Sintesis dan Karakteristik Biosurfaktan dari Nanolignin Daun Tebu Hasil Isolasi dengan Asam Maleat

Abstract

Tebu (Saccharum officinarum Linn) merupakan salah satu komoditas multiusaha kehutanan melalui kegiatan agroforestri sesuai Peraturan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia Nomor 8 Tahun 2021. Limbah pascapanen berupa daun tebu sering kali hanya dibakar di lahan, padahal mengandung 40,4% selulosa, 33,2% hemiselulosa, dan 17,4% lignin. Di samping kompleksitas struktur yang dimilikinya, lignin mengandung senyawa fenolik yang dapat dikonversi menjadi bioproduk bernilai, seperti biosurfaktan. Penelitian ini merupakan pengembangan penelitian sebelumnya yang berhasil memperoleh lignin optimum (lignin MB5) melalui kombinasi pra-perlakuan asam maleat-microwave dan NaOH-autoklaf, serta isolasi menggunakan asam maleat 5% pH 3. Valorisasi lignin MB5 melalui tiga tahap utama, pertama, konversi lignin MB5 menjadi ukuran nano menggunakan variasi nisbah pelarut tetrahidrofuran (THF):etanol=1:1 (nanolignin A) dan 1:2 (nanolignin B) dengan metode self-assembly. Variasi tersebut dilakukan untuk mengurangi penggunaan THF yang bersifat karsinogenik, namun tetap mempertimbangkan kelarutan lignin. Tahap kedua, sintesis nanolignin menjadi biosurfaktan menggunakan polivinil alkohol (PVA) sebagai agen hidrofilik, asam oksalat (agen taut silang), dan 1-metilimidazol (katalis) menggunakan metode pencangkokan. Tahap terakhir adalah aplikasi biosurfaktan sebagai aditif dalam proses hidrolisis enzimatis untuk mengetahui pengaruhnya terhadap produksi gula yang dihasilkannya. Metode sintesis self-assembly menghasilkan nanolignin A dengan karakteristik partikel berukuran 227,90 nm, zeta potensial -38,13±0,20 mV, dan tegangan permukaan 51,50 mN/m. Nanolignin B memiliki karakteristik partikel berukuran 236,17 nm, zeta potensial -46,73±0,05 mV, dan tegangan permukaan 51,80 mN/m. Analisis TEM menunjukkan nanolignin A memiliki bentuk partikel yang lebih bulat jika dibandingkan dengan nanolignin B, yang dipengaruhi oleh nisbah etanol yang lebih banyak menurunkan kelarutan lignin. Spektrum FTIR menunjukkan munculnya puncak pada bilangan gelombang 1723 cm-1 dan 1219 cm-1 yang mengindikasikan adanya reaksi esterifikasi pada biosurfaktan. Hasil zeta potensial biosurfaktan meningkat hingga -95,10±0,60 mV yang mengindikasikan klasifikasinya sebagai surfaktan anionik. Tegangan permukaan yang rendah (42,20±0,04 mN/m) merupakan salah satu parameter biosurfaktan yang baik dan berpotensi dijadikan aditif hidrolisis lignoselulosa. Hasil HPLC menunjukkan, penambahan biosurfaktan belum cukup efektif meningkatkan produksi gula yang ditandai dengan konsentrasi gula yang dihasilkan masih lebih rendah dibandingkan kontrol. Kondisi ini diduga dipengaruhi interaksi hidrofobik antara nanolignin dan enzim selulase. Namun, konsentrasi inhibitor dalam hidrolisat seperti asam asetat dan 5-HMF yang terbentuk relatif rendah, yang menunjukkan minimal penghambatan pada proses fermentasi dalam produksi bioetanol

Sugarcane (Saccharum officinarum Linn.) is one of the forestry multi-business commodities developed through agroforestry, as regulated by the Ministry of Environment and Forestry of the Republic of Indonesia, in Regulation No. 8 of 2021. Post-harvest residues, particularly leaves, are often burned in the field, although they contain 40.4% cellulose, 33.2% hemicellulose, and 17.4% lignin. Despite its complex structure, lignin is rich in phenolic compounds and has potential as a precursor for bioproducts. This research continues previous work that successfully obtained optimum lignin (lignin MB5) through a combined maleic acid–microwave and NaOH–autoclave pretreatment, followed by isolation using 5% maleic acid at pH 3. Three main stages were carried out in lignin valorization. First, lignin MB5 was converted into nanoscale particles using a self-assembly method with tetrahydrofuran (THF):ethanol solvent ratios=1:1 (nanolignin A) and 1:2 (nanolignin B). This variation aimed to reduce the use of carcinogenic THF while maintaining lignin solubility. Second, nanolignin was synthesized into a biosurfactant through a grafting method using polyvinyl alcohol (PVA) as a hydrophilic agent, oxalic acid (cross-linking agent), and 1-methylimidazole (catalyst). Finally, the biosurfactant was applied as an additive in enzymatic hydrolysis to evaluate its effect on sugar production. The self-assembly synthesis method produced nanolignin A with a particle size of 227.90 nm, a zeta potential of -38.13 ± 0.20 mV, and a surface tension of 51.50 ± 0.01 mN/m. Nanolignin B exhibited a particle size of 236.17 nm, zeta potential of -46.73±0.05 mV, and surface tension of 51.80±0.01 mN/m. TEM analysis revealed that nanolignin B exhibited less spherical particles due to the higher ethanol ratio, which reduced the solubility of lignin. A peak at 1723 and 1219 cm?¹ confirmed the esterification reaction in biosurfactant formation. The resulting biosurfactant showed an increased zeta potential of -95.10±0.60 mV, indicating its classification as an anionic surfactant, along with a lower surface tension of 42.20±0.04 mN/m, which is favorable for application in lignocellulosic hydrolysis. HPLC analysis revealed that the addition of biosurfactant was not yet effective in enhancing sugar production, as sugar concentrations did not exceed those of the control. This limitation is likely due to hydrophobic interactions between nanolignin and cellulase. However, the lower sugar concentration also resulted in reduced inhibitor levels, such as acetic acid and 5-HMF, suggesting that the hydrolysate remains suitable for potential bioethanol production.