TINJAUAN PUSTAKA Prediksi Kandungan Fisikokimia Mangga Gedong Gincu Menggunakan Spektroskopi Nir
5 Tabel 1 Standar mutu mangga
Karakteristik Mutu I
Mutu II
Keseragaman varietas Seragam
Seragam Tingkat ketuan
Tua tidak matang Tua agak matang
Kekerasan Keras
Cukup keras Keseragaman ukuran
Seragam Kurang seragam
Jumlah buah cacat Kadar kotoran
Bebas Bebas
Jumlah buah busuk Panjang tangkai buah maks cm
1 1
Sumber : BSN, 1992. Syarat mutu mangga untuk pasar domestik pasar swalayan yaitu:
permukaan kulit buah tidak harus 100 mulus,tidak luka luka mekanis atau mikrobiolgis, tidak ada bintik hitam dan lubang pada kulit, bebas penyakit
pascapanen, serta bentuk normal Badan standarisasi nasional 1992.
Penggolongan Grading
Buah mangga yang sudah dipanen, sebelum dipasarkan biasanya disortir berdasarkan kualitas buah, yaitu yang besarnya seragam, sama berat, warna baik
dan menarik, sehat, serta aroma yang harum. Pemetikan buah mangga yang masih muda dihindari karena setelah proses pemeraman, kulit akan kelihatan keriput,
tidak mengkilat, kurang padat, sedikit kasar, dan apabila dimakan akan terasa hambar, masam atau kurang manis.
Masalah yang membatasi perdagangan buah mangga adalah selain daya simpan yang relatif singkat juga karena variasi tingkat kematangan sehingga
mutunya tidak seragam. Umumnya, pedagang dan pemasok membeli mangga dari petani saat buah tersebut cukup tua tetapi belum matang dengan harapan sampai
ke tangan konsumen dalam kondisi segar, kualitas kematangan sergam dan siap dikonsumsi dikonsumsi. Kenyataanya, masalah ketidakseragaman kematangan
buah sering terjadi karena kurangnya kendali proses pascapanen Quane. 2011. Pada umumnya mangga yang telah dipanen oleh petani di sortir dan di
grading secara manual. Pengaturan grading membutuhkan keahlian dari pedagang pengumpul karena pihak pasar lokal modern dan tradisional tidak mau menerima
mangga sisa grade untuk tujuan pasar lain, semakin banyak grade yang dilakukan maka semakin bagus kualitas mangga yang turun kepasaran Quane. 2011.
Perubahan Mutu Pascapanen Mangga
Tahap-tahap proses pertumbuhan buah dimulai dari pembelahan sel, pembesaran sel, pendewasaan sel maturation, pemasakan ripening, pelayuan
senescene dan pembusukkan deterioration. Mangga Gedong Gincu termasuk buah klimaterik, dimana pola pernafasan buah klimaterik menunjukkan
peningkatan CO
2
selama pematangan. Menurut Amirasi 2012, klimaterik adalah suatu periode mendadak yang unik bagi buah-buahan tertentu, dimana secara
biologis diawali dengan proses pembuatan etilen. Proses ini ditandai dengan adanya perubahan dari proses pertumbuhan menjadi “senescene”, adanya
peningkatan pernafasan dan mulainya proses pematangan.
6 Setelah dipanen, buah masih melangsungkan proses-proses
metabolismenya. Secara umum, buah yang dipanen saat matang hijau mature green
, akan mengalami pemasakan ripening dan penuaan senescence. Proses- proses tersebut menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan fisik dan kimia
berupa perubahan kekerasan dan aroma, perubahan kandungan gula, asam organik, karbohidrat, vitamin dan protein.
