NANOSELULOSA BAGAS TEBU SEBAGAI BAHAN BAKU

HIDROKSIPROPIL METIL SELULOSA (HPMC)

SOKA PANGESTITI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2016

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Nanoselulosa Bagas

Tebu sebagai Bahan Baku Hidroksipropil Metil Selulosa (HPMC) adalah benar

karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam

bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang

berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari

penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di

bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, November 2016

Soka Pangestiti

NIM G44144016

ABSTRAK

SOKA PANGESTITI. Nanoselulosa Bagas Tebu sebagai Bahan Baku

Hidroksipropil Metil Selulosa (HPMC). Dibimbing oleh HENNY

PURWANINGSIH dan ZAINAL ALIM MAS’UD.

Bagas tebu merupakan polisakarida alami yang melimpah, dapat diperbarui

dan berpotensi sebagai sumber alternatif selulosa. Serat bagas tebu terdiri atas

43.8% selulosa, 28.5% hemiselulosa, dan 23.5% lignin. Selulosa bagas tebu

dimodifikasi menjadi nanoselulosa melalui hidrolisis asam. Selulosa dan

nanoselulosa digunakan sebagai bahan baku hidroksipropil metil selulosa

(HPMC). HPMC diaplikasikan sebagai bahan penyalut obat di dunia farmasi.

Karakterisasi HPMC berupa viskositas, gugus fungsi, dan sifat termal. HPMC dari

selulosa bagas tebu hanya menunjukkan viskositas sebesar 300 cP dan HPMC dari

nanoselulosa sebesar 1000 cP. Analisis termal dengan differential scanning

calorimetry (DSC) menunjukkan suhu kristalisasi HPMC dari selulosa pada

313.87 °C dan pada 328.15 °C untuk HPMC dari nanoselulosa. Berdasarkan hasil

penelitian, nanoselulosa dapat meningkatkan kualitas HPMC yang dihasilkan.

Kata kunci: biopolimer, selulosa, nanoselulosa, HPMC

ABSTRACT

SOKA PANGESTITI. Nanocellulose Bagasse Cane as Raw Materials of

Hydroxypropyl Methyl Cellulose (HPMC). Supervised by HENNY

PURWANINGSIH and ZAINAL ALIM MAS’UD.

Sugarcane bagasse is abundant polysaccharide found in nature, renewable,

and potential as a source of alternative cellulose. Sugarcane bagasse consists of

cellulose 43.8%, hemicellulose 28.6%, and lignin 23.5%. Nanocellulose prepared

by acid hydrolysis of isolated cellulose. Cellulose and nanocellulose is used as a

backbone for creating hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC). HPMC applies as

coating agent in pharmacy. Characteristic of HPMC that observed in this study

were such as viscosity, functional group, and thermal properties. HPMC from

cellulose sugarcane bagasse only showed viscosity grade about 300 cP and HPMC

from nanocellulose showed viscosity grade about 1000 cP. Thermal analysis with

differential scanning calorimetry showed crystallization temperature at 313.87 °C

for HPMC from cellulose and 328.15 °C for HPMC from nanocellulose. Based on

the results observed, nanocellulose can increase the quality of HPMC.

Key words: biopolymer, cellulose, nanocellulose, HPMC

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

NANOSELULOSA BAGAS TEBU SEBAGAI BAHAN BAKU

HIDROKSIPROPIL METIL SELULOSA (HPMC)

SOKA PANGESTITI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2016

Judul Skripsi : Nanoselulosa Bagas Tebu sebagai Bahan Baku Hidroksipropil

Metil Selulosa (HPMC)

Nama : Soka Pangestiti

NIM : G44144016

Disetujui oleh

Dr Henny Purwaningsih, SSi, MSi

Pembimbing I

Dr Zainal Alim Mas’ud, DEA

Pembimbing II

Diketahui oleh

Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS

Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala

limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya

ilmiah yang berjudul “Nanoselulosa Bagas Tebu sebagai Bahan Baku

Hidroksipropil Metil Selulosa (HPMC)”. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan

penelitian yang dilaksanakan pada bulan April hingga Oktober 2016 dan dibiayai

sepenuhnya oleh Laboratorium Terpadu, Departemen Kimia, Institut Pertanian

Bogor.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr Henny Purwaningsih, SSi, MSi

dan Dr Zainal Alim Mas’ud, DEA selaku pembimbing yang telah banyak

memberi saran, bimbingan, dan nasihat sehingga karya ilmiah ini dapat

diselesaikan. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Drs M. Farid M.Si,

Drs Ahmad Sjahriza, M. Khotib M.Si, Dr Komar Sutriah, Dr rer.nat. Noviyan

Darmawan M.Sc, Prof Tun Tedja Irawadi MS dan seluruh staf Laboratorium

Terpadu, Institut Pertanian Bogor atas bantuan serta masukan selama penelitian

berlangsung. Terima kasih tak terhingga penulis sampaikan kepada seluruh

keluarga terutama bapak Urip Santosa, ibu Trimurti, adik Luke Aninda, dan

seluruh teman Alih Jenis Kimia 51 atas dukungan dan doanya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, November 2016

Soka Pangestiti

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL vi

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Tujuan Penelitian 2

METODE 2

Bahan 2

Alat 2

Metode 3

HASIL DAN PEMBAHASAN 4

Isolat Selulosa dari Bagas Tebu 4

Selulosa Terhidrolisis dari Isolat Selulosa 7

Sintesis HPMC 8

Analisis Termal HPMC 9

SIMPULAN DAN SARAN 10

Simpulan 10

Saran 10

DAFTAR PUSTAKA 11

LAMPIRAN 14

RIWAYAT HIDUP 18

DAFTAR TABEL

1 Analisis komponen kimia (%) 6 2 Data Puncak Endoterm dan Eksoterm HPMC 9

DAFTAR GAMBAR

1 Skema reaksi kompleks karbohidrat lignin dengan NaOH (Aini 2016) 5 2 Mekanisme penguraian H2O2 (Gray 2013) 5 3 Spektrum FTIR bagas tebu (a) dan isolat selulosa(b) 6

4 Skema reaksi pemutusan ikatan eter pada selulosa dengan asam 7 5 Larutan nanoselulosa (a) Morfologi nanoselulosa pada perbesaran

20.000 kali (b) 7 6 Reaksi nanoselulosa dengan propilen oksida dan metilklorida.

