## SIFAT MEKANIK DARI BIOKOMPOSIT FILM PATI UBI KAYU DENGAN PENGUAT SERAT AKAR BUAH NAGA (HYLOCEREUS POLYRHIZUS)
Melbi Mahardika 1 , Mochamad Asrofi 1 , Hairul Abral 2 , Anwar Kasim 3 , Syukri Arief 4
1 Mahasiswa Doktoral Program Studi Ilmu Pertanian Pascasarjana Universitas Andalas Padang
2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas Padang
3 Staf Pengajar Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Andalas Padang
4 Staf Pengajar Jurusan Kimia FMIPA Universitas Andalas Padang 25163 Indonesia
Email: melbimahardika@gmail.com

## ABSTRACT
Dragon fruit  root  fiber  used  as  a reinforcement  in  the  biocomposites  film  of  cassava  starch.  The production  method  of  biocomposites  film  was  solution  casting.  The  cassava  starch  serves  as  the matrix in the biocomposites film. The variation of amount fiber in matrix was 2, 4 and 6%  from dry starch weight basis. Isolation of dragon fruit root fiber used alkalization and bleaching process with NaOH,  NaClO 2 and  CH 3 COOH,  respectively.  Glycerol  was  used  as  plasticizers.  Mechanical properties of biocomposites was determined by tensile test. The result shows that, tensile strength increased 200% after the addition of 6% fiber compared to pure starch film. Tensile test data was supported by X-Ray Difraction (XRD).
Keywords: Biocomposite, Cassava Starch, Dragon fruit root fiber, Mechanical properties, XRD.

## PENDAHULUAN
Kelebihan  biokomposit  pati  dibandingkan dengan  plastik  konvensional  adalah  ramah lingkunan, tidak beracun dan sumbernya berlimpah di alam [1, 2]. Bahan yang menjanjikan untuk  pembuatan  biokomposit  film  adalah  pati. Kelemahan  dari  film  pati  murni  yaitu  memiliki sifat  hidrofilik  dan  sifat  mekanik  yang  buruk dibandingkan  dengan  plastik  konvensional  [3]. Solusi untuk mengatasi kelemahan tersebut adalah dengan  menambahkan  penguat  serat  alam  [4,  5]. Beberapa penelitian terdahulu tentang pembuatan biokomposit pati dengan penguat serat alam adalah pati  kentang  dengan  penguat  jerami  gandum  [6] dan  pati  gandum  dengan  penguat  serat  rami  [7]. Pati  merupakan  gabungan  2  homopolimer  yang terdiri  dari  D-glukosa,  amilosa  dan  amilopektin [8].  Efek  struktur  pati  terhadap  kekuatan  tarik biokomposit  tergantung  jumlah  amilosa  yang dimilikinya.  Jika  kandungan  amilosa  pati  lebih banyak  dari  pada  kandungan  amilopektin  akan membuat biokomposit film pati memiliki elastisitas tinggi [9]. Faktor lain yang mempengaruhi  kekuatan  tarik  biokomposit  film adalah  jumlah plasticizer seperti  gliserol  dan kondisi Relative Humidity (RH). Semakin banyak jumlah gliserol menyebabkan penurunan kekuatan tarik  biokomposit  film  [10].  Semakin  tinggi  RH menyebabkan penurunan kekuatan tarik biokomposit  film  [11].  Film  pati  murni  memiliki sifat mekanik yang buruk. Penambahan serat alam di dalam biokomposit pati akan memperbaiki sifat mekanik biokomposit film [5].
Beberapa  serat  alam  yang  digunakan  di dalam  biokomposit  film  adalah  serat  sisal  [12], serat ubi kayu [13] dan serat rami [7]. Salah satu serat  alam  yang  menjanjikan  untuk  dijadikan penguat  biokomposit  film  adalah  serat  akar  buah naga.
Penelitian tentang pembuatan biokomposit film pati ubi kayu dengan penguat serat akar buah naga  belum  dilaporkan  sejauh  ini.  Tujuan  dari penelitian  ini  adalah  melihat  efek  penambahan serat  akar  buah  naga  terhadap  sifat  mekanik biokomposit  film  pati  ubi  kayu.  Pengujian  sifat mekanik  dilakukan  untuk  mengetahui  kekuatan tarik  biokomposit,  modulus  elastisitas  dan elongation  at  break dari  biokomposit  film. Pengujian  tarik  akan  didukung  oleh  data X-Ray Difraction (XRD).

