PENGARUH PENAMBAHAN MONOMER ASAM AKRILAT TERHADAP SIFAT KIMIA DAN FISIKA FILM KHITOSAN-AKRILAT

Gatot Trimulyadi Rekso

Pusat AplikasiTeknologi Isotop dan RadiasiBadan Tenaga Nuklir Nasional

Jl. Cinere, Ps Jumat PO Box 7002 JKSL, Jakarta 12070Fax : 021 7513270. E-mail : gatot2811@yahoo.com

ABSTRAK

Dalam upaya menaikkan nilai tambah dari polimer alam yang berasal dari limbah kulit

udang, telah dilakukan modifikasi khitosan menggunakan reaksi kopolimerisasi iradiasi

dengan polimer asam akrilat untuk mendapatkan suatu bahan membran. Khitosan dengan

konsentrasi 5 % b/v dicampur dan dihomogenkan dengan asam akrilat pada rentang

konsentrasi 0-5 % v/v dalam air suling pada suhu 50 0C. Selanjutnya bahan dikemas

dalam plastik film polipropilen (PP) dan diiradiasi pada dosis 10 kGy menggunakan

sinar gamma. Kemudian dibuat film dengan menuangkan larutan kental pada lempengan

kaca dengan ketebalan 10 mm dan keringkan dalam oven vacum 500 C. Pengujian film

kitosan–asam akrilat meliputi uji fraksi gel (padatan tidak larut) dengan metode ekstraksi

soxlet, kekuatan tarik dengan alat tensile strength dan analisis gugus fungsi dengan FTIR

dan sifat termal dengan DSC. Hasil penelitian menunjukkan penambahan konsentrasi

monomer asam akrilat yang optimal adalah 3,5% untuk memperoleh sifat fisik film

kitosan yang tertinggi. Sifat film yang diperoleh sebagai berikut : fraksi gel sebesar 85,0

% %, kekuatan tarik sebesar 173 kg/cm2 dan titik leleh sebesar 246,0 oC.

ABSTRACT

In the purpose to increase the added value of the quality marine natural polymer,

modification of chitosan has been carried out by copolymerization radiation with acrylic

acid to prepare a new material. Chitosan with the concentrations ranged of 5 % was

mixed and then homogenized with acrylic acid in the concentration of 0-5 % wt % in

distilled water at temperature of 50 0C, respectively and then homogenized. The samples

were packed in the polypropylene (PP) plastic film then irradiated by gamma at the

1

doses of 10 kGy. For the preparing of thin film the chitosan solution was casting on the

flat glass for 10 mm thickness and dry by vacuum oven at 500C. After evaluation, it was

found that the chemical and physical showed that the best condition for copolymerization

of chitosan with acrylic acid was that in the composition of 3,5 % acrylic acid . Gel

fraction increases with increasing the concentration of acrylic acid till level of 3,5 %. The

properties of chitosan -acrylic acid copolymerization were as follows; gel fraction was

82%, the tensile strength of the film was 173 Kg/cm2 and the melting point was 2460 C.

Kata kunci : Iradiasi sinar gamma; Khitosan

Pendahuluan

Saat ini budidaya udang sedang berkembang pesat, karena udang merupakan komoditi

ekspor yang dapat dihandalkan dalam meningkatkan ekspor non migas. Udang di

Indonesia pada umumnya diekspor dalam bentuk beku yang telah dibuang bagian kepala,

kulit dan ekornya. Sebagian kecil dari limbah udang sudah dimanfaatkan untuk

pembuatan kerupuk udang, petis, terasi dan bahan pencampur pakan ternak. Pemanfaatan

ini belum dapat mengatasi limbah udang secara maksimal, Padahal limbah udang

mengandung bahan-bahan yang bermanfaat dan bahan kimia cukup banyak diantaranya

22-27 % protein, 15-30 % kalsium karbonat dan 42-57 % khitin (1)

Khitin termasuk golongan polisakarida yang mempunyai bobot molekul yang tinggi dan

mempunyai molekul polimer berantai lurus dengan nama lain β-1,4-2-asetamida-2-

dioksi-D-glukosa atau N-asetil-D-glukosamin dengan rumus molekul (C8H13NO5)n. Khitin merupakan N-glukosamin yang terdeasetilasi sedikit dan berupa zat padat yang

tidak berbentuk (amorphous), tidak larut dalam air, asam organik encer, alkohol dan

pelarut organik lainnya, tetapi larut dalam asam mineral yang pekat (2).

