## PENGARUH PERBEDAAN KONDISI HIDROLISIS TERHADAP HASIL ISOLASI NANOKRISTALIN SELULOSA DARI BONGGOL JAGUNG
The Effect of Hydrolysis Condition Differences on Isolation Results of Nanocrystalline Cellulose From Corncob

## Endah Purwanti*, Sarah Dampang
Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering Singaperbangsa Karawang University Jl. H. S. Ronggowaluyo Teluk Jambe Timur 41361-Indonesia
*Corresponding author, e-mail : endahkimiaum@gmail.com
Received: Dec.2016 Published: July 2017

## ABSTRACT
Cellulose is one of the largest components in corncobs. Cellulose was obtained from corncob in this research that has a  yield of 19.6% of 20 grams of corncob powder. The  isolated cellulose was characterized  by using  FTIR and  SEM.  Cellulose  has  crystalline  chain  and  insoluble  in  water  or  organic  solvents.  The  molecular  chain  of cellulose  is  linear  and  has  intra-  and  inter-molecular  hydrogen  bonds.  One  way  for  cellulose  to  be  easy  in  the treatment of applications, is to convert microcrystalline cellulose into nanocrystalline cellulose. Nanocrystalline cellulose can be obtained by several methods, one of them by acid hydrolysis. Hydrolysis of cellulose by using sulfuric  acid  produces  nanocrystalline  cellulose.  Nanocrystalline  cellulose  can  be  characterized  by  using  TEM and  PSA  analysis.  CNC  60  has  a  particle  size  distribution  with  a  diameter  range  of  14.3  -  45.0  nm  and  an average  diameter  of  17.4  nm.  Whereas  cellulose  with  CNC  90  has  a  smaller  particle  size  distribution  with  a diameter range of 10.0 - 17.1 nm and an average diameter of 11.9 nm.
Keywords : Corncob, cellulose, acid hydrolysis, and nanocrystalline cellulose.

## PENDAHULUAN
Bonggol  jagung  merupakan  salah  satu limbah  lignoselulosik,  yaitu  limbah  pertanian yang banyak mengandung selulosa, hemiselulosa,  dan  lignin.  Senyawa-senyawa tersebut  berpotensi  untuk  dikonversi  menjadi senyawa  lain  secara  biologi.  Bonggol  jagung biasanya  banyak  dimanfaatkan  sebagai  sumber karbon  yang  dapat  digunakan  mikroorganisme sebagai  substrat  dalam  proses  fermentasi  untuk menghasilkan  produk  yang  bernilai  ekonomi tinggi  atau  sebagai  bahan  bakar  dalam  beberapa industri.
Selulosa  yang  ada  pada  bonggol  jagung berpotensi  untuk  diisolasi  karena  merupakan salah  satu  komponen  terbesar  dalam  bonggol jagung  yaitu  seperti  pada  penelitian  yang  telah dikerjakan.  Kandungan  selulosa  yaitu  sekitar 34%,  sedangkan  komponen  yang  lain  yaitu hemiselulosa  sebesar  47%  dan  lignin  sebesar 16% (Silverio, et al., 2012). Selulosa hasil isolasi dapat  dimanfaatkan  pada  berbagai  macam
aplikasi  seperti  pada  bidang  sains,  obat-obatan, dan teknologi (Diana, et al., 2010).
Selulosa  merupakan  polisakarida  yang terdiri  atas  satuan  glukosa  yang  terikat  dengan ikatan β-1,4-glikosidik dengan rumus (C 6 H 10 O 5 ) n dengan n adalah derajat polimerisasinya (Dumitriu,  et  al.,  2015).  Struktur  kimia  inilah yang  membuat  selulosa  bersifat  kristalin  dan tidak  mudah  larut  dalam  air  maupun  pelarut organik,  sehingga  tidak  mudah  didegradasi secara  kimia  atau  mekanik.  Rantai  molekul selulosa  linier dan memiliki kecenderungan kuat untuk membentuk ikatan hidrogen intra dan inter molekul (Arup, et al., 2011).
Salah  satu  cara  agar  selulosa  mudah  dalam perlakuan untuk berbagai aplikasi, yaitu merubah selulosa  yang  berukuran  mikrokristalin  menjadi nanokristalin. Nanokristalin selulosa dapat dibuat dengan  beberapa  metode,  salah  satu  metodenya adalah  dengan  cara  hidrolisis  asam.  Asam  yang digunakan  adalah  asam  kuat,  seperti  asam klorida dan asam sulfat (Arup, et al., 2011).
Asam adalah katalis non spesifik yang dapat menyerang  baik  selulosa  maupun  lignin.  Asam dapat  menghidrolisis  selulosa  pada  tingkat konversi  yang  tinggi.  Sebagai  katalis  non spesifik  yang  sangat  reaktif,  asam  kuat  juga menyebabkan degradasi selulosa menjadi monomernya  yaitu  glukosa.  Oleh  karena  itu, proses hidrolisis perlu dikontrol untuk mendapatkan  nanokristalin  selulosa  dan  tidak mencapai monomernya menjadi glukosa. Parameter  yang  dilakukan  pada  penelitian  ini adalah  memvariasikan  waktu  hidrolisis  dan konsentrasi  asam  yang  digunakan,  sedangkan suhu  yang  digunakan  dibuat  tetap  yaitu  45 o C (W. Habibi, et al., 2009).
Selulosa  memiliki  bagian  rantai  yang bersifat  amorf  dan  kristalin.  Proses  hidrolisis selulosa  lebih  mudah  menyerang  bagian  amorf sehingga nanokristalin selulosa memiliki beberapa  sifat  yang  lebih  baik  yaitu  memiliki luas  permukaan  yang  lebih  besar,  kristalinitas yang  lebih  tinggi,  dan biodegradable (Salas,  et al., 2014).

