Jurnal Ilmiah Dasar 1 [PDF]

Citation preview

Aplikasi Response Surface Methodology (RSM) Pada Optimasi Ekstraksi Antosianin Kulit Kakao (Theobroma cacao L) Istiqomah Rahmawati1*, Boy Arief Fachri1, Yakub Hendrikson Manurung1, Nurtsulutsiyah1, Muhammad Reza2 1Chemical Engineering Department, University of Jember, Jember, Indonesia 2Chemistry Departement, Institut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia *Corresponding author: [email protected]



ABSTRACT Penelitian ini bertujuan untuk mengidentifikasi hubungan variabel input dan mengembangkan model prediksi yang digunakan untuk mengoptimalkan kondisi saat proses antosianin. Ekstraksi antosianin dari limbah kulit kakao dilakukan dengan metode maserasi dengan ethanol 96% sebagai pelarut. Response surface methodology merupakan sekumpulan teknik matematika dan statistika yang digunakan untuk menganalisa permasalahan dimana beberapa variabel independen mempengaruhi variabel respon yang bertujuan untuk mengoptimalkan respon. Variabel yang digunakan dalam proses ekstraksi yaitu ukuran partikel, bahan / pelarut ratio (w / v), dan waktu ekstraksi optimum. Program Desain Expert vs11 dengan Response Surface Methodology (RSM) Box-Behnken Desain digunakan untuk kondisi penelitian dan pilih proses dari kombinasi faktor-faktor yang menghasilkan respon yang optimal. Berdasarkan Box-Behnken RSM Desain diketahui bahwa efek utama dari ukuran partikel, bahan / pelarut rasio, dan waktu ekstraksi optimum dalam proses ekstraksi adalah faktor yang sangat mempengaruhi respon konsentrasi antosianin yang dihasilkan. hubungan antara variabel respon konsentrasi antosianin dimodelkan Y=0,000217-7,25468E-07A-0,001522B0,000048C+0,000035AB+2,88104E-07AC+0,000729BC



(A adalah ukuran partikel, B adalah rasio kakao kulit / etanol; dan C adalah waktu ekstraksi) Nilai respon optimal konsentrasi antosianin adalah 0,479 mM, dengan kondisi ukuran partikel pada proses ekstraksi adalah 0,25 mm; rasio kakao kulit / etanol adalah 0,0625 w / v, dan waktu ekstraksi 3 hari.



Kata kunci: Antosianin, Ethanol, Response Surface Methodology PENDAHULUAN Indonesia adalah negara urutan ketiga sebagai penghasil kakao dibawah Pantai Gading dan Ghana. Tahun 2010/2011 jumlah hasil panen kakao mencapai 450.000 ton dan mengalami kenaikan pada tahun 2011/2012 hingga 500.000 ton (World Cocoa Foundation, 2019). Besarnya produksi kakao Indonesia mendorong nilai ekspor kakao Indonesia menghasilkan devisa terbesar ketiga subsektor perkebunan dibawah komoditi kelapa sawit ataupun karet (Dirjen Bina Produksi Perkebunan, 2019). Kakao dengan nama latin Theobroma cacao L, Theobroma merupakan genus dari yang pohon buah-buahan yang ditanam berbagai kawasan tropitermasuk family dari Malvacae. Kakao (Theobroma cacao L.) merupakan tumbuhan berdaun lebar dengan buah berwarna kuning kemerahan. Kakao memiliki kandungan senyawa aktif yang dapat dipergunakan sebagai antiseptik, antioksidan, antiinflamasi, dan diuretik. Kakao juga dimanfaatkan sebagai obat tradisional yang berfungsi untuk mengobati luka bakar, gigitan ular, demam, bibir kering, batuk, rematik, dan kelelahan (Albertini et al., 2015; Arlorio et al., 2005). Struktur buah kakao terbagi menjadi empat bagian utama yakni biji, plasenta, pulp, dan kulit. Kulit kakao adalah komponen limbah dari pengolah biji kakao dengan jumlah yang paling besar. Massa kulit kakao mencapai 75% dari total keseluruhan massa buah. Kulit buah kakao belum dimanfaatkan secara optimal karena hanya dipergunakan sebagai pakan ternak, dibakar, atau bahkan dibuang sehingga menjadi limbah pertanian. Kulit kakao banyak mengandung zat aktif yakni senyawa feenolik seperti pirogalol, tanin, kuersetin, epitekin-



