Pembuatan Natrium Karboksimetil Selulosa Dari Sekam Padi (Oryza sativa Linn)

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Uraian Tumbuhan
2.1.1 Sinonim dan nama daerah tumbuhan
Sinonim dari tumbuhan padi (Oryza sativa L.) yaitu Oryza glutinosa L.,
Oryzamontana L., Oryzapraecox L., Oryza aristata Blanco dan nama daerah dari
tumbuhan

padi

ini

antara

lain

pade

(Aceh),

page

(Batak),

batang

padi(Minangkabau), pari (Lampung), banih (Melayu), pare (Sunda), pari (Jawa),
padi (Madura), pare (Sumba), woya (Flores), pale (Gorontalo), Pae (Toraja), ase
(Makasar), alakutu (Ambon), pinge (Halmahera)(Hutapea, 1994).
2.1.2 Sistematika tumbuhan
Menurut (Hutapea, 1994), tanaman padi dapat diklasifikasikan sebagai
berikut :
Kingdom

:

Plantae

Divisi

:

Spermatophyta

Sub-divisi :

Angiospermae

Kelas

:

Monocotyledoneae

Ordo

:

Poales

Famili

:

Poaceae

Genus

:

Oryza

Spesies

:

Oryza sativa L.

5
Universitas Sumatera Utara

2.1.3 Morfologi tumbuhan
Tanaman padi adalah tumbuhan yang tergolong tanaman air dan dapat
tumbuh di tanah yang terus-menerus digenangi air, baik penggenangan itu terjadi
secara alami seperti tanah rawa-rawa, maupun yang disengaja seperti tanah
sawah.Tanaman ini juga dapat tumbuh di daratan atau tanah kering yang curah
hujannya dapat mencukupi kebutuhan air tanaman (Siregar, 1981).
Padi termasuk tanaman semusim atau tanaman berumur pendek, kurang
dari satu tahun dan hanya sekali berproduksi, setelah berproduksi akan mati atau
dimatikan. Tanaman padi hidup di habitus semak, semusim, tinggi lebih kurang
1,5 m. Batang padi tegak, lunak, beruas, berongga, kasar dan berwarna hijau.
Daun tunggal, lanset, tersebar, ujung runcing, tepi rata, berpelepah, panjang lebih
kurang 25 cm, lebar 3-5 cm, akar tanaman padi dapat dibedakan menjadi akar
tunggang, akar serabut, akar rambut dan akar tajuk. pertulangan sejajar dan
berwarna hijau. Bunga majemuk, bentuk malai, menggantung, panjang lebih
kurang 20 cm, benang sari enam, tangkai putik dua, kepala putik berbulu dan
berwarna putih. Buah batu, bulat telur, warna kuning tua. Biji keras, bulat telur.
Akar serabut, coklat keputih-putihan (Hutapea, 1994).
2.1.4 Kandungan kimia tumbuhan
Sekam padi terbentuk dari komponen utama tumbuh-tumbuhan, yaitu

lignoselulosa yang terdiri dari lignin, selulosa, hemiselulosa dan pektin, serta
protein dan mineral. Molekul selulosa merupakan polimer yang terbuat dari lebih
kurang 10.000 molekul glukosa. Hemiselulosa merupakan campuran glukosa dan
manosa, dengan struktur ikatan yang sama dengan selulosa, yaitu β-1,4. Tipe
ketiga karbohidrat pada dinding sel, yaitu pektin yang terbentuk dari komponen

6
Universitas Sumatera Utara

dasar galaktosa, dengan stuktur ikatan α-1,4. Lignin terdapat bersama ketiga
karbohidrat tersebut, tetapi tidak diketahui letaknya yang tepat pada dinding sel
hijauan (Hogan dan Leche, 1983).

