laporan akhir penelitian high impact dana its 2020
TRANSCRIPT
i
LAPORAN AKHIR
PENELITIAN HIGH IMPACT
DANA ITS 2020
Pengembangan Sensor Kepedasan Berbasis Material Karbon
Tim Peneliti :
Prof. Dr.rer.nat. Fredy Kurniawan (Kimia/FSAD)
Dr. Hendro Juwono, M.Si. (Departemen Teknik Kimia/FSAD)
Dra. Harmami, M.Si. (Departemen Kimia/FSAD)
DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2020
Sesuai Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian No: 838/PKS/ITS/2020
i
Daftar Isi
Daftar Isi .......................................................................................................................................................... i
Daftar Tabel .................................................................................................................................................... ii
Daftar Gambar ............................................................................................................................................... iii
Daftar Lampiran ............................................................................................................................................. iv
BAB I RINGKASAN ..................................................................................................................................... 1
BAB II HASIL PENELITIAN ........................................................................................................................ 2
BAB III STATUS LUARAN .......................................................................................................................... 9
BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ............................................................................... 10
BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA ................................................................................... 11
BAB VII DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................... 12
BAB VIII LAMPIRAN ................................................................................................................................. 13
LAMPIRAN 1 Tabel Daftar Luaran ............................................................................................................. 14
ii
Daftar Tabel
Tabel 1. Skala Scoville berbagai jenis cabai [12]. .......................................................................................... 4
iii
Daftar Gambar
Gambar 1. Proses pembuatan karbon aktif dari biji nyamplung. .................................................................... 2
Gambar 2. Karbon aktif dari biji nyamplung. ................................................................................................. 3
Gambar 3. (A) Proses sintesis graphene dengan metode LPE dan (B) produk graphene yang diperoleh....... 3
Gambar 4. Proses ekstraksi kapsaisin dari biji cabai merah............................................................................ 4
Gambar 5. Struktur kapsaisin. ......................................................................................................................... 4
Gambar 6. Proses sintesis nanopartikel emas (A) dan nanopartikel emas hasil sintesis (B). .......................... 5
Gambar 7. SEM nanopartikel emas (A) dan TEM nanopartikel emas (B). ................................................... 5
Gambar 8. Modifikan berbasis graphene ........................................................................................................ 6
Gambar 9. Voltamogram variasi konsentrasi kapsaisin dengan elektroda emas............................................. 6
Gambar 10. Kurva kalibrasi kapsaisin dengan elektroda emas ....................................................................... 7
Gambar 11. Voltamogram berbagai konsentrasi Kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi ................ 7
Gambar 12. Kurva kalibrasi kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi................................................. 7
iv
Daftar Lampiran
LAMPIRAN 1 Tabel Daftar Luaran ............................................................................................................. 14
1
BAB I RINGKASAN
Cabai (Capsicum annuum spp.), merupakan salah satu jenis buah komersial yang memiliki nilai ekonomis
tinggi dan telah dibudidayakan sejak lama di Indonesia. Harga cabai di pasaran yang sangat fluktuatif,
seringkali mempengaruhi minat petani untuk membudidayakannya. Naik turunnya harga ini sebenarnya
dapat disiasati dengan menjual cabai sebagai bahan sediaan farmasi. Namun, untuk tujuan tersebut
diperlukan kualitas cabai yang sesuai. Kualitas cabai sering kali ditunjukkan oleh besarnya kandungan
kapsaisin. Analisis kapsaisin yang biasa dilakukan adalah menggunakan cara organoleptik dengan
merasakan bijinya. Walaupun metode ini cepat dan murah, namun dapat meninggalkan rasa sakit bagi
perasa. Hasil analisa ini digolongkan dalam unit Scoville yang digunakan untuk mengukur rasa pedas pada
cabai. Scoville Test merupakan tes yang dilakukan melalui pendekatan secara sistematik.