Menurut Novita 2000, tahapan pertumbuhan merupakan tahapan perkembangan sel dan proses pembesaran sel pada buah, sedangkan matang
fisiologis adalah suatu tahap saat buah menuju proses pematangan dan buah sudah dapat dikonsumsi, meskipun kualitasnya belum sesuai dengan keinginan
konsumen. Pematangan merupakan tahap perkembangan buah yang mengalami banyak perubahan, meliputi rasa, tekstur, dan aroma. Sedangkan senescence
adalah tahapan perkembangan buah yang terakhir yaitu buah menuju pembusukan akibat sel-sel mengalami penuaan dan akhirnya sel-sel tersebut tidak dapat
berfungsi lagi dengan baik. Setelah pemasakan, kandungan gula akan meningkat akibat adanya konversi
pati menjadi gula dengan bantuan enzim amilase dan fosforilase. Sementara itu, kandungan asam-asam organik dalam buah menurun sejalan dengan pemasakan
akibat pemakaian asam-asam tersebut pada siklus Kreb‟s respirasi Amirasi. 2012.
Near Infrared Spectroscopy NIRS
NIR merupakan bagian dari kelompok inframerah yang memiliki panjang gelombang 800 nm sampai 2500 nm 0.75 – 1.5 μm. Aplikasinya digunakan
untuk telekomunikasi serat optik, untuk spektroskopi astronomi, dan pemantulan jarak jauh, sedangkan Near Infrared Spectroscopy NIRS merupakan metode
spektroskopis yang menggunakan daerah NIR dari spektrum elektromagnetik. Adapun Gambar 3 yaitu menunjukkan set alat Spektrometer NIRFlex N-500 fiber
optic solids yang akan digunakan. Spektrum NIR pada makanan terdiri atas
luasan gelombang yang timbul dari tumpang tindih penyerapan yang sesuai dengan kombinasi getaran yang melibatkan C-H, O-H dan O-H yang merupakan
struktur kimia. Konsentrasi unsur seperti air, protein, lemak, dan karbohidrat secara prinsip dapat ditentukan dengan menggunakan penyerapan spektroskopi.
Tipe penyerapan NIR pada berbagai lokasi pada komposisi dapat dilihat pada Gambar 4 Osborne, 1993.
Gambar 3 Set alat Spektrometer NIRFlex N-500 fiber optic solids
7
Gambar 4 Tipe penyerapan NIR pada berbagai lokasi komposisi Osborne, 1993 Near infrared
yang mengenai bahan memiliki energi yang kecil dan hanya menembus sekitar satu millimeter permukaan bahan, tergantung dari komposisi
bahan tersebut. Jika cahaya mengalami penyebaran, spektrum tersebut tetap mengandung informasi contoh penyerapan permukaan bahan tetapi terjadi distorsi
pada puncak gelombang. Variasi pada ukuran dan suhu partikel sampel mempengaruhi penyebaran radiasi near infrared pada saat melewati sampel.
Partikel berukuran besar tidak dapat menyebarkan radiasi near infrared sebanyak partikel kecil. Makin banyak radiasi yang diserap maka akan dapat memberikan
nilai absorban yang tinggi dan memberikan efek yang besar pada panjang gelombang yang diserap menjadi lebih kuat. Ketika radiasi near infrared
mengenai sampel padat maka sebagian radiasi akan dipantulkan specular reflectance
dari permukaan sampel Gambar 5. Jika radiasi memasuki sampel yang memiliki ketebalan sekitar 2 mm maka akan dapat diserap. Radiasi yang
tidak terserap dapat ditransmisikan melalui sampel atau dipantulkan Dryden ,2003
Gambar 5 Diagram representasi dari specular a regular reflectance, b bodyreflectance
, dan c absorban Near Infrared dari Sampel Dryden2003. Creswell et al. 2005 mengungkapkan bahwa radiasi elektromagnetik dapat
diekspresikan dalam beberapa hal seperti frekuensi v,sec-1 , panjang gelombang λ, μm atau nm , dan jumlah atau bilangan gelombang ῡ . Frekuensi dinyatakan
dalam satuan perdetik yang menunjukkan jumlah gelombang secara lengkap yang terjadi dalam satu unit waktu. Panjang gelombang merupakan jarak antara titik
ekuivalen pada gelombang secara berturut-turut dan jumlah gelombang adalah
8 banyaknya gelombang dalam tiap satu cm cm-1. C merupakan kecepatan cahaya
yaitu 2,998 x 1010 cmsec. λ v = c …………………………………………………….……….1
ῡ = ……..........…………………………....……………………….2 Intensitas penyerapan dapat dinyatakan sebagai transmitan dengan
persamaan sebagai berikut : T= …………………………………………………………………3
Dimana nilai I adalah intensitas energi yang keluar dari sampel, dan Io adalah energi yang mengenai sampel. Hukum Beer-Lambert menyatakan tentang
penyerapan radiasi di dalam sampel. Hukum Beer-Lambert ini dapat dilihat dalam Persamaan 4 dan 5. Dimana nilai A merupakan absorban, k adalah konstanta
proporsi, c adalah konsentrasi penyerapan molekul, dan l adalah jarak antara sumber energi ke sampel.