Khitosan yang disebut juga dengan β-1,4-2-amino-dioksi-D-glukosa merupakan turunan

dari khitin melalui proses deasetilasi. Proses deasetilasi dilakukan dengan penambahan

natrium hidroksida 50% karena merupakan basa kuat yang reaktif, sehingga deasetilasi

2

lebih cepat terjadi(3). Khitosan mempunyai gugus amin sehingga kitosan bersifat reaktif.

Salah satu kegunaan khitosan adalah sebagai adsorben logam berat. Berdasarkan interaksi

yang terjadi antara adsorben dengan adsorbat, adsorpsi dibedakan menjadi dua macam,

yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. Pada adsorpsi fisika, molekul-molekul

teradsorpsi dengan ikatan yang lemah pada permukaaan adsorben sehingga pada proses

adsorpsi ini bersifat dapat balik dan memungkinkan desorpsi molekul-molekul yang

teradsorpsi sedangkan adsorpsi kimia terjadi melalui pembentukan ikatan kimia, dimana

khitosan dapat berperan sebagai pengkelat logam berat. Proses pengkelatan terjadi

melalui proses dimana ion logam berat akan terikat pada gugus amin dan gugus hidroksil

dari khitosan membentuk kompleks khitosan-logam berat. Khitosan dapat membentuk

kompleks dengan ion logam transisi dan ion logam berat tetapi tidak dapat membentuk

kompleks dengan ion logam alkali dan ion logam alkali tanah(6).

Dengan sifat fisika dan kimia yang dimilikinya, salah satu aplikasi khitosan adalah

sebagai membran (lapisan tipis). Khitosan sebagai polimer alam memiliki sifat fisik

yang relatif rendah dibandingkan polimer sintetis. Oleh karena itu, penambahan

monomer sintetis akan memperkuat sifat fisik film yang terbentuk sehingga dapat

diaplikasikan sebagai bahan dasar membran (4).

Penggunaan teknik iradiasi sinar gamma ditujukan untuk mendapatkan hasil ikat silang

antara khitosan dan asam akrilat yang homogen dan mempunyai sifat fisik yang kuat.

Selain itu, teknik ini tidak mengurangi gugus aktif pada khitosan dan asam akrilat.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan monomer asam akrilat

pada larutan kitosan terhadap sifat fisika dan kimianya serta untuk meningkatkan sifat

film khitosan, sehingga diperoleh film khitosan dengan sifat fisik yang kuat, tidak mudah

rapuh dan dapat diaplikasikan sebagai bahan dasar membran. Selain itu, dengan

melakukan penambahan berbagai variasi konsentrasi asam akrilat pada larutan khitosan

yang kemudian diiradiasi dengan sinar gamma, dapat diketahui peningkatan sifat kimia

dan fisika membran yang di hasilkan

3

Bahan dan metode

Bahan penelitian

Bahan penelitian yang digunakan adalah limbah kulit udang putih (Penaeus merquensis)

yang diperoleh dari desa Gebang – Cirebon. Kulit udang dengan bobot lebih kurang 0,5

kg yang telah kering dibersihkan dari kotoran kotoran yang masih melekat, sehingga

diperoleh cangkang yang bersih selanjutnya dikeringkan dalam oven vakum pada

temperatur 500 C.

Prinsip Penelitian

Penelitian ini dilakukan dua tahap. Pada tahap pertama, Khitin diisolasi dari kulit udang

melalui proses deproteinasi dan demineralisasi. Lalu dilanjutkan dengan proses

deasetilasi menjadi kitosan. Pada tahap kedua, dilakukan pembuatan film khitosan-asam

akrilat yang diiradiasi dengan sinar gamma dari sumber Co-60, dilanjutkan pengeringan

dalam oven vakum 500 C. Pada tahap ini dilakukan penambahan berbagai variasi

konsentrasi asam akrilat. Pengujian film kitosan-asam akrilat meliputi uji fraksi gel

dengan metode ekstraksi soxlet, kekuatan tarik dengan alat tensile strength dan analisis

gugus fungsi dengan FTIR dan sifat termal dengan DSC.

