Submitted : 28 September 2019 Revised : 22 Oktober 2019 Accepted : 4 Desember 2019

## SINTESIS NANOPRTIKEL KITOSAN MELALUI TEKNIK EMULSIFIKASI SIMULTAN DAN SELF-ASSEMBLY NANOPARTICLES SEBAGAI MATERIAL KEMASAN AKTIF
Sri Agustina * , Endarto Yudo Wardhono, Namiroh, Ahmad Aldrian Alfiansyah Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Untirta, Jalan Jend. Sudirman Km 3, Cilegon, Banten - Indonesia
* Email: sriagustina@untirta.ac.id

## Abstrak
Dalam beberapa waktu belakangan ini, terlihat perkembangan yang cukup pesat pada pengembangan material maju untuk aplikasi pengemasan makanan yang dapat meningkatan keamanan dan umur simpan bahan pangan tersebut. Sistem kemasan aktif telah mulai digunakan sebagai salah satu metode yang efektif untuk meningkatkan keamanan dan umur simpan bahan pangan. Nanopartikel kitosan memperlihatkan sifat material yang menarik dan menjadikannya sebagai material yang sesuai untuk digunakan sebagai material kemasan aktif. Stabilitas dan sifat-sifat  material  nanopartikel  kitosan  dapat  ditingkatkan  melalui  proses  modifikasi  kitosan  dengan menggunakan  biopolimer  dan  senyawa  aktif.  Pada  penelitian  ini,  nanopartikel  kitosan  termodifikasi  dibuat melalui teknik emulsifikasi dan proses self-assembly nanopartikel secara simultan, dengan menggunakan Sodium Tripolyphosphate  (STPP).  Senyawa  bioaktif  (minyak  biji  bunga  matahari)  dienkapsulasi  ke  dalam  nanopartikel kitosan  untuk  meningkatkan  sifat  material  kemasan  aktif.  Kondisi  sistem  operasi  diamati  pada  penelitian  ini. Karakterisasi  dan  pengamatan  morfologi  nanopartikel  dilakukan  dengan  menggunakan  analisis  Dynamic  light scattering  (DLS).  Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  indikasi  bahwa  nanopartikel  kitosan  termodifikasi  dapat menjadi salah satu material kemasan aktif yang menjanjikan di masa yang akan datang.

## Kata Kunci: Emulsifikasi, Kemasan aktif, Kitosan, Nanopartikel, Self-assembly

## Abstract
In recent times, there is growing interest to develop advanced materials for food packaging applications which can improve food safety and shelf-life. Active food packaging systems has been used as an effective method to enhance the food safety and shelf-life. Chitosan nanoparticles represents interesting properties which makes it a suitable material for  active  packaging  system.  The  stability  and  properties  of  chitosan  nanoparticles  can  be  enhanced  by  the modification of chitosan using biopolymer and bioactive compound. In this study, the modified chitosan nanoparticles were  prepared  via  emulsion-based  self-assembly  technique  using  Sodium  Tripolyphosphate  (STPP).  Bioactive compound  (sunflower  oil,  SO)  was  encapsulated  in  chitosan  nanoparticles  to  enhanced  the  property  of  active packaging materials. The systematic condition in preparation was studied. The characterization and morphology of the nanoparticles were investigated by Dynamic light scattering (DLS) analysis. The obtained results indicate that the modified chitosan nanoparticles may be a promising material for active food packaging materials.
Keywords: Active Packaging, Chitosan, Emulsification, Nanoparticles, Self-Assembly

## 1. PENDAHULUAN
Salah  satu  inovasi  dalam  bidang  pengemasan makanan  yang  gencar  dikembangkan  saat  ini  adalah teknologi  kemasan  pintar  (smart  packaging),  yang dapat  dibedakan  menjadi  kemasan  aktif  (active packaging) dan kemasan cerdas (intelligent packaging)
(Fuertes  et  al.,  2016).  Dalam  kemasan  aktif  dan kemasan  cerdas  tersebut  terjadi  “interaksi”  antar pangan  atau  antar  lingkungan  dengan  material kemasan  yang  digunakan.  Kemasan  aktif  berfungsi untuk  memperpanjang  umur  simpan  produk  pangan atau  meningkatkan  kualitas  pangan  yang  dikemas.

## JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip
Sementara  kemasan  cerdas  digunakan  untuk memonitor  dan  memberikan  informasi  mengenai kualitas  produk  makanan  yang  dikemas  (Biji, Ravishankar, Mohan, & Gopal, 2015).
Nanoteknologi  merupakan  metode  yang  paling banyak  dikaji  penerapannya  pada  proses  preparasi material kemasan pintar. Nanopartikel yang digunakan sebagai material kemasan pintar ini berfungsi sebagai senyawa  pembawa  (carrier)  komponen  aktif  yang bersifat  sebagai  biosensor  atau  aditif  pada  produk pangan  (Silvestre,  Duraccio,  &  Cimmino,  2011). Beberapa manfaat yang terlihat pada studi penerapan kemasan  pintar  pada  produk  pangan  yaitu  dapat mengendalikan proses pematangan buah, mempertahankan kesegaran daging, dan deteksi masa kadaluwarsa pangan.
Pemanfaatan  teknologi  nanomaterial  polimer dalam  bidang  pengemasan  makanan  telah  meningkat dalam  beberapa  dekade  terakhir.  Pada  umumnya, nanomaterial  polimer  digunakan  dalam  teknologi pengemasan makanan dengan tujuan untuk memperbaiki  atau  meningkatkan  sifat-sifat  material serta  meningkatkan  fungsi  sistem  kemasan  menjadi kemasan  pintar  (Silvestre  et  al.,  2011).  Peningkatan sifat-sifat  material  kemasan  dapat  dilakukan  dengan penggabungan  material  polimer  dan  nanopartikel menjadi  material  baru  yang  disebut  sebagai  nano- komposit. Pada kemasan aktif, nanopartikel berfungsi sebagai senyawa pembawa komponen aktif yang akan melepaskan  komponen  aktif  tersebut  bila  terjadi perubahan  lingkungan  akibat  proses  awal  degradasi pada  permukaan  produk  pangan  (Crucho  &  Barros, 2017).  Sementara  itu  pemanfaatan  nanopartikel sebagai  partikel  reaktif  dalam  sistem  pengemasan cerdas  dikenal  sebagai  nanosensor,  yang  memiliki kemampuan  untuk  bereaksi  terhadap  kontaminasi mikroba,  perubahan  lingkungan  (seperti  kelembaban, pH,  temperatur  dalam  ruang  penyimpanan,  tingkat pelepasan  oksigen,  dan  lain-lain),  atau  terjadinya degradasi pada bahan makanan (Fuertes et al., 2016).
Nanopartikel memiliki kemampuan untuk beradaptasi dengan lingkungan sekitar (biocompability)  (Silvestre  et  al.,  2011).  Sifat-sifat nanopartikel  (properties)  juga  dapat  disesuaikan dengan  tujuan  pemakaian  melalui  pemilihan  proses preparasi  yang  tepat.  Hal  ini  merupakan  kelebihan nanopartikel  yang  dapat  dimanfaatkan  untuk  aplikasi di bidang teknologi pangan sebagai material kemasan cerdas  yang  dapat  mengontrol  proses  pelepasan senyawa  aktif  ke  produk  makanan  yang  dikemas. Terjadinya migrasi senyawa aktif yang tidak diinginkan dapat  dihindari  dengan  menciptakan  dan  merancang nanopartikel  sebagai  material  kemasan  yang  hanya responsif  pada  kondisi  sistem  (misalnya  pH, temperatur, dan lain-lain) tertentu saja.
Secara  umum,  teknik  pembentukan  nanopartikel dapat  dibedakan  menjadi  dua,  yaitu  melalui  direct monomer  polymerization  atau  proses  polimerisasi monomer  dan  preformed  polymerization  atau  proses pengolahan  polimer  (setelah  melewati  proses polimerisasi  monomer).  Proses  polimerisasi  emulsi dan  dispersi  termasuk  pada  proses  polimerisasi
monomer (McClements & Rao, 2011). Teknik ini cukup populer  karena  mampu  menghasilkan  nanopartikel dengan  konsentrasi  dan  homogenitas  produk  yang cukup tinggi. Namun dari aspek morfologi nanopartikel dirasakan  tidak  cukup  baik  karena  hanya  mampu menghasilkan  satu  tipe  morfologi  saja.  Berbagai  jenis morfologi  mampu  dihasilkan  melalui  teknik  self- assembly, seperti: spherical micelles, nanowires, vesicles, rods-like,  tubes,  doughnut,  dan  lain-lain  (Rao  & Geckeler, 2011).
