Isolation and Phisicochemical Characterization of Microcristalline Cellulose from Ramie (Boehmeria nivea L. Gaud) Based on Pharmaceutical Grade Quality

161

Indo. J. Phar. Scie. Tech. Vol. 5, No. 2, 55-61 (2018).

Desy Nawangsari*, Anis Y. Chaerunisaa, Marline Abdassah, Sriwidodo Sriwidodo,
Taofik Rusdiana, Linda Apriyanti

Show more

Fakultas Farmasi Universitas Padjadjaran, Sumedang Jawa Barat, Indonesia
Korespondensi : desynawang9@gmail.com (Desy Nawangsari)

[collapse]

Download citation | PDF (415 kb)

Abstrak/Abstract

Kata Kunci: Fisikokimia, pharmaceutical grade, rami, selulosa mikrokristal

Pendahuluan

Selulosa mikrokristal merupakan bahan tambahan atau eksipien yang umum digunakan dalam farmasi. Terutama digunakan sebagai pengisi, pengikat serta dapat digunakan sebagai lubrikan dan disintegran pada formula tablet dan kapsul1. Selulosa mikrokristal yang telah beredar dipasar dengan nama dagang Avicel® PH, Emcocel® dan MCC Sanaq® 2.

Selulosa mikrokristal (MCC) merupakan hasil hidrolisis pengolahan α-selulosa dengan larutan asam encer. Selulosa ini banyak terdapat di dalam pulp kayu atau tanaman berserat dengan asam mineral3.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Jolandraw (2013), tanaman rami (Boehmeria nivea L. Gaud) digunakan sebagai salah satu solusi bahan baku pembuatan selulosa mikrokristal. Randemen selulosa mikrokristal yang dihasilkan sebesar 40,36%4. Menurut Karim (2014) metode pemanasan alkali dengan natrium hidroksida 25% menghasilkan kandungan α selulosa 97,29% dan rendemen selulosa mikrokristal yaitu 64,11%6. Metode pengeringan menggunakan spray dryer menghasilkan rendemen selulosa mikrokristal 56,80%7. Dari uraian tersebut, penelitian mengenai isolasi dan karakterasasi selulosa mikrokristal dari tanaman rami yang memenuhi pharmaceutical grade perlu dilakukan.

Metode

  1. Alat

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah oven, pH meter (Agilent Technologies 3200P), timbangan digital (Mettler Toledo), kaca arloji, pipa kapiler, mesh 60, melting point apparatus (Melt-temp® Laboratory Device), krus tanur listrik, desikator, soxhlet, reflektrometer, gelas beaker, plate count agar (PCA), inkubator, media Potatoes Dextrosae Agar (PDA), tapped density tester (Erweka SVM 221), gelas ukur, cawan, piknometer, powder flow tester (Erweka GT), spray dryer.

2. Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah adalah serat kulit batang tanaman rami, Avicel® PH 102, akuades, asam asetat (Bratachem), natrium hidroksida (Bratachem), asam klorida (Bratachem), natrium hipoklorit (Bratachem),asam sulfat (H2SO4) pekat (Merck), iodin (Merck), zink klorida (Merck), kalium iodida (Merck), kalium bromida (Merck), eter (J.T.Baker), alkohol 95% (J.T.Baker), kalium permanganat (Merck), natrium tiosulfat (Merck), amilum (Merck), Plate Count Agar (PCA).

3. Prosedur Rinci

Serat batang rami kasar dengan kualitas tinggi (grade A) diperoleh dari Desa Simbang, Kabupaten Wonosobo. Kemudian dilakukan proses grinding sehingga didapatkan serat rami halus. Selanjutnya dilakukan proses isolasi α-selulosa dengan metode pemanasan alkali. Serat halus rami dididihkan dengan larutan asam asetat 0,1 N perbandingan sampel terhadap pelarut 1:20, tahapan ini disebut prahidrolisis. Prahidrolisis dilakukan selama 1 jam dengan suhu 105°C kemudian sampel disaring dan dibilas berulang sampai pH netral. Kemudian dilanjutkan dengan pemanasan alkali menggunakan larutan natrium hidroksida (NaOH) 25% b/v, dipanaskan pada suhu 105°C selama 1 jam5. Pada tahap ini, akan terbentuk pulp berwarna coklat. Larutan yang berwarna coklat pekat merupakan indikasi dari terlarutnya senyawa-senyawa yang memiliki gugus kromofor yaitu gugus yang memiliki ikatan rangkap terkonjugasi yang menyebabkan suatu senyawa memiliki warna7. Warna dari terbentuk dapat dihilangkan melalui proses pemutihan. Pemutihan pulp dilakukan dengan cara perendaman α-selulosa ke dalam larutan natrium hipoklorit selama 15-20 menit dengan perbandingan sampel dan pelarut 1:8. Kemudian larutan disaring dan residu dibilas dengan berulang sampai pH netral. Kemudian pulp dikeringkan dengan oven pada suhu 50°C selama 12-24 jam untuk selanjutnya dilakukan hidrolisis menjadi MCC.