Isolasi khitin : Proses isolasi terdiri dari beberapa tahap, yaitu :

Proses Deproteinasi : Sebanyak ±200 g sampel kulit udang ditambahkan larutan natrium

hidroksida 1 N (1:10 b/v), kemudian diaduk-aduk. Setelah itu dilakukan perendaman

selama satu malam. Kulit udang tersebut dicuci menggunakan air bersih sampai pH

netral, disaring dan dikeringkan.

Proses Demineralisasi : Kulit udang yang telah kering hasil dari proses deproteinasi

ditambahkan asam klorida 1 N (1:10 b/v), kemudian diaduk-aduk. Setelah itu dilakukan

perendaman selama satu malam. Kulit udang tersebut dicuci menggunakan air bersih

sampai pH netral, disaring dan dikeringkan.

4

Proses Deasetilasi Kitin : Kitin yang diperoleh dari hasil deproteinasi dan demineralisasi

kemudian dideasetilasi untuk mendapatkan kitosan. Khitin dimasukkan ke dalam beaker

gelas, ditambahkan natrium hidroksida 50% (1:15 b/v) lalu dipanaskan dalam penangas

air selama tiga jam pada suhu 110-120 oC. Setelah itu disaring, dan padatan yang

diperoleh dicuci dengan aquades sampai pH netral lalu dikeringkan dalam oven pada

1050C.

Pembuatan film khitosan-asam akrilat

Pembuatan film khitosan dengan dengan melarutkan 5 % dalam larutan asam asetat 1 %,

kemudian dibuat dengan cara pencetakan (casting) dalam bentuk lapisan tipis. Dilakukan

berbagai variasi konsentrasi asam akrilat yang ditambahkan pada larutan khitosan yaitu

0%; 0,5%; 1,0%; 1,5%; 2,0%; 2,5%; 3,0%; 3,5%; 4,0%; 4,5%; dan 5,0%; yang

kemudian diiradiasi dengan sinar gamma pada dosis 10 kGy. .

Analisa film kitosan-asam akrilat

Fraksi Gel

Ekstraksi dilakukan selama 8 jam, film khitosan-asam akrilat yang telah diekstraksi

kemudian dikeringkan dalam oven pada 105oC, lalu ditimbang.

Fraksi gel = (W2 / W1) x 100%

Dimana: W1 = Berat sampel film khitosan-asam akrilat mula-mula (g).

W2 = Berat sampel film khitosan-asam akrilat setelah ekstraksi (g).

Kekuatan Tarik

Untuk mengukur kekuatan tarik, sampel film khitosan-asam akrilat dicetak terlebih

dahulu dengan alat pencetak, kemudian spesimen uji tersebut dijepit pada kedua

ujungnya. Salah satu ujung dibuat tetap dan diaplikasikan sebuah beban yang naik sedikit

demi sedikit ke ujung lainnya sampai sampel tersebut patah. Jarak perjalanan pendulum

5

setelah sampel patah diambil sebagai ukuran kekuatan impak. Pengujian kekuatan tarik

ini menggunakan alat tensile strength.

Analisis Termal

Pengujian transisi termal film khitosan-asam akrilat menggunakan alat Differential

Scanning Calorimetry (DSC). Sampel ditimbang 10 -15 mg, kemudian ditempatkan

dalam cangkir aluminium sangat kecil. Sebagai referensinya digunakan cangkir

aluminium kosong. Sampel dan referensi keduanya lalu dipanaskan. Energi disuplai

untuk menjaga suhu-suhu sampel dan referensi tetap konstan. Perbedaan daya listrik

antara sampel dan referensi (dQ/dt) dicatat dalam bentuk termogram.

Hasil dan pembahasan

Karakterisasi khitosan .

Hasil khitosan yang diperoleh dikarakterisasi antara lain warna secara, kadar air , masa

molekul relative dan derajat deasetilasi :

Tabel 1. Karakter khitosan hasil isolasi

No Karakter

1

2

3

4

Warna : putih

Kadar Air : 12,5 %

Masa molekul : 4,8 104

Derajat deasetilasi : 82,5 %

Khitosan dengan karakter seperti diatas, selanjutnya digunakan sebagai bahan dasar

khitosan yang dipergunakan pada penelitian ini.

Fraksi Padatan

Grafik hasil analisis fraksi padatan dengan menggunakan metode ekstraksi soxlet

terhadap film khitosan pada berbagai konsentrasi asam akrilat dengan dosis iradiasi 10

kGy dapat dilihat pada Gambar 1.

