## ARTIKEL RISET
Penentuan Waktu Relaksasi Pertukaran Gas, Koefisien Difusi dan Resistensi Buah Tomat terhadap C 2 H 4 Menggunakan Spektrometer
Fotoakustik Laser CO 2 dengan Pelacak Gas SF 6 M.A.J. Wasono * and Y. A. Kholishoh

## Ringkasan
Telah dilakukan studi metode penentuan waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi pertukaran gas SF 6 di dalam buah tomat ( Lycopersicon esculentum ) dengan metode spektroskopi fotoakustik laser CO 2 yang bersifat tidak mengganggu dan tidak merusak sampel buah. Gas SF 6 menyerap paling kuat pada garis laser 10 P 16 dan gas C 2 H 4 pada garis laser 10 P 14 dengan frekuensi resonansi sebesar (1650 ± 5) Hz . Batas deteksi terendah yang dihasilkan oleh spektrometer tsb untuk gas SF 6 diperoleh (2 , 6 ± 0 , 4) ppt dan untuk gas C 2 H 4 sebesar (0 , 32 ± 0 , 03) ppb . Sesudah diketemukan paramater difusi utk gas pelacak SF 6 , maka dapat ditentukan parameter difusi untuk hormon pematangan buah, gas C 2 H 4 . Sifat-sifat Metode pemantauan difusi gas SF 6 pada buah tomat serta pengukuran emisi gas C 2 H 4 dalam kurun waktu 15 hari menghasilkan pola karakteristik waktu relaksasi & koefisien resistansi serta koefisen difusi terhadap emisi etilen. Diperoleh hasil pola emisi C 2 H 4 menunjukkan kurva sesuai dengan yang dimiliki buah klimakterik. Hasil pemantauan gas SF 6 ditemukan kecenderungan waktu relaksasi dan koefisien resistensi buah terhadap gas SF 6 menurun secara eksponensial dengan berjalannya waktu umur buah tomat. Adapun koefisien difusi mengalamai kenaikan secara eksponensial juga. Dari hasil perolehan transportasi gas didalam buah tomat menentukan metabolisme yang berkaitan langsung dengan penyimpanan buah Hal ini dapat direkomendasikan kepada pengelola pengendalian pematangan buah tomat untuk mendapatkan optimasi parameter difusi sehingga diperoleh pematangan sesuai dengan kebutuhan pasar.
Kata Kunci : Spektroskopi fotoakustik, waktu relaksasi, koefisien resistensi & difusi, tomat

## Abstract
It Has been studied a method of determining the relaxation time, the coefficient of resistance and the diffusion coefficient of SF 6 gas exchange in tomato fruits ( Lycopersicon esculentum ) with CO 2 laser photoacoustic spectroscopy method that is not intrusive and does not damage the fruit samples. SF 6 gas absorbs the most strongly in the 10 P 16 laser line and C 2 H 4 gas in the 10 P 14 laser line with a resonant frequency of (1650 ± 5) Hz . The lowest limit detection produced by the spectrometer for the SF 6 gas was obtained (2 . 6 ± 0 . 4) ppt and for C 2 H 4 gas was (0 . 32 ± 0 . 03) ppb . After diffusion parameters have been found for SF 6 tracer gas, diffusion parameters can be determined for fruit maturation hormone, C 2 H 4 gas. Characteristics The SF 6 gas diffusion monitoring method in tomatoes and measurement of C 2 H 4 gas emissions over a period of 15 days produce a characteristic pattern of relaxation time and coefficient of resistance and diffusion coefficient of ethylene emission. The results obtained from the C 2 H 4 emission pattern show that the curves correspond to those of climacteric fruits. The results of SF 6 gas monitoring found the tendency of relaxation time and the coefficient of resistance of fruit to SF 6 gas decreased exponentially with the passage of time of tomatoes. The diffusion coefficient is experiencing an exponential increase as well. From the results of the acquisition of gas transportation in tomatoes determine the metabolism directly related to fruit storage. It can be recommended to quality control of fruit ripening tomatoes to get the optimization parameters in order to obtain maturation diffusion line with market requirements.
Keywords: Photoacoustic spectroscopy; relaxation time; resistance & diffusion coefficient; tomatoes.

