ARTIKEL RISET

Penentuan Waktu Relaksasi Pertukaran Gas,Koefisien Difusi dan Resistensi Buah Tomatterhadap C2H4 Menggunakan SpektrometerFotoakustik Laser CO2 dengan Pelacak Gas SF6

M.A.J. Wasono* and Y. A. Kholishoh

Ringkasan

Telah dilakukan studi metode penentuan waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi pertukarangas SF6 di dalam buah tomat (Lycopersicon esculentum) dengan metode spektroskopi fotoakustik laser CO2

yang bersifat tidak mengganggu dan tidak merusak sampel buah. Gas SF6 menyerap paling kuat pada garislaser 10P16 dan gas C2H4 pada garis laser 10P14 dengan frekuensi resonansi sebesar (1650 ± 5)Hz. Batasdeteksi terendah yang dihasilkan oleh spektrometer tsb untuk gas SF6 diperoleh (2, 6 ± 0, 4) ppt dan untukgas C2H4 sebesar (0, 32 ± 0, 03) ppb. Sesudah diketemukan paramater difusi utk gas pelacak SF6, maka dapatditentukan parameter difusi untuk hormon pematangan buah, gas C2H4. Sifat-sifat Metode pemantauan difusigas SF6 pada buah tomat serta pengukuran emisi gas C2H4 dalam kurun waktu 15 hari menghasilkan polakarakteristik waktu relaksasi & koefisien resistansi serta koefisen difusi terhadap emisi etilen. Diperoleh hasilpola emisi C2H4 menunjukkan kurva sesuai dengan yang dimiliki buah klimakterik. Hasil pemantauan gasSF6 ditemukan kecenderungan waktu relaksasi dan koefisien resistensi buah terhadap gas SF6 menurun secaraeksponensial dengan berjalannya waktu umur buah tomat. Adapun koefisien difusi mengalamai kenaikan secaraeksponensial juga. Dari hasil perolehan transportasi gas didalam buah tomat menentukan metabolisme yangberkaitan langsung dengan penyimpanan buah Hal ini dapat direkomendasikan kepada pengelola pengendalianpematangan buah tomat untuk mendapatkan optimasi parameter difusi sehingga diperoleh pematangan sesuaidengan kebutuhan pasar.

Kata Kunci : Spektroskopi fotoakustik, waktu relaksasi, koefisien resistensi & difusi, tomat

Abstract

It Has been studied a method of determining the relaxation time, the coefficient of resistance and the diffusioncoefficient of SF6 gas exchange in tomato fruits (Lycopersicon esculentum) with CO2 laser photoacousticspectroscopy method that is not intrusive and does not damage the fruit samples. SF6 gas absorbs the moststrongly in the 10P16 laser line and C2H4 gas in the 10P14 laser line with a resonant frequency of (1650±5)Hz.The lowest limit detection produced by the spectrometer for the SF6 gas was obtained (2.6 ± 0.4) ppt and forC2H4 gas was (0.32 ± 0.03) ppb. After diffusion parameters have been found for SF6 tracer gas, diffusionparameters can be determined for fruit maturation hormone, C2H4 gas. Characteristics The SF6 gas diffusionmonitoring method in tomatoes and measurement of C2H4 gas emissions over a period of 15 days produce acharacteristic pattern of relaxation time and coefficient of resistance and diffusion coefficient of ethylene emission.The results obtained from the C2H4 emission pattern show that the curves correspond to those of climactericfruits. The results of SF6 gas monitoring found the tendency of relaxation time and the coefficient of resistanceof fruit to SF6 gas decreased exponentially with the passage of time of tomatoes. The diffusion coefficient isexperiencing an exponential increase as well. From the results of the acquisition of gas transportation in tomatoesdetermine the metabolism directly related to fruit storage. It can be recommended to quality control of fruitripening tomatoes to get the optimization parameters in order to obtain maturation diffusion line with marketrequirements.

Keywords: Photoacoustic spectroscopy; relaxation time; resistance & diffusion coefficient; tomatoes.

M.A.J. Wasono and Y. A. Kholishoh Page 2 of 29

PENDAHULUANKarakteristik transportasi pertukaran gas padabuah belum diketahui secara mendalam disebabkanantara lain oleh keterbatasan detektor gas kelumitdisamping metode deteksinya. Proses metabolismeyang menentukan umur penyimpanan buah ditentukanoleh sifat transport gas pada buah [1].