R : –CH3 atau –CH2CH(CH3)OH (Varshney dan Naithani 2011) 8 7 Pengaruh Suhu Kondesor dengan Viskositas pada HPMC 1a (a),

HPMC 1b (b), HPMC 1c (c), HPMC 2 (d), dan HPMC 3 (e). 8 8 Termogram HPMC 2 (a), HPMC Komersil (b), dan HPMC 3 (c) 10

DAFTAR LAMPIRAN

1 Diagram alir penelitian 13 2 Rendemen hasil 14 3 Spektrum FTIR 15 4 Viskositas HPMC 16 5 Termogram Hasil Analisis DSC 16 6 Daftar singkatan 17

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kebutuhan global akan bahan baku terbarukan saat ini semakin besar seiring

dengan meningkatnya kesadaran konservasi lingkungan. Nanomaterial yang

berasal dari selulosa berpotensi menjadi salah satu bahan baku kimia terbarukan

ditunjang dengan kelimpahannya di alam. Selulosa dapat diperoleh dari sisa panen

perkebunan seperti tongkol jagung, tangkai gandum, dan bagas tebu (Mariño et al.

2015). Perkebunan tebu diperkirakan menghasilkan 100 ton bagas setiap hektar,

sehingga potensi bagas tebu nasional dari total luas perkebunan tebu mencapai 47

415 900 ton per tahun (Dirjen Perkebunan 2014). Serat dari bagas tebu tidak dapat

larut dalam air dan komposisi lignoselulosa terdiri atas 43.8% selulosa, 28.6%

hemiselulosa, dan 23.5% lignin (Kumar et al. 2013). Umumnya bagas tebu

dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan papan partikel, pulp, pupuk, dan

pakan ternak. Pemanfaatan tersebut bersifat terbatas dan bernilai ekonomi rendah.

Modifikasi lain perlu dilakukan untuk meningkatkan harga jual bagas tebu, salah

satunya dengan mengubah ukuran selulosa dari bagas tebu menjadi nanoselulosa.

Nanoselulosa dengan bentuk kristal sering disebut selulosa nanokristalin (CNC)

(Kumar et al. 2013).

Senyawa lain dalam bagas tebu seperti hemiselulosa dan lignin perlu

dihilangkan dengan cara ekstraksi menggunakan pelarut basa. Pada penelitian ini,

delignifikasi pada bagas tebu yang telah dicuci dengan air menggunakan larutan

NaOH dan H2O2. Selanjutnya dilakukan proses hidrolisis asam untuk

menghasilkan nanoselulosa. Karakteristik geometris nanoselulosa bergantung

pada kondisi proses hidrolisis asam, seperti suhu, waktu, konsentrasi, dan

kemurnian material (Aini 2016). Larutan asam sulfat digunakan untuk

menghilangkan bagian amorf dari suatu rantai selulosa sehingga dapat diisolasi

bagian kristalinnya (Laopaiboon et al. 2010). Nanoselulosa memiliki ukuran

kurang dari 100 nm dengan kristalinitas yang tinggi (Kumar et al. 2014). Fungsi

nanoselulosa sangat luas dalam berbagai macam aplikasi seperti bioteknologi,

komposit, penstabil, pengental, adsorben, pengemasan, dan biomedis (Lani et al.

2014).

Salah satu modifikasi selulosa di bidang farmasi adalah hidroksipropil metil

selulosa (HPMC) atau hipromelosa yang berfungsi sebagai bahan penyalut obat.

Hidroksipropil metil selulosa merupakan turunan eter dari selulosa. Gugus

hidroksil pada selulosa dimodifikasi menjadi gugus eter metil dan hidroksipropil

untuk memperoleh HPMC (Huichao et al. 2014). Hipromelosa termasuk polimer

semisintetik yang dihasilkan dengan cara menambahkan larutan NaOH, propilena

oksida, dan metil klorida ke dalam selulosa. Modifikasi dalam penelitian ini

adalah mengganti ukuran bahan baku selulosa menjadi nanoselulosa. Larutan

NaOH ditambahkan untuk mengembangkan (swelling) struktur selulosa sehingga

aksesibel untuk penambahan substituen. Ikatan hidrogen antara rantai polimer

diputus oleh larutan NaOH, kemudian metil klorida dan propilena oksida

ditambahkan sebagai sumber substituen metil dan hidroksipropil. Ciri-ciri HPMC,

ialah tidak berbau, tidak berasa, berbentuk granul, berwarna putih, larut dalam air

dingin, tidak beracun, dengan beragam nisbah substitusi hidroksipropil dan metil

2

(Sahoo 2015). HPMC juga memiliki beragam viskositas dengan fungsi yang

berbeda pula, contohnya HPMC yang diaplikasikan sebagai penyalut obat harus

memiliki viskositas ≥ 1000 Cp (Phadtare et al. 2014). Nilai viskositas dari HPMC

sangatlah penting guna mengelompokkan tipe HPMC tersebut. Oleh karena itu,

untuk menghasilkan HPMC yang berfungsi sebagai penyalut obat harus memiliki

viskositas minimal 1000 cP.