## METODOLOGI

## Bahan
Bahan-bahan  yang  digunakan  terdiri  dari bonggol  jagung,    aqua  dm,  natrium  hipoklorit, natrium hidroksida (p.a), indikator universal, dan asam sulfat (p.a).

## Alat
Alat-alat  yang  digunakan  meliputi  gelas kimia,  gelas  ukur,  batang  pengaduk,  labu  ukur, pipet  tetes,  bola  hisap  karet,  pipet  ukur,  cawan petri,  kaca  arloji,  spatula,  penyaring  Buchner, labu dasar bulat, kondensor, erlenmeyer bertutup,  gunting,  pengaduk  magnet,  alat hidrolisis,  termometer,  tabung  sentrifugasi,  dan kertas  saring.  Selain  itu  juga  menggunakan timbangan analitis DENVER Instrument Company , centrifuge, ultrasonifikasi ,  hotplate stirrer  THERMOLYNE ,  oven  vakum VWR Scientific  Product ,  Spektroskopi  Infra  Merah Alpha  FT-IR Spectrometer ,  Spektroskopi  Infra Merah Shimadzu Prestige 21, Scanning Electron Microscopy (SEM)
JEOL-JSM-6510LV,
Particle  Size  Analyzer merek  BECKMAN COULTER  Delsa TM nano,  mikroskop  elektron
transmisi (TEM, Transmission Electron Microscope ) merek TEM JEOL JEM 1400.

## Prosedur Kerja

## Pengambilan Bonggol Jagung
Jagung  diambil  dari  tanaman  lokal  di Karawang.  Jagung  yang  digunakan  adalah jagung  yang  telah  tua  untuk  bibit.  Kemudian jagung  dipisahkan  antara  biji  dan  bonggolnya. Bonggol  jagung  dibersihkan  dan  dikeringkan  di bawah  sinar  matahari,  setelah  itu  digiling  dan dikeringkan  kembali  sehingga  diperoleh  sampel berbentuk serbuk bonggol jagung.