Berdasarkan hal tersebut, diperlukan suatu metode analisa yang cepat dan mudah untuk mendeteksi tingkat
kepedasan cabai. Penelitian pendahuluan kami telah berhasil membuat sensor kepedasan yang berbasis
elektroda emas termodifikasi poliamida dan emas nanopartikel. Sensor ini mampu menggantikan indra
perasa manusia untuk mengukur rasa pedas pada cabai. Namun, pembuatan sensor tersebut masih
mengandalkan bahan impor yang saat ini sudah tidak diproduksi lagi yaitu poliamida. Sehingga, pada
penelitian ini kami mengajukan pengembangan sensor kepedasan tersebut menggunakan sensor berbasis
material karbon. Material karbon dapat digunakan sebagai alternatif karena murah dan mudah diperoleh.
Pengembangan sensor kepedasan pada cabai ini diharapkan dapat berperan untuk memberikan informasi
kepada petani tentang kualitas cabai yang diinginkan. Tujuan penelitian ini adalah membuat elektroda
berbasis material karbon yang termodifikasi emas nanopartikel untuk analisa kadar kapsaisin yang
sebanding dengan tingkat kepedasan sampel cabai dengan menggunakan teknik elektrokimia.
Penelitian ini telah dilakukan dan diperoleh data terkait tingkat kepedasan cabai. Tahapan yang perlu
diselesaikan saat ini adalah publikasi jurnal internasional terakreditasi, dimana luaran tersebut masih dalam
tahap persiapan.
Kata Kunci: kapsaisin, material karbon, elektroda, elektrokimia.
2
BAB II HASIL PENELITIAN
Hasil penelitian dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Sintesis material karbon
Material karbon yang dikembangkan pada penelitian ini diperoleh dengan cara memanfaatkan biomass
berupa biji nyamplung. Biomass ini biasanya dimanfaatkan untuk biodiesel karena kandungan minyaknya
yang tinggi [1–5]. Namun, dari pemanfaatan tersebut, ampas biji nyamplung kebanyakan dibuang dan tidak
dimanfaatkan lebih lanjut. Putra dan Hastuti melaporkan bahwa biji nyamplung mengandung 69,39% db
lipid dan 14,69% db karbohidrat [3]. Kandungan lipid dan karbohidrat tersebut dapat dimanfaatkan sebagai
sumber karbon aktif. Penelitian ini telah menunjukkan hasil positif dari segi materialnya, dimana karbon
aktif yang bersifat konduktif dapat diperoleh dari biji nyamplung. Metode aktivasi menggunakan asam
dilakukan untuk memperoleh karbon aktif dari biji nyamplung. Wibowo pada tahun 2010 melaporkan
penggunaan limbah tempurung nyamplung dapat dimanfaatkan menjadi arang aktif [4,5]. Kualitas arang
aktif terbaik diperoleh pada aktivasi perendaman H3PO4 10% pada suhu 700°C selama 120 menit dengan
rendemen sebesar 52%. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa arang yang dihasilkan dari limbah
nyamplung tersebut memenuhi persyaratan SNI-06-3730 1995. Hal ini menunjukkan bahwa limbah
nyamplung dapat dijadikan sumber alternatif baru dalam pembuatan arang aktif dan dapat dimanfaatkan
lebih lanjut sebagai prekursor pembuatan material karbon lainnya.
Sintesis material karbon pada penelitian ini dimulai dengan melakukan preparasi sumber karbon,
dimana biji nyamplung dipisahkan dengan kulitnya, kemudian dikeringkan (Gambar 1). Biji nyamplung
yang telah kering kemudian dihancurkan hingga menjadi serbuk lalu dipres dan diaktivasi pada larutan
HNO3 25% selama 24 jam dengan perbandingan 1:1. Serbuk biji nyamplung yang telah diaktivasi
kemudian dikarbonisasi dengan furnace pada suhu 500°C selama 1 jam dan dilanjutkan pada suhu 900°C
selama 1 jam. Proses karbonisasi secara bertahap dilakukan untuk memperoleh material karbon aktif.
Karbon yang diperoleh kemudian dinetralkan dengan aquades dan dikeringkan dengan oven sehingga
diperoleh seperti pada Gambar 2.
