Prediksi Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi Menggunakan ...

JURNAL ILMIAH MAHASISWA PERTANIAN E-ISSN: 2614-6053 P-ISSN: 2615-2878

Volume 4, Nomor 4, November 2019 www.jim.unsyiah.ac.id/JFP

Jurnal Ilmiah Mahasiswa Pertanian, Volume 4, Nomor 4, November 2019 462

Prediksi Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi Menggunakan Near Infrared

Spectroscopy (Prediction Moisture Content and Cafein Green Coffee Bean Using Near

Infrared Spectroscopy) Murtahar1, Ratna1, Agus Arip Munawar*

Program Studi Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Syiah Kuala *Corresponding author: [email protected]

Abstrak. Kopi (Coffea sp.) merupakan salah satu hasil komoditi unggulan perkebunan yang memiliki nilai

ekonomis yang cukup tinggi dan sangat potensial diantara tanaman perkebunan lainnya di Indonesia. Menjadikan

Indonesia sebagai eksportir kopi terbesar keempat di dunia yang diharuskan untuk menjaga kualitasnya. Untuk

menjaga kualitas green bean kopi perlu diperhatikan beberapa karakteristik bahan diantaranya adalah kadar air

dan kafein. Penentuan kadar air dan kafein green bean kopi dapat dilakukan dengan menggunakan NIRS (Near

Infrared Spectroscopy) yang bersifat Non Destruktif Test (NDT). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk

mengaplikasikan Partial Least Square (PLS) dan Principle Component Regression (PCR) dalam menduga kadar

air dan kafein dengan membandingkan data hasil uji laboratorium. Penelitian ini menggunakan data akuisisi

spektrum green bean kopi lokal yang berjumlah 20 sampel serta data uji laboratorium kadar air dan kafein

(Adnan,2013). Dengan analisa data spektrum menggunakan De-trending, Extended Multiplicative Scatter

Correction (EMSC), dan Kombinasi. Hasil penelitian ini menunjukkan panjang gelombang kadar air berkisar

1400-1415 nm dan 1881-1910 nm serta panjang gelombang kafein berkisar 1920-1947 nm. EMSC sebagai

pretreatment terbaik dalam prediksi kadar air dan kafein.

Kata Kunci : Green Bean Kopi, Non Destruktif Test (NDT), Near Infra Red Spectroscopy.

Abstract. Coffee (Coffea sp) is one of the main commodities of plantation which has high economic value and is

very potential among other plantation crops in Indonesia. Making Indonesia the fourth largest coffee exporter in

the world that is required to maintain its quality. To maintain the quality of green beans, coffee needs to be

considered some of the characteristics of the material including water content and caffeine. Determination of water

content and caffeine of green bean can be using NIRS ( Near Infrared Spectroscopy) which is Non Destructive

Test (NDT). The purpose of this study was to apply Partial Least Square (PLS) and the Principle Component

Regression (PCR) in estimating water and caffeine content by comparing laboratory test data. This study used data

acquisition of the green bean spectrum of the local totaling 20 samples and test data laboratory water content and

caffeine (Adnan,2013). With spectrum data analysis using De-trending, Extended Multiplicative Scatter

Correction (EMSC), and Combination. The results of this studiy incate wavelengths of water content ranging from

1440-1450 nm and 1881-1919 nm and caffeine ranging from 1920-1947 nm. EMSC is the best pretreatment in

predicting water and caffeine levels.

Keywords : Green Bean, Non Destruktif Test (NDT), Near Infrared Spectroscopy.

PENDAHULUAN

Kopi (Coffea sp.) merupakan salah satu hasil komoditi unggulan perkebunan yang

memiliki nilai ekonomis yang cukup tinggi dan sangat potensial diantara tanaman perkebunan

lainnya di Indonesia. Kementan, 2015 menyatakan kopi diperdagangkan secara luas di dunia

dan Indonesia tercatat sebagai penghasil kopi terbesar ketiga setelah Brazil dan Vietnam. dalam hal ekspor kopi, Indonesia adalah eksportir kopi terbesar keempat di dunia setelah Brazil,

Vietnam, dan Kolombia.

Salah satu karakteristik yang harus diperhatikan dalam penanganan pasca panen

Green bean kopi adalah kadar air dan kafein. Penentuan kadar air Green bean kopi biasanya

dilakukan dengan menggunakan metode termogravimetri yang membutuhkan waktu lama

serta mahal dan merusak karakteristik fisik. Begitu juga dengan kafein, penentuan kandungan

kafein yang akurat biasanya dilakukan dengan analisis) macam yaitu pengeringan,

http://www.jim.unsyiah.ac.id/JFP




pasteurisasi, dan sterilisasi. Khusus untuk cara pemanasan dengan pengeringan dan sterilisasi

umumnya selain bakteri mati spora bakteri juga ikut mati, sedang cara laboratorium kimia

dengan metode HPLC. Metode ini menghabiskan waktu yang lama dan mahal. Oleh karena

itu, diperlukan pengembangan metode yang efesien dan non-destruktif yang bersifat tidak

merusak karakter fisik. Salah satu metode yang cocok dan tepat adalah dengan Near Infared

Spectroscopy (NIRS).