## Sintesis Selulosa Nanokristalin

## Isolasi Selulosa
Sejumlah  serbuk  bongol  jagung  (20  gram) dimasukkan  ke  dalam  labu  dasar  bulat  dan ditambahkan dengan 600 mL NaOCl 1,7 % (v/v). Tahap  ini  merupakan  tahap  pemutihan,  yaitu campuran  tersebut  direfluks  selama  5  jam  pada suhu  80  ºC.  Setelah  selesai,  campuran  disaring menggunakan  penyaring buchner dan  dibilas dengan  aqua  dm  sampai  pH  netral  dengan menguji filtrat menggunakan indikator universal. Jika  residu  masih  belum  berwarna  putih,  maka residu  direfluks  kembali  menggunakan  NaOCl 1,7  %  (v/v)  selama  jam  pada  suhu  1  80  ºC. Setelah  selesai,  campuran  disaring  kembali  dan dibilas sampai pH netral.
Residu yang dihasilkan kemudian dimasukkan  kembali  ke  dalam  labu  dasar  bulat dan  ditambahkan  larutan  400  mL  NaOH  2M. Campuran  tersebut  direfluks  pada  suhu  80  ºC selama  4  jam,  kemudian  campuran  disaring  dan dilakukan  uji  lignin.  Filtrat  ditetesi  dengan H 2 SO 4 pekat  dan  jika  hasilnya  masih  terdapat gumpalan  pada  filtrat,  residu  dilarutkan  kembali dalam larutan NaOH 2 M dan campuran tersebut direfluks kembali pada suhu 80 ºC selama 1 jam hingga bebas lignin.
Residu  yang  telah  netral  dipindahkan  ke dalam  cawan  petri  dan  kemudian  dikeringkan menggunakan  oven  vakum  sampai  menjadi serbuk  kering.  Setelah  dikeringkan,  selulosa tersebut  ditimbang  dan  disimpan  dalam  wadah
tertutup. Selulosa hasil isolasi kemudian diidentifikasi  melalui  analisis  gugus  fungsi menggunakan  FTIR  metode  KBr,  dan  analisis morfologi menggunakan SEM.

## Hidrolisis selulosa
Selulosa  hasil  isolasi  sebanyak  1  g ditambahkan  dengan  25  mL  asam  sulfat  50  % dan  60%  (v/v),  kemudian  dimasukkan  ke  dalam gelas hidrolisis yang dilengkapi dengan kondensor  dan  termometer  untuk  menjaga kestabilan  suhu.  Gelas  hidrolisis  dihubungkan dengan water  circular dan diaduk menggunakan pengaduk  magnet  pada  suhu  konstan  45 o C dengan  kecepatan  pengadukan  1000  rpm.  Pada gelas  kimia  terpisah  disediakan  aqua  dm sebanyak  250  mL  atau  10  kali  lipat  dari  jumlah asam sulfat untuk proses quenching .
Setelah  di quenching ,  endapan  dipisahkan dari  pelarutnya  dengan  cara  disentrifugasi. Endapan  yang  berupa  koloid  tersebut  kemudian dilakukan  dialisis  dengan  membran celofan selama beberapa hari menggunakan air deionisasi  sampai  pH  netral.  Koloid  selulosa nanokristalin  yang  telah  netral  diultrasonifikasi selama  10  menit  dan  disimpan  dalam  botol penyimpan.  Beberapa  mL  koloid  selulosa nanokristalin diambil untuk dilakukan freeze dry agar  menjadi  serbuk  dan  dapat  dikarakterisasi lebih  lanjut.  Selulosa  nanokristalin  yang  berupa koloid kemudian dilakukan identifikasi morfologi  permukaan  menggunakan  TEM  dan dianalisis distribusi ukuran partikel menggunakan PSA. Selulosa nanokristalin berupa  serbuk  kering  dilakukan  analisis  gugus fungsi dengan FTIR metode KBR.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Selulosa Hasil Isolasi
Proses  isolasi  selulosa  dapat  menyebabkan terjadinya  perubahan  bentuk  fisik  dan  warna serbuk  bonggol  jagung  yang  awalnya  berwarna coklat  berubah  menjadi  serbuk  putih  setelah hilangnya pengotor. Proses isolasi juga menyebabkan  terjadinya  pengurangan  massa serbuk  bonggol  jagung  dan  rendemen  selulosa
hasil  isolasi  diperoleh  sebesar  19,6  %  dari  20 gram serbuk bonggol jagung yang digunakan.
Untuk  melihat  struktur  kimianya,  maka dilakukan  analisis  gugus  fungsi  yang  terdapat  di dalam produk selulosa hasil isolasi serta selulosa komersil sebagai standar menggunakan spektroskopi  inframerah  (FTIR).  Spektrum  IR dari  serbuk  selulosa  hasil  isolasi  dan  selulosa komersil dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Spektra infra merah selulosa hasil isolasi dan selulosa komersil.
Gambar  1  menunjukkan  bahwa  secara umum  pola  serapan  selulosa  komersil  dan selulosa  hasil  isolasi  tidak  jauh  berbeda walaupun  terdapat  perbedaan  pada  intensitas serapan.  Pita  serapan  pada  bilangan  gelombang 1373  cm -1 merupakan  pita  serapan  dari  vibrasi tekuk  gugus  C–H,  pada  bilangan  gelombang 2898 cm -1 dari vibrasi regangan gugus C–H, dan bilangan gelombang 1431 cm -1 dari vibrasi tekuk gugus  –CH 2 simetris.  Selain  itu  terlihat  pita serapan  pada  bilangan  gelombang  3392  cm -1 yang  merupakan  pita  serapan  dari  vibrasi  gugus O–H  yang  berasal  dari  selulosa.  Oleh  karena  itu dapat diketahui bahwa selulosa hasil isolasi telah dapat diperoleh dari isolasi bonggol jagung.
Selanjutnya  untuk  mengetahui  morfologi selulosa  hasil  isolasi  dianalisis  menggunakan SEM. Berdasarkan data yang diperoleh menunjukkan bahwa molekul selulosa berbentuk serat  dengan  ukuran  mikrokristalin.  Selulosa hasil isolasi memiliki ukuran dan bentuk molekul yang  tidak  seragam,  seperti  dilihat  pada Gambar 2.
Gambar 2. SEM Selulosa Hasil Isolasi