.................................................4 ..............................................................................5
Menurut Osborne 1993, pada saat sinar radiasi mengenai partikelpartikel sampel maka radiasi dapat dipantulkan, diserap atau diteruskan. Nilai yang
terukur berupa nilai pancaran pantulan diffuse reflectance yang secara empirik berkaitan dengan konsentrasi penyerapan molekul c. Dalam NIR spectroscopy,
reflektan R dianalogikan dengan transmitan, sehingga: ........................................................................................6
Metode Kalibrasi
Menurut Pandey 2010, ada beberapa teknik multivariat yang berbeda untuk menganalisis data spektrum NIR seperti Principal Component Analysis
PCA, Principal Component Regression PCR, Partial Least Square PLS dan Multiple Linier Regression
MLR. PCA, PCR, PLS juga dikenal sebagai “model bilinier”. Menurut Andasuryani et al. 2013 analisis data NIR dimanfaatkan tanpa
mempelajari hubungannya dengan sifat bahan yang diukur. Kegiatan mempelajari hubungan tersebut pada umumnya dilakukan dengan beberapa metode yaitu
Stepwise Multiple Linier Regression, Principal Component Regerssion, dan
Partial Least Square . Menurut Burns and Ciurczak 2006, teknik pemodelan
matematika multivariat seperti PCR, PLS digunakan untuk kalibrasi matematika
pada spektrum NIR. Principal Component Regression PCR
Metode PCR merupakan algoritma regresi kuanitatif yang secara langsung digunakan untuk data liner. Metode ini berdasarkan pada model faktor dan
menggunakan informasi dari seluruh panjang gelombang untuk memprediksi komposisi sampel. PCR menggunakan pendekatana reduksi data untuk
mengurangi jumlah variabel yang banyak menjadi variabel baru yang jumlahnya lebih sedikit. Jumlah kandungan dalam sampel dapat di prediksi dari variable-
variabel baru. Metode PCR menggabungkan menggabungkan analisis komponen utama Principal components analysis, PCA dari sepktrum dengan Multiple
9 Linier Regression
MLR dalam merancang model kuantitatif untuk sampel yang kompleks Chen et al. 2009
Principal components analysis PCA secara umum dikenal sebagai teknik
interprestasi multivariat, dimana “the loading” dipilih untuk menjelaskan secara maksimal keragaman di dalam variabel. Komponen utama PC bertujuan untuk
menjelaskan sebanyak mungkin keragaman data dengan kombinasi linier yang ditemukan yang saling bebas satu sama lain dan di dalam arah keragaman paling
besar Miller dan Miller 2005 PC dihitungsecara bertahap sehingga PC
1
memiliki informasi terbesar dalam set data, sedangkan PC
2
meiliki informasi data terbesar dari informasi sisa setelah dikurangi dari PC
1