Gambar 1. Proses pembuatan karbon aktif dari biji nyamplung.
3
Gambar 2. Karbon aktif dari biji nyamplung.
Karbon aktif dari biji nyamplung dihaluskan dan disaring menggunakan mesh 70 agar permukaan
seragam dan memudahkan proses sintesis material karbon dalam bentuk graphene. Sintesis graphene
dilakukan dengan metode Liquid Phase Exfoliation (LPE). LPE merupakan metode fase cair yang biasanya
menggunakan teknologi surfaktan. Karbon aktif sebagai sumber graphene dapat diexfoliasi dengan baik
dalam bentuk larutan menggunakan bantuan ultrasonikasi untuk memecahkan lapisan lapisan karbon.
Teknologi surfaktan dalam metode ini berfungsi untuk melemahkan ikatan van der waals antar lembaran
graphene pada material karbon. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Capasso et al., metode
LPE dapat dikembangkan untuk sintesis graphene tanpa menggunakan surfaktan [6]. Capasso et al.
menggunakan pelarut yang ramah lingkungan yaitu campuran (EtOH/H2O). Metode ini dilakukan dengan
bantuan ultrasonikasi selama 6 jam. Gambar 3A menunjukkan proses sintesis graphene dari karbon aktif
biji nyamplung menggunakan metode LPE. Produk graphene diperoleh setelah larutan dari proses LPE
disentrifuge (Gambar 3B). Prosentase perolehan graphene yang diperoleh dari 2 gram karbon aktif biji
nyamplung adalah sebesar 0,33%. Hasil ini menunjukkan bahwa perlu dilakukan perulangan sintesis
graphene untuk mendapatkan graphene yang lebih banyak. Graphene tersebut kemudian akan
dikarakterisasi dan digunakan sebagai material sensor kepedasan.
Gambar 3. (A) Proses sintesis graphene dengan metode LPE dan (B) produk graphene yang diperoleh.
2. Ekstraksi kapsaisin dari biji cabai merah
Ekstraksi kapsaisin dari biji cabai merah dilakukan sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh
Widyanti, 2010 [7], Madurani, 2014 serta Kurniawan dan Madurani, 2015 [8,9]. Ekstraksi kapsaisin
dilakukan menggunakan pelarut etanol dan proses secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 4. Proses
ekstraksi sedang dilakukan perulangan untuk memperoleh kapsaisin yang cukup untuk proses analisa.
Kapsaisin (Gambar 5) merupakan senyawa aktif pada cabai dan yang menyebabkan rasa panas atau pedas
ketika dikonsumsi [10,11]. Adapun standard skala kepedasan pada cabai dituliskan dalam unit Scoville
(Tabel 1). Oleh karena itu, analisa kepedasan menggunakan sensor yang dikembangkan pada penelitian ini
akan dilakukan dengan cara mengukur kadar kapsaisin pada sampel cabai dengan cara elektrokimia.
4
Gambar 4. Proses ekstraksi kapsaisin dari biji cabai merah.
HO
O
HN
O Gambar 5. Struktur kapsaisin.
Tabel 1. Skala Scoville berbagai jenis cabai [12].
