Electronic Theses and Dissertation

Limbah kulit kopi merupakan salah satu hasil samping terbesar dari industri kopi, dengan volume yang sangat signifikan terutama di daerah penghasil seperti Aceh, namun juga dapat dijumpai di berbagai wilayah lain yang terlibat dalam rantai pasok kopi. Sayangnya, limbah ini sering tidak dimanfaatkan secara optimal dan hanya dibuang, sehingga berkontribusi terhadap pencemaran lingkungan. Padahal, kulit kopi kaya akan senyawa bioaktif seperti kafein, fenolik, flavonoid, dan berbagai senyawa volatil yang berpotensi dikembangkan menjadi produk fungsional. Permasalahan utama yang diidentifikasi dalam konteks ini adalah belum tersedianya pendekatan yang terstandardisasi dan terbukti secara ilmiah dalam skala aplikatif untuk mengonversi limbah kulit kopi menjadi produk bernilai tambah seperti cuka fermentasi, khususnya yang mempertimbangkan aspek keberlanjutan, efisiensi biokonversi, dan keamanan pangan. Penelitian ini menawarkan solusi berbasis bioteknologi fermentasi dua tahap (alkoholik dan asetat) untuk mengubah kulit kopi Arabika menjadi cuka fermentasi berkualitas, dengan pendekatan analitis mendalam terhadap dinamika fermentasi dan profil senyawa kimianya.
Tahap pertama dari penelitian ini mencakup karakterisasi kulit kopi Arabika, Robusta, dan Liberika untuk menilai potensi masing-masing sebagai bahan baku fermentasi cuka berdasarkan parameter fisikokimia, fitokimia, profil senyawa volatil, dan aktivitas bioaktif. Tujuannya adalah menentukan varietas yang paling potensial yang akan digunakan pada tahap fermentasi cuka. Metode yang digunakan meliputi analisis proksimat, uji aktivitas antioksidan (IC₅₀, metode DPPH), dan identifikasi senyawa volatil menggunakan GC-MS dengan pelarut heksana dan etanol. Hasil menunjukkan bahwa Robusta memiliki kadar protein (6,0%) dan serat kasar (38,7%) tertinggi, sementara Liberika unggul pada kadar lemak (5,9%) dan antioksidan (IC₅₀ = 9,1 µg/mL). Arabika, meskipun memiliki aktivitas antioksidan lebih rendah (IC₅₀ = 26,89 µg/mL), menonjol dalam profil aroma, dengan senyawa utama seperti α-guaiene, azulene, dan trans-caryophyllene. Visualisasi heatmap dan dendrogram menunjukkan Arabika memiliki keragaman senyawa volatil yang paling kompleks, menjadikannya dipilih sebagai varietas terbaik untuk fermentasi tahap selanjutnya.
Tahap kedua penelitian ini mencakup optimasi fermentasi dua tahap (alkoholik dan asetat) pada kulit kopi Arabika dengan tujuan mendapatkan kombinasi perlakuan terbaik dari aspek kimia dan mikrobiologis. Perlakuan yang diuji terdiri dari dua konsentrasi ragi S. cerevisiae (5% dan 10%) serta tiga dosis NPK (0, 5 dan 10 g/L). Parameter yang dianalisis meliputi pengukuran etanol, asam asetat, pH, TPT, jumlah total sel (Total Cell Count /TCC), analisis visual berbasis computer vision, dan uji sensorik. Hasil menunjukkan bahwa perlakuan S₂N₂ (ragi 10%, NPK 5 g/L) memberikan hasil terbaik dengan produksi etanol tertinggi (11,04% pada hari ke-20) dan asam asetat maksimal (5,51% pada hari ke-30), mengikuti model logistik (R² = 0,982) dan model inhibisi produk (Ki = 2,86). TCC menunjukkan dominasi ragi pada fase alkoholik (>7,2 log CFU/mL) dan bakteri asam asetat pada fase akhir (>6,9 log CFU/mL). Dari sisi visual, S₂N₂ memiliki brightness 179,49 dan kekeruhan 49,81. Namun demikian, secara sensorik, perlakuan S1N₁ justru memperoleh skor preferensi lebih tinggi untuk atribut warna dan aroma, masing-masing 3,30 dan 3,15 pada skala 4. Skor ini menunjukkan tingkat kesukaan yang relatif tinggi dan stabil di antara panelis, mencerminkan persepsi visual dan aroma yang lebih menyenangkan meskipun kandungan etanol dan asam asetatnya tidak setinggi S₂N₂. Cuka yang diproduksi dalam kondisi terbaik ini telah memenuhi standar kualitas minimum sesuai dengan SNI 01-4370-1996 dan Codex Alimentarius (CODEX STAN 299-2010) pada kondisi optimal.