HPMC selain itu berfungsi sebagai sediaan lepas terkendali yang dapat

mengendalikan pelepasan obat dalam tubuh sehingga meningkatkan efektivitas

obat pada reseptornya (Joshi 2011). Obat dengan sifat lepas terkendali semakin

disukai karena beberapa faktor, antara lain dapat menghasilkan efek terapi dalam

jangka panjang, penggunaannya lebih efisien, memperkecil efek samping akibat

fluktuasi kadar obat dalam plasma, serta mengurangi frekuensi pemberian obat.

Sediaan obat agar sesuai dengan syarat farmasetika, dibutuhkan bahan penyalut

yang cocok dalam proses hancurnya obat dalam tubuh. HPMC yang berasal dari

nanoselulosa bagas tebu ini dapat membantu mengatasi masalah kesehatan

tersebut dengan menyediakan obat secara lebih murah dengan sifat yang lebih

baik. Pencirian HPMC dalam penelitian ini dilakukan dengan fourier transform

infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), dan

viskometer Brookfield.

Tujuan Penelitian

Penelitian bertujuan menghasilkan nanoselulosa dari bagas tebu dan

diaplikasikan sebagai bahan baku hidroksipropil metil selulosa (HPMC) yang

memiliki viskositas tinggi.

METODE

Bahan

Bahan-bahan yang digunakan ialah bagas tebu yang diperoleh dari pabrik

gula Bungamayang Lampung utara, NaOH (pellet, Merck), H2O2 (Merck), H2SO4

(Merck), akuades, HPMC komersial (Sigma), selulosa komersil (Sigma), pH

universal (Merck), membran dialisis (Spectra/PorDialysis), propilen oksida (TCl),

dan metil klorida (TCl).

Alat

Alat-alat yang digunakan ialah alat gelas (pyrex), neraca analitik (denver),

oven Memmert, overhead stirrer (IKA RW 20), sonikasi Power Sonic 510,

sentrifugator (Suprema 21), spektrofotometer FTIR (IR Prestige-21 Shimadzu),

scanning electron microscope (SEM) JEOL JSM-6360LA, dan differential

scanning calorimetry (DSC)-60 Shimadzu.

3

Metode

Metode penelitian ini secara umum dibagi menjadi tiga tahap utama, yaitu

isolasi selulosa, preparasi nanoselulosa, dan sintesis hidroksipropil metilselulosa.

Diagram alir penelitian secara umum diberikan pada Lampiran 1.

Isolasi Selulosa Bagas Tebu (Purwaningsih 2012)

Sampel bagas tebu dikeringkan dan dihaluskan hingga berukuran 100 mesh.

Sebanyak 6 g sampel bagas tebu dilarutkan dalam 400 mL aquades kemudian

disonikasi selama 30 menit, campuran disaring dengan pencucian tiga kali

kemudian residu dikeringkan pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan (A).

Sebanyak 5 g sampel A ditambahkan 95 mL larutan NaOH 4% dan dipanaskan

dengan suhu 80 °C selama 4 jam. Campuran disaring dengan bantuan vakum.

Residu yang diperoleh dicuci dengan akuades hingga pH filtratnya tidak berubah,

kemudian dikeringkan pada suhu 50 °C hingga bobotnya konstan (B). Sebanyak

20 g sampel B ditambahkan 500 mL larutan H2O2 5% dan dipanaskan dalam

penangas air bersuhu 70 °C yang dijaga konstan selama 3 jam kemudian

campuran disaring dan endapan dicuci dengan akuades hingga pH netral.

Perlakuan dengan larutan peroksida diulang kembali 2 kali dengan penambahan

waktu berturut-turut 3 jam dan 2 jam. Campuran kemudian disaring dan endapan

dicuci hingga pH netral dan dikeringkan pada suhu 60 °C dalam oven.

Pencirian Selulosa

Pencirian selulosa meliputi penetapan kadar α-selulosa dan analisis gugus

fungsi dari spektrum FTIR.

Preparasi Nanoselulosa (Aini 2016)

Selulosa hasil isolasi ampas tebu dihidrolisis dengan larutan H2SO4 11 M.

Larutan H2SO4 tersebut terlebih dahulu dipanaskan dalam penangas air sampai

suhu 45 °C. Langkah selanjutnya selulosa dimasukkan dalam larutan dengan

perbandingan 1:20 g/ml (selulosa:larutan H2SO4) pada suhu 45 °C selama 60

menit dengan pengadukkan konstan. Campuran dipisahkan menggunakan

sentrifusa dengan kecepatan 10000 rpm selama 15 menit. Endapan yang

terkumpul ditambahkan air destilasi dan didialisis selama 4 hari sampai pH 6-7.

Sedimen selanjutnya disonikasi selama 10 menit dalam penangas es untuk

mencegah pemanasan berlebih. Larutan suspensi yang dihasilkan kemudian

disimpan dalam ruang pendingin 4 °C.

Pencirian Nanoselulosa

Pencirian nanoselulosa meliputi analisis gugus fungsi dari spektrum FTIR

dan morfologi dari nanoselulosa yang terbentuk dilihat dengan SEM.

Sintesis Hidroksipropil Metil Selulosa (HPMC) (Modifikasi Greminger et al.

1974)

Selulosa komersial (HPMC 1a, 1b ,dan 1c), Isolat selulosa bagas tebu

(HPMC 2), nanoselulosa bagas tebu (HPMC 3) sebanyak 2.5 gram ditambahkan

ke dalam reaktor berupa labu leher 3. Larutan NaOH 50% ditambahkan sebanyak

2 gram dan diaduk dalam keadaan reaktor vakum. Langkah berikutnya larutan

4

propilena oksida 90% sebanyak 15 mL dan larutan metil klorida (5.7% dalam

tetrahidofuran) sebanyak 5 mL ditambahkan ke dalam reaktor. Campuran diaduk

dan dipanaskan secara bertahap selama 90 menit dari suhu ruang ke suhu 60 °C.

