Pencirian Film Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan
PENCIRIAN FILM BIOPLASTIK DARI TEPUNG TAPIOKA
TERPLASTISASI GLISEROL DENGAN PENAMBAHAN
KITOSAN
FINA RIANI PRAWIRA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pencirian Film
Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol Dengan Penambahan
Kitosan adalah 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, Desember 2012
Fina Riani Prawira
NIM G44104035
ABSTRAK
FINA RIANI PRAWIRA. Pencirian Film Bioplastik dari Tepung Tapioka
Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan. Dibimbing oleh TETTY
KEMALA dan AHMAD SJAHRIZA.
Plastik sintetik non-biodegradabel banyak digunakan sebagai kemasan.
Namun, limbah plastik tersebut dapat mencemari lingkungan sehingga dibuat
bioplastik yang mudah terdegradasi. Dalam penelitian ini, film kemasan paduan
tepung tapioka dan gliserol telah dibuat dengan nisbah komposisi 8:2 dan 7:3 serta
variasi konsentrasi kitosan 1, 2, dan 3%. Plastik yang dihasilkan dianalisis sifat
mekanik dengan uji kuat tarik, bobot jenis, gugus fungsi dengan spektrofotometer
inframerah transformasi Fourier, morfologi permukaan dengan mikroskop
elektron pemayaran, dan sifat termal dengan kalorimeter pemayaran diferensial.
Penambahan pemlastis didapati menurunkan bobot jenis. Paduan dengan
komposisi 8:2 pada penambahan kitosan 3% menghasilkan kuat tarik 304 MPa
dan elongasi 37%. Analisis gugus fungsi menunjukkan bahwa film merupakan
hasil pencampuran secara fisik. Permukaannya cukup homogen dan titik lelehnya
meningkat dengan penambahan kitosan. Penambahan kitosan terbukti dapat
meningkatkan sifat mekanik plastik dan diharapkan dapat terurai cepat di
lingkungan.
Kata kunci: bioplastik, kitosan, tepung tapioka
ABSTRACT
FINA RIANI PRAWIRA. Characterization of Bioplastic Films from Glycerol
Plasticized Tapioca Starch with Addition of Chitosan. Supervised by TETTY
KEMALA and AHMAD SJAHRIZA.
Non-biodegradable synthetic plastic is widely used as packaging. However,
the plastic waste can pollute the environment so that bioplastics are developed,
which are easily degraded. In this research, packaging films have been made from
glycerol and tapioca starch blends with composition ratio of 8:2 and 7:3 as well as
various concentrations of chitosan 1, 2, and 3%. The plastics produced were
analyzed for the mechanical properties by using tensile strength test, density,
functional groups based on Fourier transform infrared spectrophotometer, surface
morfology with scanning electron microscope, and thermal properties from
differential scanning calorimeter. Addition of plasticizer was found to lower the
density. Plastic with 8:2 ratio and addition of 2% chitosan yielded tensile strength
304 MPa and elongation 37%. Functional groups analysis showed that the film
was a result of physical mixing. The plastic’s surface was quite homogenous and
the melting point was increased with addition of chitosan. Addition of chitosan
could increase the mechanical properties and was expected to be easily degradated
in the environment.
Key words: bioplastic, chitosan, tapioca starch
PENCIRIAN FILM BIOPLASTIK DARI TEPUNG TAPIOKA
TERPLASTISASI GLISEROL DENGAN PENAMBAHAN
KITOSAN
FINA RIANI PRAWIRA
Skripsi
sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Pencirian Film Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol
dengan Penambahan Kitosan
Nama
: Fina Riani Prawira
NIM
: G44104035
Disetujui oleh
Drs Ahmad Sjahriza
Pembimbing II
Dr Tetty Kemala, MSi
Pembimbing I
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen Kimia
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT atas berkat limpahan rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul “Pencirian
Film Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan
Kitosan”. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr Tetty Kemala, MSi
dan Bapak Drs Achmad Sjahriza selaku pembimbing yang senantiasa memberikan
saran dan kritik yang membangun kepada penulis selama melakukan penelitian.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ayahanda tersayang Johan Arifin
Prawira, SH dan Ibunda terkasih Sri Dulaida atas doa dan kasih sayangnya.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh staf laboran Kimia
Anorganik, yaitu Pak Syawal, Pak Caca, Pak Mul, dan Ibu Nurul, staf
Laboratorium Kimia Fisik, staf Laboratorium Terpadu, serta Ibu Aah dan Mas
Eko dari Komisi Pendidikan Departemen Kimia atas fasilitas, bantuan, serta saran
yang diberikan selama melakukan penelitian.
Selain itu, penulis juga mengucapkan terima kasih khususnya kepada Arie
Sulistyono Putro dan teman-teman yang sedang melakukan penelitian di
Laboratorium Kimia Anorganik. Apresiasi juga disampaikan bagi rekan-rekan
Alih Jenis Kimia angkatan 4 atas bantuan dan dorongannya selama penelitian.
Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan.
Bogor, Desember 2012
Fina Riani Prawira
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
METODE
1
Alat dan Bahan
1
Lingkup Penelitian
2
Penentuan Bobot Jenis Plastik
2
Analisis Sifat Mekanik
3
Analisis FTIR
3
Pengamatan Morfologi dengan Mikroskop dan SEM
3
Analisis Termal dengan DSC
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Film Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan 4
Bobot Jenis
5
Sifat Mekanik
6
Perubahan Gugus Fungsi
7
Morfologi Permukaan
7
Sifat Termal
9
SIMPULAN DAN SARAN
10
Simpulan
10
Saran
10
DAFTAR PUSTAKA
11
RIWAYAT HIDUP
17
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk dumbbell
2 Film tepung tapioka dengan penambahan gliserol 7:3 (a) dan 8:2 (b)
3 Film tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a) 2% (b),
dan 3% (c)
4 Film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a) 2% (b),
dan 3% (c)
5 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan bobot jenis (g/mL): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( )dan 8:2 ( )
6 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan kuat tarik (MPa): komposisi tepung
tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
7 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan % elongasi film dengan komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
8 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a)
2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
9 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a)
2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
10 Foto permukaan tepung tapioka-gliserol nisbah 8:2 dengan konsentrasi kitosan
2% (perbesaran 5000×)
11 Termogram tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
12 Termogram tepung tapioka:gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 2%
3
4
5
5
6
6
7
8
8
9
9
10
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Bagan alir penelitian
Hasil analisis bobot jenis film
Analisis kuat tarik dan elongasi
Spektrum FTIR
Hasil analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
12
13
14
15
17
PENDAHULUAN
Penumpukan plastik sintetik non-biodegradabel yang tidak dapat diurai
dapat mencemari lingkungan sehingga dibuat plastik biodegradabel yang mudah
terurai oleh mikroorganisme di alam. Plastik biodegradabel adalah suatu material
polimer yang mengalami penurunan bobot molekul akibat proses penguraian
melalui metabolisme mikrob secara alami (Seal dan Griffin 1994). Penyusun
plastik biodegradabel di antaranya ialah hidrokoloid (polisakarida, protein), lipid
(lilin lebah, asam lemak), atau campuran keduanya (Zhong dan Xia 2008).
Pati merupakan polisakarida yang terdiri atas amilosa dan amilopektin.
Amilosa merupakan polimer rantai linear dari unit-unit glukosa yang ditautkan
dengan ikatan α-1,4-glikosidik. Amilopektin merupakan amilosa dengan
percabangan α-1,6-glikosidik (Beninca et al. 2008). Sumber pati yang digunakan
dalam penelitian ini ialah tepung tapioka yang berasal dari ubi kayu. Penelitian
terkait plastik tapioka telah banyak dikembangkan, antara lain tepung tapioka dan
lilin lebah (Irianto et al. 2006), pati-polistirena (Kemala et al. 2010), serta pati
tapioka dengan pemlastis gliserol (Hasanah 2012).
