Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.031.01
MOISTURE ABSORPTION AND FTIR CHARACTERISTIC OF TAPIOCA STARCH BIOCOMPOSITE REINFORCED DRAGON FRUIT ROOT FIBER (HYLOCEREUS POLYRHIZUS)
Mochamad Asrofi 1, a) , Hairul Abral 1, b) , Anwar Kasim 2, c) , Adjar Pratoto 1, d) , Melbi Mahardika 1, e)
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Andalas, Padang 25163, Indonesa
2 Jurusan Teknologi Hasil Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Andalas, Padang 25163, Indonesa.
Email: a) asrofi.net@gmail.com, b) abral@ft.unand.ac.id, c) anwar_ks@yahoo.com,
d) adjar.pratoto@ft.unand.ac.id, e) melbimahardika@gmail.com

## Abstrak
Biokomposit dari pati tapioka dan serat akar buah naga telah berhasil dibuat. Sebanyak 0, 2, 4, dan 6% serat  (dari  berat  kering  pati)  digunakan  sebagai  penguat  biokomposit.  Fabrikasi  biokomposit menggunakan  metode solution  casting .  Pengujian  serapan  uap  air  digunakan  untuk  mengetahui persentase  penyerapan  uap  air.  Gugus  fungsi  dari  biokomposit  ditentukan  dengan  karakterisasi  FTIR (Fourier  Transform  Infra-Red).  Persentase  penyerapan  uap  air  menunjukkan  bahwa,  film  pati  tapioka mempunyai serapan uap 21,7%. Hasil ini lebih tinggi dibandingkan dengan film tapioka ditambah serat. Fenomena  ini  didukung  dengan  analisis  FTIR  pada  gugus  serapan  air  sekitar wavenumber 1647  cm -1 . Pada daerah tersebut terlihat bahwa, film pati tapioka memiliki absorban yang tinggi dibandingkan film pati tapioka ditambah serat.
Kata-kata kunci : biokomposit, pati tapioka, serat akar buah naga, FTIR, serapan uap air.

## Abstract
Tapioca starch biocomposites reinforced dragon fruit root fiber was successfully produced. As much 0, 2, 4 and 6% fiber fractions (from dry starch weight basis) were used as reinforcement in biocomposites. The fabrication of biocomposites was solution casting method. Moisture absorption testing was used to know the percentage of moisture absorption. The functional group of biocomposites was determined by FTIR  (Fourier  Transform  Infra-Red)  characterization.  The  moisture  absorption  percentage  of  tapioca starch  film  was  21,7%.  This  result  was  higher  than  fiber-reinforced  biocomposites  film.  This phenomenon  was  supported  by  FTIR  analysis  on  functional  group  (water  absorption  band)  at wavenumber  1647  cm-1.  In  this  wavenumber,  tapioca  starch  film  has  higher  absorbance  than  fiber- reinforced biocomposites film.
Keywords : biocomposites, tapioca starch, dragon fruit root fiber, FTIR and moisture absorption.
Received: 1 February 2018 Revised: 10 April 2018 Accepted: 16 April 2018
Published: 30 April 2018
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## PENDAHULUAN
Bioplastik  berbasis  pati  menjadi  suatu  inovasi  terbaru  untuk  menggantikan  plastik  sintetis terutama  di  bidang  kemasan  makanan  [1].  Pati  dapat  dijadikan  sebagai  matriks  bioplastik  dengan proses pemanasan sampai pada suhu gelatinisasinya. Keunggulan pati adalah murah, ketersediaanya berlimpah,  dan  sifatnya  yang  ramah  lingkungan.  Dibandingkan  plastik  sintetis,  bioplastik  dari  pati memiliki keterbatasan seperti serapan uap air yang tinggi [2]. Kelemahan tersebut harus diatasi agar sifatnya dapat bersaing dengan plastik sintetis.
Salah satu usaha untuk memperbaiki sifat serapan uap air tersebut adalah penambahan serat alam. Fungsi  serat  alam  adalah  mencegah  molekul  air  untuk  berdifusi  ke  dalam  matriks  pati  [3,4].  Salah satu  kandidat  serat  alam  adalah  akar  buah  naga.  Serat  akar  buah  naga  merupakan  kandidat  yang memilki  potensi  besar  sebagai  agen  penguat  biokomposit.  Ini  dikarenakan  sifat  mekanisnya  yang baik  [5].  Selain  itu,  serat  ini  mudah  didapatkan  di  Indonesia  dan  tidak  beracun.  Pemanfaatan  serat akar buah naga sebagai penguat biokomposit sejauh ini belum dilaporkan oleh berbagai peneliti. Oleh karena itu, dalam riset ini serat akar buah naga digunakan sebagai penguat film pati tapioka berbasis biokomposit.