Deteksi gas kelumit selama ini menggunakankromatografi gas yang mempunyai kekurangan dalamhal sensitivitas, proses deteksi perlu waktu lamasampai order hari. Metode spektroskopi fotoakustikdengan sumber radiasi laser infra merah menawarkankelebihan dalam hal sensitivitas yang tinggi hinggaorde ppb (partperbillion) dan dapat mendeteksi untuksistem mengalir (flowing) serta waktu tanggapberorder menit. Spektrometer fotoakustik berbasislaser CO2 memiliki jangkau panjang gelombanginfrared 9 − 11µm dan mampu membangkitkan dayalaser 1 − 100Watt (Harren dkk., 2000).

Penelitian ini menggunakan gas SF6 sebagai pelacak(tracer) untuk menentukan koefisien difusi gas oksigendan karbondioksida yang terjadi pada proses respirasibuah tomat. Menurut hukum Fick pertama bahwarapat aliran (J) molekul yang berdifusi berbandinglangsung dengan gradien konsentrasi (misal ke arahx) dengan konstanta kesebandingan yang disebutkoefisien difusi (D) [2].

J = −D∂C∂x

(1)

∂C∂x merupakan gradien konsentrasi, yaitu perubahankonsentrasi per satuan panjang. Tanda negatifmenunjukkan arah difusi searah dengan pengurangankonsentrasi. Sedang laju pertukaran gas atau lajudifusi

(dSdt

)sebanding dengan rapat aliran (J) dan

luas penampang (A) yang dilalui gas yang dapatdirumuskan persamaan (2)

ds

dt= JA = −DA∂C

∂x(2)

Gradien konsentrasi tsb dapat didekati denganmengambil ∆C merupakan selisih konsentrasi di luarbahan (Ct

e) dan konsentrasi gas di dalam bahan(Ct

i ) yang masing-masing disebut sebagai konsentrasieksternal dan internal.

Konsentrasi internal gas pelacak di dalam buahmengalami peluruhan secara eksponensial dengan

*Correspondence: m alijoko@ugm.ac.id

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan,

Universitas Gadjah Mada, Sekip Utara, Bulaksumur, Sinduadi, Mlati,

Yogyakarta, Indonesia

Full list of author information is available at the end of the article†Equal contributor

waktu relaksasi gas τf [1]

Cf = C0e−tτf (3)

dengan C0 = Cf (t = 0).Adapun waktu tukar gas atau waktu relaksasi

merupakan waktu yang dibutuhkan buah sehinggakonsentrasi gas pelacak internal Cf tinggal sebesar 1/edari konsentrasi gas pelacak awal C0. Nilai waktu tukargas dapat diperoleh dari gradien persamaan linearberikut,

lnCf

C0=

−tτf

(4)

Koefisien difusi pada buah menunjukkan lajupertukaran gas difusi. Koefisien difusi D(cm2detik−1)dalam hubungannya dengan resistansi bahan (ρs)adalah:

D =∆x

ρs(5)

maka persamaan (2) dapat ditulis

dS

dt= −A∆x

ρs

∂C

∂x= −A∆C

ρs(6)

Persamaan diferensial difusi gas melalui kulit darisuatu volume tertutup adalah [1]

dS

dt= −Af

Cf (t) − Ce(t)

ρs(7)

dengan dSdt adalah perubahan jumlah gas pelacak

internal terhadap dt (m3/s), Ce(t) adalah konsentrasigas pelacak eksternal, Af adalah luas total permukaankulit buah dan ρs adalah resistansi kulit terhadapdifusi. Pada pengukuran yang dilakukan tidakada nilai konsentrasi gas pelacak eksternal karenapenyentoran gas pelacak yang bagus di dalam kolektoroleh udara tekan, maka Ce(t) = 0, sehingga [1]

dS

dt= −Af

Cf (t)

ρs(8)

Jumlah gas pelacak di dalam buah s terhubung dengankonsentrasi di dalam buah Cf sebagai:

s = θfVfCf (9)

dengan Vf adalah volume buah dan θf adalah fraksigas internal yang didapat dari

θf =Vmeas −m/d

Vmeas(10)