Tahap ketiga mencakup pemetaan transformasi senyawa kimia selama fermentasi kulit kopi Arabika menggunakan metode GC-MS untuk senyawa volatil dan LC-MS untuk senyawa non-volatil, dengan tujuan mengidentifikasi perubahan komposisi kimia yang berkontribusi terhadap profil fungsional dan sensorik cuka. Analisis GC-MS menunjukkan pergeseran senyawa utama dari 1(2H)-naphthalenon (28,44%), α-guaiene (10,92%), dan azulene (15,36%) yang memberikan aroma earthy, woody, dan floral menjadi dominasi asam asetat (39,76%), asam oleat (14,89%), dan amida seperti dodecanamide (7,84%) dan 9-octadecenamide (3,86%) yang memberi aroma tajam khas cuka hasil fermentasi. LC-MS mendeteksi penurunan jumlah senyawa non-volatil dari 34 (pada kulit kopi) menjadi 25 (pada cuka), termasuk penurunan kafein dari 56,24% menjadi 48,38% dan α-linolenic acid sebesar 31%. Sebaliknya, muncul senyawa baru seperti methoxypyrazines (2,02%), deoxyandrographolide (19,88%), dan tetrol 2-glucoside (13,02%) yang berkontribusi pada aktivitas antioksidan dan aroma khas fermentasi. Analisis multivariat melalui PCA dan k-means clustering mengelompokkan senyawa menjadi tiga klaster utama: senyawa asli kulit kopi Arabika, senyawa transisional, dan senyawa khas pasca fermentasi, menegaskan adanya jalur biokonversi mikroba selama fermentasi dua tahap.
Secara keseluruhan, penelitian ini berhasil menunjukkan bahwa kulit kopi Arabika dapat diubah menjadi produk fermentasi bernilai tinggi seperti cuka melalui proses fermentasi dua tahap. Proses ini tidak hanya mempertahankan senyawa bioaktif penting seperti kafein dan asam aminobenzoat, tetapi juga menghasilkan senyawa baru yang berpotensi sebagai antioksidan dan antimikroba, sebagaimana didukung oleh literatur.
Meskipun varietas lain seperti Robusta dan Liberika tidak diuji lebih lanjut dalam proses fermentasi, karakterisasi awal menunjukkan bahwa keduanya juga memiliki kandungan bioaktif yang menjanjikan. Temuan ini membuka peluang penelitian lanjutan dan pemanfaatan limbah pertanian secara berkelanjutan dalam pengembangan produk nutraseutikal berbasis kulit kopi.