3-galat, resorsinol, serta lignin. Polifenol yang terkandung dalam kulit kakao memiliki komponen utama katekin, proantosianidin, dan antosianin. Kandungan antosianin dalam 600 gram kulit buah kakao mencapai 39,82% (Lubis et al., 2018; Corcuera et al., 2012). Pada penelitian ini digunakan Program Design Expert 11 dengan Response Surface Methodology (RSM) Box-Behnken Design digunakan untuk penelitian dan memilih kondisi proses dari kombinasi faktor-faktor yang menghasilkan respons optimal. Berdasarkan Desain RSM Box-Behnken diketahui bahwa efek utama dari ukuran partikel, rasio bahan / pelarut, waktu ekstraksi yang optimal, dan daya gelombang mikro dalam proses ekstraksi adalah faktor-faktor yang sangat mempengaruhi respons konsentrasi anthocyanin yang dihasilkan. Program Design Expert 11 dengan Response Surface Methodology (RSM) BoxBehnken Design dalam penelitian digunakan untuk menganalisa pemodelan dari suatu permasalahan dengan satu atau lebih perlakuan (Montgomery, 2001; Bas & Boyaci, 2007; Raissi & Farsani, 2009). Menurut Radojkovic et al. (2012), RSM adalah kumpulan statistik dan matematika teknik yang berguna untuk mengembangkan, meningkatkan, dan mengoptimalkan proses, di mana respon dipengaruhi oleh beberapa faktor (variabel independen). Response Surface Methodology (RSM) tidak hanya mendefinisikan pengaruh variabel independen, tetapi juga menghasilkan model matematis, yang menjelaskan proses kimia atau biokimia. Gagasan utama dari metode ini adalah mengetahui pengaruh variabel bebas terhadap respon, mendapatkan model hubungan antara variabel bebas dan respon serta mendapatkan kondisi proses yang menghasilkan respon terbaik. Di samping itu, keunggulan metode RSM ini di antaranya tidak memerlukan data-data percobaan dalam jumlah yang besar dan tidak membutuhkan waktu lama (Iriawan & Astuti, 2006).



Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengidentifikasi hubungan antara variabel input dan mengembangkan model prediksi yang digunakan dalam mengoptimalkan kondisi proses ekstraksi antosianin. METODE Metode Penelitian ini diawali dengan ekstraksi zat warna. Tahap kedua penelitian ini adalah optimasi kondisi ekstraksi antosianin pada kulit kakao, dimana terdii dari 3 tahap, yaitu pembuatan rancangan formulasi dan respon; analisis respon; dan optimasi. Kemudian dilanjutkan ke tahap verifikasi, sebagai pembuktian terhadap prediksi dari nilai respon solusi formula optimum. Ekstraksi zat warna kulit kakao Variabel yang akan dianalisis meliputi ukuran partikel (0,105; 0,125; 0,149; 0,177; 0,25 mm), rasio kulit kakao:pelarut (1:2; 1:4; 1:6; 1:8 b/v), waktu maserasi (1,2,3 hari untuk metode maserasi dan pelarut etanol. Tahapan ekstraksi zat warna kulit kakao terdiri atas: 1. Kulit kakao dengan halus dimaserasi dalam campuran pelarut (Lubis et al., 2018). 2. Sampel dimaserasi secara konvensional 3. Hasil rendaman disaring 4. Supernatan dikarakterisasi dengan spektrofotometri UV-Vis (Supernatan disimpan dalam wadah tertutup dan tidak tembus cahaya di dalam freezer). Optimasi Kondisi ekstraksi antosianin pada kulit kakao Dalam mengaplikasikan metode Response Surface Methodology RSM ada 3 tahap, yaitu : a). Tahap pembuatan rancangan formulasi dan respon Rancangan formulasi penelitian dan analisa respon dilakukan dengan menggunakan program Desain-Expert v11. Pada penelitian ini yang menjadi variabel terikat adalah konsentrasi dari antosianin hasil ekstraksi sementara variabel



