BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Selulosa 2.1.1 Struktur Selulosa - Pembuatan dan Karakterisasi Selulosa Mikrokristal dan Nanokristal Tandan Aren (Arenga pinnata (Wurmb) Merr.) dan Penggunaannya sebagai Eksipien dalam Tablet Natrium Diklofenak

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Selulosa

2.1.1 Struktur Selulosa Selulosa merupakan salah satu polimer yang tersedia melimpah di alam.

Produksi selulosa sekitar 100 milyar ton setiap tahunnya. Sebagian dihasilkan dalam bentuk selulosa murni seperti yang terdapat dalam rambut biji tanaman kapas.Namun paling banyak adalah yang berkombinasi dengan lignin dan polisakarida lain seperti hemiselulosa dalam dinding sel tumbuhan berkayu, baik pada kayu lunak dan keras, jerami atau bambu. Selain itu selulosa juga dihasilkan oleh bakteri Acetobacter xylinum secara ekstraseluler (Klemm, dkk., 1998a).

Senyawa ini juga dijumpai dalam plankton bersel satu atau alga di lautan, juga pada jamur dan bakteri ( Potthast, dkk., 2006; Zugenmaier, 2008).Sebagai bahan

baku kimia, selulosa telah digunakan dalam bentuk serat atau turunannya selama sekitar 150 tahun (Habibi, dkk., 2010).

Selulosa pertama kali dijelaskan oleh Anselme Payen pada 1838 sebagai serat padat yang tahan dan tersisa setelah pemurnian jaringan tanaman dengan asam dan amonia (Brown dan Saxena, 2007). Payen mengamati bahwa bahan yang telah dimurnikan mengandung satu jenis senyawa kimia yang seragam, yaitu karbohidrat. Hal ini berdasarkan residu glukosa yang mirip dengan pati. Payen juga mengatakan bahwa selulosa adalah isomer dari bahan penyusun pati (Zugenmaier, 2008).

Selulosa tersusun dari unit-unit anhidroglukopiranosa yang tersambung dengan ikatan β-1,4-glikosidik membentuk suatu rantai makromolekul tidak bercabang. Setiap unit anhidroglukopiranosa memiliki tiga gugus hidroksil (Potthast, dkk., 2006; Zugenmaier, 2008), seperti yang terlihat pada Gambar 2.1.

Selulosa mempunyai rumus empirik (C ^{6 H} ^{10 O} ^{5 ) n dengan n ~ 1500 dan berat} molekul ~ 243.000 (Rowe, dkk., 2009).

β-1,4-glikosida

Gambar 2.1. Struktur selulosa (Zugenmaier, 2008)

Untuk mendapatkan sifat fisik dan kimia yang lebih baik dan memperluas aplikasinya, selulosa dibuat dalam berbagai turunannya diantaranya turunan ester dan eter. Ester selulosa banyak digunakan sebagai serat dan plastik, sedangkan eter selulosa sebagai pengikat dan bahan tambahan untuk mortir khusus atau kimia khusus untuk bangunan dan konstruksi juga stabilisator viskositas pada cat, makanan, produk farmasetik, dan lain-lain. Selulosa juga merupakan bahan dasar dalam pembuatan kertas. Seratnya mempunyai kekuatan dan durabilitas yang tinggi. Jika dibasahi dengan air, menunjukkan pengembangan ketika jenuh, dan juga higroskopis. Bahkan dalam keadaan basah, serat selulosa alami tidak kehilangan kekuatannya (Zugenmaier, 2008).

Turunan selulosa telah digunakan secara luas dalam sediaan farmasi seperti etil selulosa, metil selulosa, karboksimetil selulosa, dan dalam bentuk lainnya yang digunakan dalam sediaan oral, topikal, dan injeksi. Sebagai contoh, _TM karboksimetil selulosa merupakan bahan utama dari Seprafilm , yang digunakan untuk mencegah adesi setelah pembedahan. Baru-baru ini, penggunaan selulosa mikrokristal dalam emulsi dan formulasi injeksi semipadat telah dijelaskan.

Penggunaan bentuk-bentuk selulosa dalam sediaan disebabkan sifatnya yang inert dan biokompatibilitas yang sangat baik pada manusia (Jackson, dkk., 2011).

2.1.2 Sifat Fisika Kimia

Bahan berbasis selulosa sering digunakan karena memiliki sifat mekanik yang baik seperti kekuatan dan modulus regang yang tinggi, kemurnian tinggi, kapasitas mengikat air tinggi, dan struktur jaringan yang sangat baik (Gea, dkk., 2011). Pada Gambar 2.2 dapat dilihat lapisan-lapisan dinding sel kayu dan selulosa mikrofibril. Dinding sel kayu dibagi dalam beberapa lapisan yaitu lamela tengah (LT), dinding sel primer (P), dan dinding sel sekunder (S) (dinding sekunder terbagi dalam lapisanS1, S2, dan S3). Lapisan-lapisan ini mempunyai struktur dan komposisi kimia yang berbeda.

Selulosa merupakan polimer yang relatif stabil dikarenakan adanya ikatan hidrogen. Selulosa tidak larut dalam pelarut air dan tidak memiliki titik leleh.

Serat selulosa juga memiliki fleksibilitas dan elastisitas yang baik sehingga dapat mempertahankan aspect ratio (perbandingan panjang terhadap diameter (P/d)) yang tinggi selama proses produksi. Selulosa nanoserat memiliki beberapa keuntungan seperti: densitas rendah, sumber yang dapat diperbaharui,

biodegradable, mengurangi emisi karbondioksida di alam, kekuatan dan modulus

yang tinggi, permukaan yang relatif reaktif sehingga dapat digunakan untuk grafting beberapa gugus kimia, dan harga yang murah (Frone, dkk., 2011).

Serat selulosa dalam dinding sel tanaman S1 S S2 S3 P LT

Dinding sel

Sel tanaman Serat Mikroserat

Rantai selulosa Monomer-monomer glukosa

Gambar 2.2. Kumpulan rantai selulosa dalam mikrofibril yang membentuk dinding sel tanaman (Modifikasi dari Djerbi, 2005).

