Film Bio-nanokomposit Berbasis Gelatin dan Carbon Dots

Abstract

Film kemasan berbasis biopolimer seperti gelatin dapat terurai secara hayati namun memiliki karakteristik fungsional seperti sifat mekanik dan termal yang perlu ditingkatkan. Film gelatin dengan karakteristik fungsional lebih baik dapat dibuat dengan teknologi nanokomposit yaitu dengan menambahkan nanofiller sebagai penguat. Salah satu material nanofiller alternatif yang dapat digunakan adalah carbon dots (C-dot). C-dot mengacu pada nanopartikel karbon fotoluminesensi kurang dari 10 nm. C-dot diketahui memiliki biokompatibilitas yang baik, inert secara kimia, dan toksisitas yang rendah. C-dot juga dilaporkan memiliki sifat pendar cahaya yang dapat dimanfaatkan untuk mendesain suatu film kemasan cerdas yang dapat merespon perubahan lingkungan dengan perubahan sifat fotoluminesensnya. Film bio-nanokomposit berbasis gelatin dengan varian konsentrasi C-dot (0,0 ; 0,1 ; 0,5 ; 1,0% w/w) dievaluasi dengan menganalisis karakteristik fungsionalnya. Karakteristik fungsional yang dianalisis diantaranya adalah tampilan fisik, morfologi dan gugus fungsi, laju transmisi uap air (water vapor transmission rate/WVTR), transparansi, densitas, sifat mekanik, sifat termal, dan sifat optik dari film bio-nanokomposit gelatin/C-dot. Secara visual film gelatin/C-dot bersifat transparan dan homogen. Gambar scanning electron microscopy (SEM) memperlihatkan bahwa C-dot terdispersi dengan baik pada matriks film. Spektrum Fourier Transform Infrared (FTIR) juga menunjukkan bahwa tidak ada perubahan struktur kimia pada matriks film. Penambahan C-dot juga secara signifikan (p<0,05) berkontribusi pada penurunan nilai laju transmisi uap air (WVTR), penurunan transparansi, dan peningkatan nilai densitas film dibandingkan dengan film gelatin tanpa penambahan C-dot. Sifat mekanik berupa kuat tarik, nilai elongasi dan modulus Young dari film gelatin/C-dot juga meningkat secara signifikan (p<0,05). Hasil terbaik diperoleh pada film gelatin/C-dot 0,5% (w/w) dengan nilai kuat tarik, elongasi, dan modulus Young, masing-masing sebesar 27,43 ± 0,71 MPa ; 23,17 ± 1,66 % ; 0,26 ± 0,03 GPa. Nilai WVTR, transparansi, dan densitas, masing-masing sebesar 26,06 ± 0,17 g/m2h ; 3,94 ± 0,03 ; 1,719 ± 0,004 g/cm3 pada film gelatin/C-dot 0,5% (w/w). Analisis DSC mengkonfirmasi stabilitas termal dari film berupa titik leleh yang meningkat menjadi 167°C pada film gelatin/C-dot 0,5% (w/w). Sifat optik film bio-nanokomposit gelatin/C-dot dievaluasi dengan spektroskopi UV-Vis dan fluoresens. Film gelatin/C-dot berpendar apabila dilakukan penyinaran dengan lampu UV 366 nm. Spektrum absorbansi UV Vis menunjukkan adanya puncak baru pada 339 nm yang menunjukkan transisi π-π* dan n-π* dari struktur C-dot. Film gelatin/C-dot menunjukkan puncak emisi berturut-turut pada 500 nm, 515, dan 517 nm, untuk film gelatin/C-dot 0,1 ; 0,5, dan 1,0% (w/w).

Biopolymer-based packaging films such as gelatin are biodegradable but have functional characteristics such as mechanical and thermal properties that need to be improved. Gelatin films with better functional characteristics can be made by adding nanofillers as reinforcement. One alternative nanofiller material that can be used is carbon dots (C-dots). C-dots refers to photoluminescent carbon nanoparticles less than 10 nm. C-dots is known to have good biocompatibility, chemical inertness, and low toxicity. C-dots is also reported to have the property of luminescence. It can be used to design a smart packaging film that can respond to environmental changes by changing its photoluminescence properties. Gelatin-based bio-nanocomposite films with C-dots concentration variants (0.0 ; 0.1 ; 0.5 ; 1.0% w/w) were evaluated by analyzing their functional characteristics. The functional characteristics analyzed include physical appearance, morphology, functional groups, water vapor transmission rate (WVTR), transparency, density, mechanical properties, thermal properties, and optical properties of gelatin/C-dots bio-nanocomposite films. Visually, the gelatin/C-dots film is transparent and homogeneous. Scanning electron microscopy (SEM) images show that C-dot is well dispersed in the film matrix. The Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrum also shows no change in the chemical structure of the film matrix. The addition of C-dots also significantly (p<0.05) contributed to a decrease in the value of the water vapor transmission rate (WVTR), a decrease in transparency, and an increase in the density of the film compared to gelatin films without the addition of C-dots. Mechanical properties such as tensile strength, elongation value, and Young's modulus of the gelatin/C-dots film also increased significantly (p<0.05). The best results were obtained on 0.5% (w/w) gelatin/C-dots film with tensile strength, elongation, and Young's modulus values of 27.43 ± 0.71 MPa, respectively; 23.17 ± 1.66% ; 0.26 ± 0.03 GPa. WVTR, transparency, and density values were 26.06 ± 0.17 g/m2h, respectively; 3.94 ± 0.03 ; 1.719 ± 0.004 g/cm3 on 0.5% (w/w) gelatin/C-dots film. DSC analysis confirmed the thermal stability of the film as the melting point increased to 167°C on 0.5% (w/w) gelatin/C-dots film. UV-Vis and fluorescence spectroscopy evaluated the optical properties of the gelatin/C-dots bio-nanocomposite films. The gelatin/C-dots film glows when irradiated with a 366 nm UV lamp. The UV Vis absorbance spectrum showed a new peak at 339 nm, indicating the -π* and n-π* transitions of the C-dot structure. The gelatin/C-dot film showed emission peaks at 500 nm, 515, and 517 nm, respectively, for the gelatin/C-dot film 0.1 ; 0.5, and 1.0% (w/w).