bebasnya adalah A. ukuran partikel (0,105; 0,125; 0,149; 0,177; 0,25 mm), B. rasio kulit kakao:pelarut (1:2; 1:4; 1:6; 1:8 b/v), C. waktu maserasi (1,2,3 hari untuk metode maserasi), Hasil rancangan formulasi penelitian dari program desain expert diterapkan dalam pelarut etanol tertera pada Tabel 1. untuk metode maserasi. Ukuran Rasio Waktu Formula (Mesh) (b/v) (hari) 1 100 0.0375 2 2 100 0.0375 2 3 100 0.0375 2 4 60 0.0625 1 5 60 0.0125 1 6 100 0.0795 2 7 100 0.0375 3.7 8 140 0.0125 3 9 140 0.0625 1 10 100 0.0375 2 11 140 0.0625 3 12 100 0.0045 2 13 100 0.0375 2 14 160 0.0375 2 15 60 0.0125 3 16 140 0.0125 1 17 30 0.0375 2 18 100 0.0375 0.32 19 60 0.0625 3 20 100 0.0375 2 Nilai batas minimum dan maksimum dimasukkan ke dalam program Desain-Expert v11 Response Surface Methodology (RSM) BoxBehnken Design untuk diacak. Setelah dilakukan pengacakan kombinasi, didapatkan 20 perlakuan yang akan dianalisis untuk ekstraksi dengan metode maserasi dalam setiap pelarut yang dipergunakan, kadar air dibawah 7,5% tergantung pada intesitas sinar matahari (Ariyanti, 2017). Kulit kakao kering selanjutnya dihaluskan dan diayak menggunakan ayakan yang sesuai dengan ukuran partikel (60, 80, 100, 120, dan 140 mesh) yang diperlukan untuk eksperimen.



b). Tahap analisis respon Respon dari nilai variabel terikat dianalisa dengan ANOVA. Model ANOVA yang digunakan dapat dipilih sesuai yang disarankan oleh program yaitu model yang memiliki tingkat tertinggi dan menghasilkan nilai signifikan ANOVA. Model ANOVA yang terdapat pada design ini adalah Linear, Quadratic, Special Cubic, dan Cubic. Model yang memberikan signifikansi pada ANOVA dan non signifikansi pada Lack of fit dipilih untuk menganalisis variabel. Selain itu, program DX v11 juga memberikan fasilitas plot kenormalan residual (normal plot of residual) yang mengindikasikan apakah residual (selisih antara respon aktual dengan nilai respon yang diprediksikan) mengikuti garis kenormalan (garis lurus). Titik-titik data yang semakin mendekati garis kenormalan menunjukkan data yang menyebar normal, yang berarti hasil aktual akan mendekati hasil yang diprediksikan oleh program (Kumari et al., 2008). c). Tahap optimasi Respon (konsentrasi antioksidan) ditentukan optimasinya dalam program Desain Expert v11. Optimasi program tersebut dilakukan sesuai data variabel dan data pengukuran respon yang dimasukkan. Keluaran dari tahap optimasi adalah rekomendasi beberapa formula baru yang optimal menurut program. Formula paling optimal adalah formula dengan nilai desirability maksimum. Nilai desirability merupakan nilai fungsi tujuan optimasi yang menunjukkan kemampuan program untuk memenuhi keinginan berdasarkan kriteria yang ditetapkan pada produk akhir. Kisaran nilainya dari 0 sampai 1,0. Nilai desirability yang semakin mendekati nilai 1,0 menunjukkan kemampuan program untuk menghasilkan produk yang dikehendaki semakin sempurna. Tujuan optimasi bukan untuk memperoleh nilai desirability 1,0, namun untuk mencari kondisi terbaik yang mempertemukan semua fungsi tujuan (Raissi & Farzani, 2009).



Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ialah sebagai berikut : Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi peralatan gelas, hot plate dan anak stirrer,spatula, neraca analitik, pemotong kaca, pencacah bahan, screen printing, sonikator, sentrifuge, oven, furnace, pinset, multimeter, gunting, penjepit kertas, spektrofotometer UV-VIS, dan solar simulator. Sedangkan, bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi Kulit kakao yang berasal dari Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia, Asam sitrat (pa), Metanol (pa), Isopropil alkohol (pa), Akuades, TiO2(pa), Kaca Indium Tin Oxide (ITO), Bubuk grafit, Synthetic graphite film, Larutan elektrolit (KI, Polietilen glikol, I2), Kaca preparat, Asetonitril (pa), Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) (pa), dan Asam asetat (pa).



HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi antosianin kulit kakao Preparasi kulit kakao yang akan diekstraksi diawali dengan proses pengeringan untuk memperoleh kulit kakao kering. Kulit kakao kering selanjutnya dihaluskan dan diayak menggunakan ayakan (60, 80, 100, 120, dan 140 mesh) yang sesuai dengan ukuran partikel yang diperlukan untuk eksperimen. Proses preparasi bahan baku kulit kakao tertera pada Gambar 1.



Gambar 1. Proses pengeringan dan pengayakan bahan baku ekstraksi kulit kakao Kulit kakao yang sudah halus dan dipisahkan berdasarkan ukuran partikelnya dapat dipergunakan untuk proses selanjutnya yakni ekstraksi antosianin. Ekstraksi antosianin menggunakan metode maserasi. Ekstraksi dengan menggunakan metode maserasi didasarkan pada pengikatan/pelarutan zat



aktif berdasarkan sifat kelarutannya dalam suatu pelarut (like dissolved like). Pengikatan zat aktif dilakukan dengan cara merendam serbuk simplisia dalam pelarut yang sesuai pada temperatur kamar. Pelarut akan masuk ke dalam sel melewati dinding sel, isi sel akan larut karena adanya perbedaan konsentrasi antara larutan di dalam sel dengan di luar sel. Larutan yang konsentrasinya tinggi akan terdesak keluar dan diganti oleh pelarut dengan konsentrasi rendah (proses difusi). Peristiwa tersebut berulang sampai terjadi keseimbangan konsentrasi antara larutan di luar sel dan di dalam sel. Antosianin dalam kulit kakao dimaserasi dengan pelarut etanol 96%. Proses ekstraksi dengan metode maserasi meninjau pengaruh beberapa variabel yakni A. ukuran partikel (0,105; 0,125; 0,149; 0,177; 0,25 mm), B. rasio kulit kakao:pelarut (1:2; 1:4; 1:6; 1:8 b/v), C. waktu maserasi (1,2,3 hari) dalam setiap pelarut yang dipergunakan untuk ekstraksi.. Hasil dari proses maserasi dianalisa dengan menggunakan spektrofotometer UV-VIS untuk menentukan kadar antosianin yang terdapat pada sampel kulit kakao. Kondisi sampel pada saat maserasi untuk setiap pelarut yang digunakan tertera pada Gambar 2. .



Gambar 2. Kondisi sampel ekstraksi maserasi dalam pelarut etanol Analisa Penentuan Panjang Gelombang



Antosianin adalah senyawa polifenol yang memberikan warna merah-biru pada tumbuhan. Warna terbentuk karena adanya absorpsi cahaya pada panjang gelombang tertentu. Absorpsi cahaya



dengan panjang gelombang tertentu pada senyawa organik terjadi karena adanya transisi п → п* dan n → п*. Struktur dari senyawa organik yang dapat menghasilkan warna harus memiliki gugus tak jenuh yang dapat mengalami transisi п → п* dan n → п* atau yang disebut kromofor. Jenis antosianin yang terkandung pada kulit kakako adalah Pelargonidin (Pg) dengan warna kuning kecoklatan. Struktur kimia Pelargonidin (Pg) tertera pada Gambar 3. H OH