## PENDAHULUAN
Karakteristik transportasi pertukaran gas pada buah belum diketahui secara mendalam disebabkan antara lain oleh keterbatasan detektor gas kelumit disamping metode deteksinya. Proses metabolisme yang menentukan umur penyimpanan buah ditentukan oleh sifat transport gas pada buah [ 1 ]. Deteksi gas kelumit selama ini menggunakan kromatografi gas yang mempunyai kekurangan dalam hal sensitivitas, proses deteksi perlu waktu lama sampai order hari. Metode spektroskopi fotoakustik dengan sumber radiasi laser infra merah menawarkan kelebihan dalam hal sensitivitas yang tinggi hingga orde ppb ( partperbillion ) dan dapat mendeteksi untuk sistem mengalir ( flowing ) serta waktu tanggap berorder menit. Spektrometer fotoakustik berbasis laser CO 2 memiliki jangkau panjang gelombang infrared 9 − 11 µm dan mampu membangkitkan daya laser 1 − 100 W att (Harren dkk., 2000). Penelitian ini menggunakan gas SF 6 sebagai pelacak ( tracer ) untuk menentukan koefisien difusi gas oksigen dan karbondioksida yang terjadi pada proses respirasi buah tomat. Menurut hukum Fick pertama bahwa rapat aliran ( J ) molekul yang berdifusi berbanding langsung dengan gradien konsentrasi (misal ke arah x ) dengan konstanta kesebandingan yang disebut koefisien difusi ( D ) [ 2 ].
J = − D ∂C ∂x (1)
∂C ∂x merupakan gradien konsentrasi, yaitu perubahan konsentrasi per satuan panjang. Tanda negatif menunjukkan arah difusi searah dengan pengurangan konsentrasi. Sedang laju pertukaran gas atau laju difusi dS dt sebanding dengan rapat aliran ( J ) dan luas penampang ( A ) yang dilalui gas yang dapat dirumuskan persamaan ( 2 ) ds dt = J A = − DA ∂C ∂x (2)
Gradien konsentrasi tsb dapat didekati dengan mengambil ∆ C merupakan selisih konsentrasi di luar bahan ( C t e ) dan konsentrasi gas di dalam bahan ( C t i ) yang masing-masing disebut sebagai konsentrasi eksternal dan internal.
Konsentrasi internal gas pelacak di dalam buah mengalami peluruhan secara eksponensial dengan
* Correspondence: m alijoko @ ugm.ac.id Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan, Universitas Gadjah Mada, Sekip Utara, Bulaksumur, Sinduadi, Mlati, Yogyakarta, Indonesia Full list of author information is available at the end of the article † Equal contributor
waktu relaksasi gas τ f [ 1 ]
C f = C 0 e − t τf (3)
dengan C 0 = C f ( t = 0).
Adapun waktu tukar gas atau waktu relaksasi merupakan waktu yang dibutuhkan buah sehingga konsentrasi gas pelacak internal C f tinggal sebesar 1 /e dari konsentrasi gas pelacak awal C 0 . Nilai waktu tukar gas dapat diperoleh dari gradien persamaan linear berikut,
ln C f C 0 = − t τ f (4)
Koefisien difusi pada buah menunjukkan laju pertukaran gas difusi. Koefisien difusi D ( cm 2 detik − 1 ) dalam hubungannya dengan resistansi bahan ( ρ s ) adalah:
D = ∆ x ρ s (5)
maka persamaan ( 2 ) dapat ditulis
dS dt = − A ∆ x ρ s ∂C ∂x = − A ∆ C ρ s (6)
Persamaan diferensial difusi gas melalui kulit dari suatu volume tertutup adalah [ 1 ]
dS dt = − A f C f ( t ) − C e ( t ) ρ s (7)
dengan dS dt adalah perubahan jumlah gas pelacak internal terhadap dt ( m 3 /s ), C e ( t ) adalah konsentrasi gas pelacak eksternal, A f adalah luas total permukaan kulit buah dan ρ s adalah resistansi kulit terhadap difusi. Pada pengukuran yang dilakukan tidak ada nilai konsentrasi gas pelacak eksternal karena penyentoran gas pelacak yang bagus di dalam kolektor oleh udara tekan, maka C e ( t ) = 0, sehingga [ 1 ]
dS dt = − A f C f ( t ) ρ s (8)
Jumlah gas pelacak di dalam buah s terhubung dengan konsentrasi di dalam buah C f sebagai:
s = θ f V f C f (9)
dengan V f adalah volume buah dan θ f adalah fraksi gas internal yang didapat dari
θ f = V meas − m/d V meas (10)
dengan V meas adalah volume terukur buah, m massa buah dan d adalah kerapatan spesifik daging buah [ 1 ]. Dengan demikian konsentrasi eksternal sebagai fungsi waktu diperoleh sebagai berikut,
C f = C 0 e − Af t θf Vf ρs (11)
dengan C 0 adalah konsentrasi awal dari buah. Hubungan resistansi kulit dengan waktu tukar gas dapat ditentukan [ 1 ] sebagai berikut,
ρ s = A f τ f θ f V f (12)

## METODE PENELITIAN
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. Gas CO 2 , He dan N 2 dengan konsentrasi 99% sebagai medium aktif laser. Gas N 2 untuk membersihkan sel fotoakustik dan menentukan sinyal latar. Gas SF 6 ( Sulfur Heksafluorida ) yang digunakan sebagai pelacak. KOH dan CaCl 2 yang masing-masing untuk menyerap CO 2 dan H 2 O . Buah tomat hijau sebagai sampel yang diteliti.