Setelah 90 menit, suhu kemudian dikontrol agar stabil disuhu 60 °C selama 5.5

jam untuk menyelesaikan reaksi. Pemanasan kemudian dihentikan, produk dicuci

dengan air panas dan dikeringkan.

Pencirian Hidroksipropil Metil Selulos (HPMC)

Pencirian HPMC meliputi analisis gugus fungsi dari spektrum FTIR,

viskositas dengan viskometer Brookfield dan karakteristik termal dengan DSC.

Penentuan Viskositas

HPMC 1 (1a,1b, dan 1c), 2, 3, dan komersial ditimbang sebanyak 2 gram

dan dilarutkan dengan akuades sebanyak 100 mL. Sampel diaduk menggunakan

magnetik stirer agar tercampur sempurna. Larutan tersebut kemudian diukur

dengan viskometer Brookfield dengan nomor spindel dan rpm yang telah diatur

sebelumnya. Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali ulangan.

Analisis Termal menggunakan DSC

HPMC komersial, 2 dan 3 sebanyak ± 5 mg diletakkan di atas wadah sampel

dari alumunium lalu dimasukkan ke dalam instrumen DSC yang pemanasannya

dilakukan dari suhu 30 °C hingga suhu 400 °C dengan laju pemanasan 10 °C/min.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Isolat Selulosa dari Bagas Tebu

Bagas tebu terlebih dahulu dicuci dengan akuades untuk menghilangkan

pengotor yang larut dalam air, kemudian diisolasi guna mendapatkan selulosa

kasar berupa α-Selulosa. α-Selulosa merupakan selulosa yang tidak dapat larut

dalam larutan basa. Larutan basa berfungsi memutuskan ikatan ester antara lignin

dengan selulosa dan menghilangkan hemiselulosa melalui reaksi hidrolisis.

Larutan NaOH dalam air bersifat protik polar, sehingga keberadaannya diantara

rantai selulosa dapat memutus ikatan hidrogen intra dan antar rantai selulosa

kristalin. Interaksi baru yang lebih kuat terbentuk antara gugus hidroksil selulosa

bagas tebu dan larutan NaOH menyebabkan terbukanya bagian kristalin selulosa

tersebut sehingga gugus-gugus hidroksil selulosa menjadi lebih mudah dijangkau

oleh pereaksi (Aini 2016).

Pelarutan lignin meningkat saat pemanasan, akan terjadinya pembengkakan,

dan memperluas permukaan internal isolat (Behera et al. 2014). Selulosa terdiri

atas monomer glukosa yang membentuk polimer dengan bobot molekul yang

besar, sedangkan hemiselulosa merupakan polimer yang lebih pendek dengan

berbagai unit gula sebagai monomernya yang melekat pada bundelan selulosa,

bersifat nonkristalin, berfungsi sebagai pendukung dinding sel dan perekat

antarsel tunggal. Polimer yang tersusun atas hemiselulosa dan α-selulosa disebut

5

holoselulosa (Amiralian et al. 2015). Hemiselulosa mudah larut dalam larutan

basa, tetapi sukar larut dalam asam, sedangkan selulosa bersifat sebaliknya. Oleh

karena itu, basa akan meningkatkan kadar α-selulosa sebagai akibat dari

penurunan kadar hemiselulosa (Cherian et al. 2010). Menurut Purwaningsih

(2012), larutan NaOH dapat menghilangkan lignin sebesar 60%. Hasil rerata

rendemen selulosa diperoleh sebesar 38.10% (Lampiran 2). Contoh pemutusan

ikatan ester antara selulosa dan lignin dengan larutan NaOH dapat dilihat pada

Gambar 1.

+ NaOH +

O

O

O

O

O

O

OH

O

OH

+Na-O

O

O

O

O

OH

Gambar 1 Skema reaksi kompleks karbohidrat lignin dengan NaOH (Aini 2016)

Bagas tebu yang berwarna kecokelatan diputihkan dengan cara direndam

dalam larutan yang bersifat oksidator. Proses delignifikasi umumnya

menggunakan natrium klorit (NaClO2) dalam suasana asam. Penggunaan natrium

klorit tidak ramah lingkungan karena klorin dan senyawa turunannya dapat

menghasilkan beberapa senyawa lain yang berklorin sehingga menyebabkan

masalah yang serius terhadap lingkungan. Hidrogen peroksida termasuk senyawa

oksidator kuat yang berguna untuk proses pemutihan (bleaching) dan delignifikasi.

Pemutihan serat terdelignifikasi diperlukan untuk menghilangkan secara sempurna

sisa lignin terlarut dan residu lignin dari serat (Amiralian et al. 2015). H2O2 akan

mudah terurai apabila dilarutkan dalam medium basa, menghasilkan anion

peroksida dan air (Gambar 2). Reaksi pemecahan H2O2 di alam tidak

menimbulkan ancaman bagi lingkungan karena menghasilkan oksigen dan air.