HO



O+ H



OH H



Gambar 3. Struktur kimia Pelargonidin (Pg) Ekstrak antosianin dikarakterisasi dengan spektrofotometer UV-Vis, untuk menentukan nilai absorbansi dari ekstrak untuk dikonversikan menjadi konsentrasi antosianin yang ada pada setiap sampel. Karakterisasi antosianin diawali dengan penentuan panjang gelombang optimum dari ekstrak antosianin untuk metode ekstraksi maserasi serta berbagai pelarut yang digunakan dalam proses ekstraksi. Panjang gelombang yang digunakan pada rentang 400 - 800 nm. Panjang gelombang maksimum antosianin yang diekstrak dari kulit kakao adalah 494 nm. Hasil ini sesuai dengan warna ekstrak kulit kakao yakni kuning kecoklatan (warna komplementer) dengan analisa warna yang diserap adalah biru-hijau. Hasil spektrum analisa panjang gelombang optimum dari antosianin ekstrak kulit kakao tertera pada Gambar 4.



Gambar 4. Penentuan panjang gelombang optimum ekstrak antosianin kulit kakao Penentuan konsentrasi pigmen yang setara dengan antosianin dari ketan hitam dilakukan dengan menggunakan persamaan Lambert-Beer yaitu : A= ɛ b c Dengan, A : Absorbansi ɛ : koefisiensi absorptivitas molar (Lmol-1cm-1) b : tebal kuvet (cm) c : konsentrasi (M) Dengan mengukur absorbansi dari larutan ekstrak antosianin dapat dihitung konsentrasi larutan, dengan syarat nilai koefisien absorptivitas molarnya diketahui. Berdasarkan literatur koefisien absorbansi molar (ɛ) untuk Pelargonidin (Pg) dari ekstrak kulit kakao adalah 26900 Lmol-1cm-1. Optimasi Kondisi Proses Pengolahan dengan RSM Hasil analisa konsentrasi ekstraksi kuit kakao terhadap respon dapat dilihat pada Tabel 2. Hasil pengukuran pengaruh kondisi ekstraksi terhadap respon konsentrasi antosianin tertera pada Tabel 2. Berdasarkan pada Tabel 2 dapat dilihat nilai respon konsentrasi antosianin untuk metode maserasi, konsentrasi antosianin adalah 0,0000800,000479 M untuk pelarut etanol. Hasil analisis ragam (ANOVA) tertera pada Tabel 3. Model persamaan matematika untuk memprediksi konsentrasi antosianin signifikan dengan nilai p lebih kecil dari 0,05. Hasil ANOVA juga menunjukkan bahwa masing-masing komponen



yaitu ukuran partikel, rasio kulit kakao:pelarut, dan waktu maserasi, berpengaruh nyata (signifikan) terhadap respon konsentrasi antosianin. Lack of Fit F-Value respon rendemen dengan nilai p lebih besar dari 0,05 menunjukkan Lack of fit yang tidak signifikan. Nilai Lack of fit yang tidak signifikan merupakan syarat untuk model yang baik karena menunjukkan adanya kesesuaian data respon konsenntrasi antosianin dengan model (Keshani et al., 2010). RUN



Ukuran partikel (mesh)



Rasio (gr/ml)



Waktu (day)



Konsentrasi antosanin Larutan Induk



KE 1



100



0,0375



2



0,0002439



KE 2



100



0,0375



2



0,0002335



KE 3



100



0,0375



2



0,0002349



KE 4



60



0,0625



1



0,0002587



KE 5



60



0,0125



1



0,0001145



KE 6



100



0,0795



2



0,0002677



KE 7



100



0,0375



3,7



0,000281



KE 8



140



0,0125



3



0,0001234



KE 9



140



0,0625



1



0,0003494



KE 10



100



0,0375



2



0,0002959



KE 11



140



0,0625



3



0,0004788



KE 12



100



0,0045



2



8,03E-05



KE 13



100



0,0375



2



0,0002394



KE 14



160



0,0375



2



0,00029



KE 15



60



0,0125



3



0,0001249



KE 16



140



0,0125



1



0,0001636



KE 17



60



0,0375



2



0,000174



KE 18



100



0,0375



0,3



0,0002691



KE 19



60



0,0625



3



0,0002454



KE 20



100



0,0375



2



0,0002439



Persamaan Matematika



Signifikan (p