Rangkaian alat penelitian pemantauan gas difusi SF 6 pada buah tomat menggunakan spektrometer fotoakustik laser CO 2 intrakavitas ditunjukkan pada Gambar 1 .
Gambar 1: Rangkaian alat deteksi gas difusi SF 6 pada buah tomat menggunakan spektrometer fotoakustik laser CO 2 konfigurasi intrakavitas dengan sistim gas aliran
Proses Deteksi . Sampel buah tomat sebelumnya disimpan dalam kuvet volume 500 ml yang tertutup kemudian dialiri gas SF 6 standar 100 ppm dan dibiarkan selama 4-5 jam. Sesudah proses pemuatan tsb, sampel buah tomat dipindah ke kuvet lain
volume 500 ml yang menuju sel FA. Gas SF 6 yang keluar dari buah mengalami pelucutan dimasukkan ke dalam sel FA dengan cara menyentorkan udara tekan dan kemudian dikenai radiasi laser CO 2 termodulasi. Sinyal fotoakustik yang timbul di dalam sel FA ditangkap oleh mikrofon diperkuat oleh lock-in dan diubah menjadi data digital oleh ADC ( analog to digital converter ), kemudian dicatat dan direkam oleh komputer.
Pengukuran konsentrasi gas SF 6 pada buah tomat utuh dilakukan melalui sebuah kuvet berkolektor. Kolektor disentor dengan udara tekan dengan tekanan 50 − 60 mb agar gas SF 6 hasil emisi buah tomat dapat mengalir menuju sistem deteksi fotoakustik. Kolektor ditempatkan pada diameter terbesar buah tomat menggunakan wax agar tidak ada udara keluar masuk. Emisi SF 6 dari kolektor diukur selama 25 hingga 45 menit.
Diketahui bahwa SF 6 juga mempunyai serapan pada garis 10 P 14 dan etilen juga mempunyai serapan pada garis 10 P 16, berlaku persamaan [ 3 ]
S I 10 P 16 = F R ( α 10 P 16 etilen C etilen + α 10 P 16 SF 6 ) + B 10 P 16 (13) S I 10 P 14 = F R ( α 10 P 14 etilen C etilen + α 10 P 14 SF 6 ) + B 10 P 14 (14)
dengan S I 10 P 16 merupakan sinyal ternormalisasi dari campuran kedua gas tersebut pada garis S I 10 P 14 sinyal ternormalisasi campuran kedua gas tersebut pada garis 10 P 14, F konstanta sel yang didapatkan dari eksperimen ( F teori 3 , 7 × 10 3 P acm/W ), R daya tanggap mikrofon yang digunakan ( R = 11 mV /P a ), dan α koefisien serapan masing-masing gas untuk tiap-tiap garis laser, B 10 P merupakan sinyal latar masing-masing garis laser. Dengan substitusi 2 persamaan tsb diperoleh hasil konsentrasi SF 6 & C 2 H 4 .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari pemayaran gas pelacak SF 6 standar diperoleh hasil sinyal ternormalisasi pada garis 10 P 16 sebesar 11 , 9 mV /W dan pada garis 10 P 14 terbaca sinyal ternormalisasi 4 , 8 mV /W . Hal ini menunjukkan bahwa di garis 10 P 14 juga menyerap SF 6 . Sedang pemayaran etilen standar diperoleh sinyal ternormalisasi pada garis 10 P 14 sebesar 0 , 278 V /W dan pada garis 10 P 16 terbaca sinyal ternormalisasi 0 , 028 V /W . Hal ini juga menunjukkan
Gambar 2: Karakteristik waktu relaksasi terhadap produksi etilen buah tomat
bahwa di garis 10 P 16 juga menyerap etilen, sehingga metode penentuan konsentrasi sangat teliti dengan menggunakan 2 persamaan kedua gas tsb yang menyerap pada kedua garis laser tsb.
