BAB 3 KARAKTERISTIK BUAH JERUK KEPROK GARUT MELALUI
PEMODELAN RANGKAIAN LISTRIK YANG DIDASARKAN PADA SIFAT RESISTIF DAN KAPASITIFNYA
Pendahuluan
Produk pertanian umumnya mudah rusak Mohsenin 1986, waktu penyimpanan singkat, dan murah. Hal itu juga terjadi pada jeruk. Namun,
permintaan untuk produk-produk pertanian tidak akan pernah berhenti selama pertumbuhan populasi manusia terus meningkat. Ini adalah masalah sekaligus
kesempatan untuk meningkatkan nilai tambah dari produk tersebut. Untuk mencapai tujuan tersebut maka diperlukan penanganan berkelanjutan, termasuk
dalam hal teknologi hortikultura, rekayasa, bahkan untuk bidang ilmu dasar.
Pengukuran sifat produk pertanian umumnya bersifat merusak. Untuk mengatasi masalah ini, banyak peneliti mengembangkan metode yang tidak
merusak. Sebagian besar teknik yang ditemukan oleh para peneliti sering mahal dan tidak praktis dalam industri pertanian. Pengukuran listrik memberikan
kesempatan untuk mengatasi masalah ini.
Spektroskopi impedansi listrik EIS pada dasarnya berpatokan pada sistem pengukuran dan kajian sifat listrik bahan sebagai fungsi dari frekuensi. Hal ini
didasarkan pada interaksi medan listrik eksternal dengan momen dipol listrik dari bahan Wu et al. 2008. Selain itu, EIS memungkinkan untuk pemodelan listrik
yang dibangun dari rangkaian listrik resistor dan kapasitor, serta menganalisis responnya terhadap amplitudo sinyal dan frekuensinya Vozáry dan Benk
ő 2010. Pemodelan listrik pada bahan biologi dari mulai sel sampai bahan pertanian
lainnya sudah mulai dikaji oleh para peneliti. Namun prinsip dari model tersebut adalah kesederhanaan dan kecocokan dengan data eksperimen. Ellappan dan
Sundararajan 2005 telah mencoba memodelkan sel biologi dengan bentuk rangkaian listrik yang terdiri dari resistor dan kapasitor. Masing-masing
komponen tersebut mewakili dari bagian-bagian dari sel. Pemodelan berlandaskan kelistrikan ini umunya merupakan pendekatan arus listrik lemah yaitu sinyal
listrik dengan nilai amplitudo yang kecil. Hal ini dilakukan agar pemberian listrik tidak merusak bahan yang diuji.
Pemodelan listrik bisa dipakai dalam bidang pertanian, diantaranya pada model impedansi listrik dari pohon jeruk. Model ini dapat menjelaskan dan
menggambarkan fenomena persediaan air yang terkait dengan mekanisme transportasi pada jaringan xilem Muramatsu dan Hiraoka 2007. Wu et al.
2008 melaporkan bahwa spektroskopi impedansi dengan model terdistribusi yang didasarkan pada persamaan model impedansi Cole-Cole memberikan
kecocokan dengan data impedansi hasil pengukuran pada terung segar.
Pemodelan rangkaian listrik lain telah dilakukan oleh Bauchot et al. 2000 pada buah kiwi. Dasar pemodelannya adalah rangkaian resistor dan kapasitor
yang didasarkan pada model yang telah diungkapkan oleh Zhang et al. 1990. Model yang dibangun cukup sederhana, representatif. Menurut Ozier-Lafontaine
dan Bajazet pemodelan listrik yang dibangun untuk menjelaskan suatu fenomena produk harus didasarkan pada kesederhanaan, representasi terbaik, realistis dan
28
konfigurasi apakah elemen sirkuit yang terhubung secara seri atau paralel Ozier- Lafontaine dan Bajazet 2005.
Pemodelan rangkaian listrik juga telah dilakukan oleh Wu et al. 2008 pada terung dan kentang. Model yang dipakai untuk menjelaskan fenomena
kelistrikannya adalah model Hayden Hayden et al. 1969. Model yang dibangun oleh Hayden merupakan model yang lebih sederhana daripada model Zhang.
Pada bab ini akan membahas dan menganalisis perilaku sifat listrik dan pemodelan dari buah Jeruk Keprok Garut dengan menggunakan sinyal-sinyal
listrik bertegangan rendah yang bersifat non-destruktif. Sifat listrik dan pemodelan dari buah Jeruk Keprok Garut juga dikorelasikan dengan tingkat
keasaman dan kekerasan buah untuk mempelajari perilaku buah selama pematangannya.
Bahan dan Metode Waktu dan Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan Januari 2011 sampai Desember 2012 di beberapa tempat yaitu Laboratorium Biofisika Departemen Fisika, Laboratorium
Kimia Analitik FMIPA IPB. Buah diambil dari perkebunan petani di Samarang dan Leuwigoong, Kabupaten Garut.
Sistem Pengukuran
Pengukuran dari semua p
arameter dilakukan ketika buah masih dalam kondisi segar. Buah yang diukur dikelompokan ke dalam 7 tingkat kematangan
berdasarkan warna dan ukurannya. Buah yang belum matang biasanya sangat asam dan memiliki tekstur internal yang kasar. Dalam studi ini, perilaku
kematangan dari buah jeruk ditandai dengan peningkatan pH dan penurunan kekerasan Ladaniya, 2008. Masing-masing kelompok diambil tiga buah sampel.
Sehingga secara total ada dua puluh satu sampel buah yang digunakan untuk pemodelan. Kekerasan buah jeruk diukur dengan menggunakan sensor gaya CI-
6746, Pasco. Diameter probe sensor gaya adalah 10 mm. Kedalaman penetrasi dari sensor gaya pada buah dibuat konstan yaitu 5 mm. Berat buah jeruk diukur
dengan menggunakan timbangan elektronik dengan akurasi 0.01 gram Sartorius ED 822, Goettingen, Jerman. Berat buah ini dipakai untuk mengkonpensasi
parameter pengukuran listrik. Hal ini seperti yang dilakukan oleh Zachariah dan Erickson 1965 pada penentuan kematangan buah alpukat.
