Studi Degradasi secor" Enzimatik Campuran CPPIBionolle dan Modic dellgan Enzim Lipase AK (Nikham)

STUDI DEGRADASI SECARA ENZIMA TIK CAMPURAN CPPIBIONOLLE DAN MODIC DENGAN ENZIM LIPASE AK

Nikham 1,Fumio Yoshii2,Rahayu Chosdu 1daD ErizaJl.Puslitbang Teknologi Isotop daD Radiasi, BAT AN JI. Cinere, Pasar Jumat, Jakarta 12070

2Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, JAERI Jepang

ABSTRAK

STUDI DEGRADASI SECARA ENZIMA TIK CAMPURAN CPPI BIONOLLE DAN MODIC DENGAN ENZIM

LIPASE AK. Telah dipelajari degradasi secara enzimatik campuran polipropilen-ko-etilen (CPP) daD polibutilen suksinat (Bionolle)

dan polipropilen digrafting dengan maleik anhidrat (Modic) sebagai kompatibiliser. Efek konsentrasi Modic pada kompatibilitastelah dievaluasi dengan mengukur perpanjangan putus, tegangan putus daD mikrograf dengan SEM. Hasilnya menunjukkanbahwa dengan 20 % berat Modic nampaknya merupakan suatu konsen-trasi optimal. Seperti ditunjukkan oleh perpanjanganputus daD tegangan putus yang cukup tinggi dan pembentukan morfologi campuran fase co-continuous cukup baik. Telahdilakukanjuga degradasi secara enzimatik campuran CPPIBionolle dan 10 % berat Modic dengan menggunakan enzim lipase AKdalam larutan buffer pada pH 7,0 dan diinkubasi pada suhu 60.C selama 8 hari. Hasilnya menunjukkan bahwa telah tercapaikehilangan berat film dari komposisi campuran CPPIBionolle > 25/75, sekitar. 15 %.

ABSTRACT

STUDY OF ENZYMATIC DRGRADATION OF CPPIBIONOLLE BLEND WITH MODIC BY USING LIPASEAK ENZYME. Melt-blending polypropylene-eo-ethylene (CPI) and polybutylene succinate (Bionolle) with polypropylenegrafted maleic anhydride (Modic) as compatibilizer has been studied. The effect of Modic concentration on the compatibilitywas evaluated using the ultimate elongation at break, tensile strength and SEM micrographs. The results show that 20 wt %Modic appears to be an optimum concentration, as indicated by relatively high elongation at breaks, tensile strength andformation of co-continuous phase in the blend morphology. Enzymatic degradation of the CPP/Bionolle blend with 10 wt %Modic was carried out using lipase AK enzyme in the phosphate buffer solution pH 7.0 and incubated at temperature 60.C for8 days. The result show that about 15% weight loss film of the composition CPPlBionolle > 25/75 blend has been reached.

Kata kunci: Polipropilen-ko-etilen (CPP), Polibutilen suksinat (Bionolle), Polipropilen digrafting malaik anhidrat (Modic),Enzim lipase AK

PENDAHULUAN

Telah diketahui bahwa campuran polimer ataupolymer blend (polyblend) secara komersialdiperkenalkan oleh Dow Chemical [1], kemudianpenelitian clanpengembangan tentang polyblend barn,sangat menarik clanberkembang cepat di seluruh dunia.Kepastian ini disebabkanpolyblend menunjukkan sifat-sifat unggul melebihi komponen muminya, sepertikekuatan, lebih fleksibel, tahan terhadap pengaruhlingkungan, clan sifat-sifat lain yang disyaratkan.Sekarang ini ada beberapa ratus jenis polyblend yangtelah digunakan [2 -4].

Sayang sekali kebanyakan polyblend yang ada,tidak mudah didegradasi dibawah kondisi lingkunganalam, ketika polyblend mencapai pemakaian terakhir,sebagian besar dibuang ke tempat pembuangan sampah,dibakar atau dibuang di sembarang tempat. Kenyataanini akan menciptakan masalah lain dalam managementpembuangan sampah. Untuk menjaga kelangsungan

kualitas clanmelestarikan lingkungan hidup kita, adalahgagasan yang sangat menarik, jika polyblend berasaldari bahan sintetik yang mudah didegradasi secarabiologis (biodegradable). Untuk mencapai tujuan ini,salah satu carRyang mudah adalah mencampur polimeryang tidak dapat didegradasi secara biologis(nonbiodegradable) dengan polimer biodegradable.Gagasan ini sangat masuk akal, karena bahan ini,mempunyai struktur yang mudah diserang mikroba atauproses hidrolitik [4].

