TUGAS ADVANCED MATERIAL Dosen Pengajar : Dr. Ing. Silviana
Review Carbo!"ra#e Pol!$er %o&rnal : Ter$o'$e(ani(al an" )!"ro*ili( )!"ro*ili( Pro*er#ies Pro*er#ies o+ Pol!sa((ari"e,gl&#en'base" Pol!sa((ari"e,gl&#en'base" -io*las#i(s le:
Ri Riang Anggraini Ra$anisa
/Si# In0
PRGRAM MAGISTER TE1NI1 TE1NI1 1IMIA UNIVERSITAS DIPNEGR SEMARANG 2345
A. Pen"a&l&an
Penggunaan plastik sebagai bahan kemasan untuk kegiatan konsumsi sehari-hari tidak dapat dihindarkan. Konsumsi global akan plastik mencapai 200 juta ton pada tahun 2011 dan semakin bertambah akhir tahun ini. Apalagi plastik yang ada saat ini merupakan plastik konvensional yang berasal dari produk turunan petroleum (petroleum-based yaitu polimer sintesis. Plastik ini tidak mudah diuraikan oleh mikroorganisme tanah karena membutuhkan !aktu yang sangat lama. "ehingga menimbulkan permasalahan lingkungan karena sampah plastik semakin menumpuk. #leh karena itu perlu adanya bahan alternati$ untuk menggantikan plastik konvensional tersebut yang berasal dari polimer alam sehingga mudah dicerna oleh mikroorganisme% mengurangi persediaan bahan petrokimia dan mengurangi polusi di lingkungan. Penggunaan bahan seperti protein% lemak% dan polisakarida telah digunakan sebagai bahan baku pembuatan biodegradabele plastic dalam !aktu yang cukup lama. &an beberapa penelitian menunjukkan bah!a senya!a yang mengandung protein seperti gluten gandum sebagai bahan bioplastic memiliki man$aat yaitu keberadaannya yang berlimpah% murah% ramah lingkungan% mudah terbiodegradasi% dan material tersebut cocok untuk dibuat menjadi plastic. 'eskipun pembuatan plastic dari gluten protein memiliki tingkat degradasi yang tinggi dan dapat dibuat menjadi termoplastik namun tanpa plasticier% $ilm yang berasal dari gluten akan rapuh dan susah untuk ditangani menjadi produk lanjutan. Air dan gliserol merupakan bahan yang paling banyak digunakan sebagai plasticier. Polisakarida merupakan molekul karbohidrat polimer yang tersusun dari banyak cabang rantai monosakarida yang dihubungkan dengan ikatan kovalen. Polisakarida sangat baik sebagai bahan dasar pembuatan bioplastic. Penggabungan bahan polisakarida dan protein sangat bagus digunakan dalam pembuatan bioplastic ini karena si$at dari bioplastic baik seperti tensile strength, modulus elastis (elasticity modulus , perpanjangan saat putus (elongation break % dan ketahanan terhadap uap air akan meningkat akibat dari perbedaan si$at polisakarida dan protein serta interaksi keduanya. )ujuan
dari
penelitian
*)hermo-mechanical
and
+ydrophilic
Properties
Polysaccharide,luten-ased ioplastics/ adalah mengetahui karakteristik mekanis dan reologi (viskositas penambahan berbagai jenis polisakarida (locust bean gum-% methyl cellulose'% dan carboymethyl cellulose-' pada campuran !heat gluten-polisakarida-air sebagai bahan baku pembuatan bioplastic menggunakan metode compression moulding . Analisa pada
penelitian ini meliputi pengaruh konsentrasi polisakarida% p+% kapasitas absorbs air% mechanical thermal, dan kuat tarik dari $ilm yang dihasilkan.