Pati murni memiliki beberapa kelemahan untuk menggantikan plastik
sintetik. Pati larut dalam air dan rapuh apabila dijadikan bioplastik sehingga perlu
pemlastis (Yu et al. 2006). Pemlastis seperti gliserol diharapkan mampu
menghasilkan plastik yang kuat dan fleksibel. Menurut Hasanah (2012), pati
terplastisasi gliserol menghasilkan plastik yang homogen, elastis, dan tidak rapuh,
namun sifat mekaniknya masih rendah. Pembuatan film berbahan dasar kitosan,
pati tapioka, dan gelatin dengan penambahan gliserol telah dilakukan oleh Zhong
dan Xia (2008) yang menghasilkan sifat mekanik yang rendah, yaitu kuat tarik
berkisar antara 10 dan 40 MPa.
Penelitian modifikasi Zhong dan Xia (2008) tanpa penambahan gelatin dan
modifikasi Hasanah (2012) dengan penambahan kitosan perlu dilakukan untuk
meningkatkan sifat mekanik film yang dihasilkan dan bersifat ramah lingkungan.
Kitosan mudah didapatkan dari limbah cangkang udang, kepiting, rajungan, dan
krustasea lainnya. Selama ini, limbah udang di Indonesia hanya dimanfaatkan
sebagai pakan ternak (Sugita et al. 2009). Hasil penelitian ini diharapkan dapat
menjadi alternatif pengemas makanan yang aman bagi kesehatan manusia dan
mampu terdegradasi oleh mikrob di lingkungan serta dapat mengurangi
penggunaan plastik sintetik non-biodegradabel.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah peralatan kaca, neraca analitik, oven,
piknometer, alat uji tarik Tenso lab-MEY, spektrofotometer inframerah
transformasi Fourier (FTIR) IR Prestige-21 Shimadzu, mikroskop elektron
pemayaran (SEM) JEOL JSM-6360LA, mikroskop cahaya (Kruss optical
Germany), dan kalorimetri pemayaran diferensial (DSC) Perkin Elmer Precisely.
2
Bahan-bahan yang digunakan adalah tepung tapioka (teknis), gliserol
(Merck®), kitosan dari Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan IPB Bogor, asam
asetat glasial, dan akuades.
Lingkup Penelitian
Tahapan penelitian meliputi penelitian pendahuluan untuk mencari
komposisi terbaik tepung tapioka-gliserol dan penelitian utama, yaitu variasi
penambahan kitosan untuk mendapatkan konsentrasi terbaik. Film yang
dihasilkan dianalisis, meliputi bobot jenis, sifat mekanik, perubahan gugus fungsi
dengan spektrofotometer FTIR, sifat termal dengan DSC, serta morfologi
permukaan dengan SEM dan mikroskop cahaya. Diagram alir penelitian disajikan
dalam Lampiran 1.
Pembuatan Plastik Polipaduan Pati Tapioka-Kitosan
(modifikasi Zhong dan Xia 2008, Hasanah 2012)
Campuran tepung tapioka dan gliserol disiapkan dengan nisbah 7:3 dan 8:2.
Tepung tapioka yang sudah ditimbang ditambahkan akuades dan diaduk sampai
homogen, lalu ditambahkan gliserol dan diaduk kembali hingga homogen sambil
dipanaskan sampai suhu 40 oC. Kitosan dengan konsentrasi 1, 2, dan 3% dalam
asam asetat 1% dimasukkan ke dalam campuran tepung tapioka-gliserol,
kemudian diaduk sampai homogen dan mengental pada suhu 70 °C. Paduan yang
terbentuk didiamkan selama kira-kira 4 jam agar terbebas dari gelembung udara,
selanjutnya dicetak di atas pelat kaca dengan ukuran tertentu dan dikeringkan
dalam oven pada suhu 70 °C selama 4−5 jam sebelum dibiarkan pada suhu kamar
selama 24 jam. Setelah kering film dilepaskan dari pelat kaca.
Penentuan Bobot Jenis Plastik (Kemala et al. 2010)
Piknometer ditimbang bobot kosongnya, W0. Piknometer kosong
dimasukkan contoh dan ditimbang bobotnya, W1, lalu ditambahkan akuades dan
ditimbang kembali bobotnya, W2. Bobot piknometer berisi akuades juga
ditimbang, W3. Bobot jenis contoh ditentukan dengan menggunakan persamaan 1.
Keterangan:
D
D1
Da
: bobot jenis contoh (g/mL)
: bobot jenis air (g/mL)
: bobot jenis pada suhu percobaan (g/mL)
3
Analisis Sifat Mekanik (ASTM D 638 2005)
Film yang akan dianalisis dipotong dengan ukuran panjang 30 mm dan lebar
10 mm, dibuat dalam bentuk dumbbell (Gambar 1).
Gambar 1 Bentuk dumbbell
Spesimen dijepit pada alat uji tarik universal dan ditarik dengan kecepatan
konstan. Panjang awal dicatat dan ujung tinta pencatat diletakkan pada posisi 0
pada grafik. Tombol start dinyalakan dan alat akan menarik contoh uji sampai
putus. Elongasi (perpanjangan) diukur dengan cara yang sama dengan kuat tarik.
Besarnya kuat tarik dan elongasi dihitung dengan menggunakan persamaan 2 dan
3.
τ
..... (2)
Keterangan:
τ = kuat tarik (MPa)
Fmaks = tegangan maksimum (N)
A
= luas penampang lintang (mm2)
…. (3)
Keterangan:
%E = perpanjangan putus (%)
∆L = pertambahan panjang spesimen (mm)
L0 = panjang spesimen awal (mm)
Analisis FTIR (Averous 2004)
Sampel ditempatkan dalam tempat contoh, kemudian dibuat spektrum
hubungan bilangan gelombang dengan persen transmitans. Spektrum FTIR dari
paduan tepung tapioka-kitosan direkam dengan menggunakan spektrofotometer
pada suhu 20 °C.
Pengamatan Morfologi dengan Mikroskop dan SEM
Permukaan sampel diamati menggunakan mikroskop cahaya. Sampel
diletakkan pada tempat objek, kemudian diatur cahaya, fokus, dan perbesarannya
hingga permukaan sampel dapat teramati dengan baik. Pengamatan morfologi
juga dilakukan dengan menggunakan SEM. Sampel yang berupa film diletakkan
4
pada tempat sampel dengan perekat ganda dan dilapisi dengan logam emas pada
keadaan vakum. Sampel diamati dengan tegangan 10 kV kemudian gambar yang
diperoleh dicetak.
Analisis Termal dengan DSC
Sampel sebanyak 8−10 mg ditempatkan di dalam krus kuarsa yang terletak
di dalam tungku pemanas (furnace) pada alat DSC. Pengukuran dilakukan pada
rentang suhu 50−350 ºC dengan kecepatan 20 ºC/menit. Data yang dihasilkan
berbentuk termogram.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Film Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan
Film dari tepung tapioka terplastisasi gliserol tanpa penambahan kitosan
(Gambar 2) secara visual (dengan menggunakan kamera digital) memiliki
permukaan yang halus, homogen dan transparan. Hasil ini sesuai dengan hasil
penelitian Hasanah (2012): film pati tapioka dengan pemlastis menunjukkan film
yang homogen, elastis, dan tidak rapuh.
(a)
(b)
Gambar 2 Film tepung tapioka dengan penambahan gliserol 7:3 (a) dan 8:2 (b)
Film dari tepung tapioka terplastisasi gliserol dengan penambahan kitosan
ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4. Komposisi tepung tapioka-gliserol 7:3
menghasilkan film yang terlihat transparan (Gambar 3). Namun, film dengan
penambahan kitosan 2% (Gambar 3b) terlihat lebih transparan dibandingkan
dengan penambahan kitosan 1% dan 3% (Gambar 3a dan 3c). Film pada Gambar
3a terasa lebih elastis dibandingkan dengan Gambar 3b dan 3c. Hal ini disebabkan
penambahan kitosan yang lebih sedikit.