## BAHAN DAN METODOLOGI PENELITIAN Bahan
Pati ubi kayu dibeli di toko lokal yang ada di Padang dengan merk cap pak Tani. Pati ubi kayu memiliki  kadar  amilosa  sebesar  15%.  Gliserol didapatkan  dari  Laboratium  Material  Teknik, Universitas Andalas. Serat akar buah naga berasal dari  Kabupaten  Banyuwangi,  Jawa  Timur, Indonesia.  Bahan  kimia  seperti  NaOH,  NaClO 2 dan CH 3 COOH merupakan produk dari Bratachem.

## Persiapan Serat Akar Buah Naga
Serat  akar  buah  naga  dilakukan  proses alkalisasi  dengan  NaOH  5%  semalam  [14].  Serat
akar  buah  naga  dinetralkan  dengan  air  mengalir sampai  didapatkan  pH  7.    Serat  akar  buah  naga dikeringkan  pada  oven  selama  6  jam  dengan temperatur 50 o C. Serat akar buah naga yang kering dihancurkan  dengan  blender  ( slow  grinding  fruit juicer ).  Dilanjutkan  proses  pemutihan  dengan NaClO 2 dan  CH 3 COOH.  Perbandingan  NaClO 2 dan CH 3 COOH adalah 4 : 1 [15]. Proses pemutihan dilakukan  selama  3  jam  dengan hot  plate pada temperatur 60 o C. Serat akar buah naga dikeringkan oven selama 6 jam dengan temperatur 50 o C. Serat akar  buah  naga  yang  kering  dihancurkan  dengan blender.  Bubuk  serat  akar  buah  naga  yang  putih didapatkan.  Serat  akar  buah  naga  digunakan sebagai  penguat  di  dalam  biokomposit  film. Bentuk granula serat akar buah naga dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Granula serat akar buah naga setelah proses alkalisasi dan pemutihan

## Pembuatan Biokomposit
Pati ubi kayu 10 gr dilarutkan di dalam 100 mL  aquades.  Serat  akar  buah  naga  ditambahkan sebagai  penguat  di  dalam  larutan  pati  ubi  kayu. Variasi volume fraksi serat akar buah naga adalah 2,  4  dan  6%  terhadap  berat  kering  pati.  Gliserol sebanyak 2  mL ditambahkan  ke dalam campuran untuk  proses  gelatinisasi.  Temperatur  gelatinisasi yang digunakan adalah 60 o C dengan menggunakan hot  plate  stirrer (DAIHAN SCIENTIFIC  MSH-200).  Campuran  yang  telah menggelatin  dilakukan  ultrasonikasi  selama  2 menit. Proses ultrasonikasi menggunakan ultrasonic  cell  crusher (SJIA-1200W)  dengan daya  600  W.  Metode  yang  digunakan  untuk pembuatan  biokomposit  adalah  metode solution casting .  Campuran  dituangkan  ke  dalam  cawan petri  yang  berdiameter  145  mm.  Campuran dikeringkan  pada  oven  (Memmert  Germany, Model  UN  55)  selama  20  jam  pada  temperatur 50 o C.  Biokomposit  film  pati  bengkuang  dengan penguat serat akar buah naga didapatkan.