Namun demikian hal ini diketahui bahwa ke dua

polimer nonbiodegradable clan biodegradable tidakkompatibelterutamajika dua polimer inidicampur,makaakan menghasilkanproduk heterogen dengan perlekatanantar permukaan relatif lemah clan oleh schab itumenunjukkan penampilan sifat mekanik yang buruk.Agar supayaduajenis polimertersebut dapat kompatibel,maka diperlukan kompatibiliser, yang dalam penelitianini dengan menggunakan Modic. Untuk mengetahui

249

Prosiding Pertemuan IlmJah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -10 Oktober 1999 ~ ISSN 1411-2113

babwaduajenis polimer inimenjadikompatibel,biasanyaditunjukkanadanyablok, acak,ataukopolimertergrafting[5 - 9]. Komponenjenis ke tiga ini bekerja sebagaikompatibiliser antar permukaan di mana bagian rantai-rantaikopolimermengikatsecarafisikaataukimiadengansalah satu polimer daDdengan bagian lainnya.

Sesuai dengan gagasan tersebut, penelitian inibertujuan untuk menyiapkan polyblend yang ramahlingkungan dengan mencampur dalam kondisi melelehpoli- propilen-ko-etilen (CPP) daDpolibutilen suksinat(Bionol/e) dengan polipropilena digrafting malaikanhidrat (Modic) sebagai kompatibiliser. Adapun CPPini merupakan polimer sintetik yang terdiri dari 97,5 %polipropilena(PP) daD2,5 % etilen, dengantujuan untukmemperbaiki kejemihan daDkekerasan produknya [10].Telah diketahui babwa PP dipakai untuk membuat alat-alat kedokteranseperti syringe,kateter,kantongtransfusidarah daDdialyizer untuk cuci darah. Namun produk-produk tersebut setelah dipakai daDdibuang ke alam,tidak dapat ramah dengan lingkungan, sehinggamenimbulkan masalah baru. Alat-alat kedokteran inisering disteriIkandengan sinargamma Co 60 atau mesinberkas elektron. Selama proses radiasi PP mengalamidegradasi oksidatif daD juga selama penyimpanan[11-14]. Untuk memecahkan masalah ini, salah satucaranya yaitu perlu diciptakan polyblend barn yangbiodegradable seperti mencampur polimer yangnonbiodegradable tersebut dengan polimer yangbiodegradable daD Modic. Polyblend ini diharapkandapat dipakai untuk memproduksi barang-barang dariplastikseperti alat-alatkedokteran, kemasanobat-obatandaD kosmetik serta kantong plastik, sehingga setelahdipakai, kemudian dibuang ke alam bebas akan ramahdengan lingkungannya. Kompatibilitas polyblend initelah dievaluasi dengan mengukur, perpanjangan porus,tegangan putus daD scanning electron microcope(SEM). Juga telah diuji degradabilitasnya secaraenzimatik dengan menggunakan enzim lipaseAK dalamlarutan buffer fosfat pada pH 7,0 daDdiinkubasi padasuhu 60 °C selama waktu tertentu [IS].

TATAKERJA

Bahan. Tepung polipropilena-ko-etilen (CPP)dengan 2,5 M % etilen MFR 10 diperoleh dari ChisoCorporation, Jepang. Pelet polibutilen suksinat(Bionol/e)grade 1010diterimad,ariShowaHighPolymerCo.Ltd.,Jepang.Polipropilena digraftingmaleik anhidrat(Modic) dibelidariMitsubishiChemicalCo.Ltd., Jepang.Semua bahan yang dipakai tanpa dimumikan lebihdabulu. Enzim lipase AK yang dipakai dalam prosesdegradasi diperoleh dari Amano PharmaceuticalIndustry Co. Ltd., Jepang.

Pers;apanpolyblend. Penelitian ini dilakukan diLaboratorium Takasaki Radiation Chemistry ResearchEstablishment, JAERI Jepang. Komposisi campuranCPP/Bionol/e divariasi sebagai berikut; 100/0, 75/25,

50/50,25/75 daD0/100 dengan konsentrasi Modic 0, 10,IS daD20 % berat.Sampelcampuran sekitar50 g digilingdengan menggunakan Laboplastomill buatan ToyoseikiCo. Ltd., Jepang. Kondisi penggilingan pada suhu200°C dengan kesepatan pisau putar 30 rpm daDwaktupencampuran sekitar 8 menit. Setelah penggilingan

selesai, ~~,£el, campuran yang sudah meleleh,dikeluarkan sece'patnya daD didinginkan pada suhu

kamar. Samp~_91mpurandibuat film dengan ketebalan0,5 mm dibaw~te~anan 150 kglcm2pada suhu 200 °C'I'f"".'ii"selama 3 meRit ~.;pemanasan awal selama 3 meRit,kemudian didin~jrftcan dibawah tekanan sekitar100kufcm2dengan si~lasi air selama 5 meRit.