5
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Film tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a), 2% (b),
dan 3% (c)
Komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan juga
menghasilkan film yang transparan (Gambar 4). Film yang dihasilkan dengan
penambahan kitosan 1% (Gambar 4a) lebih transparan dibandingkan dengan
penambahan kitosan 2% dan 3% (Gambar 4b dan 4c). Film pada Gambar 4b lebih
homogen daripada Gambar 4a dan 4c.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4 Film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a), 2% (b),
dan 3% (c)
Bobot Jenis
Bobot jenis paduan bioplastik yang dihasilkan berhubungan dengan sifat
mekaniknya. Bobot jenis film tepung tapioka-gliserol 8:2 lebih tinggi
dibandingkan dengan film tepung tapioka-gliserol 7:3 (Gambar 5). Bobot jenis
film tertinggi dimiliki film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan
kitosan 3%, yaitu 1.8917 g/mL (Lampiran 2). Penambahan kitosan sangat
meningkatkan bobot jenis film. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya keteraturan
susunan molekul dalam paduan. Akan tetapi, meningkatkan konsentrasi kitosan
tidak secara signifikan meningkatkan bobot jenis film.
Penambahan pemlastis juga sedikit meningkatkan bobot jenis film.
Pemlastis dapat menurunkan gaya tarik-menarik antarrantai polimer sehingga
kerapatannya berkurang. Bobot jenis suatu polimer akan meningkat apabila kuat
tarik, kekerasan, dan kekakuannya meningkat (Kemala et al. 2010). Semakin
tinggi bobot jenis suatu bahan, struktur molekul bahan tersebut semakin rapat,
maka semakin kuat bahan yang dihasilkan (Syamsu et al. 2008).
6
Gambar 5 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan bobot jenis (g/mL): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
Sifat Mekanik
Analisis sifat mekanik dilakukan dengan mengukur kuat tarik dan elongasi.
Kuat tarik merupakan salah satu sifat mekanik suatu bahan polimer, yaitu
besarnya gaya yang diberikan sebelum putus, sedangkan elongasi merupakan
pertambahan panjang suatu polimer sebelum akhirnya putus akibat menerima
gaya regangan. Kuat tarik diukur bersamaan dengan elongasi. Hasil kuat tarik
ditunjukkan pada Gambar 6 dan Lampiran 3. Nilai kuat tarik tertinggi dihasilkan
oleh paduan tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan konsentrasi kitosan 3%, yaitu 304
MPa.
350
Kuat tarik (MPa)
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
Konsentrasi kitosan (%)
Gambar 6 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan kuat tarik (MPa): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
7
Berdasarkan Gambar 6, semakin banyak kitosan yang ditambahkan, kuat
tarik yang dihasilkan semakin besar. Hal ini disebabkan keteraturan struktur
polimer yang dihasilkan semakin meningkat. Penambahan pemlastis juga didapati
menurunkan kuat tarik bioplastik karena jarak antarikatan polimer menjadi
berjauhan (Harris 1999).
Hasil elongasi dapat dilihat pada Gambar 7 dan Lampiran 3. Elongasi
tertinggi diperoleh pada paduan tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan konsentrasi
kitosan 1%, yaitu 37%. Penambahan kitosan menurunkan elongasi dan hal ini
seiring dengan meningkatnya kuat tarik. Penurunan elongasi juga disebabkan
penambahan kitosan membuat kerapatan paduan semakin meningkat.
Penambahan jumlah pemlastis juga berpengaruh meningkatkan hasil elongasi.
Peningkatan akan terjadi selama masih ada interaksi molekular dengan pemlastis
yang ditunjukkan dengan semakin elastisnya suatu bahan polimer (Syamsu et al.
2008).
Gambar 7 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan % elongasi film dengan komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
Perubahan Gugus Fungsi
Gugus fungsi pada bioplastik yang dihasilkan dibandingkan dengan setiap
komponen penyusunnya. Pembandingan dilakukan berdasarkan spektrum FTIR
pada Lampiran 4 dan hasilnya ditunjukkan pada Lampiran 5. Berdasarkan
Lampiran 5, spektrum FTIR polipaduan tepung tapioka-kitosan terplastisasi
gliserol tidak menunjukkan adanya gugus fungsi baru setelah penambahan
kitosan, maka film yang dihasilkan merupakan hasil pencampuran secara fisik.
Morfologi Permukaan
Morfologi permukaan dianalisis dengan mikroskop cahaya dan SEM. Foto
mikroskop film paduan tepung tapioka-kitosan ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9.
8
Film dengan komposisi tepung tapioka-gliserol 7:3 secara keseluruhan terlihat
transparan/lebih jernih (Gambar 8). Film dengan penambahan kitosan 2%
(Gambar 8b) tampak lebih jernih, transparan, dan tidak ditemukan adanya
gelembung udara dibandingkan dengan penambahan kitosan 1 dan 3% (Gambar
8a dan 8c). Gambar 8a dan 8c masih memperlihatkan serpihan-serpihan kitosan
yang belum larut sempurna. Film dikatakan homogen jika tidak terlihat lagi
perbedaan antara komponen-komponen penyusunnya, baik dalam bentuk, ukuran,
maupun warna karena semua komponennya telah tercampur secara merata
(Rosida 2007).
(a)
(b)
(c)
Gambar 8 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 7:3 dengan penambahan kitosan 1%
(a), 2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
(a)
(b)
(c)
Gambar 9 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
(a), 2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
Film dengan komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 secara keseluruhan juga
terlihat transparan (Gambar 9), dengan penambahan kitosan 2% menghasilkan
film yang terlihat lebih homogen (Gambar 9b). Film dengan komposisi 8:2 lebih
keras dan kaku dibandingkan dengan komposisi 7:3. Hal ini sesuai dengan hasil
kuat tarik yang meningkat dengan semakin banyaknya penambahan kitosan.
Selain penambahan kitosan, penambahan pemlastis harus disesuaikan dengan
karakteristik fisikokimia bahan utama lainnya yang terlibat dalam pembentukan
film. Semakin sedikit pemlastis yang ditambahkan, film yang dihasilkan akan
semakin kaku dan retak (Mustika 1999).
Analisis morfologi dengan SEM bertujuan menentukan homogenitas film,
struktur permukaan, retakan dan kehalusan permukaan hasil paduan. Hasil analisis
SEM dengan perbesaran 5000× dapat dilihat pada Gambar 10 untuk film dengan
komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dan penambahan kitosan 2%. Gambar 10
menunjukkan bahwa paduan yang dihasilkan sudah homogen. Hal ini ditunjukkan
dengan distribusi kitosan dalam bentuk granul yang sudah seragam dan tersebar
merata di semua bagian permukaan.
9
Gambar 10 Foto permukaan tepung tapioka-gliserol nisbah 8:2 dengan konsentrasi
kitosan 2% (perbesaran 5000×)
Sifat Termal
Termogram DSC pada nisbah tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan
penambahan kitosan 1% (Gambar 11) dan 2% (Gambar 12) menunjukkan titik
leleh berturut-turut pada suhu 113.03 dan 141.96 °C. Kenaikan titik leleh
disebabkan penambahan konsentrasi kitosan dapat meningkatkan keteraturan
molekul film paduan. Hal ini sejalan dengan hasil analisis bobot jenis dan kuat
tarik yang meningkat dengan penambahan kitosan. Pemlastis dapat menurunkan
interaksi antarmolekul pada rantai polimer (Kemala et al. 2010).
Gambar 11 Termogram tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
10
Gambar 12 Termogram tepung tapioka:gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 2%
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Bobot jenis dan kuat tarik film paduan tepung tapioka-kitosan terplastisasi
gliserol meningkat seiring bertambahnya jumlah kitosan, dengan nilai tertinggi
diperoleh pada komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan konsentrasi kitosan
3%, berturut-turut 1.8917 g/mL dan 304 MPa. Seiring dengan meningkatnya kuat
tarik, elongasi bioplastik menurun. Analisis spektrum FTIR menunjukkan bahwa
pencampuran terjadi secara fisik. Foto SEM menunjukkan morfologi permukaan
yang merata dan homogen. Hasil analisis termal menunjukkan kenaikan titik leleh
dengan penambahan kitosan. Penelitian ini mengindikasikan penambahan kitosan
dapat meningkatkan sifat mekanik bioplastik yang dihasilkan dan berpotensi
dijadikan sebagai plastik biodegradabel setelah melalui uji biodegrabilitas.