Keasaman jeruk diukur dengan menggunakan pH meter YSI Ecosense pH 100, Xilem Inc, USA. Parameter listrik dari buah jeruk diukur dengan
menggunakan LCR meter 3532-50 LCR HiTESTER, Hioki, Tokyo, Jepang. Parameter-parameter listrik ini adalah impedansi, konduktansi, reaktansi,
resistansi dan kapasitansi listrik. Jeruk berperan sebagai bahan dielektrik dan ditempatkan di antara dua elektroda plat konduktif dari bahan tembaga seperti
pada Gambar 3.1Soltani et al. 2010. Tegangan sinyal sebesar 1 volt rms dan frekuensinya divariasikan dari 50 Hz sampai 1 MHz.
29
Gambar 3.1 Skema sistem pengukuran sifat listrik buah jeruk berbasis capacitive sensing
Pemodelan Rangkain Listrik Berdasarkan hasil data eksperimen maka dilakukan prediksi model yang
dapat menjelaskan fenomena sifat kelistrikan dari buah. Pemilihan model harus didasarkan pada kesederhanaan, representasi terbaik, realistis dan konfigurasi
apakah elemen sirkuit yang terhubung secara seri atau paralel Ozier-Lafontaine dan Bajazet 2005.
a
b
c Gambar 3.2 Model rangkaian listrik ekivalen untuk kajian kelistrikan dari buah
jeruk: a model Hayden, b model Zhang, dan c model hasil pengembangan
30
Pemodelan rangkaian listrik didasarkan pada pemodelan buah kiwi Bauchot et al. 2000 yang diadopsi dari model Zhang Zhang et al. 1990, dan
pemodelan terung Wu et al. 2008 maupun kentang yang diadopsi dari model Hayden Hayden et al. 1969. Model yang dibangun oleh Hayden
memperhitungkan resistansi dari dinding sel R
4
pada model Gambar 3.2a, resistansi cytoplasma yang termasuk di dalamnya vakuola R
3
pada model Gambar 3.2a, dan kapasitansi dari membran sel C
3
pada model Gambar 3.2a. Zhang et al. 1990 melakukan pengembangan dengan mengusulkan bahwa
kapasitansi dari tonoplas C
2
pada model Gambar 3.2b dan resistansi internal dari vakuola R
2
pada model Gambar 3.2b memiliki kontribusi secara substansi terhadap total impedansi listrik buah, sehingga parameter ini harus ada secara
independen. Kedua parameter tersebut terangkai secara paralel dengan R
3
Gambar 3.2b. Struktur internal dari buah jeruk lebik kompleks daripada buah kiwi,
kentang atau terung sehingga pemodelan harus lebih dikembangkan agar lebih sesuai. Model baru ini dibangun dari komponen resistansi bagian buah biji, R
1
; segment, R
2
; dinding segment, R
3
; dan dinding kulit luar, R
4
pada model Gambar 3.2c dan kapasitansi membrannya segment, C
1
; albedo, C
2
; dan flavedo, C
3
pada model Gambar 3.2c. Dengan memperhatikan struktur internal buah Gambar 3.2
c, maka resistansi biji terkoneksi seri dengan kapasitansi segment. Resistansi segment terkoneksi paralel dengan resistansi biji maupun kapasitansi segment.
Rangkaian gabungan ini terkoneksi seri dengan kapasitansi membran albedo dan terkoneksi paralel dengan resistansi dinding segment. Pada rangkaian berikutnya
dibangun dari koneksi dengan flavedo dan dinding kulit terluar. Sehingga akhirnya rangkaian terkoneksi seri dengan kapasitansi membran flavedo dan
paralel dengan resistansi kulit luar. Secara utuh keseluruhan model diilustrasikan seperti pada Gambar 3.2c.
Selanjutnya persamaan parameter-parameter listrik diturunkan secara matematik dari ketiga model tersebut. Hasil penurunan dari persamaan tadi
dikorelasikan dengan hasil data eksperimen dengan teknik kurva fitting sehingga didapat parameter listrik internal dari model Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Diagram alir prinsip karakteristik pemodelan spektroskopi impedansi Macdonald 1987
31
Penentuan tingkat linearitas dan parameter error untuk variabel komponen listrik hasil pemodelan dilakukan dengan menggunakan program SPSS dan add in
optimasi pada microsoft exel. Selanjutnya semua parameter internal resistor dan kapasitor dikorelasikan dengan perubahan kekerasan dan pH buah.
Hasil dan Pembahasan
Analisis Model Rangkaian Listrik Persamaan untuk kapasitansi, konduktansi dan impedansi listrik sebagai
fungsi dari frekuensi anguler telah diturunkan secara matematik dari
rangkaian listrik pada Gambar 3.2. Model pada Gambar 3.2a merupakan model yang paling sederhana dan merupakan model rangkaian dasar untuk model
lainnya. Model pada Gambar 3.2b terbangun atas model Gambar 3.2a dengan adanya penambangan satu buah kapasitor dan resistor. Begitu juga model baru
pada model Gambar 3.2c merupakan susunan yang dibangun dari pengembangan model Gambar 3.2b yang ditambahkan rangkaian resistor dan kapasitor.
a
b
c Gambar 3.4 Penjabaran model rangkaian listrik untuk model Hayden a, model
Zhang b, dan model hasil pengembangan c
32
Secara matematis pembentukan persamaan untuk model-model tadi saling berkelanjutan. Jadi analisanya bisa secara berurutan mulai dari model pada
Gambar 3.2a sampai Gambar 3.2c. Keberlanjutan bentuk rangkaian ini diperlihatkan pada Gambar 3.4. Penjabaran model Gambar 3.2 dipecah menjadi
satu- satu seperti Gambar 3.4a, 3.4b, dan 3.4c dengan tujuan untuk memudahkan dalam analisis matematiknya.
Jika kita tinjau Gambar 3.4a untuk model Hayden. Maka analisis impedansi untuk Za adalah rangkaian seri resistor R
3
dan kapasitor C
3
. Persamaannya dibentuk dari bilangan kompleks yaitu:
3.1 dengan j adalah bilangan imajiner.
Nilai Za ini tergabung secara paralel dengan R
4
sehingga didapatkan Z
eq
total sebagai berikut:
Dengan mengacu persamaan umum impedansi maka ini merupakan
impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk , dengan subskrip Hn menunjukkan notasi untuk model Hayden.