Skala Scoville Jenis cabe
15.000.000 – 16.000.000 Kapsaisin murni
8.600.000 – 9.100.000 Berbagai macam kapsaisinoid (contoh homokapsaisin,
homodihidrokapsaisin, nordihidrokapsaisin)
2.000.000 – 5.300.000 Standar U.S. semprotan cabai, FN 303 amunisi yang
bersifat iritan
855.500 – 1.050.000 Naga Jolokia
350.000 - 580.000 Red Savina Habanero
100.000 – 350.000 Cabai Habanero, Cabai Scotch Bonnet, Cabai Datil, Rocoto,
Cabai Jamaica, African Birdseye
50.000 – 100.000 Cabai Thailand, Cabai Malagueta, Cabai Chiltepin, Cabai
Pequin
30.000 – 50.000 Cabai Cayenne , Cabai Ají , Cabai Tabasco, beberapa Cabai
Chipotle
10.000 - 23.000 Serrano Pepper
2.500 – 8.000 Cabai Jalapeño, Cabai Guajillo, Cabai Varietas Anhaim -
New Mexican, Paprika (Cabai Lilin Hungari)
500 – 2.500 Cabai Anaheim, Cabai Poblano, Cabai Rocotillo
100 – 500 Pimento, Pepperoncini
0 Tidak panas, Cabai Lonceng
5
3. Sintesis nanopartikel emas
Selain proses perulangan sintesis material karbon dan proses ekstraksi kapsaisin yang sedang
berlangsung, pada penelitian ini juga telah dilakukan sintesis nanopartikel emas. Sintesis nanopartikel
emas dilakukan sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Husna, 2011 [13]. Nanopartikel emas
tersebut akan digunakan untuk modifikasi sensor berbasis material karbon. Nanopartikel emas disintesis
menggunakan metode elektrokimia seperti pada Gambar 6A. Nanopartikel emas hasil sintesis ditunjukkan
pada Gambar 6B. Nanopartikel emas tersebut kemudian dikarakterisasi dengan SEM (Gambar 7A) dan
TEM (Gambar 7B). Hasil analisa SEM menunjukkan bahwa distribusi nanopartikel emas tersebut terlihat
seragam dan diperoleh ukuran sebesar 20 nm dari hasil analisa TEM.
Gambar 6. Proses sintesis nanopartikel emas (A) dan nanopartikel emas hasil sintesis (B).
Gambar 7. SEM nanopartikel emas (A) dan TEM nanopartikel emas (B).
4. Pembuatan Elektroda Emas termodifikasi
Pembuatan elektroda emas termodifikasi dilakukan dengan 2 langkah yaitu pembuatan modifikan
dan penempelan modifikan pada elektroda emas.
A. Pembuatan modifikan
Pembuatan modifikan berbasis graphene dilakukan dengan mencampurkan 2 mg graphene dan
5 mg PVDF. Campuran tersebut ditambahkan 3 mL larutan NMP. Campuran disonikasi selama
6 jam hingga larutan tercampur dan mengental (slurry). Hasil larutan modifikan berbasis
graphene ditunjukkan pada gambar 8
6
Gambar 8 Modifikan berbasis graphene
B. Pembuatan elektroda emas termodifikasi
Pembuatan elektroda emas termodifikasi dilakukan dengan meneteskan modifikan pada area
sensing elektroda emas. Proses penetesan modifikan menggunakan micropipet. Sebanyak 15
µL larutan modifikan dipipet dan diteteskan pada area sensing elektroda emas. Lalu elektroda
tersebut dipanaskan dalam oven dengan suhu 60°C selama 1 jam. Proses pemanasan ini
bertujuan untuk mengeringkan modifikan dan membuat modifikan dapat menempel dengan
baik pada elektroda emas. Setelah modifikan kering dan menempel dengan baik, diteteskan
kembali emas nanopartikel diatas lapisan modifikan. Kemudian elektroda dipanaskan kembali
pada suhu 60°C selama 1 jam. Elektroda yang sudah termodifikasi dengan graphene/AuNPs
disimpan di dalam desikator dan siap untuk digunakan/
5. Analisa Penentuan Kapsaisin
Kapsaisin dianalisa dengan voltametri siklik menggunakan elektroda emas tanpa modifikasi dan
elektroda emas termodifikasi pada pH 1 dan scan rate 100 mV/s. Konsentrasi kapsaisin yang
digunakan adalah 0-300 µM.