Hidrosilis dilakukan dengan HCl 2,5 N. dengan perbandingan sampel dan pelarut (1:20) pada suhu 105°C selama 15-20 menit. Selama proses hidrolisis, terjadi pemisahan secara parsial pada penyusun mikrofibril selulosa dimana bentuk amorf akan putus dan meninggalkan bentuk kristalin yaitu daerah molekul selulosa yang tersusun teratur. Selanjutnya residu MCC dibilas sampai pH netral dan selanjutnya dikeringkan dengan spray dry sesuai yang dicantumkan oleh literatur1.

Karakteristik fisikokimia MCC dibandingkan dengan Avicel® PH 102 meliputi: kerapatan nyata, kerapatan mampat, kompresibilitas, faktor hausner dan sudut diam. Kemudian dilakukan evaluasi selulosa mikrokristal dengan standar pharmaceutical grade.

Hasil

1. Sifat Fisikokimia MCC

Hasil analisis karakteristik fisikokimia MCC dibandingkan dengan Avicel® PH 102 dapat dilihat pada Tabel 1. Pemeriksaan dengan analisis Fourier Transform Infrared (FTIR) dilakukan untuk mengidentifikasi gugus fungsi dari selulosa mikrokristal, spektrum dapat pada Gambar 1.

2. Kualitas MCC dengan pharmaceutical grade

Eksipien yang digunakan dalam sediaan farmasi harus memenuhi spesifikasi yang telah ditetapkan. Hasil evaluasi MCC berdasarkan syarat pharmaceutical grade. Ha­sil karakterisasi kualitas MCC ditunjukkan oleh Tabel 2.

Pembahasan

1. Sifat Fisikokimia MCC

Selulosa mikrokristal yang dihasilkan dari tahapan isolasi memiliki rendemen 57,26%. Laju alir merupakan suatu parameter penting pada pemilihan bahan pengisi untuk tablet cetak langsung. MCC memiliki laju alir 1,74 g/s, jika dibandingkan dengan Avicel® PH 102 yang memiliki laju alir 2,45g/s maka selulosa mikrokristal memiliki lajur alir yang lebih kecil, namun berdasarkan Handbook of Pharmaceutical Excipients (2009) diketahui bahwa laju alir Emcocel® 90M yaitu 1,41 g/s. Hal ini menunjukan MCC maupun Avicel® PH 102 memenuhi standar yang terdapat pada literatur.

Perbandingan kerapatan nyata dan kerapatan mampat MCC dan Avicel® PH 102 secara berurut adalah 0,346 g/ mL dan 0,35 g/mL serta 0,472g/mL dan 0,463 g/mL. Kemampuan mengalir MCC dalam alat pengempaan tablet ditentukan berdasarkan kompresibilitas, faktor hausner dan sudut diam. Semakin besar pesentase kompresibilitas dari nilai 21% maka sifat alir serbuk makin kecil karena jika serbuk sangat rapat (kompresibilitas tinggi) maka akan sulit mengalir sehingga laju alir semakin buruk8. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa selulosa mikrokristas (MCC) dan Avicel® PH 102 memiliki laju alir rendah dengan nilai kompresibilitas 26,72% dan 24,30%. Sedangkan jika dibandingkan dengan Emcocel® 90M, maka selulosa mikrokristal (MCC) dan Avicel® PH 102 memiliki nilai kompresibilitas yang lebih kecil. Secaraberurut nilai kompresibilitas MCC, Avicel® PH 102 dan Emcocel® 90 M adalah 26,72%, 24,3% dan 29,9%.

