Pengaruh Hidrolisis Selulosa Tongkol Jagung (Zea mays) dengan HCl 1% terhadap Kadar Glukosa untuk Pembuatan Bioetanol
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Tongkol jagung merupakan limbah tanaman yang setelah diambil bijinya tongkol
jagung tersebut umumnya dibuang begitu saja, sehingga hanya akan
meningkatkan jumlah sampah (Hidayati,D.2006). Tongkol jagung dan biji jagung
merupakan sumber karbohidrat potensial untuk dijadikan bahan pangan, sayuran,
dan bahan baku sebagai industri makanan. Tongkol jagung mengandung xylan
31.1%, selulosa 34.3%, lignin 17.7%, dan abu 16.9%. Komposisi kimia tersebut
membuat tongkol jagung dapat digunakan sebagai sumber energi, bahan pakan
ternak, dan sebagai sumber karbon bagi pertumbuhan mikro organisme
(Shofiyanto, 2008).
Selulosa merupakan serat-serat panjang yang bersama-sama hemiselulosa,
pektin dan protein membentuk struktur jaringan yang memperkuat dinding sel
tanaman. Pada proses pematangan, penyimpanan atau pengolahan, komponen
selulosa dan hemiselulosa mengalami perubahan sehingga terjadi perubahan
struktur (Winarno,F.G.1992).
Selulosa membentuk komponen serat dari dinding sel tumbuhan.
Ketegaran selulosa disebabkan oleh struktur keseluruhannya. Molekul selulosa
merupakan rantai-rantai dari D-glukosa sampai 14.000 satuan yang terdapat
sebagai berkas-berkas terpuntir mirip tali yang terikat satu sama lain oleh ikatan
hydrogen. Suatu molekul tunggal selulosa merupakan polimer lurus dari 1,4-β-Dglukosa. Hidrolisis lengkap HCl dalam air, hanya menghasilkan D-glukosa.
Disakarida yang terisolasi dari selulosa yang terhidrolisis sebagian adalah
selobiosa, yang dapat dihidrolisis lebih lanjut menjadi D-glukosa dengan suatu
katalis asam atau dengan emulsi enzim (Fessenden, R.J. dan J.S.Fessenden.1986).
1
1
Universitas Sumatera Utara
2
Glukosa juga dinamakan dekstrosa atau gula anggur, terdapat luas dialam
dalam jumlah sedikit yaitu didalam sayur, buah, sirup jagung, sari pohn dan
bersamaan dengan fruktosa dalam madu. Tubuh hanya dapat menggunakan
glukosa dalam bentuk D-glukosa. Glukosa murni yang ada dipasar biasanya
diperoleh dari hasil olahan pati. Glukosa memegang peranan penting dalam ilmu
gizi. Glukosa merupakan hasil akhir pencernaan pati, sukrosa, maltose, dan
laktosa pada hewan dan manusia. Glukosa difermentasi akan menghasilkan
alkohol, fermentasi glukosa adalah proses biologi dimana glukosa diubah menjadi
energi seluler dan juga menghasilkan bioetanol dan karbon dioksida sebagai
produk sampingan. Karena proses ini tidak membutuhkan oksigen melainkan
khamir yang melakukannya, maka fermentasi glukosa ini digolongkan respirasi
anaerob (Almatsier, 2001).
Bioetanol (C2H5OH) merupakan salah satu bahan bakar nabati yang saat
ini menjadi primadona untuk menggantikan minyak bumi. Minyak bumi saat ini
harganya semakin meningkat, selain kurang ramah lingkungan juga termasuk
sumber daya yang tidak dapat diperbaharui. Bioetanol mempunyai kelebihan
selain ramah lingkungan, penggunaannya sebagai campuran BBM terbukti dapat
mengurangi emisi karbon monoksida dan asap lainnya dari kendaraan. Bioetanol
dapat diproduksi dari berbagai bahan baku yang banyak terdapat di Indonesia,
sehingga sangat potensial untuk diolah dan dikembangkan karena bahan bakunya
sangat dikenal masyarakat. Tumbuhan yang potensial untuk menghasilkan
bioetanol antara lain tanaman yang memiliki kadar karbohidrat tinggi, seperti
tebu, nira, aren, sorgum, ubi kayu, jambu mete (limbah jambu mete), batang
pisang, ubi jalar, jagung, bonggol jagung, jerami, dan bagas (ampas tebu)
(Komarayati, S. dan Gusmailina, 2010).
