BIOMOGI MOLEKULER
ISOLASI DAN KARAKTERISASI STRUKTUR HEMISELULOSA DARI BAMBU
Kelompok 3
Andersen
(1406604626)
Kevin Antonio
(1406568091) (1406568091)
Osel Sakadewa
(1406604600) (1406604600)
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
Depok, April 2016
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena akhirnya tim penulis dapat menyelesaikan makalah ini untuk memenuhi tugas mata kuliah Biologi Molekuler. Sebagai calon insinyur teknik kimia sudah semestinya untuk mempelajari berbagai hal yang berhubungan dengan ilmu dasar proses, yang mana mencakup banyak pengetahuan dasar yang salah satunya meliputi ilmu tentang biologi molekuler. Hal tersebut dipandang sangat penting, untuk menjadi dasar mempelajari mempelajari proses pada teknik kimia nantinya. Walaupun banyak kendala yang dihadapi sepanjang pembuatan laporan ini, tim penulis tetap bertekad untuk menyelesaikan laporan ini sebagai komitmen dan tanggungjawab demi memenuhi tugas mata kuliah kimia analitik. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan laporan ini. Tim penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, tim penulis mengharapkan adanya kritik serta saran supaya makalah ini lebih baik lagi untuk kedepannya. Tim penulis berharap agar laporan ini bisa bermanfaat bagi para pembaca dan dapat menambah wawasan kami khususnya mahasiswa teknik kimia.
Depok, April 2016
Tim penulis
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................................................... ........................................................................................................................... ................. i DAFTAR ISI.................................................................. ........................................................................................................................................ ........................................................................ .. ii
BAB I PENDAHULUAN ........................................................ ..................................................................................................................... ............................................................. 1 1.1
Latar Belakang ......................................................................................................... ..................................................................................................................... ............. 1
1.2
Definisi Masalah ....................................................................................................... ................................................................................................................... ............. 1
1.3
Tujuan Pembelajaran ........................................................................................................... 1
BAB II PEMBAHASAN P EMBAHASAN ......................................................... ...................................................................................................................... ............................................................. 2 2.1
Karakteristik Struktur ................................................................... ......................................................................................................... ...................................... 2
2.2.1
Analisis Kromatografi ............................................................ .................................................................................................. ...................................... 2
2.2.2
Analisis Spektrometri ............................................................. ................................................................................................... ...................................... 3
2.2
Optimalisasi isolasi hemiselulosa dari bambu ( Neos ) ......................... 5 Neosin ocalamus ocalamus Af fi ni s
2.2.1
Isolasi hemiselulosa ....................................................................................................... 5
2.2.2
Tahap isolasi menggunakan alkali .............................................................. .............................................................................. ................ 6
2.2.3
Yield hasil ekstraksi menggunakan alkali ............................................................. .................................................................. ..... 6
BAB III PENUTUP ............................................................................................................................... .............................................................................................................................. 9 3.1
Kesimpulan ....................................................................................................................... ........................................................................................................................... ..... 9
3.2
Saran .............................................................. .................................................................................................................................... ........................................................................ .. 9
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................ ......................................................................................................................... .............. 10
ii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Hemiselulosa merupakan hetero-polisakarida yang bisa ditemukan pada dinding sel tumbuhan. Hemiselulosa mengisi sekitar 20-30% berat tumbuhan kering, karena itu hemiselulosa merupakan polisakarida terbanyak kedua yang dapat ditemukan pada tumbuhan. Hemiselulosa merupakan senyawa kompleks yang sebagian besarnya mengandung
D-xylosa,
D-galaktosa,
L-arabinosa,
D-mannosa
dan
D-glukosa.
Hemiselulosa hampir serupa dengan selulosa, namun memiliki rantai yang lebih pendek yaitu sekitar 500-3000 unit gula, yang mana pada selulosa terdapat 7000-15000 unit gula. Selain itu, perbedaannya dengan selulosa adalah hemiselulosa memil iki cabang pada rantai polimernya, sedangkan selulosa tidak. Pemanfaatan hemiselulosa sangat beragam mulai dari bidang industri, pangan, energi, dan farmasi. Saat ini, yang sedang marak adalah pemanfaatan hemis elulosa sebagai biofuel, dimana kita tahu bahwa ketergantungan suplai energi dari bahan bakar yang tidak dapat didaur ulang terus meningkat. Untuk mendapatkan hemiselulosa dari tumbuhan, perlu dilakukan peninjauan terhadap struktur dari hemiselulosa itu sendiri, komposisinya, serta efisiensinya jika dimanfaatkan. Jumlah dan komposisi hemiselulosa beragam sangat bervariasi dan berbeda dari satu tumbuhan dengan tumbuhan lainnya. Setelah mengetahui mengenai struktur dari hemiselulosa, kita juga perlu mengetahui cara mengisolasi hemiselulosa dari ikatan-ikatan dengan senyawa kompleks lainnya. 1.2 Definisi Masalah
Identifikasi struktur hemiselulosa pada bambu serta metode isolasinya dengan menggunakan ektraksi alkali. 1.3 Tujuan Pembelajaran Pembelajaran
Tujuan pembuatan makalah ini adalah untuk mengetahui bagaimana struktur dari hemiselulosa pada bambu dan cara-cara untuk mengisolasinya untuk kemudian bisa dimanfaatkan lebih lanjut.