Teknik self-assembly merupakan teknik pengolahan polimer yang paling populer untuk proses sintesis  nanopartikel.  Beragam  morfologi  dapat dihasilkan  melalui  teknik  preparasi  ini  baik  secara langsung  maupun  menggunakan  peralatan  membran emulsifikasi  (Agustina,  Tokuda,  Minami,  Boyer,  & Zetterlund,  2017).  Terdapat  dua  jenis  teknik  self- assembly  yang  digunakan  dalam  pembentukan nanopartikel polimer, yaitu teknik self-assembly dalam bulk  (non-solvent)  dan  teknik  self-assembly  dalam media pelarut cair (Mai & Eisenberg, 2012).
Nanopartikel  polimer  dengan  berbagai  morfologi berhasil didapatkan melalui teknik manipulasi pelarut, termasuk  diantaranya  spherical  micelles,  worm-like micelles,  rod-like,  large  compound  micelle,  dan vesicles (Nie, Xu, Seo, Lewis, & Kumacheva, 2005). Pada teknik ini,  polimer  dilarutkan  dalam  pelarut  organik  hingga terjadi  pencampuran  secara  sempurna.  Kemudian dilakukan  proses  pelarutan  kedua  menggunakan  co- solvent  yang  tidak  larut  (undissolved) pada  salah  satu blok  polimer.  Proses  penggantian/manipulasi  pelarut ini akan mendorong terjadinya transformasi morfologi, dari  spherical  micelles  menjadi  morfologi  lain  yang lebih  besar  seperti:  rods,  vesicles,  large  compound micelles,  dan  lain-lain  (Piacentini,  Drioli,  &  Giorno, 2014).
Proses  pengembangan  aplikasi  nanopartikel  ke dalam  material  kemasan  pintar  umumnya  melalui penggabungan  senyawa  bioaktif  ke  dalam  matriks polimer  melalui  proses  nanoemulsifikasi.  Wu  dan kawan-kawan melakukan penelitian dengan menggunakan  metode  nanoemulsi  untuk  mensintesis material  kemasan  berbahan  polimer  sebagai  matriks biopolimer  dan  essensial  oil  dari  buah  jeruk  sebagai komponen bioaktif (Wu, Dellacherie, Durand, & Marie, 2009).
Beberapa  penelitian  lainnya  juga  telah  dilakukan dengan  menggunakan  metode  yang  sama  dengan material  polimer  yang  berbeda.  Hasil  yang  diperoleh menunjukkan  potensi  yang  cukup  baik  dari nanopartikel kitosan untuk meingkatkan umur simpan produk  pangan  dan  pertanian.  Namun  proses pemurnian  yang  panjang  dan  memakan  waktu  yang lama  serta  persentase  drug  loading  atau  kuantitas senyawa  aktif  yang  terbawa  oleh  nanopartikel  masih rendah menjadi keterbatasan teknik nanoemulsi.
Berdasarkan  hasil-hasil  penelitian  yang  telah dilakukan  tersebut,  dirasakan  perlu  mencari  teknik baru  sebagai  solusi  alternatif  untuk  meningkatkan persentase loading komponen aktif dalam nanopartikel.  Pada  penelitian  ini,  penggabungan  dua teknik  nanoemulsi  yang  berbeda  akan  mendorong
terjadinya  proses  self-assembly  nanopartikel  melalui metode  switch-solvent.  Penggabungan  dua  teknik emulsi  secara  simultan  ini  diharapkan  dapat  menjadi salah  satu  solusi  alternatif  preparasi  material fungsional kitosan. Proses preparasi material kemasan pintar  ini  akan  diawali  dengan  tahap  persiapan pembentukan nanopartikel melalui teknik nanoemulsi water-in-oil  (W/O),  kemudian  secara  simultan dilanjutkan  dengan  proses  enkapsulasi  senyawa  aktif dan  self-assembly  nanopartikel  melalui  proses  emulsi kedua  yaitu  emulsifikasi  oil-in-water  (O/W). Biopolimer kitosan dipilih sebagai material nanopartikel  karena  memiliki  sifat  biodegradable  dan biocompatibility yang baik sehingga tidak memiliki efek samping  pada  tubuh  manusia  saat  digunakan  sebagai material  kemasan  makanan.  Kitosan  merupakan senyawa  turunan  dari  kitin  yang  memiliki  rantai polisakarida  linier  dan  terdiri  β-(1–4)-linked  d- glucosamine dan N-acetyl-d-glucosamine. Kitosan dapat diperoleh melalui proses deasetilasi kitin yang banyak terdapat  pada  cangkang  arthropoda,  mollusca,  fungi, dan algae.