2.2 Komponen Sekam Padi
2.2.1 Selulosa
Selulosa merupakan komponen utama penyusun dinding sel tanaman,
dimana kandungan selulosa sekitar 45 - 50% dari berat kering tanaman. Selulosa
tersusun dari unit-unit anhidroglukopiranosa yang tersambung dengan ikatan β1,4 glikosidik membentuk suatu rantai makromolekul tidak bercabang. Setiap unit
anhidroglukopiranosa memiliki tiga gugus hidroksil (Fengel dan Wegener, 1995;
Perez, dkk., 2002; Pardosi, 2008). Selulosa mempunyai rumus empirik

(C6H10O5)n dengan n hingga 1500 dan berat molekul hingga 243.000 (Rowe, dkk.,
2009).
Selulosa mengandung sekitar 50 - 90% bagian kristal dan sisanya amorf.
Selulosa hampir tidak pernah ditemui dalam keadaan murni di alam, melainkan
selalu berikatan dengan bahan lain seperti lignin dan hemiselulosa. Molekul
selulosa merupakan mikrofibil dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya
membentuk rantai polimer yang sangat panjang. Adanya lignin serta hemiselulosa
di sekeliling selulosa merupakan hambatan utama untuk menghidrolisis selulosa
(Sjostrom, 1995).
Unit penyusun (building block) selulosa adalah selobiosa karena unit
keterulangan dalam molekul selulosa adalah 2 unit gula (D-glukosa). Selulosa
adalah senyawa yang tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel

7
Universitas Sumatera Utara

tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bagian berkayu dari
jaringan tumbuhan. Selulosa merupakan polisakarida struktural yang berfungsi
untuk memberikan perlindungan, bentuk, dan penyangga terhadap sel, dan
jaringan (Lehninger, 1988).

Molekul-molekul selulosa seluruhnya berbentuk linier dan mempunyai
kecenderungan kuat membentuk ikatan-ikatan hidrogen intra dan intermolekul.
Jadi berkas-berkas selulosa membentuk agregat dalam bentuk mikrofibril, dimana
daerah kristalin diselingi dengan daerah amorf. Mikrofibril membentuk fibrilfibril dan akhirnya serat-serat selulosa. Sebagai akibat dari struktur yang berserat
dan ikatan hidrogen yang kuat, selulosa mempunyai kekuatan tarik yang tinggi
dan tidak larut dalam kebanyakan pelarut. Molekul selulosa merupakan mikrofibil
dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya (Atalla, 1987).
Selulosa adalah senyawa seperti serabut, liat, tidak larut dalam air dan
ditemukan di dalam dinding sel pelindung tumbuhan, terutama pada tangkai,
batang, dahan dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan. Kayu terutama
mengandung selulosa dan senyawa polimer lain. Selulosa tidak hanya merupakan
polisakarida struktural ekstraselular yang paling banyak dijumpai pada dunia
tumbuhan, tetapi juga merupakan senyawa yang paling banyak diantara semua
biomolekul

pada

tumbuhan

atau

hewan.

Karena

selulosa

merupakan

homopolisakarida linear tidak bercabang, terdiri dari 10.000 atau lebih unit Dglukosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4 glikosida senyawa ini akan kelihatan
seperti amilosa, dan rantai utama glikogen (Lehninger, 1988). Struktur selulosa
dapat dilihat pada Gambar 2.1.

8
Universitas Sumatera Utara

CH2OH

CH2OH

CH2OH
Gambar 2.1 Struktur Selulosa (Setiyawan, 2010).
Selulosa merupakan biopolimer yang berlimpah di alam yang bersifat
dapat diperbaharui, mudah terurai, tidak beracun, dan juga merupakan polimer
karbohidrat dan terdiri dari tiga gugus hidroksi per anhidro glukosa menjadikan
selulosa memiliki derajat fungsionalitas yang tinggi. Bahan dasar selulosa telah
digunakan lebih dari 150 tahun dalam berbagai macam aplikasi, seperti makanan,
produksi kertas, biomaterial, dan dalam bidang kesehatan (Coffey, dkk., 1995).
Sifat-sifat selulosa terdiri dari sifat fisika dan sifat kimia. Selulosa dengan
rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap
degradasi yang disebabkan oleh pengaruh panas, bahan kimia maupun pengaruh
biologis. Sifat fisik lain dari selulosa adalah:
1. Dapat terdegradasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun mekanis
sehingga berat molekulnya menurun.
2. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut dalam
larutan alkali.
3. Dalam keadaan kering, selulosa bersifat higroskopis, keras dan rapuh. Bila
selulosa banyak mengandung air maka akan bersifat lunak.
4. Selulosa dalam bentuk kristal, mempunyai kekuatan lebih baik jika
dibandingkan dengan bentuk amorfnya. (Fengel dan Wagener, 1995).