2.1.3 Sumber Selulosa

Selulosa diisolasi dari dinding sel tanaman, bahan berkayu, rambut biji, kulit pohon, dan tanaman laut. Serat kapas mengandung 95% selulosa, sedangkan kayu 40-50% selulosa (Tabel 2.1). Jumlah selulosa dalam serat bervariasi menurut sumbernya dan biasanya berkaitan dengan bahan-bahan seperti air, lilin, pektin, protein, lignin dan substansi-substansi mineral. Selulosa yang diperoleh dari kayu memerlukan proses yang panjang untuk menghilangkan hemiselulosa dan lignin (Bhimte dan Tayade, 2007). Selulosa juga dapat dihasilkan dari serat tanaman seperti tongkol jagung (Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005b), rambut biji dari

Cochlospermum planchonii (Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005a), ampas tebu (Sun, dkk., 2004), jerami (Ilindra dan Dhake, 2008), lenan (Leppanen,dkk., 2009).

2 Henequen 78 4-8

4 Istle 73 4-8

2 Jute

2 Kenaf

2 Rami

6 Sisal

2 Sunn

3 Jerami gandum

Tabel 2.1. Senyawa kimia yang terdapat dalam beberapa bahan yang mengandung selulosa

(Zugenmaier, 2008).

Proses pemisahan selulosa dari lignin dan hemiselulosa disebut juga dengan proses pulping. Pembuatan pulp ini dapat dilakukan secara mekanis, semikimia, dan kimia. Metode secara mekanis dilakukan dengan groundwood

process, dimana blok kayu ditekan dengan batu giling yang lembab dan kasar

yang berputar dengan kecepatan 1000-1200 m/menit. Proses pulping secara semikimia menggabungkan proses kimia dan mekanis. Pada proses ini kayu dilunakkan dengan bahan kimia, kemudian pulp yang dihasilkan diperlakukan

Sumber Komposisi (%) Selulosa Hemiselulosa Lignin Ekstrak

Hardwood 43-47 25-35 16-24 2-8 Softwood 40-44 25-29 25-31 1-5 Tebu

10 Coir 32-43 10-20 43-49

4 Tongkol jagung

5 Tangkai jagung

13 Hemp

5 Kapas

2 1 0,4 Flax (dibasahi)

6 Flax (tidak dibasahi)

5 secara mekanis. Secara kimia proses pulping dapat dilakukan dengan proses sulfit, basa, dan sulfat untuk melarutkan lignin dan hemiselulosa, dan meninggalkan

_- senyawa selulosa sebagai bentuk padatan. Proses sulfit menggunakan campuran

₂

₃

₂

steam explosion

Sumber lain selulosa adalah hasil biosintesis selulosa oleh mikroorganismeseperti bakteri, alga, dan jamur. Alga dan jamur menghasilkan selulosa melalui sintesis in vitro secara enzimatik dari selobiosil fluorida, dan kemosintesis dari glukosa dengan pembukaan cincin polimerisasi turunan benzil dan pivaloyl. Dari ketiga mikroorganisme tersebut, hanya spesies Acetobacter

xylinum yang diketahui dapat menghasilkan selulosa dalam jumlah besar. Sumber

selulosa lain adalah dari hewan, yang disebut tunicin atau selulosa hewan karena diperoleh dari organisme bahari tertentu dari kelas Tunicata (Gea, 2010).

2.1.4 Struktur Kristal dari Selulosa

Selulosa terdiri dari dua bagian yaitu amorf dan kristal. Selulosa dapat ditemukan dalam bentuk mikrofibril kristalin selulosa I, II, III, dan IV. Fraksi kristal dinyatakan dalam persentase sebagai indeks kristalinitas. Penentuan struktur selulosa bisa dilakukan dengan difraksi X-Ray, NMR, dan FTIR (Klemm, dkk., 1998a; Gea, 2010).

Selulosa I merupakan bentuk asli selulosa yang terdiri dari dua kristal allomorf, yaitu Iα dan Iβ. Berdasarkan pengujian difraksi elektron selulosa Iαmemiliki satu unit sel triklinik, sedangkan selulosa Iβ memiliki dua unit sel monoklinik, keduanya tersusun dalam satu susunan rantai paralel, dengan rasio berbeda dalam satu serat, tergantung pada asalnya. Selulosa Iα banyak terdapat pada selulosa bakteri dan valonia, sedangkan Iβ pada selulosa kapas atau kayu (Klemm, dkk., 1998a).

Selain selulosa I, terdapat selulosa II yang terbentuk dengan pengendapan selulosa dari larutan ke dalam medium air pada suhu kamar atau sedikit lebih tinggi dari suhu kamar pada proses pemintalan serat selulosa buatan manusia secara teknis. Selulosa II ini juga diperoleh dari proses merserisasi kapas, yang terjadi melalui pembentukan natrium selulosa melalui interaksi polimer dengan cairan natrium hidroksida dan peruraian dengan netralisasi atau penghilangan natrium hidroksida. Proses transformasi dari selulosa I menjadi selulosa II biasanya irreversible, walaupun ada yang menyatakan bahwa natrium selulosa dapat diretransformasi sebagian menjadi selulosa I. Sistem ikatan hidrogen selulosa II lebih rumit daripada selulosa I dan menghasilkan densitas tautan silang intermolekul yang lebih tinggi (Mandal, 2011; Klemm, dkk., 1998a).

Li, dkk. (2003) melakukan kondensasi selulosa alam (linter) yang memiliki struktur kristal I dengan NaOH 18% dan menghasilkan struktur kristal baru, yaitu struktur kristal II. Perlakuan terhadap selulosa nanokristal (nanocrystalline cellulose, NCC) dengan struktur kristal I menggunakan NaOH 4% juga menghasilkan NCC dengan struktur kristal II. Struktur kristal selulosa dan NCC dari penelitian Li, dkk. (2003) ini dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Struktur selulosa III dan IV diturunkan dari selulosa I atau II, disebut dengan selulosa III ^{I , IV} ^{I , dan III} ^{II dan IV} ^{II . Selulosa III diperoleh dari perlakuan} _o selulosa I atau II dengan cairan amoniak dibawah -30 C dan rekristalisasi sampel dengan evaporasi amoniak (Klemm, dkk., 1998a).