## 2. METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang akan dilakukan meliputi tahap- tahap sebagai berikut:
 Preparasi  nanopartikel  menggunakan  teknik emulsi  water-in-oil  (W/O)  dan  self-assembly nanoparticles.
 Proses  enkapsulasi  senyawa  bioaktif  minyak  biji bunga  matahari  (sunflower  oil,  SO)  ke  dalam nanopartikel. Proses preparasi dan enkapsulasi ini dilakukan  dengan  memperhatikan  aspek  kontrol melalui  waktu  pencampuran  dan  rasio  campuran kitosan-senyawa bioaktif.
 Karakterisasi  ukuran  dan  morfologi  nanopartikel serta  analisis  bioactive  loading  pada  nanopartikel kitosan  dengan  menggunakan  analisa  Dynamic light scattering (DLS)  dan UV-Vis Spektrofotometri

## 3. HASIL DAN DISKUSI
3.1 Analisis Ukuran Partikel
Analisis  karakterisasi  yang  dilakukan  adalah analisa  ukuran  partikel  yang  didapatkan  dengan menggunakan  analisa  DLS.  Seperti  yang  terlihat  pada Gambar 1-3, ukuran partikel yang didapatkan melalui teknik  emulsi  (W/O)  adalah  berkisar  150-200  nm.
Terlihat  pada  grafik  analisis  ukuran  partikel berdasarkan  sebaran  intenstias  partikel,  ukuran partikel  kitosan  yang  diperoleh  adalah  132  nm. Sementara  itu  ukuran  partikel  berdasarkan  sebaran volume  berkisar  215  nm,  dan  berdasarkan  sebaran jumlah partikel per volume sampel analisis adalah 219 nm.  Hasil  analisis  ini  menunjukkan  bahwa  melalui teknik preparasi yang telah dilakukan, dapat diperoleh nanopartikel  kitosan  dengan  sebaran  ukuran  partikel 132-200 nm.
Nilai  Polydispersity  Index  (PDI)  yang  diperoleh cukup  besar,  yaitu  0.34.  Hal  ini  menunjukkan kemungkinan  banyaknya  partikel  koloid  yang terbentuk selama proses emulsifikasi dan self-assembly nanopartikel.  Stabilitas  koloid  dari  nanopartikel  yang didapatkan  juga  cukup  baik,  terlihat  dari  hasil pengamatan  sampel  yang  didapatkan  setelah didiamkan  beberapa  hari  tanpa  perlakuan  khusus. Tidak  terbentuknya  endapan  pada  larutan  selama beberapa hari menunjukkan bahwa nanopartikel yang didapatkan cukup stabil dan merupakan indikasi yang baik untuk dapat digunakan dalam proses selanjutnya, yaitu proses enkapsulasi senyawa bioaktif (SO).

