5 bab ii tinjauan pustaka 2.1 uraian tumbuhan 2.1.1 sinonim

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Uraian Tumbuhan

2.1.1 Sinonim dan nama daerah tumbuhan

Sinonim dari tumbuhan padi (Oryza sativa L.) yaitu Oryza glutinosa L.,

Oryzamontana L., Oryzapraecox L., Oryza aristata Blanco dan nama daerah dari

tumbuhan padi ini antara lain pade (Aceh), page (Batak), batang

padi(Minangkabau), pari (Lampung), banih (Melayu), pare (Sunda), pari (Jawa),

padi (Madura), pare (Sumba), woya (Flores), pale (Gorontalo), Pae (Toraja), ase

(Makasar), alakutu (Ambon), pinge (Halmahera)(Hutapea, 1994).

2.1.2 Sistematika tumbuhan

Menurut (Hutapea, 1994), tanaman padi dapat diklasifikasikan sebagai

berikut :

Kingdom : Plantae

Divisi : Spermatophyta

Sub-divisi : Angiospermae

Kelas : Monocotyledoneae

Ordo : Poales

Famili : Poaceae

Genus : Oryza

Spesies : Oryza sativa L.

Universitas Sumatera Utara

6

2.1.3 Morfologi tumbuhan

Tanaman padi adalah tumbuhan yang tergolong tanaman air dan dapat

tumbuh di tanah yang terus-menerus digenangi air, baik penggenangan itu terjadi

secara alami seperti tanah rawa-rawa, maupun yang disengaja seperti tanah

sawah.Tanaman ini juga dapat tumbuh di daratan atau tanah kering yang curah

hujannya dapat mencukupi kebutuhan air tanaman (Siregar, 1981).

Padi termasuk tanaman semusim atau tanaman berumur pendek, kurang

dari satu tahun dan hanya sekali berproduksi, setelah berproduksi akan mati atau

dimatikan. Tanaman padi hidup di habitus semak, semusim, tinggi lebih kurang

1,5 m. Batang padi tegak, lunak, beruas, berongga, kasar dan berwarna hijau.

Daun tunggal, lanset, tersebar, ujung runcing, tepi rata, berpelepah, panjang lebih

kurang 25 cm, lebar 3-5 cm, akar tanaman padi dapat dibedakan menjadi akar

tunggang, akar serabut, akar rambut dan akar tajuk. pertulangan sejajar dan

berwarna hijau. Bunga majemuk, bentuk malai, menggantung, panjang lebih

kurang 20 cm, benang sari enam, tangkai putik dua, kepala putik berbulu dan

berwarna putih. Buah batu, bulat telur, warna kuning tua. Biji keras, bulat telur.

Akar serabut, coklat keputih-putihan (Hutapea, 1994).

2.1.4 Kandungan kimia tumbuhan

Sekam padi terbentuk dari komponen utama tumbuh-tumbuhan, yaitu

lignoselulosa yang terdiri dari lignin, selulosa, hemiselulosa dan pektin, serta

protein dan mineral. Molekul selulosa merupakan polimer yang terbuat dari lebih

kurang 10.000 molekul glukosa. Hemiselulosa merupakan campuran glukosa dan

manosa, dengan struktur ikatan yang sama dengan selulosa, yaitu β-1,4. Tipe

ketiga karbohidrat pada dinding sel, yaitu pektin yang terbentuk dari komponen


7

dasar galaktosa, dengan stuktur ikatan α-1,4. Lignin terdapat bersama ketiga

karbohidrat tersebut, tetapi tidak diketahui letaknya yang tepat pada dinding sel

hijauan (Hogan dan Leche, 1983).

2.2 Komponen Sekam Padi

2.2.1 Selulosa

Selulosa merupakan komponen utama penyusun dinding sel tanaman,

dimana kandungan selulosa sekitar 45 - 50% dari berat kering tanaman. Selulosa

tersusun dari unit-unit anhidroglukopiranosa yang tersambung dengan ikatan β-

1,4 glikosidik membentuk suatu rantai makromolekul tidak bercabang. Setiap unit

anhidroglukopiranosa memiliki tiga gugus hidroksil (Fengel dan Wegener, 1995;

Perez, dkk., 2002; Pardosi, 2008). Selulosa mempunyai rumus empirik

(C6H10O5)n dengan n hingga 1500 dan berat molekul hingga 243.000 (Rowe, dkk.,

2009).

Selulosa mengandung sekitar 50 - 90% bagian kristal dan sisanya amorf.