2.1.5 Biosintesis

Selulosa terdapat pada semua dinding sel tumbuhan. Tumbuhan darat seperti pohon hutan dan kapas menyintesis selulosa dari glukosa, yang dihasilkan dalam sel tanaman dengan cara fotosintesis. Senyawa ini juga dijumpai dalam plankton bersel satu atau alga, juga pada jamur dan bakteri (Zugenmaier, 2008).

Ada 3 (tiga) cara sintesis selulosa adalah sebagai berikut: 1. Biosintesis dalam organisme hidup 2. Sintesis enzimatik in vitro 3. Sintesis kimia dengan polimerisasi dari monomer yang sesuai (Klemm, dkk., 1998b).

Biosintesis selulosa merupakan proses yang sangat kompleks, tidak hanya pada pembentukan rantai β-1,4-glukan, tetapi juga pada penetapan susunan supramolekuler dan serat dalam polimer padat yang terbentuk. Mekanisme pembentukan selulosa dianggap berbeda pada tumbuhan tinggi dan bakteri atau alga. Biosintesis selulosa pada tumbuhan tinggi dapat dilihat pada Gambar 2.4. Proses biosintesis diawali dengan konversi β-fruktosa-6-P menjadi α-glukosa-6- fosfat oleh enzim glukosa-6-fosfat isomerase, kemudian menjadi α-glukosa-1-P oleh enzim fosfoglukomutase. α-glukosa-1-P diubah menjadi UDP (uridin difosfatase)-glukosa oleh UTP (uridin trifosfatase)-glukosa-1-fosfat uridil transferase. Dengan bantuan enzim selulosa sintase UDP-glukosa diubah menjadi _{Hemiselulosa, pektin} selulosa. Selain dari fruktosa, selulosa juga bisa dihasilkan dari sukrosa. Enzim _{UDP-galakturonat} sukrosa sintase akan mengubah sukrosa menjadi UDP-glukosa, selanjutnya _{UDP-glukoronat-4-epimerase} _β-Glukosa menjadi selulosa dengan bantuan selulosa sintase (Brown dan Saxena, 2007). _Sukrosa-6-P _{UDP-glukoronat} _{1,4-β-glukan} _{β-Glukosidase} _{Glukosa Sukrosa UDP-glukosa Selulosa} _{α-glukosidase} _{Sukrosa fosfatase Sukrosa sintase} UDP glukosa dehidrogenase _{Selulosa sintase} _Selulase _Fruktosa _Fruktokinase

_{α-glukosa-1-P}

_{Fenol Β-glukosiltransferase}

_{α-glukosa-6-P}

_{Β-glukosidase}

Hemiselulosa _{Mannosa-1-P Mannosa-6-P β-Fruktosa-6-P} _{Glukosa-6-P-isomerase}

trimula

(L) (Modifikasi dari Brown dan Saxena, 2007) Sintesis selulosa in vitrosecaraenzimatik diketahui ada 2 (dua) cara: 1. Mereaksikan UDP-glukosa dengan selulosa sintase yang dimurnikan 2. Kondensasi glukosa atau turunannya oleh selulase (Klemm, dkk., 1998b)

2.2 Selulosa Mikrokristal

Selulosa mikrokristal telah dibuat dari beberapa sumber alam, seperti dari serat rami, kulit kapas, ampas tebu, jerami, lenan dengan cara menghidrolisis α- selulosa dengan larutan asam encer pada suhu tinggi. Pada proses hidrolisis asam, bagian non kristalin terhidrolisis dan bagian kristal dilepaskan (Terinte, dkk., 2011). Hidrolisis α-selulosa ini akan mengakibatkan pemendekan rantai, sehingga selulosa mikrokristal memiliki rumus molekul (C ^{6 H} ^{10 O} ^{5 ) n , dimana n ~ 220 ,} dengan berat molekul: ~ 32.400 (Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005a; Bhimte dan Tayade, 2007; Ilindra dan Dhake, 2008; Leppanen, dkk., 2009; Rowe, dkk., 2009).

Selulosa mikrokristal dikenalkan pada tahun 1960-an dandigunakan sebagai pengikat, pengisi dalam tablet, penghilang lemak, stabilizer dalam industri makanan, komposit dalam kayu, industri plastik, dan kosmetik (Terinte, dkk., 2011). Selulosa mikrokristal dianggap sebagai bahan tambahan terbaik untuk pembuatan tablet cetak langsung(Bhimte dan Tayade, 2007; Bushra,dkk., 2008), bisa sebagai bahan pengisi, pengikat pada tablet dengan konsentrasi 20%-90%, penghancur tablet dengan konsentrasi 5%–20%(Soekemi, dkk., 1987; Gohel dan Jogani, 2005; Rowe, dkk., 2009).

Karakteristik selulosa mikrokristal menurut USP 32-NF 27 meliputi uji identifikasi, sifat fisika dan kimia, cemaran mikroba, dan lethal dose 50% (LD ^{50 ).} Spesifikasi selulosa mikrokristal menurut USP 32-NF 27 dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut ini.

Pengujian USP 32-NF 27

Organoleptik Berwarna putih, tidak berbau dan berasa Identifikasi Berwarna biru violet dengan ZnCl ² Pati Tidak ada (tidak berwarna biru dengan larutan iodin)

Derajat Polimerisasi < 350 Zat larut air (%) < 0,25 Zat larut eter (%) < 0,05 Angka Lempeng Total

< 1000 (cfu/g) Angka Kapang dan

< 100 Khamir (cfu/g)

Escherichia coli
Staphylococcus aureus
Salmonella species
Pseudomonas

aeruginosa

pH 5,0-7,5

Susut pengeringan (%) < 7,0 Kadar abu total (%) < 0,1 Kadar logam berat (Pb,

< 0,001 Cd) (%) LD ^{50 > 5 g/kg BB} (Rowe, dkk, 2009). Selulosa mikrokristal banyak digunakan sebagai eksipien pada pembuatan tablet cetak langsung. Sifat alir dari bahan tambahan adalah penting untuk diketahui. Hal ini berkaitan dengan penanganan dan pencetakan bahan serbuk, khususnya untuk bahan tambahan tablet cetak langsung. Kemampuan mengalir suatu bahan serbuk dapat dilihat pada Tabel 2.3 di bawah ini.

