Bab II Tinjauan Pustaka

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Jagung digunakan sebagai salah satu makanan pokok di berbagai daerah di
Indonesia sebagai tumbuhan yang kaya akan karbohidrat. Potensi jagung telah
banyak dikembangkan menjadi berbagai jenis produk unggulan yang mampu
berperan penting bagi perekonomian nasional (Idradewa et al., 2005).
Produk jagung telah dapat memenuhi kebutuhan dalam maupun luar negri
melalui industri makanan, minuman, kimia, dan farmasi. Berdasarkan komposisi
kimia dan kandungan nutrisinya, jagung mempunyai prospek sebagai bahan
pangan dan bahan baku industri
Tanaman jagung termasuk jenis tanaman pangan yang diketahui banyak
mengandung serat kasar karena tersusun atas senyawa kompleks lignin,
hemiselulose dan selulose (lignoselulosa), dan masing-masing merupakan
senyawa-senyawa yang potensial dapat dikonversi menjadi senyawa lain secara
biologi.
2.1
Jagung dan Tongkol Jagung
Tanaman
jagung
(Zea
mays
L.)
termasuk ke dalam famili rumput-rumputan
(graminae). Tanaman ini (Gambar 2.1) di
Indonesia sudah dikenal sejak 400 tahun lalu.
Klasifikasi tanaman jagung (Zea mays L.)
Divisi
Sub Divisi
: Spermatophyta
: Angiospermae
Gambar 2.1. Tanaman jagung
6
Bab II Tinjauan Pustaka
7
Kelas
: Monocotyledonae
Bangsa
: Graminales
Suku
: Graminae
Marga
: Zea
Jenis
: Zea mays L.
Tongkol jagung adalah tempat pembentukan lembaga dan gudang
penyimpanan
makanan untuk pertumbuhan biji. Jagung mengandung kurang
lebih
30% tongkol jagung sedangkan sisanya adalah kulit dan biji (Koswara,
1991). Tongkol jagung merupakan salah satu limbah lignoselulosa yang
banyak terdapat di Indonesia, tercatat pada tahun 2008 tongkol jagung yang
dihasilkan sebesar 4.456.215 ton (BPS,2008). Namun, tongkol jagung tersebut
belum dimanfaatkan secara optimal terutama bagi keperluan industri.
Tongkol jagung mengandung selulosa, hemiselulosa dan xilan yang
memiliki potensi untuk pengembangan produk masa depan. Menurut Johnson
(1991), limbah tongkol jagung merupakan limbah pertanian yang mengandung
selulosa (40-60%), hemiselulosa (20-30%) dan lignin (15-30%).
Tabel 2.1. Komposisi Kimia Tongkol Jagung
No.
Parameter
Tongkol Jagung
1.
Kadar pentosan sebagai hemiselulosa (%)
30,91
2.
Kadar holoselulosa (%)
64,71
3.
Kadar α-selulosa (%)
28,93
4.
Kadar β-selulosa (%)
-
5.
Kadar γ-selulosa (%)
48,51
6.
Kadar lignin (%)
15,52
7.
Derajat polimerisasi
-
Sumber : Rispiandi, 2009
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
8
2.1.1 Lignoselulosa
Lignoselulosa merupakan komponen utama tanaman yang tersusun
atas mikrofibril-mikrofibril selulosa yang membentuk kluster-kluster, dengan
ruang antara mikrofibril terisi dengan hemiselulosa, dan kluster-kluster
tersebut terbebat kuat menjadi satu kesatuan oleh lignin (Soerawidjaja, and
Z.I.E amiruddin, 2007).
Gambar 2.2 Konfigurasi Dinding Sel Tanaman (Perez et al., 2002)
Biomassa lignoselulosa sebagian besar terdiri dari campuran polimer
karbohidrat (selulosa dan hemiselulosa), lignin, ekstraktif, dan abu. Nama
lainnya adalah holoselulosa, istilah yang digunakan untuk menyebutkan total
karbohidrat yang dikandung di dalam biomassa dan meliputi selulosa dan
hemiselulosa.
2.1.1.1 Selulosa
Selulosa
mempunyai rumus
molekul (C6H10O5)n merupakan
komponen utama dari tumbuhan dan tidak dapat dicerna oleh manusia.
Selulosa merupakan polimer rantai lurus glukosa yang tersusun atas unitunit D-glukosa dengan derajat polimerisasi mencapai 1.200-10.000 yang
bergabung
dengan
ikatan konfigurasi
β-1,4
glikosida
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
(Sari,
Siti
Bab II Tinjauan Pustaka
9
Maryam.2011). Rantai polimer selulosa membentuk bermacam-macam
ikatan hidrogen yang sangat kuat dan membentuk struktur semikristalin
yang mengakibatkan selulosa tidak larut di dalam air atau pelarut organik
konvensional (Swatloski, et al., 2002).