M.A.J. Wasono and Y. A. Kholishoh Page 3 of 29

dengan Vmeas adalah volume terukur buah, m massabuah dan d adalah kerapatan spesifik daging buah [1].Dengan demikian konsentrasi eksternal sebagai fungsiwaktu diperoleh sebagai berikut,

Cf = C0e−

Af t

θfVf ρs (11)

dengan C0 adalah konsentrasi awal dari buah.Hubungan resistansi kulit dengan waktu tukar gasdapat ditentukan [1] sebagai berikut,

ρs =AfτfθfVf

(12)

METODE PENELITIANBahan-bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah sebagai berikut. Gas CO2, He dan N2 dengankonsentrasi 99% sebagai medium aktif laser. Gas N2

untuk membersihkan sel fotoakustik dan menentukansinyal latar. Gas SF6 (Sulfur Heksafluorida) yangdigunakan sebagai pelacak. KOH dan CaCl2 yangmasing-masing untuk menyerap CO2 dan H2O. Buahtomat hijau sebagai sampel yang diteliti.

Rangkaian alat penelitian pemantauan gas difusiSF6 pada buah tomat menggunakan spektrometerfotoakustik laser CO2 intrakavitas ditunjukkan padaGambar 1.

Gambar 1: Rangkaian alat deteksi gas difusi SF6

pada buah tomat menggunakan spektrometerfotoakustik laser CO2 konfigurasi intrakavitasdengan sistim gas aliran

Proses Deteksi. Sampel buah tomat sebelumnyadisimpan dalam kuvet volume 500ml yang tertutupkemudian dialiri gas SF6 standar 100 ppm dandibiarkan selama 4-5 jam. Sesudah proses pemuatantsb, sampel buah tomat dipindah ke kuvet lain

volume 500ml yang menuju sel FA. Gas SF6 yangkeluar dari buah mengalami pelucutan dimasukkan kedalam sel FA dengan cara menyentorkan udara tekandan kemudian dikenai radiasi laser CO2 termodulasi.Sinyal fotoakustik yang timbul di dalam sel FAditangkap oleh mikrofon diperkuat oleh lock-in dandiubah menjadi data digital oleh ADC (analog todigital converter), kemudian dicatat dan direkam olehkomputer.

Pengukuran konsentrasi gas SF6 pada buah tomatutuh dilakukan melalui sebuah kuvet berkolektor.Kolektor disentor dengan udara tekan dengan tekanan50 − 60mb agar gas SF6 hasil emisi buah tomatdapat mengalir menuju sistem deteksi fotoakustik.Kolektor ditempatkan pada diameter terbesar buahtomat menggunakan wax agar tidak ada udara keluarmasuk. Emisi SF6 dari kolektor diukur selama 25hingga 45 menit.

Diketahui bahwa SF6 juga mempunyai serapan padagaris 10P14 dan etilen juga mempunyai serapan padagaris 10P16, berlaku persamaan [3](

S

I

)10P16

= FR(α10P16 etilenCetilen + α10P16SF6)

+B10P16 (13)

(S

I

)10P14

= FR(α10P14 etilenCetilen + α10P14SF6)

+B10P14 (14)

dengan(SI

)10P16

merupakan sinyal ternormalisasi dari

campuran kedua gas tersebut pada garis(SI

)10P14

sinyal ternormalisasi campuran kedua gas tersebutpada garis 10P14, F konstanta sel yang didapatkandari eksperimen (F teori 3, 7 × 103 Pacm/W ), Rdaya tanggap mikrofon yang digunakan (R =11mV/Pa), dan α koefisien serapan masing-masinggas untuk tiap-tiap garis laser, B10P merupakansinyal latar masing-masing garis laser. Dengansubstitusi 2 persamaan tsb diperoleh hasil konsentrasiSF6 &C2H4.