Derajat kemampuan Sudut diam ( ) Kompresibilitas (%)

mengalir

Sangat baik 25-30 5-10 Baik 31-35 11-15

Sedang 36-40 16-20 Cukup 41-45 21-25

Buruk 46-55 26-31 Sangat buruk 56-65 32-37

Sangat sangat buruk 66-90 >38 (Bhimte dan Tayade, 2007)

Berdasarkan Table 2.3 di atas, sudut diam memberikan penilaian terhadap _o pergesekan internal dan kohesif. Nilai sudut diam hingga 40 menunjukkan _o potensi untuk mengalir sedangkan sudut yang lebih besar dari 50 menunjukkan sifat alir yang buruk atau tidak dapat mengalir. Pengukuran sudut diam peka terhadap kelembaban dan dapat menjadi suatu cara dalam memonitor perbedaan antara satu bets dengan bets lainnya (Bhimte dan Tayade, 2007). Indeks Hausner merupakan indikasi dari pergesekan antarpartikel. Nilai indeks Hausner yang lebih besar dari 1,25 menunjukkan sifat alir yang buruk (Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005b). Kompresibilitas dihitung dengan menggunakan nilai berat jenis mampat dan ruahan. Nilai kompresibilitas lebih dari 20% menunjukkan serbuk tidak dapat mengalir bebas,sedangkan bahan dengan kompresibilitas lebih dari 38% akan sulit untuk keluar dari hopper(Bhimte dan Tayade, 2007).

Selulosa mikrokristal dapat diperoleh secara komersial dengan berbagai kualitas dan merek dagang, diantaranya Avicel PH, Cellets, Celex, hellolosum mikrokristallinum, Celphere, Ceolus KG, Comprecel, Emcocel, Ethisphere, Fibrocel, Pharmacel, dan lain-lain. Selulosa mikrokristal tersedia dalam berbagai kelas (grade) berdasarkan analisis ukuran partikel (Tabel 2.4) (Rowe, dkk, 2009).

Kelas Rata-rata Ukuran Partikel (ηm) Analisis Ukuran Partikel Ukuran Ayakan (Mesh) Jumlah yang Tertahan (%)

Avicel PH 101

50 60 ≤ 1,0 200 ≤30,0 Avicel PH 102 100 60 ≤ 8,0 200 ≥ 45,0 Avicel PH 103

50 60 ≤ 1,0 200 ≤ 30,0 Avicel PH 105 20 400 ≤ 1,0 Avicel PH 112 100 60 ≤ 8,0 Avicel PH 113

50 60 ≤ 1,5 200 ≤ 30,0 Avicel PH 200 180 60 ≥ 10,0 100 ≥ 50,0 Celex 101

75 60 ≤ 1,0 200 ≥ 30,0 Ceolus KG 802

50 60 ≤ 0,5 200 ≤ 30,0 Emcocel 50M

50 60 ≤ 0,25 200 ≤ 30,0 Emcocel 90M

91 60 ≤ 8,0 200 ≥ 45,0 50 60 ≤ 1,0

(Rowe, dkk., 2009)

2.3 Derajat Polimerisasi

Polimer alam seperti protein, selulosa, dan karet telah dikenal dan dimanfaatkan manusia berabad-abad untuk berbagai keperluan. Polimer tinggi adalah molekul besar yang dibangun oleh pengulangan kesatuan kimia yang kecil dan sederhana. Akibatnya, molekul-molekul polimer umumnya mempunyai berat molekul yang sangat besar. Apabila satuan itu berulang lurus seperti rantai, maka molekul- molekul polimer seringkali digambarkan sebagai molekul rantai atau rantai polimer.

Panjang rantai polimer dapat dinyatakan dalam DP dari polimer yang bersangkutan, yaitu jumlah kesatuan berulang dalam rantai polimer. Jumlah unit glukosa di dalam molekul selulosa dapat dilihat melalui derajat polimerisasinya (Purwaningsih, 2012). Berat molekul dari suatu makromolekul adalah perkalian DP dengan berat molekul unit strukturnya (Stevens, 2001).

DP selulosa sangat bervariasi, bergantung pada sumber dan perlakuan yang diberikan. Perlakuan kimia secara intensif seperti pembuatan pulp, pengelantangan, dan transformasi akan sangat menurunkan harga DP. Proses delignifikasi dan ekstraksi juga dapat menurunkan DP selulosa. Selain itu, semakin tua umur pohon, maka DP juga semakin menurun (Wegener, 1985).

Penentuan DP biasanya dilakukan dengan menentukan viskositas sampel setelah sampel dilarutkan dalam pelarut kompleks berair, seperti cuprammonium hidroksida (Cuam) atau cupri etilen diamin (CED). DP dari polimer sangat menentukan tingkat viskositas larutan pada konsentrasi polimer yang diberikan (Klemm, 1998).

2.4 Selulosa Nanokristal

Ranby dan Ribi (1950) untuk pertama kalinya telah melaporkan bahwa suspensi koloid selulosa dapat diperoleh dengan mendegradasi serat selulosa yang dikatalisis oleh asam sulfat. Kemudian Nickerson dan Habrle (1947) meneliti bahwa degradasi diinduksi dengan pendidihan serat selulosa dalam larutan asam mencapai suatu batas setelah perlakuan dalam waktu tertentu. Gambar 2.5transmission electron microscopy (TEM) dari suspensi kering menunjukkan adanya partikel berbentuk jarum dan analisis selanjutnya dengan difraksi elektron menunjukkan adanya kesamaan struktur kristal seperti serat aslinya (Habibi, dkk.,, 2010).

Selulosa nanokristal telah diisolasi dari berbagai sumber selulosa, termasuk tanaman, selulosa mikrokristal, hewan, bakteri, dan alga. Kapas adalah salah satu sumber selulosa yang memiliki kandungan selulosa tinggi (94%) (Oksman dan Mathew, 2007; Klemm, dkk., 2011).

2.4.1 Pembuatan dan Karakterisasi Selulosa Nanokristal

Proses utama untuk menghasilkan selulosa nanokristal dari serat selulosa adalah berdasarkan hidrolisis asam. Bagian amorf akan lebih mudah dihidrolisis, sedangkan bagian kristal yang lebih tahan terhadap serangan asam akan tersisa (Habibi, dkk., 2010).