Saran
Penelitian dilanjutkan dengan uji biodegradabilitas dalam skala
laboratorium untuk mengukur keteruraian film bioplastik oleh mikroorganisme.
Selain itu, perlu dilakukan uji permeabilitas untuk mengetahui ketahanan
bioplastik terhadap air dan analisis XRD untuk mengetahui kristalinitas bioplastik.
DAFTAR PUSTAKA
[ASTM] American Society for Testing and Materials. 2005. ASTM D638 2005.
Standard Test Methods For Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting.
Philadelphia (US): ASTM.
Averous L. 2004. Biodegradable multiphase systems based on plasticized starch:
review. Macromol Sci. 12(2):123-130.
Beninca C, Demiate IM, Lacerda LG, Carvalho-Filho MAS, Ionashiro M,
Schnitzler E. 2008. Thermal behavior of corn starch granules modified by
acid treatment at 30 and 50 °C. Eclet Quim. 33:1-3.
Harris H. 1999. Kajian teknik formulasi terhadap karakteristik edible film dari pati
ubi kayu, aren, dan sagu untuk pengemas produk pangan semi basah
[disertasi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Hasanah N. 2012. Pembuatan dan pencirian plastik pati tapioka dengan pemlastis
gliserol [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Kemala T, Fahmi MS, Achmadi SS. 2010. Pembuatan dan pencirian polipaduan
polistirena-pati. Indones J Mat Sci. 12(1): 30-35.
Mustika T. 1999. Kajian awal proses polimerisasi film bioplastic dengan bahan
dasar khitosan [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS. 2001. Introduction to Spectroscopy. Ed ke-3.
Washington (US): Thomson Learning.
Sugita P, Wukirsari T, Sjahriza A, Wahyono D. 2009. Kitosan Sumber
Biomaterial Masa Depan. Bogor (ID): IPB.
Rosida A. 2007. Pencirian polipaduan poli(asam laktat) dengan polikaprolakton
[skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Seal KJ, Griffin GJL. 1994. Test Methods and Standards for Biodegradable
Plastic. Di dalam: Chemistry and Technology of Biodegradable Polymer.
London (UK): Blackie Academic and Proffesional.
Syamsu K, Pandji C, Waldi J. 2008. Karakterisasi bioplastik poli-βhidroksialkanoat yang dihasilkan oleh Ralstonia eutropha pada substrat
hidrolisat pati sagu dengan pemlastis isopropil palmitat. J Teknol Pertan.
3(2):68-78.
Yu L, Dean K, Li L. 2006. Polymer blends and composites from renewable
resources. Prog Polym Sci. 31:476-602.
Zhong QP, Xia WS. 2008. Physicochemical properties of edible and preservative
film from chitosan/cassava startch/gelatin blend plasticized with glyserol.
Food Technol Biotechnol. 46(3):262-269.
12
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
Kitosan
Dilarutkan dalam 100 mL asam
asetat 1% (b/v) konsentrasi 1, 2, 3%
Diaduk sampai homogen
Penambahan pati-gliserol
(8:2 ; 7:3)
Polipaduan
Penghilangan
gelembung udara
Pengeringan oven
70 °C, 4−5 jam
Pencetakan pada pelat
kaca
Pelepasan film
Pengeringan suhu
ruang
Film tipis
Analisis morfologi
Analisis bobot jenis
Analisis kuat tarik
Analisis termal
Analisis gugus fungsi
13
Lampiran 2 Hasil analisis bobot jenis film
a. Sebelum penambahan kitosan
Komposisi
W0
W1
W2
W3
Densitas
film
(g)
(g)
(g)
(g)
(g/mL)
11.4845 11.4969 21.4489 21.4994 0.1974
7:3
11.4845 11.4972 21.4483 21.4994 0.1993
8:2
b. Setelah penambahan kitosan
Komposisi
film
Konsentrasi
kitosan
(%)
W0
(g)
W1
(g)
W2
(g)
W3
(g)
Densitas
(g/mL)
1
2
3
1
2
3
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4870
11.4872
11.4876
11.4880
11.4881
11.4883
21.5005
21.5006
21.5008
21.5010
21.5011
21.5012
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
1.7779
1.7922
1.8155
1.8341
1.8864
1.8917
7:3
8:2
Contoh perhitungan:
Suhu pada saat percobaan 28 °C
W0 = 11.4845 g
D1 = 0.99623 g/mL
Da = 0.00125 g/mL
D = 1.7779 g/mL
14
Lampiran 3 Analisis kuat tarik dan elongasi
0.11
0.11
0.08
Panjang
awal
(mm)
30
30
30
Panjang
akhir
(mm)
48.65
41.10
38.75
3
0.09
30
1
2
0.11
0.06
0.05
3
0.05
Komposisi
film
Kitosan
(%)
Ketebalan
(mm)
7:3
1
2
8:2
Keterangan: Panjang : 30 mm
Lebar : 10 mm
Contoh Perhitungan:
τ
30.8914 MPa
35
108
120
Kuat
tarik
(MPa)
30.90
98.20
150.00
38.25
169
187.78
27.50
30
30
30
49.05
37.90
36.85
52
130
143
45.90
216.67
286.00
63.50
26.33
22.83
30
35.85
152
304.00
19.50
Gaya
(N)
%
elongasi
62.17
37.00
29.17
15
Lampiran 4 Spektrum FTIR
Tepung tapioka
Gliserol
16
lanjutan Lampiran 4
Tepung tapioka:gliserol (8:2)
Kitosan
17
lanjutan Lampiran 4
Tepung tapioka:gliserol (8:2) dengan penambahan kitosan 2%
Lampiran 5 Hasil analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
Sampel
Tepung Tapioka
Gliserol
Tepung tapioka
dengan gliserol
Kitosan
Tepung tapiokagliserol-kitosan
Pustaka
Bilangan gelombang
(cm-1)
Gugus fungsi
3375,43
O−H
3200−3400
2931,8
regangan C−H
3000−2850
1334,74
1010,7
3452,48
tekuk C−H
C−O−C
O−H
1375−1450
1000−1300
3200−3400
2941,44
3363,86
2931,8
regangan CH
O−H
regangan CH
regangan
C−O−C
regangan N−H
regangan CH
tekuk N−H
tekuk C−H
O−H
regangan CH
2850−3000
3200−3400
2850−3000
1153,43
3289,76
2925,28
1560,1
1412,54
3387
2927,94
1597,06
1242,16
(pavia et al 2001)
tekuk N−H
regangan
C−O−C
1000−1300
3100−3500
2850−3000
1550−1640
1375−1450
3200−3400
2850−3000
1550−1640
1000−1300
18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Medan pada tanggal 7 September 1989 dari Bapak
Johan Arifin Prawira dan Ibunda Sri Dulaida. Penulis adalah putri kedua dari lima
bersaudara. Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Wiyata Dharama Medan dan
pada tahun yang sama penulis lulus seleksi penerimaan mahasiswa Diploma 3
Analis Kimia di Universitas Sumatera Utara (USU) Medan. Penulis pernah
mengikuti praktik kerja lapangan di Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan
dengan judul Analisa Unsur Hara Besi (Fe) yang Terkandung di dalam Sampel
Tanah Kelapa Sawit. Pada tahun 2010, penulis lulus D3 dan pada tahun yang
sama masuk ke Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Seleksi Penerimaan
Mahasiswa Baru Alih Jenis dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
TERPLASTISASI GLISEROL DENGAN PENAMBAHAN
KITOSAN
FINA RIANI PRAWIRA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pencirian Film
Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol Dengan Penambahan
Kitosan adalah 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, Desember 2012
Fina Riani Prawira
NIM G44104035
ABSTRAK
FINA RIANI PRAWIRA. Pencirian Film Bioplastik dari Tepung Tapioka
Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan. Dibimbing oleh TETTY
KEMALA dan AHMAD SJAHRIZA.
