Bionanokomposit Film dengan Nanopartikel ZnO sebagai Filler: Kajian Meta-analisis

Abstract

Bionanokomposit film berbasis biopolimer yang dikombinasikan dengan filler nanopartikel ZnO sedang banyak dikembangkan. Namun, terdapat hasil penelitian yang beragam diantara studi individu dimana sebagian penelitian menunjukkan hasil positif yang mampu memperbaiki sifat kemasan, namun sebagian penelitian lain menunjukkan hasil sebaliknya. Di samping itu, perbedaan parameter nanopartikel ZnO, seperti bentuk, ukuran, metode sintesis, dan jumlah konsentrasi yang digunakan dapat memengaruhi sifat bionanokomposit film yang dihasilkan. Oleh karena itu, perlu dilakukan kajian yang menyeluruh dan sistematis dengan meta-analisis untuk mengetahui pengaruh perbedaan parameter nanopartikel ZnO yang ditambahkan pada bahan pembentuk kemasan berbasis biopolimer terhadap karakteristik bionanokomposit film. Kajian meta-analisis ini dibatasi pada objek meta-analisis berupa karakteristik bionanokomposit film dasar, seperti kuat tarik, elongasi, permeabilitas uap air, penghalang sinar ultraviolet (UV), dan antimikroba. Kontrol yang digunakan pada kajian ini adalah bionanokomposit film tanpa penambahan nanopartikel ZnO.

Penelitian ini dilakukan dalam 6 tahapan, yaitu perumusan pertanyaan penelitian, penelitian pendahuluan, penentuan kriteria inklusi dan eksklusi, pengumpulan sumber studi, ekstraksi data, dan analisis data. Berdasarkan pencarian sumber studi yang dilakukan pada 10 database jurnal internasional terindeks Scopus, diperoleh sebanyak 47 artikel untuk dilakukan meta-analisis. Dalam melakukan pengolahan data digunakan software OpenMEE dengan metode meta-analisis yang digunakan sebagai ukuran efek (effect size) adalah Standardized Mean Difference (SMD) yang berupa Hedges’ d. Effect size merupakan luaran utama yang dihasilkan pada olahan data meta-analisis karena dapat mengukur perbedaan antara film yang ditambahkan dengan nanopartikel ZnO dengan film kontrol. Di samping itu, dilakukan pengujian heterogenitas studi, bias publikasi, analisis subkelompok (subgroup), dan meta-regresi untuk melengkapi hasil meta-analisis.

Hasil penelitian pada analisis utama menunjukkan bahwa penambahan ZnO-NPs meningkatkan semua karakteristik film yang diamati secara signifikan (p <0,05) karena nilai p semua parameter < 0,001. Nilai keseluruhan ukuran efek (overall effect size) beserta 95% CI untuk sifat kuat tarik, elongasi, WVP, penghalang sinar UV, dan antimikroba secara berurutan, yaitu 2,014 (1,453 s.d. 2,575); -1,534 (-2,121 s.d. -0,948); -3,624 (-4,408 s.d. -2,840); -15,861 (-22,494 s.d. -10,948); dan -27,217 (-31,970 s.d. -22,463). Selain itu, nilai I2 pada semua parameter bernilai >50% dengan nilai p < 0,001. Hal tersebut menandakan terdapat heterogenitas yang cukup tinggi sehingga diamati pengaruh variabel moderator ZnO-NP (bentuk, ukuran, metode sintesis, dan jumlah konsentrasi ZnO-NP) terhadap seluruh parameter bionanokomposit film menggunakan analisis subgroup dan meta-regresi.

Hasil analisis subgroup menunjukkan bahwa penggunaan ZnO dengan kisaran ukuran 1-100 nm yang disintesis secara komersial, fisik, atau kimia dengan morfologi batang dan tidak beraturan mampu meningkatkan semua karakteristik film yang diamati. Selanjutnya, penambahan ZnO-NPs pada tingkat konsentrasi tertentu dapat mempengaruhi karakteristik bionanokomposit film yang dihasilkan. Hasil meta-regresi menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi ZnO-np yang ditambahkan mampu menurunkan nilai elongasi film secara signifikan. Selain itu, penggunaan matriks biopolimer polilaktat mampu menghasilkan sifat mekanik yang unggul, sedangkan polisakarida mampu memberikan sifat penghalang uap air, sinar UV, dan antimikroba yang optimal ketika digunakan bersama dengan nanopartikel ZnO dengan teknik solution casting.