9
Universitas Sumatera Utara

Berdasarkan derajat polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa
natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu :
1. Alfa selulosa adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan
NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan derajat polimerisasi (DP) 6001500. Alfa selulosa dipakai sebagai penduga dan atau penentu tingkat
kemurnian selulosa.Selulosa α > 92% memenuhi syarat untuk digunakan
sebagai bahanbaku utama pembuatan propelan.
2. Beta selulosa adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH
17,5%

atau basa kuat dengan DP 15-90, dapat mengendap bila

dinetralkan.
3. Gamma selulosa adalah selulosa berantai pendek, larut dalam NaOH
17,5% atau basa kuat dengan DP kurang dari 15 (Fengel dan Wagener,
1995).
Bervariasinya struktur kimia selulosa (α, β, γ) mempunyai pengaruh yang

besar pada reaktivitasnya. Gugus-gugus hidroksil yang terdapat dalam daerahdaerah amorf sangat mudah dicapai dan mudah bereaksi, sedangkan gugus-gugus
hidroksil yang terdapat dalam daerah - daerah kristalin dengan berkas yang rapat
dan ikatan antar rantai yang kuat mungkin tidak dapat dicapai sama sekali.
Pembengkakan awal selulosa diperlukan baik dalam eterifikasi (alkali) maupun
dalam esterfikasi (asam) (Sjostrom, 1995)
2.2.2 Lignin
Lignin merupakan komponen makromolekul ketiga dari kayu. Struktur
molekul lignin sangat berbeda bila dibandingkan dengan polisakarida karena
terdiri dari sistem aromatik yang tersusun atas unit-unit fenil propana. Lignin ada

10
Universitas Sumatera Utara

di dalam dinding sel maupun di daerah antar sel (lamela tengah) yang
menyebabkan kayu menjadi keras dan kaku sehingga mampu menahan tekanan
mekanis yang besar (Sjostrom, 1995).
Delignifikasi dengan alkali menyebabkan pecahnya ikatan eter antara unitunit fenil propana, menurunkan bobot molekul dan menghasilkan gugus hidroksil
fenol bebas. Reaksi yang terjadi akan menaikkan hidrofilitas lignin sehingga
mudah larut. Lignin merupakan polimer dengan struktur aromatik yang terbentuk
melalui unit-unit fenilpropan yang berhubungan secara bersama oleh beberapa
jenis ikatan yang berbeda. Lignin tersusunataskarbon, hidrogen, danoksigen.
Jumlah lignin yang terdapat dalam tumbuhan yang berbeda sangat bervariasi
berkisar antara 20 - 40%. Bentuk lignin berupa zat padat, amorf, berwarna coklat
yang tidak dapat larut dalam air dan sebagian besar pelarut organik (Robinson,
1995).
Lignin adalah suatu polimer yang kompleks dengan berat molekul tinggi,
tersusun atas unit-unit fenilpropan. Meskipun tersusun atas karbon, hidrogen dan
oksigen, lignin bukanlah suatu karbohidrat dan bahkan tidak ada hubungannya
dengan golongan senyawa tesebut. Lignin sangat stabil dan sukar dipisahkan dan
mempunyai bentuk yang bermacam-macam karenanya susunan lignin yang pasti
di dalam kayu tetap tidak menentu. Lignin bersifat termoplastik artinya lignin
akan menjadi lunak dan dapat dibentuk pada suhu yang lebih tinggi dan keras
kembali apabila menjadi dingin (Hardjono, 1995).
Struktur lignin mengalami perubahan di bawah kondisi suhu yang tinggi
dan asam. Pada reaksi dengan temperatur tinggi mengakibatkan lignin terpecah
menjadi partikel yang lebih kecil dan terlepas dari selulosa. Pada suasana asam,