Plastik sintetik non-biodegradabel banyak digunakan sebagai kemasan.
Namun, limbah plastik tersebut dapat mencemari lingkungan sehingga dibuat
bioplastik yang mudah terdegradasi. Dalam penelitian ini, film kemasan paduan
tepung tapioka dan gliserol telah dibuat dengan nisbah komposisi 8:2 dan 7:3 serta
variasi konsentrasi kitosan 1, 2, dan 3%. Plastik yang dihasilkan dianalisis sifat
mekanik dengan uji kuat tarik, bobot jenis, gugus fungsi dengan spektrofotometer
inframerah transformasi Fourier, morfologi permukaan dengan mikroskop
elektron pemayaran, dan sifat termal dengan kalorimeter pemayaran diferensial.
Penambahan pemlastis didapati menurunkan bobot jenis. Paduan dengan
komposisi 8:2 pada penambahan kitosan 3% menghasilkan kuat tarik 304 MPa
dan elongasi 37%. Analisis gugus fungsi menunjukkan bahwa film merupakan
hasil pencampuran secara fisik. Permukaannya cukup homogen dan titik lelehnya
meningkat dengan penambahan kitosan. Penambahan kitosan terbukti dapat
meningkatkan sifat mekanik plastik dan diharapkan dapat terurai cepat di
lingkungan.
Kata kunci: bioplastik, kitosan, tepung tapioka
ABSTRACT
FINA RIANI PRAWIRA. Characterization of Bioplastic Films from Glycerol
Plasticized Tapioca Starch with Addition of Chitosan. Supervised by TETTY
KEMALA and AHMAD SJAHRIZA.
Non-biodegradable synthetic plastic is widely used as packaging. However,
the plastic waste can pollute the environment so that bioplastics are developed,
which are easily degraded. In this research, packaging films have been made from
glycerol and tapioca starch blends with composition ratio of 8:2 and 7:3 as well as
various concentrations of chitosan 1, 2, and 3%. The plastics produced were
analyzed for the mechanical properties by using tensile strength test, density,
functional groups based on Fourier transform infrared spectrophotometer, surface
morfology with scanning electron microscope, and thermal properties from
differential scanning calorimeter. Addition of plasticizer was found to lower the
density. Plastic with 8:2 ratio and addition of 2% chitosan yielded tensile strength
304 MPa and elongation 37%. Functional groups analysis showed that the film
was a result of physical mixing. The plastic’s surface was quite homogenous and
the melting point was increased with addition of chitosan. Addition of chitosan
could increase the mechanical properties and was expected to be easily degradated
in the environment.
Key words: bioplastic, chitosan, tapioca starch
PENCIRIAN FILM BIOPLASTIK DARI TEPUNG TAPIOKA
TERPLASTISASI GLISEROL DENGAN PENAMBAHAN
KITOSAN
FINA RIANI PRAWIRA
Skripsi
sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Pencirian Film Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol
dengan Penambahan Kitosan
Nama
: Fina Riani Prawira
NIM
: G44104035
Disetujui oleh
Drs Ahmad Sjahriza
Pembimbing II
Dr Tetty Kemala, MSi
Pembimbing I
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen Kimia
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT atas berkat limpahan rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul “Pencirian
Film Bioplastik dari Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan
Kitosan”. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr Tetty Kemala, MSi
dan Bapak Drs Achmad Sjahriza selaku pembimbing yang senantiasa memberikan
saran dan kritik yang membangun kepada penulis selama melakukan penelitian.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ayahanda tersayang Johan Arifin
Prawira, SH dan Ibunda terkasih Sri Dulaida atas doa dan kasih sayangnya.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh staf laboran Kimia
Anorganik, yaitu Pak Syawal, Pak Caca, Pak Mul, dan Ibu Nurul, staf
Laboratorium Kimia Fisik, staf Laboratorium Terpadu, serta Ibu Aah dan Mas
Eko dari Komisi Pendidikan Departemen Kimia atas fasilitas, bantuan, serta saran
yang diberikan selama melakukan penelitian.
Selain itu, penulis juga mengucapkan terima kasih khususnya kepada Arie
Sulistyono Putro dan teman-teman yang sedang melakukan penelitian di
Laboratorium Kimia Anorganik. Apresiasi juga disampaikan bagi rekan-rekan
Alih Jenis Kimia angkatan 4 atas bantuan dan dorongannya selama penelitian.
Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan.
Bogor, Desember 2012
Fina Riani Prawira
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
METODE
1
Alat dan Bahan
1
Lingkup Penelitian
2
Penentuan Bobot Jenis Plastik
2
Analisis Sifat Mekanik
3
Analisis FTIR
3
Pengamatan Morfologi dengan Mikroskop dan SEM
3
Analisis Termal dengan DSC
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Film Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan 4
Bobot Jenis
5
Sifat Mekanik
6
Perubahan Gugus Fungsi
7
Morfologi Permukaan
7
Sifat Termal
9
SIMPULAN DAN SARAN
10
Simpulan
10
Saran
10
DAFTAR PUSTAKA
11
RIWAYAT HIDUP
17
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk dumbbell
2 Film tepung tapioka dengan penambahan gliserol 7:3 (a) dan 8:2 (b)
3 Film tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a) 2% (b),
dan 3% (c)
4 Film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a) 2% (b),
dan 3% (c)
5 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan bobot jenis (g/mL): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( )dan 8:2 ( )
6 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan kuat tarik (MPa): komposisi tepung
tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
7 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan % elongasi film dengan komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
8 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a)
2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
9 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a)
2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
10 Foto permukaan tepung tapioka-gliserol nisbah 8:2 dengan konsentrasi kitosan
2% (perbesaran 5000×)
11 Termogram tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
12 Termogram tepung tapioka:gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 2%
3
4
5
5
6
6
7
8
8
9
9
10
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Bagan alir penelitian
Hasil analisis bobot jenis film
Analisis kuat tarik dan elongasi
Spektrum FTIR
Hasil analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
12
13
14
15
17
PENDAHULUAN
Penumpukan plastik sintetik non-biodegradabel yang tidak dapat diurai
dapat mencemari lingkungan sehingga dibuat plastik biodegradabel yang mudah
terurai oleh mikroorganisme di alam. Plastik biodegradabel adalah suatu material
polimer yang mengalami penurunan bobot molekul akibat proses penguraian
melalui metabolisme mikrob secara alami (Seal dan Griffin 1994). Penyusun
plastik biodegradabel di antaranya ialah hidrokoloid (polisakarida, protein), lipid
(lilin lebah, asam lemak), atau campuran keduanya (Zhong dan Xia 2008).
Pati merupakan polisakarida yang terdiri atas amilosa dan amilopektin.
Amilosa merupakan polimer rantai linear dari unit-unit glukosa yang ditautkan
dengan ikatan α-1,4-glikosidik. Amilopektin merupakan amilosa dengan
percabangan α-1,6-glikosidik (Beninca et al. 2008). Sumber pati yang digunakan
dalam penelitian ini ialah tepung tapioka yang berasal dari ubi kayu. Penelitian
terkait plastik tapioka telah banyak dikembangkan, antara lain tepung tapioka dan
lilin lebah (Irianto et al. 2006), pati-polistirena (Kemala et al. 2010), serta pati
tapioka dengan pemlastis gliserol (Hasanah 2012).
Pati murni memiliki beberapa kelemahan untuk menggantikan plastik
sintetik. Pati larut dalam air dan rapuh apabila dijadikan bioplastik sehingga perlu
pemlastis (Yu et al. 2006). Pemlastis seperti gliserol diharapkan mampu
menghasilkan plastik yang kuat dan fleksibel. Menurut Hasanah (2012), pati
terplastisasi gliserol menghasilkan plastik yang homogen, elastis, dan tidak rapuh,
namun sifat mekaniknya masih rendah. Pembuatan film berbahan dasar kitosan,
pati tapioka, dan gelatin dengan penambahan gliserol telah dilakukan oleh Zhong
dan Xia (2008) yang menghasilkan sifat mekanik yang rendah, yaitu kuat tarik
berkisar antara 10 dan 40 MPa.
