Rekasaya Kemasan Aktif dan Halokromik Cerdas Berbasis Nano Seng Oksida - Polianilin (nZnO - PANI)

Abstract

Penurunan mutu produk segar terkemas selama masa penyimpanan sering terjadi tanpa disadari oleh konsumen. Hal ini dikarenakan terbatasnya informasi mengenai kesegaran suatu produk pada kemasan mengakibatkan dibutuhkan suatu perkembangan teknologi kemasan untuk meningkatkan kualitas dan keamanan pangan. Kemasan multifungsi cerdas dan aktif menjadi salah satu tren inovasi dalam bidang pengemasan saat ini. Kemasan cerdas memiliki indikator sensorik yang dapat memberikan informasi mengenai kondisi aktual suatu produk dalam bentuk penanda visual. Di sisi lain, kemasan aktif memiliki kemampuan untuk melepaskan atau menyerap zat-zat dalam produk pangan secara langsung. Kombinasi kedua konsep ini menarik untuk diteliti dan diimplementasikan dalam pengembangan kemasan baru. Penelitian ini berfokus pada pemanfaatan polianilin (PANI) sebagai material cerdas yang memiliki sensitivitas terhadap pH (halokromik). PANI dikombinasikan dengan bahan aktif nano seng oksida (nZnO) untuk menghasilkan kemasan cerdas aktif yang mampu mendeteksi penurunan mutu produk pangan dan memperpanjang umur simpan. Penelitian ini bertujuan untuk mendesain kemasan multifungsi aktif antimikroba dan indikator halokromik cerdas berbahan nZnO – PANI. Tujuan khusus penelitian ini meliputi (i) memproduksi kemasan aktif halokromik cerdas berbahan PVA – nZnO – PANI dan menentukan metode pewarnaan indikator cerdas; (ii) menganalisa sifat fisik dan mekanik kemasan; (iii) mengevaluasi kinerja kemasan dalam menghambat pertumbuhan bakteri Escherichia coli dan Staphylococcus aureus; (iv) mengaplikasikan kemasan pada produk ikan segar dan mengevaluasi parameter mutu uji berupa Total Volatile Base Nitrogen (TVBN), Total Plate Count (TPC), pH, warna dan tekstur; (v) membuat model kinetika perubahan warna kemasan dan parameter mutu ikan. Penelitian ini dilakukan dalam empat tahap. Tahap pertama adalah sintesis PANI menggunakan metode polimerisasi interfasial. PANI yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi morfologi permukaan dan gugus fungsinya. Kemudian, pengujian stabilitas warna PANI terhadap pH dan stabilitas PANI terhadap kadar amonia juga dilakukan. Tahap kedua yaitu pembuatan film kemasan cerdas aktif dari PVA – nZnO – PANI dan dilakukan pengujian terhadap kuat tarik, elongasi, ketebalan, Water Vapor Transmission Rate (WVTR) dan sifat antibakteri. Pada tahap tersebut dilakukan metode pembobotan untuk menentukan konsentrasi nZnO terpilih. Tahap ketiga adalah mengaplikasikan kemasan cerdas pada produk ikan segar pada 3 suhu penyimpanan berbeda (5±1oC; 28±1oC; 37oC) selama 12 jam dengan melakukan pengukuran parameter mutu setiap 2 jam. Parameter mutu yang diukur pada ikan segar meliputi TVBN, TPC, pH, warna, dan tekstur. Perubahan warna yang terjadi pada kemasan diukur menggunakan kromameter untuk mendapatkan nilai °hue. Nilai ohue digunakan untuk mengukur tingkat kehijauan atau kebiruan suatu warna kemasan. Semakin rendah nilai ohue maka semakin hijau warna yang dihasilkan, berkebalikan dengan peningkatan nilai ohue menghasilkan warna yang semakin biru. Tahap keempat yaitu pengembangan model kinetika reaksi terhadap perubahan warna dan parameter mutu ikan menggunakan persamaan Arrhenius ordo nol dan ordo satu. Penelitian ini menunjukkan kemasan cerdas aktif berhasil dapat berubah warna dari hijau menjadi biru ketika terpapar dengan pH >4 dan basa volatil berupa gas amonia. Penggunaan varian konsentrasi nZnO memberikan pengaruh signifikan pada kemasan (p < 0,05) terhadap sifat fisik dan mekanik (kuat tarik, elongasi, ketebalan) dan aktivitas antibakteri terhadap kedua kultur bakteri (Escherichia coli dan Staphylococcus aureus). Penambahan PANI pada kemasan juga menunjukkan pengaruh signifikan (p < 0,05) terhadap kuat tarik, elongasi, dan aktivitas antibakteri pada bakteri Staphylococcus aureus. Interaksi antara konsentrasi nZnO dan pewarna PANI dikaji dan menunjukkan pengaruh signifikan hanya pada kuat tarik dan aktivitas antibakteri pada bakteri Staphylococcus aureus. Formulasi terpilih PVA – nZnO 2% - PANI dalam kemasan cerdas aktif ditentukan berdasarkan metode pembobotan, dengan pertimbangan sifat fisik dan mekanik yang baik, nilai WVTR yang rendah, dan sifat antibakteri yang kuat. Formulasi tersebut terpilih dengan pertimbangan dari kemasan yang menghasilkan sifat fisik dan mekanik yang baik, nilai WVTR yang rendah, dan sifat antibakteri yang kuat. Pengaplikasian kemasan cerdas aktif (PVA – nZnO – PANI) pada produk ikan terkemas menunjukkan keberhasilan dalam mempertahankan mutu ikan pada suhu 28 ± 1°C hingga lebih dari 10 jam. Kemasan cerdas aktif menunjukkan perubahan warna yang sejalan dengan kenaikan nilai TVBN, TPC, dan nilai hue (ohue). Hasil uji korelasi Pearson menunjukkan hubungan positif kuat antara ohue dengan TVBN (r = 0,839; p = 0,000) dan korelasi positif sedang antara ohue dengan TPC (r = 0,575; p = 0,006). Pengembangan model kinetika Arrhenius dilakukan pada perubahan warna kemasan dan penurunan mutu produk. Ordo yang terpilih yaitu ordo satu untuk parameter mutu TVBN dan ohue (k = 8,2 105 e-39,79/T ; k = 3,2 109 e-64,15/T) serta ordo nol untuk TPC (k = 5,4 104 e-31,46/T). Pemilihan ordo didasari dengan pemilihan nilai R2 tinggi, nilai standar eror rendah, pola grafik ordo yang sesuai dan pendugaan umur simpan yang memiliki hasil mendekati kondisi riil. Parameter mutu kritis pada penelitian ini yaitu pada parameter TPC dengan nilai energi aktivasi terendah sebesar 31,46 kj/mol. Model ini dapat digunakan untuk memprediksi penurunan mutu produk ikan nila pada kondisi suhu yang berbeda.