Beberapa penelitian tentang serapan uap air biokomposit dari pati diperkuat oleh serat alam telah banyak dilakukan. Seperti pati tapioka diperkuat serat luffa [2], eceng gondok [4,6], tandan kosong kelapa  sawit  [7],  kenaf  [8],  bambu  [9],  dan  nanas  [10].  Kunci  serapan  uap  air  terletak  pada  ikatan antara serat dan matriks. Ikatan tersebut dapat menghalangi molekul air masuk ke dalam matriks [4].
Dalam  riset  ini,  biokomposit  dari  pati  tapioka  diperkuat  serat  akar  buah  naga  telah  dibuat. Pengujian serapan uap air dilakukan untuk mengetahui persentase penyerapan uap air. Karakterisasi FTIR juga dilakukan untuk menentukan gugus fungsi dari film biokomposit.

## METODE PENELITIAN
Bahan  penguat  yaitu  serat  akar  buah  naga  yang  diperoleh  dari  petani  buah  naga  di  daerah Banyuwangi,  Indonesia.  Pati  tapioka  dengan  kandungan  amilosa  15%  digunakan  sebagai  matriks biokomposit.  Gliserol,  NaOH,  dan  aquades  tersedia  di  Laboratorium  Mekanik  dan  Metalurgi, Universitas Andalas.
Persiapan  serat  akar  buah  naga  dilakukan  sebanyak  dua  tahap  yaitu  alkalisasi  dan  pemutihan. Sebelum  alkalisasi,  serat  akar  buah  naga  disiapkan  dan  dibersihkan  menggunakan  aquades.  Proses alkalisasi serat menggunakan larutan 5% NaOH selama satu hari pada temperatur 25 o C seperti yang dilaporkan  peneliti  sebelumnya  [3].  Kemudian,  serat  dicuci  sampai  pH  7  (netral)  menggunakan aquades.  Setelah  netral,  serat  akar  buah  naga  diberikan  perlakuan  pemutihan  menggunakan perbandingan zat NaClO 2 dan CH 3 COOH (4:1) dengan pemanasan pada temperatur 60 o C selama 2 jam.  Serat  dinetralkan  menggunakan  aquades  dan  dikeringkan  pada  suhu  60 o C  di  dalam  oven pengering selama 4 jam. Serat akar buah naga yang kering telah didapatkan.
Pembuatan biokomposit: sebanyak 10 gram pati tapioka dimasukkan ke dalam gelas kimia yang berisi 100 ml aquades. Kemudian, 0, 2, 4, dan 6% serat akar buah naga (dari berat kering total pati) dimasukkan  ke  dalam  campuran  tersebut.  Gliserol  ditambahkan  sebanyak  2  ml  sebagai plasticizer . Kemudian, campuran tersebut diaduk dan dipanaskan menggunakan hot plate magnetic stirrer pada putaran  500  rpm  dengan  temperatur  60 o C  selama  30-40  menit  sampai  menggelatin.  Setelah menggelatin,  campuran  biokomposit  tersebut  diberi  perlakuan ultrasound menggunakan  alat ultrasonic  cell  crusher  dengan  model  BET-1500  pada  daya  600  watt  selama  1  menit.  Tujuan perlakuan ini untuk mambantu pembentukan film biokomposit agar film yang dihasilkan lebih bagus.
Campuran  biokomposit  tersebut  dicetak  pada  cawan  petri  dengan  diameter  15  cm.  Berat campuran  biokomposit  (dalam  bentuk  gelatin)  dikontrol  sebanyak  70  gram  dalam  cawan  petri. Setelah itu, biokomposit dikeringkan di dalam oven pengering pada temperatur 50 o C selama 20 jam. Hasil biokomposit telah didapatkan dalam bentuk film lembaran dan siap untuk dikarakterisai.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Untuk pengujian serapan uap air, film biokomposit dari berbagai variasi dibuat berukuran 1,0 cm x 1,5 cm dan dikeringkan di dalam oven pengering sampai beratnya konstan. Pengujian serapan uap air dilakukan di dalam sebuah wadah tupperware pada kelembapan relatif 75% dan temperatur 25 o C. Berat awal ( W o ) merupakan penimbangan awal sampel sebelum pengujian. Sementara itu, berat akhir ( W t ) merupakan berat akhir dari penimbangan sampel setiap 30 menit sekali. Persentase serapan uap air dihitung menggunakan persamaan yang dilaporkan oleh peneliti sebelumnya [4]:
Serapan Uap Air (%) = ((W t - W o ) / W o ) x 100 (1)
Dalam mendukung analisa pengujian serapan uap air, maka diperlukan uji penentuan gugus kimia dari  biokomposit.  Gugus  fungsi  dari  semua  sampel  film  biokomposit  dikarakterisasi  menggunakan FTIR  (Fourier  Transform  Infra-red).  Instrumen  berjenis  (Perkin-Elmer  Frontier  FT-IR)  digunakan untuk  merekam  hasil  spektrum  FTIR  semua  sampel  film  biokomposit.  Rentang wavenumber 600  – 4000 cm -1 dengan resolusi 4 cm -1 .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  1  menunjukkan  peresentase  penyerapan  uap  air  dari  biokomposit  yang  diuji.  Pengujian penyerapan uap air dilakukan selama 7,5 jam dalam kondisi RH 75 % dan temperatur 25 o C. Terlihat pada  gambar  bahwa  semua  film  biokomposit  sudah  mulai  jenuh  pada  kondisi  7,5  jam  pengujian. Biokomposit dengan 0% serat (film pati tapioka) memiliki serapan uap air sebesar 21,7%. Fenomena ini menunjukkan bahwa film pati tapioka lebih bersifat hidrofilik [2,4,10].