Difusi Gas SF 6 pada Buah Tomat . Karakteristik waktu relaksasi terhadap produksi etilen buah tomat dapat dilihat pada Gambar 2 , menunjukkan hasil bahwa selama proses pematangan, waktu tukar gas mengalami penurunan dari (2 , 85 ± 0 , 07) menit ke (0 , 86 ± 0 , 01) menit. Begitu pula dengan karakteristik koefisien resistansi terhadap produksi etilen yang ditunjukkan pada Gambar 3 mengalami penurunan dari (5 , 95 ± 0 , 27) × 10 2 detik cm − 1 ke (1 , 53 ± 0 , 06) × 10 2 detik cm − 1 . Hal ini dikarenakan koefisien resistansi berbanding langsung dengan waktu relaksasi, dimana dalam penelitian ini buah tomat yang diteliti menggunakan buah yang sama, sehingga tidak ada perubahan nilai besaran volume maupun luas permukaan. Dari karakteristik tersebut menunjukkan bahwa kulit buah tomat mengalami penurunan resistansi seiring proses pematangan. Dari tinjauan fisika, secara prinsip spektrometer fotoakustik laser CO 2 ini mampu mendeteksi konsentrasi gas tsb sampai orde sub − ppb dengan waktu order menit sehingga perubahan mendadak konsentrasi dalam selang waktu yang singkat dapat diamati. Namun dalam penelitian ini, perubahan konsentrasi dalam pertukaran gas berlangsung secara teratur oleh karena tidak diberi perlakuan dari luar yang menjadikan perubahan mendadak konsentrasi, maka pengamatan dilakukan tiap hari hanya sekali. Dengan cara ini sudah bisa menggambarkan pola perkembangan perubahan waktu relaksasi pertukaran gas, koefisien difusi serta resistensi buah terhadap tingkat kematangan buah tomat.
Jika dibandingkan antara penurunan waktu relaksasi dan koefisien resistansi, penurunan koefisien
Gambar 3: Karakteristik koefisien resistansi terhadap produksi etilen buah tomat
resistansi lebih besar. Hal ini dikarenakan buah mengalami penurunan massa, sehingga fraksi gas antar sel meningkat seiring perubahan pematangan. Koefisien resistansi menurun dikarenakan besaran tsb berbanding terbalik dengan fraksi gas antar sel. Sementara penurunan massa secara kimiawi disebabkan proses respirasi yang menggunakan substrat-substrat (cadangan makanan) pada buah selama respirasi (Anna dkk., 2012).
Gambar 4: Karakteristik koefisien difusi terhadap produksi etilen buah tomat
Gambar 4 menunjukkan hasil karakteristik koefisien difusi terhadap produksi etilen. Berbeda dengan koefisien resistansi, koefisien difusi mengalami kenaikan dari (1 , 73 ± 0 , 01) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 ke (6 , 70 ± 0 , 03) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 . Koefisien difusi menunjukkan laju pertukaran gas, sehingga jika resistansi kulit buah menurun, maka laju pertukaran gas semakin cepat. Selama pematangan akan terjadi peningkatan laju respirasi (Murtadha dkk., 2012).
Respirasi pada buah mengalami peningkatan CO 2 pada saat pematangan dan kemudian pada saat kemasakan menjelang sempurna dan telah lewatnya kemasakan, maka aktivitas respirasi akan semakin menurun (Murtadha, 2012). Jika oksigen dalam buah telah habis maka selanjutnya akan terjadi pembusukan/fermentasi [ 1 ]. Pada penelitian ini pengambilan data tidak mencapai masa masak yang sempurna, sehingga tidak terlihat pola penurunan laju respirasi. Gambar 5 menunjukkan tingkat kematangan buah tomat berdasarkan perubahan warna kulit buah.
