1

BAB I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sayur dan buah merupakan salah satu komoditas pangan yang mudah

membusuk (Dimyati, 2010). Pembusukan sayur dan buah ini diakibatkan

mikroorganisme karena lingkungan pada sayur dan buah ini memiliki pH dan

kadar air sesuai untuk tempat hidup mikroorganisme (Eckert, 1978). Selain

masalah mikroorganisme sayur dan buah juga dapat mengalami kerusakan melalui

respirasi. Respirasi terjadi akibat adanya aktivitas metabolisme yang

mengakibatkan timbulnya panas dan berkurangnya kadar air sehingga buah dan

sayur menjadi layu dan kusut (Liu, 1998).

Adapun berbagai upaya yang pernah dilakukan untuk menyelesaikan

masalah pembusukan untuk sayur dan buah seperti dengan cara pendinginan

(chilling storage) dan pemasangan polietilen (Dimyati, 2010). Cara pendinginan

memiliki kelemahan karena membutuhkan energi besar apabila dilakukan dengan

menggunakan kulkas dan tidak bertahan lama apabila dilakukan dengan cara

pemberian es di tempat penyimpanan. Sedangkan cara pelapisan dengan polietilen

kurang ramah lingkungan karena polietilen merupakan polimer yang terbuat dari

minyak bumi. Dari berbagai fakta tersebut maka dibutuhkan sistem pengawetan

untuk sayur dan buah yang ramah lingkungan, hemat energi dan dapat

mempertahankan kesegaran sayur dan buah dalam waktu lama untuk

meningkatkan ketahanan pangan sayur dan buah di Indonesia.

Nano teknologi di dunia saat ini berkembang begitu pesat. Salah satu

contohnya adalah nano material ZnO. Zink oksida merupakan zat fotokatalis

berharga ekonomis (Daneshvar, 2007). Prinsip kerja fotokatalis ZnO adalah ketika

zink oksida berukuran nano terkena sinar UV maka akan membentuk senyawa

super oksida yang dapat mendegradasi berbagai senyawa organik berbahaya,

menghilangkan mikroba berbahaya dan bakteri (Seery et al, 2008). Jones (2008)

melaporkan nanopartikel ZnO mempunyai aktivitas antibakteri yang tinggi,

sehingga apabila ZnO tersebut dilapiskan ke zat lain seperti kaca maka ZnO

tersebut dapat membunuh mikroba dan bakteri di lingkungan sekitarnya sehingga

ruangan tersebut menjadi terbebas dari berbagai mikroba. Karena zink oksida

2

sendiri merupakan katalis maka zink oksida tersebut tidak akan pernah habis dan

akan terus menerus mengalami reaksi tersebut(Seery et al, 2008).

Zink oksida (ZnO) memiliki kelemahan yaitu hanya bisa diinisiasi dengan

sinar UV (Zhang, et al, 2010). Salah satu solusi dari masalah tersebut adalah

melapisi ZnO dengan Cobalt (Co) (Reddy, 2013). Pelapisan ZnO dengan Cobalt

(Co) akan menurunkan bandgap dari ZnO sehingga material berukuran nano dari

ZnO dapat bekerja pada cahaya tampak hingga panjang gelombang 550 nm,

akibatnya aktivitas pendekomposisian mikroba dan bakteri semakin cepat dan

hanya menggunakan cahaya dari lampu yang kita gunakan sehari-hari (Reddy,

2013) atau dapat dikatakan Co doped ZnO sebagai fotodegradasi cahaya tampak

dengan lebih cepat dan lebih efektif.

Dari berbagai fakta diatas maka salah satu inovasi yang akan menjadi

solusi pemecahan masalah terhadap sistem pengawetan sayur dan buah adalah

dengan membuat alat pengawet sayur dan buah ramah lingkungan, hemat energi

berbasis automatic water spray dan nano Co-doped ZnO. Sistem tersebut

berfungsi mengawetkan sayur dan buah dengan adanya aktivitas antibakteri yang

tinggi serta dapat mengurangi proses respirasi dengan adanya automatic water

spray system sehingga dapat mencegah sayur dan buah dari proses pembusakan

dan pelayuan. kelebihan lain dari alat ini yaitu tidak merusak rasa, tekstur dan gizi

karena sayur dan buah hanya akan disinari cahaya tampak serta mudah

diaplikasikan.