## Nanokristalin Selulosa
Selulosa hasil isolasi yang telah dikonfirmasi melalui spektroskopi IR selanjutnya dihidrolisis dengan asam sulfat menjadi nanokristalin  selulosa.  Asam  adalah  katalis  non spesifik  yang  dapat  menyerang  selulosa  dengan tingkat  konversi  yang  tinggi,  sehingga  sangat reaktif dan dapat mendegradasi selulosa menjadi monomernya  yaitu  glukosa.  Oleh  karena  itu, proses hidrolisis perlu dikontrol untuk mendapatkan  nanokristalin  selulosa  dan  tidak mencapai monomernya menjadi glukosa.
Parameter  yang  dilakukan  pada  penelitian  ini adalah  memvariasikan  waktu  hidrolisis  dan konsentrasi  asam  yang  digunakan,  sedangkan suhu yang digunakan dibuat tetap yaitu 45 ºC.
(a)
(b)
Gambar 3. Hasil TEM Nanokristalin Selulosa (a) CNC 5 dan (b) CNC 60
Berdasarkan  hasil  penelitian  sebelumnya bahwa  selulosa  dapat  dihidrolisis  menggunakan asam  sulfat  (H 2 SO 4 )  50%  (v/v)  selama  60  menit (CNC  60)  pada  suhu  45 o C  [10] , maka  dalam penelitian  ini  proses  hidrolisis  dilakukan
menggunakan  asam  sulfat  (H 2 SO 4 )  50%  (v/v) selama  90  menit  (CNC  90)  pada  suhu  45 o C  dan asam  sulfat  (H 2 SO 4 )  60%  (v/v)  selama  5  menit (CNC  5)  pada  suhu  45  ºC.  Adapun  untuk mengetahui perbandingan hasil analisis morfologi  nanokristalin  selulosa  pada  beberapa perlakuan  dapat  dilihat  dari  hasil  analisis  TEM pada Gambar 3.
Gambar 4. Hasil PSA Nanokristalin Selulosa (a) CNC 60 (Endah, et al., 2016) dan (b) CNC 90
Hasil  analisis  TEM  (a),  gambar  partikel yang  dihasilkan  kurang  bagus  dan  bentuk partikel  nanokristalin  selulosa  tidak  kelihatan jelas,  sehingga  tidak  dilanjutkan  ke  tahapan berikutnya.  Hal  ini  bisa  disebabkan  karena konsentrasi  asam  sulfat  yang  digunakan  terlalu tinggi  sehingga  dapat  menghidrolisis  molekul selulosa  menjadi  molekul  yang  lebih  kecil, karena  asam  adalah  katalis  non  spesifik  yang bisa  menyerang  selulosa  (W.  Habibi,  et  al., 2009).  Sedangkan  hasil  analisis  TEM  (b) menunjukkan  bahwa  nanokristalin  selulosa memiliki  bentuk  dan  ukuran  partikel  lebih
(a)
(b)
seragam  dibandingkan  dengan  selulosa  hasil isolasi yaitu berbentuk bulat.
Untuk melihat ukuran partikel hasil hidrolisis,  maka  dilakukan  analisis  dengan
Particle Size Analyzer dan hasilnya dibandingkan  dengan  penelitian  sebelumnya ditunjukkan pada Gambar 4.
Berdasarkan  Gambar  4,  selulosa  dengan CNC  60  memiliki  distribusi  ukuran  partikel dengan  rentang  diameter    14,3  –  45,0  nm  dan diameter  rata-rata  sebesar  17,4  nm.  Sedangkan selulosa  dengan  CNC  90  memiliki  distribusi ukuran  partikel  lebih  kecil  dengan  rentang diameter  10,0  –  17,1  nm  dan  diameter  rata-rata sebesar  11,9  nm.  Hasil  yang  diperoleh  memiliki diameter  partikel  yang  lebih  besar  jika dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya yaitu diperoleh nanokristalin selulosa  dengan  rentang  diameter  partikel sebesar 2 – 8 nm (Silverio, et al., 2012).