-. -aan "an Me#o"e 4. -aan
1 luten andum (3 405 !,! terdiri dari protein 675 !,!% lipid 75 !,!% ash 15 !,!% moisture 65 !,! dan pati 105 !,! yang diperoleh dari Productos 8iba ".A (ranollers,arcelona% "panyol 2 liserol ( 165 !,! yang
diperoleh
dari
Panreac
9uimica
".A.:
(ranollers,arcelona% "panyol 7 Akuades (+2# 72-2;%45 !,! yang digunakan sebagai protein plasticizer < Polisakarida 0-<45 !,! (-locust bean gum% '-methyl cellulose dan 'carboymethyl cellulose yang diperoleh dari "igma-Aldrich ("t. ouis% '#% :"A 2. Taa* Persia*an
1 'encampurkan 3--polisakarida di mier (two-blade counter-rotating batch mixer pada kecepatan 40rpn dan suhu 240 selama 20 menit dengan kondisi adiabatik. 2 Kondisi p+ gluten protein a!al adalah = yang berada pada titik isoelektrik. Pengaturan p+ dengan larutan >a#+ atau +l 2' dimana pengukuran p+ menggunakan p+ meter yang berasal rison ?nstruments ".A arcelona% "pan yol 7 ampuran 3--polisakarida dimasukan ke dalam thermos-molding dengan tekanan @ 'Pa dan 170 selama 10 menit. &igunakan dua cetakan (persegi panjang tipe ?B dengan ukuran 40 mm 10 mm 7 mm. 'oulding diatur dengan kelembaban relati$ 475 dan dibiarkan untuk mencapai keseimbangan pada suhu kamar selama minimal 2 minggu sebelum pengujian. < Kelembaban relati$ yang diinginkan dicapai dengan cara desikator% menggunakan larutan jenuh 'g(>#72. >ilai-nilai kelembaban yang sebenarnya dari masing-masing sampel ditentukan dengan cara menguapkan air pada 1040 sampai berat konstan (Association o$ #$$icial Analytical hemists% 2004.
6. D!na$i( $e(ani(al #e$*era#&re anal!sis /DMTA0
)es &')A dilakukan dengan 8"A7 ()A ?nstrumen% >e! astle% &C% :"A% pada kotak persegi panjang (rectangular probe menggunakan dual cantilever bending . "emua percobaan dilakukan pada $rekuensi konstan (1 + dan regangan (antara 0%01 dan 0%75% di daerah viskoelastik linear. )ingkat pemanasan yang dipilih adalah 40 min-1. "emua sampel dilapisi dengan minyak silikon untuk meminimalkan keh ilangan air.
7. Peng&8&ran 8&a# #ari8 / tensile strength0
:ji tarik dilakukan dengan menggunakan ?nsight 10k> Clectronic )romechanical )esting "ystem (')"% Cden Prairie% '>% :"A% menurut A")' &=76 (American "ociety $or )esting 'aterial%2004. )egangan tarik (Tensile stress dan perpanjangan saat putus dievaluasi dari setidaknya empat ulangan untuk setiap produk yang menggunakan kotak ( probe tipe ?B dan tingkat ekstensional dari 20 mm min-1 pada suhu kamar.
9. 1a*asi#as Sera*an Air "an )ilangn!a Ma#erial #erlar&#
Penentuan serapan air bioplastik mengikuti norma A")' &4;0 (A")' &4;0-@6% 'etode "tandard untuk Penyerapan air dari Plastik (American "ociety $or )esting 'aterial%2004 menggunakan setidaknya tiga 40 mm spesimen 10 mm D 7 mm. Pertamatama spesimen dimasukkan ke dalam oven pada suhu 40 E 20 selama 2< jam untuk menentukan bobot kering (!0. "etelah itu% spesimen direndam dalam akuades selama 2 dan 2< jam pada suhu ruang. "elanjutnya% setiap spesimen ditimbang secara berkala (!t atau dikeringkan pada kondisi yang sama sebelum ditimbang lagi (!$ . 'enurut metode ini% penyerapan air dan hilangnya material terlarut dihitung sebagai berikutF
wt −w 0 "erapan air (5!,! G
w0
x 100 wt −w f
+ilangnya material terlarut (5!,! G
w0
x 100
5. Analisa S#a#is#i8
&ata-data yang dianalisa menggunakan metode A>#BA dengan so$t!are "P"" 16 sehingga deviasi standar dari parameter yang sama akan dapat dihitung.