A. Elektroda emas
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
i (µ
M)
Potensial (V)
0 µM
0,5 µM
1 µM
2 µM
5 µM
10 µM
15 µM
20 µM
25 µM
30 µM
35 µM
40 µM
45 µM
50 µM
55 µM
60 µM
100 µM
150 µM
200 µM
250 µM
300 µM
Gambar 9 Voltamogram variasi konsentrasi kapsaisin dengan elektroda emas
7
15 20 25 30 35
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
i (µ
A)
Konsentrasi (µM)
Gambar 10 Kurva kalibrasi kapsaisin dengan elektroda emas
Gambar 9 menunjukkan hasil voltamogram siklis analisa kapsaisin dengan elektroda emas pada berbagai
variasi. Berdasarkan voltamogram pada gambar 9 dapat dilihat bahwa ada puncak anodik pada konsentrasi
0. Hal ini menunjukkan bahwa puncak yang dihasilkan merupakan oksidasi pelarut/buffer. Namun ketika
terdapat penambahan kapsaisin, intensitas puncak yang dihasilkan justru turun. Hal inimenunjukkan bahwa
penambahan/keberadaan kapsaisin menghambat oksidasi dari pelarut/buffer sehingga intensitas arus yang
dihasilkan lebih kecil. Berdasarkan hasil plot arus terhadap konsentrasi, didapatkan pola yang teratur pada
konsentrasi 0-50 µM. Berdasarkan regresi linier kurva kalibrasi pada Gambar 10, diperoleh persamaan
y=14,93-0,10x dengan nilai R sebesar -0,97432.
B. Elektroda emas termodifikasi
Gambar 11 Voltamogram berbagai konsentrasi Kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
8.0
8.2
8.4
i (µ
A)
Konsentrasi (µM)
Gambar 12 Kurva kalibrasi kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi
8
Analisa penentuan kapsaisin dilakukan dengan voltametri siklik menggunakan elektroda termodifikasi
graphene/AuNPs. Voltamogram analisa kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi ditunjukkan pada
Gambar 11. Berdasarkan voltamogram pada Gambar 11 menunjukkan terdapat perbesaran voltamogram
seiring dengan kenaikan konsentrasi kapsaisin. Hal ini berbanding terbalik dengan penggunaan elektroda
emas dimana kenaikan konsentrasi kapsaisin justru mengurangi sinyal pada elektroda emas. Berdasarkan
hasil plot arus terhadap konsentrasi didapatkan hasil pola yang teratur pada konsentrasi 0,5-45 µM seperti
pada Gambar 12. Regresi linier kurva kalibrasi kapsaisin dengan elektroda emas termodifikasi diperoleh
persamaan y = 6,75 + 0,08 x dengan nilai R sebesar 0,99468.
9
BAB III STATUS LUARAN
Status luaran saat ini adalah dalam tahap persiapan untuk publikasi ke jurnal internasional.
10
BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN
Pelaksanaan penelitian secara umum terkendala kondisi pandemi saat ini, dimana terdapat pembatasan
terkait pelaksanaan penelitian di laboratorium sehingga data untuk publikasi baru diperoleh dan status
luaran saat ini masih dalam tahap persiapan.
11
BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA
Rencana tahapan selanjutnya adalah memenuhi target luaran berupa jurnal internasional terakreditasi.
12
BAB VII DAFTAR PUSTAKA
[1] Y. Arkeman, D. Setyaningsih, T.A.S. TIP, Analisis tekno-ekonomi pendirian pabrik biodesel dari biji
nyamplung (Calophyllum inophyllum L.), J. Teknol. Ind. Pertan. 22 (2012).
[2] M. Fadhlullah, S.N.B. Widiyanto, E. Restiawaty, The Potential of Nyamplung (Calophyllum
inophyllum L.) Seed Oil as Biodiesel Feedstock: Effect of Seed Moisture Content and Particle Size
on Oil Yield, Energy Procedia. 68 (2015) 177–185. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.246.
[3] M.P. Putra, P. Hastuti, Isolation and Characterization of The Functional Properties of The Major
Protein Fraction from Nyamplung (Calophyllum inophyllum), Indones. Food Nutr. Prog. 13 (2014)
17–23. https://doi.org/10.22146/jifnp.114.
[4] S. Wibowo, W. Syafi, G.P. Pari, Karakterisasi permukaan arang aktif tempurung biji nyamplung,
MAKARA Technol. Ser. 15 (2011).
[5] S. Wibowo, W. Syafii, G. Pari, Karakteristik arang aktif tempurung biji nyamplung (Calophyllum
inophyllum Linn), J. Penelit. Has. Hutan. 28 (2010) 43–54.
