Delignifikasi Jenis Kayu Tropis Yang Berbeda Kadar Lignin
DELIGNIFIKASI JENIS KAYU TROPIS YANG BERBEDA
KADAR LIGNIN
SASONGKO ANGGAR KUSUMO
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Delignifikasi Jenis
Kayu Tropis yang Berbeda Kadar Lignin adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Sasongko Anggar Kusumo
NIM E24110014
ABSTRAK
SASONGKO ANGGAR KUSUMO. Delignifikasi Jenis Kayu Tropis yang
Berbeda Kadar Lignin. Dibimbing oleh DEDED SARIP NAWAWI.
Kelarutan lignin kayu selama proses pulping alkali dipengaruhi oleh kadar
dan reaktifitas lignin. Tujuan penelitian ini ialah menganalisis kelarutan lignin
pada pemasakan alkali dalam hubungannya dengan kadar lignin kayu. Sampel
kayu yang diuji terdiri atas dua jenis kayu daun jarum dan delapan jenis kayu
daun lebar. Kadar lignin diukur dengan metode Klason dan reaktifitas lignin
diduga dengan kadar lignin terlarut asam. Pengujian kelarutan lignin dilakukan
dalam larutan natrium hidroksida dengan alkali aktif 20% pada suhu 150 oC
selama 90 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kayu daun lebar memiliki
kadar lignin klason lebih rendah dan kadar lignin terlarut asam yang lebih tinggi
dibandingkan dengan kayu daun jarum. Lignin kayu daun lebar lebih mudah
didelignifikasi dibandingkan dengan lignin kayu daun jarum, yang ditunjukkan
oleh lebih tingginya kelarutan lignin kayu daun lebar dibandingkan dengan lignin
kayu daun jarum pada kondisi pemasakan alkali yang sama. Pada jenis kayu daun
lebar terdapat korelasi negatif antara kelarutan lignin dengan kadar lignin klason,
sedangkan korelasi positif ditunjukkan antara kelarutan lignin dengan kadar lignin
terlarut asam.
Kata kunci : delignifikasi, lignin klason, lignin terlarut asam, pulping alkali
ABSTRACT
SASONGKO ANGGAR KUSUMO. The Delignification of Tropical Woods with
Different Lignin Content. Supervised by DEDED SARIP NAWAWI.
The delignification of wood during the alkaline pulping is affected by the
content and reactivity of lignin. This research aimed to analyze the dissolution of
lignin in the alkali cooking in relation to the lignin contents of woods. Ten wood
samples containing two softwoods and eight hardwoods species were used for the
experiment. Lignin content was determined using Klason method and reactivity of
lignin was predicted by acid-soluble lignin contents. Delignification experiment
was carried out in alkaline cooking (20% active alkali) at 150 oC for 90 min. The
results showed that hardwoods contain lower klason lignin and higher acidsoluble lignin contents than softwoods. Hardwood lignin was easier to delignify
than softwood lignin, which was indicated by higher solubility of hardwoods
lignin than softwood lignin in the same cooking condition. There was negative
correlation between lignin dissolution with klason lignin content, however
positively correlation between lignin dissolution with acid-soluble lignin exist
among hardwoods.
Keywords : acid-soluble lignin, alkaline pulping, delignification, klason lignin
DELIGNIFIKASI JENIS KAYU TROPIS YANG BERBEDA
KADAR LIGNIN
SASONGKO ANGGAR KUSUMO
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Kehutanan pada
Departemen Hasil Hutan
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul yang saya pilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Juni 2014 ini ialah Delignifikasi
Jenis Kayu Tropis yang Berbeda Kadar Lignin .
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Ir Deded Sarip Nawawi, M Sc
selaku pembimbing. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan dukungannya. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada teknisi laboratorium Kimia Hasil Hutan,
yang telah membantu dalam analisis komponen kimia lignin. Penulis
mengucapkan terima kasih pula kepada semua pihak yang telah membantu
kelancaran selama penelitian dan penyelesaian skripsi ini.
Semoga karya ilmiah ini memberikan informasi tambahan terkait
perkembangan bidang Teknologi Hasil Hutan.
Bogor, Agustus 2015
Sasongko Anggar Kusumo
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
METODE PENELITIAN
2
Waktu dan Tempat Penelitian
2
Bahan
2
Alat
2
Prosedur dan Analisis Data
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Kelarutan Kayu dan Kelarutan Lignin
4
Pengaruh Sifat Kimia Lignin terhadap Delignifikasi
6
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Klason
6
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Terlarut Asam
7
SIMPULAN DAN SARAN
8
Simpulan
8
Saran
8
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
9
11
DAFTAR TABEL
1 Hasil analisis komponen kimia sepuluh jenis kayu tropis
4
DAFTAR GAMBAR
1 Korelasi antara kelarutan lignin dengan kelarutan kayu
2 Korelasi antara lignin klason dengan kelarutan lignin
3 Korelasi antara lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin
5
7
8
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Delignifikasi merupakan proses pelarutan lignin dalam proses pulping.
Proses pulping alkali terdiri atas tiga tahap proses delignifikasi, yaitu delignifikasi
awal (initial delignification), delignifikasi curah (bulk delignification), dan
delignifikasi sisa (residual delignification). Lignin yang terlarut atau terdegradasi
pada tahap awal delignifikasi sangat sedikit dibandingkan dengan tahap
delignifikasi curah. Lignin yang terlarut pada tahap awal delignifikasi berkisar 1525% dari total kadar lignin, sedangkan pada tahap delignifikasi curah lignin yang
terlarut bisa mencapai 90% (Gullichsen & Paulapuro 2000). Kadar dan struktur
kimia lignin memegang peranan penting dalam proses delignifikasi. Oleh karena
itu pengetahuan tentang lignin sebagai salah satu komponen kimia penyusun kayu
diperlukan terkait dengan optimalisasi proses pulping dalam industri pulp dan
kertas.
Terdapat perbedaan karakteristik antara lignin kayu daun lebar (hardwood)
dengan lignin kayu daun jarum (softwood). Jenis kayu daun lebar memiliki
karakteristik kadar lignin yang rendah dengan nisbah siringil-guaiasil yang lebih
tinggi dibandingkan dengan lignin dari jenis kayu daun jarum yang memiliki
kadar lignin yang lebih tinggi dengan unit monomer penyusun utamanya ialah
guaiasil (Fergus & Goring 1970). Salah satu sifat kimia lignin pada jenis kayu
daun lebar yang berpengaruh terhadap delignifikasi (reaktifitas lignin) ialah
nisbah monomer siringil terhadap guaiasil. Jenis kayu yang memiliki nisbah
monomer siringil terhadap guaiasil tinggi menunjukkan kayu tersebut mudah
untuk didelignifikasi dalam kondisi pulping alkali (Gonzalez-Villa et al. 1999).
Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan adanya korelasi positif antara
nisbah siringil-guaiasil dengan kadar lignin terlarut asam pada penentuan lignin
klason (Yasuda et al. 2001, Nawawi & Sari 2011). Hal ini sejalan dengan hasil
penelitian terhadap model lignin bahwa substansi lignin terlarut asam merupakan
unit siringil yang berikatan glikosida dengan karbohidrat berbobot molekul rendah
(Matsushita et al. 2004). Berdasarkan hal tersebut, kadar lignin terlarut asam
dapat menjadi penduga reaktifitas lignin. Penelitian ini menganalisis keterkaitan
antara kadar lignin klason dan lignin terlarut asam dengan sifat kelarutannya.
Penelitian dilakukan terhadap sepuluh jenis kayu tropis yang berbeda kadar lignin
dari jenis kayu daun jarum dan kayu daun lebar.
Perumusan Masalah
Nisbah siringil terhadap guaiasil merupakan parameter yang digunakan
sebagai penduga reaktifitas lignin. Sementara itu, hasil penelitian sebelumnya
ditemukan adanya korelasi positif antara nisbah siringil-guaiasil lignin dengan
kadar lignin terlarut asam. Berdasarkan hal tersebut memunculkan dugaan bahwa
lignin terlarut asam dapat dijadikan parameter penduga reaktifitas lignin.