Selulosa hampir tidak pernah ditemui dalam keadaan murni di alam, melainkan

selalu berikatan dengan bahan lain seperti lignin dan hemiselulosa. Molekul

selulosa merupakan mikrofibil dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya

membentuk rantai polimer yang sangat panjang. Adanya lignin serta hemiselulosa

di sekeliling selulosa merupakan hambatan utama untuk menghidrolisis selulosa

(Sjostrom, 1995).

Unit penyusun (building block) selulosa adalah selobiosa karena unit

keterulangan dalam molekul selulosa adalah 2 unit gula (D-glukosa). Selulosa

adalah senyawa yang tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel


8

tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bagian berkayu dari

jaringan tumbuhan. Selulosa merupakan polisakarida struktural yang berfungsi

untuk memberikan perlindungan, bentuk, dan penyangga terhadap sel, dan

jaringan (Lehninger, 1988).

Molekul-molekul selulosa seluruhnya berbentuk linier dan mempunyai

kecenderungan kuat membentuk ikatan-ikatan hidrogen intra dan intermolekul.

Jadi berkas-berkas selulosa membentuk agregat dalam bentuk mikrofibril, dimana

daerah kristalin diselingi dengan daerah amorf. Mikrofibril membentuk fibril-

fibril dan akhirnya serat-serat selulosa. Sebagai akibat dari struktur yang berserat

dan ikatan hidrogen yang kuat, selulosa mempunyai kekuatan tarik yang tinggi

dan tidak larut dalam kebanyakan pelarut. Molekul selulosa merupakan mikrofibil

dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya (Atalla, 1987).

Selulosa adalah senyawa seperti serabut, liat, tidak larut dalam air dan

ditemukan di dalam dinding sel pelindung tumbuhan, terutama pada tangkai,

batang, dahan dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan. Kayu terutama

mengandung selulosa dan senyawa polimer lain. Selulosa tidak hanya merupakan

polisakarida struktural ekstraselular yang paling banyak dijumpai pada dunia

tumbuhan, tetapi juga merupakan senyawa yang paling banyak diantara semua

biomolekul pada tumbuhan atau hewan. Karena selulosa merupakan

homopolisakarida linear tidak bercabang, terdiri dari 10.000 atau lebih unit D-

glukosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4 glikosida senyawa ini akan kelihatan

seperti amilosa, dan rantai utama glikogen (Lehninger, 1988). Struktur selulosa

dapat dilihat pada Gambar 2.1.


9

Gambar 2.1 Struktur Selulosa (Setiyawan, 2010).

Selulosa merupakan biopolimer yang berlimpah di alam yang bersifat

dapat diperbaharui, mudah terurai, tidak beracun, dan juga merupakan polimer

karbohidrat dan terdiri dari tiga gugus hidroksi per anhidro glukosa menjadikan

selulosa memiliki derajat fungsionalitas yang tinggi. Bahan dasar selulosa telah

digunakan lebih dari 150 tahun dalam berbagai macam aplikasi, seperti makanan,

produksi kertas, biomaterial, dan dalam bidang kesehatan (Coffey, dkk., 1995).

Sifat-sifat selulosa terdiri dari sifat fisika dan sifat kimia. Selulosa dengan

rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap

degradasi yang disebabkan oleh pengaruh panas, bahan kimia maupun pengaruh

biologis. Sifat fisik lain dari selulosa adalah:

1. Dapat terdegradasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun mekanis

sehingga berat molekulnya menurun.

2. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut dalam

larutan alkali.

3. Dalam keadaan kering, selulosa bersifat higroskopis, keras dan rapuh. Bila

selulosa banyak mengandung air maka akan bersifat lunak.

4. Selulosa dalam bentuk kristal, mempunyai kekuatan lebih baik jika

dibandingkan dengan bentuk amorfnya. (Fengel dan Wagener, 1995).

CH2OH

CH2OH

CH2OH


10

Berdasarkan derajat polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa

natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu :

1. Alfa selulosa adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan

NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan derajat polimerisasi (DP) 600-

1500. Alfa selulosa dipakai sebagai penduga dan atau penentu tingkat

kemurnian selulosa.Selulosa α > 92% memenuhi syarat untuk digunakan

sebagai bahanbaku utama pembuatan propelan.

2. Beta selulosa adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH

17,5% atau basa kuat dengan DP 15-90, dapat mengendap bila

dinetralkan.

3. Gamma selulosa adalah selulosa berantai pendek, larut dalam NaOH

17,5% atau basa kuat dengan DP kurang dari 15 (Fengel dan Wagener,

1995).