Sehingga didapat komponen untuk resistansi total sebagai berikut:
Nilai ini bisa dibentuk dalam konduktansi sebagai berikut:
dan reaktansi total
33
Dan persamaan ini bisa dibentuk dalam kapasitansinya sebagai berikut:
Kondisi sifat resistif bisa ditinjau dengan mengacu pada parameter resistansi atau konduktansi. Sementara sifat kapasitif dapat ditinjau dari parameter reaktansi
atau kapasitansinya. Parameter-parameter ini harus ditentukan kesesuaiannya dengan data eksperimen.
Berdasarkan rangkaian dalam Gambar 3.4b untuk model Zhang. Maka penurunannya dapat berasal dari Gambar 3.4a tetapi variabelnya berbeda tanda.
Sehingga nilai Zb menjadi sebagai berikut:
atau
Z
b
ini terhubung dengan kapasitor C
3
. Sehingga persamaannya menjadi
sebagai berikut
:
selanjutnya paralel dengan R
4
sehingga didapat persamaan Z total sebagai berikut:
{
[ ]
} {
[ ]
}
ini merupakan impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk dalam bentuk sebagai berikut:
34
Dengan parameter tambahan e, f, g, dan h sebagai berikut:
[ ]
Penyederhanaan impedansi ini dilakukan dengan mengalikan pada konjuget g - jh menjadi
Dengan mengacu persamaan umum impedansi maka ini merupakan
impedansi total yang dapat disederhanakan dalam bentuk , dengan subskrip Zn menunjukkan notasi untuk model Zhang.
Selain itu, dengan meninjau hubungan persamaan , maka persamaan h
ini bisa dihilangkan sehingga didapat komponen untuk resistansi total sebagai berikut:
{ }
[ ]
atau dalam bentuk konduktansinya yaitu: [
] [
]
dan reaktansi total
{ }
[ ]
Dan bisa dibentuk dalam kapasitansinya menjadi sebagai berikut: [
] ω [
]
Pendekatan model baru untuk buah jeruk dilakukan dengan berdasarkan rangkaian dalam Gambar 3.4a dan 3.4b, baik model Hayden maupun untuk model
Zhang. Ketika kedua model itu mau diaplikasikan pada buah jeruk maka perlu pertimbangan lain yang harus diperhatikan. Pendekatan pada Gambar 3.4c
menjadi pendekatan yang lebih mempertimbangkan struktur buah.
Jika kita tinjau Gambar 3.4c, maka penurunan rumusnya adalah kelanjutan dari Gambar 3.4b tetapi variabelnya berbeda tanda. Sehingga nilai Zd menjadi
sebagai berikut:
35
Z
d
ini seri dengan C
3
pada Gambar 3.4c dan didapat Ze:
Untuk menyederhanakan penulisan maka dibuat lambang tambahan baru yaitu:
1 3
1 2
2 1
2 1
2 3
1 2
1 2
1 2
3 1
2 3
1 3
1 2
2 1
2 3
1 2
3 1
1 2
3 2
1 2
3 3
1 2
3 1
2 3
X R
R R
X X
R d
R R
R X
X R
R c
X X
R R
R R
X R
R R
X X
R X
b X
R R
R R
R X
R R
R X
X X
X R
R X
a
Atau dalam bentuk variabel kapasitansi dapat ditulis sebagai berikut:
1 2
3 2
3 2
3 1
2 3
1 2
3 2
3 1
2
1 1
C R
R C
C C
C R
R R
C C
C ω
C R
R ω
a
3.19
2 1
2 1
3 2
3 2
1 2
2 3
1 2
3
1 C
R R
C R
R C
ω C
C ω
R R
R R
b
3.20
1 2
3 1
2 2
1 2
1 R
R R
C C
ω R
R c
3.21
2 1
2 1
2 3
1 C
R R
C R
R ω
d
3.22 Maka penulisannya menjadi lebih sederhana yaitu
id c
b ia
Z
e
Nilai Ze ini disusun paralel dengan C
4
. Sehingga didapat Z eq total sebagai berikut:
4 2
2 4
4 2
4 4
2 eq
4 2
2 4
4 4
4 eq
4 4
4 eq
4 4
e eq
eq
R b
a bdR
acR j
b bcR
adR a
Z 1
R b
a b
dR a
b cR
a j
b cR
b dR
a a
Z 1
R b
ja jdR
ja b
cR Z
1 R
1 b
ja jd
c R
1 Z
1 Z
1 jd
c b
ja Z
36
Dengan mengacu pada
eq eq
eq
C 1
j G
1 Z
Maka nilai konduktansi dan kapasitansi untuk model baru ini menjadi
dengan subskrip Nn menunjukkan notasi untuk model Baru. Tinjauan Pemodelan Rangkaian Listrik pada Fenomena Sifat Resistif dan
Kapasitif Buah Jeruk Keprok Garut
Dalam pemodelan rangkaian listrik perlu ditinjau pembuktian secara eksperimental atau hasil pengukuran langsung pada bahan uji. Untuk menguji
model itu apakah murni resistif atau tidak, maka dapat dilihat dari fenomena nilai impedansi dan tanggapannya terhadap frekuensi. Untuk bahan murni resistif
seperti bahan resistor maka nilai impedansinya relatif tetap atau stabil walaupun adanya perubahan frekuensi. Sementara jika ada unsur kapasitif maka perubahan
nilai frekuensi akan sangat mempengaruhi nilai impedansinya. Hal ini juga ditunjukan pada Gambar 3.5.
Dengan memperhatikan bahwa banyak komponen alam ini yang memiliki hambatan yang besar atau relatif isolator, maka pengaruh terbesar adalah ketika
rangkaiannya ada yang tergabung secara paralel atau seri. Komponen kapasitor juga berpengaruh pada nilai impedansi kapasitifnya. Hal ini bisa terjadi pada
frekuensi yang sangat besar.