[6] A. Capasso, A.E. Del Rio Castillo, H. Sun, A. Ansaldo, V. Pellegrini, F. Bonaccorso, Ink-jet printing
of graphene for flexible electronics: An environmentally-friendly approach, Solid State Commun.
224 (2015) 53–63. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2015.08.011.
[7] L.A. Widyanti, Pembuatan sensor elektrokimia berbasis emas nanopartikel untuk kuantitasi rasa
pedas secara voltametri siklis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2010.
[8] K.A. Madurani, INHIBISI KOROSI BAJA SS 304 MENGGUNAKAN CAPSICOL DALAM
MEDIA HCl 1 M, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2014.
[9] F. Kurniawan, K.A. Madurani, Electrochemical and optical microscopy study of red pepper seed oil
corrosion inhibition by self-assembled monolayers (SAM) on 304 SS, Prog. Org. Coat. 88 (2015)
256–262. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2015.07.010.
[10] D.G. Barceloux, Pepper and Capsaicin (Capsicum and Piper Species), Dis. Mon. 55 (2009) 380–390.
https://doi.org/10.1016/j.disamonth.2009.03.008.
[11] I.J. Fitriyah, STUDI TINGKAT KEPEDASAN CAPSAICINOID DARI BIJI CAPSICUM
ANNUUM DALAM EKSTRAK ETANOL MENGGUNAKAN METODE VOLTAMETRI
SIKLIK, Master Thesis Chem. RTKi 54137 Fit 2011. (2011). http://digilib.its.ac.id/ITS-Master-
3100011043933/15717 (accessed March 8, 2020).
[12] W.L. Scoville, Note on Capsicums, J. Am. Pharm. Assoc. 1912. 1 (1912) 453–454.
https://doi.org/10.1002/jps.3080010520.
[13] Qurrotul Husna, OPTIMASI KONSENTRASI Na-SITRAT DAN PENGARUH POTENSIAL
DALAM SINTESIS EMAS NANOPARTIKEL, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2011.
13
BAB VIII LAMPIRAN
Lampiran pada penelitian ini adalah seperti yang ditunjukkan pada lampiran 1.
14
LAMPIRAN 1 Tabel Daftar Luaran
Program : High Impact
Nama Ketua Tim : Prof. Dr.rer.nat. Fredy Kurniawan, M.Si.
Judul : Pengembangan sensor kepedasan berbasis material karbon
1.Artikel Jurnal
No Judul Artikel Nama Jurnal Status Kemajuan*)
1. Spicy analysis using
electrochemical sensor
ECS JES persiapan
*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, published
2. Artikel Konferensi
No Judul Artikel Nama Konferensi (Nama
Penyelenggara, Tempat,
Tanggal)
Status Kemajuan*)
- - - -
*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, presented
3. Paten
No Judul Usulan Paten Status Kemajuan
- - -
*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review
4. Buku
No Judul Buku (Rencana) Penerbit Status Kemajuan*)
- - - -
*) Status kemajuan: Persiapan, under review, published
5. Hasil Lain
No Nama Output Detail Output Status Kemajuan*)
1. - - -
*) Status kemajuan: cantumkan status kemajuan sesuai kondisi saat ini
6. Disertasi/Tesis/Tugas Akhir/PKM yang dihasilkan
No Nama Mahasiswa NRP Judul Status*)
1. Setyadi Laksono Bahar 01211750010003 Sensor
kepedasan
berbasis
material karbon
in progress
*) Status kemajuan: cantumkan lulus dan tahun kelulusan atau in progress
BUKTI LUARAN
SPICY ANALYSIS USING ELECTROCHEMICAL SENSOR 1
2
Setyadi Laksono Bahara, Kartika A. Madurania, Liana Ari Widyantia, Harmamia，3
Hendro Juwonoa and Fredy Kurniawana,z 4
5
a Laboratory of Instrumentation and Analytical Sciences, Chemistry Department, 6
Faculty of Science and Data Analytics, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 7
60111, Indonesia. 8
10
ABSTRACT 11
Electrochemical sensor had been developed for many purposes. This type sensor mostly 12
can be easily adopted to solve the problem in industry and medical with a high degree 13
of accuracy, precision, sensitivity and selectivity. We developed a spicy sensor based 14
carbon material and gold nanoparticle for industry, which can be used for spicy analysis 15
of any kind food. Both of anodic and cathodic can be used for spicy measurement with 16