H2O2 + HO HOO + H2O

H2O2 + HOO OH + O2 + H2O

Gambar 2 Mekanisme penguraian H2O2 (Gray 2013)

Larutan H2O2 dalam kondisi asam sangat stabil, sedangkan pada kondisi

basa mudah terurai. Penguraian H2O2 juga dipercepat oleh naiknya suhu. Zat

reaktif dalam sistem pemutihan dengan H2O2 dalam suasana basa adalah anion

peroksida (HOO-). Sifat anion peroksida (HOO

-) yang nukleofilik kuat, mampu

menyerang gugus etilena serta karbonil pada molekul lignin dan mengubahnya

menjadi spesi yang tidak mengandung kromofor. Peningkatan pH reaksi H2O2

dalam media basa dapat digunakan untuk melarutkan sebagian besar

hemiselulosa, selain berfungsi sebagai pereaksi pada proses delignifikasi dan

pemucatan (Gray 2013). Keberhasilan isolasi selulosa dari bagas tebu ditandai

dengan meningkatnya kandungan α-selulosa dan penurunan terhadap kandungan

lignin serta hemiselulosa secara signifikan (Aini 2016).Hasil isolasi dapat dilihat

pada Tabel 1.

6

Table 1 Analisis komponen kimia (%)

Kandungan Bagas Tebu Isolat Selulosa Purwaningsih

(2012)

Aini (2016)

Alfa selulosa 46.68 80.06 77.47 88.37

Lignin 22.59 Tidak diuji 0.96 0.96

Tahap delignifikasi pada percobaan dievaluasi berdasarkan nilai α–selulosa

yang meningkat dari 46.68% menjadi 80.06%. Lignin dalam sampel berkurang

setelah delignifikasi dan kadar α-selulosa meningkat menjadi 80.06%.

Keberhasilan tahap ini juga ditentukan dari hasil spektroskopi inframerah

(Gambar 3). Spektrum FTIR bahan baku awal bagas tebu menunjukkan adanya

serapan vibrasi gugus karbonil lignin yang cukup jelas pada 1734 cm-1

. Hal ini

didukung dengan kandungan lignin yang cukup tinggi pada bagas tebu sebesar

22.59%. Spektrum FTIR dari bagas tebu menunjukkan beberapa serapan di

antaranya adalah serapan untuk vibrasi gugus asetil ester pada bilangan

gelombang pada serapan 1734 cm-1

(Kumar et al. 2013), serapan C=C ulur cincin

aromatik (lignin) pada 1620-1595 cm-1

dan 1512 cm-1

.

Setelah perlakuan alkali pada bagas tebu, serapan khas untuk senyawa lignin

pada pita serapan 1734, 1598, dan 1512cm-1

semakin berkurang, sedangkan pita

pada bilangan gelombang 1103-1033 cm-1

yang menunjukkan gugus C-O-C pada

cincin piranosa selulosa semakin meningkat. Serapan khas untuk selulosa pada

898 cm-1

muncul semakin kuat. Hal ini menandakan ikatan β-glikosida antara

senyawa glukosa pada selulosa. Vibrasi tekuk gugus -CH2 ditunjukkan pada

serapan bilangan gelombang 1429 cm-1

, serapan 2899 cm-1

mengidentifikasi

vibrasi ulur gugus C-H (Kumar et al. 2014), dan vibrasi gugus O-H ulur berada

pada serapan 3284 cm-1

.

Gambar 3 Spektrum FTIR bagas tebu (a) dan isolat selulosa (b)

7

Selulosa Terhidrolisis dari Isolat Selulosa

Morfologi Permukaan

Isolat selulosa bagas tebu dihidrolisis menggunakan H2SO4 11 M untuk

memutuskan ikatan eter pada rantai selulosa. Hidrolisis selulosa dilakukan pada

suhu 45 °C selama 60 menit. Proses hidrolisis diawali dengan protonasi asam

pada gugus eter, sehingga memutuskan rantai molekul menjadi bagian kecil

selulosa. Mekanisme pemutusan ikatan eter pada selulosa dijelaskan pada Gambar

4. Produk nanoselulosa yang dihasilkan memiliki ukuran serat yang lebih kecil

dibandingkan dengan ukuran isolat selulosa awal.

O

HO OH

OH

OH

O O

HO

OH

O

n

O

OH

OH

OH

O O

OH

OHHO HO

HO+ H3O +

n

Gambar 4 Skema reaksi pemutusan ikatan eter pada selulosa dengan asam

Menurut Aini (2016), hidrolisis dengan larutan asam berkonsentrasi 8 M

tidak menghasilkan nanoselulosa. Hal ini disebabkan dalam konsentrasi asam

tersebut tidak mampu memutuskan rantai selulosa hingga berukuran nano.

Konsentrasi asam yang terlalu pekat (12 M) dapat memutuskan seluruh rantai

karbon pada selulosa, namun meninggalkan residu karbon berwarna hitam. Oleh

sebab itu, konsentrasi H2SO4 yang digunakan sebesar 11 M. Nanoselulosa yang

dibuat menggunakan H2SO4 11 M dilihat morfologinya menggunakan SEM

(Gambar 5). Bagian amorfus serat selulosa dapat hilang dan diperoleh selulosa

dengan ukuran yang lebih kecil. Selulosa nanokristal memiliki ukuran partikel

kurang dari 100 nm dengan kristalinitas yang tinggi (Kumar et al. 2014). Pada

penelitian ini, diameter nanoselulosa diperoleh pada rentang 50 nm-100 nm dan

terjadi penumpukan partikel.

Gambar 5 Larutan nanoselulosa (a) Morfologi nanoselulosa pada perbesaran

20.000 kali (b)

b a

8

Sintesis HPMC

Umumnya hidroksipropil metil selulosa (HPMC) terbuat dari selulosa,

namun pada penelitian ini dimodifikasi dengan mengganti bahan baku menjadi

nanoselulosa. Langkah awal yang dilakukan adalah menyiapkan nanoselulosa

yang direaksikan dengan larutan natrium hidroksida (NaOH). Larutan NaOH

berfungsi memecah struktur kristal dari nanoselulosa dan sebagai katalis dalam

reaksi. Metil klorida dan propilen oksida berfungsi sebagai agen esterifikasi

(Yamato et al. 2016). Suhu yang digunakan bertingkat dari suhu ruang menjadi

60 °C dengan tujuan agar pereaksi pada saat diteteskan ke dalam reaktor bisa

bereaksi dengan nanoselulosa secara sempurna, tanpa menguap terlebih dahulu.