Selain itu untuk menguji apakah komopen resistif saja yang muncul atau ada komponen reaktif, maka bagian
– bagian buah dilakukan pengukuran parameter impedansinya. Hal itu juga menjadi pertimbangan bahwa biji dominan resistif,
sementara kulit, SACS, dan buah utuh memiliki komponen kapasitif Gambar 3.5. Gambaran ilustrasi hasil pengukuran ini bisa dijadikan pertimbangan dalam
pemodelan rangkaian listrik.
Hasil pengukuran impedansi buah Jeruk Keprok Garut diperlihatkan pada Gambar 3.6c. Gambar ini memiliki kemiripan profil dengan rangkaian gabungan
RC. Sehingga dapat dikatakan bahwa model listrik dari buah jeruk akan terbangun dari resistor dan kapasitor yang paralel atau gabungan dengan seri. Pembahasan
lebih mendalam untuk pembanding ketiga model tadi digunakan data pada pH 3.34 seperti pada Gambar 3.6. Hal itu dilakukan untuk mempermudah pengolahan
data saja. Selanjutnya akan dibahas lebih terperinci untuk model baru yang dipromosikan dalam model Jeruk Keprok Garut.
Kapasitansi menggambarkan kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi dan muatan listrik. Kehadiran bahan dielektrik dalam kapasitor
menyebabkan peningkatan nilai kapasitansi. Ketergantungan parameter dielektrik telah diteliti dengan memplot kurva antara kapasitansi dan frekuensi seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.6a. Kapasitansi listrik buah Jeruk Keprok Garut berkurang dengan peningkatan frekuensi, yang menunjukkan dispersi dielektrik
dalam buah jeruk.
Besarnya perubahan kapasitansi tidak konstan yaitu sekitar 0.001 pFHz pada frekuensi rendah dan 0.05 pFHz pada frekuensi tinggi. Tingginya
37
kapasitansi pada frekuensi rendah 50 Hz dapat dikaitkan dengan perubahan dipol yang dipengaruhi kandungan air dan polarisasi elektroda. Selain itu,
perubahan frekuensi akan mempengaruhi kondisi ion dalam bahan. Kehilangan ionik ionic loss berbanding terbalik dengan frekuensi dan menjadi kritis ketika
frekuensi yang lebih rendah. Sementara disipasi energi dipol pada frekuensi yang lebih tinggi kurang dominan dan ionic loss menjadi hampir tidak terjadi Singh et
al. 2010.
Kapasitansi listrik buah tidak linear terhadap besarnya frekuensi. Peningkatan frekuensi sinyal tidak dapat diikuti oleh perubahan momen dipol
internal jeruk secara linier. Perubahan medan listrik eksternal akan diikuti oleh perubahan sifat listrik internal buah. Peningkatan frekuensi akan meningkatkan
kecepatan perubahan posisi dipol. Dengan demikian, frekuensi sinyal listrik akan memiliki konsekuensi pada lamanya waktu untuk polarisasi.
Nilai frekuensi tinggi berarti waktu yang singkat untuk peristiwa polarisasi. Dengan demikian, polaritas total akan menjadi rendah. Namun, untuk penjelasan
yang tepat dari perilaku dielektrik dari buah jeruk dan bahan biologis lainnya, fenomena kontribusi selain relaksasi dipol juga perlu diperhitungkan seperti
konduksi ion pada frekuensi yang lebih rendah, perilaku kandungan air, dan pengaruh komponen penyusun lainnya.
Sifat resistif bahan bisa ditinjau dari resistansi atau konduktansinya. Hasil eksperimen untuk konduktansi listrik dari buah jeruk sebagai fungsi dari frekuensi
tidak terjadi linear seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6b. Nilai konduktansi listrik untuk buah jeruk pada setiap rentang frekuensi yang diberikan memiliki
nilai sangat kecil. Nilai konduktansi tertinggi adalah pada kisaran mS pada 1 MHz.
a b
c
d
Gambar 3.5 Efek perubahan frekuensi terhadap nilai impedansi pada komponen standar dari resistor-R a, kapasitor-C b, RC paralel c, dan
bagian penyusun buah jeruk pH 3.34 d
1.E+00 1.E+02
1.E+04 1.E+06
1.E+08
0.E+00 3.E+04
6.E+04 9.E+04
Im p
ed a
n si
L is
tri k
Frekuensi Hz 1 M
12 1.E-02
1.E+00 1.E+02
1.E+04 1.E+06
1.E+08
0.E+00 3.E+04
6.E+04 9.E+04
Im p
ed a
n si
L is
tri k
Frekuensi Hz 0,33 mF
10 nF
0.0E+00 2.0E+00
4.0E+00 6.0E+00
8.0E+00 1.0E+01
1.2E+01
5.E+01 1.E+03
3.E+04 Im
p ed
a n
si l
is tri
k
Frekuensi Hz R,C
1 M; 0,33 m F 1.00E+01
1.00E+02 1.00E+03
1.00E+04 1.00E+05
0.E+00 2.E+04
4.E+04 6.E+04
8.E+04 1.E+05
Im p
ed a
n si
m a
ss a
g
Frekuensi Hz buah utuh
bagian kulit bagian jus
bagian biji SACS
38
a
b
c Gambar 3.6 Perbandingan hasil eksperimen dan model-model yang digunakan
sebagai pertimbangan pengembangan model untuk spektrum kapasitansi a, konduktansi b, dan impedansi c buah Jeruk
Keprok Garut pada nilai pH 3.34. Hasil eksperimen , model
Zhang , model Hayden
, dan model baru
1.0E-11 1.0E-10
1.0E-09 1.0E-08
1.0E-07 1.0E-06
1.0E-05
1.0E+02 2.0E+04
4.0E+04 6.0E+04
8.0E+04
K apa
si ta
n si
L is
tr ik
F
FrekuensiHz
1.0E-07 1.0E-06
1.0E-05 1.0E-04
1.0E-03 1.0E-02
1.0E-01 1.0E+00
1.00E+02 2.00E+05
4.00E+05 6.00E+05
8.00E+05 1.00E+06
K o
ndukt ans
i L
is tr
ik S
Frekuensi Hz
1.00E+03 1.00E+04
1.00E+05 1.00E+06
1.00E+07
0.00E+00 2.00E+05
4.00E+05 6.00E+05
8.00E+05 1.00E+06
Im pe
da ns
i L
is tr
ik
Frekuensi Hz
39
a
b
c Gambar 3.7 Hasil eksperimen dan simulasi
dari model baru untuk Jeruk Keprok
Garut untuk
spektrum resistansimassaa,
reaktansimassab, dan impedansimassac buah pada keasaman dengan pH 2.86
, 3.34 , dan 4.18
Nilai perubahan konduktansi listrik yang terjadi pada buah jeruk sangat kecil, yaitu sekitar 0.0011
mSHz pada frekuensi rendah dan 0.0002 mSHz pada frekuensi tinggi. Sehingga dapat dikatakan bahwa Jeruk Keprok Garut
menunjukkan sifat resistif yang dominan hampir menyerupai bahan isolator. Dengan demikian, ion-ion dan elektron dalam buah jeruk, biji, kulit, dan daging
terikat relatif kuat.