limit of detection of the sensor at about 0.500 μM. The sensitivity at anodic and 17
cathodic is 0.102 and -0.268 μA.μM-1.mm-2 respectively. The spicy sensor has been 18
applied to detect the quantity of capsaicin at the seed and fruit of red pepper. 19
20
INTRODUCTION 21
Chili is one of important commodity in the world, include Indonesia. In the period 22
2000-2014, Indonesia is able to export an average of 8.38% per year for fresh chili and 23
31.74% per year for processed chili such as sauce. Determination of the pungency level 24
of chili is needed, especially in the export-import industry. The pungency level of chili 25
is related to the presence of capsaicinoid compounds 1–5. Monitoring of this compound 26
is important because excessive intake of capsaicinoid may be harmful to health 4,6. In 27
fact, the Council of Europe has recommended a certain limit to the total capsaicinoid 28
content permitted in a few categories, for instance, 5 ppm as the general limit for food 29
and beverages, 10 ppm for spicy food and beverages, 20 ppm for hot sauces, and 50 30
ppm for tobacco, harissa, pimento hot oil, and so forth 4. 31
Conventional methods used to determine the pungency level or capsaicin concentration 32
are using tongue by a panel of tasters (Scouville Organoleptic test method). This test is 33
leveled in Scouville, which is the spiciness measurement of 30 chilies or its derivatives. 34
Pure capsaicin itself has 16 million Scouville. Currently, the industrial Scouville test 35
measurement becomes the standard of spicy flavor, but it is less accurate due to its 36
subjectivity 7. Quantitative methods such as spectrophotometry and high performance 37
liquid chromatography (HPLC) has been used for the detection of capsaicinoid. HPLC 38
results are reported in spicy ASTA units (15 multiple converted into Scouville) and 39
claimed more reproducible than the conventional method. Unfortunately, this technique 40
requires high cost and complex preparation. Therefore, a simple and accurate technique 41
is still needed to detect and determine capsaicinoid. 42
Electrochemical method have been reported for fast, simpler and accurate technique. 43
The first claimed of this method for capsaicin analysis is reported on the patent number 44
WO 2009/115840A1. The active material used is double walled carbon nanotubes. 45
Fabrication double walled carbon nanotube is relatively difficult since it requires 46
relatively expensive. We provides another alternative active material that work in the 47
similar system but using simpler process, i.e., carbon material and gold nanoparticles. 48
Synthesis of gold nanoparticles was done using wet method, which is simpler than the 49
making of double walled nanocarbon active materials. 50
51
52
Results and Discussion 53
In general, the composition of our modified electrode can be seen at Fig. 1. The surface 54
of gold electrodes was coated by gold nanoparticles (Fig. 1a). The edge of the gold 55
electrodes was isolated (Fig. 1b) and make the bottoms were opened. Deposition of 56
carbon material on the gold electrode surface is carried out using LbL (Layer by Layer) 57
technique. Solution of carbon material appeared by dissolving 0.2 grams powdered 58
carbon with surfactant (PVDF) and solvent (NMP). Gold electrodes immersed for 5 59
seconds in a solution of carbon and was directly included in the distilled water to rinse. 60
The electrode was dipped in the suspension of gold nanoparticles for 24 hours (Fig. 1c), 61
then rinsed again with distilled water. The electrodes are ready to analyze, after dried. 62
The characterization of electrode surface by microscope optic was presented at Fig. 2. 63
64
Fig 1. Modified gold electrode for spicy analysis. 65