1
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Karakteristik Struktur
Hingga saat ini, ada banyak cara yang dapat digunakan untuk mengetahui struktur dari hemiselulosa bamboo. Analisis dari hemiselulosa bambu terbagi atas 2, yaitu Analisis Kromatografi dan Analisis Spektrometri. 2.2.1
Analisis Kromatografi Kromatografi
Analisis kromatografi menggunakan degradasi dari senyawa dengan hidrolisis asam, hidrolisis enzim, dan degradasi smith untuk hemiselulosa bamboo dimana asam yang digunakan adalah asam sulfur (H 2S), asam oksalat (H2C2O4), dan trifluoroacetic acid. Dalam pengukuran besar dari hemiselulosa bambu, biasanya ditentukan dari berat molekul rata-rata (Mr) yang ditentukan dengan metode gel permeation chromatography (GPC) pada PL aquagel-OH 50 kolom dengan detector indeks refraktif (RID). Metode yang lain dalam penentuan ukuran dari hemiselulosa bambu adalah menggunakan kesetimbangan endapan dan tekanan osmosis untuk penentuan Mr dari senyawa bambu untuk jenis bambu Neosinocalamus bambu Neosinocalamus Affinis. Affinis. (Tabel 1) High Performance Liquid Chromatography (HPLC) juga sering digunakan untuk menganalisis tingkat kelarutan gula dalam larutan setelah bambu dipanaskan. Analisis Berat Molekul
Pada jurnal ini, penulis menggunakan metode analisis kromatografi untuk menentukan berat molekul dari hemiselulosa bambu, dimana parameter dari berat molekul polimer hemiselulosa dianallisis dengan menggunakan metode GPC pada medium aqueous. aqueous. Berat molekul (Mr) dan Jumlah molekul (Mn) dari fraksi hemiselulosa terdapat pada tabel 2. Dari table, dapat diketahui bahwa hemiselulosa yang larut dalam ait adalah fraksi H1 dengan berat molekul yang lebih kecil dibandingkan fraksi lainnya (H3-H7). Ini menunjukkan bahwa air panas melarutkan sedikit molekul hemiselulosa, seperti galactoarabinoxylans seperti galactoarabinoxylans dan senyawa pectic senyawa pectic seperti seperti beta-glucans.
2
2.2.2
Analisis Spektrometri Spektrometri
Analisis spektrometri merupakan metode utama dalam kimia modern yang banyak digunakan untuk mementukan struktur molecular dari hemiselulosa bambu. Cara yang paling utama adalah dengan menggunakan Fourier-Transform menggunakan Fourier-Transform Infrared (FTIR) dan nuclear magnetic resonance (NMR) spektrometri. Pada FT-IR, spectra dari hemiselulosa bambu, beberapa data penting dari absorpsi diperlukan untuk menentukan struktur dari bambu yang diteliti, dalam hal ini adalah data absorpsi dari bambu Neosinocalamus bambu Neosinocalamus Affinis. Affinis. Pada spektrometri NMR biasanya isotop dari 1H dan
13
C diurutkan untuk
mengetahui struktur khusus dair hemiselulosa bambu. Cara kerjanya adalah dengan menangkap sinyal dari 1H dan 13C dan membandingkannya dengan data yang ada pada tabel 3. Pada penelitian yang terbaru, NMR yang menggunakan heteronuclear single quantum correlation dapat correlation dapat memperoleh resolusi yang lebih tinggi sehingga mengurangi persen kesalahan dalam pembacaan data yang ditransmisikan oleh isotop 1H dan 13C.
