All-cellulose Nanocomposite Film Made from Bagasse Cellulose Nanofibers for Food Packaging ApplicationMoein Ghaderia, Mohammad Mousavia, Hossein Yousefib, Mohsen LabbafiaPendahuluanDewasa ini, material minyak bumi yang bersifat non-biodegradable yang digunakan sebagai bahan pengemas oleh industri kemasan menjadi suatu permasalahan yang serius karena berdampak buruk bagi lingkungan. Hal ini mendorong para peneliti untuk mengembangkan produk baru sebagai alternatif bahan pengemas, khususnya pangan untuk mengatasi masalah tersebut. Polimer seperti selulosa, pati, kitin, dan kitosan menjadi populer untuk dikembangkan. Selulosa adalah salah satu polimer dengan ketersediaan terbesar yang mudah didapat dari biomassa dan merupakan homopolisakarida, yaitu terdiri atas gugus ikatan -1,4 glukopiranosa dan struktur nano. Belum lama ini struktur nanoselulosa menjadi perhatian berbagai peneliti dan telah digunakan dalam industri. Selain memiliki sifat biodegradable dan dapat diperbarui, nanoselulosa memiliki sifat kuat tarik dan kekakuan yang tinggi serta berpotensi tinggi untuk di-reinforcing dan memiliki luas permuaan yang besar. Selulosa dapat diperoleh dari sumber daya kayu atau non-kayu, namun penggunaan sumber daya non-kayu lebih disukai akibat semakin berkurangan komoditi kayu pada beberapa tahun terakhir dan alasan pencegahan dampak lingkungan dengan pemanfaatan residu dari pertanian.Salah satu contoh residu pertanian yang bernilai tambah rendah yaitu bagasse tebu Produksi dunia tanaman tebu pada tahun 2011 mencapai 1.6 juta ton dan 280 kg bagasse yang merupakan hasil dari 1 ton tebu dengan kandungan selulosa tinggi yakni 40-50%. All Celulose Nanocomposit (ACNC) diklasifikasikan sebagai biokomposit yang mana mempunyai karakteristik sebagai berikut :

Matriks dan fase penguatnya merupakan selulosa nonkristalin dan tidak larut Bersifat bio-based dan biodegradable Meliki sifat transparansi yang cukup baik

Sifat-sifat yang dimiliki ini menyebabkan ACNC berpotensi untuk diterapkan dalam berbagai aplikasi. Sehingga ACNC kemudian dihasilkan dari nanoserat bagasse. Kualiatas nanocomposit yang dihasilkan dapat dikarakterisasi dengan melakukan uji X-Ray Diffraction (XRD), Field Scanning Electron Microscope (FE-SEM), Thermogravimeter (TGA), Water Vapor Permeability (WVP) dan sifat mekanis.

Metode dan Hasil Produksi ACNC

Produksi ACNC dilakukan melalui dua tahapan yaitu produksi serat selulosa dan nano fiber. Tahapa kedua yaitu produksi ACNC.

1. Serat Selulosa dan Nanofiber Penghilangan lignin dan hemiselulosa (NaOH 20 wt% dan anthraquinon 0.1 wt%) pada 170C selama 1,5 jam

Bleaching dengan NaClO2 pada pH 4 Penghilangan sisa hemiselulosa dengan KOH (10 wt%) pada 80C selama 2 jam Larutan serat bagasse tebu (1 wt%) melewati disk-grinder pada 1500 rpm

Pembuatan nanofiber dengan vacuum filter

Pengeringan dengan hot press (100C dan 2 Mpa selama 1 jam) Produksi serat selulosa dan nanofiber seberti penjelasan di atas merupakan proses produksi serat dengan cara perendaman. Hasil dari proses produksi pada tahap ini yaitu alphaselulosa. Hasil perhitungan alphaselulosa menunjukkan bahwa kandungan non-selulosa seperti lignin dan hemiselulosa hampir seluruhnya telah dihilangkan sehingga menghasilkan selulosa dengan kemurnian tinggi, tampak pada nilai kandungan alfaselulosa setelah proses pulping dan bleaching yakni 92 2%.2. Produksi ACNC Proses aktivasi nanofiber dilakkan pada air, aseton dan dimetil asetamida selama 2 jam

Perendaman dalam larutan DMAc/LiCl (8% LiCl) selama 6 kali (5-120 menit)

Pencampuran dalam etanol selama 16 jam dan suhu ruang

Pengeringan dengan hot press (2 MPa pada 78C selama 1 jam)

