BIOMOGI MOLEKULER

ISOLASI DAN KARAKTERISASI STRUKTUR HEMISELULOSA DARI BAMBU

Kelompok 3

Andersen (1406604626)

Kevin Antonio (1406568091)

Osel Sakadewa (1406604600)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

Depok, April 2016

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena akhirnya tim penulis dapat

menyelesaikan makalah ini untuk memenuhi tugas mata kuliah Biologi Molekuler.

Sebagai calon insinyur teknik kimia sudah semestinya untuk mempelajari berbagai hal

yang berhubungan dengan ilmu dasar proses, yang mana mencakup banyak pengetahuan dasar

yang salah satunya meliputi ilmu tentang biologi molekuler. Hal tersebut dipandang sangat

penting, untuk menjadi dasar mempelajari proses pada teknik kimia nantinya.

Walaupun banyak kendala yang dihadapi sepanjang pembuatan laporan ini, tim penulis

tetap bertekad untuk menyelesaikan laporan ini sebagai komitmen dan tanggungjawab demi

memenuhi tugas mata kuliah kimia analitik. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih

kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan laporan ini.

Tim penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena

itu, tim penulis mengharapkan adanya kritik serta saran supaya makalah ini lebih baik lagi

untuk kedepannya.

Tim penulis berharap agar laporan ini bisa bermanfaat bagi para pembaca dan dapat

menambah wawasan kami khususnya mahasiswa teknik kimia.

Depok, April 2016

Tim penulis

ii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ............................................................................................................................ i

DAFTAR ISI.......................................................................................................................................... ii

BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ...................................................................................................................... 1

1.2 Definisi Masalah .................................................................................................................... 1

1.3 Tujuan Pembelajaran ........................................................................................................... 1

BAB II PEMBAHASAN ...................................................................................................................... 2

2.1 Karakteristik Struktur ......................................................................................................... 2

2.2.1 Analisis Kromatografi .................................................................................................. 2

2.2.2 Analisis Spektrometri ................................................................................................... 3

2.2 Optimalisasi isolasi hemiselulosa dari bambu (Neosinocalamus Affinis) ......................... 5

2.2.1 Isolasi hemiselulosa ....................................................................................................... 5

2.2.2 Tahap isolasi menggunakan alkali .............................................................................. 6

2.2.3 Yield hasil ekstraksi menggunakan alkali .................................................................. 6

BAB III PENUTUP ............................................................................................................................... 9

3.1 Kesimpulan ............................................................................................................................ 9

3.2 Saran ...................................................................................................................................... 9

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................................... 10

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Hemiselulosa merupakan hetero-polisakarida yang bisa ditemukan pada dinding sel

tumbuhan. Hemiselulosa mengisi sekitar 20-30% berat tumbuhan kering, karena itu

hemiselulosa merupakan polisakarida terbanyak kedua yang dapat ditemukan pada

tumbuhan. Hemiselulosa merupakan senyawa kompleks yang sebagian besarnya

mengandung D-xylosa, D-galaktosa, L-arabinosa, D-mannosa dan D-glukosa.

Hemiselulosa hampir serupa dengan selulosa, namun memiliki rantai yang lebih pendek

yaitu sekitar 500-3000 unit gula, yang mana pada selulosa terdapat 7000-15000 unit gula.

Selain itu, perbedaannya dengan selulosa adalah hemiselulosa memiliki cabang pada rantai

polimernya, sedangkan selulosa tidak.

Pemanfaatan hemiselulosa sangat beragam mulai dari bidang industri, pangan, energi,

dan farmasi. Saat ini, yang sedang marak adalah pemanfaatan hemiselulosa sebagai biofuel,

dimana kita tahu bahwa ketergantungan suplai energi dari bahan bakar yang tidak dapat

didaur ulang terus meningkat.

Untuk mendapatkan hemiselulosa dari tumbuhan, perlu dilakukan peninjauan terhadap

struktur dari hemiselulosa itu sendiri, komposisinya, serta efisiensinya jika dimanfaatkan.

Jumlah dan komposisi hemiselulosa beragam sangat bervariasi dan berbeda dari satu

tumbuhan dengan tumbuhan lainnya. Setelah mengetahui mengenai struktur dari

hemiselulosa, kita juga perlu mengetahui cara mengisolasi hemiselulosa dari ikatan-ikatan

dengan senyawa kompleks lainnya.

1.2 Definisi Masalah

Identifikasi struktur hemiselulosa pada bambu serta metode isolasinya dengan

menggunakan ektraksi alkali.