1.2 Tujuan Khusus

Mengacu pada kebijakan strategis pemerintah mengenai Kebijakan Umum

Ketahanan Pangan nasional (KUKP) 2010-2014, Peraturan Pemerintah (PP)

Nomor 68 Tahun 2002 tentang Ketahanan Pangan maka peneliatian ini

diharapkan menjadi solusi ketersediaan pangan berkelanjutan di Indonesia melalui

inovasi pengawetan sayur dan buah (fresh viggies)

Adapun tujuan khusus dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Melakukan modifikasi nanopartikel ZnO dengan penambahan Co

(kobal) dan uji aktivitas sebagai agen fotokatalitik dan antibakteri

2. Merancang dan menguji alat pengawet sayur dan buah berbasis

nanoteknologi terapan

3

3. Pengembahan riset dan teknologi dalam mewujudkan ketahanan

pangan nasional

1.3 Urgensi Penelitian

Penelitian ini akan berkontribusi pada kebijakan strategis pemerintah

mengenai ketahanan pangan dengan pengembahan riset dan teknologi pengawetan

sayur dan buah yang mudah diadopsi dimasyarakat sehingga meminimalisir

kerugian petani, distributor dan pedagang akibat pembusukan buah dan sayur. Hal

ini mengingat sayur dan buah merupakan salah satu komoditas pangan penting

yang mudah membusuk (Dimyati, 2010). Pembusukan sayur dan buah ini

diakibatkan mikroorganisme karena lingkungan pada sayur dan buah ini memiliki

pH dan kadar air sesuai untuk tempat hidup mikroorganisme (Eckert, 1978).

Berdasarkan uraian tersebut, diperlukan usaha-usaha untuk mengawetkan

sekaligus menjaga kesegaran buah dan sayur, salah satunya dengan alat pengawet

sayur dan buah ramah lingkungan, hemat energi berbasis automatic water spray

dan nano Co-doped ZnO.

Keunggulan lain dari penelitian ini adalah jalur sintesis Co doped ZnO

yang mudah dan tidak terlalu panjang sehingga diharapkan mempunyai hasil yang

banyak dengan kemurnian tinggi. Pada sisi lain modifikasi struktur ZnO ini

berkaitan dengan upaya mendapatkan struktur dengan aktivitas fotokatalitik

maksimal, dimana Co doped ZnO akan bekerja pada cahaya tamapk dengan

aktivitas antibakteri tinggi (Reddy, 2013).

Penelitian ini belum pernah dilakukan sebelumnya khususnya sintesis

senyawa Co doped ZnO dan sistem automatic water sprey sebagai optimizer

untuk pengawetan sayur dan buah. Informasi tersebut akan sangat memberikan

sumbangan pada pengembangan ilmu pengetahuan melalui artikel publikasi dan

sangat potensial untuk dipatenkan.

1.4 Luaran Yang Diharapkan

Luaran yang diharapkan dari penelitian ini adalah terciptanya sebuah

sistem pengawet sayur dan buah dengan automatic water sprey dan nano Co

doped ZnO yang mampu mengawetkan buah dan sayur dengan lebih efektif,

hemat energi dan ramah lingkungan, artikel publikasi dan draf paten.

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sayur dan Buah Mudah Membusuk

Sayur dan buah merupakan salah satu komoditas pangan penting yang

perlu dikonsumsi manusia dalam rangka memenuhi pola makan yang seimbang

(Dimyati, 2010). Tetapi sayur dan buah merupakan jenis bahan pangan yang

mudah membusuk (Kays, 1991). Pembusukan sayur dan buah ini diakibatkan

mikroorganisme karena lingkungan pada sayur dan buah ini memiliki pH dan

kadar air sesuai untuk tempat hidup mikroorganisme (Eckert, 1978). Selain

masalah mikroorganisme sayur dan buah juga dapat mengalami kerusakan melalui

respirasi. Respirasi tersebut dilakukan oleh sayur dan buah akibat adanya aktivitas

metabolisme yang mengakibatkan timbulnya panas dan berkurangnya kadar air

sehingga buah dan sayur menjadi layu dan berkurang nilai ekonominya (Liu,

1998)..

2.2 Kerugian Petani Akibat Pembusukan Sayur dan Buah yang Siap Dijual

Dampak Kerugian Pasca-Panen:

1. Mengurangi Pendapatan Petani (Pendapatan rendah/cap/tahun)

2. Meningkatnya harga Makanan (rendahnya kemampuan untuk

mengakses makanan Kerawanan Pangan malnutrisi

kelaparan penurunan kapasitas nasional/pemerintahan)

3. Membebankan tekanan yang lebih besar terhadap lingkungan karena petani

mencoba untuk mengkompensasi dengan meningkatkan produksi mereka

(Petani intensif dengan pertanian konservasi minimal/ null)

4. Akhirnya ketidakstabilan global dalam politik, ekonomi, dan keamanan

nasional karena penurunan kapsitas sistem pertanian.

