Electronic Theses and Dissertation

Dalam meningkatkan keamanan dan kualitas dari suatu produk yang dikemas, maka perhatian konsumen difokuskan pada kemasan biopolimer yang memiliki karakteristik berupa sifat fisik, mekanik, termal dan degradasi yang baik serta kompatibilitas untuk dikombinasikan dengan material lainnya. Kombinasi beberapa material ini sering disebut sebagai hibrid/biokomposit. Bahan hibrid/biokomposit terdiri atas dua komponen dasar yang disebut matriks dan pengisi. Matriks yang berasal dari polimer alami seperti whey protein memiliki sifat penghalang oksigen dan degradasi yang baik sebagai bahan pembentuk kemasan. Namun, film ini umumnya memiliki sifat fisik dan mekanik yang buruk untuk dapat diaplikasikan sebagai kemasan. Pada penelitian ini pengembangan terbaru dilakukan dengan menggabungkan polimer sintetik yaitu polivinil alkohol, dan pengisi nanokristal selulosa yang diisolasi dari daun mahkota nanas secara bersamaan kedalam matriks biopolimer untuk mendapatkan sifat dan karakteristik yang menyerupai kemasan plastik konvesional dan dapat diaplikasikan sebagai kemasan. Untuk mendapatkan kemasan film yang memiliki karakteristik yang baik, maka perlu dilakukan pengkajian berupa pengaruh kombinasi whey protein, polivinil alkohol dan nanokristal selulosa terhadap sifat fisik, mekanik, morfologi, termal serta ketahanan film terhadap lingkungan. Untuk itu, penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan. Pada tahap awal, karakteristik dari nanokristal selulosa yang diisolasi dari daun mahkota nanas telah dipelajari. Hasil yang didapatkan bahwa proses isolasi nanokristal selulosa dapat membentuk nanomaterial yang dapat diaplikasikan sebagai pengisi. Analisa sifat fisika, kimia, morfologi dan termal mengkofirmasi bahwa pembentukan nanokristal selulosa dengan hidrolisis asam 1 jam memberikan nilai yield, kristalinitas dan termal yang baik. Pada studi selanjutnya proses optimasi penambahan nanokristal selulosa dan juga aditif berupa gliserol pada whey protein film dilakukan dengan menggunakan respon surface methodology (RSM). Efek dari berbagai konsentrasi nanokristal selulosa dan gliserol pada ketebalan, kuat tarik, dan elongasi pada film telah diselidiki dengan desain komposit sentral untuk menentukan kondisi preparasi optimum dari film. Model polinomial orde kedua dikembangkan untuk memprediksi model regresi dengan nilai koefisien determinasi (R2) yang tinggi. Kondisi optimum yang didapatkan dengan menggunkan metode ini berupa konsentrasi nanokristal selulosa sebesar 3,5% dan konsentrasi gliserol 4%, yang memberikan nilai desirability sebesar 92,7%. Pada kondisi optimum yang telah divalidasi, film yang dihasilkan memiliki sifat fisik dan mekanik yang sesuai dengan model prediksi. Nilai ketebalan, kuat tarik dan elongasi biokomposit film yaitu masing-masing 0,13 mm, 7,16 MPa dan 39,10%. Hal yang sama juga dilakukan pada studi optimasi polivinil alkohol film dengan penmabahan nanokristal selulosa dan gliserol. Pada kondisi optimum, hasil validasi dari model prediksi untuk ketebalan, kuat tarik dan elongasi film yaitu masing-masing 0,12 mm, 10,15 MPa dan 92,15%. Oleh karena itu, optimasi biokomposit film yang dioptimalkan pada kosentrasi gliserol dan nanokristal selulosa dari daun mahkota nanas dapat berguna sebagai acuan pada penelitian selanjutnya dalam proses pembuatan hybrid/biokomposit film. Pada tahapan terakhir penelitian, hybrid film dilakukan untuk melihat interaksi antara whey protein dan juga polivinil alkohol dengan adanya penambahan nanokristal selulosa sebagai pengisi. berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan didapatkan penambahan rasio whey protein 70% dan polvinil alkohol 30% menunjukkan sifat mekanik, morfologi, fisikokimia dan termal yang baik. Hal ini dapat mengindikasikan bahwa penambahan polivinil alkohol dan juga nanokristal selulosa dalam whey protein matriks meningkatkan sifat-sifat film sebagai aplikasi pengemasan makanan yang dapat menggantikan kemasan konvesional.

In improving the safety and quality of a packaged product, consumer attention is focused on biopolymer packaging, which has good physical, mechanical, thermal, and degradation characteristics and compatibility to be combined with other materials. The combination of these materials is often referred to as a hybrid/biocomposite. Hybrid/biocomposite materials consist of two basic components called matrix and filler. Matrixes derived from natural polymers such as whey protein have good oxygen barrier and degradation properties as packaging materials. However, these films generally have poor physical and mechanical properties to be applied as packaging. In this research, the latest development is carried out by combining synthetic polymers, namely polyvinyl alcohol and nanocrystal cellulose fillers isolated from pineapple crown leaf, into a biopolymer matrix to obtain properties and characteristics that resemble conventional plastic packaging and can be applied as food packaging. In this study, it is necessary to study the effect of the combination of whey protein, polyvinyl alcohol, and nanocrystal cellulose on the physical, mechanical, morphological, thermal, and environmental properties of the film. This study was carried out in several stages of research. At an early stage study, the characteristics of the nanocrystal cellulose isolated from pineapple crown leaf were studied by using acid hydrolysis. The results obtained that the isolation of cellulose nanocrystals can form nanomaterials that can be applied as fillers. Analysis of the physical, chemical, morphological, and thermal properties confirmed that the formation of nanocrystal cellulose by acid hydrolysis for 1 hour gave good yield, crystallinity, and thermal values. In the following study, the optimization process of adding cellulose nanocrystals and additives in glycerol to whey protein films was carried out using the response surface methodology (RSM). The effects of various concentrations of nanocrystalline cellulose and glycerol on the thickness, tensile strength, and elongation of the films were investigated with a central composite design to determine the optimum preparation conditions of the films. The second-order polynomial model was developed to predict the regression model with a high coefficient of determination (R2). The optimum conditions obtained using this method are cellulose nanocrystal concentration of 3.5% and glycerol concentration of 4%, which gives a desirability value of 92.7%. At the optimum conditions validated, the resulting film has physical and mechanical properties that match the prediction model. The biocomposite films' thickness, tensile strength, and elongation were 0.13 mm, 7.16 MPa, and 39.10%, respectively. The same thing was also carried out in the optimization study of polyvinyl alcohol films with the addition of cellulose and glycerol nanocrystals. At the optimum conditions, the validation results from the prediction model for the thickness, tensile strength, and elongation of the film were 0.12 mm, 10.15 MPa, and 92.15%, respectively. Therefore, the optimization of biocomposite films optimized for the concentration of glycerol and cellulose nanocrystals from pineapple crown leaves can be useful as a reference for further research in making hybrid/biocomposite films. In the last stage of the study, a hybrid film was carried out to see the interaction between whey protein and polyvinyl alcohol with the addition of cellulose nanocrystals as a filler. Based on the research results, it was found that the addition of a ratio of 70% whey protein and 30% polyvinyl alcohol showed good mechanical, morphological, physicochemical, and thermal properties. This indicates that the addition of polyvinyl alcohol and cellulose nanocrystals in the whey protein matrix improves the properties of the film as a food packaging application that can replace conventional packaging.