Peningkatan Rendemen Gula Pereduksi dari Kayu Jabon (Anthocephalus cadamba Miq.) dengan Perlakuan Air Kapur (Ca(OH)2)

Abstract

Biomassa kayu merupakan sumber gula paling melimpah yang dapat dikonversi menjadi bioetanol. Komponen utama dinding sel kayu terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin. Secara biologis hanya komponen selulosa dan hemiselulosa yang dapat dihidrolisis menjadi gula dan difermentasi menjadi etanol. Struktur selulosa terdiri dari bagian yang besifat amorf dan kristalin. Dalam hidrolisis enzimatis, keberadaan lignin dan sifat kristalinitas selulosa selama ini diyakini sebagai faktor penghambat proses kinerja enzim dalam mengkonversi selulosa menjadi gula, sehingga diperlukan perlakuan pendahuluan (praperlakuan) agar dapat meningkatkan kinerja enzim. Penelitian mengenai praperlakuan bahan berlignoselulosa dalam pembuatan bioetanol telah banyak dilakukan, salah satunya adalah menggunakan kalsium hidroksida (Ca(OH)2) atau sering disebut dengan istilah kapur. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan rendemen gula pereduksi (RGP) pada proses hidrolisis enzimatis kayu jabon dengan praperlakuan kapur, serta mempelajari perubahan karakteristik morfologi dan kristalinitas kayu jabon setelah melalui perlakuan tersebut. Serbuk kayu (tanpa kulit) ukuran 40-60 mesh dibuat dan dipersiapkan dari log kayu jabon umur 7 tahun asal Garut, Jawab Barat. Analisis komponen kimia kayu jabon (kadar ekstraktif alkohol-benzena 1:2, holoselulosa, -selulosa, hemiselulosa dan lignin klason) dilakukan terhadap sampel sebelum dan setelah perlakuan masing-masing mengacu pada standar TAPPI T204 om-88, TAPPI T9m-54, Browning (1967), dan TAPPI T222 om-88. Perlakuan dilakukan dengan menimbang 9 g serbuk jabon yang sudah diketahui kadar airnya, dimasukkan dalam digester, ditambahkan kapur dengan konsentrasi (KK) 0.1, 0.3 dan 0.5 g Ca(OH)2/g serbuk kering, dan 90 mL air. Larutan kapur dan serbuk kayu diaduk sampai merata kemudian dipanaskan dalam penangas minyak dengan variasi suhu 100, 125 dan 150 C selama 2, 4 dan 6 jam. Sebagai pembanding, dilakukan juga pemasakan hanya dengan air panas “liquid hot water” (LHW) dengan variasi suhu dan waktu yang sama dengan perlakuan kapur. Substrat hasil perlakuan dibilas menggunakan air destilasi (aquades) sampai pH-nya netral. Sebagian substrat yang sudah netral dikeringkan dalam oven 60 °C selama 3 hari untuk mengukur kadar air (KA) dan kehilangan berat (WL)-nya, sedangkan sebagian lainnya tetap disimpan dalam lemari pembeku untuk proses hidrolisis enzimatis dan pengujian lainnya. Hidrolisis enzimatis dilakukan dengan mengacu metode National Renewable Energy Laboratory (NREL) menggunakan enzim selulase komersial dengan aktifitas enzim 200 FPU/g. Variasi konsentrasi enzim (KE) yang digunakan adalah 10, 20 dan 40 FPU/g substrat. Hidrolisis dilakukan dalam shaking incubator dengan kecepatan 150 rpm, suhu 50 °C selama 48 jam. Posisi vial diletakkan horisontal untuk memperluas kontak substrat dengan enzim. Pengukuran RGP dilakukan dengan alat spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 500 nm berdasarkan metode Nelson-Samogyi. Analisis morfologi substrat sebelum dan setelah perlakuan dilakukan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) FE- SEM INSPECT F50 pada voltase 20 kV dan working distance (WD) 15.3 mm. Analisis X-Ray Difraction (XRD) menggunakan XRD-700 MaximaX series (Shimadzu) pada kisaran sudut 2Ɵ 10-40o dengan kecepatan 2o/menit dilakukan untuk mengetahui kristalinitas kayu jabon sebelum dan setelah perlakuan. Data hasil penelitian dianalisis dengan bantuan Minitab 16 Statistical Software menggunakan model rancangan acak lengkap (RAL) faktorial yang meliputi faktor KK, suhu dan waktu pemaskan. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa kayu jabon pada penelitian ini memiliki kandungan -selulosa 43.92 %, hemiselulosa 29.96 %, lignin 25.20 % dan ekstraktif 2.57 % (b/b). Perlakuan kapur mampu meningkatkan RGP kayu jabon sampai 9.7 kali lebih tinggi daripada RPG kayu jabon tanpa perlakuan. Penambahan KK (0.1-0.5 g Ca(OH)2/g biomassa kering) dan peningkatan suhu (100-150 C) memberikan pengaruh signifikan terhadap RGP jabon. RGP tertinggi (118 mg setara glukosa/g sebuk kering) diperoleh dari kombinasi perlakuan KK 0.5 g Ca(OH)2/g biomassa kering pada suhu 150 C selama 4 jam, dengan KE 40 FPU/g substrat. Hasil ini setara dengan 14.4 % dari perhitungan teori jumlah maksimal gula pereduksi yang dapat dikonversi dari kayu jabon. Variasi KE memberikan pengaruh signifikan terhadap RGP pada perlakuan kapur, tetapi sebaliknya tidak berpengaruh signifikan terhadap RGP dengan perlakuan LHW. RGP tertinggi masing-masing KE diperoleh dari kombinasi perlakuan KL 0.5 g Ca(OH)2/g biomassa kering pada suhu 150 C selama 4 jam. Pada kondisi tersebut, penambahan KE dari 10 ke 20 FPU/g substrat mampu meningkatkan RGP jabon sebanyak 57.4 %. Sedangkan dari KE 20 ke 40 FPU/g substrat terjadi peningkatan RGP sebanyak 43.9 %. Hal ini berarti peningkatan KE 10-20FPU/g substrat lebih efektif pengaruhnya untuk meningkatkan RGP dibandingkan dengan peningkatan KE 20-40 FPU/g substrat. Lebih dari sepertiga komponen lignin dan hemiselulosa jabon (45.83 dan 65.52 %) dapat terdegradasasi dengan praperlakuan kapur. Pada perlakuan suhu dan waktu yang sama, penambahan kapur (0.5 g Ca(OH)2/g biomassa kering) dapat mendegradasi lignin 6 kali lebih banyak dibandingkan dengan perlakuan LHW. Penambahan kapur dan peningkatan suhu mampu meningkatkan kehilangan hemiselulosa. Meskipun derajat kristalinitasnya meningkat, perlakuan kapur menyebabkan permukaan dinding sel kayu jabon makin terbuka dan semakin poros sebagai akibat dari terdegradasinya komponen lignin dan hemiselulosa, sehingga hal ini menyebabkan RGP jabon meningkat.