Category Archives: Polisakarida kayu

Serat Rami Sebagai Sumber Apha Selulosa

oleh : Jamilyadhatus Sholihah (Mahasiswa Departemen Hasil Hutan Fahutan IPB)

Selulosa merupakan bagian penyusun utama jaringan tanaman berkayu. Bahan tersebut utamanya terdapat pada tanaman kertas, namun demikian pada dasarya selulosa terdapat pada setiap jenis tanaman, termasuk tanaman semusim, tanaman perdu dan tanaman rambat bahkan tumbuhan paling sederhana sekalipun. Seperti: jamur, ganggang dan lumut.

Berdasarkan derajat polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu :

1.      Alpha Cellulose adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan DP (derajat polimerisasi) 600 – 1500. Selulosa a dipakai sebagai penduga dan atau penentu tingkat kemumian selulosa.

2.      Betha Cellulose adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP 15 – 90, dapat mengendap bila dinetralkan

3.      Gamma cellulose  adalah sama dengan selulosa β, tetapi DP nya kurang dari 15.

Alpha selulosa merupakan selulosa  yang mempunyai kualitas paling tinggi (mumi). Material yang mengandung alpha selulosa α > 92% memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan baku utama pembuatan propelan dan atau bahan peledak. Sedangkan selulosa kualitas dibawahnya digunakan sebagai bahan baku pada industri kertas dan industri sandang/kain (serat rayon).

Topik ini akan dibahas tentang pemanfaatan alpha selulosa dari tanaman rami.Rami merupakan tanaman berserat (bast fiber), rami mempunyai banyak kegunaan, karena  serat rami ini merupakan bahan yang dapat diolah untuk kain fashion berkualitas tinggi dan bahan pembuatan selulosa berkualitas tinggi (selulose α) dan kadar ligninnya rendah.Ditinjau dari sifat kimia tersebut, rami mempunyai prospek ydng baik untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku pulp kertas maupun pulp larut (dissolving pulp) yang lebih dikenal sebagai pulp rayon.

Sebagai sumber serat panjang, rami sangat potensial untuk dikembangkan menjadi pulp putih serat panjang yang selama ini masih diimpor. Pulp ini dapat digunakan sebagai substitusi serat panjang untuk membuat kertas tulis, kertas fotocopi, dll. Dengan sifat seratnya yang panjang dan langsing, serat rami juga dapat dikembangkan untuk kertas khusus seperti kertas saring teh celup, kertas dasar stensil, kertas rokok, dan kertas yang memerlukan ketahanan (security papers), daya simpan yang lama seperti kertas uang, kertas surat berharga, kertas dokumen, dan kertas peta. Selain itu, serat rami dengan kandungan alpha selulosa yang tinggi dapat digunakan sebagai bahan baku rayon dan atau nitroselulosa/NC.

Tabel 1. Komposisi Kimia Serat Alam

NAMA  SELULOSA  HEMI SELULOSA LIGNIN  KET 
Abaka 60-65 6-8 5-10 Pisang
Coir 43 1 45 Sabut Kelapa
Kapas 90 6 Bungkus, Biji
Flax 70-72 14 4-5
Jute 61-63 13 3-13
Mesta 60 15 10
Palmirah 40-50 15 42-45
Nenas 80 12 Daunnya
Rami 80-85 3-4 0,5-1 Kulit Batang
Sisal 60-67 10-15 8-12 Daun
Straw 40 28 18

Sumber: Natural Organic Fiber by Hans Lilhot

Pada tabel diatas dapat kita ketahui bahwa rami paling potensial sebagai bahan baku selulosa diantara tanaman penghasil serat alam yang lain (kecuali kapas), namun kelebihan rami dibanding kapas yaitu tanaman ini mudah dibudidaya dan memiliki masa panen yang pendek. Masa panen terbaik pada tanaman ini sekitar 55 hari pada daerah daratan rendah sampai dengan ± 3 bulan di daerah dataran tinggi/penggunungan (Heyne, 1987).