Manfaat umum yang dapat diperoleh dari bahan bakar bioetanol, antara
lain digunakan untuk bahan baku industri turunan alkohol, campuran minuman
keras, industry farmasi, sampai pada bahan baku campuran kendaraan. Tentu saja,
pemanfaatan bioetanol ini harus disesuaikan dengan jenis kebutuhannya.
2
Universitas Sumatera Utara
3
Misalnya, untuk kebutuhan industry diperlukan bioetanol berkadar 99,5-100%,
atau bioetanol yang harus betul-betul kering dan anhydrous supaya tidak korosif
(Abidin, R. 2009)
Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan pembuatan bioetanol dari
hasil hidrolisis selulosa ampas tebu secara fermentasi dengan variasi penambahan
ragi roti dan lama waktu fermentasi oleh Feri Susanto (2008), dimana kadar
bioetanol tertinggi yaitu sebesar 5.12% pada penambahan ragi roti 2 gram dengan
lama waktu 6 hari. Selain itu, Lisma Sari (2010) juga melakukan penelitian
tentang pembuatan bioetanol dari hasil hidrolisis selulosa jerami padi secara
fermentasi dengan variasi penambahan ragi roti dan lama waktu fermentasi,
dimana kadar bioetanol tertinggi sebesar 7.43% pada penambahan ragi roti 6 gram
dan lama waktu fermentasi 6 hari. Pada penelitian lainnya Annisa Suri (2008)
melakukan penelitian tentang pembuatan bioetanol dari hasil hidrolisis selulosa
tandan kosong kelapa sawit secara fermentasi dengan variasi penambahan ragi roti
dan lama waktu fermentasi, dimana kadar bioetanol tertinggi sebesar 7.59% pada
penambahan ragi roti 6 gram dan lama waktu fermentasi 6 hari. Pada penelitian
tersebut hanya dibahas mengenai variasi penambahan ragi roti dan lama waktu
fermentasi, tanpa membahas pengaruh lama waktu hidrolisis selulosa untuk
menghasilkan larutan gula hasil hidrolisis.
Berdasarkan uraian diatas maka penulis tertarik untuk melakukan
penelitian tentang pengaruh lama hidrolisis terhadap glukosa hasil hidrolisis
selulosa tongkol jagung dengan menggunakan HCl 1%, dimana akan dilihat kadar
glukosa dari setiap variasi hidrolisis untuk menghasilkan bioetanol.
3
Universitas Sumatera Utara
4
1.2.
Permasalahan
Permasalahan dalam penelitian ini adalah
1. Berapakah kadar glukosa yang diperoleh berdasarkan variasi waktu
hidrolisis selulosa tongkol jagung?
2. Berapakah kemurnian bioetanol yang diperoleh?
1.3.
Pembatasan Masalah
Dalam penelitian ini masalah dibatasi pada :
1. Bahan baku fermentasi adalah glukosa hasil hidrolisis selulosa dari
tongkol jagung
2. Mikroba yang digunakan berasal dari ragi roti dalam bentuk kemasan saf
instan
3. Variasi lama waktu hidrolisis adalah 90, 120 dan 150 menit
4. Berat ragi roti yang digunakan dalam fermentasi adalah 3, 5, dan 7 gram
5. Lama fermentasi adalah 2, 4, dan 6 hari
6. Kadar glukosa ditentukan dengan metode Luff-Schroll
7. Pengukuran kemurnian bioetanol menggunakan Kromatografi gas.
1.4.
Tujuan Penelitian
1. Untuk mengetahui kadar glukosa yang diperoleh berdasarkan variasi
waktu hidrolisis selulosa tongkol jagung
2. Untuk mengetahui kemurnian bioetanol yang diperoleh
4
Universitas Sumatera Utara
5
1.5.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber informasi yang berguna
dalam upaya pemanfaatan limbah jagung, sehingga masyarakat setempat dapat
memanfaatkannya, serta turut berpartisipasi dalam upaya mengurangi limbah
jagung.
1.6.
Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Biokimia/ Kimia Bahan Makanan
FMIPA-USU, dan Laboratorium Kimia Dasar FMIPA-USU.