1.3 Tujuan Pembelajaran

Tujuan pembuatan makalah ini adalah untuk mengetahui bagaimana struktur dari

hemiselulosa pada bambu dan cara-cara untuk mengisolasinya untuk kemudian bisa

dimanfaatkan lebih lanjut.

2

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Karakteristik Struktur

Hingga saat ini, ada banyak cara yang dapat digunakan untuk mengetahui struktur dari

hemiselulosa bamboo. Analisis dari hemiselulosa bambu terbagi atas 2, yaitu Analisis

Kromatografi dan Analisis Spektrometri.

2.2.1 Analisis Kromatografi

Analisis kromatografi menggunakan degradasi dari senyawa dengan hidrolisis

asam, hidrolisis enzim, dan degradasi smith untuk hemiselulosa bamboo dimana asam

yang digunakan adalah asam sulfur (H2S), asam oksalat (H2C2O4), dan trifluoroacetic

acid.

Dalam pengukuran besar dari hemiselulosa bambu, biasanya ditentukan dari

berat molekul rata-rata (Mr) yang ditentukan dengan metode gel permeation

chromatography (GPC) pada PL aquagel-OH 50 kolom dengan detector indeks refraktif

(RID). Metode yang lain dalam penentuan ukuran dari hemiselulosa bambu adalah

menggunakan kesetimbangan endapan dan tekanan osmosis untuk penentuan Mr dari

senyawa bambu untuk jenis bambu Neosinocalamus Affinis. (Tabel 1)

High Performance Liquid Chromatography (HPLC) juga sering digunakan

untuk menganalisis tingkat kelarutan gula dalam larutan setelah bambu dipanaskan.

Analisis Berat Molekul

Pada jurnal ini, penulis menggunakan metode analisis kromatografi untuk

menentukan berat molekul dari hemiselulosa bambu, dimana parameter dari berat

molekul polimer hemiselulosa dianallisis dengan menggunakan metode GPC pada

medium aqueous. Berat molekul (Mr) dan Jumlah molekul (Mn) dari fraksi

hemiselulosa terdapat pada tabel 2. Dari table, dapat diketahui bahwa hemiselulosa

yang larut dalam ait adalah fraksi H1 dengan berat molekul yang lebih kecil

dibandingkan fraksi lainnya (H3-H7). Ini menunjukkan bahwa air panas melarutkan

sedikit molekul hemiselulosa, seperti galactoarabinoxylans dan senyawa pectic seperti

beta-glucans.

3

2.2.2 Analisis Spektrometri

Analisis spektrometri merupakan metode utama dalam kimia modern yang

banyak digunakan untuk mementukan struktur molecular dari hemiselulosa bambu.

Cara yang paling utama adalah dengan menggunakan Fourier-Transform Infrared (FT-

IR) dan nuclear magnetic resonance (NMR) spektrometri.

Pada FT-IR, spectra dari hemiselulosa bambu, beberapa data penting dari

absorpsi diperlukan untuk menentukan struktur dari bambu yang diteliti, dalam hal ini

adalah data absorpsi dari bambu Neosinocalamus Affinis.

Pada spektrometri NMR biasanya isotop dari 1H dan 13C diurutkan untuk

mengetahui struktur khusus dair hemiselulosa bambu. Cara kerjanya adalah dengan

menangkap sinyal dari 1H dan 13C dan membandingkannya dengan data yang ada pada

tabel 3. Pada penelitian yang terbaru, NMR yang menggunakan heteronuclear single

quantum correlation dapat memperoleh resolusi yang lebih tinggi sehingga mengurangi

persen kesalahan dalam pembacaan data yang ditransmisikan oleh isotop 1H dan 13C.

Tabel 1. Hemicelluloses from bamboo: Extraction and purification methods, chemical

compositions, molecule weights, as well as structural features. (Neosinocalamus Affinis)

Bam

boo

Extractio

n

Purificatio

n

Fractio

n

Yield

(%)

Monosacch

aride

Com

positio

n (%

)