11
Universitas Sumatera Utara

lignin cenderung melakukan kondensasi, yakni fraksi lignin yang sudah terlepas
dari selulosa dan larut pada proses pendidihan. Dimana peristiwa ini cenderung
menyebabkan bobot molekul lignin bertambah, dan lignin terkondensasi akan
mengendap (Taherzadeh, 2007).
Lignin merupakan polimer kompleksphenylpropana, amorf, bersifat
aromatis 1,3 dengan indeks bias 1,6. Berat molekul 1500-2000 yang bervariasi
dengan jenis kayu.Kadar lignin dalam kayu 20-30%.Lignin merupakan bagian
yang tidak diinginkan dalam pulp, sehingga harus dihilangkan atau diputihkan
sesuai dengan mutu pulp yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh lignin yang
mempunyai sifa tmenolak air (hidrofobik) dan kaku sehingga kandungan lignin
dalam pulp akan menyulitkan penggilingan. Lignin dapatdijumpai pada tumbuhtumbuhan sebagai zat perekat yang berhubungan dengan kekuatan kayu
(Sjostrom, 1995).
2.2.3 Hemiselulosa
Hemiselulosa merupakan bagian dari polisakarida yang berfungsi sebagai
bahan pendukung dinding sel. Berbeda dengan selulosa, hemiselulosa merupakan
heteropolisakarida. Kebanyakan hemiselulosa mempunyai derajat polimerisasi
hanya 200. Hemiselulosa tidak larut dalam air tapi larut dalam larutan alkali encer
dan lebih mudah dihidrolisa dengan asam dibanding dengan selulosa. Hilangnya
hemiselulosa mengakibatkan adanya lubang antar fibril dan berkurangnya ikatan
antar serat (Prabawaty, S.Y., 2008).
Hemiselulosa semula diduga merupakan senyawa antara dalam biosintesis
selulosa.Namun saat ini diketahui bahwa hemiselulosa termasuk dalam
polisakarida heterogen yang dibentuk melalui jalan biosintesis yang berbeda dari

12
Universitas Sumatera Utara

selulosa.Berbeda

dengan

selulosa

yang

merupakan

homo

polisakarida,

Hemiselulosa merupakan hetero polisakarida.Seperti hal nya selulosa kebanyakan
hemiselulosa

berfungsi

sebagai

bahan

pendukung

dalam

dinding

sel.

Hemiselulosa relatif mudahdihidrolisis oleh asam menjadi komponen – komponen
monomernya. Jumlah hemiselulosa dari berat kering biasanya antara 20-30%
(Sjostrom,1995).
Hemiselulosa adalah polimer bercabang atau tidak linier.Selama
pembuatan pulp, hemiselulosa bereaksi lebih cepat dengan larutan pemasak
dibandingkan dengan selulosa.Hemiselulosa bersifat hidrofil (mudah menyerap
air) yang mengakibatkan strukturnya jadi kurangteratur.Kadar hemiselulosa dalam
pulp jauh lebih kecil dibandingkan dengan serat asal, karena selama pemasakan
hemiselulosa bereaksi dengan bahan pemasak dan lebih mudah terlarut dari pada
selulosa (Sjostrom, 1995).
Hemiselulosa merupakan salah satu penyusun dinding sel tumbuhan yang
terdiri dari kumpulan beberapa unit gula atau heteropolisakarida dan
dikelompokkan berdasarkan residu gula utama sebagai penyusunnya, seperti
xilan, mannan, galaktan dan glukan. Jumlah hemiselulosa biasanya antara 15 dan
30% dari berat kering bahan lignoselulosa dan mempunyai berat molekul rendah
dibandingkan dengan selulosa (Fengel dan wagener, 1995).