Selulosa tidak berwarna, tidak mempunyai rasa dan bau, tidak
larut dalam air atau larutan basa, relatif stabil terhadap panas, tidak meleleh
jika dipanaskan, mulai terurai pada temperature 260-270oC, tetapi akan
larut dalam larutan mineral dengan konsentrasi tinggi akibat hidrolisis.
Hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan monomer selulosa yaitu
glukosa, sedangkan hidrolisis tidak sempurna akan menghasilkan disakarida
dari selulosa yaitu selobiosa (Fan et al.,1982). Jika hidrolisis belum
berlangsung terlalu jauh maka selulosa dapat diendapkan kembali
membentuk padatan polimer dengan berat molekul yg lebih kecil melalui
pengenceran larutan dalam asam kuat tersebut dan air. Selulosa baru
mengalami hidrolisis dalam asam mineral encer pada temperatur yang
tinggi. (>100OC) (Oktavia, 2011).
Gambar 2.3. Struktur Selulosa (Cole dan Fort, 2007)
a. Selobiosa
Selobiosa merupakan disakarida yang dihasilkan dari hidrolisis parsial
selulosa dalam asam encer. Disakarida ini terdiri dari molekul D-glukosa
seperti maltosa, tetapi ikatan glikosida (1 → 4) yang menghubungkan kedua
monosakarida ialah beta. Selobiosa tidak dihidrolisis oleh enzim maltase.
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
10
Gambar 2.4 Struktur Selobiosa (Cole dan Fort, 2007)
b.
Glukosa
Glukosa (C6H12O6) adalah gula sederhana (monosakarida). Glukosa
adalah salah satu produk utama fotosintesis dan merupakan komponen
struktural pada tanaman. Glukosa merupakan gula C-6 yang memiliki
beberapa bentuk, yang biasanya digambarkan sebagai cincin piranosa.
Dalam cincin ini, tiap karbon terikat pada gugus samping hidroksil dan
hidrogen kecuali atom kelimanya, yang terikat pada atom karbon keenam di
luar cincin, membentuk suatu gugus CH2OH. Struktur cincin ini berada
dalam kesetimbangan dengan bentuk yang lebih reaktif.
β-D-glukosa
α-D-glukosa
D-glukosa
Gambar 2.5 Struktur Molekul D-glukosa
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
11
2.1.1.2 Hemiselulosa
Hemiselulosa merupakan suatu polisakarida lain yang terdapat dalam
tanaman dan tergolong senyawa organik (Simanjuntak,1994). Terdiri atas 2 7 residu gula yang berbeda (Gambar 2.6). Molekul hemiselulosa lebih
mudah menyerap air, bersifat plastis, dan mempunyai permukaan kontak
antar molekul yang lebih luas dari selulosa (Oshima, 1965). Hemiselulosa
berbeda dengan selulosa karena komposisinya terdiri atas berbagai unit
gula, disebabkan rantai molekul yang pendek dan percabangan rantai
molekul. Unit gula yang membentuk hemiselulosa dapat dibagi menjadi
kompleks seperti pentosa dan heksosa (Fengel dan Wegener, 1995;
Nishizawa, 1989).
Gambar 2.6 Struktur Hemiselulosa (Cole dan Fort, 2007).
Hemiselulosa relatif lebih mudah larut dalam larutan alkali dan dapat
di hidrolisis dengan asam menjadi monomer yang mengandung glukosa,
mannose, galaktosa, xylosa dan arabinosa. Xylosa merupakan gula
terbanyak kedua di biosfer setelah glukosa. Hemiselulosa mengikat
lembaran serat selulosa membentuk mikrofibril yang meningkatkan
stabilitas dinding sel. Hemiselulosa juga berikatan silang dengan lignin
membentuk jaringan kompleks dan memberikan struktur yang kuat.
a. D-mannosa
D-manosa (C6H12O6) merupakan salah satu sakarida yang memiliki
atom karbon enam. D manosa terdapat pada sejumlah glikokonjugat
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
12
termasuk glikosilasi protein berantai-n. D-manosa juga terdapat
pada
beberapa jenis karbohidrat termasuk hemiselulosa dalam jumlah yang
sedikit. Adapun gambar struktur molekul D-manosa seperti terlihat pada
gambar berikut :
Gambar 2.7 Struktur Molekul D-manosa (Cole dan Fort, 2007)
b. D-galaktosa,
Galaktosa merupakan suatu aldoheksosa. Monosakarida ini jarang
terdapat bebas di alam. Umumnya berikatan dengan glukosa dalam bentuk
laktosa, yaitu gula yang terdapat dalam susu. Galaktosa mempunyai rasa
kurang manis jika dibandingkan dengan glukosa dan kurang larut dalam air.