Bervariasinya struktur kimia selulosa (α, β, γ) mempunyai pengaruh yang

besar pada reaktivitasnya. Gugus-gugus hidroksil yang terdapat dalam daerah-

daerah amorf sangat mudah dicapai dan mudah bereaksi, sedangkan gugus-gugus

hidroksil yang terdapat dalam daerah - daerah kristalin dengan berkas yang rapat

dan ikatan antar rantai yang kuat mungkin tidak dapat dicapai sama sekali.

Pembengkakan awal selulosa diperlukan baik dalam eterifikasi (alkali) maupun

dalam esterfikasi (asam) (Sjostrom, 1995)

2.2.2 Lignin

Lignin merupakan komponen makromolekul ketiga dari kayu. Struktur

molekul lignin sangat berbeda bila dibandingkan dengan polisakarida karena

terdiri dari sistem aromatik yang tersusun atas unit-unit fenil propana. Lignin ada


11

di dalam dinding sel maupun di daerah antar sel (lamela tengah) yang

menyebabkan kayu menjadi keras dan kaku sehingga mampu menahan tekanan

mekanis yang besar (Sjostrom, 1995).

Delignifikasi dengan alkali menyebabkan pecahnya ikatan eter antara unit-

unit fenil propana, menurunkan bobot molekul dan menghasilkan gugus hidroksil

fenol bebas. Reaksi yang terjadi akan menaikkan hidrofilitas lignin sehingga

mudah larut. Lignin merupakan polimer dengan struktur aromatik yang terbentuk

melalui unit-unit fenilpropan yang berhubungan secara bersama oleh beberapa

jenis ikatan yang berbeda. Lignin tersusunataskarbon, hidrogen, danoksigen.

Jumlah lignin yang terdapat dalam tumbuhan yang berbeda sangat bervariasi

berkisar antara 20 - 40%. Bentuk lignin berupa zat padat, amorf, berwarna coklat

yang tidak dapat larut dalam air dan sebagian besar pelarut organik (Robinson,

1995).

Lignin adalah suatu polimer yang kompleks dengan berat molekul tinggi,

tersusun atas unit-unit fenilpropan. Meskipun tersusun atas karbon, hidrogen dan

oksigen, lignin bukanlah suatu karbohidrat dan bahkan tidak ada hubungannya

dengan golongan senyawa tesebut. Lignin sangat stabil dan sukar dipisahkan dan

mempunyai bentuk yang bermacam-macam karenanya susunan lignin yang pasti

di dalam kayu tetap tidak menentu. Lignin bersifat termoplastik artinya lignin

akan menjadi lunak dan dapat dibentuk pada suhu yang lebih tinggi dan keras

kembali apabila menjadi dingin (Hardjono, 1995).

Struktur lignin mengalami perubahan di bawah kondisi suhu yang tinggi

dan asam. Pada reaksi dengan temperatur tinggi mengakibatkan lignin terpecah

menjadi partikel yang lebih kecil dan terlepas dari selulosa. Pada suasana asam,


12

lignin cenderung melakukan kondensasi, yakni fraksi lignin yang sudah terlepas

dari selulosa dan larut pada proses pendidihan. Dimana peristiwa ini cenderung

menyebabkan bobot molekul lignin bertambah, dan lignin terkondensasi akan

mengendap (Taherzadeh, 2007).

Lignin merupakan polimer kompleksphenylpropana, amorf, bersifat

aromatis 1,3 dengan indeks bias 1,6. Berat molekul 1500-2000 yang bervariasi

dengan jenis kayu.Kadar lignin dalam kayu 20-30%.Lignin merupakan bagian

yang tidak diinginkan dalam pulp, sehingga harus dihilangkan atau diputihkan

sesuai dengan mutu pulp yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh lignin yang

mempunyai sifa tmenolak air (hidrofobik) dan kaku sehingga kandungan lignin

dalam pulp akan menyulitkan penggilingan. Lignin dapatdijumpai pada tumbuh-

tumbuhan sebagai zat perekat yang berhubungan dengan kekuatan kayu

(Sjostrom, 1995).

2.2.3 Hemiselulosa

Hemiselulosa merupakan bagian dari polisakarida yang berfungsi sebagai

bahan pendukung dinding sel. Berbeda dengan selulosa, hemiselulosa merupakan

heteropolisakarida. Kebanyakan hemiselulosa mempunyai derajat polimerisasi

hanya 200. Hemiselulosa tidak larut dalam air tapi larut dalam larutan alkali encer

dan lebih mudah dihidrolisa dengan asam dibanding dengan selulosa. Hilangnya

hemiselulosa mengakibatkan adanya lubang antar fibril dan berkurangnya ikatan

antar serat (Prabawaty, S.Y., 2008).