## 3.2  Enkapsulasi  Senyawa  Bioaktif  ke  dalam Nanopartikel Kitosan
Enkapsulasi  SO  ke  dalam  nanopartikel  dilakukan melalui  enkapsulasi  in-situ  dengan  menggunakan teknik emulsifikasi yang berbeda, yaitu: teknik emulsi oil-in-water  (O/W).  Analisa  kemampuan  loading nanopartikel dilakukan menggunakan analisis  UV-Vis. Pengamatan  dilakukan  dengan  mengamati  titik absorbansi  SO  pada  panjang  gelombang  326-337  nm (Gambar 4).
Gambar 2.  Sebaran Ukuran Partikel Kitosan Berdasarkan Volume
Gambar 3. Sebaran Ukuran Partikel Kitosan Berdasarkan Jumlah Partikel
Gambar 4. Hasil Uji UV-Vis Pada Minyak Biji Bunga Matahari
Variasi  pada  proses  enkapsulasi  ini  dilakukan dengan  memvariasikan  rasio  antara  kitosan  dan senyawa bioaktif (SO). Jumlah senyawa bioaktif secara simultan  dinaikkan  dengan  memvariasikan  rasio kitosan  terhadap  SO,  yaitu:  1:0.5,  1:1,  1:2,  dan  1:4. Berdasarkan  dari  hasil-hasil  sudi  sebelumnya, meningkatnya  jumlah  senyawa  bioaktif  secara signifikan akan meningkatkan jumlah atau persentase loading senyawa bioaktif ke dalam nanopartikel.
Hasil  yang  didapatkan  dengan  menggunakan teknik  emulsifikasi  oil-in-water  memperlihatkan kecenderungan  yang  sama  dengan  hasil-hasil penelitian  sebelumnya.  Meningkatnya  kekeruhan larutan  sampel  setelah  proses  enkapsulasi  seiring dengan  meningkatnya  jumlah  SO  yang  ditambahkan merupakan  salah  satu  indikasi  meningkatnya  jumlah loading  senyawa  bioaktif  ke  dalam  nanopartikel kitosan (Gambar 5).
Gambar 5. Larutan Sampel dari Proses Enkapsulasi Minyak Biji Bunga Matahari (SO) ke dalam Nanopartikel Kitosan Dengan Rasio: (a) Tanpa SO, (b) 2:1, (c) 1:1, (d) 1:2
Larutan nanopartikel fungsional ini juga memiliki kestabilan yang cukup baik. Terlihat dari pengamatan yang  dilakukan  selama  beberapa  hari  setelah  proses enkapsulasi,  tidak  terlihat  terjadinya  pembentukan endapan  di  dasar  botol  sampel.  Hal  ini  merupakan indikasi  yang  sangat  baik  karena  stabilnya  larutan emulsi  menunjukkan  pembentukan  nanopartikel sesuai dengan yang diharapkan.
Analisa  jumlah  SO  yang  terenkapsulasi  dalam partikel  nanokitosan  diamati  melalui  peningkatan absorbansi  intensitas  cahaya  yang  terlihat  pada panjang  gelombang  337  nm.  Makin  bertambahnya rasio  SO  yang  ditambahkan  pada  proses  enkapsulasi, makin  meningkat  titik  absorbansi  pada  panjang gelombang  tersebut.  Peningkatan  absorbansi  pada analisa UV-Vis di tiap variasi rasio kitosan terhadap SO dapat dilihat pada gambar berikut:

## Gambar 6.  Absorbansi Loading Senyawa Bioaktif SO pada Nanopartikel Kitosan
Dari  gambar  di  atas,  terlihat  bahwa  semakin banyak jumlah SO yang ditambahkan selama proses enkapsulasi,  semakin  tinggi  nilai  loading  senyawa bioaktif  ke  dalam  nanopartikel  kitosan.  Hasil  ini menunjukkan  indikasi  yang  positif  tentang penerapan  teknik  emulsifikasi  dan  self-assembly nanopartikel  pada  proses  preparasi  nanopartikel
kitosan  untuk  aplikasi  teknologi  pengemasan makanan.
Nanoenkapsulasi senyawa bioaktif yang bersifat hidrofobik  terbukti  efektif  dengan  menggunakan teknik  emulsifikasi  (O/W).  Gugus  fungsi  hidrofilik pada kitosan mampu mengenkapsulasi senyawa SO melalui interaksi antar-muka. Proses emulsifikasi ini berlangsung  dengan  pengadukan  yang  dilakukan
secara cepat untuk mempercepat terjadinya proses interaksi  antar-muka  pada  kitosan-SO.  Perlu dilakukan  studi  lebih  lanjut  mengenai  efek kecepatan pengadukan terhadap proses enkapsulasi senyawa bioaktif SO ke dalam nanopartikel kitosan. Hal  ini  juga  akan  berguna  untuk  pemahaman  lebih lanjut  mengenai  variabel  proses  yang  berpengaruh terhadap  proses  pembentukan  nanopartikel  dan enkapsulasi senyawa bioaktif ke dalam nanopartikel melalui metode enkapsulasi simultan ini.