1.00E+00 1.00E+01
1.00E+02 1.00E+03
1.00E+04 1.00E+05
1.00E+06 1.00E+07
0.00 0.10
0.20 0.30
0.40 0.50
0.60 0.70
0.80 0.90
1.00 R
es is
ta n
si m
as a
g
Frekuensi MHz
1.00E+00 1.00E+01
1.00E+02 1.00E+03
1.00E+04 1.00E+05
0.00 0.10
0.20 0.30
0.40 0.50
0.60 0.70
0.80 0.90
1.00 Re
ak tan
si m
as sa
g
Frekuensi MHz
1.00E+00 1.00E+01
1.00E+02 1.00E+03
1.00E+04 1.00E+05
0.00 0.10
0.20 0.30
0.40 0.50
0.60 0.70
0.80 0.90
1.00 Im
p ed
an si
m as
sa
g
Frekuensi MHz
40
Frekuensi juga menjelaskan transmisi sinyal setiap detik dan perubahan arus bolak-balik per detiknya. Jika frekuensi diperbesar, laju pergantian arah arus
dalam sirkuit eksternal akan lebih cepat. Ini adalah kondisi eksternal dari sinyal listrik yang akan mempengaruhi kondisi internal Jeruk Keprok Garut, terutama
pada mobilitas muatan listrik. Nilai konduktansi listrik menyatakan kemampuan gerak muatan dalam material dan tergantung pada jumlah ion atau elektron bebas
dari bahan. Elektron pada bahan konduktif mudah untuk mengikuti perubahan arus bolak-balik eksternal. Dengan demikian, peningkatan konduktansi listrik
dengan mudah akan terjadi jika frekuensi meningkat. Sementara bahan resistif tidak mudah terjadi demikian. Jadi, peningkatan frekuensi hanya sedikit
mengubah nilai konduktansi dari bahan resistif. Hal ini terjadi juga pada buah jeruk yaitu nilai konduktansi listrik sedikit meningkat ketika frekuensi membesar.
Konsekuensi dari perubahan sifat resistif maupun kapasitif bahan akan mempengaruhi nilai impedansi total bahan tersebut. Jika frekuensi meningkat,
maka nilai impedansi listrik dari buah jeruk menurun. Hal ini jelas terlihat pada Gambar 3.6c. Impedansi listrik menandakan adanya rintangan total untuk gerakan
muatan listrik yang terjadi dalam bahan. Besaran impedansi listrik dipengaruhi oleh resistansi, reaktansi kapasitif, dan frekuensi. Pada frekuensi yang sangat
rendah reaktansi akan menjadi besar, sehingga impedansi akan menjadi besar juga. Ketika frekuensi meningkat, reaktansi akan menurun. Ini berkorelasi dengan
penurunan impedansi. Perubahan impedansi listrik yang terjadi pada interval frekuensi rendah sekitar 637.75
Hz dan 0.0033 Hz pada frekuensi tinggi. Nilai impedansi juga menandakan hambatan total arus bolak-balik yang
berkorelasi dengan konduktansi dan kapasitansi sebagai fungsi dari frekuensi. Reaktansi kapasitif adalah impedansi bagian imajiner dan nilainya berbanding
terbalik dengan perkalian kapasitansi dan frekuensi, sedangkan konduktansi berbanding terbalik dengan resistansi. Ketika frekuensi meningkat, nilai
konduktansi juga meningkat. Hal ini akan berkorelasi dengan penurunan impedansi. Sementara peningkatan nilai kapasitansi dan frekuensi akan
berkorelasi dengan penurunan nilai impedansi. Kedua fenomena kapasitansi dan konduktansi akan memperkuat sifat impedansinya. Secara keseluruhan, impedansi
akan menurun jika frekuensi meningkat.
Nilai impedansi secara terperinci bisa dijabarkan dalam bentuk resistansi dan reaktansinya. Untuk menguji lanjutan pemodelan baru yang telah dibangun
maka dilakukan pengujian pada beberapa tingkat keasaman buah. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3.7. Dengan melihat gambar tersebut terlihat bentuk hasil
simulasi pemodelan berimpit atau cocok dengan hasil eksperimen.
Pendugaan Komponen Resistansi dan Kapasitansi Penyusun Model Baru pada Buah Jeruk Keprok Garut
Sejumlah model telah digunakan untuk menggambarkan aliran arus melalui jaringan tanaman. Zhang dan Willison 1991 telah mencocokan model dengan
data eksperimen dari blok jaringan akar wortel dan umbi kentang. Mereka menemukan bahwa model yang disajikan pada Gambar 3.2a cocok dengan data
mereka. Model ini didominasi oleh sifat resistansi transmembran yang umumnya dianggap sangat tinggi Zhang et al. 1990. Namun, dalam jaringan buah
nectarine asumsi ini mungkin tidak benar sepenuhnya karena membran diketahui mengalami kebocoran ionik pada saat pematangan. Pembenaran untuk identifikasi
41
dinding sel dan resistansi vakuola cukup baik dilakukan oleh Harker dan Dunlop 1994 pada nactarine. Begitu juga diduga dalam jaringan buah jeruk semua
asumsi ini mungkin tidak sepenuhnya benar karena jaringan internal yang lebih kompleks. Identifikasi dan interpretasi resistansi biji R
1
, resistansi dari segmen R
2
, resistansi dinding segmen R
3
, resistansi kulit terluar R
4
, kapasitansi segmen C
1
, kapasitansi albedo C
2
, dan kapasitansi dari flavedo C
3
pada model bisa lebih diterima dengan baik.