1.7.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini adalah eksperimental laboratorium dengan menggunakan tongkol
jagung dimana metode penelitian dilakukan dengan cara sebagai berikut:
Penelitian dilakukan dengan 4 tahapan yaitu:
1. Penyediaan selulosa tongkol jagung
•
Bahan baku adalah tongkol jagung
•
Proses isolasi selulosa dengan cara delignifikasi tongkol jagung
2. Peyediaan glukosa dari hidrolisis selulosa tongkol jagung
•
Bahan baku adalah selulosa yang diisolasi dari tongkol jagung
•
Proses konversi selulosa tongkol jagung menjadi glukosa adalah hidrolisis
dengan menggunakan HCl 1%
•
Kadar glukosa dianalisa dengan menggunakan metode Luff-Schroll
3. Fermentasi glukosa dari hidrolisis selulosa tongkol jagung untuk menghasilkan
bioetanol
•
Substrat yang digunakan pada fermentasi adalah glukosa hasil hidrolisis
selulosa dari tongkol jagung
•
Mikroba yang digunakan berasal dari ragi roti
5
Universitas Sumatera Utara
6
•
Yield bioetanol yang dihasilkan dianalisa dengan menggunakan metode
kromatografi gas.
4. Pemurnian bioetanol hasil fermentasi
•
bioetanol dipisahkan dari sisa glukosa dengan menggunakan alat destilasi
•
Yield bioetanol hasil pemisahan dianalisa dengan menggunakan metode
kromatografi gas
Adapun variable-variabel dalam penelitian adalah:
1. Variabel bebas adalah variabel yang mempunyai pengaruh terhadap kadar
bioetanol, yaitu:
•
Pengaruh variasi lama hidrolisis yaitu 90, 120 dan 150 menit terhadap
kadar glukosa dan kadar bioetanol
•
Pengaruh variasi lama fermentasi yaitu 2, 4, dan 6 hari terhadap kadar
kadar bioetanol
•
Pengaruh variasi berat ragi roti yaitu 3,5, dan 7 gram terhadap kadar kadar
bioetanol
2. Variabel terikat adalah variabel yang terukur terhadap perubahan perlakuan.
Dalam penelitian ini yang menjadi variabel terikat, yaitu:
•
Kadar Bioetanol
3. Variabel tetap adalah variabel yang dibuat tetap sehingga tidak menyebabkan
terjadinya perubahan variabel terikat. Dalam penelitian ini variabel tetap
adalah:
•
Berat Sampel
•
pH fermentasi yaitu pH= 4-4,5
•
Temperature fermentasi
•
Berat CaO
6
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Tongkol jagung merupakan limbah tanaman yang setelah diambil bijinya tongkol
jagung tersebut umumnya dibuang begitu saja, sehingga hanya akan
meningkatkan jumlah sampah (Hidayati,D.2006). Tongkol jagung dan biji jagung
merupakan sumber karbohidrat potensial untuk dijadikan bahan pangan, sayuran,
dan bahan baku sebagai industri makanan. Tongkol jagung mengandung xylan
31.1%, selulosa 34.3%, lignin 17.7%, dan abu 16.9%. Komposisi kimia tersebut
membuat tongkol jagung dapat digunakan sebagai sumber energi, bahan pakan
ternak, dan sebagai sumber karbon bagi pertumbuhan mikro organisme
(Shofiyanto, 2008).
Selulosa merupakan serat-serat panjang yang bersama-sama hemiselulosa,
pektin dan protein membentuk struktur jaringan yang memperkuat dinding sel
tanaman. Pada proses pematangan, penyimpanan atau pengolahan, komponen
selulosa dan hemiselulosa mengalami perubahan sehingga terjadi perubahan
struktur (Winarno,F.G.1992).
Selulosa membentuk komponen serat dari dinding sel tumbuhan.
Ketegaran selulosa disebabkan oleh struktur keseluruhannya. Molekul selulosa
merupakan rantai-rantai dari D-glukosa sampai 14.000 satuan yang terdapat
sebagai berkas-berkas terpuntir mirip tali yang terikat satu sama lain oleh ikatan
hydrogen. Suatu molekul tunggal selulosa merupakan polimer lurus dari 1,4-β-Dglukosa. Hidrolisis lengkap HCl dalam air, hanya menghasilkan D-glukosa.
Disakarida yang terisolasi dari selulosa yang terhidrolisis sebagian adalah
selobiosa, yang dapat dihidrolisis lebih lanjut menjadi D-glukosa dengan suatu
katalis asam atau dengan emulsi enzim (Fessenden, R.J. dan J.S.Fessenden.1986).