Pengukuran si/4t mekanik. Pengukuran sampelini dilakuakndi Laboratoriumyang sarnaseperti tersebutdi atas. Film sampel campuran dipotong menjadiberbentuk dumbbell sesuai ASTM 1822-L. Untukmenentukan tegangan putus daD perpanjangan putusdiukur dengan menggunakan Strograph RI buatanToyoseiki Co. Ltd., Jepang, pada kecepatan crosshead100mmlmenitpada subu kamar sekitar20 °C.

Vji enzimatik. Untuk uji degradasi secaraenzimatikfilmdari campuranpolimer CPP/Bionol/e daDModic, dilakukan dalam tarutao dengan komposisisebagai berikut (16); 0,2 M buffer fosfat pH 7,0 4,0 ml,0, I % MgCI21,0ml daDI0 mglmlenzim lipaseAK 1,0mlFilm sampel dengan dimensi lOx 10mm2daDketebalan0,5 mID,dikeringkandalam oven vakum pada subu 40 OCselama 48jam. Sampel kemudian dimasukkan ke dalamtabung reaksi dengan diameter IS mm yang berisi 6 mlcampuran larutan,kemudian diinkubasi pada suhu 60 °Csambil digoyang selama waktu tertentu. Sampel yangtelah diinkubasi dikeluarkan dari tabung daD dicucidenganairsoling,kemudiandengan metanol, selanjutnyadikeringkan dalam ovenvakum pada suhu 40 °Cselama24 jam. Degradasi secara enzimatik dinyatakan denganpersentase kehilangan berat [IS].

Kehilanganberat =(W0 -W )/W 0x 100%

dalam hal ini WodaDWI berat film sebelum daDsesudahujienzimatik.

Scanning Electron Microscopy (SEM).Penelitianinidilakukandi Laboratoriumyangsarnasepertitersebut di atas. Sampel dipecahkan setelah dicelup-kandalam nitrogen cairoSebelum dilihat dengan mikroskupelektron permukaan yang dipecahkan dilapisi denganemas. Mikrograf diambil dengan menggunakan SEMJEOL Model Super Probe 733.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Telah diketahui bahwa rasa continuous daripolyblenddapat dipercayamemperbaikisifat-s!fatfisiko-mekanik [16]. Namun demikian dalam kenyataannyapembentukan rasecontinuousdaripolyblend yang terdiridari dua jenis polimer tidak kompatibel, sangat jarangtetjaditanpamelibatkankompatibilizersepertiditunjukkan

.,en

Studi Degradasi secara Enzimatik Canrpura" CPPIBio"olle da" Modic de"gall Em.im Lipase AK (Nikham)

pactaGambar 1clan2. Hal ini dapat dilihat bahwa tanpaadanya kompatibiliser, maka campuran CPPIBionollemenunjukkan sifat-sifat mekanik yang buruk, sepertitegangan putus rendah clan kerapuhan perpanjanganputus. Selain itu ketergantungan sifat mekanik tersebutclansifatyang mudah diubah pactakomposisi campuran,umumnya menunjukkan nilai yang rendah daripadakomponenmuminya. Temyata inidisebabkankurangnyaformasi rase co-continuous sebagai basil penempelanantar permukaan yang buruk clantegangan yang tinggiantar permukaan diantara dua polimer. Sebaliknyapenambahan sejumlah kompatibiliser (Modic), raseboundary menjadi tidak bertahan lebih lama clanrasedispersed mengikat lebih baik atau perlahan-Iahanmelekat ke dalam matriks clan membentuk raseco-continuous. Karena basil penempelan antarpermukaan akan lebih baik, sehingga memperbaikikeseluruhan sifat mekanik. Untuk l11emprediksikonsentrasioptimalkompatibiliser,makadalampenelitianini telah dicoba konsentrasi Modic 0, 10, 15 clan20 %

1000

~ 800~!i1600='"if..'C' 400

!200

modlcD= 0%0" 10%J.,,15%0=20%

0 .0 10025 50 75

Cpplbionolle (%)

Gamba, 1. Perpanjangan putus film daricampuran cpp/bionolle clan modic yang berbedakonsentrasi.