Hipotesis dalam penelitian ini ialah menganalisis perbedaan kadar lignin jenis
kayu tropis untuk mengetahui pengaruhnya terhadap kelarutan lignin
(delignifikasi) pada proses pulping alkali.
2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kelarutan lignin pada sepuluh jenis
kayu dan dihubungkan dengan kadar lignin klason dan lignin terlarut asam.
Pengujian delignifikasi dilakukan pada pemasakan alkali dengan bahan kimia
pemasak natrium hidroksida.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian diharapkan memberi informasi terkait jenis kayu tropis
yang sesuai untuk bahan baku industri pulp dan kertas berdasarkan karakteristik
prosesnya. Selain itu hasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan dasar
penilaian mutu bahan baku pulp.
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan selama tiga bulan dari bulan September hingga
November 2014. Penelitian dilakukan di Laboratorium Kimia Hasil Hutan
Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan Institut Pertanian Bogor.
Bahan
Sepuluh jenis kayu yang digunakan dalam penelitian ini yaitu; Gnetum
gnemon (Melinjo), Pinus merkusii (Pinus), Acacia mangium (Akasia Mangium),
Anthocephalus cadamba (Jabon), Avicennia sp. (Api-api), Eusideroxylon zwageri
(Ulin), Gmelina arborea (Gmelina), Melia azedarach (Mindi), Paraserianthes
moluccana (Sengon), dan Sondoricum koetjape (Kecapi). Bahan kimia yang
digunakan adalah natrium hidroksida (NaOH), etanol 95%, benzena (C6H6), asam
sulfat (H2SO4), dan air destilata.
Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain Willey mill dan
saringan bertingkat untuk penyiapan serbuk kayu, dan peralatan sokhlet untuk
penyiapan sampel bebas zat ekstraktif. Pengujian delignifikasi menggunakan alat
stainless steel vessel dan pemanas oil bath. Penentuan kadar lignin klason
menggunakan water bath dan autoclave. Peralatan pendukung lainnya antara lain,
oven, timbangan analitik, desikator, dan peralatan gelas laboratorium.
3
Prosedur dan Analisis Data
Persiapan Bahan Baku
Persiapan sampel uji mengacu pada TAPPI T 246 om-88 mengenai
penyiapan kayu untuk analisis kimia. Sampel kayu digiling menggunakan willey
mill dan disaring menggunakan alat saringan bertingkat untuk menghasilkan
serbuk dengan ukuran tertentu. Serbuk kayu berukuran 35-40 mesh digunakan
untuk pengujian delignifikasi dan serbuk berukuran 40-60 mesh digunakan untuk
analisis kadar lignin klason. Serbuk selanjutnya disimpan pada wadah yang
tertutup untuk menghindari perubahan kadar air. Kadar air serbuk diukur dengan
metode gravimetri dan dinyatakan dalam persen.
Penyiapan Sampel Bebas Zat Ekstraktif
Persiapan kayu bebas zat ekstraktif dilakukan merujuk pada standar TAPPI.
Serbuk kayu 10 g diekstraksi dengan campuran pelarut etanol-benzena (1:2 v/v)
selama 6-8 jam. Sampel diekstraksi dengan etanol selama 24 jam pada suhu ruang.
Sampel kemudian diekstraksi dengan air panas selama 3 jam dan dikeringkan
dalam oven pada suhu 103±2 oC.
Penentuan Kadar Lignin Klason
Pengujian kadar lignin klason dilakukan berdasarkan pada TAPPI T 222 om
88 dengan modifikasi (Dence 1992). Serbuk bebas zat ekstraktif (0.5 g)
dihidrolisis dengan 5 ml asam sulfat 72% dan diaduk setiap 15 menit (suhu 20±1
o
C). Sampel direaksikan selama 3 jam, kemudian diencerkan hingga konsentrasi
3%. Larutan direaksikan pada suhu 121 oC selama 30 menit dalam autoclave.
Lignin disaring dan dicuci dengan air destilata panas hingga bebas asam. Hasil
residu dioven pada suhu 103±2 oC selama 24. Kadar lignin dihitung dengan
rumus :
ig i ሺ ሻ
keterangan:
BKTA = berat kering lignin (g)
BKTB = berat kering serbuk awal (g)
Proses Delignifikasi
Delignifikasi pada proses pulping bertujuan untuk mendegradasi dan
melarutkan lignin pada sampel kayu. Delignifikasi dilakukan pada serbuk kayu
ukuran 35-40 mesh menggunakan proses pulping soda. Pemasakan alkali
menggunakan alkali aktif 20% dengan waktu pemasakan 90 menit (45 menit
impregnasi dan 45 menit pemasakan pada suhu 150 oC). Parameter yang diukur
meliputi kelarutan kayu dan kelarutan lignin. Kelarutan kayu dihitung berdasarkan
4
kehilangan bobot kayu akibat proses delignifikasi. Kelarutan lignin dihitung
berdasarkan perbedaan kadar lignin sampel sebelum dan setelah delignifikasi yang
dinyatakan dalam kelarutan g/g lignin.
Penentuan Kadar Lignin Terlarut Asam (Acid-Soluble Lignin)
Kadar lignin terlarut asam sepuluh jenis kayu tropis yang digunakan
merujuk pada Fitriana (2015). Kadar lignin terlarut asam diukur dengan metode
spektrofotometri.
Analisis Data
Data hasil penelitian yang diperoleh ditampilkan secara deskriptif berupa
kecenderungan data dalam bentuk grafik. Analisis korelasi sederhana
menggunakan microsoft excel 2010.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kelarutan Kayu dan Kelarutan Lignin
Perlakuan pulping alkali terhadap sepuluh jenis kayu tropis menghasilkan
tingkat kelarutan kayu dan kelarutan lignin yang beragam antar jenis kayu (Tabel
1). Kelarutan kayu daun lebar lebih tinggi dibandingkan dengan kayu daun jarum.
Kelarutan kayu daun jarum berkisar 26.46-29.22% (rataan 27.84%), sedangkan
kelarutan kayu daun lebar berkisar 24.73-39.88% (rataan 30.07%). Xiao et al.
(2001) menyebutkan bahwa kelarutan kayu selama proses pulping dipengaruhi
oleh karakteristik kimia dan reaktifitas dari lignin dan karakteristik komponen
kimia kayu lainnya seperti, selulosa, hemiselulosa, dan zat ekstraktif yang dapat
terdegradasi dalam larutan alkali panas.
Tabel 1 Hasil analisis komponen kimia sepuluh jenis kayu tropis
Kadar
lignin (%)
Gnetum gnemon
24.43±0.76
Pinus merkusii
32.75±2.65
Acacia mangium
24.85±1.20
Anthocephalus cadamba
28.81±0.68
Avicennia sp.
22.96±1.50
Eusideroxylon zwageri
35.00±0.46
Gmelina arborea
25.36±0.36
Melia azedarach
28.33±1.81
Paraserianthes moluccana 24.89±0.24
Sondoricum koetjape
24.92±1.87
Jenis kayu
Kelarutan
kayu (%)
26.51±0.72
29.11±0.16
27.18±2.27
27.76±1.49
35.25±2.56
24.68±1.24
26.28±2.06
32.26±2.43
27.52±1.11
40.02±2.54
Kelarutan
lignin (g/g)
32.07±2.97
22.77±2.10
33.75±3.84
29.61±0.70
43.82±2.64
26.35±1.73
31.89±2.48
37.01±4.77
34.21±1.39
52.52±2.18
Lignin
klason (%)
22.70±0.76
32.44±2.65
23.36±1.20
27.65±0.68
20.10±1.50
34.40±0.46
23.13±0.36
27.27±1.81
22.91±0.24
22.64±1.87
5
Kelarutan lignin antara jenis kayu daun lebar dan kayu daun jarum juga
menunjukkan kecenderungan yang sama. Kelarutan lignin kayu daun jarum
berkisar 22.77-32.07% (rataan 27.42%), sedangkan kelarutan lignin kayu daun
lebar berkisar 26.25-52.52% (rataan 36.13%). Perbedaan ini dipengaruhi oleh
reaktifitas monomer penyusun polimer lignin kayu daun lebar dan kayu daun
jarum. Lignin kayu daun lebar disusun oleh unit siringil dan guaiasil, sedangkan
kayu daun jarum disusun oleh guaiasil (Fergus & Goring 1970). Unit siringil
memiliki reaktifitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan unit guaiasil pada
kondisi pulping alkali (Tsutsumi et al. 1995). Pada lignin kayu daun lebar maupun
kayu daun jarum, ikatan yang paling dominan dan sangat berperan penting dalam
degradasi lignin ialah α-aryl ether dan β-aryl ether (Fengel & Wegener 1995).