1
1
Universitas Sumatera Utara
2
Glukosa juga dinamakan dekstrosa atau gula anggur, terdapat luas dialam
dalam jumlah sedikit yaitu didalam sayur, buah, sirup jagung, sari pohn dan
bersamaan dengan fruktosa dalam madu. Tubuh hanya dapat menggunakan
glukosa dalam bentuk D-glukosa. Glukosa murni yang ada dipasar biasanya
diperoleh dari hasil olahan pati. Glukosa memegang peranan penting dalam ilmu
gizi. Glukosa merupakan hasil akhir pencernaan pati, sukrosa, maltose, dan
laktosa pada hewan dan manusia. Glukosa difermentasi akan menghasilkan
alkohol, fermentasi glukosa adalah proses biologi dimana glukosa diubah menjadi
energi seluler dan juga menghasilkan bioetanol dan karbon dioksida sebagai
produk sampingan. Karena proses ini tidak membutuhkan oksigen melainkan
khamir yang melakukannya, maka fermentasi glukosa ini digolongkan respirasi
anaerob (Almatsier, 2001).
Bioetanol (C2H5OH) merupakan salah satu bahan bakar nabati yang saat
ini menjadi primadona untuk menggantikan minyak bumi. Minyak bumi saat ini
harganya semakin meningkat, selain kurang ramah lingkungan juga termasuk
sumber daya yang tidak dapat diperbaharui. Bioetanol mempunyai kelebihan
selain ramah lingkungan, penggunaannya sebagai campuran BBM terbukti dapat
mengurangi emisi karbon monoksida dan asap lainnya dari kendaraan. Bioetanol
dapat diproduksi dari berbagai bahan baku yang banyak terdapat di Indonesia,
sehingga sangat potensial untuk diolah dan dikembangkan karena bahan bakunya
sangat dikenal masyarakat. Tumbuhan yang potensial untuk menghasilkan
bioetanol antara lain tanaman yang memiliki kadar karbohidrat tinggi, seperti
tebu, nira, aren, sorgum, ubi kayu, jambu mete (limbah jambu mete), batang
pisang, ubi jalar, jagung, bonggol jagung, jerami, dan bagas (ampas tebu)
(Komarayati, S. dan Gusmailina, 2010).
Manfaat umum yang dapat diperoleh dari bahan bakar bioetanol, antara
lain digunakan untuk bahan baku industri turunan alkohol, campuran minuman
keras, industry farmasi, sampai pada bahan baku campuran kendaraan. Tentu saja,
pemanfaatan bioetanol ini harus disesuaikan dengan jenis kebutuhannya.
2
Universitas Sumatera Utara
3
Misalnya, untuk kebutuhan industry diperlukan bioetanol berkadar 99,5-100%,
atau bioetanol yang harus betul-betul kering dan anhydrous supaya tidak korosif
(Abidin, R. 2009)
Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan pembuatan bioetanol dari
hasil hidrolisis selulosa ampas tebu secara fermentasi dengan variasi penambahan
ragi roti dan lama waktu fermentasi oleh Feri Susanto (2008), dimana kadar
bioetanol tertinggi yaitu sebesar 5.12% pada penambahan ragi roti 2 gram dengan
lama waktu 6 hari. Selain itu, Lisma Sari (2010) juga melakukan penelitian
tentang pembuatan bioetanol dari hasil hidrolisis selulosa jerami padi secara
fermentasi dengan variasi penambahan ragi roti dan lama waktu fermentasi,
dimana kadar bioetanol tertinggi sebesar 7.43% pada penambahan ragi roti 6 gram
dan lama waktu fermentasi 6 hari. Pada penelitian lainnya Annisa Suri (2008)
melakukan penelitian tentang pembuatan bioetanol dari hasil hidrolisis selulosa
tandan kosong kelapa sawit secara fermentasi dengan variasi penambahan ragi roti
dan lama waktu fermentasi, dimana kadar bioetanol tertinggi sebesar 7.59% pada
penambahan ragi roti 6 gram dan lama waktu fermentasi 6 hari. Pada penelitian
tersebut hanya dibahas mengenai variasi penambahan ragi roti dan lama waktu
fermentasi, tanpa membahas pengaruh lama waktu hidrolisis selulosa untuk
menghasilkan larutan gula hasil hidrolisis.
Berdasarkan uraian diatas maka penulis tertarik untuk melakukan
penelitian tentang pengaruh lama hidrolisis terhadap glukosa hasil hidrolisis
selulosa tongkol jagung dengan menggunakan HCl 1%, dimana akan dilihat kadar
glukosa dari setiap variasi hidrolisis untuk menghasilkan bioetanol.