Penelitian modifikasi Zhong dan Xia (2008) tanpa penambahan gelatin dan
modifikasi Hasanah (2012) dengan penambahan kitosan perlu dilakukan untuk
meningkatkan sifat mekanik film yang dihasilkan dan bersifat ramah lingkungan.
Kitosan mudah didapatkan dari limbah cangkang udang, kepiting, rajungan, dan
krustasea lainnya. Selama ini, limbah udang di Indonesia hanya dimanfaatkan
sebagai pakan ternak (Sugita et al. 2009). Hasil penelitian ini diharapkan dapat
menjadi alternatif pengemas makanan yang aman bagi kesehatan manusia dan
mampu terdegradasi oleh mikrob di lingkungan serta dapat mengurangi
penggunaan plastik sintetik non-biodegradabel.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah peralatan kaca, neraca analitik, oven,
piknometer, alat uji tarik Tenso lab-MEY, spektrofotometer inframerah
transformasi Fourier (FTIR) IR Prestige-21 Shimadzu, mikroskop elektron
pemayaran (SEM) JEOL JSM-6360LA, mikroskop cahaya (Kruss optical
Germany), dan kalorimetri pemayaran diferensial (DSC) Perkin Elmer Precisely.
2
Bahan-bahan yang digunakan adalah tepung tapioka (teknis), gliserol
(Merck®), kitosan dari Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan IPB Bogor, asam
asetat glasial, dan akuades.
Lingkup Penelitian
Tahapan penelitian meliputi penelitian pendahuluan untuk mencari
komposisi terbaik tepung tapioka-gliserol dan penelitian utama, yaitu variasi
penambahan kitosan untuk mendapatkan konsentrasi terbaik. Film yang
dihasilkan dianalisis, meliputi bobot jenis, sifat mekanik, perubahan gugus fungsi
dengan spektrofotometer FTIR, sifat termal dengan DSC, serta morfologi
permukaan dengan SEM dan mikroskop cahaya. Diagram alir penelitian disajikan
dalam Lampiran 1.
Pembuatan Plastik Polipaduan Pati Tapioka-Kitosan
(modifikasi Zhong dan Xia 2008, Hasanah 2012)
Campuran tepung tapioka dan gliserol disiapkan dengan nisbah 7:3 dan 8:2.
Tepung tapioka yang sudah ditimbang ditambahkan akuades dan diaduk sampai
homogen, lalu ditambahkan gliserol dan diaduk kembali hingga homogen sambil
dipanaskan sampai suhu 40 oC. Kitosan dengan konsentrasi 1, 2, dan 3% dalam
asam asetat 1% dimasukkan ke dalam campuran tepung tapioka-gliserol,
kemudian diaduk sampai homogen dan mengental pada suhu 70 °C. Paduan yang
terbentuk didiamkan selama kira-kira 4 jam agar terbebas dari gelembung udara,
selanjutnya dicetak di atas pelat kaca dengan ukuran tertentu dan dikeringkan
dalam oven pada suhu 70 °C selama 4−5 jam sebelum dibiarkan pada suhu kamar
selama 24 jam. Setelah kering film dilepaskan dari pelat kaca.
Penentuan Bobot Jenis Plastik (Kemala et al. 2010)
Piknometer ditimbang bobot kosongnya, W0. Piknometer kosong
dimasukkan contoh dan ditimbang bobotnya, W1, lalu ditambahkan akuades dan
ditimbang kembali bobotnya, W2. Bobot piknometer berisi akuades juga
ditimbang, W3. Bobot jenis contoh ditentukan dengan menggunakan persamaan 1.
Keterangan:
D
D1
Da
: bobot jenis contoh (g/mL)
: bobot jenis air (g/mL)
: bobot jenis pada suhu percobaan (g/mL)
3
Analisis Sifat Mekanik (ASTM D 638 2005)
Film yang akan dianalisis dipotong dengan ukuran panjang 30 mm dan lebar
10 mm, dibuat dalam bentuk dumbbell (Gambar 1).
Gambar 1 Bentuk dumbbell
Spesimen dijepit pada alat uji tarik universal dan ditarik dengan kecepatan
konstan. Panjang awal dicatat dan ujung tinta pencatat diletakkan pada posisi 0
pada grafik. Tombol start dinyalakan dan alat akan menarik contoh uji sampai
putus. Elongasi (perpanjangan) diukur dengan cara yang sama dengan kuat tarik.
Besarnya kuat tarik dan elongasi dihitung dengan menggunakan persamaan 2 dan
3.
τ
..... (2)
Keterangan:
τ = kuat tarik (MPa)
Fmaks = tegangan maksimum (N)
A
= luas penampang lintang (mm2)
…. (3)
Keterangan:
%E = perpanjangan putus (%)
∆L = pertambahan panjang spesimen (mm)
L0 = panjang spesimen awal (mm)
Analisis FTIR (Averous 2004)
Sampel ditempatkan dalam tempat contoh, kemudian dibuat spektrum
hubungan bilangan gelombang dengan persen transmitans. Spektrum FTIR dari
paduan tepung tapioka-kitosan direkam dengan menggunakan spektrofotometer
pada suhu 20 °C.
Pengamatan Morfologi dengan Mikroskop dan SEM
Permukaan sampel diamati menggunakan mikroskop cahaya. Sampel
diletakkan pada tempat objek, kemudian diatur cahaya, fokus, dan perbesarannya
hingga permukaan sampel dapat teramati dengan baik. Pengamatan morfologi
juga dilakukan dengan menggunakan SEM. Sampel yang berupa film diletakkan
4
pada tempat sampel dengan perekat ganda dan dilapisi dengan logam emas pada
keadaan vakum. Sampel diamati dengan tegangan 10 kV kemudian gambar yang
diperoleh dicetak.
Analisis Termal dengan DSC
Sampel sebanyak 8−10 mg ditempatkan di dalam krus kuarsa yang terletak
di dalam tungku pemanas (furnace) pada alat DSC. Pengukuran dilakukan pada
rentang suhu 50−350 ºC dengan kecepatan 20 ºC/menit. Data yang dihasilkan
berbentuk termogram.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Film Tepung Tapioka Terplastisasi Gliserol dengan Penambahan Kitosan
Film dari tepung tapioka terplastisasi gliserol tanpa penambahan kitosan
(Gambar 2) secara visual (dengan menggunakan kamera digital) memiliki
permukaan yang halus, homogen dan transparan. Hasil ini sesuai dengan hasil
penelitian Hasanah (2012): film pati tapioka dengan pemlastis menunjukkan film
yang homogen, elastis, dan tidak rapuh.
(a)
(b)
Gambar 2 Film tepung tapioka dengan penambahan gliserol 7:3 (a) dan 8:2 (b)
Film dari tepung tapioka terplastisasi gliserol dengan penambahan kitosan
ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4. Komposisi tepung tapioka-gliserol 7:3
menghasilkan film yang terlihat transparan (Gambar 3). Namun, film dengan
penambahan kitosan 2% (Gambar 3b) terlihat lebih transparan dibandingkan
dengan penambahan kitosan 1% dan 3% (Gambar 3a dan 3c). Film pada Gambar
3a terasa lebih elastis dibandingkan dengan Gambar 3b dan 3c. Hal ini disebabkan
penambahan kitosan yang lebih sedikit.