6

6420

100

80

60

40

20

0

konsentrasi asam akrilat (%)

Fra

ksi pad

atan

(%

)

Gambar 1 Hubungan antara konsentrasi asam akrilat dengan

persentase fraksi gel

Gambar 1 menunjukkan pengaruh konsentrasi monomer asam akrilat dalam larutan

khitosan. Pada kopolimerisasi asam akrilat pada khitosan menunjukkan persen frakasi

padatan meningkat dengan bertambahnya konsentrasi asam akrilat. Hal ini dapat

dijelaskan bahwa makin tinggi konsentrasi monomer, difusi monomer ke dalam matriks

khitosan akan meningkat, di samping itu kemungkinan tumbukan antara molekul

monomer dengan radikal khitosan yang terbentuk akan meningkat pula. Akan tetapi

pada konsentrasi di atas 3,5 % fraksi padatan mulai terejadi penurunan.hal ini karena

homopolimer yang terbentuk lebih tinggi sehingga meningkatkan viskositas larutan yang

menyebabkan hambatan difusi monomer ke dalam matriks khitosan.

Pengukuran gugus fungsi dengan FTIR

Untuk mengetahui telah terjadinya polimerisasi pada larutan kitosan dilakukan pengujian

sifat-sifat serapan gelombang infra merah dengan Fourier Transform Infra Red.

Pengujian ini dilakukan pada sampel film khitosan dalam 1% asam asetat dan film

khitosan dalam 1% asam asetat yang ditambahkan monomer asam akrilat dengan

konsentrasi 3,5 % dan diiradiasi dengan dosis 10 kGy.

Untuk membandingkan serapan infra merah film kitosan tersebut, maka dipelajari

perubahan gugus fungsi yang terjadi melalui spektrum FT-IR yang ditunjukkan pada

Gambar 2, 3..

7

Gambar 2 Spektrum FT-IR film khitosan

Gambar 3. Spektrum FT-IR film khitosan yang ditambahkan 3,5 % monomer asam

akrilat

Ciri khas telah terjadi kopolimerisasi asam akrilat pada larutan khitosan, yaitu dengan

ditunjukkan oleh perubahan nilai absorbansi gugus fungsi karbonil. Pada 1665 cm-1,

menunjukkan perubahan puncak gugus fungsi karbonil akibat penambahan monomer

asam akrilat.

Kekuatan Tarik

Grafik hasil analisis kuat tarik dengan menggunakan alat tensile strength terhadap film

khitosan pada berbagai konsentrasi asam akrilat dengan dosis iradiasi 10 kGy dapat

dilihat pada Gambar 4. Tegangan putus merupakan salah satu parameter yang penting

8

6543210

180

160

140

120

100

80

60

40

20

Konsentarasi Asam Akrilat (%)

Kua

t tar

ik (

kg/c

m )

pada karakteristika polimer yang menunjukkan kekuatan tariknya (tegangan putus).

Gambar 4 menyajikan pengaruh iradiasi terhadap tegangan putus film khhtosan-asam

akkrilat. Terlihat bahwa dengan naiknya konsentrasi asam akrilat hingga 3,5 %, tegangan

putus meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa konsentrasi hingga 3,5 % terjadi reaksi

ikatan silang optimum, tetapi pada konsentrasi di atas 3,5 % terjadi penurunan nilai

tegangan putus. Hal ini di karenakan terbentuknya pengikatan silang anatara khitosan

dan asam akrilat terjadi penurunan, sehingga kekuatan tariknya menurun juga.

Gambar 4. Hubungan antara konsentrasi asam akrilat dengan kuat tarik

Pengujian Sifat Termal Menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC)

DSC menghasilkan kurva yang menunjukkan hubungan antara perubahan kecepatan

aliran energi (mW/mg) terhadap temperatur (0C). Pada penelitian ini, dilakukan

pengujian sifat termal pada film khitosan original dan film dari khitosan yang

ditambahkan monomer asam akrilat dengan konsentrasi 3,5% dan diiradiasi pada dosis 10

kGy. Untuk mengetahui perubahan sifat termal yang terjadi pada sampel film khitosan

tersebut dapat dilihat pada Gambar 5,6.

9

Gambar 5 Termogram DSC film 5 % khitosan

Gambar 6 Termogram DSC film 5 % khitosan yang ditambahkan 3,5 % monomer

asam akrilat

Tabel 2 dibawah ini menunjukkan puncak titik leleh dari film khitosan

No. Bahan Titik leleh (0C)

1.