KOMPONEN KIMIA KAYU I (KOMPONEN STRUKTURAL)

Selulosa

Selulosa adalah biopolimer yang penting dan melimpah. Secara keseluruhan dihasilkan sekitar 100.000.000.000 ton subtansi makromolukul yang disintesis dan dihancurkan setiap tahunnya. Walaupun secara teknik pemanfaatan selulosa telah berkembang selama beberapa tahun namun pengetahuan tentang sifat kimia dan strukturnya relatif baru. Sekarang struktur kimia dari selulosa telah diketahui secara detail namun kondisi supramolekuler dan sifat polimernya belum banyak diketahui.

Selulosa merupakan bentuk polidispersi dari  sebuah homopolisakarida linear yang yang terdiri dari B-D glukopiranosa (B-D-Glop) ( berikatan pada atom caron 1 dan ke 4 di sebelahnya atau dikenal dengan ikatan 1-4 glikosida). Dalam bentuk ikatan C1 dan 4, semua (C1-OR, C2-OH, C3-OH, C4-OH dan C5-CH2OH) dari unit rantai  B-DGlukopiranosa  membentuk unit rantai yang stabil karena disebabkan oleh minimumnya interaksi antar ring pada  sub unit. Struktur hemiasetal pada C1 (C1-OH) adalah sebagai  anomeric hydroxyl Group memiliki sifat pereduksi sedangkan C4-OH di ujung yang lain dari rantai selulosa adalah alcoholic hydroxyl group dan bersifat bukan pereduksi.

Derajat polimerisasi (DP) dari selulosa alami yang berasal dari kayu dan lebih rendah dari selulosa pada katun ( sekitar 15.000) Derajat polimerisi tersebut mewakili masa molekul dari 1.6 dan 2.4 juta Da dan panjang molekul sebesar masing- masing 5.2 dan 7.2 mikrometer. Dalam teknik pengolahan termasuk kimia pulping DP selulosa dapat berkurang sampai 500-2.000.

Lignin

Lignin adalah polimer amorf dengan struktur kimia yang sangat berbeda dari komponen penyusun lainya. Karakter lignin tidak seperti karbohidrat. Struktur kimia lignin tidak beraturan dan memiliki unit penyusun yang berbeda yang berikatan dengan tidak sistematis. Secara umum lignin diklasifikasikan ke dalam beberapa kelompok besar ; softwood, hardwood dan Grass lignin.

Lignin dalam dinding sel

Biosintesis Lignin 1

Biosintesis Lignin 2

Biosintesis Lignin 3

IKATAN HIDROGEN PADA SELULOSA

Pembentukan struktur supramolekul yaitu stabilitas rantai-rantai molekul panjang dalam sistem yang teratur diakibatkan oleh adanya gugus-gugus fungsional yang dapat mengadakan interaksi antara satu dengan yang lainnya. Gugus fungsional yang terdapat dalam rantai selulosa adalah gugus hidrokasil yang menentukan juga sifat fisika dan kimia selulosa. Gugus-gugus OH mampu mengadakan interaksi satu dengan yang lainnya. Ikatan H terjadi karena atom H dari gugus OH berdekatan dengan pasangan elektron bebas atom O.

Dalam keadaan terikat atom H adalah divalen koordinatif. Ikatan hidrogen memiliki karakteristik sebagai berikut :

1. Kekuatan energi ikatan yang tergantung pada kerapatan muatan dan sudut antara atom-atom yang terikat antara satu dengan yang lainnya.

2. Faktor sterik yang menyebabkan distribusi elektron yang tidak sometris

3. bond between kinetic H yaitu frekuensi gugus-gugus OH bergetar dan adanya perubahan kedudukan proton.

