-130.

Tang H, Ando H, Watanabe K, Takeda Y, Mitsunaga T. 2001. Physicochemical properties and structure of large, medium and small granule starches in fractions of normal barley endosperm. Carbohydrate Research 330: 241-248.

Tester RF, Debon SJJ. 2000. Annealing of starch - a review. International Journal of Biological Macromolecules 27: 1–12.

Tester RF, Karkalas J. 2002. Starch. Di dalam: Steinbuchel A, Vandamme EJ, De Baets S, Steinbuchel A. (Editor). Biopolymers, Volume 6. Polysaccharides. II. Polysaccharides from Eukaryotes. Weinheim: Wiley–VCH, hlm. 381-438.

Vasanthan T, RS Bhatty. 1998. Enhancement of resistant starch III in amylomaize barley, field pea and lentil starches. Starch/Stärke 50: 286-291.

Vasanthan T, Edmonton, Bhatty RS, Saskatoon. 1998. Enhancement of resistant starch (RS3) in amylomaize, barley field pea and lentil starches. Starch/ Starke 50: 286-291.

Villamajor Jr FG, Jurkema J. 1996. Maranta arundinacea L. Di dalam: Plants Yielding Non-seed carbohydrate. Prosea. 9: 113-116.

Waigh TA, Gidley MJ, Komanshek BU, Donald AM. 2000. The phase trans-formations in starch during gelatinisation: a liquid crystalline approach. Carbo-hydrate Research 328: 165–17.

Wang TL, Bogracheva TY, Hedley CL. 1998. Starch: as simple as A, B, C? Jour-nal of Experimental Botany 49: 481-502.

Wang YL, Truongb VD, Wang L. 2003. Structures and rheological properties of corn starch as affected by acid hydrolysis. Carbohydrate Polymers 52: 327– 333.

Wattanacant S, Muhammad SKS, Hasyim DM, Rahman RA. 2002. Characteri-zation of hydroxypropylated crosslinked sago starch as compared to commercial modified starches. Songklanakarin Journal Science and Tech-nology 24(3): 439-450.

144 Whisler RL, BeMiller JN. 1997. Starch. In RL Whisler and JN BeMiller (Editor). Carbohydrate Chemistry for Food Scientists. St Paul: American Association of Cereal Chemists, hlm. 117-151.

Wursch P. 1999. Production of Resistant Starch. Di dalam: Complex Carbohy-drate in Foods. Cho S, Prosky L, Dreher ML (editor). Marcel Dekker, New York, hlm. 385.

Wurzburg OB. 1989. Modified Starches: Properties and Uses. Boca Raton: CRC Press.

Yustiareni E. 2000. Kajian Substitusi Terigu oleh Tepung Garut dan Penambahan Tepung Kedelai pada Pembuatan Mie Kering [Skripsi]. Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Zabar S, Shimoni E, Peled HB. 2008. Development of nanostructure in resistant starch type III during thermal treatments and cycling. Journal of Macro-molecule Bioscience 8: 163-170.

Zeleznak KJ, Hoseney RC. 1986. The role of water in the retrogradation of wheat starch gels and bread crumb. Cereal Chemistry 32: 33-50.

Zhao XH, Lin Y. 2009. The impact of coupled acid or pullulanase debranching on the formation of resistant starch from maize starch with autoclaving–cooling cycles. European Food Research Technology 230: 179–184.

Zobel HF. 1988. Starch crystal transformations and their industrial importance. Starch/Starke 40: 1-7.

Zobel HF. 1992. Starch Granule Structure. Di dalam: Developments in Carbohy-drate Chemistry. Alexander A, Zobel HF (editor). The American Associa-tion of Cereal Chemistry, St. Paul, MN. 1-36.