Seperti halnya glukosa, galaktosa juga merupakan gula pereduksi.
Gambar 2.8 Struktur Molekul D-galaktosa (Cole dan Fort, 2007)
c. D-xylosa
Merupakan gula berkarbon lima yang dijumpai dalam tumbuhan. Gula
ini berikatan dengan sesamanya untuk membentuk semacam polimer. Dxylosa berasal dari kayu yang kadang-kadang dinamakan gula kayu
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
13
Gambar 2.9 Struktur Molekul D-xylosa (Cole dan Fort, 2007)
d. D-arabinosa
D-arabinosa merupakan gula berkarbon lima yang kadang-kadang
disebut gula pektin. Pektin adalah polisakarida yang tersusun dari gula yang
membentuk gel yang berguna dalam pembuatan agar-agar (jelly).
Gambar 2.10 Struktur Molekul D-arabinosa (Cole dan Fort, 2007)
2.1.1.3 Lignin
Komponen lignin pada sel tanaman berpengaruh terhadap pelepasan
dan hidrolisis polisakarida. Di dalam jaringan tanaman, lignin sulit
didegradasi karena mempunyai struktur yang kompleks dan heterogen yang
berikatan dengan hemiselulosa. Fungsi utama lignin adalah memperkuat
struktur tanaman dalam menahan terhadap serangan mikroba dan tekanan
oksidasi (Anindyawati, 2009).
Berbeda dengan selulosa yang terbentuk dari gugus karbohidrat,
struktur kimia lignin sangat kompleks dan tidak berpola sama. Gugus
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
14
aromatik ditemukan pada lignin, yang saling dihubungkan dengan rantai
alifatik, yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin tersusun atas jaringan polimer
fenolik yang berfungsi merekatkan serat selulosa dan hemiselulosa sehingga
menjadi sangat kuat. (Sun dan Cheng, 2002) Struktur kimia 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 (Taherzadeh dan Karimi,
2008).
Gambar 2.11 Struktur lignin (Cole dan Fort, 2007)
2.2
Delignifikasi
Delignifikasi merupakan suatu proses pembebasan lignin dari suatu
senyawa kompleks. Proses ini penting dilakukan sebelum hidrolisis selulosa,
sebab lignin dapat menghambat penetrasi asam atau enzim sebelum hidrolisis
berlangsung sehingga mempermudah pelepasan glukosa (Gunam, et.
Al.,2010).Berbagai perlakuan pendahuluan atau delignifikasi dapat dilakukan
seperti perlakuan secara fisik (penggilingan, pemanasan dengan uap, radiasi
atau pemanasan dengan udara kering) dan secara kimia (pelarut, larutan
pengembang, gas SO2) (Frida, 1998). Dalam proses delignifikasi secara kimia,
pelarut yang digunakan harus mampu melarutkan sebagian besar lignin dan
kemudian dapat dipisahkan kembali dengan mudah.
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
15
Tabel 2.2 Kelarutan Masing-Masing Komponen
Senyawa
Larut dalam
Referensi
Selulosa
Asam kuat
Dietric Fengel, 1984
Hemiselulosa
Basa (Alkalin)
Sjostrom, 1998
Asam
Sjostrom, 1998
Dimetilsulfoksida
Sjostrom, 1998
Basa
Sjostrom, 1998
Ion bisulfit
Sjostrom, 1998
Lignin
Sumber : Oktavia, 2011
Delignifikasi dilakukan dengan larutan NaOH, karena larutan ini dapat
menyerang dan merusak struktur lignin, bagian kristalin dan amorf,
memisahkan
sebagian
lignin
dan
hemiselulosa
serta
menyebabkan
penggembungan struktur selulosa (Enari, 1983; Marsden dan Grey, 1986;
Gunam dan Antara 1999). Selulosa tidak akan rusak saat proses pelarutan lignin
jika konsentrasi larutan pelarut yang digunakan rendah dan suhu yang digunakan
sesuai. Pemakaian suhu di atas 180oC menyebabkan degradasi selulosa lebih
tinggi, dimana pada suhu ini lignin telah habis terlarut dan sisa bahan pemasak
akan mendegradasi selulosa (Casey 1980).