Perbandingan energi ikatan antara berbagai atom menunjukan bahwa katan-ikatan hidrogen adalah sekitar sepuluh pangkat satu lebih lemah daripada ikatan-ikatan koordinasi, tetapi sekitar sepuluh pangkat dua lebih kuat dari pada gaya van der Waals. Dapat dianggap bahwa energi ikatan antara gugus-gugus OH selulosa hampir sama atau sedikit lebih besar daripada energi ikatan gugus OH dalam alkohol. Besarnya energi ikatan H antara air dan selulosa adalah dengan kJ/mol Gugus-gugus OH pada molekul selulosa dapat membentuk dua macam ikatan hidrogen tergantung pada letaknya dalam unit-unit glukosa. Terdapat ikatan hidrogen antara gugus-gugus OH dari unit glukosa yang berdekatan dalam milekul selulosa yang sama. Ikatan hidrogen tersebut disebut ikatan intramolekul yang menyebabkan masing-masing rantai memiliki kekakuan tertentu. Terdapat juga ikatan hidrogen antara gugus –gugus OH dari molekul-molekul selulosa yang berdampingan atau disebut ikatan intermolekul. Ikatan tersebut menyebabkan adanya pembentukan struktur supramolekul. Struktur primer yang dibentuk oleh ikatan-ikatan hidrogen adalah fibril, yang membentuk lapisan dinding dan akhirnya seluruh dinding sel.

Ikatan hidrogen tidak hanya terjadi anatara gugus-gugus OH selulosa tetapi juga antara OH dengan air. Molekul air yang menempel pada permukaan selulosa bisa berupa molekul air tunggal atau kelompok air. Penyerapan air oleh selulosa bergantung pada jumlah gugus-gugus OH yang tidak terkat satu dengan yang lainnya atau disebut dengan gugus-gugus OH bebas. Masuknya air ke dalam struktur selulosa berarti pembengkakan struktur. Ada beberpa pelarut yang menyebabkan pembengkakan yang sama bergantung dari suhu seperti dimetil sulfoksida dan piridin.Pelarut-pelarut lain seperti dioksana dan benzena tidak dapat diikat, melainkan hanya masuk ke dalam struktur dan pembengkakan yang terjadi tidak bergantung suhu. Adanya pelarut-pelarut non polar dalam selulosa menghalangi pembentukan ikatan H intermolekul. Sikloheksana dan benzene tidak dapat dihilangkan seluruhnya dengan pengeringan, sehingga dapat dianggap bahwa molekul-molekul pelarut terjepit diantara permukaan selulosa. Selulosa yang mengandung sisa pelarut non polar sangat reaktif misalnya mudahnya mengalami asetilasi.

Proses kebalikan dari penyerapan air dan pembengkakan selulosa adalah penghilangan air dan penyusutan selulosa. Proses pengeringan dapat dibagi menjadi beberapa tahapan. Pada awalnya pemecahan ikatan H antara molekul air, yang merupakan ikatan dengan energi yang paling rendah dalam sistem ikatan selulosa-air. Sebagian air terlepas dan permukaan selulosa mendekat satu sama lain. Proses ini berlanjut hingga hanya tinggal lapisan air monomolekul antara dua permukaan selulosa. Kemudian ikatan H antara OH air dan OH selulosa terbelah dan terjadi ikatan hidrogen antara permukaan-permukaan selulosa.

Perubahan ikatan hidrogen selama pelepasan air dari dua permukaan selulosa.

SELULOSA

Selulosa merupakan struktur dasar sel-sel tumbuhan. Sehingga secara kuantitas jumlahnya sngatlah besar. Di dalam biosfer terdapat sekitar 27 x 1010ton karbon yang terikat pada organisme hidup dan lebih dari 99% adalah tumbuhan. Dari karbon di atas ada sekitar 40% karbon terikat pada selulosa tumbuhan yag berarti total selulosa dalam dunia tumbuhan berjumlah sekitar 26.5 x 1010.

Selulosa terdapat pada semua tumbuhan mulai dari organisme primitive seperti rumput laut, flagelata dan bakteri sampai tumbuhan tingkat tinggi seperti pohon. Kadar selulosa tertinggi terdapat paa kapas/kapuk dan terendah terdapat pada bacteria. Di dalam kayu selulosa tidak hanya terikat dengan poliosa dan lignin namun terikat erat satu sama lain sehingga pemisahannya memerlukan perlakuan kimi yang intensif. Selulosa yang berhasil diisolasi tidaklah murni. Untuk keperluan analisis biasanya digunakan alfa selulosa.