C. )asil "an Dis8&si a. Pengar& "ari Pena$baan Polisa8ari"a *a"a *) 5 4. Si+a# *a"a DMTA Pada gambar 1. di ba!ah merupakan besar modulus elastis yang dihasilkan (CH
dan modulus elastis yang hilang (C/ pada 3,,,akuades bioplastic dengan konsentrasi yang berbeda dan konsentrasi gluten 405 !,! dan gliserol 165 !,!. Pada gambar terlihat bah!a sebagian besar menunjukkan karakter plastic yang elastic. CH lebih besar daripada C/ pada rentang suhu -700-1<00. seiring dengan kenaikan temperature baik CH maupun C/ menurun ke titik terendah pada suhu ;40 dan akhirnya naik kembali. Kandungan pada bahan bioplastic ini mempunyai potensi thermosetting bahkan setelah pencetakan pada suhu 1<00. >ilai dari kedua modulus baik yang dihasilkan maupun hilang lebih besar pada kandungan daripada tanpa adanya kandungan polisakarida. Pada pro$il &')A di table 1. tampak bah!a penambahan berbagai macam polisakarida dengan berbagai komposisi tidak menunjukkan nilai modulus yang jauh berbeda. &itambah pula penambahan berbagai tipe polisakarida menunjukkan potensial thermosetting yang lebih besar dan nilai modulus elastis yang lebih besar dibandingkan bioplastic tanpa penambahan polisakarida. Penambahan polisakarida juga dapat meningkatkan kelembaban namun kenaikannya sedikit. "ebagai contoh kenaikan kelembaban pada penambahan pada konsentrasi 0I 1%4I 7 dan <<%45 adalah 17%; E 0%4I 1;%7 E 0%@I 1= E 1 dan 1=%6 E 0%;.
ambar 1. ra$ik pengaruh temperature terhadap nilai modulus elastis pada berbagai komposisi )abel 1. >ilai 'odulus pada suhu 0 dan 200 dan Cmin dan )min serta nilai hilang tangen 0
Pada gambar 2 menunjukkan pengaruh suhu pada hilang tangen (loss tangent -tan δuntuk bioplastic 3,,,air pada konsentrasi berbeda. Pada gambar
tersebut terlihat bah!a terbentuk 2 puncak hilang tangen pada rentang suhu 00-=00. puncak pertama ()α1 menunjukkan suhu transisi gelas dari campuran plasticier. "edangkan puncak kedua ()α2 menunjukkan transisi gelas dari bahan yang menggunakan gluten sebagai plasticier. erdasarkan percobaan ini% hasil &')A menunjukkan
bah!a
polisakarida
dapat
digunakan
sebagai
$iller
yang
dapat
meningkatkan nilai elastisitas plastic.