Nilai faktor hausner MCC dan Avicel® PH 102 yaitu 1,37 dan 1,33. Hasil nilai faktor hausner yang mendekati 1 maka sifat alir serbuk semakin baik untuk pencetakkan tablet. Nilai Hf yang jauh lebih besar daripada 1 maka sifat alirnya semakin buruk karena akan terjadi variasi terhadap massa tablet yang akan dicetak9.

Sudut diam juga menunjukkan kemampuan MCC mengalir. Kisaran sudut diam 25-30, 30-39, 40-45, dan >45° berurutan menunjukkan sangat mudah mengalir, mudah mengalir, mengalir, dan laju alir rendah8. MCC dan Avicel® PH 102 dikategorikan mampu mengalir dengan nilai sudut 33,78° dan 32,04°. Jika dibandingkan dengan standar pada Handbook of Pharmaceutical Excipients (2009) diketahui Emcocel® 90M memiliki sudut diam 34,4° maka baik MCC dan Avicel® PH 102 memenuhi standar.

Hasil puncak serapan yang dimiliki Avicel® PH 102 pembanding dan selulosa mikrokristal hasil isolasi yakni pada bilangan gelombang 3349,53 cm-1 dan 3310,87 cm-1 yaitu puncak serapan gugus OH, pada bilangan gelombang 2900,105 cm-1dan 2898,10 cm-1 yaitu puncak serapan C-H regang, pada bilangan gelombang 1437,03 cm-1, dan 1640,49 cm-1 yaitu puncak serapan C-H bending, pada bilangan gelombang 1371,45 cm-1 dan 1374,30 cm-1 yaitu puncak serapan C-O. Prediksi gugus fungsi tersebut menunjukan bahwa produk hasil isolasi adalah benar selulosa mikrokristal dengan Avicel® PH 102 sebagai baku pembanding.

2. Kualitas MCC dengan pharmaceutical grade

Kualitas serbuk selulosa mikrokristal diuji dari segi sifat fisika-kimia untuk mengidentifikasi secara kualitatif. Kualitas yang dihasilkan kemudian dibandingkan literatur yaitu USP Vol. 37. Hasil identifikasi kualitatif yang dilakukan didapat hasil perubahan warna dari pemberian iodinated zinc chloride terhadap sampel MCC yang semula putih menjadi warna violet-biru tua terdispersi, warna violet-biru tua yang sama ditunjukan pada pemberian iodinated zinc chloride.

Pengamatan organoleptis dari tampilan bentuk, warna, bau, dan rasa menunjukan karakteristik yang sama diantara sampel dan literatur yaitu serbuk hablur, berwarna putih, tidak berbau, dan tidak berasa. Kriteria ini sesuai dengan monografi selulosa mikrokristal.

Dari hasil uji kelarutan serbuk MCC didapat bahwa selulosa mikrokristal tidak larut dalam 4 pelarut yang diujikan yaitu air, alkohol 95%, HCl 2 N, natrium hidroksida 1N dan eter. MCC sulit untuk terlarut dalam pelarut karena adanya ikatan hidrogen yang kuat antar gugus hidroksil pada rantai ikatan yang berdekatan pada struktur kristalin penyusun selulosa mikrokristal. Dari hasil pemeriksaan kualitas serbuk menunjukkan bahwa senyawa hasil isolasi adalah benar selulosa mikrokristal.

Pengujian kadar air dilakukan dengai alat moisture balance. MCC ditimbang 10 gram dan dimasukan pada spaciment yang tersedia pada alat. Hasil menunjukan bahwa kadar air dari MCC yaitu sebesar 4,95% yang artinya MCC mengandung air sebesar 4,95%, kadar air tersebut masih dalam rentang persyaratan Handbook of Pharmaceutical Excipients yaitu kurang dari 5%. Kandungan air di dalam MCC sebagian besar telah hilang pada proses pengeringan dengan spray dry.