Kondo et al. (1987) menyebutkan bahwa pemutusan β-aryl ether dari unit siringil
lebih cepat dibandingkan dengan unit guaiasil, sehingga unit siringil lebih mudah
didegradasi dibandingkan dengan unit guaiasil pada kondisi pulping alkali. Selain
itu, selama proses pulping, lignin siringil tidak mengalami kondensasi dan
membutuhkan bahan kimia yang lebih rendah dibandingkan dengan lignin
guaiasil (Kishimoto et al. 2010). Gambar 1 menunjukkan bahwa sebagian besar
komponen kimia kayu yang terlarut selama pemasakan alkali dalam penelitian ini
adalah komponen lignin.
45
Kelarutan kayu (%)
40
35
30
25
20
y = 48.643x + 12,924
R² = 0.7566
15
10
5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
Gambar 1 Korelasi antara kelarutan lignin dengan kelarutan kayu.
Banyak faktor yang mempengaruhi kelarutan kayu pada proses pulping soda
diantaranya, suhu, waktu pemasakan, dan alkali aktif yang digunakan (Wanrosli et
al. 2004). Kelarutan lignin dalam reaksi delignifikasi pulping alkali sudah mulai
terjadi pada suhu di atas 120 oC (Gullichsen & Paulapuro 2000). Peningkatan
suhu menyebabkan degradasi komponen kimia kayu semakin meningkat,
sehingga kandungan polisakarida dalam kayu semakin menurun. Degradasi
selulosa oleh suhu merupakan pemecahan makromolekul yang menghasilkan
produk yang larut dalam alkali. Perlakuan panas hingga suhu 120 oC tidak banyak
mengubah derajat polimerisasi selulosa, namun seiring peningkatan suhu akan
mengakibatkan penurunan derajat polimerisasi dan peningkatan degradasi selulosa
(Fengel & Wegener 1995). Selain itu, karbohidrat yang merupakan salah satu
komponen utama penyusun kayu sangat berpengaruh terhadap rendemen yang
6
dihasilkan dari proses pulping alkali. Karbohidrat dengan gugus ujung karbonil
bebas (free carbonyl end groups) merupakan senyawa yang tidak stabil dalam
kondisi alkali. Hal ini menyebabkan terjadinya reaksi ujung (peeling reaction)
yang menurunkan rendemen hasil pemasakan pulping alkali (Wang et al. 2013).
Pengaruh Sifat Kimia Lignin terhadap Delignifikasi
Hasil pengujian delignifikasi alkali sepuluh jenis kayu tropis menunjukkan
bahwa jenis kayu daun lebar memiliki kelarutan lignin lebih tinggi dibandingkan
dengan kayu daun jarum. Fergus dan Goring (1970) menyebutkan bahwa jenis
kayu daun lebar umumnya memiliki kadar lignin yang lebih rendah dan lebih
mudah didelignifikasi dibandingkan dengan kayu daun jarum. Sementara itu
Shimizu et al. (2012) menambahkan bahwa ikatan β-ether dalam lignin siringil
lebih mudah diputus dalam kondisi alkali dibandingkan dengan lignin guaiasil.
Perbedaan signifikan antara kayu daun lebar dan kayu daun jarum terjadi
pula untuk kadar lignin klason dan lignin terlarut asam (Tabel 2). Akiyama et al.
(2005) menyebutkan bahwa kadar lignin terlarut asam kayu daun jarum lebih
rendah dibandingkan dengan kayu daun lebar dan jenis kayu dengan proporsi
lignin terlarut asam yang tinggi cenderung memiliki kadar lignin klason rendah.
Oleh sebab itu, kadar lignin klason dan kadar lignin terlarut asam berkaitan pula
dengan karakteristik kimia dan reaktifitas lignin.
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Klason
Kadar lignin klason merupakan fraksi residu hasil rekondensasi dalam
larutan asam sulfat 72% dan 3% (Yasuda et al. 2001). Hasil penelitian
menunjukkan kayu daun lebar memiliki kadar lignin klason lebih rendah
dibandingkan dengan jenis kayu daun jarum. Kadar lignin klason kayu daun lebar
berkisar 20.35-34.41% (rataan 25.53%), sedangkan kayu daun jarum berkisar
antara 22.70-30.35% (rataan 26.53%). Hasil penelitian ini menguatkan hasil
penelitian sebelumnya bahwa terdapat perbedaan signifikan antara lignin klason
dan lignin terlarut asam pada jenis kayu daun jarum dan kayu daun lebar. Kayu
daun lebar memiliki karakteristik lignin klason lebih rendah dengan lignin terlarut
asam lebih tinggi dibandingkan dengan kayu daun jarum (Akiyama et al. 2005).
Terdapat indikasi bahwa jenis kayu berkadar lignin klason lebih tinggi
menghasilkan kelarutan lignin yang lebih rendah (Gambar 2).
Kelarutan lignin berkaitan dengan reaktifitas monomer penyusunya yaitu
nisbah siringil-guaiasil. Akiyama et al. (2005) menunjukkan bahwa jenis kayu
berkadar lignin klason lebih tinggi memiliki nisbah siringil-guaiasil lebih rendah
atau proporsi unit siringil lebih rendah dan unit guaiasil lebih tinggi. Selain itu,
lignin dengan nisbah siringil-guaiasil rendah memiliki ikatan β-ether yang rendah
dan ikatan karbon yang tinggi yang mengakibatkan polimer ligninnya menjadi
lebih condensed (Akiyama et al. 2005). Shimizu et al. (2012) menyatakan bahwa
ikatan eter pada lignin lebih mudah diputus dibandingkan dengan ikatan karbonkarbon. Hal tersebut diduga menjadi penyebab rendahnya kelarutan lignin pada
jenis kayu berkadar lignin klason tinggi.
7
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
0.5
0.4
0.3
0.2
y = -0.0125x + 0,665
R² = 0.4676
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Lignin klason (%)
Gambar 2 Korelasi antara lignin klason dengan kelarutan lignin
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Terlarut Asam
Hasil penelitian menunjukkan adanya korelasi positif antara kelarutan lignin
dengan kadar lignin terlarut asam dengan koefisien korelasi (r) sebesar 0.75
(Gambar 3). Hal ini dipengaruhi oleh struktur kimia lignin dan berkaitan dengan
tipe dan reaktifitas monomer penyusun lignin yang mempengaruhi delignifikasi.
Korelasi positif antara kadar lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin dalam
pulping alkali menjadi realistis jika dihubungkan dengan adanya korelasi positif
antara kadar lignin terlarut asam dengan nisbah siringil-guaiasil lignin. Matsushita
et al. (2004) menunjukkan bahwa unit siringil merupakan faktor penting dalam
pembentukan lignin terlarut asam. Sementara itu dengan menganalisis
karakteristik lignin jenis kayu yang sama dengan penelitian ini, Fitriana (2015)
menunjukkan adanya korelasi positif antara nisbah siringil-guaiasil dengan kadar
lignin terlarut asam dengan koefisien korelasi (r) sebesar 0.92.
Kadar lignin terlarut asam yang tinggi dihasilkan dari polimer lignin dengan
nisbah unit siringil tinggi. Tsutsumi et al. (1995) menunjukkan bahwa unit siringil
lebih reaktif dibandingkan dengan unit guaiasil dalam kondisi pulping alkali.