5
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Film tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan penambahan kitosan 1% (a), 2% (b),
dan 3% (c)
Komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan juga
menghasilkan film yang transparan (Gambar 4). Film yang dihasilkan dengan
penambahan kitosan 1% (Gambar 4a) lebih transparan dibandingkan dengan
penambahan kitosan 2% dan 3% (Gambar 4b dan 4c). Film pada Gambar 4b lebih
homogen daripada Gambar 4a dan 4c.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4 Film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1% (a), 2% (b),
dan 3% (c)
Bobot Jenis
Bobot jenis paduan bioplastik yang dihasilkan berhubungan dengan sifat
mekaniknya. Bobot jenis film tepung tapioka-gliserol 8:2 lebih tinggi
dibandingkan dengan film tepung tapioka-gliserol 7:3 (Gambar 5). Bobot jenis
film tertinggi dimiliki film tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan
kitosan 3%, yaitu 1.8917 g/mL (Lampiran 2). Penambahan kitosan sangat
meningkatkan bobot jenis film. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya keteraturan
susunan molekul dalam paduan. Akan tetapi, meningkatkan konsentrasi kitosan
tidak secara signifikan meningkatkan bobot jenis film.
Penambahan pemlastis juga sedikit meningkatkan bobot jenis film.
Pemlastis dapat menurunkan gaya tarik-menarik antarrantai polimer sehingga
kerapatannya berkurang. Bobot jenis suatu polimer akan meningkat apabila kuat
tarik, kekerasan, dan kekakuannya meningkat (Kemala et al. 2010). Semakin
tinggi bobot jenis suatu bahan, struktur molekul bahan tersebut semakin rapat,
maka semakin kuat bahan yang dihasilkan (Syamsu et al. 2008).
6
Gambar 5 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan bobot jenis (g/mL): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
Sifat Mekanik
Analisis sifat mekanik dilakukan dengan mengukur kuat tarik dan elongasi.
Kuat tarik merupakan salah satu sifat mekanik suatu bahan polimer, yaitu
besarnya gaya yang diberikan sebelum putus, sedangkan elongasi merupakan
pertambahan panjang suatu polimer sebelum akhirnya putus akibat menerima
gaya regangan. Kuat tarik diukur bersamaan dengan elongasi. Hasil kuat tarik
ditunjukkan pada Gambar 6 dan Lampiran 3. Nilai kuat tarik tertinggi dihasilkan
oleh paduan tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan konsentrasi kitosan 3%, yaitu 304
MPa.
350
Kuat tarik (MPa)
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
Konsentrasi kitosan (%)
Gambar 6 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan kuat tarik (MPa): komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
7
Berdasarkan Gambar 6, semakin banyak kitosan yang ditambahkan, kuat
tarik yang dihasilkan semakin besar. Hal ini disebabkan keteraturan struktur
polimer yang dihasilkan semakin meningkat. Penambahan pemlastis juga didapati
menurunkan kuat tarik bioplastik karena jarak antarikatan polimer menjadi
berjauhan (Harris 1999).
Hasil elongasi dapat dilihat pada Gambar 7 dan Lampiran 3. Elongasi
tertinggi diperoleh pada paduan tepung tapioka-gliserol 7:3 dengan konsentrasi
kitosan 1%, yaitu 37%. Penambahan kitosan menurunkan elongasi dan hal ini
seiring dengan meningkatnya kuat tarik. Penurunan elongasi juga disebabkan
penambahan kitosan membuat kerapatan paduan semakin meningkat.
Penambahan jumlah pemlastis juga berpengaruh meningkatkan hasil elongasi.
Peningkatan akan terjadi selama masih ada interaksi molekular dengan pemlastis
yang ditunjukkan dengan semakin elastisnya suatu bahan polimer (Syamsu et al.
2008).
Gambar 7 Hubungan konsentrasi kitosan (%) dengan % elongasi film dengan komposisi
tepung tapioka-gliserol 7:3 ( ) dan 8:2 ( )
Perubahan Gugus Fungsi
Gugus fungsi pada bioplastik yang dihasilkan dibandingkan dengan setiap
komponen penyusunnya. Pembandingan dilakukan berdasarkan spektrum FTIR
pada Lampiran 4 dan hasilnya ditunjukkan pada Lampiran 5. Berdasarkan
Lampiran 5, spektrum FTIR polipaduan tepung tapioka-kitosan terplastisasi
gliserol tidak menunjukkan adanya gugus fungsi baru setelah penambahan
kitosan, maka film yang dihasilkan merupakan hasil pencampuran secara fisik.
Morfologi Permukaan
Morfologi permukaan dianalisis dengan mikroskop cahaya dan SEM. Foto
mikroskop film paduan tepung tapioka-kitosan ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9.
8
Film dengan komposisi tepung tapioka-gliserol 7:3 secara keseluruhan terlihat
transparan/lebih jernih (Gambar 8). Film dengan penambahan kitosan 2%
(Gambar 8b) tampak lebih jernih, transparan, dan tidak ditemukan adanya
gelembung udara dibandingkan dengan penambahan kitosan 1 dan 3% (Gambar
8a dan 8c). Gambar 8a dan 8c masih memperlihatkan serpihan-serpihan kitosan
yang belum larut sempurna. Film dikatakan homogen jika tidak terlihat lagi
perbedaan antara komponen-komponen penyusunnya, baik dalam bentuk, ukuran,
maupun warna karena semua komponennya telah tercampur secara merata
(Rosida 2007).
(a)
(b)
(c)
Gambar 8 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 7:3 dengan penambahan kitosan 1%
(a), 2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
(a)
(b)
(c)
Gambar 9 Film tepung tapioka-gliserol komposisi 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
(a), 2% (b), dan 3% (c) (perbesaran 400×)
Film dengan komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 secara keseluruhan juga
terlihat transparan (Gambar 9), dengan penambahan kitosan 2% menghasilkan
film yang terlihat lebih homogen (Gambar 9b). Film dengan komposisi 8:2 lebih
keras dan kaku dibandingkan dengan komposisi 7:3. Hal ini sesuai dengan hasil
kuat tarik yang meningkat dengan semakin banyaknya penambahan kitosan.
Selain penambahan kitosan, penambahan pemlastis harus disesuaikan dengan
karakteristik fisikokimia bahan utama lainnya yang terlibat dalam pembentukan
film. Semakin sedikit pemlastis yang ditambahkan, film yang dihasilkan akan
semakin kaku dan retak (Mustika 1999).
Analisis morfologi dengan SEM bertujuan menentukan homogenitas film,
struktur permukaan, retakan dan kehalusan permukaan hasil paduan. Hasil analisis
SEM dengan perbesaran 5000× dapat dilihat pada Gambar 10 untuk film dengan
komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dan penambahan kitosan 2%. Gambar 10
menunjukkan bahwa paduan yang dihasilkan sudah homogen. Hal ini ditunjukkan
dengan distribusi kitosan dalam bentuk granul yang sudah seragam dan tersebar
merata di semua bagian permukaan.
9
Gambar 10 Foto permukaan tepung tapioka-gliserol nisbah 8:2 dengan konsentrasi
kitosan 2% (perbesaran 5000×)
Sifat Termal
Termogram DSC pada nisbah tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan
penambahan kitosan 1% (Gambar 11) dan 2% (Gambar 12) menunjukkan titik
leleh berturut-turut pada suhu 113.03 dan 141.96 °C. Kenaikan titik leleh
disebabkan penambahan konsentrasi kitosan dapat meningkatkan keteraturan
molekul film paduan. Hal ini sejalan dengan hasil analisis bobot jenis dan kuat
tarik yang meningkat dengan penambahan kitosan. Pemlastis dapat menurunkan
interaksi antarmolekul pada rantai polimer (Kemala et al. 2010).