Gambar 5: Perkembangan tingkat kematangan buah tomat selama 15 hari
Pada penelitian ini, pola pematangan buah diamati pada produksi etilen dan warna kulit buah. Produksi etilen pada buah menunjukkan pola buah klimakterik yaitu kecenderungan emisi etilen naik kemudian mencapai puncak dan turun [ 3 ]. Pola produksi etilen dari hasil pengamatan ada dua data yang mengalami penyimpangan cukup jauh. Padahal sampel buah yang diamati sama, maka dicurigai penyimpangan tersebut
berasal dari sampling (udara tekan, kuvet, scrubber ) dan aliran gas yang kurang rapat atau terjadinya kebocoran. Dapat juga penyimpangan data berasal dari alat ukur SFA, yaitu menempelnya debu pada jendela ZnSe sehingga keluaran laser tidak optimal, atau pengaturan posisi grating halus yang kurang tepat karena sangat sensitif terhadap getaran. Pada perlakuan normal, buah tomat hijau pasca panen membutuhkan waktu 7 hari untuk matang [ 4 ]. Pada penelitian ini buah tomat membutuhkan waktu 15 hari untuk menjadi merah-matang. Hal ini dikarenakan buah mengalami kedap udara selama perendaman gas SF 6 , sehingga menghambat laju produksi etilen.
Sementara penyimpangan data pada pola waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi, diasumsikan berasal dari ralat pengenceran yang dilakukan secara manual. Ralat pengenceran berasal dari pengambilan volume suntikan ke kuvet dua kali serta pengisian nitrogen pada kuvet dan sample bag dengan pengukuran laju melalui flowmeter yang kurang stabil.

## KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa dengan metode spektroskopi fotoakustik laser CO 2 terungkap dengan mudah cara mendeteksi sekaligus memantau pertukaran gas yang terjadi didalam buah tomat menggunakan gas SF 6 sebagai pelacak. Hasil koefisien difusi & resistensi buah tomat terhadap gas SF 6 dapat dipakai untuk menentukan koefisien difusi & resistensi hormon pematangan buah, gas C 2 H 4 .
Pola emisi C 2 H 4 yang dihasilkan oleh buah tomat telah sesuai dengan karakteristik buah klimakterik. Waktu relaksasi pertukaran gas didalam buah tomat dan koefisien resistensinya mengalami penurunan secara eksponensial dengan bertambahnya tingkat kematangan. Akan tetapi koefisien difusi buah tomat mengalami kenaikan dengan bertambahnya tingkat kematangan buah.
Dengan demikian metode spektroskopi fotoakustik laser yang digandeng dengan sistem gas mengalir dapat dipakai untuk memantau besaran difusi gas yang keluar masuk sampel buah. Hasil yang diperoleh dapat direkomendasikan kepada pengelola buah tomat pasca panen.

## PENULIS
1 M.A.J. Wasono
Dari :
(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan, Universitas Gadjah Mada
2 Y. A. Kholishoh
Dari : (1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan, Universitas Gadjah Mada
Pustaka 1. Groot TT. Trace Gas Exchange by Rice, Soil and Pears [Thesis]. University of Nijmegen; 2002. 2. BANKS NH. Estimating Skin Resistance to Gas Diffusion in Apples and Potatoes. J Exp Bot. 1985;36(12):1842–1850. Available from: https://doi.org/10.1093/jxb/36.12.1842 . 3. Wasono MAJ, Muslim, Tranggono S. Penerapan Spektrometer Fotoakustik Laser CO2 Semi Sealed-Off pada Penentuan Koefisien Resistensi Buah Tertentu Terhadap Difusi C2H4 Menggunakan Gas SF6 sebagai Pelacak. In: Pros. Pertem. dan Present. limiah Penelitlan Dasar IImu Pengetah. dan Teknol. Nukl. Yogyakarta: P3TM-BATAN; 2002. p. 241–248. 4. Saltveit ME. Postharvest Biology and Handling. In: Heuvelink E, editor. Tomatoes. United Kingdom: CABI Publishing; 2005. .