Tabel 1. Hemicelluloses from bamboo: Extraction and purification methods, chemical compositions, molecule weights, as well as structural f eatures. ( Neosinocalamus Neosinocalamus Affinis) Affinis) B
E
F u
a ti a
tr c
n
Dire ct Neosino
extra
calamus
ction
Affinis
with alkal i
(%
ti
6
0
%
9
2
.6
Sequen
with
70%
0.2and
EtO
NaOH,
H
d
a u
tr
S re
tu
e
n o
tu
c
s
e p
sa
o c .8
.5
.8
7
h
1 7
3
6 9
.7
3
.0
7
c re
8
3
Was
with
0.5 M
m o
6 .1
ons
F r
ti )
n
extracti hing
M o
si
o
tial
M ri
)
o
o n
ld
a o
(%
ti
c o
C
ie c
fi
b
n
ra ri
m o
Y
P x
a
linear 7 0
(1→4)(1→4)-ˇH2
dxylopyra nosyl mainchain 4
H3
3 %
.2 0
.7
0
1
8
2
.3
.0
.2
3 0
0
6 0
.7
substitute
1 6
.2
5
d by a 5 0
3
70%
2
4
0
6
7
1
4
%
4
3
4
.5 9
.2
H5 .6
ethanol
.7
.3
.7
3
1
small 0
amount of
.0 3
0
contain
l4
0
3
8
0
4
%
5
3
9
.0 4
.1
arabinofur 0
anosyl at
H6
5
ing0.6
.6
.4
.1
.1
3
.8 6
M NaOH,
2
2
H7 .7
.7 %
and 1.0
5 9
1
9
1
4
9
2
7 9
.7
C-2
0 .0
.9
8
.2 .2
2
and/or C9
9
0 2 9
and 2.0
3together
1 .4 0
M
with a .6 5
NaOH
minor
at50◦C
quantity
for 3 h
of 4Omethylg lucuronic acid at C2
Tabel 2.Berat molekul (Mr) dan Jumlah molekul (Mn) serta perbandingannya pada fraksi Neosinocalamus affinis Hemicellulosic fractions* H1
H3
H4
H5
H6
H7
Mr (g/mol)
9000
16770
65750
41200
45190
42790
Mn
7150
29030
32510
26620
30650
26610
1.26
2.37
1.67
1.55
1.47
1.61
(g/mol) Mr/Mn
Gambar 1. Distribusi Berat Molekul dari fraksi hemiselulosa Neosinocalamus hemiselulosa Neosinocalamus affinis
4
2.2 Optimalisasi isolasi hemiselulosa dari bambu (Neos ) Neosin in ocalamus ocalamus Af fi nis 2.2.1
Isolasi hemiselulosa
Konversi dari material lignoselulosa untuk menghasilkan produk yang bernilai lebih tinggi memerlukan fraksinasi hemiselulosa dari biomassa. Namun, separasi hemiselulosa dari dinding sel terbatas karena adanya adan ya jaringan lignin
seperti
hubungan/jaringan
lignin-hemiselulosa
(Crestini
and
Argyropoulos 1997). Selain itu, banyaknya ikatan hydrogen antara setiap komponen individu polisakarida dapat menghalangi isolasi dari hemiselulosa. Pada awalnya, isolasi hemiselulosa dilakukan dengan men-deligninikasi material mengunakan Klorin (Timell et al, 1951), Klorin Oksida (Yang and Goring 1978), dan Sodium Klorit (Fengel et al. 1989), dimana sisa dari holoselulosa akan diolah dengan berbagai macam prosedur. Namun, isolasi dengan menerapkan delignifikasi terkadang mengokasidasi beberapa residu polisakarida
dan
menyebabkan
depolimerisasi
parsial
dan
hilangnya
hemiselulosa (Aspinall et al. 1961). 5
Sejumlah metode yang efektif telah dipelajari untuk memperoleh polimer
hemiselulosa,
termasuk
ekstraksi
menggunakan
air
panas
(autohidrolisis), alkali, dimetil sulfoksida (DMSO), dan perawatan berbasis ledakan uap. Perlakuan dengan menggunakan alkali pada bahan lignoselulosa, seperti bambu dan gandum, mengganggu dinding sel dan memutuskan hubungan antara lignin dan hemiselulosa. Ekstraksi ini telah menjadi proses yang menjanjikan dan ramah lingkungan untuk mencapai pemanfaatan lignoselulosa dengan dampak minimal pada lingkungan. Keuntungan utama dari ekstraksi alkali adalah operasi sederhana dan efektivitas biaya. Hemiselulosa, bersama-sama dengan polisakarida lainnya, dapat digunakan kedepannya sebagai bahan baku yang ramah lingkungan, jika fitur struktural mereka dapat diidentifikasi dengan baik. 2.2.2
Tahap isolasi menggunakan alkali
Untuk mempelajari perbedaan struktural hemiselulosa dalam bambu, fraksi diekstraksi berurutan dengan air, etanol dan larutan alkali pada konsentrasi yang berbeda, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Serbuk (10 g) berturut-turut diekstraksi dengan air suling dan 70% etanol pada 80 ºC, 0,2 dan 0,5 M NaOH larutan air, etanol 70% mengandung 0,6 M NaOH, dan 1,0 dan 2,0 M NaOH larutan air pada 50 º C selama 3 jam menggunakan rasio solid s olid cair 01:25 (g /mL). Residu selulosa disaring dengan kain nilon, dicuci dengan air suling, dan selanjutnya dikeringkan dalam oven kabinet di bawah sirkulasi udara pada 60 ºC selama 16 jam. Filtrat terkonsentrasi menjadi 40 mL pada reduced pressure, pressure, dan kemudian dituangkan ke dalam 2 volume etanol et anol 95% dengan pengadukan kuat. Pelet disentrifugasi, dikeringkan, dan akhirnya diberi label dari H1 ke H7 sesuai dengan urutan ekstraksi berturut-turut. Filtrat yang diperoleh pada kondisi basa disesuaikan dengan pH 5,5 dengan 6 M asam klorida cair. Semua sampel disimpan dalam desikator untuk karakterisasi lebih lanjut. Percobaan dilakukan dalam rangkap dua, dan penyimpangan di bawah 4,8%. 2.2.3