Jenis-jenis Kerugian

- Kerugian Kuantitatif : Bobot berkurang (karena penanganan yang tidak

tepat di lapangan, transportasi, kerusakan mekanis), imbah pada sebagian

atau seluruh produk karena pembusukan atau penuaan

- Kerugian Kualitatif : Penuruana tekstur, rasa atau nilai gizi(karena cara

penaganan yang tidak tepat), kontaminasi seperti aflatoksin (Rosa,2006)

5

2.3 Nanopartikel ZnO

Nano teknologi di dunia saat ini berkembang begitu pesat.

Nanoteknologi adalah manipulasi materi pada skala atomik 1-100nm (Ramsden,

2011), contohnya nano material ZnO. Zink oksida merupakan zat fotokatalis

berharga ekonomis (Daneshvar, 2007). Prinsip kerja fotokatalis ZnO adalah ketika

zink oksida berukuran nano terkena sinar maka akan membentuk senyawa super

oksida yang dapat mendegradasi logam berat, menghilangkan mikroba berbahaya,

polutan organik dan bakteri (Seery et al, 2008). Efek fotokatalis dapat mereduksi

logam berat berbahaya seperti Cr(VI) hingga 80% (Slamet, 2003). Jones (2008)

dan Seery (2008) melaporkan nanopartikel ZnO mempunyai aktivitas antibakteri

yang tinggi dan mampu mereduksi logam berat serta polutan organik berbahaya,

sehingga apabila ZnO tersebut dibuat nanokomposit maka nanopartikel ZnO

dapat mereduksi logam berat dan membunuh mikroba dan bakteri di lingkungan

sekitarnya apabila diinisiasi cahaya. Teknologi ini sangat potensial untuk

mengatasi kelemahan membran filtrasi yang sering mengalami kejenuhan dan

masa pakai relatif pendek akibat pori-pori membran yang telah tersumbat. Karena

zink oksida sendiri merupakan katalis maka zink oksida tersebut tidak akan

pernah haban akan terus menerus mengalami reaksi tersebut (Seery et al, 2008).

2.4 Mekanisme Pengurangan Laju Respirasi dengan Automatic Water Spray

Repirasi adalah proses penting dalam sel-sel hidup yang menengahi

pelepasan energi melalui penguraian senyawa karbon dan pembentukan rantai

karbon yang diperlukan untuk mempertahankan reaksi sintetik produk setelah

panen (Kays, 1991). Adanya proses respirasi ini menyebankan sayur dan buah

menjadi layu dan berkurang nilai ekominya. Penyebab utama proses ini adalah

kadar uap air di lingkungan lebih sedikit daripada kadar air dalam sayuran,

akibatnya air yang ada dalam sayuran menguap dan sayuran menjadi kering.

Proses respirasi ini dapat dicegah dengan mengondisikan kadar uap air di

lingkungan melebihi kadar air dalam sayur dan buah. Dengan kondisi tersebut

maka air dalam sayur dan buah tidak akan menguap dan sayuran tidak menjadi

layu. Salah satu cara pengondisian uap air dalam lingkungan tersebut adalah

menggunakan automatic water spray. Automatic water spray adalah penyemprot

air otomatis yang diatur dengan sensor elektronik, sehingga diharapkan dengan

6

Proses Fotokatalis Nanopartikel ZnO

ZnO + hv ⟶ hVB+ + eCB

-

hVB+ + H2O ⟶ OH

eCB- + O2 ⟶ O2

alat ini lingkungan kadar airnya akan cukup untuk mencegah terjadinya respirasi

dan sayu serta buah terhindar dari proses kelayuan sehingga nilai ekonomisnya

tidak berkurang.

2.5 Mekanisme Pengawetan Sayur dan Buah dengan nano Co doped ZnO

Inovasi alat pengawet sayur dan buah dengan fotokatalis ini akan

membantu menyelesaikan masalah yang disebabkan oleh bakteri dan

mikroorganisme yang mempercepat pembusukan sayur dan buah. Hal ini

disebabkan adanya zat fotokatalis ZnO pada kaca alat pengawet tersebut. ZnO

akan mendegradasi bakteri, dan mikroorganisme yang membuat sayur dan buah

busuk menjadi zat yang tidak berbahaya.