Selulosa terdiri atas unit-unit anhidroglukopiranosa yang bersambung membentuk rantai molekul linear. Oleh karena itu selulosa bisa dinyatakan sebagai polimer linear glukan dengan struktur rantai yang seragam. Unit-unit terikat dalam ikatan 1-4 β glikosidik. Dua unit glukosa yang berdekatan bersatu dengan mengeliminasi satu molekul air di antara gugus hidroksil mereka pada karbon 1 dan karbon 4. Kedudukan β dari gugus OH pada C1 memutar melalui sumbu C1-C4 cincin piranosa. Unit ulang dari rantai selulosa adalah unit selobiosa dengan panjang 1.03 nm. Walaupun terdapat gugus OH yang sama pada kedua ujungnya namun gugus-gugus tersebut menunjukan perilaku yang berbeda. Gugus C1 OH adalah gugus hidrat aldehida yang diturunkan dari pembentukan cincin melalui ikatan hemiacetal intramolekul. Itulah sebabnya gugus OH pada akhir C1 mempunyai sifat pereduksi, sedangkan gugus OH pada akhir C4 pada rantai selulosa adalah hidroksil alkoholat sehingga bukan pereduksi.

Rantai selulosa memanjang dan unit-unit glukosa tersusun dalam satu bidang. Ada beberapa pendapat yang mendukung yaitu pertama ikatan β glukosidik. Hanya kedudukan β gugus hidroksil pada C1 dapat memperpanjang rantai molekul. Ikatan α-OH dan α-glikosidik masing-masing membentuk rantai molekul spiral seperti pada amilosa dan pati. Alasan ke dua diturunkan dari konformasi (penyesuaian) cincin piranosa. Cincin heksagonal bengkok seperti sikloheksana, piran dan puranosa, dapat membentuk berbagai konformasi yang bentuk-bentuknya adalah bentuk kursi dan bentuk perahu. Bentuk yang memiliki energi terendah adalah bentuk yang paling stabil (bentuk perahu) sedangkan bentuk yang memiliki energi yang tinggi (bentuk setengah kursi dan perahu) adalah betuk yang labil. Alasan ke tiga adalah dapat dilihat dari hubungan dengan konformasi cincin karena terdapatnya dua bentu kursi jika diperhatikan gugus –gugus OH. Gugus-gugus hidroksil tersebut dapat mempunyai kedudukan di atas dan di bawah cincin atau di dalam bidang cincin.

Berat molekul selulosa sangat bervariasi (50.000-2.500.000) bergantung pada asal sampel. Sebagai polimer linear ukuran rantai molekul selulosa dinyatakan dalam derajat polimerisasi (DP). Derajat polimerisasi akan berkurang karena pengaruh perlakuan bahan kimia yang sangat intensif pada proses pulping, Selain itu DP juga berkurang saat pohon menjadi tua yaitu DP paling tinggi terdapat dalam sel yang berdekatan dengan kambium dan menurun ke arah empulur/hati.

DP = Bobot molekul selulosa/bobot molekul satu unit glukosa

KAYU REAKSI

Kayu yang terbentuk bukan hanya dipengaruhi oleh perubahan musim namun juga dipengaruhi oleh gaya-gaya mekanik. Pohon memberikan reaksi terhadap gaya regangan yang dialam oleh batang, cabang dan ranting dengan membentuk kayu reaksi. Pada batang, kayu ini terbentuk apabila batang utama suatu pohon miring dari arah vertikal (Gambar 1). Namun bukan berarti kayu ini terjadi karena proses lengkungan melainkan karena pengaruh gravitasi atau gaya berat.