Kayu yang memiliki nisbah siringil-guaiasil yang lebih tinggi memiliki tingkat
kondensasi yang rendah dan membutuhkan bahan kimia yang lebih sedikit selama
proses pulping (Kishimoto et al. 2010). Tingginya reaktifitas lignin siringil
tersebut sangat berkaitan dengan tingginya tipe ikatan β-ether dan rendahnya
ikatan karbon-karbon (Akiyama et al. 2005). Studi pada lignin model, Shimizu et
al. (2012) menemukan bahwa reaktifitas lignin siringil dipengaruhi oleh
kelimpahan dan reaktifitas tipe ikatan β-ether. Lignin siringil yang mengandung
β-aryl ether memiliki reaktifitas lebih tinggi dibandingkan dengan lignin guaiasil
dalam reaksi delignifikasi pulping alkali. Lebih lanjut Shimizu et al. (2012)
menjelaskan bahwa reaktifitas ikatan β-aryl ether dipengaruhi oleh
stereostrukturnya, yaitu erythro dan threo. Struktur lignin β-aryl ether siringil
lebih didominasi berbentuk isomer erythro. Indikasi yang sama ditemukan pula
pada lignin jenis kayu daun lebar, yaitu adanya korelasi positif antara nisbah
siringil dengan nisbah erythro (Akiyama et al. 2005). Adanya unit siringil dalam
8
polimer lignin secara signifikan mempengaruhi tingkat delignifikasi dan
reaktifitasnya akan meningkat pada lignin siringil dengan substruktur ikatan β-O4 berbentuk isomer erythro (Shimizu et al. 2012).
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
0.5
0.4
0.3
0.2
y = 0.0809x + 0,217
R² = 0.5614
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Lignin terlarut asam (%)
Gambar 3 Korelasi antara lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin
Berdasarkan kelarutan ligninnya dalam pemasakan alkali bersuhu 150 oC,
delignifikasi tertinggi dihasilkan dari kayu Avicennia sp. dan S. koetjape dengan
kelarutan lignin masing-masing 0.44 g/g dan 0.53 g/g. Kelarutan lignin yang
tinggi tersebut diduga berkait dengan tingginya nisbah siringil dalam polimer
lignin kedua jenis kayu tersebut (nisbah siringil kayu Avicennia sp. sebesar 2.46
dan kayu S. koetjape sebesar 1.77). Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan
bahwa kayu yang memiliki lignin dengan unit siringil tinggi lebih mudah
didelignifikasi dalam proses pulping (Gonzalez-Villa et al. 1999). Hal tersebut
disebabkan lebih reaktifnya unit siringil dibandingkan unit guaiasil dalam
pemasakan alkali (Tsutsumi et al. 1995, Shimizu et al. 2012).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Pada kondisi pemasakan alkali yang sama, kelarutan lignin jenis kayu daun
lebar lebih tinggi dibandingkan dengan jenis kayu daun jarum. Kelarutan lignin
dalam kondisi alkali berkorelasi negatif dengan kadar lignin klason dan
berkorelasi positif dengan lignin terlarut asam. Berdasarkan tingkat
delignifikasinya pada suhu 150 oC, kelarutan lignin tinggi dihasilkan oleh kayu
Avicennia sp. dan S. koetjape dengan kelarutan lignin masing-masing 0.44 g/g dan
0.53 g/g.
Saran
Penelitian lanjutan terhadap jenis kayu lain (softwood dan hardwood) untuk
mendapatkan informasi tambahan terkait karakteristik kimia lignin sebagai
parameter penduga reaktifitas lignin untuk bahan baku industri pulp dan kertas.
9
DAFTAR PUSTAKA
Akiyama T, Goto H, Nawawi DS, Syafii W, Matsumoto Y, Meshitsuka G. 2005.
E yth o/th eo
tio of β-O-4 structures as an important structural
characteristic of lignin. Part 4: Variation in the erythro/threo ratio in
softwood and hardwood lignins and its relation to syringyl/guaiacyl ratio.
Holzforschung. 59: 276-281.
Fengel D, Wegener G. 1984. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin
(DE): University of Munich.
Fergus BJ, Goring DAI. 1970. The distribution of lignin in birch wood as
determined by ultraviolet microscopy. Holzforschung. 24: 118-124.
Fitriana AE. 2015. Karakteristik kimia lignin sepuluh jenis kayu [Skripsi]. Bogor
(ID): Institut Pertanian Bogor.
Gonzales-Villa FJ, Almenderos G, del Rio JC, Martin F, Guiterez A, Romero J.
1999. Ease of delignification assessment of wood from different eucalyptus
species by pyrolysis (TMAH)-GC/MS and Cp/Mas 13C-NMR spectrometry.
Journal of Anaytical and Applied Pyrolysis. 49: 295-305.
Gullichsen J, Paulapuro H. 2000. Chemical Pulping. USA: TAPPI Press.
Kishimoto T, Chiba W, Saito K, Fukushima K, Uraki Y, Ubukata M. 2010.
Influence of syringyl to guaiacyl ratio on the structure of natural and
synthetic lignins. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 58: 895–901.
Kondo R, Tsutsumi Y, Imamura H. 1987. Kinetics of β-aryl ether cleavage of
phenolic syringyl type model compounds. Holzforschung. 41: 83-87.
Matsushita Y, Kakehi A, Miyawaki S, Yasuda S. 2004. Formation and chemical
structures of acid-soluble lignin II: reaction of aromatic nuclei model
compounds with xylan in the presence of a counterpart for condensation,
and behavior of lignin model compounds with guaiacyl and syringyl nuclei
in 72% sulfuric acid. Journal of Wood Science. 50: 136-41.
Nawawi DS, Sari DL. 2011. Keragaman kadar lignin pada jenis kayu daun lebar
tropis. Jurnal Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan. 4 (2): 65-69.
Shimizu S, Yokoyama T, Akiyama T, Matsumoto Y. 2012. Reactivity of lignin
with different composition of aromatic syringyl/guaiacyl structures and
erythro/th eo si e ch i st uctu es i β-O-4 type during alkaline
delignification: as a basis for the different degradability of hardwood and
softwood lignin. Journal of Agricultural and Food Chemistry. (60): 64716476.
Tsutsumi Y, Kondo R, Sakai K, Imamura H. 1995. The difference of reactivity
between syringyl lignin and guaiacyl lignin in alkaline systems.
Holzforschung. 49: 423-428.
Wang W, Yang G, Chen J. 2013. Process of soda-AQ pulping of fast-growing
Poplar and defibration point. Advanced Materials Research. 610-613.
Wanrosli WD, Zainuddin Z, Lee LK. 2004. Influence of pulping variables on the
properties of Elaeis guineensis soda pulp as evaluated by response surface
methodology. Wood Science and Technology. 38: 191–205.
Xiao B, Sun XF, Run Cang Sun. 2001. Chemical, structural, and thermal
characterizations of alkali-soluble lignins and hemicelluloses, and cellulose
10
from maize stems, rye straw, and rice straw. Polymer Degradation and
Stability. 74: 307-319.
Yasuda S, Fukushima K, Kakehi A. 2001. Formation and chemical structures of
acid soluble lignin I: sulfuric acid treatment time and acid-soluble lignin
content of hardwood. Journal of Wood Science. 47: 69-72.
11
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Purworejo, Jawa Tengah pada tanggal 7 Mei 1993
sebagai anak pertama dari dua bersaudara dalam keluarga Bapak Marno dan Ibu
Purwati. Jenjang pendidikan formal yang telah dilalui penulis adalah SMPN 34
Purworejo, SMAN 7 Purworejo. Pada tahun 2011 penulis diterima sebagai
mahasiswa di Institut Pertanian Bogor melalui jalur SNMPTN Undangan. Prestasi
yang raih penulis selama masa perkuliahan di IPB, yaitu mahasiswa IPK tertinggi
Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan mulai tahun 2012 hingga 2015 dan
Program Kreatifitas Mahsiswa (PKM Karsa Cipta) didanai DIKTI pada tahun
2014.
Kegiatan kemahasiswaan yang pernah diikuti penulis antara lain; anggota
Koran Kampus IPB (2012), BEM Fakultas Kehutanan (2012/2013), Himpunan
Profesi Mahasiswa Hasil Hutan atau Himasiltan (2012-2014), Pengurus Cabang
Sylva Indonesia IPB (2014/2015), ketua acara The 6th FORTEX Himasiltan
(2014), wakil ketua organisasi mahasiswa daerah Purworejo (2012/2013), dan
ketua organisasi mahasiswa daerah Purworejo (2013/2014).