Pengujian titik leleh dilakukan dengan melting poin apparatus. Sampel MCC dimasukkan kedalam pipa kapiler dan diatur suhu dengan kenaikan 5˚C setiap menit. Titik leleh MCC yaitu 262,6˚C, nilai ini sesuai dari literatur Handbook of Pharmaceutical Excipients (2009) dimana titik leleh selulosa mikrokristal berada direntang 260-270˚C.  Penetuan pH dilakukan dengan pH meter digital, dengan cara mendispersikan MCC 15% kedalam aquadest10. Hasil pengujian menunjukan pH MCC adalah 7,13. Hasil tersebut berada pada rentang pH yang tertera pada literatur yaitu pH 5,0-7,5.  Nilai susut pengeringan MCC yaitu 4,86%. Nilai susut pengeringan masih memenuhi kriteria dari literatur yaitu tidak lebih atau sama dengan 7,0%.

Parameter uji serbuk selanjutnya adalah analisis sisa pemijaran bertujuan untuk menunjukkan adanya abu yang tidak habis terbakar pada tanur listrik dengan suhu 700˚C. Hal ini dapat menunjukkan adanya unsur anorganik seperti mineral yang memiliki titik lebur yang lebih tinggi dari suhu pengabuan tersebut8. MCC memiliki kadar abu sebesar 0,083% yang berada di rentang persyaratan sisa pemijaran sesuai literatur Handbook of Pharmaceutical Excipients (2009) yaitu kurang dari sama dengan 0,1% b/b sampel uji.

Pengujian derajat putih pada MCC diperlukan untuk menentukan kualitas warna serbuk. Warna serbuk yang akan dijadikan eksipien sebaiknya berwarna putih agar tidak mengganggu penampilan sediaan yang dihasilkan, selain itu juga mengikuti standar Handbook of Pharmaceutical Excipients (2009) yang menyatakan bahwa selulosa mikrokristal harus berwarna putih. Oleh karena itu, diperlukan pengukuran derajat

putih untuk mengukur tingkat warna putih dari sampel dengan metode SNI ISO 2470:2010. Metode ini menggunakan alat reflektometer untuk mengukur derajat putih pada pulp yang dibuat dalam bentuk lembaran. Serbuk dibuat dalam bentuk lembaran kemudian lembaran ini akan memantulkan cahaya yang diukur dan dinyatakan dalam persen.

Selulosa mikrokristal hasil isolasi menghasilkan derajat putih sebesar 84,64%. Adanya sisa kandungan lignin yang terdapat pada selulosa hasil isolasi menyebabkan warna selulosa menjadi kurang putih karena lignin berikatan dengan selulosa sehingga nilai derajat putih yang didapat tidak optimal11.

Kualitas MCC dapat ditentukan dengan pengujian bilangan permanganat untuk mengetahui kadar lignin yang masih terkandung sebagai pengotor dalam sampel yang berpengaruh terhadap kemurniannya. Pengujian bilangan permanganat dilakukan terhadap pulp dengan kadar lignin dibawah 6%. Hasil perhitungan bilangan permanganat MCC yaitu 2,018%, hal tersebut menunjukkan bahwa selulosa mikrokristal yang dihasilkan masih memiliki kandungan lignin. Lignin yang terkandung dalam serat rami diurai melalui proses delignifikasi dan terlarut di dalam natrium hidroksida 25%, sisa lignin dan karbohidrat yang tidak terurai sempurna dan masih tersisa di pulp12.

Uji cemaran mikroba dilakukan dengan metode total plate count untuk melihat pertumbuhan mikroba melalui jumlah koloni bakteri dan jamur. Media yang digunakan adalah Plate Count Agar (PCA) untuk melihat total mikroba dalam suatu sampel. Cemaran bakteri harus tidak lebih besar dari 1000 cfu/g terhadap bakteri aerob, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Salmonella sp. Sedangkan untuk uji cemaran jamur, digunakan media Potatoes Dextrosae Agar (PDA) karena nutrisinya cocok untuk pertumbuhan jamur ataupun ragi. Cemaran jamur harus tidak lebih besar dari 100 cfu/g terhadap Molds dan Yeasts. Pengujian selulosa mikrokristal hasil isolasi tidak terdapat pertumbuhan cemaran mikroba. Adanya proses pemanasan pada suhu tinggi dengan spray dry dapat memungkinkan kecilnya pertumbuhan bakteri dan jamur7.