Prosedur khas yang dilakukan untuk menghasilkan selulosa nanokristal adalah menghidrolisis selulosa murni dengan asam kuat dalam kondisi temperatur, pengadukan, dan waktu yang terkendali. Proses kimia dimulai dengan penghilangan ikatan antar polisakarida pada permukaan serat selulosa dan diikuti dengan pecah dan rusaknya bagian amorf sehingga melepaskan bagian kristal selulosa. Setelah hidrolisis dilakukan, suspensi yang dihasilkan diencerkan dengan air, dan dicuci dengan beberapa kali sentrifugasi. Kemudian dialisis dilakukan untuk menghilangkan molekul asam bebas dari dispersi dan memisahkan partikel yang berukuran lebih kecil dan lebih besar dari pori-pori membran dialisis yang digunakan. Tahap selanjutnya adalah proses mekanik seperti sonikasi yang akan menghilangkan pengotor yang masih melekat pada selulosa nanokristal sehingga diperoleh nanokristal yang terdispersi dalam suspensi yang stabil. Struktur, sifat, dan tahap pemisahan tergantung pada asam mineral dan konsentrasi yang digunakan, temperatur dan waktu hidrolisis, serta intensitas ultrasonikasi (Habibi, dkk., 2010; Klemm, dkk., 2011).

Jenis asam mineral yang digunakan dalam tahap hidrolisis memiliki pengaruh besar pada sifat permukaan nanokristal. Kristal yang dihasilkan dengan menggunakan HCl menunjukkan stabilitas koloid yang rendah dan tidak bermuatan, sedangkan hidrolisis yang dilakukan dengan asam sulfat akan mengalami sulfasi pada beberapa permukaan dan menghasilkan selulosa yang bermuatan negatif pada permukaannya (Klemm, dkk., 2011). Selulosa nanokristal yang ditritmen dengan HCl kemudian dengan asam sulfat menghasilkan ukuran partikel yang sama seperti yang diperoleh dengan hidrolisis asam sulfat.

Sedangkan proses hidrolisis yang dilakukan dengan menggunakan kombinasi asam klorida dan asam sulfat memberikan bentuk sferis pada nanokristal. Bentuk sferis memiliki gugus sulfat yang lebih sedikit pada permukaannya (Habibi, dkk., 2010).

Konsentrasi asam sulfat yang digunakan tidak banyak bervariasi dari konsentrasi 65% (b/b), temperatur dapat berada pada rentang suhu kamar sampai _o

70 C, waktu hidrolisis dapat berbeda dari 30 menit sampai 1 malam tergantung suhu yang digunakan. Hidrolisis dengan asam klorida dapat dilakukan pada temperatur refluks dengan konsentrasi asam antara 2,5-4 N dengan variasi suhu tergantung pada sumber selulosa yang digunakan (Habibi, dkk., 2010). Bondeson, dkk. (2006) telah meneliti kondisi optimum hidrolisis dengan menggunakan selulosa mikrokristal dari Norway spruce (Picea abies) sebagai bahan awal selulosa. Faktor yang divariasikan selama proses adalah konsentrasi selulosa mikrokristal dan asam sulfat, waktu dan temperatur hidrolisis, dan waktu tritmen dengan ultrasonik. Penelitian ini menunjukkan bahwa konsentrasi asam sulfat 63,5% (b/b) dengan waktu hidrolisis sekitar 2 jam, telah menghasilkan selulosa nanokristal dengan rendemen 30% dari berat awal dan memiliki panjang 200-400 nm dan lebar kurang dari 10 nm. Perpanjangan waktu hidrolisis menghasilkan nanokristal yang lebih pendek dan menambah muatan permukaan. Ukuran dan morfologi nanokristal tergantung pada sumber selulosa: selulosa tunicate dan alga memiliki panjang beberapa mikron, sedangkan serat kayu menghasilkan nanokristal yang lebih pendek (Klemm, dkk., 2011; Frone, dkk., dkk., 2011).

Yu, dkk. (2012) telah membuat selulosa nanokristal dari pulp bambu. Pada proses ini digunakan asam sulfat dengan konsentrasi 46%, suhu dan waktu _o hidrolisis berturut-turut 55 C dan 30 menit. Selulosa nanokristal yang dihasilkan memiliki panjang 200-500 nm dan diameter kurang dari 20 nm. Hasil uji FTIR menunjukkan spektrum yang sama dengan pulp bambu. Derajat kristalinitas selulosa nanokristal bambu 71,98%. Hal ini dikarenakan bagian amorf telah banyak dihilangkan pada saat hidrolisis dengan asam sulfat. Selulosa nanokristal yang diperoleh dari hasil hidrolisis Luffa cylindrica dengan asam sulfat 65% memiliki bentuk whisker dengan derajat kristalinitas 96,5%.

Chang, dkk. (2010) telah membuat selulosa nanokristal dari cotton linter dengan menggunakan variasi konsentrasi asam sulfat 50%-60%, temperatur 45– _o

55 C, dan waktu hidrolisis 5-15 menit. Hasil selulosa nanokristal yang terbaik _o adalah yang diperoleh dari hidrolisis dengan asam sulfat 60%, temperatur 45 C, dan waktu reaksi 5 menit. Selulosa nanokristal ini memiliki bentuk jarum, gugus fungsi yang tidak berbeda dengan selulosa kapas, dan temperatur degradasi yang lebih rendah dari kapas dan selulosa nanokristal lain.

Selulosa nanokristal mempunyai rasio luas permukaan dan volume yang sangat besar (Habibi, dkk., 2010; Liu, dkk., 2010). Luas permukaan yang sangat besar ini merupakan suatu keuntungan dari selulosa nanokristal yaitu memungkinkan untuk lebih banyak obat dapat berikatan dan berinteraksi dengan permukaannya (Jackson, dkk., 2011).

2.4.2 Aplikasi Selulosa Nanokristal

Penggunaan selulosa nanokristal dalam material komposit dikarenakan sifatnya seperti berukuran dalam skala nanometer, luas permukaan yang tinggi, morfologi yang unik, kekakuan, kristalinitas, dan kekuatan mekanik yang tinggi. Selulosa nanokristal yang digunakan sebagai pengisi dalam memperkuat material komposit telah dijumpai dalam berbagai bidang, seperti industri elektronik, konstruksi, biomedik, kosmetik, industri kertas, pengemasan, bahan bangunan, tekstil, dan lain-lain (Frone, dkk., 2011).