ambar 2. >ilai perbandingan hilang tangen pada berbagai komposisi polisakarida dan re$erensi
2. Tes Tari8 Pada gambar 7A menunjukkan pengaruh tegangan terhadap regangan pada
bioplastic 3,,Polisakarida,Akuades pada p+ = dengan konsentrasi polisakarida
1%45 !,!. Kurva tegangan menunjukkan daerah elastik dengan semakin besar tegangan maka semakin besar pula regangan. Pada gra$ik menunjukkan secara keseluruhan penambahan jenis polisakarida memiliki nilai modulus young (stress per strain yang lebih besar dibandingkan dengan bioplastic tanpa polisakarida. +al ini juga menunjukkan perpanjangan saat putus lebih tinggi pada saat bioplastic ditambahkan polisakarida daripada yang tidak ditambahkan. Pada gambar 7 menunjukkan parameter kuat tarik yang ditinjau dari tegangan maks (σma% regangan maks (εma dan modulus Joung. "ecara umum% penambahan polisakarida pada bioplastic meningkatkan si$at tarik plastic terutama ' dan '. ' dan ' memiliki nilai modulud young yang paling tinggi dibandingkan jenis polisakarida lain termasuk bioplastic tanpa polisakarida. ra$ik ini menunjukan pula bah!a biopolymer (' dan ' mempunyai e$ek sinergis pada si$at mekanis protein yang digunakan sebagai bahan bioplastic. +al ini terjadi karena molekul polisakarida berinteraksi dengan rantai protein membetnuk struktur gluten yang rigid dan mengurangi ikatan hidrokarbon pada molekul-molekul protein. ' dan ' mampu menunjukkan kompatibilitas yang lebih dengan matriks protein dengan mengubah ikatan hidrogen dan mencegah pembentukan ikatan kuat setelah bahan dikenai perlakuan thermo-molding. "etelah perlakuan% panas muatan listrik dari komponen dapat memiliki struktur mikro yang berbeda dalam kompleks protein polisakarida. ?katan antar protein dan polisakarida semakin bertambah sehingga memperkuat komposit. aya antar protein dan polisakarida yang saling tertarik dapat menimbulkan si$at elektrik (aleska et al.% 2000. &i sisi lain% seperti yang dilaporkan oleh Parris et al. (1@@4 atau oughlan et al. (200< ketidakcocokan muatan listrik antara kedua komponen tersebut dapat menyebabkan penurunan interaksi antarmolekul antara komponen (protein dan polisakarida.
ambar 7. (A >ilai stress terhadap strain berbagai jenis polisakarida dari re$erensi ( tensile strength parametersF maimum stress (
ma % maimum strain (Lma and
JoungHs 'odulus 6. 1a*asi#as Sera*an Air "an )ilang Ma#erial Terlar&# Pada gambar < menunjukkan nilai serapan air dan hilangnya material terlarut
antara
re$erensi
(bahan
bioplastic
tanpa
polisakarida
dan
bioplastic
3,,Polisakarida,Akuades yang telah direndam selama 2 dan 2< jam dengan p+G= dan jenis polisakarida yang berbeda pada konsentrasi 1%45 !t. >ilai serapan air hamper sama untuk semua variable dan menunjukkan <05 !,! absorbs air setelah 2 jam dan naik menjadi ;05 !,! setelah 2< jam. "edangkan untuk material terlarut yang hilang rata-rata variable berada pada konsentrasi 275 !,!. Konsentrasi ini hampir sama dengan jumlah gliserol yang ditambahkan pertama kali untuk membentuk bioplastic.
ambar <. +asil Kapasitas Absorbsi Akuades setelah perendaman selama 2 jam and 2< dan hilang material terlarut pada campuran 3,,polysaccharide,!ater bioplastics pada berbagai tipe polisakarida
b. E+e8 Penga#&ran *) 4. Si+a# DMTA Pada penelitian ini dibagi dalam 7 pengaturan p+ yaitu 7% =% dan @. &apat terlihat
pada gra$ik bah!a bioplastic tanpa mengandung polisakarida pada p+ 7 menunjukkan nilai CH lebih rendah daripada p+ gluten (p+G= ataupun pada kondisi basa (p+G@. +al ini menunjukkan ketika pada kondisi asam terjadi muatan positi$ pada permukaan protein sehingga dapat mengganggu perkembangan struktur mikro bioplastic selama proses thermos-moulding. "uhu yang lebih tinggi menyebabkan terjadinya cross-linking dan adanya potensi thermosetting karena kenaikan nilai modulus elastis pada suhu di atas 1000 p+G 7. 'atri protein membutuhkan suhu moulding yang lebih besar untuk mendapatkan nilai CH yang lebih besar. "edangkan pada kondisi basa% muatan negative lebih banyak terbentuk pada permukaan protein sehingga memberikan dampak si$at viscoelastic pada bioplastic yang tidak ditambahkan polisakarida. Kondisi alkali menyebabkan degradasi protein karena adanya hidrolisi ikatan peptide dan terbentuknya $ragment berat molekul protein yang rendah.