## 4. KESIMPULAN
Penelitian ini menunjukkan indikasi yang positif tentang  penerapan  teknik  emulsifikasi  dan  self- assembly  nanopartikel  pada  proses  preparasi nanopartikel  kitosan  untuk  aplikasi  teknologi pengemasan  makanan.  Untuk  mendapatkan  hasil yang  lebih  optimal,  penelitian  ini  akan  dilanjutkan dengan  melakukan  eksperimen  lanjutan  dengan menganalisis  variabel  berpengaruh  terhadap pembentukan material nanopartikel fungsional, serta mengembangkan pemodelan dan formulasi material fungsional ini pada pembuatan kemasan aktif. Hal ini sangat  penting  untuk  dilakukan  karena  produk keluaran  ini  diharapkan  dapat  menjadi  dasar pengembangan aplikasi polimer alam kitosan sebagai material fungsional pada kemasan aktif.

## 5. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  pada Fakultas  Teknik  Untirta  atas  Hibah  Penelitian Internal yang membiayai penelitian ini.

## 6. DAFTAR PUSTAKA
Agustina, S., Tokuda, M., Minami, H., Boyer, C., & Zetterlund, P. B. 2017. Synthesis of polymeric nano- objects  of  various  morphologies  based  on  block copolymer  self-assembly  using  microporous membranes. Reaction Chemistry & Engineering, 2(4), 451-457. doi:10.1039/C7RE00032D Biji, K., Ravishankar, C., Mohan, C., & Gopal, T. S. 2015.  Smart  packaging  systems  for  food applications:  a  review.  Journal  of  food  science  and technology, 52(10), 6125-6135.
Crucho,  C.  I.,  &  Barros,  M.  T.  2017.  Polymeric nanoparticles: A study on the preparation variables and characterization methods. Materials Science and Engineering: C, 80, 771-784.
Fuertes,  G.,  Soto,  I.,  Carrasco,  R.,  Vargas,  M., Sabattin,  J.,  &  Lagos,  C.  2016.  Intelligent  packaging systems:  sensors  and  nanosensors  to  monitor food quality and safety. Journal of Sensors, 2016. Mai,  Y.,  &  Eisenberg,  A.  2012.  Self-assembly  of block copolymers. Chemical Society Reviews, 41(18), 5969-5985. doi:10.1039/C2CS35115C McClements,  D.  J.,  &  Rao,  J.  2011.  Food-grade nanoemulsions: formulation, fabrication, properties, performance,  biological  fate,  and  potential  toxicity.
Critical  reviews in food  science  and  nutrition,  51(4), 285-330.
Nie, Z., Xu, S., Seo, M., Lewis, P. C., & Kumacheva, E. 2005. Polymer particles with various shapes and morphologies  produced  in  continuous  microfluidic reactors.  Journal  of  the  American  Chemical  Society, 127(22), 8058-8063.
Piacentini,  E.,  Drioli,  E.,  &  Giorno,  L.  2014. Membrane  emulsification  technology:  Twenty-five years  of  inventions  and  research  through  patent survey. Journal of Membrane Science, 468, 410-422. doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.05.059 Rao,  J.  P.,  &  Geckeler,  K.  E.  2011.  Polymer nanoparticles:  Preparation  techniques  and  size- control  parameters.  Progress  in  Polymer  Science,
36(7), 887-913. doi: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.0
1.001
Silvestre,  C.,  Duraccio,  D.,  &  Cimmino,  S.  2011. Food  packaging  based  on  polymer  nanomaterials. Progress in polymer science, 36(12), 1766-1782.
Wu,  M.,  Dellacherie,  E.,  Durand,  A.,  &  Marie,  E. 2009. Poly (n-butyl cyanoacrylate) nanoparticles via miniemulsion  polymerization  (1):  Dextran-based surfactants.  Colloids  and  Surfaces  B:  Biointerfaces,
69(1), 141-146.