Hasil analisis bias publikasi dengan Rosenthal’s fail-safe-number menyatakan bahwa meta-analisis yang dilakukan kuat (robust) terhadap adanya bias publikasi karena nilai Nft pada seluruh parameter bionanokomposit film yang diamati lebih dari 5N+10. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa hasil temuan dari kajian meta-analisis ini dapat digunakan sebagai pedoman untuk mengambil suatu keputusan dalam pengembangan kemasan aktif berbasis biopolimer yang ditambahkan nanopartikel ZnO. Diharapkan kemasan aktif tersebut mampu menjaga kualitas dan memperpanjang umur simpan produk pangan.

Research on biopolymer-based films incorporated with ZnO nanoparticles (ZnO-NPs) is being developed. However, its result varies among individual studies where some studies showed positive results that can improve film properties, but others showed the opposite results. In addition, differences in ZnO-NPs parameters, such as shape, size, synthesis method, and the amount of concentration used, can affect the properties of the bionanocomposite films. Therefore, a comprehensive and systematic study using meta-analysis is needed to determine the effect of different parameters of ZnO nanoparticles added to biopolymer-based packaging materials on the characteristics of bionanocomposite films. This study was limited to the object of the meta-analysis in the form of bionanocomposite film characteristics, such as tensile strength, elongation, water vapor permeability, ultraviolet (UV) light barrier, and antimicrobial. The control used in this study was a bionanocomposite film without the addition of ZnO nanoparticles. This research was conducted in 6 stages, i.e., formulation of research questions, preliminary research, determination of inclusion and exclusion criteria, collection of study sources, data extraction, and data analysis. Based on the search for study sources conducted on 10 international journal databases indexed by Scopus, 47 articles were obtained for meta-analysis. In processing the meta-analysis data, OpenMEE software was used with the output of effect size in the form of Standardized Mean Difference (SMD). The method used to calculate the effect size was Hedges'd. The effect size can measure the difference between the films added with ZnO nanoparticles and the control film. In addition, the tests of study heterogeneity, publication bias, subgroup analysis, and meta-regression were carried out to complement the meta-analysis results. The main analysis results showed that adding ZnO-NPs significantly improved all observed film characteristics (p < 0.05) because the p values of all parameters were < 0.001. The overall effect size and 95% CI for tensile strength, elongation, WVP, UV barrier, and antimicrobial properties were 2.014 (1.453 to 2.575); -1.534 (-2.121 to -0.948); -3.624 (-4.408 to -2.840); -15,861 (-22.494 to -10.948); and -27.217 (-31.970 to -22.463). In addition, the value of I2 on all parameters were >50% with p-value < 0.001. It indicates a quite high heterogeneity, so the effect of ZnO-NP moderator variables (shape, size, synthesis method, and total concentration of ZnO-NP) was observed on all bionanocomposite film parameters using subgroup analysis and meta-regression. The subgroup analysis results showed that using ZnO with a size range of 1-100 nm, which was synthesized commercially, physically, or chemically with rod and irregular morphology, improved all the observed film characteristics. Furthermore, adding ZnO-NPs at a certain concentration level can affect the characteristics of the resulting bionanocomposite films. The meta-regression results showed that increasing the concentration of added ZnO-np reduced the elongation value of the film significantly. In addition, the use of polylactic acid (PLA) produced superior mechanical properties, while polysaccharides can provide an optimal water vapor barrier, UV light, and antimicrobial properties when used together with ZnO nanoparticles by solution casting technique. The results of the publication bias analysis with Rosenthal's fail-safe-number stated that the meta-analysis conducted was robust against publication bias. It was due to the Nft value in all parameters of bionanocomposite films being more than 5N+10. Thus, it can be concluded that the findings from this meta-analysis study can be used as a guide for making a decision on the development of biopolymer-based active packaging with ZnO nanoparticles as filler. The active packaging is expected to maintain the quality and extend the shelf life of food products.