Gambar 1. Proses fotokatalitik nanopartikel ZnO (Tian, 2009)

Fenomena fotokatalis diawali dengan fotoeksitasi yaitu cahaya yang

mengenai nanopartikel ZnO akan mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita

konduksi sekaligus menghasilkan hole+ pada pita valensi. Energi yang dihasilkan

dari elektron yang yang tereksitasi ini menyebabkan elektron berada pada pita

konduksi dan menghasilkan pasangan elektron bermuatan negatif (e) dan hole+

yang disebut sebagai semikonduktor photo-excitation state (Reddy, 2013)

Dari reaksi fotokatalis tersebut

membentuk senyawa superoksida

yang melepaskan O2 dan OH radikal

yang dapat mengoksidasi berbagai

mikroba pembusuk sayur dan buah

serta bakteri sehingga alat pengawet sayur dan buah dengan pronsip fotokatalitik

ini mampu mengawetkan dengan cara membunuh bakteri dan mikroorganisme

penyebab kebusukan sehingga produk sayur dan buah segar, teksturnya bagus,

dan awet dalam jangka waktu lama.

7

2.6 Langkah-langkah Strategis untuk Mengimplementasikan Gagasan

Langkah untuk mengimplementasikan gagasan sistem pengawet sayur dan

buah (fresh Viggies) adalah mengajukan proposal ke kompetisi nasional dan

inkubasi riset untuk pembuatan prototype. Langkah selanjutnya adalah

penyempurnaan produk tersebut. Setelah itu dilakukan publikasi dan pengajuan

paten. Fokus-fokus grand design implementasi penelitian ini adalah :

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Waktu yang dibutuhkan untuk penelitian ini adalah 5 bulan. Kegiatan dilakukan di tiga

tempat, yaitu :

1. Laboratorium Kimia, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro

3. Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi Universitas Diponegoro

3. 2. Variabel Penelitian

Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini :

1. Bahan baku material (Co doped ZnO)

ROADMAP KREATIVITAS

Fresh Viggies

Riset dan

pengembangan

teknologi nano untuk

mengatasi problem

ketahanan pangan

nasional

PKM-PENELITIAN

Publikasi Ilmiah

PKM KC

Peningkatan Kerja Fresh Viggies

PKM T

Penerapan Teknologi Fresh Viggies dengan mitra

Agrobisnis, Soropadan, Temanggung

Rancangan Pengembangan Fresh Viggies

kedepannya

PKM M

Teknologi Pengawetan Sayur Tepat Guna Untuk

Serikat Petani Sayur dan Buah Temanggung

Gambar.2 Roadmap Kreativitas

8

2. Kerangka dan sistem pengawetan sayur dan buah

Variabel tidak tetap yang digunakan dalam penelitian ini :

1. Pelapisan Co doped ZnO

Variabel yang dinilai dari penelitian ini :

1. Ukuran kristal Co doped ZnO

2. Kemampuan pengawetansayur dan buah

3.3 Prosedur penelitiannya dilakukan dalam beberapa tahap :

3.4 Alat dan Bahan

3.4.1 Alat Penelitian

Peralatan yang digunakan adalah Peralatan yang digunakan adalah

seperangkat alat gelas, termometer, pengaduk magnet (magnetic stirrer),

spreyer dan kompresor, Spektroskopi UV-Vis, SEM (Scanning Electron

Microscop), XRD, automatic water sprey

3.4.2 Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Zn asetat,

isopropanol, kobalt nitrat, kaca, aseton, air deionisasi, monoetanolamin.