2.

Film khitosan tanpa iradiasi

Film khitosan-asam akrilat 3,5% dengan iradiasi

275,80

246,06

Pada Gambar 5 dan 6 muncul puncak endotermis dan eksotermis. Puncak endotermis

tersebut kemungkinan merupakan suhu penguapan pelarut khitosan 1% asam asetat dan

10

puncak eksotermis tersebut merupakan titik leleh dari khitosan.

Pada khitosan yang ditambahkan asam akrilat muncul puncak-puncak endotermis baru

pada suhu 213,30 0C. Puncak endotermis baru tersebut kemungkinan berasal dari reaksi

dehidrasi gugus karboksilat yang berdampingan dalam khitosan-asam akrilat. Reaksi

dehidrasi gugus karboksilat akibat pemanasan diperkirakan sebagai berikut:

Gambar 7. Reaksi dehidrasi gugus karboksilat akibat pemanasan

Jadi, dengan munculnya puncak baru tersebut telah membuktikan bahwa telah terjadi

reaksi kopolimerisasi antara asam akrilat dengan khitosan.

Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan bahwa :

Penambahan asam akrilat pada larutan kitosan dengan memakai teknik

iradiasi sinar gamma pada dosis 10 kGy dapat meningkatkan sifat fisik

film kitosan.

Konsentrasi asam akrilat yang memberikan sifat fisik yang baik adalah

pada konsentrasi 3,5 %.

Dari hasil analisa gugusfungsi dengan FTIR dan sifat termal dengan DSC

menunjukan telah terjadi reaksi polimerisasi antara khitosan dan asam akrilat.

11

DAFTAR PUSTAKA

1. Wahyuningsih, Sri et al . 2002. Percobaan Pendahuluan Pemisahan Kitin Dari

Limbah Kulit Udang. Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju.

Yogyakarta.

2. Praptowidodo,V.S. 1998. Pengembangan Polimer Alam Chitin Untuk Proses

Pemisahan Dengan Membran. Pengembangan Proses dan Perancangan Sistem

Teknik Kimia. Institut Teknologi Bandung. Bandung.

3. Hong, K.N.O, Meyers, S.P, Lee, K.S. 1989. Isolation and Characterization of

Chitin From Crawfish Shell Waste. Journal of Agricultural and Food Chemistry.

37(3): 575-579.

4. Angka, S.L, Maggy.T.Suhartono. 2000. Bioteknologi Hasil Laut. Pusat Kajian

Sumber Daya Pesisir dan Lautan. Institut Pertanian Bogor. Bogor: 99-100.

5. Knorr, D. 1984. Use of Continues Polymer in Food. Food Technology. 42: 593-

595.

6. Karmas, E. 1982. Meat, Poultry and Seafood Technology. Noyes Data

Corporation. USA: 392-405.

7. Johnson. 1982. Peniston Utilization of Shelfish Wastes for Production of Chitin

and Chitosan. Dalam: Chemistry and Biochemistry of Marine Food Product. AVI

Publishing. Westport. Connecticut: 290-299.

8. Shadidi, F, Synowiecki. 1991. Isolation and Characterization of Nutrients and

Value Added Products from Snow Crab (Chitoecetes Opolio) and Shrimp

(Pondulus Borealis) Processing discard. Journal of Agricultural and Food

Chemistry: 527-532.

12

9. Ulanski., Rosiak,J, (1992). Preliminary studies on Radiation –Induced Change in Chitosan, Radiat. Phys. Chem, Vol 39, No 1, Pergamon Press, Great Britain.

10. Sabharwal S. (2000). Radiation effect on polymers, Risalah Proceeding Meeting Radiation Processing of Polysacchararides, Vietnam Atomic Energy Commission, Vietnam.

11. Kurita, K., Koyama,Y., Taniguchi, A., (1986). Studies on chitin IX, Journal of

Applied Polymer Science. , 31, 1169 – 1176.

12. Hong, K.N.O ., Mayers, S.P., Lee, K.S., (1989). Isolation and characterization of

chitin from crow fish shell waste, Journal of Agricultural and Food Chemistry.,

37, (3) , 575 – 579.

13. Goosen, M.F.A. (1997). Application of Chitin and Chitosan, Technomic

Publishing Company, Inc, Lancaster, Pennsylvania, USA.

13