Gambar 2.12 Pengaruh Pretreatment (Mosier et al., 2005)
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
16
2.3
Hidrolisis Asam
Hidrolisis asam merupakan penguraian polisakarida secara kimiawi
di
dalam biomassa lignoselulosa, yaitu selulosa dan hemiselulosa menjadi
monomer gula penyusunnya. Hidrolisis sempurna selulosa menghasilkan
glukosa, sedangkan hemiselulosa menghasilkan beberapa monomer gula
pentose (C5) dan heksosa (C6), serta degradasi produk dari pemecahan
monomer
gula menjadi aldehid dan keton (Taherzadeh & Karimi, 2007).
Degradasi
senyawa lignin akan menghasilkan senyawa-senyawa fenol yang
sangat berbahaya bagi mikroorganisme khususnya bagi membran dan matrik
enzim dalam sel (Palmqvist dan Hahn-Hägerdal, 2000).
Gambar 2.13 Mekanisme hidrolisis asam (Xiang et al.,2003)
Dalam proses hidrolisis, selulosa diubah menjadi gula glukosa, reaksi
yang terjadi :
(C6H10O5)n + nH2O HCl n C6H12O6
Reaksi ini dikatalis oleh asam encer, asam pekat atau enzim
(selulase). Kelemahan dari hidrolisis asam encer adalah degradasi gula yang
dihasilkan melalui proses hidrolisis dan pembentukan produk samping yang
tidak diinginkan. Degradasi gula dan produk samping ini tidak hanya akan
mengurangi hasil panen gula, tetapi produk samping juga dapat menghambat
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
17
pembentukan etanol pada tahap fermentasi selanjutnya (Taherzadeh & Karimi,
2007).
Gambar 2.14 Produk samping hasil degradasi lanjut monosakarida (Palmqvist,
dan Hahn-Hägerdal; Taherzadeh dan Niklasson, 2003)
Keuntungan utama penggunaan asam encer adalah reaksinya yang
cepat sehingga mempercepat proses berikutnya. Mengingat hidrolisis asam
encer efektif untuk menghidrolisis hemisellulosa tanpa proses pretreatment
terlebih dahulu, proses ini masih tetap digunakan (Iranmahboob et al., 2002).
Untuk meminimalisasi terbentuknya produk inhibitor dari degradasi gula-gula
sederhana dan degradasi lignin diperlukan penelitian lebih lanjut terhadap
parameter parameter proses hidrolisis asam serta proses detoksifikasi
(Mussatto dan Roberto, 2004; Iranmahboob et al., 2002; Palmqvist dan HahnHägerdal, 2000; Szczodrak dan Fiedurek, 1996). Oleh karena itu, hidrolisat
hasil hidrolisis asam harus dinetralisasi terlebih dahulu untuk meminimalisasi
produk inhibitor dan untuk mengkondisikan hidrolisat supaya siap digunakan
pada proses selanjutnya (Mussatto dan Roberto, 2004).
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam
Bab II Tinjauan Pustaka
18
2.4
Faktor-faktor yang mempengaruhi proses hidrolisis
1. Konsentrasi asam
Berdasarkan penelitian Ashadi (1988), kadar glukosa yang dihasilkan
dari proses hidrolisis dipengaruhi oleh konsentrasi asam. Peningkatan
konsentrasi asam yang terlalu ekstrim akan menurunkan glukosa yang
dihasilkan karena glukosa yang terbentuk akan terdegradasi lebih lanjut.
Menurut Grethlein (1984), pada hidrolisis dengan menggunakan asam pada
konsentrasi tinggi, gula yang dihasilkan akan diubah menjadi senyawasenyawa furfural yang akan menghambat proses fermentasi.
2.
Waktu Hidrolisis
Lama waktu hidrolisis mempengaruhi proses degradasi selulosa menjadi
glukosa dan juga mempengaruhi degradasi glukosa sebagai produk. Waktu
hidrolisis yang melebihi waktu optimum akan mendegradasi glukosa menjadi
komponen-komponen yang lebih sederhana yang biasanya bersifat racun
terhadap mikroorganisme (Grethlein, 1984).
3.
Suhu
Dari kinetika reaksi, semakin tinggi suhu reaksi makin cepat pula
jalannya reaksi. Tetapi apabila proses berlangsung pada suhu yang tinggi,
konversi akan menurun. Hal ini disebabkan adanya glukosa yang pecah
menjadi arang.
Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis Limbah Tongkol Jagung
Menggunakan Katalis Asam