GAMBAR 1. Serapan uap air dari sampel biokomposit yang diuji.
Hasil  ini  berbeda  dengan  film  biokomposit  yang  ditambahkan  serat.  Film  biokomposit  yang ditambahkan  dengan  serat  memiliki  serapan  uap  air  yang  lebih  rendah.  Pada  biokomposit  yang ditambahkan 6% serat, nilai serapan uap air turun sebesar 2% dari film biokomposit tanpa serat. Ini dikarenakan  serat  dapat  mencegah  molekul  air  untuk  masuk  ke  dalam  matriks  seperti  yang dilaporkan oleh peneliti sebelumnya [4,10]. Data ini juga didukung oleh data FTIR pada wavenumber 1700-1600 cm -1 yang mengindikasikan gugus serapan air.
Pada gambar 2 menunjukkan grafik FTIR biokomposit dari pati tapioka diperkuat serat akar buah naga. Terlihat pada gambar 2a, terdapat tiga puncak utama dalam rentang wavenumber yang berbeda. Tiga daerah puncak tersebut dalam wavenumber 3500-3000 cm -1 (peregangan O-H), 2800-2900 cm -1 (peregangan  C-H),  dan  1600-1700  cm -1 (gugus  penyerapan  uap  air) [2,11].  Pada  gugus  penyerapan
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
O-H sekitar wavenumber 3000 cm -1 (Gambar 2b), biokomposit dengan serat menunjukkan pergeseran wavenumber ke arah yang lebih rendah. Ini mengindikasikan bahwa interaksi antara matriks dan serat membentuk  formasi  ikatan  hidrogen  yang  baru  [11,12].  Hasil  yang  sama  juga  dilaporkan  oleh Kaewtatip,  bahwa  ikatan  hidrogen  antara  matriks  dan  serat  menyebabkan  penurunan wavenumber . Mereka menjelaskan bahwa ikatan hidrogen tersebut melemah karena adanya fenomena delokalisasi elektron [2].
Selain  itu,  peregangan  C-H  muncul  antara wavenumber 2800-2900  cm -1 di  semua  sampel biokomposit.  Ini  mengindikasikan  bahwa  semua  sampel  biokomposit  mengandung  komponen aliphatic jenuh [13]. Fenomena lain juga muncul pada sekitar wavenumber 1700-1600 cm -1 (Gambar 2c). Pada daerah ini, puncak serapan air mucul pada setiap sampel biokomposit. Nilai serapan uap air dari  film  biokomposit  dengan  0,  2,  4,  dan  6%  serat  adalah  0,108;  0,106;  0,097;  dan  0,094  untuk masing-masing.  Dengan  hasil  tersebut,  maka  film  tapioka  memiliki  serapan  air  yang  lebih  tinggi daripada yang ditambahkan serat [2,4,14]. Hasil ini juga didukung dengan data serapan uap air yang menunjukkan bahwa film tapioka mempunyai persentase uap air yang tinggi.
Film  biokomposit  dengan  diperkuat  serat  memiliki  serapan  uap  air  yang  lebih  rendah.  Ini dikarenakan  serat  menjadi  agen  penghalang  molekul  air  untuk  masuk  ke  dalam  matriks  film  pati tapioka. Hal serupa juga dilaporkan oleh peneltian sebelumnya [4,14].
(a) (b) (c)
GAMBAR 2. Gugus fungsional sampel biokomposit yang diuji: (a) Gugus yang muncul, (b) Pergeseran nilai wavenumber , (c) Gugus fungsi serapan air.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## SIMPULAN
Film  biokomposit  dari  pati  tapioka  dan  serat  akar  buah  naga  telah  dibuat  menggunakan  metode solution  casting .  Efek  penambahan  serat  sebesar  0,  2,  4,  dan  6%  dari  berat  kering  pati  telah dipelajari.  Hasil  menunjukkan  bahwa  serapan  uap  air  dari  film  pati  tapioka  mempunyai  nilai  yang paling  tinggi  yaitu  21,7%  pada  kondisi  pengujian  7,5  jam.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  film  pati tapioka  lebih  bersifat  hidrofilik.  Fenomena  ini  didukung  oleh  data  FTIR  yang  menunjukkan  gugus serapan air pada wavenumber 1700-1600 cm -1 .