## Penentuan Sifat Mekanik Biokomposit
Pengujian  tarik  film  pati  ubi  kayu  dengan penguat  serat  akar  buah  naga  telah  berhasil
dilakukan. Pengujian tarik biokomposit menggunakan  mesin  uji  tarik  COM-TEN  series 95TS5K.  Kecepatan  penarikan  biokomposit adalah  4,5  mm/min  dengan  daya  110  Volt-50/60 Hz. Tebal dan lebar dari biokomposit dimasukkan. Standar  pengujian  tarik  yang  digunakan  adalah American  Society  for  Testing  and  Materials (ASTM) D 882-12 di dalam kondisi ruangan. Hasil yang  didapatkan  dari  pengujian  tarik  adalah kekuatan tarik, modulus elastisitas dan elongation at  break. Setiap  variasi  sampel  dilakukan  5  kali pengulangan.  Kekuatan  tarik  didapatkan  dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang sampel. Modulus elastisitas merupakan perbandingan  antara  tegangan  dengan  regangan.
Elongation  at  break merupakan  pertambahan panjang  yang  terjadi  selama  pengujian  tarik sampai sampel putus.
Pengujian X-Ray Difraction (XRD) Pengujian XRD
bertujuan untuk mengetahui  indeks  kristalinitas  dari  biokomposit film. Pengujian XRD menggunakan mesin X’Pert PRO  PANalytical  instrument (Universitas  Negeri Padang,  Indonesia).  Kondisi  pengujian  XRD menggunakan  radiasi  CuKα  dengan  panjang gelombang  (λ=0,154).  Daya  dan  arus  yang digunakan  dalam  pengujian  XRD  adalah  40  kV dan 30 mA. Rentang laju difraksi adalah 5 o sampai 50 o dengan  laju  kenaikan  2θ-0.02 o .  Indeks kristalinitas  (Ic)  dari  biokomposit  film  dihitung menggunakan metode segel (Eq. (1)). Ic=[(I 002 -I am )/I 002 ]x100    (1) I 002 adalah  intensitas  difraksi  2θ-22.6 o yang menandakan  daerah  kristalin  material.  I am adalah intensitas difraksi 2θ-18 o yang menandakan daerah amorf material.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Mekanik Biokomposit
Hasil  pengujian  tarik  biokomposit  dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Pengujian tarik biokomposit film
Dari gambar 1 efek penambahan serat akar buah naga di dalam biokomposit film pati ubi kayu meningkatkan  sifat  mekanik  biokomposit  film dibandingkan  dengan  film  pati  murni.  Kekuatan tarik  maksimal  biokomposit  film  didapatkan
dengan  penambahan  6%  serat.  Peningkatan kekuatan  tarik  sebesar  200%  dibandingkan  film pati  murni  tanpa  serat.  Hasil  ini  dikarenakan peningkatan  daerah  kristalin  setelah  penambahan serat  akar  buah  naga.  Hal  ini  dibuktikan  dengan hasil  XRD  dan  penelitian  sebelumnya  [16]. Peningkatan kekuatan tarik juga disebabkan ikatan yang baik antara rantai selulosa pada serat dengan rantai amilopektin pada pati [2, 7].
Gambar 2. Modulus elastisitas biokomposit film
Dari gambar 2 terlihat modulus elastisitas biokomposit film. Modulus elastisitas  merupakan perbandingan  antara  tegangan  dengan  regangan. Fenomena  untuk  modulus  elastisitas  biokomposit film sama seperti hasil pengujian tarik biokomposit  film.  Efek  penambahan  serat  akar buah  naga  meningkatkan  modulus  elastisitas biokomposit film.
Gambar 3. Elongation at break biokomposit film
Dari gambar 3 terlihat elongation at break biokomposit  film.  Penambahan  serat  akar  buah naga menurunkan elongation at break biokomposit film. Penurunan elongation at break biokomposit mengindikasikan serat efektif bekerja di dalam matriks untuk menahan beban luar.

## Pengujian XRD
Hasil pengujian XRD untuk film pati murni dan  biokomposit  pati  dengan  penambahan  serat akar  buah  naga  2,  4  dan  6%  dapat  terlihat  pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik XRD biokomposit
Hasil  pengukuran  indeks  kristalinitas biokomposit film dapat terlihat pada tabel 1.
Tabel 1 Indeks Kristalinitas Biokomposit Film
Sampel I 002 I AM Indeks Kristalinitas (%) Film Pati Ubi Kayu 866,88 844,12 2,63 Biokomposit pati + 2% serat 1044,59 942,69 9,76 Biokomposit pati + 4% serat 1046,71 911,44 12,92 Biokomposit pati + 6% serat 1080,22 911,06 15,66
Penambahan  konsentrasi  serat  akar  buah dapat  naga  meningkatkan  indeks  kristalinitas biokomposit  film.  Hal  ini  didukung  oleh  hasil pengujian tarik dan penelitian sebelumnya [4, 17].