Gambar 1

Lalu bagaimana gaya berat bekerja untuk menimbulkan pembentukan kayu reaksi ?Auksin dan asam giberelat menyebabkan terjadinya kayu reaksi. Pernyataan ini dikuatkan oleh penelitian bahwa pada pohon conifer konsentrasi auksin lebih tinggi pada sisi bagian bawah daripada sisi atas dan bahwa gaya berat juga berpengaruh terhadap distribusi auksin dalam tanaman. Sehingga dapat diketahui bahwa terdapat hubungan yang penting antara gaya berat-auksin terhadap pembentukan kayu reaksi.

Kayu reaksi yang dibentuk pada pohon conifer berbeda dengan daun lebar. Pohon konifer membentuk kayu tekan di daerah yang tertekan dan pohon daun lebar membentuk kayu tarik pada daerah tarikan. Namun dalam keduanya fungsi kayu reaksi sama yaitu untuk mengembalikan batang atau cabang ke posisi semula. Jaringan pada daerah tekan dan tarik memiliki perbedaan sifat-sifat anatomi, kimia, dan fisika dengan kayu normal.

Bila pohon melengkung sisi batang ke arah mana puncak dibengkokan menjasi lebih pendek akibat gaya tekan yang terjadi pada pohon conifer disebut kayu tekan. Sebaliknya sisi sisi yang lain (sisi atas) dari batang terentang karena gaya tarik pada pohon daun lebar disebut kayu tarik. Karakteristik utama kayu tekan (compression wood) adalah warnanya yang gelap yang disebabkan oleh kandungan lignin yang relatif tinggi, trakeid kira-kira lebih pendek 30% bila dibandingkan dengan kayu normal dengan bentuk membulat bila dilihat dari arah radial dan tidak adanya dinding tersier dan dinding skunder 2 dengan bentuk rongga spiral. Bila dilihat dari arah longitudinal ujung-ujung trakeid kayu tekan bengkok dan berlipat Faktor-faktor ini mengurangi kesesuaian kayu tekan untuk pembuatan pulp dan kertas. Selain itu kayu tekan memiliki penyusutan longitudinal yang cukup besar yaitu 6-7% bila dibandingkan dengan kayu normal dengan penyusutan 1-2%. Kayu tekan dapat dikenali secara visual apabila melihat pada permukaan yang halus dari arah transversal. Suatu potongan melintang yang mengandung kayu tekan memiliki lingkaran tahun yang sangat lebar pada sisi bawah atau sisi yang tertekan. Sebagai akibatnya empulur letaknya lebih dekat dengan sisi atas batang. Di samping itu pada lingkaran-lingkaran tumbuh yang lebar tersebut mengandung proporsi kayu akhir yang lebih tinggi.

Gambar 2

Gambar 2

Sama halnya dengan kayu tekan, kayu tarik juga memiliki sifat yang berbeda dibandingkan dengan kayu normal. Kayu tarik (tension wood) mengandung selulosa yang lebih tinggi, pembuluh yang lebih sedikit dan lebih kecil bila dibandingkan dengan kayu normal dan serabut mengandung lapisan dinding khusus yang disebut lapisan gelatin (gelatinous layer) atau sering disebut lapisan G. Bergantung pada jenis, lapisan G ini bisa menggantikan lapisan S2, dinding tersier atau sebagai tambahan terhadap lapisan dinding normal. Kayu tarik yang digunakan sebagai bahan baku pulp menghasilkan kertas yang lebih lemah walaupun dapat diperbaiki dengan perlakuan penghalusan. Karena kandungan lignin yang tidak begitu banyak maka pembuatan pulp pada kayu tarik lebih baik menggunakan metode mecanical pulping. Untuk pengolahan kayu tarik sebagai bahan gergajian cenderung kurang baik karena menghasilkan permukaan kriting. Hal ini menyebabkan gergaji menjadi terlalu panas dan menyulitkan penyelesaian akhir. Pada proses pengeringan kayu tarik cenderung mengalami collapse permanen. Collapse adalah pelekukan ke dalam atau pemipihan sel-sel kayu selama pengeringan sering mengakibatkan permukaan kayu mengalami perubah bentuk.