Sifat mekanik film nanokomposit tergantung pada ukuran dan morfologi dari dua bahan yang digunakan, yaitu selulosa nanokristal dan matriks polimer, juga teknik pembuatannya. Aspect ratio merupakan faktor utama yang mengendalikan sifat mekanik dari nanokomposit. Pengisi dengan aspect ratio yang tinggi memberikan efek penguatan yang sangat baik. Telah dilaporkan bahwa modulus tertinggi meningkat dalam matriks karet dari poli(S-co-BuA) dan stabilitas termal diperoleh dengan menggunakan whiskers tunicin (P/d ~ 67) dibandingkan dengan whisker bakteri (P/d ~ 60) dan Avicel (P/d ~ 10) (Peng, dkk., 2011).

Selulosa nanokristal dapat digunakan sebagai bahan tambahan pada sistem penyampaian obat. Bahan ini berikatan dengan obat yang larut dalam air dan terionisasi (tetrasiklin dan doksorubisin) yang memberikan pelepasan obat dengan segera. Setil trimetilamonium bromide berikatan dengan permukaan selulosa nanokristal, sehingga meningkatkan potensial zeta dari -55 mV ke 0 mV dan mengakibatkan obat-obat hidrofob seperti paclitaxel, docetaxel, dan etoposida dilepaskan dengan cara terkendali lebih dari dua hari (Jackson, dkk., 2011).

2.5 Arenga pinnata (Wurmb) Merr.

Sistematika dan identifikasi tanaman aren adalah sebagai berikut: Kingdom : Plantae Divisi : Spermatophyta Class : Dicotyledoneae Ordo : Arecales Famili : Arecaceae Genus : Arenga Spesies : Arenga pinnata (Wurmb) Merr.

Nama lokal : Aren (Corner dan Watanabe, 1969) Tanaman aren (Arenga pinnata (Wurmb) Merr.) atau Arenga saccharifera

Labill merupakan tumbuhan palam rumbai yang terkenal. Tumbuhan ini banyak didapati di seluruh Nusantara. Pohon aren ini tumbuh mulai dari ketinggian di atas permukaan laut hingga 1220 m lebih di alam liar dan tidak jarang dibudidayakan. Pohon aren mempunyai tinggi batang mencapai 25 m dengan diameter 65 cm. Bunga aren ini terdiri dari bunga jantan dan betina. Kedua bunga terpisah pada masing-masing tandan (spadix). Bunga jantan berwarna kecoklatan dan bunga betina kehijauan. Bunga betina menghasilkan sedikit atau tidak menghasilkan nira sama sekali, oleh karena itu bunga betina dibiarkan menjadi buah (Heyne, 1987).

Pohon aren memiliki daun yang panjang seperti daun kelapa dan bertulang sejajar. Pada sepanjang tepi-tepi daun bagian atas dari pelepah daunnya yang lebar terdapat serat dan serabut hitam yang kokoh. Serabut ini sering disebut ijuk (Hidayat dan Utomo, 1976). Buah aren dalam jumlah yang banyak bergantung pada tandan yang besar dan bercabang. Buah yang telah terbentuk dapat dipanen beberapa kali dalam setahun. Buah mempunyai bentuk bulat panjang dengan ujung melengkung ke dalam, diameter 3-5 cm, dan berisi 2-3 biji di dalamnya.

Biji dari buah yang masih muda setelah diambil dan dididihkan dengan atau tanpa gula dapat dijadikan makanan yang biasa disebut kolang-kaling (Florido dan De Mesa, 2003).

Kolang-kaling dapat dihasilkan rata-rata sebanyak 100 kg/pohon/tahun bila tidak disadap niranya (Anonim, 2009). Kolang-kaling merupakan makanan berserat, memiliki kadar air sangat tinggi, hingga mencapai 93,8% dalam setiap 100 gramnya. Kolang-kaling juga mengandung protein, karbohidrat, dan serat kasar. Komponen utama polisakarida yang terdapat dalam kolang-kaling adalah polisakarida yang larut air yaitu galaktomanan (Rao, dkk., 1961; Tarigan dan Kaban, 2010). Galaktomanan yang terdapat dalam kolang-kaling memiliki perbandingan manosa:galaktosa sebesar 2,26:1 (Koiman, 1971).

Kulit buah (exocarp) berwarna hijau ketika masih muda dan kuning kecoklatan bila sudah tua. Daging buah (mesocarp) berwarna kuning keputihan, lunak dan dapat menyebabkan gatal, kulit biji (endocarp) relatif tipis, berwarna kuning kecoklatan waktu masih muda, menjadi hitam dan sangat keras bila sudah tua (Miller, 1964).

Aren merupakan tanaman serbaguna. Bisa dikatakan semua bagian dari tanaman aren dapat dimanfaatkan. Akarnya untuk bahan anyaman dan cambuk, batang yang dibelah sebagai talang (saluran air), kayunya digunakan untuk tongkat jalan, tulang daun untuk keranjang dan sapu, daun muda sebagai pengganti kertas rokok, serabut pelepah untuk tali ijuk, keranjang, sapu, dan sikat, empulur batang diolah menjadi pati yang dapat digunakan untuk pembuatan kue.

Biji buahnya dibuat manisan dan dimakan (kolang-kaling). Cairan pada tongkol bunga jantan disadap karena mengandung gula, biasa disebut nira. Nira ini kemudian dibuat gula aren, kalau dikhamirkan menghasilkan sagu air, tuak (arak) atau cuka (Yuniarti, 2008). Selain itu, hasil fermentasi, destilasi, dan dehidrasi dari nira dapat menghasilkan bioetanol dengan kadar etanol sekitar 95% (Effendi, 2010).

2.6 Tandan Aren

Tandan buah pohon aren (Gambar 2.6) terdiri dari banyak tangkai yang panjangnya kira-kira 2 kaki (60,96 cm). Semua tandan bergantungan pada sebuah tangkai yang lebih besar dan penuh dengan buah yang berwarna hijau bila masih muda dan coklat kekuning-kuningan bila masak. Kadang-kadang pada satu pohon terdapat 4 sampai 5 tandan buah aren yang masing-masing mempunyai bobot sekitar 100 kg (Heyne, 1987).