Proses produksi tahap kedua yaitu dengan menghasilkan ACNC, ketebalan ACMC tergantung dari waktu perendaman dalam larutan (6090 m). ACNC yang dihasilkan kemudian dilakukan uji pada karakteristik yang terdapat didalamnya serta sifat mekanisnya. Hasil uji SEM menggambarkan bahwa gaya memotong dan kempa pada proses penggilingan mengakibatkan perubahan serat bagasse menjadi nanoserat selulosa dengan diameter 360 kali lebih kecil dari bahan yang tidak diproses sama sekali yakni mencapai 39 nm, sehingga menyebabkan penurunan kekakuan dan ukuran pori lembaran nanoserat yang dihasilkan. X-ray diffractionHasil uji XRD menunjukkan intensitas puncak 2 pada suhu18o meningkat seiring kenaikan durasi dan waktu pelarutan / perendaman sehingga menyebabkan semakin larutnya kristal selulosa yang berdampak pada peningkatan jumlah komponen non-kristalin. Tak hanya itu, proses penggilingan dan semakin lamanya waktu pelarutan, berdampak negatif dimana rantai luar kristal menjadi terpisah akibat gaya potong dan kempa hingga menyebabkan kristal membelah dan menurunkan persentase kristalinitas serta ukuran kristal. Seiring dengan peningkatan waktu pelarutan, puncak 2-22.5o bergeser ke kiri dan meluas. Rangkaian penurunan kristalinitas ini berakibat dari semakin banyak pelarut yang masuk ke dalam jarak (space).antara kristal dan area amorf yang mudah larut, sebagaimana halnya dengan rantai luar kristal tersebut.Thermogravimetric analysis (TGA)Hasil uji lainnya yaitu TGA memperlihatkan stabilitas termal ACNC menurun proses pelarutan parsial akibat pengecilan kristal yang ditimbulkannya. Penurunan bobot awal disebabkan hilangnya kelembaban dan dekomposisi suhu awal. Suhu permulaan degradasi pada nanoserat selulosa dan film ACNC-12 yakni pada 176.9-174.1oC dimana suhu permulaan ACNC yang lebih rendah tersebut menunjukkan stablitas termal yang rendah dibandingkan lembaran nanoselulosa. Hal ini dapat berdampak pada kristalinitas ACNC yang semakin rendah sebagaimana tampak pada hasil uji XRD sebelumnya. Water vapor permeability (WVP)Pada hasil uji WVP menunjukkan bahwa nilai WVP lembaran nanoserat selulosa meningkat seiring lamanya durasi pelarutan, yakni 2.46 x 10-11 (g m-1 s-1 Pa-1) pada waktu pelarutan 0 menit naik secara signifikan menjadi 8.68 x 10-11 (g m-1 s-1 Pa-1) pada waktu pelarutan 120 menit. Uap air dapat berpindah lebih mudah melalui fase matriks dibandingkan tingkat transfer pada bahan penguat / reinforcement yang memiliki fase matriks dengan rantai penyusun lebih sedikit. Semakin lama durasi pelarutan, lembaran ACNC akan semakin menyusut akibat stress internal sehingga meningkatkan ketebalan, menyebabkan tergulungnya / warped film dan terpisahnya nanoserat selulosa dengan ruang kosong / void yang terbentuk. Di lain hal, nilai WVP lembaran ACNC terhitung lebih rendah dibandingkan dengan film biodegradable dan non-biodegradable seperti film protein dan karbohidrat sehingga dapat digunakan sebagai material subtitusi bahan pengemas biodegradable. Karakterisasi Mekanik

Karakteristik mekanik ACNC yang dihasilkan yaitu kekuatan tarik dan nilai modulus young dipengaruhi oleh waktu perendaman yang dilakukan selama 0-120 menit.FilmDissolution time (min)E (GPa)Toughness(m N m-3)