66
67
Fig 2. Image of gold electrode surface before (a) and after deposited by polymer (b), 68
and the surface of modified gold electrode with modification (c). 69
70
The combination of carbon material and gold nanoparticles are able to oxidize 71
capsaicin, which cannot be done by gold electrodes. The peak of oxidation and 72
reduction are observed at 0.439 V and 0 V, respectively. The detection limit (LOD) of 73
modified gold electrode at 0.439 V reaches up to 0.5 μM. Linear concentration range 74
that can be used as a calibration curve is in the region of concentration 220 μM. In 75
linear regression equation of the calibration curve obtained y = 6.75 + 0.08 x with a 76
value of R of 0.99468, so the sensitivity of modified sensor was 0.102 μM-1 µA.mm-2. A 77
calibration curve in this concentration range can be seen in Fig. 3. Besides the oxidation 78
current, the reduction current can also be used to determine the concentration of 79
capsaicin. This regularity is observed at a potential of 0 V. Detection limit of reduction 80
current on the modified gold electrode is 0.5 μM. The reduction current detection limit 81
has the same value as oxidation currents. The range of linear concentration was 230 μM. 82
The calibration curve in the concentration range of 230 μM can be seen in Fig. 4. From 83
linear regression, calibration curve equation y = -16.69 - 0.21x the value of R for -84
0.97535 can be obtained. Based on the linear equation, it can be seen that the sensitivity 85
of the electrode is equal to -0.268 mA μM-1.mm-2, where the negative value indicates 86
reduction current, while the value exhibits positive oxidation current. 87
88
Fig 3. Calibration curve of anodic. 89
90
91
Fig 4. Calibration curve of anodic. 92
93
94
Comparison with the patent number WO 2009/115840A1 indicates that the proposed 95
electrochemical sensor has nearly the same value of LOD (Table 1). Thus, the sensor is 96
demonstrated as an alternative spicy sensor for industrial purpose. 97
Table 1. Performance comparison of spicy sensor. 98
Electrode
Linear range
(µm)
LOD
(µM)
Sensitivity
(μA.μM-1.mm-2)
Reference
Modified
MWCNTs
0.5-35 0.45 - 8
Modified gold
2-20 (anodic)
and 5-30
(cathodic)
0.500 (for
anodic and
cathodic)
0.102 (anodic)
and
-0.268 (cathodic)
This work
99
Conclusion 100
Capsaicin as spicy component in chilli can be investigated using electrochemical sensor 101
based on carbon material. The sensor works well in range 2-20 for anodic and 5-30 for 102
cathodic. The sensor was also proven that it can be used for real sample. Limit detection 103
of the sensor is relatively small with fast response time in comparison to other study. 104
105
Acknowledgments 106
The authors are grateful to a KEMENRISTEKDIKTI (Ministry of Research, 107
Technology and Higher Education of the Republic of Indonesia) and Institut Teknologi 108
Sepuluh Nopember for supporting the research funding of this work under project 109
scheme of Penelitian High Impact with grant number 838/PKS/ITS/2020. 110
111
References 112
1. R. Mohammad, M. Ahmad and L. Y. Heng, Sens. Actuators B Chem., 190, 593–600 113
(2014). 114
2. M. I. Sabela, T. Mpanza, S. Kanchi, D. Sharma and K. Bisetty, Biosens. Bioelectron., 115
83, 45–53 (2016). 116
3. D.-H. Kim and W.-Y. Lee, J. Electroanal. Chem., 776, 74–81 (2016). 117
4. R. Mohammad, M. Ahmad and L. Y. Heng, Sens. Actuators B Chem., 241, 174–181 118
(2017). 119
5. Y. Wang, B. Huang, W. Dai, J. Ye and B. Xu, J. Electroanal. Chem., 776, 93–100 (2016). 120
6. M. A. Dkhil and S. Al-Quraishy, J. Od Med. Plants Res., 4(23), 2533–2538 (2010). 121
7. W. L. Scoville, J. Am. Pharm. Assoc., 453 (1912). 122
8. R. G. Compton, G. G. Wildgoose and R. T. Kachoosangi,. 123
124