Hasil HPMC yang berasal dari nanoselulosa disebut dengan HPMC 3 (Lampiran

6). Reaksi yang terjadi dijelaskan pada Gambar 6.

O

HOOH

OH

OH

O O

HO

OH

O

n

+ O NaCl+

(n-2)/2

+

O

ROOR

OR

OR

O O

RO

OR

ONaOHCl

Gambar 6 Reaksi nanoselulosa dengan propilen oksida dan metilklorida.

R : –CH3 atau –CH2CH(CH3)OH (Varshney dan Naithani 2011)

Gambar 7 Pengaruh Suhu Kondesor dengan Viskositas pada HPMC 1a (a),

HPMC 1b (b), HPMC 1c (c), HPMC 2 (d), dan HPMC 3 (e).

HPMC pada penelitian ini juga dihasilkan dari selulosa komersial (HPMC

1a, 1b, dan 1c) dan selulosa bagas tebu (HPMC 2). Hasil sintesis HPMC

kemudian diuji viskositas menggunakan viskometer Brookfield. Viskositas

tertinggi dihasilkan oleh HPMC 3 sebesar 1000 cP dan terendah nilai viskositas

HPMC 1a karena hanya memiliki nilai viskositas hanya 27.06 cP (Lampiran 4).

Hal ini juga diperkuat dari hasil spektrum HPMC 1a yang masih serupa dengan

spektrum dari selulosa komersial (Lampiran 3), kemungkinan gugus

0

200

400

600

800

1000

1200

a b c d e

9

hidroksipropil dan metil hanya sedikit yang melekat pada struktur selulosa

tersebut. Suhu kondensor digunakan beragam yaitu 4 °C, 8 °C, dan 10 °C. Hal ini

bertujuan mencari kondisi sintesis yang ideal sintesis dan diperoleh kondisi ideal

pada suhu 4 °C (Lampiran 6). Sumbu x (Gambar 7) adalah tipe HPMC dengan

variasi suhu kondensor (°C) yaitu a (10 °C), b (8 °C), c, d, serta e (4 °C). Sumbu y

adalah viskositas HPMC (cP). Berdasarkan grafik diatas (Gambar 7) terlihat

pengaruh suhu pada kondensor, semakin rendah suhu yang digunakan akan

menghasilkan viskositas yang lebih tinggi pula. Hal ini dikarenakan semakin

dingin kondesor yang digunakan, penguapan propilena oksida dan metil klorida

dapat diminimalkan. Ukuran selulosa yang digunakan juga mempengaruhi

viskositas, sehingga HPMC 3 yang berasal dari nanoselulosa memiliki viskositas

yang jauh lebih besar dibandingkan dengan HPMC 2 maupun HPMC 1a, 1b, dan

1c. Hal ini juga disebabkan oleh permukaan nanoselulosa lebih luas dan

kemampuan bereaksi dengan reaktan semakin besar. HPMC memiliki berbagai

macam tipe yang berbeda, seperti tipe E, F, K dan lain-lain. Tipe-tipe tersebut

bergantung pada derajat hidroksipropoksil dan subtitusi gugus metoksil (Sabanis

dan Tzia 2011). Pada hasil penelitian ini, HPMC 3 dengan viskositas 1000 cP

termasuk dalam kategori K atau hypromellose 2208 (Landoil 2016) yang

umumnya digunakan sebagai formulasi untuk memperpanjang waktu pelepasan

obat (Nokhodchi et al. 2012). HPMC 3 menghasilkan viskositas yang paling besar,

namun masih dibawah viskositas HPMC komersial dengan nomor CAS 9004-65-

3 sebesar 2600 Cp dengan derajat polimerisasi 1208.

Analisis Termal HPMC

Analisis termal DSC digunakan untuk mengetahui fase-fase transisi pada

polimer. Apabila terjadi perubahan bentuk kristal, maka terjadi perubahan aspek

termodinamika dari suatu padatan (Putra et al. 2012). Pencirian HPMC dilakukan

menggunakan alat DSC (Differential Scanning Calorimeter), suatu teknik analisis

termal yang berfungsi mengukur energi yang diserap atau diemisikan oleh sampel

sebagai fungsi waktu atau suhu (Sholihah dan Zainuri 2012). Analisis dengan

metode DSC bertujuan memahami perubahan dari HPMC ketika dipanaskan.

Sampel yang digunakan berupa serbuk HPMC baik komersial maupun hasil

sintesis sebanyak ± 5 miligram yang diletakkan pada wadah sampel dan wadah

pembandingnya dibiarkan kosong. Kurva termogram (Gambar 8) yang dihasilkan

dari temperatur 30°C hingga 400 °C dengan laju pemanasan 10 °C/menit.

Table 2 Data Puncak Endoterm dan Eksoterm HPMC

Jenis HPMC Puncak

Endoterm (°C)

Puncak Eksoterm

(°C)

Entalpi

Eksoterm (J/g)

2 59 314 1202

3 68 328 1309

Komersial 52 334 1186

Entalpi eksoterm HPMC 3 lebih tinggi dibandingkan dengan HPMC 2

(Tabel 2). Hal ini menunjukkan bahwa kapasitas kalor yang dimiliki HPMC 3

10

juga lebih besar dibandingkan HPMC 2 pada tekanan tetap (Lampiran 5).