Gambar 11 Termogram tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 1%
10
Gambar 12 Termogram tepung tapioka:gliserol 8:2 dengan penambahan kitosan 2%
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Bobot jenis dan kuat tarik film paduan tepung tapioka-kitosan terplastisasi
gliserol meningkat seiring bertambahnya jumlah kitosan, dengan nilai tertinggi
diperoleh pada komposisi tepung tapioka-gliserol 8:2 dengan konsentrasi kitosan
3%, berturut-turut 1.8917 g/mL dan 304 MPa. Seiring dengan meningkatnya kuat
tarik, elongasi bioplastik menurun. Analisis spektrum FTIR menunjukkan bahwa
pencampuran terjadi secara fisik. Foto SEM menunjukkan morfologi permukaan
yang merata dan homogen. Hasil analisis termal menunjukkan kenaikan titik leleh
dengan penambahan kitosan. Penelitian ini mengindikasikan penambahan kitosan
dapat meningkatkan sifat mekanik bioplastik yang dihasilkan dan berpotensi
dijadikan sebagai plastik biodegradabel setelah melalui uji biodegrabilitas.
Saran
Penelitian dilanjutkan dengan uji biodegradabilitas dalam skala
laboratorium untuk mengukur keteruraian film bioplastik oleh mikroorganisme.
Selain itu, perlu dilakukan uji permeabilitas untuk mengetahui ketahanan
bioplastik terhadap air dan analisis XRD untuk mengetahui kristalinitas bioplastik.
DAFTAR PUSTAKA
[ASTM] American Society for Testing and Materials. 2005. ASTM D638 2005.
Standard Test Methods For Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting.
Philadelphia (US): ASTM.
Averous L. 2004. Biodegradable multiphase systems based on plasticized starch:
review. Macromol Sci. 12(2):123-130.
Beninca C, Demiate IM, Lacerda LG, Carvalho-Filho MAS, Ionashiro M,
Schnitzler E. 2008. Thermal behavior of corn starch granules modified by
acid treatment at 30 and 50 °C. Eclet Quim. 33:1-3.
Harris H. 1999. Kajian teknik formulasi terhadap karakteristik edible film dari pati
ubi kayu, aren, dan sagu untuk pengemas produk pangan semi basah
[disertasi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Hasanah N. 2012. Pembuatan dan pencirian plastik pati tapioka dengan pemlastis
gliserol [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Kemala T, Fahmi MS, Achmadi SS. 2010. Pembuatan dan pencirian polipaduan
polistirena-pati. Indones J Mat Sci. 12(1): 30-35.
Mustika T. 1999. Kajian awal proses polimerisasi film bioplastic dengan bahan
dasar khitosan [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS. 2001. Introduction to Spectroscopy. Ed ke-3.
Washington (US): Thomson Learning.
Sugita P, Wukirsari T, Sjahriza A, Wahyono D. 2009. Kitosan Sumber
Biomaterial Masa Depan. Bogor (ID): IPB.
Rosida A. 2007. Pencirian polipaduan poli(asam laktat) dengan polikaprolakton
[skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Seal KJ, Griffin GJL. 1994. Test Methods and Standards for Biodegradable
Plastic. Di dalam: Chemistry and Technology of Biodegradable Polymer.
London (UK): Blackie Academic and Proffesional.
Syamsu K, Pandji C, Waldi J. 2008. Karakterisasi bioplastik poli-βhidroksialkanoat yang dihasilkan oleh Ralstonia eutropha pada substrat
hidrolisat pati sagu dengan pemlastis isopropil palmitat. J Teknol Pertan.
3(2):68-78.
Yu L, Dean K, Li L. 2006. Polymer blends and composites from renewable
resources. Prog Polym Sci. 31:476-602.
Zhong QP, Xia WS. 2008. Physicochemical properties of edible and preservative
film from chitosan/cassava startch/gelatin blend plasticized with glyserol.
Food Technol Biotechnol. 46(3):262-269.
12
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
Kitosan
Dilarutkan dalam 100 mL asam
asetat 1% (b/v) konsentrasi 1, 2, 3%
Diaduk sampai homogen
Penambahan pati-gliserol
(8:2 ; 7:3)
Polipaduan
Penghilangan
gelembung udara
Pengeringan oven
70 °C, 4−5 jam
Pencetakan pada pelat
kaca
Pelepasan film
Pengeringan suhu
ruang
Film tipis
Analisis morfologi
Analisis bobot jenis
Analisis kuat tarik
Analisis termal
Analisis gugus fungsi
13
Lampiran 2 Hasil analisis bobot jenis film
a. Sebelum penambahan kitosan
Komposisi
W0
W1
W2
W3
Densitas
film
(g)
(g)
(g)
(g)
(g/mL)
11.4845 11.4969 21.4489 21.4994 0.1974
7:3
11.4845 11.4972 21.4483 21.4994 0.1993
8:2
b. Setelah penambahan kitosan
Komposisi
film
Konsentrasi
kitosan
(%)
W0
(g)
W1
(g)
W2
(g)
W3
(g)
Densitas
(g/mL)
1
2
3
1
2
3
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4845
11.4870
11.4872
11.4876
11.4880
11.4881
11.4883
21.5005
21.5006
21.5008
21.5010
21.5011
21.5012
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
21.4994
1.7779
1.7922
1.8155
1.8341
1.8864
1.8917
7:3
8:2
Contoh perhitungan:
Suhu pada saat percobaan 28 °C
W0 = 11.4845 g
D1 = 0.99623 g/mL
Da = 0.00125 g/mL
D = 1.7779 g/mL
14
Lampiran 3 Analisis kuat tarik dan elongasi
0.11
0.11
0.08
Panjang
awal
(mm)
30
30
30
Panjang
akhir
(mm)
48.65
41.10
38.75
3
0.09
30
1
2
0.11
0.06
0.05
3
0.05
Komposisi
film
Kitosan
(%)
Ketebalan
(mm)
7:3
1
2
8:2
Keterangan: Panjang : 30 mm
Lebar : 10 mm
Contoh Perhitungan:
τ
30.8914 MPa
35
108
120
Kuat
tarik
(MPa)
30.90
98.20
150.00
38.25
169
187.78
27.50
30
30
30
49.05
37.90
36.85
52
130
143
45.90
216.67
286.00
63.50
26.33
22.83
30
35.85
152
304.00
19.50
Gaya
(N)
%
elongasi
62.17
37.00
29.17
15
Lampiran 4 Spektrum FTIR
Tepung tapioka
Gliserol
16
lanjutan Lampiran 4
Tepung tapioka:gliserol (8:2)
Kitosan
17
lanjutan Lampiran 4
Tepung tapioka:gliserol (8:2) dengan penambahan kitosan 2%
Lampiran 5 Hasil analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
Sampel
Tepung Tapioka
Gliserol
Tepung tapioka
dengan gliserol
Kitosan
Tepung tapiokagliserol-kitosan
Pustaka
Bilangan gelombang
(cm-1)
Gugus fungsi
3375,43
O−H
3200−3400
2931,8
regangan C−H
3000−2850
1334,74
1010,7
3452,48
tekuk C−H
C−O−C
O−H
1375−1450
1000−1300
3200−3400
2941,44
3363,86
2931,8
regangan CH
O−H
regangan CH
regangan
C−O−C
regangan N−H
regangan CH
tekuk N−H
tekuk C−H
O−H
regangan CH
2850−3000
3200−3400
2850−3000
1153,43
3289,76
2925,28
1560,1
1412,54
3387
2927,94
1597,06
1242,16
(pavia et al 2001)
tekuk N−H
regangan
C−O−C
1000−1300
3100−3500
2850−3000
1550−1640
1375−1450
3200−3400
2850−3000
1550−1640
1000−1300
18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Medan pada tanggal 7 September 1989 dari Bapak
Johan Arifin Prawira dan Ibunda Sri Dulaida. Penulis adalah putri kedua dari lima
bersaudara. Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Wiyata Dharama Medan dan
pada tahun yang sama penulis lulus seleksi penerimaan mahasiswa Diploma 3
Analis Kimia di Universitas Sumatera Utara (USU) Medan. Penulis pernah
mengikuti praktik kerja lapangan di Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan
dengan judul Analisa Unsur Hara Besi (Fe) yang Terkandung di dalam Sampel
Tanah Kelapa Sawit. Pada tahun 2010, penulis lulus D3 dan pada tahun yang
sama masuk ke Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Seleksi Penerimaan
Mahasiswa Baru Alih Jenis dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.