dn seterusnya. Proses ini akan terus berlangsung sampai semua PC telah dihitung dan membentuk suatu set
sumbu koordinat baru, dimana PC akan saling tegak lurus Jha 2010. Tahapan- tahapan pada metode PCA adalah pembentukan matriks korelasi, menentukan
nilai eigen, matrik factor, matirk rotasi factor, dan matrik loading. Informasi dekomposisi spectrum selanjutnya digunakan untuk menghitung persamaan
regresi sehingga menghasilkan model yang kuat dalam memprediksi konsentrasi komponen yang dinginkan Chen et al. 2009
Partial Least Square PLS
Partial least square PLS adalah sebuah metode reduksi dimensi data,
dimana sejenis dengan PCA yaitu untuk mencari faktor-faktor yang paling relevan dalam memprediksi dan menginterpretasi data. Regeresi PLS meningkatkan
kemampuan modelnya dari PCA dengan menggunakan variabel respon secara aktif dalam dekomposisi bilinier prediktor. PCA terfokus pada keragaman di
dalam prediktor sedangkan PLS fokus pada kovarians diantara respon dan prediktor-prediktor. Dengan jalan menyeimbangkan informasi antara prediktor
dan respon, PLS mereduksi dampak dari banyaknya prediktor yang tidak relevan dengan keragaman data. Estimasi kesalahan prediktor ditingkatkan dengan cara
validasi silang Hanis, 2008. Menurut Pandey 2010, PLS menggunakan variabel kombinasi linier dari variabel prediktor dibandingkan variabel asli
Gambar 6.
Gambar 6 Deskripsi dari prosedur PLS Pandey, 2010. Langkah awal dari metode PLS adalah pemusatan data matriks X dengan
vektor c, dimana dapat dilihat pada Persamaan 7 dan 8 : U = X − 1χ …………………………………………...…………7
υ = c – 1c ………….…………………………………………….8
10 Penggunaan metode PLS sebagai metode olah data spektra NIR telah
banyak digunakan pada saat ini. Slaughter dan Crisosto 1998 memprediksi kualitas internal kiwi menggunakan NIR spectroscopy. Panjang gelombang 700-
1100 nm untuk memprediksi total padatan terlarut, kandungan fruktosa, kandungan gula, dan berat kering dari buah kiwi dan menggunakan metode PLS
untuk kalibrasi dan validasi. Hasil kalibrasi untuk prediksi TPT dengan nilai r = 0.99 dan SEC 0.72°Brix, kandungan fruktosa r = 0.9. SEC = 1.96, kandungan
glukosa r = 0.97, SEC = 1.68, berat kering dry weight r = 0.97, SEC = 0.61. Liu et al 2010 menggunakan NIR dengan teknik PLS dalam
memprediksi total padatan terlarut pada buah jeruk utuh. Dimana panjang gelombang reflektan yang digunakan sekitar 350-1800 nm. Hasil kalibrasi
menggunakan PLS mendapatkan nilai r = 0.9, RMSEP = 0.71 °Brix. Valente et al 2009, menggunakan model regresi PLS untuk memprediksi kekerasan pada buah
mangga dimana hasil kalibrasi terbaik dari kekerasan buah mangga menggunakan NIR adalah mendapatkan nilai R² = 0.82, RMSEP = 3.28, bias = -0.16.