60

- 45~~!ii 30=..ri<!- 15

D" 0%0,,10%J. .. 15%0,,20%

o.0 10025 50 75

Cpplblonolle (%)

Gamba, 2. Tegangan putus film dari campurancpp/bionolle clan modic yang berbeda konsentrasi

berat untuk menghasilkan cross-linking campuranpolimer CPPlBionolle. Sebagaimana ditunjukkan pactaGambar 1 clan 2 konsentrasi optimal Modic sebagaikompatibiliser didapatkan 20 %, walaupun untukperpanjangan putus clan tegangan putus dengan 10 %berat Modic sudah cukup. Lagi pula campuran polimeryang mengandung CPP tinggi (CPPIBionolle >75/25)clanCPP rendah (CPPIBionolle <25/75), penambahan10% berat Modic juga cukup untuk mencapai teganganputus yang cukup tinggi. Jika penambahan Modicberlebihan maka acta kemungkinan rantai molekulterkonsentrasi pacta permukaan [17 -20].

Untuk mengetahui degradabilitas secaraenzimatik,makadalam penelitianinidipakai enzim lipaseAK yang berasal dad Pseudomonasflourescens, Enzimini dapat didefinisikan sebagai katalis protein aktif yangbekerja dalam kondisi khusus. Aktivitas enzimdipengaruhi oleh beberapa faktor seperti suhu, larutanbuffer, pH, substrat, konsentrasi enzim clansurfaktan[21]. Efek suhu inkubasi sekitar 60 °C pacta degradasisecara enzimatik dad film campuran CPPlBionolledengan 10% beratModic, ditunjukkan dalam Gambar 3.Kecepatandegradasinaikcukup tajam setelah diinkubasi

80cpplblon (%). " 100/00 = 75/25t:. ,,50/500 ,,25n5D " 0/100

- 60~]:.; 40r

:!!!~

20

00 2 4 6

Waktu Inkubasi (bari)8

Gamba, 3. Kehilangan berat film dari campuran

cpp/bionolle dengan 10% modic, selamadiinkubasi dalam to mglml enzim lipase AK padasuhu 60 "C,

selama 8 hari. Untuk film campuran CPPIBionolle > 0/100 kehilangan berat hingga sekitar 60 %, sedangkanuntuk filmcampuranCPPIBionolle>25/75hanyasekitar15%, Hasildegradasiuntuk filmcampuranCPPIBionolledengan 15% berat Modic dapat dilihat dalam Gambar 4,Pactafilm campuran CPPIBionolle > 0/100 kehilanganberat hanya sekitar 35 %, ini lebih rendah hiladibandingkan dengan film campuran CPPIBionolledengan 10% berat Modic. Hal ini dapat dipahami bahwadegradasi secara enzimatik, terjadi secara erosi dipermukaan film, clandibagian amorphous. Untuk filmcampuranCPP/Bionolle> 0/100 dengan 10% Modic actakemungkinan bagian amorphous oya lebih baoyak

......

Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

40

30-~.'S.-! 20go.".!!:;:

~ 10

cppibion ("!o). =100/00 = 75/25I>. = SO/500 = 25/750 = 0/100

0 .0 2 4 6

Waktu inkubasi (ban)

Gambar 4. Kehilangan berat film dari campurancpp/bionolle dengan 15% modic, selama

diinkubasi dalam 10 mglml enzim lipase AK padasuhu 60 "c.

KONTROL

CPPIBIONOLLE (SO/50) + 10 % MODIC

Gombar 5. Foto SEM film dari campuran cpp/bionolle dengan 10% modic pada kehilangan beratyang berbeda.

sehingga kehilangan beratnya setelah proses enzimatiklebih tinggi daripada film yang kandungan Modic nya15%.

Untuk mengetahui morfologi film setelah uji

..,c..,

8

secara enzimatik, dapat dilihat dalam Gambar 5 daD6 yangill enunj.1kkan ill jkrog-J:af SEM fUn can pw:an CP PIBionol/e dengan 10 % berat Modic pada perbedaankehilangan berat sebelum daD sesudah degradasi secaraenzimatik. Sebelum uji secara enzimatik permukaan filmtersebut halus, tetapi setelah didegradasi, kehilanganberat meningkat, sehingga permukaan menjadi kasar daDkedalaman lubang meningkat. Hal ini dapat dilihat bahwamorfologi film bagian yang terdegradasi menjadi rusak.Di sini juga nampak jelas bahwa setelah film terdegradasioleh enzim yang masih tersisa adalah CPP daD Modicdalam bentuk bola-bola.

CPP/JHONOLI.E (25175) -to10 % MOI>IC

~:-~1--.

t5'4~ % ~~u~n;~~~~Ht(8 ha.~):ifIJII/IIi,..,:':": ~

,.".:.~.j~:;..