METODE PENELITIAN

Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei – Juni 2019 di Laboratorium Instrumentasi

dan Energi, Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Syiah Kuala,

Banda Aceh.

Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah unscrambler software® X version 10.1.

Sedangkan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah data sekunder dari penelitian

terdahulu (Adnan,2013).

Metode Pelaksanaan Adapun prosedur penelitian ini yaitu persiapan data spektrum Green Bean kopi,

Selanjutnya diberikan data di pre-treatment guna memperbaiki spectrum raw dan penerapan

model kalibrasi untuk mendapatkan hasil prediksi . Diagram Alir (flow chart).

1. Analisa Data Spektrum NIRS Green Bean Kopi

Data spektrum yang telah didapatkan kemudian di analisa terlebih dahulu sebelum

digunakan untuk mengkaji sifat karakteristik dan membangun model prediksi kualitas Green

Bean Kopi. Analisa data spektrum yang akan dilakukan adalah analisa data outlier. Metode pre-

treatment yang digunakan pada penelitian ini adalah De-Trending (DT) Extended

Multiplicative Scatter Correction (EMSC) serta gabungan antara DT dan EMSC.

2. Pembuatan Model Kalibrasi

Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi diprediksi dengan cara membangun model

kalibrasi berdasarkan data dari akuisisi spektrum NIRS yang akan dijadikan sebagai variable

X, sedangkan data Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi dari hasil pengukuran di

laboratorium dijadikan sebagai variable X. model prediksi dibangun dengan menggunakan

metode Partial Least Square (PLS) dan Principal Component Regression (PCR) . Keseluruhan

data dipakai sebagai dataset kalibrasi yang digunakan untuk membangun model prediksi Kadar

Air dan Kafein.

3. Validasi dan Evaluasi Model Evaluasi keakuratan dan kehandalan model dievaluasi dengan melihat parameter

statistik yang meliputi; koefisien korelasi (r), Root Mean Square Error (RMSE), Residual

Predictive Deviation Index (RPD), dan jumlah Latent Variable (LV). Hasil Kadar air dan kafein

prediksi kemudian dibandingkan dengan hasil pengukuran standar di laboratorium dan model

terbaik dipilih berdasarkan akurasi dan kehandalannya. Parameter statistika yang digunakan

untuk mengevaluasi model yang dihasilkan adalah koefisien korelasi (r), koefisien determinasi

(R2), dan RPD.





HASIL DAN PEMBAHASAN

Fitur Spektrum Green Bean Kopi

Spektrum gelombang yang terdiri dari 1557 data dengan beberapa puncak dan

lembah didapatkan dari penelitian sebelumnya dengan menggunakan Termonikoles Antaris

yang menghasilkan data pantulan (reflektan) radiasi NIR dengan panjang gelombang 1000 –

2500 nm. Blanco dan Villarroya (2002), mengemukakan bahwa adanya puncak dan lembah

spektra NIR disebabkan karena adanya pengaruh dari kandungan kimia di dalam suatu bahan.

berikut ini merupakan gambar spektrum reflektan raw (awal) Green Bean Kopi.

Gambar 1. Spektrum Reflektan Raw (Awal) NIR pada 20 Sampel Green Bean Kopi

Pada gambar 1 spektrum reflektan raw (awal) NIR pada 20 sampel green bean kopi

terlihat bahwa seluruh sampel green bean kopi mempunyai bentuk spektrum yang sama dengan

tingkat reflektan yang berbeda. Menurut Cen dan He (2007), puncak dan lembah pada spektrum

NIR green bean kopi terhadap kandungan kadar air berada dikisaran panjang gelombang 1400-

1500 nm dan 1800-2000 nm. Selanjutnya, Haitratun et al. (2017) menemukan panjang gelombang kafein pada kopi berkisar pada 1410-1490 nm dan 1888-1988 nm. Pada kurva

spektrum reflektan raw green bean kopi (gambar 5) masih terdapat noise (guncangan) yang

dapat mempengaruhi model prediksi. Maka, perlu diberikan perlakuan (data pre-treatment)

pada regresi kalibrasi pendugaan kadar air dan kafein green bean kopi.