Mr

Stru

cture

Featu

res

Neosino

calamus

Affinis

Dire

ct

extra

ction

with

alkal

i

Sequen

tial

extracti

ons

with

0.2and

0.5 M

NaOH,

Was

hing

with

70%

EtO

H

H2

6.1

%

6.6

9

0.8

2

17.8

7

73.5

3

3.0

9

68.7

70

linear

(1→4)-ˇ-

dxylopyra

nosyl

mainchain

substitute

d by a H3

3.2

%

4.7

0

0.2

2

10.3

0

83.0

6

1.2

0

65.7

50

4

70%

ethanol

contain

ing0.6

M

NaOH,

and 1.0

and 2.0

M

NaOH

at50◦C

for 3 h

H5

2.6

%

4.7

4

0.3

3

6.7

4

73.5

3

1.0

9

41.2

00

small

amount of

l-

arabinofur

anosyl at

C-2

and/or C-

3together

with a

minor

quantity

of 4-

Omethylg

lucuronic

acid at C-

2

H6

5.6

%

4.4

5

0.1

3

3.1

9

83.0

6

0.8

4

45.1

90

H7

2.7

%

2.7

0.0

9

1.9

2

987.2

9291.4

0.6

5

1.2

9

42.7

90

Tabel 2.Berat molekul (Mr) dan Jumlah molekul (Mn) serta perbandingannya pada fraksi

Neosinocalamus affinis

Hemicellulosic fractions*

H1 H3 H4 H5 H6 H7

Mr (g/mol) 9000 16770 65750 41200 45190 42790

Mn

(g/mol)

7150 29030 32510 26620 30650 26610

Mr/Mn 1.26 2.37 1.67 1.55 1.47 1.61

Gambar 1. Distribusi Berat Molekul dari fraksi hemiselulosa Neosinocalamus affinis

5

2.2 Optimalisasi isolasi hemiselulosa dari bambu (Neosinocalamus Affinis)

2.2.1 Isolasi hemiselulosa

Konversi dari material lignoselulosa untuk menghasilkan produk yang

bernilai lebih tinggi memerlukan fraksinasi hemiselulosa dari biomassa.

Namun, separasi hemiselulosa dari dinding sel terbatas karena adanya jaringan

lignin seperti hubungan/jaringan lignin-hemiselulosa (Crestini and

Argyropoulos 1997). Selain itu, banyaknya ikatan hydrogen antara setiap

komponen individu polisakarida dapat menghalangi isolasi dari hemiselulosa.

Pada awalnya, isolasi hemiselulosa dilakukan dengan men-deligninikasi

material mengunakan Klorin (Timell et al, 1951), Klorin Oksida (Yang and

Goring 1978), dan Sodium Klorit (Fengel et al. 1989), dimana sisa dari

holoselulosa akan diolah dengan berbagai macam prosedur. Namun, isolasi

dengan menerapkan delignifikasi terkadang mengokasidasi beberapa residu

polisakarida dan menyebabkan depolimerisasi parsial dan hilangnya

hemiselulosa (Aspinall et al. 1961).

6

Sejumlah metode yang efektif telah dipelajari untuk memperoleh

polimer hemiselulosa, termasuk ekstraksi menggunakan air panas

(autohidrolisis), alkali, dimetil sulfoksida (DMSO), dan perawatan berbasis

ledakan uap. Perlakuan dengan menggunakan alkali pada bahan lignoselulosa,

seperti bambu dan gandum, mengganggu dinding sel dan memutuskan

hubungan antara lignin dan hemiselulosa. Ekstraksi ini telah menjadi proses

yang menjanjikan dan ramah lingkungan untuk mencapai pemanfaatan

lignoselulosa dengan dampak minimal pada lingkungan. Keuntungan utama

dari ekstraksi alkali adalah operasi sederhana dan efektivitas biaya.

Hemiselulosa, bersama-sama dengan polisakarida lainnya, dapat digunakan

kedepannya sebagai bahan baku yang ramah lingkungan, jika fitur struktural

mereka dapat diidentifikasi dengan baik.

2.2.2 Tahap isolasi menggunakan alkali

Untuk mempelajari perbedaan struktural hemiselulosa dalam bambu,

fraksi diekstraksi berurutan dengan air, etanol dan larutan alkali pada

konsentrasi yang berbeda, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Serbuk

(10 g) berturut-turut diekstraksi dengan air suling dan 70% etanol pada 80 ºC,

0,2 dan 0,5 M NaOH larutan air, etanol 70% mengandung 0,6 M NaOH, dan 1,0

dan 2,0 M NaOH larutan air pada 50 º C selama 3 jam menggunakan rasio solid

cair 01:25 (g /mL). Residu selulosa disaring dengan kain nilon, dicuci dengan

air suling, dan selanjutnya dikeringkan dalam oven kabinet di bawah sirkulasi

udara pada 60 ºC selama 16 jam.

Filtrat terkonsentrasi menjadi 40 mL pada reduced pressure, dan

kemudian dituangkan ke dalam 2 volume etanol 95% dengan pengadukan kuat.