Hasil pemodelan dari rangkaian listrik juga ditunjukkan pada Gambar 3.6. Simulasi hasil kapasitansi, konduktansi, dan impedansi menunjukkan kemiripan
dengan hasil eksperimen. Ini diperoleh dengan memasukkan nilai-nilai tertentu dari kapasitor dan resistor untuk persamaan model. Hal ini menunjukkan bahwa
nilai-nilai komponen listrik yang mewakili sifat listrik untuk internal jeruk bersifat spesifik. Nilai untuk masing-masing resistansi cukup besar. Hal ini dimungkinkan
karena kondisi buah jeruk memiliki banyak bahan isolasi seperti minyak, gula, pati, pektin, dan vitamin Ladaniya 2008. Sedangkan nilai untuk komponen
kapasitansi sangat kecil. Hal ini juga mungkin karena beberapa membran pada buah memiliki sifat kapasitif yang relatif rendah selain itu membran mencakup
permukaan yang kecil secara terpisah. Linieritas dan kesalahan antara pemodelan dan hasil eksperimen untuk konduktansi, kapasitansi dan impedansi ditunjukkan
pada Tabel 3.1. Berdasarkan parameter koefisien deterministik R
2
dan kesalahan, model baru menunjukan kompatibilitas tertinggi untuk semua
kapasitansi, konduktansi dan impedansi listrik. Ini berarti bahwa model baru menunjukan model dengan estimasi terbaik untuk Jeruk Keprok Garut.
Berdasarkan Gambar 3.6a, kapasitansi listrik dari hasil model Hayden kurang cocok daripada yang lain, terutama pada frekuensi di bawah 10 kHz. Pada
frekuensi ini, hasil pemodelan terlihat sangat menyimpang dari hasil percobaan. Namun, pada frekuensi di atas 10 kHz menunjukkan kecocokan dengan data
eksperimen. Hal ini juga ditunjukkan dengan koefisien determinasi yang rendah. Sedangkan, kapasitansi berdasarkan model Zhang relatif lebih dekat dengan data
eksperimen dibandingkan model Hayden. Perbaikan dalam model Zhang dilakukan dengan memasukkan sebuah sirkuit tambahan sesuai dengan kondisi
fisik buah. Hasil keseluruhannya menunjukkan bahwa model baru memiliki kecocokan untuk data eksperimen di hampir setiap frekuensi. Hal ini juga
ditunjukkan secara grafik serta dengan koefisien deterministik tertinggi dan error terkecil Tabel 3.1.
Konduktansi berdasarkan pada model Hayden untuk frekuensi di bawah 50 kHz menunjukkan kecocokan dengan data eksperimental, tetapi pada frekuensi di
atas 50 kHz menunjukkan kompatibilitas yang rendah Gambar 3.6b. Sedangkan hasil model Zhang dan model baru memiliki grafik yang sangat dekat dengan data
eksperimen pada semua kisaran frekuensi yang diukur. Dalam rentang frekuensi 100 kHz sampai 1MHz, model Zhang tidak memiliki kecocokan yang baik. Pada
frekuensi ini, hasil pemodelan dari Zhang terlihat lebih besar dari data eksperimen. Dengan demikian, korelasi antara model dengan hasil eksperimen
tidak cukup tinggi, yaitu 0.7813. Hal ini berbeda dengan model baru. Model baru ini memiliki kompatibilitas tertinggi. Itu dibuktikan dengan tingginya nilai
koefisien deterministik, yaitu 0.9734. Secara keseluruhan, semua model memiliki konduktansi yang cocok pada frekuensi yang lebih rendah dari 50 kHz sementara
model baru memiliki kecocokan hampir di semua frekuensi.
42
Berdasarkan Gambar 3.6c, hasil simulasi memiliki kompatibilitas tinggi dengan hasil eksperimen untuk buah jeruk pada frekuensi yang sangat rendah.
Namun, hasil simulasi menunjukkan penyimpangan dari hasil eksperimen pada rentang frekuensi 1 kHz sampai 50 kHz. Penyimpangan terbesar terjadi untuk
model yang diadopsi dari Zhang. Pada frekuensi di atas 50 kHz itu menunjukkan kecocokan lagi. Dengan demikian, konsekuensi dari penyimpangan dalam
beberapa frekuensi menyebabkan kurva fitting tidak baik. Hal ini dibuktikan dengan koefisien deterministik sangat rendah untuk model Zhang. Sementara itu,
nilai impedansi dari model baru yang paling cocok untuk data eksperimen untuk semua frekuensi Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Linearitas dan error dari parameter listrik hasil pengukuran buah Jeruk Keprok Garut dan hasil simulasi untuk tiga model pada pH 3.34
Model Konduktansi
µS Kapasitansi
pF Impedansi
M
Hayden R
2
RMSE RMSE
0.78130
0.35864 0.23693
0.43460 0.22745
0.74914 0.35120
0.41433 0.85150
Zhang R
2
RMSE RMSE
0.98100
0.45124 0.46471
0.84240 0.11638
0.38331 0.75520
0.24732 0.50827
Model baru R
2
RMSE RMSE
0.97340
0.28788 0.29646
0.93290 0.08801
0.28984 0.95400
0.10077 0.20709
Tinjauan lebih lanjut terhadap model baru dilakukan dengan melihat kesesuaiannya pada beberapa tingkat keasaman buah. Koefisien deterministik
untuk korelasi linier antara data pengukuran dan simulasi memiliki nilai yang tinggi. Selain itu dicek lagi dengan kesalahan dengang menghitung MAPE Mean
Absolute Percentage Errordan RMSE Root Mean Square Error untuk memperkuat parameter koefisien deterministik tadi. Data tersebut diperlihatkan
pada Gambar 3.8.
Berdasarkan model resistansi internal, semua resistansi memiliki nilai yang tinggi. Hal ini berhubungan dengan sifat resistif Jeruk Keprok Garut. Nilai R
4
kulit terluar adalah nilai tertinggi Tabel 3.2. Hal ini dimungkinkan karena ukuran dan komposisinya. Sedangkan, biji jeruk R
1
memiliki nilai resistansi yang terendah. Hal itu dimungkinkan karena ukuran dan jumlah dalam buah
yang relatif sedikit. Dalam jaringan tanaman, resistansi dari jalur ekstraseluler harus tinggi karena luas penampang lintasan elektron kecil dan konsentrasi ion
pembawa rendah Harker dan Dunlop 1994.
