Rekayasa Proses Emulsi Pickering Berbasis Nanofiber Selulosa dan Enkapsulasi Dalam Alginate Hydrogel Bead

Abstract

Emulsi pickering merupakan emulsi yang distabilkan oleh partikel padat yang teradsorpsi secara irreversible pada permukaan droplet. Salah satu partikel organik yang berpotensi sebagai partikel penstabil emulsi adalah nanoselulosa yang dipisahkan dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Berdasarkan proses isolasinya, nanoselulosa terdiri dari nanokristalin selulosa (NCC) dan nanofiber selulosa (NFC). NCC diperoleh melalui proses hidrolisis asam, sedangkan NFC dipisahkan melalui defibrilasi mekanis serat selulosa. Dikarenakan luas permukaan dan aspek rasio yang tinggi, NFC mampu membentuk gel dalam air dengan perilaku shear thinning dan thixotropic. NFC juga dapat membentuk struktur jaringan pada antarmuka minyak/air sehingga mampu menstabilkan emulsi. Penelitian ini bertujuan untuk merekayasa proses emulsifikasi dari emulsi pickering menggunakan NFC sebagai partikel penstabil dan enkapsulasi emulsi pickering tersebut dalam alginate hydrogel bead. Secara khusus, penelitian ini diharapkan untuk, 1) menghasilkan NFC yang diisolasi dari TKKS melalui defibrilasi mekanis (kombinasi ultrafine grinding dan ultrasonikasi) dengan karakteristik sebagai partikel penstabil, 2) menghasilkan desain proses emulsifikasi dari emulsi pickering mencakup : metode homogenisasi terbaik dan konsentrasi partikel NFC yang optimal untuk menghasil formulasi emulsi pickering yang stabil, dan 3) menghasilkan alginate hydrogel bead dengan efisiensi enkapsulasi tinggi. Pada tahap 1, proses defibrilasi NFC berhasil dilakukan dengan kombinasi ultrafine grinding dan ultrasonikasi selama 60 menit pada amplitudo 80%. Kondisi proses tersebut berhasil memisahkan bundelan NFC dengan diameter 54,80 nm, nilai zeta potensial -40,77 mV, indeks kristalinitas 66,62±0,14%, sudut kontak 47,2°, dan suspensi yang bersifat shear thinning dengan viskositas 0,468 Pa.s pada laju geser 10 (1/dt). Analisis scanning electron microscope (SEM) mengkonfirmasi bahwa NFC berbentuk serat berdiameter nano dengan panjang lebih dari 1 µm. Pada tahap 2, metode homogenisasi terbaik digunakan untuk menformulasikan emulsi pickering yang stabil terhadap fase pemisahan. Metode tersebut adalah kombinasi homogenizer Ultraturrax dan homogenizer Ultrasonik. Proses tersebut menghasilkan emulsi dengan ukuran droplet 10,78±0,71 µm. Penentuan konsentrasi partikel NFC pada formulasi emulsi pickering terbaik didasarkan pada karakteristik emulsi yaitu ukuran droplet, distribusi ukuran droplet, sifat reologi, dan sifat permukaan serta stabilitas yang tinggi terhadap kriming dan koalesensi. Penambahan 0,7% NFC mengasilkan emulsi dengan ukuran droplet 9,19 µm, indeks span 1,85, zeta potensial -34,27 mV, viskositas 4,31 Pa.s, indeks perilaku aliran 0,28, dan koofisien kekentalan 0,64 Pa.sn . Emulsi tersebut mempunyai kestabilan yang tinggi terhadap proses kriming dan koalesensi. Penelitian juga dilanjutkan dengan mengaplikasikan sebanyak 0,7% NFC dalam formulasi alginate hydrogel bead. Selain berperan sebagai partikel penstabil emulsi, NFC yang berlebih pada sistim emulsi dapat berperan sebagai bahan filler yang mempengaruhi karakteristik alginate hydrogel bead. v Pada tahap 3, model sistim pembawa dikembangkan berdasarkan emulsi pickering dan alginate hydrogel bead. Model sistim pembawa tersebut disiapkan dengan teknik enkapsulasi emulsi pickering dalam matriks alginate hydrogel bead. Enkapsulasi emulsi pickering yang distabilkan NFC dalam alginate hydrogel bead pada berbagai rasio perbandingan minyak dan air telah berhasil dibuat. Enkapsulasi dilakukan menggunakan minyak sawit dikarenakan stabilitas oksidatifnya yang tinggi. Rasio minyak pada formulasi emulsi pickering mempengaruhi karakteristik alginate hydrogel bead. Pengukuran terhadap efisiensi enkapsulasi dilakukan terhadap bead basah dan kering. Perbedaan metode pengeringan mengakibatkan perbedaan efisiensi enkapsulasi. Perlakuan terbaik diperoleh pada perbandingan rasio minyak : air (10 : 90) dengan efisiensi enkapsulasi bead basah 99,75%, bead kering (pengeringan oven vakum) 91,34 %, dan bead kering (pengeringan beku) 100%. Model sistim pembawa berdasarkan emulsi pickering dan hidrogel alginat membuka peluang aplikasi baru sebagai pembawa komponen lipofilik seperti komponen bioaktif, vitamin, minyak atsiri, senyawa flavor dan lainnya.