Nanofiber010.1 0.52.31 0.45

ACNC-559.8 0.36.21 0.26

ACNC-101012.8 0.48.07 0.18

ACNC-202012.5 0.38.97 0.40

ACNC-303012.2 0.59.11 0.35

ACNC-606011.3 0.49.88 0.24

ACNC-1201208.2 0.69.54 0.50

1. Kekuatan Tarik ACNC

Karakterisasi mekanis pada komposit memperlihatkan kekuatan tarik ACNC meningkat sekitar 12 kali lipatan dengan mengonversi serat bagasse menjadi nanoserat dimana hal ini disebabkan oleh 1) produksi serat yang semakin kecil maka akan menghasilkan nanoserat yang lebih kuat akibat akibat jaringan yang terbentuk lebih ketat dengan titik percabangan yang lebih banyak; dan 2) jumlah nanoserat yang cacat, misalnya yang memiliki lumen dan lubang, dapat dicegah dengan mengecilkan ukuran serat dari skala mikro ke nano, sehingga menunda pecahnya bahan. Selain itu, kekuatan tarik ACNC juga meningkat seiring dengan peningkatan durasi waktu pelarutan hingga menit ke-10 (mencapai 140 MPa) namun menurun kembali setelahnya. Penurunan nilai tersebut dapat disebabkan oleh banyaknya jumlah selulosa non-kristalin yang diproduksi untuk menyatukan inti nanoserat yang tidak larut selama proses pressing dan pengeringan. Selain itu, alasan lainnya ialah meningkatnya rasio rasio fase non-kristalin per bagian yang tidak larut sehingga menghasilkan selulosa non-kristalin dengan sifat mekanis lebih lemah dibandingkan I/ selulosa tidak larut. Terakhir, penurunan derajat polimerisasi pada durasi waktu pelarutan di atas 10 menit tersebut juga ikut berdampak negatif terhadap kekuatan tarik bahan. 2. Modulus Young

Penurunan derajat polimerisasi berdasarkan waktu pelarutan berdampak pada nilai modulus Young. Nilai modulus Young ACNC meningkat secara signifikan seiring kenaikan waktu pelarutan sampai menit ke-10 (mencapai E-12.8 GPa) dan menurun di menit selanjutnya. Hal ini menunjukkan rasio penguatan dan fasematriks mencapai optimum setalah waktu pelarutan selama 10 menit yakni dengan cara menggabungkan nanoserat yang saling berdekatan. Sama halnya dengan hasil uji kekakuan/toughness yang ikut meningkat sesuai bertambahnya durasi waktu pelarutan. Jika dibandingkan dengan berbagai film biodegradable dan non-biodegradable lainnya, kekuatan tarik ACNC yang dihasilkan lebih lama dari 10 menit pelarutan sebagian bernilai lebih kecil atau lebih besar dibandingkan sampel pembanding. Sifat lainnya yakni kekuatan regang juga menunjukkan trend peningkatan yang sama terhadap peningkatan durasi waktu pelarutan, dimana hal ini disebabkan oleh semakin baiknya pembelitan dan pergeseran rantai-rantai sehingga meningkatkan daya regang. Hasil mikrografis FE-SEM memperlihatkan gambaran permukaan yang rusak dari lembaran nanoserat, yang tertarik keluar akibat stress dari gaya tarik, sebagaimana terjadi pada permukaan rusak ACNC. Hal ini disebabkan struktur non-kristalin dapat menghasilkan daya gabung yang kuat antar inti-inti nanoserat yang tidak larut, sehingga dapat terbentuk interface yang efektif dan struktur yang berkonsolidasi penuh.Kesimpulan

Penggunaan bagasse tebu sebagai bahan baku baru yang murah, menjanjikan untuk dijadikan komposit, berkinerja sangat baik yang bersifat biodegradable penuh karena dihasilkan sepenuhnya dari bahan selulosa (disebut All-cellulose Nano-composite, ACNC). Metode produksi yang telah dijabarkan sebelumnya memperlihatkan cara yang murah dan cepat menggunakan teknik penggilingan / grinding dengan waktu pelarutan terbaik 10 menit. Hasil menunjukkan bahwa ACNC berpotensi baik dalam pengembangan film bersifat barrier dan pelindung / protektif dalam industri pengemasan pangan dengan keunggulan di berbagai karakteristik salah satunya adalah kekuatan tarik. Daftar Pustaka

Han, D., & Yan, L. (2010). Preparation of all-cellulose composite by selective dissolv-ing of cellulose surface in PEG/NaOH aqueous solution. Carbohydrate Polymers,79, 614619.Nishino, T., Matsuda, I., & Hirao, K. (2004). All-cellulose composite. Macromolecules,37, 76837687.Swatloski, R. P., Spear, S. K., Holbrey, J. D., & Rogers, R. D. (2002). Dissolution of cellu-lose with ionic liquids. Journal of the American Chemical Society, 124, 49744975.