Nilai-nilai untuk komponen kapasitor cukup kecil Tabel 3.2. Kondisi ini menunjukkan bahwa buah memiliki sifat kapasitif relatif rendah. Dengan
demikian reaktansi atau impedansi akan menjadi lebih besar ketika frekuensi kecil seperti yang ditunjukkan hasil eksperimen Gambar 3.6c. Nilai terkecil dari
kapasitansi adalah kapasitansi segmen. Hal ini dimungkinkan karena segmen
43
terdiri dari banyak bagian membran kantung jus sacs yang disusun secara seri Ladaniya, 2008.
a
b
c Gambar 3.8 Koefisen deterministik a, MAPE b, dan RMSE c pada hasil
simulasi untuk model baru pada beberapa tingkat keasaman pH. Nilai parameter impedansi Zm, reaktansi Xm, dan resistansi
Rm dalam orde M g
0.00 0.20
0.40 0.60
0.80 1.00
2.86 3.15
3.34 3.96
4.15 4.18
4.60 K
o ef
is ie
n de
te rm
in is
ti k
R
2
pH Zm
Xm Rm
0.00 0.10
0.20 0.30
0.40 0.50
0.60 0.70
0.80 0.90
1.00
4.6 4.18
4.15 3.96
3.34 3.15
2.86 MAPE
pH Zm
Xm Rm
0.00 2.00
4.00 6.00
8.00 10.00
4.6 4.18
4.15 3.96
3.34 3.15
2.86 R
M S
E
pH Zm
Xm Rm
44
a b
c d
Gambar 3.9 Perubahan komponen resistansi hasil pemodelan listrik buah Jeruk Keprok Garut pada variasi tingkat keasaam. Nilai R
1
a, R
2
b, R
3
c dan R
4
d
Perubahan Nilai Komponen Resistansi dan Kapasitansi selama Kematangan buah Jeruk Keprok Garut
Buah jeruk termasuk buah non-klimakterik, tidak menunjukkan kenaikan respirasi yang disertai dengan perubahan rasa dan komposisi biokimia setelah
dipanen Ladaniya 2008. Buah yang belum matang biasanya sangat asam dan memiliki tekstur internal yang kasar. Dalam studi ini, perilaku kematangan dari
buah jeruk ditandai dengan peningkatan pH dan penurunan kekerasan. Nilai pH jus jeruk juga memberikan indikasi tentang keasaman buah. Kekerasan buah
menandakan informasi tekstur buah. Penurunan keasaman buah ditandai dengan penurunan konsentrasi ion hidrogen, disertai dengan penurunan kekerasan buah.
Hal itu terjadi ketika buah mengalami peningkatan kematangan. Selama pematangan buah umumnya mengalami penurunan kekerasan dan teksturnya
menjadi lebih lunak. Hal ini disebabkan oleh adanya perubahan dalam komposisi dan proses hidrasi pada dinding sel Harker dan Dunlop 1994.
y = 71.274x
3
- 602.71x
2
+ 1341.7x + 525.89
R
2
= 0.9973
5.E+02 7.E+02
9.E+02 1.E+03
1.E+03
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
R e
si st
a n
c e
o f
R
1
O h
m
y = -5959.8x
3
+ 94088x
2
- 475076x + 828756
R
2
= 0.9918
2.E+04 4.E+04
6.E+04 8.E+04
1.E+05 1.E+05
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
R e
si st
a n
c e
o f
R
2
O h
m
y = 3E+06x
3
- 3E+07x
2
+ 1E+08x - 1E+08
R
2
= 0.9983
0.E+00 2.E+06
4.E+06 6.E+06
8.E+06 1.E+07
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
R e
si st
a n
c e
o f
R
3
O h
m
y=-4E+06x
3
+5E+07x
2
- 2E+08x + 3E+08
R
2
= 0.9976
0.E+00 4.E+06
8.E+06 1.E+07
2.E+07
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
R e
si st
a n
c e
o f
R
4
O h
m
R es
is ta
ns i
R
1
R es
is ta
ns i
R
3
R es
is ta
ns i
R
4
R
es is
ta ns
i R
2
45
a b
c d Gambar 3.10 Perubahan komponen resistansi hasil pemodelan listrik buah Jeruk
Keprok Garut dengan variasi kekerasan buah. Nilai R
1
a, R
2
b, R
3
c dan R
4
d Penurunan keasaman buah jeruk berkorelasi dengan adanya peningkatan
ukuran buah dan jus content. Asam organik merupakan substrat dalam proses respirasi pada buah. Terjadinya respirasi produksi CO
2
konsumsi O
2
menunjukkan adanya penggunaan asam, terutama asam sitrat dan malat dalam proses siklus TCA asam trikarboksilat. Asam mengalami oksidasi dan ATP
dibentuk untuk sintesis komponen baru. Beberapa proses metabolisme juga terjadi selama proses ini Ladaniya 2008.
Jika dikaitkan dengan parameter kelistrikan hasil pemodelan, maka penurunan keasaman buah disertai dengan penurunan resistansi internal R
1
-R
4
dan peningkatan kapasitansi membran C
1
-C
3
sebagaimana terlihat dalam Gambar 3.9 dan 3.11. Seluruhnya menunjukkan hubungan yang tidak linier.