"ebaliknya
kondisi
asam
menyebabkan
terbentuknya
ikatan
kovalen
nondisulphide saat proses thermal seperti senya!a dehydroalanine% lysinoanaline%dan lanthionine (errard% 2002. Kondisi basa pada suhu moulding yang rendah dapat
memberikan nilai kekuatan yang seragam dimana ditunjukkan oleh tidak adanya potensi thermosetting setelah suhu pembentukan saat 1<00. "ehingga e$ek penambahan tergantung oleh kondisi p+ yang diatur. Penurunan nilai viskoelastis CH terjadi ketika p+ lebih jauh diba!ah atau di atas dari p+ gluten (?CP. Pada kondisi p+ yang mendekati ?CP (p+G= dimana keseimbangan muatan protein adalah 0% hal ini tidak mempengaruhi pro$il CH. ambar 4 menunjukkan adanya puncak )α1 dan )α2 yang overlap pada p+G 7 sehingga meningkan microphases bioplastic sehingga menyebabkan suhu transisi gelas pada plastisasi protein lebih rendah. "edangkan pada p+G @ tidak terjadi overlapped. "edangkan baik pada p+G7 maupun p+G@ bioplastik dengan tambahan sebagai $iller menunjukkan karaktersitik elastis yang lebih besar daripada bioplastic yang tidak mengandung polisakarida. +al ini ditunjukkan pula pada nilai hilang tangen yang lebih rendah. +asil &')A menunjukkan adanya ketidaksesuaian muatan antara protein dan yang disebut e$ek pemisahan segregati$. Pemisahan segregati$ merupakan si$at yang berbeda antara dua jenis biopolymer dimana pada proses ini tidak mempunyai muatan ketika protein bermuatan positi$ pada p+G7 atau bermuatan negative pada p+G@.
ambar 4. Perbandingan suhu terhadap modulus elastis pada berbagai p+ untuk re$erensi dan kandungan dalam bahan bioplastik
2. Uji Tari8 Pada p+ rendah pembentukan cross-linking protein saat termo-moulding
menciptakan struktur mikro dengan mobilitas yang lebih tinggi dan kemampuan untuk
membentuk kembali karena adanya ikatan yang lemah antara ikatan hydrogen dan van der 3aals tetapi menunjukkan nilai modulus yang yang lebih rendah. 'ikrostruktur terbentuk terlihat pada nilai σma dan 'odulus Joung yang lebih rendah sehingga perpanjangan saat putus lebih besar pada p+ 7. Pada p+G= protein yang tidak memiliki muatan membentuk ikatan ionic dan kovalen (ikatan peptide dan disul$ide yang lebih kuat setelah proses thermos-mechanical yang ditunjukkan dengan nilai modulus (σma dan 'odulus Joung yang lebih besar jika dibandingkan saat p+G7. Pada p+G@% total struktur mikro dipengaruhi oleh muatan negated dan pembentukan lysinoalanine% lantionine dan dehydroalanine akibat dari peristi!a cross-linking pada saat suhu moulding 1700. "ehingga dapat disimpulkan bah!a pada p+G@ σma% 'odulus Joung% εma lebih besar daripada saat p+G= namun perbedaan yang ada tidak terllau signi$ikan karena adanya disperse data. &engan kata lain semakin bertambah p+ maka kuat tarik bahan semakin bertambah pada bioplastic yang tidak memiliki kandungan polisakarida namun ketika bioplastic ditambah maka penambahan p+ tidak memebrikan e$ek yang terlalu signi$ikan untuk p+ di atas ?CP (p+G= karena adanya kemungkinan hubungan dengan beberapa e$ek penghambatan cross-linking.