KADAR LIGNIN
SASONGKO ANGGAR KUSUMO
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Delignifikasi Jenis
Kayu Tropis yang Berbeda Kadar Lignin adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Sasongko Anggar Kusumo
NIM E24110014
ABSTRAK
SASONGKO ANGGAR KUSUMO. Delignifikasi Jenis Kayu Tropis yang
Berbeda Kadar Lignin. Dibimbing oleh DEDED SARIP NAWAWI.
Kelarutan lignin kayu selama proses pulping alkali dipengaruhi oleh kadar
dan reaktifitas lignin. Tujuan penelitian ini ialah menganalisis kelarutan lignin
pada pemasakan alkali dalam hubungannya dengan kadar lignin kayu. Sampel
kayu yang diuji terdiri atas dua jenis kayu daun jarum dan delapan jenis kayu
daun lebar. Kadar lignin diukur dengan metode Klason dan reaktifitas lignin
diduga dengan kadar lignin terlarut asam. Pengujian kelarutan lignin dilakukan
dalam larutan natrium hidroksida dengan alkali aktif 20% pada suhu 150 oC
selama 90 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kayu daun lebar memiliki
kadar lignin klason lebih rendah dan kadar lignin terlarut asam yang lebih tinggi
dibandingkan dengan kayu daun jarum. Lignin kayu daun lebar lebih mudah
didelignifikasi dibandingkan dengan lignin kayu daun jarum, yang ditunjukkan
oleh lebih tingginya kelarutan lignin kayu daun lebar dibandingkan dengan lignin
kayu daun jarum pada kondisi pemasakan alkali yang sama. Pada jenis kayu daun
lebar terdapat korelasi negatif antara kelarutan lignin dengan kadar lignin klason,
sedangkan korelasi positif ditunjukkan antara kelarutan lignin dengan kadar lignin
terlarut asam.
Kata kunci : delignifikasi, lignin klason, lignin terlarut asam, pulping alkali
ABSTRACT
SASONGKO ANGGAR KUSUMO. The Delignification of Tropical Woods with
Different Lignin Content. Supervised by DEDED SARIP NAWAWI.
The delignification of wood during the alkaline pulping is affected by the
content and reactivity of lignin. This research aimed to analyze the dissolution of
lignin in the alkali cooking in relation to the lignin contents of woods. Ten wood
samples containing two softwoods and eight hardwoods species were used for the
experiment. Lignin content was determined using Klason method and reactivity of
lignin was predicted by acid-soluble lignin contents. Delignification experiment
was carried out in alkaline cooking (20% active alkali) at 150 oC for 90 min. The
results showed that hardwoods contain lower klason lignin and higher acidsoluble lignin contents than softwoods. Hardwood lignin was easier to delignify
than softwood lignin, which was indicated by higher solubility of hardwoods
lignin than softwood lignin in the same cooking condition. There was negative
correlation between lignin dissolution with klason lignin content, however
positively correlation between lignin dissolution with acid-soluble lignin exist
among hardwoods.
Keywords : acid-soluble lignin, alkaline pulping, delignification, klason lignin
DELIGNIFIKASI JENIS KAYU TROPIS YANG BERBEDA
KADAR LIGNIN
SASONGKO ANGGAR KUSUMO
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Kehutanan pada
Departemen Hasil Hutan
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul yang saya pilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Juni 2014 ini ialah Delignifikasi
Jenis Kayu Tropis yang Berbeda Kadar Lignin .
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Ir Deded Sarip Nawawi, M Sc
selaku pembimbing. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan dukungannya. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada teknisi laboratorium Kimia Hasil Hutan,
yang telah membantu dalam analisis komponen kimia lignin. Penulis
mengucapkan terima kasih pula kepada semua pihak yang telah membantu
kelancaran selama penelitian dan penyelesaian skripsi ini.
Semoga karya ilmiah ini memberikan informasi tambahan terkait
perkembangan bidang Teknologi Hasil Hutan.
Bogor, Agustus 2015
Sasongko Anggar Kusumo
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
METODE PENELITIAN
2
Waktu dan Tempat Penelitian
2
Bahan
2
Alat
2
Prosedur dan Analisis Data
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Kelarutan Kayu dan Kelarutan Lignin
4
Pengaruh Sifat Kimia Lignin terhadap Delignifikasi
6
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Klason
6
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Terlarut Asam
7
SIMPULAN DAN SARAN
8
Simpulan
8
Saran
8
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
9
11
DAFTAR TABEL
1 Hasil analisis komponen kimia sepuluh jenis kayu tropis
4
DAFTAR GAMBAR
1 Korelasi antara kelarutan lignin dengan kelarutan kayu
2 Korelasi antara lignin klason dengan kelarutan lignin
3 Korelasi antara lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin
5
7
8
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Delignifikasi merupakan proses pelarutan lignin dalam proses pulping.
Proses pulping alkali terdiri atas tiga tahap proses delignifikasi, yaitu delignifikasi
awal (initial delignification), delignifikasi curah (bulk delignification), dan
delignifikasi sisa (residual delignification). Lignin yang terlarut atau terdegradasi
pada tahap awal delignifikasi sangat sedikit dibandingkan dengan tahap
delignifikasi curah. Lignin yang terlarut pada tahap awal delignifikasi berkisar 1525% dari total kadar lignin, sedangkan pada tahap delignifikasi curah lignin yang
terlarut bisa mencapai 90% (Gullichsen & Paulapuro 2000). Kadar dan struktur
kimia lignin memegang peranan penting dalam proses delignifikasi. Oleh karena
itu pengetahuan tentang lignin sebagai salah satu komponen kimia penyusun kayu
diperlukan terkait dengan optimalisasi proses pulping dalam industri pulp dan
kertas.
Terdapat perbedaan karakteristik antara lignin kayu daun lebar (hardwood)
dengan lignin kayu daun jarum (softwood). Jenis kayu daun lebar memiliki
karakteristik kadar lignin yang rendah dengan nisbah siringil-guaiasil yang lebih
tinggi dibandingkan dengan lignin dari jenis kayu daun jarum yang memiliki
kadar lignin yang lebih tinggi dengan unit monomer penyusun utamanya ialah
guaiasil (Fergus & Goring 1970). Salah satu sifat kimia lignin pada jenis kayu
daun lebar yang berpengaruh terhadap delignifikasi (reaktifitas lignin) ialah
nisbah monomer siringil terhadap guaiasil. Jenis kayu yang memiliki nisbah
monomer siringil terhadap guaiasil tinggi menunjukkan kayu tersebut mudah
untuk didelignifikasi dalam kondisi pulping alkali (Gonzalez-Villa et al. 1999).
Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan adanya korelasi positif antara
nisbah siringil-guaiasil dengan kadar lignin terlarut asam pada penentuan lignin
klason (Yasuda et al. 2001, Nawawi & Sari 2011). Hal ini sejalan dengan hasil
penelitian terhadap model lignin bahwa substansi lignin terlarut asam merupakan
unit siringil yang berikatan glikosida dengan karbohidrat berbobot molekul rendah
(Matsushita et al. 2004). Berdasarkan hal tersebut, kadar lignin terlarut asam
dapat menjadi penduga reaktifitas lignin. Penelitian ini menganalisis keterkaitan
antara kadar lignin klason dan lignin terlarut asam dengan sifat kelarutannya.
Penelitian dilakukan terhadap sepuluh jenis kayu tropis yang berbeda kadar lignin
dari jenis kayu daun jarum dan kayu daun lebar.
Perumusan Masalah
Nisbah siringil terhadap guaiasil merupakan parameter yang digunakan
sebagai penduga reaktifitas lignin. Sementara itu, hasil penelitian sebelumnya
ditemukan adanya korelasi positif antara nisbah siringil-guaiasil lignin dengan
kadar lignin terlarut asam. Berdasarkan hal tersebut memunculkan dugaan bahwa
lignin terlarut asam dapat dijadikan parameter penduga reaktifitas lignin.
Hipotesis dalam penelitian ini ialah menganalisis perbedaan kadar lignin jenis
kayu tropis untuk mengetahui pengaruhnya terhadap kelarutan lignin
(delignifikasi) pada proses pulping alkali.