Hemiselulosa semula diduga merupakan senyawa antara dalam biosintesis

selulosa.Namun saat ini diketahui bahwa hemiselulosa termasuk dalam

polisakarida heterogen yang dibentuk melalui jalan biosintesis yang berbeda dari


13

selulosa.Berbeda dengan selulosa yang merupakan homo polisakarida,

Hemiselulosa merupakan hetero polisakarida.Seperti hal nya selulosa kebanyakan

hemiselulosa berfungsi sebagai bahan pendukung dalam dinding sel.

Hemiselulosa relatif mudahdihidrolisis oleh asam menjadi komponen – komponen

monomernya. Jumlah hemiselulosa dari berat kering biasanya antara 20-30%

(Sjostrom,1995).

Hemiselulosa adalah polimer bercabang atau tidak linier.Selama

pembuatan pulp, hemiselulosa bereaksi lebih cepat dengan larutan pemasak

dibandingkan dengan selulosa.Hemiselulosa bersifat hidrofil (mudah menyerap

air) yang mengakibatkan strukturnya jadi kurangteratur.Kadar hemiselulosa dalam

pulp jauh lebih kecil dibandingkan dengan serat asal, karena selama pemasakan

hemiselulosa bereaksi dengan bahan pemasak dan lebih mudah terlarut dari pada

selulosa (Sjostrom, 1995).

Hemiselulosa merupakan salah satu penyusun dinding sel tumbuhan yang

terdiri dari kumpulan beberapa unit gula atau heteropolisakarida dan

dikelompokkan berdasarkan residu gula utama sebagai penyusunnya, seperti

xilan, mannan, galaktan dan glukan. Jumlah hemiselulosa biasanya antara 15 dan

30% dari berat kering bahan lignoselulosa dan mempunyai berat molekul rendah

dibandingkan dengan selulosa (Fengel dan wagener, 1995).

2.3 Sumber Selulosa

Selulosa dapat berasal dari tumbuhan dan serat selulosa yang dihasilkan

oleh bakteri atau disebut Bacterial Cellulose (BC). Selulosa dari tumbuhan

memiliki keunggulan yaitu jumlah bahan baku yang sangat melimpah dan mudah


14

didapat. Selulosa yang diperoleh dari tumbuhan memerlukan proses yang panjang

untuk menghilangkan hemiselulosa dan lignin (Ohwoavworhua dan Adelakun,

2005a; Ohwoavworhua dan Adelakun, 2005b; Bhimte dan Tayade, 2007).

Tabel 2.1 Tumbuhan dan bagian tumbuhan yang mengandung selulosa

Tumbuhan Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Lignin (%)

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

40-45 45-50 25-30

45 30

45-50 15-20

33 25-40

24-40 25-35 25-30

35 50

15-20 80-85

30 25-50

18-25 25-35 30-40

15 15

25-30 0 19

10-30

Selulosa tumbuhan terdapat pada beberapa bagian seperti pada batang,

daun, tangkai daun dan bagian lain. Pada Tabel 2.1 dapat dilihat beberapa

tumbuhan dan bagian tumbuhan yang mengandung selulosa. Sedangkan selulosa

yang dihasilkan dari bakteri yaitu spesies Acetobacter xylinum antara lain nata de

coco diperoleh menggunakan medium air kelapa (Yanuar, dkk., 2003) dan nata

de pina diperoleh menggunakan medium cair nenas (Iskandar, dkk., 2010).

2.4 KarboksimetilSelulosa (CMC)

Carboxy Methyl Cellulose adalah turunan dari selulosa dan sering dipakai

dalam industri makanan untuk mendapatkan tekstur yang baik. Fungsi CMC ada

beberapa yang penting yaitu sebagai pengental, stabilisator, pembentuk gel dan

pengemulsi (Winarno, 1984).

Sebagai pengemulsi, CMC sangat baik digunakan untuk memperbaiki

kenampakan tekstur dari produk berkadar gula tinggi. Sebagai pengental, CMC


15

mampu mengikat air sehingga molekul-molekul air terperangkap dalam struktur

gel yang dibentuk oleh CMC (Fardiaz, 1986).

Natrium CMC berupa serbuk atau butiran, putih atau putih gading, tidak

berbau, higroskopik, natrium CMC mudah terdispersi dalam air, membentuk

suspensi koloidal, tidak larut dalam etanol 95% P. dalam eter P, dan pelarut

organik lain. Penggunaan Na CMC sebagai gelling agent adalah 4-6% (Rowe,

dkk., 2009).