.;..,"'.".\ ~"" .:.:,:". .

Gombar 6. Foto SEM film dari campuran cpp/bionolle dengan 10% modic pada kehilangan beratyang berbeda.

KESIMPULAN

Darihasil penelitianini dapatdisimpulkansebagaiberikut; Dua jenis polimer yang nonkompatibel (CPPIBionolle)menjadi kompatibel ketika dicampur denganmelibatkan kompatibiliser (Modic).1. Tingkat kompatibilitas tergantung kepada

konsentrasi Modic daD variasi komposisi CPPIBionol/e. Hal ini menunjukkan bahwa konsentrasiModic untukmencapaikompatibilitaspolyblend yang

StudJ Degradasi secara Enzimatik Canrpuran CPP/Bionolle don Modic dengan Enzim Lipase AK (Nikham)

relatifbaik adalah 20 % berat.2. Padakondisi suhu 60 °C clankonsentrasi enzim lipase

AK 1,67 ml, cukup untuk mendegradasi sampelcampuran CPP/Bionolle> 0/100, kehilangan beratsekitar60 %, sedangkanfilm campuran CPP/Bionolle>25/75 hanya sekitar 15% clanhasil fotograf SEM,dapat dilihat bahwa morfologi film yangkehilanganberat, permukaannya menjadi kasar dan kedalamanlubangnya meningkat.

DAFTARACUAN

[1]. J. Y. ARTHUR, "Multicomponent PolymerSystem", (Ed., R. F. GOULD), ACS Publication,WashingtonDC (1971) 3.

[2]. S.J. KRAUSE,Macromol.Sci.,Makromol.Chern.,C7(2)(1972)251.

[3]. A.P.PLOCHOCKl, "PolymerBlends" (Eds.,D. RPAUL and S. NEWMAN) Academic Press, NewVorl<,Vol.3 (1978)322.

[4]. Ph.TEYSSIE,RFAYTandR JEROME,Makromol.Chern., Macromol. Symp.16(1988)41.

[5]. D.R PAUL and S.NEWMAN, "PolymerBlends"(Eds., DR PAOUL and S.NEWMAN),AcademicPress,NewYork,Vol.2(1978)40.

[6]. D.HEIKENS,N. HOEN,W.BARENTSEN,P.PIETand H.J. LADAN, Polym. Sci., Polym. Symp., 62(1978)309.

[7]. LA. UTRACKI,Polym. PlasticTech.and Eng., 22(1)(1984)27.

[8]. RFAYT, RJEROMEandPh.TEYSSIE,Makromol.Chern.,187(1986)837.

[9]. R FAYT, R.JEROMEand Ph.TEYSSIE,1.Polym.Sci.,(C)27(1989)775.

[10]. F. YOSHII, T.SASAKI, K. MAKUUCHI, and N.TAMURA,1.Appl.Polym.Sci.,30(1985) 339.

[11]. T. S.DUNN, B. 1.EPPERSON, H. SUGG, Y.STANNETT and 1.LWILLIAMS, Rad. Phys. andChern.,14(1979)625.

[12]. T.S. DUNN and J.L.WILLIAMS, J. Industry andTech.,2(1983)33.

[13]. T. KAGIYA,S.NISHIMOTO, W. WATANABEandM. KATO,Polym.Degrad.and Stab., 12(1985)261.

[14]. S.NISHIMOTO,T.KAGIYA,W.WATANABE,andM.KATO,Polym.Degrad.and Stab., 14(1986) 199.

[15]. A. IWAMOTOand Y. TOKIWA, Polym. Degrad.And Stab.,45 (1994)205

[16]. B. A. GORELIK, L A. SOKOLOVA, A. G.GRIGORlEV, S.D. KOSHELEN, E. I.SEMENENKO,G. A. MATIUSHIN,and L RYCHLA,Makromol.Chern.,Macromol.Symp.,28 (1989)249.

[17]. R.FAYT, R.JEROME and Ph.TEYSSIE,J.Polym.Sci.,Polym.Phys.,20(1982)2209.

[18]. B.D. FAVIS,Polymer,35(7)(1994) 1552.[19]. H.EKLIND,andF.H.J.MAURER,Polymer,37(13)

(1985)2641.[20]. S. TORREY, "Enzyme technology, preparation,

purification, stabilisation, immobilisation recentadvances", Noyes Data Corporation, USA (1983)3.

[21]. H.U. BERGMEYER, "Determination of EnzymeActivities in Methods of Enzymatic Analysis",(BERGMEYER,H.U.,Ed.),VaLl, Verlag ChemieWeinheim,AcademicPressInc. (1974) 127.

"""