Pelet disentrifugasi, dikeringkan, dan akhirnya diberi label dari H1 ke H7 sesuai

dengan urutan ekstraksi berturut-turut. Filtrat yang diperoleh pada kondisi basa

disesuaikan dengan pH 5,5 dengan 6 M asam klorida cair. Semua sampel

disimpan dalam desikator untuk karakterisasi lebih lanjut. Percobaan dilakukan

dalam rangkap dua, dan penyimpangan di bawah 4,8%.

2.2.3 Yield hasil ekstraksi menggunakan alkali

Hemiselulosa membentuk ikatan kovalen dengan lignin dan ester

dengan unit asetil dan asam hydroxycinnamic, membatasi pembebasan

7

hemiselulosa dari matriks dinding sel. Selain itu, ikatan hidrogen yang luas

antara polisakarida individu dan dinding sel komponen juga dapat menghambat

isolasi hemiselulosa. Oleh karena itu, hasil dari fraksi hemicellulosic sangat

tergantung pada karakteristik media yang digunakan selama proses fraksinasi.

Dalam percobaan ini, dewaxed bamboo berurutan diekstraksi dengan air netral

dan 70% etanol, alkali berair solusi pada konsentrasi rendah (0,2 dan 0,5 M

NaOH), larutan alkali etanol (70% etanol-0,6 M NaOH), dan basa berair solusi

pada konsentrasi tinggi (1,0 dan 2,0 M NaOH).

Hasil panen dari hemiselulosa yang dari 2,0%, trace (terlalu kecil),

6,1%, 3,2%, 2,6%, 5,6%, dan 2,7% dari batang dewaxed bamboo di setiap

langkah, hampir 22% dari total bahan. Hasil dari hemiselulosa diperoleh pada

kondisi basa menyumbang 91,0% dari total hemiselulosa dibebaskan, yang

menunjukkan bahwa penambahan alkali bisa memutuskan ikatan ester dan / atau

eter antara lignin dan hemiselulosa, yang mengarah ke pelepasan hemiselulosa.

Sebagai perbandingan, perlakuan menggunakan air hanya melepaskan sangat

sedikit hemiselulosa (2.0%). Tidak ada fraksi hemiselulosa yang terisolasi oleh

70% ethanol pada kondisi ini.

Penambahan sejumlah kecil NaOH ( 0,2M ) menghasilkan jumlah

tertinggi pelepasan hemiselulosa ( 6.1 % ) , akuntansi untuk 27,7 % dari total

hemiselulosa terisolasi. Ditemukan juga bahwa sebagian besar hemiselulosa

bambu bisa keluarkan ketika konsentrasi alkali lebih rendah dari 2.0 M , yang

setuju dengan baik dengan hasil sebelumnya dilaporkan oleh Sun et al.16.

Ditemukan bahwa saat konsentrasi NaOH meningkat menjadi 2,0 M , hasil dari

fraksi hemislulosa menurun menjadi 2.7%.

Alasan ini mungkin dikarenakan degradasi reaksi peeling di alkali

berkonsentrasi tinggi, dan konten hemiselulosa lebih rendah di residu setelah

ekstraksi sebelumnya. Hasil ini menunjukkan bahwa ekstraksi alkali adalah

proses yang efisien untuk fraksinasi polimer hemicellulosic dari lignoselulosa

bahan dibandingkan dengan air dan perawatan hidrogen peroksida.

8

9

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Struktur hemiselulosa berbeda-beda setiap varian tumbuhan

Banyak metode yang dapat digunakan untuk mengisolasi hemiselulosa dari

tumbuhan (bambu), salah satunya adalah dengan metode alkali

Hemiselulosa yang telah diisolasi dapat diaplikasikan ke berbagai bidang

misalnya energi, pangan, farmasi, dan industri

3.2 Saran

Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh data kata sempurna oleh karena itu

penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun agar dalam

pembuatan laporan selanjutnya bias lebih baik lagi, atas perhatiannya penulis ucapkan

terimakasih.

10

DAFTAR PUSTAKA

Nelson DL, Cox MM. 2008. Lehringer Principles of Biochemistry. 5th ed. New York: WH

Freeman

Peng P, She D. 2014. Isolation, structural characterization, and potential applications of

hemicelluloses from bamboo: A Review, Carbohydrate Polymers . Carbohydrate Polymers.

Sun, et.al. 2011. Structural Characterization of Hemicelluloses from Bamboo Culms

(Neosinocalamus Affinis). United Kingdom: University of Wales