MCC umumnya digunakan sebagian besar untuk bahan baku obat, cemaran logam berat diuji untuk menentukan kandungan yang terdapat pada sampel. Logam yang diuji sesuai yang dipersyaratkan dalam SNI 01-2896-1998 seperti kadmium (Cd), merkuri (Hg), timah (Sn) dan timbal (Pb). Pengujian kandungan logam berat menggunakan instrumen Absorption Atomic Spectrofotometry.

Hasil cemaran logam MCC yang diuji menggunakan instrumen AAS, semuanya dibawah batas persyaratan menurut USP 37-NF 32. Kadmium (Cd), merkuri (Hg), timah (Sn) dan timbal (Pb) merupakan logam berat yang tidak baik bagi tubuh manusia bila dikonsumsi, kadar timbal yang terkandung didalam MCC dapat berasal dari bahan bakunya yaitu tanaman rami yang dipengaruhi dari lingkungan tempat tanaman rami tumbuh, baik berasal dari kandungan tanah maupun polusi udara.

Simpulan

Selulosa mikrokrstal hasil isolasi menunjukan hasil karakterisasi fisikokimia terkait laju alir, kompresibilitas, faktor hausner dan sudut diam lebih kecil dari selulosa mikrokrstal komersial (Avicel® PH 102). Selulosa mikrokrital hasil isolasi tanaman rami memenuhi spesifikasi pharmaceutical grade.

Daftar Pustaka

  1. Rowe RC, Sheskey PJ, dan Quinn ME. Handbook of Pharmaceutical Excipient, 6th Edition. USA: American Pharmacist Association; 2009.
  2. Siregar, C.J.P. dan Wikarsa, S. Teknologi Farmasi Sediaan Tablet: Dasar-Dasar Praktis. Jakarta: EGC; 2010.
  3. Department of Health and Human Services US. The United States Pharmacopoeia, Thirtieth Revision- The National Formulary, Twenty-Fifth Edition. Rockville, Maryland: United States Pharmacopoeial Convention, Inc; 2008.
  4. Jolandraw, T. Karakterisasi Selulosa Mikrokristal dari Tanaman Rami (Boehmeria nivea L. Gaud.) sebagai Eksipien Sediaan Farmasi (skripsi). Bandung: Universitas Padjadjaran; 2013.
  5. Karim, R. Pengaruh Variasi konsentrasi Natrium Hidroksida terhadap pembuatan Selulosa mikrokristal dari tanaman rami (Boehmeria nivea, L. Gaud.) Sebagai Eksipien Sediaan Farmasi (skripsi). Bandung: Universitas Padjadjaran; 2014.
  6. Apriyanti, Linda. Pengaruh Proses Pengeringan Terhadap Kualitas Selulosa Mikrokristal dari Rami (Boehmeria nivea L. Gaud.) sebagai eksipien farmasi dengan kualitas pharmaceutical grade (skripsi). Bandung : Universitas Padjadjaran; 2017.
  7. Hamisan, A. F., Abd-Aziz dan Kamaruddin: Delignification of oil palm empty fruit bunch using chemical and microbial pretreatment methods, International Journal of Agricultural Research, 2009; 4 (8): 250–256.
  8. Azubuike C.P. dan Okhamafe A.O. Physicochemical, spectroscopic, and thermal properties of microcrystalline cellulose derivied from corn crobs. Int Journal Recycling of Org Waste Agric. 2012; 1(9): 1 – 7.
  9. Ben, E.S. Teknologi Tablet. Padang. Andalas University Press; 2008.
  10. Thoorens, Gregory., Fabrice Krier, Bruno Leclercq, Brian Carlin, Brigitte Evrard. Understanding the impact of microcrystalline cellulose physicochemical properties on tabletability. International Journal of Pharmaceutics. 2015; 490 (1-2), 47–54.
  11. Sagitaria, A. S. Preparasi dan Karakterisasi Selulosa Mikrokristal dari Nata De Soya sebagai Eksipien Tablet dengan Metode Kempa Langsung (skripsi). Bandung: Universitas Padjadjaran; 2011.
  12. Behin, J., Mikaniki, F., dan Fadaei, Z. Dissolving Pulp (alpha-cellulose) from Corn Stalk by Kraft Process, Iranian Journal of Chemical Engineering. 2008; 5 (3): 14-28.