The deterioration of packaged fresh food during storage without consumer’s knowledge is a growing issue. This issue is due to the limited information on the freshness of a product on the packaging, which necessitates the development of packaging technology to improve food quality and safety. Smart and active multifunctional packaging is one of the current trends in packaging innovation. Smart packaging has sensory indicators that can provide information about the actual condition of a product in the form of visual cues. On the other hand, active packaging can release or absorb substances in food products directly. Combining these two concepts is interesting to research and implement in developing innovative packaging. This research focuses on using polyaniline (PANI) as a smart material with pH sensitivity (halochromic). PANI is combined with the active material nano zinc oxide (nZnO) to produce smart and active packaging that can detect changes in the freshness of food products. This research aims to design multifunctional active antibacterial and smart halocromic indicators packaging made from nZnO – PANI. The specific objectives of this research include; (i) to produce smart halochromic and active packaging made from PVA – nZnO – PANI and determine the coloring method; (ii) to analyze the physical and mechanical properties of the packaging; (iii) to evaluate the performance of packaging in inhibiting the growth of Escherichia coli and Staphyloccocus aureus bacteria; (iv) to apply packaging to fresh fish products and evaluate the quality test parameters (TVBN, TPC, pH, color and texture); (v) to develop a kinetic model of color change and fish quality parameters. This research was carried out in four stages. The first stage is the synthesis of PANI using the interfacial polymerization method. The resulting PANI was then characterized for its surface morphology and functional groups. In addition, PANI color stability was tested for pH and PANI stability for ammonia levels. The second stage is making active smart packaging films from PVA – ZnO – PANI and testing tensile strength, elongation, thickness, WVTR, and antibacterial properties. At this stage, a weighting method is used to determine the concentration of selected ZnO. The third stage is applying smart packaging to fresh fish products at three different storage temperatures (5 ± 1oC; 28 ± 1oC; 37oC) for 12 hours by measuring quality parameters every 2 hours. Quality parameters measured in fresh fish include TVBN, TPC, pH, color, and texture. Color changes on the packaging are measured using a chromameter to obtain the °hue value. The °hue value measures a packaging color's level of greenness or blueness. The lower the °hue value, the greener the color produced; on the contrary, increasing the °hue value produces a bluer color. The fourth stage is to develop a reaction kinetics model for the color changes and fish quality parameters using the zero and first-order Arrhenius equations. The study demonstrated that the smart active packaging successfully changed color from green to blue when exposed to pH > 5 and volatile bases in the form of ammonia gas. The use of different concentrations of nZnO in the packaging significantly (p < 0.05) affected the physical and mechanical properties (tensile strength, elongation, thickness) and antibacterial activity against both bacterial cultures (Escherichia coli and Staphylococcus aureus). The addition of the smart material PANI to the packaging also significantly (p < 0.05) affected the tensile strength, elongation, and antibacterial activity against Staphylococcus aureus bacteria. The interaction between the concentration of nZnO and the PANI dye was investigated and found to significantly affect only the tensile strength and antibacterial activity against Staphylococcus aureus bacteria. The selected formulation of PVA - nZnO 2% - PANI in the smart active packaging was determined based on a weighting method, considering good physical and mechanical properties, low WVTR value, and strong antibacterial properties. The application of smart active packaging (PVA-nZnO-PANI) on packaged fish products has shown success in maintaining fish quality at 28 ± 1°C for more than 10 hours. Active intelligent packaging exhibited a color change that correlated with increases in TVBN, TPC, and hue (ohue) values. Pearson correlation test results showed a strong positive correlation between ohue and TVBN (r = 0.839; p = 0.000) and a moderate positive correlation between ohue and TPC (r = 0.575; p = 0.006). The development of the Arrhenius kinetic model was carried out on the color change of the packaging and the decrease in product quality. The selected order was first order for the quality parameters TVBN and ohue (k = 8,2 105 e-39,79/T; k = 3,2 109 e-64,15/T) and zero order for TPC (k = 5,4 104 e-31,46/T). The selection of the order was based on the selection of a high R2 value, a low standard error value, a suitable order graph pattern, and the prediction of shelf life that has results close to real conditions. The critical quality parameter in this study was the TPC parameter with the lowest activation energy value of 31.46 kJ/mol. This model can be used to predict the decrease in quality of tilapia fish products under different temperature conditions.