2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kelarutan lignin pada sepuluh jenis
kayu dan dihubungkan dengan kadar lignin klason dan lignin terlarut asam.
Pengujian delignifikasi dilakukan pada pemasakan alkali dengan bahan kimia
pemasak natrium hidroksida.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian diharapkan memberi informasi terkait jenis kayu tropis
yang sesuai untuk bahan baku industri pulp dan kertas berdasarkan karakteristik
prosesnya. Selain itu hasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan dasar
penilaian mutu bahan baku pulp.
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan selama tiga bulan dari bulan September hingga
November 2014. Penelitian dilakukan di Laboratorium Kimia Hasil Hutan
Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan Institut Pertanian Bogor.
Bahan
Sepuluh jenis kayu yang digunakan dalam penelitian ini yaitu; Gnetum
gnemon (Melinjo), Pinus merkusii (Pinus), Acacia mangium (Akasia Mangium),
Anthocephalus cadamba (Jabon), Avicennia sp. (Api-api), Eusideroxylon zwageri
(Ulin), Gmelina arborea (Gmelina), Melia azedarach (Mindi), Paraserianthes
moluccana (Sengon), dan Sondoricum koetjape (Kecapi). Bahan kimia yang
digunakan adalah natrium hidroksida (NaOH), etanol 95%, benzena (C6H6), asam
sulfat (H2SO4), dan air destilata.
Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain Willey mill dan
saringan bertingkat untuk penyiapan serbuk kayu, dan peralatan sokhlet untuk
penyiapan sampel bebas zat ekstraktif. Pengujian delignifikasi menggunakan alat
stainless steel vessel dan pemanas oil bath. Penentuan kadar lignin klason
menggunakan water bath dan autoclave. Peralatan pendukung lainnya antara lain,
oven, timbangan analitik, desikator, dan peralatan gelas laboratorium.
3
Prosedur dan Analisis Data
Persiapan Bahan Baku
Persiapan sampel uji mengacu pada TAPPI T 246 om-88 mengenai
penyiapan kayu untuk analisis kimia. Sampel kayu digiling menggunakan willey
mill dan disaring menggunakan alat saringan bertingkat untuk menghasilkan
serbuk dengan ukuran tertentu. Serbuk kayu berukuran 35-40 mesh digunakan
untuk pengujian delignifikasi dan serbuk berukuran 40-60 mesh digunakan untuk
analisis kadar lignin klason. Serbuk selanjutnya disimpan pada wadah yang
tertutup untuk menghindari perubahan kadar air. Kadar air serbuk diukur dengan
metode gravimetri dan dinyatakan dalam persen.
Penyiapan Sampel Bebas Zat Ekstraktif
Persiapan kayu bebas zat ekstraktif dilakukan merujuk pada standar TAPPI.
Serbuk kayu 10 g diekstraksi dengan campuran pelarut etanol-benzena (1:2 v/v)
selama 6-8 jam. Sampel diekstraksi dengan etanol selama 24 jam pada suhu ruang.
Sampel kemudian diekstraksi dengan air panas selama 3 jam dan dikeringkan
dalam oven pada suhu 103±2 oC.
Penentuan Kadar Lignin Klason
Pengujian kadar lignin klason dilakukan berdasarkan pada TAPPI T 222 om
88 dengan modifikasi (Dence 1992). Serbuk bebas zat ekstraktif (0.5 g)
dihidrolisis dengan 5 ml asam sulfat 72% dan diaduk setiap 15 menit (suhu 20±1
o
C). Sampel direaksikan selama 3 jam, kemudian diencerkan hingga konsentrasi
3%. Larutan direaksikan pada suhu 121 oC selama 30 menit dalam autoclave.
Lignin disaring dan dicuci dengan air destilata panas hingga bebas asam. Hasil
residu dioven pada suhu 103±2 oC selama 24. Kadar lignin dihitung dengan
rumus :
ig i ሺ ሻ
keterangan:
BKTA = berat kering lignin (g)
BKTB = berat kering serbuk awal (g)
Proses Delignifikasi
Delignifikasi pada proses pulping bertujuan untuk mendegradasi dan
melarutkan lignin pada sampel kayu. Delignifikasi dilakukan pada serbuk kayu
ukuran 35-40 mesh menggunakan proses pulping soda. Pemasakan alkali
menggunakan alkali aktif 20% dengan waktu pemasakan 90 menit (45 menit
impregnasi dan 45 menit pemasakan pada suhu 150 oC). Parameter yang diukur
meliputi kelarutan kayu dan kelarutan lignin. Kelarutan kayu dihitung berdasarkan
4
kehilangan bobot kayu akibat proses delignifikasi. Kelarutan lignin dihitung
berdasarkan perbedaan kadar lignin sampel sebelum dan setelah delignifikasi yang
dinyatakan dalam kelarutan g/g lignin.
Penentuan Kadar Lignin Terlarut Asam (Acid-Soluble Lignin)
Kadar lignin terlarut asam sepuluh jenis kayu tropis yang digunakan
merujuk pada Fitriana (2015). Kadar lignin terlarut asam diukur dengan metode
spektrofotometri.
Analisis Data
Data hasil penelitian yang diperoleh ditampilkan secara deskriptif berupa
kecenderungan data dalam bentuk grafik. Analisis korelasi sederhana
menggunakan microsoft excel 2010.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kelarutan Kayu dan Kelarutan Lignin
Perlakuan pulping alkali terhadap sepuluh jenis kayu tropis menghasilkan
tingkat kelarutan kayu dan kelarutan lignin yang beragam antar jenis kayu (Tabel
1). Kelarutan kayu daun lebar lebih tinggi dibandingkan dengan kayu daun jarum.
Kelarutan kayu daun jarum berkisar 26.46-29.22% (rataan 27.84%), sedangkan
kelarutan kayu daun lebar berkisar 24.73-39.88% (rataan 30.07%). Xiao et al.
(2001) menyebutkan bahwa kelarutan kayu selama proses pulping dipengaruhi
oleh karakteristik kimia dan reaktifitas dari lignin dan karakteristik komponen
kimia kayu lainnya seperti, selulosa, hemiselulosa, dan zat ekstraktif yang dapat
terdegradasi dalam larutan alkali panas.
Tabel 1 Hasil analisis komponen kimia sepuluh jenis kayu tropis
Kadar
lignin (%)
Gnetum gnemon
24.43±0.76
Pinus merkusii
32.75±2.65
Acacia mangium
24.85±1.20
Anthocephalus cadamba
28.81±0.68
Avicennia sp.
22.96±1.50
Eusideroxylon zwageri
35.00±0.46
Gmelina arborea
25.36±0.36
Melia azedarach
28.33±1.81
Paraserianthes moluccana 24.89±0.24
Sondoricum koetjape
24.92±1.87
Jenis kayu
Kelarutan
kayu (%)
26.51±0.72
29.11±0.16
27.18±2.27
27.76±1.49
35.25±2.56
24.68±1.24
26.28±2.06
32.26±2.43
27.52±1.11
40.02±2.54
Kelarutan
lignin (g/g)
32.07±2.97
22.77±2.10
33.75±3.84
29.61±0.70
43.82±2.64
26.35±1.73
31.89±2.48
37.01±4.77
34.21±1.39
52.52±2.18
Lignin
klason (%)
22.70±0.76
32.44±2.65
23.36±1.20
27.65±0.68
20.10±1.50
34.40±0.46
23.13±0.36
27.27±1.81
22.91±0.24
22.64±1.87
5
Kelarutan lignin antara jenis kayu daun lebar dan kayu daun jarum juga
menunjukkan kecenderungan yang sama. Kelarutan lignin kayu daun jarum
berkisar 22.77-32.07% (rataan 27.42%), sedangkan kelarutan lignin kayu daun
lebar berkisar 26.25-52.52% (rataan 36.13%). Perbedaan ini dipengaruhi oleh
reaktifitas monomer penyusun polimer lignin kayu daun lebar dan kayu daun
jarum. Lignin kayu daun lebar disusun oleh unit siringil dan guaiasil, sedangkan
kayu daun jarum disusun oleh guaiasil (Fergus & Goring 1970). Unit siringil
memiliki reaktifitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan unit guaiasil pada
kondisi pulping alkali (Tsutsumi et al. 1995). Pada lignin kayu daun lebar maupun
kayu daun jarum, ikatan yang paling dominan dan sangat berperan penting dalam
degradasi lignin ialah α-aryl ether dan β-aryl ether (Fengel & Wegener 1995).