Polisakarida stabilizer meliputi berbagai jenis hidrokoloid, diantaranya

yaitu karboksimetil selulosa yang sering digunakan pada produk makanan beku

untuk mengontrol pembentukan kristal-kristal es dan menghasilkan tekstur produk

yang baik. Karboksimetil selulosa merupakan bahan penstabil yang memiliki daya

ikat yang kuat dan berperan untuk meningkatkan kekentalan (Eliasson, 2004).

CMC tidak berwarna dan tidak berbau, mudah larut dalam air panas dan

air dingin. Kekentalan dihasilkan oleh kontribusi dari CMC untuk stabilisasi

produk-produk beku seperti es krim. CMC juga dapat digunakan sebagai

stabilizer utama dalam es krim untuk mengontrol ukuran kristal es dan

pembentukan kristal es selama pembekuan dan penyimpanan (Phillips dan

Williams, 1987).

Sifat CMC yang biodegradable dan food grade relatif aman untuk

digunakan dalam aplikasi berbagai produk makanan atau minuman. CMC sebagai

pengemulsi sangat baik untuk memperbaiki kenampakan tekstur dari produk

berkadar gula tinggi sedangkan sebagai pengental sifatnya mampu mengikat air

sehingga molekul-molekul air terperangkap dalam struktur gel yang dibentuk oleh

CMC (Minifie, 1989).


16

Faktor utama yang perlu diperhatikan dalam pembuatan CMC adalah

alkalisasi dan karboksimetilasi karena menentukan karakteristik CMC yang

dihasilkan. Alkalisasi dilakukan sebelum karboksimetilasi menggunakan NaOH,

yang tujuannya mengaktifkan gugus-gugus OH pada molekul selulosa dan

berfungsi sebagai pengembang. Mengembangnya selulosa ini akan memudahkan

difusi reagen karboksimetilasi. Pada proses karboksimetilasi digunakan reagen

asam monokloroasetat atau natrium monokloroasetat dan jumlah natrium

monokloroasetat yang digunakan akan berpengaruh terhadap substitusi dari unit

anhidroglukosa pada selulosa. Bertambahnya jumlah alkali yang digunakan akan

mengakibatkan naiknya jumlah garam monokloroasetat yang terlarut, sehingga

mempermudah dan mempercepat difusi garam monokloroasetat ke dalam pusat

reaksi yaitu gugus hidroksi (Setiawan, dkk., 1990).

CMC dapat disintesis dari selulosa serat kayu, kapas, pohon pisang dan

ampas tebu. Langkah pertama dari pembuatan karboksimetil selulosa adalah

reaksi pembentukan selulosa alkali, selulosa ditambahkan dengan NaOH. CMC

terdiri dari eter yang mana bagian hidroksil dari glukosa anhidrat digantikan oleh

karboksimetil dari bagian monokloroasetat. Dalam kondisi alkali, bagian hidroksil

dari selulosa menunjukkan aktivitas tinggi. Untuk memproduksi CMC ada dua

langkah penting yang dilakukan reaksi pembasaan dan reaksi eterifikasi. Reaksi

tidak dapat berjalan tanpa menggunakan pelarut. Isopropanol digunakan sebagai

pelarut. reaksi pertama disebut endotermik reaksi kedua disebut eksotermik.

Sintesis CMC ini umumnya digunakan dalam farmasi dan produk makanan.

suasana basa dan eterifikasi adalah reaksi dengan menggunakan NaOH dan MCA

(Heydarzadeh, dkk., 2009).


17

Karboksimetil selulosa secara luas digunakan dalam bidang pangan, kimia,

perminyakan, pembuatan kertas, tekstil, serta bangunan. Khusus bidang pangan,

karboksimetil selulosa dimanfaatkan stabilizer, adhesiver, dan emulsifier. Contoh

aplikasinya adalah pada pemrosesan selai, es krim, minuman, saus dan sirup.

Pemanfaatannya yang sangat luas, mudah digunakan serta harganya yang tidak

mahal. Karboksimetil selulosa merupakan eter polimer selulosa linier dan berupa

senyawa anion dan bersifat biodegradable, tidak berwarna, tidak beracun, butiran

atau bubuk yang larut dalam air namun tidak larut dalam larutan organik,

memiliki rentang pH sebesar 6,5 sampai 8,0, bereaksi dengan garam logam berat

membentuk film yang tidak larut dalam air, serta tidak larut dalam air, transparan,

serta tidak bereaksi dengan senyawa organik.

2.5 Reaksi Sintetis Natrium Karboksimetil Selulosa

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


5 bab ii tinjauan pustaka 2.1 uraian tumbuhan 2.1.1 sinonim

Documents