2.3 Sumber Selulosa
Selulosa dapat berasal dari tumbuhan dan serat selulosa yang dihasilkan
oleh bakteri atau disebut Bacterial Cellulose (BC). Selulosa dari tumbuhan
memiliki keunggulan yaitu jumlah bahan baku yang sangat melimpah dan mudah

13
Universitas Sumatera Utara

didapat. Selulosa yang diperoleh dari tumbuhan memerlukan proses yang panjang
untuk menghilangkan hemiselulosa dan lignin (Ohwoavworhua dan Adelakun,
2005a; Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005b; Bhimte dan Tayade, 2007).
Tabel 2.1 Tumbuhan dan bagian tumbuhan yang mengandung selulosa
Tumbuhan

Selulosa (%)

Hemiselulosa (%)

Lignin (%)

Tangkai kayu keras
Tangkai kayu lunak
Kulit kacang-kacangan
Bonggol jagung
Jerami gandum
Sekam padi
Daun
Bagas segar
Rumput

40-45
45-50
25-30
45
30
45-50
15-20
33
25-40

24-40
25-35
25-30
35
50
15-20
80-85
30
25-50

18-25
25-35
30-40
15
15
25-30
0
19
10-30

Selulosa tumbuhan terdapat pada beberapa bagian seperti pada batang,
daun, tangkai daun dan bagian lain. Pada Tabel 2.1 dapat dilihat beberapa
tumbuhan dan bagian tumbuhan yang mengandung selulosa. Sedangkan selulosa
yang dihasilkan dari bakteri yaitu spesies Acetobacter xylinum antara lain nata de
coco diperoleh menggunakan medium air kelapa (Yanuar, dkk., 2003) dan nata
de pina diperoleh menggunakan medium cair nenas (Iskandar, dkk., 2010).

2.4 KarboksimetilSelulosa (CMC)
Carboxy Methyl Cellulose adalah turunan dari selulosa dan sering dipakai
dalam industri makanan untuk mendapatkan tekstur yang baik. Fungsi CMC ada
beberapa yang penting yaitu sebagai pengental, stabilisator, pembentuk gel dan
pengemulsi (Winarno, 1984).
Sebagai pengemulsi, CMC sangat baik digunakan untuk memperbaiki
kenampakan tekstur dari produk berkadar gula tinggi. Sebagai pengental, CMC

14
Universitas Sumatera Utara

mampu mengikat air sehingga molekul-molekul air terperangkap dalam struktur
gel yang dibentuk oleh CMC (Fardiaz, 1986).
Natrium CMC berupa serbuk atau butiran, putih atau putih gading, tidak
berbau, higroskopik, natrium CMC mudah terdispersi dalam air, membentuk
suspensi koloidal, tidak larut dalam etanol 95% P. dalam eter P, dan pelarut
organik lain. Penggunaan Na CMC sebagai gelling agent adalah 4-6% (Rowe,
dkk., 2009).
Polisakarida stabilizer meliputi berbagai jenis hidrokoloid, diantaranya
yaitu karboksimetil selulosa yang sering digunakan pada produk makanan beku
untuk mengontrol pembentukan kristal-kristal es dan menghasilkan tekstur produk
yang baik. Karboksimetil selulosa merupakan bahan penstabil yang memiliki daya
ikat yang kuat dan berperan untuk meningkatkan kekentalan (Eliasson, 2004).
CMC tidak berwarna dan tidak berbau, mudah larut dalam air panas dan
air dingin. Kekentalan dihasilkan oleh kontribusi dari CMC untuk stabilisasi
produk-produk beku seperti es krim. CMC juga dapat digunakan sebagai
stabilizer utama dalam es krim untuk mengontrol ukuran kristal es dan
pembentukan kristal es selama pembekuan dan penyimpanan (Phillips dan
Williams, 1987).
Sifat CMC yang biodegradable dan food grade relatif aman untuk
digunakan dalam aplikasi berbagai produk makanan atau minuman. CMC sebagai
pengemulsi sangat baik untuk memperbaiki kenampakan tekstur dari produk
berkadar gula tinggi sedangkan sebagai pengental sifatnya mampu mengikat air
sehingga molekul-molekul air terperangkap dalam struktur gel yang dibentuk oleh
CMC (Minifie, 1989).