Penurunan resistansi internal buah berkaitan dengan peningkatan konsentrasi mobile ion di dinding sel maupun peningkatan luas penampang dinding sel terkait
dengan ketuaan buah. Resistansi sel dinding menurun selama kematangan buah dan penurunan ini terkait erat pula dengan perubahan tekstur buah. Secara grafik
y = -0.1246x
3
+ 8.9178x
2
- 185.72x + 2007
R
2
= 0.9553
5.E+02 7.E+02
9.E+02 1.E+03
1.E+03
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
R e
si st
a n
c e
o f
R
1
O h
m
y = 5.3354x
3
- 198.61x
2
+ 3612.9x + 27145
R
2
= 0.9933
2.E+04 4.E+04
6.E+04 8.E+04
1.E+05 1.E+05
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
R e
si st
a n
c e
o f
R
2
O h
m
y = -3011x
3
+ 186354x
2
- 3E+06x + 2E+07
R
2
= 0.9649
0.E+00 2.E+06
4.E+06 6.E+06
8.E+06 1.E+07
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
R e
si st
a n
c e
o f
R
3
O h
m
y=-4E+06x
3
+5E+07x
2
- 2E+08x + 3E+08
R
2
= 0.9976
0.E+00 4.E+06
8.E+06 1.E+07
2.E+07
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
R e
si st
a n
c e
o f
R
4
O h
m
Re si
st ans
i R
1
Re si
st ans
i R
2
Re si
st a
ns i
R
3
Re si
st ans
i R
4
Kekerasan N Kekerasan N
Kekerasan N Kekerasan N
46
dapat dilihat bahwa peningkatan nilai kekerasan dari buah disertai dengan meningkatkan nilai resistansi internal Gambar 3.10 dan penurunan nilai
kapasitansi membran Gambar 3.12. Penurunan resistansi internal buah dapat terkait dengan pertambahan luas permukaan dinding sel yang diindikasikan
dengan peningkatan ukuran buah Harker dan Dunlop 1994.
Selama pematangan, perubahan yang besar dapat terjadi pada dinding sel, membran dan komposisi sel Bean et al. 1960. Semua perubahan ini akan
mempengaruhi kapasitansi dari jaringan membran. Jika permeabilitas membran sitoplasma dipengaruhi sedemikian rupa oleh penghilangan polarisasi ion pada
membran, maka perubahan besar akan terjadi pada kapasitansi. Dengan demikian, efek pada membran dan permukaan bisa menjadi penyebab utama pada perubahan
resistansi dan impedansi listrik pada jeruk.
a b
c Gambar 3.11 Perubahan komponen kapasitor hasil pemodelan listrik buah Jeruk
Keprok Garut pada variasi keasaman: Nilai C
1
a, C
2
b, dan C
3
c
y =2E-11x
3
-2E-10x
2
+8E-10x -9E-10 R
2
= 0.9972
0.E+00 3.E-11
6.E-11 9.E-11
1.E-10 2.E-10
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
C a
p a
c it
a n
c e
o f
C
1
F a
ra d
y = 3E-9x
3
- 3E-8x
2
+ 1E-7x - 2E-7 R
2
= 0.9987
0.E+00 2.E-09
4.E-09 6.E-09
8.E-09
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
C a
p a
c it
a n
c e
o f
C
2
F a
ra d
y=4E-10x
3
-5E-09x
2
+2E-08x -2E-08 R
2
= 0.9935
0.E+00 3.E-10
6.E-10 9.E-10
1.E-09 2.E-09
2.50 3.00
3.50 4.00
4.50 5.00
pH
C a
p a
c it
a n
c e
o f
C
3
F a
ra d
K a
pa si
ta ns
i C
1
F
K apa
si ta
ns i
C
2
F
K apa
si ta
ns i
C
3
F
47
a b
c Gambar 3.12 Perubahan komponen kapasitor hasil pemodelan listrik buah Jeruk
Keprok Garut pada variasi kekerasan. Nilai C
1
a, C
2
b, dan C
3
c Tabel 3.2 Nilai komponen internal yang digunakan dalam pemodelan rangkaian
listrik buah Jeruk Keprok Garut pada beberapa tingkat keasaman Komponen
model listrik pH Jeruk Keprok Garut
2.86 3.15
3.34 3.96
4.15 4.18
4.60
Resistansi: biji, R
1
k
1.10 1.00
0.94 0.81
0.80 0.82
0.88 segment, R
2
k
100.00 80.00
69.60 51.00
55.00 50.00
54.00 dinding segment, R
3
M
8.00 7.00
6.18 2.30
1.50 1.00
0.90 kulit luar, R
4
M
15.00 10.00
7.71 5.00
4.70 4.00
3.00 Kapasitansi :
segment, C
1
pF 60.0
70.0 75.5
88.0 95.0
100.0 127.0
albedo, C
2
nF 1.00
3.50 4.64
5.60 5.85
5.70 6.50
flavedo, C
3
nF 0.10
0.40 0.56
0.87 0.85
0.90 1.25
y =2E-11x
3
-2E-10x
2
+8E-10x -9E- 10
R
2
= 0.9972
0.E+00 3.E-11
6.E-11 9.E-11
1.E-10 2.E-10
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
C a
p a
c it
a n
c e
o f
C
1
F a
ra d
y = 3E-9x
3
- 3E-8x
2
+ 1E-7x - 2E-7 R
2
= 0.9987 0.E+00
2.E-09 4.E-09
6.E-09 8.E-09
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
C a
p a
c it
a n
c e
o f
C
2
F a
ra d
y=4E-10x
3
-5E-09x
2
+2E-08x -2E- 08
R
2
= 0.9935
0.E+00 3.E-10
6.E-10 9.E-10
1.E-09 2.E-09
2.50 12.50
22.50 32.50
Firmness N
C ap
ac it
an ce
o f
C
3
F ar
ad K
apa si
ta ns
i C
1
F
K apa
si ta
ns i
C
2
F
K apa
si ta
ns i
C
3
F
Kekerasan N Kekerasan N
Kekerasan N
48
Kesimpulan
Interpretasi sifat listrik memberi peluang dan kesempatan untuk meninjau perilaku kematangan Jeruk Keprok Garut. Tak satu pun dari model listrik mampu
memprediksi semua perubahan perilaku secara sempurna. Pembentukan model listrik telah membantu pemahaman kita tentang karakteristik buah Jeruk Keprok
Garut. Dari model didapatkan bahwa perubahan kekerasan dan keasaman dalam buah-buahan diikuti dengan perubahan kapasitansi membran dan resistansi
komponen jaringan penyusun buah. Perubahan resistansi jaringan dan kapasitansi membran menunjukkan adanya perubahan mobilitas ion dalam sel dan perubahan
fisiologis buah selama pematangan.
BAB 4 KARAKTERISTIK SPEKTRUM KELISTRIKAN BUAH JERUK