## KESIMPULAN
Bonggol jagung merupakan salah satu bahan alam yang mengandung selulosa dalam persentase yang cukup tinggi. Pada penelitian ini rendemen selulosa hasil isolasi diperoleh sebesar 19,6 % dari 20 gram serbuk bonggol jagung yang digunakan.  Selulosa  hasil  isolasi  kemudian dikarakterisasi menggunakan FTIR untuk mengetahui  gugus  fungsi  dan  analisis  morfologi dengan  menggunakan  SEM.  Hidrolisis  selulosa menggunakan asam sulfat menghasilkan selulosa yang  berukuran  nanokristalin  yang  ditunjukkan dari  hasil  analisis  TEM  dan  PSA  yaitu  CNC  60 memiliki  distribusi  ukuran  partikel  dengan rentang  diameter  14,3  –  45,0  nm  dan  diameter rata-rata  sebesar  17,4  nm.  Sedangkan  selulosa dengan  CNC  90  memiliki  distribusi  ukuran partikel lebih kecil dengan rentang diameter 10,0 –17,1 nm dan diameter rata-rata sebesar 11,9 nm.

## DAFTAR PUSTAKA
Arup,  Mandal,  D.  Chakrabarty,  2011,  Isolation of  nanocellulose  from  waste  sugarcane bagasse  (SCB)  and  its  characterization. Carbohydrate Polymers . 86 : 1291-1299.
C. Salas, T. Nypelo, C. R. Abreu, C. Carillo, O.J. Rojas,  2014,  Nanocellulose  properties  and application  in  colloids  and  interfaces. Current  Opinion  in  Colloid  &  Interface Science . 19 : 383-396.
Diana,  C.,  F.  Ciolacu,  V.  I.  Popa,  2010,
Amorphous cellulose-structure and characterization. Cellulose  Chemistry  and Technology . 45(1-2) : 13-21.
Endah,  P.,  Winda,  T.,  Achmad,  R.,  Bunbun.,  I
Made,  2016,  Preparation  of  Nanocrystalline
Cellulose from Corncob Used as Reinforcement  in  Separator  for  Lithium  Ion Battery . 365 –  369. Proceedings  of  the  joint International Conference on Electric Vehicular Technology and Industrial,
Mechanical, Electrical, and Chemical Engineering  (ICEVT  &  IMECE  205) , Surakarta 4-5 November 2015.
H.  P.  S.  Khalil,  A.  H.  Bhat,  A.F.I.  Yusra,  2012, Green  composite  from  sustainable  cllulose nanofibrils:  A  review. Carbohydrate Polymers. 87 : 963-979.
J.  F.  Kadla,  R.  D.  Gilbert,  2000,  Cellulose structure: A review. Cellulose Chemistry and Technology . 34 : 197-216.
J.  Li,  X.  Wei,  Q.  Wang,  J.  Chen,  G.Chang,  L. Kong,  J.  Su,  Y.  Liu,  2012,  Homogeneous isolation  of  nanocellulose  from  sugarcane bagasse  by  high  pressure  homogenization. Carbohydrate Polymer . 90 : 1609-1613.
Silverio, H. A., W. P. F. Neto, N. O. Dantas, D. Pasquini, 2012, Extraction and
characterization  of  cellulose  nanocrystals from  corncob for  applications  as  reinforcing agent  in  nanocomposites. Industrial  Crops and Products . 44 : 427-436.
S.  Dumitriu,    2005,  Polysaccharides,  Structural Diversity  and  Functional  Versatility. United States of America . 41-44.
W.  Habibi,  L.A.  Lucia,  O.  J.  Rojas,  2009, Cellulose  nanocrystals:  chemistry,  self- assembly, and applications. American Chemical Society , Helsinski.
W.  Li,  J.  Yue,  S.  Liu,  2012,  Preparation  of nanocrystalline  cellulose  via  ultrasound  and its  reinforcement  capability  for  poly(vinyl alcohol) composites. Ultrasonics Sonochemistry . 19 : 479-485.