Kondo et al. (1987) menyebutkan bahwa pemutusan β-aryl ether dari unit siringil
lebih cepat dibandingkan dengan unit guaiasil, sehingga unit siringil lebih mudah
didegradasi dibandingkan dengan unit guaiasil pada kondisi pulping alkali. Selain
itu, selama proses pulping, lignin siringil tidak mengalami kondensasi dan
membutuhkan bahan kimia yang lebih rendah dibandingkan dengan lignin
guaiasil (Kishimoto et al. 2010). Gambar 1 menunjukkan bahwa sebagian besar
komponen kimia kayu yang terlarut selama pemasakan alkali dalam penelitian ini
adalah komponen lignin.
45
Kelarutan kayu (%)
40
35
30
25
20
y = 48.643x + 12,924
R² = 0.7566
15
10
5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
Gambar 1 Korelasi antara kelarutan lignin dengan kelarutan kayu.
Banyak faktor yang mempengaruhi kelarutan kayu pada proses pulping soda
diantaranya, suhu, waktu pemasakan, dan alkali aktif yang digunakan (Wanrosli et
al. 2004). Kelarutan lignin dalam reaksi delignifikasi pulping alkali sudah mulai
terjadi pada suhu di atas 120 oC (Gullichsen & Paulapuro 2000). Peningkatan
suhu menyebabkan degradasi komponen kimia kayu semakin meningkat,
sehingga kandungan polisakarida dalam kayu semakin menurun. Degradasi
selulosa oleh suhu merupakan pemecahan makromolekul yang menghasilkan
produk yang larut dalam alkali. Perlakuan panas hingga suhu 120 oC tidak banyak
mengubah derajat polimerisasi selulosa, namun seiring peningkatan suhu akan
mengakibatkan penurunan derajat polimerisasi dan peningkatan degradasi selulosa
(Fengel & Wegener 1995). Selain itu, karbohidrat yang merupakan salah satu
komponen utama penyusun kayu sangat berpengaruh terhadap rendemen yang
6
dihasilkan dari proses pulping alkali. Karbohidrat dengan gugus ujung karbonil
bebas (free carbonyl end groups) merupakan senyawa yang tidak stabil dalam
kondisi alkali. Hal ini menyebabkan terjadinya reaksi ujung (peeling reaction)
yang menurunkan rendemen hasil pemasakan pulping alkali (Wang et al. 2013).
Pengaruh Sifat Kimia Lignin terhadap Delignifikasi
Hasil pengujian delignifikasi alkali sepuluh jenis kayu tropis menunjukkan
bahwa jenis kayu daun lebar memiliki kelarutan lignin lebih tinggi dibandingkan
dengan kayu daun jarum. Fergus dan Goring (1970) menyebutkan bahwa jenis
kayu daun lebar umumnya memiliki kadar lignin yang lebih rendah dan lebih
mudah didelignifikasi dibandingkan dengan kayu daun jarum. Sementara itu
Shimizu et al. (2012) menambahkan bahwa ikatan β-ether dalam lignin siringil
lebih mudah diputus dalam kondisi alkali dibandingkan dengan lignin guaiasil.
Perbedaan signifikan antara kayu daun lebar dan kayu daun jarum terjadi
pula untuk kadar lignin klason dan lignin terlarut asam (Tabel 2). Akiyama et al.
(2005) menyebutkan bahwa kadar lignin terlarut asam kayu daun jarum lebih
rendah dibandingkan dengan kayu daun lebar dan jenis kayu dengan proporsi
lignin terlarut asam yang tinggi cenderung memiliki kadar lignin klason rendah.
Oleh sebab itu, kadar lignin klason dan kadar lignin terlarut asam berkaitan pula
dengan karakteristik kimia dan reaktifitas lignin.
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Klason
Kadar lignin klason merupakan fraksi residu hasil rekondensasi dalam
larutan asam sulfat 72% dan 3% (Yasuda et al. 2001). Hasil penelitian
menunjukkan kayu daun lebar memiliki kadar lignin klason lebih rendah
dibandingkan dengan jenis kayu daun jarum. Kadar lignin klason kayu daun lebar
berkisar 20.35-34.41% (rataan 25.53%), sedangkan kayu daun jarum berkisar
antara 22.70-30.35% (rataan 26.53%). Hasil penelitian ini menguatkan hasil
penelitian sebelumnya bahwa terdapat perbedaan signifikan antara lignin klason
dan lignin terlarut asam pada jenis kayu daun jarum dan kayu daun lebar. Kayu
daun lebar memiliki karakteristik lignin klason lebih rendah dengan lignin terlarut
asam lebih tinggi dibandingkan dengan kayu daun jarum (Akiyama et al. 2005).
Terdapat indikasi bahwa jenis kayu berkadar lignin klason lebih tinggi
menghasilkan kelarutan lignin yang lebih rendah (Gambar 2).
Kelarutan lignin berkaitan dengan reaktifitas monomer penyusunya yaitu
nisbah siringil-guaiasil. Akiyama et al. (2005) menunjukkan bahwa jenis kayu
berkadar lignin klason lebih tinggi memiliki nisbah siringil-guaiasil lebih rendah
atau proporsi unit siringil lebih rendah dan unit guaiasil lebih tinggi. Selain itu,
lignin dengan nisbah siringil-guaiasil rendah memiliki ikatan β-ether yang rendah
dan ikatan karbon yang tinggi yang mengakibatkan polimer ligninnya menjadi
lebih condensed (Akiyama et al. 2005). Shimizu et al. (2012) menyatakan bahwa
ikatan eter pada lignin lebih mudah diputus dibandingkan dengan ikatan karbonkarbon. Hal tersebut diduga menjadi penyebab rendahnya kelarutan lignin pada
jenis kayu berkadar lignin klason tinggi.
7
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
0.5
0.4
0.3
0.2
y = -0.0125x + 0,665
R² = 0.4676
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Lignin klason (%)
Gambar 2 Korelasi antara lignin klason dengan kelarutan lignin
Korelasi antara Kelarutan Lignin dengan Kadar Lignin Terlarut Asam
Hasil penelitian menunjukkan adanya korelasi positif antara kelarutan lignin
dengan kadar lignin terlarut asam dengan koefisien korelasi (r) sebesar 0.75
(Gambar 3). Hal ini dipengaruhi oleh struktur kimia lignin dan berkaitan dengan
tipe dan reaktifitas monomer penyusun lignin yang mempengaruhi delignifikasi.
Korelasi positif antara kadar lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin dalam
pulping alkali menjadi realistis jika dihubungkan dengan adanya korelasi positif
antara kadar lignin terlarut asam dengan nisbah siringil-guaiasil lignin. Matsushita
et al. (2004) menunjukkan bahwa unit siringil merupakan faktor penting dalam
pembentukan lignin terlarut asam. Sementara itu dengan menganalisis
karakteristik lignin jenis kayu yang sama dengan penelitian ini, Fitriana (2015)
menunjukkan adanya korelasi positif antara nisbah siringil-guaiasil dengan kadar
lignin terlarut asam dengan koefisien korelasi (r) sebesar 0.92.
Kadar lignin terlarut asam yang tinggi dihasilkan dari polimer lignin dengan
nisbah unit siringil tinggi. Tsutsumi et al. (1995) menunjukkan bahwa unit siringil
lebih reaktif dibandingkan dengan unit guaiasil dalam kondisi pulping alkali.