3.5 Prosedur Kerja

3.5.1 Pembuatan Co Doped ZnO

Mulai

Sintesis Material Nanopartikel

Co doped ZnO

Pembuatan Kerangka dan Mekanis

Alat Pengawet Buah dan Sayur

Pengujian Rancang Bangun

Karakterisasi dan Pengujian Material

Deposisi Pada Substrat Kaca

Finishing Kerangka Dan Mekanis

Pembuatan Sistem Kontrol

Automatic Water Sprey

Pengujian Finishing Sistem

Kontrol

Assembly Sistem Kontrol

Perakitan Komponen Prototipe

Keseluruhan

Pengujian dan Optimalisasi

Selesai

Gambar.3 Prosedur Penelitian

9

Sintesis nanopartikel Co doped ZnO dilakukan dengan metode sol gel

dengan prekursor Zn(CH3COO2)2.2H2O sebagai sumber Zn dan isopropanol

(IPA: (CH3)2CHOH), monoetanolamin (MEA: HOCH2CH2NH2) dan kobal

nitrat (CoNO3.6H2O). Pembuatan nanopartikel ZnO dengan melarutkan Zn

Asetat kedalam larutan propanol dan monoetanolamin pada temperatur ruang

dengan konsentrasi 0,3M Zn Asetat dengan perbandingan molar 1:1 dan

kemudian distirer selama 1 jam. Hasil yang terbentuk larutan berwarna putih

bening. Setelah itu tambahkan kobal nitrat dengan perbandingan dengan Zn

10:1(Zn: 10, Co: 1) dan dilstirer selama 7 jam. Hasilnya berupa larutan

homogen berwarna ungu bening. Proses selanjutnya yaitu pelapisan pada

substrat kaca dan furnace

3.5.2 Visualisasi Pembuatan Sistem Fresh Viggies

BAB IV BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN

4.1 Anggaran Biaya

Tabel 4.1 Ringkasan Anggaran Biaya PKM Penelitian

No Jenis Pengeluaran Biaya (Rp)

1. Bahan habis pakai 3,510,000.00

2. Peralatan Penunjang PKM 1,590.000,00

3. Perjalanan 2,200,000.00

4. Biaya Analisis 2,880,000.00

5. Biaya Lain-lain 2,050,000.00

Jumlah 12,230,000.00

Lampu TL yang sering kita

gunakan sehari-hari

Kaca terlapisi nano

Co doped ZnO

Automatic Water Spray

Gambar. 4 Visualisasi Pembuatan Sistem Fresh Viggies

10

4.2. Jadwal Kegiatan

No

Uraian kegiatan

Bulan

1 2 3 4 5

1 Persiapan Alat dan

Bahan

2 Pembuatan Prototipe

di Laboratorium

3 Analisa Laboratorium

4 Analisa Data

5 Studi Pustaka

6 Penyusunan Laporan

7 Presentasi Hasil

DAFTAR PUSTAKA

Daneshvar, 2007, Preparation and Investigation of Photocatalytic Properties of ZnO

Nanocrystals: Effect of Operational Parameters and Kinetic, World Academy of

Science, Engineering and Technology, pp. 29.

Dimyati, Ahmad. 2010. The Commercial Storage of Fruits, Vegetables, Florist and

Nursery Stocks. USDA Agric. Handbook No. 66. USDA Washington.

Eckert, J.W. 1978. Pathological disease of fresh fruit and vegetables. In Postharvest

Biology and Biotechnology. Hultin, H.O. and Miller, N (eds). Food and Nutrition

Press, Westport, Connecticut:161-209.

Jones, Nicole, Binata Ray, Koodali T. Ranjit, Adhar C. Manna, 2008, Antibacterial

activity of ZnO nanoparticle suspensions on a broad spectrum of microorganisms.

FEMS Microbiology Letters, Volume 279, Issue 1, pages 71–76, February 2008

Handaka, 2013, Mengurangi Kerugian Pasca-Panen : Pilihan Strategis dan

Pengembangan Teknologi Pasca Panen, Lokakarya US-ASEAN, Jakarta 3-4

September 2013

Karunakaran, C., V. Rajeswari, P. Gomathisankar, 2010, Antibacterial and photocatalytic

activities of sonochemically prepared ZnO and Ag–ZnO, Journal of Alloys and

Compounds, Volume 508, Issue 2, 22 October 2010, Pages 587–591

Kays, S. J. 1991. Postharvest Physiology of Perishable Plant Products. AVI Publishing by

van Nostrand Reinhold, New York.

Reddy, Sankara, Venkatramana Reddy, Koteeswara Reddy and Pramoda Kumari, 2013,

Synthesis, Structural, Optical Properties and Antibacterial activity of co-doped (Ag,

Co) ZnO Nanoparticles, Research Journal of Material Sciences, Vol. 1(1), 11-20,

February (2013)

Seery, Michael K., Reenamole Gorgekutty, and Suresh C. Pillai, 2008, A Highly Efficient

Ag-ZnO Photocatalyst: Synthesis, Properties, and Mechanism, Dublin : School of

Chemical and Pharmaceutical Sciences, Dublin Institute of Technology,

Zhang, Y., Shi, E.W., Chen, Z.Z., 2010, Magnetic properties of different temperature

treated Ni-doped ZnO hollow nanospheres, Mater. Sci. Semicond. Process, 13,132-

136