ambar =. )ensile strength parametersF maimum stress (σma % 'aimum "train (Lma and JoungHs 'odulusI untuk re$erensi and bioplastic yang mengandung sebagai $ungsi dari p+. 6. 1a*asi#as Sera*an Air Kapasitas serapan air akan meningkat pada p+ yang jauh dari ?CP% hal ini
dikarenakan adanya peranan muatan pada permukaan protein. Pada p+G7% serapan air bioplask bertambah mencapai konsentrasi 7005 !,! pada rendaman 2 < jam dimana menunjukkan struktur mikro yang terbentuk cukup besar dengan adanya ikatan hidro$ilik
dan adanya ruang bebas diantara matri protein karena agregasi pada ikatan protein setelah moulding. Absorpsi air pada p+G@ memiliki kadar yang lebih besar daripada saat p+G= namun lebih rendah daripada p+ G 7 karena adanya pembentukan lysionoalanin% lanthionine dan dehydroalanine yang muncul karena kondisi basa pada suhu moulding 1700. Penambahan polisakarida menurunkan kadar serapan air pada p+ 7 dan p+ @ setelah perendaman 2< jam. sebagai $iller akan menempari ruang kosong pada matri protein sehingga menyebabkan kadar air untuk penyerapan berkurang. &apat disimpulkan bah!a kadar penyerapan air bergantung paa karakteristik yang terjadi pada $ase protein. Keberadaan muatan pada permukaan protein membuat molekul air yang polar menjadi terikat. Kandungan serapan air sebanding seiring dengan pertambahan si$at kuat tarik bioplastik tersebut.
ambar ;. Kapasitas Absorpsi Air setelah perendaman 2 jam dan 2< jam untuk re$ensi dan kandungan dalam bioplastik dalam $ungsi Ph
D. 1esi$*&lan +asil yang diperoleh menunjukkan bah!a polisakarida sebagai $iller mampu
berinteraksi dengan molekul proteinnya dengan cara yang berbeda tergantung pada muatan protein dan tingkat agregasi setelah bioplastic mengalami thermos-moulding. >amun% biopolimer ' dan ' memiliki e$ek sinergis pada si$at pemanjangan saat putus pada bahan bioplastic% hal ini dikarenakan polisakarida juga berperan sebagai plasticier. Penggabungan polisakarida tidak hanya meningkatkan elongasi tetapi juga meningkatkan nilai 'odulus Joung yang lebih tinggi.
>amun p+ merupakan parameter yang paling relevan yang mempengaruhi bahan baku bioplastik berbahan dasar protein ini. "i$at bioplastik ('odulus Joung% perpanjangan% penyerapan air sangat tergantung pada struktur mikro protein yang dihasilkan pada p+ yang berbeda. Pada p+ rendah menghambat cross-linking protein dan membuat bahan memiliki modulus kecil% penyerapan air yang tinggi dan meningkatkan kemampuan elongasi. >ilai p+ = modulus elastis tinggi% elongasi rendah dan kapasitas penyerapan air rendah karena tinggi tingkat cross-linking tinggi akibat adanya pembentukan ikatan disul$ide. &an p+ basa menginduksi muatan negati$ pada protein dan juga menimbulkan pembentukan lysinoalanine% lanthionine dan dehydroalanine pada suhu molding (170 . kondisi alkasi mempengarui agregasi protein dan menyebabkan modulus besar% elongasi saat putus rendah dan serapan air yang rendah daripada p+ 7 namun lebih tinggi daripada p+ =. "elain itu% penambahan polisakarida sedikit mempengaruhi karakteristik hidro$ilik bahan bioplastik. Akibatnya% $ormulasi bioplastik pada p+ 7 dan p+ @ akan menyebabkan bahan-bahan yang akan digunakan dalam aplikasi bioplastik memerlukan peningkatan kapasitas penyerapan air dan si$at mekanik yang sesuai.
DATAR PUSTA1A
Mrate-8amNre% ."% et. al. 201<. Thermo-mechanical and hydrophilic properties of polysaccharide/gluten-based bioplastics. Oournal arbohydrate Polymer (112 2<-71. aleska% +.% 8ing% ". .% )omasik% P. (2000. Apple pectin complexes with whey protein isolate. ood !ydrocolloids% 1<(<% 7;;Q762.