Kapasitas kalor berbanding lurus dengan nilai entalpi. HPMC 3 memiliki titik

kristalinitas yang besar, sehingga memiliki sifat ketahanan terhadap termal yang

lebih baik dibandingkan dengan HPMC 2 (Gambar 8). Jika kedua HPMC tersebut

(2 dan 3) dibandingkan dengan HPMC komersial, kapasitas kalor dari HPMC

komersial lebih rendah daripada keduanya.

Gambar 8 Termogram HPMC 2 (a), HPMC Komersial (b), dan HPMC 3 (c)

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Penelitian ini berhasil menciptakan HPMC dari nanoselulosa bagas tebu

dengan ciri-ciri, yaitu viskositas sebesar 1000 cP dengan suhu kristalisasi sebesar

328 °C dan entalpi eksoterm sebesar 1309 J/g.

Saran

Saran pada penelitian selanjutnya, yaitu pembuatan nanoselulosa dilakukan

dengan konsentrasi H2SO4 11.5 M dan dilakukan optimasi waktu pengadukan

serta suhu yang digunakan.

11

DAFTAR PUSTAKA

Aini Z. 2016. Aplikasi selulosa whiskers bagas tebu sebagai penguat dalam film

komposit berbasis PVA/Mmt [Tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.

Amiralian N, Pratheep K, Annamalai, Memmott P, Martin DJ. 2015. Isolation of

cellulose nanofibrils from Triodia pungens via different mechanical methods.

Cellul. 22(1):2483–2498.doi:10.1007/s10570-015-0688-x.

Behera S, Arora R, Nandhagopal N, Kumar S. 2014. Importance of chemical

pretreatment for bioconversion of lignocellulosic biomass. Renew Sust

Energ Rev. 36(1):91-106.doi:101016/j.rser.2014.04.047. Cherian BM, Leao AL, Souza SF, Thomas S, Pothan LA, Kottaisamy M. 2010.

Isolation of nanocellulose from pineapple leaf fibres by steam explosion.

Carbohydr Polym. 81(3): 720-725.doi:10.1016/j.carbpol.2010.03.046. Direktorat Jenderal Perkebunan. 2013. Luas areal dan produksi perkebunan

seluruh Indonesia menurut pengusahaan [Internet]. [1 Mei 2016, 19:00

WIB]. Tersedia pada: http://www.ditjenbun.deptan.go.id.

Gray MK. 2013. Alkaline hydrogen peroxide pretreatment for its use in an onfarm

bioprocessing facility [Disertasi]. University of Kentucky (UK):Biosystems

and Agricultural Engineering.

Greminger Jr, Strange CP, Krumel KL, Hudson Jr, penemu: United States Patent

Application Publication. 1974 Oktober 1. Hydroxypropyl methylcellulose

ethers and method of preparation. Paten Amerika Serikat US 3839319.

Huichao W, Shouying D, Yang L, Ying L, Di W. 2014. The application of

biomedical polymer material hydroxy propyl methyl cellulose (HPMC) in

pharmaceutical preparations. J. Chem. Pharm. Res. 6(5):155-160.

Joshi SC. 2011. Sol-gel behavior of hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) in

ionic media including drug release. Mater. 4(10):1861-

1905.doi:10.3390/ma4101861.

Kumar A, Negi YS, Choudhary V, Bhardwaj NK. 2014. Characterization of

cellulose nanocrystals produced by acid-hydrolysis from sugarcane bagasse

as agro-waste. J. Mater. Phys. Chem. 2(1):1-8.doi:10.12691/jmpc-2-1-1.

Kumar A, Negi YS, Bhardwaj NK, Choundhary V. 2013. Synthesis and

characterization of cellulose nanocrystals / PVA base bionanocomposite.

Adv. Mat. Lett. 4(8):626-631.doi:10.5185/amiett.2012.12482.

Landoil. 2016. Pharmaceutical Grade HPMC [Internet]. [1 November 2016, 7:00

WIB]. Tersedia pada: http://www.cmcsupplier.com/3-3-pharmaceutical-

grade-hpmc.html/120817.

Lani NS, Ngadi N, Johari A, Jusoh M. 2014.Isolation, characterization, and

application of nanocellulose from oil palm empty fruit bunch fiber as

nanocomposites. J. Nanomater. 76(2):1-9.doi:10.1155/2014/702538

Laopaiboon P, Thani A, Leelavatcharamas V, Laopaiboon L. 2010. Acid

hydrolysis of sugarcane bagasse for lactic acid production. Bioresour.

Technol. 101(3):1036-1043.doi:10.1016/j.biortech.2009.08.091.

Mandal A, Chakrabarty D. 2011. Isolation of nanocellulose from waste sugarcane

bagasse (SCB) and its Characterization. J. Carbohydr. Polym. 86(1):1291–

1299.

12

Mariño M, SilvaL, Durán N, Tasic L. 2015. Enhanced materials from nature:

nanocellulose from citrus waste molecules. J. Mol. 20(1):5908-

5923.doi:10.3390/molecules20045908.

Nokhodchi A, Raja S, Patel P, Addo KA. The role of oral controlled release

matrix tabletsin drug delivery systems. J Biosci. 2(4):175-187. Doi:

10.5681/bi.2012.027.

Phadtare D, Ganesh Phadtare G, Nilesh B, Asawat M. 2014. Hypromellose, a

choice of polymer in extended release tablet formulation. J. Pharm. Sci.

3(9):551-566. ISSN:2278-4357.

Purwaningsih H. 2012. Rekayasa biopolimer dari limbah pertanian berbasis

selulosa dan aplikasinya sebagai material separator [Disertasi]. Bogor (ID):

Institut Pertanian Bogor.