Berbagai macam metode kalibrasi spektrum NIR telah tersedia tetapi dapat dibagi dalam dua kategori yaitu metode kalibrasi untuk panjang gelombang
terpilih atau sering disebut dengan metode lokal dan metode yang melibatkan seluruh spektrum atau sering disebut metode global atau juga sering disebut
metode kalibrasi spektrum penuh, seperti principal component regression PCR dan partial least square PLS. Metode full spectrum banyak digunakan karena
data dalam spektrum direduksi untuk mencegah masalah overfitting tanpa mengurangi atau menghilangkan satu atau beberapa informasi yang sangat
berguna. Jumlah sampel yang digunakan untuk tahap kalibrasi dan validasi harus cukup banyak. Jumlah sampel untuk tahap kalibrasi harus lebih banyak daripada
untuk tahap validasi. Validasi bertujuan menguji ketepatan pendugaan komposisi kimia persamaan regresi kalibrasi yang telah dibangun Lengkey, 2013
Selain itu, dikenal pula beberapa perlakuan data sebelum spektrum dianalisis seperti smoothing, normalisasi, derivatif pertama dan kedua, standard
normal variate SNV dan de-trending DT Osborne et al., 1993. Setiap
perlakuan data memiliki fungsi yang berbeda terhadap data spektrum. Pada penelitian ini perlakuan data yang diberikan adalah smoothing, derivatif kedua
Savitzky-Golay, normalisasi, kombinasi antara smoothing dan derivatif kedua, dan kombinasi antara smoothing, derivatif kedua dan normalisasi. Kombinasi
antara smoothing dan derivatif kedua Savitzky-Golay dapat diterapkan dan akan mendapatkan bentuk dan model persamaan regresi kalibrasi yang optimum, layak,
dan dapat dipercaya Andasuryani et al. 2013.
Aplikasi Near Infrared untuk Penentuan Mutu Buah secara Non-Destruktif
Penemuan energi Near Infrared dianggap berasal dari Herschel pada abad kesembilan dan pada tahun 1950, aplikasi pertama kali dilakukan dibidang
industri. Pada tahun 1980-an penerapan NIRS lebih difokuskan pada analisis kimia. Pertengahan 1980 diperkenalkan cahaya serat optik dan awal 1990-an
adanya perkembangan detektor monokromator dimana NIRS menjadi lebih kuat sebagai alat penelitian ilmiah. Metode optik dapat digunakan dalam sejumlah
bidang ilmu termasuk fisika, fisiologi, obat-obatan, dan makanan. Aplikasi Near Infrared
NIR dibidang pertanian dilakukan sejak tahun 1964 dan terus
11 berkembang sampai saat ini. Pada awal 1970an di Jepang melakukan metode
NIRS untuk menentukan kandungan protein gandum Pandey. 2010. Liu et al. 2008 juga menggunakan NIR untuk penentuan kualitas buah pir dimana
kekerasan dan total padatan terlarut yang dijadikan parameter dalam pengukuran. Panjang gelombang yang digunakan sekitar 350-800 nm.
Schmiloitch et al. 2000 menggevaluasi sifat-sifat fisiologi buah mangga dengan menggunkan NIR spectrometry dengan reflektensi sekitar 1200-2400 nm.
Sifat fisiologis yang diukur termasuk pelunakan daging, total padatan terlarut, dan keasaman buah mangga, dan Saranwong et al 2004 juga menggunakan NIR
spectroscopy untuk memprediksi kualitas mangga siap makan berdasarkan tingkat
kematangan dari kualitas panen. Bahan kering dry matter dan pati dijadikan acuan dalam pengukuran. Valente et al. 2009 mencoba untuk memperkirakan
firmness buah mangga dengan menggabungkan metode NIR spektroskopi
absorban dengan teknik akustik. Spektrum absorbansi atau reflektansi NIR yang digunakan sekitar 400-1050 nm.