Tandan aren yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari industri kolang kaling yang terdapat di Kecamatan Selesai, Kabupaten Langkat, Sumatera Utara. Industri kolang kaling ini merupakan sentra terbesar produksi bahan kolang kaling yang pemasarannya menjangkau Jakarta, Medan, Batam, Pekan Baru, Aceh, bahkan sampai ke Malaysia. Buah kolang kaling diperoleh dari para pengumpul yang berasal dari daerah Langkat, Dairi, Padang Sidempuan, dan Pakpak Barat (Anonim, 2012). Buah aren yang bijinya akan diolah menjadi kolang kaling dibawa ke pabrik masih lekat pada tandannya.

Tandan aren ini merupakan bagian dari tanaman aren yang berkayu dan memiliki sifat fisik yang kuat karena menjadi tempat bergantung banyak buah.

Beberapa komponen senyawa kimia yang terdapat pada tandan aren dapat dilihat Tabel 2.5.

Parameter Kadar (%)

Lignin 27,74 Holoselulosa 68,11 α-selulosa 33,79 Kadar air 11,10 Ekstraktif 1,80

(Sumaiyah, dkk., 2013) Pada industri kolang-kaling terdapat limbah padat berupa tandan dan kulit buah aren. Tandan aren yang telah diambil buahnya dibiarkan bertumpuk dan mengering. Pemanfaatan tandan aren ini masih sangat terbatas, yaitu hanya sebagai kayu bakar. Dengan mengetahui kandungan bahan kimia dari tandan aren, maka tandan aren ternyata dapat digunakan sebagai salah satu sumber selulosa untuk diolah menjadi selulosa mikrokristal dan nanokristal yang akan dimanfaatkan dalam bidang farmasi.

2.7 Tablet

Tablet adalah sediaan padat yang mengandung bahan obat dengan atau tanpa bahan pengisi. Sebagian besar tablet dibuat dengan cara pengempaan dan merupakan bentuk sediaan yang paling banyak digunakan. Tablet kempa dibuat dengan memberikan tekanan tinggi pada serbuk atau granul. Tablet dapat dibuat dalam berbagai ukuran, bentuk dan penandaan permukaan tergantung pada desain cetakan (Ditjen POM, 1995).

Tablet tersedia dalam berbagai bentuk antara lain tablet kunyah, tablet

effervescent, tablet hisap, tablet sublingual, dan tablet vagina. Proses produksi

sediaan tablet merupakan tahapan yang kompleks. Bahan dasar (zat aktif dan eksipien) dalam bentuk serbuk akan diubah menjadi bentuk tablet, yang secara fisik terlihat bahwa terjadi perubahan karakter fisik dari bentuk serbuk menjadi bentuk tablet yang kompak. Metode pembuatan tablet dapat dibedakan menjadi : a. Metode Granulasi Basah (Wet Granulation)

Jika bahan aktif tahan terhadap air atau pelarut dan terhadap panas maka dapat dipilih metode granulasi basah. Metode granulasi yang paling banyak digunkan di industri farmasi adalah metode granulasi basah. Inti dari metode granulasi basah adalah adanya penambahan air atau cairan dalam proses granulasinya (baik cairan bahan pengikat maupun cairan yang hanya berfungsi sebagai pelarut atau pembawa bahan pengikat).

b. Metode Granulasi Kering (Dry Granulation) Metode granulasi kering dilakukan bila zat aktif yang akan digranul tidak tahan terhadap panas dan kelembaban dari solven atau pelarut. Pada metode granulasi kering, bahan pengikat ditambahkan dalam bentuk serbuk dan tanpa penambahan pelarut. c. Metode Kempa Langsung (Direct Compression) Kempa langsung didefinisikan sebagai proses pembuatan tablet dengan langsung mengempa campuran serbuk (zat aktif dan eksipien), dan tidak ada proses sebelumnya kecuali penimbangan dan pencampuran bahan. Metode pembuatan tablet secara kempa langsung merupakan metode yang sangat disenangi. Hal ini karena kempa langsung memberi beberapa keuntungan diantaranya ialah lebih ekonomis, karena tahapan produksinya lebih singkat, peralatan yang dibutuhkan tidak banyak, membutuhkan tenaga yang sedikit dan karena prosesnya singkat maka stabilitasnya tetap terjaga (Bushra, dkk., 2008).

Tablet yang dibuat secara kempa langsung memberikan level mikroba yang lebih rendah dibandingkan dengan cara granulasi basah (Ibrahim dan Olurinola, 1991).

2.8 Eksipien Tablet

2.8.1Avicel

Avicel merupakan salah satu merek dagang dari selulosa mikrokristal yang paling banyak dan sering digunakan sebagai bahan tambahan pada tablet cetak langsung, karena bahan ini dapat berfungsi sebagai bahan pengisi, pengikat, dan sekaligus penghancur tablet. Avicel memiliki beberapa kelas tingkatan berdasarkan ukuran partikel dan persentase jumlah bahan yang tertahan setelah diayak dengan ayakan berukuran tertentu, misalnya Avicel PH 102 memiliki ukuran partikel 100 ηm dengan jumlah partikel yang tertahan setelah diayak dengan ayakan 60 mesh adalah < 1,0% dan dengan ayakan 200 mesh tertahan sebesar < 30,0%. Untuk kelas Avicel yang lain dapat dilihat pada Tabel 2.4 (Rowe, dkk., 2009).

Spesifikasi Avicel PH 102 dapat dilihat pada Tabel 2.6 di bawah ini. Nilai- nilai yang tertera pada Tabel 2.6 sesuai dengan persyaratan pengujian selulosa mikrokristal yang ditetapkan oleh USP 32-NF 27 (Tabel 2.2).