Yield hasil ekstraksi menggunakan menggunakan alkali
Hemiselulosa membentuk ikatan kovalen dengan lignin dan ester dengan unit asetil dan asam hydroxycinnamic, membatasi pembebasan 6
hemiselulosa dari matriks dinding sel. Selain itu, ikatan hidrogen yang luas antara polisakarida individu dan dinding sel komponen juga dapat menghambat isolasi hemiselulosa. Oleh karena itu, hasil dari fraksi hemicellulosic sangat tergantung pada karakteristik media yang digunakan selama proses fraksinasi. Dalam percobaan ini, dewaxed bamboo berurutan bamboo berurutan diekstraksi dengan air netral dan 70% etanol, alkali berair solusi pada konsentrasi rendah (0,2 dan 0,5 M NaOH), larutan alkali etanol (70% etanol-0,6 M NaOH), dan basa berair solusi pada konsentrasi tinggi (1,0 dan 2,0 2,0 M NaOH). Hasil panen dari hemiselulosa yang dari 2,0%, trace trace (terlalu kecil), 6,1%, 3,2%, 2,6%, 5,6%, dan 2,7% dari batang dewaxed bamboo bamboo di setiap langkah, hampir 22% dari total bahan. Hasil dari hemiselulosa diperoleh pada kondisi basa menyumbang 91,0% dari total hemiselulosa dibebaskan, yang menunjukkan bahwa penambahan alkali bisa memutuskan ikatan ester dan / atau eter antara lignin dan hemiselulosa, yang mengarah ke pelepasan hemiselulosa. Sebagai perbandingan, perlakuan menggunakan air hanya melepaskan sangat sedikit hemiselulosa (2.0%). Tidak ada fraksi hemis elulosa yang terisolasi oleh 70% ethanol pada kondisi ini. Penambahan sejumlah kecil NaOH ( 0,2M ) menghasilkan jumlah tertinggi pelepasan hemiselulosa ( 6.1 % ) , akuntansi untuk 27,7 % dari total hemiselulosa terisolasi. Ditemukan juga bahwa sebagian besar hemiselulosa bambu bisa keluarkan ketika konsentrasi alkali lebih rendah dari 2.0 M , yang setuju dengan baik dengan hasil sebelumnya dilaporkan oleh Sun et al.16. Ditemukan bahwa saat konsentrasi NaOH meningkat menjadi 2,0 M , hasil dari fraksi hemislulosa menurun menjadi 2.7%. Alasan ini mungkin dikarenakan degradasi reaksi peeling di alkali berkonsentrasi tinggi, dan konten hemiselulosa lebih rendah di residu setelah ekstraksi sebelumnya. Hasil ini menunjukkan bahwa ekstraksi alkali adalah proses yang efisien untuk fraksinasi polimer hemicellulosic hemi cellulosic dari lignoselulosa bahan dibandingkan dengan air dan perawatan hidrogen peroksida.
7
8
BAB III PENUTUP
3.1
Kesimpulan
Struktur hemiselulosa berbeda-beda setiap varian tumbuhan
Banyak metode yang dapat digunakan untuk mengisolasi hemiselulosa dari tumbuhan (bambu), salah satunya adalah dengan metode alkali
Hemiselulosa yang telah diisolasi dapat diaplikasikan ke berba gai bidang misalnya energi, pangan, farmasi, dan industri
3.2
Saran
Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh data kata sempurna oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang yang sifatnya membangun agar dalam pembuatan laporan selanjutnya bias lebih baik lagi, atas perhatiannya penulis ucapkan terimakasih.
9
DAFTAR PUSTAKA
Nelson DL, Cox MM. 2008. Lehringer Principles of Biochemistry. Biochemistry. 5th ed. New York: WH Freeman Peng P, She D. 2014. Isolation, structural characterization, and potential applications of hemicelluloses from bamboo: A Review, Carbohydrate Polymers . Polymers . Carbohydrate Polymers. Sun, et.al. 2011. Structural Characterization of Hemicelluloses from Bamboo Culms (Neosinocalamus Affinis). Affinis). United Kingdom: University of Wales
10