Analisa Data Outlier

Data outlier atau data pencilan merupakan suatu data yang berbeda dengan data-data

lainnya. Data outlier dideteksi menggunakan Principal Component Analysis (PCA) dan

Hotteling T2 ellipse. Data yang tergolong kedalam data pencilan adalah data yang berada di luar

garis elipse dan berdekatan dengan garis tengah dan pana analisa ini tidak terdapat data pencilan

seperti gambar dibawah ini.

Gambar 2. Analisa Data Outlier dengan Metode PCA dan Hotteling T2 Ellipse





Pretreatmen Spektrum NIR Green Bean Kopi

Setelah dilakukan analisa data outlier selanjutnya dilakukan pretreatment spektrum NIR green

bean kopi dengan tujuan untuk mengurangi noise (gangguan) pada spektrum yang

diperoleh(Munawar,2008).

Gambar 3. Spektrum Reflektan De-Trending NIR pada 20 Sampel Green Bean Kopi

Gambar 4. Spektrum Reflektan (EMSC) NIR pada 20 Sampel Green Bean Kopi

Gambar 5. Spektrum Reflektan EMSC&DT NIR pada 20 Sampel Green Bean Kopi

Pada Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 dapat dilihat bahwa Pre-treatmen

menggunakan Extended Multiplicative Scatter Correction (EMSC) berhasil menghasilkan

spektrum yang jauh berbeda dari spektrum raw dan spektrum hasil Pre-treatmen De-trending

dan kombinasi. spektrum yang semakin baik, rapat/halus dan rapi sehingga hasil prediksi lebih

akurat.





Loading Plot Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi

Berdasarkan hasil pengembangan yang dilakukan dengan membangun model

spektrum dan reflektans NIRS green bean kopi. Loading plot yang dihasilkan dari penelitian

ini dapat menentukan panjang gelombang relevan yang dapat memprediksi kadar air dan kafein.

Menurut Cen dan He (2007), puncak dan lembah pada spektrum NIR green bean kopi terhadap

kandungan kadar air berada dikisaran panjang gelombang 1400-1500 nm dan 1800-2000 nm.

Rebeiro et al. (2011), mengatakan kafein berada pada panjang gelombang 1128, 1298, 1677,

1726, dan 1934 nm. Panjang gelombang kadar air dan kafein dapat dilihat pada Gambar 6 dan

Gambar 7.

Gambar 6. Loading Plot Data Raw (awal) Kadar Air Green Bean Kopi

Pada Gambar 6 menjelaskan bahwa puncak gelombang kadar air berada pada kisaran

1400-1415 nm yang merupakan puncak tertinggi dan 1881-1910 yang ditandai dengan ikatan

molekul O-H.

Gambar 7. Loading Plot Data Raw (awal) Kafein Green Bean Kopi

Pada Gambar 7 menjelaskan bahwa puncak gelombang untuk kafein berada pada

kisaran panjang gelombang 1920-1947 nm yang ditandai dengan penulisan Kafein.

Hasil Prediksi Kadar Air dan Kafein Menggunakan PLS

Hasil prediksi untuk kadar air green bean kopi berdasarkan masing-masing

perlakuan (pretreatment) dapat dilihat pada tabel 1. Di bawah ini adalah gambar plot data

dengan pretreatmen terbaik pada prediksi kadar air :





Gambar 8. Plot Data Prediksi Kadar Air pretreatment EMSC

Berdasarkan data dari hasil prediksi masing-masing pretreatment, diketahui bahwa

model terbaik untuk prediksi kadar air green bean kopi adalah menggunakan Extended

Multiplicative Scatter Calibration (EMSC) dengan 2 komponen utama (Laten Variabel 2).

Untuk perbandingan data hasil prediksi dari setiap pretreatment dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Parameter Statistik Hasil Prediksi Kadar Air Green Bean Kopi

Perlakuan Latent Variable

R2 R RMSEC (%) RPD

Non Pre-

treatment

2 0,7025 0,8381 0,0188 1,8

De-trending 2 0,8141 0,9022 0,0149 2,3

EMSC 2 0,9717 0,9957 0,0058 6,1

EMSC&DT 2 0,9717 0,9957 0,0058 6,1

Hasil Prediksi untuk kadar kafein green bean kopi berdasarkan masing-masing


dengan pretreatmen terbaik pada prediksi kadar kafein :

Gambar 9. Plot Data Prediksi Kadar Kafein Pre-treatment EMSC


model terbaik untuk prediksi kadar kafein green bean kopi adalah menggunakan Extended





Multiplicative Scatter Calibration (EMSC) dengan 8 komponen utama (Laten Variabel 8).

Untuk perbandingan data hasil prediksi dari setiap pretreatment dapat dilihat pada tabel 2.