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih atas dukungan finansial yang diberikan oleh Kementrian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi (Kemenristek DIKTI) Indonesia dengan skema penelitian PMDSU Batch-2 tahun 2017.

## REFERENSI
[1] H.M.C.  de  Azeredo,  “Nanocomposites  for  Food  Packaging  Applications,” Food  Res.  Int. , vol. 42, no. 9, pp. 1240–1253, 2009.
[2] K. Kaewtatip, and J.  Thongmee,  “Studies  on  the  Structure and  Properties  of  Thermoplastic Starch / Luffa Fiber Composites,” Mater. Des. , vol. 40, pp. 314–318, 2012.
[3] H.  Abral,  M.F.  Gafar,  H.  Andriyanto,  Ilhamdi,  S.M.  Sapuan,  M.R.  Ishak,  and  Evitayani, “Alkali  Treatment  of  Screw  Pine  (Pandanus  Odoratissimus)  Fibers  and  Its  Effect  on Unsaturated  Polyester  Composites,” Polym.  Plast.  Technol.  Eng. ,  vol. 51,  no. 1,  pp.  12-18, 2012.
[4] H. Abral, and J. Hartono, “Moisture Absorption of Starch Based Biocomposites Reinforced with Water Hyacinth Fibers,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng ., vol. 213 (September 2017), 2017.
[5] O.  Faruk,  A.K.  Bledzki,  H.P.  Fink,  and  M.  Sain,  “Biocomposites  Reinforced  with  Natural Fibers : 2000 – 2010,” Prog. Polym. Sci. , vol. 37, no. 11, pp. 1552–1596, 2012.
[6] M.  Asrofi,  H.  Abral,  Y.K.  Putra,  S.M.  Sapuan,  and  H.J.  Kim,  “Effect  of  Duration  of Sonication  During  Gelatinization  on  Properties  of  Tapioca  Starch  Water  Hyacinth  Fiber Biocomposite,” Int. J. Biol. Macromol. , vol. 108, pp. 167-176, 2018.
[7] H. Abral, G.J. Putra, M. Asrofi, J.W. Park, and H.J. Kim, “Effect of Vibration Duration  of High Ultrasound Applied to Bio-Composite While Gelatinized on Its Properties,” Ultrason. Sonochem. , vol. 40, pp. 697-702, 2018.
[8] H.  Anuar,  and  A.  Zuraida,  “Improvement  in  Mechanical  Properties  of  Reinforced Thermoplastic Elastomer Composite with Kenaf Bast Fibre,” Compos. Part B Eng ., vol. 42, no. 3, pp. 462–465, 2011.
[9] S.  Lee,  and  S.  Wang,  “Biodegradable  Polymers  /  Bamboo  Fiber  Biocomposite  with  Bio- Based Coupling Agent,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf ., Vol. 37, no. 1, pp. 80–91, 2006.
[10] W. Liu, M. Misra, P. Askeland, L.T. Drzal, and A.K. Mohanty, “‘Green’ Composites From Soy  Based  Plastic  and  Pineapple  Leaf  Fiber:  Fabrication  and  Properties  Evaluation,” Polymer , vol. 46, no. 8, pp. 2710–2721, 2005.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[11] J. Prachayawarakorn, S. Chaiwatyothin, S. Mueangta, and A. Hanchana, “Effect of Jute and Kapok Fibers on Properties of Thermoplastic Cassava Starch Composites,” Mater. Des. , vol. 47, pp. 309–315, 2013.
[12] F.Z.  Arrakhiz,  M.  Elachaby,  R.  Bouhfid,  S.  Vaudreuil,  M.  Essassi,  and  A.  Qaiss, “Mechanical  and  Thermal  Properties  of  Polypropylene  Reinforced  with  Alfa  Fiber  Under Different Chemical Treatment,” Mater. Des. , vol. 35, pp. 318–322, 2012.
[13] N.S. Lani, N. Ngadi, A. Johari, and M. Jusoh, “Isolation, Characterization, and Application of  Nanocellulose  From  Oil  Palm  Empty  Fruit  Bunch  Fiber  As  Nanocomposites,” J. Nanomater. , vol. 2014, pp. 1-9, 2014.
[14] V.P.  Cyras,  L.B.  Manfredi,  M.T.  Ton-That,  and  A.  Vazquez,  “Physical  and  Mechanical Properties  of  Thermoplastic  Starch  /  Montmorillonite  Nanocomposite  Films,” Carbohydr. Polym. , vol. 73, no. 1, pp. 55–63, 2008.