HASIL DAN PEMBAHASANDari pemayaran gas pelacak SF6 standar

diperoleh hasil sinyal ternormalisasi pada garis10P16 sebesar 11, 9mV/W dan pada garis 10P14terbaca sinyal ternormalisasi 4, 8mV/W . Hal inimenunjukkan bahwa di garis 10P14 juga menyerapSF6. Sedang pemayaran etilen standar diperolehsinyal ternormalisasi pada garis 10P14 sebesar0, 278V/W dan pada garis 10P16 terbaca sinyalternormalisasi 0, 028V/W . Hal ini juga menunjukkan

M.A.J. Wasono and Y. A. Kholishoh Page 4 of 29

Gambar 2: Karakteristik waktu relaksasiterhadap produksi etilen buah tomat

bahwa di garis 10P16 juga menyerap etilen, sehinggametode penentuan konsentrasi sangat teliti denganmenggunakan 2 persamaan kedua gas tsb yangmenyerap pada kedua garis laser tsb.Difusi Gas SF6 pada Buah Tomat. Karakteristik

waktu relaksasi terhadap produksi etilen buah tomatdapat dilihat pada Gambar 2, menunjukkan hasilbahwa selama proses pematangan, waktu tukar gasmengalami penurunan dari (2, 85 ± 0, 07) menit ke(0, 86± 0, 01) menit. Begitu pula dengan karakteristikkoefisien resistansi terhadap produksi etilen yangditunjukkan pada Gambar 3 mengalami penurunandari (5, 95± 0, 27)× 102 detik cm−1 ke (1, 53± 0, 06)×102 detik cm−1. Hal ini dikarenakan koefisien resistansiberbanding langsung dengan waktu relaksasi, dimanadalam penelitian ini buah tomat yang ditelitimenggunakan buah yang sama, sehingga tidakada perubahan nilai besaran volume maupun luaspermukaan. Dari karakteristik tersebut menunjukkanbahwa kulit buah tomat mengalami penurunanresistansi seiring proses pematangan. Dari tinjauanfisika, secara prinsip spektrometer fotoakustik laserCO2 ini mampu mendeteksi konsentrasi gas tsb sampaiorde sub − ppb dengan waktu order menit sehinggaperubahan mendadak konsentrasi dalam selang waktuyang singkat dapat diamati. Namun dalam penelitianini, perubahan konsentrasi dalam pertukaran gasberlangsung secara teratur oleh karena tidak diberiperlakuan dari luar yang menjadikan perubahanmendadak konsentrasi, maka pengamatan dilakukantiap hari hanya sekali. Dengan cara ini sudahbisa menggambarkan pola perkembangan perubahanwaktu relaksasi pertukaran gas, koefisien difusi sertaresistensi buah terhadap tingkat kematangan buahtomat.

Jika dibandingkan antara penurunan wakturelaksasi dan koefisien resistansi, penurunan koefisien

Gambar 3: Karakteristik koefisien resistansiterhadap produksi etilen buah tomat

resistansi lebih besar. Hal ini dikarenakan buahmengalami penurunan massa, sehingga fraksi gasantar sel meningkat seiring perubahan pematangan.Koefisien resistansi menurun dikarenakan besarantsb berbanding terbalik dengan fraksi gas antarsel. Sementara penurunan massa secara kimiawidisebabkan proses respirasi yang menggunakansubstrat-substrat (cadangan makanan) pada buahselama respirasi (Anna dkk., 2012).

Gambar 4: Karakteristik koefisien difusiterhadap produksi etilen buah tomat

Gambar 4 menunjukkan hasil karakteristik koefisiendifusi terhadap produksi etilen. Berbeda dengankoefisien resistansi, koefisien difusi mengalamikenaikan dari (1, 73 ± 0, 01) × 10−2 cm2 detik − 1 ke(6, 70 ± 0, 03) × 10−2 cm2 detik−1. Koefisien difusimenunjukkan laju pertukaran gas, sehingga jikaresistansi kulit buah menurun, maka laju pertukarangas semakin cepat. Selama pematangan akan terjadipeningkatan laju respirasi (Murtadha dkk., 2012).

M.A.J. Wasono and Y. A. Kholishoh Page 5 of 29

Respirasi pada buah mengalami peningkatan CO2

pada saat pematangan dan kemudian pada saatkemasakan menjelang sempurna dan telah lewatnyakemasakan, maka aktivitas respirasi akan semakinmenurun (Murtadha, 2012). Jika oksigen dalambuah telah habis maka selanjutnya akan terjadipembusukan/fermentasi [1]. Pada penelitian inipengambilan data tidak mencapai masa masak yangsempurna, sehingga tidak terlihat pola penurunan lajurespirasi. Gambar 5 menunjukkan tingkat kematanganbuah tomat berdasarkan perubahan warna kulit buah.