15
Universitas Sumatera Utara

Faktor utama yang perlu diperhatikan dalam pembuatan CMC adalah
alkalisasi dan karboksimetilasi karena menentukan karakteristik CMC yang
dihasilkan. Alkalisasi dilakukan sebelum karboksimetilasi menggunakan NaOH,
yang tujuannya mengaktifkan gugus-gugus OH pada molekul selulosa dan
berfungsi sebagai pengembang. Mengembangnya selulosa ini akan memudahkan
difusi reagen karboksimetilasi. Pada proses karboksimetilasi digunakan reagen
asam monokloroasetat atau natrium monokloroasetat dan jumlah natrium
monokloroasetat yang digunakan akan berpengaruh terhadap substitusi dari unit
anhidroglukosa pada selulosa. Bertambahnya jumlah alkali yang digunakan akan
mengakibatkan naiknya jumlah garam monokloroasetat yang terlarut, sehingga
mempermudah dan mempercepat difusi garam monokloroasetat ke dalam pusat
reaksi yaitu gugus hidroksi (Setiawan, dkk., 1990).
CMC dapat disintesis dari selulosa serat kayu, kapas, pohon pisang dan
ampas tebu. Langkah pertama dari pembuatan karboksimetil selulosa adalah
reaksi pembentukan selulosa alkali, selulosa ditambahkan dengan NaOH. CMC
terdiri dari eter yang mana bagian hidroksil dari glukosa anhidrat digantikan oleh
karboksimetil dari bagian monokloroasetat. Dalam kondisi alkali, bagian hidroksil
dari selulosa menunjukkan aktivitas tinggi. Untuk memproduksi CMC ada dua
langkah penting yang dilakukan reaksi pembasaan dan reaksi eterifikasi. Reaksi
tidak dapat berjalan tanpa menggunakan pelarut. Isopropanol digunakan sebagai
pelarut. reaksi pertama disebut endotermik reaksi kedua disebut eksotermik.
Sintesis CMC ini umumnya digunakan dalam farmasi dan produk makanan.
suasana basa dan eterifikasi adalah reaksi dengan menggunakan NaOH dan MCA
(Heydarzadeh, dkk., 2009).

16
Universitas Sumatera Utara

Karboksimetil selulosa secara luas digunakan dalam bidang pangan, kimia,
perminyakan, pembuatan kertas, tekstil, serta bangunan. Khusus bidang pangan,
karboksimetil selulosa dimanfaatkan stabilizer, adhesiver, dan emulsifier. Contoh
aplikasinya adalah pada pemrosesan selai, es krim, minuman, saus dan sirup.
Pemanfaatannya yang sangat luas, mudah digunakan serta harganya yang tidak
mahal. Karboksimetil selulosa merupakan eter polimer selulosa linier dan berupa
senyawa anion dan bersifat biodegradable, tidak berwarna, tidak beracun, butiran
atau bubuk yang larut dalam air namun tidak larut dalam larutan organik,
memiliki rentang pH sebesar 6,5 sampai 8,0, bereaksi dengan garam logam berat
membentuk film yang tidak larut dalam air, serta tidak larut dalam air, transparan,
serta tidak bereaksi dengan senyawa organik.

2.5 Reaksi Sintetis Natrium Karboksimetil Selulosa

Gambar 2.2 Reaksi sintesis natrium karboksimetil selulosa (Rowe, dkk., 2006)

17
Universitas Sumatera Utara