## KESIMPULAN
Pengujian  tarik  biokomposit  film  pati  ubi kayu dengan penambahan penguat serat akar buah naga  meningkatkan  sifat  mekanik  film.  Hasil pengujian  kekuatan  tarik  biokomposit  didukung oleh  pengujian  XRD.  Hasil  pengujian  XRD menunjukkan  seiiring  dengan  penambahan  serat akar buah naga  meningkatkan indeks kristalinitas biokomposit  film  dibandingkan  film  pati  murni. Kenaikan  indeks  kristalinitas  meningkatkan  sifat mekanik biokomposit film.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih kepada Kementrian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi (Kemenristek DIKTI)
Indonesia  atas  bantuan  dana  penelitian  PMDSU batch 2  tahun  2017.  Penulis  juga  mengucapkan terima  kasih  kepada  Prof.  Dr.-Ing.  Hairul  Abral dan staf dosen promotor atas bimbingan yang telah diberikan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Teixeira,  E.d.M.,  et  al.,  Cassava  bagasse cellulose nanofibrils reinforced thermoplastic cassava  starch.  Carbohydrate  Polymers, 2009. 78(3): p. 422-431.
[2] Ghanbarzadeh,  B.,  H.  Almasi,  and  A.A. Entezami,  Improving  the  barrier  and mechanical  properties  of  corn  starch-based edible  films:  Effect  of  citric  acid  and carboxymethyl  cellulose.  Industrial  Crops and Products, 2011. 33(1): p. 229-235.
[3] Averous, L. and N. Boquillon, Biocomposites  based  on  plasticized  starch: thermal and mechanical behaviours. Carbohydrate Polymers, 2004. 56(2): p. 111- 122.
[4] Ma, X., J. Yu, and J.F. Kennedy, Studies on the  properties  of  natural  fibers-reinforced thermoplastic starch composites. Carbohydrate  Polymers,  2005.  62(1):  p.  19- 24.
[5] Torres,  F.G.,  O.H.  Arroyo,  and  C.  Gomez, Processing  and  Mechanical  Properties  of Natural  Fiber  Reinforced  Thermoplastic Starch Biocomposites. Journal of Thermoplastic  Composite  Materials,  2007. 20(2): p. 207-223.
[6] Alemdar,  A.  and  M.  Sain,  Biocomposites from  wheat  straw  nanofibers:  Morphology, thermal and mechanical properties. Composites  Science  and  Technology,  2008. 68(2): p. 557-565.
[7] Lu, Y., L. Weng, and X. Cao, Morphological, thermal  and  mechanical  properties  of  ramie crystallites—reinforced  plasticized  starch biocomposites. Carbohydrate Polymers, 2006. 63(2): p. 198-204.
[8] Pareta,  R.  and  M.J.  Edirisinghe,  A  novel method for the preparation of starch films and
coatings.  Carbohydrate  Polymers,  2006. 63(3): p. 425-431.
[9] Muscat, D., et al., Comparative study of film forming behaviour of low and high amylose starches  using  glycerol  and  xylitol  as plasticizers.  Journal  of  Food  Engineering, 2012. 109(2): p. 189-201.
[10] Alves,  V.D.,  et  al.,  Effect  of  glycerol  and amylose  enrichment  on  cassava  starch  film properties.  Journal  of  Food  Engineering, 2007. 78(3): p. 941-946.
[11] Mali,  S.,  et  al.,  Water  sorption  and mechanical properties of cassava starch films and  their  relation  to  plasticizing  effect. Carbohydrate Polymers, 2005. 60(3): p. 283- 289.
[12] Alvarez,  V.,  A.  Vazquez,  and  C.  Bernal, Effect  of  Microstructure  on  the  Tensile  and Fracture  Properties  of  Sisal  Fiber/Starch- based  Composites.  Journal  of  Composite Materials, 2005. 40(1): p. 21-35.
[13] Carr, L.G., et al., Influence of Fibers on the Mechanical  Properties  of  Cassava  Starch Foams.  Journal  of  Polymers  and  the Environment, 2006. 14(2): p. 179-183.
[14] Abral,  H.,  et  al.,  Effect  of  Alkalization  on Mechanical  Properties  of  Water  Hyacinth Fibers-Unsaturated  Polyester  Composites.
Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2013. 52(5): p. 446-451.
[15] C.S, J.C., N. George, and S.K.
Narayanankutty,
Isolation and
characterization of cellulose nanofibrils from arecanut husk fibre. Carbohydrate Polymers, 2016. 142: p. 158-166.
[16] Müller,  C.M.O.,  J.B.  Laurindo,  and  F. Yamashita, Effect of cellulose fibers addition on the mechanical properties and water vapor barrier of starch-based films. Food Hydrocolloids, 2009. 23(5): p. 1328-1333.
[17] Asrofi,  M.,  et  al.,  Characterization  of  the microfibrillated cellulose from water hyacinth  pulp  after  alkali  treatment  and  wet blending.  IOP  Conference  Series:  Materials Science  and  Engineering,  2017.  204(1):  p. 012018.