Tabel 2. Parameter Statistik Hasil Kalibrasi Kadar kafein Green Bean Kopi

Perlakuan Latent

Variable R2 r RMSEC (%) RPD

Non Pre-treatment 8 0,7664 0,8754 0,2935 2,12

De-trending 8 0,7547 0,8686 0,3008 2,07

EMSC 8 0,8841 0,9402 0,2067 3,01

EMSC&DT 8 0,8841 0,9402 0,2067 3,01

Hasil Prediksi Kadar Air dan Kafein Menggunakan PCR

Hasil prediksi untuk kadar air green bean kopi berdasarkan masing-masing perlakuan

(pretreatment) dapat dilihat pada tabel 3. Di bawah ini adalah gambar plot data dengan

pretreatmen terbaik pada prediksi kadar air :

Gambar 10. Plot Data Prediksi Kadar Air Pre-treatment EMSC


model terbaik untuk prediksi kadar air green bean kopi adalah menggunakan EMSC dengan 2

komponen utama (Laten Variabel 2). Untuk perbandingan data hasil prediksi dari setiap

pretreatment dapat dilihat pada tabel 3.





Tabel 3. Parameter Statistik Hasil Prediksi Kadar Air Green Bean Kopi

Perlakuan Latent


Non Pre-treatment 2 0,7025 0,8381 0,0188 1,8

De-trending 2 0,8588 0,9267 0,0129 2,7

EMSC 2 0,9448 0,9720 0,0081 4,3

EMSC&DT 2 0,9448 0,9720 0,0081 4,3

Hasil prediksi untuk kadar kafein green bean kopi berdasarkan masing-masing


dengan pretreatmen terbaik pada prediksi kadar kafein :

Gambar 11. Plot Data Prediksi Kadar Kafein Pretreatment EMSC


semuanya tergolong kedalam Sufficient Performance sehingga tidak dapat ditentukan

pretreatment terbaik. Untuk perbandingan data hasil prediksi dari setiap pretreatment dapat

dilihat pada tabel 4.





Tabel 4. Parameter Statistik Hasil Prediksi Kadar kafein Green Bean Kopi

Perlakuan Latent


Non

Pretreatment

8 0,5864 0,7657 0,4783 1,59

De-trending 8 0,5521 0,7430 0,4065 1,53

EMSC 8 0,6502 0,8063 0,3592 1,73

EMSC&DT 8 0,6502 0,8063 0,3592 1,73

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan data hasil penelitian dan pembahasan untuk prediksi kadar air dan

kafeein green bean kopi maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Panjang gelombang optimum kadar air green bean kopi pada kisaran 1400-1415 nm dan

1881-1910 nm. Serta panjang gelombang optimum kafein green bean kopi pada kisaran

1920-1947 nm

2. Metode PLS dan PCR dapat memprediksi kadar air dan kafein green bean kopi

dikarenakan menggunakan kombinasi linier untuk menduga variabel bebas (data

akuisisi NIR) dan variabel terikat (data uji laboratorium).

3. Extended Multiplicative Scatter Correction merupakan pretreatment terbaik dalam

memperbaiki spektrum green bean kopi.

Saran

Adapun saran yang dapat diberikan berdasarkan penelitian ini ialah sebaiknya pada

penelitian lanjutan diperbanyak data penelitian agar dapat dilakukan tahapan validasi.





DAFTAR PUSTAKA

Adnan, A., D. van Horsten, E. Pawelzik, dan D. Morlein. 2017. Rapid Prediction of Moisture

Content in intact green coffee beans using near infrared spectroscopy. Licensee MDPI.

6 : 38.

Blanco, M and I. Villarroya. 2002. NIR spectroscopy: a rapid-response analytical tool. Trends

in Analytical Chemistry. 21: 240-250.

Cen, H and He, Y. 2007. Theory and Application of Near Infrared Reflectance Spectroscopy

in Determination of Food Quality. J. Trends In Food Sci & Technol. Vol. 18. 72-83.

Kementan. 2015. Outlook Kopi. Pusat Data dan Sistem Informasi Pertanian. Jakarta

Nicolai, B.M., K. Beullens., E. Bobelyn., Peirs, A., W. Seays., K.I. Thero., and J. Lamertyn.

2007. Nondestructive measurement of fruit and vegetable quality by means of NIRS

spectroscopy: a review. Postharvest Biolology and Tecnology, 46: 99-118.

Ribeiro JS, Fereira MMC, Salva TJG. 2011. Chemometric models for the quantitative

descriptive sensory analysis of Arabica coffee beverage using near infrared

spectroscopy. Talanta. 83: 1352-1358


Prediksi Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi Menggunakan ...

Documents

Transcript of Prediksi Kadar Air dan Kafein Green Bean Kopi Menggunakan ...