3
Universitas Sumatera Utara
4
1.2.
Permasalahan
Permasalahan dalam penelitian ini adalah
1. Berapakah kadar glukosa yang diperoleh berdasarkan variasi waktu
hidrolisis selulosa tongkol jagung?
2. Berapakah kemurnian bioetanol yang diperoleh?
1.3.
Pembatasan Masalah
Dalam penelitian ini masalah dibatasi pada :
1. Bahan baku fermentasi adalah glukosa hasil hidrolisis selulosa dari
tongkol jagung
2. Mikroba yang digunakan berasal dari ragi roti dalam bentuk kemasan saf
instan
3. Variasi lama waktu hidrolisis adalah 90, 120 dan 150 menit
4. Berat ragi roti yang digunakan dalam fermentasi adalah 3, 5, dan 7 gram
5. Lama fermentasi adalah 2, 4, dan 6 hari
6. Kadar glukosa ditentukan dengan metode Luff-Schroll
7. Pengukuran kemurnian bioetanol menggunakan Kromatografi gas.
1.4.
Tujuan Penelitian
1. Untuk mengetahui kadar glukosa yang diperoleh berdasarkan variasi
waktu hidrolisis selulosa tongkol jagung
2. Untuk mengetahui kemurnian bioetanol yang diperoleh
4
Universitas Sumatera Utara
5
1.5.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber informasi yang berguna
dalam upaya pemanfaatan limbah jagung, sehingga masyarakat setempat dapat
memanfaatkannya, serta turut berpartisipasi dalam upaya mengurangi limbah
jagung.
1.6.
Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Biokimia/ Kimia Bahan Makanan
FMIPA-USU, dan Laboratorium Kimia Dasar FMIPA-USU.
1.7.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini adalah eksperimental laboratorium dengan menggunakan tongkol
jagung dimana metode penelitian dilakukan dengan cara sebagai berikut:
Penelitian dilakukan dengan 4 tahapan yaitu:
1. Penyediaan selulosa tongkol jagung
•
Bahan baku adalah tongkol jagung
•
Proses isolasi selulosa dengan cara delignifikasi tongkol jagung
2. Peyediaan glukosa dari hidrolisis selulosa tongkol jagung
•
Bahan baku adalah selulosa yang diisolasi dari tongkol jagung
•
Proses konversi selulosa tongkol jagung menjadi glukosa adalah hidrolisis
dengan menggunakan HCl 1%
•
Kadar glukosa dianalisa dengan menggunakan metode Luff-Schroll
3. Fermentasi glukosa dari hidrolisis selulosa tongkol jagung untuk menghasilkan
bioetanol
•
Substrat yang digunakan pada fermentasi adalah glukosa hasil hidrolisis
selulosa dari tongkol jagung
•
Mikroba yang digunakan berasal dari ragi roti
5
Universitas Sumatera Utara
6
•
Yield bioetanol yang dihasilkan dianalisa dengan menggunakan metode
kromatografi gas.
4. Pemurnian bioetanol hasil fermentasi
•
bioetanol dipisahkan dari sisa glukosa dengan menggunakan alat destilasi
•
Yield bioetanol hasil pemisahan dianalisa dengan menggunakan metode
kromatografi gas
Adapun variable-variabel dalam penelitian adalah:
1. Variabel bebas adalah variabel yang mempunyai pengaruh terhadap kadar
bioetanol, yaitu:
•
Pengaruh variasi lama hidrolisis yaitu 90, 120 dan 150 menit terhadap
kadar glukosa dan kadar bioetanol
•
Pengaruh variasi lama fermentasi yaitu 2, 4, dan 6 hari terhadap kadar
kadar bioetanol
•
Pengaruh variasi berat ragi roti yaitu 3,5, dan 7 gram terhadap kadar kadar
bioetanol
2. Variabel terikat adalah variabel yang terukur terhadap perubahan perlakuan.
Dalam penelitian ini yang menjadi variabel terikat, yaitu:
•
Kadar Bioetanol
3. Variabel tetap adalah variabel yang dibuat tetap sehingga tidak menyebabkan
terjadinya perubahan variabel terikat. Dalam penelitian ini variabel tetap
adalah:
•
Berat Sampel
•
pH fermentasi yaitu pH= 4-4,5
•
Temperature fermentasi
•
Berat CaO
6
Universitas Sumatera Utara