Kayu yang memiliki nisbah siringil-guaiasil yang lebih tinggi memiliki tingkat
kondensasi yang rendah dan membutuhkan bahan kimia yang lebih sedikit selama
proses pulping (Kishimoto et al. 2010). Tingginya reaktifitas lignin siringil
tersebut sangat berkaitan dengan tingginya tipe ikatan β-ether dan rendahnya
ikatan karbon-karbon (Akiyama et al. 2005). Studi pada lignin model, Shimizu et
al. (2012) menemukan bahwa reaktifitas lignin siringil dipengaruhi oleh
kelimpahan dan reaktifitas tipe ikatan β-ether. Lignin siringil yang mengandung
β-aryl ether memiliki reaktifitas lebih tinggi dibandingkan dengan lignin guaiasil
dalam reaksi delignifikasi pulping alkali. Lebih lanjut Shimizu et al. (2012)
menjelaskan bahwa reaktifitas ikatan β-aryl ether dipengaruhi oleh
stereostrukturnya, yaitu erythro dan threo. Struktur lignin β-aryl ether siringil
lebih didominasi berbentuk isomer erythro. Indikasi yang sama ditemukan pula
pada lignin jenis kayu daun lebar, yaitu adanya korelasi positif antara nisbah
siringil dengan nisbah erythro (Akiyama et al. 2005). Adanya unit siringil dalam
8
polimer lignin secara signifikan mempengaruhi tingkat delignifikasi dan
reaktifitasnya akan meningkat pada lignin siringil dengan substruktur ikatan β-O4 berbentuk isomer erythro (Shimizu et al. 2012).
0.6
Kelarutan lignin (g/g)
0.5
0.4
0.3
0.2
y = 0.0809x + 0,217
R² = 0.5614
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Lignin terlarut asam (%)
Gambar 3 Korelasi antara lignin terlarut asam dengan kelarutan lignin
Berdasarkan kelarutan ligninnya dalam pemasakan alkali bersuhu 150 oC,
delignifikasi tertinggi dihasilkan dari kayu Avicennia sp. dan S. koetjape dengan
kelarutan lignin masing-masing 0.44 g/g dan 0.53 g/g. Kelarutan lignin yang
tinggi tersebut diduga berkait dengan tingginya nisbah siringil dalam polimer
lignin kedua jenis kayu tersebut (nisbah siringil kayu Avicennia sp. sebesar 2.46
dan kayu S. koetjape sebesar 1.77). Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan
bahwa kayu yang memiliki lignin dengan unit siringil tinggi lebih mudah
didelignifikasi dalam proses pulping (Gonzalez-Villa et al. 1999). Hal tersebut
disebabkan lebih reaktifnya unit siringil dibandingkan unit guaiasil dalam
pemasakan alkali (Tsutsumi et al. 1995, Shimizu et al. 2012).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Pada kondisi pemasakan alkali yang sama, kelarutan lignin jenis kayu daun
lebar lebih tinggi dibandingkan dengan jenis kayu daun jarum. Kelarutan lignin
dalam kondisi alkali berkorelasi negatif dengan kadar lignin klason dan
berkorelasi positif dengan lignin terlarut asam. Berdasarkan tingkat
delignifikasinya pada suhu 150 oC, kelarutan lignin tinggi dihasilkan oleh kayu
Avicennia sp. dan S. koetjape dengan kelarutan lignin masing-masing 0.44 g/g dan
0.53 g/g.
Saran
Penelitian lanjutan terhadap jenis kayu lain (softwood dan hardwood) untuk
mendapatkan informasi tambahan terkait karakteristik kimia lignin sebagai
parameter penduga reaktifitas lignin untuk bahan baku industri pulp dan kertas.
9
DAFTAR PUSTAKA
Akiyama T, Goto H, Nawawi DS, Syafii W, Matsumoto Y, Meshitsuka G. 2005.
E yth o/th eo
tio of β-O-4 structures as an important structural
characteristic of lignin. Part 4: Variation in the erythro/threo ratio in
softwood and hardwood lignins and its relation to syringyl/guaiacyl ratio.
Holzforschung. 59: 276-281.
Fengel D, Wegener G. 1984. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin
(DE): University of Munich.
Fergus BJ, Goring DAI. 1970. The distribution of lignin in birch wood as
determined by ultraviolet microscopy. Holzforschung. 24: 118-124.
Fitriana AE. 2015. Karakteristik kimia lignin sepuluh jenis kayu [Skripsi]. Bogor
(ID): Institut Pertanian Bogor.
Gonzales-Villa FJ, Almenderos G, del Rio JC, Martin F, Guiterez A, Romero J.
1999. Ease of delignification assessment of wood from different eucalyptus
species by pyrolysis (TMAH)-GC/MS and Cp/Mas 13C-NMR spectrometry.
Journal of Anaytical and Applied Pyrolysis. 49: 295-305.
Gullichsen J, Paulapuro H. 2000. Chemical Pulping. USA: TAPPI Press.
Kishimoto T, Chiba W, Saito K, Fukushima K, Uraki Y, Ubukata M. 2010.
Influence of syringyl to guaiacyl ratio on the structure of natural and
synthetic lignins. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 58: 895–901.
Kondo R, Tsutsumi Y, Imamura H. 1987. Kinetics of β-aryl ether cleavage of
phenolic syringyl type model compounds. Holzforschung. 41: 83-87.
Matsushita Y, Kakehi A, Miyawaki S, Yasuda S. 2004. Formation and chemical
structures of acid-soluble lignin II: reaction of aromatic nuclei model
compounds with xylan in the presence of a counterpart for condensation,
and behavior of lignin model compounds with guaiacyl and syringyl nuclei
in 72% sulfuric acid. Journal of Wood Science. 50: 136-41.
Nawawi DS, Sari DL. 2011. Keragaman kadar lignin pada jenis kayu daun lebar
tropis. Jurnal Ilmu dan Teknologi Hasil Hutan. 4 (2): 65-69.
Shimizu S, Yokoyama T, Akiyama T, Matsumoto Y. 2012. Reactivity of lignin
with different composition of aromatic syringyl/guaiacyl structures and
erythro/th eo si e ch i st uctu es i β-O-4 type during alkaline
delignification: as a basis for the different degradability of hardwood and
softwood lignin. Journal of Agricultural and Food Chemistry. (60): 64716476.
Tsutsumi Y, Kondo R, Sakai K, Imamura H. 1995. The difference of reactivity
between syringyl lignin and guaiacyl lignin in alkaline systems.
Holzforschung. 49: 423-428.
Wang W, Yang G, Chen J. 2013. Process of soda-AQ pulping of fast-growing
Poplar and defibration point. Advanced Materials Research. 610-613.
Wanrosli WD, Zainuddin Z, Lee LK. 2004. Influence of pulping variables on the
properties of Elaeis guineensis soda pulp as evaluated by response surface
methodology. Wood Science and Technology. 38: 191–205.
Xiao B, Sun XF, Run Cang Sun. 2001. Chemical, structural, and thermal
characterizations of alkali-soluble lignins and hemicelluloses, and cellulose
10
from maize stems, rye straw, and rice straw. Polymer Degradation and
Stability. 74: 307-319.
Yasuda S, Fukushima K, Kakehi A. 2001. Formation and chemical structures of
acid soluble lignin I: sulfuric acid treatment time and acid-soluble lignin
content of hardwood. Journal of Wood Science. 47: 69-72.
11
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Purworejo, Jawa Tengah pada tanggal 7 Mei 1993
sebagai anak pertama dari dua bersaudara dalam keluarga Bapak Marno dan Ibu
Purwati. Jenjang pendidikan formal yang telah dilalui penulis adalah SMPN 34
Purworejo, SMAN 7 Purworejo. Pada tahun 2011 penulis diterima sebagai
mahasiswa di Institut Pertanian Bogor melalui jalur SNMPTN Undangan. Prestasi
yang raih penulis selama masa perkuliahan di IPB, yaitu mahasiswa IPK tertinggi
Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan mulai tahun 2012 hingga 2015 dan
Program Kreatifitas Mahsiswa (PKM Karsa Cipta) didanai DIKTI pada tahun
2014.
Kegiatan kemahasiswaan yang pernah diikuti penulis antara lain; anggota
Koran Kampus IPB (2012), BEM Fakultas Kehutanan (2012/2013), Himpunan
Profesi Mahasiswa Hasil Hutan atau Himasiltan (2012-2014), Pengurus Cabang
Sylva Indonesia IPB (2014/2015), ketua acara The 6th FORTEX Himasiltan
(2014), wakil ketua organisasi mahasiswa daerah Purworejo (2012/2013), dan
ketua organisasi mahasiswa daerah Purworejo (2013/2014).