Putra OD, Ilma N, Slamet I, Hidehiro U. 2012. Pembentukan padatansemikristalin

dan ko-kristal parasetamol. J Matsains. 17(2):83-88.

Sabanis D, Tzia C. 2011. Selected structural characteristics of HPMC-containing

gluten free bread: a response surface methodology study for optimizing

quality. J .Food Prop. 14(1):417–431.doi:10.1080/10942910903221604.

Sahoo CK, Rao SRM, Sudhakar M. 2015. HPMC a biomedical polymer in

pharmaceutical dosage forms. J. Chem. Pharma. Sci. 4(8):875-881.

ISSN:0974-2115

Sholihah FR dan Zainuri. 2012. Pengaruh holding time kalsinasi terhadap sifat

kemagnetan barium M-hexaferrite (BaFe12-xZnxO19) dengan ion doping Zn.

J. Sains. ITS. 1(1):928-2301.

Varshney VK, Naithani S. 2011. Cellulose Fibers: Bio- and Nano-Polymer

Composites. India (IN): Forest Research Institute.

Yamato A, Kurotani S, Yonemochi, Narita M, penemu; United States Patent

Application Publication. 2016 Maret 24. Method for continuously producing

cellulose ether.Paten Amerika Serikat US 0083483.

13

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Selulosa

Komersil

Pencirian dengan FTIR,

Viskometer Brookfield,

dan DSC

Bagas Tebu

Isolat Selulosa

Hidrolisis Selulosa dengan H2SO4

Nanoselulosa

Sintesis HPMC

1a, 1b, dan 1c

Sintesis HPMC

2

Sintesis HPMC

3

Pencirian

dengan SEM

Pencirian

dengan FTIR

Pencirian

dengan FTIR

14

Lampiran 2 Rendemen hasil

a. Rendemen selulosa

Ulangan Bobot contoh (g)* Rendemen

(%) Bahan awal Pulp bahan Selulosa

1 100.000 68.5432 35.6871 35.69

2 150.000 90.2300 58.7651 39.18

3 150.000 92.0130 59.1256 39.42

Rerata 38.10

*)Bobot basis kering

Contoh perthitungan:

Rendemen hasil (%) =

Rendemen hasil (%) =

b. Rendemen hasil sintesis HPMC

*)Bobot basis kering

Contoh perthitungan:

Rendemen hasil =

Rendemen hasil =

Jenis Asal selulosa Bobot contoh (g)* Rendemen

(%) Bahan awal Hasil sintesis

HPMC 1a Selulosa komersial 2.5000 2.2850 91.40

HPMC 1b Selulosa komersial 2.5927 2.0038 77.28

HPMC 1c Selulosa komersial 2.5161 1.0098 40.13

HPMC 2 Selulosa bagas tebu 2.5919 0.8559 33.02

HPMC 3 Nanoselulosa bagas tebu 2.0000 0.5490 27.45

15

Lampiran 3 Spektrum FTIR

Spektrum HPMC dari 3 sumber yang berbeda (HMPC 2, HPMC 3, dan

HPMC komersial)

Keterangan:

Merah: HPMC 2, Biru: HPMC 3, dan Hitam: HPMC komersial

Spektrum selulosa komersial, dan HPMC 1 (1a, 1b, dan 1c)

Keterangan:

Hitam: Selulosa komersial, Merah: HPMC 1a, Hijau: HPMC 1b, dan Biru: HPMC

1c.

16

Lampiran 4 Viskositas HPMC

Tipe HPMC ulangan 1 (cP) ulangan 2 (cP) ulangan 3 (cP)

Rerata

(cP)

1a 26.49 27.34 27.34 27.06

1b 45.53 45.00 46.00 45.18

1c 404.00 402.00 402.00 403.00

2 300.00 300.00 300.00 300.00

3 1000.00 1000.00 1000.00 1000.00

Komersial 2600.00

Lampiran 5 Termogram Hasil Analisis DSC

Termogram HPMC Komersial

Termogram HPMC dari Selulosa Bagas Tebu

17

Termogram HPMC dari Nanoselulosa Bagas Tebu

Lampiran 6 Daftar singkatan

Singkatan Keterangan asal HPMC

HPMC 1a Terbuat dari selulosa komersial dengan suhu kondensor 10 °C

HPMC 1b Terbuat dari selulosa komersial dengan suhu kondensor 8 °C

HPMC 1c Terbuat dari selulosa komersial dengan suhu kondensor 4 °C

HPMC 2 Terbuat dari selulosa bagas tebu dengan suhu kondensor 4 °C

HPMC 3 Terbuat dari nanoselulosa bagas tebu dengan suhu kondensor 4 °C

18

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan pada tanggal 25 Oktober 1993 di Bekasi, Jawa Barat.

Penulis merupakan anak pertama dari dua bersaudara pasangan Bapak Urip

Santosa dan Ibu Trimurti. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Menengah

Atas di SMA Negeri 58 Jakarta Timur. Penulis diterima kuliah pada tahun 2011 di

Program Keahlian Analisis Kimia Program Diploma Institut Pertanian Bogor

melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan lulus sebagai ahli madya

pada tahun 2014. Penulis diterima kuliah program sarjana pada tahun 2014 di

Departemen Kimia Institut Pertanian Bogor melalui jalur Alih Jenis.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum

Analisis Pangan tahun ajaran 2015/2016 dan tahun ajaran 2016/2017, serta Kimia

Organik tahun ajaran 2015/2016 pada Program Keahlian Analisis Kimia Diploma

Institut Pertanian Bogor. Penulis melaksanakan Praktik Kerja Lapangan di

Laboratorium SysLab pada tanggal 3 Februari 2014 sampai 3 Mei 2014.