Wang et al. 2011 melaporkan bahwa NIR dapat mengevaluasi mutu buah jujubes berdasarkan parameter kandungan padatan terlarut dan infestasi serangga
dalam buah tersebut. Makino et al 2010, mengestimasi tingkat penyerapan oksigen buah tomat menggunakan spektra absorbansi NIR dengan model jaringan
saraf tiruan. Dalam estimasi penyerapan oksigen ini mengunaan panjang gelombang 645 – 979 nm. Huang et al 2011 mengevaluasi kemungkinan
menggunakan Vis-NIR spektroskopi untuk penentuan total padatan terlarut dan pH dalam buah murbei yang memiliki permukaan bergelombang. Spektrum Vis-
NIR yang digunakan antara 325 dan 1075 nm. Hasil pengamatannya menunjukkan bahwa kualitas internal padatan terlarut dan pH buah murbei dapat ditentukan
dengan cepat. Novita 2011 melakukan penentuan pola peningkatan kekerasa kulit buah
manggis selama penyimpanan dingin dengan metode NIR Spectroscopy. Panjang gelombang yang digunakan adalah 1000-2500 nm dengan interval 0,4 nm. Model
kalibrasi yang digunakan ada dua macam yaitu model kalibrasi PLS dan model kalibrasi JST dan memberikan hasil prediksi yang lebih baik pada model kalibrasi
PLS. Penentuan nilai total padatan terlarut dan kemanisan buah pear telah
dilakukan oleh Liu et al. 2008 dengan menggunakan Vis-NIR pada kisaran panjang gelombang 350-1800 nm dan menggunakan model kalibrasi MLR, PCR
dan PLSR. Jumlah sampel yang digunakan adalah 75 untuk membangun model kalibrasi dan 24 buah digunakan untuk validasi dalam membangun model
kalibrasi menggunakan sampel yang memiliki kandungan ekstrim agar diperoleh sebaran data yang lebar, didapatkan hasil dengan koefisien korelasi 0.912 dan
90.854 dengan Root Mean Square Error of Prediction RMSEP sebesar 0.662 dan1.232
o
Brix. Penerapan metode NIR untuk mengevaluasi kandungan gizi dan dipilih
asam amino esensial dalam biji-bijian jagung yang dilakukaan oleh Budiastra et al 1994. Hubungan karakteristik NIR dengan kandungan nutrisi jagung didirikan
oleh PCA dan digunakan sebagai masukan dalam memprediksi nutrisi dan kandungan asam amino dari biji-bijian menggunakan jaringan saraf.
12 Purwanto et al 2012 menggunakan metode non destruktif juga pada buah
mangga untuk memprediksi tingkat keasaman pH selama penyimpanan dingin. Model yang dibangun yaitu PLS mampu mempediksi tingkat keasaman pH
mangga dengan nilai r 0.9042 dan 0,12 untuk SEP. Penelitian berikutnya pada komoditas manggis juga mengembangkan model kalibrasi untuk perubahan
tingkat kekerasan buah mangga selama penyimpnan pada suhu rendah 8
o
C dan 13
o
C. Model yang dikembangkan merupakan korelasi antara tingkat kekerasan dengan kandungan kadar air Ahmad et al. 2014. Steuer et al. 2001 melakukan
analisa terhadap minyak jeruk dengan menggunakan NIR spectroscopy, minyak yang terdiri dari ikatan C-H memperlihatkan stretching dan deformasi pada
kisaran panjang gelombang 16341766 nm dan 2250-2350 nm. Pengembangan sistem sortasi menggunakan NIR Near infrared reflectance
sebagai metode nondestruktif dalam mengklasifikasikan mangga berdasarkan tingkat rasa yaitu rasa manis, asam manis, manis dengan umur panen yang
berbeda Purwadaria et.al. 1994. Rasio kandungan gula dan asam pada mangga Gedong Gincu untuk tingkat kematang yang berbeda dengan menggunakan sistem
difusi reflaktan NIR dapat dibangun dengan panjang gelombang 1400- 1975 nm dan hasil korelasi dengan pengukuran destruktif menunjukkan adanya korelasi
dengan pengukuran non destruktif dengan nilai R=0,92 dan R=0,98 Purwadaria et al
. 1995. PCA telah banyak digunakan untuk analisis dta spektrum NIR. Zulfahrizal
et al. 2013 telah berhasil membedakanspektrum biji kakao tumpukan dengan
individu dan mendeteksi tingkat fermentasi biji kakao dengan NIR dan analisis PCA. Pada buah mangga PCA telah digunakan untuk mengklasifikasikan tingkat
kematangan berdasarkan umur petik Kienzle et al. 2011 dan klasifikasi mangga berdasarkan varietas Jha et al. 2013.