Coffee pulp is one of the major by-products of the coffee industry, with particularly high volume in coffee-producing regions such as Aceh, but it can also be found in various other areas involved in the coffee supply chain. Unfortunately, this waste is often underutilized and merely discarded, contributing to environmental pollution. In fact, coffee pulp is rich in bioactive compounds such as caffeine, phenolics, flavonoids, and various volatile compounds with great potential to be developed into functional products. The main issue identified in this context is the lack of a standardized and scientifically validated approach at an applicative scale to convert coffee pulp into high-value products such as fermented vinegar, especially those that consider sustainability, bioconversion efficiency, and food safety. This study offers a solution based on a two-stage fermentation biotechnology (alcoholic and acetic) to transform Arabica coffee pulp into high-quality fermented vinegar, with an in-depth analytical approach to fermentation dynamics and compound profiling. The first stage of the study involved characterizing Arabica, Robusta, and Liberica coffee pulps to evaluate their potential as raw materials for vinegar fermentation based on physicochemical parameters, phytochemical contents, volatile compound profiles, and bioactive properties. The objective was to determine the best variety for use in the subsequent fermentation process. Methods employed included proximate analysis, antioxidant activity assay (IC₅₀ using the DPPH method), and volatile compound identification using GC-MS with hexane and ethanol solvents. The results showed that Robusta had the highest protein (6.0%) and crude fiber content (38.7%), while Liberica had the highest fat content (5.9%) and antioxidant activity (IC₅₀ = 9.1 µg/mL). Arabica, although having lower antioxidant activity (IC₅₀ = 26.89 µg/mL), stood out in its aroma profile, dominated by compounds such as α-guaiene, azulene, and trans-caryophyllene. Heatmap and dendrogram visualizations revealed that Arabica had the most complex diversity of volatile compounds, making it the best candidate for the next fermentation stage. The second stage involved optimizing the two-stage fermentation (alcoholic and acetic) of Arabica coffee pulp to obtain the best treatment combination in terms of chemical and microbiological characteristics. Treatments tested included two concentrations of S. cerevisiae yeast (5% and 10%) and three doses of NPK fertilizer (0, 5, and 10 g/L). Parameters measured included ethanol, acetic acid, pH, total soluble solids (TSS), total cell count (TCC), computer vision-based visual analysis, and sensory evaluation. The results showed that the S₂N₂ treatment (10% yeast, 5 g/L NPK) yielded the highest ethanol production (11.04% on day 20) and maximum acetic acid concentration (5.51% on day 30), following a logistic model (R² = 0.982) and product inhibition model (Ki = 2.86). TCC analysis showed the dominance of yeast during the alcoholic phase (>7.2 log CFU/mL) and acetic acid bacteria in the final phase (>6.9 log CFU/mL). Visually, S₂N₂ exhibited a brightness value of 179.49 and turbidity of 49.81. However, from a sensory standpoint, S1N₁ was more preferred, achieving higher scores for color (3.30) and aroma (3.15) on a 4-point scale. These scores indicate a relatively high and consistent preference among panelists, reflecting a more pleasant visual and aromatic perception despite S₂N₂ having higher ethanol and acid content. The vinegar produced under optimal conditions met the minimum quality standards as defined by SNI 01-4370-1996 and Codex Alimentarius (CODEX STAN 299-2010). The third stage of the study involved mapping the chemical transformation during Arabica coffee pulp fermentation using GC-MS for volatile compounds and LC-MS for non-volatile compounds, aiming to identify compositional changes contributing to the functional and sensory properties of the vinegar. GC-MS analysis showed a shift in dominant compounds from 1(2H)-naphthalenone (28.44%), α-guaiene (10.92%), and azulene (15.36%) contributing earthy, woody, and floral aromas to acetic acid (39.76%), oleic acid (14.89%), and amides such as dodecanamide (7.84%) and 9-octadecenamide (3.86%), which provide the sharp aroma characteristic of fermented vinegar. LC-MS analysis detected a reduction in non-volatile compounds from 34 (in raw pulp) to 25 (in vinegar), including a decrease in caffeine from 56.24% to 48.38% and α-linolenic acid by 31%. Conversely, new compounds emerged such as methoxypyrazines (2.02%), deoxyandrographolide (19.88%), and tetrol 2-glucoside (13.02%), contributing to antioxidant activity and characteristic fermentation aroma. Multivariate analysis via PCA and K-means clustering grouped the compounds into three major clusters: original compounds in Arabica coffee pulp, transitional compounds, and post-fermentation-specific compounds, confirming the microbial bioconversion pathway during the two-stage fermentation process. Overall, this study successfully demonstrated that Arabica coffee pulp can be transformed into a high-value fermented product such as vinegar through a two-stage fermentation process. This process not only preserves important bioactive compounds such as caffeine and aminobenzoic acid but also generates new compounds with potential antioxidant and antimicrobial properties, as supported by existing literature. Although other varieties such as Robusta and Liberica were not further investigated in the fermentation stage, initial characterization revealed that both also possess promising bioactive content. These findings open opportunities for future research and the sustainable utilization of agricultural waste in the development of nutraceutical products derived from coffee pulp.