Gambar 5: Perkembangan tingkat kematanganbuah tomat selama 15 hari

Pada penelitian ini, pola pematangan buah diamatipada produksi etilen dan warna kulit buah. Produksietilen pada buah menunjukkan pola buah klimakterikyaitu kecenderungan emisi etilen naik kemudianmencapai puncak dan turun [3]. Pola produksi etilendari hasil pengamatan ada dua data yang mengalamipenyimpangan cukup jauh. Padahal sampel buah yangdiamati sama, maka dicurigai penyimpangan tersebut

berasal dari sampling (udara tekan, kuvet, scrubber)dan aliran gas yang kurang rapat atau terjadinyakebocoran. Dapat juga penyimpangan data berasaldari alat ukur SFA, yaitu menempelnya debu padajendela ZnSe sehingga keluaran laser tidak optimal,atau pengaturan posisi grating halus yang kurangtepat karena sangat sensitif terhadap getaran. Padaperlakuan normal, buah tomat hijau pasca panenmembutuhkan waktu 7 hari untuk matang [4]. Padapenelitian ini buah tomat membutuhkan waktu 15 hariuntuk menjadi merah-matang. Hal ini dikarenakanbuah mengalami kedap udara selama perendaman gasSF6, sehingga menghambat laju produksi etilen.

Sementara penyimpangan data pada pola wakturelaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi,diasumsikan berasal dari ralat pengenceran yangdilakukan secara manual. Ralat pengenceran berasaldari pengambilan volume suntikan ke kuvet duakali serta pengisian nitrogen pada kuvet dan samplebag dengan pengukuran laju melalui flowmeter yangkurang stabil.

KESIMPULANDari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa denganmetode spektroskopi fotoakustik laser CO2 terungkapdengan mudah cara mendeteksi sekaligus memantaupertukaran gas yang terjadi didalam buah tomatmenggunakan gas SF6 sebagai pelacak. Hasil koefisiendifusi & resistensi buah tomat terhadap gas SF6 dapatdipakai untuk menentukan koefisien difusi & resistensihormon pematangan buah, gas C2H4.

Pola emisi C2H4 yang dihasilkan oleh buah tomattelah sesuai dengan karakteristik buah klimakterik.Waktu relaksasi pertukaran gas didalam buah tomatdan koefisien resistensinya mengalami penurunansecara eksponensial dengan bertambahnya tingkatkematangan. Akan tetapi koefisien difusi buah tomatmengalami kenaikan dengan bertambahnya tingkatkematangan buah.

Dengan demikian metode spektroskopi fotoakustiklaser yang digandeng dengan sistem gas mengalirdapat dipakai untuk memantau besaran difusi gasyang keluar masuk sampel buah. Hasil yang diperolehdapat direkomendasikan kepada pengelola buah tomatpasca panen.

PENULIS1 M.A.J. Wasono

Dari :(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika danIlmu Pengetahuan, Universitas Gadjah Mada

M.A.J. Wasono and Y. A. Kholishoh Page 6 of 29

2 Y. A. KholishohDari :(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika danIlmu Pengetahuan, Universitas Gadjah Mada

Pustaka1. Groot TT. Trace Gas Exchange by Rice, Soil and Pears [Thesis].

University of Nijmegen; 2002.

2. BANKS NH. Estimating Skin Resistance to Gas Diffusion in Apples and

Potatoes. J Exp Bot. 1985;36(12):1842–1850. Available from:

https://doi.org/10.1093/jxb/36.12.1842.

3. Wasono MAJ, Muslim, Tranggono S. Penerapan Spektrometer

Fotoakustik Laser CO2 Semi Sealed-Off pada Penentuan Koefisien

Resistensi Buah Tertentu Terhadap Difusi C2H4 Menggunakan Gas SF6

sebagai Pelacak. In: Pros. Pertem. dan Present. limiah Penelitlan Dasar

IImu Pengetah. dan Teknol. Nukl. Yogyakarta: P3TM-BATAN; 2002. p.

241–248.

4. Saltveit ME. Postharvest Biology and Handling. In: Heuvelink E, editor.

Tomatoes. United Kingdom: CABI Publishing; 2005. .