Pengujian Spesifikasi Avicel PH 102

Organoleptik Berwarna putih, tidak berbau dan berasa Identifikasi Berwarna biru violet dengan ZnCl ² Pati Tidak ada (tidak berwarna biru dengan larutan iodin)

Derajat Polimerisasi 236 Zat larut air (%) 0,08 Zat larut eter (%) 0,013 Angka Lempeng Total sesuai (cfu/g) Angka Kapang dan sesuai Khamir (cfu/g)

Escherichia coli sesuai Staphylococcus aureus sesuai Salmonella species sesuai Pseudomonas sesuai aeruginosa

pH 6,3

Susut pengeringan (%) 4,4 Kadar abu total (%) 0,01 Kadar logam berat (Pb, Sesuai Cd) (%)

2.8.2 Lactose Spray Dried

Laktosa adalah gula yang diperoleh dari susu. Dalam bentuk anhidrat atau mengandung satu molekul air hidrat. Konsentrasi laktosa yang digunakan dalam formulasi adalah 65%-85%. Laktosa merupakan serbuk atau massa hablur, keras, putih, atau putih krem. Tidak berbau dan berasa sedikit manis, stabil di udara, tetapi mudah menyerap bau. Mudah larut dalam air dan lebih mudah larut dalam air mendidih, praktis tidak larut kloroform, etanol, dan eter (Rowe, dkk., 2009).

Secara kimia laktosa terdiri atas dua bentuk isomer, α dan β. α-laktosa monohidrat tersedia komersial sebagai serbuk tak berasa dalam suatu rentang ukuran partikel 200-400 mesh. Ada dua jenis laktosa yaitu yang berukuran 60-80 mesh (kasar) dan 80-100 mesh (biasa). Umumnya formulasi yang menggunakan laktosa menunjukkan laju pelepasan obat yang baik. Granulnya cepat kering dan waktu hancurnya tidak terlalu peka terhadap perubahan kekerasan tablet (Lachman, 1964).

Lactose spray dried (LSD) saat ini tersedia untuk digunakan sebagai bahan pengikat-pengisi dalam tablet cetak langsung. LSD dibuat dari atomisasi dan pengeringan suspensi kristal α-laktosa monohidrat dalam larutan laktosa. 10-20% laktosa ada dalam larutan dan sisanya 80-90% dalam bentuk kristal.Proses pengeringan dengan spray dryer menghasilkan partikel dalam bentuk sferis.

(Rowe, dkk., 2009).

2.8.3 Magnesium Stearat

₃₆ ₇₀

₄ Magnesium stearat (C H MgO ) merupakan campuran magnesium dengan asam organik padat yang mengandung magnesium stearat dan magnesium palmitat. Bahan ini digunakan sebagai bahan pelicin (lubrikan) dalam kapsul dan tablet dengan konsentrasi 0,25%-5,0% w/w. Pemerian berupa serbuk, halus, licin, putih, dan mudah melekat pada kulit, bau lemah khas, dan bebas dari butiran. Kelarutannya praktis tidak larut dalam air, etanol 95%P dan dalam eter P, sukar larut dalam benzen dan etanol (95%) (Rowe, dkk., 2009).

Penggunaan magnesium stearat secara umum adalah pada sediaan kosmetik, makanan, dan formula farmasetik. Pada pembuatan kapsul dan tablet, magnesium stearat digunakan dengan konsentrasi 0,25%-5,0%. Selain itu bahan inijuga digunakan sebagai bahan pembawa dalam krim (Rowe, dkk., 2009).

2.8.4 Talkum

Talkum merupakan magnesium silikat hidrat yang dimurnikan, dengan ₆ ₂ ₅ ₄ ₄ rumus Mg (Si O ) (OH) . Penggunaannya adalah sebagai bahan anticaking,

pelicin, pengisi tablet dan kapsul, sertapelincir. Sifat talkum sebagai glidan lebih

baik daripada amilum, namun talkum dapat menurunkan disintegrasi dan disolusi tablet. Pada proses pencetakan tablet, talkum bersifat sebagai antiadherent yang dapat mencegah melekatnya (sticking) permukaan tablet pada punch atas dan punch bawah (Rowe, dkk., 2009).

2.9 Natrium Diklofenak

Diklofenak merupakan turunan fenil asetat dan termasuk obat anti inflamasi non steroid (AINS) yang potensinya jauh lebih besar daripada indometasin, naproksen, atau beberapa senyawa lain. Obat ini sering digunakan untuk segala macam nyeri, juga pada migrain dan encok. Selain itu juga berfungsi sebagai analgetik dan antipiretik. Secara parenteral juga sangat efektif untuk menanggulangi rasa nyeri hebat (Goodman dan Gilman, 2007; Tjay dan Kirana, 2002).

NH Cl Cl

Rumus Molekul : C ^{14 H} ^{10 Cl} ^{2 NO} ^{2 Na} Berat Molekul : 318,3 Nama Kimia : Natrium {0-[2,6 diklofenil aminofenil} asetat Pemerian : Serbuk kristal, putih atau agak kekuningan, agak higroskopis (The USP Convention, 2009).

Natrium diklofenak (Gambar 2.7) dapat diabsorpsi dengan cepat dalam saluran cerna setelah pemberian oral. Obat ini terikat 99% pada protein plasma dan dimetabolisme oleh hati sehingga memiliki waktu paruh yang pendek yaitu 2 jam (Neal, 2006).

Cara kerja sebagian besar AINS berdasarkan hambatan sintesis prostaglandin, dimana kedua jenis enzim cyclo-oxygenase (COX) dihambat. Obat- obat AINS yang ideal hendaknya hanya menghambat COX-2 (peradangan), tidak menghambat COX-1 (perlindungan mukosa lambung) dan lipo-oxygenase (pembentukan leukotrien) (Tjay dan Kirana, 2002). Diklofenak adalah penghambat COX yang memiliki afinitas lebih besar untuk COX-2 dibanding COX-1. Obat ini menghambat biosintesa prostaglandin dan juga mengurangi pembentukan leukotrien, yang dapat memberikan kontribusi kepada aktivitas anti- inflamasi. Waktu paruh dari diklofenak adalah pendek pada sebagian besar spesies, termasuk manusia, tetapi terakumulasi di situs peradangan, dimana mencapai konsentrasi yang lebih tinggi di jaringan non-peradangan, dan sama dengan yang dicapai dalam plasma (Veterinaria, 2006).

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Selulosa 2.1.1 Struktur Selulosa - Pembuatan dan Karakterisasi Selulosa Mikrokristal dan Nanokristal Tandan Aren (Arenga pinnata (Wurmb) Merr.) dan Penggunaannya sebagai Eksipien dalam Tablet Natrium Diklofenak